架空送電線

架空送電線は、長距離にわたって電気エネルギーを伝送するために電力の送電および配電に使用される構造物です。塔または柱に吊り下げられた 1 つ以上の導体(通常は 3 の倍数)で構成されます。周囲の空気によって冷却効果が高く、 長い経路に沿って絶縁され、光学検査も可能なため、架空送電線は一般に大量の電気エネルギーを送電する方法としては最も低コストです。

送電線を支える塔は、木材（そのまままたは積層）、鋼鉄またはアルミニウム（格子構造または管状の柱）、コンクリート、場合によっては強化プラスチックで作られています。送電線の裸線導体は一般にアルミニウム（プレーンまたは鋼鉄で強化、または炭素繊維やガラス繊維などの複合材料）で作られていますが、中電圧配電および顧客施設への低電圧接続には銅線も使用されています。架空送電線設計の主な目標は、通電中の導体と地面の間に十分な間隔を保ち、危険な接触を防ぎ、導体を確実に支え、嵐、氷の荷重、地震、その他の損傷の原因に耐えられるようにすることです。^[1] 今日、一部の架空送電線は導体間で765,000ボルトを超える電圧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。

電力業界では、架空送電線は電圧の範囲によって分類されます。

• 低電圧 (LV) - 1000 ボルト未満。住宅または小規模商業顧客と公益事業間の接続に使用されます。
• 中電圧 (MV、配電) - 1000 ボルト (1 kV) ～ 69 kV で、都市部および農村部の配電に使用されます。
• 高電圧 (HV、 100 kV 未満の二次送電、115 kV や 138 kV などの電圧での二次送電または送電)。大量の電力の二次送電および送電、および大規模消費者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、^{[2] [ページが必要]}長距離の非常に高い電力の送電に使用されます。
• 超高電圧（UHV） - 800kV以上。ファイナンシャルタイムズ紙は、UHVラインは「ゲームチェンジャー」であり、世界的な電力網の実現可能性を高める可能性があると報じた。StateGrid は、従来のラインと比較して、UHVは5倍の電力を6倍以上の距離で送電できると述べた。^[3]

架空線の構造は、線路の種類に応じてさまざまな形をとる。構造は、導体を支えるために 1 つまたは複数の腕木を支えて地面に直接設置された木製の柱のような単純なものから、柱の側面に取り付けられた絶縁体で支えられた導体を備えた「腕木のない」構造までさまざまである。管状の鋼柱は、都市部でよく使用される。高電圧線は、格子状の鋼鉄塔またはパイロンで運ばれることが多い。遠隔地では、アルミニウム製の塔をヘリコプターで設置することもある。^{[4] [5]}コンクリート柱も使用されている。^[1]強化プラスチック製の柱も利用可能であるが、コストが高いため、用途が限られている。

各構造物は、導体によって課せられる荷重を考慮して設計されなければならない。^[1]導体の重量だけでなく、風や氷の蓄積、振動の影響による動的荷重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加わる力とほぼ釣り合うため、塔は重量に抵抗するだけでよい。両端で支えられた柔軟な導体は架線の形状に近似しており、送電線建設の解析の多くはこの形状の特性に依存している。^[1]

大規模な送電線プロジェクトでは、いくつかの種類の塔が使用されることがあります。ほとんどの位置で使用される「接線」（英国では「サスペンション」または「ライン」タワー）塔と、角度を変えて送電線を曲げたり、送電線を終端（終端）したり、重要な河川や道路を横断したりするために使用される、より頑丈に構築された塔です。特定の送電線の設計基準に応じて、半柔軟なタイプの構造では、各塔の両側で導体の重量のバランスをとる必要があります。より剛性の高い構造は、1 つまたは複数の導体が破損しても倒れないように設計されている場合があります。このような構造は、塔の連鎖的な故障の規模を制限するために、電力線に間隔を置いて設置される場合があります。^[1]

塔構造物の基礎は、特に湿地などの地盤条件が悪い場合には、大きくて費用がかかる場合があります。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支線を使用することで、かなり安定させることができます。

電力線やその支持構造物は、視覚的な汚染の一形態となる可能性があります。これを避けるために電力線を地中に埋める場合もありますが、この「地中化」はコストがかかるため、一般的ではありません。

