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電力科目の配電を扱う。配電方式の比較,単相3線式(中性線電流,中性線断線,バランサ),電圧降下と線路損失(分布負荷を含む),力率改善,柱上変圧器とV結線・灯動共用,電圧調整,非接地方式の地絡,配電線と高圧需要家の保護,ネットワーク方式が対象である。ここに示すのは試験対策用に独自に作成した学習ノートであり,公式の資料ではない。

配電方式と単相3線式

電圧降下と線路損失

力率改善

柱上変圧器とV結線・電圧調整

非接地方式の地絡と配電線保護

高圧需要家の保護とネットワーク方式

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例題 (35)

1. 100/200 V単相3線式配電方式に関する記述として,誤っているものを次のうちから一つ選べ。

  1. 100 Vの負荷と200 Vの負荷の両方に,同じ配電線路から電力を供給できる。
  2. 負荷が平衡していれば中性線に電流は流れず,線路損失を小さくできる。
  3. 中性線には,電圧線と同様に過電流遮断器を施設して過電流から保護する。
  4. 同じ電力を送る場合,単相2線式100 Vより電圧線1線当たりの電流が小さい。
  5. 中性線が断線すると,負荷の不平衡によって軽負荷側の電圧が上昇しうる。

「中性線に過電流遮断器を施設する」は誤りである。中性線の過電流遮断器が動作すると中性線を断線させたのと同じ状態になり,不平衡負荷では軽負荷側に過電圧が加わるため,中性線には過電流遮断器を施設しない。他の記述は,100 V・200 Vの両方を供給できること,平衡時の中性線電流が零であること,電流が単相2線式の1/2になること,断線時の異常電圧を正しく述べている。

2. 100/200 V単相3線式回路で,電源側の中性線が断線した場合の現象に関する記述として,正しいものを次のうちから一つ選べ。ただし,L₁-N間とN-L₂間の負荷は不平衡で,200 Vの負荷はL₁-L₂間に接続されているものとする。

  1. L₁-N間とN-L₂間の負荷には,断線前と同じ大きさの電流が流れ続ける。
  2. L₁-N間とN-L₂間の負荷が直列となり,200 Vが抵抗値に比例して分圧される。
  3. 負荷が不平衡であっても,両側の100 V負荷の電圧はともに100 Vに保たれる。
  4. L₁-L₂間の200 V負荷には,断線前の半分の電圧しか加わらなくなる。
  5. 容量の大きい負荷側の電圧が上昇し,容量の小さい負荷側の電圧が低下する。

中性線が断線すると,L₁-N間とN-L₂間の負荷は直列になってL₁-L₂間の200 Vを分け合い,各負荷の電圧は抵抗値に比例する。容量の小さい負荷ほど抵抗が大きいので,その側の電圧が上昇し,容量の大きい側が低下する(「容量の大きい負荷側が上昇」は逆)。直列になった両負荷には共通の電流 200/(R₁ + R₂) が流れ,不平衡負荷では断線前の電流 100/R₁,100/R₂ のいずれとも異なるので,「断線前と同じ電流が流れ続ける」も誤りである。両側が100 Vに保たれることはなく,L₁-L₂間の200 V負荷は電圧線間に接続されているので中性線の断線の影響を受けない。

3. 100/200 V単相3線式配電線路において,一方の電圧線と中性線との間に40 A,他方の電圧線と中性線との間に25 Aの抵抗負荷が接続されている。中性線に流れる電流の値[A]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。

  1. 65.0
  2. 15.0
  3. 7.50
  4. 32.5
  5. 47.2

抵抗負荷(力率1)なので両側の電流は同相であり,中性線には両側の負荷電流の差が流れる。I_N = 40 − 25 = 15.0 A となる。和をとると65.0 A,平均をとると32.5 A,差をさらに2で割ると7.50 A,直交するベクトルとして√(40² + 25²)とすると47.2 Aとなり,いずれも誤りである。

4. 100/200 V単相3線式配電線路に,L₁-N間に100 V,3 kW,N-L₂間に100 V,2 kW,L₁-L₂間に200 V,4 kWの負荷(いずれも力率1)が接続されている。各負荷には定格電圧が加わっているものとして,中性線に流れる電流の値[A]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。

