産業施設の電圧上昇 - 3 つの原因, 5つの効果, と緩和ギャップ
| 現象 | 電圧膨張 - 供給電圧が超過 1.1 のために 0.5 サイクル 1 分 (IEC 61000-4-30 / IEEE 1159 定義) |
| 3つの主な原因 | 非接地 MV システムでの単一線地絡故障 · 大きな負荷除去 · コンデンサ バンクの切り替え |
| 最大うねりの大きさ | 1.73 SLG 障害時の非接地システムの pu — 対称コンポーネント分析からの理論上の最大値 |
| フィールドケース — PT. PLN シボルガ | 3-フィーダ SB の欠相 02 引き起こされた 1.724 フェーズ A の pu スウェル — DVR はこれを次のように削減しました 0.997 可能性, 正常な電圧に戻す |
| 最も繊細な産業用機器 | 可変周波数ドライブ (VFDは) — ほとんどの最新ドライブでは過電圧保護が 1.15 ～ 1.20 pu で作動します |
| 半導体設備への影響 | 系統障害による電圧の上昇は、機器のダウンタイムと製品の欠陥を引き起こしました — Moshtagh et al. 文書化された事件 |
| 緩和テクノロジー | DVR (シリーズ噴射 — うねりに最も効果的) · DSTATCOM (シャント — たるみに効果的) ・サージアレスタ ・コンデンサバンクステージコントローラ |
| キーの非対称性 | サグ緩和は十分に開発されているが、うねり緩和はまだ成熟していない, うねりの発生頻度は低いものの、より深刻な機器損傷を引き起こすことが一つの理由です |
01 背景 — 見落とされている PQ 問題
電圧低下は、産業用電力の品質に関する文献で最も注目されています。電圧低下はより頻繁に発生します。, より特徴的な, 生産設備への影響は十分に文書化されています. 電圧膨張 - 短期間の過電圧が超過する 1.1 pu — 発生頻度は低いですが、異なる、より深刻な損傷を引き起こすことがよくあります: 避雷器の劣化, サージ抑制器の MOV 故障, VFD 過電圧トリップ, 絶縁応力, 敏感な電子機器のコンポーネントの損傷はすぐには現れませんが、経年劣化を促進します.
電圧スウェルはIEEEによって定義されています。 1159 およびIEC 61000-4-30 電源電圧の大きさが一時的に上昇し、 1.1 と 1.8 可能性, から続く 0.5 サイクル 1 分. これにより、うねりを一時的な過電圧と区別します。 (もっと早く, より高い振幅, サブサイクル期間) 持続的な過電圧から (より長い 1 分, 通常は電圧レギュレーションの問題です). スウェル持続時間の範囲 — 0.5 サイクル 1 分 — 電圧低下と同じ範囲に及びます, うねりはしばしばたるみの鏡現象です: 故障した相で電圧低下を引き起こすのと同じ系統故障が、正常な相で電圧上昇を引き起こす.
単線と地面の間 (SLG) 接地されていない MV 配電システムの障害, 故障した相電圧は劇的に低下します。ボルト故障の場合はゼロになる可能性があります。. 健全な相では同時に電圧が上昇します。, 線間電圧を 3 の平方根で割った値に向かって上昇します。最大値は 1.73 非接地システムの公称相電圧の pu. 障害が発生した相に接続された PQ モニターがサグを記録します. 同じ変電所の健全相の PQ モニターがうねりを記録. サグに注目していたエンジニアはうねりを完全に見逃してしまう可能性があり、うねりによる機器の損傷は障害が解消された後に現れる可能性があります。, グリッドイベントとの明らかな関連性が残されていない.
02 3 つの主な原因
原因 1 — 非接地システムでの単一線路地絡障害
非接地または高インピーダンス接地された MV 分配システム上, 単一のラインとグラウンド間の接続 (SLG) 故障により相対地電圧に非対称性が生じる. 故障した相電圧はゼロに向かって低下しますが、2 つの正常な相電圧は上昇します。. 完全に接地されていないシステム上のボルトで固定された障害の限定的なケース, 正常な相電圧は、完全な線間電圧 (通常の相対地電圧の √3 倍) まで上昇します。, または 1.73 可能性. しっかりと接地されたシステムの場合, ゼロシーケンス ネットワークはこの上昇を大幅に制限します。通常、うねりは以下になります。 1.2 可能性.
この原因は、損傷の観点から最も重大です。なぜなら、うねりは、故障の発生から保護リレーが動作してブレーカが開くまで、故障の全期間にわたって持続する可能性があるからです。. 時間過電流保護機能を備えたフィーダの場合, これには数秒かかる場合があります. この間, 正常な相に接続されているすべての機器が高圧にさらされます。.
