IEC 61439 の温度上昇検証を経路ごとに読む

温度上昇の検証は、ブスバー加工の品質が監査の指摘事項に変わる場所です。アセンブリの設計検証の他の項目は、 銅に触れたことのない人が机上で片付けられます。これだけはできません。検証される数値を作っているのは、 組立工がトルクレンチで締めた接続部だからです。

公表されている解説の大半は 3 つの経路を挙げるところで止まります。案件の成否を決めるのは、各経路に付く 境界条件、定格負荷率が実際に何に掛かるのか、そしてどの加工上の変数が結果を動かすのかです。以下の箇条番号は BS EN 版として発行された IEC 61439-1

3 つの経路

箇条 10.10.1 はこれを明快に列挙しています。検証は、次のいずれか 1 つ以上によって行います。

a) 試験、箇条 10.10.2。認定試験所で、実物のアセンブリに通電します。

b) 試験済みの設計からの類似バリエーションの定格の導出、箇条 10.10.3。比較による経路です。すでに試験済みの 構成があり、規定された規則のもとでそのバリエーションに定格を割り当てます。

c) 計算。電流の上限が異なる 2 つの別々の方法があります。箇条 10.10.4.2 は 630 A を超えない単一区画の アセンブリを、箇条 10.10.4.3 は IEC TR 60890 の方法を用いて 1600 A を 超えないアセンブリを対象とします。

3 つすべての上に 2 つの制約があります。計算法についてはいずれの経路も定格周波数 60 Hz 以下に限られ、 60 Hz を超える定格のアセンブリについては、箇条 10.10.1 が、試験による検証か、同じ周波数で試験された設計 からの導出による検証を求めています。組み合わせて用いることは認められており、それが通例です。複数の区画から 成るアセンブリでは、区画ごとに異なる経路で検証してかまいません。

経路 c) を詳しく — 細かい但し書きがあるのはここ

計算経路は、試験所を必要としないため多くのメーカーが最初に手を伸ばす経路です。同時に、設計が固まった後に 案件を失格にすることが最も多い条件を抱えています。

630 A の方法（10.10.4.2）

損失の釣り合いによる方法です。外被内部の構成機器と導体からの総損失を、いずれの機器の最高使用温度も内部の 空気が超えることなく放散できるかどうかと比べます。速く、安全側で、そして適用範囲が狭い方法です。

条件は次のとおりで、すべてを満たす必要があります。

• 内蔵されるすべての構成機器の損失データが、機器メーカーから入手できること。
• 損失が外被内部におおむね均等に分布していること。
• 各回路の定格電流が、その回路の開閉機器および構成機器の定格開放形熱電流（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された機器が空気の循環を著しく妨げないこと。
• 200 A を超える電流を流す導体と、その近傍の構造部材が、渦電流損とヒステリシス損を最小にするように配置 されていること。
• すべての導体が、関連する回路の許容電流定格の 125 % に基づく最小断面積を持つこと。
• 設置された損失に対する外被の温度上昇が、外被メーカーからか、10.10.4.2.2 による試験からか、強制冷却を 備える場合は冷却機器のメーカーから、既知であること。

1600 A の方法（10.10.4.3）

80 % のディレーティングと 125 % の導体の規則は同じで、温度上昇そのものは単純な損失の釣り合いではなく IEC TR 60890 の方法で求めます。多区画の設計をふるい落とす形状上の条件が 2 つ加わります。

• アセンブリ内、または評価対象の区画内の水平仕切りが 3 枚以下であること。
• 区画を持ち自然換気による外被では、各水平仕切りの通風開口の断面積が、区画の水平断面積の 50 % 以上で あること。

1600 A を超えると、計算による 2 つの経路はどちらも閉じます。試験か、試験済みの設計からの導出になります。 これは製作した後ではなく、製作する前に決める判断です。

規格は余裕が存在する理由について率直です。箇条 10.10.4.1 は、これらの方法では通電部の実際の局所温度を 計算できないため、いくつかの限度と安全余裕が必要であり、それらが織り込まれていると述べています。80 % の ディレーティングと 125 % の導体の選定がその余裕です。よりよい解析によって議論で外せる保守性ではありません。

