高圧で受電している工場の電気室をのぞくと、入口近くに小さな開閉器(区分開閉器)、 その奥にもう1段、遮断器やヒューズが入った盤(主遮断装置)が並んでいる。 どちらも「電気を切るための装置」に見えるが、役割はまったく違う。
一方は、自分の設備で起きた事故が電力会社の配電線、ひいては近隣の他の需要家にまで 広がるのを防ぐために置かれている。もう一方は、自分の設備の中だけを守るために置かれている。 この2段構えの意味を取り違えると、法規の問題は簡単に足をすくわれる。
このトピックを読み終えるころには、キュービクルの中に並ぶ機器を見て、それぞれが 「誰を、何から守っているか」を順番に説明できるようになっている。
種明かしは、高圧受電設備が責任分界点から始まる一続きの保安システムとして設計されている、 という点にある。機器を1つずつ、外側(電力会社側)から内側(需要家側)へたどっていこう。
高圧受電設備とは — 責任分界点から始まる一続きの保安システム
工場やビル、大型店舗など、契約電力がある程度以上になる需要家は、電力会社から高圧(6600V)で 受電し、構内の変圧器で低圧(200V/100Vなど)に落として使用する。この一連の設備を高圧受電設備と呼ぶ。
構成をおおまかに並べると、次のような順序になる。
- 責任分界点・区分開閉器(PAS・UGSなど)
- 引込みケーブル
- 主遮断装置(CB形・PF・S形)
- 変圧器
- 保護継電器(過電流継電器・地絡継電器など)や計器用変成器
- 進相コンデンサなど力率改善設備
それぞれの機器が、電力会社側・需要家側のどちらに軸足を置いた保安装置なのかを意識すると、 法規の出題で問われる「目的の取り違え」を防ぎやすくなる。
区分開閉器(PAS/UGS)と「波及事故防止」という役割
責任分界点に置かれる区分開閉器(PAS：柱上に設置するタイプ、UGS：地中引込みで使うタイプなど)は、 需要家側の設備と電力会社側の配電線を切り離すためのスイッチだ。
この区分開閉器に地絡継電器(GR)を組み合わせたものを、GR付きPASと呼ぶ。需要家構内で地絡事故 (電線が地面や金属部分に触れて漏電する事故)が起きたとき、GR付きPASが自動的に動作して、 事故を起こした需要家を配電線から切り離す。
GR付きPASのSOG機能 — 短絡事故が起きたとき、PASはどう動くか
GR付きPASが「波及事故防止」の役割を持つことは前の見出しで見た。だが、この区分開閉器には、地絡事故だけでは説明しきれないもう1つの重要な仕組みがある。
区分開閉器(PAS)は、通常の負荷電流を開閉できるように作られている。ところが短絡事故のような桁違いに大きな電流までは、PAS自身の遮断能力では処理しきれない。では、GR付きPASより需要家側(負荷側)、つまりPASと構内の受電用遮断器との間で短絡事故が起きたとき、いったい何が事故を止めるのか。
答えは、PAS自身ではなく、一般送配電事業者側の配電用変電所の遮断器だ。短絡事故が起きると、まず配電用変電所側の遮断器が動作して配電線を停電させる。GR付きPASは、この間「開放する」という判断を一時的に保留し、待機状態を保つ。配電線が無電圧になったことを確認してから、はじめてPASが自動的に開放動作を行う——これがSOG機能のうちSO動作と呼ばれる仕組みだ。
この仕組みが効いてくるのは、配電用変電所の遮断器が再投入(再閉路)されるときだ。PASはすでに開放されているため、事故が起きた需要家の設備は配電線から切り離されたままで、健全な他の需要家側だけに電気が戻る。停電の原因となった短絡事故が需要家構内で起きたものであっても、この時点では地絡継電器(GR)が検出して自ら遮断したわけではなく、電源側の遮断・再閉路という一連の流れの中でPASが受け身に開放されているだけなので、電力会社側の系統全体を巻き込む「波及事故」としては扱われない。
主遮断装置 — CB形とPF・S形、容量で使い分ける
区分開閉器を通過した先、需要家構内に置かれるのが主遮断装置だ。ここは「自分の設備を守る」ための 装置で、大きく2つの方式がある。
