電圧と電流の高調波が電気機器の動作に及ぼす影響

より高い電圧と電流の高調波は、電力システムや通信回線の要素に影響を与えます。

電力システムに対する高調波の影響の主な形態は次のとおりです。

• 並列共振および直列共振による高調波の電流と電圧の増加。

• 電気プロセスの生産、送電、使用の効率を低下させる。

• 電気機器の絶縁が劣化し、その結果寿命が短くなる。

• 機器の誤操作。

システムに対する共振の影響

電力システムの共振は、通常、コンデンサ、特に電力コンデンサの観点から考慮されます。電流の高調波がコンデンサの最大許容レベルを超えると、コンデンサの性能は低下しませんが、しばらくすると故障します。

共振が機器の損傷を引き起こす可能性があるもう 1 つの分野は、倍音負荷制御システムです。信号が電力コンデンサによって吸収されるのを防ぐために、それらの回路は同調直列フィルタ (フィルタ-«ノッチ») によって分離されています。局所共振の場合、電力コンデンサ回路内の電流の高調波が急激に増加し、直列フィルタの同調コンデンサの損傷につながります。

設備の 1 つでは、周波数 530 Hz、通過電流 100 A に調整されたフィルターが、65 kvar の 15 セクションを備えた電力コンデンサーの各回路をブロックしました。 コンデンサ これらのフィルターは 2 日後に故障しました。その理由は、周波数 350 Hz の高調波が存在し、そのすぐ近くで同調フィルタと電力コンデンサの間で共振条件が確立されたためです。

回転機械に対する高調波の影響

電圧と電流の高調波は、固定子巻線、回転子回路、固定子と回転子の鋼材で追加の損失を引き起こします。渦電流と表面効果による固定子と回転子の導体の損失は、オーム抵抗によって決まる損失よりも大きくなります。

ステータとロータのエンドゾーンで高調波によって生じる漏れ電流は、追加の損失につながります。

ステーパーとローターに脈動磁束があるテーパーローター誘導モーターでは、高調波により鋼に追加の損失が発生します。これらの損失の大きさは、スロットの傾斜角度や磁気回路の特性によって異なります。

高調波による損失の平均分布は、次のデータによって特徴付けられます。固定子巻線 14%;ローターチェーン 41%;エンドゾーン 19%。非対称ウェーブ 26%。

非対称な波の損失を除けば、同期機での損失の分布はほぼ同じです。

同期機のステータ内で隣接する奇数高調波がロータ内に同じ周波数の高調波を引き起こすことに注意してください。たとえば、ステーターの 5 次と 7 次の高調波はローターに 6 次の電流高調波を引き起こし、異なる方向に回転します。線形システムの場合、ローター表面の平均損失密度は値に比例しますが、回転方向が異なるため、一部の点での損失密度は値 (I5 + I7) 2 に比例します。

追加損失は、回転機械の高調波によって引き起こされる最もマイナスな現象の 1 つです。これらは、機械全体の温度の上昇と、おそらくローターの局所的な過熱につながります。かご型モーターでは、巻線ローターモーターよりも高い損失と温度が発生します。ガイドラインによっては、発電機の許容逆相電流レベルを 10% に、誘導電動機入力の逆相電圧レベルを 2% に制限しています。この場合の高調波の許容値は、高調波がどのレベルの逆相電圧と電流を生成するかによって決まります。

高調波によって発生するトルク。ステータ内の電流の高調波は、対応するトルクを生じます。高調波は、ロータの回転方向に正のシーケンスを形成し、逆方向に逆シーケンスを形成します。

機械の固定子の高調波電流によって駆動力が発生し、その結果、シャフトに高調波磁場の回転方向のトルクが発生します。通常、それらは非常に小さく、反対方向のため部分的にオフセットされます。ただし、モーターシャフトが振動する可能性があります。

静止機器、電力線に対する高調波の影響。送電線内の電流高調波により、電力と電圧の追加損失が発生します。

ケーブル線路では、電圧高調波は振幅の最大値の増加に比例して誘電体への影響を増大させます。これにより、ケーブル障害の数が増加し、修理コストが増加します。

EHV ラインでは、同じ理由で電圧高調波がコロナ損失の増加を引き起こす可能性があります。

変圧器に対する高調波の影響

電圧高調波は、巻線損失だけでなく、変圧器の鋼材におけるヒステリシス損失や渦電流損失の増加を引き起こします。断熱材の寿命も短くなります。

降圧変圧器では巻線損失の増加が最も重要です。これは、通常は AC 側に接続されるフィルタの存在によって変圧器の電流高調波が低減されないためです。そのため、大型の電源トランスを設置する必要があります。変圧器タンクの局所的な過熱も観察されます。