実務における 80 % のディレーティング

このディレーティングはファイルの中の注記ではありません。部品表が変わります。

200 A の回路に 200 A の機器は使えません。開放形定格が 250 A 以上で 200 A に整定または固定されたもの、 あるいはより大きなフレームを低く整定したものが必要です。計算に使う損失は 200 A での損失ですが、機器そのものは 250 A フレーム以上でなければなりません。導体の規則がこれに重なります。200 A の主母線回路は 1.25 × 200 = 250 A で選定し、これはアセンブリ内のすべての内部導体に適用されます。

そして反復が続きます。導体断面はまず内部空気温度を仮定して選びます。計算が実際の空気温度を出したところで、 構成機器と導体の変更が必要になることがあり、計算をやり直します。2–3 巡は普通のことで、そのたびにバー寸法が 動きうるため、穴配置が動き、金型が動きます。銅の詳細設計に入る前に検証経路を決めてください。後からでは ありません。

定格負荷率が実際にしていること

定格負荷率（RDF）はこの規格で最も誤解されている用語であり、その誤解の大半は、これを計算の内側で適用する 割引だと思い込むことから来ています。そうではありません。

箇条 5.4 が定義しています。相互の熱的影響を考慮したうえで、分岐回路を連続かつ同時に負荷しうる、定格電流に 対する単位法の値であり、アセンブリの製造者が割り当てるものです。回路群ごとに示すことも、アセンブリ全体に ついて示すこともできます。定義の中の 2 つの条項が働きます。RDF に回路の定格電流を掛けた値は、分岐回路の 想定負荷以上でなければならないこと。そして RDF は、アセンブリがその定格電流 InA で運転している状態に 適用されること。

つまり RDF は 宣言する定格 であって、計算の入力ではありません。箇条 10.10.1 はこれを正確に述べて います。検証しようとする回路の通電能力は、定格電流と RDF によって決まる、と。RDF は、何を検証するのかを 定義するものです。

RDF が試験経路のどこに入るか

試験法では、RDF は明示的かつ物理的に現れます。

• 箇条 10.10.2.3.5、アセンブリ全体の検証：入線側および分岐側の回路をそれぞれの定格電流で負荷します。規格は これが定格負荷率 1 に相当すると述べています。速く、安全側であり、負荷率をいっさい想定していないので、 負荷率について何も証明しません。
• 箇条 10.10.2.3.6 および 10.10.2.3.7 d)：入線側回路をその定格電流で、分岐側の機能ユニットをそれぞれの 定格電流に負荷率を掛けた値で負荷して検証します。1 を下回る RDF の宣言が実際に裏付けられるのはここです。

附属書 O がこの取引を示しています。方法 a) は必要な試験の数が最も少ない一方、試験の構成は必要以上に厳しく、 結果はその構成にしか適用されません。

RDF が入らない場所 — 計算経路

計算に関する 2 つの箇条はどちらも同じことを述べています。接続導体を含むすべての回路の有効損失は、 回路の定格電流に基づいて計算する こと。RDF の乗数はありません。負荷率は別の入口から入ります。総損失は、 総負荷電流がアセンブリの定格電流に制限されることを考慮して計算されます。

規格自身の計算例がこれを具体的にしています。分電バーによって制限される定格 100 A の単一区画アセンブリに、 それぞれ 8 A と想定される分岐回路が 20 回路備わっている場合、総有効損失は 8 A の分岐回路 12 回路について 計算します。12 × 8 = 96 A が、100 A の入線定格が実際に配分できる量だからです。負荷率をかけた 20 回路では なく、全負荷の 12 回路です。

この区別が実務上の要点です。BEAMA が公表している試験によらない検証の指針は、これを誰よりも平明に述べて います。計算によって温度上昇を検証する際、定格負荷率は考慮しない。回路が定格電流で運転している最も厳しい 損失の組合せを用いて、アセンブリの定格電流を配分する、と。TR 60890 の表計算の内側で RDF による割引を 適用してきた人は、規格が主張を許す範囲より低い温度上昇を計算してきたことになります。

表に示された値

製造者と使用者が実際の負荷電流について合意していない場合、製品の各部が想定負荷の代替値を、主回路または 分岐回路の数に対応づけて示しています。第 1 部と第 2 部では、入線側回路の 1,0 から始まり、分岐の数が増える につれて段階的に下がって、10 回路以上で 0,6 に達します。第 3 部の、一般の人が操作する配電盤では、この階段が 全体を通して 1 段低く、下限は 0,5 です。

