配電システムにおけるエネルギーの節約

学習目標：

エンジニアや建物の所有者は、エネルギー効率への投資に対する経済的な意思決定の基準として、投資回収期間と投資収益率に注目することがよくあります。これらのエネルギー効率の向上は通常、可変周波数ドライブ (VFD) の使用、または全米電気製造業者協会 (NEMA) プレミアムモーターの使用など、エネルギー効率の高い照明 (LED など) を中心に展開されます。ただし、建築システム、特に配電システムへの投資決定を行う際に、より正確かつ効果的なパラメータは他にもあります。

エネルギー効率に関連する規定と基準は、新しい建物の設計や既存の建物の改修に必要な最小限のエネルギー効率要件を確立します。ただし、このコードは機械システムや照明システムの効率を重視しています。これらの規定では、配電システムの設計のためのエネルギー効率対策を確立するための多くの情報は提供されておらず、配電システムが機能するシステムのみが提供されています。これらの規定と標準には次のものが含まれます。

エネルギーコードの採用と各州で使用されるエネルギーコードは大きく異なります。

ASHRAE 90.1 には、電力に関する章 (第 8 章) が含まれています。この規格には、2005 年のエネルギー政策法 (EPAct) を満たす変圧器の要件が含まれていますが、配電システムの他の側面については議論されていません。

この規格では、電圧降下がフィーダでは 2%、分岐回路では 3% を超えてはならないことも規定されています (8.4.1 章)。 ASHRAE 90.1 は、NFPA 70 よりも厳格ではありません。第 210.19 条に含まれる詳細注意事項 (FPN) セクションに概説されている米国電気工事規程 (NEC) の電圧降下に関する推奨事項ですが、ASHRAE 90.1 は、規格を満たすための要件として電圧降下を確立しています。 NEC FPN は、フィーダの最大電圧降下を 5% とし、3% を超えないよう推奨しています。これは FPN であるため、コード要件ではありません。ただし、エネルギー効率の高い配電システムを設計するには、電圧降下を考慮することが重要です。電圧降下は過熱を引き起こし、誘導負荷の電圧不足により機器の寿命が短くなる可能性があります。過剰な熱により、冷却スペース用の追加の HVAC 要件が必要になります。さらに、電圧降下により、電力が照明に完全に供給されずにケーブルで損失が発生し、照明負荷の効率が低下します。ケーブルサイズが大きくなると、光源から追加の電力を供給することなく、光の出力を高めることができます。

第 8 章の残りの部分では、提出物 (製造図面) とレセプタクルの管理について説明します。この規格の残りの部分は、主にエネルギー効率を達成するための機械設備と建物の対策に関係します。ただし、照明 (第 9 章) やモーター (第 10 章) などの電気設計のいくつかの側面についても説明します。この記事では、VFD を除き、照明やモーターについては説明しません。

レセプタクルの自動制御は ASHRAE 90.1-2010 に含まれており、この規格の争点となっています。自動レセプタクル制御は、商用および住宅用途でエネルギー消費量を削減することが困難なプラグ負荷のエネルギー効率をさらに高めますが、適切な用途とその利点について所有者を教育することも必要です。

ASHRAE 90.1 と同様に、IECC で概説されているエネルギー効率対策は、主に建築対策と機械設備に関係しています。この規定では、電力密度と制御に関する照明要件について説明していますが (第 4 章)、ASHRAE とは異なり、配電システムのエネルギー効率設計の最小値は確立されていません。たとえば、マサチューセッツ州ストレッチエネルギーコードは 2009 年の IECC に基づいていますが、要件を満たすために、設計者は商業用 (中規模または大規模) 建物についてベースラインの IECC 基準を 20% 上回るか、段階的に改善する必要があります。コードで利用可能な 3 つのオプションのうち 2 つを選択することで、(中型) 建物のベースライン IECC 規格を実現します。これには、HVAC 効率の向上、オンサイト発電、または照明電力密度のさらなる削減が含まれます。

これらは IECC よりも厳格であるため、ASHRAE 90.1 またはストレッチエネルギーコードを設計の基礎として使用することは、あらゆるプロジェクトの良い出発点であり、エンジニアリング設計会社の標準的な慣行として考慮される必要があります。

