今回は令和2年度 電力科目 A問題1を解説します。ダム水路式発電所における水撃作用とサージタンクに関する5つの記述のうち、誤っているものを選ぶ問題です。
サージタンクは水面の昇降で水撃作用（圧力変動）を吸収する装置です。したがって上部は大気に開放された構造でなければ機能しません——「密閉構造」という記述に反応できるかがポイントです。
令和2年度 電力科目 A問題1：問題文と選択肢
まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。
出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「令和2年度 第三種電気主任技術者試験」電力科目 A問題1
電験3種 電力科目 【水力】 令和2年度 A問題1
ダム水路式発電所における水撃作用とサージタンクに関する記述として、誤っているものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
（1）発電機の負荷を急激に遮断又は急激に増やした場合は、それに応動して水車の使用水量が急激に変化し、流速が減少又は増加するため、水圧管内の圧力の急上昇又は急降下が起こる。このような圧力の変動を水撃作用という。
（2）水撃作用は、水圧管の長さが長いほど、水車案内羽根あるいは入口弁の閉鎖時間が短いほど、いずれも大きくなる。
（3）水撃作用の発生による影響を緩和する目的で設置される水圧調整用水槽をサージタンクという。サージタンクにはその構造・動作によって、差動式、小孔式、水室式などがあり、いずれも密閉構造である。
（4）圧力水路と水圧管との接続箇所に、サージタンクを設けることにより、水槽内部の水位の昇降によって、水撃作用を軽減することができる。
（5）差動式サージタンクは、負荷遮断時の圧力増加エネルギーをライザ（上昇管）内の水面上昇によってすばやく吸収し、そのあとで小穴を通してタンク内の水位をゆっくり通常のタンク内水位に戻す作用がある。
誤りは(3)：サージタンクは大気に開放されている
サージタンクは水面が上下することで圧力を吸収します——密閉していては水位が動けません。
上部が大気に開いているからこそ、水が入ってくれば水位が上がる——その分だけ圧力の逃げ場ができるのです。「いずれも密閉構造である」とする(3)は誤りになります。
サージタンクの3方式
問題文に出てくる差動式・小孔式・水室式——それぞれ工夫の方向が違います。
| 方式 | 構造 | ねらい |
| 単動式（単純） | ただの縦の水槽 | 基本形。水位の振動が長く続く |
| ★小孔式 | ★入口を絞って小さな穴にする | ★水の出入りに抵抗を与えて振動を早く減衰 |
| ★差動式 | ★中央にライザ（上昇管）を立てる | ★素早い吸収と緩やかな復帰を両立 |
| 水室式 | 上下に横長の水室を設ける | タンクの高さを抑えられる |
単純な水槽だと、水位がしばらく上下に揺れ続けます——振り子のような振動です。これを早く止めたいので、抵抗を与えたり形を工夫したりすることになります。
差動式の動き
問題文の(5)が、差動式の動作をそのまま説明しています。
| 段階 | 起きること |
| ①負荷遮断 | 水圧管の水が押し戻される |
| ★② | ★細いライザ内の水位が素早く上昇して圧力を吸収 |
| ★③ | ★小穴を通ってタンク本体へゆっくり移り、水位が戻る |
細い管なら少しの水で水位が大きく上がります——だから応答が速い。その後は小穴でゆっくり調整するので、振動が長引きません。
「速く効かせる」と「静かに収める」を1つの構造で両立——差動式が広く使われる理由です。
(2) 水撃作用が大きくなる条件
2つの条件が挙げられています——どちらも直感的に理解できます。
| 条件 | 水撃作用 | 理由 |
| ★水圧管が長い | ★大きい | ★動いている水の量（質量）が多い |
| ★閉鎖時間が短い | ★大きい | ★急に止めるほど衝撃が強い |
長い管の中を流れる水は、大きな運動量を持っています——それを急に止めれば、行き場を失った勢いが圧力になるのです。
走っている車を急ブレーキで止めると大きな力がかかる——ゆっくり止めれば穏やか。水も同じで、弁をゆっくり閉じれば水撃は小さくなります。
だからペルトン水車の急停止では、ニードル弁をゆっくり閉じる——先にデフレクタで噴流をそらすのです。この2つの問題はつながっています。
⚠️ よくある間違い
