適切なアルミニウム合金管状バスバーを選択するには?

適切なアルミニウム合金管状バスバーの選び方

最も直接的な答えは次のとおりです。 を選択してください アルミニウム合金管状バスバー 合金グレード、外径と壁の厚さ、アルミニウム管状バスバーの電流定格、設置場所の環境条件という 4 つの主要パラメータに基づいています。 これら 4 つを正しく行うことで、屋外の変電所や送電構造における早期故障、熱過負荷、機械的崩壊の最も一般的な原因を排除できます。このガイドでは、エンジニア、調達チーム、プロジェクト マネージャーが十分な情報に基づいた意思決定を行えるよう、具体的なデータ、業界の比較、実践的なガイダンスを使用して各要素を説明します。

アルミニウム管状バスバーが高電圧設備に好ましい選択肢である理由

アルミニウム合金の管状バスバーは、中電圧および高電圧の屋外開閉所、変電所、および送電構造において、ソリッド導体およびフラット導体の形式に大きく取って代わりました。その理由は工学データによって十分に裏付けられています。

中空の管状プロファイルは、同等の断面の中実バーよりも材料を効率的に使用します。所定の通電容量に対して、管状導体は同じ表皮効果性能を達成できます。 材料質量が 30 ～ 40% 削減 ソリッドロッドとの比較。これは、支持碍子やガントリー鉄骨への構造負荷の軽減に直接つながります。 8～15メートル サポートの間が典型的です。

アルミニウム合金は、同等のコストレベルでは鋼や銅に匹敵することのできない強度重量比も提供します。風、氷荷重、地震の影響を受ける屋外用途の場合、この機械的性能は単なる利便性だけではなく、構造上の安全要件です。管状断面は高い断面係数と単位重量あたりの慣性モーメントを提供し、クランプ取り付け点での過度のたるみや振動による疲労を発生させることなく、より長いスパンを可能にします。

耐食性も実用的な利点です。アルミニウム合金表面の自然酸化層は、ほとんどの大気環境において適切な保護を提供します。海岸沿いまたは高度な工業環境では、陽極酸化または特殊な表面処理を指定して耐用年数を延長できます。 30年 定期的なメンテナンスと一緒に。

管状バスバーに使用されるアルミニウム合金グレードを理解する

すべてのアルミニウム合金がバスバー用途で同等に機能するわけではありません。合金グレードの選択は、導電性、引張強さ、溶接性、および応力腐食に対する耐性に影響します。アルミニウム合金管状バスバー用途で最も一般的に指定されている 3 つの合金シリーズは、1xxx、6xxx、およびそれほど一般的ではない 5xxx シリーズです。

1350 アロイ (Al 99.5% — 1xxx シリーズ)

合金 1350-H14 または H19 は、導電体の標準グレードです。最低限のものが含まれています 99.5%アルミニウム およその電気伝導率を達成します。 61% IACS (国際なまし銅規格)。引張強さは中程度です - 通常 95～130MPa 性質に応じて、その使用は短いスパンまたは構造的負荷が適度な用途に限定されます。その主な利点は、単位断面積あたりの最大の導電率であり、抵抗損失を最小限に抑えることが最優先の設計目標である場合に推奨される合金です。

6061 および 6063 合金 (Al-Mg-Si — 6xxx シリーズ)

6xxx シリーズ合金は、構造バスバー用途に最も広く使用されているグループです。合金 6061-T6 の引張強度を提供します 260～310MPa 約の降伏強度 240～276MPa 、約の導電性を維持しながら 43% IACS 。合金 6063-T6 強度はわずかに低くなりますが (引張強さ約 205 ～ 240 MPa)、導電性が高く (IACS 約 53%)、優れた押出加工性を備えているため、複雑な管状プロファイルに最適です。

ほとんどの変電所母線プロジェクトにおいて、6063-T6 は電気的性能と機械的耐荷重能力の間で最も実用的なバランスを実現します。また、MIG または TIG プロセスを使用した良好な溶接性も示します。これは、フィールドジョイントや拡張ループに重要です。

6101 合金 (Al-Mg-Si — 高導電性構造)

合金 6101-T61 または T64 は、機械的強度と 55% IACS を超える導電率の両方が必要とされる電気バス導体用途向けに特別に開発されました。それは達成します 55 ～ 57% IACS 引張強度は約 220～260MPa 。この合金は、導電率も構造性能も大きく損なわれない大電流発電機バス システムや大容量変電所バス構造によく指定されています。

