単巻変圧器と計器用変成器（VT・CT）を図解で解説【電験三種 機械】
1つの巻線で変圧する！そして高電圧・大電流を安全に測定する方法！
よっしゃ！第24講、いよいよ変圧器シリーズも終盤や！
前回は並行運転の条件や負荷分担の計算を学んだな。今回のテーマは「特殊な変圧器たち」やで。具体的には単巻変圧器（たんまきへんあつき）と計器用変成器（けいきようへんせいき）の2つを扱うで。
単巻変圧器は「オートトランス」とも呼ばれてて、普通の変圧器とはちょっと違う構造をしてるんや。そして計器用変成器は、高電圧や大電流を安全に測定するための装置で、VT（計器用変圧器）とCT（変流器）の2種類があるんやで。
どちらも電験三種で頻出のテーマや。特にCTの「二次側開放禁止」は超有名な出題ポイントやから、しっかり理由まで理解していこな！
📚 この講座で学ぶこと
⚡ 単巻変圧器の構造と原理（直列巻線・分路巻線）
⚡ 自己容量と負荷容量の関係と計算
⚡ 単巻変圧器のメリット・デメリット
⚡ 計器用変圧器（VT）の原理と使い方
⚡ 変流器（CT）の原理と二次側開放禁止の理由
まず最初は単巻変圧器（オートトランス）から見ていくで。
普通の変圧器（二巻線変圧器）は、一次巻線と二次巻線が完全に別々の巻線になっていて、電気的には絶縁されてたよな。一次側と二次側は磁気的には結合してるけど、電気的にはつながってないんやった。
ところが単巻変圧器は、名前の通り「1つの巻線」だけで変圧を行うんや。1本の巻線の途中にタップ（接続点）を出して、そのタップの位置で電圧を分けるイメージやで。
図の右側が単巻変圧器や。1本の巻線の途中にタップを設けて、上の部分を直列巻線（せりーす巻線）、下の部分を分路巻線（ぶんろ巻線、コモン巻線）と呼ぶんや。
ポイントは、一次側と二次側が電気的につながっていることや。普通の変圧器は磁気結合だけやったけど、単巻変圧器は巻線の一部を共有してるから、電気的にもつながってるんやで。
💡 たとえるなら、普通の変圧器は「2本の独立した水路で水車を回す」イメージ。単巻変圧器は「1本の水路の途中から分岐させる」イメージやな。水路（巻線）の一部を共有してるから、材料が少なくて済むんや。
単巻変圧器で一番大事な概念が「自己容量」と「負荷容量」やで。ここが電験の最重要ポイントや！
まず用語を整理するで。
📌 2つの容量の違い
⚡ 負荷容量 \( P_L \)：変圧器が実際に負荷に供給する電力（見かけの容量）
⚡ 自己容量 \( P_S \)：巻線を通じて電磁的に変換される電力（変圧器としての実質的な容量）
「えっ、この2つ違うの？」って思うやろ。ここが単巻変圧器のミソなんや。
普通の変圧器では、負荷に送る電力はすべて電磁誘導で一次側から二次側に変換されるから、自己容量＝負荷容量やった。でも単巻変圧器は巻線の一部を共有してるから、電力の一部は巻線を通って直接流れる（電磁変換を経ずに）んや。
降圧用の単巻変圧器で考えてみるで。一次電圧を \( V_1 \)、二次電圧を \( V_2 \)（\( V_1 > V_2 \)）、巻数比を \( a = V_1 / V_2 \) とすると：
ここから、自己容量と負荷容量の比が導けるんや。
これが何を意味するかというと、単巻変圧器は実際の変圧器容量（自己容量）より大きな負荷に電力を供給できるということや！巻数比 \( a \) が1に近いほど（つまり一次と二次の電圧差が小さいほど）、この効果は大きくなるんやで。
📊 巻数比による容量比の変化
⚡ \( a = 2 \)（電圧半分に降圧）→ \( P_S / P_L = 1/2 \)（自己容量は負荷容量の50%）
⚡ \( a = 1.1 \)（電圧を約9%降圧）→ \( P_S / P_L = 1/11 \)（自己容量は負荷容量のわずか9.1%！）
巻数比が1に近い場合、ものすごく小さな変圧器で大きな負荷を賄えるんや。これが単巻変圧器の最大のメリットやで！
