電気および架空送電ケーブル ガイド

最新の電力システムにおける送電ケーブルを理解する

送電ケーブル あらゆる国および地域の電力網の物理的バックボーンを形成します。その役割は、石炭火力、原子力、水力発電、再生可能エネルギーのいずれであっても、発電所から高電圧の大容量電気エネルギーを長距離を越えて、地域に配電するために電圧を下げる変電所まで運ぶことです。送電ケーブルの選択に組み込まれたエンジニアリング上の決定は、送電網の信頼性、エネルギー効率、設備投資、電力会社や料金支払者が負担する長期的な運用コストに直接影響します。したがって、ある導体タイプと別の導体タイプの違い、および特定のプロジェクトの選択に影響を与える要因を理解することは、電力エンジニア、調達スペシャリスト、インフラストラクチャ計画担当者にとって基礎知識となります。

現代の送電は、副送電フィーダの 66 kV から数千キロメートルにわたる超高圧直流 (UHVDC) 連系線の 1,100 kV までの範囲の電圧レベルで動作します。送電ケーブルは、あらゆる電圧レベルにおいて、同時に抵抗損失を最小限に抑え、風、氷、熱負荷の下でも機械的完全性を維持し、通常 40 年を超える設計寿命にわたって使用可能であり続ける必要があります。これらの要求は、導電性金属と断面形状の選択から、コア補強材と表面仕上げの選択に至るまで、導体設計のあらゆる側面を形成します。

架空送電ケーブルと地中ケーブル: 主要なトレードオフ

送電プロジェクトにおける最も基本的な設計上の選択は、電力を架空に配線するか地下に配線するかということです。架空送電ケーブルは、十分に確立された経済的および技術的理由により、世界の高電圧送電インフラの主流を占めていますが、空中配線が非現実的または政治的に受け入れられない都市部や環境に敏感な回廊では、地下ケーブルが大幅に拡大しています。

架空送電ケーブル 通電された導体と接地された支持構造の間に必要な電気的クリアランスを提供する絶縁体ストリングを使用して、鋼鉄格子塔またはコンクリート柱の間に吊り下げられます。周囲の空気が絶縁媒体として機能するため、架空導体には高価な押し出し絶縁層が必要ありません。導体は裸で大気に直接さらされています。これにより、材料コストが大幅に削減され、熱放散が簡単になり、掘削を行わずに目視検査とメンテナンスが可能になります。架空送電の資本コストは、通常、送電電圧における同等の地下ケーブル回路よりも 1 キロメートルあたり 3 ～ 10 倍低くなります。そのため、世界中の田舎や国境を越えた回線では、架空ルーティングがデフォルトの選択肢であり続けています。

対照的に、地中の送電ケーブルは、金属スクリーンと保護シースで囲まれた押出架橋ポリエチレン (XLPE) 絶縁体を使用して、通電された導体を周囲の土壌から隔離します。この構造により、架空線障害の主な原因である風、氷、落雷による天候に関連した停止は排除されますが、長距離にわたるより高い容量性充電電流、より複雑な障害位置、損傷が発生した場合の修理時間とコストの大幅な増加など、運用上のさまざまな課題が生じます。密集した都市環境、海底交差点、または厳しい景観保護要件がある地域での送電プロジェクトの場合、コストは高くなりますが、地下ケーブルは必要な選択肢です。

架空送電ケーブルに使用される主導体の種類

導体は架空送電ケーブルの心臓部です。過去 1 世紀にわたって、さまざまなスパン長、地形タイプ、荷重条件に応じて、導電率、機械的強度、重量、コストのバランスを最適化するために、さまざまな導体構造が開発されてきました。次の表は、高電圧送電アプリケーションで最も広く導入されている導体ファミリーをまとめたものです。

ACSR (アルミニウム導体鋼強化) は、その成熟したサプライ チェーン、十分に理解されている機械的動作、および競争力のあるコストにより、世界で最も広く導入されている架空送電ケーブルの導体タイプであり続けています。しかし、新しい塔線を建設せずに既存の送電路の容量を最大化するという圧力が高まっているため、HTLS (高温低サグ) 導体や ACCC などの複合コア設計の急速な採用が推進されています。ACCC は、法定地上高要件を維持する低いサグプロファイルを維持しながら、ACSR の 75 ～ 90 °C の制限と比較して 150 ～ 210 °C で連続動作できます。

導体の選択を決定する電気的性能パラメータ

特定のプロジェクトに適切な送電ケーブルを選択するには、相互に依存するいくつかの電気性能パラメータを定量的に評価する必要があります。各パラメータは他のパラメータと相互作用しており、1 つのパラメータを最適化する (たとえば、抵抗損失を最小限に抑える) には、導体の重量、タワーの負荷、または資本コストとのトレードオフが必要になる場合があります。

