コンテンツにスキップ

架空送電線路

1. 直感的理解

架空送電線路の本質: 電線は完全な導体ではない。電流が流れると抵抗Rで電圧降下が起き、リアクタンスXでも位相ずれによる電圧降下が起きる。結果として送電端と受電端の電圧が異なる。

高電圧送電のメリット

電力 \(P = \sqrt{3} V_L I_L \cos\theta\)（三相）

同じ電力を送るなら、電圧を高くすれば電流 \(I\) が小さくなる。

電力損失 \(P_{loss} = 3I^2 R\)。電流が1/10になれば損失は1/100。

だから送電線は275kV・500kVの超高圧で送り、変電所で降圧して配電する。

電圧降下のイメージ

送電端 Vs ──[R+jX]── 受電端 Vr
              ↑
        ここで電圧が下がる

送電端電圧 Vs = 受電端電圧 Vr + 電圧降下 ΔV

ΔV の中身は「抵抗成分（力率に比例）＋リアクタンス成分（無効成分に比例）」

2. 設備を歩く

送電システム全体

graph LR
    A[発電所] --> B[昇圧変圧器<br/>6.6kV→275kV]
    B --> C[架空送電線<br/>275kV/500kV]
    C --> D[降圧変圧器<br/>275kV→66kV]
    D --> E[変電所]
    E --> F[配電線<br/>6.6kV]
    F --> G[需要家]

架空送電線路の構成要素

graph TD
    subgraph 上部
        A[架空地線 OPGW<br/>雷撃遮蔽・通信]
    end
    subgraph 中部
        B[導体 ACSR<br/>鋼心アルミより線]
        C[がいし<br/>懸垂式/耐張式]
    end
    subgraph 構造体
        D[鉄塔<br/>自立型/引留型]
    end
    A --> D
    B --- C
    C --- D

主要機器テーブル

機器 正式名・略称 役割 ポイント
導体 ACSR（鋼心アルミより線） 電流を流す 鋼心で強度確保、外周アルミで導電。表皮効果でアルミ部を有効活用
がいし 懸垂がいし / 耐張がいし 導体と鉄塔を電気的に絶縁し機械的に支持 電圧階級に応じて連結個数が変わる（1個あたり約10〜15kV分担）
鉄塔 自立型・引留型 送電線を空中に支持 基礎部は鉄筋コンクリート。耐風・耐雪設計
架空地線 OPGW（光ファイバ複合架空地線） 直撃雷から導体を保護。通信回線も兼ねる 鉄塔頂部に設置。遮蔽角を小さくするほど保護効果大
誘導障害防止設備 中和変流器・連結方式 通信線への電磁誘導障害を低減 大電流が流れる送電線は通信線に誘起電圧を発生させる

3. 送電線の電気的特性

パラメータ 記号 意味 短距離線路 長距離線路
抵抗 R [Ω] 導体の電気抵抗。電力損失の原因 必ず考慮 必ず考慮
リアクタンス X [Ω] 電流の位相遅れによる電圧降下 必ず考慮 必ず考慮
サセプタンス B [S] 線路の対地静電容量による充電電流 無視可（100km以下） 考慮必須
コンダクタンス G [S] コロナ損・漏れ電流 通常無視 通常無視

短距離モデルと長距離モデルの使い分け

電験3種の計算問題は集中定数（R・Xのみ）が主戦場。サセプタンスBは100km以下では無視できる。無視できる根拠は「線路の対地静電容量による充電電流は線路長が短いほど小さく、電圧降下への寄与が十分小さいから」。長距離（超高圧・長距離幹線）では充電電流が無視できなくなり、フェランチ効果など特有の現象が現れる。

