電験三種の送電・配電｜電圧降下・電力損失・地中電線路の解き方

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電験三種の送電・配電はどこで出る？

『送電と配電って、電力科目のどのくらいを占めるの？』と気になりますよね。

電力科目の範囲は、発電所・蓄電所・変電所の設計と運転、送電線路と配電線路の設計と運用、電気材料です。送電と配電は、このうち電気を運ぶ部分を受け持っています。

電力科目全体の進め方は電験三種の電力で紹介しています。この記事では、送電と配電に絞って見ていきますね。

電気が届くまでの道のり

電気は、発電所で作られてから、いくつかの変電所を通って使う場所に届きます。

1. 発電所で作った電気の電圧を上げる
2. 送電線で遠くの変電所まで運ぶ
3. 変電所で何段階かに分けて電圧を下げる
4. 配電用変電所から配電線で地域に配る
5. 柱上変圧器などで低い電圧にして各家庭や店に届ける

例えば、山あいの水力発電所で作った電気が、街の住宅のコンセントに届くまでをイメージしてみてください。このうち2が送電、4と5が配電です。

変電所の機器や保護の仕組みは電験三種の変電所で紹介しています。

送電と配電、架空と地中の違いを比べる

『送電と配電の違いを聞かれても、なんとなくしか答えられない』という方もいるはずです。

まずは、違いを表で並べてみます。

架空電線路と地中電線路の違い

電線を鉄塔や電柱で空中に張るのが架空電線路、地面の下にケーブルを通すのが地中電線路です。

試験では、地中電線路の特徴を架空と比べて問う知識問題がよく見られます。違いを表にしておきます。

地中ケーブルの敷設方式

地中ケーブルの埋め方は、主に直接埋設式・管路式・暗きょ式の3つです。

『3つの名前は覚えたけど、特徴が混ざる』という時は、「掘り返しが要るか」「熱がこもるか」「費用」の3点で比べてみてください。

問題文で解き方を決める判定表

『どの公式を使えばいいか、毎回迷ってしまう』という方は多いですよね。

ここが大事なところです。計算を始める前に、次の表で問題文の言葉を照らし合わせてみてください。

三相交流の√3の関係があいまいな方は、電験三種の三相交流で先に確かめておくと、この先の計算がずっと楽になります。

電圧降下・電力損失・たるみの計算の型

『電圧降下の式に、なぜcosとsinが出てくるの？』と疑問に思う方もいますよね。

電圧降下は、電流が抵抗Rとリアクタンスを通る時の電圧の落ち方です。電流と電圧の向きのずれ（力率）によって、RとXがそれぞれどれだけ効くかが変わるため、cosθとsinθが掛かります。

配電方式ごとの電圧降下の式

電圧降下の式は、配電方式によって係数が変わります。

単相2線式は、行きと帰りの2本分なので2倍です。単相3線式は、平衡していれば中性線に電流が流れないので、片側の1本分になります。

例題1：三相3線式の電圧降下

自作の例題で流れを確かめます。

『送電端電圧6,600Vの三相3線式配電線で、こう長3km、1線あたりの抵抗0.3Ω/km、リアクタンス0.4Ω/km。負荷電流150A、力率0.8（遅れ）の時、受電端電圧は？』

例題2：同じ線路の電力損失

例題1の線路で、電力損失を出してみます。

3本の電線それぞれで I²R の損失が出るので、3 × 150² × 0.9 ＝ 60,750W、約60.8kWです。

ここでよく聞かれるのが「電圧を上げると損失はどうなるか」です。同じ電力を送るなら、電圧を2倍にすると電流は半分になり、損失は電流の2乗なので4分の1になります。

例えば、電験で「送電に高い電圧を使う理由」を聞かれたら、この表の1行目が答えの中心になります。電流が小さくなるので、損失も電圧降下も小さくできるんです。

例題4：力率を1にすると電圧降下はどうなる？

例題1と同じ線路で、負荷の有効電力は変えずに、コンデンサで力率を1にしたとします。

有効電力が同じなら、電流は力率に反比例します。150 × 0.8 ÷ 1 で、電流は120Aに減ります。

例題1の約374Vから、ほぼ半分まで減りました。『力率を良くするだけで、こんなに変わるの？』と思いますよね。電流が減るうえに、リアクタンスの効く分が消えるからなんです。

