変電所の役割、構成機器、三相結線方式

発電所で発電した電力を需要家に送るために重要なのが変電所です。
変圧器の三相結線方式にはY結線とΔ結線があります。
それらについて、理解しやすく書いている記事です。
電験三種(電力)の過去問題も書いていますので、学習後に解いてみてください。
こんな人におすすめ
  • 変電所の役割と機器を知りたい
  • 変圧器の三相結線の特徴を知りたい
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変電所


電気を段階的に降圧しながら需要家に安全かつ経済的に届けるための重要な施設です。
電気設備技術基準によると、「変電所とは、構外から伝送される電気を構内に施設した変圧器、回転変流機、整流器その他の電気機械器具により変成する所であって、変成した電気をさらに構外に伝送するもの(蓄電所を除く。)」とされています。

変電所の役割

電圧を昇圧、降圧します。
送電線、配電線の保安保護をします。
電力潮流(電力の流れ)を調整します。
タップや調相設備で電圧を調整します。
周波数の変換をします。(周波数変換所)

変電所の構成機器

変圧器
電圧を昇圧したり降圧したりします。
変圧器1
調相設備
 電力用コンデンサ、分路リアクトル、同期調相機など
断路器
 電炉の接続、切り離しを行う機器です。送配電線、変圧器などの点検、修理は回路から切り離して行います。
遮断器
 電力の送電、停止、切換えに用いる機器です。自己の場合は回路を自動遮断します。
計器用変成器
 高電圧、高電流を、これに比例した低い電圧、小さい電流に変成して計器を動かします。
避雷器
 変電所にある機器を以上電圧から保護します。
架空地線
 機器を雷の直撃から守る役割をします。

調相設備


変電所には、電圧の調整と力率改善(電力損失の軽減)のために調相設備を設けます。調相設備には電力用コンデンサ、分路リアクトル、同機調相機などがあります。

電力用コンデンサ

電力負荷は基本的に遅れ力率で、力率が悪いと電力損失増加や、電圧降下増加、設備利用率低下などいろんな問題が生じます。電力用コンデンサは力率を進めるための調相装置です。負荷と並列に接続して、進相電流により力率を改善します。
電験三種で突っ込んだ問題は出ないとは思いますが、運用上の注意点はザっと見ておいたほうがいいです。

分路リアクトル

負荷と並列に接続して、遅相電流により力率を改善します。

変圧器の三相結線方式


変圧器の三相結線方式には、Y結線とΔ結線があります。一時側と二次側でいろんな組み合わせがあります。

Y-Y結線

  1. 一次、二次に位相差はない。
  2. 一次側、二次側の中性点を接地できるので、送電線の故障や異常電圧に対する保護がしやすくなる。
  3. 相電圧に第3高調波を含んだひずみ波形を生じる。
  4. 中性点を接地すれば、第3高調波の充電電流が線路と大地の間の静電容量を通じて流れるので、通信線に誘導障害を起こす原因になる。

Y-Δ結線、Δ-Y結線

  1. 一次、二次間に30°の位相差を生じる。
  2. Y結線の中性点を接地すると以上電圧を軽減できる。
  3. Δ結線で第3高調波を循環させ、ひずみをなくす(少なくする)。
  4. Δ結線に単相負荷をかけられる

Y-Δ結線は変電所の降圧用変圧器、Δ-Y結線は発電所の昇圧用変圧器に採用されています。

Δ-Δ結線

  1. 一次、二次間に位相差はない。
  2. 1相分が故障してもV結線として使用できる。
  3. 中性点を接地できないので、地絡保護がしにくい。
  4. 電圧にひずみを生じにくい。

V-V結線

  1. 一次、二次間に位相差はない。
  2. 変圧器2台で、1台の変圧器容量の$\sqrt{3}$倍。

Y-Y-Δ結線

  1. 一次、二次間に位相差はない。
  2. 三次巻線のΔ結線は第3高調波電流の抑制のためのもの。
  3. 三次巻線に調相設備を接続して、線路損失の軽減、電圧調整に利用する。

電験三種 電力 過去問題 変電所


電験三種の過去問題(電気技術者試験センター作成)を解くことで、理解しているかどうか確かめましょう。

平成13年(2001年) 電力 問5

変電所に設置される機器に関する記述として、誤っているのは次のうちどれか。
(1) 遮断器は、短絡電流などの開閉に用いる装置で、遮断時に発生するアークを消弧するために、SF6ガスや真空などが活用されている。
(2) 断路器は、母線や変圧器などの切り離しや接続替えをするための装置で、短絡電流は開閉できないが、負荷電流は開閉可能なものが多い。
(3) 避雷器は、落雷などで生じる異常電圧を抑制して機器を保護するために設置されるもので、落雷を防止する機能はない。
(4) 計器用変成器には、計器用変圧器と変流器がある。計器用変圧器の二次側は短絡してはならず、変流器の二次側は開放してはならない。
(5) ガス絶縁開閉装置(GIS)は、遮断器、断路器、母線等を金属容器に収納し、SF6ガスを封入して小型化した高信頼度の装置である。

平成13年(2001年) 電力 問5 解説


断路器は、回路の接続変更とか機器の点検などのために回路を切り離すときに用います。電流が流れていない状態にして操作するわけです。負荷電流の開閉は断路器じゃなくて遮断器です。
答えは (2)

