架空送電線路の構成｜がいし・架空地線・多導体とコロナ放電・電線の振動対策を図解

山を越えて続く送電線は、電線・がいし・架空地線の3つでできています。どれも、雷と風、そして高い電圧が生む電界への対策がかたちになったものです。この記事では、架空送電線路の構成と各部のはたらき、多導体方式、コロナ放電、電線の振動と対策、ねん架までを、図と例題で整理します。連効率の計算も、手順を追って解きます。

• 架空送電線路とは
  • 鉄塔で電線を空中に張り、高い電圧で電気を遠くへ運ぶ
  • 電圧を $k$ 倍にすると、電流は $1/k$、電線の損失は $1/k^{2}$
• 電線（ACSR）と表皮効果
  • 鋼心アルミより線。アルミが電気を、鋼心が強さを受け持つ
  • 交流は表面近くに集中。周波数が高いほど表皮深さが浅い
• 多導体方式
  • 1相を複数の電線で構成。インダクタンスが下がり、コロナも起きにくい
• がいし連と連効率
  • 電圧分担は電線側が最大。$\eta=\dfrac{E}{n\,V_{\mathrm{max}}}\times 100$
• 架空地線と雷
  • 電線の上で雷を受け止める。遮へい角が小さいほど効果が大きい
• コロナ放電
  • 電線表面の電界が空気の限界を超えると起きる。太い電線ほど臨界電圧が高い
• 電線の振動と対策
  • 微風振動はダンパ、ギャロッピングは相間スペーサ
• ねん架
  • 3線の位置を入れ替え、線路定数をそろえる
• 例題
  • 正誤問題を3問と、連効率の計算

架空送電線路とは

架空送電線路は、鉄塔などの支持物で電線を空中に張り、発電所から変電所まで電気を運ぶ設備です。電気は、発電所でつくられ、送電線、変電所、配電線を通って需要家に届きます（図1）。この記事で扱うのは、そのうちの送電線です。

送電線では、電圧をできるだけ高くします。送る電力 $P=\sqrt{3}\,VI\cos\theta$ が同じなら、電圧 $V$ を $k$ 倍にすると電流 $I$ は $1/k$ になります。電線の損失 $3RI^{2}$ は $1/k^{2}$ になり、電圧降下も小さくなります。損失と電圧降下の計算は三相3線式の電圧降下の求め方で扱っています。

高い電圧の電線を空中に張ると、鉄塔から電線を絶縁する工夫と、雷や風への備えが必要になります。送電鉄塔の構成を見てみましょう（図2）。

鉄塔は、鉄の骨組みでできた支持物です。頂部に架空地線を張り、その下の腕金から、がいし連で電線をつり下げます。図は2回線の例で、電線は左右に3本ずつ、計6本です。塔脚は接地します。

部品	役目	備える相手
電線	電流を流す	損失・風・氷雪
がいし	電線を絶縁して支える	高電圧・汚れ
架空地線	電線を雷から守る	雷
鉄塔	すべてを支える	電線の張力・風

実物の送電線は、山の尾根のような高い場所にも立ちます。

1架空地線2がいし連3電線4鉄塔本体

1. 架空地線　鉄塔の頂部から左右へのびる細い線。雷を受け止める
2. がいし連　腕から電線をつり下げ、鉄塔と電線を絶縁する
3. 電線　電気を流す太い線。ここでは腕の下をのびる
4. 鉄塔本体　腕金や架空地線を支える鉄の骨組み

電線の種類（ACSR）と表皮効果

送電線の電線には、鋼心アルミより線（ACSR）が広く使われます。中心に鋼線を置き、その周りにアルミ線をより合わせた構造です（図4）。

アルミ線は電気を通し、鋼線は引っ張りに耐えます。電線は鉄塔の間で自分の重さと風を受けるので、強さが要ります。なぜアルミを使うのかは、銅と比べるとわかります。

項目	銅（軟銅）	アルミ
導電率	100 %	約 61 %
比重	約 8.9	約 2.7
同じ抵抗にする断面積	1	約 1.6 倍
同じ抵抗にする質量	1	約 0.5 倍

