電力伝送

電力伝送とは、発電所などの発電施設から変電所へ電気エネルギーを大量に移動させることです。この移動を容易にする相互接続された線路が送電網を形成します。これは、通常電力配電と呼ばれる高圧変電所と顧客間のローカル配線とは異なります。送電網と配電網を組み合わせたものは、電力供給の一部であり、電力網として知られています。

電力を効率的に長距離送電するには、高電圧が必要です。これにより、強い電流によって生じる損失が軽減されます。送電線では、交流(AC) または直流(DC) が使用されます。電圧レベルは変圧器によって変更されます。電圧は送電用に昇圧され、その後、ローカル配電用に下げられます。

北米で相互接続として知られる広域同期グリッドは、発電機を直接接続して、同じ相対周波数で多くの消費者に交流電力を供給します。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があります。1つのグリッドがヨーロッパ大陸のほとんどを接続します。

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、多くの国で電力市場の規制が自由化され、送電と配電を別々の会社が担当するようになった。^[2]

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 (50 km) 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新しい負荷や停電が発生すると同期の問題や連鎖障害が発生する可能性がある場合に、配電ネットワークを安定化させます。

長距離で発生する抵抗によるエネルギー損失を減らすため、電気は高電圧で送電されます。電力は通常、架空送電線を通じて送電されます。地下送電は設置コストがかなり高く、運用上の制限も大きくなりますが、メンテナンス コストは低くなります。地下送電は、都市部や環境的に敏感な場所でより一般的です。

通常、電気エネルギーは消費量と同じ速度で生成する必要があります。発電量が需要に正確に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、不均衡により発電所と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、一連の停止が連鎖的に発生し、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、米国の他の地域でも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複数の冗長な代替ルートを提供することで、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予備容量が利用できるように、各ラインの最大信頼性容量 (通常は物理的または熱的限界よりも小さい) を決定しています。

高電圧架空電線は絶縁体で覆われていません。導体の材質はほぼ常にアルミニウム合金で、複数の撚線で形成され、場合によっては鋼の撚線で補強されています。架空送電には銅が使用されることがありましたが、アルミニウムはより軽量で、収量の低下はわずかで、コストもはるかに低くなります。架空電線は複数の会社から供給されています。導体の材質と形状は容量を増やすために定期的に改良されています。

導体のサイズは、12 mm ² (#6アメリカ線ゲージ) から 750 mm ² (1,590,000 円形ミル面積 ) までの範囲で、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大きな導体の場合、表皮効果により、電流の大部分が表面近くに集中します。導体の中心はほとんど電流を流しませんが、重量とコストが増加します。したがって、容量を高めるために複数の平行ケーブル (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、高電圧でコロナ放電によるエネルギー損失を減らすために使用されます。

現在、送電レベルの電圧は通常 110 kV 以上です。66 kV や 33 kV などの低電圧は通常、準送電電圧と見なされますが、負荷の軽い長距離線で使用されることもあります。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見なされ、異なる設計が必要になります。

架空送電線は絶縁に空気を使用するため、送電線には最低限のクリアランスが必要です。強風や低温などの悪天候では送電が中断されます。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を超え、フラッシュオーバーや供給喪失につながる可能性があります。^[3]物理的な送電線の振動は、振動の周波数と振幅に応じて導体のギャロップまたはフラッターと呼ばれます。

• 
  ワシントン州にある500キロボルト（500kV）の三相送電塔。送電線は3方向に束ねられている。
• 
  テキサス州ウェブスターの3列に並ぶ電柱

電力は地中送電線で送電できます。地中ケーブルは敷地を占有せず、視認性が低く、天候の影響も受けにくいです。ただし、ケーブルは絶縁する必要があります。ケーブルと掘削のコストは、架空建設よりもはるかに高くなります。埋設送電線の障害の特定と修復には時間がかかります。

一部の大都市圏では、ケーブルは金属パイプで覆われ、静的またはポンプで循環される誘電液（通常は油）で絶縁されています。電気的な故障によりパイプが損傷し、誘電液が漏れた場合は、液体窒素を使用してパイプの一部を凍結し、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。^{[4] [5] [6]}

地下の送電線は熱容量によって制限されるため、過負荷や再定格の送電線は少なくなります。長い地下の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) を超えると有効な電力を供給できなくなります。直流ケーブルは静電容量によって長さが制限されることはありません。

商用電力は当初、照明や機械負荷と同じ電圧で送電されていた。このため、発電所と負荷間の距離が制限されていた。1882年には、長距離送電のために直流電圧を上げることは容易ではなかった。負荷の種類（照明、固定モーター、牽引/鉄道システムなど）によって必要な電圧が異なり、異なる発電機と回路が使用されていた。^{[7] [8]}

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する分散型発電として知られるようになりました。 ^[9]

交流電流(AC)の伝送は、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 の巻線比と開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ものを開発した後に可能になりました。

最初の長距離交流送電線は34キロメートル（21マイル）の長さで、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ました。この送電線は2kV、130Hzのシーメンス・ハルスケ社製の交流発電機で駆動され、一次巻線が直列に接続された複数のゴーラール変圧器が白熱灯に電力を供給していました。このシステムにより、長距離にわたる交流電力伝送の実現可能性が証明されました。^[8]

