THD過負荷：高調波が電力機器を破壊する仕組み

実際の電力網のTHDが制限値を超える場合（例えば、電圧THDv > 5%、電流THDi > 10%）、これは送電→配電→発電→制御→消費までの全電力チェーンにわたる機器に有機的な損傷を引き起こします。その主なメカニズムは、追加損失、共振過電流、トルクの変動、サンプリング歪みです。機器の種類によって損傷メカニズムと現象は大きく異なり、以下に詳細を記載します。

1. 送電機器：過熱、劣化、寿命の大幅な短縮

送電機器は直接電力網の電流/電圧を運びます。高調波はエネルギー損失と絶縁劣化を悪化させます。主に影響を受ける部品は送電線（ケーブル/架空線）と電流変換器（CTs）です。

1.1 送電線（ケーブル / 架空線）

• 損傷メカニズム：高調波周波数は「スキン効果」（高周波電流が導体表面に集中し、効果的な断面積を減少させる）を強化し、ライン抵抗を増加させます。高調波次数の2乗に比例して銅損失が増加します（例えば、5次の高調波銅損失は基本波の25倍）。

• 具体的な損傷：

• 過熱：THDi = 10%の場合、定格条件と比較して銅損失は20%-30%増加します。ケーブル温度は70°Cから90°Cまで上昇し（絶縁耐性を超える）、絶縁層（例えばXLPE）の劣化とクラックを加速します。

• 寿命の短縮：長期間の過熱によりケーブルの寿命は30年から15–20年に短縮され、「絶縁破壊」やショート回路故障の可能性があります。（ある工業団地では、3次の高調波が原因で1年以内に2本の10kVケーブルが焼損し、修理費用は80万RMBを超えました。）

1.2 電流変換器（CTs）

• 損傷メカニズム：高調波電流（特に3次と5次）はCT鉄心の「一時飽和」を引き起こし、ヒステリシス損失と渦電流損失（追加の鉄損失）を急激に増加させます。飽和は二次側出力波形を歪ませ、一次電流の正確な表現を妨げます。

• 具体的な損傷：

• コアの過熱：CTコア温度は120°Cを超えることがあります。これにより二次巻線の絶縁が焼け、比率の正確性が失われます。

• 保護装置の誤動作：歪んだ二次電流により保護継電器（例えば過電流保護）は「線路ショート」を誤って検出し、誤ったトリップを引き起こします。（ある配電網ではCT飽和により10系統の給電線がトリップし、2万世帯に影響を与えました。）

2. 配電機器：頻繁な故障、システム安定性の崩壊

配電機器は電力網における「上流と下流の接続」に重要な役割を果たします。THDが制限を超えると最も直接的な損傷が生じます。主に影響を受ける機器は電力変圧器、コンデンサバンク、リアクタです。

2.1 電力変圧器（配電/主変圧器）

• 損傷メカニズム：高調波電圧は変圧器コアの磁気ヒステリシスと渦電流損失（追加の鉄損失）を増加させ、高調波電流は巻線の銅損失を増加させます。これらは全体的な損失を大幅に引き上げます。三相非平衡高調波は中性線電流（最大で位相電流の1.5倍）を増加させ、局所的な過熱を悪化させます。

• 具体的な損傷：

• コアの過熱：THDv = 8%の場合、変圧器の鉄損失は15%-20%増加します。コア温度は100°Cから120°Cに上昇し、絶縁油（例えば25#変圧器油）の劣化を加速し、酸度を増加させ、絶縁強度を低下させます。

• 巻線の焼損：長期的な過熱により巻線の絶縁紙（例えばNomex）が炭化し、ショート回路を引き起こします。ある変電所の110kV主変圧器は5次の高調波が原因で3年後に巻線ショートを起こし、修理費用は500万RMBを超えました。

• 寿命の短縮：長期的なTHD超過により変圧器の寿命は20年から10–12年に短縮されます。

2.2 平行コンデンサバンク（無功補償用）

• 損傷メカニズム：容量反応は周波数と共に減少するため（Xc = 1/(2πfC)）、高周波高調波は過電流を誘発します。コンデンサが電力網のインダクタンスと「高調波共鳴」（例えば5次の共鳴）を形成すると、電流は額定値の3–5倍に増大します。

