CHAPTER 05 / TRANSFORMER

変圧器と低圧系統

高圧母線から先、6600Vが実際に使える電圧へ姿を変える部分を扱います。単相3線式で電灯へ、三相3線式で動力へ。それぞれの電圧の取り出し方と注意点を押さえたうえで、変圧器容量をどう見積もるか、二次側の主幹MCCBがどう決まるか、%インピーダンスが何に効くのかまでを一続きで追いかけます。

LEARNING GOALS

この章を読み終えたらできるようになること

変圧器の役割と、6600Vから210V／105Vへ降圧する意味を説明できる
単相3線式で210Vと105Vが取り出せるしくみを説明できる
中性線が欠相したときに何が起きるのか、なぜ危険なのかを説明できる
三相3線式が動力負荷に用いられる理由を説明できる
灯動共用変圧器という選択肢の利点と確認事項を説明できる
負荷合計・需要率・将来増設から容量を見積もり、標準容量へ切り上げる流れを説明できる
低圧主幹MCCBのAFとATの違いと、変圧器二次電流との関係を説明できる
%インピーダンスが短絡電流と電圧変動に関係することを概念として説明できる

SECTION 01

変圧器の役割 ── 6600Vを使える電圧にする

第1章で、電気が高い電圧で運ばれてくる理由を見ました。損失を減らすためです。しかし、実際に使う照明やコンセント、電動機は6600Vでは動きません。そこで構内に変圧器を置き、負荷が使える電圧まで下げます。高圧受電設備の存在意義そのものと言ってよい機器です。

変圧器は、鉄心に一次巻線と二次巻線を巻いた構造をしています。一次側に交流を加えると鉄心に磁束が生じ、その磁束が二次巻線に電圧を誘導します。このとき、一次と二次の電圧の比は巻数の比でおおむね決まります。二次巻線の巻数を少なくすれば、その比だけ低い電圧が得られる、というのが降圧の原理です。単線結線図で変圧器が2つの円を縦に重ねた記号で描かれるのは、この2つの巻線を表しているためです。

両側面に放熱フィンを持つ鋼板タンクの油入変圧器。天板に高圧側の背の高いブッシングと低圧側の短いブッシング、吊り金具、正面に銘板が付いている — 油入変圧器の例。両側面の放熱フィン、天板のブッシング、正面の銘板が外観の特徴です。※ 生成AIによるイメージ写真です。実機の記録写真ではなく、機器の形状・銘板・端子の数などの細部は実際の製品と異なります。構造の理解は本文と図解によってください

FIG. TRANSFORMER IMAGE

油入変圧器の外観イメージ。高圧・低圧のブッシング、放熱フィン、そして設計で使う定格容量・%インピーダンスが記載された銘板を示す

実物の変圧器は、巻線と鉄心を絶縁油とともに鋼板タンクへ収めた姿をしています。上のイラストのように、タンク上部に高圧側・低圧側のブッシング（碍子つき端子）が並び、側面には放熱フィンが付きます。設計者にとって特に大事なのは正面の銘板です。定格容量、一次・二次電圧、そして短絡電流計算に使う%インピーダンスは、この銘板に記載された値を根拠にします。

高圧受電設備では、負荷の性質に応じて2種類の系統へ分けるのが一般的です。照明やコンセントのような単相負荷へ供給する電灯系統と、電動機や空調機のような三相負荷へ供給する動力系統です。それぞれ必要な電圧と相数が違うため、変圧器も分けて設けるのが標準的な構成になります。

系統	変圧器の種類	二次電圧の例	主な負荷
電灯系統	単相変圧器（単相3線式で供給）	210V／105V	照明、コンセント、事務機器などの単相負荷
動力系統	三相変圧器（三相3線式で供給）	210V	電動機、空調機、ポンプ、生産設備などの三相負荷

電灯系統と動力系統の一般的な構成（電圧値は代表例であり、実際の値は供給条件と機器仕様によります）

なお、二次電圧が105Vや210Vと、100V・200Vより少し高い値になっているのは、低圧配電線やケーブルでの電圧降下を見込んでいるためです。末端の機器のところで規定の電圧が確保できるよう、送り出しをやや高めにするという考え方です。

SECTION 02

単相3線式 ── 1台の変圧器から2つの電圧を取り出す

電灯系統でほぼ標準的に使われるのが単相3線式です。1φ3Wと表記されます。名前のとおり3本の線で供給する方式で、うち1本は中性線と呼ばれます。この方式のうまいところは、1台の変圧器から2種類の電圧を同時に取り出せる点にあります。

