高調波とは？発生原因・設備への影響と対策をわかりやすく解説

高調波とは、交流電源の基本周波数である50Hz・60Hzに対し、2倍、3倍、5倍などの整数倍の周波数を持つ電圧・電流の成分です。基本波に重なると波形がひずみ、条件によっては電気設備の過熱や動作異常につながります。

この記事では、高調波の仕組みから発生原因、高周波との違い、設備への影響と対策まで、電気設備の管理に携わる方に向けて解説します。

交流の電圧や電流は、時間とともに大きさと向きが変わります。その基本となる波が「基本波」です。なめらかな正弦波の基本波に、整数倍の周波数成分が重なると、全体は正弦波からずれた「ひずみ波」になります。

第3次・第5次高調波の意味

基本周波数の何倍に当たるかを「次数」と呼びます。50Hzの電源なら、第3次高調波は150Hz、第5次高調波は250Hzです。

高調波が発生しても、電源の基本周波数そのものが50Hzから250Hzに変わるわけではありません。50Hzの基本波に250Hzなどの成分が重なっている状態です。発生しやすい次数や量は、機器の回路方式によって異なります。

高調波は「基本波の整数倍」という関係を表す言葉です。一方、高周波は周波数が高いことを表し、その範囲は扱う分野によって異なります。電源高調波と、インバータの高速なスイッチングに伴う高周波ノイズは、区別して調べる必要があります。

ノイズは、機器の動作や信号にとって不要な電気的成分の総称で、周期的なものも含みます。高調波対策と高周波ノイズ対策では機器や方法が異なるため、ノイズフィルタを付ければ高調波も解消するとは限りません。

主な発生源は、正弦波の電圧を加えても電流が正弦波にならない「非線形負荷」です。例えば、交流を直流に変換する整流回路では、電流が電圧の一部の区間に集中して流れることがあり、このひずんだ電流に高調波成分が含まれます。

工場やビルでは、空調・ポンプ・エレベーターなどのインバータ、無停電電源装置（UPS）、直流電源装置、LED照明の電源回路などが発生源になります。インバータ装置の電源側の高調波には、特に入力側のコンバータ部（整流回路）の構成が関係します。

ただし、同じ名称の機器でも発生量は一律ではありません。回路方式、入力容量、負荷の運転状態、リアクトルや高調波低減回路の有無を、メーカーの仕様書で確認します。

高調波電流が配線や変圧器などのインピーダンスを通ると、高調波の電圧が生じ、同じ系統の機器の電源電圧もひずむことがあります。影響は自社設備だけでなく、電力系統を通じて他の需要家に及ぶ場合もあります。

高調波を含む電流や電圧が機器の許容範囲を超えると、次のような問題が生じるおそれがあります。

特に進相コンデンサは、周波数が高くなるほど電流が流れやすくなる性質があり、注意が必要です。系統との共振によって特定の高調波が増幅されることもあるため、コンデンサの追加だけで改善するとは限りません。

一方、設備の異音や停止には、過負荷、漏電、接触不良、高周波ノイズなど別の原因もあります。インバータの導入直後に起きた場合でも、高調波と断定せず、動作記録と測定結果から切り分けましょう。

電圧と電流、総合値と次数別の値を分けて見る

高調波の確認には、解析に対応した電源品質アナライザなどを使います。通常の電圧値・電流値だけでは、高調波の内訳までは把握できません。

代表的な指標が、基本波に対する高調波成分の割合を表す「総合ひずみ率（THD）」です。電圧のTHDと電流のTHDは別の値であり、同じ基準では判断できません。総合値に加え、第5次・第7次などの次数別の値も確認します。

結果は測定点や運転状態で変わるため、異常が出る時間帯や稼働機器も記録します。測定計画や充電部付近の作業は、電気主任技術者などの専門家と進めてください。

5％・3％は系統の総合電圧ひずみ率の環境目標

高調波対策で示される「6.6kV配電系統で5％、特別高圧系統で3％」は、系統の総合電圧ひずみ率に関する環境目標レベルです。個々の機器の電流ひずみ率に、そのまま当てはめる数値ではありません。

「高圧又は特別高圧で受電する需要家の高調波抑制対策ガイドライン」では、対象機器の等価容量や、系統へ流出する高調波電流を基に対策の必要性を判断します。機器の新設・増設・更新時などには適用条件を確認し、必要な計算や一般送配電事業者との協議を行います。

具体的な計算や判定は、日本電気協会の「高調波抑制対策技術指針（JEAG 9702）」などを参照します。指針の改定・追補と一般送配電事業者の案内を確認し、設備条件に合った方法を適用することが大切です。

対策は、発生源と設備の構成に応じて選びます。代表的な機器の役割は次のとおりです。

このほか、高調波発生の少ない機器への更新や多パルス化などの方法もあります。機器の容量だけで選ばず、単線結線図、メーカー仕様、計算書、現地測定を基に、共振や外部からの流入も考慮して検討します。導入後は、可能な範囲で対策前と同じ運転条件で測定し、効果を確認しましょう。

高調波の調査では、測定値だけでなく、測定点・日時・稼働機器・異常の内容・対策前後の変化をまとめて残すと、再調査や担当者の引き継ぎに役立ちます。例えば空調更新後に異音が出た場合は、空調の運転台数やコンデンサの投入状態も記録すると、原因を調べる手掛かりになります。

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高調波は、基本波の整数倍の周波数を持つ電圧・電流の成分です。インバータなどの非線形負荷で発生し、設備条件によって過熱や動作異常につながります。高周波ノイズや他の故障原因と切り分け、電気主任技術者・メーカーなどと測定・対策を進めましょう。運転条件と対策前後の結果を記録することが、継続的な設備保全につながります。

• 九州電力送配電「電気の品質を低下させる『高調波』について」
• 日本電機工業会「汎用インバータ及びサーボアンプの高調波抑制対策について」
• 日本電機工業会「知っておきたい 高圧進相コンデンサ設備の正しい取扱い」
• 日本電気技術者協会「電圧・電流波形のいろいろ（2）（高調波）」
• 三菱電機「インバータにおける高調波抑制対策ガイドラインへの対応について」