保護機器6【電験3種 機械】保護コンデンサとCRサージサプレッサの穴埋め！平成18年 A問題7 完全解説

今回は平成18年度 機械科目 A問題7を解説します。回転機器を雷・開閉サージから守る保護コンデンサ（CRサージサプレッサ）を問う穴埋め問題です。

回転機の絶縁を過電圧から守るため、コンデンサと避雷器を並列に接続します。コンデンサは急しゅんなサージを緩和し、避雷器は電圧の波高値を制限します。

問題文と選択肢

出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「平成18年度 第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題7

　高圧回路に設置される発電機，電動機などの回転機器の(ア)を雷又は回路の開閉などに起因する(イ)から保護する目的で，(ウ)と避雷器を並列に接続したものを，回転機器の近傍に設置する場合がある。

　(ウ)は急しゅんなサージに対する保護を行い，避雷器は所定のレベル以下に電圧の(エ)を制限する作用を行う。

　また，開閉器が真空遮断器の場合，他の遮断器に比べ開閉時の発生サージ電圧が高いため，開閉サージからの保護を目的として，(ウ)と抵抗を直列に接続したものを，真空遮断器の負荷側導体と対地間に設置する場合がある。空白箇所（ア）〜（エ）に当てはまる語句として正しいものを組み合わせたのはどれか。

	（ア）	（イ）	（ウ）	（エ）
(1)	導体	過電圧	リアクトル	波高値
(2)	導体	過電流	コンデンサ	波高値
(3)	絶縁体	過電圧	リアクトル	実効値
(4)	絶縁体	過電圧	コンデンサ	波高値
(5)	導体	過電流	リアクトル	実効値

(ア)(イ) 何を何から守るのか

守る対象は回転機の「絶縁体」——導体ではありません。脅威は「過電圧」——過電流ではないのがポイントです。

	過電圧	過電流
壊すもの	★絶縁体	導体（発熱で溶断）
原因	★雷、開閉サージ	短絡、過負荷
守る機器	★避雷器、コンデンサ	遮断器、ヒューズ

サージは一瞬なので、熱では壊れません——絶縁を破って短絡させるのが怖いのです。だから守るべきは絶縁体になります。

回転機の絶縁はとくに弱い——巻線が密に巻かれていて、層と層の間の絶縁が薄いからです。サージが入ると巻線の最初の数ターンに電圧が集中する——そこで絶縁が破れやすいのです。

(ウ)(エ) コンデンサと避雷器の役割分担

2つの機器は、サージ波形の別の部分に効きます——だから併用するのです。

機器	効くところ	働き
★コンデンサ	★波頭（立ち上がり）	★急しゅんな変化をなまらせる
★避雷器	★波高値（頂点）	★一定電圧以上を大地へ逃がす

コンデンサは電圧の急変を嫌う素子——i＝C dv/dt ですから、急に変化しようとすると大きな電流が流れて、変化を抑えます。これが「波頭を緩和する」ということです。

ただしコンデンサでは電圧の最大値は下げられません——時間をかければ、いずれ同じ電圧まで上がるからです。そこで避雷器——一定の電圧を超えると導通して、それ以上は上げないのです。

「実効値」ではなく「波高値」——サージは一瞬の現象なので、実効値には意味がありません。絶縁を破るのは瞬間の最大値 です。

CRサージサプレッサ

真空遮断器の開閉サージ対策には、コンデンサと抵抗を直列にしたもの——抵抗が入る理由を考えてみましょう。

コンデンサだけでは、回路のインダクタンスと共振してしまいます——かえって振動が続くことになります。抵抗を直列に入れると、その振動エネルギーを熱として消費できるのです。

