ボルト接続部の信頼性は何で決まるか

ブスバーの区間そのものは、おおむね解決済みの問題です。電流からバーの断面を決め、温度上昇を検証すれば、金属は 金属らしく振る舞います。工学の中身があるのは接続部であり、配電盤が焼けるのも接続部です。接続部の寿命を決める 要素の多くは、バーが現場に届く前に加工現場で決まっています。合わせ面がどれだけ平らか、バリが取れているか、 穴がどう作られたか、そして 2 本のバーが触れ合う面がどんな状態か、です。

見かけの接触面積は虚構である

50 mm のバー 2 本を 70 mm 重ねれば、公称の接触面積は 3500 mm² です。そのほとんどは電流を運んでいません。

実際の表面は平らではありません。押し付けられた 2 本のバーは突起の頂点でのみ触れ合い、電流はその頂点が表面の 被膜を突き破って金属どうしの接触になっている場所だけを渡ります。これが導通点であり、Holm による扱いに ちなんで一般に a スポットと呼ばれます。Copper Development Association のブスバー指針は、これを重ね合わせ 面積の 1 パーセント程度としています。

実測はもっと厳しい値を示します。2002 年に IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies に 発表された Braunovic の大電力の重ね合わせボルト接続部に関する研究は、コネクタとブスバーの 4 本ボルトおよび 6 本ボルトの接続部について、実導通面積と期待接触面積の比を算出しています。表面処理を行わない場合、その比は 0.0003 %–0.0023 % でした。機械加工して潤滑した最良の場合でおよそ 4 % に達しています。試験した中で最も よく処理された接続部でさえ、接触面積の 96 % は何もしていませんでした。

この背後にある荷重支持の関係は単純です。接触力 F は見かけの面積 A と硬さ H に対して F = ξHA の関係にあり、 Holm は硬さが降伏応力に対して H ≈ 3σy の関係にあることを示しました。軟らかい材料は低い圧力で降伏し、同じ ボルト荷重でより大きな実接触面積を与えます。アルミニウムが容易に密着する理由であり、そのアルミニウムが クリープの問題を抱える理由でもあります。

収縮抵抗

電流は a スポットでしか渡れないため、母材金属中の電流線は各スポットへ収束し、そこから発散します。その収束 自体が抵抗であり、表面被膜とは独立に存在します。これを収縮抵抗と呼びます。抵抗率 ρ の同一金属どうしの間に ある半径 a の円形スポット 1 個については次のようになります。

Rc = ρ / 2a

異種金属間では (ρ₁ + ρ₂) / 4a になります。総接触抵抗にはさらに被膜抵抗 Rf = σ/πa² が加わり ます。ここで σ は、電流がトンネルするか絶縁破壊して通らなければならない酸化物や汚染被膜の、単位面積あたりの 抵抗です。

重要なのは分母です。収縮抵抗はスポットの面積ではなく 半径 に対して効くため、あるスポットの面積を 2 倍に してもその収縮抵抗はおよそ 1.4 分の 1 にしかなりませんが、スポットの 数 を 2 倍にすれば半分になります。 表面の処理が締付けトルクより効く手段である理由がこれです。トルクは既存のスポットを大きくし、表面の処理は 新しいスポットを作ります。

数値を入れてみます。抵抗率 1.724 × 10⁻⁸ Ω·m の銅で、半径 10 µm の a スポットが 1 個であれば、そのスポット だけで Rc = 862 µΩ です。1000 個が並列なら 0.86 µΩ になります。実際の接続部はこれより上に あります。近接したスポットは互いの電流場に干渉し、その集団は部分的にひとつの大きな収縮として振る舞うため です。それでもこの桁は、良い接続部が 1 桁台のマイクロオームで測定される理由を説明します。

接触圧力の目標

接触抵抗は接触圧力とともに急に下がり、そして下がらなくなります。CDA の指針は具体的です。およそ 30 N/mm² を超えるとそれ以上の改善はほとんどなく、7 N/mm² を下回るのは多くの場合推奨されず、10 N/mm² を超える圧力が 望ましい、というものです。銅ブスバーの接続部に関する独立した研究は 6–36 MPa を試験し、接触抵抗が 6 MPa での 約 16 µΩ から 30 MPa での約 11 µΩ まで下がり、それ以上では有意な改善がないことを見出しています。