アルミニウム管状バスバーの電流定格: 正しいサイズの決め方

アルミニウム管状バスバーの電流定格は、最大許容導体温度を超えることなく、抵抗損失 (I²R) によって発生する熱を放散する導体の能力によって決まります。 連続定格アルミニウムバスバーの場合は 90°C IEC 62271 および ANSI/IEEE 規格に準拠しています。

電流定格は次の変数によって決まります。

• 外径 (OD) と壁の厚さ - 放熱のための断面積と表面積を定義します。
• 合金の導電率 (%IACS)
• 周囲温度（基準値： IECの場合は40℃、IEEEの場合は25℃ )
• 日射量 (屋外水平バスバーに重要)
• 風速 (対流冷却の増加、通常は次のように想定されます) 0.6m/s～1.0m/s 保守的な屋外定格の場合）
• 導体の向き (水平か垂直かは自然対流に影響します)

実際の参考として、以下の表に、周囲 40°C、静止空気中 (保守的)、最大導体温度 90°C における 6063-T6 アルミニウム管状バス バーの定格電流を示します。

これらの値は参考値です。 常にサイト固有の熱定格計算を実行してください プロジェクトの場所の実際の周囲温度、日射吸収係数、放射率、風速データを使用します。 2,000 m を超える高地では、空気密度が減少し、対流冷却が減少するため、通常の追加のディレーティングが必要になります。 標高 1,000 m を超えると 1,000 m ごとに 5 ～ 10% .

短絡電流耐性も同様に重要です。システム障害レベルが 110 kV の変電所の場合 40kA 1秒間 、断熱加熱に基づいて必要な導体断面積を計算して、温度が合金の短時間耐用限界 (通常は 6063-T6 の場合は 200°C ）。断熱公式を使用すると、次のようになります。 A = I × √t / K ここで、アルミニウムの K は約 87 A·s^0.5/mm² であり、40 kA/1 秒の故障には最小断面積が約 460mm² — 標準的な管状プロファイルの範囲内に十分収まりますが、明示的に検証する必要があるパラメータです。

寸法選定：外径、肉厚、スパン設計

正しい外径と壁厚を選択するには、通電容量、スパン負荷時の機械的強度、高電圧でのコロナ放電管理という 3 つの競合する要件のバランスを取る必要があります。

電流と表皮効果に関する考慮事項

電力周波数 (50 または 60 Hz) では、交流は導体の外表面近くを優先的に流れる傾向があります (表皮効果)。 50 Hz におけるアルミニウムの表皮深さは約 11mm 。これは、壁厚が約 11 mm を超えるチューブの場合、壁の内側部分は外側ゾーンよりも電流伝導への寄与が少ないことを意味します。壁厚が 5 ～ 15 mm の最も実用的なバスバー直径 (OD 50 ～ 200 mm) では、表皮効果の影響は中程度ですが、特に高周波または高調波成分が多い場合には、抵抗の計算で考慮する必要があります。

実際には、これは、壁厚が約 8 ～ 10 mm を超えると、(壁厚ではなく) 外径を大きくする方が電流容量を増やすより効率的な方法であることを意味します。直径が大きくなると、対流熱放散に利用できる表面積も増加します。

機械的スパン荷重

バス バーは、許容応力やたわみの制限を超えることなく、設計スパン全体にわたって自重、風荷重、および一部の地域では氷の蓄積荷重を支えなければなりません。重要な設計チェックは、スパンの中央またはクランプ接続点での最大曲げ応力です。

単純に支持された水平スパンの場合、最大曲げモーメント M = wL²/8、ここで、w は単位長さあたりの分布荷重 (N/m)、L はスパン長です。結果として生じる曲げ応力 σ = M × (OD/2) / I、ここで I は管断面の断面二次モーメントです。 6063-T6 の場合、降伏強度は約 170MPa 、設計の許容応力は通常次のように設定されます。 収率の 50 ～ 65% 、許容範囲は約 85～110MPa .