一本の木造電柱構造の場合、地面に柱が 1 本設置され、そこから 3 本のクロスアームが交互に、または片側に伸びます。クロスアームには絶縁体が取り付けられます。「H」型木造電柱構造の場合、地面に柱が 2 本設置され、その上にクロスバーが両側に伸びます。絶縁体は両端と中央に取り付けられます。ラティス タワー構造には、2 つの一般的な形式があります。1 つはピラミッド型のベースで、その下に垂直セクションがあり、そこから 3 本のクロスアームが交互に伸びます。クロスアームには耐張絶縁体が取り付けられます。もう 1 つはピラミッド型のベースで、4 つの支持点まで伸びます。この上に水平のトラスのような構造が配置されます。

雷保護のため、塔の頂上に接地線が張られることがあります。光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。^[6]一部のマーカーには夜間警告用の 点滅ランプ が含まれています。

単回線送電線は、1 つの回線のみの導体を運びます。三相システムの場合、各塔は 3 本の導体をサポートすることになります。

2回線送電線には 2 つの回線があります。3 相システムの場合、各タワーは 6 本の導体をサポートし、絶縁します。牽引電流に使用される単相 AC 電力線には、 2 つの回線に対して 4 本の導体があります。通常、両方の回線は同じ電圧で動作します。

HVDC システムでは通常、1 本のラインにつき 2 本の導体が伝送されますが、まれに、システムの 1 つの極のみが 1 組の塔に伝送される場合もあります。

ドイツなど一部の国では、100 kV を超える電圧の電力線のほとんどは、権利がほとんどないため、2 重、4 重、またはまれに 6 重の電力線として実装されています。鉄塔の建設時にすべての導体が設置される場合もありますが、一部の回路は後で設置されることがよくあります。2 回路の送電線の欠点は、高電圧の近くで作業するか、2 つの回路をオフにする必要があるため、メンテナンスが難しいことです。障害が発生した場合、両方のシステムが影響を受ける可能性があります。

最大の二回線送電線は北いわき送電線です。

• 
  単回線 138 kV 線路 (上) と配電線 (下)
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  二重回線
• 
  並列単回線
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  1本の鉄塔ラインに4つの回線
• 
  3つの異なるタイプの6つの回路
• 
  ドイツの2回線および4回線のさまざまな電力線（110/220 kV）

絶縁体は導体を支え、通常の動作電圧とスイッチングや雷によるサージの両方に耐える必要があります。絶縁体は、導体を構造物より上に支えるピン型と、導体が構造物より下に垂れ下がるサスペンション型に大別されます。張力絶縁体の発明は、より高い電圧を使用できるようにする上で重要な要素でした。

19世紀末には、電信用ピン碍子の耐電圧が限られていたため、電圧は69,000ボルト以下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。^[1]より高い電圧では、架空導体には吊り下げ型碍子のみが一般的です。

絶縁体は通常、湿式法磁器または強化ガラスで作られ、ガラス強化ポリマー絶縁体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、ポリマー絶縁体（シリコーンゴムベース）の使用が増加しています。^[7]中国はすでに1100kVの最高システム電圧を持つポリマー絶縁体を開発しており、インドは現在1200kV（最高システム電圧）ラインを開発しており、最初は400kVで充電し、1200kVラインにアップグレードする予定です。^[8]

懸垂碍子は複数のユニットから構成され、ユニット碍子ディスクの数は高電圧で増加する。ディスクの数は、線間電圧、耐雷要件、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る。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、漏れ電流の沿面距離が長い、より長い碍子が必要です。ひずみ碍子は、導体スパンの全重量、および氷の蓄積や風による負荷を支えるのに十分な機械的強度が必要です。^[9]

磁器絶縁体には半導電性の釉薬仕上げが施されている場合があり、この場合は小さな電流 (数ミリアンペア) が絶縁体を通過します。これにより表面がわずかに温まり、霧や汚れの蓄積の影響が軽減されます。また、半導電性の釉薬により、絶縁体ユニットのチェーンの長さに沿って電圧がより均等に分散されます。

ポリマー絶縁体は、本来、疎水性の特性を備えているため、耐湿性が向上します。また、研究により、ポリマー絶縁体に必要とされる特定の沿面距離は、磁器やガラスに必要とされる距離よりもはるかに短いことがわかっています。さらに、ポリマー絶縁体の質量は (特に高電圧の場合)、同等の磁器やガラスの弦よりも約 50% ～ 30% 小さくなります。耐汚染性と耐湿性が向上するため、このような絶縁体の使用が増えています。

200 kV を超える非常に高い電圧用の絶縁体には、端子にグレーディング 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、絶縁体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、送電線として最も一般的に使用されている導体は、アルミニウム導体鋼強化（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。アルミニウムが使用されるのは、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が大きい）であり、安価であるためです。^[1] 銅は過去に人気があり、特に低電圧や接地用に現在でも使用されています。

