高調波THDの影響：電力網から設備まで

Edwiin

フィールド: 電源スイッチ

China

電力システムに対する高調波THD誤差の影響は、2つの側面から分析する必要があります。「実際の電力網THDが基準値を超える（過度な高調波含有）」と「THD測定誤差（不正確な監視）」です。前者は直接的にシステム機器や安定性に損傷を与え、後者は「誤報または見落とし」により不適切な対策を招きます。これら2つの要因が組み合わさると、システムリスクが増大します。その影響は発電→送電→配電→消費という全電力チェーンに及び、安全性、安定性、経済性に影響を与えます。

主要な影響1：過度な実際のTHD（高い高調波含有）による直接的な害

電力網のTHDv（電圧総高調波歪率）が国標準（公共電力網では≤5%）を超えたり、THDi（電流総高調波歪率）が機器の許容範囲（例えば変圧器は≤10%）を超えると、システムハードウェア、運転安定性、エンドユーザー機器に物理的な損傷を与えます。

送電システム：損失の増加と過熱

銅損失の増加：高調波電流は送電線（例えば110kVケーブル）で「皮膚効果」を引き起こし、導体表面に高周波電流が集中し、抵抗と銅損失が高調波次数とともに増加します。
例： THDiが5%から10%に上昇すると、線路の銅損失は20%-30%（I²R計算）増加します。長期運用により導体温度が上昇（例えば70°Cから90°C）、絶縁劣化が加速し、線路寿命が短縮されます（30年から20年）。
電圧降下の悪化：高調波電圧が基本電圧に重ね合わされ、負荷端での波形が歪む。敏感なユーザー（例えば半導体工場）は不規則な電圧により設備停止を経験し、単一の事故でも数十万円の損失を被ります。

配電機器：過熱、損傷、寿命の短縮

変圧器故障リスク：
高調波電流は「追加鉄損」（渦電流損失は高調波周波数の2乗に比例して増加）を増加させます。THDv=8%の場合、変圧器の鉄損は定格条件比で15%-20%増加し、コア温度が上昇（例えば100°Cから120°C）、絶縁油の劣化が加速し、部分放電や焼損（例えばある変電所が第5高調波により10kV変圧器を失い、直接損失が数百万元）を引き起こす可能性があります。
三相不平衡高調波も中性線電流を増加させ（最大1.5×相電流）、中性線の過熱や断線を引き起こし、三相電圧のバランスを崩します。
コンデンサバンクの共振損傷：
コンデンサーは高調波に対してインピーダンスが低く、電力網のインダクタンスと容易に「高調波共振」を形成します（例えば第5高調波共振によりコンデンサー電流が額定値の3–5倍に達する）。これにより絶縁破壊や爆発が生じます。ある工業工場では1ヶ月で第7高調波共振により3つの10kVコンデンサバンクが損傷し、修理費用が50万元以上になりました。

発電機器：出力の変動と効率の低下

同期発電機の出力制限：
電力網の高調波が発電機のスタータ巻線に逆流し、「高調波トルク」を生成し、振動（回転速度の変動±0.5%）を増加させ、出力を減少させ（例えばTHDv=6%で300MWユニットが280MWに減少）、スタータ温度が上昇し、発電機の寿命に影響を与えます。
再生可能エネルギーインバーターの接続失敗：
太陽光/風力インバーターは電力網のTHDに敏感です。接続点のTHDv＞5%の場合、インバーターは「高調波保護」をトリガーし切断します（GB/T 19964-2012に基づく）。これにより再生可能エネルギーの制約が生じます（例えば第3高調波により風力発電所が1日で10万kWh以上の発電量を失いました）。

制御システム：誤動作によるシステム障害

リレー保護の誤動作：
高調波電流は電流変換器（CT）の一時飽和を引き起こし、過電流または差動保護におけるサンプリングの不正確さを引き起こします。例えば、第5高調波電流が重ね合わされると二次CT電流が歪み、過電流保護が「線路短絡」を誤って検出しトリップし、広範な停電を引き起こします（例えばTHDi=12%により配電網で10フィーダーのトリップが発生し、2万世帯に影響）。
自動化システム通信の干渉：
高調波は制御通信線（例えばRS485、ファイバー）に電磁結合し、データエラーレートを増加させ（10⁻⁶から10⁻³へ）、ディスパッチ命令の遅延や破損を引き起こします（例えば「故障線路遮断」命令が届かず、障害が拡大）。