(3)を正しいと判断してしまう——「差動式、小孔式、水室式」という具体名が並ぶと、つい信じてしまうのです。
ところが最後に「いずれも密閉構造である」という一句が付いています——ここだけが誤り。記述の後半まで読み切ることが大切です。
「水位の昇降によって水撃作用を軽減する」と(4)にも書かれています——水位が動くなら大気に開いているはず。選択肢どうしを突き合わせても矛盾が見つかります。
正誤判定では、記述の末尾に仕掛けが置かれることが多い——前半が正しくても油断しないことです。
⏱️ 本番での進め方
①(3)★サージタンクは大気開放。密閉では水位が動けない。
②(2) 管が長いほど・閉鎖が速いほど水撃作用は大きい。
③差動式＝ライザで素早く吸収、小穴でゆっくり復帰。
④★具体名が並ぶ記述ほど、末尾まで読む。
💡 覚え方
「水位が上下するから圧力を吸える」——だから密閉ではあり得ません。そして「長い管を急に止めるほど水撃は大きい」——急ブレーキと同じだと考えれば忘れません。
ペルトン水車の急停止と水撃作用は令和6年度上期 A問題1（水力：ペルトン水車の急停止と小水力発電）にあります。
サージタンクはどこに置くか
導水路と水圧管のつなぎ目——それがサージタンクの定位置です。
| 区間 | 水の動き | 水撃の影響 |
| 取水口〜サージタンク | ★ゆっくり流れる（導水路） | ★遮断される |
| ★サージタンク〜水車 | ★速く流れる（水圧管） | ★ここだけが水撃を受ける |
水車の弁を閉じると、水圧管の中の水が押し戻されます——その勢いをサージタンクが受け止めるのです。
タンクがなければ、押し戻された圧力は長い導水路まで伝わります——導水路は数 km におよぶこともあるので、動く水の量が桁違いに増えてしまうことになります。
サージタンクを置けば、水撃を受けるのは水圧管の区間だけ——だから水圧管はできるだけ短く設計されるのです。
圧力波は往復する
弁を閉じた圧力波は、管を遡ってタンクに達し、跳ね返って戻ってきます——その往復にかかる時間です。
★1秒で1往復する
閉鎖時間がこの T より短ければ、圧力が最大まで上がりきります——逆に T より長くかければ、跳ね返りが打ち消してくれるのです。
「閉鎖時間を長くする」という対策には、こうした裏づけがあります。
正誤判定の進め方
5つの記述を、確実なものから順に処理します。
| 記述 | 内容 | 判定 |
| (1) | 水撃作用の定義 | 正しい |
| (2) | 管が長いほど・閉鎖が速いほど大きい | 正しい |
| ★(3) | ★サージタンクは「いずれも密閉構造」 | ★誤り |
| (4) | 水位の昇降で水撃を軽減 | 正しい |
| (5) | 差動式の動作 | 正しい |
(4)に「水位の昇降によって」と書かれている——ここが(3)を否定する根拠になります。密閉していたら水位が昇降できません。
選択肢どうしが矛盾していたら、どちらかが誤り——知識があやふやでも、突き合わせだけで絞り込めることがあります。
水撃作用への3つの対策
| 対策 | 方法 | ねらい |
| ★サージタンク | ★導水路と水圧管の間に置く | ★圧力を水位で吸収する |
| ★閉鎖時間を長く | 調速機で弁をゆっくり閉じる | ★流速の変化を緩やかにする |
| デフレクタ | ペルトンで噴流をそらす | 流量を変えずに出力だけ落とす |
どれも「急に止めない」ための工夫——根っこは同じです。1つ理解すれば、残りも自然に思い出せます。
水撃作用が起きる瞬間
負荷が遮断されると、発電機は水を必要としなくなります——そこで弁を閉じるのです。
| 時刻 | 起きること |
| ① | 系統事故などで負荷が消える |
| ② | 調速機が回転上昇を検出し、弁を閉じ始める |
| ★③ | ★水圧管の水が行き場を失い、圧力が急上昇 |
| ④ | サージタンクの水位が上がって吸収する |
止まっている水を動かすときにも同じことが起きます——起動時の圧力低下です。水撃作用は上昇と下降の両方向に起こると押さえておきましょう。
まとめ
| (3)誤り | サージタンクは大気開放（密閉構造ではない） |
| (1) | 水撃作用の定義（正） |
| (2) | 管が長い・閉鎖が速いほど大きい（正） |
| (4) | 接続箇所に設置し水位昇降で軽減（正） |
| (5) | 差動式はライザで吸収し小穴で復帰（正） |
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