導体が大きいほど電気抵抗が低くなるためエネルギー損失は少なくなるが、導体が小さい場合よりもコストがかかる。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、導体で無駄になるエネルギーのコストが、導体のサイズによる線路建設コストのその部分に支払われる年間利息と等しいときに、線路に最適な導体サイズが見つかる。最適化問題は、年間負荷の変化、設置コストの変化、一般的に製造されるケーブルの個別のサイズなどの追加要因によってさらに複雑になる。^{[1] [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 つの塔間に張られた導体の形状はカテナリーの形状に近似します。導体のたわみ (曲線の最高点と最低点の間の垂直距離) は、温度や氷の覆いなどの追加負荷によって異なります。安全のために、頭上の最小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温度が上昇し、導体の長さも長くなるため、熱膨張係数が低いタイプや許容動作温度が高いタイプの導体に変更することで、電力処理能力 (アップレート) を向上できる場合があります。

熱たわみが低減された 2 つの導体は、複合コア導体 (ACCR およびACCC 導体) として知られています。ACCC 導体は、導体全体の強度を高めるためによく使用される鋼鉄コア ストランドの代わりに、鋼鉄の約 1/10 の熱膨張係数を持つ炭素繊維およびガラス繊維コアを使用しています。複合コアは非導電性ですが、鋼鉄よりも大幅に軽量で強度が高く、直径や重量を犠牲にすることなく、28% 多くのアルミニウムを組み込むことができます (コンパクトな台形ストランドを使用)。追加されたアルミニウム含有量により、電流に応じて、同じ直径と重量の他の導体と比較して、ライン損失が 25 ～ 40% 削減されます。炭素コア導体は熱たわみが低減されているため、オールアルミニウム導体 (AAC) または ACSR と比較して最大 2 倍の電流 (「電流容量」) を流すことができます。

送電線とその周囲の保守は、電力線作業員によって行われなければならないが、高圧洗浄機や丸鋸を備えたヘリコプターの支援を受けることもあり、作業は3倍速くなることもある。しかし、この作業はヘリコプターの高度速度線図の危険なエリアで行われることが多く、^{[11] [12] [13]}、パイロットはこの「人体外部積荷」方式の資格を有している必要がある。^[14]

長距離の電力伝送には高電圧送電が用いられる。132kVを超える送電ではコロナ放電の問題が生じ、大きな電力損失と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、相ごとに複数の導体を使用するか、導体を束ねることが望ましい。^[15]

束導体は、スペーサーによって一定間隔で接続された複数の平行ケーブルで構成され、多くの場合円筒形の構成になっています。最適な導体数は電流定格によって異なりますが、通常、高電圧ラインは電流も高くなります。American Electric Power ^[16]は、束ねた相ごとに 6 本の導体を使用して 765 kV ラインを構築しています。スペーサーは、風による力や短絡時の磁力に耐える必要があります。

束ねられた導体は、線路付近の電圧勾配を減少させます。これにより、コロナ放電の可能性が減少します。超高電圧では、単一の導体の表面の電界勾配が空気をイオン化するのに十分高くなり、電力が浪費され、不要な可聴ノイズが発生し、通信システムに干渉します。導体の束を囲む電界は、単一の非常に大きな導体を囲む電界に似ています。これにより、勾配が低くなり、高電界強度に関連する問題が緩和されます。コロナ効果による損失が相殺されるため、伝送効率が向上します。

束ねられた導体は、導体の表面積が大きくなるため、より効率的に冷却され、さらに線路損失が減少します。交流電流を伝送する場合、束ねられた導体は、表皮効果による単一の大きな導体の電流容量の減少も回避します。束ねられた導体は、単一の導体と比較して リアクタンスも低くなります。

風の抵抗は高くなりますが、風による振動は束ねられたスペーサーで減衰されます。束ねられた導体の氷と風の負荷は、同じ総断面積の単一の導体よりも大きくなり、束ねられた導体は単一の導体よりも設置が困難になります。

架空送電線には、接地導体（シールド線、静電線、または架空アース線）が装備されていることが多い。接地導体は通常、支持構造物の上部で接地（アース）され、相導体への直接落雷の可能性を最小限に抑える。^[17]接地された中性線を備えた回路では、故障電流に対して大地と平行な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ります。これらは、最も高い横梁の最外端、2つのV字型のマストポイント、または別のクロスアームにあります。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が使用されている場合があります。この構成は、通常、米国のより田舎の地域で見られます。送電線を雷から保護することにより、絶縁体へのストレスが低くなり、変電所の装置の設計が簡素化されます。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ー（光接地線/OPGW）が含まれる場合があります。

