電源品質測定のための知識と実施例

2020 年 4 月（株式会社）テクノクオリティー
代表取締役 渡部利範

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はじめに

本冊子は、５つの章によって電源品質およびそのデータ収集について記載している。
インバータを中心とするパワーエレクトロにクス応用機器の普及、電力系統においては大型アーク炉、大型整流器など不平衡負荷の増加、分散型電源の連系増加など電力系統の複雑化に伴う電源品質の低下が心配されている。
電源品質の低下は、受変電設備の障害や電子制御機器の誤動作などを引き起こす。例えば、高調波はリアクトルの燃損やコンデンサの異常音の発生を引き起こし、インパルスな
どのノイズや電圧低下はコンピュータを使用した制御システムが停止する事態に至る。
電源品質の低下によって起こる電源ラインの異常は、電源を供給サービスする側と電源を使用する側のどちらにおいても共通の問題である。電源異常の直接原因は、供給側、使用する側どちらかの電力システムに問題があるのかが一概に判らないのが現状である。直接の原因が何処にあるのかを見極め、有効な対策を行うために電源品質測定が必要である。
『2014 年 日置電機 電源品質コンサルタントハンドブック資料一式よ
り抜粋』

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目次
1 章 電源品質障害について・・・・・・・・・・・・・・・・・・・5～6
1.1 背景1.2 電源品質障害の定義
1.3 電源品質障害による電子機器の故障・誤動作
1.4 電源品質障害になる波形は本当に存在するのだろうか？
2 章 電源品質の検証に不可欠な基礎知識・・・・・・・・・・・・・6～17
2.1 言葉の定義
2.2 ノーマルモードノイズとコモンモードノイズ
2.3 家庭電気機器からの発生する開閉サージ
2.4 有接点と無接点の開閉サージ
2.5 配電線を経由するノイズ
2.6 接地～誤動作の検証に欠かせない～
2.7 建物の配電系統～電路系接地の不具合で何が起こるか～
2.7.1 低電圧配電方式
2.7.2 各国の接地方式
2.7.3 静電気～放電電磁界電流によるノイズ障害～
3 章 電源品質と電気製品との課題・・・・・・・・・・・・・・・・17～24
3.1 経緯3.2 電源品質を測定する目的
3.3 停電3.4 電圧
3.5 周波数
3.6 電圧変動
3.7 高調波電圧（電流）3.8 繰り返しサージ
3.9 瞬時電圧低下と瞬時停電
3.10 雷サージ
3.11 基準を満足しても市場では稀に故障・誤動作する
3.12

電源品質障害の発生電気設備と要因

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4 章 電源品質のデータ収集・・・・・・・・・・・・・・・・・・24～25
4.1 閾値の決定
4.2 閾値の設定の考え方
5 章 事例紹介 電源品質障害の調査計画と実施・・・・・・・・・26～38
5.1 実際に測定した世界 18 ヵ国 40 都市
5.2 AC 電路に侵入する電源品質障害による電子部品の故障・誤動作
5.3 測定の全体計画を立てる～何をどう準備するのか？～
5.4 第一段階の測定器システムの条件
5.5 第二段階の測定システム
5.6 現場に出向く
5.6.1 現場環境～目視点検を実施する～
5.6.2 現場施設の点検
5.6.3 現地での測定手順
5.7 測定器を該当設備に接続する
5.8 測定結果
5.9 再現実験5.10 電源品質障害に対する電子機器への対策

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1 章 電源品質障害について

1.電源品質障害
1.1 背景世界的な規模で電気機器がオフィス、家庭、工場、学校等さまざまな場所に設置されている。これらの安定的な稼動のためには、周波数・電圧が所定の値に維持され波形の歪がないことが極めて重要である。
しかし、雷サージ、開閉サージ、電圧変動、停電等により、安定的な電力品質を常時供給できない事実がある。そのため、信頼性の高い電気製品の設計のためには、それらの異常電圧の外的要因にも十分考慮しなければ成らない。
1.2 電源品質障害の定義
電源品質障害とは、一般的に電気製品の通常の運用を妨害するあらゆる電気的な変化（電圧、電流、周波数）と定義する。商用交流電源は滑らかな上下対称の正弦波を示し、毎秒50Hz または 60Hz 変化する。様々な要因で波形、大きさ、周波数等が変化して電源品質障害（高調波、ザグ、電圧変動、繰り返しサージ等）が発生し、電気製品の故障原因となる。

図 1-1 正弦波
1.3 電源品質障害による電子機器の故障・誤動作
波形現象には、波形の大きさ、対称性、周波数の変化があり、これに対する電源品質障害の呼び名として高調波、ザグ、過電圧、電圧変動があげられる。同じように、交流波形にパルス、振動サージが重畳する場合は、インパルス、ノッチと呼ぶ。一瞬でもゼロ V になる場合の波形現象として停電、瞬時停電が挙げられる。サージが電源品質障害の原因となり、電気製品の故障、誤動作を引きおこす。

