高電圧ネットワークの電圧不均衡 — オマーンの幹線連系システム
| ネットワーク | オマーン主要相互接続システム (MIS) - 132 kV副送信 |
| 測定箇所 | オマーンの MIS の 3 つの主要工業地域に電力を供給する 3 つの HV グリッド ステーション |
| 測定されたパラメータ | 電圧と電流の不均衡 — 国際およびオマーンの配電コード制限との比較 |
| 電圧不平衡の結果 | 制限内で — 伝送レベルでバランスの取れた HV ユーティリティ ネットワーク |
| 適用される規格 | IEEE 519 ・ で 50160 · オマーンの配布コード |
| キーの値 | ベースラインを確立する: ユーティリティ HV 電源はクリーンです。機器のターミナルで見られるアンバランスは下流で発生しています。, 伝送システムからではなく |
| ネットワークコンテキスト | オマーン MIS はアルミニウム精錬などの産業負荷にサービスを提供, 鋼鉄, およびセメント — すべて PQ 障害の重大な原因 |
01 コンテキストと背景
このケーススタディは、オマーンの主要相互接続システムの送電および副送電レベルで実施された電圧不平衡測定の結果を示しています。 (MIS) — スルタン国の主要な産業および都市負荷センターにサービスを提供する主要電力網. Albadiらによる研究. (2015), IEEE 工業技術国際会議で発表, これは、系統的な電圧不平衡評価に関する数少ない公開された報告書の 1 つです。 132 急速に工業化が進む中東の送電網における kV HV レベル.[1]
オマーン MIS は、PQ に重大な課題をもたらす負荷の組み合わせが特徴です: アルミニウム精錬所を含む大規模な産業負荷, 製鉄所, およびセメント工場 - これらはすべて高調波歪みの重大な発生源です, ちらつき, および電圧不平衡 — 住宅および商業顧客にサービスを提供する同じ送電ネットワークに接続されています. HV レベルでの不均衡を定量化することは、産業機器の端末で見られる不均衡の原因が公共送電システムにあるのか、それとも産業用配電ネットワーク自体にあるのかを理解するために不可欠です。.
ほとんどの電圧不平衡研究は、モーターや機器への影響が最も直接的に感じられる LV または MV 配電ネットワークに焦点を当てています。. ただし、LV ターミナルでの不平衡は、送信レベルの不平衡と配電レベルの不平衡と内部設備の不平衡の合計になります。. HV グリッド ステーション レベルでの測定により、電力会社の送電寄与分を配電および設備の寄与分から分離します。. HVレベルのバランスが取れている場合, ユーティリティネットワークは根本原因ではない - 調査は下流に目を向ける必要がある.
02 電圧不平衡 — 理論と指標
定義 — 電圧不平衡とは何ですか?
三相電力システムは、大きさが等しく、位相角が正確に 120° 離れた 3 つの電圧フェーザで理想的に動作します。. 電圧アンバランスは、位相間で大きさが異なる場合に発生します。, 連続する位相間の位相角は 120° とは異なります, または両方の状態が同時に存在する.[1]
実際には, 不均衡はネットワークの非対称性の組み合わせから発生します (非転置伝送線路, 変圧器のインピーダンスが等しくない) そして負荷の非対称性 (単相負荷, 不平衡三相負荷, アーク炉, トラクションシステム). 結果として生じる不平衡三相システムは、フォーテスキューの定理を使用して 3 つの対称シーケンス コンポーネントに分解できます。:
- 正相成分 — バランスの取れた前方回転コンポーネント (発電機と同じ回転数)
- 逆相成分 — バランスの取れた逆回転コンポーネント (発電機とは逆回転)
- ゼロシーケンスコンポーネント — 3 つの等しい同相フェーザ (回転なし, 中性線を備えたシステムにのみ存在します)
2 つの定義 - IEC と IEC. NEMA
IEC 対称コンポーネントの定義 (VUF = V₂/V₁ × 100%) 国際的に好まれている方法であり、EN で使用されています。 50160 およびIEC 61000-2-2. フェーザー測定が必要です (大きさと角度の両方) 逆相電圧はモーターやその他の三相機器に悪影響を与える直接的な原因となるため、これは物理的に最も意味のある定義です。.[2]
NEMA の定義 (平均からの任意の相電圧の最大偏差, 平均で割る) 電圧の大きさの測定のみが必要で、北米でフィールド評価に広く使用されています。. 小さなアンバランスの場合 (およそ以下 3%), どちらの方法でも数値的には同様の結果が得られます. アンバランスが大きい場合や角度の非対称性が大きい場合, IEC メソッドはより正確な特性評価を提供します.[3]
03 測定方法
電圧と電流の不平衡測定は、オマーン MIS の 3 つの HV 送電網ステーションで実施されました。. 各グリッド ステーションは、システム内の 3 つの主要な産業分野の 1 つに電力を供給します。, 伝送システムと産業用副送電/配電ネットワーク間のインターフェースにおける PQ 環境を表す測定点を作成する.[1]
測定方法は、高電圧での PQ 評価の国際規格に準拠しました。. 重要な課題 132 kV は直接測定が不可能であることを意味します - 電圧および電流計器用変圧器 (VT と CT) 信号を機器レベルの電圧と電流に降圧するために使用されます。, これには、測定された不平衡値が実際のネットワークの非対称性ではなく、変圧器の誤差によるアーチファクトではないことを確認するために、計器用変圧器の精度クラスの検証が必要です。.
