10kV高圧無効電力補償装置の動作原理とメンテナンスのポイント

10kV高圧無効電力補償装置は、現代の電力システムにおいて不可欠な構成要素です。無効電力を供給または吸収することにより、低パワーファクター、高い線路損失、無効電力需要による電圧変動などの問題を効果的に解決し、電力網運転の経済性、安全性、および電力品質の向上に重要な役割を果たします。高圧10kV無効電力補償は、安全かつ経済的な電力網運転を確保するための重要な装置です。

その動作原理を理解することはメンテナンスの基礎であり、予防試験と状態監視を中心に据えた定期的なメンテナンス計画を厳格に実施し、常に安全を最優先することは、長期的な信頼性のある運転を保証する根本的なものです。メンテナンス作業は、確立された手順に基づいて、適切な資格と経験を持つ人員によって行われなければなりません。以下では、10kV高圧無効電力補償システムの動作原理とメンテナンスの要点について詳しく説明します。

1. 10kV高圧無効電力補償の動作原理

主な目的：電力網のパワーファクターを改善し、線路損失を減らし、システム電圧を安定させ、電力供給品質を向上させる。

1.1 補償原理

• 無効電力の源：電力網内のインダクティブ負荷（例：モーター、トランスフォーマー）は、動作中に磁場を形成するために遅れ無効電力（Q）を消費する。

• 補償方法：コンデンサバンクが並列に接続され、リードキャパシティブ無効電力（Qc）を生成して、インダクティブ無効電力（Ql）を相殺する。

• 結果：システムが必要とする総無効電力（Q）が減少し、パワーファクター（Cosφ = P / S）が改善され、表出電力（S）が低下する。

1.2 補償装置の構成部品

• 高圧並列コンデンサバンク：キャパシティブ無効電力を提供する核心部品。通常、複数のコンデンサユニットを直列および並列に接続して、10kV電圧と必要な容量要件を満たすように構成される。

• 直列リアクタ：

• 電流制限リアクタ： コンデンサーの切り替え時に生じるインラッシュ電流（通常、定格電流の5〜20倍）を制限し、コンデンサと切り替え機器を保護する。

• フィルタリアクタ： コンデンサーとLC調谐回路を形成し（通常、5次、7次、または特定の高調波周波数以下で調整）、高調波電流がコンデンサーに入らないように抑制し、高調波増幅や共振を防止し、コンデンサーを保護する。

• 高圧切り替え機器：

• 真空接触器または真空遮断器： コンデンサバンクの切り替えに使用される。頻繁な操作に適した真空接触器が一般的に使用される。

• 隔離スイッチ/接地スイッチ： メンテナンス中に電源を分離し、安全な接地を確保するために使用される。

• 放電装置：

• 放電コイルまたは放電抵抗： コンデンサバンクが切断された後、コンデンサー端子に蓄積された充電を迅速に放出する（通常、5秒以内に残存電圧を50V未満に減らすことが必要）ことで、メンテナンス中の安全を確保する。放電コイルが一般的に使用される。

• 保護装置：

• ヒューズ： 個々のコンデンサーの内部障害（排出型ヒューズ）から保護する。

• リレープロテクション： 過電流保護（相間短絡）、アンバランス保護（内部コンデンサー要素の破損またはヒューズのブロー）、過電圧保護、低電圧保護、高調波超過保護、オープンデルタ電圧保護など。

• 測定および制御装置：

• コントローラ： システム電圧、電流、パワーファクター、高調波電流、高調波電圧歪率などのパラメータを継続的に監視し、事前に設定された戦略（目標パワーファクター、目標電圧、高調波超過保護、時間ベースのプログラムなど）に基づいてコンデンサバンクの切り替えを自動制御する。

• 電流変換器（CT）、電圧変換器（PT）： 測定および保護用の信号を提供する。

1.3 動作プロセス

• 監視： コントローラは、電力網のパワーファクター、電圧、および無効電力需要などのパラメータを継続的に監視する。

• 決定： パワーファクターが設定された下限値（例：0.9遅れ）を下回った場合、またはシステムが追加の無効電力を必要とする場合、コントローラは充電命令を発行する。