  1. 10.0
  2. 30.0
  3. 50.0
  4. 20.0
  5. 90.0

各負荷の電流は,L₁-N間3 000/100 = 30 A,N-L₂間2 000/100 = 20 A,L₁-L₂間4 000/200 = 20 Aである。200 V負荷の電流はL₁からL₂へ流れて中性線を通らないので,I_N = 30 − 20 = 10.0 A となる。200 V負荷の電流をL₁側だけに加えて差をとると30.0 A,200 V負荷の電流そのものは20.0 A,L₁の電流は50.0 A,全電力を100 Vで割ると90.0 Aで,いずれも誤りである。

5. 単相3線式配電線路の電源側の電圧は,電圧線L₁と中性線N間,Nと電圧線L₂間ともに105 Vである。電圧線1線当たりの抵抗は0.1 Ω,中性線の抵抗は0.2 Ωで,線路末端のL₁-N間に負荷A(50 A),N-L₂間に負荷B(30 A)が接続されている。負荷はいずれも力率1で電流は一定とし,線路の抵抗以外のインピーダンスは無視する。負荷Aの端子電圧の値[V]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。

  1. 100
  2. 104
  3. 96.0
  4. 90.0
  5. 84.0

中性線には負荷電流の差 50 − 30 = 20 Aが,負荷側から電源側へ流れる。負荷A側の閉路では電圧線と中性線の電圧降下がともに加わるので,V_A = 105 − 0.1 × 50 − 0.2 × 20 = 96.0 V となる。中性線の電圧降下を無視すると100 V,その符号を逆にすると104 V,中性線電流を負荷Aの電流50 Aとすると90.0 V,両負荷電流の和80 Aとすると84.0 Vとなる。

6. 単相3線式配電線路の電源側の電圧は,電圧線L₁と中性線N間,Nと電圧線L₂間ともに105 Vである。電圧線1線当たりの抵抗は0.1 Ω,中性線の抵抗は0.2 Ωで,線路末端のL₁-N間に負荷A(50 A),N-L₂間に負荷B(30 A)が接続されている。負荷はいずれも力率1で電流は一定とし,線路の抵抗以外のインピーダンスは無視する。線路全体の損失の値[W]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。

  1. 340
  2. 1 620
  3. 380
  4. 250
  5. 420

中性線電流は 50 − 30 = 20 Aである。損失は各線のI²Rの和で,0.1 × 50² + 0.1 × 30² + 0.2 × 20² = 250 + 90 + 80 = 420 W となる。中性線の損失を落とすと340 W,中性線電流を和の80 Aとすると1 620 W,中性線の抵抗を電圧線と同じ0.1 Ωとすると380 W,負荷A側の電圧線だけを計算すると250 Wとなる。

7. 100/200 V単相3線式回路のL₁-N間に定格100 V,500 Wの抵抗負荷,N-L₂間に定格100 V,1 kWの抵抗負荷が接続されている。電源電圧はL₁-N間,N-L₂間とも100 Vで一定とする。中性線が電源側で断線したとき,500 Wの負荷に加わる電圧の値[V]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。ただし,負荷の抵抗値は電圧によらず一定とし,線路のインピーダンスは無視する。

  1. 66.7
  2. 100
  3. 200
  4. 173
  5. 133

各負荷の抵抗は R₁ = 100²/500 = 20 Ω,R₂ = 100²/1 000 = 10 Ωである。断線により両者は直列となって200 Vが加わり,500 Wの負荷の電圧は 200 × 20/(20 + 10) ≒ 133 V となる。分圧を逆にとると66.7 V(これは1 kWの負荷の電圧),断線の影響を考えないと100 V,200 Vがそのまま加わるとすると200 V,√3 × 100とすると173 Vとなる。

8. 100/200 V単相3線式回路のL₁-N間に定格100 V,500 Wの抵抗負荷,N-L₂間に定格100 V,1 kWの抵抗負荷が接続されている。電源電圧はL₁-N間,N-L₂間とも100 Vで一定とする。中性線が電源側で断線したとき,500 Wの負荷で消費される電力の値[W]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。ただし,負荷の抵抗値は電圧によらず一定とし,線路のインピーダンスは無視する。

