変電所の役割と構成機器｜母線方式・GIS・計器用変成器を図解

変電所とは、送電線で届いた電気の電圧を変え、母線に集めて、必要な行き先へ配る施設です。中には主変圧器・遮断器・断路器・避雷器・計器用変成器などが置かれ、電圧を変える、電流を入り切りする、機器を守る、といった役目を分担しています。この記事では、変電所の構成を、単線結線図・母線方式・GIS・VT と CT のしくみまで、図と例題で順に確認します。

• 変電所とは
  • 電圧を変えて配る施設。役割は変成・集配・調整・保護
• 変電所の種類と構成機器
  • 昇圧用から配電用までの種類と、主変圧器・遮断器・避雷器などの役割
• 単線結線図と母線方式
  • 図記号の読み方と、単母線・二重母線・1台半遮断器方式の違い
• GIS（ガス絶縁開閉装置）
  • SF6 ガスで絶縁した金属容器。敷地が小さく、点検に手間がかかる
• 計器用変成器（VT・CT）
  • 並列の VT と直列の CT。CT の二次開放と VT の二次短絡は禁止
• 例題と注意点
  • 換算と正誤の問題で確かめる

変電所とは

変電所は、構外から伝送された電気を、構内の変圧器や整流器などで変成し、その電気をさらに構外へ伝送する所と定められています（電気設備に関する技術基準を定める省令、通称「電技省令」第1条）。電圧を変えずに、開閉器で電路を開閉するだけの所は「開閉所」と呼び、変電所とは区別されます。

発電所でつくった電気は、図1のように、昇圧と降圧を重ねながら需要家へ届きます。変電所はその途中にある電圧の乗り換え地点で、系統のどこにあるかによって、昇圧用・超高圧・一次・配電用などと呼び分けます。図の電圧は一例です。

変電所の仕事は、次の4つにまとめられます。

役割	内容
変成	変圧器で電圧を変える
集配	母線に集めて各回線へ配る
調整	電圧と無効電力を調整する
保護・監視	事故を見つけて切り離し、状態を監視する

この記事は「変電所の構成」を扱う入口です。事故を見つける保護のしくみは保護継電器の種類と役割、電圧と無効電力の調整は調相設備の種類と電圧調整で、続けて確認します。

変電所の種類と構成機器

変電所の種類

変電所は、系統の中での位置と役割で、次のように分けて呼びます。

種類	働き
昇圧用	発電所の電気を送電の電圧へ上げる
超高圧	基幹系統の電圧を一段下げて送り出す
一次	超高圧変電所から受け、さらに電圧を下げる
配電用	配電の電圧（6.6 kV など）まで下げる
開閉所	変圧せず、電路を開閉して切り替える

屋外変電所の構内

屋外の変電所では、鉄構（鉄の骨組み）の上に母線や電線を張り、がいしで絶縁して支えます。図2の右側にある大きな箱形の機器が主変圧器で、その側面に並ぶ板状の部分が放熱器です。

1がいし2鉄構3主変圧器4放熱器

1. がいし　充電部を鉄構から絶縁して支える
2. 鉄構　母線や電線を張る鉄の骨組み
3. 主変圧器　電圧を変えるいちばん大きな機器
4. 放熱器　油の熱を空気へ逃がす板状の部分

主変圧器のつくり

主変圧器は、変電所でいちばん大きな機器です。本体のタンクに鉄心とコイルを入れ、絶縁油で満たして、絶縁と冷却を兼ねます。油は温度で膨張・収縮するので、その変化を受け止める油だめがコンサベータです。図3で、各部の名前を確かめましょう。

1ブッシング2コンサベータ3放熱器4本体タンク

1. ブッシング　巻線の端子を外へ出すがいし
2. コンサベータ　油の膨張・収縮を受ける油だめ
3. 放熱器　絶縁油の熱を空気へ逃がす
4. 本体タンク　鉄心とコイルを油とともに収める

二次電圧の調整には、負荷電流を流したまま巻線の接続を切り替える負荷時タップ切換装置を使います。接続方式は変圧器の三相結線、複数台の並行運転は変圧器の並行運転、中性点の接地は中性点接地方式で扱います。

ほかの主な機器

主変圧器のまわりには、次の機器が置かれます。

機器	役割
母線	電気を集めて回線へ配る共通の導体
遮断器	負荷電流と事故電流を切る
断路器	電流のない回路を切り離す
避雷器	雷などの異常電圧を大地へ逃がす
変流器・VT	大電流・高電圧を計器の大きさにする
保護継電器	事故を検出し、遮断器へ指令を出す
調相設備	無効電力を調整して電圧を保つ
蓄電池	停電時も制御と保護を動かす直流電源

遮断器と断路器の違いと操作の順序は遮断器と断路器の違い、遮断器が切る短絡電流の大きさは%インピーダンスと短絡電流の計算で詳しく扱います。

単線結線図と母線方式

単線結線図の読み方

三相の電気は3本の線でできていますが、変電所の構成を表す図では、3本を1本の線にまとめて描きます。これが単線結線図です。受電側から送り出し側へ、線をたどるだけで、電気が通る機器の順序が分かります。図4は、単線結線図に使う主な図記号です。