• 具体的な損傷：

• 絶縁破壊：過電流により内部の誘電体（例えばポリプロピレンフィルム）が熱され、穿孔、膨張、さらには爆発を引き起こします。（ある工業作業場では7次の高調波共鳴により1か月以内に3つの10kVコンデンサバンクが損傷し、各バンクの交換費用は15万RMBを超えました。）

• 保護機能の失敗：共鳴電流によりヒューズリンクが焼き切れ、保護機能が働かない場合、火災のリスクが高まります。

2.3 直列リアクタ（高調波抑制用）

• 損傷メカニズム：特定の高調波（例えば3次、5次）を抑制するために使用されるものの、リアクタは長期的な高調波電流により巻線の銅損失が増加します。高調波からのパルス磁界はコアの振動を強化し、機械的摩耗を引き起こします。

• 具体的な損傷：

• 巻線の過熱：THDi = 12%の場合、リアクタの銅損失は30%以上増加し、巻線温度は110°Cを超えて絶縁バーニッシュが炭化し剥がれます。

• コアの騒音と摩耗：振動周波数が高調波と結合し、大きな騒音（>85 dB）を発生します。長期的な振動によりシリコン鋼板が緩み、透過性が低下し、高調波抑制が効果的ではなくなります。

3. 発電機器：出力制限、安全リスクの増加

発電機器は電力網の「エネルギー源」です。過度なTHDは運転の安定性に悪影響を及ぼします。主に影響を受ける機器：同期発電機、再生可能インバータ（PV/風力）。

3.1 同期発電機（火力/水力発電所）

• 損傷メカニズム：電力網の高調波が発電機のスターター巻線に逆流し、「高調波電磁トルク」を生成します。このトルクが基本トルクに重なると「パルストルク」を形成し、振動を増加させます。高調波電流はまたスターター銅損失を増加させ、局所的な過熱を引き起こします。

• 具体的な損傷：

• 出力の減少：300MWユニットでTHDv = 6%の場合、パルストルクによる速度の変動（±0.5%）により出力が280MW未満に低下し、効率は5%-8%減少します。

• 巻線の過熱：スターター温度は130°Cに達することがあり（クラスA絶縁の上限105°Cを超える）、絶縁の劣化を加速し、ターン間ショート回路のリスクがあります。

• ベアリングの摩耗：振動の増加によりベアリング（例えばスリーブベアリング）の摩耗が加速し、寿命は5年から2–3年に短縮されます。

3.2 再生可能インバータ（PV / 風力）

• 損傷メカニズム：インバータは電力網のTHD（GB/T 19964-2012に基づく）に対して敏感です。接続点でのTHDv > 5%の場合、インバータは「高調波保護」をトリガーして損傷を避ける。また、高調波電圧はDC側とAC側の電力バランスを乱し、IGBTモジュールの過熱を引き起こします。

• 具体的な損傷：

• 電力網からの切断：THDv = 7%の風力発電所で、20台の1.5MWインバータが同時に切断され、1日で10万kWh以上の風力エネルギーが放棄され、約5万元の収益損失が発生しました。

• IGBTの焼損：長期的な高調波下での運転によりIGBTモジュール（核心部品）のスイッチング損失が増加し、温度が150°Cを超えて「熱破壊」のリスクがあります。インバータごとの修理費用は10万元以上です。

4. 制御機器：サンプリング歪み、システムの故障

制御機器は電力網の「脳と神経系」のような役割を果たします。過度なTHDはサンプリングデータの歪みと異常な命令伝送を引き起こします。主に影響を受ける機器：保護継電器、自動化通信システム。

4.1 保護継電器（過電流/差動保護）

• 損傷メカニズム：高調波電流によりCTの一時飽和が発生し、サンプリングされた電流波形（例えば平らな波形）が歪む。これにより保護アルゴリズムが振幅と位相を誤判定し、誤った動作を引き起こす。高調波電圧はまた継電器の電源に干渉し、論理回路の故障を引き起こす可能性がある。

• 具体的な損傷：

• 誤トリップ：THDi = 12%の配電網でCTの飽和によりサンプリング出力が歪み、過電流保護が「線路ショート」を誤って検出して10系統の給電線がトリップし、2万世帯に4時間の停電が発生し、間接的な経済損失は200万元を超えた。

