電験三種 学習ノート

はじめに

変電所を出た電気は、どうやって家まで来るのか

電柱には何本もの電線。家に入る線は2本か3本だけ

エアコンやIHは200V、照明やテレビは100Vを使う

街の中心部には、停電がめったに起きないつなぎ方も

配電線路の全体像から、停電に強い方式まで学ぶ

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「変電所を出た電気は、どうやって家のコンセントまで来るの？」

家の前の電柱を見上げると、何本もの電線と、灰色のバケツのような機器が載っています。ところが、そこから家に引き込まれている線は、たった2本か3本です。電柱の上で、いったい何が起きているのでしょうか。

例えば、エアコンやIHクッキングヒーターには 200V を使い、照明やテレビには 100V を使います。1つの家で2つの電圧を使い分けられるのは、電線のつなぎ方に工夫があるからです。また、ビルが建ち並ぶ街の中心部では、停電がめったに起きないように、特別なつなぎ方もされています。

実は、変電所から家までの「最後の区間」は、電気の届け先が多く、電線の総延長も長いため、つなぎ方の工夫が詰まった部分です。

そこで登場するのが、今回の主役 配電線路 です。変電所から家や工場まで電気を配る線路と、その方式・設備を学びます。

前回の記事では、中性点の接地のしかたと、地絡事故のときの電流を学びました。今回の記事では、配電線路の全体像、単相・三相の電気方式、柱上変圧器などの配電設備、そして停電に強い配電方式について解説します。

配電線路：変電所から家まで

配電用変電所から家や工場へ配る線路が配電線路

送電線路が幹線道路なら、配電線路は町の生活道路

電柱の上から高圧6.6kV、低圧100V・200V、通信線

日本では架空配電線路が大部分。地中は都市の中心部

樹枝状方式は簡単で安いが、事故の先がすべて停電

ループ方式は、反対側からも電気を送れる

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はじめに、配電線路について紹介します。

発電所でつくられた電気は、送電線で配電用変電所まで運ばれます。そこから先、家や工場、ビルへ電気を配る線路を 配電線路 と呼びます。送電線路が「幹線道路」なら、配電線路は町の中に張り巡らされた「生活道路」です。

配電線路は、電圧で2つに分かれます。

【配電線路の電圧】

• 高圧配電線： 配電用変電所から出る 6.6kV の線。電柱のいちばん上のほうに張られている
• 低圧配電線： 柱上変圧器で 100V・200V に下げたあとの線。ここから引込線で家に入る

例えば、電柱を下から順に見ると、いちばん下に通信線、その上に低圧配電線、さらにその上に高圧配電線があります。電圧の高い線ほど、人から遠い高いところに張られています。

配電線路には、電柱に電線を張る 架空配電線路 と、地下にケーブルを通す 地中配電線路 があります。日本では、費用が安く工事もしやすい架空配電線路が大部分です。地中配電線路は、景観や防災のために、都市の中心部などで使われます。

配電線路のつなぎ方の基本は、変電所から木の枝のように線を伸ばしていく 樹枝状方式 です。つくりが簡単で費用も安い一方、途中で事故が起きると、その先がすべて停電します。そこで、線を輪のようにつないで、反対側からも電気を送れるようにした ループ方式 もあります。

このように、配電線路は配電用変電所から家や工場までの線路で、6.6kV の高圧と 100V・200V の低圧に分かれます。

以上が、配電線路についてです。

電気方式：4つの線のつなぎ方

配電の電気方式は主に4つ。線の本数とつなぎ方が違う

単相2線式は2本の線で単相を送る。100Vだけを使う

単相3線式は中性線との間で100V、外線の間で200V

2階建てにたとえると、1階まで100V、2階まで200V

三相3線式は3本で三相を送る。高圧配電線や動力に

三相4線式は中性線を足した4本。2種類の電圧が取れる

1線あたりの電力は三相4線式が最大。単相2線式の1.5倍

50Aなら10kWと17.3kW。1線あたりでは約1.15倍

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次に、配電の電気方式について紹介します。

電気を送るのに、電線を何本使い、どうつなぐか。この組み合わせを 電気方式 と呼びます。配電では、主に4つの方式が使われます。1つずつ見ていきましょう。

1. 単相2線式

単相2線式 は、2本の電線で単相の電気を送る、いちばん簡単な方式です。100V だけを使う小さな家や、街灯などに使われます。

2. 単相3線式

単相3線式 は、3本の電線で単相の電気を送る方式です。真ん中の線を 中性線 と呼び、中性線と外側の線の間で 100V、外側の2本の線の間で 200V を取り出せます。今の日本の家庭の多くは、この方式です。