- CB形：高圧遮断器(VCBなど)を主遮断装置として用いる方式。
- PF・S形：高圧限流ヒューズ(PF)と高圧交流負荷開閉器(LBS)を組み合わせた方式。
PF・S形はCB形に比べて構成がシンプルで経済的だが、ヒューズという特性上、適用できる設備容量に 上限がある。受電設備容量が大きくなる需要家では、より確実に大電流を遮断できるCB形を選ぶのが 一般的な考え方になる。どこまでの容量ならPF・S形でよいかという具体的な数値基準は、 最新の電気設備技術基準・高圧受電設備規程を確認すること。
キュービクル式受電設備 — 保安性と省スペースを両立する箱
区分開閉器から先の主要機器を、1つの金属製閉鎖箱にまとめて収める方式をキュービクル式と呼ぶ。 機器がむき出しの「開放形」の受電室に比べて、設置面積を抑えつつ、外部からの接触事故を防いで 保安性を高められることから、工場やビルの受電設備として広く普及している。
避雷器と保護継電器 — 見えない脅威に備える
架空電線路で高圧を受電する需要場所のうち、受電電力の容量が一定以上大きい需要場所では、 引込口への避雷器の設置が求められる——というのが電気設備技術基準の解釈でよく知られた基準だ (具体的な容量の閾値・条件は最新の解釈条文を確認すること)。雷サージという目に見えない脅威から、 高価な変圧器や機器を守るための装置になる。
避雷器を施設すべき箇所は、需要場所の引込口だけではない。発電所又は変電所若しくはこれに準ずる場所では、架空電線の引込口（需要場所の引込口を除く）だけでなく、架空電線の引出口又はこれに近接する箇所にも避雷器の施設が求められる。「引込口＝雷サージが入ってくる場所だから避雷器を置く」という発想だけで止まると、引出口側にも同じ義務があることを見落としやすい。
保護継電器も同様に、過電流継電器(OCR)や地絡継電器(GR)・地絡方向継電器(DGRなど)が、 それぞれ過電流事故・地絡事故を検知して主遮断装置を動作させる、需要家設備内部の「見張り役」だ。
単線結線図に並ぶ機器と計器 — 「見張り役」と「計測役」を見分ける
高圧受電設備の単線結線図(電気の流れを1本の線で簡略化して描いた図)を見ると、四角や丸の記号とともに、 アルファベットの略号がいくつも並んでいる。これらは大きく2つのグループに分けて考えると整理しやすい。
- 見張り役(保護継電器)：事故や異常を検出し、主遮断装置を動作させて電路を遮断する
- 地絡継電器(GR)：地絡事故(漏電)を検出する
- 過電流継電器(OCR)：短絡・過負荷による過電流を検出する
- 計測役(計器)：電気の状態を数値として表示する。事故を検出して機器を動作させることはない
- 電力量計(Wh)：一定期間に使った電力量(積算値)を表示する。検針・請求の根拠になる
- 電圧計(V)：電圧の瞬時値を表示する
- 電流計(A)：電流の瞬時値を表示する
- 電力計(W)：電力の瞬時値を表示する
- 力率計：力率(電力の有効利用度合い)を表示する
配置される位置にも傾向がある。電力量計(Wh)は検針・請求の根拠になる数値のため、責任分界点に近い 受電点付近に置かれることが多い。電圧計(V)・電流計(A)・電力計(W)・力率計は、変圧器の二次側など、 実際に電気を使っている箇所に近い場所に置かれる傾向がある。保護継電器(GR・OCR)は、それぞれが 監視したい電路(区分開閉器付近、主遮断装置付近など)のそばに配置される。ただし配置の詳細は 設備ごとの設計によって変わるため、あくまで「傾向」として捉え、個別の単線結線図は図面そのもので確認すること。
計器用変成器(CT・PT) — 継電器・計器に「電気の縮図」を送る変換役
GR・OCRのような保護継電器も、電圧計・電流計のような計器も、高圧の電気をそのまま受け取っているわけではない。数千Vの高圧・数十Aの高圧電流を、継電器や計器がそのまま扱うのは危険で非現実的だ。そこで間に入るのが計器用変成器で、高圧側の電圧・電流を、扱いやすい小さな値に変換して継電器・計器へ送る役割を持つ。
- 計器用変圧器(VT・PT)：高圧側の電圧を、低い電圧（一般に110V）に変換する
