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電力送電とは、発電所などの発電場所から変電所まで電気エネルギーを大量に移動させることです。このような移動を容易にするために使用される長い導体は送電線と呼ばれます。相互接続された送電線は送電網を形成します。電力業界では、電力送電は、高圧変電所と顧客間のローカル配線とは区別されます。ローカル配線は、一般的に電力配電と呼ばれますが、電力配電は意味的には電力送電の一種です。送電と配電を合わせたネットワークは、電力供給の一部であり、電力網として知られています。[ 2 ]
送電線は交流（AC）または直流（DC）のいずれかを送電します。長距離送電の効率を高めるため、送電時には電圧を高くし、配電時には電圧を低くすることがよくあります。これは、電圧が高いほど電流が小さくなり、電流による損失も小さくなるためです。交流電圧は変圧器によって変更されることがよくあります。
北米では相互接続と呼ばれる広域同期送電網は、同じ相対周波数で交流電力を供給する発電機を多数の消費者に直接接続する。北米には、西部、東部、ケベック、テキサスの4つの主要な相互接続網がある。ヨーロッパ大陸の大部分は1つの送電網で接続されている。
歴史的には、送電線と配電線は同じ会社が所有することが多かったが、1990年代以降、多くの国が電力市場の規制を自由化し、送電と配電を別々の会社が扱うようになった。[ 3 ]
北米の送電線のほとんどは高電圧三相交流ですが、鉄道電化システムでは単相交流が使用されることもあります。直流技術は、通常数百マイルに及ぶ長距離での効率向上に使用されます。高電圧直流（HVDC）技術は、海底電力ケーブル（通常30マイル（50km）以上）や、相互に同期していないグリッド間の電力交換にも使用されます。HVDCリンクは、ネットワークの一部で突然の負荷増加や停電が発生した場合に、同期の問題や連鎖的な障害を引き起こす可能性がある配電ネットワークを安定化させます。[ 4 ]
電気は、長距離送電における抵抗によるエネルギー損失を低減するため、高電圧で送電されます。電力は通常、架空送電線を通して送電されます。地下送電は、設置コストが著しく高く、運用上の制約も大きいものの、保守コストは低くなります。地下送電は、都市部や景観に配慮が必要な場所でより一般的です。
電気エネルギーは通常、消費量と同じ速度で発電されなければなりません。発電量が需要量にほぼ一致するようにするには、高度な制御システムが必要です。需要が供給量を上回ると、その不均衡により、発電所や送電設備が自動的に切断または停止し、損傷を防ぐことができます。最悪の場合、連鎖的な停止が発生し、大規模な地域停電につながる可能性があります。
米国北東部では1965年、1977年、2003年に停電が発生し、米国の他の地域では1996年と2011年に大規模な停電が発生しました。送電網は、地域、国、さらには大陸規模のネットワークに相互接続されており、停電が発生した場合に電力が流れるための冗長な代替経路を複数提供することで、このような障害のリスクを軽減しています。送電会社は、ネットワークの別の部分で障害が発生した場合に備えて予備容量を確保するために、各送電線の最大信頼容量（通常は物理的または熱的限界よりも小さい）を決定します。
高電圧架空送電線は絶縁体で覆われていません。導体材料は通常、複数の撚り線から構成されるアルミニウム合金で、場合によっては鋼線で補強されています。架空送電線には銅が使用されることもありましたが、アルミニウムの方が軽量で、送電量への影響もわずかであり、コストもはるかに安価です。架空送電線は複数の企業から供給されています。送電容量を増やすため、導体材料と形状は定期的に改良されています。
導体のサイズは、12 mm² (#6 アメリカンワイヤーゲージ) から1,092 mm² ( 2,156,000円形ミル面積) まで、抵抗と電流容量が異なります。直径が数センチメートルを超える太い導体の場合、表皮効果により電流の大部分は表面付近に集中します。導体の中心部は電流がほとんど流れませんが、重量とコストが増加します。そのため、より高い容量を実現するために、複数の並列ケーブル (バンドル導体と呼ばれる) が使用されます。バンドル導体は、コロナ放電によるエネルギー損失を低減するために高電圧で使用されます。
今日では、送電レベルの電圧は通常 110 kV 以上と考えられています。[ 5 ] 66 kV や 33 kVなどの低い電圧は通常、送電線路の電圧と考えられていますが、負荷の軽い長距離送電線では時折使用されます。33 kV 未満の電圧は 通常、配電に使用されます。765 kV を超える電圧は超高電圧 と考えられ、異なる設計が必要です。
極端な高温時の周囲温度の上昇は、特に架空送電システムにおいて、送電および配電の効率を低下させる可能性があります。熱膨張により架空線がたるみ、電流の流れが減少するとともに、近くに植生がある場合は意図しないアーク放電のリスクが高まります。 [ 6 ] 架空送電線は絶縁のために空気に依存しているため、線路は最小限のクリアランスを維持する必要があります。強風や低温などの悪天候は送電を中断させます。風速が23ノット（43 km/h）程度でも、導体が動作クリアランスに侵入し、フラッシュオーバーと供給の喪失につながる可能性があります。[ 7 ]物理的な線の振動運動は、振動の周波数と振幅に応じて、導体ギャロップまたはフラッターと呼ばれます。
電力は地下送電ケーブルによって送電できます。地下ケーブルは用地を占有せず、目立たず、天候の影響を受けにくいという利点があります。ただし、ケーブルは絶縁処理が必要です。ケーブル敷設と掘削の費用は、架空送電線よりもはるかに高額です。また、埋設送電線の故障箇所の特定と修理には時間がかかります。