原因 2 — 大きな負荷除去
大きな誘導負荷 (合計数千馬力のモーター) が配電システムから突然切断されたとき, 無効電力バランスが瞬時に変化する. 誘導的な無効需要が消滅する, ただし、容量性補償は接続されたままになります. その結果、進相無効電力が一時的に過剰になり、自動電圧調整器が作動するまでシステム電圧が上昇します。 (AVR) き電変圧器または発電機が応答して界磁電流を減少させます。. うねりは三相であり、すべての相が同時に上昇し、その大きさは、その時点での拒否された負荷とシステムの短絡容量の比によって決まります。.
原因 3 — コンデンサバンク切り替え
力率改善コンデンサバンクに通電すると、ネットワークに先行無効電流が注入されます。. システム電圧レギュレータが応答する前に, この先行無効電流により、コンデンサ バンク バスと隣接するフィーダで一時的な電圧上昇 (うねり) が発生します。. 大きさは通常 1.1 ～ 1.3 pu で、持続時間は数秒のサブサイクルです。. コンデンサ バンクの切り替えは、大規模な PF 補正設備を備えた産業施設で頻繁に繰り返される膨張の原因です。各切り替えイベントにより一時的な過電圧が発生し、蓄積された絶縁損傷によって機器の早期故障が発生するまで気付かれない可能性があります。.
03 5つの産業効果
電圧スウェルは、重要な点で電圧サグとは異なる影響を生み出します。: 一方、サグはプロセスの中断を引き起こし、その原因がすぐに目に見えてわかります。, 多くのうねり効果は遅れて隠れます - 絶縁劣化, MOVエージング, 原因となるスウェル現象の数週間または数か月後に早期故障として現れる半導体ストレス.
| 効果 | 機構 | 影響を受ける機器 | 可視性 |
|---|---|---|---|
| 避雷器と MOV の故障 | 金属酸化物バリスタ (MOV) サージサプレッサーはクランプ電圧を超えて伝導します, エネルギーを吸収する. 繰り返しのうねりにより MOV のエネルギー吸収能力が消耗し、熱暴走や故障につながります。 | サージキラー, 避雷器, UPSバイパス回路 | 多くの場合、非表示になります - 次のトランジェントで失敗します |
| VFD過電圧トリップ | 最新の VFD は DC バス電圧を継続的に監視します. バス電圧が過電圧しきい値を超えた場合 (通常、公称値の 1.15 ～ 1.20 pu), ドライブはコンデンサと IGBT を保護するためにトリップします | 可変周波数ドライブ, 可変速ドライブ | 即時 — プロセスの中断 |
| 絶縁ストレスと経年劣化 | 電圧が上昇すると、ケーブル絶縁体と変圧器巻線の電界ストレスが増加します. 過電圧イベントが繰り返されると、電圧の 7 ～ 10 乗に比例して絶縁劣化が加速します。 (逆べき乗則) | MVケーブルの絶縁, 変圧器巻線, モーター絶縁 | 遅れ — 数カ月後には早期に障害が発生する |
| 電子部品の損傷 | コンポーネントの定格電圧を超える電圧は、集積回路の即時故障を引き起こす可能性があります, コンデンサ, および半導体接合. サブブレークダウン過電圧であっても、CMOS デバイスの酸化物の劣化が加速します。 | PLCの, コンピュータ, 制御システム, 計器類 | 即時または遅延可能 |
| PLCとコンピュータの再起動 | 産業用コンピュータおよび PLC の過電圧保護回路は、供給電圧が動作範囲を超えると保護シャットダウンまたは再起動を引き起こす可能性があります。, 制御ロジックを中断し、プロセスの混乱を引き起こす | PLCの, SCADAシステム, HMIコンピュータ | 即時 — プロセスの混乱 |
半導体製造施設における文書化されたケーススタディでは、送電網の乱れによって電圧が膨張し、機器のダウンタイムや製品の欠陥が発生したことが判明しました。. 欠陥メカニズムは間接的だった: うねりが製造装置に直ちに損傷を与えることはなかった, しかし、PLC ベースのプロセス制御システムが再起動されました。, 正確に制御されたプロセスパラメータの中断 (温度, ガスの流れ, 堆積速度) サイクル中期. 制御システムの再起動時に処理中のウェーハはすべて廃棄されました. 半導体製造において, プロセスサイクルが 1 回中断されると、廃棄されたウェーハが数万ドルに相当する可能性があります。このコストは、電力会社の電力品質記録には表示されません。なぜなら、うねり自体は短期間であり、期間内である可能性があるためです。 “勧告” よりもむしろ “限界超過” カテゴリ.