  1. 222
  2. 500
  3. 2 000
  4. 444
  5. 889

R₁ = 100²/500 = 20 Ω,R₂ = 100²/1 000 = 10 Ωが直列に200 Vを受けるので,500 Wの負荷の電圧は 200 × 20/30 ≒ 133.3 Vである。消費電力は 133.3²/20 ≒ 889 W となり,定格の約1.8倍になる。分圧を逆にとった66.7 Vを用いると222 W,定格のままとすると500 W,1 kWの負荷の電力(66.7²/10)と取り違えると444 W,200 Vが加わるとすると2 000 Wとなる。

9. 電圧線1線当たりの抵抗が0.08 Ω,中性線の抵抗が0.12 Ωの100/200 V単相3線式配電線路があり,L₁-N間に70 A,N-L₂間に40 Aの抵抗負荷(力率1)が接続されている。負荷端のL₁-L₂間に,中点を中性線に接続したバランサ(巻数比1:1の単巻変圧器)を設置した。バランサに流れる電流の値[A]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。ただし,負荷電流は一定とし,バランサの損失と励磁電流は無視する。

  1. 30.0
  2. 15.0
  3. 7.50
  4. 110
  5. 55.0

バランサを設けると,電源から見て両電圧線の電流は等しく (70 + 40)/2 = 55 Aとなり,電源側の中性線電流は零になる。L₁側では負荷電流70 Aのうち55 Aを線路が供給し,残りをバランサが補うので,バランサの電流は (70 − 40)/2 = 15.0 A となる。差そのものとすると30.0 A,平均をとると55.0 A,差を4で割ると7.50 A,和とすると110 Aとなる。

10. 電圧線1線当たりの抵抗が0.08 Ω,中性線の抵抗が0.12 Ωの100/200 V単相3線式配電線路があり,L₁-N間に70 A,N-L₂間に40 Aの抵抗負荷(力率1)が接続されている。負荷端のL₁-L₂間に,中点を中性線に接続したバランサ(巻数比1:1の単巻変圧器)を設置した。設置による線路損失の減少量の値[W]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。ただし,負荷電流は一定とし,バランサの損失と励磁電流は無視する。

  1. 108
  2. 628
  3. 144
  4. 484
  5. 36.0

設置前の損失は 0.08 × (70² + 40²) + 0.12 × 30² = 520 + 108 = 628 Wである。設置後は両電圧線の電流が55 A,中性線電流が零となり,損失は 2 × 0.08 × 55² = 484 Wとなる。減少量は 628 − 484 = 144 W である。中性線の損失だけとすると108 W,設置前・設置後の損失そのものは628 W・484 W,電圧線分だけの差をとると36.0 Wとなる。

11. 単相3線式配電線路に設けるバランサに関する記述として,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. 線路の電源側(変圧器の直近)に設置するほど,その効果が大きくなる。
  2. 中性線には接続せず,二つの電圧線の間だけに接続して使用する。
  3. 負荷が平衡しているときに,中性線の電流を増やすように働く機器である。
  4. 設置すると両電圧線の電流の差が大きくなり,線路損失が増加する。
  5. 巻数比1:1の単巻変圧器で,線路の末端(負荷側)に設置して用いる。

バランサは巻数比1:1の単巻変圧器で,中点を中性線に接続して線路の末端に設ける。不平衡電流の差の1/2をバランサが受け持つため,電源から見た両電圧線の電流が等しくなり,中性線電流が零に近づいて電圧の不平衡と線路損失が減る。電源側に設けると線路の不平衡は解消されず,「中性線に接続しない」ではバランサとして働かない。

12. 単相2線式(100 V)と比べた100/200 V単相3線式の特徴に関する記述として,誤っているものを次のうちから一つ選べ。

  1. 負荷が平衡していれば,同じ電線で線路損失を小さくできる。
  2. 200 Vの電気機器を,そのまま接続して使用することができる。
  3. 中性線が断線すると,負荷電圧が不平衡になるおそれがある。
  4. 電線の本数は増えるが,所要電線総量は少なくてすむ。
  5. 同じ電力を供給したとき,電圧降下と線路損失はともに大きくなる。

