架空送電線

架空送電線は、電力の送配電において、長距離にわたって電気エネルギーを伝送するために使用される構造物です。これは、鉄塔または電柱に吊り下げられた1本または複数本（一般的には3の倍数）の導体で構成されています。周囲の空気が長距離にわたって良好な冷却と絶縁効果をもたらし、目視検査も可能であるため、架空送電線は一般的に、大量の電気エネルギーを伝送する最も低コストな方法です。

送電線を支える鉄塔は、木材（生木または積層材）、鋼鉄またはアルミニウム（格子構造または管状ポール）、コンクリート、場合によっては強化プラスチックでできています。送電線上の裸線導体は、一般的にアルミニウム^{[ 1 ]}（プレーンまたは鋼鉄で強化されたもの、あるいは炭素繊維やガラス繊維などの複合材料）でできていますが、中電圧配電や顧客宅への低電圧接続では銅線が使用されることもあります。架空送電線の設計の主な目的は、通電中の導体と地面との間に十分な間隔を確保して、送電線との危険な接触を防ぎ、導体を確実に支え、嵐、着氷荷重、地震、その他の潜在的な損傷原因に対する耐性を確保することです^{[ 2 ]} 。 今日では、架空送電線の一部は、導体間の電圧が765,000ボルトを超える状態で日常的に運用されており、場合によってはさらに高い電圧も可能です。

架空送電線は、電力業界では電圧範囲によって分類されます。

• 低電圧（LV） – 1000ボルト未満で、住宅または小規模商業顧客と電力会社との接続に使用されます。
• 中電圧（MV；配電用） – 1000ボルト（1kV）から69kVまでの電圧で、都市部および農村部での配電に使用される。
• 高電圧（HV、 100kV未満の送電、 115kVや138kV などの電圧での送電または送電）は、大量の電力の送電および配電、ならびに非常に大きな需要家への接続に使用されます。  
• 超高電圧（EHV; 送電） – 345 kVから約800 kVまで^{[ 3 ]} 、長距離の超高電力送電に使用されます。
• 超高電圧（UHV） – 800 kV を超える。フィナンシャル タイムズは、UHV 送電線は「ゲームチェンジャー」であり、グローバルな電力網が実現可能になる可能性があると報じた。 国営送電網は、従来の送電線と比較して、UHV は 6 倍の距離で 5 倍の電力を送電できると述べた。^{[ 4 ]}

架空送電線の構造は、送電線の種類によってさまざまな形状をとります。構造は、地面に直接立てられた木製の柱に導体を支えるための1本または複数の横梁を取り付けるだけのシンプルなものから、柱の側面に取り付けられた絶縁体で導体を支える「アームレス」構造まで様々です。都市部では、一般的に鋼管柱が使用されます。高圧送電線は、格子状の鋼鉄製の鉄塔またはパイロンに架設されることがよくあります。遠隔地では、ヘリコプターでアルミニウム製の鉄塔を設置することもあります。^{[ 5 ] [ 6 ]}コンクリート製の柱も使用されています。^{[ 2 ]}強化プラスチック製の柱も利用可能ですが、コストが高いため使用が制限されます。

各構造物は、導体によって加えられる荷重に対して設計されなければならない。^{[ 2 ]}導体の重量だけでなく、風や着氷による動荷重、振動の影響も支えなければならない。導体が直線上にある場合、導体の張力は構造物に合力を与えずにほぼ釣り合うため、鉄塔は重量に抵抗するだけでよい。両端で支持された柔軟な導体はカテナリーの形状に近似し、送電線の構築に関する解析の多くはこの形状の特性に基づいている。^{[ 2 ]}

大規模な送電線プロジェクトでは、いくつかの種類の鉄塔が使用される場合があり、ほとんどの位置では「接線鉄塔」（「懸垂鉄塔」または「線路鉄塔」、英国）が使用され、線路を角度を変えたり、線路を終端させたり、重要な河川や道路を横断したりする場合には、より頑丈な鉄塔が使用されます。特定の線路の設計基準によっては、半柔軟性構造は、各鉄塔の両側で導体の重量がバランスするように設計される場合があります。より剛性の高い構造は、1本以上の導体が断線しても倒れないように設計される場合があります。このような構造は、連鎖的な鉄塔の故障の規模を制限するために、送電線に一定間隔で設置される場合があります。^{[ 2 ]}