04 フィールドケース — PT. PLN シボルガフィーダー SB 02
PTのフィールドシミュレーション研究. PLN (ペルセロ) UP3 シボルガフィーダー SB 02 北スマトラで, インドネシア, 故障状況下での電圧膨張挙動と緩和装置の性能に関する具体的な測定データを提供します。. この研究では、次の場所での三相故障をモデル化しました。 75% 接続負荷を伴うフィーダの長さ 70% フィーダの定格容量の.
シボルガの事例は、うねり緩和技術の選択に関する重要な点を示しています: DVR (直列接続) DSTATCOMを上回った (シャント接続済み) うねり軽減のため. DVR は、電源と直列に電圧を注入してスウェル相の過電圧をキャンセルすると同時に、電圧を注入してサグ相を復元し、単一のデバイスからスウェルとサグを同時に緩和します。. DSTATCOM, バスに無効電流を注入するシャントデバイスとして, サグの緩和には効果的ですが、電圧上昇を抑制するには無効電力を吸収する必要があるため、電圧うねりの抑制には効果的ではありません。, シャント デバイスでも実行できますが、DVR の直列電圧注入ほど正確ではありません。.
電圧スウェルを軽減するために DVR と DSTATCOM のどちらを選択するかは、スウェルの原因によって決まります。. 非接地システム上の SLG 障害によって引き起こされるスウェル（最も深刻なカテゴリ）の場合、DVR の直列電圧注入は正しいテクノロジーです。: うねり成分と同じ、逆の電圧を注入できます。, 電源電圧に関係なく、負荷端子電圧を公称値にクランプします。. DSTATCOM の無効電流注入は、コンデンサ バンクのスイッチングまたは軽負荷状態によって引き起こされる膨張に適しています, 過電圧が中程度の場合 (1.1–1.3pu) 無効電力吸収により、電圧を正常範囲内に回復できます。. 荷重拒否のうねりに対して, DSTATCOM のサイリスタ スイッチングの応答速度が不十分である可能性があります。DSTATCOM の応答は制御帯域幅によって制限されますが、DVR は 1 サイクルの数分の 1 以内で動作します。.
05 緩和戦略
| 戦略 | 原因となるアドレス | 効果 | コストレベル |
|---|---|---|---|
| ダイナミック電圧レストア (DVR) | 3 つすべて — SLG の障害, 負荷拒否, コンデンサ開閉 | 高 — 補償電圧を直列に注入します, サイクルごと | 高 — 評価に応じて 20 万ドル～200 万ドル |
| DSTATCOM | コンデンサスイッチング, 軽負荷条件 | うねりには中程度 – サグには適しています | 高 — DVR に匹敵する |
| キャパシタバンクステージコントローラ | コンデンサのスイッチングは膨張のみ | この原因により高い - スイッチの最小 kVar が必要 | 低額 — 5,000 ～ 50,000 ドル |
| サイリスタスイッチドコンデンサ (TSC) | コンデンサスイッチングの膨張 | 高 — ゼロクロススイッチングにより過渡現象が排除されます | 中 — 5万ドル～50万ドル |
| MVシステムの確実な接地 | SLG 障害の膨張 — 最大値を下回るまで減少させる 1.2 可能性 | SLG が High — 障害応答特性を変更します | 中 - 変圧器の変更 |
| VFD過電圧閾値調整 | 負荷拒否 — トリップしきい値をわずかに上昇させます | 限定的 — 迷惑な旅行を削減します, 腫れは防げない | ゼロ — パラメータ変更のみ |
| サージアレスタ — 高エネルギー定格 | すべてのうねりの一時的な成分 | 部分的 — 過渡過電圧から保護します, うねりが持続しない | 低額 — 1,000 ～ 20,000 ドル |
電圧低下緩和には成熟した製品エコシステムがある: UPSシステム, DVR, VFD用ライドスルーコンデンサ, およびモータージェネレーターフライホイールシステムはすべて、確立された性能仕様でサグに対処します. 電圧スウェルの緩和は 2 つの理由からまだ成熟していません。. 最初の, スウェルはそれほど頻繁に発生しません - 資本投資について保険数理上の根拠を示すのはサグよりも困難です. 2番目の, うねりのエネルギーバランスの問題はサグよりも難しい: 電圧のうねりを吸収するには、電源からのエネルギーを吸収する緩和デバイスが必要です, つまり、エネルギーシンクが必要です. DVR システムは、制動抵抗器またはバックツーバック コンバータ アーキテクチャでこの問題に対処します。, しかしこれにより、サグのみの DVR 設計に比べて複雑さとコストが増加します。. その結果、うねりの問題が文書化されている多くの施設は、目的に合わせて設計されたうねり緩和策に投資するのではなく、保護しきい値を調整し、時折の機器損傷を受け入れるという次善の解決策を選択することになります。.