したがって設計目標は最大値ではなく帯域です。重ね合わせ部の平均でおおむね 10–30 N/mm² の間です。単一の数値 ではなく帯域なのは、圧力が重ね合わせ部全体で一様からはほど遠いからです。

トルクは軸力の代用指標であり、精度は低い

接触圧力は現場では測れません。ボルトの締付けトルクから次の式で推定します。

T = K F D

ここで T は Nm で表したトルク、F は N で表したボルトの力、D は m で表したボルトの呼び径、K がナットファクタ で、ねじの摩擦、表面の仕上げ、めっき、潤滑の状態に依存します。CDA は、乾燥状態で 0.20–0.22、接触補助剤を 用いた場合で 0.19–0.21、二硫化モリブデンの境界潤滑剤を用いた場合で 0.15–0.16 としています。CDA 自身が表に している 50 mm バーの構成、すなわち重ね合わせ 70 mm、接続部面積 3500 mm²、M12 のボルト 2 本を 45 Nm で 締めた場合について計算してみます。

同じトルクレンチ、同じ設定、同じ作業者です。軸力には 47 パーセントの開きがあり、誰かがねじを拭ったかどうか 次第で、接続部は望ましい帯域の内側に余裕をもって収まるか、わずかに下回るかのどちらかになります。これはレンチの 校正やボルトの締付け順序を考える前の話です。トルク管理は無意味ではありませんが、それだけでは接触圧力を主張 できない接続部が得られるにすぎません。推奨される帯域があれほど広いことの理由の多くはここにあります。

皿ばね座金は熱の面で価値を持つ

軸力が与えたところに留まらない 2 つ目の理由が温度です。

IEC 61439-1 は素地の銅ブスバーに温度上昇 105 K を許容しているため、周囲温度 35 °C のバーは正当に 140 °C になりえます。そこを貫くボルトは、同じ温度でもなければ同じ膨張係数でもありま せん。銅は °C あたりおよそ 16.5 × 10⁻⁶、高張力鋼は 11.1 × 10⁻⁶、アルミニウム青銅 CW307G は 16.2 × 10⁻⁶ です。

銅の接続部に鋼のボルトを通すと、銅のほうがボルトより速く伸びるため、接続部が温まるとボルトの張力が上がり ます。役に立ちそうに聞こえますが、そうではありません。CDA は、使用範囲のどこにおいてもボルトの最大張力が 耐力の 95 % を下回ることを求めています。降伏を超えたボルトは戻らず、冷えたときの接続部は最初より緩んで いるからです。それを 10 年間毎日繰り返せば、接続部は緩みきります。

抜け道は 2 つです。膨張が銅に一致するボルトを使うこと。銅の 16.5 に対して CW307G の 16.2 × 10⁻⁶ が 挙げられる根拠がこれで、差は張力がほとんど動かない程度に小さくなります。あるいは鋼のボルトのまま、積み重ねに 皿ばね座金を入れ、熱による伸びがボルトを引き伸ばす代わりにばねを縮めるよう、高さとばね定数を選定することです。

皿ばね座金はふつう、緩み止めの手段として売られています。ここでの役割はそれではありません。剛で変位の小さい ボルト接続部を、より柔らかいものに変える柔軟要素です。それによって、数百分の 1 mm の膨張差が大きな荷重変化に ならずに済みます。Braunovic の接続部では、ばねの縁が食い込まないように、皿ばね外径の 1.4 倍の 3–4 mm の 厚い平座金が使われています。

表面処理に実際どれだけの価値があるか

Braunovic は、表面処理以外は何も変えない同一のハードウェアで接続部の接触抵抗を測定しています。4 本ボルトと 6 本ボルトの接続部、60 Nm、皿ばね座金、直流 150 A、1 時間にわたる読みの平均値です。

これらはアルミのコネクタパッドとアルミのブスバーの組合せなので、絶対値を銅の接続部にそのまま移さないで ください。要点は比のほうです。同じハードウェアで、受入れのままの表面と、機械加工して潤滑した表面とを比べる と、接触抵抗は 4 本ボルトの構成で 24 分の 1、6 本ボルトで 70 分の 1 に下がっています。トルクレンチでできる ことで、これに近づくものはありません。

