無効電力補償装置の現在の開発状況

補償装置で現在使用されている低圧電力用コンデンサはすべてメタライズドコンデンサです。メタライズドコンデンサは小型でコスト効果があり、自己回復特性を備えているため、広く採用されています。

メタライズドコンデンサの電極板はナノメートルスケールの厚さを持つ真空蒸着アルミニウム薄膜で構成されています。アルミニウム薄膜は非常に薄いため、誘電体フィルムに欠陥によって局所的な破壊が生じた場合、欠陥周囲のアルミニウム薄膜が蒸発して短絡故障を防止します。この現象は自己回復効果と呼ばれます。

メタライズドコンデンサの電極リードアウト工程では、巻芯素子の巻き取り後に両端に金属製の導電層をスプレーして形成し、その後、リード線をその導電層にろう付します。電極板の電流が素子中心から両端に向かって流れるため、電極板のアルミニウム薄膜は非常に薄く、抵抗損失が比較的大きいため、抵抗損失を最小限に抑えるために巻芯素子を短く太い形状に巻くことが望ましいとされます。一方で、極めて薄いアルミニウム薄膜の電極板は機械的強度が限られているため、端面の導電層と電極板との間に強固な接続を確立することが難しく、巻芯素子が加熱により不均等な変形を起こすと、導電層と電極板の間で局所的な剥離が生じやすく、故障の原因となります。この観点からは、巻芯素子を細長く巻くことが好ましいといえます。

メタライズド電力用コンデンサには、矩形（長方形）と円筒形の2つの構造タイプがあります。矩形コンデンサ内部の素子は細長く、並列に配置されているため、一般的な用途に適しています。円筒形コンデンサ内部の素子は短く太く、直列接続されているため、深刻な高調波が発生する環境に適しています。

メタライズドコンデンサの運用中に発生する主な問題は、静電容量の低下です。すべてのメタライズドコンデンサは自己修復プロセスにより時間経過とともに容量が減少しますが、その程度には差があります。品質の低いコンデンサの中には、端部導電層が電極板から剥離してしまい、定格容量の半分、3分の1、あるいはゼロになるような故障を起こすものもあります。同一メーカーのコンデンサにおいては、単体容量が大きいほど素子が長くなり、直径も太くなります。素子が長くなると抵抗損失が増加し、一方で太い素子では端面の導電層の面積が大きくなり、素子内部と外部との温度差も大きくなるため、導電層が電極板から剥離しやすくなります。したがって、単一の大型コンデンサを使用するよりも、複数の小型コンデンサを並列に使用するほうが信頼性が高いといえます。メタライズドコンデンサは短絡や爆発による故障が比較的少ない特徴があります。

最も初期の無効電力補償コントローラーは力率制御に基づいて設計されており、これらのコントローラーは今日においても低コストであるため使用されています。ただし、力率に基づいて制御を行うと、軽負荷時の発振問題が発生します。例えば、補償装置において最も小さなコンデンサ容量が10 kvarであり、負荷の誘導性無効電力が5 kvar、力率が遅れ0.5であるとします。この時点でコンデンサを投入すると、力率は進み0.5となり、コンデンサを開放すると再び力率は遅れ0.5に戻ります。その結果、このような発振動作が無限に繰り返されてしまいます。

現代の無効電力補償コントローラーは無効電力に基づいて動作し、補償装置内に設置されたコンデンサ容量を設定できる機能が必要になります。これにより、負荷の無効電力に応じてコンデンサの投入・開放が可能となり、軽負荷時の発振現象を解消することができます。

技術の継続的な進歩により、無効電力補償コントローラの追加機能は増加し続けており、データ保存、データ通信、高調波検出、電力測定など多岐にわたっています。制御部品は初期の小規模な集積回路から、8ビットマイコン、その後16ビットマイコン、次に16ビットDSP、最終的に32ビットマイコンへと進化してきました。現在、32ビットマイコンの価格は1個あたり30元をわずかに超える程度まで下落しており、コントローラのハードウェアコストへの影響は非常に小さくなっています。その性能は8ビットマイコンのそれを100倍以上上回っています。現在、広範な採用を妨げる主な障壁は、技術開発の複雑さが高いことです。

無効電力補償装置の継続的な普及に伴い、補償装置を他の機器と統合する取り組みは必然的な趨勢となっています。例えば、補償装置と計測用ボックスや開閉器ボックスなどの機器との統合が挙げられます。統合された装置はコスト削減、スペースの節約、配線の低減、保守作業量の削減などの利点があります。統合装置の設計・製造において技術的な課題は存在しませんが、統一された規格が存在しないため、メーカーは受注に基づいてのみ生産を行うことができます。