アルミは導電率が低いので、同じ抵抗にするには断面積が約 1.6 倍必要です。それでも比重が小さいため、質量は銅の約半分で済みます。軽ければ鉄塔の負担も減ります。

電線のたるみと張力の計算は、電線のたるみの計算と実長の求め方で扱っています。

もう1つ、交流の電線に特有の性質があります。直流は電線の断面全体を流れますが、交流は電線の表面近くに集中して流れます。これが表皮効果です（図5）。

電流が流れる深さの目安を表皮深さ $\delta$ といい、表面の電流密度が $1/e$（約 37 %）に減る深さです。

$$\delta = \sqrt{\frac{2\rho}{\omega\mu}}$$

$\rho$ は抵抗率 $\mathrm{[\Omega\cdot m]}$、$\omega=2\pi f$ は角周波数 $\mathrm{[rad/s]}$、$\mu$ は透磁率 $\mathrm{[H/m]}$ です。周波数が高いほど、導電率が大きいほど、透磁率が大きいほど、$\delta$ は小さくなり、表皮効果の影響が大きくなります。

条件	表皮深さ $\delta$	影響
周波数が高い	小さい	大きい
導電率が大きい	小さい	大きい
透磁率が大きい	小さい	大きい
電線が太い	変わらない	大きい

電線が太くなると、$\delta$ は変わらないまま断面が広がるので、電流が流れない中心部の割合が増えます。そのため、太い電線ほど影響が目立ちます。

50 Hz のアルミ線で $\delta$ を計算してみます。$\rho=2.8\times 10^{-8}\ \mathrm{[\Omega\cdot m]}$、$\mu=4\pi\times 10^{-7}\ \mathrm{[H/m]}$ とします。

$$\begin{aligned} \delta &= \sqrt{\frac{2\rho}{\omega\mu}} \\ &= \sqrt{\frac{2\times 2.8\times 10^{-8}}{314\times 1.26\times 10^{-6}}} \\ &\approx 0.012\ \mathrm{[m]} \end{aligned}$$

$\delta$ は約 12 mm です。60 Hz では $\sqrt{50/60}\approx 0.91$ 倍の約 11 mm になります。商用周波数の送電線では、表皮効果による抵抗の増加はわずかです。それでも、太い電線ほど実効的な抵抗が少し大きくなることは、押さえておきましょう。

多導体方式のしくみと効果

大きな電力を送る送電線は、1相を1本の電線でなく、複数の電線で構成します。これが多導体方式です。電線の間隔はスペーサで保ちます。1相あたりの電線の本数が $n$ 本なら、2導体、4導体のようによびます。

実物では、スペーサの枠で複数の電線を束ねています。

1スペーサ2素導体3奥のスペーサ

1. スペーサ　電線どうしの間隔を一定に保つ枠
2. 素導体　束ねた1本ずつの電線
3. 奥のスペーサ　一定の間隔ごとに取り付けてある

多導体にすると、電線全体が1本の太い電線のようにふるまいます。この太さに相当する半径を等価半径 $r_{\mathrm{e}}$ といいます（図7）。

単導体の半径を $r$、素導体の間隔を $s$ とすると、2導体の等価半径は $r_{\mathrm{e}}=\sqrt{r\,s}$ です。4導体を正方形に並べたときは $r_{\mathrm{e}}\approx 1.09\,(r\,s^{3})^{1/4}$ になります。三相線路の1線のインダクタンスは、次の式で表せます。

$$L = \frac{0.05}{n}+0.4605\log_{10}\frac{D}{r_{\mathrm{e}}}\ \mathrm{[mH/km]}$$

$D$ は電線の間隔（相間距離）、$n$ は 1 相の電線の本数です。等価半径 $r_{\mathrm{e}}$ が大きいほど対数の中身が小さくなり、$L$ は小さくなります。図の計算例（$D=8\ \mathrm{[m]}$、$r=14\ \mathrm{[mm]}$）では、単導体 $1.32$、2導体 $0.96$、4導体 $0.73\ \mathrm{[mH/km]}$ です。

