電力工学

電力工学は電力システム工学とも呼ばれ、電気工学の分野のひとつで、電力の生成、送電、配電、利用、およびそのようなシステムに接続された電気機器を扱っています。この分野の大部分は、現代世界で大規模な送電と配電の標準となっている三相交流電力の問題に関係していますが、交流電力と直流電力の変換や、航空機や電気鉄道網で使用されるような特殊な電力システムの開発にも関係しています。電力工学の理論的基礎の大部分は、電気工学と機械工学に由来しています。

電気は17世紀後半に科学的関心の対象となった。その後2世紀にわたり、白熱電球やボルタ電池など、数多くの重要な発見がなされた。^{[1] [2]}おそらく電力工学における最大の発見はマイケル・ファラデーによるもので、彼は1831年に磁束の変化が電線のループに起電力を誘導することを発見した。これは電磁誘導として知られる原理で、発電機や変圧器の仕組みを説明するのに役立つ。^[3]

1881年、2人の電気技師がイギリスのゴダルミングに世界初の発電所を建設した。発電所は2つの水車を使用して交流電力を生成し、250ボルトのシーメンスアーク灯7個と40ボルトの白熱灯34個に電力を供給した。^[4]しかし、電力供給は断続的であったため、1882年にトーマス・エジソンと彼の会社であるエジソン電灯会社は、ニューヨーク市のパールストリートに初の蒸気動力発電所を開発した。パールストリート発電所は複数の発電機で構成され、当初は59の顧客に約3,000個のランプを供給した。^{[5] [6]}発電所は直流を使用し、単一の電圧で動作した。直流電力は、伝送中の電力損失を最小限に抑えるために必要な高電圧に簡単に変換できなかったため、発電機と負荷の間の可能な距離は約半マイル（800メートル）に制限された。^[7]

同年、ロンドンでリュシアン・ゴラールとジョン・ディクソン・ギブスが、実際の電力システムで使用できる最初の変圧器を実演した。ゴラールとギブスの変圧器の実用的な価値は、1884年にトリノで実証され、単一の交流発電機から40キロメートル（25マイル）の線路を照らすために変圧器が使用された。 ^[8]システムは成功したものの、2人はいくつか基本的なミスを犯した。おそらく最も重大だったのは、変圧器の一次側を直列に接続したため、1つのランプをオンまたはオフにすると、ラインのさらに下にある他のランプにも影響が及ぶことだった。実演の後、アメリカの起業家ジョージ・ウェスティングハウスは、シーメンス製の発電機とともにいくつかの変圧器を輸入し、商用電力システムで使用できるように改良することを目指して、技術者に実験を行わせた。

ウェスティングハウスの技術者の一人、ウィリアム・スタンレーは、変圧器を並列ではなく直列に接続することの問題点を認識し、また、変圧器の鉄心を完全に囲まれたループにすることで二次巻線の電圧調整が改善されることに気づいた。この知識を利用して、彼は1886年にマサチューセッツ州グレート・バリントンに世界初の実用的な変圧器ベースの交流電力システムを構築した。^{[9] [10]} 1885年にはイタリアの物理学者で電気技師のガリレオ・フェラーリスが誘導電動機を実証し、1887年と1888年にはセルビア系アメリカ人の技術者ニコラ・テスラが電力システムに関する一連の特許を申請しており、その中には実用的な2相誘導電動機の特許もある^{[11] [12]}ウェスティングハウスはこれをACシステム向けにライセンス供与した。

1890年までに電力産業は繁栄し、電力会社は米国とヨーロッパで数千の電力システム（直流と交流の両方）を構築しました。これらのネットワークは事実上、電気照明の提供に専念していました。この間、米国では、どちらの形式の送電（直流または交流）が優れているかをめぐって、エジソンとウェスティングハウスの間で「電流戦争」として知られる激しい競争が起こりました。1891年、ウェスティングハウスは、電気照明を提供するだけでなく、電気モーターを駆動するように設計された最初の主要な電力システムを設置しました。この設備は、コロラド州テルライドでテスラ誘導モーターによって始動された100馬力（75kW）の同期モーターに電力を供給しました。^[13]大西洋の反対側では、オスカー・フォン・ミラーがフランクフルトの電気技術博覧会のために、ラウフェン・アム・ネッカーからフランクフルト・アム・マインまでの20kV 176kmの三相送電線を建設しました。^[14] 1895年、長期にわたる意思決定プロセスを経て、ナイアガラフォールズのアダムス第1発電所はバッファローに11kVの三相交流電力を送電し始めました。ナイアガラフォールズプロジェクトの完了後、新しい電力システムでは、送電に直流ではなく交流を選択することが増えました。 ^[15]