「サージを吸収して消す」——だからサージサプレッサ（抑制器）と呼ばれます。コンデンサが受け止め、抵抗が消費するという役割分担です。

真空遮断器のサージについては平成22年度 A問題9にあります（保護機器：真空遮断器（VCB））。

サージ波形の見方

「急しゅん」「波高値」という言葉——サージ波形の用語です。

用語	意味	対策する機器
★波頭長	★立ち上がりにかかる時間	★コンデンサ
★波高値	★電圧の最大値	★避雷器
波尾長	半分に下がるまでの時間	—

雷インパルス電圧の標準波形は 1.2／50 µs——1.2 µs で立ち上がり、50 µs で半分に下がるという意味です。

この1.2 µs という速さが「急しゅん」——マイクロ秒の世界です。コンデンサはこの立ち上がりをなまらせて、数µs に引き延ばす働きをします。

なぜ立ち上がりを鈍らせるとよいのか

回転機の巻線にサージが入ると、最初の数ターンに電圧が集中します——波頭が急なほど、この集中が激しくなるのです。

立ち上がりが緩やかなら、電圧が巻線全体に分散します——層間絶縁にかかる負担が減ることになります。だから波高値が同じでも、波頭を鈍らせる意味があるのです。

避雷器だけでは、この効果は得られません——だからコンデンサと併用する——2つの機器が別々の役割を果たしているわけです。

避雷器の動作

ふだんは絶縁物、サージが来たら導体——電圧によって性質が変わる素子を使っています。

状態	避雷器の抵抗	動作
平常時	★きわめて大きい	電流を流さない
★サージ侵入時	★急激に小さくなる	★大地へ放電する
サージ通過後	再び大きくなる	続流を遮断

酸化亜鉛（ZnO）素子が使われます——電圧・電流特性が非直線で、ある電圧を超えると急に電流が流れ出すのです。

サージが去れば、また絶縁物に戻る——これが避雷器の要点です。戻らなければ、そのまま地絡事故になってしまいます。

制限電圧という指標

避雷器が放電しているときの端子電圧——これが制限電圧です。

「所定のレベル以下に電圧の波高値を制限する」——この「所定のレベル」が制限電圧にあたります。機器の絶縁強度より低くなるよう選定することになります。

空欄の絞り込み手順

4つの空欄がありますが、2つで確定します。

確定させる欄	正しい値	残る選択肢
(ウ)	コンデンサ	★(2)(4)
(ア)	絶縁体	★(4)に確定

(ウ)は問題文の最後「（ウ）と抵抗を直列に接続」——CR サージサプレッサのC。これで3つ落ちます。

(ア)は「導体」か「絶縁体」か——過電圧が壊すのは絶縁です。これで確定します。

本問は問題文の後半に手がかりが置かれている——空欄の順に読み進めるのではなく、全体を見渡してから解くのが要領です。同じ記号が複数箇所に出てくる穴埋めでは、とくに有効でしょう。

回転機の絶縁はなぜ弱いのか

変圧器より回転機のほうがサージに弱い——構造上の理由があります。

	変圧器	★回転機
絶縁の余裕	比較的大きい	★小さい
理由	油中で絶縁距離を取れる	★スロットに巻線を詰め込む
避雷器の必要性	あり	★コンデンサも併用

回転機は限られた鉄心のスロットに巻線を収めます——絶縁を厚くすると銅の断面積が減り、性能が落ちるのです。だから絶縁は必要最小限になります。

しかも回転するので、遠心力や振動が絶縁に加わります——機械的にも厳しい条件。だからサージに対する保護が、とくに重要になるのです。

「回転機器の近傍に設置する」と問題文にあるのも意味があります——離れているとその間の配線でサージが再び急しゅんになるから。できるだけ近くに置くのが原則です。

まとめ

（ア）	絶縁体
（イ）	過電圧
（ウ）	コンデンサ
（エ）	波高値
答え	(4)

▼あわせて解きたい関連問題
・真空遮断器（VCB）：【機械】平成22年度A問題9
・遮断器の機能と種類：【機械】平成19年度A問題8