【幹線設備の設計マニュアル③】幹線サイズの選定 ― 許容電流は「発熱の限界」で決まる

幹線設備の設計マニュアル第3回。IB≦In≦Iwの関係、容量から電流への換算、許容電流の正体である発熱と放熱、そして周囲温度・多条布設・電線管による低減まで。

こんにちは、HARITAの設計室です。連載「幹線設備の設計マニュアル」第3回は幹線サイズの選定。第2回で必要な容量が出ました。いよいよケーブルの太さを決めます。

ここで鍵になるのが許容電流という値です。「このケーブルには何アンペアまで流していいか」を示す数字ですが、その正体は発熱の限界です。今回の合言葉は「電線は電気で切れるのではなく、熱で傷む」。

今回の全体像 ― 3つの電流の関係

サイズ選定は、この不等式をひとつ満たすだけの話です。負荷電流IB ≦ 保護装置の定格In ≦ ケーブルの許容電流Iw。

意味を言葉にすると、「実際に流れる電流よりブレーカーの定格が大きく、ブレーカーの定格よりケーブルが耐えられる電流が大きい」。この順番が崩れると、ブレーカーが落ちる前にケーブルが傷みます。守るべきものを守れなくなる、というのがコンセント編の第5回でも出てきた話です。

許容電流の考え方そのものは 新人講座 第12回 幹線・ケーブルサイズの選び方 で図解しています。今回はそれを実務の手順に落とします。

記号	何の電流か	決まり方
IB	負荷電流 ― 実際に流れる電流	第2回で出した容量から換算する
In	保護装置（ブレーカー）の定格	ブレーカーの定格値から選ぶ
Iw	ケーブルの許容電流	発熱と放熱がつり合う点。布設条件で低減する

① 負荷電流IBを出す ― 容量から電流へ

第2回で出したのは容量でした。ケーブルを選ぶには電流が要ります。ここは単純な換算です。

皮相電力S［kVA］を持っていれば、電圧で割るだけです。三相の場合は√3が入ります。つまずくのは、kWで持っているとき。kWは有効電力なので、力率で割ってkVAに直してから電流を出します。第2回で「kWとkVAを混ぜない」と書いたのは、この換算でつまずかないためです。

なお、簡略計算式（直流式）を使う場面もあります。使ってよい条件と、その式がどこから来ているのかは 簡略計算式（直流式）の根拠と計算方法 にまとめてあります。根拠を知らずに式だけ使うと、適用範囲を外れたときに気づけません。

② 許容電流Iw ― 発熱と放熱がつり合う点

ケーブルに電流が流れると、導体が発熱します。その熱は絶縁体・シースを通って外へ逃げます。発熱と放熱がつり合ったところで温度が決まる ― 許容電流とは、その温度が絶縁体の耐えられる限界に達する電流のことです。

だから、限界を決めているのは導体ではなくまわりの絶縁体です。銅が溶ける前に、絶縁が劣化します。しかもこの劣化はゆっくり進みます。許容電流を少し超えたくらいでは、その日には何も起きません。数年たって絶縁が弱り、あるとき地絡する。気づきにくいから怖いのです。

許容電流からサイズを引く実務手順は 許容電流によるケーブルサイズ選定方法 に、全体の流れは 幹線サイズの選定手順と計算方法 にまとめてあります。

③ 布設条件による低減 ― 同じケーブルでも変わる

ここが実務でいちばん抜けやすいところです。カタログに載っている許容電流は「決められた基準の条件」での値です。現場の条件が違えば、その値はそのまま使えません。

理屈はすべて同じで、放熱しにくくなると許容電流は下がる。周囲が暑ければ熱が逃げませんし、ケーブルを束ねればとなりの熱で互いに温まります。電線管の中は、さらに熱がこもります。

低減率は条件ごとに表で与えられているので、それを使って補正します。「ラックにまとめて敷いたら足りなくなった」は、設計段階で防げる話です。ケーブルラックの選定は ケーブルラックのサイズ選定方法、電線管に入れる場合は ケーブル別の電線管サイズ早見表 をあわせてご覧ください。

④ サイズを決める手順

ここまでを手順として並べます。

大事なのは最後の⑥です。許容電流で決まったサイズは、まだ「仮決め」にすぎません。次回やる電圧降下の検証で足りなければ、さらに太くすることになります。逆に言えば、許容電流だけで確定させて図面を描き始めると、あとで全部描き直しになります。

まとめ

ケーブルサイズの選定は、ひとつの不等式を満たすだけの話です。IB ≦ In ≦ Iw ― そして最後の Iw、許容電流の正体は発熱の限界でした。電線は電気で切れるのではなく、熱で傷みます。

段階ごとに、外すと何が起きるか

手順そのものは短いのですが、それぞれに抜けやすい落とし穴があります。

段階	やること	外すと
IB を出す	容量から電流へ換算。kWなら力率でkVAに直す	kWとkVAを混ぜると、電流が合わない
Iw を見る	カタログの許容電流は「基準の条件」での値	現場の条件が違えば、そのまま使えない
低減の補正	周囲温度・多条布設・電線管で補正する	「ラックにまとめて敷いたら足りなくなった」
サイズ確定	電圧降下の検証まで終えて確定	許容電流だけで図面を描き始めると、あとで全部描き直し
太さの判断	1サイズ上げる判断には、理由が要る	太くしすぎると、価格・曲げ半径・端子・ラック幅・管サイズまで連鎖する

不等式と、換算

熱 ― 許容電流の正体

最後に ― ここで決まるのは、仮決め

許容電流を少し超えるくらいなら、と思いたくなる場面はあります。けれどすぐには何も起きない、というのがこの問題のいちばん厄介なところです。症状が出るころには、原因の特定が難しくなっています。

逆に、迷ったからと太くしすぎるのも手ではありません。価格・曲げ半径・端子・ラック幅・管サイズまで連鎖して大きくなり、おさまらなくなって現場で困ります。1サイズ上げる判断には、理由が要ります。

よくある質問

Q1. 許容電流を少し超えるくらいなら、大丈夫ではありませんか？
A. すぐには何も起きません。それがこの問題の厄介なところです。絶縁体の劣化は温度と時間の積み重ねで進むので、症状が出るころには原因の特定が難しくなっています。設計で守るべき値であって、現場で削るところではありません。

Q2. 低減率は、どこまで厳しく見ればいいですか？
A. 条件が確定していれば表どおりに、確定していなければ厳しい側で見ておくのが安全です。

ラックの敷き方は施工段階で変わることがありますし、電気室の周囲温度も運用で変わります。設計時点で条件を固定できないものは、余裕を持たせておくほうが結果的に安く付きます。

Q3. 電圧降下も許容電流も満たしていれば、太いほうがいいですか？
A. 電気的には安全側ですが、太くするとケーブルの価格・曲げ半径・端子・ラック幅・管サイズまで連鎖して大きくなります。おさまらなくなって現場で困るのは、たいてい太くしすぎたときです。1サイズ上げる判断には、理由が要ります。

次回予告

第4回は「電圧降下の検証」。今回仮決めしたサイズが、こう長に耐えられるかを確かめます。許容範囲の考え方と、足りないときの3つの打ち手、そして幹線ルートの取り方まで。連載全体の地図は 設計・施工マニュアル からどうぞ。

→ 公開しました：第4回 電圧降下の検証 ― こう長は「図面の直線距離」ではない

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