配電用変圧器の損失と最新技術動向（一財）建築コスト管理システム研究所・新技術調査検討会の二つに大きく分けられる。
建築の電気設備工事で設置される機器は、照明

2.1

配電用変圧器技術の推移

器具のLED化に代表されるように、様々な設備配電用変圧器の技術変遷には様々な事項があるで省エネ化が図られている。多くの事務所ビル等

が、昭和30年代から現在までで、特記すべきは主の建築物は、高圧電圧（6.6kV）で電力が供給さに次の事項である。

れ、施設内の受変電設備の配電用変圧器によって、使用電圧（200V、100V）に降圧され、電気

2.1.1

方向性電磁鋼帯の開発機器に供給している。電力設備において、この配昭和30年代に方向性電磁鋼帯が出現し、これを電用変圧器の高効率化がめざましいことから、今使用した巻鉄心が開発された。まず初めに、単相回「配電用変圧器」の技術動向について、紹介す小容量器に適用され、無負荷損が大幅に改善される。

た。それ以降、材質のグレードアップとともに、配電用変圧器の技術は、低損失化、小型軽量化、適用機種が小容量器から大容量器に拡大され、現高信頼度化等のニーズに応えながら改善が進めら

在ではほとんどの配電用変圧器の鉄心に採用されれてきた。中でも、オイルショック以降、配電用ている。更に高配向性電磁鋼帯や磁区制御電磁鋼

変圧器の省エネに対する要望は強く、そのニーズ帯の開発も進み、配電用変圧器の低損失化に寄与に対応した低損失化を主体として進歩してきた。

している。

近年においては、配電用変圧器が特定エネルギー消費機器に指定（3.1に記載）されて以降、トッ

2.1.2

巻線技術

プランナー変圧器から更なる省エネ性能を追求し昭和40年代前半に銅材の価格急騰を契機に、配た変圧器のニーズが拡大しつつある。特に、東日電用変圧器導電材料のアルミ化が進み、それに本大震災を契機とした太陽光発電の広まりや省エ伴って、配電用変圧器の軽量化が推進された。まネ志向の高まりにより、更に省エネ変圧器の需要た、昭和40年代に低圧導体へのシート導電材料のが増大し、今後も拡大していくと予想される。

適用や、接着絶縁紙（コイルの電線層間の絶縁と本稿においては、配電用変圧器の技術変遷と最して絶縁紙表面にエポキシ樹脂をパターン状に半新の配電用変圧器に関わる内容について紹介する。

硬化状態で配置し、加熱乾燥時に硬化、コイルを固着する）の採用により、配電用変圧器の中身構造の簡略化や鉄心窓内におけるコイル導体の占積率の改善がなされ、小型・軽量化に寄与している。

配電用変圧器の技術変遷には、低損失化・小型軽量化の技術推移と安全性、高信頼性の技術推移

建築コスト研究No.1032018.10812.1.3

不燃性油の生産中止と不・難燃性変圧器る。しかしながら、可燃性の絶縁油を使用してい昭和40年代後半に不燃性油（PCB）の生産が中る以上、万一の場合における引火、類焼を防ぐに止され、これを機に乾式モールド変圧器やSF6ガは更に高いレベルの難燃性変圧器が必要になる。

ス絶縁変圧器等の不・難燃性変圧器が注目される

近年では、火災に対する安全確保が特に重要視ようになった。また、昭和50年代後半より、安全されるビル・工場・鉄道などの受配電設備用にお性・信頼性重視の社会的ニーズの高まりに伴って、ける不・難燃性変圧器のニーズがますます高まっその需要は着実に伸びてきている。ている。
不・難燃性変圧器の代表例であるガス絶縁変圧

2.1.4

三相巻鉄心と省エネルギー化器、モールド変圧器の特徴を次に示す。

昭和50年代のオイルショックによりエネルギーコストが急騰した。それに伴い、省エネ志向が高2.2.1

ガス絶縁変圧器まり始め、三相変圧器にも方向性電磁鋼帯が使用不燃性製ガス（SF6ガス）を冷却媒体として使されるようになり、三相巻鉄心シリーズが標準化用している点を除けば、構造そのものは油入変圧された。これにより配電用変圧器のより一層の低器に類似している。巻線・鉄心などの変圧器本体損失化が推進された。