• 充電： 制御回路が真空接触器を閉じ、コンデンサバンク（通常、直列リアクタを介して）を10kVバスバーに並列接続する。

• 補償： コンデンサバンクは、システムにキャパシティブ無効電力を供給し、一部のインダクティブ無効電力を相殺し、パワーファクターを改善し、電圧を支持する。

• 放電： パワーファクターが設定された上限値（例：0.98リード、これは過補償を引き起こす可能性がある）を超えた場合、またはシステム電圧が高すぎる場合、または負荷減少により無効電力需要が減少した場合、コントローラは放電命令を発行し、真空接触器を開き、コンデンサバンクを停止する。

• 放電： コンデンサバンクが切断された後、放電装置（放電コイル）が自動的に動作し、蓄積されたエネルギーを迅速に放出する。

2. 10kV高圧無効電力補償装置のメンテナンス

主な目的：安全、信頼性、効率的な運転を確保し、設備の寿命を延ばす。

2.1 日常点検

• 目視点検： コンデンサーのケースが膨張、油漏れ、錆び、塗装剥がれがないか確認する。ブッシングには亀裂、汚染、フラッシュオーバーの跡がないか確認する。接続部が緩んでいないか、過熱（赤外線熱画像）または色褪せがないか確認する。

• 動作音： リアクタ、放電コイル、コンデンサーからの異常振動やノイズ（例：内部の緩みを示す異常に増加した「うなり」音）を聞く。

• 計器表示： 電圧計、電流計、パワーファクタ計、無効電力計の表示が正常であるか確認し、コントローラの表示値と比較する。

• 環境チェック： 室内の通風、環境温度、湿度が許容範囲内であるか確認する。塵埃の堆積や小動物の侵入の兆候がないか確認する。フェンスとラベルが整っているか確認する。

• 保護信号： 保護装置からのアラームまたはトリップ信号がないか確認する。

2.2 定期メンテナンス（通常半年から1年ごと）

• 停電清掃： コンデンサーのケース、ブッシング、絶縁体、バスバー、フレーム、リアクタ、スイッチギアの表面から塵埃や汚れを完全に除去する（乾燥したフランネル布または専用ツールを使用し、絶縁損傷を避ける）。(重要！高圧機器の清掃は、停電、電圧テスト、接地後に実施する！)

• 接続部の締め付け： すべての電気接続ボルト（バスバー接続、コンデンサー端子接続、接地線など）を確認し、適切なトルクで締め付けて良好な接触を確保し、過熱を防ぐ。

• コンデンサー試験：

• 静電容量測定： 専用の静電容量橋を使って各相または各枝（適用可能な場合）の総静電容量を測定し、銘板値または過去のデータと比較する。偏差が±5%を超えるか、顕著な変化（特に減少）が見られる場合は注意が必要であり、内部コンポーネントの損傷を示している可能性がある。単一コンデンサーの静電容量値は、定格値から-5%〜+10%の範囲内であるべきである。

• 絶縁抵抗試験： 極間と極対ケース間の絶縁抵抗を測定する（2500Vメガオームメーターを使用）と、規制要件を満たす必要がある（通常、極間絶縁抵抗は非常に高く、極対ケース間の絶縁抵抗は>1000MΩ）。試験前後に完全に放電する必要がある！

• 損失角タンジェント(tanδ)測定： 条件が許す場合は実施可能であり、内部コンデンサーの絶縁の湿潤や劣化をより敏感に反映する。工場または以前の測定値と比べて顕著な増加が見られないべきである。