「電圧降下と線路損失がともに大きくなる」は誤りである。同じ電力・同じ電線で平衡負荷とすると,電圧線の電流は単相2線式の1/2となり,中性線には電流が流れないので,線路損失は1/4,100 V負荷側の電圧降下も1/4となる。200 V機器を使えること,所要電線量が少ないこと,中性線断線による電圧不平衡の危険は正しい。

13. 負荷の電力,線路損失,こう長及び負荷の電圧を等しくして,単相2線式(100 V)と100/200 V単相3線式とを比較する。単相3線式の負荷は平衡しており,中性線は電圧線と同じ太さとする。単相3線式の所要電線総量(重量)は単相2線式の何%か。その値[%]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。

  1. 56.3
  2. 75.0
  3. 25.0
  4. 37.5
  5. 50.0

単相2線式の電流をIとすると,単相3線式の電圧線電流はI/2で中性線電流は零である。損失を等しくする条件 2I²R₂ = 2(I/2)²R₃ から R₃ = 4R₂,断面積は1/4となる。電線は3本対2本なので,3 × (1/4)/2 = 0.375,37.5 %となる。損失を電流に比例するとして断面積を1/2とすると75.0 %,中性線を数えないと25.0 %,中性線にも電流が流れるとして3線分の損失をとると56.3 %,断面積1/2で中性線を数えないと50.0 %となる。

14. 次の文章は,100/200 V単相3線式配電線路の中性線に関する記述である。 抵抗負荷の場合,中性線には両側の負荷電流の (ア) が流れる。中性線が断線すると二つの100 V負荷が直列になって200 Vが加わるため,軽負荷側の電圧が (イ) する。このような事態を避けるため,中性線には (ウ) を施設しない。 上記の記述中の空白箇所(ア)~(ウ)に当てはまる組合せとして,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. (ア) 差 (イ) 低下 (ウ) 接地工事
  2. (ア) 和 (イ) 上昇 (ウ) 接地工事
  3. (ア) 和 (イ) 低下 (ウ) 過電流遮断器
  4. (ア) 差 (イ) 上昇 (ウ) 接地工事
  5. (ア) 差 (イ) 上昇 (ウ) 過電流遮断器

(ア) 差:抵抗負荷では両側の電流が同相で,中性線には電流の差が流れる。(イ) 上昇:直列になった負荷の電圧は抵抗に比例し,容量の小さい(抵抗の大きい)軽負荷側の電圧が上昇する。(ウ) 過電流遮断器:中性線の遮断器が動作すると断線と同じ状態になるので施設しない。なお,柱上変圧器の二次側では中性線にB種接地工事を施す。正しい組合せは「差・上昇・過電流遮断器」である。

15. 次の文章は,同じ太さの電線を用い,同じ電力を平衡負荷に供給する場合の配電方式の比較に関する記述である。 100/200 V単相3線式では,電圧線の電流は単相2線式(100 V)の (ア) となり,中性線には電流が流れない。このため,線路損失は単相2線式の (イ) となり,100 V負荷側の電圧降下も単相2線式の (ウ) となる。 上記の記述中の空白箇所(ア)~(ウ)に当てはまる組合せとして,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. (ア) 1/4 (イ) 1/2 (ウ) 1/4
  2. (ア) 1/2 (イ) 1/2 (ウ) 1/2
  3. (ア) 1/2 (イ) 1/4 (ウ) 1/4
  4. (ア) 1/4 (イ) 1/4 (ウ) 1/2
  5. (ア) 1/2 (イ) 1/2 (ウ) 1/4

(ア) 1/2:同じ電力を200 Vで送るので電圧線の電流はI/2となる。(イ) 1/4:損失は 2(I/2)²R = I²R/2 で,単相2線式の 2I²R の1/4となる。(ウ) 1/4:100 V負荷側の電圧降下は中性線電流が零なので (I/2)Rで,単相2線式の往復の降下2IRの1/4となる。正しい組合せは「1/2・1/4・1/4」である。

16. 低圧及び高圧の配電方式に関する記述として,誤っているものを次のうちから一つ選べ。

  1. 高圧配電線には,一般に6.6 kV三相3線式非接地方式を用いる。
  2. 三相4線式の相電圧は,線間電圧の√3倍の大きさとなる。
  3. 三相4線式は,電灯負荷と動力負荷を一つの方式で供給できる。
  4. 単相3線式は,一般住宅への低圧引込みに広く用いられている。
  5. 低圧の三相3線式は,主に動力負荷への供給に用いられる。

