令和5年度第三種電気主任技術者下期試験　電力科目 問60 解説 問6 問6

変圧器のY-Y結線では、中性点を接地することで1線地絡故障時の異常電圧を抑制し、保護リレーを確実に動作させることができますが、励磁電流に含まれる第三調波が中性点接地を通じて大地に流れることで近隣の通信線に電磁誘導障害を与えるため、第三調波を還流させるためのΔ結線三次巻線が必要となります。

Y-Y結線の地絡保護特性

変圧器の一次側および二次側の中性点を直接接地（または抵抗接地）するY-Y結線は、送電系統における基本的な接地方式の一つです。1線地絡故障が発生した際、中性点が接地されていれば故障点には地絡電流が流れます。この電流により地絡保護リレーが確実に動作し、事故区間を迅速に遮断できます。また、中性点が接地されていることで健全相の電圧上昇（電位上昇）が抑制されるため、機器の絶縁レベルを低減することが可能となります。

第三調波と電磁誘導障害

変圧器の鉄心における磁気飽和の非線形特性により、励磁電流には基本波だけでなく第三調波などの高調波成分が含まれます。Y-Y結線で中性点を接地すると、各相の第三調波電流は同相（ゼロ相）であるため、中性線を通じて大地へ流出します。この大地に流れる第三調波電流が、近接する通信線に対して電磁的な結合を生じさせ、通信品質を低下させる電磁誘導障害を引き起こします。

Δ結線による第三調波の還流

この第三調波障害を解消するためには、変圧器にΔ結線の三次巻線を設けます。Δ結線は閉回路を構成しているため、三相の第三調波電流が互いに打ち消し合うことなく回路内を還流することができます。この三次巻線によって第三調波が変圧器内部に封じ込められる結果、外部の中性線や大地へ流出する第三調波電流が著しく減少し、通信線への誘導障害が抑制されます。

選択肢の判断

(ア)には、地絡時に発生する異常電圧が当てはまります。 (イ)には、地絡故障を検知して遮断する保護リレーが当てはまります。 (ウ)には、鉄心の磁気飽和に起因する第三調波が当てはまります。 (エ)には、大地を流れる第三調波電流が通信線に電圧を誘起する電磁誘導が当てはまります。 (オ)には、第三調波を還流させるためのΔ結線が当てはまります。

これらを組み合わせると、選択肢(3)が導かれます。

変圧器の結線図における第三調波の通り道と、中性点接地の位置を重ねてみると、電流の流れる向きと誘導の仕組みが見えてきます。

参考リンク

• 変圧器の結線と特徴について（第三種電気主任技術者試験対策）
• 変圧器の励磁電流と調波（Qiita: 調波電流のシミュレーションと考察）
• 変圧器の励磁特性（電気学会電気工学ハンドブック: 変圧器の調波と磁気飽和）