Question 1

配電系統に高調波電流を発生させる原因となる負荷として、最も適切なものはどれか。

Accepted Answer

半導体で電流を制御する整流器やインバータ装置。【詳細解説】高調波とは、基本波（50Hzまたは60Hz）の整数倍の周波数を持つ電流や電圧のことです。正弦波の電圧を加えたときに正弦波でない電流が流れる負荷、すなわち非線形負荷が発生源になります。半導体を用いた整流器やインバータは、電圧がある値を超えたときだけ電流を流すような動作をするため、電流の波形が正弦波から大きく崩れます。この崩れた波形を分解すると、基本波のほかに多くの高調波成分が含まれていることが分かります。パソコンの電源、インバータエアコン、可変速の電動機駆動装置、アーク炉などが代表例です。白熱電球や電熱器は加えた電圧に比例した電流が流れる線形負荷なので、高調波はほとんど発生しません。誘導電動機も一定速度で運転している限り波形の崩れは小さく、進相コンデンサは高調波を発生させるのではなく、系統に流れている高調波を吸い込んで被害を受ける側の機器です。【他の選択肢が不適切な理由】白熱電球や電熱器は加えた電圧に比例した電流が流れる線形の負荷なので、電流の波形も正弦波のままです。三相誘導電動機も一定の速度で回っている限り波形の崩れはわずかで、発生源として問題になることはありません。進相コンデンサは高調波を出す側ではなく、周波数が高いほど電流を通しやすいという性質のために系統の高調波を吸い込み、被害を受ける側に回る機器です。

Question 2

三相3線式の高圧配電系統において、進相コンデンサの過熱などの障害を起こしやすく、特に問題となる高調波の次数の組合せはどれか。

Accepted Answer

第5調波と第7調波。【詳細解説】三相の整流器は、三つの相で対称に動作するため、電流波形が正と負で同じ形になります。このような波形には偶数次の高調波は含まれず、奇数次だけが残ります。さらに、3の倍数の次数（第3調波、第9調波など）は三相の各相で位相がそろう零相成分になるため、中性線を持たない三相3線式では行き場がなく、変圧器のデルタ結線の中を循環して外へは出ていきません。その結果、三相3線式の系統に実際に流れ出す主な高調波は第5調波と第7調波になり、これらが進相コンデンサや直列リアクトルの過熱、変圧器のうなりや過熱の原因になります。特に第5調波は大きさが最も大きく、直列リアクトルの容量を決めるときの基準にもなっています。「三相3線式に出てくるのは5次と7次、三相4線式の中性線に集まるのは3次」と対にして覚えると整理しやすくなります。【他の選択肢が不適切な理由】第2調波や第4調波のような偶数次は、電流の波形が正と負で対称であればそもそも含まれません。第3調波や第9調波のように3の倍数の次数は、三相で位相がそろう零相成分となるため、中性線のない三相3線式では変圧器のデルタ結線の中を循環し、系統へは出ていきません。第6調波や第8調波も偶数次であり、同じ理由から主な障害の原因にはなりません。

Question 3

三相4線式の回路で、中性線に第3調波の電流が集まりやすい理由として、正しいものはどれか。

Accepted Answer

各相の第3調波が同相となり、中性線で加え合わされるため。【詳細解説】三相の各相は基本波では120度ずつずれています。第3調波はこの位相差が3倍になるので360度ずれ、結果として三相とも同じ位相になります。位相がそろった電流は打ち消し合わず、中性線で単純に足し算されて流れます。基本波が平衡していれば中性線の電流は零になりますが、第3調波だけは各相の和がそのまま残るため、条件によっては相電流を上回る大きさの電流が中性線に流れることがあります。パソコンやLED照明のように単相の整流回路を持つ機器を各相に分けて多数つないだ建物で問題になりやすく、中性線の過熱や焼損につながります。中性線には過電流遮断器を施設しない決まりがあるため、この過熱は保護装置で検出されにくいという危険もあります。対策としては中性線を相導体より太くする、機器側で高調波を抑えるなどの方法がとられます。打ち消し合うという説明は、位相のそろった成分に対しては成り立ちません。【他の選択肢が不適切な理由】打ち消し合うという説明は、位相のずれた基本波には当てはまりますが、位相のそろった成分には成り立ちません。中性線の抵抗が小さくなるという説明も、導体の抵抗は周波数でほとんど変わらず、むしろ表皮効果によって高い周波数ほど大きくなります。第3調波の電圧が高いという事実もなく、絶縁が弱くなるから電流が集まるという因果も成り立ちません。

