配電変圧器における三相負荷の不均衡による被害

I. 配電変圧器における三相負荷の不均衡による害

1. 送電損失の増加：配電変圧器の負荷損失は、変圧器の負荷電流によって変化し、負荷電流の二乗に比例します。同じ容量の変圧器の場合、三相負荷が不平衡になると、有効損失が増加します。

さらに、電線上では電力損失が発生します。不均衡が大きいほど、送電損失も大きくなります。

2. 配電変圧器の電力損失の増加：配電変圧器は低圧電力網の主要な電源供給装置です。三相負荷が不平衡な状態で運転されると、配電変圧器の損失が増加します。これは、配電の電力損失が負荷の不平衡度に応じて変化するためです。

3. 配電変圧器の出力低下: 配電変圧器の設計時には、負荷バランス運転条件に基づいて巻線構造が設計され、巻線性能は基本的に同じで、各相の定格容量は等しくなります。

配電用変圧器の最大許容出力は、各相の定格容量によって制限されます。配電用変圧器が不平衡三相負荷で運転される場合、負荷の軽い相に余剰容量が生じるため、配電用変圧器の出力が低下します。

出力低下の程度は、三相負荷の不平衡度合いに関係します。三相負荷の不平衡が大きいほど、配電変圧器の出力は低下します。したがって、三相負荷が不平衡になると、変圧器の出力容量は定格値に達せず、予備容量がそれに応じて低下し、過負荷容量も低下します。

配電用変圧器が過負荷状態で運転されると、配電用変圧器が過熱しやすく、深刻な場合には焼損に至る可能性もある。

4. 配電変圧器は零相電流を発生させます。配電変圧器は不平衡三相負荷条件下で動作し、零相電流を発生させます。電流は三相負荷の不平衡度に応じて変化し、不平衡度が大きいほど零相電流も大きくなります。

零相電流が鋼部材を通過すると、ヒステリシスと渦電流損失が発生し、配電変更部の鋼部材の局所的な温度が上昇して熱くなり、過熱により巻線絶縁の劣化が加速され、機器の寿命が短くなる。

5. 電気機器の安全な動作に影響を与える: 配電変圧器は三相負荷バランスの動作条件に基づいて設計されており、各相巻線の抵抗、漏れリアクタンス、励磁インピーダンスは基本的に同じです。

変圧器が三相負荷平衡状態で運転されている場合、その三相電流はほぼ等しく、変圧器内部の各相の電圧降下もほぼ等しくなるため、変圧器の三相電圧出力も平衡状態になります。

配電変圧器が三相負荷不平衡状態で運転されている場合、各相の出力電流が等しくなく、配電変圧器の内部三相電圧降下も等しくないため、配電変圧器の出力電圧の三相不平衡が生じます。

同時に、配電変圧器が不平衡三相負荷で運転されると、三相出力電流が異なり、中性線に電流が流れます。そのため、中性線にインピーダンス電圧降下が生じ、中性点のずれが発生し、相電圧が変化するため、電気機器の安全な動作が著しく危険にさらされます。

6. モータの効率低下：配電変圧器が不平衡三相負荷状態で稼働すると、三相出力電圧が不平衡になります。不平衡電圧がモータに入力されると、負相電圧によって正相電圧によって生成される回転磁界とは逆方向の回転磁界が発生し、ブレーキとして作用します。

しかし、正の磁場は負の磁場よりもはるかに強いため、モーターは依然として正の磁場の方向に回転します。ただし、負の磁場による制動効果により、モーターの出力は低下し、モーターの効率も低下します。

同時に、三相電圧の不平衡によって、モータの温度上昇と無効電力損失が増加します。したがって、三相電圧が不平衡な状態でモータを運転することは、非常に非経済的で危険です。

II. 三相負荷の不均衡の原因

（１）三相負荷バランスの重要性に対する理解が不十分。管理担当者が規則や規定に厳密に従って行動せず、評価要件を実施しなかった。

（２）多数の単相電気機器。近年、多数の高級・高出力の単相電気機器が一般家庭に普及している。単相負荷の消費電力が大幅に増加し、同時使用の可能性が一定でない場合、低圧電力系統の三相負荷の不均衡度が増加する可能性がある。

（３）管理担当者がプラットフォームエリアにおける三相負荷の変更規則や分布に精通していないため、特に大型単相機器などの新規単相使用者の申請を三相負荷に応じてバランスよく分配することができない。

（４）夏、冬、祝日などの一時的な電力消費と季節的な電力消費の増加、各ユーザーの電力消費の増加が不均一であるため、三相負荷の不均衡が生じる。

III．改善策

1. 非対称負荷によって引き起こされる電力系統の三相電圧不均衡に対する解決策：

（１）非対称負荷は、集中接続によって引き起こされる深刻な過剰不均衡の問題を軽減するために、異なる電源供給ポイントに分散されます。

（２）相互交換と均等化の方法を用いて、非対称負荷を各相に合理的に分配し、バランスを取るようにする。

（３）負荷アクセスポイントの短絡容量を増やす。例えば、ネットワークを変更したり、電源電圧レベルを改善したりして、システムが不均衡な負荷に耐える能力を向上させる。

2. 管理体制の強化

（１）毎年、変圧器ネットワーク図と負荷配分図を作成する専門の担当者を配置し、各相の電力使用者数や電力計のモデルなどの関連データを便利で確認しやすい表にまとめ、不足している使用者や新規の使用者がいないかを確認し、負荷の変化に合わせて適時に更新する。

（２）クランプメーターを持った担当者を配置し、少なくとも月に１回負荷試験を実施して三相負荷の不平衡をチェックする。

（３）一時的な電力消費と季節的な電力消費については、管理者は使用者、設置場所、電力消費の変化に関する基本的な状況を把握し、状況に応じて適時に調整する必要がある。

（４）新しい単相機器に電気を使用する申請を行い、負荷電力配分を適切に行い、可能な限り三相回路に均等に分配する。

3. 三相不平衡負荷を調整して「四平衡」を実現する

「四つのバランス」とは、測定点のバランス、分岐のバランス、主線のバランス、および変圧器の低圧出力側のバランスを指します。

4つのバランスのうち、重要なのは測定点と分岐のバランスであり、平均的なユーザーの電力消費量を調整の基礎として使用できます。電力消費量はクラスごとにほぼ同じなので、それぞれ三相に均等に調整します。

4. 三相線を負荷点に同時に接続します

三相負荷の対称性を得るためには、三相線を負荷点に同時に導入する必要があります。なぜなら、三相線を負荷点に同時に導入すると損失が大幅に低減されるからです。

三相4線式配電システムの配電エリアを可能な限り拡大し、単相電源主線の長さを短縮する。アクセス線は、可能な限り同一極上のu、V、W相から導入する。また、3系統の単相線の負荷は可能な限りバランスが取れるようにする。

5．電力網改修計画を合理的に設計する

変換後の三相負荷バランスを実現するためには、電力ネットワーク変換方式を合理的に設計する必要がある。設計に先立ち、負荷変動の法則と負荷分布を理解し、現地調査を実施して負荷分布を把握し、負荷分布配線図を作成する必要がある。

配線は三相負荷平衡の原則に厳密に従って行うべきであり、可能な限り各重要負荷中心に三相4線式配線を敷設すべきである。

出典：Windows on Power