電力送電：発電所から消費者へ—効率的な送電システム

電力送電

電力送電は、発電所で生産された電力を大量に長距離輸送し、最終的に消費者が使用できるようにするプロセスです。電力は送電線によって発電所から最終消費者へ送られます。送電線が相互接続されると送電網となります。

この送電網に発電所と変電所を加えたものを「送電グリッド」または単に「グリッド」と呼びます。典型的な送電グリッドを図1に示します。国家レベルで相互接続された送電網を「ナショナルグリッド」と呼びます。エネルギーは通常、グリッド内で三相交流（AC）で送電されます。大量の電力が関与し、電気の特性のため、長距離送電は通常高電圧（33kV以上）で行われます。電力は通常、消費地点近くの変電所（人口密集地または工業団地）まで輸送されます。変電所では高電圧電力を消費者利用に適した低電圧に変換し、低電圧配電線を通じてエンドユーザーへ輸送されます。

図1 典型的な送電グリッド

送電効率と送電損失

高電圧で送電すると、導体抵抗によるエネルギー損失の割合が減少します。これは特定導体、流れる電流、送電線長に依存します。与えられた電力量に対して、より高い電圧は電流を減らし、導体の抵抗損失を低減します。送電効率は、昇圧変圧器で送電電圧を上げることで改善され、これにより導体電流を減らしながら送電電力を入力電力とほぼ同等に保ちます。導体を流れる電流減少は導体損失を減らし、オームの法則によれば損失は電流の二乗に比例するため、電流を半分にすると送電損失は4分の1になります。電流減少はI²R（電流Iの二乗×導体抵抗R）損失を減らし、電気導体ケーブルの断面積縮小により設備投資減、電流減少は電圧調整改善をもたらし、電圧調整改善は電力品質を示します。これら3つの理由により、電力は主に高電圧レベルで送電されます。

したがって、電力を長距離効率的に輸送するには高電圧が必要です。この電圧は33kV、66kV、110kV、132kV、220kV、400kV、またはそれ以上となり得ます。発電所の発電機電圧は通常11kV〜25kVの範囲です。発電電力はまず発電機から発電所内の変圧器へ輸送され、変圧器でグリッド電圧まで昇圧されます。発電機はグリッドと同期され、発電電力が消費者側へ送電されます。消費地点側では送電線が変電所に接続され、変電所変圧器で高電圧から低電圧レベルへ変換。変電所から低電圧電力が配電線を通じて電力消費者へ配電されます。

電力送電グリッドの主要構成要素

変電所

変電所は高電圧から低電圧へ、またはその逆、またはその他いくつかの重要な機能を実行します。変電所はサイズと構成が様々です。発電所と消費地点の間で、電力は異なる電圧レベルの複数の変電所を通過することがあります。

送電変電所は2本以上の送電線を接続します。最も単純なケースはすべての送電線が同電圧の場合で、この場合変電所には故障除去やメンテナンスのために線路を接続・遮断する高圧開閉器が含まれます。送電変電所には通常、2つの送電電圧間変換用変圧器、電圧制御、力率改善装置（コンデンサ、リアクトル、静止型無効電力補償装置）、隣接電力系統間の潮流制御用位相調整変圧器などの設備があります。

送電変電所はシンプルから複雑まで幅広いです。小規模「開閉所」は通常、母線といくつかの遮断器で構成。大規模送電変電所は通常、広大な敷地（数ヘクタール）に、複数電圧レベル、多数の遮断器、大量の保護・制御装置（電圧・電流変成器、リレー、SCADAシステム）を備えます。現代の変電所はIEC 61850などの国際規格に準拠して設置されます。

変電所はサイズと構成が様々ですが、数エーカーをカバーし、植生を除去して通常砂利で表面処理されます。通常フェンスで囲まれ、永久アクセス道路で到達可能。一般的に変電所は多様な構造物、導体、フェンス、照明、その他の特徴を備え、「工業的」外観となります。

送電塔

送電塔は送電システムで最も目立つ構成要素です。高圧交流・直流システムで使用されます。送電塔は通常、高い鉄塔構造です。その機能は、高圧導体（電力線）を周囲環境から、および相互から分離して保持することです。一般的に開放格子構造または単柱を採用する、様々な形状、サイズ、設計が存在しますが、一般的に非常に高く、高さ15〜55m、横腕幅最大30m。鉄鋼のほか、コンクリート、木材なども使用されます。

送電塔には4つの主要カテゴリがあります。懸垂、耐張、張力、転位。一部の送電塔はこれらの基本機能を組み合わせています。

塔は3本（または3の倍数）の導体を支持するように設計されなければなりません。塔は通常、鋼格子またはトラスで作られます。絶縁子はガラスまたは磁器製ディスクをストリング組み立てしたもの、またはライン電圧と環境条件に依存する長さの長尺ロッドです。

通常、1本または2本の地線（ガードワイヤとも呼ばれる）を頂部に配置し、落雷を捕捉して無害に地面へ逃がします。高圧・超高圧用塔は通常、2回路以上の電気回路を支持するように設計されます。

送電線

電力は長距離送電時のエネルギー損失を減らすため、高電圧（110kV以上）で送電されます。電力は通常、架空送電線で送電されます。地下送電はコストが大幅に高く、運用制約も大きいですが、都市部や敏感な場所では採用されることがあります。

送電線は通常、高圧三相交流を使用。高圧直流（HVDC）技術は、非常に長距離（通常数百キロメートル）でより高い効率のために使用されます。HVDC連系は、大規模配電網での制御問題に対する安定化にも用いられ、ネットワークの一部分での突発的新規負荷や停電が、そうでなければ同期問題やカスケード故障を引き起こす可能性があります。

一般的に、各電気回路ごとに複数の導体が送電塔に張られます。導体は主に撚り線で構成。高圧架空導体は絶縁被覆されていません。導体材料は通常、アルミニウム導体鋼芯線（ACSR）で、特定タイプの大容量・高強度撚線導体です。外側素線は、ECグレードの純度99.5%以上の電解アルミニウムロッドから製造された硬質引き抜きアルミニウム線で、銅含有量0.04%以下。高純度アルミニウム合金は優れた導電性、軽量、低コストで選ばれます。中心素線は鋼で、アルミニウムの延性による伸びを防いで重量を支える強度を提供。これにより導体は全体として高い引張強度を持ちます。銅は以前架空送電に使用されましたが、アルミニウムは軽量で性能低下は僅少、コストは大幅に安価です。

用地権利とアクセス道路

送電回廊の用地権利（ROW）には、送電線と関連設備のために確保された土地、メンテナンス促進、火災やその他事故リスク回避のために必要な土地が含まれます。高圧線と周囲構造物・植生の間に安全マージンを提供。安全性やアクセス理由で植生伐採が必要な場合があります。ROWは一般的に在来植生や、成長パターンが好ましい植物（成長遅く、成熟高さ低い）で構成。しかし場合によっては、アクセス道路がROWの一部を構成し、修理・点検車両のより便利なアクセスを提供。ROW幅は送電線電圧格付けに依存して変化。送電線構造物へのアクセス道路は、ライン建設とメンテナンスの両方で通常必要で、舗装または砂利道となります。