電流容量と熱定格

電流容量（導体が設計温度を超えずに流すことができる最大連続電流）は、あらゆる伝送線路の主要な容量パラメータです。これは、ジュール加熱 (I²R 損失) と、対流、放射、伝導による環境への熱放散とのバランスによって決まります。一般的な 400 kV 二重回路鉄塔の標準 ACSR 導体は、通常の定格条件下で 1 相あたり 1,000 ～ 1,500 A を伝送できます。リアルタイムの気象データを使用して実際の電流容量を計算する動的線路定格 (DLR) システムは、導体に物理的な変更を加えることなく、既存の架空送電ケーブル インフラストラクチャから 10 ～ 30% の追加容量を解放できます。

抵抗とライン損失

導体の DC 抵抗は、その断面積に反比例し、導電性金属の抵抗率に正比例します。アルミニウムの場合、20℃での抵抗率は約 2.82 × 10-8 Ω・m です。 1,000 A を流す 400 kV 送電線上の 400 mm² ACSR 導体は、1 キロメートルあたり約 28 kW を熱として放散します。この損失は、主要な連系線で年間数十ギガワット時まで蓄積されます。このため、線路の 40 年間の耐用年数にわたって回避されるエネルギー損失の現在価値が、より重い導体とより強力なタワーの増分コストを超える場合、熱コンプライアンスに必要な最小値よりも大きな導体断面積を選択することが経済的に正当化されることがよくあります。

コロナと電波障害

110 kVを超える送電電圧では、導体表面の電界強度が空気のイオン化閾値を超え、コロナ放電が発生する可能性があります。コロナ放電は部分的な絶縁破壊現象であり、可聴ノイズ、無線周波数干渉、実質電力損失が発生します。コロナの性能は主に導体の表面勾配によって決まります。この勾配は、導体の直径を大きくすること（束ねたり、拡張コア導体の使用によって）や、滑らかできれいな表面仕上げを維持することによって減少します。 220 kV 以上の現代の架空送電ケーブル設計では、ほとんどの場合、束ねられた導体 (各相あたり 2、3、または 4 つの副導体) が採用されており、同時に表面勾配が減少し、インダクタンスが低下し、電流容量が増加します。

架空送電線の機械設計に関する考慮事項

架空送電ケーブル システムの機械設計は、電気設計と同様に要求が厳しいものです。導体は、最悪の気象現象において、自重、投影面積への風圧、導体表面への着氷の複合負荷に同時に耐える必要があります。導体の設計張力、最大動作温度でのたわみ、および接地、他の相、および鉄塔構造とのクリアランスはすべて、線路の寿命にわたって予想される温度および負荷条件の全範囲にわたって、指定された制限内に維持されなければなりません。

• 日常の緊張感 (EDT): 日常的な条件 (通常 15°C、無風、氷結なし) での導体の張力を定格引張強度 (RTS) の 20 ～ 25% に制限することで、風力振動 (導体を通過する定常層流風によって引き起こされる正弦波振動) によって引き起こされるサスペンション クランプの疲労を制御します。
• 最大張力: 支配的な荷重ケース (地理的位置に応じて通常は最大風または最大氷) の下では、引張破壊に対する適切な安全率を維持するために、導体張力は RTS の 50 ～ 75% を超えてはなりません。
• サグテンションの計算: 重力下で導体によって形成されるカテナリー曲線は、スパン中央でのたるみを定義します。負荷がかかると導体の温度が上昇すると、熱伸びによってたるみが増加し、地上高が減少します。これは、従来の ACSR の動作温度を制限し、熱的に制限された通路での低サグ HTLS 導体の採用を促進する基本的な制約です。
• 振動減衰: ストックブリッジ ダンパー (サスペンション ポイント近くの導体に固定された調整質量スプリング デバイス) は、風振動のエネルギーを吸収し、架空送電ケーブル敷設における最も一般的な長期的な機械的故障モードである外側アルミニウム素線の疲労亀裂を防ぎます。

伝送ケーブル仕様を管理する国際規格

公益事業およびインフラストラクチャープロジェクト用の送電ケーブルを調達するには、導体の構造、材料特性、寸法公差、および試験方法を指定する、認められた国際規格または地域規格に準拠する必要があります。主要な規格ファミリーは IEC (国際電気標準会議)、ASTM (米国試験材料協会)、および BS EN (英国/欧州規格) であり、中国 (GB/T)、インド (IS)、オーストラリア (AS) などの主要市場で国家適応が行われています。

IEC 61089 およびその後継の IEC 62219 は、丸線同心撚り架空電気撚線導体を対象としており、ACSR、AAAC、および関連する導体タイプの機械的および電気的特性を指定しています。 IEC 62004 は、HTLS 導体用の高温アルミニウム合金ワイヤに対応しています。地中送電ケーブルの場合、IEC 60840 (電圧 30 kV を超え 150 kV まで) および IEC 62067 (150 kV を超える) は、押出絶縁電力ケーブルの型式試験および日常試験要件を定義しています。これらの規格への準拠は、認定された第三者による型式試験と工場の品質監査によって実証され、世界中のほとんどの公共事業送電プロジェクトにとって必須の調達要件であり、重要なインフラに敷設された送電ケーブルが独立した技術団体によって検証された性能と安全性のベンチマークを確実に満たしていることを保証します。