キュービクルは、商業施設や工場、オフィスビル等、多くの電力を使用する施設に必要な電気設備です。キュービクルを設置することで、大量の電気を効率よく使用できます。
キュービクルの導入を検討している方は、「キュービクルはどのような仕組みで、どのような効果をもたらしているのか？」と疑問を持つことがあるでしょう。そこで今回は、今後多くの電気を使用するような施設を運営する事業者の方向けに、キュービクルが担う役割とその仕組みを解説します。
キュービクルとは
キュービクルは、工場やオフィス等で、50kWを超える電力を使用する場合に設置される電気設備の一種です。キュービクルの役割を解説するには、まずは電力の契約方式について理解する必要があります。
電力の契約方式
電力契約には、「低圧受電契約」と「高圧受電契約」の2種類があります。
低圧受電契約は、比較的小規模な施設向けの契約方式であり、電柱に取り付けられた柱上変圧器を使用して、約6,600ボルトの電圧を100ボルトもしくは200ボルトに降圧してから受電します。この契約は、50kW以下の電力を使用する事業所や家庭で一般的に採用されています。
高圧受電契約は、50kW以上の電力を必要とする大規模施設向けの契約方式であり、施設側が高圧受電設備を用意し、約6,600ボルトの電気をそのまま受電します。施設内の受電電気設備で100ボルトもしくは200ボルトに降圧し、各機器に電力を供給する仕組みです。高圧受電契約は、50kW以上の電力を必要とする事業所に対して契約が義務付けられています。
発電所で作られる電気は、25万ボルト～50万ボルトの超高電圧です。私たちのもとに届くまでに、複数の変電所を経て電圧は約6,600ボルトまで降圧されますが、この電圧のままでは高すぎて、そのまま使用することはできません。
低圧受電契約の場合、6,600ボルトで送電された電気を電柱の柱上変圧器で100ボルトもしくは200ボルトに降圧してから受電します。一方、高圧受電契約の場合、送電された約6,600ボルトの電気をそのまま受電し、施設内の高圧受電電気設備で100ボルトもしくは200ボルトまで降圧して利用します。
高圧受電設備とは
高圧受電設備とは、施設内で電気を利用するため、下記1～3の機能を持つ電気設備を指します。
- 送電線から供給される約6,600ボルトの高電圧を受け取る
- 施設内で使用できる100ボルトもしくは200ボルトまで降圧する
- 施設内の各機器・設備に配電を行う
低圧受電契約の場合、これらの役割は柱上変圧器が担っています。高圧受電契約を結ぶ施設では、事業者自らが高圧受電設備を用意します。逆に、高圧受電設備がないと電気を利用することができず、施設の機能を維持できなくなります。
高圧受電設備には、機器が露出している開放型（オープン式）と、金属製の箱に機器を収納した閉鎖型（キュービクル式）の2種類があります
開放型（オープン式）
開放型は、高圧受電設備を構成する機器が露出した高圧受電設備です。基本的に現地で組み立てを行います。
広い場所に設置されるため点検しやすいこと、後からの設備増設が容易であることが利点です。ただし、裏を返すと、（後述する閉鎖型と比較して）設置には広いスペースが必要になることには注意が必要です。
閉鎖型（キュービクル式）
閉鎖型は、高圧受電設備を構成する機器を金属製の箱（＝キュービクル）に収納した高圧受電設備です。主に工場で組み立て作業が行われ、現地にはキュービクルに収納した状態で納められます。
箱に納められているため、屋外に設置しても風雨等の影響を受けないこと、設置工事が短期で済むこと、全体的にコンパクトであること、漏電・感電による事故リスクが低いことが利点です。一般的に「キュービクル」といえば、閉鎖型の高圧受電設備一式を指します。
開放型とキュービクルの採用基準は契約している電力規模によって変わりますが、近年は安全性の高いキュービクルを採用する事業者が多い傾向にあります。
キュービクルの構造と仕組み
先ほど解説したように、キュービクルには「約6,600ボルトの高電圧の受電」「使用可能な電圧までの降圧」「施設内の機器・設備への配電」の3つの役割があります。ここでは、どのようにしてこれらの役割を果たしているのか、キュービクルの仕組みをその構造とともに解説します。
外部構造
キュービクルを外部構造といえば、その名の由縁にもなっている金属製の外箱です。
この外箱は、風雨や直射日光はもちろん、小動物がケーブルを嚙みちぎる等の外部リスクから設備を保護し、設備の健全性維持に大きく貢献しています。加えて、仮に内部機器が故障しても外部への漏電を抑制することができ、周辺の作業員が感電する等の事故リスクを低減します。
外箱にはこの他にもさまざまな機能があります。たとえば、外箱には通常、ガラス窓が設けられており、計器類が示す数値を外から観察できるようになっています。また、内部機器は動作時に発熱するため、換気口やファンによって排熱できるようになっています。
内部構造
キュービクルの内部機器は、大きく分けると次の4つの機器で構成されます。
- 高圧受電盤
- 動力・電灯変電盤
- コンデンサ盤
- 低圧配電盤
