変電所の設備｜変圧器の効率・短絡電流・力率改善の計算【電験三種】

変電所の仕事は4つに分かれる

発電所から需要家までの間には、いくつもの変電所が入ります。電気事業連合会「電力ネットワーク」にあるとおり、電気は発電所 → 送電線 → 変電所 → 配電線という経路で届きます。その途中で変電所がしているのは、次の4つです。

送電の電圧は、送電容量と距離に応じて500 kV・275 kV・154 kV・66 kV・6.6 kVといった段階に分かれ、変電所を経るたびに下げていきます。どの電圧を使うかは電力会社や地域で異なるので、具体的な数値は「よく使われる例」として押さえてください。ビルの受変電設備は、6.6 kVを受電して200 V・100 Vに落とす、いちばん末端の小さな変電所にあたります。

なぜ電圧を「保つ」必要があるのか

電圧を変えるだけなら変圧器を置けば済みます。それでも調相設備やタップ切換装置が要るのは、需要家に届く電圧を法令が定める幅の中に収める義務があるからです。電気事業法施行規則第38条は、維持すべき電圧を次のように定めています。

条文はe-Gov法令検索「電気事業法施行規則」の第38条で確認できます。続く第39条では、記録計器を使って測定箇所ごとに年1回24時間連続で測る方法まで決められています。負荷は朝と夜で大きく変わるのに、この幅を1日じゅう外さないようにする——これが変電所で電圧を調整する理由です。

変圧器｜比の式が成り立つ条件と、2つの損失

電圧比・電流比は「損失を無視したとき」の関係

変圧器は鉄心に1次巻線と2次巻線を巻き、相互誘導で電圧を変えます。巻数を N₁、N₂ とすると、次の関係が成り立ちます。

この電流の式は、損失と励磁電流を無視した理想変圧器での関係です。実際の変圧器には、鉄心を磁化するために流れる励磁電流と、巻線の抵抗・漏れリアクタンスによる電圧降下があります。そのため入力の皮相電力と出力の皮相電力はぴったり同じにはならず、2次電圧は無負荷時よりわずかに下がります（電圧変動率）。

それでも「電圧を上げれば同じ電力を小さい電流で送れる」という関係は生きています。送電損失は電流の2乗に比例するので、高い電圧で送るほど損失が減ります。この計算は送電の電気的計算で扱います。

鉄損と銅損は、負荷との関係が正反対

「鉄損は一定」と言い切れる条件を押さえておきます。ヒステリシス損は周波数と最大磁束密度で決まり、渦電流損はそれらの2乗で効いてきます。最大磁束密度は加える電圧を周波数で割ったものにほぼ比例するので、電圧と周波数が変わらない限り、鉄損は負荷の大小によらずほぼ同じ値になります。逆に、電源電圧が上がったり周波数が下がったりすると鉄損は増えます。「無条件に一定」ではありません。

銅損は巻線に流れる電流で決まるので、負荷率を α（定格負荷を1としたときの割合）とすると、定格時の銅損 P_c に対して α²P_c になります。負荷を半分にすれば銅損は4分の1です。

計算例1｜効率が最大になる負荷率を求める

定格容量500 kV·A、鉄損 P_i＝1.0 kW、定格負荷時の銅損 P_c＝2.5 kWの変圧器を、力率0.9（遅れ）の負荷につないだとします。

負荷率 α のときの効率は、出力を出力と損失の和で割った値です。

1. 定格（α＝1）のとき：出力は 500×0.9＝450 kW、損失は 1.0＋2.5＝3.5 kW。η＝450／453.5＝0.9923 → 99.23 %。
2. 効率が最大になる負荷率：分母の損失の項を α で割ると P_i／α＋αP_c となり、これが最小になるのは P_i／α＝αP_c、すなわち 鉄損＝そのときの銅損 のときです。したがって α＝√（P_i／P_c）＝√（1.0／2.5）＝√0.4＝約0.63。
3. そのときの効率：出力は 500×0.63×0.9＝283.5 kW、銅損は 2.5×0.63²＝約1.0 kWで鉄損と等しくなり、損失計は2.0 kW。η＝283.5／285.5＝0.9930 → 99.30 %。

