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送電の学習帳

2022年5月28日

架空送電線路

送電線路の構成部品

電線

電線には鋼心アルミより線(ACSR:Alminum Conductor Steel Reinforced)が多く用いられる。鋼心アルミより線は、アルミ線を使用することで質量を小さくし、これによる強度の不足を、鋼心を用いることで補ったもの。

多導体・スペーサ

送電線において、1相に複数の電線をスペーサを用いて適度な間隔に配置したものを多導体と呼び、主に超高圧以上の送電線に用いる。多導体を用いることで、電線表面の電位の傾きが小さくなるので、コロナ開始電圧が高くなり、送電線のコロナ損失、雑音障害を抑制することができる。多導体は合計断面積が等しい単導体と比較すると、表皮効果が小さい。また、送電線のインダクタンスが減少するため、送電容量が増加し系統安定度の向上につながる。

スペーサは負荷電流による電磁吸引力や強風などによる電線相互の接近・衝突を防止したり、サブスパン振動対策として用いられる。

がいし

がいしは、電線を鉄塔などの支持物から絶縁して保持する装置。

送電用としては、笠状の懸垂がいしと、棒状の長幹がいしがあるが、高電圧送電線では懸垂がいしが広く用いられ、所要の絶縁レベルに応じた個数だけ連結して用いられる。

風雨などによって、がいし表面に塩分等の導電性物質が付着した場合、がいしの絶縁が低下して漏れ電流の発生により、可聴雑音や電波障害が発生する場合があり、最悪の場合フラッシオーバが生じ、送電線故障を引き起こすことがある。

がいしの塩害対策として、塩害の少ない送電ルートの選定、がいしの絶縁強化、がいしの洗浄、がいし表面へのはっ水性物質の塗布の採用が挙げられる。

 懸垂がいしにおいて、絶縁強化を図るには、がいしを直列に連結する個数を増やす方法や、がいしの表面漏れ距離を長くする方法が用いられる。
また、懸垂がいしと異なり、棒状磁器の両端に連結用金具を取り付けた形状の長幹がいしは、雨洗効果が高く、塩害に対し絶縁性が高い。
 表面漏れ距離の長い耐霧がいしや耐塩がいしも用いられる。

架空送電線路の耐汚損設計において、がいしの連結個数を決定する場合には、送電線路が通過する地域の汚損区分と電圧階級を加味する必要がある。

アークホーン

架空地線に直撃雷があった場合、鉄塔の電位が上昇し、鉄塔から電線への逆フラッシオーバを起こすことがある。この時にアークホーンにフラッシオーバを誘導することで、がいしの絶縁破壊を防ぐことができる。

アーマロッド

電線が振動すると、支持点のクランプ取付け部付近で繰り返し応力を受けて素線切れを起こし、断線が発生する。これを防止するためにクランプ部にアーマロッドを巻きつけ、クランプ部の補強を行う。

ダンパ

電線が振動するのを防止するため、ダンパ(重り)を取り付けて振動エネルギーを吸収させる。

スパイラルロッド

低騒音化や難着雪化のため、電線にらせん状のワイヤー(スパイラルロッド)を巻きつける。

架空地線

送電線への雷の直撃(直撃雷)を避けるために設置される裸電線を架空地線という。

架空地線は雷害に対し静電遮へい効果によって、誘電雷を防止させ、直撃雷防止の効果を得る。また、電線との電磁的結合によって電線上の進行波を減衰させ、通信線に対する電磁誘導障害をすくなくする効果もある。

架空地線の導電率が高いほど、遮へい角が小さいほど、塔脚の接地抵抗が低いほど、遮へい率が大きくなる。

塔脚接地抵抗が高いときは埋設地線(カウンターポイズ)を施設する。これは地表面下数十cmのところに金属裸線数本を地表面に沿って数十mにわたり放射状などに広げて埋設し、塔脚に接続するもの。