効果	理由
インダクタンスが小さい	等価半径が大きくなる
静電容量が大きい	等価半径が大きくなる
コロナ放電が起きにくい	電線表面の電界が小さくなる
許容電流が大きい	表面積が増えて放熱しやすい

インダクタンスが小さければ、リアクタンス $\omega L$ も小さくなり、大きな電力を送りやすくなります。一方で、荷重と風圧が大きくなり、スペーサも必要で、構造が複雑になります。

がいし連のはたらきと連効率

がいしは、電線を鉄塔から絶縁して支える部品です。高い電圧では、がいしを何個もつないだがいし連にします（図8）。

1腕2円板がいし3電線側

1. 腕　がいし連をつり下げる鉄塔の腕金
2. 円板がいし　1個ずつ絶縁し、連ねて必要な絶縁を得る
3. 電線側　金具で電線を支える。ここが最大の電圧を受け持つ

がいし連の各がいしには、電圧が等しく分かれては加わりません。がいしの金具と鉄塔の間に静電容量（対地静電容量）があるため、電流が金具から鉄塔へ逃げます。その結果、電線に近いがいしほど大きな電圧を分担します（図9）。

電圧が均等に分かれているかを表すのが連効率です。電線側のがいしが受け持つ最大の電圧に注目します。

$$\eta=\frac{E}{n\,V_{\mathrm{max}}}\times 100\ \mathrm{[\%]}$$

$E$ は電線の対地電圧 $\mathrm{[V]}$、$n$ はがいしの個数、$V_{\mathrm{max}}$ は 1 個が受け持つ最大の電圧 $\mathrm{[V]}$ です。電圧が完全に均等なら、全部が $E/n$ になって $\eta=100\ \mathrm{[\%]}$ です。実際は不均等なので、$\eta$ は 100 % より小さくなります。図の例（6 個、対地容量をがいし 1 個の容量の $1/10$ と仮定）では、$\eta$ は約 58 % です。

がいし連の不具合には、次のような対策を取ります。

問題	対策	ねらい
電圧分担が不均等	均圧リング	電線側の負担を減らす
雷でアークが出る	アークホーン	アークをがいしから離す
塩分などで汚れる	耐塩がいし・洗浄	絶縁の低下を防ぐ

均圧リングは、電線側のがいしに取り付ける金属の輪で、電界をなだらかにして分担を均等に近づけます。アークホーンは、がいし連の両端に取り付ける金属の角で、雷によるフラッシオーバ（がいし連の外側を通る放電）のアークを、がいしから離れた所に出させます。耐塩がいしは、表面のひだを深くして、がいしの表面に沿った距離（沿面距離）を長くしたものです。

架空地線と雷対策

架空地線は、送電線の最上部に張る、接地した電線です（図2の頂部）。電線の上で雷を受け止め、電線への直撃を防ぎます。

架空地線がどれだけ電線を守れるかは、遮へい角 $\theta$ で決まります。架空地線から鉛直に下ろした線と、架空地線から電線を結んだ線のなす角です（図10）。

遮へい角が小さいほど、架空地線が雷を受け止めやすくなり、電線への直撃が減ります。

架空地線に雷が落ちても、安心はできません。雷電流が鉄塔を通って大地へ流れるとき、塔脚の接地抵抗が大きいと、鉄塔の電位が大きく上がります。すると、鉄塔から電線へ向かう放電が、がいし連を通って起こることがあります。これが逆フラッシオーバです。