Question 4

基本波に対するリアクタンスが100Ωの高圧進相コンデンサに、基本波に対するリアクタンスが6Ωの直列リアクトルを接続した。この直列回路の第5調波に対する合成リアクタンスの大きさと性質の組合せとして、正しいものはどれか。

Accepted Answer

10Ωで誘導性となる。【詳細解説】リアクトルのリアクタンスは周波数に比例し、コンデンサのリアクタンスは周波数に反比例します。第5調波は基本波の5倍の周波数なので、リアクトルは6Ω×5＝30Ω、コンデンサは100Ω÷5＝20Ωになります。直列回路の合成リアクタンスは差をとって30－20＝10Ωで、誘導性側が大きいので回路全体は誘導性です。これが直列リアクトルを6％にする理由です。リアクトルの割合をkとすると、第5調波では誘導性が5k、容量性が1÷5＝0.2となり、誘導性になる条件はk＞0.04、つまり4％を超えることです。実際には周波数の変動やコンデンサ容量の誤差があるため、余裕をみて6％を標準としています。50Ωは二つのリアクタンスを引かずに足してしまった値、70Ωはコンデンサ側を5分の1にせず100Ωのまま引いた値です。もし直列リアクトルがなければ回路は第5調波に対して容量性となり、系統の誘導性リアクタンスと共振して高調波電流が拡大し、コンデンサが焼損します。【他の選択肢が不適切な理由】第5調波ではリアクトルが30Ω、コンデンサが20Ωとなり、大きいほうの性質が残るため回路は誘導性になります。容量性とする組合せはこの大小関係を逆に読んだもので、実際にそうなると系統のインダクタンスと共振して高調波が拡大します。50Ωは二つを引かずに足した値、70Ωはコンデンサ側を5分の1にせず100Ωのまま引いた値です。周波数が5倍になると二つのリアクタンスが逆向きに動く点が要点です。

Question 5

配電系統に高調波が多く含まれるときに生じる障害として、最も適切なものはどれか。

Accepted Answer

進相コンデンサや直列リアクトルが過熱し焼損する。【詳細解説】進相コンデンサは周波数が高いほどリアクタンスが小さくなるため、高調波電流を通しやすい性質を持っています。系統に高調波があると、コンデンサ回路に基本波よりはるかに大きな割合の高調波電流が流れ込み、コンデンサ本体と直列リアクトルの両方が過熱します。変圧器についても、鉄心の中で高調波による磁束が渦電流損とヒステリシス損を増やすため、鉄損は減るどころか増加し、うなりも大きくなります。鉄損が減るという記述はこの点で誤りです。三相誘導電動機の同期速度は基本波の周波数と極数だけで決まるので、高調波があっても上がりません（高調波は損失と発熱を増やす方向に働きます）。誘導形電力量計は高調波によって多少の誤差を生じますが、円板が止まって計量できなくなることはありません。そのほかの代表的な障害には、中性線の過熱、保護継電器や電子機器の誤動作、通信線への雑音の誘導があります。【他の選択肢が不適切な理由】三相誘導電動機の同期速度は基本波の周波数と極数だけで決まるため、高調波があっても上がることはなく、損失と発熱が増える方向に働きます。変圧器では高調波によって渦電流損とヒステリシス損が増えるので、鉄損は減るどころか増え、うなりも大きくなります。誘導形の電力量計は高調波によっていくらか誤差を生じますが、円板が止まって計量できなくなることはありません。