一部の HVDC 変換ステーションでは、接地線が、離れた接地電極に接続するための電極線としても使用されています。これにより、HVDC システムは、アースを 1 つの導体として使用できます。接地導体は、相導体の上にある避雷器によって橋渡しされた小さな絶縁体上に取り付けられています。絶縁体により、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、アース線を相導体の下に張って、背の高い車両や機器が通電線に触れるのをある程度防いだり、Y 配線システムに中性線を提供したりすることもできます。

旧ソ連の一部の超高電圧電力線では、接地線がPLCシステムに使用され、鉄塔の絶縁体に取り付けられています。

架空絶縁ケーブルは、通常は短距離（1 キロメートル未満）ではほとんど使用されません。絶縁ケーブルは、絶縁サポートなしで構造物に直接固定できます。空気で絶縁された裸導体の架空線は、通常、絶縁導体のケーブルよりもコストが低くなります。

より一般的なアプローチは、「被覆」線です。これは裸のケーブルとして扱われますが、多くの場合、野生動物にとってはより安全です。ケーブルの絶縁体により、翼幅の大きい猛禽類が電線にぶつかっても生き残る可能性が高くなり、電線全体の危険性がわずかに軽減されるからです。このタイプの電線は、米国東部や樹木が密集した地域でよく見られ、樹木との接触が考えられます。唯一の落とし穴はコストです。絶縁電線は裸の電線よりも高価になることが多いからです。多くの電力会社は、地下ライザー/ポットヘッドなどの電柱上や、リクローザー、カットアウトなどで電線が互いに接近していることが多いジャンパー材料として被覆線を採用しています。

送電線は風によ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よくあります。

コンパクトな架空送電線は、標準的な架空電力線よりも狭い敷地を必要とします。導体は互いに近づきすぎてはいけません。これは、スパン長を短くしてクロスバーを絶縁するか、スパン内の導体を絶縁体で分離することで実現できます。最初のタイプは、スパン内に絶縁体を必要としないため、構築が簡単です。絶縁体があると、設置や保守が難しくなる場合があります。

コンパクト ラインの例は次のとおりです。

• ルーツクコンパクト架空送電線50°46′29″N 25°23′07″E / 50.774673°N 25.385215°E / 50.774673; 25.385215 (ルーツクコンパクト架空送電線の始点)
• ヒルペルツァウ-ヴァイゼンバッハコンパクト架空線48°44′16″N 8°21′20″E / 48.737898°N 8.355660°E / 48.737898; 8.355660 (ヒルペルツァウ-ヴァイゼンバッハ送電線の起点)

コンパクト送電線は、既存の線路の電圧をアップグレードして、既存の権利区域で送電できる電力を増やすために設計されることがあります。^[18]

低電圧架空線には、ガラスまたはセラミック絶縁体で支えられた裸導体、または空中束ね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 (通常は相導体と中性導体) から最大 6 本 (3 相導体、独立した中性導体とアース、および共通スイッチから供給される街灯) までです。一般的なケースは 4 本 (3 相導体と中性導体、中性導体は保護アース導体としても機能する場合があります) です。

架空線または架空電線は、路面電車、トロリーバス、または列車に電気エネルギーを伝送するために使用されます。架空線は、線路上に 1 本以上の架空電線を設置するという原理に基づいて設計されています。架空線に沿って一定間隔で設置された給電ステーションから、高電圧グリッドから電力が供給されます。場合によっては、低周波 AC が使用され、特別な牽引電流ネットワークによって配電されます。

架空線は、特に長波、中波、短波の効率的な送信のために、送信アンテナに電力を供給するためにも時々使用されます。この目的のために、スタッガード アレイ線がよく使用されます。スタッガード アレイ線に沿って、送信アンテナのアース ネットに電力を供給するための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、アンテナの高電圧定置給電線につながる絶縁体に固定されます。

架空線の下のエリアの使用は制限されています。通電中の導体に物体を近づけてはいけないためです。架空線や構造物から氷が落ちて危険が生じる可能性があります。受信アンテナが架空導体によって遮蔽され、絶縁体や導体の鋭い部分で部分放電が発生して無線ノイズが発生するため、電力線の下では無線受信が妨げられる可能性があります。

