工場やビルの駐車場、屋上などに、「変電設備」と書かれた大きな金属製の箱が設置されていることがあります。
この箱が、キュービクルです。
外から見ると大きなロッカーのようですが、内部には変圧器だけでなく、開閉器、遮断器、保護継電器、計器、低圧遮断器など、多くの機器が収められています。
それぞれの機器が、電気を受ける、事故から守る、電圧を下げる、各負荷へ配る、という役割を分担しています。
本記事では、キュービクルの役割、内部構造、構成機器、電気の流れ、PF・S形とCB形の違いについて、実物に近い構造図を使いながら解説します。
この記事で分かること
- キュービクルとは何か
- 6600Vが100V・200Vになるまでの流れ
- キュービクル内部の構造と機器配置
- PAS、VCT、VCB、LBS、変圧器などの役割
- PF・S形とCB形の違い
- 地絡・短絡事故を保護する仕組み
キュービクルとは
キュービクルの正式名称は、キュービクル式高圧受電設備です。
電気事業者から高圧で電気を受けるための機器と、変圧器、コンデンサ、保護装置、計測機器などを、接地された金属製の外箱へまとめて収めた設備です。
一般的な高圧需要家では、電力会社から三相3線式の6600Vで受電し、変圧器で100Vや200Vなどへ降圧して使用します。
ここで重要なのは、キュービクルは変圧器だけを収納した箱ではないという点です。
ようは、高圧の電気を安全に受け、事故から守り、使える電圧へ変えて施設へ配るための機器一式がキュービクルになります。
キュービクルが必要になる理由
電気を多く使用する工場、ビル、病院、学校、商業施設などでは、低圧ではなく高圧で受電する場合があります。
高圧で受電した電気は、そのまま照明やコンセント、一般的なモーターへ使用できません。
また、高圧回路で地絡や短絡が発生すると、需要家の設備だけでなく、電力会社の配電線や周辺需要家へ影響する可能性があります。
そのため、高圧を受け入れる設備には、次の機能が必要です。
- 高圧回路を安全に開閉する
- 地絡、過負荷、短絡などの事故を検出して遮断する
- 使用した電力量を計量する
- 6600Vを100Vや200Vへ降圧する
- 降圧後の電気を回路ごとに分けて供給する
これらの機能を金属製の外箱へコンパクトにまとめたものがキュービクルです。
キュービクルの内部構造
キュービクルは、必要な機器を一つの金属箱へ無造作に入れているわけではありません。
機器の役割、電圧、保守作業、発熱、絶縁距離などを考慮し、複数の箱や区画に分けて配置されます。
構成は設備ごとに異なりますが、初心者は次の3つに分けると理解しやすいです。
- 受電・保護区画：高圧を受け、計量し、事故時に主回路を遮断する
- 変圧・高圧分岐区画：変圧器やコンデンサなどの高圧機器へ電気を分ける
- 低圧配電・計測区画：降圧後の電気をMCCBから各負荷へ配る
実際の配置では、重量のある変圧器やリアクトルは下部へ置かれ、高圧母線や開閉器は上部へ配置されることがあります。
電圧計、電流計、表示灯、操作スイッチなどは、扉を閉じた状態でも確認・操作できるように扉面へ取り付けられます。
また、高圧充電部への接近を防ぐため、保護板、仕切板、扉インターロックなどが設けられる場合があります。
内部配置はメーカーや受電方式、設備容量によって異なるため、実設備では単線結線図と銘板を確認してください。
受電・保護区画の構成機器
まず、電力会社側から入ってきた6600Vを受け入れる区画を見ていきましょう。
PAS：高圧気中負荷開閉器
PASは、需要家と電力会社の設備を区分するため、責任分界点付近の構内柱などに設置される開閉器です。
需要家内で地絡事故が発生したときは、SOG制御装置と連携してPASを開放し、事故設備を電力会社の配電線から切り離します。
PASはキュービクル内部ではなく、キュービクルへ入る手前に設置されることも多い機器です。
VCT・MOF：電力需給用計器用変成器
VCTは、高圧回路の電圧と電流を計量できる値へ変換し、電力量計へ入力する機器です。
MOFと呼ばれることもあり、電力会社が需要家の使用電力量を計量するために使用します。
DS：断路器
DSは、点検や機器交換のために、回路を電源から確実に切り離す機器です。
DSには負荷電流や短絡電流を遮断する能力がないため、電流が流れている状態で開閉してはいけません。
VCB：真空遮断器
VCBは、過負荷や短絡などの事故電流を遮断できる高圧遮断器です。