都市部の一部では、ケーブルは金属パイプで覆われ、静置またはポンプで循環する誘電性流体（通常は油）で絶縁されています。電気的な故障でパイプが損傷し、誘電性が漏れた場合、液体窒素を使用してパイプの一部を凍結させ、排水と修理を可能にします。これにより、修理期間が長くなり、コストが増加します。修理期間中は、パイプと周囲の温度が監視されます。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]
地下送電線は熱容量によって制限されるため、過負荷や定格変更が可能な送電線は限られます。長距離の地下交流ケーブルは静電容量が大きいため、 50マイル（80キロメートル）を超えると有効電力供給能力が低下します。直流ケーブルは静電容量による長さの制限を受けません。
商用電力は当初、照明や機械負荷で使用される電圧と同じ電圧で送電されていました。このため、発電所と負荷間の距離が制限されていました。1882年当時、直流電圧を長距離送電用に容易に高めることはできませんでした。異なる種類の負荷（例えば、照明、固定モーター、牽引/鉄道システム）は異なる電圧を必要としたため、異なる発電機と回路が使用されました。[ 11 ] [ 12 ]
そのため、発電機は負荷の近くに設置され、この方法は後に多数の小型発電機を使用した分散型発電として知られるようになった。 [ 13 ]
交流（AC）の送電が可能になったのは、1881年にルシアン・ゴーラールとジョン・ディクソン・ギブスが、1:1の巻数比と開放磁気回路を備えた初期の変圧器である「二次発電機」と呼ばれる装置を製作した後である。
最初の長距離交流送電線は、1884年にイタリアのトリノで開催された国際電気博覧会のために建設された全長34キロメートル（21マイル）のものでした。この送電線は、2 kV、130 Hzのシーメンス＆ハルスケ社製交流発電機によって駆動され、一次巻線が直列に接続された複数のガウラール変圧器を備え、白熱灯に電力を供給していました。このシステムは、長距離にわたる交流電力送電の実現可能性を証明しました。[ 12 ]
最初の商用交流配電システムは、1885年にイタリアのローマ、ヴィア・デイ・チェルキで公共照明用に運用を開始しました。これは、定格出力30 hp (22 kW)、2 kV、120 Hzのシーメンス＆ハルスケ製オルタネーター2台で駆動され、19 kmのケーブルと、各ランプに1台ずつ、閉磁気回路を備えた 並列接続された2 kVから20 Vへの降圧変圧器200台が使用されました。数か月後には、グロブナー・ギャラリーに電力を供給する最初の英国交流システムが続きました。これもシーメンス製オルタネーターと、シャント接続された一次巻線を備えた2.4 kVから100 Vへの降圧変圧器（ユーザーごとに1台）を特徴としていました。[ 14 ]
電気技師のウィリアム・スタンレー・ジュニアは、自身が非実用的だと考えたゴーラール・ギブス設計を改良しようと、1885年に最初の実用的な直列交流変圧器を開発した。[ 15 ]ジョージ・ウェスティングハウスの支援を受けて、1886年にマサチューセッツ州グレート・バリントンで変圧器ベースの交流照明システムを実証した。これは蒸気機関駆動の500Vシーメンス発電機によって駆動された。スタンレー変圧器を使用して電圧 を100ボルトに降圧し、4,000フィート（1,200メートル）以上の23の事業所の白熱灯に電力を供給した。[ 16 ]この変圧器と交流照明システムの実証により、ウェスティングハウスはその年の後半に交流システムの設置を開始した。[ 15 ]
1888年に交流モーターの最初の設計が登場しました。これらはガリレオ・フェラリスとニコラ・テスラがそれぞれ独立して発明した、多相電流で動作する誘導モーターでした。ウェスティングハウスはテスラの設計のライセンスを取得しました。実用的な三相モーターはミハイル・ドリヴォ＝ドブロヴォルスキーとチャールズ・ユージン・ランスロット・ブラウンによって設計されました。[ 17 ]このようなモーターの普及は、開発上の問題と、モーターを駆動するために必要な多相電力システムの不足により、長年遅れました。[ 18 ] [ 19 ]
1880 年代後半から 1890 年代初頭にかけて、小規模な電気会社がヨーロッパのGanzやAEG 、米国のGeneral ElectricやWestinghouse Electricなどの大企業に合併しました。これらの企業は交流システムを開発したが、直流システムと交流システムの技術的な違いにより、はるかに長い技術的合併が必要でした。 [ 20 ]交流の規模の経済と大規模発電所および長距離送電により、すべての負荷を接続する能力が徐々に追加されました。これには、単相交流システム、多相交流システム、低電圧白熱灯、高電圧アーク灯、工場や路面電車の既存の直流モーターが含まれます。ユニバーサル システムとなったこのシステムでは、これらの技術的な違いは、従来のシステムを交流グリッドに接続できるようにした回転コンバータとモータージェネレータによって一時的に橋渡しされました。[ 20 ] [ 21 ]これらの暫定的な措置は、古いシステムが廃止またはアップグレードされるにつれて徐々に置き換えられました。
高電圧を使用した単相交流の最初の送電は、1890年にオレゴン州でウィラメット滝の水力発電所から下流14マイル（23km ）のポートランド 市に電力が供給されたときに行われた。 [ 22 ]高電圧を使用した最初の三相交流は、1891年にフランクフルトで開催された国際電気博覧会で行われた。ネッカー川沿いのラウフェンとフランクフルトを結ぶ、長さ約175kmの15kV送電線が敷設された。[ 14 ] [ 23 ]
送電電圧は20 世紀を通じて上昇した。1914年までに、70kVを超える送電システムが55台稼働していた。当時使用されていた最高電圧は150kVであった 。[ 24 ]広範囲にわたる複数の発電所を相互接続することでコストが削減された。最も効率的な発電所を使用して、日中のさまざまな負荷に供給することができた。予備発電容量をより多くの顧客とより広い地域で共有できるため、信頼性が向上し、設備投資コストが削減された。水力発電や炭鉱直結の石炭など、遠隔地の低コストのエネルギー源を活用することで、さらにコストを削減することができた。[ 11 ] [ 14 ]
