IEC 61439 の温度上昇検証を経路ごとに読む

昇温検証は、ブスバー製造の品質が監査指摘事項となる場面です。組立設計検証の他の項目は、銅に触れたことのない者が書面上で解決できます。この項目だけはそのような対応が不可能です。検証対象の数値が、作業者がトルクレンチで作成した接続部から生じるためです。

公表されているガイドの多くは、3つのルートの名称を挙げるところで止まります。プロジェクトの成否を左右する部分は、各ルートにおける境界条件、定格多様率が実際に何を乗算するか、そしてどの製造変数が結果を変動させるかです。以下の条文参照は、BS EN 形として公表された IEC 61439-1

3つのルート

条文10.10.1に明確に記載されています。検証は以下のいずれか1つ以上で行われます。

a) 試験による検証（条文10.10.2）。負荷をかけた実体の組立が、認定された試験所で試験されます。

b) 試験済み設計からの類似バリエーションの定格導出（条文10.10.3）。比較ルートです。試験済みの既存配置があり、所定の規則に基づきそのバリエーションに定格が割り当てられます。

c) 2つの異なる電流上限値を用いた2つの別個の方法による計算。条文10.10.4.2は630 Aを超えない単一コンパートメント組立を、条文10.10.4.3はIEC TR 60890の方法を用いて1600 Aを超えない組立をカバーします。

上記3ルートすべてに共通の2つの制約があります。計算方法を用いるルートは、定格周波数が60 Hz以下に限定されます。また、60 Hz超の定格を持つ組立に対しては、条文10.10.1により、試験による検証、または同一周波数で試験された設計からの導出が要求されます。組み合わせによる検証は許容され、かつ一般的です。複数セクションからなる組立では、異なるセクションを異なるルートで検証できます。

細則があるルートc)の詳細

計算ルートは、試験所を必要としないため、多くのメーカーが選択します。しかし同時に、設計が確定した後にプロジェクトの適合性を否定されやすい条件も伴います。

630 A 方法（10.10.4.2）

電力損失のバランス計算です。外郭内のコンポーネントと導体から生じる全電力損失と、内部の空気がいずれの装置の最大動作温度を超過することなく外郭がその損失を放散できる能力とが比較されます。簡潔で、保守的であり、範囲は限定的です。

以下の条件すべてを満たす必要があります：

• 組み込み部品すべての損失データは、部品メーカーから入手可能であること。
• 損失は筐体内でほぼ均一に分散していること。
• 各回路の定格電流は、その回路のスイッチングデバイスおよび部品の定格自由空気熱電流（Ith）または定格電流（In）の80%を超えないこと。
• 機械部品および設置機器が空気循環を著しく妨げないこと。
• 200A以上の電流を流す導体および隣接する構造部品は、渦流損失およびヒステリシス損失を最小限にするよう配置されていること。
• すべての導体は、関連回路の許容電流定格の125%に基づく最小断面積を有すること。
• 筐体の温度上昇は、筐体メーカー、10.10.4.2.2に基づく試験、または能動冷却が装備されている場合は冷却機器メーカーからの情報により、設置損失に対する関数として既知であること。

1600A方式（10.10.4.3）

同じ80%のデレーティングおよび125%の導体ルールが適用されますが、温度上昇自体は単純な損失バランスではなく、IEC TR 60890方式によって決定されます。複数区画設計を捕捉する2つの幾何学的条件が追加されます：

• 組立体または評価対象セクションに水平仕切りが3つ以下であること。
• 区画と自然通風を備えた筐体において、各水平仕切りの通風開口部の断面積は、区画の水平断面積の50%以上であること。

1600A超では、両方の計算ルートが閉じられます。試験、または試験済み設計からの導出のみが残り、そのルートは組立体が構築された後ではなく、設計段階で確定する必要があります。

基準は、なぜ余裕があるのかを率直に説明しています：条項10.10.4.1では、電流を流す部品の実際の局所温度をこれらの方法で計算できないため、いくつかの制限と安全余裕が必要であり、含まれていると述べています。80%のデレーティングと125%の導体サイズ決定がその余裕です。より良い分析でもそれらは除去されません。