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高調波→誤動作、信号エラー

ザグ→データ破損
図 1-2

パルス波形の重畳→部品の故障

波形現象

1.4 電源品質障害になる波形は本当に存在するのだろうか？
同業他社から提供された中国電源事情は、以下のとおりであった。
・異常な商用電圧：最大電圧 AC371V 10ｍｓ
・インパルス：

200V ピーク 10μｓ～2ｍｓ
AC 電圧波形に重畳されたインパルス値

・異常な周波数：33.4Hz
・停電：

5 分～8 分に停電

・電源インピーダンス：4Ω～8Ω
・配電形態：単相 3 線式/単相 2 線式/自家発電/その他
・中国の商用電源は公称電圧 AC220V であるが朝と夜の負荷の増減により AC20V 程度の電圧変動は日常的に発生している
以上、電源品質障害の概要を述べた。
電源品質の波形を測定して、波形の検証をする。具体的な対策を立てるためには、ノイズ、サージ、配電系、接地系等の基礎知識を理解しておくと大変役に立つ。

2 章 電源品質の検証に不可欠な基礎知識

2.1 言葉の定義
サージとは、電圧、電流が急に増減すること。通常の電路に浸入する異常電圧、異常電流を指し、電路に 現れる異常なエネルギーそのものを言う。ノイズとは、電気・電子機
器がその目的とする機能を発揮することを妨害（破壊、故障、誤動作等その機器に発生させる）する不要な電気エネギルーの総称を言い周期的なものも含む。サージが正常な電気・電子機器の機能を妨害する時に、そのサージはノイズと定義される（電気設備の電路に関する基礎技術）。

6一方、サージとノイズを電圧と周波数で分類する方法もある。サージは、10V～10000V、50Hz～20MHz の高電圧、低周波の帯域を示し、ノイズは、1V～30V、100kHz～1GHz の低電圧、高周数の帯域を示す（橋本著 雷とサージ）。同著によると、電力系統の故障時のサージ、開閉サージ、誘導雷サージ等の他、誘導障害、静電気放電も分類されており、サージ、ノイズの体系化に役に立つ。

図 2-1

サージとノイズを電圧と周波数で分類

ノイズの発生源は、大きく分けて放電現象、負荷の動揺、無接点の開閉、電波の発受信に分類できる。電源品質障害を考えた場合、無接点の開閉による高調波、負荷の動揺による電圧変動、接点の開閉によるパルスの正弦波への重畳等がノイズの発生源として重要である。測定箇所の選定に欠かせない知識である。

図 2-2

ノイズの発生源7

2.2 ノーマルモードノイズとコモンモードノイズ
ノーマルノイズとは、電路（信号回路）に対して往復線にまたがって侵入するノイズであり、コモンモードノイズは、電路（信号回路）全体を大地に対して変動させるノイズを示す。電路間には、通常ノイズ防止のための雑音防止用のコンデンサ、雷サージ対策のバリ
スタ、避雷器等の電子部品が設置される。また、信号系では、ライン間にはコンデンサが挿入される。
過電圧、雷サージ等でコンデンサ等の電子部品が破壊された場合、多大な電流が流れて発火・発煙することが予想される。コモンノイズには、セラミックコンデンサが使われる
ケースが多い。

図 2-3

ノーマルモードノイズとコモンモードノイズ

2.3 家庭電気機器からの発生する開閉サージ
図 2-4 は、サージ電圧を波高電圧計（パルス・ボルトメータ）で測定したデータである。
家庭では 1000V 以下のデータであるが、工場では、200V、400V の配電系なので、より高いサージの可能性が予想される。これらのサージ電圧が、正弦波に重畳されれば、それが電源品質障害になり得る。

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図 2-4

家庭電気機器からの発生する開閉サージ

2.4 有接点と無接点の開閉サージ
図 2-5 より有接点リレーの開閉サージの発生に関しては、パワーが大きいリレーが発生
サージが大きいことが分かる。強電リレーの開閉サージは、4000V に達しているので、電源
品質障害の要因が予想される。

図 2-5

有接点リレーの開閉サージの発生

無接点のスイチッング素子である半導体素子の場合、インバータやサイリスタ整流器により電流の向きを切り替える（転流）時などにサージが発生する。位相は発生源で異なり、

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最悪は 6 相整流器の場合で 1 波形に 60°間隔で 6 回発生し、ﾗｲﾝｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽが高く発生源に近いコンセント程、ﾋﾟｰｸ値は高くなる。

