《機械》〈変圧器〉[R01:問5]変圧器の巻線の結線方法に関する空欄穴埋問題

Contents

1 【問題】
2 【ワンポイント解説】
3 【解答】

【問題】

【難易度】★★☆☆☆（やや易しい）

次の文章は，三相変圧器における巻線の結線方法に関する記述である。文中の$ \ \fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$} \ $に当てはまる最も適切なものを解答群の中から選べ。

三相変圧器巻線の結線方式には$ \ \mathrm {Y} \ $結線（星形結線）と，$ \ \mathrm {\Delta } \ $結線（三角結線）の$ \ 2 \ $種類がある。$ \ \mathrm {Y-Y} \ $結線は，変圧器の一次側，二次側とも巻線を$ \ \mathrm {Y} \ $結線とする方法である。この結線の特長としては，$ \ \fbox {　（１）　} \ $が採用できるので，巻線の絶縁低減が可能となること，事故検出に十分な地絡電流が流れ保護が容易となることが挙げられる。しかし$ \ \mathrm {Y-Y} \ $結線では，変圧器の励磁電流に含まれる第$ \ 3 \ $次調波による近接通信線への電磁誘導障害などが発生する。

この第$ \ 3 \ $次調波による障害を解決するために，三巻線変圧器を用いてその結線方法を$ \ \fbox {　（２）　} \ $とすることにより第$ \ 3 \ $次調波の影響を小さくすることができる。この結線は超高圧の変圧器に広く適用されている。

中低圧でよく使われる$ \ \mathrm {Y-\Delta } \ $結線と$ \ \mathrm {\Delta -Y} \ $結線は$ \ \fbox {　（３）　} \ $が励磁電流中の第$ \ 3 \ $次調波成分の還流回路として働き，電流のひずみが小さくなる。

$ \ \mathrm {\Delta -\Delta } \ $結線は，日本では主として$ \ 77 \ \mathrm {kV} \ $以下の変圧器に適用される。この結線方式で独立した単相変圧器$ \ 3 \ $台による場合には，$ \ 1 \ $台の単相変圧器が故障しても健全な変圧器$ \ 2 \ $台による$ \ \fbox {　（４）　} \ $として，最大出力は落ちるものの三相電力の伝達ができる利点がある。欠点としては，$ \ \mathrm {\Delta -\Delta } \ $結線では$ \ \fbox {　（１）　} \ $の採用ができないため，アーク地絡によって異常電圧が発生すること，$ \ \fbox {　（５）　} \ $の場合に巻線に流れる循環電流が大きくなることなどが挙げられる。

〔問5の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&（イ）&　ケイ素鋼板鉄心変圧器　　　　　　　&（ロ）&　\mathrm {Y-Y-Y} \ 結線　　　　　&（ハ）&　補償巻線 \\[ 5pt ] &（ニ）&　千鳥結線　　　　&（ホ）&　\mathrm {Y} \ 結線　　　　　&（ヘ）&　\mathrm {V} \ 結線 \\[ 5pt ] &（ト）&　油入自冷式変圧器　　　　　&（チ）&　スコット結線　　　　　&（リ）&　\mathrm {\Delta } \ 結線 \\[ 5pt ] &（ヌ）&　中性点接地　　　　　&（ル）&　平衡負荷　　　　　&（ヲ）&　不平衡負荷 \\[ 5pt ] &（ワ）&　並列結線　　　　　&（カ）&　無負荷　　　　　&（ヨ）&　\mathrm {Y-Y-\Delta } \ 結線 \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

変圧器の結線方式に関する問題で一般的な結線方法を理解していれば全問正解となることもできる問題と言えます。各結線方式の特徴をよく理解しておくようにしましょう。

1.$ \ \mathrm {Y-Y} \ $結線
図1のような結線方式で，$ \ \Delta \ $結線を持っていないため，第$ \ 3 \ $調波を還流することができないため，二次側の誘導起電力にひずみが発生してしまいます。
したがって，通常この方式を利用する時には，三次側に$ \ \Delta \ $結線を設け，$ \ \mathrm {Y-Y-\Delta } \ $結線として利用します。

