変電所に設置されている開閉設備【電験3種-電力】

電力

電験3種の電力で出題される変電所に設置されている開閉設備について、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。

変電所

変電所は発電所から送られてきた電気を変成し、変成した電気を別の変電所や需要箇所に伝送する施設です。発電所でつくられた電気は非常に高圧なため、いくつもの変電所を経由して徐々に電圧を下げていきます。

変電所の主要設備

開閉設備断路器は変圧器や遮断器の点検時に回路から切り離す役割を持っています。

遮断器は電力の送電・停止、切換えに使用します。故障時に回路を遮断する役割を持っています。

避雷器雷サージや開閉サージで、機器が絶縁破壊しないように保護する役割を持っています。
調相設備重負荷時には進み電流を、軽負荷時には遅れ電流を流し電圧調整と電力損失を減らす役割を持っています。
保護継電器
計器用変成器
計器用変成器で電圧や電流を測定します。保護継電器で事故や故障が発生したとき、故障信号を検出する役割を持っています。
主変圧器変電所の中心となる設備です。負荷時タップ切換変圧器が広く用いられています。

断路器

断路器は、電路の接続や切り離しを行う機器です。消弧装置がないので、負荷電流や事故電流を遮断できません。無負荷状態の電路の接続変更や母線の切り換え、点検保守や修理の際に用いられます。

断路器の操作は、必ず無負荷の状態で行わなければなりません。誤って負荷電流を遮断すると、アークが発生し、人命に関わる事故になります。そのため、断路器の操作においては、直列に接続されている遮断器が開放されていなければ、断路器の開閉ができないようにインタロック機能を設けています。

遮断器

遮断器は、負荷電流の開閉と事故電流の遮断を行う機器です。遮断器は、消弧装置を有しているので負荷電流が流れている状態でも開路することができます。

遮断器の種類としては、油遮断器、磁気遮断器、空気遮断器、真空遮断器、ガス遮断器などがあります。

油遮断器(OCB)

油遮断器は、接点の開閉を油中で行う機器です。絶縁油及び熱分解発生ガス(水素ガス)を消弧媒質として使用しています。

油遮断器、遮断時に接触子間に発生するアークにより、絶縁油が熱分解し、水素ガスが発生します。この水素ガスの絶縁耐力や冷却能力並びに絶縁油の絶縁耐力や冷却能力によりアークを遮断させています。

油遮断器の特徴

  • 価格が低廉
  • 低騒音
  • 高速度遮断が困難
  • 保守点検に費用がかかる
  • 火災による危険性がある

真空遮断器等に置き換わり、最近はあまり使用されていません。

磁気遮断器(MBB)

磁気遮断器は、電磁力を利用して、アークを消弧させる機器です。遮断時に接触子間に発生したアークに、自己電流によって生じる磁束を作用させて、アークをアークシュートの狭い溝に導いて引き延ばし、冷却して消弧させています

磁気遮断器の特徴

  • 電流さい断現象がない
  • 接点の損耗は少ない
  • 小形化が困難
  • 主に15[kV]以下で使用される

真空遮断器等に置き換わり、最近はあまり使用されていません。

空気遮断器(ABB)

空気遮断器は、圧縮空気を利用して、アークを消弧させる機器です。遮断時に接点間に発生したアークに圧縮空気を吹き付けて、アークを吹き飛ばし、消弧させています。そのため遮断時に大きな破裂音が発生します。

空気遮断器の特徴

  • 価格が低廉
  • 保守点検が容易
  • 多段接続で高電圧領域まで使用できる
  • 遮断時に破裂音が生じる

ガス遮断器に置き換わり、最近はあまり使用されていません。

真空遮断器(VCB)

真空遮断器は、真空中におけるアークの拡散作用を利用した機器です。真空遮断器の開閉電極は、真空バルブ 内に密閉され、電極を開閉する操作機構、可動電極が動作しても真空を保つベローズ、回路と接続する導体などで構成されています。

真空遮断器の特徴

  • 小形軽量
  • 寿命が長い
  • 騒音が少ない
  • 保守点検が容易
  • 遮断性能が優れている

ガス遮断器(GCB)

