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低圧配電線路の方式

　1000V以下の低圧配電線路について。 配電の学習帳にも各種配電線路のまとめがあります。

目次

1000V以下の配電方式

単相２線式

単相２線式は、一般住宅や商店などに配電するのに用いられ、低圧側の１線を接地する。

単相３線式

　単相３線式配電方式は、１線の中性線と、中性線から見て互いに逆位相の電圧である２線の電圧線との３線で供給する方式であり、主に単相100V及び単相200Vの低圧配電線路に用いられる。
　単相３線式では、変圧器の低圧巻線の両端と中点から合計３本の線を引き出して低圧巻線の中点から引き出した線を接地する。変圧器の低圧巻線の両端と中点から３本の線で２種類の電圧を供給できる。

（１）単相100V及び単相200Vの２種類の負荷に同時に供給することができる。

上図のように、100V/200Vの2種類の負荷に電源を供給できる。

（２）許容電流の大きさが等しい電線を使用した場合、電線１線当たりの供給可能な電力は、単相２線式よりも大きい。

　上図のように、単相３線式と単相２線式の抵抗 R [Ω]に、１線あたりの許容電流 I を流し、I²R[W]となる電力を供給する場合を考える。

　単相２線式では、電線１線当たりの供給電力 P₂ [W]は

\(\ \ \ P_{2}=\frac{I^2R}{2}\\ \)

　単相３線式では、電線１線当たりの供給電力 P₃ [W]は

\(\ \ \ \displaystyle P_{3}=\frac{2I^2R}{3}\\ \)

　つまり、単相３線式での電線１線当たりの供給電力P3[W]は、単相２線式での電線１線当たりの供給電力P2[W]より大きい。つまり、

\(\displaystyle \frac{P_3}{P_2}=\frac{\frac{2I^2R}{3}}{\frac{I^2R}{2}}\\ \ \ \ \ \ \ =\displaystyle \frac{4}{3}\\ \)

　単相３線式の 1 線当たりの供給電力は，単相 2 線式の\(\frac{4}{3}\)倍となる。 

（３）電線１線当たりの抵抗が等しい場合、中性線と各電圧線の間に負荷を分散させることにより、単相２線式と比べて配電線の電圧降下を小さくすることができる。

上図のように、単相３線式と単相２線式の抵抗R[Ω]に、I2R[W]となる同じ電力を供給する場合を考える。

単相２線式では、電線１線当たりの抵抗r[Ω]であるとき、全電圧降下Vr2[V]は

\(\displaystyle V_{r2}=2\times2I\times r=4Ir\)[V]

単相３線式では、電線１線当たりの抵抗r[Ω]であるとき、全電圧降下Vr3[V]は

\(\displaystyle V_{r3}=2\times I\times r=2Ir\)[V]（中性線に電流は流れない）

つまり、単相３線式での電線による電圧降下Vr3[V]は、単相２線式での電線による電圧降下Vr2[V]より小さい。

中性線と各電圧線の間に接続する各負荷の容量が不平衡であると、平衡している場合に比べて電力損失が増加する。これは、中性線の電流が増加するためである。

（４）中性線と各電圧線の間に接続する各負荷の容量が不平衡な状態で中性線が切断されると、容量が大きい側の負荷にかかる電圧は低下し、反対に容量が小さい側の負荷にかかる電圧は高くなる。

上図のように、単相3線式配電方式で不平衡負荷が接続されていたとする。

中性線を切り離すと、ac間の200Vが不平衡負荷に印加され、容量の小さい側の負荷に100Vを超える大きな電圧が印加され、容量の小さい負荷には100Vに満たない電圧が印加される。

このような危険な状態となることを避けるため、不平衡負荷とならないように考慮する必要がある。

交流三相方式

  • 電源側をY結線としたうえで，中性線を施設して三相4線式とすると，線間電圧と相電圧の両方を容易に取り出して利用できるようになる。
  • 同一材料の電線を使用して，同じ線間電圧で同じ電力を同じ距離に同じ損失で送電する場合に必要な電線の総重量は，三相3線式は単相2線式より小さくなる。
  • 回転磁界が容易に得られるため，動力源として三相誘導電動機の活用に便利である。
  • 三相回路が平衡している場合，三相交流全体の瞬時電力は時間に無関係な一定値となり，単相交流の場合のように脈動しないという利点がある。
  • 発電機では，同じ出力ならば，単相の場合に比べるとより小形に設計できて効率がよい。

