今回は令和4年度上期 電力科目 A問題1を解説します。水力発電に関する5つの記述（磁極数、AVRと調速機、吸出し管、遠隔監視制御、カプラン水車）のうち、誤っているものを選ぶ問題です。
吸出し管（ドラフトチューブ）は反動水車（フランシス・カプラン）専用です。ペルトン水車は衝動水車でランナが大気中にあるため吸出し管は使いません——この区別が最大のポイントです。
令和4年度上期 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4年度上期 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4年度上期 A問題1
水力発電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）水車発電機の回転速度は、汽力発電と比べて小さいため、発電機の磁極数は多くなる。
（2）水車発電機の電圧の大きさや周波数は、自動電圧調整器や調速機を用いて制御される。
（3）フランシス水車やペルトン水車などで用いられる吸出し管は、水車ランナと放水面までの落差を有効に利用し、水車の出力を増加する効果がある。
（4）我が国の大部分の水力発電所において、水車や発電機の始動・運転・停止などの操作は遠隔監視制御方式で行われ、発電所は無人化されている。
（5）カプラン水車は、プロペラ水車の一種で、流量に応じて羽根の角度を調整することができるため部分負荷での効率の低下が少ない。
出題のポイント：吸出し管は反動水車に用いる
吸出し管を用いるのは、水がランナ出口から放水面まで連続する反動水車です。フランシス水車やカプラン水車には用いますが、大気中の自由噴流で回る衝動水車のペルトン水車には用いません。この適用範囲の違いから、誤っている選択肢を判定します。
誤りは(3)：ペルトンに吸出し管は付かない
吸出し管（ドラフトチューブ）は反動水車の部品——衝動水車であるペルトンには使えません。
| ★反動水車 | ★衝動水車（ペルトン） | |
| ランナの周り | ★水で満たされている | ★空気中（大気圧） |
| 出口の圧力 | ★下げられる | 大気圧のまま |
| 吸出し管 | ★使う | ★使えない |
ペルトンのランナは空気中で回っています——バケットに当たった水は、そのまま下に落ちるだけ。管でつないでも、水がつながっていないので吸い出せません。
だからペルトンは、放水面より上に置く——ランナから放水面までの落差は、はじめから捨てていることになります。
「フランシス水車やペルトン水車などで用いられる」と並べた点が誤り——フランシスだけなら正しい記述です。
吸出し管の働き
ランナ出口から放水面までを、水で満たしたまま広げていく管——2つの効果があります。
| 効果 | 仕組み |
| ★位置水頭の回収 | ★ランナ出口を負圧にして、放水面までの落差を使えるようにする |
| ★速度水頭の回収 | ★末広がりの形で流速を落とし、圧力に戻す |
管の中の水がつながっていれば、下の水面が引っ張ってくれます——ストローで水を吸うのと同じ理屈です。ランナ出口の圧力が大気圧より下がることになります。
出口を細いままにすると、水が持っている運動エネルギーを捨てることになります——末広がりにして流速を落とせば、その分が圧力に変わるのです。
吸出し高さには限界がある
大気圧が水を支えられるのは約10 m まで——それ以上高くすると、圧力が水蒸気圧を下回ります。
そうなると水が沸騰して気泡が生じる＝キャビテーション——だから吸出し高さは実際には5〜7 m 程度に抑えられます。長くすればするほど得だ、とはいかないのです。
(5) カプラン水車の可動羽根
| 水車 | 羽根 | 部分負荷での効率 |
| プロペラ | 固定 | ★大きく落ちる |
| ★カプラン | ★流量に応じて角度を変える | ★落ちにくい |
プロペラ水車は羽根の角度が固定——設計した流量から外れると、水が羽根に当たる角度がずれます。効率が急に落ちることになります。
カプランは羽根を動かして、常に最適な角度を保ちます——ガイドベーンと連動させるのです。流量が変わる河川で使いやすい理由になります。
⚠️ よくある間違い
(3)を「吸出し管の説明として正しい」と流してしまう——後半の「水車ランナと放水面までの落差を有効に利用し、出力を増加する」は正しいのです。
誤りは前半の水車名——「ペルトン水車などで用いられる」という部分。衝動水車には付きません。