銅対アルミニウム

銅とアルミニウムは、導体、配電機器のバス、変圧器の巻線に最も一般的に使用される材料です。銅はアルミニウムよりも導電性が高いため、銅配電機器はアルミニウムよりもエネルギー効率が高いという誤解がよくあります。そうではないのです。導体のサイズ、機器のサイズ、コスト、機器と導体の重量など、考慮すべき要素は他にもあります。

導体またはバスに使用されるアルミニウムの合金に応じて、アルミニウムの導電率は銅の導電率の約 56% ～ 61% です。導電率の違いは顕著ですが、分電盤、配電盤、変圧器などの配電機器の全体的な効率に大きな影響を与えることはありません。これは、使用される材料に関係なく、機器は温度上昇に関する NEMA および UL 規格を満たす必要があるためです。、機器の効率に影響を与える可能性があります。

同様に、導体は大きくなりますが、ケーブルの効率は影響を受けません。導体のサイズが大きくなると、導体の定格に応じて、より大きな導管が必要になり、場合によっては追加のフィーダが必要になります。一例として、NEC の表 310.16 によれば、380 アンペアが必要な場合は 500 MCM ケーブルが必要となり、同等のアルミニウム導体は 750 MCM ケーブルになります。これは、導体の断面積が 50% 増加することになります。

材料のコストは市場によって異なります。ただし、アルミニウムを使用すると、通常、以下のコスト削減が見られます。乾式変圧器の場合は 30% ～ 50%、変電所の乾式変圧器の場合は 20%、液体充填パッドマウント変圧器の場合は 25%、垂直セクションごとに 1,000 ドル1,000 アンペアの配電盤の場合は、3,000/4,000 アンペアの配電盤の場合は垂直セクションごとに 1,500 ドルです。

さらに、アルミニウムケーブルに関しては、導電性が低いため、電圧降下を考慮する必要がより大きくなります。平均して、同等のアルミニウム導体を使用すると、ASHRAE が推奨する 3% の電圧降下を満たすためにケーブルを配線できる長さが約 40% 減少します。

機器内のバスや巻線は増加しますが、アルミニウムと銅を使用した場合、機器の筐体全体のサイズは通常、たとえ増加したとしても大幅な増加はありません。パッド取り付けの油入変圧器や配電盤/開閉装置などの大型機器は、機器の電流または kVA 定格に基づいて増加する可能性があります。ただし、分電盤と乾式変圧器の場合、これらの材料を選択する場合、筐体サイズを大きくする必要はありません。

より大きな違いは、機器のバス/巻線のサイズが大きくなったにもかかわらず、重量が軽減されたことです。例として、1,000 アンペアの母線路はアルミニウムの場合約 22% 大きくなります。銅バスは約 50% 重くなります。バスの評価が上がるにつれて、これは劇的に増加します。たとえば、4,000 アンペアの母線路の場合、銅よりもアルミニウムへのサイズの増加は約 27% です。重量増加は約 73% です。

銅とアルミニウムを使用した場合、エネルギー効率に大きな利点はありませんが、プロジェクトの用途に選択された材料は設計時に常に評価される必要があります。

上で述べたように、各金属の主な違いは材料の重量とコストにありますが、通電材料を選択する際には、環境を含む他の多くの要素を考慮する必要があります。メーカーは、このトピックに関する有益な情報だけでなく、追加情報を確認できる多くのホワイトペーパーを提供しています。銅製変圧器とアルミニウム製変圧器の効率の差は 15 kVA を大きく超えることはありませんが、エネルギー効率がプロジェクトの主な目標である場合には銅を使用する必要があると判断できる十分な差があります。ただし、コストを考慮すると、アルミニウムによる初期コストの節約がエネルギー効率の損失を上回ることがよくあります。

電気負荷のバランスを取る

配電システム設計におけるエネルギー効率を確立するためのコストのかからない対策の 1 つは、三相配電システムの単相負荷のバランスを取ることです。負荷が 3 相母線間で適切に分散されていない場合、負荷における電流と電圧が不均衡になります (不平衡歪み)。コードの要件ではありませんが、設計者は設計中に負荷のバランスを常に考慮する必要があります。適切なエンジニアリング手法として、不平衡荷重は 2% を超えないように設計する必要があります。アンバランスな歪みは、電力損失、電圧降下の問題、誘導モーターや変圧器の過熱を引き起こします。