ガス遮断器は、六フッ化硫黄ガス(SF6ガス)を消弧媒質として使用した機器です。SF6ガスは、安定性の高い化合物であり、不燃、無色、無臭、無毒の気体です。比重は空気の約5倍で、絶縁耐力は電極形状によって大きく変化しますが、平等電界中では空気の2~3倍あり、約3気圧で絶縁油以上となる性質があります。また、消弧性能は、空気の約100倍といわれています。

ガス遮断器の消弧原理は、接点間に発生したアークに、主接触子に連動するパッファシリンダ内で圧縮された高圧SF6ガスをノズル部を通して吹き付けて、消弧させています。

ガス遮断器の特徴

  • 構造及び動作原理が簡単
  • 遮断性能が非常に優れている
  • 遮断器の高電圧化・大容量化が可能
  • 開閉サージが発生しにくい
  • 騒音が少ない
  • 経済的で信頼性が高い
  • 保守点検が容易

ガス絶縁開閉装置(GIS)

空気よりも優れた絶縁特性、消孤能力をもった六フッ化硫黄ガス(SF6ガス)を用いて、接地された金属製の密閉容器内に遮断器、断路器、接地開閉器、母線、避雷器、計器用変圧器、変流器等を収納してガス絶縁化した縮小形開閉装置です。開閉装置が絶縁ガス中に密閉されているため、塩害や塵埃等外部からの影響を受けにくいのが特徴です。

ガス絶縁開閉装置で構成された変電所は、高信頼度・コンパクト、高い安全性、環境調和性、保守点検の省力化、建設工事の簡素化といった特徴があり、都市部の変電所等において開閉設備の主流となっています。

電験3種-電力(変電所)過去問題

1997年(平成9年)問5

ガス絶縁開閉器(GIS)の充電部と接地金属容器の間に充てんされる気体として、正しいのは次のうちどれか。

(1)アルゴンガス (2)窒素ガス (3)六フッ化硫黄ガス (4)ヘリウムガス (5)フロンガス

1997年(平成9年)問5 過去問解説

(1) アルゴンガスは、白熱灯や蛍光灯などの発光灯の内部に充てんされています。
(2) 窒素ガスは、絶縁材料の一種ですが、絶縁耐力は低いです。
(3) 六フッ化硫黄ガスは、絶縁と発火防止のためGIS等に充てんされています。
(4) ヘリウムガスは軽くて不活性なので、飛行船やアドバルンに使用されています。
(5) フロンガスは、冷暖房用に使用されています。

答え(3)

2001年(平成13年)問5

変電所に設置される機器に関する記述として、誤っているのは次のうちどれか。

(1)遮断器は、短絡電流などの開閉に用いる装置で、遮断時に発生するアークを消弧するために、SF6ガスや真空などが活用されている。
(2)断路器は、母線や変圧器などの切り離しや接続替えをするための装置で、短絡電流は開閉できないが、負荷電流は開閉可能なものが多い。
(3)避雷器は、落雷などで生じる異常電圧を抑制して機器を保護するために設置されるもので、落雷を防止する機能はない。
(4)計器用変成器には、計器用変圧器と変流器がある。計器用変圧器の二次側は短絡してはならず、変流器の二次側は開放してはならない。
(5)ガス絶縁開閉装置(GIS)は、遮断器、断路器、母線等を金属容器に収納し、SF6ガスを封入して小型化した高信頼度の装置である。

2001年(平成13年)問5 過去問解説

断路器は、母線や変圧器などの切り離しや接続替えをするための装置で、短絡電流や負荷電流は開閉できません。

計器用変圧器の二次側は短絡していけません。また、変流器の二次側は開放してはいけません。

答え(2)

2001年(平成13年)問10

ガス遮断器に使用されているSFガスの特性に関する記述として、誤っているのは次のうちどれか。

(1)無色で特有の臭いがある。
(2)不活性、不燃性である。
(3)比重が空気に比べて大きい。
(4)絶縁耐力が空気に比べて高い。
(5)消弧能力が空気に比べて高い。