実際の80%デレーティング

デレーティングはファイル内の注記ではありません。部品表を変更します。

200A回路には200Aデバイスを使用できません。自由空気定格が少なくとも250Aで、200Aに設定または固定されたもの、またはより大きなフレームでより低く設定されたものが必要です。計算に使用される損失は200A時の損失ですが、デバイス自体は250Aフレーム以上でなければなりません。導体ルールはこれを複合させます：200Aのメインブスバー回路は1.25 × 200 = 250Aでサイズ決定され、これは組立体内のすべての内部導体に適用されます。

次に反復計算です。導体断面積は、仮定された内部空気温度に対して最初に選定されます。計算によって実際の空気温度が得られると、部品や導体を変更し、計算を再実行する必要がある場合があります。2～3回のパスが一般的で、それぞれがバーサイズを変更し、穴パターンを変更し、ツーリングを変更します。銅の詳細設計の前に検証ルートを確定してください。その後ではなく。

定格多様性係数とその実際の効果

RDFは、規格で最も誤解されやすい用語であり、その大部分は、計算内部で適用される割引値であるという想定から生じています。実際にはそうではありません。

第5.4条では以下のように定義されています。分配盤メーカーによって付与された、送電回路が相互に熱影響を考慮した上で連続的かつ同時に負荷できる、定格電流の単位あたり値。回路群または分配盤全体について記述可能です。定義における2つの条件が重要な役割を果たします。RDFに回路の定格電流を乗じた値は、送電回路の想定負荷以上でなければならず、かつ、分配盤が定格電流InAで運転している場合に適用されます。

したがって、RDFは宣言された定格値であり、計算の入力ではありません。第10.10.1条では明確に、検証対象の回路の電流容量は、定格電流とRDFによって決定されると述べられています。これは検証対象の内容を定義しています。

RDFが試験ルートに登場する場面

試験方法において、RDFは明示的かつ物理的に適用されます。

• 第10.10.2.3.5条（完全な分配盤の検証）：受電回路と送電回路は、規格において定格多様性係数1に相当するとされる、定格電流で負荷されます。これは迅速で保守的ですが、多様性については何も証明しません。なぜなら、そもそも多様性を想定していないからです。
• 第10.10.2.3.6条および第10.10.2.3.7条d)：分配盤は、受電回路を定格電流で負荷し、送電機能ユニットを、定格電流に多様性係数を乗じた値で負荷することで検証されます。ここでは、1未満の宣言されたRDFが実際に実現されます。

付録Oでは、取引の条件が示されています。方法a)は必要最小限の試験で済みますが、試験構成が実際より過酷であり、結果はその構成にのみ適用されます。

RDFが登場しない場面：計算ルート

両方の計算条項は同じことを述べています。すべての回路（相互接続導体を含む）の有効損失は、回路の定格電流に基づいて計算されます。RDFの乗数はありません。多様性は別の経路で導入されます。総損失は、総負荷電流が分配盤の定格電流に制限されていることを考慮して計算されます。

規格自体の計算例が、これを具体的に示しています。配電バにより制限された、定格100Aの単一区画分配盤に、各回路が8Aと想定された20の送電回路が設置されている場合、有効総損失は、送電回路12個（各8A）に対して計算されます。なぜなら、12 × 8 = 96Aが、定格100Aの受電容量が実際に分配できる電流だからです。多様性係数下の20回路ではなく、全負荷の12回路です。

この違いが、実務上重要な点です。非試験による検証に関するBEAMAのガイダンスは、これについて誰よりも明確に述べています。計算による温度上昇の検証時、定格多様性係数は考慮されず、回路が定格電流で運転する最も過酷な損失組合せを使用して分配盤の定格電流を分配するとされています。TR 60890スプレッドシート内でRDFの割引値を適用してきた者は誰でも、規格が許容する以上の温度上昇を計算してしまっています。

表面化された値

メーカーとユーザーが実際の負荷電流を合意していない場合、回路の一部は、想定負荷値を、主回路または出線回路の数に応じて、フォールバックとして提供する。パート1およびパート2では、受入回路の値は1.0から始まり、出線回路数の増加に伴い段階的に低下し、10回路以上で0.6に達する。パート3では、一般の人が操作する配電盤について、この数列は全体で一段低く設定され、0.5で下限となる。