これらの機器以外にも、キュービクルには各所に状況モニタリングのための計器類（電圧計、電流計など）等が取り付けられています。
1.高圧受電盤
高圧受電盤は、送電線から供給される約6,600ボルトの高電圧を安全に受電するための設備です。
高圧受電盤を構成する主な機器は、異常発生時に信号を発し、この後解説する保護設備を動作させる「保護継電器」と、規定以上の電気負荷かからないよう回路を遮断する「真空遮断器（※）」、過電流や短絡の発生時に回路を開く断路器などの保護設備です。
送電線から高圧ケーブルを伝ってキュービクルに流れ込む電気は、高圧受電盤によって安全を確保しながら施設内で利用されます。
※低電圧であれば大気中でも電気遮断が可能ですが、高電圧の場合はより絶縁能力の高い真空中で電気遮断を行います。
2.動力・電灯変電盤
動力・電灯変電盤は、約6,600ボルトの高電圧を100ボルトもしくは200ボルトに降圧する設備です。その中に、キュービクルの核ともいえる変圧器（トランス）を含んでいます。
変圧器は大まかに、鉄心と巻き数の異なる2つのコイルで構成されます。この2つのコイルはそれぞれ一次コイル・二次コイルと呼ばれ、同一の鉄心に巻きつけられています。
一次コイルに電気が流れると、その内部に磁場が生じます。発生した磁場は鉄心を伝って二次コイルまで到達し、電磁誘導によって二次コイル中に電流が発生します。一次コイルに電流を入力すると、二次コイルから電流を取り出すことができるのです。
一次コイルの入力電圧をV1、巻き数をN1とします。同じように、二次コイルの出力電圧をV2、巻き数をN2とします。この場合、レンツの法則から、端子電圧はコイルの巻き数に比例するため、下記の式が成り立ちます。
- V1/N1=V2/N2 ⇒ V2=V1×(N1/N2)
キュービクルの場合、V1=約6,600ボルト、V2=100ボルトもしくは200ボルトとなるように、変圧器内のコイルの巻き数を設定しています。
変圧器を含む動力・電灯変電盤は、施設内の機器・設備で電気を使用できる状態に整える役割を持ち、キュービクルの中核を成す領域です。
3.コンデンサ盤
コンデンサ盤は、高圧進相用コンデンサを含む設備であり、電力のエネルギー効率を高める役割があります。
私たちは日々の生活の中で電気を利用していますが、実は供給される電気を常に100%利用できるわけではありません。供給された電気のうち、実際に使用できるエネルギーの割合を「力率」といいます。
電力は電流と電圧の積で表されますが、このうち使用できるエネルギーは力率を用いて、次のように表されます（力率は0から1の値）。
- 使用できるエネルギー＝電流×電圧×力率
力率が大きいほど効率よく電力を利用できているということです。
力率が変動する原因の一つは、電流と電圧の位相差です。位相差とは、簡単にいえば「電気と電流の向きの違い」です。
同じ方向を向いている（位相差がゼロ）場合はエネルギーを最大限使用できますが、同じ方向を向いていない（位相差がある）場合は、このズレの分のエネルギーロスが生じます。
電流と電圧の位相差をθとした場合、使用できるエネルギーは次のように表されます。
- 使用できるエネルギー＝電流×電圧×cosθ
このcosθが力率を表しています。
コンデンサ盤に含まれる高圧進相用コンデンサは、この位相差を小さくする機能があります。位相差を小さくすることで電力を最大限活用できるようになり、エネルギーロスの低減に寄与します。
4.低圧配電盤
低圧配電盤は、変圧器で低圧にした電気を配電する設備です。キュービクルの外に電気を供給するための電線およびケーブルに接続されています。
規模の違いはありますが、高圧受電盤と同様、こちらにも過負荷や短絡から機器を保護するための遮断機や開閉器が設けられています。
まとめ
キュービクルの役割と仕組みについて解説しました。要点をまとめると次のとおりです。
- キュービクルは、商業施設や店舗、工場、オフィスビル等、多大な電力を使用する施設に設置される高圧受電設備の一種である。
- 高圧受電設備は、高電圧（約6,600ボルト）で送電される電気を受け取り、施設内で使用可能な低電圧（100ボルトもしくは200ボルト）まで減圧する設備であり、特に「キュービクル」というと金属製の外箱に収納された閉鎖型の高圧受電設備を指す。
- キュービクルの外箱には、風雨や漏電といった外部からのリスクから機器や周辺の作業員を守る役割があります。
- キュービクルの内部機器は大きく分けると、高圧受電盤、動力・電灯変電盤、コンデンサ盤、低圧配電盤で構成されている。
- キュービクルの中核を担う動力・電灯変電盤は変圧器（トランス）を含んでおり、変圧器を構成する一次・二次コイルの巻き数の差異によって電圧を変換している。
- コンデンサ盤に含まれる高圧進相用コンデンサは、電流と電圧の位相差を低減し、電力の効率よく利用できるようにする役割を担う。
キュービクルの役割は高電圧の受電、電圧の変換、施設内の機器・設備への配電であり、さまざまな機器が組み合わさってこの役割を果たしています。
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