20 世紀の急速な工業化により、送電線と送電網は重要なインフラとなった。第一次世界大戦では、軍需工場に電力を供給するために政府が大規模な発電所を建設したことから、地域の発電所と小規模な配電網の相互接続が促進された。[ 25 ]
これらのネットワークは、送電線、ケーブル、遮断器、スイッチ、変圧器などのコンポーネントを使用します。送電ネットワークは通常、地域送電組織や送電系統運用者などの組織によって地域ベースで管理されます。[ 26 ]
送電効率は、電圧が高く電流が低いほど向上します。電流が減少すると発熱損失も減少します。ジュールの第一法則によれば、エネルギー損失は電流の二乗に比例します。したがって、電流を半分に減らすと、導体のサイズが一定の場合、導体抵抗によるエネルギー損失は4分の1に減少します。
所定の電圧と電流に対する導体の最適サイズは、ケルビンの法則によって推定できます。この法則によれば、抵抗によるエネルギー損失の年間コストが、導体の設置にかかる年間設備投資額と等しい場合に、導体のサイズが最適となります。金利や原材料費が低い時期には、ケルビンの法則によれば太い電線が最適となります。それ以外の場合は、細い電線が推奨されます。送電線は長期使用を想定して設計されているため、ケルビンの法則は、銅やアルミニウムの価格、および金利の長期的な予測と併せて用いられます。
交流回路では、昇圧変圧器を用いることで高電圧化が実現されます。高電圧直流（HVDC）システムでは、比較的高価な変換装置が必要となりますが、海底ケーブルや長距離大容量ポイントツーポイント送電といった特定のプロジェクトにおいては、経済的に正当化される場合があります。HVDCは、同期していない電力系統間でエネルギーを送電するために不可欠です。
送電網とは、発電所、送電線、変電所からなるネットワークのことです。送電網内では通常、三相交流で電力が送電されます。単相交流は、大型の多相誘導電動機には使用できないため、エンドユーザーへの配電にのみ使用されます。19 世紀には二相送電が用いられていましたが、4本の電線、または電流の異なる3本の電線が必要でした。より高次の相システムでは3本以上の電線が必要となりますが、メリットはほとんど、あるいは全くありません。
発電設備のコストは高いものの、エネルギー需要は変動するため、必要な電力を現地で発電するよりも輸入する方が安上がりな場合が多い。負荷は広範囲にわたって同時に増減することが多いため、電力は遠隔地から供給されることが多い。負荷分散による経済的メリットから、広域送電網は国や大陸をまたがる場合もある。発電事業者と消費者の相互接続により、一部の送電線が故障しても電力供給が可能となる。
需要の緩やかな変動部分はベースロードと呼ばれ、一般的に運転コストが一定の大規模施設（安定電力）によって供給されます。こうした施設には原子力発電所、石炭火力発電所、水力発電所などがあり、集光型太陽熱発電所や地熱発電所などの他のエネルギー源も安定電力供給の可能性を秘めています。太陽光発電、風力発電、波力発電、潮力発電などの再生可能エネルギー源は、断続性があるため安定電力とはみなされません。残りのピーク電力需要は、ピーク発電所によって供給されます。ピーク発電所は通常、小型で応答速度が速く、コストが高い発電所であり、例えば、天然ガスを燃料とする複合サイクル発電所や燃焼タービン発電所などがあります。
長距離送電（数百キロメートル）は安価で効率的であり、コストは1kWhあたり0.005～0.02米ドルであるのに対し、大規模発電事業者の年間平均コストは1kWhあたり0.01～0.025米ドル、小売料金は1kWhあたり0.10米ドル以上、予測できない高需要時の瞬間供給者の料金は小売料金の数倍である。[ 27 ]ニューヨークは、 カナダから1000MWを超える低コストの水力発電を購入することが多い。[ 28 ]地元の電源（たとえ高価で使用頻度が低いとしても）は、遠隔地の供給者を遮断する可能性のある天候やその他の災害から電力供給を保護することができる。
水力発電や風力発電は都市近郊に移設することは不可能であり、太陽光発電のコストは電力需要がごくわずかな遠隔地で最も低くなる。送電網への接続コストは、特定の再生可能エネルギーが経済的に実現可能かどうかを左右する。送電線のコストは法外なものになる可能性があるが、大容量・長距離のスーパーグリッド送電網のコストは、控えめな使用料で回収できる可能性がある。
発電所では、発電ユニットの規模に応じて、約 480Vから22kVの比較的低い電圧で電力が生成されます。その後、発電所の変圧器によって電圧がより高い電圧（100kVから1,000kV AC）に 昇圧され、送電されます。[ 29 ]
米国では、送電電圧は230kV から500kVまで様々で あり、230kV未満 または 500kVを超える場合は例外となる。
西部相互接続線には、主に2つの交換電圧があります。1つは 60Hzの500kV交流 、もう1つは北から南（コロンビア川から南カリフォルニア）および北東から南西（ユタ州から南カリフォルニア）への± 500kV（正味1,000kV）直流です。287.5kV （フーバーダムからビクタービル経由のロサンゼルス線）と345kV （アリゾナ・パブリック・サービス（APS）線）は地域標準であり、どちらも500kVが実用化される前に導入されました。
