《電力》〈変電〉[R4下:問7]変圧器の結線方式の違いと特性に関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★★☆☆☆（やや易しい）

次の文章は，変圧器の結線方式に関する記述である。

変圧器の一次側，二次側の結線に\( \ \mathrm {Y} \ \)結線及び\( \ \Delta \ \)結線を用いる方式は，結線の組合せにより四つのパターンがある。このうち，\( \ \fbox {　 （ア） 　} \ \)結線はひずみ波の原因となる励磁電流の第\( \ 3 \ \)高調波が環流し，吸収される効果が得られるが，一方で中性点の接地が必要となる場合は適さない。\( \ \fbox {　 （イ） 　} \ \)結線は一次側，二次側とも中性点接地が可能という特徴を有する。\( \ \fbox {　 （ウ） 　} \ \)結線及び\( \ \fbox {　 （エ） 　} \ \)結線は第\( \ 3 \ \)高調波の環流回路があり，一次側若しくは二次側の中性点接地が可能である。\( \ \fbox {　 （ウ） 　} \ \)結線は昇圧用に，\( \ \fbox {　 （エ） 　} \ \)結線は降圧用に用いられることが多い。

特別高圧系統では変圧器中性点を各種の方法で接地することから，\( \ \fbox {　 （イ） 　} \ \)結線の変圧器が用いられるが，第\( \ 3 \ \)高調波の環流の効果を得る狙いから\( \ \fbox {　 （オ） 　} \ \)結線を用いた三次巻線を採用していることが多い。

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。ただし，(ア)～(エ)の左側は一次側，右側は二次側の結線を表す。
\[
\begin{array}{cccccc}
& （ア） & （イ） & （ウ） & （エ） & （オ） \\
\hline
(1) & 　\mathrm {Y-Y}　 & 　\mathrm {\Delta -\Delta }　 & 　\mathrm {Y-\Delta }　 & 　\mathrm {\Delta -Y}　 & 　\Delta　 \\
\hline
(2) & 　\mathrm {\Delta -\Delta }　 & 　\mathrm {Y-Y}　 & 　\mathrm {\Delta -Y}　 & 　\mathrm {Y-\Delta }　 & 　\Delta　 \\
\hline
(3) & 　\mathrm {\Delta -\Delta }　 & 　\mathrm {Y-Y}　 & 　\mathrm {Y-\Delta }　 & 　\mathrm {\Delta -Y}　 & 　\Delta　 \\
\hline
(4) & 　\mathrm {Y-\Delta }　 & 　\mathrm {\Delta -Y}　 & 　\mathrm {\Delta -\Delta }　 & 　\mathrm {Y-Y}　 & 　\mathrm {Y}　 \\
\hline
(5) & 　\mathrm {\Delta -\Delta }　 & 　\mathrm {Y-Y}　 & 　\mathrm {\Delta -Y}　 & 　\mathrm {Y-\Delta }　 & 　\mathrm {Y}　 \\
\hline
\end{array}
\]

【ワンポイント解説】

変圧器の結線方式に関する問題です。
内容としては比較的定番の問題ですが，（ウ）と（エ）の空欄を間違えてしまった受験生もいたかなという印象です。
\( \ \mathrm {Y} \ \)結線の方が\( \ \Delta \ \)結線より相電圧が低いことを理解し，基本的に電圧が高い方の変圧器に高電圧がかからないよう\( \ \mathrm {Y} \ \)結線にすると考えると覚えやすいかと思います。

1.変圧器の結線方式
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ず，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。
一般に昇圧用には\( \ \mathrm {\Delta -Y} \ \)結線，降圧用には\( \ \mathrm {Y-\Delta } \ \)結線を使用します。

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】

解答：(2)
(ア)
ワンポイント解説「1.変圧器の結線方式」の通り，ひずみ波の原因となる励磁電流の第\( \ 3 \ \)高調波が環流し，吸収されるのは\( \ \Delta \ \)結線の特徴なので，\( \ \mathrm {\Delta -\Delta } \ \)結線となります。

(イ)
ワンポイント解説「1.変圧器の結線方式」の通り，中性点接地が可能というのは\( \ \mathrm {Y} \ \)結線の特徴なので，\( \ \mathrm {Y-Y} \ \)結線となります。

(ウ)
ワンポイント解説「1.変圧器の結線方式」の通り，\( \ \mathrm {Y-\Delta } \ \)結線及び\( \ \mathrm {\Delta -Y} \ \)結線のうち昇圧用に用いられるのは\( \ \mathrm {\Delta -Y} \ \)結線となります。

(エ)
ワンポイント解説「1.変圧器の結線方式」の通り，\( \ \mathrm {Y-\Delta } \ \)結線及び\( \ \mathrm {\Delta -Y} \ \)結線のうち降圧用に用いられるのは\( \ \mathrm {Y-\Delta } \ \)結線となります。

(オ)
ワンポイント解説「1.変圧器の結線方式」の通り，特別高圧系統では\( \ \mathrm {Y-Y-\Delta } \ \)結線が用いられ，三次巻線に\( \ \Delta \ \)結線を用います。