絶縁耐力と許容電流【電験3種-法規(施設管理)】

法規

電験3種の法規で出題される絶縁耐力と許容電流について、初心者の方でも解りやすいように、基礎から解説しています。また、電験3種の試験で、実際に出題された過去問題も解説しています。

絶縁耐力試験

 絶縁耐力試験は、電路がどの程度の電圧に耐える性能があるかを計測する試験です。高圧及び特別高圧の電路に対して、絶縁耐力を計測します。試験は、規定の箇所に試験電圧を10分間印加します。電路および一般機器の絶縁耐力試験電圧は、次のとおりです。

最大使用電圧 $E$[V]試験電圧
$7000$[V]以下 $E × 1.5 $
最低 $500$[V]
$7000$[V]を超え$60000$[V]以下$ E × 1.25$
最低 $10500$[V]

 多心ケーブルの絶縁耐力試験は、心線相互間および心線と大地との間に電圧を加えて計測します。試験電圧を $V_t$、多心ケーブルの、一括対地静電容量を $C_0$、周波数を $f$ とすると、対地充電電流 $I_C$ は、次の式で求めることができます。

$I_C=2πfC_0V_t$

絶縁電線の許容電流

 絶縁電線の許容電流は、絶縁電線の連続使用に際し、絶縁被覆を構成する物質に著しい劣化をきたさないようにするための限界電流です。絶縁電線を同一管に収めて施設する場合、絶縁体の材料の種類に応じた電流減少係数と、同一管内の電線数に応じた電流減少係数を考慮します。

 たとえば、周囲温度が 45[℃]の場所で、単相2線式で定格電流が 20[A]の負荷に接続する 600Vビニル絶縁電線を同一の金属管内に収めて施設する場合の電線の許容電流を求めてみます。

 条件として、この絶縁電線の周囲温度による電流減少係数は $\sqrt{\displaystyle \frac{ 75-θ }{30 }}$(θは周囲温度)とし、同一管内に収める電線数による電流減少係数は次の表の場合、

電線の周囲温度による電流減少係数を $K_1$ とすると、

$K_1=\sqrt{\displaystyle \frac{ 75-θ }{30 }}=\sqrt{\displaystyle \frac{ 75-45 }{30 }}=1$

 同一管内に収める電線数による電流減少係数を $K_2$ とすると、表より $K_2=0.7$ ですので、絶縁電線の許容電流 $I$[A]は、

$I×K_1×K_2=20$
$I×1×0.7=20$
$I=28.57$[A]

 絶縁電線の許容電流は 28.57[A]となります。この電流値に耐えることができる、電線の太さを選ばなけらばならないことになります。

 尚、同一管内に収める電線数による電流減少係数 $K_2$ は、中性線や制御線、アース線は電線数に入れませんので、注意してください。

電験3種-法規(施設管理)過去問題

2002年(平成14年)問12

受電電圧 6[KV]、契約電力 500[KW]の自家用電気工作物の受電設備がある。「電気設備の技術基準の解釈」に基づき、周波数 50[Hz]の交流電源を使用して受電設備の高圧電路の絶縁耐力試験を行うとき、次の(a)及(b)に答よ。
ただし、高圧電路の最大使用電圧は 6,900[V]とし、3線一括した高圧電路と大地との間の静電容量は 0.2[uF]とする。

(a)絶縁耐力試験における対地充電電流[A]の値として、最も近いのは次のうちどれか。

(1)0.32 (2)0.43 (3)0.54 (4)0.65 (5)0.71

(b)この試験に使用する試験装置に必要な容量[KV・A]の値として、最も近いのは次のうちどれか。

(1)3 (2)5 (3)7 (4)9 (5)11

2002年(平成14年)問12 過去問解説

(a)絶縁耐力試験の試験電圧 $V_t$[V]は、$6900×1.5=10350$[V]ですので、三線一括対地静電容量を $C_0$[F]とすると、対地充電電流 $I_C$[A]は、