2階建ての家にたとえると分かりやすいです。地面（外側の線の片方）から2階の床（もう片方）までが 200V で、ちょうど真ん中の1階の床（中性線）から上下にそれぞれ 100V あります。1階まで上がれば 100V、2階まで上がれば 200V というわけです。

3. 三相3線式

三相3線式 は、3本の電線で三相の電気を送る方式です。6.6kV の高圧配電線や、工場のモーターに使う 200V の動力用の電気が、この方式です。

4. 三相4線式

三相4線式 は、三相の3本に中性線を加えた4本で送る方式です。線間の電圧と、線と中性線の間の電圧の2種類を取り出せます。日本では、大きなビルや工場の 400V 級の配電などで使われます。

1線あたりの電力を比べる

方式によって、同じ電線を使ったときに送れる電力が違います。電線1本あたりの電流を $I$、電圧を $V$、力率を 1 として、電線1本あたりの電力を比べてみましょう。

【1線あたりの電力】

• 単相2線式： $P = VI$ を2本で送るので、$\dfrac{VI}{2} = 0.5VI$
• 単相3線式： 中性線と外線の間が $V$ のとき、$P = 2VI$ を3本で送るので、$\dfrac{2VI}{3} \fallingdotseq 0.667VI$
• 三相3線式： 線間電圧が $V$ のとき、$P = \sqrt{3}VI$ を3本で送るので、$\dfrac{\sqrt{3}VI}{3} \fallingdotseq 0.577VI$
• 三相4線式： 線と中性線の間が $V$ のとき、$P = 3VI$ を4本で送るので、$\dfrac{3VI}{4} = 0.75VI$

単相2線式を基準にすると、単相3線式は約 1.33 倍、三相3線式は約 1.15 倍、三相4線式は 1.5 倍です。同じ電線で多くの電力を送れるほど、電線の材料が節約できます。

例題：三相3線式と単相2線式の比較

同じ太さの電線を使い、電線1本に流せる電流を 50A とします。電圧 200V の単相2線式と、線間電圧 200V の三相3線式で、送れる電力はそれぞれいくらでしょうか？ 力率は 1 とします。また、電線1本あたりの電力は何倍になるでしょうか？

【解き方】

1. 単相2線式の電力： $200 \times 50 = 10000$ W = 10kW
2. 三相3線式の電力： $\sqrt{3} \times 200 \times 50 \fallingdotseq 17321$ W ≒ 17.3kW
3. 1線あたりの電力： 単相2線式は 10 ÷ 2 = 5kW、三相3線式は 17.3 ÷ 3 ≒ 5.77kW
4. 比を求める： 5.77 ÷ 5 ≒ 1.15 倍

答えは、単相2線式が 10kW、三相3線式が約 17.3kW で、1線あたりの電力は約 1.15 倍です。

試験のポイント：1線あたりの電力は、単相2線式を 1 とすると、単相3線式 $\dfrac{4}{3}$、三相3線式 $\dfrac{2}{\sqrt{3}}$（約 1.15）、三相4線式 1.5 です。比べる電圧の取り方（線間か、中性線との間か）に注意しましょう。

このように、配電の電気方式には単相2線式・単相3線式・三相3線式・三相4線式があり、線の本数と送れる電力のバランスが方式ごとに違います。

以上が、電気方式についてです。

配電設備：柱上変圧器と開閉器

電柱の上には、電圧を下げる機器と切り離す機器が載る

柱上変圧器は6.6kVを100V・200Vに下げて近所へ配る

単相の柱上変圧器2台で、三相200Vも送れる

高圧カットアウトのヒューズが切れ、その変圧器だけ外す

家の分電盤で、1部屋のブレーカーだけ落ちるのと同じ

区分開閉器で区間を分け、必要な区間だけを止める

区分開閉器は、道路の途中の通行止めのゲート

雷から機器を守るために、避雷器も取り付ける

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続いて、配電設備について紹介します。

電柱の上には、電圧を下げる機器や、事故のときに回路を切り離す機器が載っています。主なものを見ていきましょう。

まず、灰色のバケツのような機器が 柱上変圧器 です。高圧配電線の 6.6kV を、家庭で使う 100V・200V に下げます。ふつうは単相の変圧器で、2次側は単相3線式になっています。1台の容量は数十 kV·A 程度で、近所の数軒から数十軒に電気を配ります。