ただし、VCB自身が事故の種類を判断しているわけではありません。
CTから電流を受けるOCRや、ZCT・ZPDから信号を受けるDGRなどの保護継電器が事故を検出し、VCBへ遮断命令を出します。
つまり、保護継電器が事故を見つけ、VCBが実際に電流を遮断するという役割分担です。
CT・VT：計器用変成器
CTは高圧回路の大きな電流を、電流計や保護継電器で扱える電流へ変換する変流器です。
VTは高い電圧を、電圧計や保護継電器で扱える電圧へ変換する計器用変圧器です。
CTとVTは、計測と保護のための情報を取り出す機器と考えると分かりやすいです。
変圧・低圧配電区画の構成機器
LBS：高圧交流負荷開閉器
LBSは、変圧器や高圧進相コンデンサなどの高圧分岐回路を開閉する機器です。
限流ヒューズと組み合わせることで、変圧器などの過負荷・短絡保護にも使用されます。
LBSが負荷電流を開閉し、大きな短絡電流は限流ヒューズが溶断して遮断します。
変圧器
変圧器は、受電した6600Vを、施設で使用する100Vや200Vなどへ降圧する機器です。
一般的には、照明やコンセントへ供給する電灯用変圧器と、三相モーターなどへ供給する動力用変圧器が設置されます。
変圧器には油入形やモールド形などがあり、設置環境、防火条件、容量、保守性を考慮して選定します。
高圧カットアウト・PC
高圧カットアウトは、内部へヒューズを取り付け、比較的小容量の変圧器や高圧進相コンデンサを開閉・保護する機器です。
単線結線図では、PCやPCSと表記されることがあります。
進相コンデンサ・SCと直列リアクトル・SR
進相コンデンサは、モーターや変圧器などによって低下する力率を改善するための機器です。
直列リアクトルは進相コンデンサと直列に接続し、高調波の拡大やコンデンサ投入時の突入電流を抑える役割を持っています。
MCCB：配線用遮断器
MCCBは、変圧器で降圧したあとの低圧回路を、動力盤、分電盤、空調設備、照明などへ分けて供給する遮断器です。
低圧側で過電流や短絡が発生した場合は、その回路のMCCBが遮断して配線を保護します。
キュービクル内を電気が流れる順番
ここまでの構成機器を、電気が流れる順番に並べると次のようになります。
- 電力会社の配電線から6600Vを受電する
- PASを通り、需要家の高圧設備へ入る
- VCTで使用電力量を計量する
- VCBまたはLBS・限流ヒューズなどの主遮断装置を通る
- 高圧母線から変圧器やコンデンサ回路へ分岐する
- 変圧器で100Vや200Vへ降圧する
- MCCBから各分電盤や動力盤へ配電する
この順番は、キュービクルの単線結線図を読むときの基本にもなります。
PF・S形とCB形の違い
キュービクル式高圧受電設備は、主遮断装置の形式によって、PF・S形とCB形に分けられます。
PF・S形
PF・S形は、開閉器であるLBSなどと、高圧限流ヒューズを組み合わせた方式です。
負荷電流は開閉器が開閉し、短絡事故では限流ヒューズが溶断して事故電流を遮断します。
日本電気技術者協会の解説では、JISキュービクルにおけるPF・S形の設備容量は、変圧器容量の合計で300kVA以下とされています。
CB形
CB形は、主遮断装置にVCBなどの遮断器を使用する方式です。
過負荷や短絡はOCR、地絡はGRやDGRなどが検出し、VCBへ遮断命令を出します。
同じ解説では、JISキュービクルにおけるCB形の設備容量は、変圧器容量の合計で4000kVA以下とされています。
実際の受電方式は容量だけで決めるものではありません。
受電条件、短絡容量、保護協調、保守性、将来の増設、電力会社との協議内容などを含めて設計します。
事故が発生したときの保護動作
地絡事故
地絡事故とは、高圧電路が大地や接地された金属部分へ接触し、電流が大地へ流れる事故です。
PAS・SOG方式では、PASに内蔵されたZCTが零相電流を、ZPDが零相電圧を検出します。その信号をSOG制御装置が受け、構内側の地絡と判定するとPASを開放します。
CB方式では、キュービクル内のZCTとZPDからDGRへ零相電流と零相電圧を入力します。DGRは両者の位相関係から地絡方向を判定し、構内側の地絡であればVCBへ遮断命令を出します。
ZCTは3相の高圧ケーブルを一括して貫通させる機器です。一方、一般的な屋内用ZPDは、各相に接続する3個の碍子形検出用コンデンサと、零相電圧変換器で構成されます。
過負荷・短絡事故
