直流送電とは｜交流送電との違い・利点と欠点・周波数変換所のしくみを図解

直流送電は、送電線の途中を直流にして電力を送る方式です。送電はふつう交流で行いますが、長い海底ケーブルや、周波数の違う地域どうしの連系には、直流が使われます。この記事では、交直変換のしくみから利点と欠点、周波数変換所と BTB までを、図と例題で順にたどります。

• 直流送電とは
  • 交流 → 直流 → 交流。両端に変換所が要る
• 交直変換器
  • 他励式はサイリスタ、自励式は IGBT など
• 利点
  • 無効電力・充電電流・安定度の制約が小さい
• 欠点
  • 変換所が高価、高調波が出る、遮断が難しい
• 周波数変換所と BTB
  • 50 Hz と 60 Hz を直流でつなぐ

直流送電とは

直流送電は、HVDC（High Voltage Direct Current）とも呼ばれます。発電所でつくる電力も、家庭や工場で使う電力も、系統は交流です（図1）。直流送電は、その間の送電線の部分だけを直流にします。

送電端で交流を直流に変えることを順変換、受電端で直流を交流に戻すことを逆変換と呼びます。順変換を行う設備と逆変換を行う設備を、それぞれ順変換器・逆変換器と呼び、これらを置いた施設が変換所です（図2）。

変換所には、変換器のほかに、変圧器、交流側・直流側のフィルタ、遮断器などが置かれます（機器の役割は変電所の役割と構成機器で扱います）。直流の送電線は、正極と負極の2本で構成します。両端の変換所は、制御によって順変換と逆変換の役を入れ替えられるので、電力の向きも変えられます。

交直変換器のしくみ（他励式と自励式）

交流を直流に変えるのは整流回路（整流回路とは）、直流を交流に変えるのはインバータ（インバータの仕組み）でした。直流送電の変換器は、その考え方を大電力に広げたものです。素子を直列にたくさん積み重ねて、高い電圧に耐えるようにしています（図3）。

1がい管2素子ユニット3支持がいし

1. がい管　高電圧部を絶縁
2. 素子ユニット　段に積み重ねる
3. 支持がいし　床との間を絶縁

変換器は、使う素子と電流の切り方で、他励式と自励式に分かれます。

項目	他励式	自励式
素子	サイリスタ	IGBT など
電流を切る	交流電圧で	素子が自分で
無効電力	消費する	制御できる
交流系統	必要	なくても可

他励式は、サイリスタを使います。サイリスタは、オンの信号で導通しますが、オフの信号では切れません。そこで他励式は、交流系統の電圧を使って電流を次のバルブへ移し（転流）、前のバルブの電流を零にして切ります。交流系統の電圧に頼るので、交流系統が弱い（短絡容量が小さい）と、転流に失敗しやすくなります。

また、他励式の変換器は、電流が電圧に対して遅れるので、遅れ無効電力を消費します。消費する無効電力は、交流フィルタ（基本波では進み無効電力を供給します）、進相コンデンサ、調相設備などで補います（力率改善と進相コンデンサの容量計算、調相設備の種類と電圧調整）。

自励式は、IGBT など、オフの信号で自分で電流を切れる素子（自己消弧形素子）を使います。交流系統の電圧に頼らずに運転でき、有効電力と無効電力を独立に制御できます。

直流送電の利点

直流送電の利点は、交流送電の弱点を避けられる点にあります。

項目	直流の特徴
無効電力	線路に流れない
電圧降下	抵抗分だけ
安定度	距離の制約が小さい
充電電流	流れない
周波数	違う系統をつなげる
電線	2本で足りる
短絡容量	連系しても増えない

直流は、定常状態では電流も電圧も一定です。そのため、リアクタンスや静電容量の影響を受けません。表のうち、電圧・電線・安定度・充電電流を順に確かめます。周波数と短絡容量は、あとの周波数変換所と BTB で扱います。

