電験三種 学習ノート

はじめに

ビルの裏の灰色の大きな箱。中では何が起きている？

配電線の6,600Vを受け取り、100Vや200Vに下げる

箱の中で事故が起きると、近所まで停電させることがある

主任技術者が日々守っているのは、多くはこの設備

責任分界点から保護協調まで、順に学ぶ

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「ビルの裏にある灰色の大きな箱。あの中では、いったい何が起きているんだろう？」

街を歩くと、ビルの屋上や工場の敷地、学校の校舎の裏などに、灰色の金属の箱が置かれているのを見かけます。中には、電力会社の配電線から 6,600V の電気を受け取り、建物の中で使える 100V や 200V に下げるための機器が、ぎっしり詰まっています。

この箱の中の設備で事故が起きると、その建物だけでなく、同じ配電線につながる近所の家や病院まで停電させてしまうことがあります。実は、電験三種の資格を持つ主任技術者が日々の仕事で守っているのは、多くの場合、まさにこの設備です。

そこで登場するのが、今回の主役 高圧受電設備 と、事故を小さく食い止めるための 保護協調 です。法規の最後の記事であり、電験三種の4科目で学んだことが1つにつながる場所でもあります。

前回の記事では、進相コンデンサで力率を改善する計算と、直列リアクトルの役目を学びました。今回の記事では、高圧受電設備と責任分界点、キュービクル式高圧受電設備、地絡継電装置付き高圧交流負荷開閉器、そして短絡電流の計算と保護協調について解説します。

高圧受電設備と責任分界点：電気を受け取る入り口

高圧で受けた電気を低圧に下げ、構内に配る設備

高圧受電設備は、電気が入ってくる家の玄関

電力会社と需要家の保安上の責任の境目が責任分界点

多くは構内の第1号柱や、地中の引込口の近く

マンションの廊下は管理組合、玄関の内側は住人

区分開閉器で、需要家の設備を配電線から切り離す

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はじめに、高圧受電設備と責任分界点について紹介します。

工場やビル、病院など、電気をたくさん使う需要家は、電力会社の配電線から高圧（ふつうは 6,600V）で電気を受け取ります。高圧で受け取った電気を、変圧器で低圧に下げて構内に配るための設備をまとめて 高圧受電設備 と呼びます。前に学んだ区分でいうと、高圧で受電する需要家の設備は、自家用電気工作物にあたります。

高圧受電設備は、家にたとえると「玄関」のような場所です。外から来た電気は、ここで確かめられ、使いやすい形に変えられてから、家の中に入っていきます。

1. 責任分界点

配電線と需要家の設備はつながっているので、どこまでが電力会社の責任で、どこからが需要家の責任かを決めておく必要があります。この保安上の責任の境目を 責任分界点 と呼びます。

責任分界点は、多くの場合、需要家の敷地に入って最初の電柱（構内の第1号柱）や、地中から引き込む場合の引込口の近くに置かれます。責任分界点より需要家の側は、需要家が設置者として、主任技術者の監督のもとで保安を守ります。

マンションにたとえると、廊下は管理組合の、玄関から内側は住人の責任、という分け方と同じです。

2. 区分開閉器

責任分界点には、需要家の設備を配電線から切り離すための開閉器を置きます。これを区分開閉器と呼びます。点検のときに需要家の設備だけを止めたり、事故のときに切り離したりするための、いわば「玄関の鍵」です。区分開閉器には、後の節で学ぶ、地絡継電装置付きのものがよく使われます。

試験のポイント：責任分界点は、電気事業者と需要家の保安上の責任の境目で、区分開閉器はその近くに置きます。

このように、高圧受電設備は高圧で受けた電気を低圧に変える需要家の設備で、責任分界点を境に、需要家側の保安は需要家が守ります。

以上が、高圧受電設備と責任分界点についてです。

キュービクル式高圧受電設備：機器を金属の箱にまとめる

受電設備の機器を金属の箱にまとめたのがキュービクル式

場所をとらず、工事が短く、人が触れる危険も小さい

中には断路器・主遮断装置・変圧器などが並ぶ

CB形は、継電器が見張り、遮断器が電流を切る

PF・S形は、短絡のとき限流ヒューズが溶けて切る

PF・S形は、一般に300kV·A以下の小さな設備向け

LBSは負荷電流を入り切りし、短絡電流はヒューズに任せる

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次に、キュービクル式高圧受電設備について紹介します。

高圧受電設備の機器を、金属の箱（キュービクル）の中にまとめて収めたものを キュービクル式高圧受電設備 と呼びます。冒頭の灰色の箱が、まさにこれです。工場で組み立ててから運び込むので、場所をとらず、工事も短く済みます。また、電気の通った部分が箱の外に出ないので、人が誤って触れる危険も小さくなります。