は密封式タンクに収納されているため、屋内外問わず使用できる。ただし、SF6ガスは温室効果ガ

1960年
無方向性電磁鋼帯積鉄心

1980年

全機種適用

方向性電磁鋼
帯巻鉄心適用機種拡大

配電用全機種適用
実用化

適用機種拡大磁区制御電磁鋼帯実用化

アモルファス合金

適用機種拡大実用化

アルミニウム導体適用

適用機種拡大価格安定化

ワニス含浸レス
放熱器構造

パネル放熱器コルゲート

2006年油入 2007年モールド
第一次トップランナー制度開始

図12.2.2

モールド変圧器

難燃性の樹脂を変圧器巻線部の保護材として用いた乾式変圧器で、防災の面からビル・公共設備等で広く使用されている。巻線、鉄心などの変圧巻線小型化

放熱管タイプスのためリサイクル使用を前提とした排出抑制対象ガスとなっている。

適用機種減少高配向性電磁鋼帯
低損失磁性材料

2000年

2014年油入・モールド
第二次トップランナー制度開始

配電用変圧器の技術変遷

器本体は、油入変圧器及びガス絶縁変圧器とは異なり直接外気にさらされるため、設置環境の影響を受けやすく、屋内使用に限定される。しかし、変圧器本体を容器に収納する必要がないことから、他の変圧器と比べ、設置面積が小さく電源盤

2.2

配電用不・難燃性変圧器の推移

変圧器の不・難燃化は、省エネとは別に安全重やキュービクルへの収納性が高いといったメリットを持っている。

視の社会的ニーズとして存在してきた。それに基づき、今日まで開発が進められてきている。
配電用変圧器は、油入式が最も長い歴史と使用に至る。防災面から見ても、鋼板製のタンクに絶縁油が密閉され、電力ヒューズや遮断器等の保護装置が設けられているため、油入機器自体から火不 ・難燃性変圧器実績を有しており、多くの改良が重ねられ、今日災が発生する可能性は、ほとんどない。このように油入変圧器の信頼性、防災性は高いものであ82

建築コスト研究No.1032018.10

図2

配電用変圧器の変遷

油入変圧器

モールド変圧器

H種絶縁乾式変圧器ガス絶縁変圧器開発の見通しを勘案して定められる。エネルギー消費性能が最も優れた製品の性能を用いる基準値の決定方法をトップランナー方式という。

外観例

防災性

○◎

◎

◎

耐環境性

◎
(屋内外で使用可 )○(屋内専用 )◎(屋内外で使用可 )○(屋内専用 )トップランナー方式

対象

図3
表1対象外

※ 一部対象外あり

配電用変圧器の種類

各配電用変圧器の特徴
鉱油入変圧器 シリコン油入変圧器

耐熱クラス

Ａ

Ｈ以下

冷却方式

モールド変圧器

Ｈ以下、一般には Ｈ以下、一般にはＥを適用
Ｆ又はＢを適用

自冷式または強制冷却

絶縁強度

鉱油入変圧器と同一

耐湿・耐塵性
防災性

ガス絶縁変圧器◎◎◎

図4

トップランナー方式

基準エネルギー消費効率を満足した製品に切り替えなければならない年を目標年度と呼び、第一油入変圧器より低い（6.6KV以 下 では油入と同一）

次の目標年度は、油入変圧器が2006年度、モール○ギー消費効率を満足する変圧器は、トップラン保護装置が適正装備されていれ 不燃、非爆発性ガ 難燃材料で構成さば、発火の可能性は極めて低い スを密封した構造 れており、発火しとなっており発火 ないしないド変圧器が2007年度であった。この基準エネル
ナー方式で定められた基準値を満足することから、トップランナー変圧器と呼称することに業界

寿命・20 ～ 30年
・鉱油入変圧器以外は長期の使用実績はないが、使用されている材料評価から判断していずれの形式の変圧器も20 ～ 30年の寿命は期待できるとして定めた。これがトップランナー変圧器の始適用耐環境性が高く、屋内外いずれも適用できる事業者等の判断の基準等」（平成14年経済産業省