たとえば、外径 100 mm × 壁 8 mm の 6063-T6 チューブを 10 メートルのスパンに配置し、分布風荷重が 300 N/m、自重が約 19.2N/m 約 320 N/m の複合分散荷重がかかることになります。結果として生じる中間スパン曲げ応力は次のように計算されます。 62MPa — 許容範囲内に十分収まり、スパンが構造的に許容できることを確認します。

コロナ放電と最小導体径

約 66 kV を超える電圧では、導体表面の電界勾配が設計上の制約になります。コロナ放電は表面電界が約1000Vを超えると発生します。 1,500kV/m(ピーク) 海面の空気中。導体の外径が大きくなると、表面磁場の勾配が減少し、コロナ開始電圧が上昇します。

相対地間電圧が約 127 kV (RMS) の 220 kV システムの場合、最小導体外径は約 80～100mm コロナ性能を許容範囲内に維持するためには一般に要求されます。 500 kV での OD 値は 120～180mm が典型的です。このため、高電圧バス バーの外径は、電流定格だけではなく、コロナ要件によって決定されることがよくあります。

表面処理と腐食防止のオプション

アルミニウム合金管状バスバーの表面状態は、長期的な耐食性とボルトまたはクランプ接続の電気的性能の両方に影響します。利用可能な処理オプションを理解すると、仕様を設置環境に適合させるのに役立ちます。

ミル仕上げ（押し出しのまま）

ほとんどのアルミニウム管状バス バーは、薄い自然酸化層を備えた自然な押し出し表面であるミル仕上げが施されて供給されます。これは、適度な湿度のある内陸の非工業環境には十分です。電気腐食を防止し、接触抵抗を減らすために、表面をきれいにし、すべてのボルト接続に接触ジョイントコンパウンドを塗布する必要があります。

陽極酸化処理

硬質陽極酸化処理により、次のような酸化物層が生成されます。 25～100μm 厚みが増し、耐摩耗性、孔食性、大気攻撃に対する耐性が大幅に向上します。これは、沿岸環境 (ISO 9223 による海洋 C4 ～ C5 腐食カテゴリー) および化学プラント雰囲気内の設置に推奨される表面処理です。接合部の接触抵抗を低く保つために、陽極酸化処理の前に、接触領域の陽極酸化表面を研磨するかマスキングする必要があることに注意してください。

接触部分の錫または銀メッキ

ボルト接合部の接触部には錫メッキ（通常は 10～25μm ）または銀メッキ（ 5～15μm ) 酸化アルミニウムの蓄積を防ぎ、耐用年数にわたって安定した低抵抗の電気接触を確保するために指定されることがよくあります。銀メッキはより低く安定した接触抵抗を提供しますが、コストは高くなります。錫めっきは、実用的でコストバランスのとれた代替品として広く使用されています。

ペイントコーティング

一部の産業プロジェクトでは、管状バスバー本体 (接触ゾーンを除く) がエポキシプライマーとポリウレタントップコートシステムでコーティングされます。これは、C5-M 腐食カテゴリーの環境が予想される石油化学または海洋用途では一般的です。コーティングの厚さは通常、 80 ～ 120 μm DFT 2コートシステムの場合、1コートあたりの（乾燥膜厚）。

熱膨張と柔軟な接続設計

アルミニウムの熱膨張係数は約 23×10⁻⁶/℃ — 鋼よりも約 40% 高い。 15 メートルの母線スパンでは、60°C の温度変化 (冬の最低気温から夏の全負荷最高気温まで) は、約 20.7mm 。この拡張がフレキシブル拡張ジョイントまたはスライド クランプ マウントで対応できない場合、結果として生じる圧縮応力により、座屈、クランプの損傷、または絶縁体の破損が発生する可能性があります。

標準的な方法では、フレキシブル拡張ジョイント (通常はラミネートアルミニウムフレキシブルコネクタまたはベローズタイプの拡張継手) を以下の間隔で取り付けることです。 30～40メートル 長い直線のバスが走行し、バスが方向転換したり、設備のターミナルに接続したりするすべてのポイントで。スペースが許す場合には、曲げられたチューブ部分から形成された拡張ループも使用され、導体の連続性を維持しながら必要な軸方向の移動容量を提供します。

変圧器のブッシュ、回路ブレーカーの端子、または切断スイッチ パッドなどの機器の端子接続では、バス バーの熱の動きを機器の端子の力から切り離すために、フレキシブル コネクタを常に使用する必要があります。ほとんどの変圧器および開閉装置メーカーは、最大許容端子力を指定しており、通常は次の範囲です。 300 ～ 800 N ラジアル力 この値は、固定バスバー接続では熱サイクル中に簡単に超えてしまいます。