短距離モデル（集中定数）: R と X のみで計算（電験3種の主戦場）

長距離モデル（分布定数）: R・X・B を分布定数として扱う（電験3種では概念問題として出題）

4. 架空送電線路の障害比較表

障害 種類 原因 主な対策
雷害 直撃雷（ライン側への直撃） 落雷が導体に直撃 架空地線の設置（遮蔽角を小さく）
雷害 誘導雷（感応雷） 落雷の電磁界変化が誘起電圧を発生 避雷器（アレスタ）の設置
雷害 逆フラッシオーバー 鉄塔の大地抵抗が高く、雷撃後に塔電位が上昇してがいしが絶縁破壊 接地抵抗低減（埋設地線）
コロナ障害 コロナ放電 導体表面の電界がコロナ臨界電界を超える 太い導体・多導体方式・コロナリング
振動 微風振動 弱風でカルマン渦が生じ導体が上下振動 ストックブリッジダンパの設置
振動 ギャロッピング 着雪した導体が強風で大振幅振動 オフセット架線・スペーサ
塩害 塩分汚損フラッシオーバー 塩分付着でがいし表面が導電化 耐塩がいし・シリコーン塗布・洗浄
スリート スリートジャンプ 着氷雪が一斉脱落して導体が跳ね上がる オフセット配置（上下相を互い違いに）
フラッシオーバー 雷サージによる絶縁破壊 雷サージ電圧ががいし連の絶縁強度を超える 避雷器・不平衡絶縁

コロナ放電が起きる物理的理由

導体表面の電界強度が空気の絶縁破壊電界（約30kV/cm）を超えると、周囲の空気がイオン化されてコロナ放電が発生する。電界強度は「導体表面から外側に向かって反比例（1/r）で減少」するため、導体の半径が小さいほど（細い導体ほど）同じ電圧でも表面電界が高くなる。多導体方式や太い導体を使う理由は「単位長さあたりの等価半径を大きくして表面電界を下げる」ことにある。

逆フラッシオーバーが起きる物理的理由

通常のフラッシオーバーは「導体（高電位）→がいし→鉄塔（接地）」方向に絶縁破壊が進む。逆フラッシオーバーは鉄塔の接地抵抗が高い場合に生じる。落雷 → 鉄塔に雷電流が流れる → 塔基部で電位上昇（V = 雷電流 × 接地抵抗）→ 塔電位が導体電位を上回る → 「鉄塔（高電位）→ がいし → 導体」方向にフラッシオーバー。対策が「接地抵抗の低減」である理由がここにある。

🎯 避雷器（合格基準対応ナビ）

避雷器そのものの素子原理・特性は R07下問6（5 年で 1 問）の単独出題実績がある。本ページでは雷害対策の文脈で登場するが、合格基準では次の 2 観点を押さえれば足りる：

  1. ZnO（酸化亜鉛）素子の非直線性抵抗 → 電気材料 §3 ZnO 素子
  2. 設置位置（変電所周辺機器・GIS 内蔵） → 遮断器 §5 GIS（GIS 一体型に LA 含む）

本領域は 5 年 1 問の番外ポジションのため独立ページは設けず、雷害対策セクションと電気材料ページの ZnO 記述で必要十分。

5. 公式マップ（最重要）

レイヤーA: 電圧降下と電力損失

三相3線式の電圧降下

\[\boxed{\Delta V = \sqrt{3} \cdot I (R\cos\theta + X\sin\theta) \quad [V]}\]
  • \(I\): 線電流 [A]
  • \(R\): 1線あたりの抵抗 [Ω]
  • \(X\): 1線あたりのリアクタンス [Ω]
  • \(\cos\theta\): 受電端の力率、\(\sin\theta = \sqrt{1-\cos^2\theta}\)

送電端電圧（線間）:

\[V_s = V_r + \Delta V\]

電圧降下式の√3と(Rcosθ + Xsinθ)の導出

正確には送電端電圧（相電圧基準）は \(V_s = \sqrt{(V_r + I(R\cos\theta + X\sin\theta))^2 + (I(X\cos\theta - R\sin\theta))^2}\) で、電圧降下 \(\Delta V = V_s - V_r\)。第2項（虚部＝リアクタンス横成分）は \(V_r\) に比べ十分小さいため無視すると、実用近似式 \(\Delta V \approx \sqrt{3}I(R\cos\theta + X\sin\theta)\)（線間換算）が得られる。\(R\cos\theta\) は有効電力成分による降下、\(X\sin\theta\) は無効電力成分による降下を表す。

単相2線式の電圧降下

\[\Delta V = 2I(R\cos\theta + X\sin\theta) \quad [V]\]

