どうして高電圧で送電するの
直流発電エジソンと交流発電の送電対決
2004年3月16日
＜送電線の損失を少なくするには＞
電線にも抵抗はあります。この抵抗のためにせっかく発電した電気が無駄に使われてしまいます。
その電線の損失を減らすために多くの対決と頭脳が結集されているのです。
簡単な解決法は送電線の抵抗を減らすことです。そのためには
①電線を太くすることにより、送電線の抵抗を減らす。
②発電所からの距離を短くすることにより、送電線の抵抗を減らす。
＜実現しなっかた。理由＞
①電線を太くすると電線の材料費がかさむので設備費がかかりすぎる。自重が重たくなる
②多くの発電所を町の中に作らなくてはならない。これも設備費がかさむ
＜解決する理論は電圧を上げろ＞
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家で１０００Ｗのオーブントースターを
使ってパンを焼くのを例に、
発電所からの送電線の抵抗を２Ωとして、
計算してみると
①トースターに１００Ｖをかけたときの送電線の損失
流れる電流は Ｉ＝Ｐ／Ｖ＝１０００／１００＝１０Ａ
製品のトースターは１０００Ｗになるように
トースター抵抗Ｒ＝Ｖ／Ｉ＝１００／１０＝１０Ω
の発熱線を使用して会社は売り出すものとします。
よって送電線抵抗での電圧はＶ＝Ｉ・Ｒ＝１０×２＝２０Ｖ
このときの送電線の損失はＰ＝Ｖ・Ｉ＝２０×１０＝２００Ｗ
(Ｐ＝Ｖ・Ｉ＝Ｒ・Ｉ・Ｉ＝Ｒ・Ｉ＾２＝２×１０＾２＝２００Ｗ）
(Ｐ＝Ｖ・Ｉ＝Ｖ・Ｖ／Ｒ＝（Ｖ ＾２）／Ｒ＝（２０＾２）／２＝２００Ｗ）
発電所の発電電圧は１００Ｖ＋２０Ｖ＝１２０Ｖです。
②トースターに２００Ｖをかけたときの送電線の損失
流れる電流は Ｉ＝Ｐ／Ｖ＝１０００／２００＝５Ａ
製品のトースターは１０００Ｗになるように
トースター抵抗Ｒ＝Ｖ／Ｉ＝２００／５＝４０Ω
の発熱線を使用して会社は売り出すものとします。
よって送電線抵抗での電圧はＶ＝Ｉ・Ｒ＝５×２＝１０Ｖ
このときの送電線の損失はＰ＝Ｖ・Ｉ＝１０×５＝５０Ｗ
(Ｐ＝Ｖ・Ｉ＝Ｒ・Ｉ・Ｉ＝Ｒ・Ｉ＾２＝２×５＾２＝５０Ｗ）
(Ｐ＝Ｖ・Ｉ＝Ｖ・Ｖ／Ｒ＝（Ｖ ＾２）／Ｒ＝（１０＾２）／２＝５０Ｗ）
発電所の発電電圧は２００Ｖ＋１０Ｖ＝２１０Ｖです。
発電所の電圧を高くした方が送電線の損失は減少します
Ｐ＝Ｒ・Ｉ＾２の式より電流が低いと損失が少ないといってもよいかも
（ Ｐ＝Ｒ・Ｉ＾２の式には電圧が消えているので送電線部分の電流で
説明が出来るので、説明しやすくスマートである）
＜トースター抵抗をどうして計算するのか＞
トランスを使用すると２次側をいつも１００Ｖとして固定すると
１次側と２次側の電力は同じなので２次側で消費される
電力だけを考えれば製品の抵抗を計算する必要はないが
上記の図ではトランスを使用していないので
ここでは念のために計算を入れました。 |
＜危険な高電圧とトランスなどの発明＞
電圧を上げると雷と同じで放電や接触によって感電の危険性が増します。
電圧を上げると送電線の損失が減ることがわかっているが、家の近くでこのような高電圧で送電すのは危険性のために高電圧にすることができない。
これによりお金のあるエジソンの直流発電が勝利を収めていた。
しかし、１８８２年にファラデーの電磁誘導現象を基礎に、フランスのゴラール（Ｌ．Ｇａｕｌａｒｄ）とイギイスのギブズ（Ｊ．Ｇｉｂｂｓ）によって実用的なトランスが発明された。トランスは交流しか変圧できないので交流発電には天からの贈り物なのである。
また、電球だけなら関係ないが、この時期に広まった蒸気機関に変わる直流電動機が中小工場のなかで欠かすことの出来ないものになっていた。この問題も交流発電を支持したテスラにより２相発電機と２相電動機が発明されたことや三相交流技術の確立などの多くの理論や発明が直流発電から交流発電に変わる力となった。
これにより、現在は遠く離れたダムなどからの発電所から、鉄塔で２２０万ボルトで送電して、町や家の近くで６万ボルトや２００ボルトなどに変圧して送電による損失を少なくして、電気を伝えることができるのです。
送電にも多くの人の理論や発明・お金へのエゴや倒産などの歴史が隠されているものなのかもしれません。
（参考文献：「新版 電気の技術史」山崎俊雄・木元忠昭 共著 オーム社） |
＜昔の私の疑問から＞
電気を高電圧で送る理由は電力はＰ＝Ｖ・Ｉなので式をＶ＝Ｉ・Ｒで展開すると
Ｐ＝Ｒ・Ｉ・Ｉ＝Ｒ・Ｉ＾２だから電流を少なくした方が損失が少なくなると説明していた
しかし私はどうしてもこの説明が納得いかなかったのです。
それはＰ＝Ｖ・ＩをＩ＝Ｖ／Ｒで展開すると
Ｐ＝Ｖ・Ｖ／Ｒ＝（Ｖ＾２）／Ｒとなり電圧を高めると損失が大きくなる
よって高電圧で送電すると損失は高くなるとなり、
何だかＰ＝Ｒ・Ｉ＾２の公式で説明していることが
だまされているような気持ちだったからです。
高電圧にするとどうして送電線抵抗部の電圧が減るのかを説明せずに
Ｐ＝Ｒ・Ｉ＾２の公式が一人歩きをしているような気がします。
（電圧を消すことによって電流だけが関係しているように綺麗に式を見せている）
発電所が高電圧で送電すると送電線への電流が減少して、
それにより送電線の抵抗値は一定のため
送電線抵抗部の電圧も減少するので
電力の式Ｐ＝Ｖ・ＩをＩやＶで展開しても
送電線部の抵抗による損失は Ｒ・Ｉ＾２＝（Ｖ ＾２）／Ｒ で同じになります。
（ここでのＶは送電線部分の電圧であり、発電所の電圧ではない。）
上記の話で納得できたのでページにまとめてみました。
投稿者：愛知県刈谷工業高校 児島高徳
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