電験三種 学習ノート

はじめに

山の上の鉄塔の電線は、どうやって電気を運ぶのか

発電所の電気は、鉄塔の電線を通って遠くの街へ運ばれる

空中の電線は、風・雨・潮風の塩から逃げられない

今回の主役は、鉄塔・電線・がいしでできた架空送電線路

設備、振動、コロナ放電と多導体、塩害の順に学ぶ

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「山の上に並ぶ大きな鉄塔。あの電線は、どうやって空中で電気を運んでいるんだろう？」

郊外や山あいを走ると、背の高い鉄塔が何本も並び、その間を太い電線が渡っているのが見えます。発電所でつくった電気は、こうした電線を通って、遠く離れた街まで運ばれます。

ところが、空中の電線は、まわりの環境から逃げられません。強い風に揺られ、雨や霧にぬれ、海の近くでは潮風の塩をかぶります。それでも、何十万ボルトという高い電圧を、何十年も安全に運び続けなければなりません。

実は、鉄塔に付いている部品の一つひとつには、こうした自然の厳しさに耐えるための工夫が込められています。電線の材料、電線をぶら下げる部品、電線の揺れを抑える部品、そして電線の本数まで、すべてに理由があります。

そこで登場するのが、今回の主役 架空送電線路 です。鉄塔と電線とがいしでできた、空中を通る送電の道です。

前回の記事では、事故を見つけて切り離す保護継電器と保護方式を学びました。今回の記事では、架空送電線路をつくる設備と、電線の振動、コロナ放電、塩害といった現象とその対策について解説します。

架空送電線路の設備：電線・がいし・架空地線

建設費が安く事故の場所も見つけやすいが、天候に弱い

鋼心アルミより線は、中心が鋼線、まわりがアルミ線

のり巻きの芯の具が強さ、まわりのご飯が電気を通す係

アルミの導電率は銅の約60%、密度は約3分の1

同じ抵抗なら、アルミ線は断面積1.67倍で重さ約半分

がいしは、電線と鉄塔の間を絶縁しながら電線を支える

電圧が高いほど、懸垂がいしの連結個数を増やす

頂上の架空地線が、雷を電線の代わりに受け止める

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はじめに、架空送電線路の設備について紹介します。

架空送電線路 は、鉄塔などで電線を空中に支え、発電所や変電所の間で電気を送る線路です。地面の下にケーブルを通す地中送電線路に比べて、建設費が安く、事故の場所も見つけやすいのが長所です。一方で、雷や風、雪、塩などの影響を受けやすいのが短所です。

主な設備を、1つずつ見ていきましょう。

1. 鋼心アルミより線

送電線の電線には、銅ではなくアルミニウムが多く使われます。代表が 鋼心アルミより線 です。英語の頭文字をとって ACSR とも呼びます。

鋼心アルミより線は、中心に強い鋼線をより合わせ、そのまわりにアルミ線をより合わせた電線です。中心の鋼線が引っ張る力を受け持ち、まわりのアルミ線が電気を通します。のり巻きにたとえると、芯の具が「強さ」の係、まわりのご飯が「電気を通す」係です。

なぜアルミなのでしょうか？ アルミの導電率は銅の約60%で、電気の通しやすさでは銅に負けます。しかし、アルミの密度は約 2.7g/cm³ で、銅の約 8.9g/cm³ の3分の1ほどしかありません。

具体的に計算してみましょう。銅線と同じ長さ・同じ抵抗のアルミ線をつくるとします。前に学んだ $R = \rho L / A$ より、抵抗率が $1 \div 0.6 \fallingdotseq 1.67$ 倍のアルミでは、断面積も1.67倍にする必要があります。重さは「断面積 × 密度」に比例するので、次のようになります。

$$\frac{\text{アルミ線の重さ}}{\text{銅線の重さ}} = 1.67 \times \frac{2.7}{8.9} \fallingdotseq 0.51$$

つまり、同じ抵抗の電線を、約半分の重さでつくれます。電線が太くなるのも、次の節で学ぶコロナ放電を抑えるうえでは好都合です。鉄塔の間を長く渡す送電線にとって、軽くて太いことは大きな長所なのです。

2. がいし

電線は高い電圧がかかっているので、鉄塔に直接触れさせるわけにはいきません。電線と鉄塔の間を絶縁しながら、電線を支える部品が がいし です。磁器（焼き物）などでつくられています。

送電線でよく使われるのは、皿の形をしたがいしを何個も鎖のようにつないだ 懸垂がいし です。つないだものをがいし連と呼び、電圧が高いほど連結する個数を増やします。棒の形をした 長幹がいし もあります。

