電柱や鉄塔の架空電線が緩んでいるのはなぜですか

なぜ電柱や送電塔の架空送電線は緩んでいるのか

今日の急速な技術革新の時代において、人々や物資、サービスの輸送は大幅に容易になっています。地理的な距離はもはや大きな障壁ではなくなりました。これらの具体的なものは長距離を効率的に運搬できるように、電気もまた広範囲に渡って送電される必要があります。しかし、物理的な物と異なり、電気はその旅に媒体が必要です。

あなたが頻繁に見かけるかもしれないのは、電柱や送電塔から吊り下がっている送電線が、しっかりと固定されているのではなく、緩んでいることです。この光景はしばしば、なぜこれらの線がもっときつく固定されないのかという疑問を引き起こします。

この探求では、電柱上の送電線の緩さと配電線および送電線における垂れの必要性について明らかにします。詳細な説明に入る前に、この電気工学現象を理解するのに役立ついくつかの重要なポイントを確認しましょう。

電力送電：原理、損失、構成要素

電力送電の基礎

電力は作業を行う速度を表します。電気の場合、電気エネルギーが距離を移動することで作業が達成されます。したがって、電力は単位時間あたりに供給されるエネルギー量として定義することができます。電力を長距離に渡って輸送するためには、送電線がその転送のための必須の媒体となります。

有効電力は、有用な仕事を行う電力の成分で、通常ワットで測定されます。電力送電に関しては、エネルギーコンサバーションのために高電圧送電が好ましい方法です。これは、導体を流れる電流が熱を発生し、これが非常に有害であるためです。熱により、電線は時間とともに劣化し、早期の摩耗や潜在的な故障につながります。エネルギー損失を最小限に抑え、送電された電力を保持するために、送電線を流れる電流量を減らしつつ電圧を上げることが効果的です。このアプローチは、高電圧電力送電と呼ばれ、送電線での熱による電力損失を効果的に減少させます。

伝導と電力損失

電力送電過程では、電気エネルギーの一部は必ず周囲の環境に失われます。これは主に送電線が完全に絶縁されていないため、熱の放出と電気漏れが生じるからです。オームの法則によれば、導体の抵抗（R）はその長さ（L）に比例します。そのため、送電線の長さが増えると、その抵抗も増加します。さらに、送電線を取り巻く空気は導電性が低く、電流が流れている送電線で生成される熱を効率的に放散できません。

これらの問題を軽減するために、電線は太い直径で設計されています。これは、導体の抵抗（R）が断面積に反比例することに基づいています。導体の直径を増やすことで、その断面積が大きくなり、抵抗が減少します。これにより、送電線での熱生成による電力損失が最小限に抑えられます。

電線とケーブル

電線とケーブルは、電気が通過する導体であり、優れた電気伝導性を持つ銅で主に作られています。しかし、これらの導体は純粋な銅ではありません。強度や耐久性などの機械的特性を向上させるために、銅には他の元素が添加されています。これらの元素の添加は、銅の電気伝導性を損なうものではなく、導体の機械的特性を改善し、設置と運用時の厳しさに耐えつつ、効率的に電気を伝送する能力を維持します。

ジュールの電気加熱法則

実際、金属は全く純粋なものではなく、金属の純度は常に100%未満です。そのため、すべての金属には内部抵抗があります。電流が導体を流れるとき、エネルギーは熱の形で放出されます。この熱生成量は、ジュールの電気加熱法則を使用して計算できます。これは、電気回路における電流、抵抗、熱生成の関係を基本的にはっきりと示すものです。

ジュールの法則の他の形式

ジュールの法則と環境要因が電線に及ぼす影響

ジュールの電気加熱法則によれば、導体を流れる電子によって生成される熱（P）は、抵抗（R）、時間（t）、および電流I^2の2乗に比例します。電流が導体を通過するとき、それは材料内の抵抗を克服しなければなりません。この抵抗は電子の動きに対する障害となり、電流がエネルギーを熱の形で周囲の環境に放出します。

天候と温度が電線に及ぼす影響

導体の抵抗は温度によって大きく影響を受けます。導体の温度が上昇すると、その抵抗も増加します。これは、温度上昇により導体内の電子が追加の運動エネルギーを得て、より不安定かつランダムな動きをするためです。これらのエネルギッシュな電子は頻繁に導体材料の原子と衝突し、その過程で熱を生成します。

導体が生成する過剰な熱は重大な脅威となり、導体が溶け、システムの故障につながる可能性があります。暑い天候条件下では、導体は熱膨張により拡張し、架空線がより緩くなります。逆に、寒い天候条件下では、導体は収縮し、これもその機械的整合性と電気性能に影響を与えます。

電線の張力

張力は、ワイヤーやケーブルが二つの対向する力にさらされるときに生じる力です。電柱や送電塔間に吊り下がっている架空送電線の場合、張力は常に存在します。ワイヤーを過度に締めすぎると、張力は大幅に増加します。この高い張力により、ワイヤーは温度変化や機械的なストレスによる微小な収縮や拡張でも破断しやすくなります。

配電線および送電線における垂れの必要性

送電線の垂れは、ポールやタワーなどの支持構造間のケーブルの目に見える下方曲線またはたわみです。この曲線は、ワイヤーの重さとそれに作用する張力の組み合わせの自然な結果です。

緩んだ架空送電線と垂れの重要性

電力の長距離送電および配電において、熱放出は避けられない結果です。高電圧送電は、導体内での熱生成を最小限に抑える戦略的な措置として採用されます。電気工学の原則によれば、電流を減らすこと（電圧を上げること）により、ジュールの法則P = I^2Rに従って、熱として放出される電力が大幅に減少します。さらに、天候条件とワイヤーの内部温度変動により、架空送電線は一定の程度の緩さを持って設置される必要があります。

送電線が緊張して張られていた場合、寒冷期には送電線が収縮する可能性があります。この収縮により、線路内に大きな張力が生じます。この高い張力は、ワイヤーやケーブルに深刻な損傷を引き起こし、停電、安全上の危険、高額な修理費用につながる可能性があります。このような不利な結果を避けるために、送電線は意図的に緩みを持たせて設置されます。この設計により、線路は温度変化に伴う収縮や拡張に対応しながら、過度の張力を経験せずに電気インフラの整合性を保護することができます。

支持構造間の送電線導体の下方曲線である垂れは、単なる美学的な特徴ではなく、電力送電システムにとって必須かつ重要な構成要素です。垂れは高温条件下でのワイヤーの拡張に十分なスペースを提供し、過度の抵抗とその後の熱生成のリスクを低減します。さらに、垂れは温度変動、風荷重、氷の蓄積などの要因による機械的なストレスから線路を保護します。

本質的に、垂れは電力送電システムの安全性、信頼性、長期的な寿命を確保する上で重要な役割を果たします。最適なレベルの垂れを維持することにより、エンジニアはグリッドの円滑かつ効率的な動作を保証し、事故、停電、高価なインフラダメージのリスクを最小限に抑えることができます。温度、張力、機械的なストレスとのバランスは、現代の電力配電ネットワークの継続的な成功に不可欠です。