・一般屋内用単独据付、キュービクル収納ま 単独据付、キュー ・キ ュービクル収
たは直結ができるビクル直結に適し 納に適しているているまりであり、「変圧器の性能の向上に関する製造告示第438号）に規定されている基準エネルギー消費効率を上回らないようにすることが製造事業者等に義務づけられた。
現在は、第一次トップランナーから、もう一段省エネルギー化を推し進めた第二次の基準エネル

3.1

トップランナー変圧器

ギー消費効率が定められている。油入変圧器も3.1.1

トップランナーとはモールド変圧器も目標年度が2014年度であること

2003年4月1日に改正施行された「省エネ法施から、トップランナー変圧器2014と呼称されてい行令」により、特定機器（現：特定エネルギー消る。トップランナー変圧器2014の基準値を満たす費機器）に、産業用機器として初めて高圧受電用製品には、図5のラベルが貼付されている。

油入変圧器及びモールド変圧器が指定された。特定機器とは、「我が国において大量に使用され」、「その使用に際し相当量のエネルギーを消費する」、「エネルギー消費性能の向上を図ることが特に必要なもの」として政令で定められた機器を指す。特定機器に定められたことにより、省エネルギー化の基準値である基準エネルギー消費効率が定められた。これは、エネルギー消費性能が最も優れた製品のエネルギー消費性能に、将来の技術

図5

省エネルギーラベル

建築コスト研究No.1032018.1083

表2

特定エネルギートップランナー変圧器2014の機器適用範囲

機種

油入変圧器

容量

単相10 ～ 500kVA
三相20 ～ 2,000kVA

モールド変圧器

表4

相数

容量

低圧側電圧

結線

ガス絶縁変圧器
Ｈ種乾式変圧器
スコット結線変圧器
柱上変圧器

単相

10 ～ 500kVA

210-105V

単三専用

20 ～ 50kVA

210V

Yy075 ～ 500kVA

210V

Yd1

750 ～ 1,000kVA

210V

Yd1, Dd0210V

Dd0420V（50Hz）
440V（60Hz）

Dyn11

電圧

モールド灯動変圧器
一次電圧6kVまたは3kV 水冷または風冷変圧器
二次電圧100 ～ 600V
3巻線以上の多巻線変圧器

3.1.2標準仕様（高圧側電圧は6kV）

適用除外機種

適用範囲

三相1,500 ～ 2,000kVA

基準エネルギー消費効率
3.1.3変圧器のエネルギー消費効率とは、500kVA以

トップランナー変圧器2014

下が負荷率40％、500kVA超過が負荷率50％にお油入変圧器もモールド変圧器も第一次基準に対ける全損失のことであり、トップランナー変圧器応していたのが、Ｍ社を例に挙げるとトップラン

は、これが基準エネルギー消費効率よりも低くなナー変圧器のＮシリーズだったが、トップランければならない。標準仕様変圧器の基準エネル

ナー変圧器2014施行により、Ｒシリーズに切り替

ギー消費効率は、表3の算定式から求められる。

わった。

標準仕様は、表4に示すとおりであり、ここから圧器が1.1倍、モールド変圧器は1.05倍した値となる。各年度において表3の区分毎に出荷台数によるエネルギー消費効率の加重平均が基準値を上回らないことが義務づけられているが、製品個々においては＋10％の裕度があり、基準値の＋10％まで許容されている。
表3