エンドユーザ機器：性能の低下と頻繁な故障

産業用モーターの過熱と焼損：
高調波電圧下で非同期モーターは「負の順序トルク」を生成し、回転速度の変動、振動の増加、スタータ銅損失の増加を引き起こします。THDv=7%の場合、モーター効率は5%-8%低下し、温度は20–30°C上昇し、寿命は半減します（例えばある鋼鉄工場で第7高調波により6ヶ月で2台のロールミルモーターが焼損し、修理費用が2百万元以上）。
精密機器の精度低下：
半導体露光装置や医療MRIシステムのような敏感な機器は非常に清潔な電圧（THDv≤2%）を必要とします。過度のTHDvは測定誤差を増加させます。例えば、露光装置のエッチング精度が高調波電圧により0.1μmから0.3μmに低下し、製品収率が95%から80%に減少します。

主要な影響2：THD測定誤差（不正確な監視）による間接的なリスク

THD測定誤差（例えば実際のTHDv=6%が4%と測定され、誤差=-2%）は「偽の適合」または「過剰な対策」を引き起こし、リスクを増大させたり経済的浪費を引き起こします。つまり、「データの歪曲が悪い決定を引き起こす」ということです。

超過の未検出：遅延した対策、悪化した被害
測定されたTHDが実際よりも低い場合（例えば実際のTHDv=6%が-1%の誤差で5%と表示される）、これは「高調波適合」を偽示し、フィルター設置（例えばAPF）を遅らせます。これにより長期的な高調波蓄積が発生します：

短期的には：変圧器、コンデンサーなどの老化加速と故障率の増加。
長期的には：システム共鳴のリスクがあり、地域の電力網の崩壊を引き起こす可能性があります（例えば第3高調波の未検出により2年後に地域の電力網で共鳴が発生し、5つの変電所がオフラインになりました）。

超過の誤報：過投資、無駄なコスト
測定されたTHDが実際よりも高い場合（例えば実際のTHDv=4%が+1%の誤差で5%と表示される）、これは「高調波超過」を偽示し、不要なフィルター設置を引き起こします：

経済的浪費：10kV/100A APFは約50万元かかりますが、対策が必要ない場合、設備は使用されません（年間メンテナンス費用は2万元）。
システムの攪乱：余分なフィルターは新しい共鳴点を形成し（例えば第5高調波フィルターの設置により第7高調波共鳴が発生）、新たなリスクを引き起こします。

データの歪曲：電力網計画とディスパッチへの影響
THD測定誤差は高調波分布データを歪め、長期計画に影響を与えます：

例：ある地域の監視結果は平均THDi=8%（実際は6%）であり、高調波抑制容量の過剰提供（2つの追加フィルターステーションの建設、投資は1千万元以上）につながります。
ディスパッチでは、不正確なTHDデータにより正確な高調波源の特定が困難になり（例えば太陽光発電所を誤って非難し、出力を制限）、再生可能エネルギーの統合に影響を与えます。

主要な影響3：経済的損失—直接コストから間接的な損失まで

高調波THD誤差（過度な高調波と測定誤差を含む）は、設備損傷、エネルギー消費の増加、生産停止を通じて大きな経済的損失を引き起こします。これらの損失は以下の3つのコストカテゴリーで定量化できます：

損失タイプ	具体的なパフォーマンス	数量化例（10kV産業ユーザーを例に）
直接的な設備コスト	変圧器、コンデンサー、モーターなどの焼損/交換	THDv=8%の場合、年間の設備交換コストは5-20百万円増加します（2つの変圧器+3セットのコンデンサーを基に計算）。
追加のエネルギー消費コスト	線路および変圧器の銅損失/鉄損失の増加	THDi=10%の場合、年間の追加電力消費は10万-50万kWh増加します（年間電力消費量1千万kWh、電力料金0.6元/kWhを基に計算し、年間追加電力料金は6万-30万元）。
生産停止損失	敏感な設備の停止と生産ラインの中断	半導体工場の露光装置が高調波により1時間停止し、ワッフル出力価値が50万元を超える損失を被ります。