同じ絶縁で高い電圧を使える

交流の電圧は、実効値で表します。実効値 $E\ \mathrm{[V]}$ の電圧の波高値は、次のとおり実効値の $\sqrt{2}$ 倍です。

$$V_m = \sqrt{2}\,E\ \mathrm{[V]}$$

絶縁が耐えなければならないのは、この波高値です。そこで、対地電圧の最大値を同じにすると、直流は交流の実効値の $\sqrt{2}$ 倍の電圧を使えます（図4）。

電線が2本で足りる

三相交流の送電線は3本ですが、直流は正極と負極の2本で足ります（双極式）。片方の極を、大地や海水を帰路にして使う単極式もあります。

交流の相電圧（実効値）を $E\ \mathrm{[V]}$、電流を $I\ \mathrm{[A]}$、力率を 1 とします。直流の対地電圧は、交流の波高値 $\sqrt{2}\,E$ と同じにします。送電電力は次のとおりです。

$$\begin{aligned} P_{\mathrm{ac}} &= 3EI \\ P_{\mathrm{dc}} &= 2\sqrt{2}\,EI \end{aligned}$$

全体の電力はほぼ同じでも、電線は3本から2本に減ります。電線1本あたりでは、交流が $EI$、直流が $\sqrt{2}\,EI$ で、直流は交流の $\sqrt{2}$ 倍です（図5）。また、直流は電流が導体の断面に一様に流れ、表皮効果がありません。

電線が少ないぶん、鉄塔を小さくしやすいことも直流送電の利点です。

安定度の制約が小さい

交流の2つの系統は、位相をそろえて同期して運転します。送電端と受電端の電圧（線間電圧）を $V_s$、$V_r\ \mathrm{[V]}$、位相差を $\delta$、1線あたりの線路のリアクタンスを $X\ \mathrm{[\Omega]}$ とすると、送れる電力は次のとおりです。

$$P = \frac{V_s V_r}{X}\sin\delta\ \mathrm{[W]}$$

線路が長いほど $X$ は大きくなり、同じ電力を送るための位相差 $\delta$ が大きくなります。$\delta$ には限度があるので、長距離の交流送電は安定度の制約を受けます。直流区間では位相差を問題にしないので、線路が長くても安定度の制約を受けません。

充電電流が流れない

ケーブルは、導体と大地の間の静電容量が大きく、交流では充電電流（進み電流）が流れます。充電電流は、線路が長いほど増えます。長くなると、ケーブルの電流容量の多くを充電電流が占め、負荷へ送れる電流が減ります。そのため、長距離の交流ケーブルは困難です（地中送電線路とケーブルの充電電流）。

直流は、定常状態で電圧が一定なので、静電容量に電流が流れ込みません。充電電流が流れないので、長距離の海底ケーブルに向きます（図6）。日本でも、海をまたぐ連系に直流送電が使われています。

直流送電の欠点

直流送電にも欠点があります。

項目	直流の欠点
変換所	両端に必要で高価
高調波	フィルタが要る
無効電力	他励式は補給が要る
遮断	電流零点がなく難しい

いちばん大きいのは、両端に変換所が要ることです。変換所の費用は、送電距離に関係なくかかります。短い距離では、変換所の費用の分だけ交流のほうが安く、距離が長くなると、線路の費用の差が効いて直流のほうが安くなります。総費用が等しくなる距離を損益分岐距離と呼びます（図7）。

長距離の架空送電線の構成は、架空送電線路の構成で扱います。

変換器は高調波を発生するので、交流側と直流側にフィルタが必要です。

もうひとつの欠点は、遮断が難しいことです。交流の電流は、1サイクルに2回零になります（電流零点）。遮断器は、電流零点でアークを消せます。直流の電流には電流零点がないので、アークを消しにくく、大きな電流の遮断は難しくなります（図8）。事故のときの電流は、変換器の制御で小さくおさえる方法がとられます。