一様に負荷が分布している時

配電線の途中に負荷が均等に並んでいる問題もあります。

この場合の電圧降下は、同じ大きさの負荷が末端に集中している時の半分になります。電力損失は3分の1になる、と並べて覚えておくと便利です。

たるみと電線の実長の計算

たるみ D は D = WS² ÷（8T）で求めます。径間を2倍にするとたるみは4倍、張力を2倍にするとたるみは半分になります。

『たるみの問題は、式は覚えているのに単位で間違える』という声もよく聞きます。

式の記号は、Wが電線1mあたりの重さ（荷重）、Sが径間（電柱や鉄塔の間の距離）、Tが水平張力です。WをN/m、Sをm、TをNでそろえると、Dはmで出ます。

例題3：たるみと実長

『径間200m、電線の荷重10N/m、水平張力20,000Nの時、たるみと電線の実長は？』

実長は径間よりほんの少し長いだけです。『たるみが2.5mもあるのに、長さは8cmしか増えないの？』と驚きますよね。

この「少しの長さの差でたるみが大きく変わる」性質から、温度で電線が伸び縮みするとたるみが変わる問題にもつながります。

送電・配電の知識問題で押さえたい言葉

『知識問題は、暗記するしかないの？』と思う方もいますよね。

実は、「何が起きて、どう防ぐか」の対で覚えると、選択肢の誤りに気づきやすくなります。

送れる電力を決める式

長い送電線では、送れる電力の大きさも問われます。送電端の電圧Vs、受電端の電圧Vr、線路のリアクタンスX、2つの電圧の位相の差δを使って、P = VsVr sinδ ÷ X と表します。

この式から、電圧を高くするほど、リアクタンスを小さくするほど、たくさんの電力を送れると分かります。sinδは1が上限なので、δが90度の時が理論上の最大です。

例えば「送電容量を増やす方法」を問う選択肢なら、この式とつなげて読めます。電圧を上げる、複導体（多導体）でリアクタンスを下げる、直列コンデンサでリアクタンスを打ち消す、などです。

中性点接地方式の違い

送電線や配電線につながる変圧器の中性点を、どう大地につなぐかにも種類があります。

『直接接地は地絡電流が大きいのに、なぜ使うの？』と感じた方もいるかもしれません。地絡の時に健全な相の電圧が上がりにくいので、機器の絶縁を低く設計できる、というのが理由です。

送電・配電についてよくある相談

相談1：送配電の計算が難しいので、飛ばしても受かる？

電力の送電・配電の計算問題が難しいので、ここは捨てても合格できるか、という相談があります。

『計算は苦手だから、知識問題だけで60点を取りたい』という気持ちはよく分かります。ただ、送電・配電の計算は電圧降下・電力損失・たるみの型がはっきりしていて、型を覚えれば得点しやすい分野なんです。

まずは例題1〜3の3つの型だけ練習してみてください。そのうえで、どうしても時間が足りなければ、ほかの分野との兼ね合いで優先順位を決めましょう。

相談2：長い距離の大電力送電に、なぜ直流を使うの？

送電はふつう交流なのに、長距離の大電力送電で直流送電を使うのはなぜか、という相談もあります。

直流にはリアクタンスの影響がないので、長い線路でも安定度の問題が起きにくく、充電電流も流れません。周波数が違う交流の系統どうしをつなげる点も強みです。

一方で、交流と直流を変換する設備が高価で、高調波の対策も要ります。「利点は線路側、弱点は変換所側」と覚えておくと選択肢を見分けやすいです。

相談3：電圧降下の式は、なぜ近似なの？

高圧配電線の電圧降下の式 v = √3I（Rcosθ ＋ Xsinθ）について、なぜこの形になるのか分からない、という相談もあります。

本当の電圧降下は、送電端と受電端の電圧の大きさの差です。ベクトル図で描くと、電流と直角の向きの成分（IXcosθ − IRsinθ）は大きさにほとんど効かないので、それを省いたのがこの式なんです。

電圧降下が受電端電圧に比べて小さい時は、この近似で十分な精度が出ます。試験でも、ほとんどの問題がこの式で解けるようにできています。

相談4：電力の分野を、どの順番で勉強すればいい？

電力の発電・変電・送電・配電・地中電線路・電気材料・線路計算などを、難しい順に並べてほしい、という相談もあります。

難しさは人によって違うので、順位は決められません。ただ、学ぶ順番なら目安があります。

計算の土台を先に作っておくと、知識問題の「なぜそうなるか」も分かるようになります。

送電・配電の計算に慣れると、法規の計算問題にも同じ考え方が出てきます。電験三種の法規の計算問題もあわせて確かめておきましょう。

よくある質問

まとめ

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