- 変流器(CT)：高圧側の電流を、低い電流（一般に5A）に変換する
なぜCTの二次側を開放してはいけないのか
CTは、一次電流が作る磁束によって二次電流を発生させる仕組みを持つ。通常、二次側には電流計や保護継電器といった負荷がつながっており、二次電流が流れることで鉄心の磁束は一定の範囲に保たれている。
ところが通電中に二次側を無防備に開放すると、二次電流が流れなくなる分、一次電流のほぼすべてが鉄心を励磁する電流として働き、鉄心の磁束が急激に増大する。この結果、二次側の巻線には異常な高電圧が発生し、絶縁破壊や感電を招く危険がある。だからCTの二次側には、開閉器やヒューズのような「うっかり回路を切ってしまう」機器を設置してはならない。
CTの通電中に、電流計をやむを得ず交換する必要が生じることがある。このとき正しい手順は、①先に二次側端子を短絡する、②その状態で電流計を取り外し・交換する、③交換後に短絡を外す、という順序だ。短絡することで二次電流の逃げ道を確保したまま作業できる。PTの二次側短絡が禁止されているのとは、まったく逆の発想であることに注意したい。
分散型電源の系統連系 — 太陽光・風力をつなぐときの「解列」という考え方
ここまでは、需要家が電力会社から電気を「もらう」側の保安の話だった。だが近年は、高圧で受電する需要家の構内に太陽光発電や風力発電などの分散型電源を設置し、電力系統へ電気を送り出す(逆潮流させる)ケースが増えている。電気を「もらう」だけでなく「送る」側にもなると、保護の考え方に新しい要素が加わる。
分散型電源を高圧の電力系統に連系する場合、電気設備技術基準の解釈は、異常時に分散型電源を電力系統から自動的に切り離す——解列する——ための保護装置の設置を求めている。解列が必要になる代表的な異常には、次のようなものがある。
- 分散型電源自体の異常・故障
- 連系している電力系統側の短絡事故・地絡事故
- 単独運転(分散型電源が接続している配電線が電力系統から切り離されているのに、分散型電源だけがその配電線に電気を送り続けてしまう状態)
逆潮流有りの高圧連系で使い分けられる保護リレー
分散型電源を「解列させる」ための判断は、単独運転の検出だけで完結するわけではない。逆変換装置(パワーコンディショナ)を用いて連系し、かつ逆潮流(発電した電気を電力系統側へ送り出すこと)がある場合、電気設備技術基準の解釈は、検出する異常の種類ごとに、次のような保護リレー等を受電点その他異常の検出が可能な場所に設置するよう求めている。
| 検出する異常 | 保護リレー等の種類 |
|---|---|
| 発電電圧の異常上昇 | 過電圧リレー |
| 発電電圧の異常低下 | 不足電圧リレー |
| 系統側の短絡事故 | 不足電圧リレー |
| 系統側の地絡事故 | 地絡過電圧リレー |
| 単独運転 | 周波数上昇リレー・周波数低下リレー・転送遮断装置又は単独運転検出装置 |
単独運転の検出には、周波数上昇リレー・周波数低下リレーに加え、転送遮断装置(配電用変電所の遮断器の遮断信号を伝送し、分散型電源を解列させる装置)や、能動的に系統への信号を送って単独運転状態を検出する単独運転検出装置が用いられる。単独運転検出装置には能動的方式を1方式以上含むことが求められ、必要な時間内に確実に検出できること、頻繁な不要解列を生じさせない検出感度であること、能動信号が系統への影響上問題とならないことという条件を満たす必要がある。
もう1つ重要なのが、一般送配電事業者側が配電線の再閉路(事故等で停止した配電線を再び通電させる操作)を行う場合の扱いだ。分散型電源は、この再閉路が行われるときには、あらかじめ電力系統から解列されていなければならない。理由はSOG機能のSO動作と同じで、無関係な電源が生きたまま再閉路すると、位相のずれた電気同士がぶつかって機器を損傷させたり、無電圧を前提に作業している人を危険にさらしたりするおそれがあるからだ。
解列そのものは、次のいずれかの遮断器等で行う。
- 受電用遮断器