図 2-6

無接点のスイチッング素子

2.5 ノイズの浸入経路
ノイズ発生機器として溶接機、電炉等の大形電気設備があり、また家庭では誘導モータを利用した扇風機、温風ヒータ等が挙げられる。これらにより過電圧、高調波等が発生して伝導ノイズとして配電線を伝わる。ノイズ発生器から被害機器への直接に伝導するケースとして USB ケーブル、RS-232C ケーブル等を経由する場合が考えられる。

図 2-7

ノイズの浸入経路

10建物内での電子機器へのノイズの侵入するケースを具体的に考えてみる。日本の屋内配線の場合を図に示す。施設内の配電線に侵入した雷サージ、過電圧、インパルスが電路をとおして電子機器に侵入する、あるいは同じコンセントに接続された他社の電子機器のノイズが侵入するケースも考えられる。

図 2-8

建物内でのノイズの侵入経路

工場内の誤動作におけるノイズの侵入経路を示す。これはロボット等メカトロ機器のノイズによる災害防止の研究文献による。浸入経路は、電源ライン、信号系の入出力ライン、
接地系ラインで 60％を占めており、大半が電路系であることが解る。

図 2-9

誤動作におけるノイズの侵入経路

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2.6 接地～誤動作の検証に欠かせない～
接地とは、電機・電子・通信設機器を大地と電気的に接続する行為を言う。接地は、系
統接地と機器接地に分類される。
系統接地とは、電路を大地に電気的に接続すること。系統の中性線を接地することを意味しており中性点接地と呼ぶ。目的は、感電防止、異常電圧からの機器の保護である。
機器接地とは、電機機器や設備の外箱を大地に接続することであり、ノイズ対策用と電位基準化が目的である。
接地の用語も知識として記憶しておくとよい。英語圏では、アース、米語圏ではとグランドと呼び、いずれも接地と翻訳される。

図 2-10接地の用語（IEC 規格）

接地設備の構成と電位上昇の考えかたを示す。電気機器の絶縁破壊により地絡電流が流れ、接地極の抵抗により電位が上昇し人体の感電、電気機器の損傷、ノイズ発生、誤動作の障害になる。電子・通信機器等に対しては、電位上昇および接地空間の接地系の電位変動が大きな障害を及ぼす。

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図 2-11

接地設備の構成と電位上昇の考えかた

接地ループは大地電位の異なる接地点に装置の接地線を接続すると必ず起こる。
接地 2 と電位の異なる接地 1 を接続すると接地抵抗値の差（Ｒ1-Ｒ2）で電位差が発生し、装置の接地線に電流が流れる。この電流がグランドノイズを引き起こし、コンピュータのロジックシステムの誤動作になる可能性がある。

図 2-12接地ループ

複数の電子機器の共通インピーダンスによる影響も見逃せない。図 2-13 に示すように接地抵抗と接地線のインピーダンスは、3 台の電子機器（A、B、C）の共通になる。電子機器

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A からノイズ電流が流れて Vn が発生し、それぞれの電子機器に個別に影響する結果、電子
機器 B あるいは電子機器 C が誤動作する可能性がある。

図 2-13

共通インピーダンスによる影響

誤動作するとは、決められた枠の中に信号が入らない場合を言う。枠とは、電圧と時間、
電圧と周波数が一般的である。瞬間的なサージが規定電圧値を超えて、信号が不具合になる。あるいは、周波数帯域のいずれかで、正しい信号レベルを超えてしまう。

図 2-14

ノイズによる信号の不具合

2.7 建物の配電系統～電路系接地の不具合で何が起こるか～
2.7.1 低電圧配電方式
14ここでは低電圧の配電方式について紹介したい。日本の場合、単相 2 線式、単相 3 線式、三相３線式、三相４線式の配線方式がある。電圧側電路と接地側電路の間の線間電圧を公称電圧と呼ぶ。公称電圧とは、その電路を代表する線間電圧のことを指す（JIS-158

1970）。

単相３線式の場合、配電盤の中性線の接続不良、ネジの緩みより、二つの電路の電圧バ
ランスが崩れる。一方の電路に公称電圧より高い電圧が印加される電源品質障害が報告されている。これを中性線欠相と呼ぶ。

図 2-15日本の低圧配線方式

中性線が欠相した時、製品 X に何Ｖが印加されるのかを考えてみたい。日本では、公称
電圧の 1.5 倍の AC150V が印加される。北米では中性線欠相時に公称電圧の 170％の過電圧が（AC204V）印加され、最大 2 倍の電圧が印加される可能性があると報告されている。
単相３線式回路の中性線の欠相により低電圧側製品に生じる電圧範囲は、負荷となっている製品のインピーダンスにより変化し,０～低電圧側公称電圧×２ボルトになる。