過負荷や短絡によって大きな電流が流れると、CTを通してOCRへ電流情報が入力されます。
電流がOCRの整定値と動作時間を超えると、OCRがVCBへ遮断命令を出します。
PF・S形では、大きな短絡電流を限流ヒューズが溶断して遮断します。
キュービクルのメリット
- 高圧充電部を接地された金属箱へ収納できる
- 開放形の受電設備より設置面積を小さくしやすい
- 工場で組み立てて現地へ搬入できるため、現地工事を減らしやすい
- 屋外、屋上、駐車場など、条件に応じた場所へ設置できる
- 受電、保護、変圧、配電の機器を一体的に保守できる
一方で、箱の内部へ機器をまとめるため、増設スペースや放熱、浸水、結露、小動物の侵入などを考慮する必要があります。
点検・取り扱いの注意点
キュービクルは扉を閉じていても、内部に6600Vの高圧充電部があります。
扉を開けて内部へ立ち入ることや、機器へ触れることは、感電やアーク事故につながる非常に危険な行為です。
点検や操作は、電気主任技術者、電気管理技術者、電気保安法人、専門業者などの管理のもとで実施します。
屋外キュービクルでは、雨水、結露、塩害、粉じん、腐食、鳥獣や小動物の侵入などによって絶縁性能が低下する場合があります。
定期点検では、外観、異音、異臭、温度、汚損、腐食、端子の緩み、絶縁抵抗、接地、保護継電器、遮断器の連動などを確認します。
また、設備を増設するときは、変圧器容量だけでなく、主遮断装置、母線、ケーブル、MCCB、設置スペース、換気、保護協調まで確認する必要があります。
キュービクルを一言でいうと
キュービクルを一言でいうと、6600Vの電気を安全に受電し、事故から保護し、100V・200Vへ変圧して施設へ配るための機器を金属箱へまとめた設備です。
内部には多くの機器がありますが、受電、保護、計測、変圧、配電の5つへ分けると整理しやすくなります。
まとめ
- キュービクルの正式名称は、キュービクル式高圧受電設備である。
- 変圧器だけでなく、開閉器、遮断器、保護継電器、計器、MCCBなどを収納している。
- 6600Vを受電し、変圧器で100Vや200Vへ降圧して各負荷へ配電する。
- 受電・保護、変圧・高圧分岐、低圧配電・計測の区画に分けると理解しやすい。
- PF・S形は開閉器と限流ヒューズ、CB形はVCBと保護継電器を中心に保護する。
- 高圧充電部があるため、内部の点検・操作は専門家の管理下で行う。
以上が、キュービクル式高圧受電設備の基本的な構造と構成機器になります。
参考文献・サイト
- 公益社団法人 日本電気技術者協会「高圧自家用受電設備の保護について」
高圧自家用受電設備の保護について | 音声付き電気技術解説講座 | 公益社団法人 日本電気技術者協会公益社団法人 電気技術者協会 本部が運営している、音声付き電気技術解説講座です。電気技術者の技術力と資質の向上をサポートします。jeea.or.jp - 一般社団法人 日本電気協会 中部支部「キュービクル式高圧受電設備の概要」
キュービクル式高圧受電設備の概要 | （一社）日本電気協会 中部支部キュービクル式高圧受電設備の概要についてご紹介します。一般社団法人 日本電気協会 中部支部WEBサイト。www.chubudenkikyokai.com - 一般社団法人 日本電機工業会「屋外用キュービクル式高圧受電設備を安全にお使いいただくために」
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屋外用キュービクル式高圧受電設備を安全にお使いいただくために | JEMA 一般社団法人 日本電機工業会一般社団法人 日本電機工業会（JEMA）は日本の電機産業の国際競争力を強化し、社会・生活インフラの改善と向上を図り、持続可能な世界の進展に貢献するために持続的発展のための施策立案・推進をはじめ、国レベルの技術研究開発への協力・支援、エネルギ...www.jema-net.or.jp - 一般社団法人 日本配電制御システム工業会「配電盤の概要」
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キュービクルとは？導入のメリットや注意点を紹介 - Technology Geeks（株式会社ダイヘン）ビルの駐車場や屋上に設置され、電圧を変換する機器であるキュービクルについて、その役割や導入のメリット・注意点を解説します。www.daihen.co.jp