架空地線にはその内部に光ファイバケーブルを実装したもの(光ファイバ複合架空地線)もあり、各種情報伝送システムに利用されている。

避雷器

発電所や変電所などの架空電線の引込口や引出口には避雷器が設置される。

避雷器は、過電圧サージに伴う電流のみを大地に放電させ、過電圧を抑制して、電気施設の絶縁を保護し、かつ、(サージ電流に続いて交流電流が大地に放電する)続流を短時間のうちに遮断して、系統の正常な状態を乱すことなく、現状に復帰する機能をもつ装置。

避雷器は電力系統を地絡状態に陥れることなく過電圧の波高値をある抑制された電圧値に低減することができる。この抑制された電圧を避雷器の制限電圧という。

避雷器には、非直線抵抗特性をもつ炭化けい素(SiC)素子や酸化亜鉛(ZnO)素子などが用いられるが、性能面で勝る酸化亜鉛素子を用いた酸化亜鉛形避雷器が、広く用いられている。

一般に発変電所用避雷器で処理の対象となる過電圧サージは、雷過電圧と開閉過電圧である。避雷器で保護される機器の絶縁は、当該避雷器の制限電圧に耐えればよいこととなり、機器の絶縁強度設計のほか発変電所構内の機器配置なども経済的、合理的に決定することができる。このような考え方を絶縁協調という。

送電線のねん架

架空送電線におけるねん架とは、送電線各相の作用インダクタンスと作用静電容量を平衡させるために行われるもので、ジャンパ線を用いて電線の配置を入れ替える。

電線振動

電線振動の原因と対策

微風振動

穏やかで一様な風(毎秒数m程度)が電線に直角に当たると、電線の風下側に空気のうず(カルマン渦)を生じ、これにより電線に揚力が生じ、上下振動が発生する。これを微風振動という。

電線の直径が大きい割に重量が小さいほど、電線の張力が大きいほど発生しやすい。

微風振動が続くと、電線は支持点のクランプ取付け部付近で繰り返し応力を受けて素線切れを起こし、断線が発生する。

対策として、振動を防止するためダンパを取り付けて振動エネルギーを吸収させることが効果的。この振動によって電線が断線しないようにクランプ部にアーマロッドを巻きつける。

サブスパン振動

サブスパンとは、複導体や多導体の1相内のスペーサとスペーサの間隔のことで、サブスパン振動とは、これら導体の固有振動数が共振して発生するもの。風速が数~20m/sで発生し、10m/sを超えると振動が激しくなる。

サブスパン振動対策としては、スペーサの位置等を工夫することが効果的である。

ギャロッピング

着氷雪などによって、電線の断面が円形でなくなった電線に水平風が当たると、電線に揚力が働き複雑な振動が生じる。これを、電線のギャロッピング現象という。単導体より多導体、また太い電線に発生しやすい。相間短絡などの事故をおこすことがある。

対策として、ダンパを取り付ける、相間スペーサを取り付ける方法などがある。難着雪のためスパイラルロッドを巻きつけるなど。

スリートジャンプ

氷雪付着による電線のたるみ増加や、氷雪脱落時の電線の跳ね上がり(スリートジャンプ)による混触や短絡を起こすことがある。

対策としては、電線の弾性のちいさいものを用いる、張力を大きくとる、支持物が長径間になることを避けるなどがある。場合によっては電線配置を水平方向へずらしオフセットを増すこともある。難着雪のためスパイラルロッドを巻きつけるなど。

異常電圧

送配電系統の運転中には、様々な原因で、公称電圧ごとに定められている最高電圧を超える異常電圧が現れる。このような異常電圧は過電圧と呼ばれる。過電圧の波形的特徴から、外部過電圧(雷)や開閉過電圧はサージ性過電圧と呼ばれ、一線地絡やフェランチ効果に伴う過電圧は短時間交流過電圧と呼ばれる。

外部過電圧

外部過電圧は主に自然雷に起因し、直撃雷、誘導雷、逆フラッシオーバに伴う過電圧などがある。このうち一般の配電線路で発生頻度が最も多いのは誘導雷に伴う過電圧である。外部過電圧は架空地線や避雷器といった避雷装置を用いて対策を行っている。