ほな、具体的な数値で確認してみよか。
💡 例題：一次電圧 \( V_1 = 6600 \) V、二次電圧 \( V_2 = 6000 \) V の降圧用単巻変圧器で、負荷に 110 kVA を供給しているとき、自己容量を求めよ。
【解き方】
まず巻数比を求めるで。
次に、容量比の公式を使うで。
したがって自己容量は：
なんと！負荷容量110kVAに対して、変圧器の実質的な容量はたったの10kVAで済むんや。もし普通の変圧器なら110kVAの容量が必要やけど、単巻変圧器なら10kVAで同じ仕事ができるんやで。
これが単巻変圧器の経済的な優位性や。巻数比が1に近いほど（一次と二次の電圧差が小さいほど）、銅の使用量が少なく、小型・軽量・低コスト・高効率になるんや。
ほな、ここまでの理解を問題で確認してみよか！
ほな、第1問や！単巻変圧器の基本をしっかり理解できてるか確認するで。
単巻変圧器が普通の変圧器（二巻線変圧器）と異なる最大の構造的特徴はどれか。
大丈夫やで、もう一回整理しよか。
普通の変圧器は一次巻線と二次巻線が別々の巻線で、電気的に絶縁されてたな。一方、単巻変圧器は1つの巻線の途中にタップを出して、巻線の一部を一次と二次で共有してるんや。
「単巻」の「単」は「1つの巻線」っていう意味やで。①は普通の変圧器の特徴やし、③の空心コイルは変圧器には使わへん（鉄心が必要や）。
単巻変圧器の「単巻」とは何を意味するか。
よう分かってるな！ほな発展問題いくで。
単巻変圧器が普通の変圧器に比べて、同じ負荷容量を供給する場合の利点として正しいのはどれか。
単巻変圧器のメリットとデメリットを整理するで。これは電験でも選択肢の正誤判断で問われるポイントや。
✅ 単巻変圧器のメリット
⚡ 小型・軽量：自己容量が負荷容量より小さいので巻線が少なくて済む
⚡ 銅の使用量が少ない：巻線の一部を共有するため経済的
⚡ 効率が高い：銅損が小さくなり、電圧変動率も小さい
⚡ 巻数比が1に近いほど有利：経済性がさらに向上
❌ 単巻変圧器のデメリット
⚡ 一次と二次が電気的に絶縁されていない：高圧側の異常電圧が低圧側に直接伝わる危険
⚡ 巻数比が大きいと経済性が低下：普通の変圧器と差がなくなる
⚡ 高圧・低圧間の変圧には不適：安全上の理由から使えない
特に「一次と二次が電気的に絶縁されていない」というデメリットは超重要やで。たとえば6,600Vと100Vのように電圧差が大きい場合、もし単巻変圧器を使ったら、高圧側の異常電圧がそのまま低圧側に伝わって、感電や機器破損の原因になるんや。
せやから単巻変圧器は、電圧差が小さい場合（例：6,600Vと6,000V、220Vと200Vなど）に使われるのが一般的やで。具体的には、始動補償器（電動機の始動電圧を下げる装置）や、電圧調整器（スライダック）なんかに使われてるんや。
単巻変圧器がどこで使われてるか、具体例を見てみよか。
📌 単巻変圧器の主な用途
⚡ 始動補償器：かご形誘導電動機の始動時に電圧を下げて始動電流を抑制
⚡ 電圧調整器（スライダック）：タップを連続的に移動させて出力電圧を調整
⚡ 送電系統の電圧調整：154kVと187kVなど、近い電圧間の変圧
⚡ 三相変圧器のΔ結線の第三高調波対策：安定巻線として使用
特に始動補償器は電験で頻出やで。誘導機の講座でも出てきたかもしれんけど、始動時に電圧を一時的に下げることで、始動電流を\( 1/a^2 \)倍に抑える方法やな。
あと、スライダック（摺動変圧器）は実験室なんかでよう見かけるで。つまみを回すとタップの位置が変わって、0V〜最大電圧まで自由に調整できる便利な装置や。これも構造的には単巻変圧器の一種なんや。
ほな、自己容量の計算問題にチャレンジしてみよか！
ほな、計算問題や！電験では必ず出る自己容量の計算やで。
一次電圧 6,600V、二次電圧 3,300V の降圧用単巻変圧器で、負荷に 100 kVA を供給しているとき、この変圧器の自己容量 [kVA] はいくらか。
