第一種電工 電気の基礎理論 問51：電気の基礎理論

令和3年度（午後）第一種電気工事士 問31（電気の基礎理論）。選択肢がコンデンサリアクタンスの3%・6%・18%・30%で、正答はイ（6%）。これは高圧進相コンデンサ設備に接続する直列リアクトルの標準容量に関する問題。直列リアクトルはコンデンサのリアクタンスに対して6%相当のインピーダンスを持ち、第5次高調波（250Hz）の流入防止と突入電流抑制に使用される。内線規程・高圧受電設備規程でも6%直列リアクトルが標準仕様として規定されている。正答はイ（6%）。

令和3年度（午後）第一種電気工事士 問31（電気の基礎理論）。正答はイ（コンデンサリアクタンスの6%）。高圧進相コンデンサに接続する直列リアクトルの標準比率を問う問題。

【直列リアクトルの役割と標準比率】

高圧進相コンデンサ（SC）に直列に接続するリアクトル（SR）の目的：

①高調波電流の流入防止（主目的）

②コンデンサへの突入電流抑制

【6%リアクトルの意味】

コンデンサのリアクタンス X_C に対して、リアクトルのリアクタンス X_L = 0.06×X_C（6%）

直列共振周波数：f_r = f₀/√(X_L/X_C) = 50/√0.06 ≈ 204Hz（50Hzの約4倍）

→ 第5次高調波（250Hz）よりも低い共振周波数に設定

→ 250Hz以上の高調波は直列リアクタンスが優位になり、コンデンサ回路に流れにくくなる

【選択肢3%・18%・30%の意味】

3%：小さすぎて高調波抑制効果が不十分（一部の小容量設備で使用される例もある）

6%：正答・標準仕様（JEC-2470規定・高圧受電設備規程標準）

13%：第3次高調波（150Hz）まで抑制したい場合（13%リアクトル・歪み率が大きい環境）

18%・30%：過大（リアクタンスが大きすぎて力率改善効果が減少・非標準値）

正答はイ（コンデンサリアクタンスの6%）。

令和3年度（午後）第一種電気工事士 問31（電気の基礎理論）は正答イ（コンデンサリアクタンスの6%）。高圧進相コンデンサ設備の直列リアクトル標準比率6%の根拠と設計原理を詳細に解説する。

【直列リアクトルの設計原理（6%の根拠）】

①直列共振周波数の計算：

X_L = 0.06×X_C（6%リアクトル）

コンデンサの基本周波数（50Hz）でのリアクタンス：X_C = 1/(ω₁C)

リアクトルのリアクタンス：X_L = ω₁L = 0.06×X_C

直列共振角周波数：ω_r = 1/√(LC)

X_L/X_C = ω_r²L×ω₁C = (ω_r/ω₁)² = 0.06

→ ω_r/ω₁ = √0.06 ≈ 0.245（基本波の約1/4の角速度で共振）

→ 共振周波数：f_r = 50×√(1/0.06) ≈ 50×4.08 ≈ 204Hz

②第5次高調波（250Hz）との関係：

250Hz > 204Hz（直列共振周波数）

→ 250Hz（5次）以上の高調波に対して回路は誘導性に見える（X_L₅>X_C₅）

→ コンデンサ回路に高調波が流入しにくくなる（高調波電流をリアクトルで制限）

③6%リアクトルを用いた場合の実効的な電力損失：

基本波（50Hz）での合成リアクタンス：X_合成=X_L-X_C=0.06×X_C-X_C=-0.94×X_C

→ 基本波では容量性（X_C）が優位で力率改善効果を保つ（0.94倍）

【13%リアクトルの使用場面】

第3次高調波（150Hz）が問題になる環境（特定の変換装置・弧光炉・直流電鉄）では：

X_L = 0.13×X_C

共振周波数：f_r = 50/√0.13 ≈ 138Hz（第3次150Hzより下に設定）

→ 3次・5次高調波を同時に抑制可能

ただし13%リアクトルは基本波での力率改善効果が0.87倍に低下するため、設置環境を慎重に評価する必要がある。

【高圧受電設備での進相コンデンサ設備の構成】

設備構成（標準）：

VCB（真空遮断器）→ SC（高圧進相コンデンサ）← 直列接続 → SR（直列リアクトル）→ 大地

放電コイル（DC）：コンデンサの残留電荷を急速放電（5秒以内で50V以下）するために接続

保護リレー：過電圧継電器（OVR）・過電流継電器（OCR）

【第二種電気工事士との差異】

第二種では低圧進相コンデンサ（単相・三相）の取付方法（負荷に並列・分散補償）が主。直列リアクトルの概念は第二種の範囲外。第一種では高圧進相コンデンサ設備の設計（容量選定・直列リアクトル比率・保護継電器整定）が要求される。「6%リアクトル」は第一種電気工事士の試験・実務で最も重要な高圧設備の知識の一つ。

【電験三種への接続】

電験三種「機械」では電力変換装置（整流器・インバータ）から発生する高調波と高調波抑制対策（受動フィルタ・能動フィルタ）が出題される。「電力」では系統の高調波対策（電力品質・高調波ガイドライン・カスタマー設備の高調波流出限度値）が問われる。電験三種「理論」では直列共振・並列共振の数学的厳密解析が必須。第一種電気工事士の「6%リアクトル=204Hz共振」が、電験三種では「高調波フィルタの設計（Lとの最適化）」として発展する。