電力システムトランスフォーマーにおける電力品質問題の解決方法

トランスフォーマーと電力品質モニタリング

トランスフォーマーは電力システムの核心的な構成要素です。電力品質モニタリングは、トランスフォーマーの安全性を確保し、システム効率を向上させ、運用とメンテナンスコストを削減する上で基本的であり、全体の電力ネットワークの信頼性とパフォーマンスに直接影響します。

なぜトランスフォーマーで電力品質テストを行うのか？

• トランスフォーマーの安全な動作を確保
  高調波、電圧変動、負荷アンバランスなどの電力品質問題は、過熱、絶縁劣化、効率低下、さらには早期故障を引き起こす可能性があります。

• 高調波汚染の特定と過負荷の防止
  現代の電力システムでは非線形負荷（例えばUPSシステム、パワーエレクトロニクス、インバータ）が広く使用され、これらは高調波電流を生成します。これによりトランスフォーマーの鉄損と銅損が増加します。総合高調波歪み（THD）が5％を超えると、トランスフォーマーは過負荷の大きなリスクに直面します。

• 電圧変動による機器の誤動作を防ぐ
  頻繁な電圧変動またはフリッカーは、トランスフォーマーおよび下流の機器を不安定化させ、操作エラーを引き起こす可能性があります。

• 局所的な過熱を避けるための負荷アンバランスの制御
  三相負荷アンバランスは中性線電流を過剰にし、局所的な過熱、効率低下、さらにはトランスフォーマーの損傷につながります。

• 接地システムの安全性を確保しN-G電圧問題を防ぐ
  不適切な接地設計は中性点の漂移を引き起こし、異常な中性対地（N-G）電圧を発生させ、トランスフォーマーの動作と保護装置の機能を妨げます。

トランスフォーマーでの体系的な電力品質モニタリングの方法

高調波制御とK係数の適用

• K係数トランスフォーマーを使用：負荷の高調波特性に基づいて適切なK評価（例えばK-4、K-13、K-20）を選択して、トランスフォーマーの高調波電流に対する耐性を高める。

• THD（総合高調波歪み）を制限：IEEE 519標準に従ってTHDを5％以下に保つ。

• フィルタリング設備の設置：高調波源に近い場所にアクティブまたはパッシブフィルターを配置して、システムへの高調波注入を減少させる。

電圧歪みと変動の抑制

• 電圧安定化設備の使用：自動電圧調整器（AVR）または静止無功発生装置（SVG）を使用して電圧を安定させる。

• 負荷スケジューリングの最適化：大容量機器の同時起動を避け、電圧サージを最小限に抑える。

• モニタリングとアラームの実装：電力品質モニタリングシステムを展開して、リアルタイムで電圧異常を検出およびアラートする。

負荷アンバランスの軽減

• 負荷分配の最適化：三相電流をバランスよく維持する。

• 負荷バランサーの使用：手動調整が困難なアプリケーションでは、自動的に負荷を均等にする。

• 定期的な点検と調整：電力品質アナライザーを使用して、定期的にアンバランスレベルを監視および修正する。

トランスフォーマーの接地実践

• 適切な接地システムの設計と維持

• 中性線接地：別途導出システム（SDS）では、NEC 250などの基準に従って中性点を適切に接地し、「フローティンググラウンド」を防ぐ。

• N-G電圧の制御：適切な接地によって中性ポテンシャルを安定させ、中性対地電圧を最小限に抑える。

• 接地抵抗の適合：接地抵抗がコード要件（例えば≤4Ω）を満たすようにする。

• 接地の混在を避ける：信号接地と電力接地を分離して干渉を減らす。

• 定期的なテスト：接地抵抗テスターを使用して定期的にシステムの整合性を確認する。

歪み係数補正を考慮した容量設定

• ピーク係数（CF）と高調波ダーレーティング係数（HDF）を考慮：実際の負荷特性に基づいてトランスフォーマーの容量を調整する。

• ANSI/IEEE C57.110に従う：標準のダーレーティング係数を適用して正確な容量選択を行う。

• 余裕容量を確保：将来の負荷と高調波効果に対応するために、設計時に10〜20％の余裕容量を確保する。