高電圧で送電すると、ジュール熱によるエネルギー損失の割合が減少します。この割合は、導体の種類、電流、送電距離によって異なります。たとえば、100 マイル (160 km)の 765 kV で 1000 MW の電力を送電する場合、損失は 0.5% ～ 1.1% になります。同じ負荷を同じ距離にわたって送電する 345 kV の送電線では、損失は 4.2% になります。[ 30 ]一定の電力量の場合、電圧が高いほど電流が減少し、抵抗損失も減少します。たとえば、電圧を 10 倍に上げると、電流もそれに応じて 10 分の 1 に減少し、したがって、 両方のケースで同じサイズの導体を使用した場合、損失は100倍になります。導体のサイズ（断面積）を10分の1に減らして低い電流に合わせようとしても、より高い電圧を使用することで、損失は依然として10分の1に削減される。
電線の導電率（断面積）を増やすことで電力損失を低減することもできますが、太い導体は重く、高価になります。また、導電率は断面積に比例するため、抵抗による電力損失は断面積の増加に比例してしか低減されず、電圧を乗じることで得られる二乗的な低減効果に比べると、はるかに小さな効果しかありません。
長距離送電は通常、115～1,200 kVの電圧の架空線で行われます。導体と接地間の電圧が 2,000 kVを超える高電圧では、コロナ放電損失が非常に大きいため、線路導体の抵抗損失が小さくても相殺されてしまいます。コロナ損失を低減するための対策としては、導体径を大きくしたり、中空コア[ 31 ]を使用したり、導体束を使用したりすることが挙げられます。
抵抗、ひいては損失に影響を与える要因には、温度、らせん状構造、表皮効果などがあります。抵抗は温度とともに増加します。らせん状構造とは、撚り線導体が中心軸を中心にらせん状に巻かれることを指し、導体抵抗の増加にも寄与します。表皮効果は、交流周波数が高くなるにつれて実効抵抗を増加させます。コロナ損失と抵抗損失は、数学モデルを使用して推定できます。[ 32 ]
米国の送配電損失は、1997年には6.6% [ 33 ] 、 2007年には6.5% [ 33 ]、2013年から2019年には5% [ 34 ]と推定されている。一般的に、損失は発電量（発電所が報告したもの）と販売電力の差から推定される。電力会社の盗難がないと仮定すると、その差が送配電損失となる。
1980年時点では、直流送電の費用対効果の高い最長距離は7,000キロメートル（4,300マイル）でした。交流送電の場合は4,000キロメートル（2,500マイル）でしたが、米国の送電線はそれよりもかなり短くなっています。[ 27 ]
交流線路では、導体のインダクタンスと静電容量が大きな値になることがあります。これらの特性（抵抗とともにインピーダンスを定義する）にのみ反応して流れる電流は無効電力の流れであり、負荷には電力を伝達しません。しかし、これらの無効電流は余分な発熱損失を引き起こします。負荷に伝達される実効電力と皮相電力（位相角を考慮しない回路の電圧と電流の積）の比は力率です。無効電流が増加すると、無効電力が増加し、力率は低下します。
力率の低い送電システムでは、力率の高いシステムに比べて損失が大きくなります。電力会社は、無効電力の流れを補償し、送電損失を低減し、系統電圧を安定させるために、系統全体にコンデンサバンク、リアクトル、その他のコンポーネント（位相シフター、静止型無効電力補償装置、柔軟交流送電システム（FACTS）など）を追加します。これらの対策は総称して「無効電力サポート」と呼ばれます。
送電線に流れる電流は、各相の線路を囲む磁場を誘起し、周囲の他の相の導体のインダクタンスに影響を与えます。導体間の相互インダクタンスは、線路同士の物理的な向きに部分的に依存します。三相線路は、通常、各相が垂直方向に分離して張られます。他の2つの相の中央にある相の導体から見た相互インダクタンスは、上下の相から見たインダクタンスとは異なります。
3本の導体間のインダクタンスの不均衡は、中央の線路が送電される総電力の不均衡な割合を負担する可能性があるため問題となります。同様に、1本の線路が常に接地線に最も近く、インピーダンスが低い場合、負荷の不均衡が発生する可能性があります。このような現象のため、3つの相すべてに見られる相互インダクタンスのバランスを取るために、各相がそれぞれの相対位置で等しい時間だけ動作するように、導体を定期的に線路に沿って入れ替える必要があります。これを実現するために、さまざまな入れ替え方式を用いて、線路に沿って一定間隔で特別に設計された入れ替え塔で線路の位置を入れ替えます。
配電網は比較的低い電圧で稼働します。すべての配電変電所を高圧の主送電線に接続するのは、設備が大型で高価になるため、経済的ではありません。通常、この高圧送電線に接続されるのは、規模の大きい変電所のみです。電流が小規模な変電所に送られる前に、電圧は降圧されます。配電網は通常、ループ状に配置されているため、単一の送電線が故障しても、多くの顧客へのサービスが短時間以上停止することはありません。
ループは、通常閉回路（1つの回路が故障しても停電が発生しない）と通常開回路（変電所がバックアップ電源に切り替えられる）に分けられます。送電線は通常架空線で敷設されますが、都市部では埋設ケーブルが使用される場合もあります。低電圧の送電線は、用地面積が少なく、構造も単純であるため、地中化が容易です。
送電と配電、または配電と送配電を区切る固定の境界線はありません。電圧範囲は重複しています。北米では、69 kV、115 kV、138 kV の電圧が配電によく使用されます。電力システムが進化するにつれて、以前は送電に使用されていた電圧が配電に使用されるようになり、配電電圧が配電電圧になりました。送電と同様に、配電は比較的大きな量の電力を移動し、配電と同様に、配電は単なる点対点ではなくエリアをカバーします。[ 35 ]
変電所の変圧器は、顧客への配電のために電圧を低いレベルまで下げます。この配電は、送電（33～138kV ）と配電（3.3～25kV ）の組み合わせによって行われます。最終的に、使用地点でエネルギーはエンドユーザー電圧（100～4160ボルト）に変換されます。
高電圧送電は、長距離送電における抵抗損失を低減できる。この効率性により、発電された電力のより大きな割合を負荷に供給することができる。