$I_C=2πfC_0V_t=2π×50×0.2×10^{-6}×10350=0.65$[A]

(b)試験電圧 $V_t=10350$[V]で電流 $I_C=0.65$[A]を供給するために必要な容量 $P$[V・A]は、

$P=10350×0.65=6727$[V・A]

選択肢は、直近上位の 7[KV・A]になります。

答え(a)-(4)、(b)-(3)

2004年(平成16年)問10

周囲温度が 45[℃]の場所において、単相2線式の定格電流が 30[A]の抵抗負荷に電気を供給する低圧屋内配線がある。金属管工事により絶縁電線を同一管内に収めて施設する場合に使用する絶縁電線の許容電流[A]は、いくら以上としなければならないか。最も近いのは次のうちどれか。
ただし、使用する絶縁電線の絶縁物は、耐熱性を有するビニル混合物とし、この絶縁電線の周囲温度による電流減少係数は $\sqrt{\displaystyle \frac{ 75-θ }{30 }}$(θは周囲温度)とする。
また、同一管内に収める電線数による電流減少係数は次による。

(1)30.0 (2)36.3 (3)42.9 (4)46.3 (5)52.5

2004年(平成16年)問10 過去問解説

電線の周囲温度による電流減少係数を $K_1$ とすると、

$K_1=\sqrt{\displaystyle \frac{ 75-θ }{30 }}=\sqrt{\displaystyle \frac{ 75-45 }{30 }}=1$

ですので、減少はありません。同一管内に収める電線数による電流減少係数を $K_2$ とすると、表より $K_2=0.7$ ですので、絶縁電線の許容電流 $I$[A]は、

$I×K_1×K_2=30$
$I×1×0.7=30$
$I=42.9$[A]

答え(3)

2007年(平成19年)問11

「電気設備技術基準の解釈」に基づいて、最大使用電圧が 6.9kVの電路に接続する、導体断面積 100[m㎡]、長さ 800[m]の高圧 CV ケーブル(単心)の絶縁耐力試験を交流で実施する場合について、 次の(a)及び(b)に答えよ。
ただし、周波数は 50[Hz]、ケーブルの対地静電容量は、1[km]当たり 0.45[μF]とする。

(a)ケーブルに試験電圧を印加した場合の充電電流の値として、最も近いのは次のうちのどれか。

(1)0.78 (2)1.17 (3)1.46 (4)2.34 (5)3.51

(b)図のような試験回路でケーブルの絶縁耐力試験を行う場合、試験用変圧器の容量を 5[kV・A]としたとき、補償リアクトルの必要最小設置台数として、正しいのは次のうちのどれか。
ただし、試験電圧を印加したとき、1台の補償リアクトルに流すことができる電流(電流容量)は 270[mA]とする。

(1)1台 (2)2台 (3)3台 (4)4台 (5)5台

2007年(平成19年)問11 過去問解説

(a)絶縁耐力試験の試験電圧 $V_t$[V]は、$6900×1.5=10350$[V]です。ケーブルの対地静電容量を $C_0$[F]とすると、1[km]当たり0.45[μF]ですので 800[m]では、$0.45×0.8=0.36$[μF]になります。対地充電電流 $I_C$[A]は、

$I_C=2πfC_0V_t=2π×50×0.36×10^{-6}×10350=1.17$[A]

(b)10350[V]の電圧を印加する場合に試験用変圧器に流れる電流$I$[A]は、

$I=\displaystyle \frac{ 5000 }{ V_t }=\displaystyle \frac{ 5000 }{ 10350}=0.483$[A]

補償リアクトルで補わなければならない、電流を$I_L$[A]とすると、

$I_L=I_C-I=1.17-0.483=0.687$

1台の補償リアクトルに流すことができる電流(電流容量)は270[mA]ですので、

$\displaystyle \frac{ 687 }{ 270 }=2.54$

つまり、2.54台以上の補償リアクトルが必要になります。選択肢では、直近上位の 3台になります。

答え(a)-(2)、(b)-(3)