図 2-16

中性線が欠相した時、製品 X に何Ｖが印加されるのか
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2.7.2 各国の接地方式
日本、中国、フィリピン等は、TT 方式と呼び、系統接地と機器接地が分離されている。
ここで最初の T とは、電源を大地へ接続することを言い、次の T は機器を大地へ接続することを言う。
接地線と中性線とが別の基準電位点に接続されており、雷サージやその他のノイズにより中性点と接地線の電位差が大きくなると、機器の破損・異常動作を起こすことがある。

図 2-17

ＴＴ接地方式（日本、中国、フィリッピン）

アメリカ、欧州はＴＮ接地方式がとられている。ここで N とは、機器を中性線（Ｎ）へ接続することを言う。中性線と、接地線が最終的に一つの基準電位点で大地に接続される。
中性線・接地線が同一電位となるため、雷サージやその他のノイズによる障害が少ない。

図 2-17

ＴＮ接地方式（アメリカ、欧州）
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2.7.3 静電気～放電電磁界電流によるノイズ障害～
溶接による接続が筐体への放射電磁界イミュニティテストで不合格になった。筐体を構成する板金間が大きな抵抗値を持つ。そのため静電気の放電電流が筐体を流れると板金間で瞬間的に大きな電位差が生じる。その結果浮いた板金側にあった回路にノイズが侵入し静電気テストが不合格になった。これは、信号回路の基準電位が不安定になり誤動作の原因になった例である。

図 2-18筐体への放射電磁界テストで不合格

3章

電源品質と電気製品との課題

3.1 経緯電力品質による問題（電源品質障害による故障、誤動作）が発生しないように誰が対策を行えば効果的か？電力品質の要素によって異なる。
①電力会社が対策する
停電、周波数、電圧という重要な要素および電圧不均衡は電力会社が品質を維持する。
②原因発生者が対策する。
電圧変動、高調波電圧、繰り返しサージ、単発サージは、機器を使用することにより電源品質が維持できなくなる。
③電気製品側で耐性を上げる
雷サージ等による瞬時電圧低下、過渡過電圧を発生させないことが困難である。市場では、原因発生者側で対策すべき電圧変動、高調波電圧、繰り返しサージ、単発サージの対策がなされた環境下で電子機器が使用されることを前提に設計することは、現実的に受け入れ
られない。

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結果、これらを含めて、あらゆる条件下でも電気製品側で製品の耐性を上げることが基
本的な設計思想である。しかし、対策技術、コスト等を考慮してどの程度の耐性の設計にすればよいのかを見極めることが重要である。それに耐えうる電子機器の設計を試る。
以上を考慮すると電源品質を考えた場合、下記のように 3 分類され、電源品質を測定する
目的が異なる。

図 3-1 電力品質による問題
3.2 電源品質を測定する目的①電力供給者
停電、周波数、電圧という重要な要素と電圧不均衡は電力会社が品質を維持するのが基本である。電力供給者は、定められた標準値以内であることを確認し、電力品質が維持されていることを長期間にわたり測定する。
②原因発生者側
電圧変動、高調波電圧は電気機器を使用することで発生する。そのために電力品質が維持できなくなるので、原因発生者が対策する。特に電圧変動抑制（IEC61000-3-3）、高調波抑制（IEC61000-3-2）の場合、基準に合致していることおよび対策効果の確認のため、精密に測定する必要性がある。
③被障害側
電気製品を製造販売する企業にとって、原因を問わず市場で製品の故障・誤動作を防ぐことが大切である。第一に電圧、周波数が標準値を超えても正常に動作する ことを確認する。次に繰り返しサージ、雷サージ、電圧変動、高調波電圧等が製品も安全に使っていただくように設計しなければならない。

に侵入して測定対象の電圧、高調波等の18しきい値の考え方、しきい値の数値を考慮して測定し、故障、誤動作しない電気製品の設計に役立てる。
3.3 停電停電は、一般的に電圧がゼロになる現象を言う。0.07～2 秒以下の瞬時停電/瞬時電圧低下、2 秒以上は停電に分けて分類される。停電時は、順次電圧がゼロになる。「ブランｱｳﾄ」と言う順次電圧が低下する試験をして、ハードディスクやメモリー内蔵機器等に製品への影響を確認する。
表1

各国の停電

3.4 電圧日本の場合「電気事業者は、その供給する電気の電圧及び周波数の値を経済産業省令で定める値に維持すること」となっている（電気事業法第 26 条）。第 46 条には、「連続して24 時間行う」などと測定法は定められており、測定電圧の 30 分平均最大値及び 30 分平均最小値並びにそれぞれの発生時」に記録するとされている（第 45 条）
表 2 標準電圧
標準電圧