鉄塔構造物の基礎は、特に湿地帯など地盤条件が悪い場合、大規模かつ高額になる可能性がある。各構造物は、導体によって加えられる力の一部を相殺するために支線を使用することで、大幅に安定化させることができる。

送電線やその支持構造物は、景観を損なう原因となることがある。こうした問題を回避するために送電線を地中に埋設する場合もあるが、地中化は費用がかかるため、一般的ではない。

単一の木製電柱構造の場合、地面に電柱を立て、そこから 3 本の横梁を互い違いに、または片側に伸ばします。碍子は横梁に取り付けられます。「H」型木製電柱構造の場合、地面に 2 本の電柱を立て、その上に横梁を設置し、両側に伸ばします。碍子は両端と中央に取り付けられます。格子塔構造には 2 つの一般的な形式があります。1 つはピラミッド型の基部があり、その上に垂直部分があり、そこから 3 本の横梁が通常は互い違いに伸びています。引張碍子は横梁に取り付けられます。もう 1 つはピラミッド型の基部があり、4 つの支持点に伸びています。その上に水平トラスのような構造が設置されます。

雷保護のため、タワーの頂上に接地線が張られることがあります。光ファイバー接地線は、通信用の光ファイバーが埋め込まれた、より高度なバージョンです。国際民間航空機関の勧告を満たすために、架空線マーカーを接地線に取り付けることができます。^{[ 7 ]} マーカーの中には、夜間の警告のために点滅ランプが付いているものもあります。

絶縁体は導体を支え、通常の動作電圧と、開閉操作や落雷によるサージ電圧の両方に耐えなければなりません。絶縁体は大きく分けて、構造体の上部で導体を支えるピン型と、構造体の下部で導体を吊り下げる懸垂型に分類されます。引張絶縁体の発明は、より高い電圧の使用を可能にする上で重要な要素でした。

19世紀末には、電信式のピン型碍子の電気的強度が限られていたため、電圧は69,000ボルトまでに制限されていました。約33kV（北米では69kV）までは、両方のタイプが一般的に使用されています。^{[ 2 ]}より高い電圧では、架空導体には懸垂型碍子のみが一般的です。

碍子は通常、湿式磁器または強化ガラスで作られており、ガラス繊維強化ポリマー碍子の使用が増加しています。しかし、電圧レベルの上昇に伴い、ポリマー碍子（シリコーンゴムベース）は、低コストで寿命が短い選択肢となっています。中国はすでに最高システム電圧1100kVのポリマー碍子を開発しており、インドは現在、当初400kVで充電され、後に1200kVにアップグレードされる1200kV（最高システム電圧）送電線を開発中です。^{[ 8 ]}

懸垂碍子は複数のユニットで構成され、電圧が高くなるにつれてユニット碍子ディスクの数が増加します。ディスクの数は、線間電圧、雷耐性要件、高度、霧、汚染、塩水噴霧などの環境要因に基づいて選択されます。これらの条件が最適でない場合は、より長い碍子を使用する必要があります。このような場合は、漏洩電流の沿面距離が長い長い碍子が必要です。引張碍子は、導体のスパン全体の重量、着氷や風による荷重を支えるのに十分な機械的強度を備えている必要があります。^{[ 9 ]}

磁器碍子には半導電性釉薬仕上げが施されている場合があり、これにより碍子内部に微弱な電流（数ミリアンペア）が流れます。この電流によって表面がわずかに温まり、曇りや汚れの付着が軽減されます。また、半導電性釉薬は、碍子ユニットの連鎖全体にわたって電圧をより均一に分散させる効果もあります。

ポリマー碍子は本来疎水性であるため、湿潤環境下での性能が向上します。また、研究によると、ポリマー碍子に必要な沿面距離は、磁器やガラスに比べてはるかに短いことが示されています。さらに、ポリマー碍子の質量（特に高電圧の場合）は、同等の磁器やガラス製の碍子に比べて約50%から30%少なくなります。こうした優れた耐汚染性と湿潤性能により、ポリマー碍子の使用が増加しています。

200kVを超える超高電圧用碍子には、端子部にグレーディングリングが取り付けられている場合があります。これにより、碍子周囲の電界分布が改善され、電圧サージ時のフラッシュオーバーに対する耐性が向上します。

