電験三種 学習ノート

はじめに

発電所の電気は、どうやって家のコンセントまで届くのか

フェンスの中に、大きな箱や鉄骨、がいしが並ぶ変電所

高い電圧で送り、いくつもの変電所で少しずつ下げる

変電所は電力系統の交差点であり、見張り台でもある

変圧器から母線・GISまで、順に学んでいく

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「発電所でつくった電気は、どうやって家のコンセントまで届くんだろう？」

前回の記事では、太陽光・風力などの再生可能エネルギーと、燃料電池・蓄電池・蓄電所について学びました。ここまでで、電気をつくる側の話はひととおりそろいました。

ところで、街を歩いていると、フェンスに囲まれた敷地に、大きな箱や鉄骨、がいしの並ぶ施設を見かけることがあります。これが変電所です。発電所の電気は、何十万 V という高い電圧で送られ、いくつもの変電所で少しずつ電圧を下げながら、家や工場へ届けられます。

実は、変電所の仕事は電圧を変えることだけではありません。電気の行き先を振り分け、事故が起きたら素早く切り離し、雷から機器を守り、電圧や電流を測って見張る。変電所は、電力系統の「交差点」であり「見張り台」でもあるのです。

そこで登場するのが、今回の主役 変電所の設備 です。

今回の記事では、変圧器と負荷時タップ切換、遮断器と断路器、避雷器・計器用変圧器・変流器、そして母線とガス絶縁開閉装置について解説します。

変圧器と負荷時タップ切換：電圧を変えて保つ

電圧の比は巻数の比。巻数が多い側ほど電圧が高い

変圧器は電圧のギア。巻数の比を変えて電圧を変える

巻数比10の変圧器なら、66kVは6.6kVになる

油入変圧器。絶縁油が絶縁し、熱を運んで冷やす

使う量が増えると電圧降下が大きくなり、電圧が下がる

巻線のタップを、送電したまま切り換えて巻数比を変える

切り換えの途中は抵抗を経由させ、途切れとショートを防ぐ

走る車のギアを、止めずに滑らかに切り換えるイメージ

63.8kVなら二次側は6.38kV。巻数比約9.67で6.6kVに戻る

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はじめに、変圧器と負荷時タップ切換について紹介します。

1. 変圧器

変圧器 は、交流の電圧を高くしたり低くしたりする機器です。鉄心に 2 つのコイル（巻線）を巻いたつくりで、一次側と二次側の電圧の比は、巻数の比に等しくなります。

$$\frac{V_1}{V_2} = \frac{N_1}{N_2} = a$$

$V_1$、$V_2$ が一次側・二次側の電圧［V］、$N_1$、$N_2$ がそれぞれの巻数、$a$ が巻数比です。言葉で言うと、「巻数が多い側ほど、電圧が高い」です。くわしいしくみは、機械の科目で学びます。

自転車のギアにたとえると、変圧器は「電圧のギア」です。ペダルの回し方を変えずに、ギアを替えるだけで進み方が変わるように、巻数の比を変えるだけで電圧を変えられます。

例えば、巻数比 10 の変圧器の一次側に 66kV をかけると、二次側は 66 ÷ 10 = 6.6kV になります。

変電所の大きな変圧器は、鉄心と巻線を絶縁油の入ったタンクに沈めた油入変圧器が一般的です。絶縁油は、巻線どうしを絶縁するとともに、巻線で生まれた熱を運んで冷やす役目も持っています。

2. 負荷時タップ切換

電気を使う量が増えると、送電線での電圧降下が大きくなり、変電所に届く電圧が下がります。巻数比が決まったままだと、二次側の電圧も一緒に下がってしまいます。

そこで、巻線の途中にいくつもの引き出し口（タップ）を設け、使う巻数を切り換えて巻数比を変えます。この切り換えを、電気を送ったまま、つまり負荷に電流が流れている状態で行うことを 負荷時タップ切換 と呼び、そのための装置を負荷時タップ切換装置と呼びます。

タップを切り換える一瞬に電流が途切れたり、タップどうしが直接つながってショートしたりしないよう、切り換えの途中では抵抗などを経由させる工夫がされています。走っている車のギアを、エンジンを止めずに滑らかに切り換えるイメージです。

