電源ケーブルの電流容量を計算する方法

電力ケーブルの許容電流容量（アンペア容量とも呼ばれる）とは、温度定格を超えずに連続的に流すことができる最大電流値のことです。この制限を超えると過熱が発生し、絶縁が劣化し、ケーブルの寿命が短くなり、故障や火災の原因となる可能性があります。

許容電流値の計算は単なる公式ではなく、ケーブルの構造、設置方法、および環境を考慮したプロセスです。このガイドでは、その原理、関連する主要な要素、およびそれらの適用方法について説明します。

1. 基本原理：熱バランス

電流が流れると、導体内の抵抗（I²R損失）によってケーブルが発熱します。発生した熱量が周囲環境に放散される熱量と等しくなるまで、温度は上昇し続けます。

したがって、最大電流は単純な熱平衡によって決定される。

• 発生熱量 = I² × R（Iは電流、Rは抵抗）

• 放熱量 = ΔT / Rth（ここで、ΔTは導体と周囲環境との温度差、Rthは導体から周囲への総熱抵抗）

ケーブルの許容電流は、導体温度が最大許容温度（例えば、XLPE絶縁体の場合は90℃）に達したときに得られます。許容電流を計算するには、ケーブルの熱抵抗と放熱に影響を与えるすべての要因を知る必要があります。

2. IEC 60287 熱回路モデル

ケーブルの許容電流値を計算する国際規格はIEC 60287です。この規格では、ケーブルとその周囲環境を一連の熱抵抗としてモデル化しています。:

• T1：ケーブル絶縁体の熱抵抗。

• T2：寝具または内側シースの熱抵抗。

• T3：外被または装甲の耐熱性。

• T4：周囲媒体（空気、土壌、またはダクト）の熱抵抗。

連続電流定格（I）を計算するための規格の中核となる式は、これらの熱障壁と内部熱源すべてを考慮に入れた複雑な方程式である。:

I = √((θ_max - θ_a - ウッド × [0.5T1 + (T2 + T3 + T4)]) / (R × T1 + R × n × (1 + λ1) × T2 + R × n × (1 + λ1 + λ2) × (T3 + T4)))

どこ：

• I = 電流容量 (A)

• θ_max = 導体の最大許容温度（例：XLPEの場合は90℃）

• θ_a = 周囲温度

• ウッド = 単位長さあたりの誘電損失

• R = 動作温度における導体の交流抵抗

• n = 導体の数

• λ1、λ2 = 鞘と装甲の損失係数

この熱回路モデルは、非常に精度の高い計算結果を提供します。実際には、エンジニアはこの規格に基づいたソフトウェアや簡略化された手法を使用します。

3. 実践的な方法：許容電流表と定格低減係数

ほとんどの実際のアプリケーションでは、従来の方法ではIEC 60364などの規格で公開されている許容電流表を使用します。NEC、またはBS 7671。これらの表は、基準条件下におけるケーブルの基本電流定格を示しています。基準条件とは以下のとおりです。

• 具体的な周囲温度：空気中のケーブルの場合は30℃、埋設ケーブルの場合は20℃。

• 単一の独立した回路（グループ化なし）。

• 定められた設置方法（例：クリップ式直接固定、電線管内設置、直接埋設）。

実際の設置状況はこれらの基準条件と完全に一致することはほとんどないため、基本許容電流値は減格（補正）係数を適用して調整する必要がある。。

有効電流容量（イズ）の一般式は次のとおりである。:

イズ = イタブ × カリフォルニア × Cg × Ci × Cs × CD

どこ：

• イズ = 実条件下における実効電流容量 (A)

• イタブ = 規格に基づく表形式の電流定格（A）

• カリフォルニア = 周囲温度補正係数

• Cg = グループ化（相互加熱）補正係数

• Ci = 断熱補正係数

• Cs = 土壌熱抵抗率補正係数（埋設ケーブル用）

• CD = 埋設深度補正係数（埋設ケーブル用）

設置条件が基準よりも不利な場合、係数は1.0未満となり、ケーブルの容量が低下します。条件がより好ましい場合（例えば、周囲温度が低い場合）、係数は1.0より大きくなる可能性があります。。

4. 主な性能低下要因

A. 周囲温度補正（カリフォルニア）

周囲温度が高いほど、ケーブルが放熱できる余裕が少なくなるため、流せる電流は少なくなります。補正係数は次の式で計算されます。:

カリフォルニア = √((T_max - T_actual) / (T_max - T_ref))

どこ：

• T_max = 導体の最大許容温度

• T_actual = 実際の周囲温度

• T_ref = 基準周囲温度（空気中は30℃、地面は20℃）

例えば、周囲温度40℃における90℃耐熱XLPEケーブルの場合、係数Caは0.91である（IEC 60364）。50℃では、XLPEの場合、係数は約0.89に低下する。つまり、ケーブルの容量が11%減少するということだ。

B. グループ分け（相互加熱）補正（Cg）

複数のケーブルを近接して設置すると、ケーブル同士が発熱します。グループ化係数（Cg）は、この相互発熱を考慮して許容電流を低減する係数です。

例えば、規格では、束ねた4本のケーブルに対して0.85の係数を推奨している場合がある。回路数を増やしたり、束ね方を密にしたりすると、係数は低下します。

C. 土壌熱抵抗率補正（Cs）[埋設ケーブル]

埋設ケーブルから熱を逃がす土壌の能力は非常に重要です。熱抵抗の高い土壌（例えば乾燥した砂）は熱伝導率が低く、定格電流の低減係数が必要となります。土壌の組成と含水率は、ケーブルの許容電流に影響を与える重要なパラメータです。

D. 断熱補正（Ci）

ケーブルが断熱材に接触している場合（例えば、壁の空洞内など）、断熱材が熱を閉じ込めるため、ケーブルの電流容量が大幅に低下します。

5. ケーブルのサイズ選定手順

定格低減法を用いてケーブルのサイズを正しく選定するには：

• 設計電流（IB）を決定する：回路の最大負荷電流を計算する。

• 保護装置定格（で）を選択してください：回路を保護する定格のヒューズまたは回路ブレーカーを選択してください。。

• 設置方法を特定する：ケーブルの設置方法（例：電線管内、直接埋設、表面への固定）を正確に決定し、規格から該当する参照方法を見つける。。

• 表形式の許容電流値（イタブ）を求めます：設置方法と導体タイプを使用して、規格の表から基本許容電流値を求めます。。

• すべてのディレーティング係数を適用する：表に記載されている許容電流値に、適用可能なすべての補正係数（カリフォルニア、Cg、Cs、Ciなど）を乗じて、実効電流容量（イズ）を求めます。。

• 確認事項：イズ ≥ で​​ですか？ケーブルの実効容量は、保護装置の定格値以上でなければなりません。そうでない場合は、より太い導体を選んで手順を繰り返してください。

複数の減額要因が掛け合わされ、その影響は複合的に作用する。例えば、それぞれ0.80である2つの因数は、合成すると0.64になります。

電力ケーブルの電流容量を計算することは、安全で信頼性の高い電気設備を確保するために不可欠な作業です。正確な科学的手法はIEC 60287のような複雑な規格によって規定されています。実用的な方法としては、基準条件下で公表されている許容電流値表から始め、実際の設置環境を考慮して一連の減衰係数を適用するという手順があります。この体系的なアプローチに従うことで、ケーブルのサイズを適切に選定し、過熱を防ぎ、システムの信頼性を維持し、長寿命を確保することができます。