直撃雷

電線路に直接落雷すること。

誘導雷

直撃でなくても電線路の近くに落雷すれば、電磁誘導や静電誘導で雷サージが発生することがある。これを誘導雷と呼ぶ。

再閉路

架空送電線は特に距離が長く、事故発生件数も多い。架空送電線の事故の多くは落雷による気中フラッシオーバに起因するため、事故区間を高速に遮断し、フラッシオーバを消滅させれば、絶縁は回復し、架空送電線は通電可能な状態となる。このため、事故区間の遮断の後、一定時間(長くて1分程度)を経て、遮断器を投入する。これを再閉路という

 

内部過電圧

内部過電圧の代表的なものとしては、遮断器や断路器の動作に伴って発生する開閉過電圧や、一線地絡時の健全相に現れる過電圧、さらにはフェランチ現象による過電圧などがある。

開閉過電圧

開閉過電圧は、遮断器や断路器などの開閉操作によって生じる過電圧である。

フェランチ効果

長距離線路や電力ケーブルなどの対地静電容量が比較的大きな線路で送電する場合、受電端が開放、又は深夜の軽負荷時などに負荷電流が小さくなると、送電端の電圧より受電端の電圧が大きなる。この現象を、発見者の名をとってフェランチ効果という。この現象は、送電線のこう長が長いほど著しくなる。

この現象は、送電線のリアクタンスに進み電流が流れるため発生するので、受電端に電力用リアクトルなどを接続し、線路に流れる電流を遅らせることにより抑制できる。

フェランチ効果による進み電流は、発電機の増磁作用による自己励磁現象を引き起こし、発電機の端子電圧を危険な電圧まで上昇させてしまうなどの弊害がある。

誘導障害とコロナ

誘導障害

架空送電線路と通信線路とが長距離にわたって近接交差していると、通信線路に対して電圧が誘導され、通信設備やその取扱者に危害を及ぼすなどの障害が生じる場合がある。この障害を誘導障害といい、次の2種類がある。

  1. 架空送電線路の電圧によって、架空送電線路と通信線路間のキャパシタンスを介して通信線路に誘導電圧を発生させる静電誘導障害
  2. 架空送電線路の電流によって、架空送電線路と通信線路間の相互インダクタンスを介して通信線路に誘導電圧を発生させる電磁誘導障害

架空送電線路が十分にねん架されていれば、通常は、架空送電線路の電圧や電流によって通信線路に現れる誘導電圧はほぼ0Vとなる。

電磁誘導障害

電力線に流れる電流により、磁束が生じ、これにより通信線などに商用周波数の誘導電圧が生じる。電力線と通信線との相互インダクタンスM[H/m]によって生じる誘導障害を電磁誘導障害という。

地絡事故などにより生じる零相電流で生じるものを異常時電磁誘導電圧、電力線に流れる高調波電流により生じるものを誘導雑音電圧という。

例えば、一線地絡事故に伴う電磁誘導障害の場合、電源周波数をf[Hz]、地絡電流の大きさをI[A]、単位長さ当たりの架空送電線路と通信線路間の相互インダクタンスをM[H/m]、架空送電線路と通信線路との並行区間長をL[m]としたときに、通信線路に生じる異常時電磁誘導電圧の大きさは2πfMLI[V]で与えられる。

電磁誘導軽減対策としては下記などがある。

  1. 遮へい通信ケーブルを使用する
  2. 通信ケーブルの地中化
  3. 通信用アレスタの適用
  4. 架空地線の低抵抗化による遮へい効果の向上
  5. 故障時間を短縮化することによる誘導障害影響の低減
  6. 中性点の接地抵抗を大きくして、地絡電流値を適切な値に抑制する

静電誘導障害

送電線の近傍に導体があると、送電線と導体間の静電結合により、導体には静電誘導電圧が生じる。電力線と導体間の静電容量によって生じる誘導障害を静電誘導障害という。

静電誘導軽減対策としては、送電線下の電界強度を下げるため以下がある。(送電線下の地上1mの電界強度は30V/cmと定められている)