機械加工した表面はワイヤブラシ掛けしたものも上回りました。加工の筋目の高さと間隔が均一であることが、より 制御しやすい荷重支持面積を与えるためとされています。その向きに注意してください。意図的に粗くした表面のほうが 滑らかに磨いた表面より優れます。鋭い突起は、鈍い突起よりはるかに低い荷重で酸化被膜を突き破るからです。接続面を 鏡面に磨くのは逆効果です。

「素地の銅 3–5 µΩ、軽い変色 15–25 µΩ、厚い酸化被膜 50–200 µΩ」という数値も、いくつかの場所で引用されて いるのを目にします。当社ではこれらを一次の測定まで辿ることができませんでしたし、接触抵抗の値は、接続部の 形状、ボルト本数、試験電流を併記しなければ意味を持ちません。設計データとしてではなく、順序を示す例として 扱ってください。

めっき — 4 つの選択肢と、4 つの異なる劣化の様式

素地の銅が既定の選択であり、多くの人が思うより良い既定です。銅の酸化は遅く、生じる被膜は絶縁体ではなく 半導体的です。銅イオンが被膜中へ拡散し、導電が両方向に進むためです。CDA は、環境上の必要がない限り銅どうしの 接続部にめっきを推奨していません。その理由は意外に思われるものです。めっき材料は軟らかく、軟らかい層は高温で 流動して接触圧力を下げうるからです。素地の銅には接触補助剤が必要で、a スポットの間の空隙を埋め、酸素と水分を 締め出します。ワセリンで機能し、シリコーン系の真空グリースはより高温で機能します。

すずは安価で、その酸化物は圧力下で容易に破れますが、軟らかいため持続荷重下でクリープし、フレッティングで 容易に損傷します。純すずはウィスカを生じて瞬間的な短絡を起こしうるため、CDA はこれを避けるよう助言して います。歴史的にそれを解決していたすず鉛合金は、環境上の理由でいまや選択肢から外れています。銅とすずの 金属間化合物が温度とともに界面に成長し、これはどちらの母材金属よりも抵抗が高いため、4 つの中ですずが最も 使用温度の上限が低くなります。

銀は電気的に最も優れます。その酸化物は導電性であり、接触圧力で押しのけられる程度に薄く、最も高い温度まで 持ちこたえます。高価であり、硫化銀が容易に生じる硫黄を含む雰囲気では誤った選択です。製紙工場、下水処理場、 製油所の近くなどです。

ニッケルは CDA が汎用として推す被覆で、安価で耐久性があり、施工時の取り扱いに耐える硬さがあります。代償は 電気的な面です。酸化ニッケルは強靭で、突き破るには高い接触圧力が必要なので、帯域の下限で組み立てられた ニッケルめっきの接続部は性能が出ません。またニッケルは高湿度に弱いという弱点があります。

金属被覆は薄く、通常 2–5 µm で、連続している場合にのみ保護になります。腐食環境でのピンホールは、めっきが ないより悪い状態です。攻撃をそこに集中させるからです。

アルミニウムとの組合せ

銅とアルミニウムが直接接触し、そこに電解質があれば電池が形成され、犠牲になるのはアルミニウム側です。標準 水素電極に対する標準電極電位は、銅が +0.34 V、アルミニウムが −1.66 V です。乾燥した密閉の屋内キャビネット であれば何年も持つかもしれませんが、湿気のある環境や沿岸ではそうはいきません。対策は費用の低い順に、界面を 水分から封じる接続用コンパウンド、合わせ面を同種にするためのすずめっき、あるいは異種金属の界面を工場側へ 移す摩擦圧接または爆発圧接のバイメタル遷移板です。 この 2 つの金属の加工上の違い は、接続部に とどまりません。