現在、送電に最も一般的に使用されている導体は、鋼鉄補強アルミニウム導体（ACSR）です。また、全アルミニウム合金導体（AAAC）もよく使用されています。アルミニウムは、同等の抵抗を持つ銅ケーブルの約半分の重量（ただし、比導電率が低いため直径は大きくなります）と、より安価であることから使用されています。^{[ 2 ]} 銅は過去にはより一般的で、特に低電圧や接地用として現在でも使用されています。

導体が太いほど電気抵抗が低くエネルギー損失は少なくなるが、細い導体よりもコストが高くなる。ケルビンの法則（ケルビン卿にちなんで名付けられた）と呼ばれる最適化ルールによれば、送電線における導体の最適サイズは、導体で無駄になるエネルギーのコストが、導体のサイズによって生じる送電線建設コストのその部分に対する年間利子と等しくなるときに見つかる。年間負荷の変動、設置コストの変動、一般的に製造されるケーブルの離散的なサイズなどの追加要因によって、最適化問題はさらに複雑になる。^{[ 2 ] [ 10 ]}

導体は単位長さあたりの重量が均一な柔軟な物体であるため、2本の鉄塔間に張られた導体の形状はカテナリー曲線に近似します。導体のたるみ（曲線の最高点と最低点の間の垂直距離）は、温度や着氷などの追加荷重によって変化します。安全のため、最低限の架空クリアランスを維持する必要があります。導体を流れる電流が増加すると、導体の温度、ひいては長さが増加するため、熱膨張係数の低いタイプ、または許容動作温度の高いタイプの導体に変更することで、電力処理能力を向上させる（定格出力を上げる）ことができる場合があります。

熱によるたるみが少ないこのような導体は、複合コア導体またはタイプ 4 HTLS 導体として知られており、^{[ 11 ]} ACCC、ACCR、HVCRC、Losag などのさまざまなメーカーのブランド名があります。^{[ 12 ]}導体全体の強度を高めるためによく使用される鋼芯線の代わりに、HTLS 導体は、鋼の約 1/10 の熱膨張係数を提供する炭素繊維を主成分とする複合コアを使用します。複合コアは非導電性ですが、鋼よりも大幅に軽量で強度が高いため、直径や重量のペナルティなしに 28% 多くアルミニウムを組み込むことができます (コンパクトな台形形状のストランドを使用)。アルミニウム含有量の増加により、電流に応じて、同じ直径と重量の他の導体と比較して、線路損失を 25 ～ 40% 削減できます。炭素コア導体の熱によるたるみが少ないため、全アルミニウム導体 (AAC) または ACSR と比較して最大 2 倍の電流 (「許容電流」) を流すことができます。

送電線とその周辺は、送電線作業員が維持管理する必要があり、時には高圧洗浄機や丸鋸を備えたヘリコプターが補助して作業を行い、作業速度は3倍になることもあります。しかし、この作業はヘリコプターの高度速度図の危険な領域で行われることが多く、^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}パイロットはこの「外部人体貨物」方式の資格を有していなければなりません。^{[ 16 ]}

束状導体

長距離送電には高電圧送電が用いられる。132 kVを超える送電ではコロナ放電 の問題が生じ、これが大きな電力損失や通信回路への干渉を引き起こす。このコロナ効果を低減するためには、1相あたり複数の導体を使用するか、導体を束ねることが望ましい。^{[ 17 ]}

バンドル導体は、スペーサーで一定間隔で接続された複数の平行ケーブルで構成され、多くの場合円筒形になっています。最適な導体数は電流定格によって異なりますが、一般的に高電圧線路は電流も大きくなります。アメリカン・エレクトリック・パワー^{[ 18 ]}は、バンドルで1相あたり6本の導体を使用して765kVの送電線を建設しています 。スペーサーは、風による力と短絡時の磁力に耐える必要があります。

導体を束ねることで、送電線周辺の電圧勾配が低減されます。これにより、コロナ放電の発生確率が低減されます。超高電圧では、単一導体の表面における電界勾配が空気を電離させるほど高くなり、電力の浪費、不要な可聴ノイズの発生、通信システムへの干渉を引き起こします。導体束の周囲の電界は、単一の非常に大きな導体の周囲の電界と類似しており、これにより勾配が低減され、高電界強度に伴う問題が軽減されます。コロナ放電による損失が抑制されるため、送電効率が向上します。

束ねられた導体は、導体の表面積が増加するため、より効率的に冷却され、送電損失をさらに低減します。交流送電の場合、束ねられた導体は、単一の太い導体の表皮効果による許容電流の低下も回避します。また、束ねられた導体は、単一の導体と比較してリアクタンスが低くなります。

