電力システムにおける三相不平衡の悪影響とは何か？

電力システムにおける三相不平衡は、線路での電力損失の増加、配電変圧器での電力損失の増加、配電変圧器の出力容量の低下、配電変圧器での零相電流の発生、電気設備の安全運転の阻害、電動機の効率低下など、多くの悪影響を引き起こします。では、電力システムにおける三相不平衡をどのように緩和すればよいのでしょうか？南通智峰電力科技有限公司が提供する以下のセクションでは、三相不平衡がもたらす害とその改善方法について詳しく説明しています。

電力システムにおける三相不平衡が引き起こす害：

1. 線路における電力損失の増加

三相4線式の電力供給ネットワークにおいて、電流が線路導体に流れるとき、インピーダンスの存在により必然的に電力損失が発生し、この損失は電流の二乗に比例します。低圧ネットワークが三相4線式で供給される場合、単相負荷の存在により三相負荷のアンバランスが必然的に生じます。このようなアンバランスな負荷条件では、中性線導体に電流が流れます。これにより、相導体での損失だけでなく、中性線導体での損失も生じるため、電力ネットワーク全体の線路損失が増加します。

2.配電変圧器における電力損失の増加

配電変圧器は低圧ネットワークにおける主要な電源設備です。三相負荷アンバランスの状態で運転を行うと、変圧器損失が増加するため、変圧器の電力損失は負荷アンバランスの度合いによって変化するからです。

3. 配電トランス出力の削減

配電変圧器の設計において、その巻線構造は平衡負荷運転条件に基づいており、各相の巻線性能は基本的に均一であり、定格容量も等しくなっている。配電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る。配電変圧器が三相負荷不平衡の条件で運転される場合、軽負荷の相には余剰容量が生じ、これにより変圧器の出力が低下する。出力低下の程度は三相負荷の不平衡度に関係しており、不平衡度が大きくなるほど配電変圧器の出力は多く減少する。その結果、三相負荷不平衡下で運転される際、配電変圧器の出力容量は定格値に達成できず、予備容量もそれに応じて減少し、過負荷能力も低下する。配電変圧器が過負荷状態で運転された場合、変圧器の発熱を引き起こす可能性が高く、深刻な場合には変圧器の焼損に至ることもある。

配電トランスによる零相電流の発生

配電変圧器が三相負荷不平衡状態で運転されるとき、零相電流が発生します。この電流は三相負荷の不平衡度に応じて変化し、不平衡度が大きくなるほど零相電流は大きくなります。運転中の配電変圧器に零相電流が存在する場合、その鉄心に零相磁束が発生します。（高圧側には零相電流は存在しません。）このため、零相磁束は油タンクの壁と鋼製構造部材のみを通じて通過することを強いられます。鋼製部材の透磁率は比較的低いため、零相電流がこれらの鋼製部材を通じて通過する際にヒステリシス損と渦電流損が発生し、局所的な温度上昇により変圧器の鋼製部材が加熱されます。配電変圧器巻線の絶縁は過熱により劣化が促進され、装置の寿命が短くなる原因となります。さらに、零相電流の存在により配電変圧器の損失が増加します。

5. 電気設備の安全な運転への影響

配電変圧器は、各相巻線の抵抗、漏れリアクタンスおよび励磁インピーダンスが基本的に同一である、平衡三相負荷運転条件に基づいて設計されている。配電変圧器が三相平衡負荷下で運転する場合、三相の電流は基本的に等しく、変圧器各相内の電圧降下も基本的に同一であるため、変圧器の三相出力電圧は平衡している。もし配電変圧器が三相不平衡負荷下で運転した場合、各相の出力電流は等しくなくなり、変圧器各相の内部電圧降下に差が生じ、必然的に変圧器出力端における三相電圧の不平衡が発生する。

同時に、配電変圧器が三相負荷不平衡の状態で運転すると、三相出力電流が等しくなり、中性線導体に電流が流れる結果となります。これにより中性線導体にインピーダンスによる電圧降下が生じ、中性点のシフトを引き起こし、各相の位相電圧が変化します。重負荷側の相電圧は低下し、軽負荷側の相電圧は上昇します。電圧不平衡の状態で給電すると、高電圧側の相に接続された電気機器が損傷しやすくなる一方で、低電圧側の相に接続された機器は正常に動作しない可能性があります。したがって、三相負荷不平衡の状態での運転は、電気機器の安全な運転に重大な支障をきたします。

6. 電動機効率の低下

配電変圧器が三相負荷不平衡状態で運転すると、出力電圧に三相不平衡が生じます。不平衡電圧は正相、逆相および零相の電圧成分を含んでおり、このような不平衡電圧が電動機に印加されると、逆相電圧によって正相電圧が生成する磁界とは反対方向の回転磁界が発生し、ブレーキ作用を及ぼします。しかし、正相磁界が逆相磁界よりはるかに強いことから、電動機は正相磁界の方向に回転を続けます。逆相磁界のブレーキ作用により、電動機の出力は必然的に低下し、効率も減少します。同時に、三相電圧不平衡度に応じて、電動機の温度上昇および無効電力損失も増加します。したがって、三相電圧不平衡の条件下で電動機を運転することは非常に非経済的かつ非安全的です。