維持すべき電圧

100V

101V の上下 6V を超えない値

200V

202V の上下 20V を超えない値

3.5 周波数
周波数は、需要と供給のバランスをとることで維持される。電力品質は多くの需要者が電気を使用した結果であり、電力会社ではそれに合わせ発電機を制御している。電力会社
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現在日本では、維持すべき周波数の範囲は定められていない。
日本の場合、実際の値は 0.1Hz 以内の滞在率が 99.5％であり、0.2％以上の逸脱回数が 20回程度と報告されている。
周波数変動の影響で気を付けるのは、AC モータの回転数である。複写機の駆動モータに
AC モータを使用していた時、50Hｚ地域と 60Hz 地域別にモータのギヤの変速比を変えていた。現在でも外国製の洗濯機に見られる。隈取ファンモータの場合、60Hz は 50Hz より18％程度回転数が大きい。ファンモータの場合、60Hz 使用のモータは風量が多い。
3.6 電圧変動
電圧変動とは、電気溶接機、アーク炉などの負荷の変動によって配電電圧が短時間の周期的変動を連続的に繰り返す現象を言う。変動周期は、1 秒間に数十回程度、1 分間に 2 回程度までが範囲とされる。系統インピーダンスが高いことも要因になる。
日本国内には電圧変動に対する法的な許容値がない。国際規格では IEC61000-3-3 で3.3％以上の電圧変動を生じさせる機器は、製造販売を禁止されている。一般の電子機器の場合、0.3％の連続的な変動があっても、故障、誤動作することは極めて稀である。
表3

電圧変動の障害機器と影響障害を受ける機器

影響

照明機器

ちらつき（特に白熱灯）
消灯（特に水銀灯）

誘導電動機

起動渋滞、トルク低下

情報機器

誤動作

3.7 高調波電圧（電流）高調波とは、ひずみ波交流の中に含まれている基本波の数倍の周波数を持つ正弦波である。特に基本波の 3 倍の周波数を第 3 高調波、5 倍の周波数を第 5 高調波と言い、これを重点的に対策することが有効である。
原因発生源への高調波の抑制基準として、高圧需要家ガイドライン、EN 規格の高調波電流規制（IEC61000-3-2）、JIS

C61000-3-2：2011

高調波電流規格がある。基準に合致すように対策するが、対策は、高コストとなる。
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電子機器は高調波、電圧歪に耐えうるような設計をする。さらに IEC61000-4-13 高
調波および次数間高調波の低周波イミュティ試験をする。しかし、この試験にパスしても、市場で電子機器が誤動作することを経験した。
3.8 繰り返しサージ
繰り返しサージは、誘導性負荷の遮断やリレー接点の振動的な開閉、直流または交直両用のモータの動作などに伴って恒常的に発生する。
この過渡現象に耐えることを確認する試験がファーストトランジット試験（EFT
IEC61000―4―4）。EFT（Electrical Fast Transient：電気的高速過渡現象）は、バース
トイミュニティ試験とも呼ばれる。電圧は、0.5kV～4kV から選択し、コモンモードに印加する。電子機器の場合、1kV, 50ns,50Hz を標準値として、評価している

図 3-2

バースト

3.9 瞬時電圧低下と瞬時停電
瞬時電圧低下（瞬低）とは、雷に起因する送配電線の故障電流が流れて電圧低下が起

こり故障点を中心に電圧が低下する現象を言う。継続時間は、故障発生から遮断器動作するまでの間で、数ｍ秒から最長 2 秒程度を言う。送電線の故障で発生するので、電気機器側で対策することが基本である。
電圧がまったくゼロになるのは、瞬時停電（短時間停電）という。試験規格は、IEC
61000-4-11:2004（電圧ディップ、短時間停電及び電圧変動に対するイミュニティ規格）で瞬時電圧低下と瞬時停電の試験を定めている。
・瞬時電圧低下（電圧ディップ）
短時間で復帰する規定の電圧ディップしきい値以下への突然の電圧低下。
・瞬時停電（短時間停電）
短時間で復帰する規定の短時間の停電のしきい値以下への相の突然の電圧低下。

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電圧ディップ

40%・5 周期 波形

図 3-3

電圧ディップ

0%・0.5 周期

波形

電圧ディップ試験の例

3.10 雷サージスイッチの開閉動作や誘導雷の過渡現象から発生する一方のサージに対し、電子機器の誤動作を評価する（IEC61000-4-5）。電源ラインにコンビネーションウェーブを正極・負極ともに印加する。例）1.2/ 50μs の電圧波形の単発サージ（電圧1Kv～4KV）