2001年(平成13年)問10 過去問解説

SFガスは不燃、無色、無臭、無毒の気体です。

答え(1)

2003年(平成15年)問7

ガス遮断開閉装置(GIS)は、金属容器に遮断器、断路器、母線などを収納し、絶縁耐力及び消弧能力の優れた( ア )を充填したもので、充電部を支持するスペーサなどの絶縁物には、主に( イ )が用いられる。また、気中絶縁の設備に比べてGISには次のような特徴がある。
① コンパクトである。
② 充電部が密閉されており、安全性が高い。
③ 大気中の汚染物等の影響を受けないため、信頼性が( ウ )。
④ 内部事故時の復旧時間が( エ )。
上記の記述中の空白箇所( ア )、( イ )、( ウ )及び( エ )に記入する字句として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

 (ア)(イ)(ウ)(エ)
(1)SF6ガス磁器がいし高 い短 い
(2)SF6ガスエポキシ樹脂高 い長 い
(3)SF6ガスエポキシ樹脂低 い短 い
(4)窒素ガス磁器がいし低 い長 い
(5)窒素ガスエポキシ樹脂高 い短 い

2003年(平成15年)問7 過去問解説

ガス遮断開閉装置(GIS)は、金属容器に遮断器、断路器、母線などを収納し、絶縁耐力及び消弧能力の優れた( SF6ガス )を充填したもので、充電部を支持するスペーサなどの絶縁物には、主に( エポキシ樹脂 )が用いられる。また、気中絶縁の設備に比べてGISには次のような特徴がある。
① コンパクトである。
② 充電部が密閉されており、安全性が高い。
③ 大気中の汚染物等の影響を受けないため、信頼性が( 高い )。
④ 内部事故時の復旧時間が( 長い )。

答え(2)

2005年(平成17年)問6

次の文章は、送変電設備の断路器に関する記述である。
断路器は( ア )をもたないため、定格電圧のもとにおいて( イ )の開閉をたてまえとしないものである。( イ )が流れている断路器を誤って開くと、接触子間にアークが発生して接触子は損傷を受け、焼損や短絡事故を生じる。したがって、誤操作防止のため、直列に接続されている遮断器の開放後でなければ断路器を開くことができないように( ウ )機能を設けてある。
なお、断路器の種類によっては、短い線路や母線の( エ )及びループ電流の開閉が可能な場合もある。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)及び(エ)に記入する語句として、正しいものを組み合わせたのは次のうちどれか。

 (ア)(イ)(ウ)(エ)
(1)消弧装置励磁電流インタロック地絡電流
(2)冷却装置励磁電流インタロック受電電流
(3)消弧装置負荷電流インタフェース地絡電流
(4)冷却装置励磁電流インタフェース受電電流
(5)消弧装置負荷電流インタロック受電電流

2005年(平成17年)問6 過去問解説

断路器は( 消弧装置 )をもたないため、定格電圧のもとにおいて( 負荷電流 )の開閉をたてまえとしないものである。( 負荷電流 )が流れている断路器を誤って開くと、接触子間にアークが発生して接触子は損傷を受け、焼損や短絡事故を生じる。したがって、誤操作防止のため、直列に接続されている遮断器の開放後でなければ断路器を開くことができないように( インタロック )機能を設けてある。
なお、断路器の種類によっては、短い線路や母線の( 受電電流 )及びループ電流の開閉が可能な場合もある。

答え(5)

2007年(平成19年)問6

ガス絶縁開閉装置に関する記述として、誤っているのは次のうちどれか。

(1)金属製容器に遮断器、断路器、避雷器、変流器、母線、接地装置等の機器を収納し、絶縁ガスを充填した装置である。
(2)ガス絶縁開閉装置に充填する絶縁ガスは六ふっ化硫黄(SF6)ガス等が使用される。
(3)開閉装置が絶縁ガス中に密閉されているため、塩害、塵埃等外部の影響を受けにくい。
(4)ガス絶縁開閉装置はコンパクトに制作でき、受電設備の縮小化が図られる。
(5)現地の据え付作業後にすべての絶縁ガスの充填を行い、充填後は絶縁試験、動作試験等を実施するため、据え付作業工期は長くなる。

