「一次Δ・二次Y、高調波対策のため」――キュービクル更新の仕様書にそう指定が入っているのを見て、手が止まったことはないだろうか。Δ結線には中性点がない。接地もできず、単相負荷を素直に分岐する引き出し口もない。Y結線に比べれば、明らかに不自由な結線方式に見える。
それなのに、高調波が問題になる現場に限って、わざわざΔ結線が名指しで指定される。不便であるはずの結線が、なぜ高調波対策の主役に回るのか。
答えの手がかりは、性能表やカタログのどこにもない。巻線そのものを、どうつなぐかという結び方の中にある。
Δ結線とY結線――巻線をどうつなぐかの違い
三相変圧器は、3つの単相分の巻線を組み合わせて作られている。結線方式の違いとは、詰まるところ、この3つの巻線の端と端をどう結ぶかという一点に尽きる。
Y結線（スター結線）は、3つの巻線の一端をすべて1つの点に集め、残りの3つの端子をそれぞれ相として引き出す。集めた1点が中性点で、そこへ電線を継ぎ足せば中性線になり、大地へつなげば接地点になる。星形に3本の腕が伸びる形が、そのまま名前になっている。
Δ結線（デルタ結線）は、3つの巻線を頭としっぽで順につなぎ、輪のように閉じた1つの回路を作る。引き出せるのは、巻線同士のつなぎ目にあたる3つの頂点だけだ。中性点に相当する点は、この結線のどこにも存在しない。
「1点に開いているか、輪として閉じているか」――この違いだけで、この先に出てくるほぼすべての性質が決まる。
Y結線のメリット――中性点という取り出し口
Y結線の中性点は、まず実務上の便利さをもたらす。中性点を接地すれば、各相の対地電圧は線間電圧の1/√3に抑えられる。線間200Vの三相回路であれば、対地電圧は約115Vで済む計算だ。機器の絶縁設計も線間電圧そのものより低いレベルで足り、コストは下がる。中性点接地方式についてのJEEAの解説が指摘する通り、直接接地方式では線路側端子から中性点にかけて絶縁の程度を段階的に下げる「段絶縁」も可能になり、系統全体の経済性が上がる。
中性点はまた、単相負荷を取り出す引き出し口としても働く。各相の導体と中性線のあいだから電圧を取れば、三相4線式の配電系統では単相100V・200Vと三相200Vを同じ変圧器から同時に供給できる。オフィスビルの分電盤が三相4線式で組まれているのは、この中性点があってこそだ。
一次・二次の両方をY結線にすれば、両側で接地でき、地絡電流を検出しやすく保護継電器の整定もしやすい――Y-Y結線には、そういう長所も確かにある。
Δ結線のメリット――閉じた輪だからこそ、高調波を外に出さない
中性点がないΔ結線には、これらの便利さが一つもない。接地できず、単相負荷も素直には取り出せない。だとすれば、Δ結線は単に不便なだけの、旧式の結線方式なのだろうか。
そうではない。むしろ、中性点がなく閉じているという同じ性質が、Y結線にはない役割を果たしている。
変圧器は、鉄心を磁化するためにわずかな励磁電流を流し続けている。鉄心の磁化特性は電流と磁束が比例しない非線形な関係にあり、磁束を素直な正弦波に保とうとすると、励磁電流のほうが歪む。この歪みの主成分が、周波数が3倍の第3次高調波だ。JEEAの3巻線変圧器の解説が説明する通り、この第3次高調波は三相の対称性ゆえに、U相・V相・W相のどこでも同じ位相で重なり合う性質を持つ。
この「三相そろって同位相」という性質が、Δ結線では都合よく働く。Δ結線の3つの巻線は輪としてつながっているため、同位相の第3次高調波電流は、外部へ出ることなく、輪の内側だけをぐるぐる回る循環電流として流れ続けられる。電験教室の解説が示す通り、Δ結線の変圧器の誘起起電力に第3高調波がほとんど含まれず歪みが少ないのは、この環流回路のおかげだ。中性点がなく、出口がないという構造が、そのまま「外に漏らさず巻線内で処理する」仕組みとして機能している。
Y-Y結線ではこうはいかない。中性点で1点に集まっているだけの構造では、三相そろって同位相の第3次高調波電流の逃げ場がない。行き場を失った分は、電流ではなく磁束や誘起電圧の歪みとして現れる。JEEAの解説の通り、この歪んだ電圧は系統電圧そのものをひずませ、線路の対地静電容量を通じて漏れ出せば、近接する通信線への誘導障害にもつながる。だからこそ超高圧の変圧器では、Y-Y結線に「安定巻線」と呼ばれるΔ結線の三次巻線を追加し、Y-Y-Δという3巻線構成にして第3次高調波を環流させるのが定石になっている。
Δ結線の効用は、第3次高調波だけにとどまらない。株式会社ダイヘンのFAQは、三相4線式で一次側をY結線のままにした場合の別の落とし穴を説明している。二次側で単相負荷を偏って取ると、その負荷電流を打ち消すための一次側電流がU相だけでなくV相・W相にも流れ込み、一次側の各相の誘起電圧を不平衡にし、中性点そのものを移動させてしまう。一次側をΔ結線にすれば、一次・二次巻線のアンペアターンが輪の中で打ち消し合い、この不平衡は起きない。中性点がないという同じ構造が、ここでも「巻線内で帳尻を合わせる」役割を果たしている。
Δ-Δ・Y-Y・Δ-Y・Y-Δ――結線の組み合わせで用途が変わる