• トリップ失敗：高調波干渉により継電器の電源に±10%の電圧変動が発生した場合、論理回路がクラッシュし、実際の故障時にトリップしない可能性があり、故障が拡大する。

4.2 自動化通信機器（RS485 / 光ファイバーモジュール）

• 損傷メカニズム：高調波からの電磁放射（例えば10V/mのRF干渉）が通信線に結合し、データ伝送中の「ビット反転」を引き起こす。高調波電圧はまたクロックモジュールを混乱させ、同期エラーを増加させる。

• 具体的な損傷：

• ビットエラーレートの増加：高調波干渉により、配電自動化システムのRS485通信のビットエラーレートが10⁻⁶から10⁻³に上昇し、指令（例えば「キャパシタスイッチ調整」）の遅延または喪失が発生した。

• モジュールの焼損：高周波高調波は通信モジュールの信号隔離回路（例えばフォトカプラ）を破壊し、故障を引き起こす。ある変電所では5次の高調波干渉により1か月以内に8個の光ファイバーモジュールが破壊された。

5. 最終使用機器：性能の低下、生産事故

最終使用機器は電力網の「末端負荷」を代表します。産業機器や精密機器は過度なTHDにより最も深刻な影響を受けます。主に影響を受ける機器：産業用モーター、精密機器（リソグラフィ装置/医療MRI）。

5.1 産業用モーター（誘導/同期モーター）

• 損傷メカニズム：高調波電圧はモーターのスターター巻線に「高調波電流」を生成し、「負の順序回転磁界」を形成します。これが基本磁界と重なると「ブレーキトルク」を生成し、速度の変動と振動の増加を引き起こします。高調波電流はまたスターター/ロータの銅損失を増加させ、全体的な過熱を引き起こします。

• 具体的な損傷：

• 効率の低下：THDv = 7%の100kW誘導モーターの場合、効率は92%から85%未満に低下し、年間で5万kWh以上の余分な電力を消費する（0.6元/kWhで計算すると、年間の追加電力コストは3万元）。

• 焼損：ある製鉄所のロールミルモーターは、7次の高調波の長期暴露により6か月以内に2回焼損し、スターター温度は140°Cに達しました。各モーターの交換費用は200万元以上でした。

• 振動と騒音：モーターの振動加速度は0.1gから0.5gに増加し、騒音は90dBを超えて作業環境に影響を与え、基礎の摩耗を加速させます。

5.2 精密機器（半導体リソグラフィ装置/医療MRI）

• 損傷メカニズム：これらの装置は非常にクリーンな電圧（THDv ≤ 2%）を必要とします。高調波は内部電源のリップルを増加させ、ADCサンプリング精度を低下させ、最終的には機能を損ないます。

• 具体的な損傷：

• 精度の低下：THDv = 4%の半導体リソグラフィ装置では、レーザー定位精度が0.1μmから0.3μmに低下し、ウェハの生産率が95%から80%に低下し、1日に50万元以上の生産価値を失いました。

• 装置の停止：高調波はMRI勾配コイルの電流変動を引き起こし、明瞭な画像を得られなくなり、停止を余儀なくしました。（ある病院では3次の高調波超過によりMRI操作が2日間停止し、診断収入として10万元以上を失いました。）

要約：THDによる機器損傷の核心的なルール

• インダクティブ機器（変圧器、モーター、リアクタ）：「追加損失」に脆弱 — 高調波は鉄/銅損失を増加させ、過熱と劣化が主な損傷です。

• キャパシティブ機器（コンデンサ）：「共振過電流」に脆弱 — 高調波は容易に共振を引き起こし、過電流による絶縁破壊が主な損傷です。

• 制御機器（継電器、通信システム）：「サンプリング歪み」に脆弱 — 高調波はデータを歪め、誤動作または動作不能を引き起こします。

• 精密機器（リソグラフィ装置、MRI）：「波形歪み」に脆弱 — 高調波は電圧リップルを増加させ、精度の低下を引き起こします。

したがって、電力網は以下の二重戦略を採用する必要があります：
「高調波監視（THD測定誤差を±0.5%以内に制御） + アクティブフィルタリング（APF）/パッシブフィルタリング」
これにより、THDvを国の基準値である5%以内に保ち、機器の損傷を根本的に防ぎます。