ボルシェビキが権力を掌握した後、電力の生産は特に重要視された。レーニンは「共産主義とはソビエト権力と全土の電化である」と述べた。^[16]その後、この見解を示すソビエトのポスターや切手などに彼の姿が数多く登場した。ゴエリロ計画は1920年に開始され、ボルシェビキによる最初の産業計画の実験であり、レーニンもこれに個人的に関わった。グレブ・クルジザノフスキーもこの計画に関わった重要人物の1人で、1910年にモスクワの発電所建設に関わった。クルジザノフスキーはレーニンとも1897年から知り合いで、当時は労働者階級解放闘争同盟のサンクトペテルブルク支部に所属していた。

1936年、ニューヨーク州スケネクタディとメカニックビルの間に、水銀アーク弁を使用した初の商用高電圧直流（HVDC）線が建設されました。HVDCは、それ以前に直流発電機を直列に設置することによって実現されていました（Thuryシステムとして知られるシステム）が、これは重大な信頼性の問題を抱えていました。^[17] 1957年、シーメンスは初のソリッドステート整流器を実証しましたが（ソリッドステート整流器は現在HVDCシステムの標準となっています）、この技術が商用電力システムで使用されるようになったのは1970年代初頭になってからでした。^{[18] 1959年、ウェスティングハウスは}SF6_を遮断媒体として使用する初の遮断器を実証しました。 ^[19] SF6_は空気よりもはるかに優れた誘電体であり、近年ではその用途が拡大し、はるかにコンパクトなスイッチング機器（スイッチギアとして知られる）や変圧器が製造されています。^{[20] [21]} ICT分野のイノベーションを電力工学分野に拡大することで、多くの重要な進歩ももたらされました。たとえば、コンピュータの発達により、負荷フローの研究をより効率的に実行できるようになり、電力システムの計画が大幅に改善されました。情報技術と通信の進歩により、電力システムのスイッチギアと発電機の遠隔制御も大幅に改善されました。

電力工学は、電気の発電、送電、配電、利用、およびさまざまな関連機器の設計を扱います。これには、変圧器、発電機、電動機、パワーエレクトロニクスが含まれます。

電力エンジニアは、送電網に接続されていないシステムに取り組むこともあります。これらのシステムはオフグリッド電力システムと呼ばれ、さまざまな理由からオングリッド システムよりも優先して使用されることがあります。たとえば、遠隔地では、鉱山が送電網への接続料金を支払うよりも、自家発電する方が安い場合があります。また、ほとんどのモバイル アプリケーションでは送電網への接続は単純に現実的ではありません。

発電には、エネルギーを一次エネルギーから電力に変換する施設の選択、設計、建設が含まれます。

電力伝送には、発電システムおよび配電システムと接続するための高電圧送電線および変電所設備のエンジニアリングが必要です。高電圧直流システムは、電力網の要素の 1 つです。

電力配電工学は、変電所から最終顧客までの電力システムの要素をカバーします。

電力システム保護とは、電力システムが故障する仕組みと、そのような故障を検出して軽減する方法を研究するものです。

ほとんどのプロジェクトでは、電力エンジニアは土木エンジニアや機械エンジニア、環境専門家、法律および財務担当者など、他の多くの分野と連携する必要があります。大規模な発電所などの大規模な電力システム プロジェクトでは、電力システム エンジニアに加えて、多数の設計専門家が必要になる場合があります。ほとんどのレベルの専門的な電力システム エンジニアリング業務では、エンジニアには電気工学の知識と同じくらい、管理スキルと組織スキルが必要になります。

英国と米国の両国には、土木技術者と機械技術者のための専門団体が古くから存在していました。英国では 1871 年に電気技術者協会(IEE) が、米国では 1884 年にAIEE が設立されました。これらの団体は、電気に関する知識の交換と電気工学教育の発展に貢献しました。国際レベルでは、1906 年に設立された国際電気標準会議(IEC) が電力工学の標準を準備しており、172 か国から 20,000 人の電気技術専門家がコンセンサスに基づいて世界的な仕様を開発しています。

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ウィキメディア・コモンズには、電力工学に関連するメディアがあります。

• IEEE 電力工学協会
• ジャダブプル大学、電力工学部
• パワーエンジニアリングインターナショナル誌の記事
• パワーエンジニアリングマガジンの記事
• アメリカ電力学会
• 電力技術者の統一ライセンスのための国立研究所
• ウースター工科大学 電力システム工学