例題：一次側の電圧が下がったとき

巻数比 10 の変圧器で、一次側の電圧が 66kV から 63.8kV に下がった。このときの二次側の電圧は何 kV か。また、二次側を 6.6kV に戻すには、巻数比をいくらにすればよいか。

【解き方】

1. 二次側の電圧を求める： 63.8 ÷ 10 = 6.38kV
2. 必要な巻数比を求める： 63.8 ÷ 6.6 ≒ 9.67

答えは、二次側が 6.38kV、巻数比は約 9.67 です。巻数比を小さくするには、一次側の巻数を減らすようにタップを切り換えます。

このように、変圧器は巻数比で電圧を変え、負荷時タップ切換装置は電気を送ったまま巻数比を変えて、二次側の電圧を一定に保ちます。

以上が、変圧器と負荷時タップ切換についてです。

遮断器と断路器：電路を開け閉めする

遮断器は、分電盤のブレーカーを大きく強くしたもの

接点が離れるとアークが飛び、電流が流れ続けようとする

アークの消し方で、ガス・真空・油・空気遮断器に分かれる

断路器は電流のない電路を開き、目に見える形で切り離す

断路器で負荷電流を切ると、大きなアークが出て危険

遮断器は蛇口、断路器は水を止めてから外すつなぎ目

止めるときは、遮断器を先に開いてから断路器を開く

送るときは断路器が先、遮断器が最後。インターロックで守る

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次に、遮断器と断路器について紹介します。

どちらも電気の通り道（電路）を開け閉めする機器ですが、できることがまったく違います。

1. 遮断器

遮断器 は、ふだんの負荷電流はもちろん、事故のときに流れる非常に大きな電流（短絡電流）も切ることができる開閉器です。家の分電盤のブレーカーを、とても大きく強くしたものです。

高い電圧で大きな電流を切ろうとすると、接点が離れた瞬間に、すき間にアーク（強い火花）が飛び、電流が流れ続けようとします。遮断器は、このアークを素早く消す工夫を持っています。アークを消す方法で、次のように分かれます。

【遮断器の種類】

• ガス遮断器： 六ふっ化硫黄（SF₆）ガスを吹き付けてアークを消す。高い電圧の変電所で広く使われる
• 真空遮断器： 真空の容器の中で接点を開き、アークを広がらせずに消す。配電用の 6.6kV などで多く使われる
• 油遮断器・空気遮断器： 油や圧縮空気でアークを消す。古い形式

2. 断路器

断路器 は、電流が流れていない電路を開いて、機器を系統から切り離すための開閉器です。点検のときに「ここから先は電気が来ない」ことを、目に見える形で確実にします。

ここで 1 つ注意があります。断路器にはアークを消す力がほとんどないので、負荷電流を切ってはいけません。電流が流れたまま断路器を開くと、大きなアークが出て、機器を壊したり、作業する人がやけどをしたりするおそれがあります。

水道にたとえると、遮断器は水の勢いが強くても閉められる「蛇口」、断路器は水を止めてから外す「ホースのつなぎ目」です。水が勢いよく流れているときにホースを外すと、水が噴き出してしまいます。

例題：遮断器と断路器の操作の順番

遮断器 CB の両側に断路器 DS1・DS2 がある回路で、送電を止めて機器を点検する。開く順番として正しいのはどれか。

（1）DS1 → CB → DS2 （2）CB → DS1・DS2 （3）DS1・DS2 → CB

【解き方】

1. 断路器は電流を切れないので、まず遮断器で電流を止める
2. 電流が止まってから、両側の断路器を開く

答えは（2）です。送電を始めるときは逆に、断路器を先に閉じてから、最後に遮断器を閉じます。この順番を守らせるため、遮断器が閉じている間は断路器を操作できないようにする仕組み（インターロック）を設けます。