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のチェルキ通りで公共照明用に導入されました。このシステムは、定格30馬力（22kW）、120Hzで2kVのシーメンス＆ハルスケ社製の交流発電機2台で稼働し、19km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2kVから20Vへの降圧変圧器200台を使用していました。数か月後、英国初の交流システムがグロブナーギャラリーに電力を供給しました。このシステムにも、シーメンス社製の交流発電機と、並列接続された一次側を備えた2.4kVから100Vへの降圧変圧器（ユーザーごとに1台）が備わっていました。^[10]

電気技師ウィリアム・スタンレー・ジュニアは、実用的ではないと考えたゴーラード・ギブスの設計を改良する作業に取り組み、 1885年に最初の実用的な直列交流変圧器を開発した。^[11]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シーメンス発電機で駆動されていた。電圧はスタンレーの変圧器を使用して100ボルトに降圧され、標高4,000フィート（1,200メートル）を超える23の事業所の白熱灯に電力を供給した。^[12]この変圧器と交流照明システムの実用的な実証により、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。^[11]

1888年に最初の交流モーターの設計が登場した。これは多相電流で動作する誘導モーターで、ガリレオ・フェラーリスとニコラ・テスラがそれぞれ独自に発明した。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た。実用的な三相モーターはミハイル・ドリボ＝ドブロボルスキーとチャールズ・ユージン・ランスロット・ブラウンが設計した。^{[13]このようなモーターの普及は、開発上の問題と、それらに電力を供給するために必要な}多相電力システムの不足により何年も遅れた。^{[14] [15]}

1880年代後半から1890年代前半にかけて、ヨーロッパではGanzやAEG 、米国ではGeneral ElectricやWestinghouse Electricなどの小規模な電力会社が大企業に合併した。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のために、合併にはより長い技術的期間が必要だった。 ^[16]大規模な発電所と長距離送電による交流の規模の経済により、徐々にすべての負荷をリンクできるようになりました。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DCモーターが含まれます。ユニバーサルシステムとなったものでは、これらの技術的な違いは、ロータリーコンバータとモータージェネレーターを介して一時的に埋められ、レガシーシステムをACグリッドに接続できるようになりました。^{[16] [17]}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、これらの一時しのぎの手段は徐々に置き換えられました。

高圧を使用した単相交流の最初の送電は1890年にオレゴン州で行われ、ウィラメットフォールズの水力発電所から川下14マイル（23 km）のポートランド市に電力が供給されました。 ^[18]高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ました。約175 kmの長さの15 kV送電線がネッカー川沿いのラウフェンとフランクフルトを結びました。^{[10] [19]}

送電電圧は20世紀を通じて上昇した。1914年までに、70kV以上で稼働する送電システムが55基稼働していた。当時使用されていた最高電圧は150kVだった。^[20]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は、日中のさまざまな負荷に供給するために使用できた。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、資本コストが削減された。水力発電や炭鉱口の石炭など、遠隔地の低コストのエネルギー源を活用して、さらにコストを削減することができた。^{[7] [10]}

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によって大規模な発電所が建設され、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。^[21]

これらのネットワークは、電力線、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システムオペレーターなどの組織によって地域ベースで管理されています。^[22]

電圧が高く電流が低いほど、伝送効率が向上します。電流が減ると、加熱損失が減少します。ジュールの第一法則では、エネルギー損失は電流の 2 乗に比例するとされています。したがって、電流を 2 分の 1 に減らすと、導体のサイズに関係なく、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。

特定の電圧と電流に対する導体の最適なサイズは、導体のサイズに関するケルビンの法則によって推定できます。この法則では、抵抗で浪費されるエネルギーの年間コストが導体を提供するための年間資本コストに等しいときに、サイズが最適であるとされています。金利と商品コストが低い場合、ケルビンの法則は太い電線が最適であることを示しています。それ以外の場合は、細い導体が適しています。電力線は長期使用を前提に設計されているため、ケルビンの法則は銅とアルミニウムの価格と金利の長期推定と組み合わせて使用​​されます。

AC 回路では、昇圧変圧器を使用することでより高い電圧が得られます。高電圧直流(HVDC) システムには、比較的高価な変換装置が必要ですが、海底ケーブルや長距離大容量ポイントツーポイント伝送などの特定のプロジェクトでは経済的に正当化される場合があります。HVDC は、非同期グリッド間でエネルギーを送信するために必要です。

送電網は、発電所、送電線、変電所のネットワークです。電力は通常、三相 交流で送電網内を伝送されます。単相交流は、大型の多相誘導モーター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使用されていましたが、4 本の電線または不均等な電流の 3 本の電線が必要でした。高次の位相システムでは 3 本以上の電線が必要ですが、メリットはほとんどまたはまったくありません。

発電能力の価格は高いものの、エネルギー需要は変動するため、必要な電力を地元で発電するよりも輸入する方が安くなることがよくあります。負荷は広い地域で同時に増減することが多いため、電力は遠く離れた供給源から供給されることがよくあります。負荷分散の経済的利点のため、広域送電網は国や大陸にまたがることもあります。生産者と消費者が相互接続されているため、一部のリンクが機能しなくても電力を流すことができます。