フレッティングと応力緩和 — 良い接続部が悪くなる過程

試運転には合格し、数年後に故障する接続部の大半は、2 つのゆっくりとした機構で説明できます。

フレッティングは、界面でのごく小さい振動的な動きによる表面の損傷であり、その振幅は驚くほど小さいものです。 100 nm 未満の変位で開始するのに十分であり、およそ 125 µm 以下の滑りでは摩耗粉を接触域の外へ掃き出せない ため、酸化した摩耗粒子がその場に留まり、厚い絶縁性の第三物体へと成長します。接触抵抗はそこから急激に上昇し、 開路へ向かいます。振動の源は、機械的振動か、熱膨張の差か、あるいは負荷サイクルに伴う接続部の加熱と冷却です。

クリープと応力緩和がもうひとつです。クリープは持続荷重下での寸法変化であり、応力緩和は弾性ひずみが塑性に 変わることによる、寸法変化を伴わない接触圧力の喪失です。どちらも時間、温度、応力に依存し、どちらもアルミ ニウムで目立って悪くなります。CDA の比較はその差を明快に述べています。20 °C の焼なまし 1080 アルミニウムは 26 N/mm² で 1000 時間あたり 0.022 % の最小クリープ速度を示すのに対し、焼なまし高導電性銅が同じ応力で その速度に達するのは 150 °C まで加熱した場合です。

アルミニウムの接続の問題は、この 1 行に尽きます。室温において、通常のブスバーの接触圧力下にあるアルミニウムは すでに、銅が使用範囲をはるかに超えるまで達しない速度でクリープしています。ボルト締めのアルミの接続部は、 追加仕様としてではなく標準の作法として皿ばねを必要とし、銅の接続部には不要な再締付けの計画も必要とします。

加工現場が関わるところ

まず平面度です。Braunovic は、スリットのない接続部の性能が低いことを、剛なバーどうしの当たりのずれに帰して います。ある領域は高い応力を担って降伏し、他の領域はほとんど触れず、荷重支持面積は結局小さくなります。長さ 方向に 1 mm のねじれを持つバーは、どれだけトルクをかけても隣のバーに平らには当たりません。

次にバリです。打抜き穴の縁のバリは、合わせ面から突き出た金属です。それは穴のまわりで、まさにボルトが圧力を かける場所でバーを引き離し、面での接触をバリ上の環状の接触に変えます。 BND800-2 バリ取り機 は板厚 0.5–50 mm、幅 100–800 mm の バーを 5–30 m/min で処理し、すべてのバーにバリ取りを行うことがボトルネックではなく計画上の判断になる程度に 高速です。

穴の品質も同じ工程から来ます。適正なクリアランスでの 打抜き は、きれいな穴壁と 小さく安定した出口側のバリを残します。クリアランスが過大なら、裂けた縁と大きなバリを残します。位置も電気的に 効いてきます。穴は接続部の長さ方向に一列に配置すべきです。ずらして配置すると電流の流れをさらに乱すためで、 接続部の効率を支配する項は穴によって失われる断面です。DIN 43673-1 は穴の位置と 寸法を定めており、社内標準より良い出発点です。

合わせ面には、磨き上げではなく均一で管理された粗さが欲しいところです。そして重ね合わせの境界には管理された エッジが要ります。鋭い角は圧力分布における応力集中源であると同時に、電界の集中点でもあるからです。後者の 帰結は ブスバーの面取りとエッジ R で扱っています。

最後が重ね合わせの形状です。重ね合わせ接続部での電流のゆがみによる損、すなわち流線効果は、重ね合わせ長さと 板厚の比が 2 程度に上がるまで急速に下がり、その後は平坦になります。きわめて長い重ね合わせは何も買いません。 必要なのは、接触圧力を生むボルトが収まるだけの長さです。打抜きの段階で費用なしに行える形状変更が 2 つあり ます。バー端部を 45° より小さい角度で斜めに切ると、初期の接続部抵抗がおよそ 15 % 下がり、通電サイクル下での 抵抗の上昇も 1.3–1.5 倍だけ緩やかになります。両方のバーに長手方向のスリットを入れると、各脚にわたる圧力が 均される結果、接触抵抗が 30–40 % 下がります。どちらも 打抜き・切断ライン で作るほうが、後から説明するより 安く済みます。

効率が 100 % を下回る接続部は、まわりのバーより高温で運転されます。そして接続部だらけのキャビネットの中では、 その熱は積み上がります。許容電流計算ツール はバーの熱的な基準線を示します。 それが、接続部が収まらなければならない予算です。