試験のポイント：断路器は負荷電流を切れません。「開くときは遮断器が先、閉じるときは遮断器が後」と覚えましょう。

このように、遮断器は事故の大きな電流まで切れる開閉器で、断路器は電流が流れていない電路を切り離すための開閉器です。

以上が、遮断器と断路器についてです。

避雷器・計器用変圧器・変流器：守る機器と測る機器

避雷器は、雷などの異常な電圧を大地へ逃がして機器を守る

酸化亜鉛の素子は、高い電圧のときだけ一気に電流を流す

あふれた水だけを逃がす放水路のように、町を守る

VTは電圧を110Vに、CTは電流を5Aに変えて測る

地図の縮尺のように、読みに比を掛ければ実際の値が分かる

4A×60で240A、104V×60で6240V

変流器は二次側を開かない。計器用変圧器は短絡しない

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続いて、避雷器・計器用変圧器・変流器について紹介します。

1. 避雷器

避雷器 は、雷などで線路に異常に高い電圧が入ってきたとき、その電圧を大地へ逃がして、変圧器などの機器を守る装置です。

現在の主流は、酸化亜鉛（ZnO）の素子を使った避雷器です。酸化亜鉛の素子は、ふだんの電圧ではほとんど電流を流さず、高い電圧がかかったときだけ一気に電流を流す性質を持っています。異常な電圧がなくなると、すぐに元の電流を流さない状態に戻ります。

川の堤防にたとえると、避雷器は「あふれた水だけを逃がす放水路」です。ふだんは水を通さず、水位が上がりすぎたときだけ水を逃がして、町（機器）を守ります。避雷器は、守りたい機器のなるべく近くに置きます。雷と避雷器のくわしい話は、雷害と絶縁協調の記事で学びます。

2. 計器用変圧器と変流器

変電所の高い電圧や大きな電流を、そのまま計器やメーターにつなぐのは危険です。そこで、測りやすい小さな値に変えてから測ります。

計器用変圧器（VT）は、高い電圧を一定の比で低い電圧に変える機器です。二次側の定格は 110V が一般的です。変流器（CT）は、大きな電流を一定の比で小さな電流に変える機器です。二次側の定格は 5A（または 1A）が一般的です。

地図の縮尺のようなものです。実物を一定の比で縮めて紙に描けば、地図上の長さから実際の距離が分かります。計器の読みに比を掛ければ、実際の電圧や電流が分かります。

例題：変流器と計器用変圧器の読み

変流比 300/5A の変流器につないだ電流計が 4A、変圧比 6600/110V の計器用変圧器につないだ電圧計が 104V を示した。一次側の電流と電圧はいくらか。

【解き方】

1. 変流比を求める： 300 ÷ 5 = 60
2. 一次側の電流を求める： 4 × 60 = 240A
3. 変圧比を求める： 6600 ÷ 110 = 60
4. 一次側の電圧を求める： 104 × 60 = 6240V

答えは、電流 240A、電圧 6240V です。

試験のポイント：変流器は、電流が流れている間に二次側を開いてはいけません。二次側に高い電圧が生じて危険だからです。反対に、計器用変圧器は二次側を短絡してはいけません。大きな電流が流れて焼損するからです。

このように、避雷器は異常な電圧を大地へ逃がして機器を守り、計器用変圧器と変流器は高い電圧や大きな電流を測りやすい値に変えます。

以上が、避雷器・計器用変圧器・変流器についてです。

母線とガス絶縁開閉装置：電気の集まる場所をコンパクトに

母線は、たくさんの回線をまとめてつなぐ共通の電線

駅のコンコースのように、集まった電気が行き先へ分かれる

二重母線なら、片方を点検中ももう片方で送電できる

遮断器や母線などを金属容器に収め、SF₆ガスを詰める

ガスで絶縁するので間隔を狭くでき、面積が小さくなる

感電しにくく塩分に強い。中が見にくく、ガスの管理が要る

むき出しの機器を、密閉した弁当箱に詰め込んだようなもの

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最後に、母線とガス絶縁開閉装置について紹介します。

1. 母線

母線 は、変電所の中で、送電線や変圧器などの回線をまとめてつなぐ共通の電線です。たくさんの回線から来た電気がいったん母線に集まり、そこから行き先ごとに分かれていきます。駅のコンコースに、いろいろな路線の乗客が集まり、それぞれの乗り場へ向かうイメージです。

母線のつなぎ方には、1 本の母線にすべての回線をつなぐ単母線方式と、2 本の母線を持ち、回線をどちらにもつなぎ替えられる二重母線方式などがあります。単母線方式はしくみが簡単で安く済みますが、母線を点検するときは全部の回線を止めなければなりません。二重母線方式は設備が増えますが、片方の母線を点検している間も、もう片方で送電を続けられます。