クランプおよびサポートハードウェアの選択

アルミニウム合金管状バスバーシステムの性能は、導体そのものと同様に、サポートハードウェアの品質と正しい選択にも大きく左右されます。不適切なクランプ設計は、支持点での振動疲労による破損の主な原因の 1 つです。

固定クランプとスライドクランプ

固定クランプはスパン上の 1 つ以上の点 (通常は長い配線の中間点) でバス バーをしっかりと固定しますが、他のすべての支持点でスライド クランプまたは拡張クランプを使用すると、導体が軸方向に移動できます。 30 メートルのバス走行の一般的な配置では、中央に 1 つの固定クランプを使用し、両端と中間サポートにスライド クランプを使用します。この配置により、熱膨張の動きが対称的に制御され、座屈が防止されます。

クランプ材質の適合性

アルミニウムバスバーと直接接触するクランプ本体は、バイメタル電解腐食を避けるために、アルミニウム合金 (できれば同じ合金シリーズ) または適切にコーティングされた鋳鉄で製造する必要があります。鉄製ハードウェアがアルミニウムと接触する場合は、絶縁ワッシャーまたは耐ガルバニック化合物を備えたステンレス鋼製ファスナーを推奨します。

振動ダンパー

風力振動 — 低速の定常風によって引き起こされる共鳴振動 1～7m/秒 — 使用後のクランプ取り付け点で疲労亀裂が発生する可能性があります。 10⁷ ～ 10⁹ 負荷サイクル 。バスバースパンを超える場合 8メートル 屋外の露出した場所では、ストックブリッジタイプの振動ダンパーまたはエラストマーダンパースリーブを指定する必要があります。これらは通常、次の場所にインストールされます 0.5～1.0メートル 各サポートクランプの。

アルミニウム管状バスバーの規格と試験要件

認知された規格に準拠することで、指定したアルミニウム合金管状バスバーが製造され、定義された品質しきい値に基づいてテストされたことが保証されます。次の標準が最も関連性があります。

• IEC 60105 — アルミニウムおよびアルミニウム合金: 電気用途の鍛造製品。バスバー導体に使用される 1350 および 6xxx シリーズ合金の化学組成、機械的特性、導電率要件をカバーします。
• ASTM B241 / B241M — アルミニウムおよびアルミニウム合金継目無管および継目無押出管の標準仕様です。 6061 および 6063 管状製品の寸法公差、引張特性、合金組成に関して広く参照されています。
• EN 755-2 / EN 754-2 — 押出アルミニウム合金丸管および引抜管に関する欧州規格。さまざまな焼き戻しにおける 6063 および 6061 合金の機械的特性を規定しています。
• GB/T 5585.2 — 電気用途のアルミニウムおよびアルミニウム合金バスバーに関する中国の国家規格。中国のプロジェクトおよび中国のアルミニウム管状バス バーのサプライヤーから供給される製品に関連します。
• IEC 62271-1 — 高圧開閉装置および制御装置の共通仕様。開閉装置アセンブリ内のバスバーシステムの温度上昇、短絡耐性、および絶縁性能要件を管理します。
• IEEE規格605 — 空気絶縁変電所のバス設計に関する IEEE ガイド。屋外バスバー設置時の定格電流、機械設計、短絡力の計算のための包括的な方法論を提供します。

アルミニウム管状バスバーのサプライヤーに見積もりを依頼する場合は、材料特性、寸法公差、および試験認証を規定する規格を指定してください。一般的なカタログ データではなく、特定の製造バッチの化学組成と機械的特性を確認する工場試験証明書 (MTC) を要求します。

アルミニウム管バスバーのサプライヤーを選択する際に何を評価するか

アルミニウム合金管状バスバー システムの調達の決定には、カタログ仕様の比較だけでは不十分です。技術的に有能で品質が保証されたサプライヤーは、設計、製造、納品、設置の各段階を通じてプロジェクトのリスクを軽減します。

押出および製造能力

有能なアルミニウム管状バスバーのサプライヤーは、必要な外径範囲を製造できる押出プレスを操作するか、または直接アクセスできる必要があります。通常、 外径40mm～300mm 変電所用途向け。サプライヤーが設計で指定された寸法公差を保持できることを確認します。通常、 OD で ±0.5% そして 肉厚の±5% 標準の EN または ASTM 公差に対応することも、高精度開閉装置アプリケーション向けにはより厳しい公差に対応することもできます。