2018年3月発売
160%

電磁鋼帯鉄心ｽｰﾊﾟｰ高効率
EX-Ⅱｼﾘｰｽﾞ

140%

160%

ｽｰﾊﾟｰ高効率
EX-αｼﾘｰｽﾞ電磁鋼帯鉄心

140%ｽｰﾊﾟｰ高効率
EX-βｼﾘｰｽﾞ
120%

電磁鋼帯鉄心120%

ｽｰﾊﾟｰ高効率
電磁鋼帯鉄心ﾄｯﾌﾟﾗﾝﾅｰ対応

100%

電磁鋼帯鉄心ﾄｯﾌﾟﾗﾝﾅｰ対応
Rｼﾘｰｽﾞ

100%

第二次ﾄｯﾌﾟﾗﾝﾅｰ基準<2014年度～>
・特性 +12.5%（加重平均）

現行第一次ﾄｯﾌﾟﾗﾝﾅｰ基準<2006年度～>

基準エネルギー消費効率の算定式

区分

2006～2013年度

トップランナー変圧器省エネ基準達成率（油入変圧器）

50Hz

500kVA以下

0.732
Ｅ＝11.2×（kVA）

60Hz

500kVA以下

0.725
Ｅ＝11.1×（kVA）

500kVA以下

0.696
Ｅ＝16.6×（kVA）

500kVA超

0.809
Ｅ＝11.1×（kVA）

500kVA以下

0.678
Ｅ＝17.3×（kVA）

500kVA超0.790
Ｅ＝11.7×（kVA）

500kVA以下

0.674
Ｅ＝16.9×（kVA）

500kVA以下

0.691

器より更に高い省エネ性能を求める場合の選択肢

0.659も存在する。

三相

油入

定格容量

単相

図6

2014年度以降

相数機種

基準エネルギー消費効率の目標
基準値算定式

定格周波数50Hz

60Hz
単相50Hz三相

モールド60Hz
50Hz

60Hz

84

ｱﾓﾙﾌｧｽ鉄心

省ｴﾈ基準達成率（第一次ﾄｯﾌﾟﾗﾝﾅｰ基準ﾍﾞｰｽ）

準エネルギー消費効率は、表3の算定式に油入変注．
はｱﾓﾙﾌｧｽ鉄心採用機種を示す

油入変圧器

180%

500kVA以下

Ｅ＝15.2×（kVA）
Ｅ＝23.9×（kVA）

0.718

500kVA超Ｅ＝22.7×（kVA）

500kVA以下

0.674
Ｅ＝22.3×（kVA）

500kVA超0.737
Ｅ＝19.4×（kVA）

建築コスト研究No.1032018.10

また、図6に示すようにトップランナー変圧器
Ｒシリーズよりも更に高効率な変圧器もラインアップしており、詳細は次項で紹介する。

3.2

スーパー高効率変圧器

前項、図6に示すようにトップランナー変圧器の上位ラインアップもあり、トップランナー変圧

省ｴﾈ基準達成率（第二次ﾄｯﾌﾟﾗﾝﾅｰ基準ﾍﾞｰｽ）

外れるものを準標準仕様といい、準標準仕様の基120％ 1を達成している。省エネ追求型の変圧器ながら、トップランナーＲシリーズと同一の外形寸法を実現しており、限られたスペースで、省エネ変圧器を選択したい場合に向いている。また、
EX-αと比べると負荷損が比較的小さいため、こちらはEX-αよりも高負荷率領域で、効率が最も高くなる（図9）。
以上のように、それぞれ特長があるため、設置スペースや負荷率等を考慮し、最適な変圧器を選定することが望ましい。
99.8

図7

油入変圧器ラインアップ

99.6

効率（%）

99.4
99.2
99.0
98.8
EX-αシリーズ
EX-βシリーズ
Rシリーズ
30年前

98.6
98.4
98.2
98.0
01020304050
負荷率（%）

60708090100

図9 効率比較2（油入三相1,000kVA50Hz 負荷率50％）
図83.2.1モールド変圧器ラインアップ

スーパー高効率変圧器の種類

Ｍ社のスーパー高効率変圧器のラインアップ
は、図7、図8のとおりであるが、油入変圧器を4.1

例に詳細を説明する。

変圧器の低損失化技術

変圧器の損失は、大きく無負荷損と負荷損に分けられる。無負荷損は、主に鉄心から発生し、負⑴スーパー高効率油入変圧器EX-αシリーズ

荷に関係なく常時発生する。負荷損は、主に巻線省エネ追求市場に対応し、省エネ性能改善に特から発生し、負荷電流の二乗に比例して発生す化したＭ社省エネ変圧器の最上位機種である。鉄る。省エネ変圧器の高効率化は、この両方の損失心材料にアモルファス合金を採用し、無負荷損のを低減することで実現している。

低減に特化しており、また、巻線の最適化設計に鉄心への高性能材料の適用により無負荷損の低減を実現
・アモルファス合金・磁区制御電磁鋼帯より、省エネ基準達成率140％ 1を達成している。
特に、無負荷損が小さいため、低負荷率領域で、効率が最も高くなる（図9）。
⑵