「相電圧は線間電圧の√3倍」は逆で,三相4線式の相電圧は線間電圧の1/√3倍,線間電圧が相電圧の√3倍である。高圧配電線が6.6 kV三相3線式非接地方式であること,三相4線式が中性線と電圧線の間で電灯負荷に,電圧線間で動力負荷に供給できること,単相3線式が住宅の引込みに,低圧三相3線式が動力用に用いられることは正しい。

17. 次の文章は,三相4線式配電方式に関する記述である。 三相4線式は,Y結線とした変圧器二次側の中性点から (ア) を引き出す方式である。中性線と各電圧線との間には (イ) 電圧が,電圧線相互間にはその (ウ) 倍の電圧が得られるので,電灯負荷と動力負荷に同時に供給できる。 上記の記述中の空白箇所(ア)~(ウ)に当てはまる組合せとして,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. (ア) 中性線 (イ) 線間 (ウ) 1/√3
  2. (ア) 中性線 (イ) 相 (ウ) √3
  3. (ア) 接地線 (イ) 相 (ウ) 1/√3
  4. (ア) 接地線 (イ) 線間 (ウ) √3
  5. (ア) 接地線 (イ) 相 (ウ) √3

(ア) 中性線:Y結線の中性点から中性線を引き出して4線とする。(イ) 相:中性線と電圧線の間は相電圧である。(ウ) √3:Y結線の線間電圧は相電圧の√3倍である。1/√3は線間電圧から相電圧を求めるときの係数で,向きが逆になる。正しい組合せは「中性線・相・√3」である。

18. 単相2線式配電線路の末端に,力率0.8(遅れ)で電流50 Aの負荷が接続されている。電線1線当たりの抵抗は0.1 Ω,リアクタンスは0.05 Ωである。この線路の電圧降下の値[V]を簡略式で求めるとき,最も近いものを次のうちから一つ選べ。

  1. 5.50
  2. 15.0
  3. 10.0
  4. 11.0
  5. 9.53

単相2線式の電圧降下は往復2線分で v ≒ 2I(R cosθ + X sinθ) である。sinθ = √(1 − 0.8²) = 0.6より,v = 2 × 50 × (0.1 × 0.8 + 0.05 × 0.6) = 11.0 V となる。1線分だけとすると5.50 V,三相式の√3を用いると9.53 V,cosθとsinθを入れ替えると10.0 V,力率を考えずR + Xとすると15.0 Vとなる。

19. 三相3線式配電線路の末端に,力率0.8(遅れ)で線電流100 Aの平衡負荷がある。電線1線当たりの抵抗が0.3 Ω,リアクタンスが0.2 Ωのとき,この線路の電圧降下(線間電圧の降下)の値[V]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。

  1. 62.4
  2. 36.0
  3. 58.9
  4. 72.0
  5. 20.8

三相3線式の電圧降下は e ≒ √3 I(R cosθ + X sinθ) = √3 × 100 × (0.3 × 0.8 + 0.2 × 0.6) = √3 × 36 ≒ 62.4 V である。√3を掛け忘れると36.0 V,cosθとsinθを入れ替えると58.9 V,単相2線式の係数2を用いると72.0 V,√3で割ると20.8 Vとなる。

20. 受電端電圧6 600 Vの三相3線式配電線路に,線電流80 A,力率0.8(遅れ)の平衡負荷がある。電線1線当たりの抵抗は0.4 Ω,リアクタンスは0.3 Ωである。この線路の電圧降下率の値[%]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。ただし,電圧降下は簡略式で求めるものとする。

  1. 0.606
  2. 1.82
  3. 1.05
  4. 1.01
  5. 1.21

電圧降下は e ≒ √3 × 80 × (0.4 × 0.8 + 0.3 × 0.6) = √3 × 40 ≒ 69.3 Vで,電圧降下率は受電端電圧を基準に 69.3/6 600 × 100 ≒ 1.05 % となる。√3を掛け忘れると0.606 %,√3の代わりに3を掛けると1.82 %,cosθとsinθを入れ替えると1.01 %,単相2線式の係数2を用いると1.21 %となる。