風圧抵抗は高くなるものの、束状導体間のスペーサーによって風による振動を減衰させることができる。束状導体の着氷荷重および風圧荷重は、同じ総断面積の単線導体よりも大きくなり、また、束状導体は単線導体よりも設置が困難である。

アース線

架空送電線には、接地導体（シールド線、静電線、または架空地線）が備え付けられていることが多い。接地導体は通常、支持構造物の最上部で接地（アース）され、相導体への直撃雷の可能性を最小限に抑える。^{[ 19 ]}中性線が接地されている回路では、故障電流のアースとの並列経路としても機能する。超高電圧送電線には、2本の接地導体がある場合がある。これらは、最も高い横梁の最外端、2つのV字型マストポイント、または別の横腕のいずれかにある。古い送電線では、シールド線の代わりに数スパンごとにサージアレスターを使用している場合がある。この構成は、一般的に米国のより田舎の地域で見られる。送電線を雷から保護することで、絶縁へのストレスが軽減されるため、変電所の機器の設計が簡素化される。送電線のシールド線には、電力システムの通信と制御に使用される光ファイバ（光接地線/OPGW）が含まれる場合がある。

一部のHVDC変換所では、接地線が遠方の接地電極に接続するための電極線としても使用されます。これにより、HVDCシステムは大地を1本の導体として利用できます。接地導体は、相導体の上にある避雷器で接続された小型絶縁体に取り付けられています。この絶縁により、鉄塔の電気化学的腐食が防止されます。

中電圧配電線では、1本または2本のシールド線を使用したり、接地導体を相導体の下に張ったりして、背の高い車両や機器が通電線に接触するのをある程度防ぐとともに、Y結線システムにおける中性線としての役割も果たす場合があります。

旧ソ連の一部の超高電圧送電線では、接地線がPLCシステムに使用され、鉄塔の碍子に取り付けられている。

ダンパー

送電線は風によって引き起こされる空力弾性フラッターの影響を受ける可能性があるため、振動を軽減するためにストックブリッジダンパーが送電線に取り付けられることが多い。

コンパクトな架空送電線は、標準的な架空送電線よりも狭い用地で済みます。導体同士が近づきすぎないようにする必要があります。これは、スパンを短くして絶縁クロスバーを使用するか、スパン内の導体を絶縁体で分離することによって実現できます。前者の方法は、スパン内に絶縁体を設置する必要がないため、設置や維持管理が容易です。

コンパクトラインの例としては、以下のようなものがあります。

• ルツク小型架空送電線50°46′29″N 25°23′07″E / 50.774673°N 25.385215°E / 50.774673; 25.385215 (ルツク小型架空送電線の始点)
• ヒルペルツアウ・ヴァイゼンバッハのコンパクトな架空線、北緯 48 度 44 分 16 秒、東経8 度 21 分 20 秒/ 48.737898 度、東経 8.355660 度/ 48.737898。 8.355660 (ヒルペルツアウ・ヴァイゼンバッハ電力線の始点)

コンパクト送電線は、既存の送電線路の電圧をアップグレードして、既存の送電線路で送電できる電力を増やすために設計されることがある。^{[ 20 ]}

低電圧架空送電線では、ガラスまたはセラミック製の碍子に巻かれた裸導体、あるいは架空束状ケーブルシステムのいずれかが使用されます。導体の数は、2本（最も一般的なのは相導体と中性線）から最大6本（3本の相導体、独立した中性線と接地線、および共通スイッチで供給される街路灯）まで様々です。一般的なケースは4本（3本の相導体と中性線。中性線は保護接地導体としても機能する場合があります）です。

架線は、路面電車、トロリーバス、または列車に電力を供給するために使用されます。架線は、線路の上に1本または複数の架線を設置する原理に基づいて設計されています。架線沿いに一定間隔で設置された給電所は、高電圧送電網から電力を供給します。場合によっては、低周波交流が使用され、専用の牽引電流ネットワークによって配電されます。

送信アンテナへの給電には、特に長波、中波、短波の効率的な送信のために、架空線が使用されることもあります。この目的には、千鳥配置のアレイ線がよく用いられます。千鳥配置のアレイ線では、送信アンテナのアース網への給電用導体ケーブルがリングの外側に取り付けられ、リングの内側の導体は、アンテナの高電圧固定給電線につながる絶縁体に固定されます。