• リアクタ点検：

• コイルの外観を確認し、過熱、色褪せ、絶縁の老化または損傷がないか確認する。

• コア（存在する場合）の固定具が緩んでいないか確認する。

• 巻線の直流抵抗を測定し、工場または以前の値と比べて顕著な違いがないか確認する（温度影響を考慮する）。

• 絶縁抵抗を測定する。

• 放電装置点検：

• 放電コイルの外観と配線を確認する。

• 放電性能を確認する（安全規則の許可を得て、動作をシミュレーションして残留電圧の低下速度を確認する）。

• 切り替え機器のメンテナンス：

• 真空遮断器の外観を確認する。

• 操作機構が柔軟かつ確実に動作するか確認し、潤滑点に適切な潤滑剤を塗布する。

• 主回路接触抵抗を測定する。

• 機械特性試験を行う（開閉時間、同期、バウンス、ストロークなど）。

• 保護装置の校正： 規則に従って、過電流、アンバランス、過電圧、低電圧などの設定を校正し、伝送試験を行い、正確かつ信頼性のある動作を確保する。ヒューズの外観と指示状態を確認する。

• コントローラの点検： 表示、ボタン、通信が正常であるか確認し、サンプリング精度を確認する（電圧、電流、パワーファクターなどを標準計と比較する）。切り替え論理が正しいか確認する。

2.3 特別メンテナンス

• 高調波環境： システムに深刻な高調波がある場合、コンデンサとリアクタの温度上昇（赤外線熱画像）を強化監視し、定期的な高調波試験を行い、調律点設定が適切であることを確認し、共鳴を避ける。必要に応じてフィルタ装置を追加する。

• 頻繁な切り替え： 真空接触器/遮断器の接触摩耗を強化点検し、そのメンテナンス周期を短縮する。

• 故障後： 保護動作後（特にヒューズブローまたはアンバランス保護動作後）、原因を徹底的に特定し、損傷した部品を交換し、再起動前に包括的な点検と試験を完了する。

2.4 安全上の注意事項（最も重要！）

• 「二票三制度」を厳格に遵守する：作業票、操作票；交代勤務制度、巡回点検制度、設備定期試験およびローテーション制度。

• 停電、電圧試験、接地： すべてのメンテナンス作業の前に、電源を確実に遮断しなければならない（PT二次側からの逆流も含む）。適格な電圧試験器を使用して電圧がないことを確認し、作業場所の両端に接地線を設置する。コンデンサバンクは専用の接地棒を使用して完全に放電し、接地してから接触する！

• 専任監督者： 高圧機器の操作およびメンテナンスには専任監督者がいる。

• 適格な工具と保護具を使用する： 適格な絶縁等級の工具を使用し、絶縁手袋、絶縁靴などの安全保護具を着用する。

• 残留電圧への注意： 放電後でも、コンデンサ端子を再度ショートカットするため接地棒を使用する。

2.5 レコードの保存と分析

• 各点検、メンテナンス、試験のデータを詳細に記録する（静電容量値、絶縁抵抗、温度、保護動作情報など）。

• 設備ファイルを作成し、トレンド分析を行い、潜在的な欠陥を早期に特定する。

• 異常状況と処理プロセスを記録する。

3. 主要メンテナンス間隔の参考

• 日常点検： 日次または週次（重要度と運用環境に応じて）。

• 定期的な清掃と点検（停電なし）： 月次または四半期ごと。

• 定期メンテナンス（停電あり）： 年1〜2回（予防試験と組み合わせて）。

• コンデンサーの静電容量/絶縁抵抗測定： 停電メンテナンス中に実施；導入後1年以内に1回、その後1〜2年に1回。

• 保護装置の校正： 年1回。

• 切り替え機器の特性試験： 停電メンテナンスと組み合わせて、1〜2年に1回または操作回数が一定値に達したときに実施。

4. 注意事項

• 周囲温度： コンデンサーの動作周囲温度は、規定の上限（通常-40°C〜+45°C）を超えてはならない。直射日光を避ける。

• 過電圧： コンデンサーは、定格電圧の1.1倍で長期間動作できるが、長時間の過電圧運転は避けるべきである。

• 過電流： コンデンサーは、定格電流の1.3倍で長期間動作できる（高調波と過電圧の影響を考慮する）。

• 高調波： 高調波はコンデンサーの損傷の主な原因の一つである。設計時にはシステムの高調波背景を考慮し、リアクタ比を適切に設定する。運転中は高調波監視を強化する。