第一種電工 電気の基礎理論 問42：電気の基礎理論

令和3年度（午前）第一種電気工事士 問13（電気の基礎理論）。正答はア「過大電圧に伴う電流を大地へ分流することによって過大電圧を制限する」装置。これは避雷器（LA：Lightning Arrester）の動作説明。雷などによる異常電圧が侵入すると、避雷器内部の素子（ZnO：酸化亜鉛バリスタ）が導通して過大電流を大地に逃がし、機器を保護する。イ（強制切り離し）はPAS・VCBの動作。ウ（限流ヒューズ溶断）はPF付LBSの動作。正答はア（避雷器）。

令和3年度（午前）第一種電気工事士 問13（電気の基礎理論）。正答はア（避雷器LAの動作説明）。高圧受電設備の保護機器の動作原理を問う問題。

【各選択肢の機器と動作原理】

ア（正答）：避雷器（LA：Lightning Arrester）の動作

「過大電圧に伴う電流を大地へ分流することによって過大電圧を制限する」

→ ZnO素子が異常電圧（雷サージ）を検知して非線形抵抗特性で導通・過大電流を大地に逃がし、

　保護すべき機器への印加電圧を制限電圧以下に抑える。

イ：PAS（高圧気中負荷開閉器）またはVCBの動作説明と推定

「過大電圧が侵入した相を強制的に切り離し回路を正常に保つ」

→ 地絡・短絡時に電路を開放する開閉器の動作。LAのように「大地に分流」はしない。

ウ：PF付LBS（限流ヒューズ付高圧負荷開閉器）の動作

「内部の限流ヒューズが溶断して保護すべき電気機器を電源から切り離す」

→ 短絡電流（大電流）時に限流ヒューズが溶断しストライカが突出→LBSトリップの連動動作。

エ：VCB（真空遮断器）の形式名称のみ・動作説明ではない

正答はア（避雷器の動作説明）。

令和3年度（午前）第一種電気工事士 問13（電気の基礎理論）は正答ア（避雷器LAの動作原理）。高圧受電設備で使用される保護機器（LA・PAS・PF付LBS・VCB）の動作原理を正確に区別する問題。

【避雷器（LA）の動作原理（詳細）】

①ZnO（酸化亜鉛）バリスタ素子の非線形特性：

　通常電圧時：高抵抗（絶縁状態に近い）→ 定格電流（漏れ電流mA以下）のみ

　サージ電圧時：急激に低抵抗化（非線形特性：I=k×V^α、α>>1）→ 過大電流を大地へ

②続流遮断（アーク消弧）：

　ZnO素子はシリコンカーバイド（SiC）に比べて続流を実質ゼロに抑制できる優れた特性を持つ。

　避雷器のJIS規格（JIS C 5381-1）で「残留電圧」「動作開始電圧」「耐久性」が規定。

③定格電圧と制限電圧：

　定格電圧：系統公称電圧に基づく（6kV系：6kV相当のLAを選定）

　制限電圧：サージ電流1000A流れたときの端子間電圧（変圧器BIL以下に設定が必須）

【高圧受電設備の保護機器の役割分担】

機器 | 保護対象 | 動作トリガー | 動作後の状態

LA（避雷器）| 雷サージ・開閉サージ | 異常電圧 | 続流遮断後→自動復帰（再使用可）

PAS（高圧気中負荷開閉器）| 一般負荷・フィーダー | 地絡電流（GR・SOG） | 開放状態（手動復帰）

PF付LBS（限流ヒューズ付LBS）| 変圧器・コンデンサ | 短絡電流（ヒューズ溶断） | ヒューズ交換後→復帰

VCB（真空遮断器）| 幹線・母線 | 過電流・短絡（OCR・DGR） | 手動または自動トリップ後復帰

【保護協調の考え方】

高圧受電設備では、故障の種類に応じて上記機器が適切に動作する「保護協調」が必須：

・雷サージ → LA が最初に動作（瞬間的・他機器に影響しない）

・地絡故障 → ZCT+GRまたはSOGでPASがトリップ（フィーダー全体の停電を防ぐ）

・変圧器短絡 → PF付LBSのヒューズが溶断（変圧器を電源から切り離す）

・主回路短絡 → VCB/OCRが動作（上位保護まで波及させない）

【第二種電気工事士との差異】

第二種では避雷器（LA）の「目的（雷保護）」と「設置場所（受電点）」を問うが、動作原理（ZnO素子の非線形特性・制限電圧の概念）は第一種の範囲。第一種では保護機器の動作原理・保護協調・定格電圧選定まで問われる。

【電験三種への接続】

電験三種「電力」では避雷器の制限電圧と変圧器の基準絶縁レベル（BIL：Basic Insulation Level）の協調計算が出題される。「法規」では避雷器の設置義務（電技解釈第37条：高圧または特別高圧の架空電線路から供給を受ける需要家は受電点に避雷器を施設）と設置免除条件が問われる。第一種電気工事士の「動作原理の理解」が電験三種では「BIL協調と電技法規」として発展する。