電験3種（電力）で出題される水力発電所の水車の種類に関する試験対策と過去問題を解説します。
水車の種類
出典:資源エネルギー庁 https://www.enecho.meti.go.jp/category/electricity_and_gas/electric/hydroelectric/mechanism/waterwheel/
主な水車の種類は以下のとおり。
衝動水車
水をノズルから噴出させ、水の位置エネルギーを運動エネルギーに変換し、流水をランナに作用させ、その反動力により水車が回転します。つまり、速度水頭を利用した水車です。
(例)ペルトン水車、クロスフロー水車など
反動水車
水の位置エネルギーを圧力エネルギーに変換し、流水をランナに作用させます。つまり、圧力水頭を利用して発電。します。
(例)フランシス水車、プロペラ水車、斜流水車など
ペルトン水車
水圧管路に導かれた流水をノズルから噴出させ、水車の先端についたランナバケットにあてたときの衝動力でランナでを回転させます。ノズルから噴出する水の量を調節して、出力を簡単に調整できます。高落差(200m以上)で流量の比較的少ない地点に用いられ、比速度は小さいです。
フランシス水車
水を取り込むケーシング（渦形室）の中に羽根車（ランナー）を設置し、そこを流れる水の圧力により回転させる(ランナに流入した水がランナを出るときに軸方向に向きを変える)。最も一般的な水車です。中高落差用(40m～500m)に使われています。同一出力のフランシス水車を比較すると、落差が高い地点に適用する水車の方が低い地点に適用するものより比速度が小さく、ランナの形状が扁平になります。
プロペラ水車
ランナを通過する流水が軸方向で、ランナには扇風機のような羽根がついています。流量が多く低落差の発電所で使用される。近年の地球温暖化防止策として、農業用水・上下水道・工業用水など少水量と低落差での発電が注目されており，代表的なものにクロスフロー水車がある。
カプラン水車
プロペラ水車の羽根を可動できるようにしたもの。流量の変化に応じて羽根の角度を変えて効率がよい運転ができる。
水車の付帯設備
調速機(ガバナー)
水車(電動機)の回転速度(周波数)を一定に調整。調速機で周波数を一定に保つ運転を「ガバナフリー運転」といい、周波数が上昇したら水量を減らして周波数を一定に保つ(減少したら水量を増やす)。発電機が系統に並列するまでは水車の回転速度を制御し、並列後は出力を調整し、事故時には回転速度の異常な上昇を防止する。
調速機は回転速度を検出し、既定値を保つようにペルトン水車はニードル弁、フランシス水車はガイドベーンの開度を調整する。
自動電圧調整器
水車発電機の出力電圧の大きさを一定に保持する装置。
ガイドベーン(案内羽根)
開度でランナに流入する水の流量を変化させ、水車の出力を調整する。
吸出し管
フランシス水車で用いられ、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(衝動水車であるペルトン水車には吸出し管がない)。
水車発電機
突極形で回転界磁形の三相同期発電機が主に用いられている。落差を有効に利用するために、水車を発電機の下方に直結した立軸形にすることも多い。
速度調定率(暗記不要)
$R=\frac{\frac{N_2-N_1}{N_n}}{\frac{P_2-P_1}{P_n}\times 100}$
回転速度(変化前)：$N_1[min-1]$
回転速度(変化後) ：$N_2[min-1]$
回転速度(定格) ：$N_n[min-1]$
出力(変化前) ：$P_1[kW]$
出力(変化後) ：$P_2[kW]$
出力(定格) ：$P_n[kW]$
速度調定率の計算式は過去の出題では事前に提示されている(暗記不要)
比速度
水車の形状と運転状態(水車内の流れの状態)を相似に保って大きさを小さくし、単位落差(1m)で単位出力(1kW)を発生させるときの回転速度。水車では、ランナの形状や特性を表すものとして「比速度」が指標に用いられる。水車の種類に応じた適切な比速度の範囲と、その比速度に適した有効落差が存在する。一般的に、ペルトン水車の比速度は、フランシス水車の比速度より小さい。比速度の大きな水車を大きな落差で使用し、吸出し管を用いると、放水速度が大きくなって、キャビテーションが生じやすくなる。比速度が大きいほど、発電機や水車を小型化することが可能となるが、流水とランナの相対速度が増大し、効率低下やキャビテーション発生、振動・騒音などの問題が生じる可能性がある。水車の特性を推測する指標として用いられる。