この範囲の下限として 0,4 という値がオンラインで広く出回っています。第 1 部、第 2 部、第 3 部のいずれの 想定負荷の表にも現れません。もちろん製造者は表の代替値より低い RDF を宣言できます。RDF は製造者が割り 当てるものであり、表は合意がない場合にのみ適用されるからです。ただし、仕様書が 0,4 を規格に由来するものと して引用しているなら、どこから来た値かを尋ねてください。

第 1 部の附属書 E は、0,68 のような RDF 値で計算例を示しています。表から取った丸い数値ではなく、負荷の 計算から出てくる値です。

何に照らして検証するのか

IEC 61439-1 の表 6 は、そこから引用されがちな 2 つの数値より多くのことを述べています。

外部絶縁導体用の端子の限度は 70 K です。脚注がこれに 2 つの条件を付けています。70 K は箇条 10.10 の 通常の試験に基づく値であり、実際の設置条件で使用されるアセンブリでは、接続の種類と配置が試験と異なり、 その結果として異なる端子の温度上昇が要求され、あるいは受け入れられることがあります。また、内蔵機器の端子が 外部絶縁導体用の端子でもある場合は、適用される 2 つの限度、すなわち機器メーカーの限度と 70 K のうち、 低いほう が支配します。

ブスバーと導体については、表に単一の数値は与えられていません。この行は、限度が次の要素によって決まると 述べています。導電材料の機械的強度、近傍の機器への影響の可能性、導体に接する絶縁材料の許容温度限度、 導体温度が接続される機器に与える影響、そして差込接触部については接触材料の種類と表面処理です。

105 K は注 g に現れ、それらの判定基準の上に置かれた上限として示されています。列挙されたすべての判定基準が 満たされているとして、素地の銅ブスバーおよび導体については温度上昇 105 K を超えてはならない、というもの です。注 1 が理由を示しています。105 K は、銅の焼なましが起こりはじめると考えられる温度に関係する値です。 冶金学的な限度です。そこに達すればバーは軟化し、それは電気的ではなく機械的な不具合の様式です。

周囲条件の前提がそのすべての下にあります。表 6 の限度は、使用状態における平均周囲空気温度 35 °C までに 適用されます。附属書 O はピーク側を加えており、周囲温度の日平均が 35 °C、ピークが 40 °C を超えないこと、 としています。試験そのものの間、周囲温度は 10 °C から 40 °C の間になければならず、アセンブリのおおよそ 高さの半分の位置、約 1 m 離れたところに置いた 2 個以上のセンサで、気流と放射から遮蔽して測定します。

実務的な読み方が 2 つあります。第 1 に、105 K の上限が拘束条件になることはまれです。バーに接する絶縁材料 か、バーが接続される機器のほうが先に効いてくるのが通例です。第 2 に、平均 35 °C より高温の環境へ向かう アセンブリは限度を適合させる必要があり、箇条 9.2 は、異なる周囲条件に対応するために限度を変更する場合、 ブスバーおよび機能ユニットの定格電流もあわせて変更する必要がありうると注記しています。

各経路の費用と所要期間

認定を受けた温度上昇試験について、公表された価格表は存在しません。費用は試験構成の数と、何を製作しなければ ならないかに支配されるためです。いずれにせよ判断に必要なのは費用の 構造 のほうです。

• 試験： 最も厳しい構成で代表となるアセンブリを 1 台以上製作し、輸送し、試験所の時間に対して支払います。 試験は温度上昇が一定値に達するまで続きます。箇条 10.10.2.3.1 は、これを実務上、周囲を含むすべての測定点の 変化が 1 K/h を超えないこととして定義しています。計装と段取りを別にして、1 構成あたり通常は 1 日の 大半を要します。通電は、規格が詳細に規定する試験用導体を通して行います。800 A を超える場合、それは 規定された寸法の銅バーで、接続長さは最低 3 m、規定された温度条件のもとでのみ 2 m まで短縮できます。 4000 A を超える場合、構成は元の製造者が決定し、それが報告書の一部となります。費用はサンプルの製作費と 構成の数に支配されます。期間は試験所の待ち行列に支配され、大電流の仕事では数週間ではなく数か月です。 接続部が量産と同じ作り方になる前に枠を予約しないでください。

