無効電流と発熱の真実。誤解を解く電気の物語

電気設備の現場で、「無効電流が増えるとケーブルが熱くなる」という話をよく耳にします。この説明は間違いではありませんが、その本質的なメカニズムを正しく理解することが、効率的な設備運用の鍵となります。

第1章：よくある3つの誤解

誤解その1：「無効電流が熱を出す」

• 無効電流自体は仕事をしない
• しかし、導体を流れる以上は発熱する
• この一見した矛盾が混乱を招いている

誤解その2：「無効電流が増えると有効電流も増える」

• 有効電流は負荷の有効電力で決まる
• 無効電流が増えても有効電流は変化しない
• 変化するのは全電流の値

誤解その3：「無効電流だけなら発熱しない」

• 純粋な無効電流でも発熱は発生する
• 導体の抵抗による損失は避けられない
• これは送電損失の一部となる

第2章：電流と発熱の基本メカニズム

2.1 発熱のメカニズム

導体での発熱の基本

• 発熱量は電流の二乗に比例（I²R）
• 抵抗値（R）は導体の物理的特性
• 電流（I）は有効・無効に関係なく発熱に寄与

2.2 ベクトルで理解する電流の関係

有効電流（Ir）

• 実際の仕事に関与
• 負荷の要求で決まる
• 力率改善では変化しない

無効電流（Ic）

• 電圧と90度の位相差
• 見かけの電流値を増加
• 力率改善の対象となる

全電流（Is）

• 有効電流と無効電流の合成
• この値が発熱に影響
• 設備容量を決める要因

2.3 発熱損失の式で理解する

基本の損失式

P = I² × R （導体損失の基本式）

ここでのIは実効値

ベクトルを考慮すると

I² = Is² = Ir² + Ic²

したがって、損失の式は

P = (Ir² + Ic²) × R

力率を使った表現

Ir = Is × cosφ

Ic = Is × sinφ

したがって

P = Is² × R

= Is² × R × (cos²φ + sin²φ)

= Is² × R × 1

= Is² × R

第3章：無効電流による発熱の真実

3.1 無効電流と発熱の関係

直接的な影響

• 損失は電流の種類（有効・無効）に関係なく発生する
• 損失の大きさは皮相電流の二乗に比例する
• 力率が悪いと、同じ有効電力でも損失が増える

間接的な影響

• 全電流値の増加
• 設備容量の圧迫
• 電圧降下の増大

3.2 実務への影響

実際の設備での影響

ケーブルへの影響

• 許容電流の制限
• 絶縁材の劣化促進
• 接続部での発熱増加

機器への影響

• 変圧器の温度上昇
• 開閉器の接点発熱
• 保護機器の動作への影響

第4章：効果的な対策方法

4.1 基本的な対策

設備的対策

• 進相コンデンサの設置
• 高力率機器の採用
• 適切な機器容量の選定

運用面での対策

• 定期的な力率測定
• 負荷の適切な組み合わせ
• 設備の適切な配置

4.2 現場でのチェックポイント

日常点検での確認事項

• ケーブル表面温度
• 接続部の温度上昇
• 異音・異臭の有無

定期測定項目

• 力率の測定
• 電流値の記録
• 温度測定記録

まとめ：本質的な理解のために

無効電流と発熱の関係

• 無効電流自体も発熱の原因となる
• 全電流の増加で更なる発熱が生じる
• 導体内を流れる以上は発熱する

実務での考え方

• 無効電流は可能な限り抑制する
• 発熱は避けられない現象として管理
• 経済性と安全性のバランスを考慮