工場や商店のモーターに三相 200V を送るときは、単相の柱上変圧器を2台組み合わせて三相にする方法がよく使われます。このつなぎ方は V 結線と呼ばれ、次回の記事で学びます。

柱上変圧器の高圧側には、高圧カットアウト という、ヒューズの入った開閉器を付けます。変圧器や低圧側で事故が起きたとき、ヒューズが切れて、その変圧器だけを高圧配電線から切り離します。家の分電盤で、1つの部屋のブレーカーだけが落ちるのと同じ考え方です。

高圧配電線の途中には、区分開閉器 を置きます。配電線をいくつかの区間に分け、工事や事故のときに、必要な区間だけを止められるようにする開閉器です。また、雷から機器を守るために 避雷器 も取り付けます。

道路にたとえると、区分開閉器は道路の途中の「通行止めのゲート」です。工事をするとき、町じゅうの道路を止めずに、その区間だけを止められます。

補足（ここは読み飛ばしてOK）： 長い配電線では、末端に近いほど電圧が下がります。そこで、配電線の途中に電圧を自動で上げ下げする装置（自動電圧調整器）を置くこともあります。

このように、配電設備の中心は 6.6kV を 100V・200V に下げる柱上変圧器で、高圧カットアウトや区分開閉器が、事故のときの停電の範囲を小さくしています。

以上が、配電設備についてです。

停電に強い配電方式：低圧バンキングとスポットネットワーク

1台の変圧器が止まると、その先は停電してしまう

低圧バンキングは、変圧器の低圧側をヒューズで並列に

電流が分かれ、電圧降下・損失・ちらつきが小さい

1台の故障でヒューズが次々切れるのがカスケーディング

スポットネットワークは、2〜3回線の変圧器を母線に並列

1本の橋が通れなくても、ほかの橋で向こう岸へ渡れる

ネットワークプロテクタは、ヒューズ・遮断器・継電器

事故の回線へ逆に流れる電力を見つけ、遮断器を開く

誤りは(3)。1回線の事故でも母線は停電しない

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最後に、停電に強い配電方式について紹介します。

樹枝状方式では、1台の変圧器や1本の配電線が止まると、その先は停電します。人や機械が集まる場所では、それでは困ります。そこで、変圧器や配電線を並列につないで、どこかが止まってもほかが助ける方式が使われます。1つずつ見ていきましょう。

1. 低圧バンキング方式

低圧バンキング方式 は、同じ高圧配電線につながる2台以上の柱上変圧器の低圧側を、ヒューズなどを通して並列につなぐ方式です。負荷が集まる地域で使われます。

並列につなぐと、負荷の電流が複数の変圧器に分かれるので、電圧降下や電力損失が小さくなります。また、モーターの始動などによる電圧のちらつき（フリッカ）も小さくなり、変圧器が1台止まってもほかの変圧器が電気を送れます。

ただし、注意点があります。1台の変圧器が故障すると、その分の負荷がほかの変圧器に一気にかかり、そのヒューズが次々と切れて広い範囲が停電することがあります。この連鎖を カスケーディング と呼びます。ドミノ倒しのように、1枚が倒れると次々に倒れていくイメージです。これを防ぐため、ヒューズの大きさをうまく選びます。

2. スポットネットワーク方式

スポットネットワーク方式 は、22kV などの配電線を2〜3回線引き込み、それぞれの回線に変圧器を付けて、低圧側を1つの母線（ネットワーク母線）に並列につなぐ方式です。都市の大きなビルなど、停電を特に避けたい需要家で使われます。

1回線で事故が起きても、ほかの回線から電気が届き続けるので、停電しません。複数の橋がかかった川で、1本の橋が通れなくなっても、ほかの橋を渡って向こう岸に行けるのと同じです。