対策	ねらい
塔脚の接地抵抗を小さくする	鉄塔の電位上昇を抑える
埋設地線を設ける	接地抵抗を小さくする
アークホーンを付ける	アークからがいしを守る

架空地線には、1線地絡事故のときに電流の一部が流れて、通信線への電磁誘導障害を軽くする効果もあります。

コロナ放電とは

電線に加える電圧を高くしていくと、電線表面の電界が強くなります。この電界が空気の絶縁破壊電界（教科書の値で、波高値約 30 kV/cm）を超えると、電線の周りの空気が部分的に絶縁破壊を起こし、青白い光や音を出します。これがコロナ放電です（図11）。

コロナ放電が始まる電圧を臨界電圧といいます。臨界電圧が高いほど、コロナ放電は起きにくくなります。

条件	臨界電圧が高い	臨界電圧が低い
電線の太さ	太い	細い
空気の密度	大きい	小さい
天候	晴れ	雨・霧・雪
電線の表面	なめらか	傷・汚れ・突起

雨や霧の日は、水滴が電線の表面に付いて突起のようになり、電界が局所的に強まるので、臨界電圧が下がります。

コロナ放電が起きると、次のような影響が出ます。

• コロナ損（電力の損失）が生じる
• ラジオやテレビへの雑音（電波障害）が生じる
• 可聴雑音（ジーという音）が生じる
• 電線を傷める

対策は、電線表面の電界を小さくすることです。電線を太くする、多導体にする、中空の電線を使う、がいし金具にシールドリングを付ける、などの方法があります。

電線の振動と対策

電線は風や氷雪の影響で振動します。振動の種類によって、原因と対策が違います（図12）。

雪をかぶった電線の写真は、冬の送電線がどんな状態かを教えてくれます。

1着雪した電線2鉄塔3がいし連

1. 着雪した電線　雪で太くなり、重さと風圧が増える
2. 鉄塔　電線の重さを支える
3. がいし連　雪や氷が付くと絶縁が下がることもある

現象	原因	対策
微風振動	弱い風が電線に当たる	ダンパ・アーマロッド
サブスパン振動	多導体の風による振動	スペーサを不等間隔に
ギャロッピング	氷雪が付いた電線に強い風	相間スペーサ
スリートジャンプ	氷雪が落ちた反動	オフセット・相間スペーサ

微風振動は、弱い風で起こる小さな振幅の高周波の振動です。電線を支える金具の付近が疲れて、素線が切れることがあります。ダンパで振動を吸収し、アーマロッドで支持点を補強します。

サブスパン振動は、多導体のスペーサとスペーサの間の電線が、風で振動する現象です。スペーサの間隔を不等間隔にすると、振動がそろわなくなって収まります。

ギャロッピングは、氷雪が付いた電線に強い風が当たって、大きな振幅でゆっくり上下に揺れる現象です。電線どうしが近づいて短絡することがあります。相間スペーサを付け、電線の離隔を大きくします。

スリートジャンプは、電線に付いた氷雪が落ちた反動で、電線が跳ね上がる現象です。上下の電線が近づいて短絡することがあります。上下の電線を水平にずらすオフセットや、相間スペーサで対策します。

ねん架とは

3本の電線の位置がそろっていないと、各線の大地や他の線との距離が違うため、インダクタンスと静電容量が3線で等しくなりません。すると、各線に流れる電流や電圧が不平衡になります。これを防ぐために、線路の全長を3等分して、3本の電線の位置を順に入れ替えるのがねん架です（図14）。

