これだけは知っておきたい電気設備の基礎知識をご紹介します。このページでは「受変電設備を構成する主要な機器」について、維持管理や保全などを行う電気技術者の方が、知っておくとためになる電気の基礎知識を解説しています。
受変電設備を構成する主要な機器
受電電力の大きさにより、高圧または特別高圧で受電するビルや工場では、受電した電力を構内で使用するのに便利な電圧に変成し、使用場所まで配電します。配電には、これに適した電気機器や器具が必要となり、運用上、必要に応じて電路の開閉を行う場合があります。また、短絡や地絡などの事故があった場合には、自動的にその電路は回路から遮断しなければなりません。また、機器が故障した場合も同様です。
このように正常時の運転はもちろんですが、故障やその他の異常時において、故障以外の健全な部分には送電の継続ができるように考えておく必要があります。
高圧または特別高圧で電力を受電する場合に必要となる主要機器をあげてみると、次のようなものがあります。
- 断路器
- 避雷器
- 遮断器
- 電力ヒューズ
- 変圧器
- 進相コンデンサ
- 計器用変流器・変圧器など
受変電用主要機器の系統構成
受変電設備がどのように電気的に接続されているかをわかりやすく示したものを単線結線図といいます。第1図(a)は、特別高圧受電の例です。(a)の場合の断路器(DS)は、安全上の見地から受電点に設けられ、受電するときはまず断路器から投入し、切るときはしゃ断器をしゃ断してから最後に切ります。
したがって断路器は通電中に開閉することはしないわけで、通電中に開閉する能力はもっていません。PFは電カヒューズで、これは短絡電流をしゃ断する役目をもつものです。したがって、その負荷側にあるCB(油しゃ断器など)は、短絡電流以外の電流の投入、しゃ断が行えれば良いです(電カヒューズがなく断路器としゃ断器だけの場合は,しゃ断器は短絡電流のしゃ断もできなければならない)。この受電用しゃ断器により変圧器、コンデンサ等の投入やしゃ断を行うのです。
次に変圧器は三相用と単相用があり、三相用は三相変圧器1台とするものもあれば、単相3台とする場合もあります。第1図(a)はJISで規定されている標準のものです。
次に第1図(b)は特別高圧2回線で受電している場合で、構成機器の名称はほぼ同じです。しかし、使用電圧や容量が違うため構造的にも異なったところが多いです。LAは避雷器の記号で、これは雷その他の異常電圧が侵入してきたときに、この避雷器が放電して異常電圧を低減しようとするもので、これの設置については電気設備技術基準に、架空電線路から供給を受ける高圧(500 kW以上)または特別高圧の需要場所の引込口には避雷器を設けることが定められています。
次にこの受電系統にはしゃ断器が多数設置されていますが、これは供給の信頼度を増すためです。常時はしゃ断器Gは開放されていて、負荷は2台の変圧器により別々に供給されていますが、 1台の変圧器が例えば、Tr1が故障したとすると、しゃ断器C,Eはしゃ断し、母線連絡用しゃ断器Gが投入されて変圧器Tr2からすべての負荷に供給されます。
受変電設備の系統の構成はビル、工場その他施設の種類や電源に対する信頼性の確保などによって種々の構成方式がありますので、それぞれに応じて適切な受変電設備の構成を選定することが必要です。
受変電設備の運用
受電変圧器の容量と契約電力
当初受変電設備を計画した際は、そのときの負荷設備に見合った需要率を考慮して決められていますので、変圧器の負荷状態も適切なはずです。したがって負荷が当初と現状とほぼ同一であれば、過負荷になることもなく、また、軽負荷となって効率の悪い運転をすることもないわけです。
しかし、操業状態の変更その他により負荷が当初より減少した場合は、受変電設備は軽負荷運転することになり、特に変圧器は効率の悪い状態で運転することとなり、契約電力についても当初のままであれば余分な基本料金を支払っていることになります。したがって、このような負荷の減少が当分続くことが予想されるなら、変圧器の設備容量を減少すると同時に契約電力の変更を行って経済的な運用に努めることが有利です。
しかし、ここで問題となるのが設備容量の変更であって、簡単に変圧器の交換ができればよいのですが、一般にはそれができない場合が多いです。しかし、このようなときに三相変圧を行うのに第2図のように単相変圧器3台を1バンクとして構成している場合であれば、図のX印の点で切り放して、いままでの
$\displaystyle\frac{\sqrt{3}VI}{3VI}=\displaystyle\frac{1}{\sqrt{3}}=0.58$（58%）
として設備容量を減少することが可能です。
力率改善について
力率を改善することにより次のような利点があります。
(1)受変電、配電設備の容量が増加できる。
(2)配電系統の電力損失が減少する。
(3)電力料金が低減できる。
(1)については、負荷のほとんどは電動機設備と蛍光灯を主とした照明設備ですので、すべて力率のよくない誘導負荷です。したがって、これに進相コンデンサを並列に接続すれば遅れ無効電流が相殺され、この分だけ容量に余裕が生じてきます。
(2)についても無効分電流が減少すれば、それだけ電流の減少となり $I^2R$ の電力損失は電流の2乗に比例して減少できます。
(3)の電気料金は受電点における力率を85％以上にすると次の計算式によって基本料金の割引きをするという料金制度となっていますので、力率改善は直接電力料金に影響してきます。
基本料金=契約電力×{1-力率［％］ /100-0.85)}×単価
以上のように進相コンデンサその他の方法によって力率を改善すると、いろいろな面でプラスとなることがわかりますが、実際問題としてこの利点を生かすには、コンデンサは負荷の末端に取付けるほど有利となります。
それはコンデンサ設置による効果は、取付点から電源側に表われてくるからです。しかし取付けの費用とか保守の面から考えて受電点に取付けている例が多いです。第3図は進相コンデンサ設置点を受電系統の次の4カ所を選んで設置した場合の一例です。
①は受電場所の変圧器と並列に設置
②は変圧器二次側の配電盤母線側に設置
③は制御盤の母線側に設置
④は負荷と並列に設置
この中で最も設置効果の大きいのは負荷と並列に接続することです。こうすれば負荷に至る線路の電流が減少して線路損失が低減できるほか、電磁接触器を切って電動機を停止したとき、コンデンサも同時に切れて全体の力率を一定に保つことができます。これに対して電源側にまとめて取付けると、これより負荷側はコンデンサ取付けの効果はありませんが、設置費や保守費は安価となります。したがって、設置場所の最終的な決定は、設置、電力損失、制御、保守管理などを総合的に検討して決められます。