に 132 kVの, A 1% 電圧不平衡は、約 760 で. 精度クラスの計器用変圧器 0.2 このレベルの不均衡を確実に解決するには、それ以上の能力が必要です. クラス 0.5 VT により、±0.5% の測定不確かさが生じます。これは、測定されるアンバランスに匹敵する可能性があります。. これが、HV アンバランス測定に計器用変圧器の精度クラスの明示的な文書化が必要な理由です。, そして、なぜ 0.5 ～ 1% 未満の HV レベルでの見かけの不均衡を慎重に解釈する必要があるのか.
測定された不平衡データは、オマーンの配電規則および適用される国際規格 - EN で指定された制限と比較されました。 50160 (限界: VUF ≤ 2% のために 95% 任意の 1 週間の期間) とIEEE 519-2014 (高調波の制限に対処しますが、同じものを参照します 2% 計画を目的とした不均衡しきい値).[2][4]
04 主な調査結果
送信レベルの不均衡 - 制限内
オマーン MIS 内の 3 つの HV 送電網ステーションすべてでの電圧と電流の不平衡測定は、オマーンの配電コードと適用される国際規格で指定された制限内にありました。 (IN 50160, IEEE 519). 伝送システム, 大規模でバランスを崩す可能性のある産業負荷に対応しているにもかかわらず, 内で三相電圧の対称性を維持しました。 2% グリッドステーション測定点におけるVUF閾値.[1]
| 測定点 | 電圧不平衡 (VUF) | IN 50160 限界 | オマーンコードの制限 | 準拠 |
|---|---|---|---|---|
| グリッドステーション A — 工業地域 1 | 制限内 — 正確な値は公表されていません | ≤ 2% (95%ile) | ≤ 2% | 準拠 |
| グリッドステーション B — 工業地域 2 | 制限内 — 正確な値は公表されていません | ≤ 2% (95%ile) | ≤ 2% | 準拠 |
| グリッドステーション C — 工業地域 3 | 制限内 — 正確な値は公表されていません | ≤ 2% (95%ile) | ≤ 2% | 準拠 |
| ソース: アルバディら. (2015). 測定場所 132 オマーンMISのkVグリッドステーション. 正確な数値は一般公開されている抄録には掲載されていません; コンプライアンス状況が確認されました. | ||||
オマーンの MIS HV ネットワークがグリッド ステーション レベルでアンバランス制限内にあるという事実は、重要なベースラインの発見です。. これは、これらの地域の産業機器の端子で電圧不均衡の問題が観察された場合、つまりモーターの過熱を意味します。, 保護リレー誤動作, コンデンサバンクの問題 - 原因は公共送電システムではない. グリッドステーションと機器の間の産業用配電ネットワークです。: 不均等な単相負荷, 非転置フィーダー, コンデンサのヒューズが切れた, またはバランスの悪い三相モーター負荷. 電力会社はバランスの取れた供給を行っています. これにより、エンジニアリング調査が電力会社から施設に即座にリダイレクトされます。.
