フェランチ効果とは？わかりやすく解説

フェランチ効果とは送電端よりも受電端の方が電圧が高くなる現象のことです。

送電する場所と受電する場所はケーブルなどで接続されています。そのため通常はケーブルなどの抵抗による電圧降下が起きて、受電場所の電圧が低くなります。

しかし条件によってはこれとは逆に、受電場所の電圧が上がることがあります。

なぜそのようなことが起こるのか？について解説します。

フェランチ効果が起こる理由

フェランチ効果は送電する回路の電流が進み電流になることで起こります。進み電流になる条件は、回路の容量リアクタンスが大きいことです。つまり回路の容量性リアクタンスが大きいときにフェランチ効果が起こります。

受電電圧を計算してフェランチ効果を確認してみる

実際に計算をして、フェランチ効果が起こることを確かめてみます。

図１は送電場所と受電場所を接続する線路を簡単に描いたものです。線路にはインダクタンス成分(L)とキャパシタンス成分(C)があります。キャパシタンス成分は線路に均等にあると仮定して、両側に半分ずつ描いています。ちなみにこの図では抵抗成分は無視して描いています。

ここでLを50[mH]、Cを5[μF]として周波数は60[Hz]とします。この時の受電電圧Erを求めてみます。

まず受電電圧を求めるため、各リアクタンスと図2の電流Iを求めます。

よって受電電圧は下の式で計算できます。

この計算結果から、受電電圧は送電電圧よりも1.9％高くなることがわかりました。

フェーザ図を描いてフェランチ効果を確認してみる

フェーザ図を描くことでもフェランチ効果が起こることを確認してみましょう。

図３の様にインダクタンスとキャパシタンス分のリアクタンスの大きさをX_L、X_Cと表します。

図３の回路の時、受電電圧Erは右側のX_Cにかかる電圧と同じです。また電流Iはキャパシタンス部分に流れる電流です。そのため受電電圧Erに対して、電流Iは90°進みます。

このことをフェーザ図で描くと図４の様になります。

また受電電圧Erは下の式で求められます。

jX_L×Iの式で、Iは90°進んだ電流ですので、下の式に書き換えられます。

そのため受電電圧Erを計算すると以下の結果になります。

これをフェーザ図で描くと図５の様になります。

図５のフェーザ図から、送電電圧E_Sよりも受電電圧Erの方が大きくなることが分かりました。

実際にフェランチ効果起こる条件

フェランチ効果は線路の容量性リアクタンスが大きいときに起こりますが、実際にはどのようなケースで起こるでしょうか？

まず１つ目は線路が長い場合です。線路が長いと静電容量が増加します。これに伴い容量性リアクタンスが増加してフェランチ効果が起こりやすくなります。

２つ目は受電場所の負荷が軽い場合です。これは工場などが長期休転に入った場合などになります。

工場ではモータが多数運転しています。モータは誘導性の負荷ですので、電流は遅れになります。そのため通常は進相コンデンサ(SCとも言う)を投入して進み電流を増やして位相のバランスを取っています。

長期休転に入るとモータが停止して線路の誘導性リアクタンスが低下します。ここで進相コンデンサが入ったままだと、相対的に線路の容量性リアクタンスが大きくなり進み電流が多くなります。

このためフェランチ効果が起こり電圧が大きくなることもあります。