FIG. 1φ3W

単相3線式で210Vと105Vを取り出す考え方。二次巻線の中点から中性線を引き出します。実際の結線・電圧値は機器仕様と供給条件によります。

しくみはこうです。変圧器の二次巻線の真ん中から線を引き出し、これを中性線とします。すると、外側の2線の間では巻線全体の電圧である約210Vが得られ、外側の各線と中性線の間ではその半分の約105Vが得られます。照明やコンセントには105V、大きめのエアコンや業務用機器には210Vというように、1つの系統で使い分けられるわけです。

ここで設計・運用上の要点になるのが、負荷のバランスです。中性線を挟んだ両側（第1相側と第2相側）に、できるだけ均等に負荷を振り分けることが求められます。バランスがとれていれば、両側の電流が中性線の中で打ち消し合い、中性線に流れる電流は小さくなります。逆に偏っていると差分が中性線に流れ、電圧のアンバランスも生じやすくなります。分電盤で回路を割り付けるときは、この振り分けを意識します。

この欠相のリスクを理解するには、「中性線は片方の電線ではなく、電圧を半分に分ける基準点である」と捉えるのが助けになります。基準点が失われれば、電圧の分配は負荷の状態任せになってしまいます。だからこそ、中性線の接続部の確実な施工と、定期点検での確認が重視されます。

SECTION 03

三相3線式と、灯動共用という選択肢

動力系統には三相3線式（3φ3W）が用いられ、二次電圧は210Vが代表的です。三相とは、位相が120度ずつずれた3つの交流を組み合わせたものです。単相と比べたときの利点は、電動機との相性の良さにあります。

三相の電流をコイルに流すと自然に回転磁界ができるため、三相誘導電動機は始動用の補助装置なしで回り始められる
瞬時電力の脈動が小さく、回転が滑らかでトルクの変動が少ない
同じ電力を送る場合、単相より電線の利用効率がよく、経済的になりやすい
電動機・空調機・ポンプなど、産業用機器の多くが三相を前提に作られている

動力系統で設計上とくに気をつけたいのが、電動機の始動電流です。誘導電動機は始動時に定格電流の数倍の電流が流れるため、大きな電動機があると、その瞬間に系統の電圧が落ち込むことがあります。同じ系統につながる照明がちらつく、他の機器が停止するといった障害につながるおそれがあるため、始動方式の検討や、電灯系統と動力系統を分ける意味がここでも効いてきます。

さて、電灯と動力で変圧器を分けるのが標準と述べましたが、規模の小さい施設では別の選択肢もあります。灯動共用変圧器です。1台の変圧器で電灯負荷と動力負荷の両方をまかなう考え方で、本アプリでも対応するパターンのひとつとして用意しています。

観点	電灯・動力を分ける構成	灯動共用変圧器
機器点数	変圧器が2台になり、盤のスペースも大きくなりやすい	変圧器1台で済み、設備費とスペースを抑えやすい
容量の使い方	系統ごとに容量を最適化しやすい	電灯と動力で容量を分け合うため、配分の検討が必要
負荷の影響	動力側の始動電流が電灯側へ及びにくい	同一変圧器のため、動力側の変動が電灯側へ影響しやすい
増設への対応	系統ごとに増設を検討しやすい	どちらかが増えると全体の容量見直しになりやすい

変圧器を分ける構成と灯動共用の一般的な比較（適用可否はメーカー仕様と負荷条件によります）

SECTION 04

変圧器容量をどう見積もるか

変圧器の容量は、大きすぎても小さすぎても具合が悪い、という性格のものです。小さすぎれば過負荷になり、増設のたびに変圧器を取り替えることになります。大きすぎれば設備費が無駄になるうえ、軽い負荷では効率が落ち、無負荷損（鉄損）を負担し続けることになります。ちょうどよい大きさを、見通しを持って決める必要があります。

考え方の出発点は、接続する負荷の合計です。ただし、接続されている機器がすべて同時に、しかも全力で動くことはまずありません。照明は使う区画だけ点き、空調は季節と時間で変わり、生産設備は稼働状況で変わります。そこで、負荷の合計に対して実際に使われる割合を見込みます。これが需要率です。

01設備容量を積み上げる：接続する負荷の容量を系統ごとに合計する
02需要率を見込む：同時に使われる割合を掛けて、実際の最大需要を見積もる
03力率を考慮する：kWで積み上げた場合は力率を考えてkVAへ換算する
04将来増設の余裕を見る：計画されている増設や、想定される負荷の伸びを上乗せする
05標準容量へ切り上げる：算出値以上の最も近い標準容量を選ぶ

最後の切り上げについて補足します。変圧器は任意の容量で作られるわけではなく、標準的な容量系列が決まっています。三相変圧器であれば10、20、30、50、75、100、150、200、300、500…といった並びです。したがって、計算で例えば230kVAという値が出たら、それを満たす標準容量である300kVAを選ぶことになります。この切り上げによって生まれる余裕が、結果として将来増設の受け皿になることもあります。