架空線の周囲では、凧や風船を飛ばしたり、はしごを使ったり、機械を操作したりするなど、干渉を起こす危険があります。

飛行場付近の架空配電線や送電線は地図上にマークされることが多く、パイロットに導体の存在を警告するために、線路自体にも目立つプラスチック反射板が付けられています。

特に自然保護区での架空送電線の建設は、環境に大き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の環境調査では、茂みの伐採、渡り鳥の移動経路の変更、送電線路沿いの捕食動物や人間の侵入の可能性、川の交差点での魚の生息地の撹乱、その他の影響を考慮する場合があります。

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、電力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、電力線に近づかないように警告されています。航空機が電力線に衝突すると死亡事故が発生します。一部の電力線には、特に滑走路の近くや水上飛行機の運航をサポートする可能性のある水路の上に障害物マーカーが付いています。電力線の設置により、ハンググライダーが使用する場所が使用されることがあります。^{[19] [20]}

電気インパルスの長距離伝送は、1729年7月14日に物理学者スティーブン・グレイによって初めて実証されました。^[要出典]この実証では、絹糸で吊るした湿った麻の紐を使用しました（当時は金属導体の低抵抗が認識されていませんでした）。

しかし、架空線の最初の実用化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20 km（13マイル）まで延びました。電力の送電は、1882年にミュンヘンとミースバッハ（60 km）間の最初の高電圧送電で実現しました。1891年には、フランクフルト国際電気博覧会の際に、ラウフェンとフランクフルト の間に最初の三相交流架空線が建設されました。

1912 年に最初の 110 kV 架空送電線が運用を開始し、1923 年には最初の 220 kV 架空送電線が続きました。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Voerdeの鉄塔 (高さ 138 メートルの 2 本のマスト) を備えたライン川横断橋を建設しました。

1953年、アメリカでアメリカン・エレクトリック・パワー社が初の345kV送電線を供用開始した。1957年、ドイツで初の380kV架空送電線（変電所とロンマースキルヒェン間）が稼働開始。同年、メッシーナ海峡を横断する架空送電線がイタリアで供用開始。同線の鉄塔はエルベ川横断橋 1 に使用されていた。これは1970年代後半、エルベ川横断橋 2 の建設のモデルとなり、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、スウェーデンで初の380kV送電線が供用開始され、南部の人口密集地域と北部最大の水力発電所を結ぶ1000km（625マイル）に及んだ。1967年からはロシア、米国、カナダでも765kVの架空送電線が建設された。 1985年、ソ連でコクシェタウとエキバストゥズ発電所の間に1150kVの三相交流線路が架空送電線として建設されました。1999年、日本では2回線の1000kV用に設計された初の送電線である北岩木送電線が建設されました。2003年には、中国で揚子江横断線という史上最高の架空送電線の建設が開始されました。

21 世紀には、鉄を炭素繊維の芯線に置き換えること (高度な再導体化) が、公益事業者にとって、土地の使用量を増やすことなく送電容量を増やす手段となりました。

架空送電線は送電線の一例です。電力システムの周波数では、一般的な長さの線路に対して多くの便利な簡略化を行うことができます。電力システムの解析では、分布抵抗、直列インダクタンス、シャント漏れ抵抗、シャント容量を適切な集中値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。

電力線の長さが短い場合（80 km未満）は、抵抗とインダクタンスを直列に接続し、シャントアドミタンスを無視することで近似できます。この値は、線路の総インピーダンスではなく、線路の単位長さあたりの直列インピーダンスです。線路の長さが長い場合（80～250 km）、モデルにシャント容量が追加されます。この場合、線路の両側に総容量の半分を分配するのが一般的です。その結果、電力線は、ABCDパラメータなどの2ポートネットワークとして表すことができます。 ^[21]

この回路は次のように特徴付けられる。

${\displaystyle Z=zl=(R+j\omega L)l}$

どこ

• Zは直列ラインの総インピーダンスである
• zは単位長さあたりの直列インピーダンスである。
• lは線の長さです
• ${\displaystyle \omega \}$正弦波の 角周波数

中線には追加のシャントアドミタンスがある

${\displaystyle Y=yl=j\omega Cl}$

どこ

• Yはシャントラインアドミタンスの合計である
• yは単位長さあたりのシャントアドミタンスである

• 
  電力線の長さが短い
• 
  中程度の長さの電力線

• 架空ケーブル
• 車掌マーキングライト
• CU プロジェクト論争
• 架空ケーブル
• 架空線
• 猛禽類の保護
• 第三レール
• アウトワード作戦
• イギリスの電力線による河川横断
• 架空送電線の無線監視