変電7【電験3種 電力】Y-Y結線の弱点は第三調波——Δ三次巻線で解消！令和5年度下期 A問題6 完全解説

今回は令和5年度下期 電力科目 A問題6、変圧器のY-Y結線方式に関する空欄補充問題です。中性点接地の利点と、第三調波という宿命的な弱点、それを解消するΔ結線の三次巻線——送電用変圧器がY-Y-Δ結線である理由がまるごと問われています。

ストーリーで覚えましょう。中性点を接地できる→異常電圧の抑制・絶縁レベル低減・保護リレーの確実動作という利点。しかし相電圧に第三調波が乗る→接地すると第三調波電流が大地に流れ通信線に電磁誘導障害→だからΔ結線の三次巻線で第三調波を還流させて解消、です。

出題のポイント：Y-Y結線の第三調波対策

Y-Y結線は一次・二次の中性点を接地でき、異常電圧の抑制や保護リレーの確実な動作に利点があります。一方、第三調波による波形ひずみや電磁誘導障害を防ぐため、Δ結線の三次巻線を設けます。

令和5年度下期 電力科目 A問題6：問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「令和5年度下期 第三種電気主任技術者試験」電力科目 A問題6

電験3種 電力科目 【変電】 令和5年度下期 A問題6

　次の文章は、変圧器のY-Y結線方式の特徴に関する記述である。

　一般に、変圧器のY-Y結線は、一次、二次側の中性点を接地でき、1線地絡などの故障に伴い発生する(ア)の抑制、電線路及び機器の絶縁レベルの低減、地絡故障時の(イ)の確実な動作による電線路や機器の保護等、多くの利点がある。

　一方、相電圧は(ウ)を含むひずみ波形となるため、中性点を接地すると、(ウ)電流が線路の静電容量を介して大地に流れることから、通信線への(エ)障害の原因となる等の欠点がある。このため、(オ)による三次巻線を設けて、これらの欠点を解消する必要がある。

　上記の記述中の空白箇所(ア)〜(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。

	(ア)	(イ)	(ウ)	(エ)	(オ)
(1)	異常電流	避雷器	第二調波	静電誘導	Δ結線
(2)	異常電圧	保護リレー	第三調波	電磁誘導	Y結線
(3)	異常電圧	保護リレー	第三調波	電磁誘導	Δ結線
(4)	異常電圧	避雷器	第三調波	電磁誘導	Δ結線
(5)	異常電流	保護リレー	第二調波	静電誘導	Y結線

Y-Y結線の利点と第三調波の欠点

問題文も選択肢も一字一句同じです——6年を隔てた再出題になります。

Y-Y結線の利点と欠点は、変電の基本中の基本——だから繰り返し問われます。

5つの空欄の骨格

空欄	答え	位置づけ
(ア)	★異常電圧	★利点：中性点接地で抑制できる
(イ)	★保護リレー	★利点：地絡を確実に検出できる
(ウ)	★第三調波	★欠点：逃げ場がない
(エ)	★電磁誘導	★欠点：通信線への障害
(オ)	★Δ結線	★対策：三次巻線

前半が利点、後半が欠点、最後が対策——構成が明快です。

Δ結線の三次巻線で第三調波を循環させる

(エ)が最も間違えやすい空欄です。

	★静電誘導	★電磁誘導
★原因	★電線の電位（電圧）	★★電線を流れる電流
★媒介するもの	★静電容量	★★相互インダクタンス
★起きるとき	★常時も（不平衡があれば）	★★大電流が流れたとき