ねん架をすると、1つの電線がすべての位置を同じ長さだけ通るので、線路定数（インダクタンスと静電容量）が3線でそろいます。その効果は次の2つです。

• 各線の電圧・電流が平衡する。中性点に残留電圧が生じるのを抑えられる
• 通信線への静電誘導・電磁誘導の障害を軽くできる

中性点の電位は、中性点の接地のしかたで変わります。方式の違いは中性点接地方式の種類と比較で扱っています。

架空送電線路と地中ケーブルの比較

電気を送る方法には、電線を空中に張る架空のほかに、地中にケーブルを埋める方法があります。大きな違いを表にまとめます。

項目	架空	地中
建設費	安い	高い
雷・風雪	影響を受ける	受けにくい
事故の復旧	早い	時間がかかる
静電容量	小さい	大きい
外観	景観に影響	景観を保てる

ケーブルは電線より静電容量が大きく、充電電流が流れます。地中送電線路の構造や充電電流の計算は、地中送電線路とケーブルの充電電流で扱っています。

例題：架空送電線路

ここまでの知識で、正誤問題と連効率の計算を解いてみましょう。連効率の計算は、図15の順に進めます。

解答と解説を見る

誤っているのは (5) です。

• (1) 正しい。スペーサで素導体の間隔を保ちます。
• (2) 正しい。等価半径が大きくなるので、インダクタンスは小さくなります。
• (3) 正しい。等価半径が大きいほど、静電容量は大きくなります。
• (4) 正しい。1本の太い電線のようにふるまい、表面の電界が小さくなります。
• (5) 誤り。電線の本数が増えるので、風圧荷重や氷雪荷重は大きくなります。

多導体の長所はインダクタンス・コロナ・許容電流、短所は荷重・風圧・構造の複雑さです。長所と短所を分けて覚えると、選択肢の誤りが見つけやすくなります。

解答と解説を見る

誤っているのは (5) です。

• (1) 正しい。ダンパは微風振動のエネルギーを吸収します。
• (2) 正しい。間隔をそろえないことで、振動がそろうのを防ぎます。
• (3) 正しい。相間スペーサは、電線が大きく揺れても電線どうしが近づきすぎないようにします。
• (4) 正しい。接地抵抗を小さくすると、鉄塔の電位上昇を抑えられます。
• (5) 誤り。ダンパは小振幅・高周波の振動用です。スリートジャンプにはオフセットや相間スペーサを使います。

「現象の特徴」から対策を考えます。小さな高周波の振動はダンパ、大きな揺れや跳ね上がりは電線どうしを離す対策、と分けましょう。

解答と解説を見る

まず、電線の対地電圧を求めます。

$$\begin{aligned} E &= \frac{66}{\sqrt{3}} \\ &\approx 38.1\ \mathrm{[kV]} \end{aligned}$$

連効率の式に代入します。

$$\begin{aligned} \eta &= \frac{E}{n\,V_{\mathrm{max}}}\times 100 \\ &= \frac{38.1}{4\times 12}\times 100 \\ &\approx 79\ \mathrm{[\%]} \end{aligned}$$

検算：$4\times 12\times 0.79\approx 37.9\ \mathrm{[kV]}$ で、$E=38.1\ \mathrm{[kV]}$ とほぼ一致します。

答え：(3)

線間電圧 $66\ \mathrm{[kV]}$ をそのまま使うと、$\dfrac{66}{4\times 12}\times 100=137.5\ \mathrm{[\%]}$ となり、100 % を超えます。連効率は 100 % を超えないので、そこで気づけます。

解答と解説を見る

誤っているのは (4) です。

• (1) 正しい。これが表皮効果の定義です。
• (2) 正しい。$\delta=\sqrt{2\rho/(\omega\mu)}$ で、$\omega$ が大きいほど $\delta$ は小さくなります。
• (3) 正しい。$\mu$ が大きいほど $\delta$ は小さくなります。
• (4) 誤り。導電率が大きい（抵抗率 $\rho$ が小さい）ほど $\delta$ は小さくなり、影響は大きくなります。
• (5) 正しい。電流が通る断面が減るので、実効的な抵抗は大きくなります。

$\delta=\sqrt{2\rho/(\omega\mu)}$ の式で、$\delta$ が小さいほど影響が大きい、と読めば迷いません。導電率は $\rho$ の逆数で、分母側に入ります。