需要率をいくつに見込むかは、施設の用途や負荷の性質によって大きく変わります。事務所ビル、工場、店舗ではまったく事情が違いますし、同じ用途でも運用によって変わります。文献や資料には用途別の参考値が示されていますが、それはあくまで出発点であり、実際の運用計画と突き合わせて判断すべきものです。

SECTION 05

低圧主幹MCCBと、%インピーダンスが効くところ

変圧器の二次側には、低圧主幹の配線用遮断器（MCCB）を置きます。低圧側の幹線を過負荷や短絡から守り、その下流の分電盤・制御盤へ電気を送る役割です。単線結線図では、各変圧器のすぐ下に描かれます。

MCCBの定格を見ると、しばしば「400AF／300AT」のように2つの数値が並んでいます。この2つは意味が違うので、区別して覚えておきたいところです。

表記	読み方	意味
AF	アンペアフレーム	遮断器の器体（フレーム）の大きさを表す。通せる電流の枠であり、外形寸法や端子の大きさに対応する
AT	アンペアトリップ	引き外し（トリップ）が動作する電流値。実際に過電流を検出して切る基準になる

MCCBのAFとATの違い

同じフレームの中で、トリップ値の違うものが用意されているとイメージすると分かりやすいでしょう。400AFという器体に、300ATや400ATといった引き外し特性を組み合わせる、という関係です。ATがその回路にとって適切かどうかが保護の要であり、AFはそのATを収める器の大きさとして決まります。

では、ATはどう決めるのでしょうか。出発点は変圧器の二次側に流れる電流です。変圧器の容量と二次電圧から二次側の定格電流を求め、それに対して一定の裕度を見込んだうえで、それを満たす標準のAT値を選ぶ、という流れになります。本アプリの仮計算も、この考え方で候補を算出しています。二次電流に対して1.25倍程度の裕度を掛け、その値以上の最小の標準AT値を選び、さらにそのATを収められる最小の標準AFを組み合わせる、という手順です。

その定格遮断容量に関わってくるのが、変圧器の%インピーダンス（%Z）です。これは変圧器そのものが持つ電気的な抵抗感のようなもので、「二次側を短絡した状態で、定格電流を流すのに必要な一次電圧が、定格電圧の何%か」として定義されます。数値が小さいほど、変圧器の中を電流が流れやすいということです。

この%Zは、相反する2つのことに効きます。ひとつは電圧変動です。%Zが小さいほど、負荷が増減したときの二次電圧の変動は小さくなり、電圧が安定します。もうひとつが短絡電流です。%Zが小さいほど、二次側で短絡が起きたときに流れる電流は大きくなります。つまり、電圧が安定する変圧器ほど、二次側に大きな短絡電流を流し得るということです。

最後に、励磁突入電流にも触れておきます。変圧器を投入した瞬間、鉄心の磁束が定常状態に落ち着くまでの間、定格電流を大きく超える電流が一時的に流れます。これが励磁突入電流（インラッシュ電流）です。事故ではないため、この電流で保護装置が動作してしまっては困ります。第4章でPF-S形の制約として「変圧器の励磁突入電流とヒューズの溶断特性の協調」を挙げたのは、まさにこのためです。CB形の場合もOCRの整定で同じ配慮が必要になります。

SECTION 06

本章のまとめ

01変圧器は巻数比によって6600Vを負荷が使える電圧へ降圧する機器で、電圧が下がる分だけ二次電流は大きくなる
02電灯系統は単相3線式、動力系統は三相3線式で供給するのが一般的な構成
03単相3線式は二次巻線の中点から中性線を引き出し、210Vと105Vを取り出す
04中性線が欠相すると軽負荷側に過大な電圧がかかるため、重大な事故につながる
05三相3線式は回転磁界を作れるため電動機に適するが、始動電流による電圧変動に注意する
06灯動共用変圧器は1台で電灯と動力をまかなう選択肢だが、容量配分と適用条件のメーカー確認が前提
07容量は負荷合計に需要率を見込み、将来増設を考えたうえで標準容量へ切り上げる
08低圧主幹MCCBのAFは器体の大きさ、ATは引き外し電流値で、ATは二次電流に裕度を見て選ぶ
09%インピーダンスが小さいほど電圧変動は小さくなるが、二次側短絡電流は大きくなる
10変圧器投入時の励磁突入電流で保護装置が動作しないよう、協調の確認が必要になる

これで、引込から低圧配電までの主な流れを一通りたどったことになります。高圧配電線から構内へ入り、区分開閉器と主遮断装置で守られ、変圧器で降圧されて、電灯と動力へ分かれていく。第2章で見た全体像を、いま一度単線結線図の上で確認してみると、それぞれの機器がなぜその位置にあるのかがはっきりしてくるはずです。

DIAGRAM EXPLORER