2.$ \ \mathrm {\Delta -\Delta } \ $結線
図2のような結線方式で，一次二次側とも$ \ \Delta \ $結線がなされているため，第$ \ 3 \ $調波を還流することができ，二次側の誘導起電力はひずみのない正弦波が出力されます。
一次二次電圧間に位相差がなく，単相変圧器$ \ 3 \ $台を利用した場合，$ \ 1 \ $つの変圧器が故障しても$ \ \mathrm {V-V} \ $結線として運転を継続することが可能となります。
一方で，中性点を持たないため，中性点接地を行う場合，接地用変圧器を使用する必要があります。

3.$ \ \mathrm {Y-\Delta } \ $結線もしくは$ \ \mathrm {\Delta -Y} \ $結線
図3のような結線方式で，$ \ \mathrm {Y} \ $結線側では中性点接地，$ \ \Delta \ $結線側では第$ \ 3 \ $調波を還流することができるので，双方の特長をどちらも利用できる方式と言えます。
しかしながら，一次二次の電圧に$ \ 30° \ $の位相差を生じてしまうので，変圧器の並行運転の際には角変位に注意する必要があります。

4.$ \ \mathrm {Y-Y-\Delta } \ $結線
一次二次間に位相差がなく中性点接地ができるという$ \ \mathrm {Y-Y} \ $結線の特長，及び三次側に$ \ \Delta \ $結線がなされているため，第$ \ 3 \ $調波を還流することができるという$ \ \mathrm {Y-\Delta } \ $の特長を併せ持ったような結線方式となります。

5.$ \ \mathrm {V-V} \ $結線
単相変圧器$ \ 3 \ $台を利用して$ \ \mathrm {\Delta -\Delta } \ $結線で運転している場合に，$ \ 1 \ $の変圧器が故障して運転継続する場合に利用します。
また，あらかじめ設備を小さくしておき，将来増強することができるように，この方式が用いられることもあります。
設備利用率が容量の$ \ 86.6 \ ％ \ \left( \displaystyle \frac {\sqrt {3}}{2}\right) $が最大で，出力は$ \ \mathrm {\Delta -\Delta } \ $結線の$ \ 57.7 \ ％ \ \left( \displaystyle \frac {1}{\sqrt {3}}\right) $が最大となります。

【解答】

(1)解答：ヌ
ワンポイント解説「1.$ \ \mathrm {Y-Y} \ $結線」「2.$ \ \mathrm {\Delta -\Delta } \ $結線」の通り，$ \ \mathrm {Y} \ $結線では中性点接地を採用することができますが，$ \ \mathrm {\Delta} \ $結線では中性点接地を採用することができません。

(2)解答：ヨ
ワンポイント解説「4.$ \ \mathrm {Y-Y-\Delta } \ $結線」の通り，$ \ \mathrm {Y-Y-\Delta } \ $結線では，三次に$ \ \mathrm {\Delta} \ $結線を設けることで，第$ \ 3 \ $調波を還流することができます。

(3)解答：リ
ワンポイント解説「3.$ \ \mathrm {Y-\Delta } \ $結線もしくは$ \ \mathrm {\Delta -Y} \ $結線」の通り，$ \ \Delta \ $結線側では第$ \ 3 \ $調波を還流することができます。

(4)解答：ヘ
ワンポイント解説「5.$ \ \mathrm {V-V} \ $結線」の通り，単相変圧器$ \ 3 \ $台を利用して$ \ \mathrm {\Delta -\Delta } \ $結線で運転している場合には，$ \ 1 \ $の変圧器が故障しても$ \ \mathrm {V-V} \ $結線として運転継続することができます。

(5)解答：ヲ
$ \ \mathrm {\Delta -\Delta } \ $結線では，不平衡負荷では巻線に流れる循環電流が大きくなるという特徴があります。