図5は、配電用変電所の単線結線図の一例です。2回線で受電し、避雷器・断路器・遮断器を通って一次母線に入ります。そこから断路器・遮断器を通り、2台の主変圧器で電圧を下げて二次母線へ送ります。二次母線には、配電線・調相設備・計器用変圧器がつながります。電圧の値は一例です。

母線方式の種類

母線は、変電所の中で電気を集めて配る共通の導体です。母線のつなぎ方（母線方式）は、事故や点検のときに、どこまで送電を続けられるかで選びます。図6は、単母線方式と二重母線方式です。

単母線方式は、母線が1本で、構成が簡単で安価です。ただし、母線に事故が起きたり、母線を点検したりすると、つながる回線がすべて停電します。

二重母線方式は、母線を2本もち、各回線をどちらの母線にもつなげるようにします。一方の母線を点検するときは、回線をもう一方へ切り替えて、送電を続けられます。切り替えは、母線連絡遮断器を閉じて両方の母線を同じ電位にしてから、断路器を操作します。断路器は電流を切れないからです。

1台半遮断器方式は、2本の母線の間に遮断器3台を直列に並べ、遮断器と遮断器の間から回線を取り出す方式です。2回線に3台なので「1台半」と呼びます。図7のように、中央の遮断器が開いても、各回線は上下どちらかの母線から受電できます。

3つの方式を比べます。

方式	利点	欠点
単母線	簡単で安価	母線事故で全停電
二重母線	母線を切り替えて点検できる	機器が多く操作が複雑
1台半遮断器	信頼度が最も高い	遮断器が多く高価

どれを選ぶかは、停電が許されない度合い（供給の重要度）と、建設費・保守の手間の兼ね合いで決まります。図8は、屋外変電所で母線を支える部分です。太い管形の母線を、がいしで鉄構の上に支えています。

GIS（ガス絶縁開閉装置）

GIS は、母線・遮断器・断路器などを金属の容器に収め、SF6 ガスで絶縁した設備です。遮断器の側から見た GIS の説明は遮断器と断路器の違いで扱っているので、ここでは、変電所を設計するときの選び方として、空気で絶縁する従来の方式（気中絶縁、AIS ともいいます）との違いを確かめます。

図9は、屋内に設置した GIS です。灰色の金属容器の中に、母線や遮断器が収まっています。

1母線容器2機器容器3フランジ4端子箱

1. 母線容器　母線を収めた金属の筒
2. 機器容器　遮断器などを収めた容器
3. フランジ　容器どうしをボルトでつなぐ継ぎ目
4. 端子箱　制御・監視の配線をまとめる箱

項目	気中絶縁	GIS
敷地	広い	小さい
絶縁	空気	SF6 ガス
塩害・汚損	受けやすい	受けにくい
点検	機器が見える	容器の中は手間

SF6 ガスは空気より絶縁性能が高いので、機器の間隔を小さくでき、敷地を小さくできます。充電部が密閉された容器の中にあるので、海に近い場所の塩害や、都市部の汚損にも強くなります。反対に、容器の内部は目で見られず、点検に手間がかかります。SF6 は温室効果が大きいガスなので、漏らさないように圧力を管理し、点検や廃棄のときは回収します。

敷地が狭い都市部や、塩害のある地域では GIS が向き、敷地に余裕がある場所では、気中絶縁が使われます。

計器用変成器（VT・CT）

送電線の電圧は数万〜数十万ボルト、電流は数百アンペアにもなります。これを電圧計・電流計・保護継電器に直接つなぐことはできません。そこで、電圧と電流を、計器が扱える大きさに変える計器用変成器を使います。

• 計器用変圧器（VT）は、主回路に並列につなぎ、電圧を下げる
• 変流器（CT）は、主回路に直列に入れ、電流を小さくする

二次側の値は、VT が 110 V、CT が 5 A を標準とすることが一般的です。図10は、そのつなぎ方です。

一次の値は、二次の値に変成比を掛けて求めます。図10の VT（6600/110 V）と CT（200/5 A）なら、次のとおりです。

$$\begin{gathered} V_1 = 60\,V_2 \\ I_1 = 40\,I_2 \end{gathered}$$

項目	VT	CT
つなぎ方	主回路に並列	主回路に直列
変えるもの	電圧	電流
二次側	110 V が標準	5 A が標準
禁止	二次側の短絡	二次側の開放

例題と注意点

解答と解説を見る

誤っているのは2です。

断路器には、電流を切る能力がありません。負荷電流が流れたまま開くとアークが生じるので、電流を切った後の回路を切り離すために使います。負荷電流や事故電流を切るのは遮断器です。1・3・4・5 は正しい記述です。

解答と解説を見る

誤っているのは3です。

1台半遮断器方式は、信頼度が高い代わりに、遮断器の台数が多く、設備費が高くなります。そのため、供給の重要度が高い大きな変電所で採用されます。1・2・4・5 は正しい記述です。