大丈夫やで、一緒にやっていこか。
自己容量の計算は3ステップや。
① 巻数比を求める： \( a = V_1 / V_2 = 6600 / 3300 = 2 \)
② 容量比の公式： \( P_S / P_L = (a-1)/a = (2-1)/2 = 1/2 \)
③ 自己容量を求める： \( P_S = P_L \times 1/2 = 100 \times 1/2 = 50 \) kVA
つまり、自己容量は負荷容量の半分やったんや。③の100kVAは負荷容量そのもの（普通の変圧器なら必要な容量）やで。
単巻変圧器の「自己容量」とは何を表すか。
正解や！ほな、巻数比が1に近い場合も解いてみよか。
一次電圧 220V、二次電圧 200V の降圧用単巻変圧器で、負荷容量が 11 kVA のとき、自己容量 [kVA] はいくらか。
よっしゃ、ここからは後半のテーマ「計器用変成器」に入るで！
電力系統では、6,600Vとか154,000Vとか、とんでもない高電圧が使われてるよな。また、数百アンペアや数千アンペアの大電流も流れてる。
でもな、電圧計や電流計はそんな高電圧や大電流を直接測定できへんんや。計器が壊れるし、人間が触れる場所で高電圧を扱うのは危険すぎる。
そこで登場するのが計器用変成器やで。高電圧・大電流を安全な値に変換して、計器で測定できるようにする装置なんや。
📌 計器用変成器の2種類
⚡ VT（Voltage Transformer）= 計器用変圧器：高電圧 → 低電圧（標準110V）に変換
⚡ CT（Current Transformer）= 変流器：大電流 → 小電流（標準5A）に変換
VTは電圧を測るための変圧器で、PTとも呼ばれることがあるで。基本的な原理は普通の変圧器と同じや。高電圧の回路に並列に接続して、二次側に安全な低電圧（標準110V）を出力するんやで。
VTのポイントは3つや。
① 高圧回路に並列接続する（直列ではない！）
② 二次側の標準電圧は110V
③ 原理は普通の変圧器と同じ（\( V_1/V_2 = N_1/N_2 \)）
ほな、VTの理解を確認するで！
計器用変圧器（VT）の主な用途として正しいものはどれか。
大丈夫やで。VTとCTの役割を整理しよか。
VTの「V」はVoltage（電圧）のVや。つまり電圧を測定するための変圧器なんやで。高電圧を安全な低電圧（110V）に変換して、電圧計や電力計で測定できるようにするんや。
②の「大電流を小電流に変換」するのはCT（変流器）の仕事や。③の周波数安定は変圧器の仕事やないで。
VTの二次側の標準電圧は通常いくらか。
さすがや！ほな、VTの変圧比を計算してみよか。
VTで一次電圧 6,600V を測定する。二次側標準電圧を 110V とするとき、このVTの変圧比はいくらか。
次はCT（変流器、Current Transformer）やで。こっちはVTよりも注意点が多いから、しっかり理解してな。
CTは大電流を安全な小電流に変換して、電流計や保護継電器に供給する装置や。二次側の標準電流は5A（または1A）やで。
CTの原理は変圧器の電流比と同じや。
ここで最大のポイントは、CTの接続方法やで。
📌 VTとCTの接続方法の違い
⚡ VT：高圧回路に並列に接続（電圧を分圧するイメージ）
⚡ CT：高圧回路に直列に接続（電流を変換するイメージ）
CTは高圧回路に直列に挿入するんや。一次側に大電流が流れると、その電流に比例した小電流が二次側に流れる仕組みやで。例えば変流比200/5のCTなら、一次側に200A流れると二次側に5Aが流れるんや。
CTの基本を確認するで！
変流器（CT）の主な用途として正しいものはどれか。
大丈夫やで。CTの「C」はCurrent（電流）のCやで。
つまりCTは電流を変換するための変圧器なんや。大電流を安全に測定できる小電流（標準5A）に変換して、電流計や保護継電器に供給するのが仕事やで。