簡略化されたモデルでは、グリッドは理想的な電圧源から電圧の電力を供給します。パワーを届ける）単一の消費地点への抵抗によってモデル化されるワイヤーが十分に長く、大きな抵抗が生じる場合。
抵抗が直列接続され、間に変圧器がない場合、同じ電流が流れるため、回路は分圧器として機能します。電線の抵抗と電力供給機器を通過する。その結果、（消費点における）有効電力は次のようになる。
理想的な変圧器は、高電圧・低電流の電気を、電圧比が の低電圧・高電流の電気に変換するべきでしょうか。（つまり、電圧はそして電流は二次側分岐では、一次側分岐と比較して、回路は再び分圧器と等価になりますが、ワイヤの見かけの抵抗はわずかになります。有効電力は次のようになります。
のために（つまり、消費点付近で高電圧を低電圧に変換する）発電機の電力の大部分が消費点に伝送され、ジュール熱による損失は少なくなります。
送電線の端子特性は、送電端（S）と受電端（R）における電圧と電流です。送電線はブラックボックスとしてモデル化でき、その動作をモデル化するために2 × 2の伝送行列が使用されます。以下にその例を示します。
この回線は相互対称ネットワークであると仮定する。つまり、受信ラベルと送信ラベルを入れ替えても影響はない。伝送行列Tは以下の特性を持つ。
パラメータA、B、C、D は、目的のモデルがラインの抵抗( R )、インダクタンス( L )、容量( C )、およびシャント (並列、リーク)コンダクタンスGをどのように扱うかによって異なります。
主なモデルは、短距離線近似、中距離線近似、長距離線近似（分布定数付き）、および無損失線路の4種類です。これらのモデルでは、Rなどの大文字は線路全体で合計された総量を表し、 cなどの小文字は単位長さあたりの量を表します。
無損失線路近似は最も精度が低い近似法であり、通常はインダクタンスが抵抗よりもはるかに大きい短距離線路で使用されます。この近似法では、送信側と受信側で電圧と電流は同一であると仮定します。
特性インピーダンスは純粋な実数であり、そのインピーダンスは抵抗性であることを意味し、サージインピーダンスと呼ばれることが多い。損失のない送電線がサージインピーダンスで終端されている場合、電圧は降下しない。電圧と電流の位相角は回転するが、電圧と電流の大きさは送電線に沿って一定のままである。負荷がSILより大きい場合 、 送電端から電圧が降下し、送電線は無効電力を消費する。負荷がSIL より小さい場合 、送電端から電圧が上昇し、送電線は無効電力を生成する。
短距離線路近似は通常、 80 km (50マイル)未満の線路に使用されます。この場合、直列インピーダンスZのみが考慮され、CとGは無視されます。最終的な結果は、A = D = 1 パーユニット、B = Zオーム、C = 0 となります。したがって、この近似に対応する遷移行列は次のようになります。
中距離線近似は、80～250 km (50～155マイル)の線路に使用されます。直列インピーダンスとシャント（電流漏れ）コンダクタンスが考慮され、シャントコンダクタンスの半分が線路の両端に配置されます。この回路は、回路図の両側に漏れコンダクタンスを配置すると形状がπになることから、しばしば公称π（パイ）回路と呼ばれます。中距離線の解析結果は次のとおりです。
中距離送電線の直感に反する挙動：
より高い精度が必要な場合、または検討対象の線路が250 km (160マイル)を超える場合は、長距離線路モデルが使用されます。直列抵抗と並列コンダクタンスは分布定数とみなされ、線路の各微小長さには対応する直列インピーダンスと並列アドミタンスが存在します。次の結果は、送電線路に沿った任意の点に適用できます。 は伝搬定数です。
長い送電線の終端における電圧と電流を求めるには、に置き換える必要があります（線路長）は伝送行列のすべてのパラメータに含まれます。このモデルは電信方程式を適用します。
高電圧直流送電（HVDC）は、長距離にわたって大量の電力を送電する場合や、非同期送電網間の相互接続に使用されます。電力を非常に長距離にわたって送電する場合、交流送電における電力損失が無視できないほど大きくなるため、直流送電を使用する方がコスト効率が高くなります。長距離送電線の場合、こうした損失の低減（および直流送電線の建設コストの削減）により、両端に必要な変換所の建設コストを相殺することができます。
HVDCは、ケーブルの静電容量のために交流が使用できない長距離海底ケーブルに使用されます。 [ 36 ]このような場合、特殊な高電圧ケーブルが使用されます。海底HVDCシステムは、島々の電力網を相互接続するためによく使用されます。たとえば、イギリスとヨーロッパ大陸の間、イギリスとアイルランドの間、タスマニアとオーストラリア本土の間、ニュージーランドの北島と南島の間、ニュージャージーとニューヨーク市の間、ニュージャージーとロングアイランドの間などです。最大600キロメートル（370マイル）の長さの海底接続が展開されています。[ 37 ]
HVDCリンクは、電力系統の問題を制御するために使用できます。交流送電線で送電される電力は、電源端電圧と送電先端電圧間の位相角が大きくなるにつれて増加しますが、位相角が大きすぎると、両端の系統が同期を失ってしまいます。直流リンクでは、電力の流れは接続先の交流系統の位相とは独立して制御されるため、このような位相角の制限は存在せず、直流リンクは常に定格電力を送電できます。したがって、直流リンクは、電力の流れと位相角を独立して制御できるため、両端の交流系統を安定化させます。
例えば、シアトルとボストンを結ぶ架空の送電線で交流電力の流れを調整するには、両地域の電力網の相対位相を調整する必要があります。これは交流システムでは日常的に行われていることですが、交流システムのコンポーネントが故障して予期せぬ負荷がグリッドにかかると、この調整が中断される可能性があります。一方、高圧直流送電線（HVDC）であれば、このような相互接続は次のようになります。