このエネルギー効率対策も、設計および建設中に実行される場合、所有者にとっては費用のかからない対策であり、設計におけるエネルギー効率を改善するために追加の資本コストを必要としません。設計はバランスがとれているかもしれませんが、負荷のバランスを取るために建設中に電気請負業者にそれを強調する必要もあります。

バランスのとれた負荷を実現するために設計中に注意を払ったとしても、電気システムの不平衡は負荷のオンとオフのサイクルに応じて変化することに注意する必要があります。したがって、設計時には、建物のシステムの動作が実際の建物の運用中に変化することを可能な限り考慮する必要があります。したがって、配電システムの傾向を記録し、問題を特定するには、配電機器の設計に常に計量を含める必要があります。

同様に、傾向を監視するために既存の配電システムにメーターを追加することも、建物のエネルギー効率の向上に役立ちます。負荷の不平衡領域を特定し、最大 2% の位相の不平衡を達成するために電気負荷を再割り当てするメンテナンス計画を確立します。電気負荷の再配置にはコストがかかり、施設の通常の運用が中断される可能性があるため、このプロセスの一環として負荷管理 (負荷制限) も考慮する必要があります。

トランスフォーマー

さらに、単相負荷が不平衡であると、電気システム内に高調波が発生します。

2016 年 1 月 1 日より、エネルギー省 (DOE) は配電変圧器に対するより厳しい義務を定めました。この義務は、NEMA TP-1 効率基準を満たすために以前に必要とされていた変圧器のより高い最小効率を確立するのに役立ち、本質的に、以前に NEMA プレミアムとして指定されていた変圧器が、現在では三相変圧器の標準効率レベルになります。 2016 年の DOE 指令の効率は、単相変圧器の NEMA TP-1 標準と同等であることに注意してください。しかし、2016 年の DOE の義務は、1 月 1 日以降、三相 NEMA TP-1 準拠変圧器の製造業者を排除することになります。新しい DOE 基準では、米国向けに製造された新しい変圧器は 2016 年の基準を満たすことが義務付けられているためです。

ただし、2015 年 12 月 31 日より前に製造された変圧器は引き続き一部のメーカーで購入できるため、TP-1 と現在最小標準となっている NEMA プレミアム高効率変圧器との効率とコストの比較について議論する必要があります。ただし、一部のメーカーは2016年のDOE基準を満たさない変圧器の注文を2015年第3四半期の終わりに停止したことに留意する必要がある。

また、すべての変圧器が、ASHRAE 90.1 表 8.1 に概説されている高効率変圧器の要件を満たしていることにも注意してください。ただし、前述したように、すべての変圧器が新しい DOE 2016 変圧器効率指令の要件を満たしているわけではありません。 DOE 2016 指令は、次の変圧器に適用されます。

2016 年の DOE 指令は、次の変圧器には適用されません。

熱損失

熱は電気システムの非効率性の副産物です。一般に、変圧器の効率が高くなるほど、変圧器から放散される熱が少なくなるため、温度上昇が低い変圧器の方が効率が高くなる傾向があります。建物内の配電に使用される汎用乾式変圧器には、80°C (176°F)、115°C (239°F)、および 150°C (302°F) の 3 つの標準温度上昇があります。

熱により失われた電力のコストは、変圧器の耐用年数全体にわたって多額になる可能性があります。このコストには、空間に失われる熱を補うために必要な追加の空調と換気のコストは考慮されていません。これもかなりの額になる可能性があります。

変圧器の耐用年数全体にわたって、150°C (302°F) と 115°C (176°F) のどちらかを選択する場合、熱により失われる電力のコストは、温度上昇がより低い変圧器の購入に関連する追加コストを正当化します。昇温変圧器。ただし、115 °C (239 °F) と 150 °C (302 °F) の温度上昇変圧器間のコストの増加は、必ずしも投資収益率をもたらすとは限りません。したがって、初期コストが変圧器の選択を決定する際の要素である場合、239°F 温度上昇変圧器はエネルギー効率とコスト削減の最適な組み合わせを提供します。