• 試験済み設計からの導出： すでに試験済みの設計を自社で保有している場合には最も安く速い経路です。 アセンブリシステムの供給者がこれをパッケージの一部として販売しているのはそのためです。その規則の内側に とどまれば作業の大半は済んでいます。外へ出れば試験に戻ります。

• 計算： 試験所が不要なので、費用は技術者の工数と機器データです。目に見えない費用はデータ収集です。 条件 a) は内蔵されるすべての構成機器の損失データを要求しており、混成の部品表についてそれを機器メーカー 各社から集めるほうが、計算そのものより時間がかかります。最初のアセンブリでは時間単位ではなく日単位で 見込み、機器データが蓄積するにつれて短くなります。実際のリスクは、反復の最後になって、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判明することです。粗い計算を早い段階で 1 巡させてください。

加工品質が結果を決める理由

どの経路も最終的には同じ物理量を測っており、箇条 10.10.2.3.3 はそれを直接名指しています。主回路内の導体の 接続部および端子に特に注意を払うこと。接続部は名指しの測定点です。

接続部の抵抗は 2 つの部分から成ります。電流が重ね合わせ部を迂回することによる拡がり抵抗は、重ね合わせ長さと 板厚の比、そして穴配置の関数です。バーの幅方向に並ぶボルト穴は、長さ方向に一列に並ぶ穴より大きく損をします。 接触抵抗は表面の状態と圧力の関数です。

接触面積は重ね合わせ面積ではありません。見かけの重ね合わせのうち実際に導通しているのは 1 % 程度で、離散した 突起同士の接触を通っています。接触抵抗はおよそ 10 N/mm² までは圧力とともに急に下がり、30 N/mm² 付近で 平坦になります。およそ 7 N/mm² を下回る状態での運転はそもそも推奨されません。圧力は現場では測れないため、 ナットファクタを介してトルクから推定します。この値は乾燥状態のおよそ 0.20–0.22 から、境界潤滑剤を用いた 場合の 0.15–0.16 まで変わります。グリースを塗ったねじでは、同じレンチの設定で乾燥状態よりおよそ 30 % 大きい 軸力が生じます。トルク値と潤滑の指示は同じ出典から取らなければ、手順書の数値は絵空事です。

表面の処理は最も安価な変数であり、最も省かれやすいものです。接続面は平らで、組立の直前に研磨したてで あるべきです。そうすれば締付け圧力が酸化被膜を破り、できるだけ多くの点で金属どうしの接触ができます。接続面に 残されたバリは逆のことをします。バーを引き離し、計算した接触面積は実際に得られる接触面積ではなくなります。 バリ取り が組立工の手ではなく工程の中にあるべき理由であり、板厚 0.5–50 mm の バーを 5–30 m/min で処理する BND800-2 のようなラインが そもそも存在する理由でもあります。

エンボス加工 はもうひとつの手段であり、活用されていない手段です。制御された 接触面を隆起させることで、実際に接触しているかどうか分からない重ね合わせ全体に広がらせるのではなく、 使えるボルト軸力を定められた平らな面積に集中させます。接続部の熱的な余裕が乏しい場合、ボルトをもう 1 本 増やすより、設計された接触面のほうが良い答えであることがよくあります。

穴配置の精度は、以上のすべてにそのまま効いてきます。複数ボルトの接続部でピッチが狂うと、ボルトは大きめの 穴の中で互いに逆らい合い、軸力は不均一に配分されます。位置を正確に保つ打抜きは 1 穴あたりの追加費用なしに できるうえ、試験所に代金を払って行う試験から変数をひとつ取り除きます。 IMAC-CENTER 80 のような加工センタ は ±0.05 mm で動作します。金型側については ブスバーの打抜き のページで、端部距離と ピッチについては 穴配置の記事 で扱っています。

経路を決める前に

バーの寸法は、基準条件の表ではなく、補正係数を残したままの定格の出典に照らして決めてください。 DIN 43671 は銅バーを周囲温度 35 °C、ブスバー温度 65 °C で定格しており、 周囲温度 0–60 °C、動作温度 125 °C までの補正と、バーの配置および 1 相あたりの枚数に対する係数が付いて います。内部空気が 55 °C の外被の中では、その補正こそが、検証に通るバーと通らないバーの差です。

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。アセンブリが北米市場へ向かう場合、限度はまったく変わり、バーも変わります。その比較は UL 891 と IEC 61439 の比較 にあります。