定格より6割ほどの負荷のほうが効率が高い、という結果になりました。「効率最大は鉄損＝銅損」は暗記事項ではなく、損失の和を最小にする条件から出てきます。ただしこの導出は、力率が一定で、鉄損が負荷によらず一定という前提の上に立っています。

1日を通した効率は「全日効率」で見る

変電所の変圧器は、一日じゅう定格で運転されるわけではありません。夜間は軽負荷でも、電源につながっている限り鉄損は出続けます。そこで、1日の出力電力量を、出力電力量と損失電力量の和で割った全日効率で評価します。

鉄損は24時間分（P_i×24）を必ず足し、銅損は時間帯ごとの負荷率の2乗で計算して足し合わせます。軽負荷の時間が長い変圧器ほど、鉄損を小さく設計したほうが全日効率が上がります。使い方に合わせて、効率が最大になる負荷率をどこに置くかを設計で決めている、と考えてください。

結線と並行運転の条件

三相変圧器の結線は、Δ結線とY結線の組み合わせで選びます。Δ結線には第3調波の電流を巻線の中で還流させる働きがあり、Y-Y結線だけで組むと電圧のひずみが問題になりやすいため、実際には三次巻線にΔを設けたY-Y-Δ結線などが使われます。Δ-Y結線とY-Δ結線では、1次と2次の線間電圧の位相が30°ずれる点にも注意してください。

変圧器を2台並べて運転（並行運転）するときは、次の条件が要ります。

負荷は％インピーダンスに反比例して分担されます。％インピーダンスの小さい変圧器ほど多くを引き受けるので、容量が同じでも％インピーダンスが違うと、片方だけ先に定格に達します。

電圧を保つしくみ｜タップ切換と調相設備

負荷時タップ切換で巻数比を変える

電圧調整のいちばん直接的な方法は、変圧器のタップを切り換えて巻数比そのものを変えることです。負荷時タップ切換装置（LTC）は運転したまま切り換えられるので、時間帯による負荷変動に追従できます。停電させないと切り換えられない無電圧タップ切換は、季節ごとの調整など、頻繁に動かさない用途に使います。

ただしタップ切換で調整できるのは、その変圧器から先の電圧です。系統全体の無効電力の不足まで直せるわけではありません。そこで調相設備を併用します。

調相設備は無効電力を出し入れする

線路には抵抗 R とリアクタンス X があり、有効電力 P と無効電力 Q が流れると、送電端と受電端の電圧差はおおよそ（RP＋XQ）／V になります。高い電圧の系統では X が R より大きいので、電圧の変化は無効電力 Q の影響を強く受けます。だから無効電力を調整すれば電圧を動かせます。

コンデンサとリアクトルは、開閉器で入れたり切ったりする段階的な調整です。連続的に、しかも速く調整したい場所では同期調相機や静止形の装置を使います。近年は回転部分のない静止形が選ばれることが増えていますが、どれを置くかは系統の条件しだいで、同期調相機が使われている変電所もあります。

軽負荷時に受電端の電圧が送電端より高くなるフェランチ効果は、線路の静電容量による進み電流が原因です。対地静電容量の大きい地中ケーブルでは特に起こりやすく、分路リアクトルの出番になります。ケーブルの特性は地中送電線路で扱います。

計算例2｜力率改善に必要なコンデンサ容量

有効電力200 kW、力率0.8（遅れ）の負荷を、力率0.95（遅れ）まで改善します。必要なコンデンサ容量を求めます。

1. 改善前の無効電力：cosθ₁＝0.8 なら sinθ₁＝0.6、tanθ₁＝0.6／0.8＝0.75。Q₁＝200×0.75＝150 kvar。
2. 改善後の無効電力：cosθ₂＝0.95 なら sinθ₂＝√（1−0.95²）＝0.3122、tanθ₂＝0.3287。Q₂＝200×0.3287＝65.7 kvar。
3. 必要な容量：Q_c＝Q₁−Q₂＝150−65.7＝約84 kvar。