よくある質問

多導体にするとリアクタンスが小さくなるのはなぜですか？

複数の電線を束ねると、等価半径が大きくなり、1本の太い電線と同じようにふるまうからです。インダクタンス $L$ が小さくなるので、リアクタンス $\omega L$ も小さくなります。

雨や霧の日にコロナ放電が起きやすいのはなぜですか？

水滴が電線の表面に付くと、突起のようになって電界が局所的に強まります。その結果、臨界電圧が下がります。

微風振動とギャロッピングは、どう見分けますか？

風の強さと、振動の大きさで見分けます。微風振動は弱い風で起こる小振幅・高周波の振動で、ダンパで対策します。ギャロッピングは、氷雪が付いた電線に強い風が当たって起こる大振幅・低周波の振動で、相間スペーサで対策します。

がいし連のがいしの個数は、どう決まりますか？

電圧が高い線路ほど、がいしの個数を増やします。そのうえで、連効率、塩害、雷によるフラッシオーバなども考えて決めます。問題では、個数は条件として与えられます。

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。

架空送電線路を構成する4つの部品と、それぞれの役目は？

電線は電流を流し、がいしは電線を絶縁して支え、架空地線は電線を雷から守り、鉄塔はすべてを支えます。

ACSR は何でできていて、どう役割を分けていますか？

中心の鋼線と、その周りのアルミ線です。アルミ線が電気を流し、鋼線が引っ張りの強さを受け持ちます。

周波数が高くなると、表皮深さ $\delta$ はどうなりますか？

小さくなります。電流は電線の表面近くに集中し、表皮効果の影響が大きくなります。

多導体にすると、インダクタンス・静電容量・コロナ放電はどうなりますか？

インダクタンスは小さく、静電容量は大きくなり、コロナ放電は起きにくくなります。

連効率の式と、$E$ に使う電圧は？

$\eta=\dfrac{E}{n\,V_{\mathrm{max}}}\times 100$ です。$E$ は線間電圧ではなく、対地電圧 $V/\sqrt{3}$ です。

ギャロッピングとスリートジャンプの対策は？

どちらも相間スペーサが有効です。スリートジャンプにはオフセットも使います。ダンパは微風振動の対策です。

まとめ

• 架空送電線路は、電線・がいし・架空地線・鉄塔でできている。電圧を高くすると、電流と損失が小さくなる
• 電線は鋼心アルミより線（ACSR）。交流は表面近くに集中する（表皮効果）
• 多導体は、インダクタンスが小さく、コロナ放電が起きにくい。荷重と風圧は大きくなる
• がいし連は電線側の分担が最大。連効率は $\eta=\dfrac{E}{n\,V_{\mathrm{max}}}\times 100$ で、$E$ は対地電圧
• 架空地線は雷を受け止める。遮へい角は小さいほどよく、逆フラッシオーバは塔脚の接地抵抗を下げて防ぐ
• コロナ放電は、電線が細い・雨や霧・表面が荒れているときに起きやすい。対策は太い電線と多導体
• 電線の振動は、微風振動がダンパ、ギャロッピングとスリートジャンプが相間スペーサ。ねん架で線路定数をそろえる

求めるもの	式
表皮深さ	$\delta=\sqrt{\dfrac{2\rho}{\omega\mu}}$
2導体の等価半径	$r_{\mathrm{e}}=\sqrt{r\,s}$
多導体のインダクタンス	$L=\dfrac{0.05}{n}+0.4605\log_{10}\dfrac{D}{r_{\mathrm{e}}}$
連効率	$\eta=\dfrac{E}{n\,V_{\mathrm{max}}}\times 100$

次は、送電線の中性点の処理を扱う中性点接地方式の種類と比較です。送電線の電圧降下と損失を計算したいときは、三相3線式の電圧降下の求め方も合わせて読んでください。