需要のうち緩やかに変化する部分はベース負荷と呼ばれ、一般的には運転コストが一定である大規模施設によって供給され、安定電力と呼ばれます。このような施設には原子力、石炭、水力発電がありますが、集光型太陽熱発電や地熱発電などの他のエネルギー源も安定電力を供給できる可能性があります。太陽光発電、風力、波力、潮力などの再生可能エネルギー源は、間欠性があるため、安定的とは見なされません。残りの、つまりピーク時の電力需要は、通常、より小型で応答が速く、コストが高いピーク時発電所、たと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によって供給されます。

長距離送電（数百キロメートル）は、コストが0.005～0.02米ドル/kWhと安価で効率的である。これに対し、大規模発電業者の年間平均コストは0.01～0.025米ドル/kWh、小売価格は0.10米ドル/kWh以上で、予測できない高需要時には瞬間供給業者に小売価格の何倍もの料金がかかる。^[23]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頻繁に購入している。^[24]地元の電源（より高価で使用頻度が低い場合でも）は、遠くの供給業者を切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。

水力や風力発電は大都市の近くには移動できません。また、太陽光発電のコストは、地元の電力需要がわずかである遠隔地で最も低くなります。接続コストによって、特定の再生可能エネルギーの代替手段が経済的に現実的かどうかが決まります。送電線にかかるコストは法外な場合がありますが、大容量で長距離のスーパーグリッド送電網のコストは、適度な使用料で回収できます。

発電所では、ユニットのサイズに応じて約 2.3 kV ～ 30 kV の比較的低い電圧で電力が生産されます。その後、この電圧は発電所の変圧器によってより高い電圧 (115 kV ～ 765 kV AC) に昇圧され、送電されます。

米国では、送電電圧は 230 kV から 500 kV までさまざまですが、例外として 230 kV 未満または 500 kV を超えるものもあります。

西部相互接続には、2 つの主な相互接続電圧があります。60 Hz の 500 kV AC と、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) の ±500 kV (正味 1,000 kV) DC です。287.5 kV (フーバーダムからロサンゼルスまでのライン、ビクタービル経由) および 345 kV (アリゾナ州公共サービス(APS) ライン) は、ローカル標準であり、どちらも 500 kV が実用化される前に実装されました。

高電圧で電気を送ると、ジュール熱で失われるエネルギーの割合が減りますが、これは導体の種類、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) の距離を 765 kV で 1000 MW の電力を運ぶ場合、損失は 0.5% ～ 1.1% になります。同じ負荷を同じ距離運ぶ 345 kV の送電線では、損失は 4.2% です。^[25]一定の電力量では、電圧が高いほど電流が減り、抵抗損失も減ります。たとえば、両方のケースで同じサイズの導体が使用されている場合、電圧を 10 倍上げると、電流も対応する 10 倍減少し、したがって損失は 100 倍になります。導体のサイズ (断面積) を電流の減少に合わせて 10 分の 1 に縮小した場合でも、より高い電圧を使用することで損失は 10 分の 1 に削減されます。 ${\displaystyle I^{2}R}$${\displaystyle I^{2}R}$

電力損失は電線のコンダクタンスを増やす（断面積を増やす）ことによっても減らすことができますが、導体が大きいほど重くなり、コストも高くなります。また、コンダクタンス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減らないため、電圧を乗算することで得られる二乗の削減よりもはるかに小さなメリットしか得られません。

長距離送電は、通常、115～1,200kVの電圧で架空送電線で行われます。導体と地面の間に2,000kV以上の電圧がかかる高電圧では、コロナ放電による損失が非常に大きくなり、線路導体の抵抗損失が低くなることがあります。コロナ損失を減らす対策としては、導体の直径を大きくしたり、中空コア^[26]や導体束を使用することなどがあります。

抵抗と損失に影響を与える要因には、温度、らせん、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。らせんとは、撚り線が中心の周りを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。表皮効果により、AC周波数が高くなると実効抵抗が増加します。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。^[27]

米国の送電および配電損失は、1997年には6.6%、^[28] 2007年には6.5% ^[28]、2013年から2019年には5%と推定されています。 ^[29]一般的に、損失は生産電力（発電所によって報告された）と販売電力の差異から推定され、その差が送電および配電損失を構成します（電力窃盗が発生しないと仮定した場合）。

1980年時点で、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、米国の送電線は大幅に短くなっています。^[23]

どの AC ラインでも、導体のインダクタンスと静電容量は重要です。これらの特性に反応してのみ流れる電流 (抵抗とともにインピーダンスを定義) は無効電力フローを構成し、負荷に電力を伝達しません。ただし、これらの無効電流は余分な加熱損失を引き起こします。負荷に伝達される有効電力と皮相電力 (位相角に関係なく、回路の電圧と電流の積) の比率が力率です。無効電流が増加すると、無効電力が増加し、力率は減少します。

力率の低い送電システムでは、力率の高いシステムよりも損失が大きくなります。電力会社は、無効電力の流れを補正し、送電損失を減らし、システム電圧を安定させるために、システム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、静的 VAR 補償装置、フレキシブル AC 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。

送電線を流れる電流は、各相の線を囲む磁場を誘導し、他の相の周囲の導体のインダクタンスに影響を与えます。導体の相互インダクタンスは、線同士の物理的な向きに部分的に依存します。3 相線は通常、垂直方向に相が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に見られる相互インダクタンスは、上部/下部に見られるインダクタンスとは異なります。