1. 中に入っている機器

キュービクルの中には、おおまかに次のような機器が入っています。どれも、電力や機械の記事で学んだ機器です。

【高圧受電設備の主な機器】

• 断路器： 点検のときに、回路を目に見える形で切り離す。電流が流れているときには開かない
• 主遮断装置： 事故のときに、受電設備全体を電源から切り離す
• 計器用変圧器・変流器： 高い電圧や大きな電流を、計器や保護継電器で扱える大きさに下げる
• 避雷器： 雷による異常な電圧を大地へ逃がす
• 変圧器： 6,600V を 100V や 200V に下げる
• 進相コンデンサと直列リアクトル： 力率を改善する
• 低圧の配線用遮断器： 低圧の回路ごとに過電流から守る

2. CB形とPF・S形

キュービクル式高圧受電設備は、主遮断装置の種類によって、2つの形に分かれます。

CB形は、保護継電器という「見張り役」と、遮断器という「力持ち」が組んで、事故の電流を切ります。PF・S形は、短絡のような大きな電流が流れると、限流ヒューズが自分で溶けて電流を切ります。構造が簡単で安い代わりに、一般に受電設備容量 300kV·A 以下の比較的小さな設備に使われます。

PF・S形の負荷開閉器（LBS）は、ふだんの負荷電流を入り切りするためのもので、短絡電流は切れません。短絡の電流は限流ヒューズに任せる、という役割分担になっています。

このように、キュービクル式高圧受電設備は、受電に必要な機器を金属の箱にまとめたもので、主遮断装置によって CB形と PF・S形に分かれます。

以上が、キュービクル式高圧受電設備についてです。

地絡継電装置付き高圧交流負荷開閉器：事故を外に広げない

構内の地絡で変電所が動くと、配電線全体が停電

自家用の事故で供給に支障を出すのが波及事故

防火壁のように、構内の事故は構内で止める

責任分界点の電柱の上に付けるのがGR付PAS

零相変流器で地絡を見張り、構内の地絡で自動で開く

短絡電流は切れない。変電所が切った後に開く

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続いて、地絡継電装置付き高圧交流負荷開閉器について紹介します。

1. 波及事故とは

需要家の構内で、高圧のケーブルの絶縁が傷んで地絡が起きたとします。もし構内で切り離せなければ、配電用変電所の保護装置が動いて、その配電線全体が停電してしまいます。このように、自家用電気工作物の事故で、一般送配電事業者などの電気の供給に支障を出してしまう事故を 波及事故 と呼びます。前に学んだとおり、波及事故は国への事故報告の対象です。

1軒の家の火事が、隣の家に燃え移らないように防火壁を作るのと同じで、構内の事故は構内で止めなければなりません。

2. GR付PAS

そこで、責任分界点の区分開閉器に使うのが 地絡継電装置付き高圧交流負荷開閉器 です。電柱の上に付けるものを GR付PAS（柱上気中開閉器）、地中で引き込む場合に使うものを GR付UGS と呼ぶことがあります。

この開閉器は、零相変流器で地絡電流を見張っていて、需要家の構内で地絡が起きると、地絡継電装置の指令で自動的に開きます。こうして、構内の事故を配電線へ波及させずに、需要家の設備だけを切り離します。

ここで1つ注意があります。この開閉器は 負荷開閉器 なので、ふだんの負荷電流は切れますが、短絡のような非常に大きな電流は切れません。そのため、短絡のときは自分では開かずに待ち、配電用変電所の遮断器が開いて電気が来なくなってから開く機能（過電流蓄勢トリップ）を持つものが多く使われています。

補足（ここは読み飛ばしてOK）：構内の高圧ケーブルが長いと、構外で起きた地絡のときにも、ケーブルの対地静電容量を通って地絡電流が流れ、開閉器が不必要に開くことがあります。これを防ぐには、地絡電流の向きも見分ける地絡方向継電装置を使います。