  1. 鉄塔を高くして送電線の地上高を高くする
  2. 送電線の下に、接地された遮へい線を張る
  3. 2回線送電ではたがいを逆相配置とする

コロナ

コロナとは部分放電現象であり、送電電圧を高くすると送電線表面の電界強度がある限度を超えると、導体周囲の大気をイオン化させ、音や青色の光を放つ放電である。イオン化された大気には生成された空間電荷が異動を繰り返すことで、磁界及び電界を形成する。これらは、短時間に進展と消滅を繰り返し、流れる電流はパルス的になる。送電線にコロナが発生すると、

  1. コロナ損や電線のオーム損の電力損失を生じる
  2. 送電線に流れるパルス電流により、線路近傍のラジオやテレビに受信障害を与え、これをコロナ雑音と呼ぶ
  3. 放電により可聴音であるコロナ雑音が生じ、特に降雨時に多く発生する

コロナ軽減対策

多導体方式では、同符号の電荷が複数の導体に分散することで、電線周囲の電界強度が単導体よりも低くなり、単導体と同一断面積とすると、電線の実効的な直径が大きくなり、コロナ損が減少する。電界強度が低くなることから、コロナ開始電圧が高くとれるほか、送電容量が大きくできるなどの理由によりコロナ対策として多導体方式が採用される。

線間距離を大きくするなどの対策もとられている。コロナ放電は、雨の日や、気圧が低くなるほど起こりやすい。

中性点接地方式

電線の1線地絡時、健全相に現れる過電圧の大きさは、地絡場所や系統の中性点接地方式に依存する。直接接地方式の場合、非接地方式と比較すると健全相の電圧上昇倍率が低く、地絡電流は大きくなる。

電力系統に1線地絡故障のような不平衡故障が起こると変圧器や回転機の三相巻線のY結線の中性点接地を経由して大地を帰路とする地絡電流が流れる。中性点と大地との接地インピーダンスを小さくすると、地絡電流を検出する保護リレーの動作が確実となり、健全相の電位上昇を抑えることができて、機器の絶縁レベルを軽減できる。その反面、近辺での通信線路に発生する電磁誘導電圧が大きくなる。

一方で、接地インピーダンスを大きくすると、1線地絡故障の場合には、健全相の対地電圧は相電圧の\( \displaystyle \sqrt3\)倍まで上昇するとともに、長距離線路では対地静電容量が大きいために間欠アーク地絡が発生して機器の絶縁を脅かす過渡的異常電圧が生じることがある。

過去問題:
電験2種過去問【2021年電力 問4】(中性点接地方式の特徴)

電線のたるみと実長の計算

電線のたるみD[m]と実長L[m]は次式で求められる。ここで、電線の径間S[m]、電線の水平張力T[N]、電線1mあたりの自重W[N/m]。

\(\displaystyle D=\frac{WS^2}{8T}\)

\(\displaystyle L=S+\frac{8D^2}{3S}\)

電線の実長L[m]のとき、温度変化による電線長L’[m]は、1[℃]あたりの線膨張係数をα、温度差をt[℃]とすると

\(\displaystyle L’=L(1+αt)\)

電柱支線にかかる張力

電線の電柱を支える支線にかかる張力は、電線の張力のベクトル和を支えるものとなる。

地中送電線路

配電の学習帳を参照

送電電圧と送電電力

 三相3線式送電線路で、高い電圧が採用される理由を考察する。送電線は単導体一回線とし、送電線端線間電圧をV、線路電流をI、送電端力率をcosφ、送電端送電電力をP、Pに対する線路の電力損失の割合である送電損失率をλ、送電距離をL、電線1条の抵抗と断面積をRとA、全電線合計の質量をG、その質量密度をσ、その体積抵抗率をρとする。また、線路は抵抗とリアクタンスのみで表現され、三相が平衡しており、表皮効果を無視すると次式が成立する。なお、単位系はすべてSI単位系で表示されているものとする。
\(P=\sqrt3VI\cos\varphi\) …①
\(\displaystyle\lambda=\frac{3RI^2}{P}\)  …②
 \(\displaystyle R=\frac{\rho L}{A}\) …③
 \(G=3\sigma AL\) …④
式①と④より、
\(\displaystyle\frac{P}{G}=\frac{VI\cos\varphi}{\sqrt3\sigma AL}\) …⑤
であるから、式⑤を二乗し、式②、③を代入すると、
\(\displaystyle\frac{P^2}{G^2}=\frac{V^2\lambda P\cos^2\varphi}{9\sigma^2\rho AL^3}\) …⑥
さらに、式⑥に式④を代入すると、式⑦が得られる。
\(\displaystyle P=V^2G\lambda\frac{\cos^2\varphi}{3\sigma\rho L^2}\) …⑦
よって、距離、質量及び電力損失率が同じ送電線を利用すると、送電電力は線間電圧の二乗に比例することになる。