（そして、送電ルート沿いの他の協力都市にも適用される可能性がある）。このようなシステムは、一部が突然停止した場合でも、故障しにくい可能性がある。長距離直流送電線の一例として、米国西部に位置するパシフィックDCインタータイが挙げられる。
送電線に送れる電力の量は、線路の長さに応じて変化します。短距離線路では、線路損失による導体の発熱が熱的な限界となります。電流が流れすぎると、導体が地面に近づきすぎたり、導体や機器が過熱したりする可能性があります。100キロメートル（62マイル）程度の中距離線路では、限界は線路の電圧降下によって決まります。より長い交流線路では、システムの安定性が制限要因となります。交流線路を流れる電力は、おおよそ、両端の電圧と電流の位相角のコサインに比例します。
この角度はシステムの負荷によって変化します。抵抗損失が残る一方で電力の流れが減少するため、角度が90度に近づくのは好ましくありません。線路長と最大負荷の積は、システム電圧の2乗にほぼ比例します。長距離線路では、安定性を向上させるために直列コンデンサまたは位相シフト変圧器が使用されます。HVDC線路は位相角が重要ではないため、熱的および電圧降下の制限のみによって制約されます。
ケーブル経路に沿った温度分布を把握できるようになったのは、ケーブル全体にわたって温度を測定する分散型温度センシング（DTS）システムの導入によるものです。これらのシステムがない場合、最大電流は通常、運転条件の把握とリスク最小化との妥協点として設定されていました。この監視ソリューションでは、受動型光ファイバーを温度センサーとして使用し、高電圧ケーブル内部、またはケーブル絶縁体の外部に取り付けます。
架空ケーブルの場合、光ファイバーは相線の芯線に組み込まれています。統合された動的ケーブル定格（DCR）/リアルタイム熱定格（RTTR）ソリューションにより、ネットワークを最大限の能力で運用することが可能になります。これにより、オペレーターは送電システムの挙動を予測し、初期動作条件からの大きな変化を反映させることができます。
電力会社の中には、電力生産量の増加に対応するために送電線の交換を採用しているところもある。送電線の交換とは、既存の送電線をより容量の大きい送電線に置き換えることである。送電線を増設することは、コスト、許可期間、地域住民の反対などにより困難である。送電線の交換は、送電線を介して送電できる電力量を倍増させる可能性がある。[ 38 ] 2024年の報告書では、電化と再生可能エネルギーに対応するためのこの技術の採用において、米国はベルギーやオランダなどの国に遅れをとっていることが分かった。[ 39 ] 2022年4月、バイデン政権はこうしたプロジェクトの環境審査を簡素化し、2022年5月には、2021年超党派インフラ法と2022年インフレ抑制法によって資金提供される競争的助成金を発表した。[ 40 ]
電化の継続と排出削減目標の達成を支えるためには、送電網の拡張速度を倍増させる必要がある。2022年時点で、1万件以上の発電所およびエネルギー貯蔵プロジェクトが米国の送電網への接続許可を待っており、その95%はゼロカーボン資源である。新しい送電線は、計画、許可、建設に10年かかる場合がある。[ 38 ]
従来の送電線は、アルミニウムの撚り線で囲まれた鋼鉄の芯を使用しています（アルミニウム導体鋼線補強ケーブル）。鋼鉄を炭素繊維などのより軽量で強度のある複合材料（ACCC導体）に置き換えることで、送電線はより高い温度で動作し、たるみが少なくなり、送電容量が2倍になります。高温時の送電線のたるみを減らすことで、送電線が乾燥した植生に触れたときに発生する山火事を防ぐことができます。[ 39 ]先進的な送電線は鋼鉄製の送電線よりも2～4倍高価になる場合がありますが、時間、用地取得、許可、建設の節約を考慮すると、総送電線交換コストは新しい送電線の半分以下になります。[ 38 ]
テキサス州南東部で行われた送電線改修プロジェクトでは、240マイルの送電線が1マイルあたり90万ドルの費用でアップグレードされたが、3,600マイルの新規プロジェクトでは1マイルあたり平均190万ドルの費用がかかった。[ 38 ]
安全かつ予測可能な運用を確保するため、システム構成要素は発電機、スイッチ、遮断器、負荷によって制御されます。送電システムの電圧、電力、周波数、負荷率、信頼性といった性能は、費用対効果の高いパフォーマンスを実現するように設計されています。
送電システムは、安全マージンと耐障害性を備え、ベースロードとピークロードの両方に対応できる能力を提供します。ピークロードの時間は、主に産業構成の違いにより地域ごとに異なります。暑い地域と寒い地域では、家庭用冷暖房負荷が全体の負荷に影響を与えます。これらの負荷は、通常、年間で最も暑い時期の午後遅くに、最も寒い時期の午前中と夕方に最大になります。電力需要は季節と時間帯によって変化します。配電システムの設計では、常にベースロードとピークロードの両方を考慮に入れています。
送電システムは通常、負荷と発電量を一致させるための大きな緩衝能力を備えていません。そのため、発電設備の過負荷を防ぐために、発電量を負荷に合わせる必要があります。
送電システムには複数の電源と負荷が接続可能であり、電力の円滑な送電を実現するためには、それらを制御する必要がある。集中型発電では、発電設備の局所的な制御のみで十分である。これには、発電設備の同期が含まれる。
分散型発電では、発電機は地理的に分散しており、発電機の稼働開始と停止のプロセスを慎重に制御する必要があります。負荷制御信号は、別の回線で送信することも、送電線自体で送信することもできます。電圧と周波数は、負荷のバランスを取るための信号メカニズムとして使用できます。