まとめると Q_c＝P（tanθ₁−tanθ₂）です。有効電力 P は変わらず、無効電力だけを減らす点が要点で、皮相電力は 200／0.8＝250 kV·A から 200／0.95＝211 kV·A に下がります。同じ電圧なら線路電流もその比で減るので、線路の損失（電流の2乗に比例）は（211／250）²＝約0.71倍、つまり3割ほど減る計算になります。配電線路側での効果は配電方式と配電計算で詳しく扱います。

実際に選べる容量は製品の標準値で決まるので、計算値をそのまま発注するわけではありません。計算値に近い標準容量を選び、必要なら複数台に分けて負荷に応じて入り切りします。

入れっぱなしにすると進みすぎる

コンデンサは負荷に合わせて調整するものです。夜間などの軽負荷時に入れたままだと、進み無効電力が余って電圧が上がりすぎます。電気料金の面でも得にはなりません。たとえば北陸電力の高圧・特別高圧メニューでは、力率が85 %を上回る1 %ごとに基本料金を1 %割り引き、下回る1 %ごとに1 %割り増しますが、判定に使うのは8時から22時までの平均力率で、瞬間力率が進みになった場合はその瞬間を100 %として扱うと定められています（北陸電力「電気料金のしくみ（特別高圧・高圧）」）。進めれば進めるほど割引が増えるわけではない、ということです。割引の条件は電力会社と契約メニューで異なるので、実務では自分の契約約款を確認してください。

高圧のコンデンサには、ふつう直列リアクトルを組み合わせます。狙いは2つで、投入時の突入電流を抑えることと、高調波でコンデンサ回路が共振して電流が拡大するのを防ぐことです。容量6 %のリアクトルを入れると、第5調波（基本波の5倍の周波数）に対してはリアクトルのリアクタンスが 5×0.06＝0.30、コンデンサのリアクタンスが 0.20（いずれも基本波でのコンデンサのリアクタンスを1としたとき）となり、回路全体が誘導性になります。誘導性であれば第5調波の電流を拡大しません。第3調波まで考える必要がある場所では13 %のリアクトルを選びます。

開閉装置｜どこまで切れるかで役割が違う

遮断器・断路器・負荷開閉器の守備範囲

断路器はアークを消す機構をもたないので、電流が流れている状態で開くと、接触部の間にアークが残って機器を損傷し、作業者にも危険が及びます。「無負荷で操作する」と覚えて構いませんが、実際には規格で決められたごく小さい電流（無負荷の変圧器の励磁電流、短い母線の充電電流など）に限って開閉できる仕様の機種もあります。負荷電流や事故電流を切れないことに変わりはありません。

操作順序と、停電作業で法令が求めること

順序を間違えないよう、遮断器が閉じている間は断路器を操作できないインターロックが設けられます。「断路器は電流の通り道を作る・断つだけ、電流を切るのは遮断器」と役割で覚えると、順序を迷いません。

回路を切ったあとの手順は、労働安全衛生規則第339条が具体的に定めています（e-Gov法令検索「労働安全衛生規則」）。

• 開路に使った開閉器に施錠するか、通電禁止の表示をするか、監視人を置くこと。
• ケーブルやコンデンサのように残留電荷による危険があるものは、安全な方法で確実に放電させること。
• 高圧・特別高圧だったものは、検電器具で停電を確認したうえで、誤通電・混触・誘導による感電を防ぐため短絡接地器具で確実に接地すること。

通電するときは、作業者に危険がないことと短絡接地器具を外したことを確認してから、と第2項で定められています。断路器を開いて終わりではない、という点が現場との接続点です。

遮断器の種類｜何でアークを消すか

SF₆（六ふっ化硫黄）は絶縁と消弧の性能が高く、機器を小さくできます。一方で強い温室効果ガスでもあり、地球温暖化対策の推進に関する法律施行令第4条は、その地球温暖化係数を23,500と定めています（二酸化炭素を1としたときの値。e-Gov法令検索「地球温暖化対策の推進に関する法律施行令」）。そのため点検や廃棄のときは大気に放出せず回収するのが原則で、SF₆を使わない機器の開発も進んでいます。

計算例3｜％インピーダンスから短絡電流を求め、遮断器を選ぶ

公称電圧6.6 kVの母線で、そこから電源側を見た合成％インピーダンスが、基準容量10 MV·Aに対して5 %だったとします。ここで三相短絡が起きたときの電流を求めます。