一次側と二次側それぞれにΔとYの2通りがある以上、組み合わせは4通りに絞られる。どれを選ぶかは、高調波を抑えたいか、中性点接地が要るか、その両方かで決まる。
Δ-Δ結線は、日本では主として77kV以下の変圧器に適用される。電験教室・千代田電機いずれの整理でも、第3高調波の環流回路を持ち誘起起電力の歪みが少ないこと、一次・二次間に位相変化がないことが長所として挙げられている。3台の単相変圧器で構成する場合は、1台が故障してもV-V結線として運転を継続できる融通の利きやすさもある。ただし中性点が得られないため、地絡時に異常電圧が発生しやすい場面には向かない。
Y-Y結線は、JIS C 4304で三相50kVA以下の標準結線と定められているように、比較的小容量の変圧器で使われる。一次・二次とも接地できて保守・保護がしやすい半面、第3次高調波の環流回路を持たないため誘起起電力が歪みやすい。50kVAを超える場合はY-Δ結線を標準とする、とダイヘンのFAQは案内している。
Δ-Y結線は昇圧用に多く使われる。電験教室・千代田電機の整理が示す通り、Δ結線側で第3次高調波を環流させて歪みを抑えつつ、二次側のY結線で中性点を接地できる。高電圧側になりやすい二次側をYで受け持つことで、絶縁の面でも有利になる。
Y-Δ結線は降圧用に多く使われる。受電端で高電圧側になりやすい一次側をYで受け持ち中性点接地の恩恵を得たうえで、二次側のΔ結線で第3次高調波を環流させる。二次側には中性点が得られないため、低圧側で単相負荷を分岐したい配電用途にはΔ-Y結線のほうが向く、という逆転が起きる点には注意がいる。
どちらの組み合わせでも、Δ側とY側の間には30°（電気角でπ/6ラジアン）の位相差が生じる。単独運転なら支障はないが、変圧器を並列で増設する場合は、結線記号に付く時計表示（Yd1・Yd11など）まで一致させないと、位相差から循環電流が流れてしまう。
中性点接地の考え方との関係
Y結線が生む中性点は、ただ存在するだけでは意味を持たない。どう接地するか、そもそも接地するのかどうかが、系統の性格を決める。
JEEAの中性点接地方式の解説によれば、中性点接地の目的は、1線地絡が起きたときに健全相の電圧が上昇するのを抑え、線路や機器の安全を確保しつつ、絶縁レベルを下げて系統全体の経済性を高めることにある。ただしすべての系統が中性点を直接接地しているわけではない。日本の6.6kV配電系統は非接地方式が採用されており、これは系統電圧が低く地絡電流の絶対値も小さいこと、この電圧階級では絶縁強度に元々余裕があることが理由だとJEEAは説明している。
もう一つ、見落とされがちな接地がある。高圧を受電する変圧器の低圧側中性点に施すB種接地だ。JEEAの電気設備技術基準解説によれば、B種接地工事の目的は、高圧側と低圧側の電路が万一混触した際に、低圧側の絶縁破壊による災害を防ぐことにある。この接地点は、まさにY結線の中性点そのものだ。Δ結線側にはこの取り出し口自体がないため、Δ結線を低圧側に使う設備では、別途Vタップのような形で接地用の端子を用意しない限り、この種の保護を組み込めない。
高調波を抑えたいならΔ、中性点接地の恩恵を受けたいならY――両方が必要な設備ほど、Δ-YかY-Δの組み合わせ、あるいは3巻線でY-Y-Δという構成に落ち着くのは、この二つの要求が単一の結線では両立しないからだ。
高調波対策の観点からの結線選定――実務でどう判断するか
ここまでの整理を、発注や選定の場面でそのまま使える形に戻すと、判断はおおむね次の二択に収まる。
系統への高調波流出を抑えたい場合は、どこかにΔ巻線を持たせる。Δ-Δ、Δ-Y、Y-Δのいずれかを選ぶか、Y-Y構成のまま安定巻線付きの3巻線変圧器にする。中性点接地や単相負荷の分岐が必須の場合は、その側にY巻線を持たせる。両方を満たしたいのであれば、高電圧側をY、低電圧側をΔ、あるいはその逆という非対称な組み合わせを選ぶことになる。
既設設備の更新でここを取り違えると起きるのが、「同容量・同電圧で発注したはずなのに、結線記号が違って中性点の有無が変わってしまった」という事故だ。単相負荷を分岐する予定だった二次側に中性点のないΔ結線の変圧器が届けば、配線をやり直すか変圧器自体を交換するかの二択を迫られる。逆に高調波対策として指定されたはずの箇所にY-Y結線が使われていれば、通信障害という形で後から問題が表面化しかねない。型番・容量に加えて、結線記号（Yd11・Dyn1など）まで含めて既設図面と照合することが、この手のやり直しを防ぐ最後の砦になる。
変圧器・結線方式まわりの部材調達について
「既設変圧器の結線記号を確認したうえで、増設用の変圧器を選定してほしい」「高調波対策のためΔ結線を指定したいが、容量・電圧に見合う製品を提案してほしい」といったご相談を、電気管理技術者・設備工事ご担当者様からよくいただきます。
電設資材専門商社・松本電業株式会社（東京都台東区台東2-4-11）では、油入変圧器・モールド変圧器を含む受変電設備の関連資材を幅広く取り扱っている。既設設備の結線方式・容量・電圧を確認したうえで、更新用変圧器の選定からまとめての調達までご相談いただける。
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