21. 送電端電圧6 600 V,受電端電圧6 300 Vの高圧配電線路の電圧降下率の値[%]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。

  1. 4.55
  2. 4.76
  3. 95.5
  4. 105
  5. 9.52

電圧降下率は受電端電圧を基準として (V_s − V_r)/V_r × 100 = (6 600 − 6 300)/6 300 × 100 ≒ 4.76 % である。送電端電圧を基準にすると4.55 %となり誤りである。電圧の比 6 300/6 600 は95.5 %,6 600/6 300 は105 %で,電圧降下率ではない。降下を2倍に数えると9.52 %となる。

22. 線間電圧6.6 kVの三相3線式配電線路で,受電端に消費電力500 kW,力率0.8(遅れ)の平衡負荷が接続されている。電線1線当たりの抵抗を1.2 Ωとするとき,線路損失の値[kW]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。ただし,受電端電圧は6.6 kVとする。

  1. 7.17
  2. 6.89
  3. 10.8
  4. 6.21
  5. 3.59

線電流は I = 500 × 10³/(√3 × 6 600 × 0.8) ≒ 54.7 Aで,三相3線式の損失は3線分の 3I²r = 3 × 54.7² × 1.2 ≒ 10.8 kW となる。2線分とすると7.17 kW,1線分とすると3.59 kW,力率を考えずに電流を求めると6.89 kW,3の代わりに√3を掛けると6.21 kWとなる。

23. こう長全体の電線1線当たりの抵抗が0.3 Ωの単相2線式配電線路に,合計60 Aの抵抗負荷が線路全長にわたって一様に分布して接続されている。この線路の電源端から末端までの電圧降下の値[V]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。ただし,線路のリアクタンスは無視する。

  1. 12.0
  2. 36.0
  3. 18.0
  4. 9.00
  5. 6.00

一様な分布負荷では,電圧降下は全負荷電流を末端に集中させた場合の1/2になる。末端集中なら往復2線で 2 × 60 × 0.3 = 36 Vなので,分布負荷では 36/2 = 18.0 V となる。末端集中のままとすると36.0 V,損失の係数1/3を用いると12.0 V,1線分だけとすると9.00 V,1線分に1/3を掛けると6.00 Vとなる。

24. こう長全体の電線1線当たりの抵抗が0.3 Ωの単相2線式配電線路に,合計60 Aの抵抗負荷が線路全長にわたって一様に分布して接続されている。線路全体で生じる損失の値[W]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。ただし,線路のリアクタンスは無視する。

  1. 2 160
  2. 1 080
  3. 720
  4. 360
  5. 540

一様な分布負荷の線路損失は,全負荷電流を末端に集中させた場合の1/3である。末端集中なら 2 × 60² × 0.3 = 2 160 Wなので,2 160/3 = 720 W となる。末端集中のままとすると2 160 W,電圧降下の係数1/2を用いると1 080 W,1線分だけとすると360 W,平均電流30 Aが全長を流れるとすると540 Wとなる。

25. 次の文章は,負荷が線路全長にわたって一様に分布している配電線路に関する記述である。 全負荷電流を線路末端に集中させた場合と比べると,電源端から末端までの電圧降下は (ア) ,線路損失は (イ) となる。これは,線路を流れる電流が電源端で最大となり,末端に向かって (ウ) に減少するためである。 上記の記述中の空白箇所(ア)~(ウ)に当てはまる組合せとして,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. (ア) 1/2 (イ) 1/2 (ウ) 距離の2乗に比例して急激
  2. (ア) 1/2 (イ) 1/3 (ウ) 直線的
  3. (ア) 1/3 (イ) 1/3 (ウ) 距離の2乗に比例して急激
  4. (ア) 1/3 (イ) 1/2 (ウ) 直線的
  5. (ア) 1/2 (イ) 1/3 (ウ) 距離の2乗に比例して急激

(ア) 1/2:電流が直線的に減るので,電圧降下は電流の平均値に相当し末端集中の1/2となる。(イ) 1/3:損失は電流の2乗の積分となり,末端集中の1/3となる。(ウ) 直線的:一様分布負荷では,電源端からの距離に比例して電流が減少する。電圧降下1/2と損失1/3を入れ替えるのが典型的な誤りである。正しい組合せは「1/2・1/3・直線的」である。