3 本の導体間の不均衡なインダクタンスは、中央の線路に総伝送電力の不均衡な量を運ぶことを強いる可能性があるため、問題となります。同様に、1 本の線路が常に地面に最も近く、より低いインピーダンスで動作している場合、不均衡な負荷が発生する可能性があります。この現象のため、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とるために、各相が各相対位置で等しい時間を見るように、線路に沿って導体を定期的に転置する必要があります。これを実現するために、さまざまな転置スキームを使用して、特別に設計された転置タワーで線路に沿って一定の間隔で線路の位置が交換されます。

サブトランスミッションは比較的低い電圧で動作します。すべての配電変電所を高電圧の主送電電圧に接続するのは不経済です。なぜなら、その機器は大型で高価だからです。通常、この高電圧に接続するのは大型変電所のみです。電流が小型変電所に送られる前に、電圧が下げられます。サブトランスミッション回路は通常、ループ状に配置されており、1 本の回線に障害が発生しても、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。

ループは通常閉じており、1 つの回路が失われても中断することはありません。また、通常開いている場合、変電所はバックアップ電源に切り替えることができます。準送電回路は通常、架空線で運ばれますが、都市部では埋設ケーブルが使用されることがあります。低電圧の準送電線は、敷設場所が少なく、構造が簡単なため、地中化はそれほど難しくありません。

二次送電と送電、あるいは二次送電と配電を分ける固定の境界はない。それらの電圧範囲は重なり合っている。北米では、69kV、115kV、138kVの電圧が二次送電によく使用されている。電力システムが進化するにつれ、以前は送電に使用されていた電圧が二次送電に使用され、二次送電電圧は配電電圧になった。送電と同様に、二次送電は比較的大量の電力を移動させ、配電と同様に、二次送電はポイントツーポイントではなくエリアをカバーする。^[30]

変電所の変圧器は、顧客に配電するために電圧を低いレベルに下げます。この配電は、サブ送電 (33 ～ 138 kV) と配電 (3.3 ～ 25 kV) の組み合わせによって行われます。最後に、使用時点で、エネルギーはエンドユーザーの電圧 (100 ～ 4160 ボルト) に変換されます。

高電圧電力伝送により、長距離でも抵抗損失が少なくなります。この効率により、生成された電力の大部分が負荷に供給されます。

簡略化されたモデルでは、配線が十分に長くて大きな抵抗 を持つ場合、グリッドは電圧 の理想的な電圧源から電力) を抵抗 でモデル化された単一の消費ポイントに供給します。 ${\displaystyle V}$${\displaystyle P_{V}}$${\displaystyle R}$${\displaystyle R_{C}}$

抵抗がトランスなしで直列に接続されている場合、同じ電流がワイヤ抵抗と受電装置を流れるため、回路は電圧分割器として機能します。その結果、（消費時点での）有効電力は次のようになります。 ${\displaystyle I={\frac {V}{R+R_{C}}}}$

${\displaystyle P_{R}=V_{2}\times I=V{\frac {R}{R+R_{C}}}\times {\frac {V}{R+R_{C}}}={\frac {R}{R+R_{C}}}\times {\frac {V^{2}}{R+R_{C}}}={\frac {R}{R+R_{C}}}P_{V}}$

理想的な変圧器が、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場合（つまり、一次分岐と比較して、二次分岐では電圧が で分割され、電流が で乗算される）、回路は再び電圧分割器と同等になりますが、ワイヤの見かけの抵抗は のみになります。この場合、有効電力は次のようになります。 ${\displaystyle a}$${\displaystyle a}$${\displaystyle a}$${\displaystyle R_{C}/a^{2}}$

${\displaystyle P_{R}=V_{2}\times I_{2}={\frac {a^{2}R\times V^{2}}{(a^{2}R+R_{C})^{2}}}={\frac {a^{2}R}{a^{2}R+R_{C}}}P_{V}={\frac {R}{R+R_{C}/a^{2}}}P_{V}}$

(つまり、消費点付近での高電圧から低電圧への変換)の場合、発電機の電力の大部分が消費点に伝達され、ジュール熱によって失われる部分は少なくなります。 ${\displaystyle a>1}$

伝送線路の端末特性は、送信端 (S) と受信端 (R) の電圧と電流です。伝送線路はブラック 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 x 2 伝送マトリックスが使用されます。

${\displaystyle {\begin{bmatrix}V_{\mathrm {S} }\\I_{\mathrm {S} }\\\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}A&B\\C&D\\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}V_{\mathrm {R} }\\I_{\mathrm {R} }\\\end{bmatrix}}}$

回線は相互対称ネットワークであると想定されており、受信ラベルと送信ラベルを何の影響もなく切り替えることができます。伝送行列T には次の特性があります。

• ${\displaystyle \det(T)=AD-BC=1}$
• ${\displaystyle A=D}$

パラメータA、B、C、およびD は、目的のモデルがラインの抵抗( R )、インダクタンス( L )、静電容量( C )、およびシャント (並列、漏れ)コンダクタンス Gをどのように処理するかによって異なります。

主な 4 つのモデルは、短線近似、中線近似、長線近似 (分布パラメータを使用)、およびロスレス線です。これらのモデルでは、Rなどの大文字は線全体で合計された総量を示し、 cなどの小文字は単位長さあたりの量を示します。

