電力送電網 – 超高圧および高圧架空線

フィールド: 電源スイッチ

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電力送電網と架空送電線

電力システムにおいて、超高圧（EHV、電圧が $V≥150$ kV）および高圧（HV、 $60$ kV ≤ $V <150$ kV）は一般的にエネルギー送電に使用されます。これらの高電圧レベルを使用することで、送電線を通る電流を減少させることができます。ジュールの法則によれば、W=RI²t=UIt、ここで $W$ は熱として放出されるエネルギー、 $R$ は導体の抵抗、 $I$ は電流、 $t$ は時間、 $U$ は電圧を表します。電流を減らすことで、導体の断面積を小さくし、ジュール効果による電力損失を最小限に抑えることが可能になります。

送電網は通常、発電所や変電所から始まります。多くの地域では架空送電線が主な構成要素ですが、都市部ではスペースの制約や美観上の考慮から、地下絶縁ケーブルがしばしば必要となります。

EHVおよびHVの架空送電線は主に以下の主要な要素で構成されています：

金属製鉄塔：これらは全体の架空送電線システムの構造的な支持を提供し、導体が適切な高さと間隔で保持されるようにします。
絶縁子：これらは導体から金属製鉄塔への電流の流れを防ぎ、電気的な絶縁と安全性を維持します。
導体：電流を伝導する役割を担います。架空送電線で一般的に使用される導体には、アルミニウム鋼芯線（ACSR）があり、これはEN 50189、50889、61232、および50182などのヨーロッパ規格に準拠しています。また、アルミニウム合金導体、例えばAL2、AL3、AL4、AL5と指定される全アルミニウム合金導体ケーブル（AAAC）も、EN 50182および50183で規定されています。
コロナリング：これらはドーナツ形状の装置です。
接地接続：これらは安全な電荷の放電を確保し、故障時の接地パスを提供します。

電力送電設備は、コロナ放電の形成を最小限に抑えることを目的として設計されています。コロナリングはこの点で重要な役割を果たします。電界を広い面積に分散させることで、コロナ閾値未満の電界勾配を低下させ、効果的にコロナ放電を抑制します。これにより、コロナに関連する電力損失だけでなく、聴覚的なノイズや電磁干渉も減少し、送電システム全体の効率と信頼性に貢献します。

架空送電線に対する落雷保護とOPGWケーブルの役割

架空送電線にとって最も重大な脅威の一つは落雷です。これらの送電線はその全長にわたって落雷のリスクにさらされており、変電所での避雷器による保護だけでは不十分です。追加の保護措置が必要であり、送電システムの信頼性と安全性を確保します。

この問題に対処するために、「落雷空中保護線」が架空送電線の全ルートに設置されています。これらの中でも、光ファイバーグラウンドワイヤー（OPGW）ケーブルがその二重の機能性から広く利用されています。OPGWケーブルはチューブ状の構造を持ち、その中心には1つ以上の単モード光ファイバーが配置されています。この中央の光ファイバーアセンブリは、複数層の鋼線とアルミニウム線で囲まれています。

OPGWケーブルの導電性外層は、電気保護において重要な役割を果たします。これらは隣接する送電塔を接地に接続し、落雷電流に対して低抵抗のパスを作ります。これにより、主送電線への直接的な落雷を効果的に防ぎ、送電線の損傷リスクを低減します。

同時に、OPGWケーブル内の光ファイバーは、通信における重要な利点を提供します。これらのファイバーは高速データ伝送に使用され、電力事業セクター内のさまざまなニーズを満たします。内部アプリケーションとしては、送電線の保護と制御に使用され、リアルタイムの監視と潜在的な問題への迅速な対応を可能にします。さらに、音声とデータ通信の要件にも対応し、電力網の異なる部分間でのシームレスな調整を促進します。

光ファイバー自体は優れた絶縁特性を持っており、電力送電線からの電気誘導や落雷からの保護を提供します。また、外部ノイズやクロストークに対して高い耐性を持ち、伝送データの整合性を確保します。さらに、光ファイバーは非常に低い伝送損失を持っているため、信号劣化がほとんどない長距離・高速データ伝送に理想的です。

図2は典型的なOPGWケーブルの一例を示しており、そのユニークな構造と、電気保護と通信能力を組み合わせた方法を強調しています。これにより、現代の架空送電線システムにおいて不可欠な構成要素となっています。

特定の国では、72.5 kVの電圧レベルで動作する古い架空送電線に対して、かつて特別な落雷保護アプローチが採用されていました。歴史的には、変電所に隣接する最初の4または5スパンのみに保護措置が施され、アルミニウム鋼芯線（ACSR）ケーブルがこの目的に使用されました。しかし、このソリューションは現在フェーズアウトされています。光学式パワーグランドワイヤー（OPGW）ケーブルが好ましい選択肢となり、効果的な落雷保護だけでなく、変電所間のデータ通信も可能にする、より包括的で多機能なソリューションを提供します。

絶縁ケーブルは通常、架橋ポリエチレン（XLPE）絶縁を使用しています。これらのケーブルは通常、アルミニウム導体を持ち、単相用途向けに設計されています。XLPE絶縁は優れた電気特性、機械強度、および耐久性を提供し、電力送電に適しています。

超高圧（EHV）および高圧（HV）送電網は、しばしば「リング」構成を採用しています。図3に示すように、この設定はかなりの複雑さを特徴としています。リング構成は、送電の信頼性と柔軟性を向上させ、負荷分散を改善し、ネットワークの保守と運転を容易にします。障害やメンテナンス作業の場合でも、電力を迂回させることができ、電力供給の中断を最小限に抑え、より安定かつ効率的な送電システムを実現します。