電磁気学

🔗概要

• 電気の復習、と思いきやあんまり復習にならない
  • 電験三種、法規以外合格しました
• 電験3種持ってたら電工1種の筆記も免除

🔗資料

• 過去問解説
  • 動画もついている。これで十分だと思う

🔗試験対策

• 交流は、$\dot{V},|\dot{V}|$をしっかり全部記述することがミス防止によい。ベクトル表記はどこの相を 0 度にしたのかを明示する。
  • 実効値$|\dot{E}|$の交流$e=\sqrt{2}|\dot{E}|\sin (\omega t+\theta )$は、$\dot{E}=|\dot{E}|\angle \theta$ と表記できる。
  • $\angle \theta =\cos \theta +i\sin \theta$である。ここで、インピーダンス$Z=R+iL\omega +1/(iC\omega )$により、$E=ZI$が成り立つ。
  • 例として、$Z=a+bi(b>0)$ の場合、Z は「位相を進めるオペレータ」として機能するため、I の位相を進めると E になる（I は E に対して遅れる）という解釈ができる。
• 有効電力 P, 無効電力 Q は、各要素の電力の総和みたいになっている。理由は知らん
  • 例: P は VI の合計、Q は CV, LI の合計に一致する。
  • 各要素に直接かかっているものでないとダメであることには注意
• 三相を解くときには、Δ-ΔやY-Yに合わせること (Y-Y に合わせたほうが楽)、および$E_p,E_l,I_p,I_l$を別物として扱うことが重要
• Δ-Δで解くときは同じ辺でキルヒホッフを使ってよいが、相電流=線電流/sqrt(3) であることに注意。理由は知らん
• 汽力発電
  • 設=端/定, 端=タ室ボ機, タ熱消費率=(タ+水)/タ
  • タ室＝タと水を合わせた部屋
• 三相系計算問題は二回解く (理解不足以前にミスりすぎるので)
• 選択肢を仮定法で消去することができることがある

🔗優先度

• %%法規の全体的な整理（参考書を買うことも含めて）%%
• %%法規の計算問題を解く%%
• %%法規の知識問題を解く%%
• 電力の知識をシケプリにまとめる
• 汽力の知識をシケプリにまとめる
• 電気の知識問題を解きまくる
• 電気機と発電機の違いを意識して問題を解く（特に同期）
• %Z の問題を解きまくる（特に三相）
• 理論の計測の記号を覚える
• 理論の磁気の問題を何問か解く
• コンデンサの問題を何問か解く
• オペアンプ
• バイアス回路
• 電源のΔ-Y変換

🔗目次

• 用語
• 変流器
• 素材
• 豆知識
• センサ
• 平行板コンデンサ
• 発振条件
• 発電所
  • 水力発電
    • ダム水路式
  • 汽力発電
  • 火力発電
  • 電子力発電
  • 風力発電
  • 太陽光発電
• 送電
  • ケーブル
  • 直流送電
  • がいし
  • 避雷針
  • 高低圧配電系統（電柱）
    • 構造
    • 事故の影響低減
    • 事故時対応
    • 振動
    • 多導体方式
  • スポットネットワーク方式
  • %インピーダンス（短絡インピーダンス）
• 計器用変成器
• 電圧変動率
• 遮断器・開閉器・断路器
• 変圧器
• 送電線の等価回路
  • 単相 2 線式
• 三相回路
  • メンタルモデル
  • 単相 3 線式
  • 3 相 3 線式 Y 結線
  • 3 相 3 線式 Δ 結線
  • メモ
• 電動機
  • 直流
    • 原理
    • 起電力の計算
    • 種類
  • 交流
    • 原理
    • 単相
    • 三相誘導電動機
    • 三相同期電動機
• チョッパ
  • 昇降圧チョッパ
• 復習
• 法規

🔗用語

• 設備利用率
  • 対象とする発電設備の実際の発電量が、仮に１００％運転を続けた場合に得られる電力量の何％にあたるかを表す数値です。
  • 実例を上げると、一日中５０％の出力で運転し続けた場合の設備利用率は５０％で、半日１００％の出力で運転し、残りの半日を０％の出力で運転した場合も、設備利用率は５０％です。

🔗変流器

• このままでは測定困難な大電流を、鉄芯→二次回路を介して小電流に変換して計測する。よくある電流計測器の丸で電線を囲むやつはこれ。
• 二次回路は解放厳禁！！！鉄芯の飽和により大電圧が二次回路に発生する可能性がある。