ロスレス ライン近似は最も精度が低く、通常はインダクタンスが抵抗よりはるかに大きい短いラインで使用されます。この近似では、送信側と受信側の電圧と電流は同じです。

特性インピーダンスは純粋な実数で、そのインピーダンスに対して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もあります。損失のないラインがサージ インピーダンスによって終端されると、電圧は低下しません。電圧と電流の位相角は回転しますが、電圧と電流の大きさはラインに沿って一定のままです。負荷 > SIL の場合、送信端からの電圧が低下し、ラインはVAR を消費します。負荷 < SIL の場合、送信端からの電圧が増加し、ラインはVAR を生成します。

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。最終結果は、A = D = 1 単位あたり、B = Z オーム、C = 0 です。したがって、この近似に関連する遷移行列は次のようになります。

${\displaystyle {\begin{bmatrix}V_{\mathrm {S} }\\I_{\mathrm {S} }\\\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}1&Z\\0&1\\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}V_{\mathrm {R} }\\I_{\mathrm {R} }\\\end{bmatrix}}}$

中線近似は、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、漏れコンダクタンスが回路図の両側に配置されたときにとられる形状 ( π )のため、公称π (パイ)回路と呼ばれることがよくあります。中線を解析すると、次の結果が得られます。

${\displaystyle {\begin{aligned}A&=D=1+{\frac {GZ}{2}}{\text{ per unit}}\\B&=Z\Omega \\C&=G{\Big (}1+{\frac {GZ}{4}}{\Big )}S\end{aligned}}}$

中距離伝送線路の直感に反する動作:

• 無負荷または小電流時の電圧上昇（フェランティ効果）
• 受信端電流が送信端電流を超える可能性がある

長距離線路モデルは、より高い精度が必要な場合、または検討中の線路の長さが 250 km (160 マイル) を超える場合に使用されます。直列抵抗とシャント コンダクタンスは分布パラメータであると見なされ、線路の各差動長さには対応する差動直列インピーダンスとシャント アドミタンスがあります。次の結果は、伝送線路の任意のポイントに適用できます。ここで、は伝播定数です。 ${\displaystyle \gamma }$

${\displaystyle {\begin{aligned}A&=D=\cosh(\gamma x){\text{ per unit}}\\[3mm]B&=Z_{c}\sinh(\gamma x)\Omega \\[2mm]C&={\frac {1}{Z_{c}}}\sinh(\gamma x)S\end{aligned}}}$

長い線路の端での電圧と電流を求めるには、伝送マトリックスのすべてのパラメータを (線路長)に置き換える必要があります。このモデルは、電信方程式を適用します。 ${\displaystyle x}$${\displaystyle l}$

高電圧直流 (HVDC) は、長距離にわたって大量の電力を送電する場合や、非同期グリッド間の相互接続に使用されます。電気エネルギーを非常に長い距離にわたって送電する場合、AC 送電で失われる電力が顕著になるため、代わりに直流を使用する方が安価になります。長い送電線の場合、損失が少ない (および DC 線路の建設コストが削減される) ため、両端に必要な変換ステーションのコストを相殺できます。

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い海底ケーブルに使用されます。 ^[31]このような場合には、特別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、イギリスとアイルランド、タスマニアとオーストラリア本土、ニュージーランドの北島と南島、ニュージャージーとニューヨーク市、ニュージャージーとロングアイランドなどです。最長600キロメートル（370マイル）の海底接続が展開されています。^[32]

HVDC リンクは、グリッドの問題を制御するために使用できます。AC ラインによって伝送される電力は、ソース端の電圧と宛先端の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、どちらかの端のシステムが同期しなくなります。DC リンクの電力フローは、接続する AC ネットワークの位相とは独立して制御されるため、この位相角の制限は存在せず、DC リンクは常に定格電力を最大限伝送できます。したがって、DC リンクは、電力フローと位相角を独立して制御できるため、AC グリッドの両端を安定させます。

たとえば、シアトルとボストンを結ぶ架空の線路で交流電力の流れを調整するには、2 つの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発生することですが、交流システムのコンポーネントが故障して電力網に予期しない負荷がかかると、中断される可能性があります。代わりに HVDC 線路を使用すると、このような相互接続は次のようになります。

• シアトルの AC を HVDC に変換する。
• 3,000マイル（4,800 km）の大陸間送電にはHVDCを使用する。
• ボストンでHVDCをローカル同期ACに変換する。

（送電ルート沿いの他の協力都市でも同様に）。このようなシステムでは、システムの一部が突然停止しても故障する可能性が低くなります。長距離の直流送電線の一例として、米国西部にある 太平洋直流送電線が挙げられます。

送電線で送ることができる電力量は、送電線の長さによって異なります。短い線路導体は、線路損失によって発熱するため、熱制限が設定されます。電流が過剰に流れると、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ことがあります。100 キロメートル (62 マイル) 程度の中程度の長さの線路の場合、制限は線路の電圧降下によって設定されます。AC 線路が長くなると、システムの安定性が制限要因になります。AC 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余弦に比例します。

この角度は、システムの負荷に応じて変化します。角度が 90 度に近づくと、抵抗損失が残る一方で電力の流れが減少するため、望ましくありません。ラインの長さと最大負荷の積は、システム電圧の 2 乗にほぼ比例します。長いラインでは、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 ラインは、位相角度が重要ではないため、熱および電圧降下の制限によってのみ制限されます。