2012年(平成24年)問11

公称電圧 6600 [V]、周波数 50 [Hz] の三相 3 線式配電路から受電する需要家の竣工時における自主検査で、高圧引込ケーブルの交流絶縁耐力試験を 「電気設備技術基準の解釈」 に基づき実施する場合、次の (a) 及び (b) の問の答えよ。
ただし、試験回路は図のとおりとし、この試験は 3 線一括で実施し、高圧引込ケーブル以外の電気工作物は接続されないものとし、各試験器の損失は無視する。また、試験対象物である高圧引込ケーブル及び交流絶縁耐力試験に使用する試験器等の仕様は、次のとおりである。

(a) 交流絶縁耐力試験における試験電圧印加時、高圧引込ケーブルの 3 線一括の充電電流(電流計A2の読み)の最も近い電流値 [mA] を 次の(1)~(5) のうちから一つ選べ。

(1) 80 (2) 110 (3) 250 (4) 330 (5) 410

(b) この絶縁耐力試験で必要な電源容量として、単相交流発電機に求められる最小の容量 [kV・A] に最も近い数値を次の(1)~(5) のうちから一つ選べ。

(1) 1.0 (2) 1.5 (3) 2.0 (4) 2.5 (5) 3.0

2012年(平成24年)問11 過去問解説

(a)絶縁耐力試験の試験電圧 $V_t$[V]は、$6900×1.5=10350$[V]です。ケーブルの3 線一括対地静電容量を $C_0$[F]とすると、1[km]当たり0.22[μF]ですので 150[m]の3線分は、$0.22×1.5×3=0.99$[μF]になります。対地充電電流 $I_2$[A]は、

$I_2=2πfC_0V_t=2π×50×0.99×10^{-6}×10350=322$[mA]

したがって、選択肢の中では(4)が最も近くなります。

(b)10350[V]の電圧を印加した場合に高圧保障リアクトルに流れる電流 $I_4$ [A]は、

$I_4=300×\displaystyle \frac{ 10350}{ 13000 }=239$[mA]

試験用変圧器2次側に流れる電流$ I_3$[A]は、

$I_3=I_2-I_4=322-239=83$[mA]

試験用変圧器1次側の電圧 $V$[V]、電流 $I_1$[A]は、

$V=10350×\displaystyle \frac{ 1}{ 100 }=103.5$[V]

$I_1=83×100=8.3$[A]

よって、絶縁耐力試験で必要な電源容量 $P$ [VA]は、

$P=8.3×103.5=859$[VA]

選択肢では、直近上位の 1.0[kV・A] になります。

答え(a)-(4)、(b)-(1)

2015年(平成27年)問12

周囲温度が25℃の場所において、単相3線式(100/200V)の定格電流が30Aの負荷に電気を供給する低圧屋内配線Aと、単相2線式(200V)の定格電流が30Aの負荷に電気を供給する低圧屋内配線Bがある。いずれの負荷にも、電動機又はこれに類する起動電流が大きい電気機械器具は含まないものとする。二つの低圧屋内配線は、金属管工事により絶縁電線を同一管内に収めて施設されていて、同配管内に接地線は含まない。低圧屋内配線Aと低圧屋内配線Bの負荷は力率100%であり、かつ、低圧屋内配線Aの電圧相の電流値は平衡しているものとする。また、低圧屋内配線A及び低圧屋内配線Bに使用する絶縁電線の絶縁体は、耐熱性を有しないビニル混合物であるものとする。
「電気設備技術基準の解釈」に基づき、この絶縁電線の周囲温度による許容電流補正係数k1の計算式は下式とする。また、絶縁電線を金属管に収めて使用する場合の電流減少係数k2は下表によるものとして、次の(a)及び(b)の問に答えよ。