インターネット上では、この範囲の下限として0.4という数値が広く出回っている。しかし、パート1、2、または3の表形式の想定負荷値には記載されていない。RDFはメーカーが設定するものであり、表は合意がない場合にのみ適用されるため、メーカーが表のフォールバック値より低いRDFを宣言すること自体は可能である。ただし、仕様書で0.4が標準規格に拠ると記載されている場合は、その根拠を問う必要がある。

パート1の附属書Eでは、0.68などのRDF値で計算例が示されている。この数値は表から得られる丸めた数ではなく、負荷計算から導き出されるものである。

適用される制限値

IEC 61439-1の表6には、通常引用される2つの数値以上の情報が記載されている。

外部絶縁導体用の端子の温度上昇は70 Kに制限される。脚注はこの値に2つの限定を加えている。第一に、70 Kは10.10条の従来の試験に基づく値であり、実際の設置条件で使用される組立品では、試験とは異なる種類と配置の接続が使われ、異なる端子温度上昇が許容または要求される場合があること。第二に、内蔵部品の端子が同時に外部絶縁導体の端子となる場合、適用される2つの制限値（部品メーカーの制限値と70 K）のうち低い方が支配する。

ブスバーと導体については、表に単一の数値制限はない。該当行には、制限が以下の要素によって設定されることと記載されている。導電材料の機械的強度、隣接機器への影響、導体に接触する絶縁材料の許容温度制限、導体温度が接続機器に与える影響、およびプルイン接点については、接点材料の性質と表面処理。

注gに、上記の基準の上限として105 Kが示されている。すなわち、上記のすべての基準が満たされる前提で、導電銅製ブスバーおよび導体の最大温度上昇は105 Kを超えてはならない。注1にはその理由が示されている。105 Kは、銅の焼鈍が起こりうる温度領域に対応するものであり、冶金学的制限である。この温度に達するとバーは軟化し、これは電気的ではなく機械的な故障モードとなる。

これら全ての前提として、周囲温度の仮定が存在する。表6の制限値は、運転中の平均周囲空気温度が最大35 °Cの場合に適用される。附属書Oは極値を追加する。日平均および極値の周囲温度は、それぞれ35 °Cおよび40 °Cを超えてはならない。試験自体の間、周囲温度は10 °Cから40 °Cの間でなければならない。測定は、組立品の高さの約半分の位置から約1 m離れた場所に、放射と気流を遮断した状態で、少なくとも2個のセンサーによって行う。

実務上、2つの重要な点がある。第一に、105 Kの上限が制約となることは稀である。バーに接触する絶縁材料、またはバーが接続されるデバイスが、先に限界に達する。第二に、平均35 °C以上の高温環境で使用される組立品は、その制限値を適合させる必要があり、9.2条には、異なる周囲温度をカバーするために制限値が変更される場合、ブスバーおよび機能単位の定格電流も変更が必要になる場合があることが注記されている。

各方法のコストと所要時間

認定された温度上昇試験の公開価格表は存在しない。コストは試験構成の数と、何を製作する必要があるかによって大きく左右される。意思決定に資するのは、コストの構造の方である。

• 試験: 最も過酷な構成で1台以上の代表的な組立機が製作され、出荷され、試験所の時間で課金される。試験は、温度上昇が定常値に達するまで実行される。定常値とは、条項10.10.2.3.1で、環境温度を含むすべての測定点における変動が1 K/h以下となることと定義される。これは通常、計測器の設置とセットアップ以前に、構成あたり半日から1日程度かかる。電流は、規格で詳細に規定された試験用導体で供給される。800 A以上では、規定されたサイズの銅バーで、接続長が最小3 m必要であり、特定の温度条件でのみ2 mに短縮できる。4000 A以上では、オリジナルメーカーが構成を決定し、試験報告書の一部となる。コストは、試験片の製作と構成数に支配される。遅延は、試験所の待ち時間に支配される。高電流試験では、週単位ではなく月単位となる。ジョイントが量産と同じ方法で作成される前に、スロットを予約すべきではない。

• 検証済み設計からの導出: 検証済み設計がすでに_owned_されている場合、最も安価で高速。組立システムメーカーがパッケージの一部として販売するのはこのため。そのルール内では、ほとんどの作業はすでに完了している。ルール外では、再度試験が必要となる。