付加価値のある処理

多くの変電所プロジェクトでは、ドリルまたはパンチ穴が開けられたボルト穴、機械加工された端面、めっきされた接触ゾーンを備えた、所定の長さに事前にカットされたバス バーが必要です。下請けするとリードタイムが増え、品質管理にギャップが生じる可能性があるため、サプライヤーがこれらの付加価値サービスを社内で提供しているのか、下請けに提供しているのかを確認してください。社内の CNC 加工、穴あけ、メッキ機能は、重要な差別化要因です。

材料のトレーサビリティ

ビレット溶融番号から押出成形、熱処理、最終検査に至るまで、材料の完全なトレーサビリティは、公共事業や発電プロジェクトの要件です。サプライヤーは、出荷された特定の製品に追跡可能な熱番号、合金認証、焼き戻し指定、および機械的試験結果を提供できる必要があります。これは、第三者による検査やオーナー エンジニアによるレビューの対象となるプロジェクトでは特に重要です。

品質管理と第三者認証

ISO 9001 認証は、信頼できるアルミニウム管状バスバーのサプライヤーにとって基本的な期待事項です。原子力、海洋、または防衛隣接プロジェクトの場合、追加の品質システム要件 (溶接品質については ISO 3834、表面処理については NADCAP など) が適用される場合があります。第三者監査の証拠を要求し、比較可能な変電所または送電プロジェクトからの顧客の参照を求めます。

リードタイムと梱包

標準在庫プロファイル (6063-T6 の OD 50 ～ 150 mm) は通常、次のリードタイムで入手可能です。 2～6週間 在庫を保有するサプライヤーから。カスタム直径、合金グレード、または高度に加工されたコンポーネントには、必要な場合があります。 8～16週間 発注から。輸出梱包要件を確認します。長さが 6 メートルを超えるバス​​ バーには、輸送時の損傷を防ぐためにカスタムの木製の箱または鋼製蒸留器が必要です。また、国際輸送文書におけるサプライヤーの経験は、国境を越えたプロジェクトについて検証する価値があります。

長期的な信頼性を実現するためのインストールのベスト プラクティス

正しく指定されたアルミニウム合金管状バス バーであっても、取り付け方法が不適切な場合は、性能が低下したり、早期に故障したりする可能性があります。以下の点は、最も重要なインストール要件をまとめたものです。

• 関節の準備: すべてのボルトで固定された接触面は、組み立てる直前にステンレス鋼のワイヤー ブラシを使用してアルミニウムを光沢のある金属まできれいにします。ボルトで締める前に、両方の合わせ面に導電性ジョイントコンパウンド（亜鉛粒子などを含む）を塗布してください。接合が完了するまで、洗浄した表面を約 30 分以上露出したままにしないでください。
• ボルトトルク： すべてのアルミニウムとアルミニウムのボルト接続では、ボルトの頭とナットの下に皿ばねワッシャー (皿ばねワッシャー) を使用してください。アルミニウムは持続的な圧縮荷重を受けるとクリープ現象を起こし、時間の経過とともにボルト接合部のクランプ力が低下します。皿ワッシャーはこの緩和を補い、適切な接触圧力を維持します。クランプまたはコネクタのメーカーが指定するトルク スケジュールに従ってください。通常は、 M12 ボルトの場合は 30 ～ 60 Nm アルミニウムとアルミニウムの接合部。
• 配置: サポート クランプを締める前に、バス バーのセグメントが正しく位置合わせされていることを確認してください。以上の横方向のズレ 2～3mm ジョイント位置では曲げ応力集中が発生し、風や短絡電磁負荷下での疲労寿命が短くなります。
• 溶接継手: 現場溶接が実行される場合 (拡張ループや T ジョイントなど)、ベース合金に応じて ER4043 または ER5356 フィラー ワイヤを使用した MIG または TIG プロセスを使用します。 6063 または 6061 バスバー接合部には通常、溶接後の熱処理は必要ありませんが、熱の影響を受ける部分では、引張強度が局所的に約 30% 低下します。 30～40% T6 焼き戻しと比較して、これは機械設計で考慮する必要があります。
• 設置後の検査: 内部に荷重がかかっているすべてのボルト接合部のサーモグラフィー調査を実施します。 3 か月の試運転 サービス上の問題になる前に、高抵抗のジョイントを特定します。重要な配電バスバーシステムについては、3 年以内の間隔で繰り返します。

よくある質問