三相３線式

三相３線式は、高圧配電線と低圧配電線のいずれにも用いられる方式で、電源用変圧器の結線には一般的にΔ結線とV結線のいずれかが用いられる。

　三相 3 線式と単相 2 線式の低圧配電方式について，三相 3 線式の最大送電電力は，単相 2 線式の\(\frac{2}{\sqrt3}\)倍となる。
　ただし，計算条件は，三相 3 線式の負荷は平衡しており，両低圧配電方式の線路こう長，低圧配電線に用いられる導体材料や導体量，送電端の線間電圧，力率は等しく，許容電流は導体の断面積に比例するものとする。

　単相 2 線式と三相 3 線式の線間電圧を V [V] 、単相 2 線式配電線 1 線あたりの許容電流を I [A] とし、 VI [W]となる電力を供給する場合を考える。

　単相２線式では、力率 cosθ とすると、最大供給電力 P₂ [W]は

\(\ \ \ P_{2}=VI\cos\theta\\ \)

　条件より、使用する導体量が等しいので、次式が成り立つ。単相 2 線式の断面積を S₂ [m²] 、三相 3 線式の断面積を S₃ [m²] 、送電線の長さを L [m] とする。

\(\ \ \ 2S_2L=3S_3L\\ \ \ \ \ \ \ ∴\displaystyle S_3=\frac{2}{3}\\ \)

　三相３線式配電線 1 線あたりの導体の断面積は、単相 2 線式配電線と比べて\(\frac{2}{3}\)となる。したがって、許容電流は導体の断面積に比例するので、三相 3 線式配電線 1 線あたりの許容電流は\(\frac{2}{3}I\)となる。三相 3 線式での最大供給電力 P₃ [W]は、力率 cosθ とすると、

\(\ \ \ \displaystyle P_{3}=\sqrt3V\frac{2}{3}I\cos\theta\\ \ \ \ \ \ \ \displaystyle =\frac{2}{\sqrt3}VI\cos\theta\\ \)

つまり、同導体量での三相３線式での最大供給電力 P₃ [W] を、単相２線式での最大供給電力 P₂ [W] の比で表すと、

\(\displaystyle \frac{P_3}{P_2}=\frac{\frac{2}{\sqrt3}VI\cos\theta}{VI\cos\theta}\\ \ \ \ \ \ \ =\displaystyle \frac{2}{\sqrt3}\\ \ \ \ \ \ \ =1.15\\ \)

したがって、同導体量での三相 3 線式の最大供給電力は，単相 2 線式の\(\frac{2}{\sqrt3}\)倍（およそ 115% ）となる。

V結線

　V結線は単相変圧器２台によって構成できるため、Δ結線よりも変圧器の電柱への設置が簡素化できるが、同一容量の単相変圧器２台を使用して三相平衡負荷に供給している場合、同一容量の単相変圧器３台を使用したΔ結線と比較して、出力は\(\displaystyle\frac{1}{\sqrt3}\)倍となる。

(1) 単相変圧器 2 台で三相が得られる。
(2) 同一の変圧器 2 台を使用して三相平衡負荷に供給している場合，Δ 結線変圧器と比較して，出力は\(\frac{1}{\sqrt3}\)倍となる。
(3) 同一の変圧器 2 台を使用して三相平衡負荷に供給している場合，変圧器の利用率は\(\frac{\sqrt3}{2}\)となる。
(4) 電灯動力共用方式の場合，共用変圧器には電灯と動力の電流が加わって流れるため，一般に動力専用変圧器の容量と比較して共用変圧器の容量の方が大きい。
(5) 単相変圧器を用いた Δ 結線方式と比較して，変圧器の電柱への設置が簡素化できる。

　※変圧器の学習帳(V結線)にも記載

三相４線式

　三相４線式は、電圧線の3線と接地した中性線の4本の線を用いる方式である。

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Posted by ちゅん