- 分散型電源の出力端に設置する遮断器(またはこれと同等の機能を持つ装置)
- 分散型電源の連絡用遮断器
- 母線連絡用遮断器
電材商社の立場からも、太陽光発電設備や自家発電設備の高圧連系案件に関わる機会は増えている。パワーコンディショナや保護継電器を選定する際、「この保護装置は分散型電源自身を守るためのものか、それとも系統・作業者を守るためのものか」を意識できると、需要家への説明や機器選定の精度が上がる。
キュービクルに収めない高圧機械器具 — 「発電所等に準ずる場所」以外で施設する条件
ここまで見てきたキュービクル式は、高圧の機械器具を金属製の箱にまとめて収め、外部からの接触を防ぐ方式だった。だが現場によっては、機械器具を箱に収めず露出した状態で施設したいケースもある。この場合、電気設備技術基準の解釈は、原則として高圧の機械器具を発電所・変電所・開閉所若しくはこれらに準ずる場所以外の場所に施設することを禁止しつつ、次のいずれかの方法を満たせば例外的に施設できるとしている。
- 機械器具の周囲にさく・へい等を設け、その高さと充電部分までの距離の和を一定値以上確保し、危険である旨を表示する
- 工場等の構内において、機械器具の周囲に高圧用機械器具である旨を表示する
- 屋内であって、取扱者以外の者が出入りできないように措置した場所に施設する
- 機械器具を堅ろうな箱等（コンクリート製の箱やD種接地工事を施した金属製の箱など）に収め、充電部分が露出しないように施設する
- 充電部分が露出しない機械器具を、人が接近又は接触しないよう、さく・へい等を設けて施設する
分散型電源の施設要件 — 保護リレーとは別に、電圧区分ごとの決まりがある
ここまで見てきた過電圧リレー・不足電圧リレー・地絡過電圧リレーといった保護リレー等は、「異常が起きたときにどう検出し、解列するか」という話だった。分散型電源の連系には、これとは別に、電圧区分（低圧・高圧）ごとに定められた具体的な施設要件がある。
低圧連系 — 単相3線式の中性線を守る
単相3線式（100V/200Vを1本の中性線と2本の電圧線で供給する方式）の低圧の電力系統に分散型電源を連系する場合、負荷の不平衡（片側の電圧線に偏って負荷がかかること）により、中性線に最大電流が生じるおそれがある。このおそれがあるときは、分散型電源を施設した構内の電路であって、負荷及び分散型電源の並列点よりも系統側に、3極に過電流引き外し素子を有する遮断器を施設することが求められる。
もう1つ、低圧連系で見落としやすいのが、逆変換装置（パワーコンディショナ）の有無による扱いの違いだ。逆変換装置を用いずに低圧の電力系統へ分散型電源を連系する場合は、逆変換装置を用いる場合と同等の単独運転検出及び解列ができない限り、電力を電力系統側へ送り出す状態を生じさせないことが求められる。逆変換装置がないと、系統の状態をリアルタイムに検知して安全に解列する仕組みが働きにくいため、より慎重な扱いが必要になる、と理解すればよい。
高圧連系 — 配電用変電所での潮流の向き
高圧の電力系統に分散型電源を連系する場合にも、独自の施設要件がある。分散型電源を連系する配電用変電所において、保護協調（配電用変電所側に保護装置を施設する等の方法により、分散型電源と電力系統との協調をとること）ができない限り、逆向きの潮流を生じさせないことが原則になる。
具体的な条文番号・数値条件は改正が入りやすい分野でもあるため、実務・受験ともに電気設備技術基準の解釈の最新版で確認することが前提になる。
なぜこの構造を知っておくべきか
高圧受電設備の更新やキュービクルの入れ替え工事に関わる場面では、どの機器が誰のために 置かれているかを取り違えると、見積もりや提案の中で機器の役割を誤って説明してしまうリスクがある。 区分開閉器は地域(電力会社側)を守るため、主遮断装置・保護継電器は自分の設備を守るため—— という位置づけを軸にすれば、法規の問題も、実際の設備を前にしたときも、迷わず整理できるようになる。
冒頭の「区分開閉器と主遮断装置、2段構えの意味」——答え合わせは理解度チェックの 最後の問題でしてみよう。