🔗素材

• 絶縁油に求められる性質（それ自身で放熱したりもする）
  • 絶縁耐力が大きいこと
  • 耐熱性に優れていること
  • 経年劣化しにくいこと
  • 粘度が低く，流動性が良いこと
  • 放熱性が良いこと
  • 化学的に安定であること
  • 引火点や発火点の温度が高いこと
  • 誘電損（誘電正接）が小さいこと

🔗豆知識

• シールド
  • 磁場や電場に強磁性体（鉄とか）を置いておくと、電場も磁場もそこを通りやすくなる
  • そこで鉄を中空にすると、中空部分はほぼ電場磁場が 0 になる
  • 磁場については磁気遮蔽、電場については磁気遮蔽という。

🔗センサ

• 熱電対
  • 温度センサ。
  • ゼーベック効果: 2つの異なる金属をつなげて、両方の接点に温度差を与えると、金属の間に電圧が発生
  • その極性と大きさは2種類の導体の材質と両端の温度差のみによって定まる
  • 電圧計の両端に金属A, Bを繋げて(ここは温度はそこまで変わらないようにしておく)、遠い先の計測端点で A, B をつなげる。

🔗平行板コンデンサ

• 直列の場合には電束 Q が一定であり、並列の場合では電界 E (= V / d) が一定であることが非常に重要

🔗発振条件

• 三種ではまともにやるの無理（説明が意味不明なので）
  • 諦めよう！とりあえず適当なループを見つけて虚数成分 0 で
• まともにやるなら古典制御論で。

🔗発電所

🔗水力発電

• 落差のとり方による分類

  • 水路式
    • 貯水ができないので出力調整できない
    • 安いが高低差を取りにくい
  • ダム式
    • 流量調整ができる。
  • ダム水路式

• 流量の利用方法による分類

  • 流れ込み式
    • 自然の川の流れをそのまま利用
  • 調整池式
    • 1 日又は数日程度の河川流量を調整できる大きさを持つ池を持ち，電力需要が小さいときにその池に蓄え，電力需要が大きいときに放流
  • 貯水池式
    • 調整池よりもっと時定数が長いもの
  • 揚水式
    • 上部調整池と下部調整池を持ち，発電電動機で夜間休祭日等の軽負荷時に水を上池に揚水して，昼間の重負荷時に発電する方式です。負荷を平準化することができる

• 連続の定理

  • パイプでどこでも流量は同じ（当たり前）

• ベルヌーイの定理

  • 理想流体の定常流れで、流線上でエネルギーが保存される。
  • 圧力 $p$, 密度 $\rho$, 流速 $v$, 高さ $z$, 重力加速度 $g$ として $p+1/2\rho v^2+\rho gz$ が一定
    • 原理からの導出はかなり厳しいので、力学の位置エネルギー+運動エネルギーを体積で割ると、素の圧力と比較できるねくらいの理解で OK

🔗ダム水路式

• 水の流れ: 貯水池（調整池）→圧力水路（サージタンクつき）→水圧管→入口弁→案内羽根→羽根車（ここが発電機）→放水路
• 入口弁
  • 水圧管の最終端の水車入口の前に置かれ、事故や点検などのために水車を停止させる場合に閉じる
• 水車
  • フランシス水車（反動水車）
    • 水の圧力と速度をランナーと呼ばれる羽根車に作用させる構造の水車で、広い範囲（10～300メートル程度）の落差で使用でき、日本の水力発電所の約7割がこの水車
    • 案内羽根（ガイドベーン）という板が羽根車の前段に付いており、これを閉じると水圧が高まって流量が減る
• 水撃作用
  • 水撃作用 発電機の負荷が遮断（開放）などして突然重くなると、水車が回らなくなり、圧力が高まる→色んな場所が故障する
    • 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すなわち圧力の変化が大きいほど，大きくなります。
    • 流れている水は運動エネルギーを持っているので、突然入口弁を止められたらそりゃ内圧上がるよねって話
  • 圧力水路の終わり水圧管路に入る直前に、サージタンクをつけて解決するのが一般的。これにより、突然の水圧上昇＝サージタンク上昇となってくれる。
    • （何で貯水池がサージタンクの役割を果たさないのだろう？水圧管路が高圧になるのは仕方なくて、水路を保護しようとしているってこと？）
  • 種類
    • 単動式: 水圧管に管を接続。水撃作用とサージタンク水面が共振する可能性
    • 差動式: 単胴の中にライザと呼ばれる管を設け，断面積の違いによる水面の上下の時間の違いを利用して吸収する方式です。
    • 小孔式: サージタンクの入口を狭くし，抵抗損も含めて吸収する方式です。
    • 水室式: サージタンクに水室を設け，圧力を吸収しながらも，水位の上昇を抑える方式です。

