バスバー温度上昇の計算: 式、例、IEC および UL 制限

定期的な温度上昇テスト中に、2000 A 配電盤の主バスバーが周囲温度より 112 K、制限値を 7 K 上回る温度に達したために故障しました。導体のサイズは、より低温で動作する以前の設計からコピーされました。違いは負荷ではありませんでした。それは、エンクロージャの換気、材料の選択、導体の形状によって設定された熱バランスでした。

温度上昇により、バスバーの連続定格、絶縁体の寿命、ボルト接合部の安全性が決まります。この記事では、ヒートバランスからバスバー温度上昇の計算を説明し、2000 A の設計例を示し、IEC 61439-1 および UL 891 の制限を要約します。

定常状態の熱バランスから始める

定常状態では、バスバー自体の抵抗によって発生する熱が周囲に放出される熱と等しくなるとき、バスバーは安定した温度に達します。つまり、バスバーには単一の固定定格はありません。冷却環境によって温度上昇曲線が変化します。

発生する熱はジュール熱です。 Q_gen = I² × R_ac .

拒否された熱は対流と放射によって排出されます。 Q_diss = h × S × ΔT ε × σ × S × (T _s ⁴ -T _a ⁴ ) .

設計作業では、両方の損失パスが等価係数 h に結合され、次のようになります。

ΔT = (I² × R_ac) / (h × S)

ここで:

I - 実効値電流 (A)
R_ac - 動作温度での AC 抵抗 (Ω)
h - 対流係数と放射係数の組み合わせ (W/m²・K)
S - 有効冷却表面積 (m²)
ΔT - 周囲温度 (K) を超える温度上昇

この関係は二次関数であり、電流が 2 倍になると損失は 4 倍になります。 800 A で低温を維持するバーは、同じキュービクル内で 1250 A で過熱する可能性があります。

160 × 10 mm 銅バーの温度上昇と電流

実用的なサイジング公式

迅速に推定するために、エンジニアは熱バランスを電流形式に再配置します。

I = K × √(A × ΔT)

ここで、A は断面積 (mm²)、ΔT は K の許容上昇値、K は抵抗率、表面仕上げ、通気性をまとめた経験的定数です。最小セクションは次のとおりです。

A = I² / (K² × ΔT)

I = K・√(A・ΔT) の経験的な K 値 (A 単位は mm²、ΔT 単位は K)。低い値は、換気の悪いアセンブリに適しています。
アレンジメント	銅(K)	アルミニウム(K)
フリーエアの単一バー	11-13	8.5-10
換気されたエンクロージャ内のバー	9-11	7-8.5
密閉または換気のない囲い内のバー	7-9	5.5-7

これらの定数を開始点として扱います。最終設計は、特にコンパクトなアセンブリの場合、計算または型式テストによって検証する必要があります。

使用例: 2000 A 銅バスバー

換気されたエンクロージャ内で 40 K の許容上昇を伴う 2000 A LV 配電盤バスバーのサイズを決定します。

ステップ 1 - 材料定数を選択する

換気されたエンクロージャ内の銅の場合、K = 8.5 (ミッドレンジ) を採用します。

ステップ 2 - 最小断面積を計算する

A = 2000² / (8.5² × 40) = 4,000,000 / 2890 = 1384 mm²

ステップ 3 - 標準バーを選択する

160 × 10 mm のバーでは 1600 mm² となり、最小値より約 16% 大きくなります。 125 × 12 mm バー (1500 mm²) も多くのパネルレイアウトに適合します。

ステップ 4 - 結果として生じる温度上昇を確認する

ΔT = (2000 / 8.5)² / 1600 = 34.6 K 、40 K 制限を下回っています。 2400 A では、同じバーが 49.8 K まで上昇し、制限を超えます。電流の最後の 20% により、温度上昇が約 44% 増加します。

