バスバー電流定格の計算方法: 実践的な公式とディレーティングガイド

最近の 400 V 配電盤のアップグレードに関して、請負業者から、1000 A の図面では問題なく見える 50 × 10 mm の銅バスバーが、密閉されたキュービクル内で 78°C で動作しているのはなぜかと尋ねられました。バスバーは基本計算式よりも小さいわけではありませんが、計算では周囲温度、エンクロージャの種類、および平行バーの近接性が無視されていました。簡単に言うと、バスバー電流定格は表から読み取れる単一の数値ではありません。これは、材料、断面、許容温度上昇から始まり、実際の設置条件に合わせて調整される熱計算の結果です。調達または型式テストのために防御可能な定格が必要な場合は、すべてのディレーティング要因を後付けではなく設計の一部として扱います。

中心となる計算式: 断面から始めて、次に出力を下げる

ほとんどの IEC および DIN ベースの計算は、べき乗則の関係から始まります。長方形の棒の場合、定常状態の電流定格は I = K × A^0.62 × ΔT^0.5 として推定できます。ここで、A は断面積 (mm²)、ΔT は周囲温度を超える許容温度上昇 (ケルビン)、K は材料定数および表面定数です。これは DIN 43671 フォームです。これはすべてのジオメトリに対して正確ではありませんが、初期のサイジングやベンダーデータの確認には十分近い値です。

たとえば、A = 500 mm² (50 × 10 mm) および ΔT = 55 K の銅棒は、静止空気中で約 1250 A と計算されます。アルミニウムの同じ断面積は、アルミニウムの方が抵抗率が高く、熱伝導率が低いため、約 20 ～ 25% 低くなります。この違いは、プロジェクトの設計後半で銅からアルミニウムに変更する場合に重要になります。単にマテリアルを交換して同じ評価を維持することはできません。

この式では、バーが孤立していることも前提としています。実際のバスバーシステムでは、バーは筐体内に取り付けられ、絶縁体によって支えられ、多くの場合並列に動作します。これらの条件により、発熱と放熱の両方が変化します。 A と ΔT で停止する計算は出発点であり、最終的な答えではありません。

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数値よりも材質と形状が重要

同じ断面を持つ 2 つのバスバーは、形状、アスペクト比、表面仕上げに応じて異なる電流定格を持つ可能性があります。フラットバーは円形チューブよりも単位長さあたりの表面積が大きいため、熱の放散方法が異なります。直径が大きい管状バスバーは、外周が大きいため、同じ断面積でより多くの電流を流すことができます。 mm² だけを比較すると誤解を招くのはこのためです。

銅とアルミニウム: 計算で何が変わるのか

銅の抵抗率は 20°C で約 1.72 × 10-8 Ω・m ですが、アルミニウムの抵抗率は約 2.82 × 10-8 Ω・m です。それは64%の差です。同じ電流の場合、アルミニウムの方がより多くの熱を発生します。同じ温度上昇を維持するには、アルミニウムの断面積を約 25 ～ 30% 増やすか、周囲温度を下げるか、換気を良くする必要があります。 IEC 61439 アセンブリでは、設計検証で実際の導体材料と絶縁体の温度制限を考慮する必要があります。

高周波における表皮効果と近接効果

50 Hz では、50 mm バーの表皮効果は控えめですが、ゼロではありません。より大きなバーまたはより高い周波数では、電流が表面に向かって集中し、実効抵抗が増加します。平行棒間の近接効果がさらに悪化させます。平行棒の一般的なルールは、2 本の棒が 2 倍の評価を与えることはないということです。間隔に応じて、単一バーの定格の 1.6 ～ 1.8 倍が期待されます。バーが 3 本あると 2.2 ～ 2.5 倍になる場合があります。これらの乗数は計算の代わりにはなりませんが、銘板の評価が保守的に見えることが多い理由を説明しています。

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ディレーティング要因: 実質レーティングが低下する場所

計算された定格と実際の設置の間の最大のギャップはディレーティングです。周囲温度が最初の要素です。周囲温度 40°C で定格されたバーは、55°C での電流の 80 ～ 85% しか通電できません。エンクロージャのタイプも重要です。換気されたエンクロージャでは屋外定格の 90% が許容される場合がありますが、密閉エンクロージャではそれが 70% 以下に低下する可能性があります。標高が 2000 m を超えると、空気密度と冷却が低下するため、追加のディレーティングが必要になる場合があります。

以下の表は、一般的な調整をまとめたものです。メーカーの型式試験やプロジェクト固有の熱研究の代替としてではなく、健全性チェックに使用してください。

産業用設備におけるバスバー電流定格の一般的なディレーティング係数。
要因	代表的な範囲	定格電流への影響
周囲温度が40℃を超える場合	10℃あたり0.80～0.90	許容温度上昇の低下
密閉型エンクロージャ	0.65～0.80	放熱が悪い
平行棒(各相2本)	1.6～1.8×シングルバー	近接効果と不均一な共有
標高2000m以上	1000mあたり0.90～0.95	空気密度と対流の減少
高調波電流 (THD > 15%)	0.85～0.95	追加のRMS加熱と表皮効果

この表には範囲が示されており、正確な値ではないことに注意してください。その理由は、バスバーの定格は、特定のエンクロージャ、バーの間隔、換気開口部、バーが塗装されているか裸であるかによって異なるためです。黒く塗装されたバーは熱をよく放射するため、裸のバーよりも低温で動作しますが、塗装は誘電性能にも影響を与える可能性があります。これは導体だけでなく絶縁システムのトレードオフでもあります。