🔗汽力発電

• タービンを回して発電する方式。火力発電も電子力発電もこれ

🔗火力発電

• 汽力発電 > 火力発電

• 基本的な流れ

  • 復水器から水をとって水を温めます（高圧・中低圧の 2 種類のタービンから出た蒸気（抽気）を使う）
  • ボイラで蒸気にします（このとき、燃料だけではなく、高圧タービンからの熱も使います）
  • 蒸気を高圧タービンに送ります
  • 蒸気を中低圧タービンに送ります。
  • 中低圧タービンで蒸気が弱くなった排気を復水器に戻します

• ボイラには三種類あります

  • 自然循環ボイラ（蒸気と水の比重差がなくなる臨海圧以下で利用）
    • 水を高いところにあるドラムに入れます
    • 水をドラムから下に流します
    • 下に流れた水を温めます
    • 蒸気を蒸気管でドラムに戻して、水と蒸気を分離します（水はドラムに残る）
    • 残った蒸気を蒸気タービンに送ります。
  • 強制循環ボイラ（超臨界圧までで利用）
    • 臨海圧を超えると蒸気と水の比重差がなくなるので、「水をドラムから下に流します」のパートを強制的にポンプを利用しないといけない
  • 貫流ボイラ
    • 単純に水を入力して途中で温めて蒸気にして、蒸気を出力する
    • 空焚きや水質管理を厳格に行う必要がある（例: Ph が蓄積して酸性の液体が蒸発管を溶かす）

• 復水器

  • 低圧が望ましいので真空度が高い（理由: タービンの入口が高気圧で出口が低気圧だと、タービンの羽根が受ける風が強くなりそうだから）

• 煙道（ボイラでは何かを燃やしているので空気を外部からいれないし、煙を清浄しないといけない）

  • ボイラーから出た汚染された空気は、脱硝装置で$N{O}_x$を窒素と水に分解して、少し無害になった排ガスにします（アンモニア接触還元法）
  • 排ガスは、一部排ガスと空気を混ぜて暖められてからボイラーに送られます。
  • 他は捨てるためにより洗浄されます。
    • 電気集塵機で静電気でばいじんを低減します（面電極の中に粒子をコロナ放電で電子を投げて帯電させるための線電極がある感じ）
    • 排煙は温度が高くなければいけないので、この時点での温度で煙突直前の蒸気を温めます（GGH）
    • 誘引通風気で気圧を上げて冷却吸収塔に送って脱硫します ($S{O}_x$を低減。石灰石と反応させるのが一般的）
    • 他を煙突から捨てます。

• 損失

  • 燃料熱量→ボイラー効率 (排ガス損失)→蒸気熱量→タービン効率→タービン→発電機効率(98%~99%)→電気（発電端）→所内利用→電気（送電端）
  • 復水器による熱交換: 蒸気を水にするために放出するエネルギーで，規模にもよりますが全体の約半分の損失が発生します（かなり大きい）
  • 排ガスによる損失: ボイラ排ガスは最終的に煙突から放出し，熱を大幅にロスします。

• 保護

  • ボイラ保護（燃料遮断）
    • 炉内圧異常上昇
    • 給水不良（蒸気ドラムレベル低）
    • ボイラ循環ポンプ異常
    • 燃料供給不安定
    • 通風機停止
    • タービン又は発電機異常停止
    • ボイラ蒸気圧力異常上昇（ただし，ボイラ停止ではなく安全弁で放出）
  • タービン保護（蒸気遮断）
    • タービン回転数異常上昇（非常調速機動作）
    • タービン振動大
    • タービン軸受油圧低下
    • スラスト軸受（タービン軸方向の軸受）摩耗
    • 復水器真空度異常低下
    • 復水器排気温度上昇
    • ボイラ又は発電機異常停止
  • 発電機保護（発電機停止）
    • 過電流継電器動作（短絡もしくは過負荷事故）
    • 比率差動継電器動作（発電機母線側と中性点側の電流差異常）
    • 界磁喪失継電器動作（励磁がなくなったとき）
    • 地絡過電流継電器動作（発電機中性点の電流が異常上昇）