周波数変換所と BTB

日本の電力系統は、おおむね東日本が 50 Hz、西日本が 60 Hz です。周波数が違う交流系統は、同期して運転できず、そのままではつなげません。そこで、いったん直流を介してつなぎます。周波数の違う系統を直流でつなぐ設備を、周波数変換所（FC）と呼びます。

BTB（Back To Back、背中合わせ）は、順変換器と逆変換器を、直流の送電線をはさまず、同じ場所に置いたものです（図9）。周波数が同じ系統でも、同期させずにつなぎたいときに使います。2つの系統は直流部分で切り離されているので、片方の事故電流が、もう片方へ流れ込みにくくなります。つないでも、系統の短絡容量が増えにくい点も特徴です。

変換所の屋外には、変換器の建屋のほか、変圧器や母線などが並びます（図10）。

1変換器の建屋2変圧器3鉄塔

1. 変換器の建屋　変換器を収める
2. 変圧器　交流の電圧を合わせる
3. 鉄塔　交流の送電線へつなぐ

電気設備技術基準の解釈（第15条）でも、周波数変換装置（FC）や非同期連系装置（BTB）の直流部分のような短い直流電路は、異常電圧が生じるおそれがなければ、絶縁耐力試験を行わなくてよいと定められています。

直流送電の例題

例題1と4は、記述の正誤を見分ける問題です。例題2と3は、式に値を入れる計算です。

例題	使う量	解き方
1・4	用語の意味	一つずつ正誤を判断
2	$E$、$I$	電力、1本あたり、損失の順
3	$V$、$P$、$R$	電流、電圧降下、損失の順

解答と解説を見る

• ア　正しい。直流は電流が一定なので、リアクタンスによる電圧降下が生じません。
• イ　正しい。他励式変換器は、遅れ無効電力を消費します。
• ウ　誤り。電流零点がないので、アークを消しにくく、遮断は難しくなります。
• エ　誤り。直流送電には両端に変換所が要り、短い距離では交流より高くつきます。

答え：(1)

解答と解説を見る

(1) 交流は、

$$\begin{aligned} P_{\mathrm{ac}} &= 3EI \\ &= 3\times 100\times 10^{3}\times 1000 \\ &= 300\ \mathrm{[MW]} \end{aligned}$$

直流の対地電圧は $\sqrt{2}\,E \fallingdotseq 141.4\ \mathrm{kV}$ で、極間電圧は2倍の $282.8\ \mathrm{kV}$ です。

$$\begin{aligned} P_{\mathrm{dc}} &= 2\sqrt{2}\,EI \\ &\fallingdotseq 282.8\ \mathrm{[MW]} \end{aligned}$$

(2) 交流は $300 \div 3 = 100\ \mathrm{MW}$、直流は $282.8 \div 2 = 141.4\ \mathrm{MW}$ です。直流は交流の $\sqrt{2}$ 倍です。

(3) 損失は、交流が $3I^2R$、直流が $2I^2R$ なので、比は $2/3 \fallingdotseq 0.667$ です。

答え：(1) 交流 $300\ \mathrm{MW}$、直流 約 $282.8\ \mathrm{MW}$　(2) 交流 $100\ \mathrm{MW}$、直流 約 $141.4\ \mathrm{MW}$　(3) $2/3$

解答と解説を見る

電流は、

$$\begin{aligned} I &= \frac{P}{V} \\ &= \frac{1000\times 10^{6}}{500\times 10^{3}} \\ &= 2000\ \mathrm{[A]} \end{aligned}$$

電流は往復の2本に流れるので、電圧降下と電力損失は、

$$\begin{aligned} v &= 2IR \\ &= 2\times 2000\times 2.5 \\ &= 10000\ \mathrm{[V]} \\ p &= 2I^{2}R \\ &= 2\times 2000^{2}\times 2.5 \\ &= 20\times 10^{6}\ \mathrm{[W]} \end{aligned}$$

受電端の電圧は $500 - 10 = 490\ \mathrm{kV}$、電力は $490\ \mathrm{kV}\times 2000\ \mathrm{A} = 980\ \mathrm{MW}$ で、送電端から損失 $20\ \mathrm{MW}$ を引いた値と一致します。

