配電方式（単相2線式〜三相4線式）

配電方式の違いは、電線の本数と、中性線（基準となる0V側の電線）を持つかどうかで整理すると 見通しがよくなる。

単相2線式 — 最も単純な、電線2本の方式

電源側の2本の電線（行きと帰り）だけで負荷に電力を送る、最も基本的な方式。一般的な家庭用の 100V照明・コンセント回路に使われる。構造は単純だが、大きな電力を送ろうとすると電流が増え、 太い電線が必要になるという弱点がある。

単相3線式 — 中性線を挟んで、100Vと200Vを同時に取り出す

2つの100V回路を、1本の中性線（N線）を共有する形でまとめた方式。外側の2本の電線（L1・L2） の間からは200V、それぞれの電線と中性線の間からは100Vが取り出せる。家庭の分電盤で、 照明・コンセントは100V、エアコンは200Vという使い分けができるのはこの方式のおかげだ。

平衡負荷（L1側とL2側の電流が等しい状態）では、中性線に流れる電流は理論上0Aになる。 しかし実際の負荷は完全には平衡しないため、中性線にはL1とL2の電流の差が流れる。

なぜ単相3線式は電線材料を節約できるのか

単相2線式で100V・2000Wを送るには、電流 $I_1 = 2000/100 = 20$A が、往復2本の電線に流れる。

これを単相3線式で、同じ2000Wを2つの100V回路に均等に分けて送ると、1回路あたりの電流は $I_3 = 1000/100 = 10$A に半減する（平衡負荷なら中性線の電流は0A）。

線路損失は電流の2乗に比例する（$W = I^2 r$）ため、電流が半分になれば、同じ損失に収める うえで許容できる抵抗（＝電線の断面積の逆数に比例）は4倍まで広げられる。つまり、 必要な断面積は単純な半分ではなく、1/4で済む。

中性線を電圧線と同じ太さと仮定しても、単相3線式に必要な電線材料の総量は、 単相2線式のわずか37.5% で済む計算になる。

三相3線式・三相4線式 — 中性線の有無で用途が変わる

三相3線式は、3本の電線だけで構成され、中性線を持たない。モーターなどの動力設備に多い 200V配電の標準的な方式だ。

三相4線式は、この3本に中性線を1本加えた方式。相線と中性線の間から単相負荷を、3本の相線 からは三相負荷を、同じ配電系統から取り出せる。単相・三相の負荷が混在する需要家に、 1系統の配電でまとめて対応できるのが最大の利点だ。

なぜ中性線の断線（欠相）が危険なのか

単相3線式は便利な反面、中性線が断線（欠相）すると危険な状態になる。中性線が切れると、 L1側とL2側の2つの負荷は、線間電圧（200V）の区間に直列に接続された状態になる。

これは、直流回路の分圧の法則で見た「大きい抵抗ほど多くの電圧を受け持つ」という関係と まったく同じ構造だ。消費電力の小さい（＝抵抗が大きい）側の負荷ほど、より多くの電圧を 受け持つことになり、定格電圧を超える過電圧にさらされる。逆に消費電力の大きい側は電圧が 下がる。「軽い負荷のほうが安全なはず」という直感とは逆に、軽負荷側が過電圧で壊れる という点が、この事故の見落とされやすいところだ。

電材商社として配電方式を扱う実務では、単相3線式の中性線の健全性（欠相の有無）を確認する ことが、需要家設備を守るうえで軽視できないポイントになる。

バランサ — 単相3線式の不平衡電流を均等化する

中性線の欠相が「不平衡負荷が引き起こす事故」だったのに対し、バランサは、その不平衡 そのものを軽減するために線路の末端（負荷側）に接続する平衡装置だ。1:1の巻線比を持つ 小形の変圧器のような構造をしており、外側の2本の電圧線間に接続し、その中間点を中性線に つなぐ。

L1側とL2側の負荷電流が異なる（不平衡な）状態でバランサを接続すると、バランサの巻線が 両側の電流差を埋め合わせるように働き、電源側から見た2本の電圧線の電流はそれぞれL1・L2 電流の平均値にそろい、中性線に流れる不平衡電流はほぼ0に近づく。このときバランサの巻線 自体に流れる電流は、L1・L2の電流差の半分（$|I_1-I_2|/2$）にあたる。

例題

L1側に40A、L2側に24A（いずれも力率100%）の不平衡負荷が接続された単相3線式線路に、 バランサを接続する。

バランサの巻線に流れる電流は、

接続後、電源側の2本の電圧線にはそれぞれ平均値 $(40+24)/2=32$A が流れる。電圧線・中性線の 抵抗をいずれも0.25Ωとすると、線路損失（バランサ自体の損失は除く）は次のように変化する。

不平衡電流が均等化された分だけ中性線の電流が減り、線路損失も608Wから512Wへ、96W 減少する。

配電系統の構成 — 放射状方式とループ方式

ここまで見てきた単相2線式・単相3線式・三相3線式・三相4線式は、1本の配電線の中の電線の 構成の話だった。これとは別の視点として、変電所から需要家まで配電線路全体をどうつなぐか という系統構成にも、代表的な2つの方式がある。

放射状方式（樹枝状方式）は、配電用変電所を根元にして、木の枝のように分岐しながら末端の 需要家まで電気を送る、最も単純な構成だ。線路がシンプルな分、建設費は安く済む。ただし、 途中の区間で事故が起きると、その先（末端側）は電気の供給元を失い、まとめて停電してしまう。