Question 6

三相回路における電圧不平衡率の定義として、正しいものはどれか。

Accepted Answer

逆相電圧を正相電圧で除し、百分率で表したもの。【詳細解説】三相の電圧が大きさも位相もそろっていない状態を電圧不平衡といいます。三相の電圧は、正相分（本来の回転方向の成分）、逆相分（逆向きに回る成分）、零相分（三相が同相の成分）の三つに分けて考えることができ、不平衡の度合いは逆相電圧を正相電圧で割った値を百分率で表して評価します。逆相分は三相誘導電動機に対して回転と逆向きのトルクを発生させるため、出力の低下と回転子の発熱を招きます。単相の大容量負荷を三相の一部の相だけに接続したときなどに大きくなるので、単相負荷はできるだけ各相に均等に振り分けます。零相電圧を用いる指標は地絡の検出に使われるもので、不平衡率とは別の量です。線間電圧の最大と最小の比は簡易な目安にはなりますが、位相のずれを反映できません。高調波電圧を基本波電圧で割った値は、不平衡ではなく波形のひずみ率を表します。【他の選択肢が不適切な理由】零相電圧を用いる指標は地絡の検出に使われるもので、三相が同相になる成分に着目しており、不平衡の度合いを表す量ではありません。線間電圧の最大と最小の比は簡単な目安にはなりますが、大きさの違いしか見ておらず、位相のずれを反映できません。高調波電圧を基本波電圧で割った値は波形のひずみ率で、評価している対象そのものが違います。

Question 7

電圧フリッカに関する記述として、正しいものはどれか。

Accepted Answer

アーク炉のような急変する負荷が原因で照明がちらつく。【詳細解説】電圧フリッカは、電源電圧が短い周期で繰り返し変動することによって、照明の明るさがちらついて見える現象です。人の目は毎秒10回前後の明るさの変動に最も敏感なため、わずかな電圧変動でも不快に感じられます。原因になるのは、負荷電流が激しく変動する設備です。製鋼用のアーク炉、大形の抵抗溶接機、頻繁に起動と停止を繰り返す圧延機用の電動機などが代表例で、これらの電流変動が配電線路のインピーダンスによる電圧降下を変動させることで生じます。対策としては、専用の変圧器や専用線で供給して他の需要家から切り離す、供給側の系統を強くしてインピーダンスを下げる、静止形無効電力補償装置で無効電力の変動を打ち消す、といった方法がとられます。落雷による短時間の電圧低下は瞬時電圧低下、波形の崩れは高調波によるひずみ、相ごとの電圧の差は電圧不平衡であり、それぞれ別の電力品質の問題です。【他の選択肢が不適切な理由】落雷による送電線の事故で電圧が一瞬下がるのは瞬時電圧低下で、繰り返し変動するのではなく短時間で復帰する現象です。整流器の高調波によって波形が崩れるのは波形ひずみで、電圧の大きさが周期的に上下することを説明しません。三相の負荷が偏って相ごとに電圧の差が出るのは電圧不平衡です。いずれも電力品質の問題ではありますが、照明のちらつきの原因にはあたりません。