銅とアルミニウム: 計算で何が変わるのか

材料の選択により K が変わり、したがって物理的なセクションが変わります。アルミニウムは銅よりも抵抗率が約 64% 高いため、同じ電流と上昇に対して約 1.6 ～ 1.7 倍の断面積が必要になります。その代わり、重量が約 70% 軽くなり、サポートの負荷が軽減され、長期走行ではより大きなセクションの価格を相殺できます。

同じ電流と温度上昇に対する材料の比較。アルミニウムは重量を軽減しますが、より大きなセクションと慎重な接合の準備が必要です。
プロパティ	銅	アルミニウム
20℃における抵抗率（Ω・mm²/m）	0.0172	0.0282
温度係数 (1/K)	0.00393	0.00403
同じ断面積での相対電流容量	1.00	~0.78
同じ電流容量に必要な断面積	ベースライン	～1.6倍
同じ電流容量の重量	ベースライン	~50% 削減

2000 A、40 K の例では、アルミニウムには約 2367 mm² が必要で、通常は 1 相あたり 2 つの 100 × 12 mm バーが必要です。アルミニウム接合部も、表面の酸化膜により接触抵抗が増加し、ホットスポットが発生するため、慎重な表面処理が必要です。

40 K ライズで 2000 A に必要な断面積

Magnesium-Aluminum Alloy Tubular Busbar for High-Voltage Stations

高圧所用マグネシウム・アルミニウム合金管状母線この管状バスバーラインは、複数の合金と最大 1000 kV の電圧クラスをカバーしており、熱制限と機械的強度の両方が重要となる大電流の屋外変電所用の導体のサイズを決定する際に実用的な選択肢となります。製品を見る→

アルミニウムは屋外変電所の管導体としても一般的です。熱理論は同じですが、チューブはフラットバーよりも単位断面積あたりの冷却表面積が少ないため、適切なアルミニウム合金管状バスバーの選択許容温度上昇から始めて、次に機械的強度を考慮します。

表皮効果とバーの形状

50/60 Hz では、電流が表面に集中するため、AC 抵抗が DC 抵抗を超えます。 160 × 10 mm などの幅の広い薄いバーは、同じ断面の 50 × 32 mm のバーよりも優れた AC/DC 比を持ちます。これは、より多くの材料が冷却面近くに留まるためです。

可能な限り、幅と厚さの比率を 10:1 以上に保ってください。フェーズごとに複数のバーの場合は、各表面が熱を放散できるように、少なくとも 1 つのバーの厚さだけ間隔をあけてください。

周囲温度、エンクロージャ、およびディレーティング

温度上昇は違いですが、断熱材と機器の定格は絶対温度です。 40 K の上昇は、周囲 35 °C では安全ですが、周囲 45 °C では許容できません。常に、許容される上昇を絶対導体温度に変換してください。 T = T_周囲ΔT .

自由空気定格に適用されるおおよそのディレーティング係数。自由空気電流容量に関連する係数を掛けます。
状態	ディレーティング係数
換気されたエンクロージャ	0.85～0.92
密閉（非通気）エンクロージャ	0.70～0.80
周囲温度は 35 °C ではなく 40 °C	0.93～0.98
標高2000m	~0.95

エンクロージャの設計は、導体の計算自体よりも多くの失敗を引き起こします。密閉された IP54 キュービクルでは、対流がほぼなくなるため、自由空気に比べて定格を 20 ～ 30% 削減できます。

対流 - 70%
放射線 - 22%
サポート - 8%

Fully Enclosed Power Busway with High Current Rating

高電流定格を備えた完全密閉型電力母線エンクロージャの設計により電流容量が 20 ～ 30% 削減される可能性があることを考慮すると、この工場で製造された母線路は、テスト済みの温度上昇と最大 6300 A の定格を備えており、IP54 または密閉環境での設置の推測を排除します。製品を見る→

