【配線理論】単相2線、単相3線、3相3線、断線

配線理論とは?単相2線、単相3線、3相3線、断線についてまとめました。

【はじめに】「配電線」「送電線」の違い

「送電線」「送電線」の違いは次のとおりです。

種別 概要
配電線 電柱を通っている電線(変電所(変圧器)~各家庭間で電気を送るのに使用)
送電線 鉄塔を通っている電線(発電所~変電所(変圧器)間で電気を送るのに使用)

つまり、配電線より送電線の方が高電圧となります。

関連記事
1 電流計、電圧計、電力計のメータの読み方(記号・原理)

【測定器】電流計、電圧計、電力計

負荷の電流、電圧、電力を測定したい場合、それぞれの測定器は次のように接続します。

種別 概要
電流計 電流を測定したい負荷と直列に接続します。
電圧計 電流を測定したい負荷と並列に接続します。
電力計 電流を測定したい負荷と直列と並列に接続します。
関連記事
1 【電線】「配電線」「送電線」の違い

【単相2線式】単相100V

単相2線式(単相2線式100V)とは、様々な配電方式の中で最もシンプルなものです。
単相2線式では、その名のとおり「電圧線と中性線の2本の線」を利用するため、100[V]しか使用できません。

線種 概要
黒線 非接地側電線(電圧線・100V)
白線 接地側電線(中性線・0V)

非接地側電線と接地側電線の電位差は100Vなので、負荷(一般家庭でコンセントに繋がれた家電製品など)には電流が流れます。

電力損失

電線1本あたりの電気抵抗をR[Ω]、抵抗に流れる電流をI[A]とします。
(電圧線と中性線がそれぞれ抵抗Rをもつ)
このとき、電力損失W[W]は次式で与えられます。(電圧線と中性線の計2本の電線で損失する電力)

(1) \begin{eqnarray*} W = RI^2 + RI^2=2RI^2 \end{eqnarray*}

関連ページ
1 【単相2線式とは】電気回路図、電圧100V、電力損失

【単相3線式】単相200V

単相3線式では、「中性線」と「一方の電圧線」を利用すれば100[V]が利用できます。
また、2本の電圧線を利用すれば200[V]が利用できます。


左側:負荷の電圧降下は200[V]
右側:負荷の電圧降下は100[V]

線種 概要
黒線・赤線 非接地側電線(電圧線・100V)
白線 接地側電線(中性線・0V)
ポイント
配線用遮断器 分岐回路には2P2Eの配線用遮断器を取り付け

【例題1】

【問】以下のような単相3線式回路があるとする。
負荷抵抗R_1の両端電圧V_{R1}はいくらか。
ここで、電線抵抗rは0.1[Ω]、負荷抵抗R_1, R_2は20[Ω]とする。

不平衡回路なので、中性線には、20A-10A=10Aが流れます。
よって、キルヒホッフの法則より

(2) \begin{eqnarray*} 103=0.1 \cdot 20 + V_{R1} + 0.1 \cdot 10 \\ V_{R1} = 100[V] \end{eqnarray*}

【例題2】

【問】以下のような単相3線式回路があるとする。
a-b間の電圧V_{R}はいくらか。

2つの抵抗負荷を流れる電流が共に10Aで、中性線には電流が流れていないため、中性線は無視します。
という事になります。
電線での電圧降下は10A×0.2Ω=2Vとなるので
a-b間の電圧V_{R}は104V-2V=102Vとなります。

関連ページ
1 【単相3線式とは】電気回路図、電圧100・200V、計算例題

第二種 電気工事士試験 平成30年度上期 一般問題

【3相3線式】

3相3線式では、「電圧線3本」を三相負荷につないで利用します。
3相3線式は、電動機など、多くの電力を使用する動力系に使われる配電方式です。
また三相3線式の結線方法には、「Y結線(スター結線)」と「Δ結線(デルタ結線)」があります。

Y結線(スター結線)