Question 8

瞬時電圧低下に関する記述として、正しいものはどれか。

Accepted Answer

送電線の落雷事故により、ごく短時間だけ電圧が下がる。【詳細解説】瞬時電圧低下は、送電線や配電線で短絡や地絡の事故が起きたときに、保護継電器と遮断器がその区間を切り離すまでの間だけ、事故点の周辺の広い範囲で電圧が下がる現象です。落雷が最も多い原因で、継続時間は事故除去に要する時間、すなわち数十ミリ秒から長くても1秒程度です。時間は短くても、電磁接触器が復帰したり、コンピュータや半導体製造装置が停止したりして、生産設備に大きな損害を与えることがあります。事故が起きる限り完全になくすことはできないため、需要家側では無停電電源装置や瞬低補償装置を設ける、電磁接触器を遅延復帰形にするといった自衛の対策をとります。力率が悪いことによる電圧低下や、変圧器のタップの選定による電圧の高低は、いずれも常時続く定常的な電圧の問題であり、瞬時の現象ではありません。高調波は波形をひずませますが、実効値を徐々に下げていくものでもありません。【他の選択肢が不適切な理由】力率が悪いために電圧が低いという状態も、変圧器のタップの選び方による電圧の高低も、常時続く定常的な問題であり、数十ミリ秒から1秒程度で復帰する瞬時の現象とは時間の尺度がまったく違います。高調波は波形をひずませるものであって、実効値を徐々に下げていくものではありません。原因が系統側の事故にあり、需要家側では防ぎきれない点も、この現象の特徴です。

Question 9

電圧波形の総合ひずみ率の求め方として、正しいものはどれか。

Accepted Answer

全高調波成分の実効値を基本波の実効値で除して求める。【詳細解説】ひずんだ波形は、基本波と多くの高調波の重ね合わせとして表すことができます。総合ひずみ率は、含まれるすべての高調波成分をまとめた実効値を、基本波の実効値で割り、百分率で表した値です。各次数の高調波の実効値は互いに周波数が異なるため単純な足し算はできず、それぞれを二乗して合計し、その平方根をとった値を全高調波成分の実効値として使います。値が零に近いほど正弦波に近く、大きいほど波形が崩れていることを表します。基準を基本波にとる点が重要です。波形の最大値を基準にすると波高値の影響を受けてしまい、ひずみの程度を正しく比較できません。分母と分子を入れ替えた形も定義とは逆で、波形が正弦波に近いほど値が大きくなってしまい、指標として使えません。特定の二つの次数の比は、その二つの関係を見ることはできても、波形全体の崩れ具合を表すものにはなりません。【他の選択肢が不適切な理由】波形の最大値を基準にすると、波高値の大小に結果が左右されてしまい、ひずみの程度を波形どうしで比べられません。分母と分子を入れ替えた形は、正弦波に近いほど値が大きくなるという逆の性質になり、指標として使えません。特定の二つの次数の比は、その二つの関係しか見ておらず、波形全体の崩れ具合を表しません。基準を基本波に置く点が定義の核心です。

Question 10

需要家側で高調波の発生を抑えるための対策として、最も適切なものはどれか。

Accepted Answer

整流器の入力側に交流リアクトルを設けて波形を整える。【詳細解説】高調波は発生源で抑えるのが基本です。整流器の入力側に交流リアクトルを、直流側に直流リアクトルを設けると、電流が急に流れ始めたり止まったりするのを和らげ、波形が正弦波に近づいて高調波の含有率が下がります。低圧の汎用インバータでは、この方法が最も手軽で効果の大きい対策です。整流の相数については、6パルスより12パルスというように増やすほど特定次数の高調波が打ち消されて減るので、相数を減らすのは逆の効果になります。そのほか、特定の次数だけを吸収する受動フィルタ、逆位相の電流を注入して打ち消す能動フィルタも用いられます。進相コンデンサの容量を増やすことは、力率改善にはなっても高調波の抑制にはならず、直列リアクトルがなければ共振によって事態を悪化させます。電力量計を電子式に替えるのは計量の精度を保つための対応で、系統に流れ出す高調波そのものを減らす効果はありません。【他の選択肢が不適切な理由】整流の相数は、6パルスから12パルスへと増やすほど特定の次数が打ち消されて減るので、減らすのは逆の効果になります。進相コンデンサの容量を増やすことは力率の改善にはなっても高調波を減らす働きはなく、直列リアクトルがなければ共振によってかえって事態を悪くします。電力量計を電子式に替えるのは計量の精度を保つための対応で、系統へ流れ出す高調波そのものは変わりません。

高調波と電力品質の一問一答