鉄心二次コイル
一次コイル

巻線の最適化
設計、導体の細分化と転位により負荷損の低減を実現

スーパー高効率油入変圧器EX-βシリーズ
鉄心材料に最高級グレードの電磁鋼帯を採用

図10し、巻線の最適化設計により、省エネ基準達成率
1

鉄心・コイル断面図

変圧器の仕様により、異なる。

2

無負荷損と負荷損の低減

代表値での試算結果。

建築コスト研究No.1032018.10

85

140%

Rシリーズ

EX-βシリーズ

EX-αシリーズ

120%
100%

4.2

省エネ効果

80%
60%

Ｍ社における30年前の変圧器と各シリーズの比40%20%

較を次に示す。

0%
幅

奥行

図14

120%

床面積

高さ

外形寸法比較

100%

古い変圧器を更新するだけでも大きく省エネに80%60%貢献できることが確認できる。より省エネ性能の100%
40%
62%52%20%高い変圧器に替えることで、その分CO2の排出量40%を削減でき、環境配慮に繋がることが期待できる。

0%
30年前

Rシリーズ

EX-βシリーズ EX-αシリーズ

ここでは、基準負荷率における省エネ効果を一

図11 損失比較
2（油入三相1,000kVA50Hz 負荷率50％）
2000

30年前
Rシリーズ
EX-βシリーズ
EX-αシリーズ

30年前の油入変圧器に対して負荷率 50％で比較
Rシリーズ
252千円/年低減
EX-βシリーズ 314千円/年低減
EX-αシリーズ 392千円/年低減

1800
1600
年間電力量料金(千円/年)

例として取り上げたが、より効果的な省エネのた単位電力量料金=16円/kWh

1400
1200

めに、各変圧器の特徴、適切な負荷率を考慮し、状況に応じた適切な選定を行うことが望ましい。

1000
800
600
400

発展途上国の人口の増加や工業化に伴い、CO2200
00102030405060708090

100

負荷率(%)

図12

排出量は、ますます増加し、先進国においては、太陽光発電や風力発電等の自然エネルギーを利用更新による省エネ効果（油入三相1,000kVA50Hz 負荷率50％）した発電がより活発化すると考えられる。こうし一般電気事業者とそれ以外の電気供給者の平均排出係数=0.512［kg-CO 2/kWh］た背景もあり、より環境配慮型の省エネ変圧器の[出所：平成29年経済産業省・環境省告示第12号による]

70

30年前
Rシリーズ
EX-βシリーズ
EX-αシリーズ

30年前の油入変圧器に対して負荷率 50％で比較
Rシリーズ
8トン/年削減
EX-βシリーズ 10トン/年削減
EX-αシリーズ 13トン/年削減

60

年間CO2排出量(トン/年)

25040

需要は今後ますます伸びてくると予想され、それに伴った規制や省エネ化の技術がより発展していくと考えられる。

302010001020

3040

5060708090100

負荷率(%)

図13

更新によるCO2排出量削減効果

2（油入三相1,000kVA50Hz 負荷率50％）

配電用変圧器のこれまでの社会的ニーズの変遷と技術推移について説明してきたが、今後は、メーカーの環境に配慮した製品開発への努力とともに、ユーザーの環境に配慮した適切な製品選定・

図11のとおり、30年前の変圧器に対して、標準メーカーへの要求の双方が更に重要になってくる。のトップランナー変圧器で38％、超高効率変圧器

地球環境保護の観点からも適切に省エネ変圧器をで48 ～ 60％の損失削減ができ、電気料金で250千選定し、効果的な省エネを図る必要がある。

円以上（図12）、CO2で8トン/年以上（図13）の削減が可能となる。

最後に本稿をまとめるにあたり、三菱電機㈱FAシステム事業本部名古屋製作所配電制御製造

4.3

設置スペース

部変圧器設計課

Ｍ社各シリーズの外形寸法の比較を図14に示す。

86

建築コスト研究No.1032018.10

永島圭祐氏に多大なご協力をいただきました。ここに感謝の意を表します。