往復2線分の降下なので係数が 2。三相の \(\sqrt{3}\) との違いに注意。

電力損失

\[P_{loss} = 3I^2 R \quad [W] \quad \text{（三相3線式）}\]
\[P_{loss} = 2I^2 R \quad [W] \quad \text{（単相2線式）}\]

電力損失が力率と直接関係しない理由

\(P_{loss} = 3I^2 R\) には cosθ が入っていないが、これは「力率が無関係」という意味ではない。同じ有効電力Pを送る場合、力率が低いと電流Iが大きくなる（\(I = P / (\sqrt{3}VL\cos\theta)\)）。その大きな電流が \(I^2 R\) の損失を増やす。力率の影響は「電流Iの中に織り込まれている」ため、損失式そのものには cosθ が陽に現れない。

レイヤーB: 効率・電圧降下率・フェランチ効果

送電効率

\[\eta = \frac{P_r}{P_s} \times 100 = \frac{P_r}{P_r + P_{loss}} \times 100 \quad [\%]\]
  • \(P_r\): 受電端電力 [W]
  • \(P_s\): 送電端電力 [W]

百分率電圧降下率

\[\delta = \frac{\Delta V}{V_r} \times 100 \quad [\%]\]

フェランチ効果

定義: 軽負荷時・無負荷時に受電端電圧が送電端電圧より高くなる現象。

フェランチ効果が起きる物理的理由

長い送電線や地中ケーブルは対地静電容量（サセプタンスB）が大きく、負荷がない（または軽負荷の）状態でも静電容量への充電電流（進み電流）が流れる。この進み電流がリアクタンスXを通過すると「電圧上昇（+jX）」の方向に作用する。つまり受電端 → 送電端の方向に電圧が下がるのではなく、逆に受電端の電圧が押し上げられる。深夜の軽負荷時や地中ケーブルが長い系統で特に問題になり、分路リアクトル（シャントリアクトル）を接続して進み電流を吸収・打ち消す対策が取られる。

対策: 分路リアクトル（シャントリアクトル）を設置して進み電流を吸収する。

6. 解法パターン（最重要）

パターン①: 三相3線式の電圧降下計算

見分け方: 「三相3線式」「送電端・受電端の電圧差」「力率」が与えられている

手順:

Step 1: 受電端電力・電圧・力率から線電流 I を求める
        P_r = √3 × V_r × I × cosθ
        → I = P_r / (√3 × V_r × cosθ)

Step 2: 電圧降下を計算
        ΔV = √3 × I × (R cosθ + X sinθ)

Step 3: 送電端電圧を求める
        Vs = Vr + ΔV

例題: 三相3線式、受電端電圧 Vr = 66kV、受電電力 20MW、力率 0.8（遅れ）、R = 10Ω、X = 15Ω のとき送電端電圧は？

\[I = \frac{20 \times 10^6}{\sqrt{3} \times 66 \times 10^3 \times 0.8} = \frac{20 \times 10^6}{91,455} \approx 218.7 \text{ A}\]
\[\sin\theta = \sqrt{1 - 0.8^2} = 0.6\]
\[\Delta V = \sqrt{3} \times 218.7 \times (10 \times 0.8 + 15 \times 0.6) = \sqrt{3} \times 218.7 \times 17 \approx 6,439 \text{ V} \approx 6.44 \text{ kV}\]
\[V_s = 66 + 6.44 \approx 72.4 \text{ kV}\]

パターン②: 電力損失の計算

見分け方: 「線路損失」「電力損失」「銅損」のキーワード

手順:

Step 1: 受電端電力・電圧・力率から線電流 I を求める（パターン①と同じ）
Step 2: P_loss = 3I²R を計算
Step 3: 送電効率 η = Pr / (Pr + P_loss) × 100 を求める（問われた場合）

Rの定義を誤解する引っかけ

Rは「1線あたりの抵抗」。問題で「1kmあたり0.1Ω、線路長50km」と与えられた場合 R = 0.1 × 50 = 5Ω。三相3線式でも「往復」分を足してはいけない（3I²Rの「3」がすでに3線分の損失を意味している）。単相2線式のみ往復（2R）を意識する。