この式において、θは、周囲温度(単位:℃)とし、周囲温度が30℃以下の場合はθ=30とする。

この表において、中性線、接地線及び制御回路用の電線は同一管に収める電線数に算入しないものとする。

(a)周囲温度による許容電流補正係数k1の値と、金属管に収めて使用する場合の電流減少係数k2の値の組合せとして、最も近いものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

(b)低圧屋内配線Aに用いる絶縁電線に要求される許容電流IAと低圧屋内配線Bに用いる絶縁電線に要求される許容電流IBのそれぞれの最小値 [A] の組合せとして、最も近いものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

2015年(平成27年)問12 過去問解説

(a)電線の周囲温度による電流減少係数 $K_1$ は、

$K_1=\sqrt{\displaystyle \frac{ 60-θ }{30 }}=\sqrt{\displaystyle \frac{ 60-30 }{30 }}=1$

ですので、減少はありません。同一管内に収める電線数による電流減少係数 $K_2$ は、中性線は電線数に入れませんので、単相3線式の2本と単相2線式の2本の合計4本分となります。表より $K_2=0.63$ となります。

(b)低圧屋内配線A及び低圧屋内配線Bの定格電流は、共に30Aですので、絶縁電線の許容電流 $I_A$[A]および$I_B$[A]は、

$I_A×K_1×K_2=30$
$I_A×1×0.63=30$
$I_A=47.6=I_B$[A]

答え(a)-(2)、(b)-(3)

2016年(平成28年)問12

「電気設備技術基準の解釈」に基づいて、使用電圧6600V、周波数50Hzの電路に接続する高圧ケーブルの交流絶縁耐力試験を実施する。次の(a)及び(b)の問に答えよ。
ただし、試験回路は図のとおりとする。高圧ケーブルは3線一括で試験電圧を印加するものとし、各試験機器の損失は無視する。また、被試験体の高圧ケーブルと試験用変圧器の仕様は次のとおりとする。

【高圧ケーブルの仕様】
ケーブルの種類:6600Vトリプレックス形架橋ポリエチレン絶縁ビニルシースケーブル(CVT)
公称断面積:100mm2、ケーブルのこう長:87m
1線の対地静電容量:0.45μF/km

【試験用変圧器の仕様】
定格入力電圧:AC 0-120V、定格出力電圧:AC 0-12000V
入力電源周波数:50Hz

(a)この交流絶縁耐力試験に必要な皮相電力(以下、試験容量という。)の値 [kV・A] として、最も近いものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

(1)1.4 (2)3.0 (3)4.0 (4)4.8 (5)7.0

(b)上記(a)の計算の結果、試験容量が使用する試験用変圧器の容量よりも大きいことがわかった。そこで、この試験回路に高圧補償リアクトルを接続し、試験容量を試験用変圧器の容量より小さくすることができた。
このとき、同リアクトルの接続位置(図中のA~Dのうちの2点間)と、試験用変圧器の容量の値 [kV・A] の組合せとして、正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。
ただし、接続する高圧補償リアクトルの仕様は次のとおりとし、接続する台数は1台とする。また、同リアクトルによる損失は無視し、A-B間に同リアクトルを接続する場合は、図中のA-B間の電線を取り除くものとする。

【高圧補償リアクトルの仕様】
定格容量:3.5kvar、定格周波数:50Hz、定格電圧:12000V
電流:292mA(12000V 50Hz印加時)

2016年(平成28年)問12 過去問解説

(a)使用電圧 6600[V]の最大使用電圧は、$6600× \frac{ 1.15}{ 1.1 }=6900$[V]ですので、絶縁耐力試験の試験電圧 $V_t$[V]は、$6900×1.5=10350$[V]となります。ケーブルの対地静電容量を $C_0$[F]とすると、1[km]当たり0.45[μF]ですので87[m]の3線分は、$0.45×0.087×3=0.104$[μF]になります。対地充電電流 $I_C$[A]は、

$I_C=2πfC_0V_t=2π×50×0.104×10^{-6}×10350=382$[mA]

