三相不平衡とは？単相負荷の偏り・電圧不平衡・変圧器への影響

最初に『何の不平衡率か』を確認する

設備不平衡率は、単相負荷設備の接続容量が三相の各線間でどれだけ偏っているかを見る設計上の指標です。一方、電圧不平衡率は三相電圧を対称分へ分けたときの逆相電圧と正相電圧の比で、実際の電圧品質を評価します。電流不平衡率も実測電流の偏りを見る別の指標です。

日本電気技術者協会は、内線規程に基づく設備不平衡率と、電圧・電流不平衡率は意味が異なると説明しています。30％という設備不平衡率の目安を、測定した電圧不平衡率の許容値として使うのは誤りです。適用規程、契約・受電方式、機器仕様を確認し、指標名と計算式を測定記録に残します。

三相合計ではなく、各相の電流と温度を見る

照明、コンセント、単相空調、IT機器などが一つの相へ集中すると、その相だけ電流が増えます。三相全体のkWや変圧器の平均負荷率が低くても、一相の巻線、端子、配線が先に定格へ達することがあります。三菱電機は、三相変圧器では各相電流が定格電流以下なら寿命への影響はない一方、一相でも定格電流を超えるとその相が過負荷になり、絶縁劣化が早まると説明しています。

点検ではR・S・T各相の電流を同時刻・同じ運転状態で測り、変圧器二次、主幹、主要分岐へ順にたどります。端子温度、巻線・油温、負荷の稼働時間も確認します。クランプメーターの瞬時値だけでなく、昼夜・曜日・操業状態を含むロギングが有効です。

電圧不平衡はモーターの逆相電流と発熱を招く

三相電圧が不平衡になると、モーターには逆方向の回転磁界をつくる逆相成分が生じ、電流の不平衡と発熱が大きくなることがあります。電圧の差が小さく見えても、モーター電流の差は大きくなる可能性があるため、線間電圧の最大値と最小値だけで判断しません。

日本電気技術者協会は、電圧不平衡率が3％を超える場合を対策検討の一つの目安として紹介する一方、長寿命を重視する基準や保護リレーの動作値は別水準になり得ると説明しています。これは一律の運転許容値ではありません。モーター、インバーター、保護継電器のメーカー仕様と適用規格を優先します。

単相負荷の相替えは、実測負荷と回路条件で決める

対策の第一候補は、単相分岐回路をR-S、S-T、T-Rへ分散することです。ただし、設備容量だけを均等にしても運転時刻が違えば電流はそろいません。電力ロガーでピーク時の各相電流を確認し、同時に動く負荷を分けます。

回路の相替えでは、電圧、極数、接地・中性線、漏電保護、相順、非常回路、盤内表示を確認します。太陽光PCS、蓄電池PCS、非常用発電機がある設備では、系統連系中と自立運転中で負荷バランスが変わるため、両方の運転状態を評価します。

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  単線結線図と盤回路表で単相・三相負荷を分類する
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  変圧器二次、主幹、主要分岐で三相電流を同時測定する
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  ピーク時刻と連続時間、相ごとの端子温度を記録する
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  相替え後に電圧・電流・相順・保護機能を再確認する
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  非常用発電機・自立運転時の相別許容負荷も確認する

大きな単相負荷はスコット変圧器も選択肢

溶接機、電気炉、鉄道・試験設備など大きな単相負荷を三相系統から使う場合は、スコット結線変圧器で三相を二つの単相回路へ変換する方法があります。二つの単相出力を同じ程度に使うことで、一次側の三相電流を平衡させやすくします。

ただし二次側二回路を並列接続することはできず、片側だけに負荷が偏れば一次側も不平衡になります。容量、負荷の同時性、短絡電流、保護協調、非常用発電機との組合せを含め、メーカーと電気主任技術者・設計者が確認します。

よくある質問