ループ方式（環状方式）は、線路の末端同士を結合開閉器でつなぎ、環状（ループ）に 構成する方式だ。事故が起きた区間だけを両側の開閉器で切り離せば、残りの区間は反対方向からの 迂回路で電力供給を続けられる。停電範囲を事故区間だけに絞れるため信頼度は高いが、線路や 開閉器の数が増える分、放射状方式より建設費はかさむ。負荷密度の高い都市部など、停電の 影響が大きい地域で採用されやすい。

低圧配電系統の構成 — もう一段細かい「低圧幹線をどう引き出すか」の話

前節の放射状方式・ループ方式は、変電所から需要家までの配電線路全体（主に高圧側）を どうつなぐかという話だった。これとは別に、配電用変電所（または配電用変圧器）の 二次側から、低圧幹線をどう引き出すかという、もう一段細かい粒度の分類がある。

• 放射状方式：配電用変電所（配電用変圧器）ごとに低圧幹線を1本引き出す、最も 単純な構成。構成が簡単で保守が容易なため、日本国内で最も広く採用されている。
• バンキング方式：同一の特別高圧・高圧幹線に接続された2台以上の配電用変圧器の 二次側を、低圧幹線で並列に接続する構成。電圧降下を抑えつつ電力損失を減らし、 需要の増加にも融通性をもって対応できる。
• 低圧ネットワーク方式：複数の特別高圧・高圧幹線から、ネットワーク変圧器・ ネットワークプロテクタを通じて低圧幹線に供給する構成。特別高圧・高圧幹線側が 1回線停電しても、低圧側の需要家には無停電で供給を続けられる、最も信頼度の高い 方式で、大都市中心部で実用化されている。

バンキング方式は複数台の変圧器を並列接続することで信頼度・融通性を高める構成だが、 弱点もある。低圧側に事故が生じて1台の変圧器が使用できなくなると、残りの変圧器に 負荷が集中して過負荷になり、ヒューズが次々と連鎖的に溶断して広範囲に停電を引き起こす おそれがある。この現象をカスケーディングと呼ぶ。

カスケーディングを防ぐには、変圧器どうしを連系する箇所に設ける区分ヒューズの 動作時間が、各変圧器の一次側に設けられる高圧カットアウトヒューズの動作時間より 短くなるよう保護協調をとる必要がある。区分ヒューズを先に溶断させて故障の影響を 連系区間の中だけに閉じ込めれば、健全な変圧器側への過負荷の連鎖を止められる。

スポットネットワーク方式 — 都心の高層ビル・大規模工場向けの、さらに信頼度の高い方式

放射状方式・ループ方式よりもさらに高い信頼度が求められる場面――負荷密度が極めて高い都心部の 高層ビルや、停電が許されない大規模工場の受電設備――には、スポットネットワーク方式という 配電方式が使われる。

スポットネットワーク方式は、特別高圧地中配電系統（22kVまたは33kV）から2回線以上で受電する 方式だ。特別高圧側から需要家側へ向かって、ネットワーク変圧器→プロテクタヒューズ→プロテクタ 遮断器→ネットワーク母線、という順に機器が並ぶ構成が一般的で、複数系統の受電回線をネットワーク 母線で並列に接続する。

このとき鍵になるのがプロテクタ遮断器（および直列に組み合わせるプロテクタヒューズ）だ。 特別高圧側の1回線で事故が起きても、プロテクタ遮断器がその回線だけを自動的にネットワーク母線 から切り離すため、残りの健全な回線からの受電を継続でき、需要家側は停電を経験しない。

地中配電線路と架空配電線路の得失 — 何と引き換えに景観・信頼性を得るのか

ここまで見てきたスポットネットワーク方式は地中配電系統を前提にした方式だったが、そもそも 地中配電線路と、鉄塔・電柱に電線を張る架空配電線路を比べたとき、双方にどんな 得失があるのかを整理しておこう。

地中配電線路の最大の利点は、電柱・電線が地上から見えなくなることによる都市の景観向上 と、台風などの自然災害時や、車両・樹木などが電線に接触する他物接触による事故が少ない点 にある。地上の視界を電線が遮らず、強風で電線が切れる・電柱が倒れるといった事故のリスクも 架空配電線路より小さい。

一方で、地中配電線路には見過ごせない欠点もある。ケーブルを地中に埋設するための掘削工事 を要するため、架空配電線路と比べて建設費が高額になり、工期も長くなりやすい。また、 一度埋設した後に需要が増加しても、追加の掘削工事なしに設備を増強することは容易ではない。 さらに、地中送電線路の性質（本トピックの姉妹トピックで見た内容）と同じく、地中配電線路は 導体間の距離が近く対地静電容量が架空配電線路より大きいため、無負荷・軽負荷時に受電端 電圧が送電端電圧を上回るフェランチ効果の影響を受けやすい。

配電線路の開閉器類 — どこで何を切り離すか

配電線路には、事故時や作業時に電気を安全に切り離すための開閉器類が、線路のあちこちに 設置されている。役割ごとに整理すると次のようになる。

• 柱上開閉器：配電線路の途中に設置され、事故時や作業時にその区間だけを切り離す 区分開閉器。気中形・真空形・ガス形などの種類があり、手動操作による手動式と、 制御器による自動式がある。前節で見たループ方式の結合開閉器も、この柱上開閉器の一種だ。
• 高圧カットアウト：柱上変圧器の一次側に設置される開閉器。内蔵する高圧ヒューズが、 変圧器の過負荷時や内部短絡故障時、雷サージなどによる短時間大電流の通過時に溶断し、 変圧器そのものを保護する。
• パッドマウント変圧器：地中配電系統で使われる、変圧器と開閉器などの機器を一体の 金属製箱の中に収めた機器。地上に設置しながら、内部の機器を保護しつつコンパクトに まとめられる構成になっている。

冒頭の「電線の本数がなぜ違うのか」の答え合わせは、理解度チェックの最後の問題でしてみよう。