解答と解説を見る

変圧比は 6600/110 = 60、変流比は 200/5 = 40 です。

(1) 一次電圧は、二次電圧に変圧比を掛けます。

$$\begin{aligned} V_1 &= 100 \times 60 \\ &= 6000\,\mathrm{[V]} \end{aligned}$$

(2) 一次電流は、二次電流に変流比を掛けます。

$$\begin{aligned} I_1 &= 3.2 \times 40 \\ &= 128\,\mathrm{[A]} \end{aligned}$$

(3) 三相の皮相電力は、線間電圧と線電流から求めます。

$$\begin{aligned} S &= \sqrt{3}\,V_1 I_1 \\ &= \sqrt{3} \times 6000 \times 128 \\ &\fallingdotseq 1.33 \times 10^{6}\,\mathrm{[VA]} \end{aligned}$$

よって、約 1330 kVA です。V を kV に直さず、そのまま掛けたので、答えは VA で出ます。

解答と解説を見る

(1) 20 MVA を 2 台で等しく分けるので、1 台あたり 10 MVA です。

$$\frac{10}{15} \times 100 \fallingdotseq 66.7\,\mathrm{[\%]}$$

(2) 1 台が 20 MVA を受け持つことになります。

$$\frac{20}{15} \times 100 \fallingdotseq 133\,\mathrm{[\%]}$$

定格を超える分は 20 − 15 = 5 MVA です。1 台が停止しても残りの 1 台で供給を続けるには、負荷を 15 MVA 以下にする（5 MVA を切り離すか、ほかの変電所へ振り替える）必要があります。

間違えやすい記述を整理します。

記述	正誤
断路器は負荷電流を開閉できる	誤り（電流を切れない）
二重母線は母線の切替えで送電を続けられる	正しい
1台半遮断器方式は設備費が安い	誤り（高価）
CT の二次側は通電中に開放できる	誤り（絶縁を壊す恐れ）
VT の二次側は短絡してよい	誤り（焼損する）

よくある質問

変電所と開閉所の違いは何ですか。

変電所は、変圧器などで電圧を変えて、電気をさらに構外へ送り出す所です。開閉所は、電圧を変えず、開閉器で電路を開閉して、送電の切り替えや事故の切り離しをする所です。

単線結線図はなぜ 1 本の線で描くのですか。

三相は3本の線が同じ構成でつながっているので、3本とも描いても情報が増えず、図が複雑になるだけだからです。1本にまとめれば、機器が並ぶ順序と、つなぎ方だけが見えます。

母線方式は何で選ぶのですか。

供給の重要度と、費用の兼ね合いで選びます。停電が許されない基幹系統の大きな変電所は、信頼度の高い 1 台半遮断器方式、小規模な変電所は構成が簡単な単母線方式、その中間には二重母線方式が使われます。

CT の二次側を開放し、VT の二次側を短絡してはいけないのはなぜですか。

CT は一次電流が決まっているので、二次側が開くと、その電流がすべて励磁電流になり、鉄心が飽和して二次端子に高い電圧が生じます。VT は一次電圧が決まっているので、二次側を短絡すると、大きな電流が流れて焼損します。

思い出してみよう

答えを見る前に、まず自分で思い出してからタップしてください。

変電所と開閉所の違いは何ですか？

変電所は電圧を変えて電気を送り出し、開閉所は電圧を変えず、電路を開閉するだけです。

変電所の主な機器と、それぞれの役割を挙げてください。

主変圧器は電圧を変え、遮断器は電流を切り、断路器は無電流で切り離し、避雷器は異常電圧を逃がします。

単母線方式の欠点は何ですか？

母線に事故が起きたり、母線を点検したりすると、全回線が停電します。

1台半遮断器方式では、2回線に遮断器を何台使いますか？

3台です。信頼度が高い代わりに、設備費が高くなります。

GIS が気中絶縁より有利な点と、注意する点は何ですか？

敷地が小さく、塩害や汚損に強い点が有利です。容器の内部は点検に手間がかかり、SF6 ガスの管理が必要です。

CT の二次側を開放してはいけないのはなぜですか？

一次電流がすべて励磁電流になり、二次端子に高電圧が生じて、絶縁を壊すおそれがあるからです。

まとめ

• 変電所は、電圧を変えて母線に集め、各回線へ配る施設で、変成・集配・調整・保護の役割がある
• 主変圧器・遮断器・断路器・避雷器・VT と CT・調相設備が、それぞれの役目を分担する
• 単線結線図は、三相を 1 本の線で描き、上から下へ電気の流れる順に読む
• 母線方式は、単母線（安価）・二重母線（切り替えて点検）・1 台半遮断器（3つの中で信頼度が最も高い）で、重要度と費用で選ぶ
• GIS は敷地が小さく塩害に強いが、点検に手間がかかり、SF6 ガスの管理が必要。CT は二次開放、VT は二次短絡をしない

次は、保護継電器の種類と役割で、事故を見つけて遮断器へ指令を出すしくみを、続けて調相設備の種類と電圧調整で、無効電力と電圧の調整を確かめましょう。