26. 単相2線式配電線路の電源端から200 mの点に40 A,500 mの点(末端)に20 Aの負荷(いずれも力率1)が接続されている。電線の抵抗が1線1 km当たり0.5 Ωのとき,電源端から末端までの電圧降下の値[V]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。ただし,線路のリアクタンスは無視する。

  1. 9.00
  2. 30.0
  3. 14.0
  4. 18.0
  5. 15.6

電源端から200 mの区間(1線0.1 Ω)には 40 + 20 = 60 A,200 mから500 mの区間(1線0.15 Ω)には20 Aが流れる。往復2線分で 2 × (60 × 0.1 + 20 × 0.15) = 12 + 6 = 18.0 V となる。1線分だけとすると9.00 V,全電流60 Aが末端まで流れるとすると30.0 V,各負荷電流にそれぞれの区間の抵抗だけを掛けると14.0 V,係数2の代わりに√3を用いると15.6 Vとなる。

27. 単相2線式100 Vの低圧配電線路の末端に20 A(力率1)の負荷を接続する。電線の抵抗が1線1 km当たり0.4 Ωで,電圧降下を4 V以下にしたいとき,線路のこう長の最大値[m]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。ただし,線路のリアクタンスは無視する。

  1. 500
  2. 289
  3. 125
  4. 433
  5. 250

こう長をL[km]とすると,往復2線の電圧降下は 2 × 20 × 0.4L ≦ 4 であり,L ≦ 4/16 = 0.25 km,すなわち250 m となる。1線分だけで計算すると500 m,三相の√3を用いると289 m,往復の2倍をさらに2倍すると125 m,250 mに√3を掛けると433 mとなる。

28. 同一の電線を用いた三相3線式配電線路で,負荷の電力と力率を変えずに線間電圧を3.3 kVから6.6 kVに昇圧した。昇圧後の線路損失は昇圧前の何%になるか。その値[%]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。

  1. 400
  2. 200
  3. 50.0
  4. 25.0
  5. 6.25

電力と力率が一定なら線電流は電圧に反比例し,損失は電流の2乗に比例するので,損失は電圧の2乗に反比例する。(3.3/6.6)² = 1/4 より25.0 % となる。損失が電圧に反比例するとすると50.0 %,比例や2乗比例と逆にとると200 %・400 %,4乗とすると6.25 %となる。

29. 配電線路の電圧降下と線路損失に関する記述として,誤っているものを次のうちから一つ選べ。

  1. 線路損失は,電線の抵抗と電流の2乗との積に比例する。
  2. 負荷電流が2倍になると,線路損失も同じく2倍になる。
  3. 一様な分布負荷の損失は,同じ電流の末端集中負荷の1/3である。
  4. 一様な分布負荷の電圧降下は,末端集中負荷の1/2である。
  5. 同じ電力を送るとき,電圧を高くするほど線路損失は減る。

「負荷電流が2倍になると線路損失も2倍」は誤りで,損失はI²Rに比例するので4倍になる。一様分布負荷の損失が末端集中の1/3,電圧降下が1/2であること,同じ電力なら電圧を高くすると電流が減り損失が電圧の2乗に反比例して減ることは正しい。

30. 消費電力300 kW,力率0.6(遅れ)の負荷に電力用コンデンサを並列に接続して,総合力率を0.8(遅れ)に改善したい。必要なコンデンサ容量の値[kvar]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。

  1. 225
  2. 175
  3. 400
  4. 500
  5. 375

改善前の無効電力は Q₁ = 300 × 0.8/0.6 = 400 kvar,改善後は Q₂ = 300 × 0.6/0.8 = 225 kvarである。必要容量は Q₁ − Q₂ = 175 kvar となる。改善後の無効電力225 kvar,改善前の無効電力400 kvarをそのまま答えるのは誤りで,500 kV・A・375 kV・Aは改善前後の皮相電力である。

31. ある配電線路から供給している負荷の有効電力と受電端電圧を一定に保ったまま,負荷の力率を0.8から1.0に改善した。改善後の線路損失は,改善前の線路損失の何%になるか。その値[%]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。