1. 基準電流：I_n＝10×10⁶／（√3×6,600）＝約875 A。
2. 短絡電流：％インピーダンスは「基準電流を流したときのインピーダンスによる電圧降下が、基準電圧の何％か」を表すので、短絡電流は基準電流の 100／％Z 倍になります。I_s＝875×100／5＝約17.5 kA。
3. 短絡容量：P_s＝10 MV·A×100／5＝200 MV·A。P_s＝√3×6.6 kV×17.5 kAでも同じ値になります。

遮断器はこの電流を切れなければ意味がありません。定格遮断電流には12.5 kA、20 kA、25 kAといった標準の値があるので、計算した17.5 kAを上回る20 kAの機種を選ぶことになります。12.5 kAでは足りません。

ここで確認しておきたいのは、％インピーダンスが小さい系統ほど短絡電流が大きくなるという関係です。電源に近い、容量の大きい系統ほど強い遮断能力が要ります。逆に、変圧器の％インピーダンスをあえて大きめに選んで短絡電流を抑える設計もあります。系統全体で短絡・地絡をどう扱うかは電力系統の保護と安定で扱います。

変電所にある残りの機器

この記事で扱った以外にも、変電所には次の機器があります。いずれも変電所の保護装置で詳しく扱うので、ここでは役割だけ押さえてください。

変流器を扱ううえで大事なのは、通電中に二次側を開放してはいけないことです。二次側が開くと鉄心の磁束が飽和するまで増え、二次端子に高い電圧が現れます。点検で電流計を外すときは、必ず二次側を短絡してから外します。

理解度チェック

3問とも計算問題です。式を立てるところまで自分でやってから、解答を開いてください。

確認1｜効率が最大になる負荷率

定格容量300 kV·A、鉄損0.6 kW、定格負荷時の銅損2.4 kWの変圧器があります。負荷の力率が一定で、鉄損が負荷によらず一定とみなせるとき、効率が最大になる負荷率はどれですか。

（1）約25 %
（2）約45 %
（3）約50 %
（4）約63 %
（5）100 %

確認2｜短絡電流と定格遮断電流の選定

公称電圧6.6 kVの母線から電源側を見た合成％インピーダンスが、基準容量10 MV·Aに対して4 %でした。この母線での三相短絡電流に最も近い値はどれですか。

（1）約8.7 kA
（2）約12.6 kA
（3）約17.5 kA
（4）約21.9 kA
（5）約37.9 kA

確認3｜力率改善に必要なコンデンサ容量

有効電力150 kW、力率0.75（遅れ）で運転している設備の力率を、0.90（遅れ）まで改善します。必要な進相コンデンサの容量に最も近いのはどれですか。

（1）約23 kvar
（2）約33 kvar
（3）約60 kvar
（4）約73 kvar
（5）約132 kvar

まとめと次の学習先

• 変電所の仕事は、電圧を変える・回路を入り切りする・電圧を保つ・事故を切り離すの4つに分かれる。
• 電圧比・電流比の式は損失と励磁電流を無視した関係。実際には電圧変動率がある。
• 鉄損は電圧と周波数が一定ならほぼ一定、銅損は負荷率の2乗に比例する。効率最大は α＝√（P_i／P_c）。
• 電圧を法令の幅（100 Vなら101±6 V、200 Vなら202±20 V）に保つため、タップ切換と調相設備を使う。
• 力率改善に必要な容量は Q_c＝P（tanθ₁−tanθ₂）。進めすぎは電圧上昇のもとで、料金上も得にならない。
• 断路器は電流を切れない。切るときは遮断器が先、入れるときは断路器が先。停電作業では施錠・放電・検電・短絡接地まで法令が求めている。
• 短絡電流は基準電流の 100／％Z 倍。計算値を上回る定格遮断電流の遮断器を選ぶ。

出典と本文の確認日は2026年9月9日です。本文と確認問題の数値は、条件を明示した学習用の設定であり、実在する設備の仕様値ではありません。電圧階級、機器の選定、力率割引の条件は、電力会社や契約するメニューによって変わります。試験問題で基準容量・力率・損失・％インピーダンスが指定されている場合は、その条件に合わせて計算してください。