スター結線｜三相交流の基本。中性点で電圧安定

2026.01.06

スター結線

スター結線（星形結線、ワイ結線）は、三相交流回路において、3つの電源や負荷の各一端を1箇所の共通点に接続し、残りの端子を外部回路に接続する方式である。3つの共通接続点は中性点と呼ばれ、三相交流回路の電圧や電流を扱ううえで重要な役割を持つ。

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スター結線の基本構造と動作原理

スター結線は、3つの巻線や負荷を星形に接続する方式であり、その形状が「Y」に似ていることからワイ結線とも呼ばれる。三相の各相（U相、V相、W相）の一端を1点で結合し、この接続点を中性点とする。中性点から中性線を引き出せば、三相4線式として三相負荷だけでなく単相負荷にも電力を供給できる。スター結線の重要な特徴は、線間電圧と相電圧の関係にある。平衡した三相交流回路では、線間電圧の大きさは相電圧の√3倍となる。一方、線電流はそのまま各相の相電流に等しい。この関係は、三相交流回路の電圧・電流を計算する際の基本事項である。

線間電圧と相電圧の関係

スター結線では、各相の巻線や負荷に加わる電圧が相電圧であり、2本の線の間に現れる電圧が線間電圧である。平衡三相回路では、線間電圧と相電圧の間に次の関係が成立する。線間電圧 = √3 × 相電圧したがって、相電圧は線間電圧の1/√3となる。例えば、線間電圧が200Vの三相交流をスター結線した場合、各相に加わる相電圧は約115Vとなる。この関係は変圧器や電動機などの三相機器の設計や運転条件を理解するうえで重要である。

デルタ結線との違い

スター結線と対比される方式に、デルタ結線（三角結線）がある。デルタ結線では3つの巻線や負荷を環状に接続するため、平衡三相回路では線間電圧と相電圧が等しくなる。一方、スター結線では線間電圧が相電圧の√3倍となる。strong>スター結線では中性点を設けられるため、中性線を利用した三相4線式の配電が可能である。また、同じ線間電圧で運転する場合、各相に加わる電圧がデルタ結線より低くなるため、変圧器などでは巻線の絶縁設計上の利点がある。

スター結線の主な特徴

  • 平衡三相回路では線間電圧が相電圧の√3倍となる。
  • 線電流と相電流が等しい。
  • 3つの巻線や負荷を結合した中性点を設けられる。
  • 中性線を引き出すことで三相4線式として使用できる。
  • 中性点を接地することで、地絡時の電位を制御し、保護装置による事故検出や遮断に利用できる。

変圧器におけるスター結線

スター結線は変圧器の一次側や二次側にも用いられる。スター結線では、同じ線間電圧に対して各巻線に加わる相電圧が1/√3となるため、巻線の絶縁設計において有利になる場合がある。また、スター結線とデルタ結線を組み合わせた変圧器では、三次高調波などの零相成分がデルタ巻線内を循環できるため、系統への高調波の流出を抑制する目的で利用されることがある。

産業界におけるスター結線の応用

スター結線は、工業用電動機の始動方式としても重要である。代表的な方式が「スターデルタ始動法」である。大型電動機を始動するときにいきなり定格電圧を加えると、大きな始動電流が流れるため、電源設備や電力系統に影響を与える場合がある。スターデルタ始動では、始動時に電動機の巻線をスター結線とする。これにより各巻線に加わる電圧は、デルタ結線で直接始動する場合の1/√3となる。その結果、理想的な平衡条件では始動電流はデルタ始動時の約1/3となる。一方、電動機の始動トルクも約1/3となるため、大きな始動トルクを必要とする負荷には適さない場合がある。電動機の回転速度が上昇した後、巻線をデルタ結線へ切り替えることで定格運転を行う。スターデルタ始動は、始動時の電流を抑制する比較的簡単な方式として、ポンプや送風機などの設備で利用されてきた。

中性点接地方式の重要性

スター結線では、3つの巻線や負荷を接続した点を中性点として利用できる。中性点を接地する方式を中性点接地方式といい、地絡事故が発生した場合の電位を制御するとともに、保護継電器などによる事故の検出・遮断に利用される。中性点の接地方法には、直接接地、抵抗接地、リアクトル接地などがあり、系統の電圧、地絡電流、保護方式などを考慮して選定される。したがって、スター結線における中性点の扱いは、電力系統の安全性や保護協調を考えるうえで重要である。

スター結線の数学的解釈

スター結線の電圧関係は、三相交流の電圧をベクトルとして考えることで理解できる。平衡三相交流では、U相、V相、W相の相電圧はそれぞれ120度の位相差を持つ。

U相の相電圧を基準として、

EU = E∠0°

EV = E∠-120°

とすると、U相とV相の間の線間電圧EUVは、相電圧の差として、

EUV = EU – EV

と表される。このベクトル計算から、線間電圧の大きさは、

|EUV| = √3E

となる。また、正相の平衡三相交流では、U相電圧を基準としたU-V間の線間電圧は30度進んだ位相となり、

EUV = √3E∠30°

と表すことができる。この√3倍の関係と30度の位相差は、三相交流回路、変圧器、電動機などを解析する際の基本的な電気工学上の関係である。

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