①の「高電圧を低電圧に変換」するのはVT（計器用変圧器）の仕事や。名前で覚えるとええで。VT = Voltage（電圧）、CT = Current（電流）。
CTの二次側定格電流として最も一般的な値はどれか。
さすがや！ほな計算問題いくで。
一次電流 200A、変流比 200/5 のCTの二次側に流れる電流 [A] はいくらか。
ここが今日の最重要ポイントやで！CTには「使用中に二次側を絶対に開放してはいけない」という鉄の掟があるんや。
これは電験三種で超頻出のテーマやから、理由までしっかり理解しような。
まず、CTとVTの動作の違いを理解することが大事や。
普通の変圧器やVTは電圧源として動作する。一次側に電圧をかけると二次側に電圧が出る。二次側を開放しても、単に電流が流れないだけで、特に問題ないんや。
ところがCTは電流源として動作する。一次側には電力系統の電流が常に流れ続けてるんや。CTの一次電流は系統の負荷で決まるから、二次側の状態とは関係なく一定に流れ続けるんやで。
⚠️ CTの二次側を開放すると何が起こるか
⚡ 一次電流は流れ続ける（系統の電流は止まらない）
⚡ 二次電流がゼロになるので、一次電流のすべてが励磁電流となる
⚡ 大きな励磁電流により鉄心が磁気飽和する
⚡ 磁束の急激な変化で二次側に異常高電圧が発生（数千V以上！）
⚡ 絶縁破壊、感電、鉄心の過熱、機器損傷の危険！
正常な使用時は、二次電流による起磁力 \( I_2 N_2 \) が一次電流の起磁力 \( I_1 N_1 \) とほぼ打ち消し合って、鉄心の磁束は小さく保たれてるんや。ところが二次側を開放すると \( I_2 = 0 \) になるから、一次電流の起磁力がそのまま鉄心を磁化して、磁気飽和を起こすんやで。
💡 たとえるなら、CTは「水力発電のダム」みたいなもんや。正常時は一次側（上流）と二次側（下流）で水がバランスよく流れてる。でも二次側のゲートを閉じたら（開放したら）、上流の水が全部ダムに溜まって決壊する（磁気飽和＋異常高電圧）んやで。
せやから、CTを回路から外す必要がある場合は、必ず先に二次側を短絡してから作業するんやで。二次側を短絡しておけば電流が流れ続けるから、異常な状態にはならへんのや。
最重要ポイントの確認問題や！
CTの使用中に絶対にやってはいけないことはどれか。
大丈夫やで。これは超重要ポイントやから、もう一回確認しよか。
CTの使用中に二次側を開放すると、一次電流がすべて励磁電流になって鉄心が磁気飽和する。その結果、二次側に異常な高電圧が発生して、絶縁破壊や感電の危険があるんや。
逆に、②の「二次側を短絡すること」は、CTを回路から外す際に必ず行うべき安全措置やで。短絡は「やってはいけない」どころか、むしろ「やらなあかん」ことなんや。
CTの二次側を開放すると何が起こるか。
さすがや！ほな、もう少し深掘りするで。
CTの二次側を開放すると鉄心が磁気飽和する理由として正しいのはどれか。
VTとCTの接続方法の違いを確認するで！
高電圧回路の電圧を測定するためにVTを接続する場合、VTの一次側はどのように接続するか。
大丈夫やで。VTとCTの接続方法は電圧計と電流計の接続方法と同じように考えるとええで。
電圧計は回路に並列に接続するやろ？せやからVTも並列接続や。VTは「電圧を測る」ための装置やから、電圧計と同じ接続方法なんや。
一方、電流計は回路に直列に接続する。せやからCTも直列接続やで。
CTを電力系統に接続する場合、一次側はどのように接続するか。
よう分かってるな！ほな、VTとCTを組み合わせた実践的な計算問題や。
VTの変圧比30（3,300V/110V）、CTの変流比20（100A/5A）を使って電力を測定したところ、電力計の読みが 500W であった。実際の電力 [kW] はいくらか。
ここで計器用変成器の重要ポイントを整理するで。電験で問われるポイントを一気にまとめるから、しっかり確認してな。