電圧信号方式では、発電量を増やすために電圧を変化させます。系統電圧が低下するにつれて、システムによって追加される電力は増加します。この方式は原理的には安定しています。しかし、電圧ベースの制御方式は、メッシュネットワークで使用するには複雑です。なぜなら、メッシュに新しい発電機が追加されるたびに、個々のコンポーネントと設定値を再構成する必要があるからです。
周波数制御では、発電ユニットは送電系統の周波数に同期します。ドループ制御では、周波数が低下すると出力が増加します。（送電線周波数の低下は、負荷の増加によって発電機の回転速度が低下していることを示しています。）
風力タービン、V2G（車両間電力供給） 、仮想発電所、その他の局所的に分散した蓄電および発電システムは、電力網と相互作用してシステム運用を改善することができます。国際的には、集中型電力システムから分散型電力システムへの緩やかな移行が進んでいます。局所的に分散した発電システムの主な利点は、発電場所に近い場所で電力を消費することで送電損失を削減できることです。[ 41 ]
過負荷状態では、システムは一度にすべて停止するのではなく、段階的に故障するように設計できます。電圧低下は、供給電力が需要を下回ったときに発生します。停電は、送電網が完全に停止したときに発生します。
輪番停電（負荷遮断とも呼ばれる）は、意図的に計画された停電であり、様々な負荷に対して順番に不十分な電力を供給するために用いられる。
送電網事業者は、送電網および関連する発電・配電設備を管理するために、信頼性の高い通信を必要とします。送電線の両端にある故障検知保護リレーは、電力の流れを監視するために通信を行い、故障した導体や機器を迅速に遮断してシステムのバランスを回復させる必要があります。短絡やその他の故障から送電線を保護することは通常非常に重要であるため、一般的な通信事業者の通信では信頼性が不十分であり、一部の遠隔地では一般的な通信事業者が利用できない場合もあります。送電プロジェクトに関連する通信システムには、以下のようなものが使用されることがあります。
ごくまれに、短距離の場合に限り、送電線路沿いにパイロット線が張られることがある。通信事業者からリースした回線は、利用可能性が事業者の管理下にないため、好まれない。
送電線はデータ伝送に利用できます。これは電力線搬送、または電力線通信（PLC）と呼ばれます。PLC信号は長波帯の無線機で容易に受信できます。
光ファイバーは、送電線の撚り線導体や架空シールド線に組み込むことができます。これらのケーブルは光接地線（OPGW ）と呼ばれます。場合によっては、送電線のクロスアームに取り付けられた、全誘電体自己支持型（ADSS ）ケーブルと呼ばれる独立したケーブルが使用されることもあります。
ミネソタ州など一部の地域では、送電会社が余剰の通信帯域幅を販売したり、通信事業者として活動したりすることを禁止している。規制構造が許す場合、電力会社は余剰ダークファイバーの容量を通信事業者に販売することができる。
電力送電は一般的に自然独占と考えられているが、発電とは本質的に結びついていない。[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]多くの国では、送電を発電とは別に規制している。
スペインは、地域送電組織を設立した最初の国です。同国では、送電事業と電力市場は分離されています。送電システム運営者はRed Eléctrica de España (REE) であり、卸売電力市場運営者は Operador del Mercado Ibérico de Energía – Polo Español, SA (OMEL) OMEL Holding | Omel Holding です。[ 45 ]スペインの送電システムは、フランス、ポルトガル、モロッコの送電システムと相互接続されています。
米国における RTO の設立は、1996 年に発行されたFERCの命令 888、「公益事業者によるオープン アクセス非差別送電サービスによる卸売競争の促進、公益事業者および送電事業者による座礁コストの回収」によって促進された。 [ 46 ]米国およびカナダの一部では、送電会社は発電会社とは独立して運営されているが、米国南部では垂直統合が維持されている。分離地域では、送電所有者と発電所有者は、RTO 内での議決権を持つ市場参加者として互いに交流を続けている。米国の RTO は、連邦エネルギー規制委員会によって規制されている。
米国の商用送電プロジェクトには、ニューヨーク州ショアハムからコネチカット州ニューヘイブンまでのクロスサウンドケーブル、ニュージャージー州セイアビルからニューヨーク州ニューブリッジまでのネプチューンRTS送電線、カリフォルニア州のパス15などがあります。米国全土で開発中または提案されている追加プロジェクトには、オンタリオ州とPJMインターコネクション地域の負荷供給事業者を結ぶITCホールディングス社が提案した海底送電線であるレイクエリーコネクターなどがあります。[ 47 ]
オーストラリアには、タスマニアとビクトリアを結ぶ規制されていない市場型連系線であるBasslinkが1つあります。当初市場型連系線として導入された2つのDCリンク、DirectlinkとMurraylinkは、規制された連系線に転換されました。[ 48 ]
商用送電の普及を阻む大きな障壁は、受益者が料金を支払うように、誰がその設備から利益を得るのかを特定するのが難しいことである。また、代替送電線が独占的で規制された料金体系を持つ電力会社によって補助されている場合、商用送電線が競争することは難しい。[ 49 ]米国では、 2010 年に発行されたFERCの命令 1000 は、公共政策上の必要性が認められる場合に、第三者の投資と商用送電線の構築に対する障壁を軽減しようと試みた。[ 50 ]
高電圧送電のコストは、消費者の電気料金を構成する他のすべてのコストと比較すると比較的低い。英国では、送電コストは約 0.2 ペンス/ kWh であり、家庭への供給価格は約 10 ペンス/ kWh である。[ 51 ]