3. 架空地線

鉄塔のいちばん上には、電気を送らない電線が張られています。これが 架空地線 です。鉄塔を通して大地とつながっていて、雷を電線の代わりに受け止める「避雷針の線版」の役目をします。

架空地線は、電線を雷から守るだけでなく、通信線への誘導障害を減らす役目もあります。雷から守るしくみの詳しい話は、雷害と絶縁協調の記事で学びます。

試験のポイント：鋼心アルミより線は「中心が鋼、外側がアルミ」です。鋼が張力を、アルミが電流を受け持ちます。中と外を逆にした選択肢がよく出ます。

このように、架空送電線路は、軽くて太い鋼心アルミより線を、がいしで絶縁しながら鉄塔に支え、いちばん上の架空地線で雷から守っています。

以上が、架空送電線路の設備についてです。

電線の振動：ダンパとスペーサ

鉄塔の間の電線は、ギターの弦のように風で震える

振動が続くと、支える所で曲げられて素線が切れる

代表的な振動は、微風振動・ギャロッピング・サブスパン振動

風が電線の後ろに交互の渦をつくり、上下に揺さぶる

支える所の近くのダンパのおもりが、振動を吸い取る

自動車のショックアブソーバーが揺れを吸い取るのと似ている

スペーサが、束の電線どうしの間隔を保つ

二人三脚のひものように、スペーサは電線の並びをそろえる

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次に、電線の振動とその対策について紹介します。

鉄塔の間に張られた電線は、ギターの弦のようなものです。弦をはじくと震えるように、電線も風を受けると震えます。この振動が長く続くと、電線を支えている所で電線がくり返し曲げられ、素線が切れてしまいます。

代表的な振動は、次の3つです。

【電線の振動の種類】

• 微風振動： 弱く一様な風で、電線が細かく上下に震える。軽くて張力の大きい電線ほど起きやすい
• ギャロッピング： 電線に氷雪が付いて形がいびつになり、強い風で大きく波打つ
• サブスパン振動： 多導体の電線が、スペーサの間で風を受けて揺れる

微風振動は、そよ風でも起きるのがやっかいな点です。風が電線の後ろに小さな渦を交互につくり、その渦が電線を上下に揺さぶります。

この振動を吸収するのが ダンパ です。電線を支える所の近くに、おもりの付いた部品を取り付けます。電線が震えると、おもりが電線とずれて揺れ、振動のエネルギーを吸い取ります。自動車のショックアブソーバーが、路面のでこぼこの揺れを吸い取るのと似ています。

また、支える所の電線にアーマロッドという補強の線を巻き付けて、曲げに強くする方法もあります。

一方、次の節で学ぶ多導体方式では、1相の電線を2本、4本と束にして使います。風が吹くと、束の電線どうしが近づいてぶつかったり、絡まったりするおそれがあります。

そこで、束の電線の間に一定の間隔で取り付けるのが スペーサ です。電線どうしの間隔を保ち、ぶつかりや絡まりを防ぎます。運動会の二人三脚で、2人の足を結ぶひもが歩幅をそろえるように、スペーサは電線の並びをそろえます。振動を抑える働きを持たせた、スペーサダンパもあります。

試験のポイント：ダンパは「振動を吸収する」部品、スペーサは「多導体の電線どうしの間隔を保つ」部品です。役目の入れ替えに注意します。

このように、電線の振動は素線を切る原因になるので、ダンパで振動を吸収し、多導体ではスペーサで電線どうしの間隔を保ちます。

以上が、電線の振動についてです。

コロナ放電と多導体方式

空気は、波高値で約30kV/cmを超えると電気を通し始める

電線のまわりで光と音を出して起こる放電がコロナ放電

細い電線ほど表面の電界が強く、コロナが起きやすい

コロナ損・電波障害・騒音・電線の腐食といった害がある

雨や霧の日、気圧の低い高地では起きやすい

多導体方式は、1相の電線を2本・4本・6本の束にする

2本の束は、等価半径√(rs)の太い1本のようにふるまう

半径1cm・間隔36cmなら等価半径6cm。コロナは起きにくい

インダクタンスは小さくなるが、重くなり静電容量も増える

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続いて、コロナ放電と多導体方式について紹介します。

1. コロナ放電

電線の電圧が高くなると、電線のすぐまわりの空気には強い電界がかかります。空気の絶縁の強さには限りがあり、標準的な気象の条件で、波高値でおよそ 30kV/cm を超えると、空気が部分的に電気を通し始めます。