パターン③: 百分率電圧降下率

見分け方: 「百分率電圧降下」「%電圧変動」のキーワード

手順:

Step 1: ΔV を計算（パターン①と同じ手順）
Step 2: δ = ΔV / Vr × 100 [%]

注意: \(V_r\) は線間電圧か相電圧かを統一すること。

パターン④: 三相/単相の判別と係数

方式 電圧降下 ΔV 電力損失 \(P_{loss}\)
三相3線式 \(\sqrt{3} I(R\cos\theta + X\sin\theta)\) \(3I^2R\)
単相2線式 \(2I(R\cos\theta + X\sin\theta)\) \(2I^2R\)
単相3線式 \(I(R\cos\theta + X\sin\theta)\)（片側） \(2I^2R\)（電圧線2本分。平衡負荷なら中性線電流0）

パターン⑤: たるみ（弛度）と実長

見分け方: 「たるみ」「弛度」「電線の実長」「支持点間の水平張力」のキーワード

重要公式：たるみと実長

\[D = \frac{WS^2}{8T} \quad [\mathrm{m}] \qquad L = S + \frac{8D^2}{3S} \quad [\mathrm{m}]\]
記号 意味 単位
D たるみ（弛度） m
W 電線1 mあたりの合成荷重（自重＋氷雪＋風圧） N/m
S 径間（支持点間の水平距離） m
T 電線の水平張力（最低点の張力） N
L 電線の実長 m
  • たるみは 径間の2乗に比例、張力に反比例
  • 実長は径間よりわずかに長いだけ（\(\frac{8D^2}{3S}\) は小さい補正項）

因果で理解する：気温が上がる → 電線が熱膨張して実長Lが増える → たるみDが増える → 地上高が下がる（電線は張力が緩む）。逆に冬は張力が増して断線リスクが上がる。氷雪付着はWを増やしてたるみと張力の両方を増加させる。

手順:

Step 1: 合成荷重 W を求める（自重＋氷雪荷重は代数和、風圧荷重は直角方向なので √(縦²＋横²)）
Step 2: D = WS²/(8T) に代入
Step 3: 実長を問われたら L = S + 8D²/(3S)

例題: 径間250 m、電線の合成荷重20 N/m、水平張力25 kNのときのたるみと実長は?

→ D = 20 × 250² / (8 × 25,000) = 1,250,000 / 200,000 = 6.25 m → L = 250 + 8 × 6.25² / (3 × 250) = 250 + 312.5 / 750 = 250 + 0.42 = 約250.4 m

落とし穴

  • Tは水平張力（電線最低点の張力）。支持点の張力ではない
  • 分母は 8T（「4T」「2T」との取り違えが典型誤答）
  • 実長の増分はわずか（径間250 mでも数十cm）。「たるみ6 mなら実長も6 m増」は誤り
  • 風圧荷重は自重と直交するのでベクトル合成（単純加算しない）

7. 引っかけパターン

引っかけ①：√3 の括弧の外し忘れ

誤った式: \(\Delta V = \sqrt{3} I \cdot R \cos\theta + X \sin\theta\)（括弧を付け忘れる）

正しい式: \(\Delta V = \sqrt{3} I (R\cos\theta + X\sin\theta)\)

\(\sqrt{3}\) は \((R\cos\theta + X\sin\theta)\) の外側全体にかかる。括弧を外すと計算が大きく変わる。試験では選択肢の数値差が大きいため誤りに気づきやすいが、途中式での見落としに注意。

引っかけ②：フェランチ効果で受電端電圧が低くなると誤解する

感覚的には「送電端から受電端に向かって電圧が下がる」はずなのに、フェランチ効果では逆に受電端電圧が高くなる。「軽負荷・無負荷時」「長距離線路・地中ケーブル」という条件がキーワード。進み電流（充電電流）が原因であることを理解していないと誤答する。

引っかけ③：コロナ放電が「低電界」で起きると誤解する

コロナ放電は導体表面の電界が高い（臨界電界を超える）場合に発生する。「コロナ = 高電圧 = 危険」という感覚からは正しい方向性だが、「電界が低い場合に発生する」という誤りの選択肢で引っかかるパターンがある。