平成13年(2001年) 電力 問6

電力系統において無効電力を調整する方法として、適切でないのは次のうちどれか。

(1) 負荷時タップ切換変圧器のタップを切り替えた。
(2) 重負荷時に、電力用コンデンサを系統に接続した。
(3) 軽負荷時に、分路リアクトルを系統に接続した。
(4) 負荷に応じて同期調相器の界磁電流を調整した。
(5) 静止形無効電力補償装置(SVC)により、無効電力を調整した。

平成13年(2001年) 電力 問6 解説

負荷時タップ切換変圧器は負荷を切らないまま(負荷電流を流したまま)タップを切換えて、変圧比を調整して電圧を一定に保つことができる変圧器です。一次電圧が低下すると二次電圧も低下するのですが、タップで巻数比変えることで電圧を規定値に保つということです。
無効電圧を調整するものではありません。
答えは (1)

平成16年(2004年) 電力 問6

変電所では主要機器をはじめ多数の電力機器が使用されているが、変電所に異常電圧が侵入したとき、避雷器は直ちに動作して大地に放電し、異常電圧をある値以下に抑制する特性を持ち、機器を保護する。この抑制した電圧を、避雷器の( ア )と呼んでいる。この特性をもとに変圧所全体の( イ )の設計を最も経済的、合理的に決めている。これを( ウ )という。

上記の述中の空白箇所(ア),(イ)及び(ウ)に記入する語句して、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。
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平成16年(2004年) 電力 問6 解説

変電所では主要機器をはじめ多数の電力機器が使用されているが、変電所に異常電圧が侵入したとき、避雷器は直ちに動作して大地に放電し、異常電圧をある値以下に抑制する特性を持ち、機器を保護する。この抑制した電圧を、避雷器の( 制限電圧 )と呼んでいる。この特性をもとに変圧所全体の( 絶縁強度 )の設計を最も経済的、合理的に決めている。これを( 絶縁協調 )という。

平成16年(2004年) 電力 問8

一般に電力系統では、受電端電圧を一定に保つため、調相設備を負荷と( ア )に接続して無効電力の調整を行っている。
電力用コンデンサは力率を( イ )ために用いられ、分路リアクトルは力率を( ウ )ために用いられる。
同期調相機は、その( エ )を加減することによって、進み又は遅れの無効電力を連続的に調整することができる。
静止形無効補償装置は、( オ )でリアクトルに流れる電流を調整することにより、無効電力を高速に制御することができる。

上記の記述中の空白箇所(ア),(イ),(ウ),(エ)及び(オ)に記入する語句として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。
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平成16年(2004年) 電力 問8 解説

一般に電力系統では、受電端電圧を一定に保つため、調相設備を負荷と( 並列 )に接続して無効電力の調整を行っている。
電力用コンデンサは力率を( 進める )ために用いられ、分路リアクトルは力率を( 遅らせる )ために用いられる。
同期調相機は、その( 界磁電流 )を加減することによって、進み又は遅れの無効電力を連続的に調整することができる。
静止形無効補償装置は、( 半導体スイッチ )でリアクトルに流れる電流を調整することにより、無効電力を高速に制御することができる。
答えは (1)

平成22年(2010年) 電力 問7


大容量発電所の主変圧器の結線を一次側三角形、二次側星型とするのは、二次側の線間電圧は相電圧の( ア )倍、線電流は相電流の( イ )倍であるため、変圧比を大きくすることができ、( ウ )に適するからである。また、一次側の結線が三角形であるから、( エ )電流は巻線内を環流するので二次側への影響がなくなるため、通信障害を抑制できる。
一次側を三角形、二次側を星型に接続した主変圧器の一次電圧と二次電圧の位相差は、( オ )[rad]である。

上記の記述中の空白箇所(ア),(イ),(ウ),(エ)及び(オ)に当てはまる語句、式又は数値として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。
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平成22年(2010年) 電力 問7 解説


大容量発電所の主変圧器の結線を一次側三角形、二次側星型とするのは、二次側の線間電圧は相電圧の( $\sqrt{3}$ )倍、線電流は相電流の( 1 )倍であるため、変圧比を大きくすることができ、( 昇圧 )に適するからである。また、一次側の結線が三角形であるから、( 第3調波 )電流は巻線内を環流するので二次側への影響がなくなるため、通信障害を抑制できる。
一次側を三角形、二次側を星型に接続した主変圧器の一次電圧と二次電圧の位相差は、( π/6 )[rad]である。
答えは (1)

平成28年(2016年) 電力 問7

遮断器に関する記述として、誤っているものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。
(1) 遮断器は、送電線路の運転・停止、故障電流の遮断などに用いられる。
(2) 遮断器では一般的に、電流遮断時にアークが発生する。ガス遮断器では圧縮ガスを吹き付けることで、アークを早く消弧することができる。
(3) ガス遮断器で用いられる六ふっ化硫黄( $SF_6$ )ガスは温室効果ガスであるため、使用量の削減や回収が求められている。
(4) 電圧が高い系統では、真空遮断器に比べてガス遮断器が広く使われている。
(5) 直流電流には電流零点がないため、交流電流に比べ電流の遮断が容易である。

平成13年(2016年) 電力 問7 解説

六フッ化硫黄は人体には無害ですが、温室効果ガスなので削減や回収が求められます。
真空遮断器は154kVまでなので、それより高い電圧系統ではガス遮断器が使われます。
直流電流には電流零点がないため、交流電流に比べ電流の遮断が難しいです。
答えは (5)
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