Y結線(スター結線)の場合、回路図は次のようになります。

用語 概要
線間電圧V_L 電線間にかかる電圧
相電圧Vp 各相にかかる電圧
線電流IL 電線間を流れる電流
相電流Ip 各相を流れる電流
三相負荷 3つの負荷R1~R3

Y結線では、「線間電圧=\sqrt{3}相電圧」「線電流=相電流」となります。
ここで、線間電圧V_Lとは、電線間の電圧です。

(3) \begin{eqnarray*} V_L=\sqrt{3}V_p\\ I_L=I_p \end{eqnarray*}

計算例

三相負荷(R1~R3)が6Ω、線電流I_Lが20Aのとき、線間電圧V_L

(4) \begin{eqnarray*} $V_L$=\sqrt{3}V_p=\sqrt{3}(6\cdot 20)=208[V] \end{eqnarray*}

Δ結線(デルタ結線)

Δ結線(デルタ結線)の場合、回路図は次のようになります。

Δ結線では、「線間電圧=相電圧」「線電流=\sqrt{3}相電流」となります。

(5) \begin{eqnarray*} V_L=V_p\\ I_L=\sqrt{3}I_p \end{eqnarray*}

3相3線式で省略できる理由

3相3線式では、位相が120度ずつずれた200Vの交流電力を3本の電線で送ります。
この場合、3相電流の和は0となるため、中性線(帰りの電線)は省略されます。
(※3線それぞれの電流の大きさが異なる場合、中性線(帰りの電線)は必要となり、3相4線式となる)

関連ページ
1 【3相3線式とは】電気回路図、電流・電圧

【断線】単相2線式

単相2線式の回路で断線が発生した時の状態は次のようになります。

■単相2線式(非接地側電線:黒色が断線)
電球(負荷)に電圧はかからないため、消灯します。

■単相2線式(接地側電線:白色が断線)
電球(負荷)に電圧はかからないため、消灯します。

【断線】単相3線式

■単相3線式(非接地側電線:黒色が断線)
電球1、3にかかる電圧が50Vと小さくなるため、消灯します。
電球2は100Vのままなので、点灯したままです。

■単相3線式(非接地側電線:赤色が断線)
電球2、3にかかる電圧が小さくなるため、消灯します。
電球1は100Vのままなので、点灯したままです。

■単相3線式(中性線:青色が断線)
電球1、2の電圧は100V、電球3の電圧は200Vのままなので、すべて点灯したままです。

ただし、100V用の電灯が仕様が異なる製品のものだと、100V用電灯には過電圧(100V以上の電圧)がかかり壊れる危険性があります。
そのため、電気工事のときに中性線は切断してはいけません。

【断線】三相3線式(Y結線)

■Y結線(赤色が断線)
電線(赤色)が断線すると、電球1には電流が流れないため消灯します。
電球2・3は分圧されて電圧が小さくなるため、消灯or暗くなります。

■Y結線(白色が断線)
電線(白色)が断線すると、電球1には電流が流れないため消灯します。
電球1・3は分圧されて電圧が小さくなるため、消灯or暗くなります。

■Y結線(黒色が断線)
電線(黒色)が断線すると、電球1には電流が流れないため消灯します。
電球1・2は分圧されて電圧が小さくなるため、消灯or暗くなります。

【断線】三相3線式(Δ結線)

■Δ結線(赤色が断線)
電線(赤色)が断線すると、電球1・3には電流が流れないため消灯します。
電球2は点灯したままです。

■Δ結線(白色が断線)
電線(白色)が断線すると、電球1・2には電流が流れないため消灯します。
電球3は点灯したままです。

■Δ結線(黒色が断線)
電線(黒色)が断線すると、電球2・3には電流が流れないため消灯します。
電球1は点灯したままです。

関連ページ
1 【断線】単相2線式、単相3線式、三相3線式
参考文献・関連ページ
1 【第二種電気工事士】例題・試験対策まとめ
2 【電験三種】例題・試験対策まとめ
3 電気・電子回路入門
4 複線図のデータ
関連記事