2011年の電力送配電機器市場における設備投資額は1289億ドルと推定された。[ 52 ]
主流の科学的証拠によれば、家庭用電流や高圧送電線に伴う低電力・低周波の電磁放射線は、短期的または長期的な健康被害をもたらすものではない。
送電線の近くに住むことと、癌などの病気の発症との間に何の関連性も見出せなかった研究もある。1997年の研究では、送電線の近くに住むことによる癌や病気のリスク増加は報告されていない。[ 53 ]しかし、他の研究では、さまざまな病気と送電線の近くに住むことや働くこととの間に統計的な相関関係が報告されている。送電線の近くに住んでいない人々については、健康への悪影響は確認されていない。[ 54 ]
ニューヨーク州公益事業委員会は、電界の潜在的な健康影響を評価するための調査を実施しました[ 55 ] 。この調査では、765 kV 送電線の既存の送電線路の端で電界強度を測定しました。電界強度は 1.6 kV/m であり、ニューヨーク州の新しい送電線の暫定最大強度基準となりました。この意見では、ニューヨーク州で建設される新しい送電線の電圧も 345 kV に制限されました。1990 年 9 月 11 日、同様の磁界強度調査の後、NYSPSC は磁界に関する暫定政策声明を発表しました。この政策では、冬季の通常の導体定格を使用して、送電線路の端で 200 mG の磁界基準を確立しました。日常品と比較すると、ヘアドライヤーや電気毛布は 100 mG ～ 500 mG の磁界を発生させます。[ 56 ] [ 57 ]
新しい送電線の申請には、通常、送電線路の敷設予定地における電界および磁界レベルの分析が含まれる。公益事業委員会は通常、健康への影響についてはコメントしない。
100 μT (1 G ) (1,000 mG)を超える磁場への急性高レベル曝露による生物学的影響が確立されています。住宅環境では、ある研究で「ヒトにおける発がん性の証拠は限定的であり、実験動物における発がん性の証拠は不十分」と報告されており、特に、0.3 μT (3 mG) から 0.4 μT (4 mG) を超える住宅用電源周波数磁場への平均曝露に関連する小児白血病が報告されています。これらのレベルは、ヨーロッパでは約 0.07 μT (0.7 mG)、北米では0.11 μT (1.1 mG)である住宅における平均的な電源周波数磁場を超えています。 [ 58 ] [ 59 ]
地球の自然な地磁気強度は、惑星表面で0.035 mTから0.07 mT（35 μT～70 μTまたは350 mG～700 mG）の間で変化するが、一般市民に対する連続曝露の国際基準は40 mT（400,000 mGまたは400 G）に設定されている。[ 58 ]
電気機関車や電車が低周波交流電力で運行されている国の中には、鉄道会社が独立した単相牽引電力ネットワークを運用しているところもある。代表的な例としては、16 2/3 Hzをベースとした交流技術を採用しているオーストリア、ドイツ、スイスなどが挙げられる。ノルウェーとスウェーデンもこの周波数を使用しているが、50 Hzの公共電力供給からの変換を利用している。スウェーデンには16 2/3 Hzの牽引グリッドが存在するが、システムの一部のみにしか適用されていない。
高温超伝導体（HTS）は、損失のない伝送を提供することで配電に革命をもたらすことが期待されています。液体窒素の沸点よりも高い転移温度を持つ超伝導体の開発により、少なくとも高負荷用途においては、超伝導送電線の概念が商業的に実現可能になりました。[ 61 ]この方法を使用すると、必要な冷凍装置が抵抗損失の排除によって節約される電力の約半分を消費するため、無駄が半減すると推定されています。コンソリデーテッド・エジソンやアメリカン・スーパーコンダクターなどの企業は、 2007年にこのようなシステムの商業生産を開始しました。 [ 62 ]
超電導ケーブルは、ケーブル敷設のための用地取得に費用がかかる大都市のビジネス街などの高負荷密度地域に特に適しています。[ 63 ]
単線接地帰還（SWER）または単線地中帰還は、低コストで遠隔地に単相電力を供給するための単線送電線です。主に農村部の電化に使用されますが、給水ポンプなどの大型独立負荷にも利用されています。単線接地帰還は、海底送電ケーブルによる高圧直流送電（HVDC）にも使用されます。
ニコラ・テスラと八木秀次はこの二人とも、1800年代後半から1900年代初頭にかけて、大規模な無線送電システムを考案しようと試みたが、商業的な成功には至らなかった。
2009年11月、LaserMotive社は、地上設置型レーザー送信機を用いてケーブルクライマーを垂直方向に1km昇降させることに成功し、NASAの2009年パワービームチャレンジで優勝した。このシステムは 受信側で最大1kWの電力を生成した。2010年8月、NASAは民間企業と契約を結び、低軌道衛星への電力供給やレーザービームを用いたロケット打ち上げのためのレーザーパワービームシステムの設計を進めた。
太陽光発電衛星から地球への電力伝送方法として、無線送電が研究されてきた。高出力のマイクロ波またはレーザー送信機アレイが整流アンテナに電力を照射する。太陽光発電衛星プロジェクトには、工学的および経済的な面で大きな課題が伴う。
米国連邦政府は、米国の電力網がサイバー戦争に対して脆弱であると述べている。[ 69 ] [ 70 ]米国国土安全保障省は、業界と協力して脆弱性を特定し、業界が制御システムネットワークのセキュリティを強化できるよう支援している。[ 71 ]
2019年6月、ロシアは自国の電力網が米国によるサイバー攻撃を受けている「可能性」を認めた。[ 72 ]ニューヨーク・タイムズは、米国サイバー軍のハッカーがロシアの電力網を混乱させる可能性のあるマルウェアを仕掛けたと報じた。[ 73 ]
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