架空送電線下の区域は、通電中の導体に物体が近づきすぎないようにするため、使用が制限されます。架空送電線や構造物から氷が剥がれ落ち、危険が生じる可能性があります。また、架空送電線の下では、受信アンテナが架空導体によって遮蔽されることと、絶縁体や導体の鋭利な部分での部分放電によって無線雑音が発生することの両方により、無線受信が阻害される可能性があります。

架空送電線の周辺地域では、凧揚げや風船飛ばし、はしごの使用、機械の操作など、送電線に干渉する恐れのある行為は危険です。

飛行場付近の架空配電線や送電線は、パイロットに導体の存在を警告するため、地図上に表示され、線路自体にも目立つプラスチック製の反射板が取り付けられていることが多い。

架空送電線の建設、特に原生地域における建設は、環境に重大な影響を与える可能性があります。このようなプロジェクトに関する環境調査では、森林伐採の影響、渡り鳥の移動経路の変化、送電線沿いの捕食動物や人間による接近の可能性、河川横断箇所における魚類の生息地の撹乱、その他の影響を考慮する必要があります。

一般航空、ハンググライダー、パラグライダー、スカイダイビング、​​気球、凧揚げでは、送電線との偶発的な接触を避ける必要があります。ほぼすべての凧製品には、送電線に近づかないようにという警告が表示されています。航空機が送電線に衝突すると死亡事故が発生します。送電線には、特に滑走路付近や水上飛行機の運航を支える可能性のある水路の上など、障害物標識が設置されている場合があります。送電線の設置場所によっては、ハンググライダーが使用するはずだった場所が使われなくなることがあります。^{[ 21 ] [ 22 ]}

水平方向に長距離にわたって電気パルスを伝送する最初の試みは、1729年7月2日に物理学者のスティーブン・グレイがグランビル・ウィーラーと共同で行った。^{[ 23 ]}この実験では、導体と絶縁体の違いがまだ発見されていなかったため、絹糸で吊るされた湿った麻紐が使用された。

しかし、架空送電線の最初の実用的な用途は電信の分野でした。1837年までに、実験的な商用電信システムは20km（13マイル）まで敷設されました 。電力送電は1882年にミュンヘンとミースバッハ間（ 60km）で最初の高電圧送電が実現しました。1891年には、フランクフルトで開催された国際電気博覧会に合わせて、ラウフェン とフランクフルト間に最初の三相交流架空送電線が建設されました。

1912年に最初の110kV架空送電線が運用を開始し、1923年には最初の220kV架空送電線が運用を開始した。1920年代には、RWE AGがこの電圧の最初の架空送電線を建設し、1926年には高さ138メートルの2本の鉄塔を持つフェルデのライン川横断送電線を建設した。

1953年、米国でアメリカン・エレクトリック・パワー社が最初の345kV送電線を運用開始した。1957年、ドイツで最初の380kV架空送電線が（変電所とロンマースキルヒェンの間）運用開始された。同年、イタリアでメッシーナ海峡を横断する架空送電線が運用開始され、その鉄塔はエルベ川横断1号線に利用された。これは1970年代後半に建設されたエルベ川横断2号線のモデルとなり、世界で最も高い架空送電線鉄塔が建設された。それ以前の1952年には、スウェーデンで最初の380kV送電線が運用開始され、南部の人口密集地域と北部の最大の水力発電所の間を1000km（625マイル）にわたって結んだ。1967年からロシア、そして米国とカナダでも、765kVの架空送電線が建設された。 1985年、ソビエト連邦でコクシェタウとエキバストゥズの発電所の間に架空送電線が建設された。これは1150kVの三相交流送電線であった。1999年、日本で2回路1000kV用に設計された最初の送電線である北いわき送電線が建設された。2002年、中国で最高架空送電線である長江横断送電線の建設が開始され、高さ346.5m （1,137フィート）の2本の吊り鉄塔が2004年に運用を開始した。^{[ 24 ]}   

21世紀に入り、鋼鉄を炭素繊維の芯に置き換える（先進的な再導体化）ことが、電力会社が使用する土地の面積を増やすことなく送電容量を増やす方法となった。

架空送電線は送電線の一例です。電力系統の周波数では、一般的な長さの送電線に対して多くの有用な簡略化を行うことができます。電力系統の解析においては、分布抵抗、直列インダクタンス、並列漏れ抵抗、並列容量を適切な集中定数または簡略化されたネットワークに置き換えることができます。

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