このとき、電線のまわりで青白い光と「ジー」という音を出して起こる放電が コロナ放電 です。コロナ放電が起き始める電圧を、コロナ臨界電圧と呼びます。

コロナ放電は、電線の表面の電界が強いほど起きやすくなります。電界は、細い電線ほど強くなります。とがった針の先に電気が集まりやすいのと同じで、細いもの、とがったものの表面ほど電界が強いのです。

【コロナ放電による害】

• コロナ損： 放電でエネルギーが失われる
• 電波障害： ラジオなどに雑音が入る
• 騒音： 「ジー」という音が出る
• 電線の腐食： 放電でできた物質が、電線や金具を傷める

【コロナ放電が起きやすい条件】

• 電線が細い、表面に傷や汚れがある
• 雨や霧の日、気圧の低い高地

対策の基本は、電線の表面の電界を弱めることです。電線を太くする、金具の角を丸くして突起をなくす、そして次の多導体方式を使う、といった方法があります。

2. 多導体方式

多導体方式 は、1相の電線を1本ではなく、2本、4本、6本などの細めの電線に分け、スペーサで間隔を保って束にする方式です。電圧の高い送電線で広く使われています。

束にした電線は、電気的には「太い1本の電線」のようにふるまいます。この見かけの太さを表すのが等価半径です。2本の束なら、等価半径 $r_e$ は次の式で求めます。

$$r_e = \sqrt{r s}$$

記号の意味は、$r_e$ が等価半径［m］、$r$ が電線1本の半径［m］、$s$ が電線どうしの中心の間隔［m］です。言葉で言うと、「電線の半径と間隔を掛けて、平方根をとる」です。

例題：2導体の等価半径

半径 1cm の電線2本を、中心の間隔 36cm で束にした2導体があります。等価半径は何cmでしょうか？ また、同じ太さの電線1本と比べて、コロナ放電は起きやすいでしょうか、起きにくいでしょうか？

【解き方】

1. 式に入れる： $r_e = \sqrt{1 \times 36}$
2. 計算する： $\sqrt{36} = 6$ cm
3. 比べる： 等価半径 6cm は、電線1本の半径 1cm の6倍。太い電線と同じように、表面の電界が弱まる

答えは、等価半径 6cm で、コロナ放電は起きにくくなる、です。

多導体方式の長所は、コロナ放電を抑えられることだけではありません。見かけの電線が太くなるので、電線のインダクタンスが小さくなり、静電容量が大きくなります。インダクタンスが小さいと、たくさんの電力を安定して送れます。送れる電力と安定度の関係は、送電電力と調相設備の記事で学びます。

一方で、短所もあります。電線の本数が増えるぶん重くなり、風や雪の荷重も増えます。スペーサも必要です。また、静電容量が大きくなるので、軽い負荷のときに受電端の電圧が上がるフェランチ効果が起きやすくなります。

補足（ここは読み飛ばしてOK）： 4本や6本の束でも、考え方は同じです。本数が増えるほど等価半径が大きくなり、コロナ放電はさらに起きにくくなります。

このように、コロナ放電は電線の表面の電界が強すぎると起きる放電で、電線を見かけ上太くする多導体方式で抑えられます。

以上が、コロナ放電と多導体方式についてです。

塩害とその対策

潮風に乗った塩が、がいしの表面にたまっていく

霧や小雨で塩が湿ると水の膜ができ、漏れ電流が流れる

表面に沿って放電が走り、電線と鉄塔の間が短絡する

結露した窓のように、湿った塩がつながって通り道になる

対策は過絶縁・耐塩がいし・洗浄・はっ水性物質・ルート選び

ふだん10個のがいしを、海の近くでは14個に増やす

水で塩を洗い流し、はっ水性の物質で水の膜を防ぐ

答えは、（ア）漏れ、（イ）増や、（ウ）はっ水

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最後に、塩害とその対策について紹介します。

海の近くを通る送電線では、潮風に乗った塩が、がいしの表面に少しずつたまっていきます。乾いた塩はほとんど電気を通しません。ところが、霧や小雨で塩が湿ると、がいしの表面を電気が通る薄い水の膜ができます。

すると、がいしの表面を小さな電流（漏れ電流）が流れ、ついには表面に沿って放電が走り、電線と鉄塔の間が短絡してしまいます。このように、塩によってがいしの絶縁が弱まって起こる障害を 塩害 と呼びます。台風のあとに、海から遠い所で塩害が起きることもあります。