問題文は「第三調波電流が大地に流れる」と書いています——電流による誘導なので電磁誘導です。

電圧なら静電、電流なら電磁——これで区別できます。

名前が紛らわしいので、原因で判断するのが確実——「静電容量」と「インダクタンス」の違いだと考えれば分かります。

第三調波が逃げ場を失う仕組み

結線	第三調波の行き先	結果
★Y-Y（中性点接地）	★線路の静電容量を介して大地へ	★★通信線に誘導障害
★Y-Y-Δ	★三次のΔ内を環流する	★外へ出ない

第三調波は3相とも同位相（零相）です——足しても打ち消されません。

中性点が接地されていれば、大地へ帰る経路ができます——接地の利点が、そのまま弱点になるのです。

Δ巻線があれば、輪の中を回るだけで外へ出ません——だから三次巻線をΔにすることになります。

まったく同じ問題が平成29年度 A問題7（変電：変圧器のY-Y結線方式）にあります。Y-Y-Δの詳細は平成25年度 A問題6（変電：Y-Y-Δ結線）へ。

中性点接地の利点を3つに分ける

(ア)(イ)が挙げる利点を、整理しましょう。

利点	内容	効果
★異常電圧の抑制	★1線地絡時に健全相の電位上昇を抑える	★機器を守る
★絶縁レベルの低減	★対地電圧が上がらないので絶縁を弱くできる	★★費用が下がる
★保護リレーの確実な動作	★地絡電流が流れるので検出できる	★事故を切り離せる

非接地なら健全相の対地電圧が√3倍に上がります——その分だけ絶縁を強くする必要があるのです。

接地すれば1.3倍程度に収まる——絶縁を弱くできる分、設備費が下がります。

超高圧では絶縁が設備費の大部分を占めます——だから中性点接地の価値が大きいのです。

段絶縁という設計

中性点を接地すると、中性点側の電位が低くなります。

だから巻線の中性点側は絶縁を薄くできる——それが段絶縁です。

非接地なら全体を線間電圧に耐える絶縁にする必要がある——費用も大きさも増します。

問題文の「絶縁レベルの低減」には、この意味が含まれます。

要点をもう一度

平成29年度A7とまったく同じ問題です。

空欄	答え	決め手
(ア)	★異常電圧	★抑えるのは電圧
(イ)	★保護リレー	★故障を検出して動作する
(ウ)	★第三調波	★3の倍数次が零相
(エ)	★電磁誘導	★電流による誘導
(オ)	★Δ結線	★閉ループが要る

(ア)と(オ)の2欄で(3)に確定できます。

6年を隔てた再出題——Y-Y結線は変電の基本中の基本だからです。

なぜY-Yを単独で使わないのか

結線	中性点接地	第三調波	実用
★Y-Y	★できる	★★逃げ場がない	★★使わない
★Y-Y-Δ	★できる	★三次で環流する	★★標準

Y-Yの利点を活かしつつ、欠点だけを消す——それがY-Y-Δという答えです。

三次巻線は容量30 ％ 程度で足ります——電力を通すのが目的ではないから。

誘導障害の対策

(エ)の電磁誘導障害には、手立てがあります。

対策	内容	効果
★三次巻線をΔにする	★第三調波を環流させる	★★根本対策
★遮へい線	★通信線に沿って接地線を張る	★誘導を打ち消す
★離隔距離	★送電線と通信線を離す	★相互インダクタンスを減らす
★遮断時間の短縮	★地絡を速く切る	★誘導の継続時間を減らす

誘導電圧は相互インダクタンスと電流の積で決まります——どちらかを減らせばよいのです。

三次巻線をΔにするのは、電流そのものを外へ出さない方法——だから最も確実です。

問題文が「これらの欠点を解消する」と書いている——根本対策だという意味になります。

近年は通信線が光ファイバに置き換わり、影響は減りました——金属線でないので誘導を受けません。

第三調波が零相になる理由

(ウ)が特別扱いされる根拠を確かめましょう。

次数	3相の位相関係	3相を足すと
★3・9・15…	★同位相（零相）	★★打ち消されない
5・11…	逆相	打ち消される
7・13…	正相	打ち消される

位相を3倍すると、120度が360度になります——一周して同じ向きに戻るのです。

240度も720度で二周して同じ——だから3相とも同位相になります。

同位相のものを3つ足せば、3倍になって残ります——打ち消し合わないのです。

中性線や大地という帰路があれば、そこへ流れ出る——それが通信線への障害につながります。

変圧器の鉄心は磁気飽和するので、第三調波は必ず生じます——避けられないので、逃げ場を作るという発想になります。

まとめ

(ア)異常電圧	中性点接地で1線地絡時の健全相電圧上昇を抑制
(イ)保護リレー	地絡電流の帰路確保で継電器が確実に動作
(ウ)第三調波	磁気飽和による励磁電流のひずみ成分
(エ)電磁誘導	第三調波電流が大地に流れ通信線に障害
(オ)Δ結線	三次巻線で第三調波を還流→Y-Y-Δ→答えは(3)

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