既知のエンクロージャを備え、温度上昇がテストされた工場で製造されたバスウェイでは、この推測の多くが排除されます。カタログ評価には、定義された熱テストがすでに反映されています。

規格と温度上昇許容値

ほとんどの開閉装置の仕様は、IEC 61439-1 または UL 891 を引用しています。どちらも、裸の導体ではなく、組み立てられた製品の温度上昇を検証します。以下の値は一般的に使用される制限値です。標準の契約版が優先されます。

内部バスバーシステムの一般的に参照される温度上昇制限。プロジェクト標準と照らし合わせて検証します。
標準	コンポーネント	一般的な制限
IEC 61439-1	外部導体用端子	70K
IEC 61439-1	裸の銅の内部接続	105K
IEC 61439-1	裸のアルミニウムの内部接続	90K
UL 891	配電盤の主母線	65K

導体が絶縁されると、絶縁材料には最大連続動作温度があるため、上昇限界は低下します。次に、チェックは導体と絶縁の界面にあるホットスポットを対象にし、絶縁の厚さが熱抵抗の一部になります。

Epoxy Resin Cast Tubular Busbar with Integrated Insulation

絶縁一体型エポキシ樹脂鋳造管状バスバーこの製品のワンショット成形絶縁体とシールドは、導体と絶縁体の境界面のホットスポットに対処します。長寿命の難燃性構造は、連続導体温度と表面温度の両方を検証する必要がある用途に適しています。製品を見る→

完全に絶縁された管状バスバーしたがって、導体温度と外表面温度の 2 つのチェックが必要です。短絡状態の場合、この連続計算は適用されません。代わりに耐障害性の断熱方程式を使用します。

避けるべきよくある計算ミス

AC抵抗の代わりにDC抵抗を使用する - スキン効果と近接効果により、大きなバーでは 10 ～ 30% の損失が追加されます。
密閉バスバーへの自由空気定格の適用 - 密閉されたエンクロージャは定格を 20 ～ 30% 低下させます。
周囲の基準を無視する - 90 K の上昇は 35 °C では問題ありませんが、50 °C では多くの絶縁限界を超えます。
高調波の忘却 - 三重高調波により、RMS 電流と発熱が基本値を超えて増加します。
偶発的な負荷ではなく公称負荷に合わせたサイジング - 常に最大の信頼できる動作電流を確認してください。
ジョイントと終端の無視 - 不十分なボルト締結は、主導体が故障する前に故障します。

よくある質問

バスバーの温度上昇はどのように計算しますか?

使用する ΔT = (I/K)²/A または熱バランス ΔT = I²R/(hS) 、次に結果をコンポーネントに適用される標準制限と比較します。

バスバーの許容温度上昇はどのくらいですか?

IEC 61439-1 では、通常、裸銅の内部接続に 105 K が許可されています。 UL 891 は、65 K での配電盤バスバーに対してより厳格です。代わりに、絶縁導体は絶縁温度クラスに従います。

同じ電流を流した場合、アルミニウムは銅よりも熱くなりますか?

同じ断面と電流であれば、そうです。アルミニウムが同じ定常状態の温度上昇に達するには、銅の断面積の約 1.6 倍が必要です。

計算にはどのような周囲温度を使用する必要がありますか?

使用する the maximum specified ambient, usually 35 °C or 40 °C. The conductor temperature equals ambient plus the calculated rise, and both must stay within the material or insulation limit.

バスバー温度上昇の計算は学術的ではありません。配電盤が型式試験に合格するかどうか、暑い午後に母線道路に銘板電流が流れるかどうか、断熱材の劣化が早まるかどうかが決まります。信頼できる最大電流で計算し、現実的なエンクロージャの定格を適用し、材料と断面積が熱環境に適合する導体を選択します。

アプリケーションに高電流または限られたスペースが含まれる場合、型式テスト済みのバスバーおよびバスウェイ製品を備えたメーカーが、ハードウェアとサポートする熱文書の両方を供給できます。

ニュース