高出力変圧器に対する高調波の影響のマイナス面は、デルタ結線巻線にトリプルゼロシーケンス電流が循環することです。これは彼らを圧倒する可能性があります。

コンデンサバンクに対する高調波の影響

電気コンデンサの損失が増えると、コンデンサの過熱が発生します。一般に、コンデンサは特定の電流過負荷に耐えるように設計されています。英国で製造されたコンデンサの過負荷は 15%、ヨーロッパとオーストラリアでは 30%、米国では 80%、CIS では 30% まで許容されます。これらの値を超えると、コンデンサの入力における高調波の電圧が増加した状態で観察され、コンデンサが過熱して故障します。

電力系統保護装置に対する高調波の影響

高調波は保護装置の動作を妨げたり、保護装置の動作を損なったりする可能性があります。違反の性質は、デバイスの動作原理によって異なります。離散化データ分析またはゼロクロス分析に基づくデジタル リレーおよびアルゴリズムは、高調波の影響を特に受けやすくなります。

ほとんどの場合、特性の変化は軽微です。ほとんどのタイプのリレーは、歪みレベルが 20% までは正常に動作します。ただし、ネットワーク内の電力コンバータのシェアが増加すると、将来的には状況が変わる可能性があります。

高調波から生じる問題は通常モードと緊急モードで異なりますので、以下で個別に説明します。

緊急モードにおける高調波の影響

保護デバイスは通常、基本周波数の電圧または電流に応答し、過渡高調波はフィルタで除去されるか、デバイスに影響を与えません。後者は電気機械リレーの特徴であり、特に過電流保護に使用されます。これらのリレーは慣性が大きいため、高調波の影響をほとんど受けません。

さらに重要なのは、抵抗測定に基づく保護性能に対する高調波の影響です。抵抗が基本周波数で測定される距離保護では、短絡電流に高調波（特に 3 次）が存在すると重大な誤差が生じる可能性があります。高調波成分は通常、短絡電流がアースを流れるときに観察されます (アース抵抗が総ループ抵抗を支配します)。高調波がフィルタリングされていない場合、誤動作の可能性が非常に高くなります。

金属短絡の場合、電流は基本周波数によって支配されます。ただし、トランスの飽和により、特に一次電流の DC 成分が大きい場合に二次曲線歪みが発生します。この場合、保護の正常な動作を保証することにも問題があります。

定常状態の動作条件では、変圧器の過励磁に関連する非線形性により、奇数次の高調波のみが発生します。過渡モードではあらゆる種類の高調波が発生する可能性があり、通常、最大振幅は 2 番目と 3 番目です。

ただし、適切に設計すれば、ここに挙げた問題のほとんどは簡単に解決できます。適切な機器を選択すると、変圧器の測定に伴う問題の多くが解消されます。

特にデジタル保護における高調波フィルタリングは、距離を保護するために最も重要です。デジタル フィルタリング法の分野で行われた研究では、そのようなフィルタリングのアルゴリズムは非常に複雑であることが多いものの、望ましい結果を得るのに特に困難はないことがわかっています。

電気ネットワークの通常の動作モード中の保護システムに対する高調波の影響。通常の状態ではモードパラメータに対する保護装置の感度が低いため、これらのモードでは高調波に関連する問題は実質的に発生しません。例外は、磁化電流のサージを伴う、ネットワーク内に強力な変圧器が含まれることに関連する問題です。

ピークの振幅は、トランスのインダクタンス、巻線の抵抗、およびターンオンの瞬間に依存します。スイッチをオンにする前の瞬間の残留磁束は、瞬時電圧の初期値に対する磁束の極性に応じて、振幅をわずかに増加または減少させます。励磁中は二次側に電流が流れないため、一次電流が大きいと差動保護が誤ってトリップする可能性があります。

誤報を回避する最も簡単な方法は時間遅延を使用することですが、これにより、変圧器の電源が入っているときに事故が発生した場合、変圧器に重大な損傷が生じる可能性があります。実際には、ネットワークの特徴ではない突入電流に存在する第 2 高調波が保護機能をブロックするために使用されますが、保護機能はスイッチオン中の変圧器の内部故障に対して非常に敏感なままです。

