力率改善（SC・SR）

電動機や変圧器のように磁界を作って動く機器では、電源から送られた電気のすべてが仕事に変わるわけではありません。一部は磁界を作ったり消したりするために電源と負荷の間を往復するだけで、正味の仕事をしません。この「往復するだけの分」を無効電力と呼びます。

実際に仕事をする分が有効電力（P、単位はkW）、往復するだけの分が無効電力（Q、単位はkvar）、そして電源から見た見かけ上の電力が皮相電力（S、単位はkVA）です。この3つは互いに直交する関係にあり、有効電力を底辺、無効電力を高さ、皮相電力を斜辺とする直角三角形として描けます。力率は、この斜辺に対する底辺の比、つまり P ÷ S として表されます。

力率が1.0であれば、電源から送った電気がすべて仕事に変わっている状態です。力率が0.8であれば、同じ仕事をするのに1.0のときより多くの皮相電力を送る必要があります。つまり、力率は「電気の使い方の効率」を表す指標だと考えられます。

もうひとつ押さえておきたいのが「遅れ」と「進み」です。電動機のようなコイル性（誘導性）の負荷では、電流が電圧より遅れます。これを遅れ力率と呼びます。反対に、コンデンサ性（容量性）の回路では電流が電圧より進みます。一般的な工場やビルの負荷は電動機が多く、全体としては遅れ力率になることがほとんどです。だからこそ、進み側の性質を持つコンデンサを足して打ち消す、という発想が出てきます。

力率が悪いと、同じ有効電力を得るためにより大きな電流を流すことになります。電流が大きくなると、そこから連鎖的にいくつもの不利が生じます。

1. 01電流の増加：同じ有効電力に対して、力率が低いほど電流は大きくなります
2. 02損失の増加：電線や変圧器巻線での損失は電流の2乗に比例するため、電流が増えると損失は急に大きくなります
3. 03電圧降下の増大：電流が大きいほど配線での電圧降下も大きくなり、末端の機器の電圧が下がりやすくなります
4. 04設備容量の圧迫：変圧器・遮断器・ケーブルはkVA（皮相電力）や電流で選ぶため、無効電力の分だけ設備の余裕が食われます
5. 05電気料金への影響：力率に応じて基本料金が割り引かれる／割り増される制度が一般的に採用されています

設備容量の圧迫は、増設を検討する場面で特に効いてきます。変圧器の容量に余裕がないと思っていたら、実は無効電力が容量を食っていただけで、力率を改善したら余裕が生まれた、というのはよくある話です。新しい変圧器を買う前に、力率の状態を確認する価値があります。

電気料金については、高圧受電の契約で力率割引・力率割増という制度が一般的に用いられています。おおまかには、基準となる力率（85%が基準とされることが多いと言われます）に対して、実際の力率が良ければ基本料金が割り引かれ、悪ければ割り増される、という考え方です。ただし、基準値、割引率、力率の測定方法（月間平均か、時間帯別かなど）は電力会社・契約種別・小売事業者によって異なります。

高圧進相コンデンサ（SC：Static Capacitor、または高圧進相コンデンサ）は、力率改善のために高圧母線から分岐して接続する機器です。コンデンサは進み無効電力を出す性質を持つため、負荷が持つ遅れ無効電力と互いに打ち消し合います。結果として、電源から見た無効電力が減り、皮相電力が小さくなって力率が改善します。

ここで大事なのは、SCが有効電力を減らすわけではないという点です。実際に仕事をする分は変わりません。変わるのは、その仕事をさせるために電源側から流れてくる電流の大きさです。前の節の直角三角形でいえば、底辺（P）はそのままで、高さ（Q）が縮み、斜辺（S）が短くなるイメージです。

では、どれだけの容量のコンデンサを入れればよいのでしょうか。基本的な考え方は、「現在の負荷が持つ遅れ無効電力」と「目標力率にしたときに残ってよい遅れ無効電力」の差を、コンデンサで補うというものです。そのためには、有効電力（あるいは契約電力）、現状の負荷力率、そして目標力率が分かっている必要があります。

本アプリでも、契約電力や設備容量からSC容量の「目安」を表示します。ただしこれは、入力値におおまかな比率を掛けて標準容量へ丸めただけの参考表示であり、上の表に挙げた条件を反映したものではありません。表示は必ず「要確認」の扱いとしており、正式な容量は目標力率・負荷力率・負荷変動・高調波環境・電力会社との協議をふまえた計算で決めます。

高圧進相コンデンサは、多くの場合そのまま単体では使わず、直列リアクトル（SR：Series Reactor）と組み合わせて設置します。SRはコンデンサと直列に入るコイルで、大きく2つの役割を持っています。