雷発生の多い北米、アジア等の地域の雷サージを考慮して、下記の考え方で設計をする。
雷サージの合否の判断基準は、①印加されても正常動作、②機能停止するが復帰する③サービスして復帰する、④壊れてしまい非復帰と区別する。電子機器メーカは、④に耐える設計をし、コモンモード最大 6kV、ノーマルモード最大 3.5ｋV を基準にすることが通
例である。

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図 3-4

雷サージ試験の波形

3.11 基準を満足しても市場では稀に故障・誤動作する
自社製品の電源品質に対する耐性の仕様検証をする必要性がある。自社の基準、国際基準にパスした製品を出荷するので、市場で発生する理由は下記の 3 点と思われる。

図 3-5

基準を満足しても市場では稀に故障・誤動作する

3.12 電源品質障害の発生電気設備と要因

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図 3-6

電源品質障害の発生電気設備と要因

4章

電源品質のデータ収集

4.1.閾値の決定
目的は、効率的なデータの捕捉であえる。電源品質障害（過電圧、高調波等）の測定は、壊れた電子部品、製品の誤動作の市場の実態を把握していれば、測定したい波形（種類、形、時間等）の傾向を想定することがある程度は可能である。
しかし、未然防止という観点から市場の実態を予測し、電源品質の波形測定を試みる場
合、波形（種類、形、時間等）の傾向を想定することが難しいという課題がある。しかし、次の点が言える。
1）ＡＣ電源経路に接続された電気製品の電気・電子部品に対する AＣ過電圧、雷サージ、繰り返しサージ等による影響は、充電器と電子機器は同じと考えてよい。
2）高調波、電圧歪、繰り返しサージ等による誤動作、充電できない等という影響は、信号系のメカニズムを前提に、測定したい波形（種類、形、時間等）を予想することが肝心と思われる。しかし、現時点で高調波、電圧歪、繰り返しサージ等と信号系のメカニズムの関連を予想するのは、困難である。
そこで、当該製品は、国際規格および社内規格の様々な基準をパスした前提に設計されかつ出荷されるということを基本に考えて測定波形のしきい値を決めることにする。

4.2 閾値の設定の考え方
その一24

ポイントは、電圧の高さ、その継続時間、および波形の形である。最悪データが捕捉できるとは限らない。最悪データの捕捉が目的ではなく、測定箇所での傾向把握が目的である。傾向が把握できれば再現実験による真因究明が可能となる。

図 4-1

閾値の設定の考えた

その一

その二
国際規格をパスした前提に設計されかつ出荷されるということを基本に考えて測定する波形のしきい値を決めるには、以下の様にする。

図 4-2

閾値の設定の考えた その二
25

5章

事例紹介

電源品質障害の調査計画と実施

5.1 実際に測定した世界 18 カ国 40 都市
製品の安定的稼動には、電圧・周波数の安定性および電圧波形に歪みが無いこと。
国際標準に整合、設計指針に適合させても、製品の誤動作、電子部品の破損の事実がある。
しかし、一般家屋に侵入する異常電圧のデータは 極めて少なく、総合的に検証されていない。そこで、5 年間に渡り、世界 18 カ国、40 都市、78 箇所の一般家屋のコンセントに侵入する異常電圧を測定した。

図 5-1

世界 18 か国測定

5.2 AC 電路に侵入する電源品質障害による電子部品の故障・誤動作
次に、電子部品の故障・誤動作したモデル図と回路図を示す。

図 5-2-1

壊れた電子部品26

図 5-2-2 壊れた電子部品
5.3 測定の全体計画を立てる～何をどう準備するのか？
電源品質障害を測定した実施計画を示す。

図 5-3

5.4

全体の計画表

第一段階の測定器システムの条件第一段階では、中国において電源ライン間に侵入する雷サージ、開閉サージ、過電圧、電圧変動等を測定対象とした。4 年間に使用した測定器の一覧表を下図に示す。当時、市販されていた測定器は、電源品質アナライザ（ドラネッツ 658）とメモリレコーダ（日置電機
メモリハイコーダ 8808）であったので、この両測定器を第一段階の測定システムの検討対
象とした。
27

図 5-4

当時の測定器の仕様

第一段階の測定器システムの条件を次のように定めた。
① サージ電圧の高さ（2500V 以下）と幅（2.5μs 以上）が測定可能なこと
電源ライン間にかかる雷サージは、最大 2500V が報告されている→高圧プローブ使用する② 同一システムでサージ電圧,過電圧,各種の電圧波形が同時に測定可能なこと③ 3 ヶ月以上連続して無人で測定可能なこと④ 波形データとして、パソコンにデータとして取り込めること⑤ 測定器システムに異常電圧（過電圧、雷サージ等）で破損しないこと⑥ 確実にデータを収集するための条件
顧客が測定データを保存し、一ヶ月に一度データを日本に郵送できること。
メモリレコーダ（日置電機メモリハイコーダ 8808）測定システムと写真を次に示す。測定システムは、メモリレコーダ、パーソナルコンピュータ（PC NEC