ケーブル全体の温度を測定する分散温度検知(DTS) システムを導入することで、ケーブル経路に沿った温度分布を把握できるようになりました。このシステムがなければ、通常、最大電流は動作条件の把握とリスクの最小化の間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は、高電圧ケーブルの内部またはケーブル絶縁体の外部に取り付けられた パッシブ光ファイバーを温度センサーとして使用します。

架空ケーブルの場合、ファイバーは相線のコアに統合されます。統合されたダイナミック ケーブル レーティング (DCR)/リアルタイム熱レーティング (RTTR) ソリューションにより、ネットワークを最大限に活用できます。これにより、オペレータは伝送システムの動作を予測し、初期動作条件の大きな変化を反映できます。

一部の電力会社は、電力生産の増加に対処するために再導体化を採用している。再導体化とは、既存の送電線をより高容量の線に置き換えることである。送電線の追加は、コスト、許可間隔、地元の反対により困難である。再導体化により、送電線を移動できる電気の量を2倍にできる可能性がある。^[33] 2024年の報告書によると、米国は、電化と再生可能エネルギーに対応するためにこの技術を採用する点で、ベルギーやオランダなどの国に遅れをとっている。^[34] 2022年4月、バイデン政権はこのようなプロジェクトの環境レビューを合理化し、2022年5月には、2021年の超党派インフラ法と2022年のインフレ削減法によって資金提供される競争的助成金を発表した。^[35]

進行中の電化を支援し、排出削減目標を達成するには、送電網の拡張率を2倍にする必要があります。2022年現在、10,000以上の発電所と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した。新しい送電線の計画、許可、建設には10年かかることがあります。^[33]

従来の送電線は、アルミニウムより線で囲まれた鋼鉄芯線を使用しています（アルミニウム導体鋼鉄強化ケーブル）。鋼鉄を炭素繊維（ACCC導体）などのより軽くて強い複合材料に置き換えると、たわみが少なく、送電線を高温で動作させ、送電容量を2倍にすることができます。高温での電線のたわみを低くすることで、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。^[34]高度な送電線は鋼鉄の2～4倍のコストがかかりますが、時間、土地取得、許可、建設の節約を考慮すると、総導線交換コストは新規送電線の半分以下になります。^[33]

テキサス州南東部の送電線再配線プロジェクトでは、240マイルの送電線を1マイルあたり90万ドルの費用でアップグレードしたが、3,600マイルのグリーンフィールドプロジェクトでは1マイルあたり平均190万ドルだった。^[33]

安全で予測可能な動作を保証するために、システム コンポーネントは、発電機、スイッチ、回路ブレーカー、負荷によって制御されます。伝送システムの電圧、電力、周波数、負荷率、信頼性機能は、コスト効率の高いパフォーマンスを提供するように設計されています。

送電システムは、安全性とフォールト トレランスのための余裕を持って、ベース負荷とピーク負荷に対応します。ピーク負荷時間は、主に業界構成により地域によって異なります。暑い気候と寒い気候では、家庭のエアコンと暖房の負荷が全体の負荷に影響します。通常、最も暑い時期の午後遅くと、最も寒い時期の午前中半ばと夕方半ばに負荷が最大になります。電力要件は、季節と時間帯によって異なります。配電システムの設計では、常にベース負荷とピーク負荷が考慮に入れられます。

送電システムは通常、負荷と発電を一致させるための大きなバッファリング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、発電を負荷に合わせて維持する必要があります。

送電システムには複数の電源と負荷が接続される可能性があり、秩序立った電力伝送を行うにはそれらを制御する必要があります。集中型発電では、発電のローカル制御のみが必要です。これには、発電ユニットの同期が含まれます。

分散型発電では、発電機は地理的に分散しており、発電機をオンラインまたはオフラインにする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、別の回線または電力線自体で送信できます。電圧と周波数は、負荷のバランスをとるための信号メカニズムとして使用できます。

電圧シグナリングでは、電圧を変化させて発電量を増やします。ライン電圧が低下すると、システムによって追加される電力が増加します。この配置は原則として安定しています。電圧ベースの制御は、メッシュ ネットワークで使用するには複雑です。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点を再設定する必要があるためです。

周波数シグナリングでは、発電ユニットは電力伝送システムの周波数と一致します。ドループ速度制御では、周波数が低下すると、電力が増加します。（ライン周波数の低下は、負荷の増加によって発電機の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、仮想発電所、その他の地域分散型貯蔵・発電システムは、系統運用を改善するために系統と相互作用することができる。国際的には^、集中型から分散型電力システムへの移行がゆっくりと進行している。地域分散型発電システムの主な魅力は、電気を生産された場所の近くで消費することで送電損失を減らすことである。^[36]

過負荷状態では、システムは一度にすべて故障するのではなく、段階的に故障するように設計できます。電圧低下は、供給される電力が需要を下回ると発生します。停電は、グリッドが完全に故障すると発生します。

計画停電（負荷制限とも呼ばれる）は、意図的に計画された停電であり、不足する電力をさまざまな負荷に順番に分配するために使用されます。

送電網運用者は、送電網とそれに関連する発電・配電設備を管理するために、信頼性の高い通信手段を必要とします。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する必要があります。そうすることで、故障した導体または機器の電源をすぐに切って、システムのバランスを回復することができます。通常、送電線を短絡やその他の故障から保護することは非常に重要であるため、通信事業者の通信は信頼性が不十分であり、遠隔地では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では、次のものを使用できます。