高効率 (NEMA TP-1) および NEMA プレミアム効率 (DOE 2016 および候補標準レベル 3) 変圧器に関する以下の説明では、115°C (239°F) の温度上昇に焦点を当てます。乾式変圧器は、エネルギー効率とコスト削減の最適な組み合わせを提供するためです。

メーカーは全負荷時の効率を 25%、50%、75%、および 100% と記載していますが、NEMA TP-1 および 2016 DOE の変圧器効率基準は、DOE の調査で変圧器の負荷が通常 32% であると決定されたことに基づいています。したがって、変圧器の 35% 負荷時に効率基準を満たす必要があり、全負荷で動作していないときの変圧器の効率が向上します。

変圧器のより高い最小効率を確立するために DOE によって確立されたプレミアム効率変圧器プログラムは、候補標準レベル (CSL) と呼ばれます。 CSL という用語は、DOE が変圧器の評価プロセスで使用する用語で、5 つのレベルが含まれます。レベル 1 (CSL-1) は、NEMA TP-1 変圧器と同等の効率です。この規格ではさらに、単相変圧器 (DL6)、15 ～ 150 kVA の三相変圧器 (DL7)、および 225 ～ 1,000 kVA の三相変圧器 (DL8) の 3 つのカテゴリに基づいて、より高いレベルの効率を分類しています。

NEMA プレミアム効率変圧器のうち、主要メーカーが入手可能な最も一般的な変圧器は CSL-3 に適合しています。変圧器は、TP-1 標準よりも少なくとも 0.6% 効率が高いことが要求されます。 CSL-3 の効率は 2016 年の DOE 義務の大部分を満たしていませんが、CSL-3 の効率は義務に近く、引き続き購入できますが、製造できなくなったため購入が困難になりつつあります。

さらに、CSL-3 を満たしている多くのメーカーは、最小効率要件の 0.6% を超えることがよくありました。ただし、このレベルを超える変圧器は、2016 年の DOE 指令まで広く入手可能ではありませんでした。変圧器のサイズが大きくなるにつれて、CSL-3 および 2016 DOE 変圧器のエネルギー効率により、年間コストが大幅に削減され、低価格の TP-1 変圧器に比べて初期コストの増加が正当化されます。

もう一度、50% 負荷の 75 kVA 変圧器の例を使用すると、年間コストが 256.23 ドルと 337.37 ドル節約され、変圧器の 25 ～ 30 年の耐用年数にわたってそれぞれ 6,405.75 ドルと 8,434.25 ドルに相当します。。さらに、エンジニアは追加の熱損失を補うために、冷却と換気のコストが高くつくことを考慮する必要があります。 TP-1 変圧器に対する 75 kVA CSL-3 変圧器のコストプレミアムは約 3,000 ドルで、所有者は 10 年以内に初期投資を回収できることになります。 2016 DOE 変圧器は、NEMA プレミアム効率変圧器に比べて変圧器の初期コストも約 10% 増加します。年間コストは 20% ～ 25% 削減されます。

効率基準が変更されたため、変圧器の仕様は 2016 年の DOE 指令に合わせて設計する必要があります。 2007 年の DOE 効率を満たす変圧器は引き続き購入可能ですが、いつまで購入できるかは不明です。したがって、2016 年の DOE 指令を満たす NEMA プレミアム効率変圧器は、すべてのエネルギー効率設計の標準設計アプローチとして使用する必要があり、ほとんどの場合、2016 年の DOE 指令の要件を満たすのに役立ちます。

ただし、NEMA TP-1 CSL 変圧器は線形負荷のみを使用してテストされており、配電システムのエネルギー効率損失の原因でもある高調波歪みは考慮されていません。

VFD とモータースターターの比較

モーターへの VFD の追加は、配電システムでエネルギー効率を達成するために最も一般的に使用される方法の 1 つです。これは、VFD によってモーターへの電力入力を調整できるためです。この機能は、多くの用途、特に所有者が部屋の実際の需要に基づいてさまざまな基準に基づいて部屋またはエリアの冷却または換気を調整できる HVAC システムで役立ちます。