民生機器に対する高調波の影響

テレビへの高調波の影響

ピーク電圧を増加させる高調波は、画像の歪みや明るさの変化を引き起こす可能性があります。

蛍光灯と水銀灯。これらのランプの安定器にはコンデンサが含まれている場合があり、特定の条件下では共振が発生し、ランプの故障につながる可能性があります。

コンピュータに対する高調波の影響

コンピュータやデータ処理システムに電力を供給するネットワークの歪みの許容レベルには制限があります。場合によっては、公称電圧のパーセンテージ (コンピューター IVM の場合 - 5%) またはピーク電圧と平均値の比率 (CDC は許容限界を 1.41 ± 0.1 に設定) の形式で表されます。

変換機器に対する高調波の影響

バルブの切り替え中に発生する正弦波電圧のノッチは、ゼロ電圧曲線中に制御される他の同様の機器やデバイスのタイミングに影響を与える可能性があります。

サイリスタ制御の速度機器に対する高調波の影響

理論的には、高調波はこのような機器にいくつかの形で影響を与える可能性があります。

• 正弦波のノッチは、サイリスタの失火による誤動作を引き起こします。

• 電圧高調波は失火の原因となる可能性があります。

• さまざまなタイプの機器の存在下で生じる共振は、機械のサージや振動を引き起こす可能性があります。

上記の影響は、同じネットワークに接続している他のユーザーにも影響を与える可能性があります。ユーザーがネットワーク内のサイリスタ制御機器に問題を抱えていない場合、他のユーザーに影響を与える可能性はほとんどありません。異なるバスから電力を供給されている消費者は理論的には相互に影響を与える可能性がありますが、電気的距離によりそのような相互作用の可能性は低くなります。

電力およびエネルギー測定における高調波の影響

測定デバイスは通常、純粋な正弦波電圧に合わせて校正されているため、高調波が存在すると不確かさが増大します。誤差の符号は高調波の方向によって決まるため、高調波の大きさと方向は重要な要素です。

高調波によって生じる測定誤差は、測定器の種類に大きく依存します。従来の誘導計は通常、ユーザーに歪みの原因がある場合、測定値を数パーセント (それぞれ 6%) 過大評価します。このようなユーザーは、ネットワークに歪みを導入すると自動的にペナルティを受けるため、これらの歪みを抑制する適切な手段を確立することは、ユーザー自身の利益になります。

ピーク負荷測定の精度に対する高調波の影響に関する定量的なデータはありません。ピーク負荷測定の精度に対する高調波の影響は、エネルギー測定の精度に対するものと同じであると想定されます。

電流と電圧の曲線の形状に関係なく、エネルギーを正確に測定するには、コストが高い電子メーターを使用します。

高調波は、正弦波電流と電圧の場合にのみ明確に定義される無効電力測定の精度と、力率測定の精度の両方に影響します。

この側面も重要であるにもかかわらず、研究室での機器の検査および校正の精度に対する高調波の影響についてはほとんど言及されていません。

通信回路への高調波の影響

電源回路の高調波は通信回路にノイズの原因となります。ノイズのレベルが低いと不快感を感じますが、ノイズが増加すると、送信された情報の一部が失われ、極端な場合には通信が完全に不可能になります。この点において、電力供給および通信システムの技術的変化に伴い、電力線が電話回線に与える影響を考慮する必要があります。

電話回線ノイズに対する高調波の影響は、高調波の次数によって異なります。平均して、電話、つまり人間の耳は、1 kHz 程度の周波数で最大値を持つ感度関数を持っています。騒音に対するさまざまな高調波の影響を評価するため ｃ．電話機は、特定の重みで取得された高調波の合計である係数を使用します。最も一般的な 2 つの係数は、プソフォメトリック重み付けと C 送信です。最初の要素は電話および電信システムに関する国際諮問委員会 (CCITT) によって開発され、ヨーロッパで使用されています。2 番目の要素は Bella Telephone Company と Edison Electrotechnical Institute によって米国とカナダで使用されています。

3 相の高調波電流は、振幅と位相角が異なるため相互に完全には補償できず、結果として生じるゼロ相電流 (地絡電流や牽引システムからの地絡電流と同様) により通信に影響を与えます。

この影響は、相導体から近くの通信線までの距離の違いにより、相自体の高調波電流によっても引き起こされる可能性があります。

このような影響は、ライントレースを適切に選択することで軽減できますが、ライン交差が避けられない場合には、このような影響が発生します。特に、電力線の配線が垂直に配置されている場合や、電力線の近傍で通信線の配線が転置されている場合に顕著に現れる。

線路間の距離が長い (100 m 以上) 場合、主な影響要因は零相電流であることがわかります。送電線の公称電圧が低下すると影響は小さくなりますが、低圧送電線や通信線を敷設するための共通の支柱や溝の使用により影響が顕著になることが判明しました。