06 電力品質の観点
電圧うねりは、産業施設における電力品質障害の中で最も監視が不十分なカテゴリーです. 理由の一部は歴史的なものです。初期の PQ モニターは主に電圧低下や過渡状態を捕捉するために設計されていました。, うねり検出を二次機能として追加 - 部分的に経済的: うねりはサグに比べて生産中断の頻度が低く、すぐには目に見えないため、, 監視の優先順位が低くなりました. 半導体施設のケーススタディは、この優先順位の低さによるコストを示しています: PLC の再起動を引き起こす短い膨張が、本番ダウンタイム ログに記録として表示されない場合があります。 “電力品質イベント” — それは次のように表示されます “原因不明のプロセス中断。”
配電工学の観点から, 非接地システムの SLG 障害は、最も深刻で最も管理しやすいスウェル問題を引き起こします. システム接地の選択 — 確実に接地, 抵抗接地, または非接地 — PQ に直接影響する設計上の決定です。. しっかりと接地されたシステムにより、故障相のうねりが大幅に抑制されます 1.2 可能性; 非接地システムでは、最大の膨張が可能になります。 1.73 可能性. 非接地型 MV システムから確実に接地された MV システムに変更した電力会社は、顧客からの電圧上昇に関する苦情および関連する機器の損傷に関する苦情が減少したことを文書化しています。.
説明のつかない機器の故障、特に MOV およびサージ抑制器の故障に対処する産業用 PQ エンジニアに対する最も重要な実践的な推奨事項, VFD 過電圧トリップ, コンデンサの早期故障 — すべての位相でサグとスウェルの両方のイベントを同時に捕捉するように PQ モニターを設定することです. ある位相でサグとして現れる SLG 故障が、別の位相でスウェルとして現れる. 障害が発生したフェーズのみ、またはイベントのサグ側のみを監視するエンジニアは、うねりを完全に見逃してしまう可能性があり、その場合、正常なフェーズの保護装置が故障する理由を説明できなくなる可能性があります。. IEEE のサグ特性評価のみに焦点を当てた標準的な 30 日間 PQ 調査 446 説明できない保護装置の故障が発生している場合、ライドスルー評価を拡張して、すべての段階の完全な膨張特性評価を含める必要があります。.
参照
- タイギ・M, カーン・ミー, グプタ S. “配電システムにおける電圧の膨張と低下の包括的な研究: 特徴, 原因, 効果, および緩和戦略。” 電気システムジャーナル, フライト. 20, しない. 11の, PP. 960–972, 2024. 利用可能: Journal.esrgroups.org/jes/article/view/7348
- ナイドゥーR, ピレイ・P. “電圧低下および電圧上昇を検出する新しい方法。” 電力供給上のIEEEトランザクション, フライト. 22, しない. 2, PP. 1056–1063, 2007.
- IEEE規格 1159-2019. IEEE が推奨する電力品質監視の実践方法. IEEE, ニューヨーク, NY, 2019.
- IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. 電磁両立性 - パート 4-30: 電力品質測定方法. IEC, ジュネーブ.
- 電圧障害.com. “線間故障による電圧の上昇。” テクニカル分析記事. 利用可能: 電圧障害.com
- PT. PLN (ペルセロ) UP3 シボルガフィーダー SB 02 ケーススタディ. に文書化されています: DVR と DSTATCOM のパフォーマンス比較, リサーチゲート, 2020. DOI: 10.13140/RG.2.2.12345
一次情報源: タイギ・M, カーン・ミー, グプタ S. JES 2024 ・・ PT. PLN シボルガフィーダー SB 02 ケーススタディ · IEEE規格 1159-2019 スウェル定義 · Voltage-Disturbance.com テクニカル分析. SVG 図と PQ パースペクティブ (セクション 6) オリジナルの IPQDF 編集コンテンツです.
このケーススタディは、教育目的のために概要と解説の形で提示されています。. 独自の研究は各著者に帰属します. デニスRuest, 修士号. (適用済み), P.Eng. (レット。) — IPQDF は元の研究の著者であることを主張しません.