電験三種 令和6年度上期 電力 問1｜発電（水力発電）

電験三種「電力」の「発電（水力発電）」に関する問題（令和6年度上期 問1）。正答は(3)です。

ペルトン水車を緊急停止させる際は、ニードル弁は水撃作用（ウォーターハンマー）を避けるため「ゆっくり」閉じ、噴流を瞬時に遮断する役割はデフレクタが担います。(3)は「ニードル弁で噴流を急速に止めると同時にデフレクタを停止位置にする」としており、ニードル弁を急速に閉じるとした点が誤りです。(1)(2)(4)(5)は水車の種類・構造・小水力発電の特徴として正しく、正答は(3)です。

【水力発電所に関する各選択肢の検討】（令和6年度上期 問1）

(1) 正しい：衝動水車にはペルトン水車などがある。

(2) 正しい：ペルトン水車の水圧管先端のノズル内にはニードル弁があり、通常運転時は出力変化に応じて流量を調整する。

(3) 誤り：緊急停止時は、水撃作用（急な水の停止による圧力上昇）を防ぐためニードル弁は「ゆっくり」閉じる一方、デフレクタで噴流をランナから瞬時にそらして出力を即座に落とす。選択肢は「ニードル弁で噴流を急速に止める」としている点が誤り。

(4) 正しい：小水力発電は流れ込み式・水路式が多く、農業用水・上下水道など低落差・少流量のエネルギーも活用する。

(5) 正しい：クロスフロー水車は円筒状ランナに直角方向から流水が流入・貫通する構造で、ガイドベーンにより低流量時も効率低下が小さい。

誤っているものは(3)。

【ペルトン水車の緊急停止における水撃作用対策】（令和6年度上期 問1）

ペルトン水車は、水圧管で導かれた高圧水をノズルから噴射し、その噴流の運動エネルギーでランナ（バケット）を回転させる衝動水車である。ノズル内のニードル弁は、通常運転時には出力の変化に応じて噴流の流量をなめらかに調整する役割を持つ。

問題は、事故や系統故障などで発電機を緊急に停止させる必要が生じた場合である。もしニードル弁を急速に閉じて噴流を一気に止めようとすると、水圧管内を流れていた大量の水が急に流れを止められることで、管内に急激な圧力上昇（水撃作用・ウォーターハンマー）が発生し、水圧管や弁を損傷させる危険がある。そのため、緊急停止時でもニードル弁自体は水撃作用を抑えるために比較的「ゆっくり」と閉じる設計になっている。

一方で、発電機の出力は事故時にはできるだけ速く落とす必要がある。この「出力は即座に落としたいが、水の流れは急には止められない」という矛盾を解決するのがデフレクタである。デフレクタは、ニードル弁がゆっくり閉じていく間、噴流の進路をランナの前に割り込ませて遮り、噴流がランナに当たらない位置（停止位置）に向けることで、ランナへの入力エネルギーを瞬時にほぼゼロにする。つまり「弁はゆっくり、デフレクタは瞬時」という役割分担が、水撃作用を避けながら出力を素早く落とすための設計上の工夫である。

本問の選択肢(3)はこの役割分担を取り違え、「ニードル弁で噴流を急速に止める」としている点で誤りとなる。小水力発電（流れ込み式・水路式、クロスフロー水車など）の特徴は、本問では正しい記述として並べられており、ペルトン水車の緊急停止機構という中規模以上の水力発電の論点と対比的に出題されている。