送電線保護リレー

 回線選択リレー方式は、平行2回線送電線路の保護リレー方式として、66~77kV級送電線路を主体に広く採用されている。この方式は、保護対象区間の範囲内の1回線事故の場合に、電源端では事故回線に流れる事故電流が健全回線に流れる事故電流と比べて大きくなること、及び、非電源端では両回線で事故電流の方向が反対になることを利用して事故回線を検出する。
 送電線の短絡保護にこの保護リレー方式を適用した、両端が電源端である図の平行2回線送電線路において、A端からの距離の比率がαの地点(A端とB端の間の保護範囲内に限る。)で短絡事故が発生し、A端、B端から短絡電流\(I_{A},I_{B}\)が流入した場合を想定する。また、A端における各送電線の電流\(I_{A1},I_{A2}\)に対する変流器の2次電流を\(i_{A1},i_{A2}\)とすると、A端のリレーに流れる電流\(i_{AR}\)は\(i_{AR}=i_{A1}-i_{A2}\)と表されるものとする。ここで、同じ変流比で\(I_{A},I_{B}\)を変換したものを\(i_{A},i_{B}\)と表すとき、A端のリレーに流れる電流\(i_{AR}\)は\(i_{A},i_{B}\)を用いて\((1-a)\times(i_A+i_B)\)と表される。事故点がA端近傍、B端近傍、及び中間付近の場合で\(i_{AR}\)を比較すると、B端近傍の場合に\(i_{AR}\)が最も小さくなり、これがある一定値を下回るとA端のリレーは動作しない

電圧安定性

電圧安定性

電圧安定性を表す特性として、負荷に供給する有効電力\(P_r\)と負荷端の電圧Vの関係を表したP-V曲線が一般に用いられ、その形からノーズカーブともいわれる。

B点より上の領域(高め解側)と下の領域(低め解側)で、受電端電圧の特性が変化するため、B点を臨界点と呼ぶ。
高め解側では負荷を増加させるに従って、受電端電圧が低下する。一方で、低め解側では負荷を増加させるに従って、受電端電圧が上昇する。

系統から見た負荷\(P_L\)の電圧特性としては、次式のように電圧の指数関数で表される。
\(P_L∝V^n\)
n=0は定電力負荷といい、電圧の変化に関係なく一定の電力を消費する。誘導電動機、同期電動機などのモータ負荷やインバータエアコンなどがある。
n=1は定電流負荷といい、負荷電力が電圧に比例する。
n=2は定インピーダンス負荷といい、負荷電力が電圧の二乗に比例する。電灯、電熱器などがある。

 負荷が定電力特性である場合、負荷端電圧Vが低下するにしたがって、負荷電流が増加するため、系統に流れる電流との関係が不安定となる場合がある。したがって、高め解側のA点は安定な運転点、低め解側のC点は不安定な運転点となる。
ただし、定インピーダンス負荷、定電流負荷では低め解側でも安定であるので、電圧安定性は、負荷全体に対する定電力負荷の割合が大きい場合に厳しくなる。

調相用コンデンサを負荷端に投入することで、P-V曲線の臨界点を右上方向に移動させることができるが、臨界点の電圧と運転点の電圧が近づいていくことや、電圧変動が大きくなることなどに注意が必要である。

過去問題

過去問題:
電験3種過去問【2019年電力 問10】(コロナ損)
電験3種過去問【2016年電力 問8】(誘導障害)
電験3種過去問【2014年電力 問9】(送電線路のコロナ放電)
電験3種過去問【2012年電力 問12】(フェランチ効果)
電験3種過去問【2011年電力 問6】(送電線路の誘導障害)