VFD は通常、提供される VFD のタイプ (6 パルスまたは 18 パルス、アクティブフロントエンド、低高調波など) に応じて 95% ～ 98% の効率を持ちますが、アクロスザラインおよびソフトスターター (低減された-電圧ソリッドステート) の効率は 99.5% ～ 99.9% です。減電圧ソリッドステートスターターは、半導体デバイスを使用してモーターの端子電圧を一時的に低下させ、突入電流を低減し、シャフトトルクを制限してモーターを徐々に始動します。ソフトスターターとクロスザラインスターターは通常、VFD よりも安価で設置面積が小さく、アクロスザラインスターターが最も安価で設置面積も最小限です。したがって、モーターの速度を調整する意図がないアプリケーション、全負荷、またはオフ制御スキームでは、ソフトスターターによりシステムのエネルギー効率が向上します。また、VFD は全負荷の 50% ～ 100% で動作させたときにエネルギー効率が最も高くなるため、最大のエネルギー効率を達成するにはモーターのサイズを適切に設定することが重要であることにも注意してください。

クロスザラインスターターとソフトスターターのどちらを選択するかを決定する場合、通常、エネルギー効率は単に考慮すべき事項ではありません。突入電流を制限して、ケーブルサイズや回路ブレーカーのサイズなどの電気インフラストラクチャのコストを削減する要因となります。

VFD は、配電システムにおける高調波の発生源でもあります。 VFD を使用する場合は常に高調波を考慮する必要があります。

高調波の軽減

高調波は、基本電力周波数 (60 Hz) の倍数の周波数を持つ電流または電圧であり、配電システムに歪みを引き起こします。高調波は、いくつか例を挙げると、スイッチモード電源 (SMPS)、VFD、コピー機、コンピューター、プリンター、バッテリー充電器、医療診断機器、無停電電源装置 (UPS) などの非線形負荷によって生成されます。その理由は、電子機器が動作するには直流電圧が必要であり、建物に供給されている交流電力を電子機器用の直流に変換するには整流器とコンデンサが必要になるからです。変換中、コンデンサは充電および放電し、パルス状および非連続レートで電流を引き込みます。電流が不連続に流れると、電気システムに歪み (高調波歪み) が発生します。高調波電流は電気機器の過熱を増大させて電気システムの効率を低下させ、その結果空調要件が増大します。

K 定格のトランスが高調波歪みの軽減に役立つというのはよくある誤解です。ただし、実際には、高調波によって発生する追加の熱に耐えるために、変圧器は非常に大きくなっています。これは、同じ電気負荷に電力を供給するためにより高いワット数を使用するため、変圧器の効率が低下することを意味します。

高調波軽減変圧器 (HMT) は、変圧器の二次巻線から変圧器の一次巻線に伝達される高調波の影響を打ち消し、電力会社システムを含む配電システムの残りの部分に高調波が導入されるのを防ぎます。これは、HMT のジグザグ巻き構成によって実現されます。変圧器の構造、位相シフトの適切な選択方法、および変圧器の動作方法に関する追加情報は、製造元の Web サイトで確認する必要があります。

さらに、HMT 変圧器は NEMA TP-1 変圧器の効率定格を満たしています。 HMT 変圧器は 100% 高調波歪みの非線形負荷を使用してテストされますが、TP-1 変圧器は規格の効率定格を達成するために線形負荷のみを使用してテストされます。したがって、非線形負荷が使用される場合は常に、電気システムの効率を向上させるために HMT を使用する必要があります。ただし、線形負荷のみが変圧器から電力供給される場合、変圧器のエネルギー効率は本質的に同じであり、HMT に関連する追加コストは購入を正当化しません。

HMT は、複数 (2 つ以上) の同一の負荷が変圧器から給電されている場合に最も効果的であることに注意してください。容易に一致させることができない複数の固有の負荷がシステムから供給されている場合は、高調波フィルタ (アクティブおよびパッシブ) やラインリアクトルなど、他の形式の高調波緩和を考慮する必要があります。

Cameron Bellao は、Fitzemeyer & Tocci Associates Inc. の主任電気プロジェクトエンジニアです。彼は、さまざまなエネルギー規格や基準を満たすエネルギー効率の高い設計を含む、約 10 年の電気工学の経験を持っています。

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