この交流絶縁耐力試験に必要な皮相電力の値は、

$10350×0.382=3.953$ [kV・A]

選択肢では、直近上位の 4.0[kV・A] になります。

(b)10350[V]の電圧を印加した場合の高圧保障リアクトルに流れる電流 $I_L$ [A]は、

$I_L=292×\displaystyle \frac{ 10350}{ 12000 }=252$[mA]

試験用変圧器2次側に流れる電流 $I$[A]は、

$I=I_C-I_L=382-252=130$[mA]

試験用変圧器の容量は、

$10350×0.13=1.35$ [kV・A]

選択肢では、直近上位の 2.0[kV・A] になります。また、高圧保障リアクトルは試験用変圧器と並列に接続しますのでA-C間になります。

答え(a)-(3)、(b)-(4)

2017年(平成29年)問11

次の文章は、「電気設備技術基準」における電気使用場所の配線に関する記述の一部である。

  1. 配線は、施設場所の( ア )及び電圧に応じ、感電又は火災のおそれがないように施設しなければならない。
  2. 配線の使用電線(裸電線及び( イ )で使用する接触電線を除く。)には、感電又は火災のおそれがないよう、施設場所の( ア )及び電圧に応じ、使用上十分な( ウ )及び絶縁性能を有するものでなければならない。
  3. 配線は、他の配線、弱電流電線等と接近し、又は( エ )する場合は、( オ )による感電又は火災のおそれがないように施設しなければならない。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)、(エ)及び(オ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

(b)周囲温度が 50℃の場所において、定格電圧 210Vの三相3線式で定格消費電力 15kWの抵抗負荷に電気を供給する低圧屋内配線がある。金属管工事により絶縁電線を同一管内に収めて施設する場合に使用する電線(各相それぞれ1本とする。)の導体の公称断面積 [mm2] の最小値は、「電気設備技術基準の解釈」に基づけば、いくらとなるか。正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。
ただし、使用する絶縁電線は、耐熱性を有する600Vビニル絶縁電線(軟鋼より線)とし、表1の許容電流及び表2の電流減少係数を用いるとともに、この絶縁電線の周囲温度による許容電流補正係数の計算式は$\sqrt{\displaystyle \frac{ 75-θ }{30 }}$(θは周囲温度で、単位は℃)を用いるものとする。

(1)3.5 (2)5.5 (3)8 (4)14 (5)22

2017年(平成29年)問11 過去問解説

(a)電気設備技術基準 第56,57,62条「電気使用場所の施設」の規定です。

  1. 配線は、施設場所の( 状況 )及び電圧に応じ、感電又は火災のおそれがないように施設しなければならない。
  2. 配線の使用電線(裸電線及び( 特別高圧 )で使用する接触電線を除く。)には、感電又は火災のおそれがないよう、施設場所の( 状況 )及び電圧に応じ、使用上十分な( 強度 )及び絶縁性能を有するものでなければならない。
  3. 配線は、他の配線、弱電流電線等と接近し、又は( 交さ )する場合は、( 混触 )による感電又は火災のおそれがないように施設しなければならない。

(b)三相3線式配線の定格消費電力 $P_n$と定格電圧 $V_n$ 、定格電流 $I_n$ の関係より、

$P_n=\sqrt{3}V_nI_n$

$I_n=\displaystyle \frac{ P_n }{\sqrt{3}V_n }=41.3$[A]

電線の周囲温度による電流減少係数 $K_1$ は、

$K_1=\sqrt{\displaystyle \frac{ 75-θ }{30 }}=\sqrt{\displaystyle \frac{ 75-50 }{30 }}=0.913$

同一管内に収める電線数による電流減少係数 $K_2$ は、三相3線式の3本なので、表2より $K_2=0.7$ となります。絶縁電線の許容電流 $I$[A]は、

$I×K_1×K_2=I_n$
$I×0.913×0.7=41.3$
$I=64.6$[A]

表1より、14[mm2] が適切となります。

答え(a)-(5)、(b)-(4)

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