現在の不均衡 — 別の指標
電圧不平衡とともに電流不平衡も測定されました. 電流の不均衡は負荷側の量であり、供給ネットワークの非対称性ではなく、接続された負荷の非対称性を反映します。. バランスの取れた電源電圧とアンバランスな負荷電流は、単相負荷または不均等な三相負荷により配電システム内に非対称な電流が発生していることを示します。, これにより、ネットワークのインピーダンスを通じて小さな電圧不平衡が生じます。.[1]
電流の不平衡と電圧の不平衡の関係は、測定点のネットワークのインピーダンスに依存します. HVグリッドステーションにて (高い短絡レベル, 低い電源インピーダンス), 産業用負荷からの大きな電流不平衡であっても、バスでは小さな電圧不平衡しか生じません。これが、下流の配電ネットワークがより低い電圧レベルでより大きな不平衡を示す可能性があるにもかかわらず、HV 測定が制限内に収まる理由です。.
05 電圧不平衡の影響
この研究では、電圧不均衡の悪影響を包括的にレビューしています。, 工学的理論的根拠を形成する 2% 国際規格における VUF 制限:[1]
誘導モーター - 最も敏感な被害者
誘導電動機は、電圧不均衡の影響を最も大きく受ける機器タイプです。. 逆相電圧成分 (V₂) 正相磁界とは逆方向に回転磁界を駆動します。. ローター基準フレーム内, 逆相磁界は同期速度の約 2 倍で回転します。ローターはこのコンポーネントに非常に低いインピーダンスを提供します。, 小さな逆相電圧から大きな逆相回転子電流が発生します。.
影響を受けるその他の機器およびシステム
- 三相整流器とドライブ — 供給電圧が不均衡であると、整流ダイオードまたはサイリスタに不均一な導通角が生じます。, 非特徴的な高調波次数を生成し、出力リップルを増加させる
- 電源トランス — 逆相電流は巻線損失とコア飽和を増加させます. 変圧器の保護 (差動リレー) 深刻なアンバランス条件下では誤ったトリップが発生する可能性があります
- 力率改善コンデンサ — 電圧が不平衡であると、コンデンサの相全体で無効電流の分布が不均一になります。. コンデンサバンクの 1 つの相で切れたヒューズは、電圧不均衡の原因であると同時に増幅される
- 保護システム — 距離リレーと差動保護方式は平衡電圧の仮定に依存します. 不均衡が続くとリレーの誤動作や感度低下が生じる可能性があります
- エネルギー計測 — アンバランスシステムには真の三相計測が必要です. 単相または 2 素子の計測構成では、不均衡な条件下で測定誤差が生じます。
06 緩和手法
この研究では、電圧不均衡に対する主な緩和アプローチをレビューしています。, 用途に基づいて 3 つのカテゴリに分類されます:[1]
| 技術 | 機構 | 適用対象 | コスト範囲 |
|---|---|---|---|
| 負荷分散 | 単相負荷を各相に再配分して、各相の電流引き込みを均等化 | 商業・産業施設; 住宅用LVフィーダー | 低 — 運用上の基準 |
| ネットワークトランスポジション | 線路に沿って位相導体の位置を体系的に回転させ、全長にわたって相互インピーダンスを均等化します。 | 固有の幾何学的非対称性を備えた HV 送電線 | 中 — 建設コスト |
| 静的 VAR コンペンセータ (SVC) | 各相に独立して制御可能な無効電力注入により、非対称の無効電力を補償します | 大型単相負荷 (アーク炉, トラクション, 誘導加熱) | 高 — 100 万～500 万米ドル |
| STATCOM | 位相ごとの制御を備えた電圧源コンバータ - SVC よりも高速な応答, 動的アンバランス下でのパフォーマンスの向上 | 不均衡が急速に変化する産業用負荷 | 高 — 200 万～800 万米ドル |
| モーターのディレーティング | 永続的なアンバランスの下で熱マージンを維持するために銘板定格以下でモーターを動作させる - 緩和ではなく保護手段 | アンバランスを解消できない既存のモーター設置 | ゼロ資本 — 生産コスト |
| Scott-T または Le Blanc 変圧器 | 単相負荷を変換します (トラクション) 平衡二相相当に, 鉄道供給によるネットワークの不均衡を軽減する | 電気鉄道牽引システム | 中 - 変圧器コスト |
電圧不平衡に対するアクティブな補償装置を指定する前に, 最初のステップは常に体系的な負荷監査であり、どの単相負荷が不均衡を引き起こしているかを特定します。, フェーズ全体でそれらのバランスを再調整することが可能かどうか. 多くの産業施設で, アンバランスは単に、設置時にたまたま余力があった相への過去の単相負荷の追加の結果です。. 体系的なリバランスの実行には資本がかからず、パワー エレクトロニクスを検討する前にアンバランスを 50 ～ 80% 削減できます。.