VA30HWSAAB46）、MO

デｨスクのメモリー装置（Logitec LMO-P643H/PS）そして異常電圧による測定器の破損防止の安定化電源装置（絶縁トランス型）から構成される。さらに絶縁型接続箱を製作し、中継コネクタを介することで壁のコンセントの電圧を安全に確実に測定できる。

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図 5-5-1

自作した日置電機メモリハイコーダ８８０８測定システム

図 5-5-2

自作した日置電機メモリハイコーダ８８０８測定器

サージ電圧測定用システムのメモリレコーダは、最小 2.5μs の時間幅のサージを 10ms
間測定できるようにサンプリング周期を設定した。過電圧測定用システムのメモリレコー
ダを最小 25μs の時間幅のサージ電圧および過電圧の場合 100ms 間まで測定できる設定にした。2 台でそれぞれ同時に測定するので、サージおよび過電圧のいずれかが侵入しても測定可能である。電源ライン間にかかる電圧は、アメリカでは最大 2500V が報告されているので、100 対 1 の高圧プローブを使用し 2500Ｖまでの測定が可能である。測定は、いずれもノーマル、コモンの両方を測定する。メモリレコーダは、メモリカード（128MB）を装備

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しているが、データ量を予測できなかったので、収集したデータは、メモリレコーダから
RS232C ポートを利用してデータをパソコンに自動転送し保存するソフトを開発した。一ヶ月に一度データを MO デスクに手動で保存し、MO デスクを日本に郵送することにした。このことで、段階的に確実にデータが入手できた。

図 5-6

絶縁型接続箱の高圧プローブの接続方法

中国で移動しながら測定した
最初の段階で、実際に故障や誤動作が発生した家屋を中心として都市を選択した。中国の沿岸 6 都市（珠海、北京、済南、臨沂、上海、蘇州）と内陸２都市（成都、トルファン）の一般家庭、工場、ホテル等を訪問した。
測定家屋を選択するため、電源品質アナライザ（ドラネッツ 658）を使用して一日間コンセントにかかる電圧を測定し、異常電圧発生の可能性を見極めた。
3 ヶ月間の測定後、イベント（サージ電圧波形、過電圧波形等）が蓄積できた場合およびイベントの蓄積が無い場合は、電源品質アナライザ（ドラネッツ 658）と共にメモリレコー
ダ（日置電機メモリハイコーダ 8808）測定システムを次の測定個所に移動した。
訪問の際、中国人の顧客に測定システムの維持管理を依頼した。具体的には、データを確実に収集した事実および測定器システムの作動状態を記録することである。最初の段階のデータ収集を確認した後、測定場所をさらに沿岸 2 都市（天津、常州）、内陸１都市（重慶）に拡大した。

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図 5-75.5

実際に故障や誤動作が発生した家屋を中心とした都市で測定

第二段階の測定システム

第二段階の測定国は、欧州 4 カ国(英国、ドイツ、オーストリア、ロシア、)、アジア 5カ国（タイ、インド、フイリッピン、マレーシア、インドネシア）、アメリカ 3 国（USA、
メキシコ、ジャマイカ）を対象とした。そこで、測定システムをハンデイ化することを計画した。
中国の観測の結果、観測データ量がカードメモリ 128MB で十分と判断したので、PC を使用せず、メモリレコーダと接続箱で測定システムを構築した。さらに、電源ライン間に侵入する雷サージ、開閉サージ、過電圧、電圧変動等に加え、製品の誤動作の検証をするた
め高調波歪を測定対象とした。
新たに日置電機の電源品質アナライザ日置 3196 を選択した。

図 5-8-1 雷サージ、過電圧、高調波、電圧歪等を測定できる日置 3196 システム31

図 5-8-2 雷サージ、過電圧、高調波、電圧歪等を測定できる日置 3196
電源品質アナライザ（日置 3196）は、サージ電圧、過電圧、電圧歪、高調波歪等を複数のトリガーを設定でき、かつ 2.25kg と軽量である。雷サージは、USA で 6kv が観測されているので、接続箱の高圧プローブは、ソニテクトロニクス P3000 に変更し 10kv まで測定を可能とした。第二段階は、前述した 3 種類の測定器の組み合わせで各国の家屋の電源品質を測定した。
現地のスタッフに依頼して、事前に測定場所を選択し、1 月に欧州、7 月に東南アジア、
8 月にアメリカをそれぞれ訪問した。現地で安全に素早く測定するため、英国、欧州（ドイツ、ロシア等）、インド、アメリカ（USA、メキシコ、ジャマイカ）等、各種の電源プラグを準備し、絶縁型接続箱の中継コネクタを介し壁のコンセントに接続した。さらに測定器の AC アダプタ、電源品質アナライザ（ドラネッツ 658）には、電源コンセントの各種の変換プラグで対応した。