📌 VT（計器用変圧器）のまとめ
⚡ 高電圧を110Vに変換して電圧を測定
⚡ 測定回路に並列接続
⚡ 原理は普通の変圧器と同じ（\( V_1/V_2 = N_1/N_2 \)）
⚡ 二次側の開放は問題なし（無負荷状態になるだけ）
⚡ 二次側の一端を接地する（安全のため）
📌 CT（変流器）のまとめ
⚡ 大電流を5A（または1A）に変換して電流を測定
⚡ 測定回路に直列接続
⚡ 原理は \( I_1 N_1 = I_2 N_2 \)
⚡ 二次側の開放は絶対禁止！（異常高電圧が発生）
⚡ 取り外す場合は先に二次側を短絡してから
⚡ 二次側の一端を接地する（安全のため）
VTとCTの違いを表にまとめるとこうなるで。
この表は電験で何度も問われるポイントばかりやで。特にCTの二次側開放禁止とVTは並列、CTは直列は必ず覚えてな。
ほな、総合問題や！今日の内容を横断的にチェックするで。
次の記述のうち、誤っているものはどれか。
大丈夫やで。一つずつ確認していこか。
①は正しいで。巻数比 a が1に近いほど \( P_S/P_L = (a-1)/a \) が小さくなって経済的なんや。
②が誤りやで！CTの二次側開放は絶対禁止や。異常高電圧が発生して、絶縁破壊や感電の危険があるんやで。
③は正しいで。VTは電圧を測るから並列接続や。
④は正しいで。単巻変圧器は一次と二次が電気的につながってるから、高圧・低圧間には使えへんのや。
CTの二次側を使用中に切り離すとどうなるか。
さすがや！ほな公式の確認をするで。
巻数比 \( a \) の降圧用単巻変圧器において、自己容量 \( P_S \) と負荷容量 \( P_L \) の比 \( P_S / P_L \) を表す式として正しいものはどれか。
よっしゃ、今日の内容を総まとめするで！
📚 第24講のまとめ
【単巻変圧器】
⚡ 1つの巻線の一部を一次と二次で共有する変圧器
⚡ 自己容量 < 負荷容量 → 小型・軽量・高効率
⚡ 容量比：\( P_S / P_L = (a-1)/a \)
⚡ 巻数比 a が1に近いほど経済的
⚡ 一次と二次が電気的に絶縁されていない（高圧・低圧間には不適）
【計器用変成器】
⚡ VT：高電圧→110V、並列接続、開放OK
⚡ CT：大電流→5A、直列接続、開放絶対禁止！
⚡ CT取外し時は先に二次側を短絡
特に「CTの二次側開放禁止」は電験で鉄板中の鉄板やで。理由（励磁電流→磁気飽和→異常高電圧）まで答えられるようにしとこな。
ラスト！今日の集大成や。全力で挑んでな！
次の記述A〜Dのうち、正しいものの組み合わせはどれか。
A：単巻変圧器は一次と二次が電気的につながっているため、絶縁が必要な用途には使えない
B：CTの二次側は使用しないときは短絡しておく
C：VTの二次側標準電圧は110Vである
D：単巻変圧器の自己容量は、常に負荷容量より大きい
大丈夫やで。一つずつ見ていこか。
A「一次と二次が電気的に接続→絶縁が必要な用途に使えない」→ 正しい
B「CTの二次側は使用しないとき短絡」→ 正しい（開放すると危険やから短絡しておく）
C「VTの二次側標準電圧110V」→ 正しい
D「自己容量は常に負荷容量より大きい」→ 誤り（逆や！自己容量 < 負荷容量が正しい）
正しいのはA、B、Cやな。
CTを使用しないとき、二次側端子はどうすべきか。
さすがや！最後に計算問題で締めくくるで。
一次電圧 3,300V、二次電圧 3,000V の単巻変圧器の自己容量が 10 kVA であるとき、この変圧器が供給できる負荷容量 [kVA] はいくらか。
お疲れさま！第24講「単巻変圧器・計器用変成器」、完走やで！
今日は普段の変圧器とはちょっと違う「特殊な変圧器たち」を学んだな。
単巻変圧器の自己容量と負荷容量の関係、そして計器用変成器のVTとCTの違い、特にCTの二次側開放禁止は、電験本番でもよく狙われるポイントやで。
さあ、結果を見てみよか！