1. 01高調波の拡大防止：コンデンサ回路が高調波電流を過度に引き込んだり、系統のインダクタンスと共振して電流・電圧を拡大させたりすることを防ぎます
2. 02突入電流の抑制：コンデンサを投入した瞬間に流れる大きな充電電流（突入電流）を抑え、開閉器やコンデンサへの負担を軽くします

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共振という言葉が出てきました。コンデンサは周波数が高いほど電流を通しやすく、コイル（インダクタンス）は周波数が高いほど通しにくいという、正反対の性質を持っています。この2つが組み合わさった回路には、両者の影響が釣り合って電流が極端に流れやすくなる周波数が存在します。これが共振です。

インバータや整流器などの機器からは、基本波（50Hzまたは60Hz）の整数倍の周波数を持つ高調波電流が流れ出します。実際の系統でよく問題になるのは第5次高調波（基本波の5倍）です。もし、コンデンサ回路と系統のインダクタンスの組み合わせによる共振点が第5次高調波の近くにあると、わずかな高調波でも大きな電流が流れ、コンデンサの過熱や機器の障害につながる恐れがあります。

そこでSRを直列に入れ、コンデンサ回路全体としてはコイル性（誘導性）に見えるようにします。こうすると、共振点が第5次高調波より低い側へ移り、高調波を拡大しにくい状態になります。この目的で一般的に用いられているのが、コンデンサ容量に対して6%のリアクタンスを持つSR（いわゆる6%リアクトル）です。ただし、高調波の含有率が高い環境では、より大きな%リアクトル値のものが検討される場合もあります。

コンデンサ回路の扱いには、他の機器にはない独特の注意点があります。コンデンサは電荷をためる機器なので、「投入した瞬間」と「開放した後」の両方に配慮が必要になるのです。

まず投入時です。放電しきったコンデンサへ電圧をかけると、一瞬だけ非常に大きな電流（突入電流）が流れます。これは開閉器の接点を傷めたり、コンデンサ自体の寿命を縮めたりする要因になります。前の節で触れたとおり、SRを直列に入れることで、この突入電流も抑えられます。複数のコンデンサ群を切り替える構成では、既に投入されている群から流れ込む電流も考慮する必要があります。

次に開放後です。コンデンサは開放しても電荷を保持したままになり、端子間に電圧が残ります。これは点検作業者にとって危険であり、また電荷が残った状態で再投入すると、残留電圧と電源電圧の差によって過大な電流や過電圧が生じるおそれがあります。そのため、コンデンサには放電抵抗や放電コイル（放電装置）を備え、開放後に電圧を下げるようにします。

• 放電装置には、抵抗によって放電する方式と、放電コイルを用いる方式があります
• 開放してから再投入するまでには、残留電圧が十分下がるだけの待ち時間を確保します
• 必要な待ち時間は放電装置の方式や仕様によって異なるため、メーカー資料で確認します
• 点検で充電部に触れる前は、残留電荷を確実に放電させたうえで検電・接地を行います
• 自動力率調整（APFC）を使う場合は、頻繁な開閉にならないよう制御条件を検討します

最後に、力率改善のもうひとつの落とし穴である過補償に触れます。コンデンサ容量が大きすぎると、遅れ無効電力を打ち消しきったうえでさらに進み側へ振れてしまいます。これが進み力率（過補償）の状態です。三角形のたとえで言えば、高さを縮めるつもりが、下向きに突き抜けてしまった状態です。

過補償は、夜間や休日のように負荷が軽い時間帯に起きやすいのが特徴です。昼間のピーク負荷に合わせてコンデンサ容量を決め、それを常時投入したままにすると、負荷が減った時間帯に進み側へ振れてしまいます。負荷変動が大きい設備では、コンデンサを複数に分割し、力率に応じて自動で投入・開放する自動力率調整（APFC）が検討されます。

1. 01有効電力P・無効電力Q・皮相電力Sは直角三角形の関係にあり、力率は P ÷ S で表される
2. 02力率が悪いと電流が増え、損失・電圧降下・設備容量の圧迫・料金の不利につながる
3. 03SCは進み無効電力で負荷の遅れ無効電力を打ち消し、皮相電力を小さくする
4. 04SC容量は、有効電力・現状力率・目標力率・負荷変動・高調波環境から検討する（本アプリの表示は目安のみ）
5. 05SRは高調波の拡大防止と突入電流抑制のために組み合わせ、一般的に6%のものが用いられる
6. 06コンデンサ回路は放電装置と再投入までの待ち時間が前提であり、容量過大は過補償（進み力率）を招く

力率改善は、設備の中では比較的分かりやすい効果を持つ一方で、容量の決め方と高調波の扱いに専門的な検討が必要な領域です。次の章では、事故が起きたときにどこを切り離すかという保護協調と、その前提になる短絡電流の考え方を扱います。