水車の定格回転数 $n[min^{−1}]$、出力$P[kW]$ 、有効落差 $H[m]$ のとき、比速度 $ns[m\cdot kW]$ は以下の式で計算される。
$n_s = n\frac{P^{\frac{1}{2}}}{H^{\frac{5}{4}}}$ <
キャビテーション
運転中の水車の流水経路中のある点で圧力が低下し、そのときの最低流速以下になると、その部分の水は蒸発して流水中に微細な気泡が発生する。その気泡が圧力の高い箇所に到達すると押し潰され消滅する現象。水車にキャビテーションが発生すると、ランナやガイドベーンの壊食、効率の低下、振動や騒音の増大など水車に有害な現象が現れる。キャビテーションの防止対策としては、「吸出し管の高さを高くする」「ランナの形状を見直す」「水車の比速度を下げる」「壊食に対し、強い材料を使用する」などがある。
突極機・鉄機械(水力)
水車発電機の回転速度は約 $100[min^{−1}]$ ～ $1200[min^{−1}]$ とタービン発電機より低速であるため、商用周波数 $50/60[Hz]$ を発生させるために磁極を多くとれる「突極機」を用いる。大形機では据付面積が小さく、落差を有効に使用できる立軸形が用いられることが多い。タービン発電機に比べ、直径が大きく軸方向の長さが短い。
円筒機・銅機械(火力)
火力発電所に用いられるタービン発電機は回転速度が水車に比べ非常に高速なため、2極機や4極機が用いられ、大きな遠心力に耐えるよう、直径が小さく軸方向に長い横軸形の「円筒機」が用いられる。界磁巻線を施す場所が制約され，大きな出力を得るためには電機子巻線の導体数が多いために銅量が多い(銅機械となる)。
汽力発電との比較
水車発電機は、汽力発電よりも回転速度が小さく、発電機の磁極数は多い。
極数p、系統の周波数fのとき、同期発電機の同期速度$N_s$ は、$ N_s=\frac{120f}{p} $となるので、回転速度が小さくなるほど極数が大きくなる。よって、水車発電機は汽力発電よりも回転数が小さいため、極数は大きくなる。
【令和6年度下期・問1】水力発電の基礎
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) 電圧の大きさや周波数は，自動電圧調整器と調速機を用いて制御される。
(2) 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。
(3) 発電所で発電された電力は，発電電圧を主変圧器で昇圧した後，送電される。この主変圧器には発電機側に Y 結線，系統側にΔ結線のものが多く用いられる。
(4) ペルトン水車は，水の衝撃力で回転する衝動水車の一つである。
(5) 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。
解説
正解は(3)です。
水力発電設備および水車の特性に関する問題です。
(1) 正しい。発電機の電圧は自動電圧調整器（AVR）で、周波数（回転速度）は調速機（ガバナ）によって制御されます。
(2) 正しい。カプラン水車はプロペラ水車の一種で、ガイドベーンの開度に合わせてランナ羽根の角度を変えられるため、部分負荷時でも高い効率を維持できます。
(3) 誤り。一般に、発電所の主変圧器（昇圧用）は、発電機側をΔ結線、系統（送電線）側をY結線（中性点接地のため）にする構成が多く用いられます。
(4) 正しい。ペルトン水車は、ノズルから噴射した水の衝撃力を利用して回転する代表的な衝動水車です。
(5) 正しい。水車発電機は汽力発電（タービン発電機）に比べて回転速度が遅いため、同じ周波数を得るために磁極数を多くする必要があります。
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