  1. 64.0
  2. 80.0
  3. 36.0
  4. 125
  5. 156

有効電力と電圧が一定なら線路電流は力率に反比例し,損失は電流の2乗に比例する。改善後の損失は改善前の (0.8/1.0)² = 0.64,すなわち64.0 % となる。損失が電流に比例するとすると80.0 %,減少分36 %と取り違えると36.0 %,比を逆にとると125 %・156 %となる。

32. 線間電圧6.6 kVの三相3線式配電線路の受電端に,消費電力400 kW,力率0.8(遅れ)の平衡負荷がある。負荷と並列に150 kvarの電力用コンデンサを接続したとき,線電流の値[A]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。ただし,受電端電圧は6.6 kVで一定とする。

  1. 37.4
  2. 30.6
  3. 35.0
  4. 21.6
  5. 43.7

負荷の無効電力は 400 × 0.6/0.8 = 300 kvarで,接続後は 300 − 150 = 150 kvarとなる。皮相電力は √(400² + 150²) ≒ 427 kV・A,線電流は 427 × 10³/(√3 × 6 600) ≒ 37.4 A である。接続前は43.7 A,力率1になったとすると35.0 A,√3の代わりに3で割ると21.6 A,負荷電流からコンデンサ電流13.1 Aを算術的に引くと30.6 Aとなる。

33. 受電端の線間電圧が6.6 kVの三相3線式配電線路があり,電線1線当たりの抵抗は0.5 Ω,リアクタンスは1.0 Ωである。受電端の負荷は1 000 kW,力率0.8(遅れ)である。受電端に450 kvarの電力用コンデンサを接続したとき,線路の電圧降下の値[V]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。ただし,電圧降下は簡略式で求め,受電端電圧は6.6 kVで一定とする。

  1. 189
  2. 258
  3. 121
  4. 210
  5. 75.8

三相の電圧降下は e ≒ √3 I(R cosθ + X sinθ) = (PR + QX)/V と書ける。接続後の無効電力は 750 − 450 = 300 kvarなので,e = (1 000 × 10³ × 0.5 + 300 × 10³ × 1.0)/6 600 ≒ 121 V となる。接続前の無効電力750 kvarでは189 V,抵抗分だけでは75.8 V,正しい値121 Vに余分な√3を掛けると210 V,コンデンサの無効電力を加えると258 Vとなる。

34. 定格容量500 kV・Aの変圧器から,消費電力360 kW,力率0.6(遅れ)の負荷に供給している。変圧器を過負荷にしないために,負荷と並列に接続する電力用コンデンサの最小容量の値[kvar]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。

  1. 347
  2. 480
  3. 100
  4. 133
  5. 80.0

改善前の皮相電力は 360/0.6 = 600 kV・Aで,無効電力は 360 × 0.8/0.6 = 480 kvarである。皮相電力を500 kV・A以下とする無効電力は √(500² − 360²) ≒ 347 kvarなので,必要容量は 480 − 347 ≒ 133 kvar となる。改善後の無効電力347 kvarや改善前の480 kvarを答えるのは誤りで,皮相電力の差 600 − 500 = 100をそのまま用いると100 kvar,それに0.8を掛けると80.0 kvarとなる。

35. 線間電圧6.6 kVの三相3線式配電線路で,受電端に2 000 kW,力率0.8(遅れ)の平衡負荷がある。電線1線当たりの抵抗は0.8 Ωである。負荷と並列に電力用コンデンサを接続して力率を1.0に改善したとき,線路損失の減少量の値[kW]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。ただし,受電端電圧は6.6 kVで一定とする。

  1. 115
  2. 41.3
  3. 23.0
  4. 124
  5. 73.5

改善前の線電流は 2 000 × 10³/(√3 × 6 600 × 0.8) ≒ 218.7 Aで損失は 3 × 218.7² × 0.8 ≒ 114.8 kW,改善後は電流175.0 Aで損失73.5 kWとなる。減少量は 114.8 − 73.5 ≒ 41.3 kW である。改善前・改善後の損失そのものは115 kW・73.5 kW,損失が電流に比例するとして20 %減とすると23.0 kW,線電流の計算で√3を忘れると124 kWとなる。

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