ここで活躍するのが、変圧器の低圧側に付ける ネットワークプロテクタ です。プロテクタヒューズ、プロテクタ遮断器、ネットワーク継電器でできています。ある回線で事故が起きると、ネットワーク母線から事故の回線へ電力が逆に流れます。ネットワーク継電器はこの逆向きの電力を見つけて、プロテクタ遮断器を自動で開きます（逆電力遮断）。回線が復旧すると、条件を確かめて自動で入れ直します。

例題：配電方式の正誤

次の文章のうち、誤っているものはどれでしょうか？

（1）低圧バンキング方式は、電圧降下や電力損失を小さくできる。 （2）低圧バンキング方式では、カスケーディングが起こるおそれがある。 （3）スポットネットワーク方式では、1回線が事故で止まると、ネットワーク母線の全体が停電する。

【解き方】

1. （1）は、負荷電流が複数の変圧器に分かれるので正しい
2. （2）は、1台の故障から次々にヒューズが切れることがあるので正しい
3. （3）は、ネットワークプロテクタが事故の回線だけを切り離し、残りの回線から電気が届くので誤り

答えは（3）です。

試験のポイント：スポットネットワーク方式では、ネットワークプロテクタの「逆電力遮断」で事故の回線だけを切り離します。低圧バンキング方式では「カスケーディング」がキーワードです。

このように、低圧バンキング方式とスポットネットワーク方式は、変圧器や回線を並列につないで、1か所が止まってもほかが電気を送り続けられるようにした方式です。

以上が、停電に強い配電方式についてです。

今回のまとめ

配電線路は高圧6.6kVと低圧100V・200Vに分かれる

電気方式は4つ。家庭の多くは単相3線式

1線あたりの電力は、単相2線式を1として4/3・1.15・1.5

柱上変圧器で6.6kVを下げ、高圧カットアウトで守る

バンキングはカスケーディングに注意。スポットは停電しない

キーワードは配電線路・単相3線式・柱上変圧器など

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それでは、今回の内容を振り返ります。

今回は、家や工場まで電気を届ける配電の方式と設備について紹介しました。6.6kV の高圧配電線から柱上変圧器で 100V・200V に下げ、目的に合った電気方式で届けています。停電を避けたい場所では、変圧器や回線を並列につなぐ方式で信頼性を高めています。

今回のポイントを振り返りましょう。

振り返り

• 配電線路は、配電用変電所から需要家までの線路。高圧 6.6kV と低圧 100V・200V に分かれる。
• 電気方式は単相2線式・単相3線式・三相3線式・三相4線式の4つ。家庭は主に単相3線式。
• 1線あたりの電力は、単相2線式を 1 とすると、単相3線式 4/3、三相3線式 約 1.15、三相4線式 1.5。
• 柱上変圧器で 6.6kV を 100V・200V に下げる。高圧カットアウトで変圧器を守る。
• 低圧バンキング方式はカスケーディングに注意。スポットネットワーク方式は1回線の事故でも停電しない。

キーワードのおさらい

• 配電線路: 配電用変電所から家や工場まで電気を配る線路
• 単相2線式: 2本の線で単相を送る方式。100V だけを使う
• 単相3線式: 中性線を含む3本で単相を送る方式。100V と 200V を取り出せる
• 三相3線式: 3本の線で三相を送る方式。高圧配電線や動力に使う
• 三相4線式: 三相の3本に中性線を加えた4本で送る方式
• 柱上変圧器: 電柱の上で 6.6kV を 100V・200V に下げる変圧器
• 低圧バンキング方式: 複数の柱上変圧器の低圧側を並列につなぐ方式
• スポットネットワーク方式: 複数の回線の変圧器の低圧側をネットワーク母線に並列につなぐ方式

以上が、今回のまとめです。

さて、単相3線式では、100V の負荷が片側にかたよると、何が起きるのでしょうか？ また、力率の違う負荷がいくつもつながった配電線では、電圧降下や損失はどう計算すればよいのでしょうか？

次回は、単相3線式や力率の違う負荷の、電圧降下と損失の計算について紹介します。

それでは、次の記事へ進んでいきましょう。