試験のポイント：地絡継電装置付き高圧交流負荷開閉器は、構内の地絡を検出して自動的に開き、波及事故を防ぎます。負荷開閉器なので、短絡電流は遮断できません。

このように、地絡継電装置付き高圧交流負荷開閉器は、責任分界点で構内の地絡事故を切り離し、波及事故を防ぐ役目を持ちます。

以上が、地絡継電装置付き高圧交流負荷開閉器についてです。

短絡電流と保護協調：事故点のいちばん近くで止める

短絡では、ふだんの何十倍もの短絡電流が流れる

%Zが小さいほど電源が近くて強く、短絡電流は大きい

10MV·A・6.6kVの基準電流は約874.8A

短絡電流は約10.9kA。遮断器は12.5kAを選ぶ

台所の故障なら、台所のブレーカーだけが落ちるべき

事故点にいちばん近い保護装置だけを動かす

需要家の過電流継電器を、変電所より短い時間で動かす

地絡は小さく・短く整定。低圧側も下流が先に動く

変圧器の励磁突入電流では動かないように選ぶ

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最後に、短絡電流と保護協調について紹介します。

1. 短絡電流

電線どうしが直接触れる短絡が起きると、ふだんの何十倍もの 短絡電流 が流れます。主遮断装置は、この短絡電流を確実に切れなければなりません。そこで、受電点で流れる短絡電流を計算し、それより大きな定格遮断電流を持つ遮断器を選びます。

電力の記事で学んだパーセントインピーダンスを使うと、短絡電流は次の式で求められます。

$$I_s = \frac{100}{\%Z} \times I_n, \qquad I_n = \frac{P_n}{\sqrt{3}\, V_n}$$

記号の意味は、$I_s$ が短絡電流［A］、$\%Z$ が受電点から電源側を見たパーセントインピーダンス［%］、$I_n$ が基準電流［A］、$P_n$ が基準容量［V·A］、$V_n$ が基準電圧（線間電圧）［V］です。言葉で言うと、「基準電流を、%Z の割合で割り戻す」です。%Z が小さいほど、電源が「近くて強い」ので、短絡電流は大きくなります。

例題：受電点の短絡電流と遮断器の選定

受電電圧 6.6kV の高圧受電設備で、受電点から電源側を見たパーセントインピーダンスが、基準容量 10MV·A で 8% でした。受電点の三相短絡電流は何 kA でしょうか？ また、定格遮断電流 8kA、12.5kA、20kA の遮断器のうち、最も適切なものはどれでしょうか？

【解き方】

1. 単位をそろえる： 10MV·A = $10 \times 10^6$ V·A、6.6kV = 6,600V
2. 基準電流を求める： $I_n = \dfrac{10 \times 10^6}{\sqrt{3} \times 6600} \fallingdotseq 874.8$ A
3. 短絡電流を求める： $I_s = \dfrac{100}{8} \times 874.8 \fallingdotseq 10935$ A ≒ 10.9kA
4. 短絡電流より大きく、最も小さい定格遮断電流を選ぶ： 12.5kA

答えは、短絡電流 約 10.9kA、遮断器は 12.5kA のものです。8kA の遮断器では、短絡電流を切りきれずに壊れてしまいます。

2. 保護協調

事故が起きたとき、いちばん大切なのは、事故点にいちばん近い保護装置だけが動いて、停電の範囲を最小にする ことです。このように、上流と下流の保護装置の動き方を調整しておくことを 保護協調 と呼びます。

家のブレーカーにたとえると分かりやすいです。台所のコンセントで電子レンジが故障したら、台所の回路のブレーカーだけが落ちるべきです。家全体の主幹ブレーカーまで落ちたら、ほかの部屋まで真っ暗になります。高圧受電設備でも同じで、構内の事故で配電用変電所の遮断器が先に動いてしまうと、近所まで停電する波及事故になります。

保護協調は、主に次のように取ります。

【保護協調の取り方】

• 過電流： 需要家の過電流継電器の動作時間を、配電用変電所の過電流継電器より 短く する。動作時間と電流の関係を表す曲線どうしが交わらないように整定する
• 地絡： 需要家の地絡継電装置の動作電流と動作時間を、配電用変電所の側より 小さく・短く 整定する
• 低圧側： 変圧器の二次側の配線用遮断器と、高圧側の主遮断装置のあいだでも、下流が先に動くようにする

あわせて、保護装置は、ふだんの運転で動いてはいけません。例えば、変圧器を入れた瞬間に流れる大きな励磁突入電流で、限流ヒューズが溶けたり、過電流継電器が動いたりしないように選びます。