• 計算: 試験所が不要であるため、コストはエンジニアリング時間と部品データとなる。見えないコストはデータ収集である。条件a)は、すべての内蔵部品の損失データが必要であり、混合材料表のすべてのデバイスサプライヤーからそれを追及することは、計算自体よりも時間がかかる。初回の組立では、時間ではなく日単位で予算を立てるべきで、部品データが蓄積された後は短縮される。実際のリスクは、反復の最後に、より大きなフレームまたはより大きなバーが必要だったと発見することであり、これは初期の概算で明らかになる。

製造品質が結果を決定する理由

すべてのルートは最終的に同じ物理的事実を測定し、条項10.10.2.3.3はそれを直接指定している：主回路内の導体および端子のジョイントに特に注意を払うこと。ジョイントは測定点として指定されている。

ジョイント抵抗には2つの部分がある。電流がオーバーラップ部を分流する際の展開抵抗は、オーバーラップ厚比と穴パターンの関数である。バーの幅方向にボルト穴がある場合、長手方向に穴がある場合よりもペナルティが大きい。接触抵抗は、表面状態と圧力の関数である。

接触面積はオーバーラップ面積ではない。見かけのオーバーラップの約1%のみが、個々のasperity接続を介して導通する。接触抵抗は、約10 N/mm²までは圧力に対して急激に低下し、30 N/mm²付近で平坦になる。約7 N/mm²以下では、動作することは推奨されない。現場では圧力を測定できないため、ナット係数を通じてトルクから推定される。ナット係数は、ドライの約0.20–0.22から、境界潤滑剤使用時は0.15–0.16まで変動する。グリスを塗ったねじに同じレンチ設定を使用すると、ドライ時と比べて約30%の初期締め付け力が得られる。トルク値と潤滑指示は同じ出典から出ている必要があり、さもなければ手順書の数値は架空のものとなる。

表面処理は最も安価な変数であり、最も often 飛ばされる変数である。面は平坦で、組立直前に fresh に研磨されるべきであり、そうすることで、締め付け圧力が酸化皮膜を破壊し、できるだけ多くの点で金属同士の接触を形成する。ジョイント面にバリが残っていると、逆の効果がある。バーを間隔を保ってしまうため、計算上の接触面積と実際の接触面積が乖離する。そのため、バリ取りは組立ラインの工程に属し、組立工の手に委ねるべきではなく、0.5～50 mm厚のバーを5～30 m/minで処理する機械如きBND800-2が存在する。

エンボス加工はもう一つの Lever であり、十分に活用されていないものである。制御された接触ランドを隆起させることで、利用可能なボルトの初期締め付け力を、接触しているかもしれないし、していないかもしれないオーバーラップに分散させるのではなく、定義された平坦な面に集中させる。ジョイントが熱的にマージナルな場合、設計された接触ランドは、もう1本のボルトよりも優れた解決策となることが多い。

穴パターン精度は、上記すべてに直結する。マルチボルトジョイントのピッチ誤差は、過大な穴の中でボルトが互いに競い合い、初期締め付け力が不均等に分散されることを意味する。穴ごとに位置精度を維持する打抜きは、穴あたり追加コストがかからず、試験所試験に支払われる変数を1つ減らす。IMAC-CENTER 80のような加工センターは±0.05 mmで動作する。打抜き工程ページではツール側を、穴パターン記事では端距離とピッチを扱っている。

ルートの選定

バーのサイズ決めは、補正係数が intact な定格出典に対して行い、参照条件の表に対しては行わない。DIN 43671は、環境温度35 °C、バー温度65 °Cで銅バーの定格を定めており、0～60 °Cの環境温度、最大125 °Cの動作温度に対する補正、およびバーの配列と位相あたりのバー数に対する係数を提供する。内部空気温度55 °Cの囲い内では、これらの補正が、検証に合格するバーと不合格になるバーの違いを決定する。

当社のブスバー許容電流計算ツールは、基準条件を仮定するのではなく、補正を適用します。組立物が北米市場向けである場合、許容値は完全に変化し、バーの仕様も異なります。この比較についてはUL 891 versus IEC 61439を参照してください。