2. ガス絶縁開閉装置

ガス絶縁開閉装置（GIS）は、遮断器・断路器・母線・変流器・避雷器などを、接地した金属の容器にまとめて収め、中に六ふっ化硫黄（SF₆）ガスを詰めた装置です。

六ふっ化硫黄ガスは、空気よりも電気を通しにくく（絶縁性が高く）、アークを消す力も強いガスです。毒性がなく、燃えない性質も持っています。このガスで絶縁するので、機器どうしの間隔を、空気で絶縁する場合よりずっと狭くできます。

【ガス絶縁開閉装置の長所と注意点】

• 長所： 設置する面積や体積が大幅に小さくなり、都市部や地下の変電所に向く
• 長所： 電気の通る部分が容器に収まっているので、感電のおそれが少なく安全
• 長所： 塩分やほこり、雪の影響を受けにくい
• 注意点： 容器の中を目で見て点検しにくい
• 注意点： 六ふっ化硫黄ガスは温室効果がとても大きいので、漏れないよう管理し、点検時は回収する

たとえるなら、屋外にむき出しで並べていた機器を、ひとつの密閉した弁当箱にきちんと詰め込んだようなものです。

このように、母線は回線をまとめてつなぐ共通の電線で、ガス絶縁開閉装置は母線や開閉器を六ふっ化硫黄ガスとともに金属容器に収め、変電所を小さく安全にする装置です。

以上が、母線とガス絶縁開閉装置についてです。

今回のまとめ

変圧器は巻数比で電圧を変え、タップ切換で電圧を保つ

断路器は負荷電流を切れない。開くときは遮断器が先

避雷器は酸化亜鉛の素子で、異常な電圧を大地へ逃がす

計器用変圧器は二次側を短絡しない。変流器は開かない

ガス絶縁開閉装置はSF₆ガスで絶縁し、小さく安全にする

キーワードは変圧器・遮断器・断路器・避雷器など

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それでは、今回の内容を振り返ります。

今回は、変電所の設備について紹介しました。変電所では、変圧器が電圧を変え、負荷時タップ切換で電圧を保ちます。遮断器と断路器が電路を開け閉めし、避雷器が雷から機器を守り、計器用変圧器と変流器が電圧と電流を見張ります。そして、母線が電気を集めて振り分けます。

今回のポイントを振り返りましょう。

振り返り

• 変圧器は巻数比で電圧を変える。負荷時タップ切換装置は送電したまま巻数比を変える。
• 遮断器は事故の電流まで切れる。断路器は負荷電流を切れないので、開くときは遮断器が先。
• 避雷器は酸化亜鉛の素子で、異常な電圧を大地へ逃がす。
• 計器用変圧器は二次側を短絡しない。変流器は二次側を開かない。
• ガス絶縁開閉装置は SF₆ ガスで絶縁し、変電所を小さく安全にする。

キーワードのおさらい

• 変圧器: 巻数比によって交流の電圧を変える機器
• 遮断器: 負荷電流や事故の大きな電流を切ることのできる開閉器
• 断路器: 電流が流れていない電路を開き、機器を切り離すための開閉器
• 避雷器: 雷などの異常な電圧を大地へ逃がし、機器を守る装置
• 計器用変圧器: 高い電圧を、計器で測りやすい低い電圧（110V など）に変える機器
• 変流器: 大きな電流を、計器で測りやすい小さな電流（5A など）に変える機器
• 母線: 変電所の中で、複数の回線をまとめてつなぐ共通の電線
• ガス絶縁開閉装置: 遮断器や母線などを金属容器に収め、SF₆ ガスで絶縁した装置
• 負荷時タップ切換: 負荷に電流を流したまま、変圧器のタップを切り換えて電圧を調整すること

以上が、今回のまとめです。

さて、遮断器は事故の電流を切れますが、いつ切ればよいかを自分で判断することはできません。事故を見つけて「今だ」と遮断器に合図を送るのは、いったい誰なのでしょうか？

次回は、事故を見つけて切り離す「保護継電器と保護方式」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。