• 電子レンジ
• 電力線通信
• 光ファイバー

まれに、短距離の場合は、パイロット線が伝送線路に沿って張られます。通信事業者からの専用回線は、可用性がオペレータによって制御されないため、好ましくありません。

伝送線はデータの伝送に使用できます。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、長波範囲の無線で簡単に受信できます。

光ファイバーは、架空シールド線内の伝送線の撚り線導体に含めることができます。これらのケーブルは光接地線( OPGW ) として知られています。伝送線のクロスアームに取り付けられたスタンドアロン ケーブル、全誘電体自立型 ( ADSS ) ケーブルが使用されることもあります。

ミネソタ州などの一部の管轄区域では、エネルギー伝送会社が余剰通信帯域幅を販売したり、通信公益事業者として活動したりすることを禁止しています。規制構造が許可する場合、公益事業者は余剰ダークファイバーの容量を通信公益事業者に販売できます。

電力送電は一般的に自然独占であると考えられているが、本質的には発電とは結びついていない。^{[37] [38] [39]}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、送電業務と電力市場は分離されています。送電システム運用者はRed Eléctrica de España (REE) で、卸売電力市場運用者は Operador del Mercado Ibérico de Energía – Polo Español, SA (OMEL) OMEL Holding | Omel Holding です。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「公益事業会社による差別のない送電サービスのオープンアクセスによる卸売競争の促進、公益事業会社と送電事業者による孤立コストの回収」によって促進されました。 ^[40]米国とカナダの一部では、送電会社は発電会社から独立して運営されていますが、米国南部では垂直統合が維持されています。分離した地域では、送電所有者と発電所有者は、RTO内で議決権を持つ市場参加者として相互に交流を続けています。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ます。

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などがある。米国全土で開発中または提案されているプロジェクトには、 ITCホールディングス社が提案したオンタリオ州とPJM相互接続地域の負荷供給事業体を結ぶ海底送電線であるエリー湖コネクターなどがある。^[41]

オーストラリアには、タスマニアとビクトリアを結ぶバスリンクという非規制または市場連系線が1つある。もともと市場連系線として導入された2つの直流リンク、ダイレクトリンクとマレーリンクは、規制連系線に変更された。^[42]

マーチャント送電の普及を妨げる大きな障害は、施設から誰が利益を得るのかを特定し、受益者が料金を支払うことが難しいことである。また、代替送電線が独占的かつ規制された料金基盤を持つ公益企業によって補助されている場合、マーチャント送電線が競争することは困難である。^[43]米国では、 2010年に発行されたFERCの命令1000により、公共政策上の必要性が認められる場合に、第三者による投資とマーチャント送電線の構築に対する障壁を減らすことが試みられた。^[44]

高圧送電のコストは、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1kWhあたり約0.2ペンスであるのに対し、国内供給価格は1kWhあたり約10ペンスである。^[45]

2011年の電力送配電設備市場における設備投資額は1,289億ドルと推定された。^[46]

主流の科学的証拠は、家庭用電流や高出力送電線に関連する低出力、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さないことを示唆しています。

いくつかの研究では、送電線の近くに住むこととがんなどの病気や疾患の発症との間に関連性は見つからなかった。1997年の研究では、送電線の近くに住むことでがんや疾患のリスクが増加することはなかったと報告されている。 ^[47]しかし、他の研究では、さまざまな疾患と送電線の近くでの生活や仕事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対する健康への悪影響は実証されていない。^[48]

ニューヨーク州公益事業委員会は、電界が健康に及ぼす潜在的な影響を評価するための調査^[49]を実施した。この調査では、765 kV 送電線の既存の敷地の端で電界強度を測定した。電界強度は 1.6 kV/m で、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った。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 に制限された。1990 年 9 月 11 日、同様の磁界強度調査の後、ニューヨーク州公益事業委員会は磁界に関する暫定政策声明を発表した。この政策では、冬季の通常の導体定格を使用して、敷地の端で 200 mG の磁界基準を確立した。日用品と比較すると、ヘアドライヤーや電気毛布は 100 mG ～ 500 mG の磁界を発生する。^{[50] [51]}

新しい送電線の申請には通常、権利地の端における電界と磁界のレベルの分析が含まれます。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ません。

100 μT (1  G ) (1,000 mG)を超える高レベルの磁場への 急性曝露による生物学的影響は確立されている。住宅地では、ある研究で「ヒトに対する発がん性の証拠は限定的であり、実験動物に対する発がん性の証拠は不十分」と報告されている。特に、0.3 μT (3 mG) から 0.4 μT (4 mG) を超える住宅地電力周波数磁場への平均曝露と関連した小児白血病が報告されている。これらのレベルは、ヨーロッパで約 0.07 μT (0.7 mG)、北米で 0.11 μT (1.1 mG) である住宅地電力周波数磁場の平均レベルを超えている。^{[52] [53]}

地球の自然磁場の強さは、地球表面上で0.035mTから0.07mT（35μT～70μTまたは350mG～700mG）の間で変動しますが、一般の人々に対する連続曝露の国際基準は40mT（400,000mGまたは400G）に設定されています。^[52]