正誤問題では、記述の一部だけが誤っているのがふつう——全体の説明が合っていても、主語や適用範囲が違えば誤りです。
(1)(2)(4)(5)はすべて正しい——磁極数・AVR と調速機・無人化・カプランはこの型の問題で繰り返し出る定番です。
⏱️ 本番での進め方
①★吸出し管は反動水車専用。ペルトンには付かない。
②理由：ペルトンのランナは空気中で回っている。
③効果は位置水頭と速度水頭の回収。
④★水車名が並んだ記述は、全部が当てはまるか確認する。
💡 覚え方
「水がつながっていないと吸い出せない」——ペルトンに吸出し管が付かない理由です。吸出し高さの限界は大気圧の10 m——実際は5〜7 m に抑えます。
反動水車と衝動水車の違いは平成22年度 A問題1（水力：衝動水車は位置水頭を速度水頭に）、キャビテーションは平成29年度 A問題2（水車のキャビテーション）にあります。
(4) 水力発電所の無人化
我が国の水力発電所は、そのほとんどが無人——遠隔監視制御方式で運転されています。
| 方式 | 内容 |
| ★遠隔監視制御 | ★制御所から起動・停止・出力調整まで行う |
| ダム集中制御 | 1つの制御所が流域の複数発電所をまとめて運転 |
| 自動運転 | 水位や需要に応じて自動で起動・停止 |
水力発電所は山間部にあることが多い——人を常駐させる負担が大きいのです。
そのうえ、燃料を投入する工程がなく、起動・停止や出力調整を自動化しやすいため、遠隔監視制御に適しています。
一般に汽力発電より起動が速く、需要変動への追従性にも優れることも、遠隔・自動運転に適する理由です。
(2) AVR と調速機の役割分担
| 装置 | 制御するもの | 操作する対象 |
| ★AVR（自動電圧調整器） | ★電圧の大きさ | ★界磁電流 |
| ★調速機（ガバナ） | ★周波数（回転速度） | ★水車への流量 |
電圧は界磁で、周波数は流量で——まったく別系統の制御です。この分担を混同する選択肢が、他の年度でもよく出ます。
正誤判定の進め方
5つの記述のうち、水車の名前が並んでいるのは(3)だけ——適用範囲を確認します。
| 記述 | 内容 | 判定 |
| (1) | 水車発電機は低速で多極 | 正しい |
| (2) | 電圧はAVR、周波数は調速機 | 正しい |
| ★(3) | ★吸出し管はフランシスやペルトンで用いる | ★誤り |
| (4) | 遠隔監視制御で無人化 | 正しい |
| (5) | カプランは羽根の角度を変えられる | 正しい |
「AやBなどで用いられる」という言い回しに注意——並んだものが全部当てはまるとは限りません。
吸出し管の説明自体は正しいのですから、誤りを探すなら水車名しかない——そう見当をつけて読めば、ペルトンに引っかかれます。
反動水車と衝動水車の見分け
| 反動水車 | 衝動水車 | |
| 代表 | フランシス・プロペラ・カプラン・斜流 | ★ペルトン・クロスフロー |
| ランナ | 水に浸かっている | ★空気中 |
| 吸出し管 | あり | ★なし |
| ポンプ水車 | 使える | ★使えない |
反動水車はランナ内を満水・加圧状態で流れ、ランナ内でも圧力が変化します。一方、衝動水車はノズルで得た自由噴流を大気中のランナに当てます。吸出し管の有無は、この流れの違いから判断できます。
吸出し管の形
単なる管ではなく、下に向かって広がる形——これが速度水頭を回収する仕掛けです。
| 形式 | 特徴 |
| ★直円錐形 | ★まっすぐ下へ広がる。効率がよい |
| エルボ形 | ★途中で横に曲げる。掘削を浅くできる |
大きな水車では、まっすぐ下に伸ばすと掘削が深くなりすぎます——だから途中で曲げるのです。
曲げれば損失は増えますが、建設費が下がる——ここでも設備と費用の折り合いが問われます。
広がり方も急にはできません——急に広げると流れが壁から剥がれて渦になるからです。ゆるやかに広げてこそ、速度水頭が圧力に戻ります。
吸出し管は「ただの排水管」ではなく、ランナ出口の速度水頭を回収し、有効落差を利用する重要な部品です。
まとめ
| (3)誤り | 吸出し管は反動水車用。ペルトン（衝動）には使わない |
| (1) | 低速→N=120f/pで磁極数多い（正） |
| (2) | AVRで電圧・調速機で周波数（正） |
| (4) | 遠隔監視制御方式で無人化（正） |
| (5) | カプランは可動羽根で部分負荷に強い（正） |
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