答え：電流 $2000\ \mathrm{A}$、電圧降下 $10\ \mathrm{kV}$、電力損失 $20\ \mathrm{MW}$（送電電力の $2\%$）

解答と解説を見る

• ア　誤り。周波数の違う系統は、交流のままでは同期できないので、直流を介してつなぎます。
• イ　正しい。順変換器と逆変換器を、背中合わせに置きます。
• ウ　正しい。直流部分で切り離されているので、同期は不要です。
• エ　誤り。直流部分で切り離されるので、短絡容量は増えにくくなります。

答え：(3)

よくある質問

なぜ直流送電は長距離の海底ケーブルに向くのですか。

充電電流が流れないからです。交流のケーブルは、静電容量に充電電流が流れ、線路が長いほどその電流が増えて、負荷へ送れる電流が減ります。直流は、定常状態で静電容量に電流が流れ込まないので、長くしても充電電流の問題がありません。

他励式と自励式の違いは何ですか。

電流の切り方です。他励式はサイリスタを使い、交流系統の電圧で転流して電流を切ります。遅れ無効電力を消費し、交流系統が必要です。自励式は IGBT など自分で電流を切れる素子を使い、交流系統の電圧に頼らず、無効電力も制御できます。

周波数変換所と BTB は、どう違いますか。

呼び方の観点が違います。周波数変換所は「周波数の違う系統をつなぐ」という役割、BTB は「直流線路をはさまず変換器を背中合わせに置く」という構成を指します。どちらも、直流を介して交流系統をつなぐ設備です。

直流は交流より損失が小さいのですか。

同じ電流・同じ電線なら、直流の線路の損失は小さくなります（例題2）。電線が2本で足りるうえ、無効電力や充電電流による余分な電流が流れないからです。ただし、直流送電には変換所の損失が加わるので、全体の損失は変換所を含めて比べます。

思い出してみよう

答えを見る前に、まず自分で思い出してからタップしてください。

直流送電の基本構成は何ですか？

送電端の順変換器で交流を直流にし、直流の送電線で送り、受電端の逆変換器で交流に戻します。両端に変換所が要ります。

他励式の素子と、無効電力についての特徴は何ですか？

サイリスタを使い、交流系統の電圧で転流します。遅れ無効電力を消費するので、調相設備などで補います。

自励式の特徴は何ですか？

IGBT など自己消弧形素子を使い、交流系統の電圧に頼らず運転でき、有効電力と無効電力を独立に制御できます。

直流送電が長距離の海底ケーブルに向く理由は何ですか？

定常状態で充電電流が流れないからです。

同じ絶縁で使える直流電圧は、交流の実効値の何倍ですか？

$\sqrt{2}$ 倍です。交流の波高値に直流電圧を等しくできるからです。

直流の遮断が難しいのはなぜですか？

電流零点がなく、アークを消しにくいからです。交流は1サイクルに2回、電流が零になります。

まとめ

• 直流送電は、送電線の部分だけを直流にする方式。両端の変換所で、順変換と逆変換を行う
• 他励式はサイリスタで交流電圧により転流し、遅れ無効電力を消費する。自励式は自己消弧形素子で、無効電力も制御できる
• 利点は、無効電力・充電電流・安定度の制約が小さいこと、電線が2本で足りること、周波数の違う系統をつなげること。同じ絶縁なら直流電圧は実効値の $\sqrt{2}$ 倍
• 欠点は、変換所が高価なこと、高調波が出ること、電流零点がなく遮断が難しいこと。損益分岐距離より長いと直流が有利になる
• 周波数変換所（FC）は周波数の違う系統を直流でつなぐ設備。BTB は直流線路なしで変換器を背中合わせに置き、非同期でつなぐ

雷による異常電圧を避雷器で逃がすしくみは避雷器と雷害対策で、交流の電圧降下の計算は三相3線式の電圧降下の求め方で続けて確認できます。