図 5-9-1 ドラネッツ６５８の測定状況
32図 5-9-2

現場ですぐ測定開始するための道具を準備

図 5-10-1 日置 8808 を利用して電源品質の測定システム

図 5-10-2 日置 8808 電源品質測定システムの実測定状況
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5.6. 現場に出向く
5.6.1 現場環境～目視点検を実施する～
目視点検をする目的は、施設全体、配電設備、電気設備などのレイアウト等の全体的な把握後、現場での測定器の設置を決めるためである。
大切な点①日々生産活動に直接関与しているオペレータのコメントや観察した内容をよく聞く。
②電気設備の責任者から配電系統、接地系を聞き取る。
目視点検
建物、施設、工場内の電気設備の調査をする。
故障・誤動作した自社の製品と電源を共有していないか？
電気設備の接続不良の有無の調査も必要である。
5.6.2 現場施設の点検
安全上の注意活電部に近づいたり、分電盤のカバーを外す等の作業は電気技術者等の有資格者に任せる。
現場施設① 電気設備の責任者から配電系統、接地の実態を調査する。
特に大切なのは、接地方式と実際の測定器の接続の確認である。
②ノイズ発生源と予想される電気設備の確認をする。
③電気設備から引き込み口までの配線経路の調査をする。
③壁や床のコンセントについて下記の確認をする。
接地の接触不良、プレートの亀裂、アーク発生の兆候、配線極性と接地系の確認
5.6.3 現地での測定手順①測定候補の建物を選択
製品故障、誤動作している建物内のコンセントを選択する。
② 1 時間から 2 時間測定
故障、誤動作の原因となる波形なのかを現場で検証する。
③ 誤動作原因のデータは捕捉できたのか？
電子部品の故障（発火・発煙）原因のデータは 2～5 時間では捕捉困難である。
④ 電圧波形の測定
波形の分析→しきい値の確定→測定期間の決定⑤測定対象の建物の生活時間帯を調査
オフィスの場合 9 時から 17 時まで測定→電源品質トラブル原因の推定に生かす⑥建物オーナーからの許可後
建物内部の配電設備、接地系、電気設備の調査⑦.建物周りの電力設備（発電所、送電設備、配電系）の調査、写真撮影
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5.7 測定器を該当設備に接続する

図 5-11

壁のコンセントでまず電圧確認

5.8 測定結果
実際に故障や誤動作が発生した家屋を中心として都市を選択し、異常電圧を測定した。
その結果、以下の知見を得た。
①実際に製品の故障や誤動作が発生した一般家屋で異常電圧波形を観測できた。
②いずれの異常電圧波形も IEC61000、IEEE62.41-1991 および IEC60950 第 3 版の国際規格に規定されていない波形であつた。
③)製品の誤動作、電子部品の破損に影響を与える可能性のある波形は、繰り返しサージ、
高次高調波の電圧歪、過電圧、単発サージの 4 種類であることを推定できた。

図 5-12観測された電圧波形の代表例
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図 5-13

世界 18 カ国･36 都市・76 箇所におけるデータ収集の結果

5.9 再現実験
異常電圧に対する製品の信頼性と安全性の検証には、実際に観測された異常電圧に基づく再現実験が不可欠である。そこで、観測した電圧波形を基に波形シミレイション装置で電圧波形を再現するシステムを開発し、市場で故障・誤動作した製品と同じ製品に印加して異常電圧の障害を再現した。
障害の現象は、バリスタの発火、アルミ電解コンデンサの防爆弁の作動による電源回路の故障、半導体素子（FET）の破損による電源回路の故障、ヒータを有する製品の停止による制御回路の誤動作 4 種類に特定できた。市場の障害（発火、部品の破損、誤動作）と一致した。これらの結果に基づき、発火、故障、誤動作への対策の基本的考え方を決定する。

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図 5-14

代表の波形で再現実験

5.10 電源品質障害に対する電子機器への対策
異常電圧環境下における IT 機器への市場の故障部品、現象とそれに対する発火対策、故障対策、誤動作対策の方法をまとめた。

図 5-15

電源品質障害に対する電子機器への対策37

【参考文献】
1）「電気設備の電路に関する基礎技術」：社団法人
2）電気設備学会誌 Ｖｏｌ，253）図解

電気設備学会2005 ＶＯＬ，10

接地システム入門：オーム社，高橋健彦著

4）「異常電圧環境下におけるバリスタとアルミ電解コンデンサの信頼性に関する研究」
平成 17 年 9 月

学位論文 渡部利範
以上38