07 電力品質の観点
この研究は、PQ ケーススタディ文献の中で特別かつ貴重な位置を占めています。: これは、急速に工業化が進む送電網における HV 送電レベルでの体系的な電圧不平衡測定について公表された数少ない報告書の 1 つです。. オマーンの MIS HV ネットワークは、大規模なサービスを提供しているにもかかわらず、国際的な制限内にあることが判明, 産業負荷のバランスを崩す可能性がある - 重要なベースラインを提供します.
ユーティリティエンジニアリングの観点から, 重要な洞察はインピーダンスの議論です: HV グリッドバスは高い短絡容量を備えています, つまり、電圧が高く、不均衡な負荷電流による歪みに強いということです。. を生成するのと同じ負荷電流 2% 弱い LV フィーダー上の VUF は、0.1 ～ 0.2% の VUF しか生成しない可能性があります。 132 kVバス. これは、配電接続された機器が重大な不平衡を経験しているのに、伝送システムが平衡しているように見える理由を説明しています。不平衡は、配電レベルのインピーダンスと負荷によって生じます。, HVシステムからは送信されません.
電圧不平衡をどこで測定するかによって、結果が決まります. で測定します 132 kV グリッドステーション — バランスの取れた電源が見つかります. で測定します 11 kV 配電バス — フィーダーの非対称性から 0.5 ～ 1.5% の VUF が見つかる場合があります. 産業プラントのモーター端子で測定します。内部負荷の不均衡から 2 ～ 4% の VUF が見つかる場合があります。. 3 つの測定値はすべて正しい - 異なるものを測定している. 結論を下す工学的評価 “公共事業の供給はバランスが取れている” HV測定から, 機器の端子で測定せずに, 話全体を見逃します.
アルバディら. 研究はまさに体系的な方法を示しています, 送信レベルでの標準参照の PQ 測定。めったに公開されないが、公共施設計画にとって非常に重要です。. オマーン MIS のベースライン データは、送電網がサービスを提供する工業地域で報告されている電圧不均衡問題の原因ではないことを確認しています。これは運用に直接影響する発見です。: エンジニアリングの取り組みは、配電ネットワークと施設の負荷管理に焦点を当てる必要があります。, 伝送システム上ではない. これは、施設側の PQ 研究のほとんどが見逃しているユーティリティの観点です.
参照
- アルバディMH, アル ヒナイ AS, アル・バディ AH, アル リヤミ MS, アル ヒナイ SM, アル アブリ RS. “電力システムの不均衡 — レビューとオマーン MIS ケーススタディ。” IEEE 工業技術国際会議の議事録 (ICIT 2015), セビリア, スペイン, PP. 1407–1411, 3月 2015. DOI: 10.1109/ICIT.2015.7125294
- IN 50160:2010+A3:2019. 公共電力網から供給される電力の電圧特性. CENELEC, ブリュッセル.
- いいえ MG-1-2021. モーターと発電機. 全国電気製造者協会, ロズリン, バージニア州.
- IEEE規格 519-2022. 電力システムにおける高調波制御に関する IEEE 規格. IEEE, ニューヨーク, NY, 2022.
- IEC 61000-2-2:2002+AMD1:2017. 電磁両立性 (EMC) - 一部 2-2: 公共の低電圧供給システムにおける低周波伝導妨害に対する互換性レベル. IEC, ジュネーブ.
アルバディMH, アル ヒナイ AS, アル・バディ AH, アル リヤミ MS, アル ヒナイ SM, アル アブリ RS. “電力システムの不均衡 — レビューとオマーン MIS ケーススタディ。” IEEE ICIT 2015, PP. 1407–1411.
DOI: 10.1109/ICIT.2015.7125294 ・・ Semantic Scholar で見る →
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。. 元の出版物は IEEE 会議論文です; 著作権はIEEEに帰属します. PQ の視点セクション (セクション 7) および SVG 図は、Denis Ruest によるオリジナルの IPQDF 編集コンテンツです。, 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ていません.