引っかけ④：線電流と相電流を混同する

Y結線: 線電流 = 相電流（\(I_L = I_P\)）

Δ結線: 線電流 = \(\sqrt{3}\) × 相電流（\(I_L = \sqrt{3} I_P\)）

電圧降下の式で使う \(I\) は線電流。問題がΔ結線の場合は相電流から線電流に変換する。

8. 正誤判定の急所

文 判定 解説
送電線の電力損失は電流の2乗に比例する 正 \(P_{loss} = 3I^2R\)。電流が2倍になると損失は4倍
架空地線は雷の直撃から導体を守るために設置する 正 遮蔽角を小さくするほど保護効果が高い
コロナ障害は電線表面の電界が低い場合に発生する 誤 電界が高い（臨界電界を超える）場合に発生する
三相3線式の電圧降下は \(\Delta V = \sqrt{3} I R \cos\theta\) である 誤 リアクタンス項 \(X\sin\theta\) が抜けている。\(\Delta V = \sqrt{3}I(R\cos\theta + X\sin\theta)\)
フェランチ効果は重負荷時に発生しやすい 誤 軽負荷・無負荷時に発生する。充電電流が支配的になる条件
微風振動対策にはストックブリッジダンパが使われる 正 導体の振動エネルギーをダンパで吸収する
単相2線式の電圧降下は三相3線式と同じ式で計算できる 誤 単相2線式は \(\Delta V = 2I(R\cos\theta + X\sin\theta)\)（係数が2）
逆フラッシオーバーの防止には接地抵抗を下げることが有効 正 鉄塔の接地抵抗を下げると雷撃時の塔電位上昇を抑制できる

9. 出題実績

📚 横断一覧: 分野別一覧（該当分野） ／ 年度別一覧

出題数約45問。論説が中心で、計算は電圧降下・電力損失が主体。

年度 問 タイトル 問題タイプ 難易度
R07下 問8 架空送電線路の振動及び落雷に関連する設備 論説 ★★★☆☆
R07下 問9 架空送電線路の雷による過電圧とその対策 論説 ★★★☆☆
R07下 問11 直流送電の交流送電と比較した特徴 論説 ★★☆☆☆
R07上 問8 架空送電線路の構成部品 論説 ★★★☆☆
R07上 問9 架空送電線路に発生する誘導障害 論説 ★☆☆☆☆
R06下 問8 がいしの塩害とその対策 論説 ★★★☆☆
R06上 問8 送電線に発生する振動とその対策 論説 ★★★★☆
R06上 問9 電力系統に現れる過電圧の種類と対策 論説 ★★★☆☆
R05下 問8 架空送電線路の構成要素 論説 ★★☆☆☆
R05下 問9 送電線路に施設する架空地線 穴埋 ★☆☆☆☆
R05上 問9 送電線に発生するコロナ損 穴埋 ★★☆☆☆
R04下 問8 架空送電線路の構成要素 論説 ★★☆☆☆
R04上 問10 送電線の各振動の発生原因と名称 穴埋 ★★★☆☆
R03 問10 架空送電線のがいしの塩害及びその対策 穴埋 ★★★☆☆
R02 問6 架空送電線路における振動及び落雷対策 論説 ★★★☆☆
R02 問10 架空送電線路の線路定数とその考え方 穴埋 ★★★☆☆
R01 問9 架空送電線の構成部品 論説 ★★★☆☆
R01 問10 コロナ放電によるコロナ損 穴埋 ★★★☆☆
H30 問9 架空送電線の多導体方式 論説 ★★★☆☆
H28 問8 誘導障害 論説 ★★★★☆
H26 問8 架空送電線路の雷害対策 論説 ★★★☆☆
H25 問8 架空送電線路の構成要素 論説 ★★★★☆

R08出題予測

R07で振動・雷害が連続出題。R08ではコロナ（R05上以来未出題）か、塩害（R06下出題済みで間が空く）の論説が有力。計算問題は電圧降下（三相3線式の基本パターン）が毎年のように問われており継続濃厚。

関連ページ