2007年(平成19年)問6 過去問解説

ガス絶縁開閉装置(GIS)は、工場で組立や絶縁ガスの充填を行い、充填後の絶縁試験、動作試験も工場で行います。

答え(5)

2012年(平成24年)問6

次の文章は、ガス絶縁開閉装置(GIS)に関する記述である。
ガス絶縁開閉装置(GIS)は、遮断器、断路器、避雷器、変流器等の機器を絶縁性の高いガスが充塡された金属容器に収めた開閉装置である。この絶縁ガスとしては、( ア )ガスが現在広く用いられている。機器の充電部を密閉した金属容器は( イ )されるため感電の危険性がほとんどない。また、気中絶縁の設備に比べて装置が( ウ )する。このようなことから大都市の地下変電所や( エ )対策の開閉装置として適している。

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

 (ア)(イ)(ウ)(エ)
(1)SF6絶縁小形化塩害
(2)C3F6絶縁大形化水害
(3)SF6接地小形化塩害
(4)C3F6絶縁大形化塩害
(5)SF6接地小形化水害

2012年(平成24年)問6 過去問解説

ガス絶縁開閉装置(GIS)は、遮断器、断路器、避雷器、変流器等の機器を絶縁性の高いガスが充塡された金属容器に収めた開閉装置である。この絶縁ガスとしては、( SF6 )ガスが現在広く用いられている。機器の充電部を密閉した金属容器は( 接地 )されるため感電の危険性がほとんどない。また、気中絶縁の設備に比べて装置が( 小形化 )する。このようなことから大都市の地下変電所や( 塩害 )対策の開閉装置として適している。

答え(3)

2013年(平成25年)問7

次の文章は、真空遮断器の構造や特徴に関する記述である。

真空遮断器の開閉電極は、( ア )内に密閉され、電極を開閉する操作機構、可動電極が動作しても真空を保つ( イ )、回路と接続する導体などで構成されている。
電路を開放した際に発生するアーク生成物は、真空中に拡散するが、その後、絶縁筒内部に付着することで、その濃度が下がる。
真空遮断器は、空気遮断器と比べると動作時の騒音が( ウ )、機器は小形軽量である。また、真空遮断器は、ガス遮断器と比べると電圧が( エ )系統に広く使われている。

上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)及び(エ)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。

 (ア)(イ)(ウ)(エ)
(1)真空バルブベローズ小さく高い
(2)パッファシリンダベローズ大きく高い
(3)真空バルブベローズ小さく低い
(4)パッファシリンダブッシング変流器小さく高い
(5)真空バルブブッシング変流器大きく低い

2013年(平成25年)問7 過去問解説

真空遮断器の開閉電極は、( 真空バルブ )内に密閉され、電極を開閉する操作機構、可動電極が動作しても真空を保つ( ベローズ )、回路と接続する導体などで構成されている。
電路を開放した際に発生するアーク生成物は、真空中に拡散するが、その後、絶縁筒内部に付着することで、その濃度が下がる。
真空遮断器は、空気遮断器と比べると動作時の騒音が( 小さく )、機器は小形軽量である。また、真空遮断器は、ガス遮断器と比べると電圧が( 低い )系統に広く使われている。

答え(3)

2016年(平成28年)問7

遮断器に関する記述として、誤っているものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

(1)遮断器は、送電線路の運転・停止、故障電流の遮断などに用いられる。
(2)遮断器では一般的に、電流遮断時にアークが発生する。ガス遮断器では圧縮ガスを吹き付けることで、   アークを早く消弧することができる。
(3)ガス遮断器で用いられる六ふっ化硫黄(SF6)ガスは温室効果ガスであるため、使用量の削減や回収が求められている。
(4)電圧が高い系統では、真空遮断器に比べてガス遮断器が広く使われている。
(5)直流電流には電流零点がないため、交流電流に比べ電流の遮断が容易である。

2016年(平成28年)問7 過去問解説

直流電流は電流零点がなく、常に一定の電流が流れ続けていますので、負荷が大きくなり遮断が難しくなります。

答え(5)

 

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