送電線の敷地では樹木成長調整剤や除草剤が使用されることがあり^{[54] 、}健康に影響を与える可能性がある。

電気機関車や電車が低周波の交流電力で走行する国では_、鉄道会社が 別個の単相牽引電力網を運用しています。代表的な例としては、16 ^{2/3 Hz に基づく交流技術を利用するオーストリア、ドイツ、スイスなどの国が挙げられます。ノルウェーとスウェーデンもこの周波数を使用していますが、 50 Hz}_{の公共供給からの変換を使用しています。スウェーデンには 16} 2/3 Hzの牽引電力網 があります  が、これはシステムの一部のみです。

高温超伝導体（HTS）は、ロスのない送電を実現することで電力供給に革命を起こすと期待されています。液体窒素の沸点よりも高い遷移温度を持つ超伝導体が開発されたことで、少なくとも高負荷用途では超伝導電力線の概念が商業的に実現可能になりました。^{[55]この方法を使用すると、抵抗損失の排除によって節約される電力の約半分を必要な冷却装置が消費するため、廃棄物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。^[56]

超伝導ケーブルは、ケーブル敷設のための地役権の購入に費用がかかる大都市のビジネス地区などの高負荷密度地域に特に適しています。 ^[57]

単線アースリターン (SWER) または単線アースリターンは、遠隔地に低コストで単相電力を供給するための単線伝送線です。主に農村部の電化に使用されますが、水ポンプなどのより大きな独立した負荷にも使用されます。単線アースリターンは、海底電力ケーブル上の HVDC にも使用されます。

ニコラ・テスラと八木秀次両氏は、1800年代後半から1900年代初頭にかけて、大規模な無線電力伝送システムの考案を試みましたが、商業的には成功しませんでした。

2009 年 11 月、LaserMotive は地上のレーザー送信機を使用してケーブル クライマーに垂直に 1 km の電力を供給し、NASA 2009 Power Beaming Challenge で優勝しました。このシステムは、受信端で最大 1 kW の電力を生成しました。2010 年 8 月、NASA は民間企業と契約し、低軌道衛星に電力を供給し、レーザー電力ビームを使用してロケットを打ち上げるためのレーザー電力ビーム システムの設計を進めました。

太陽光発電衛星から地球への電力伝送には、無線電力伝送が研究されてきました。マイクロ波またはレーザー送信機の高出力アレイがレクテナに電力を伝送します。太陽光発電衛星プロジェクトには、大きな技術的および経済的課題がつきものです。

アメリカ連邦政府は、アメリカの電力網はサイバー戦争の影響を受けやすいと述べた。^{[63] [64]}米国国土安全保障省は産業界と協力して脆弱性を特定し、産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。^[65]

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があると認めた。^[66] ニューヨーク・タイムズ紙は、米国サイバーコマンドのアメリカ人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。 ^[67]

• 最高容量システム: 12 GW Zhundong-Wannan (標準东-皖南)±1100 kV HVDC。^{[68] [69]}
• 最高送電電圧（AC）：
  • 計画中：ワルダ-アウランガバード線（インド）に1.20MV（超高電圧）、当初は400kVで運用する予定。^[70]
  • 全世界：エキバストゥズ-コクシェタウ線（カザフスタン）の1.15 MV（超高電圧）
• 世界最大の2回線送電線、北いわき送電線（日本）。
• 最も高い塔：揚子江橋（中国）（高さ：345メートルまたは1,132フィート）
• 最長の送電線：インガ・シャバ（コンゴ民主共和国）（長さ：1,700キロメートルまたは1,056マイル）
• 送電線の最長スパン:アメラリック・スパン(グリーンランド、デンマーク)の 5,376 メートル (17,638 フィート)
• 最長の海底ケーブル:
  • 北海リンク（ノルウェー/イギリス） – （海底ケーブルの長さ：720キロメートルまたは447マイル）
  • NorNed、北海（ノルウェー/オランダ） – （海底ケーブルの長さ：580キロメートルまたは360マイル）
  • バスリンク、バス海峡（オーストラリア） – （海底ケーブルの長さ：290キロメートルまたは180マイル、全長：370.1キロメートルまたは230マイル）
  • バルチックケーブル、バルト海（ドイツ/スウェーデン） – （海底ケーブルの長さ：238キロメートルまたは148マイル、HVDCの長さ：250キロメートルまたは155マイル、全長：262キロメートルまたは163マイル）
• 最長の地下ケーブル:
  • マレーリンク、リバーランド/サンレイシア（オーストラリア） – （地下ケーブルの長さ：170キロメートルまたは106マイル）

• Grigsby, LL, et al. The Electric Power Engineering Handbook . US: CRC Press. (2001). ISBN 0-8493-8578-4 
• ヒューズ、トーマス・P.、ネットワーク・オブ・パワー：西洋社会の電化1880-1930、ジョンズ・ホプキンス大学出版、ボルチモア、1983年、ISBN 0-8018-2873-2、商業電力の最初の50年間の発展の優れた概要 
• ライリー、ヘレン（2008年）。『国をつなぐ - ニュージーランドのナショナルグリッド1886-2007』ウェリントン：スティール・ロバーツ。376ページ。ISBN 978-1-877448-40-9。
• Pansini、Anthony J、EE、PE の電線の地中化。米国: Hayden Book Co、1978。ISBN 0-8104-0827-9 
• ウェスティングハウス・エレクトリック・コーポレーション、「電力伝送特許；テスラ多相システム」。（電力伝送；多相システム；テスラ特許）