冬の窓ガラスにたとえると分かりやすいでしょう。乾いた窓は何ともありませんが、結露すると水滴がつながって流れ出します。がいしの表面でも、湿った塩がつながって「電気の通り道」になるのです。

【塩害の主な対策】

• がいしの連結個数を増やす（過絶縁）： 表面の距離を長くして、放電を走りにくくする
• 耐塩がいしを使う： ひだを深くして表面の距離を長くしたがいしや、長幹がいしを使う
• がいしを洗う： 水を吹き付けて塩を洗い流す。電気を送ったまま洗う活線洗浄もある
• はっ水性の物質を塗る： シリコーンコンパウンドなどを塗り、水の膜をつくらせない
• ルートを選ぶ： 線路を海岸からできるだけ離す

具体的に考えてみましょう。ある地点で、ふだんは懸垂がいしを10個連ねていたとします。海の近くでは、これを例えば14個に増やします。がいし連が長くなれば、表面に沿った距離も長くなり、塩が付いても放電が走りにくくなるのです。

例題：塩害の対策

次の文の（ア）〜（ウ）に入る語句を答えましょう。

「がいしの表面に付いた塩分が霧などで湿ると、表面に（ア）電流が流れ、絶縁が低下する。対策として、がいしの連結個数を（イ）す過絶縁や、表面に（ウ）性の物質を塗る方法がある。」

【解き方】

1. 湿った塩の膜を伝って流れる電流 → （ア）漏れ
2. 表面の距離を長くするには個数を → （イ）増や
3. 水の膜をつくらせない性質 → （ウ）はっ水

答えは、（ア）漏れ、（イ）増や、（ウ）はっ水、です。

このように、塩害は湿った塩でがいしの絶縁が弱まる障害で、がいしを増やす、洗う、はっ水性の物質を塗るといった方法で防ぎます。

以上が、塩害とその対策についてです。

今回のまとめ

軽くて太い電線をがいしで支え、架空地線で雷から守る

ACSRは中心の鋼が張力、外側のアルミが電流を受け持つ

振動はダンパで吸収し、多導体の間隔はスペーサで保つ

多導体方式で等価半径を大きくし、コロナ放電を抑える

塩害は、過絶縁・がいし洗浄・はっ水性物質で防ぐ

キーワードは架空送電線路・鋼心アルミより線・コロナ放電など

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それでは、今回の内容を振り返ります。

今回は、架空送電線路の設備と、そこで起きる現象について紹介しました。空中の電線は、風・雨・塩・高い電圧といった厳しい条件にさらされています。電線の材料や部品の一つひとつは、それぞれの困りごとへの答えになっています。

今回のポイントを振り返りましょう。

振り返り

• 架空送電線路は、鋼心アルミより線をがいしで絶縁して鉄塔に支え、架空地線で雷から守る。
• 鋼心アルミより線は、中心の鋼線が張力を、外側のアルミ線が電流を受け持つ。軽くて太くできる。
• 電線の振動はダンパで吸収し、多導体の電線どうしの間隔はスペーサで保つ。
• コロナ放電は電線表面の電界が強いと起きる。多導体方式で等価半径を大きくして抑える。
• 塩害は湿った塩でがいしの絶縁が弱まる障害。過絶縁、がいし洗浄、はっ水性物質の塗布で防ぐ。

キーワードのおさらい

• 架空送電線路: 鉄塔などで電線を空中に支えて電気を送る線路
• 鋼心アルミより線: 中心に鋼線、まわりにアルミ線をより合わせた電線（ACSR）
• がいし: 電線と鉄塔の間を絶縁しながら電線を支える部品
• 架空地線: 鉄塔の頂上に張り、雷を電線の代わりに受け止める接地された線
• ダンパ: おもりなどで電線の振動を吸収する部品
• スペーサ: 多導体の電線どうしの間隔を保つ部品
• 多導体方式: 1相の電線を複数本の束にする方式。コロナ放電を抑え、インダクタンスを小さくする
• コロナ放電: 電線表面の電界が強いとき、まわりの空気が部分的に絶縁を失って起きる放電
• 塩害: がいしに付いた塩が湿り、絶縁が弱まって起きる障害

以上が、今回のまとめです。

さて、鉄塔の間の電線は、ぴんと張られているように見えて、実は少したるんでいます。どのくらいたるませればよいのでしょうか？

次回は、電線のたるみと実長の計算、そして電柱を支える支線について紹介します。

それでは、次の記事へ進んでいきましょう。