試験のポイント：保護協調は「事故点に最も近い保護装置だけを動かす」ことです。需要家側の保護装置を、配電用変電所の保護装置より先に動かすことで、波及事故を防ぎます。

このように、短絡電流を計算して遮断できる機器を選び、保護協調で下流から順に動くように整定することで、事故の範囲を最小に抑えます。

以上が、短絡電流と保護協調についてです。

今回のまとめ

高圧で受けて低圧に変える設備。分界点の内側は需要家

キュービクル式にはCB形とPF・S形がある

GR付PASは構内の地絡で開き、波及事故を防ぐ

短絡電流を求め、それより大きい定格遮断電流を選ぶ

保護協調は、事故点に最も近い保護装置だけを動かす

キーワードは高圧受電設備・責任分界点・保護協調など

4科目は、電気を安全にむだなく届けて使う目的でつながる

過去問と記事を往復して、主任技術者を目指そう

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それでは、今回の内容を振り返ります。

今回は、高圧受電設備と保護協調について紹介しました。高圧受電設備は、責任分界点から内側を需要家が守る「電気の玄関」です。キュービクルの中に必要な機器をまとめ、地絡継電装置付き高圧交流負荷開閉器と保護協調で、構内の事故を構内で食い止めます。

今回のポイントを振り返りましょう。

振り返り

• 高圧受電設備は、6,600V などの高圧で受けた電気を低圧に変える需要家の設備。責任分界点より内側は需要家が保安を守る。
• キュービクル式高圧受電設備は、機器を金属箱にまとめたもの。主遮断装置により CB形と PF・S形がある。
• 地絡継電装置付き高圧交流負荷開閉器は、構内の地絡で自動的に開き、波及事故を防ぐ。短絡電流は遮断できない。
• 短絡電流は $I_s = \dfrac{100}{\%Z} I_n$ で求め、それより大きい定格遮断電流の遮断器を選ぶ。
• 保護協調は、事故点に最も近い保護装置だけを動かし、停電の範囲を最小にすること。

キーワードのおさらい

• 高圧受電設備: 高圧で受電し、変圧器で低圧に下げて構内に配る需要家の設備
• 責任分界点: 電気事業者と需要家の、保安上の責任の境目
• キュービクル式高圧受電設備: 受電設備の機器を金属製の箱に収めたもの。CB形と PF・S形がある
• 地絡継電装置付き高圧交流負荷開閉器: 構内の地絡を検出して自動的に開く区分開閉器。GR付PAS など
• 保護協調: 事故点に最も近い保護装置だけが動くように、保護装置どうしの動作を調整すること
• 短絡電流: 短絡のときに流れる非常に大きな電流。パーセントインピーダンスから求める

以上が、今回のまとめです。

さて、この記事で、電験三種の4科目、全85本の記事がすべて終わりました。最後に、ここまでの道のりを振り返ってみましょう。

【4科目で学んだこと】

• 理論： オームの法則から始まり、静電気、電磁気、交流回路、三相交流、電子回路、電気計測まで。ほかの3科目すべての土台
• 電力： 水力・火力・原子力・再生可能エネルギーの発電所から、変電所、送電線と配電線、電気材料まで。電気が作られて届くまでの道すじ
• 機械： 直流機、変圧器、誘導機、同期機、パワーエレクトロニクス、照明・電熱・電気化学、自動制御と情報まで。電気を使って仕事をする機器
• 法規： 電気事業法、電気設備の技術基準とその解釈、そして需要率や力率改善などの施設管理の計算まで。安全を守るためのルール

実は、今回の高圧受電設備には、この4科目がすべて詰まっています。短絡電流の計算は理論と電力の知識、変圧器や遮断器は機械と電力の知識、責任分界点や保護協調は法規の知識です。4科目は別々の科目ではなく、「電気を安全に、むだなく届けて使う」という1つの目的でつながっているのです。

ここまで読み進めてきた皆さんは、電験三種の出題範囲をひととおり学び終えました。あとは、過去問を解いて、分からなかった所の記事に戻る、という往復をくり返してください。1回目に解けなかった問題も、記事を読み直してから解くと、驚くほど見通しがよくなっているはずです。

全85記事、ここまでお疲れさまでした。皆さんが合格証書を手にし、あの灰色の箱の中の設備を守る主任技術者になる日を、心から応援しています。