段階的な計算例

400 V 配電盤の 1000 A 低電圧バスバーを検証する必要があるとします。周囲温度は 35°C、エンクロージャは換気されており、最大導体温度は 105°C まで許容される設計になっています。これにより、ΔT = 70 K となります。50 × 10 mm の単一の銅バーを使用する予定です。

断面積を計算します: A = 50 × 10 = 500 mm²。
I = K × A^0.62 × ΔT^0.5 から基本定格を推定します。静止空気中の銅の場合、A の単位が mm²、ΔT の単位が K である場合、K はおよそ 7.5 になります。I = 7.5 × 500^0.62 × 70^0.5。 500^0.62 ≈ 45.5、70^0.5 ≈ 8.37。 I ≈ 7.5 × 45.5 × 8.37 ≈ 2850 A。これは 1000 A 要件よりも高くなりますが、式では外気と 70 K の上昇を想定しているため、これは正常です。
エンクロージャと換気のディレーティングを適用します。換気されたエンクロージャの場合は、0.85 を使用します。 I ≈ 2850 × 0.85 ≈ 2420 A。
アンビエント補正を適用します。基本周囲温度が 40°C で、実際の温度が 35°C の場合、補正は小さくなります: (105-35)/(105-40) = 70/65 = 1.08。しかし、実際の周囲温度が 45°C の場合、許容上昇は 60 K となり、定格は約 (60/70)^0.5 ≈ 0.93 低下します。 I ≈ 2250 A。
短絡耐量を確認してください。現在の評価はまだ半分にすぎません。また、バーは、許容温度を超えることなく、予想される短絡電流に 1 秒間耐える必要があります。銅の場合、断熱チェックは多くの場合 S ≥ I_sc × √t / k です。ここで、銅の場合、k は約 143 です。 1000 A のバーでは、50 kA の故障の場合、通常の電流の場合よりも大きな断面積が必要になる場合があります。

この例では、バーは 1000 A に対して熱的に適切ですが、最終的な選択はやはり電圧降下、サポート間隔、および短絡力に依存します。よくある間違いは、通常の電流に合わせてバーのサイズを決めてから、サポート絶縁体がピーク故障力に対処できないことが判明することです。これは調達リスクです。後でバーのサイズを変更すると、バスウェイ全体のレイアウトに影響を与える可能性があります。

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評価を最終決定する前のフィールドチェック

計算は必要ですが、それだけでは十分ではありません。バスバーの定格を承認する前に、次の点を確認してください。

ジョイントのトルクと接触圧力。バー自体のサイズが正しい場合でも、接合部が緩んでいると、局所的な温度上昇が 10 ～ 20 K 増加する可能性があります。
サポート間隔。支持されていない長いスパンは 50 Hz で振動し、導体や絶縁体を疲労させる可能性があります。
負荷テスト後の熱画像。絶縁体の近くのホットジョイントまたはホットスポットは、計算で捕捉できなかった問題を示しています。
空間距離と沿面距離。絶縁システムが電圧に耐えられない場合、定格は無効になります。
ドキュメント。計算の前提条件、ディレーティング係数、およびテストレポートを保管してください。コンサルタントや検査官から評価の根拠を求められた場合は、それを示す必要があります。

中電圧および低電圧母線路の場合、アセンブリ規格 IEC 61439-1 および IEC 61439-6 (母線路) では、テストまたは計算による設計検証が必要です。カスタム設計では計算のみが認められる場合もありますが、結果に対する責任はメーカーにあります。サプライヤーを比較する場合は、カタログの電流容量だけでなく、型式試験レポートと定格軽減の仮定も求めてください。に関するガイドも読むことができます中電圧および低電圧アプリケーションに適切なバスバーを選択するさらに詳しい選択基準については、

よくある質問

銅とアルミニウムに同じ計算式を使用できますか?

同じ形状を使用できますが、K と抵抗率が異なります。アルミニウムは、同じ電流と温度上昇に対して、約 25 ～ 30% 多くの断面積を必要とします。特定の合金と焼き戻しについては、必ずメーカーのデータを確認してください。

10°C 上昇するとバスバーの電流容量はどのくらい減少しますか?

基礎温度によって異なります。すでに絶縁限界に近づいている場合、10 K 増加すると定格が 5 ～ 10% 低下する可能性があります。バーへの負荷が軽い場合、効果は小さくなります。最も安全なアプローチは、平均値ではなく、最悪の場合の周囲温度を使用して計算することです。

なぜ平行棒では定格が2倍にならないのでしょうか？

近接効果、不均一な電流共有、およびバー間の冷却のための表面積の減少のため。通常、バーが 2 本の場合は 1 本のバーの評価の 1.6 ～ 1.8 倍、バーが 3 本の場合は約 2.2 ～ 2.5 倍になります。これらは推定値としてのみ使用してください。

どのような基準を参照すればよいでしょうか?

バスバーの電流容量の計算には、DIN 43671 がヨーロッパで広く使用されています。アセンブリには、IEC 61439-1 および IEC 61439-6 が適用されます。北米では、IEEE 605 と NEC Article 368 が一般的に参照されています。プロジェクトが特定の国で行われている場合は、許容温度制限とディレーティング規則が異なる可能性があるため、現地の規格を確認してください。

では、バスバー電流定格はどのように計算すればよいのでしょうか?材料と断面から始めて、べき乗則の公式を適用してから、周囲温度、筐体、高度、高調波、平行棒効果などの現実世界の要素をすべて減算します。短絡チェックと、可能な場合は型式テストまたは赤外線画像を使用して結果を検証します。プロジェクトに適切なバーがまだわからない場合は、当社のエンジニアにお問い合わせください周囲温度、障害レベル、エンクロージャの詳細を確認します。これらは、大まかな計算をレビューに合格し、現場で実行できる評価に変えるのに役立ちます。