銅製バスバーのサイズはどうやって計算するのですか？

1. バスバーの容量選定入門

正確な銅製バスバー適切な容量選定は、安全で信頼性が高く、効率的な電力流通に不可欠です。バスバーは、開閉装置や配電盤内で大電流を分散させます。不適切な容量選定は、過度の発熱、電力損失、電圧降下、さらには絶縁破壊や火災などの故障を引き起こす可能性があります。影響要因と容量選定方法を理解することは極めて重要です。.

2. 必須のサイズ制限

バスバーの許容容量（電流容量）は、主に熱効率（温度上昇）、電流容量、および電圧降下によって制限されます。特に室内では、温度上昇が最も重要な要素の一つとなります。$I ^ 2R$ による損失から生じる熱は、温度を許容範囲内に保つために放散させる必要があります。.

ΔTの簡略化された計算式は、消費電力に対して対称的であり、放熱位置に反比例する。 ΔT≈1000×消費電力1.1×面積（平方センチメートル）ΔT≈1.1×面積（平方センチメートル）1000×消費電力。これは概算であり、すべての熱伝達を網羅しているわけではありません。.

リンクを介した熱伝達により、その領域における温度上昇が抑制されます。熱ネットワーク法では、熱伝達係数（α）、面積（A）、熱抵抗（R）、およびΔTを考慮して熱の循環を評価します。測定されたΔTの値が大きい場合は、外部からの熱の流入、あるいは放熱の低下を示している可能性があります。.

短絡の場合、ΔT は、その短い期間中は熱伝達が無視できるほど小さく、熱が導体に吸収されると仮定する。主要な変数としては、時間（T）、初期温度（Θ1）、最大許容温度（Θ2）、断面積（A）、および実効値電流（I）がある。

包括的なバージョンでは、定常状態の熱挙動を評価し、電流、断面積、長さ、製品の抵抗率の変動、および接触抵抗を算出します。抵抗率（ρa）、熱伝導率（λ）、温度係数（α0）といった材料特性が重要です。ΔTは断面積に反比例します。.

電圧降下は、電流およびバスバーの耐性によって決まります。表皮効果や近接効果といった周波数による影響の結果、交流インピーダンスは直流インピーダンスよりも大きくなります。.

3. 必要な設計基準

正確なサイジングを行うには、電気的および環境的な問題を特定するための重要な情報が必要です：

最適な連続電流： 定常動作電流。.
最適な周囲温度： 熱計算において極めて重要です。周囲温度が高くなると、熱伝達能力は低下します。IEC 61439-1 などの規格では、制限事項が規定されています（例：最高 +40 °C、24 時間平均 +35 °C）。.
許容温度上昇： 周囲温度を超える最大許容温度は、基準（IEC、UL、ANSI）および絶縁スコアによって定義されます。例：ANSI C37.20では、銀メッキを施した場合、周囲温度40 °Cに対して65 °Cの急上昇が許容され、銀メッキなしの場合は30 °Cが許容されます。 BS 159では、平均周囲温度35 °Cに対して50 °Cの上昇が許容されています。既存のランク付けは、温度上昇試験によって決定されます。.

その他の仕様：

既存の種別（AC/DC）および周期性（A/C）： 既存の動線に影響を及ぼします。.
分割払いの設定： 空間、気流、平行棒、間隔、配置は、熱の放散および熱分布に影響を与える。.
バスバー製品：住宅用および商業用物件: 比抵抗、導電率、温度係数。.
表面積療法： 放射による熱放散に影響を与える。.
標高： 定格の引き下げが必要になる場合があります。.
短絡の発生状況および継続時間： 誤りがある場合は、検証に耐えうるものでなければなりません。.

これらの仕様は、必要な寸法を算出するための計算方法の選択肢および定格低減に関する指針となります。.

4. セットアップの影響セットアップ

物理的な配置や環境は、許容電流や熱効率に極めて大きな影響を及ぼします。.

筐体／換気： 密閉型バスバーは、空気の流れが制限されるため、屋外設置型に比べて許容電流が低くなります。許容電流の単位は、主に温度上昇試験（UL、ANSI）によって決定されます。単純な電流・断面積の関係式は、密閉型システムでは信頼性が低くなります。消費電力の設定は、筐体の許容範囲内である必要があります。強制冷却は、自然対流よりも冷却能力が高くなります。.

平行棒／定格引き下げ： 同一のバスバーを使用すると容量は増加しますが、公差、接続、リアクタンスの影響により、実際には不均等な負荷分担が生じます。このため、個々のバスバーの定格電流の合計値よりも低い値に、総許容電流をディレーティングする必要があります。ディレーティングの要因は、同一のバスバーが増えるほど大きくなります。 $n$のバーにおける電流容量は、$n$に1本のバーの容量を掛けた値よりもはるかに小さくなります。.

間隔・向き： 間隔は熱伝達に影響を与え、密接度も影響を及ぼします。間隔を広くすると、放熱性と許容電流が増加します。並列配置は、積み重ね配置に比べて冷却効果が低くなります。リブの間隔や穿孔を最大限に広げることで、熱伝達が向上します。底面の水平方向の表面積による冷却は、信頼性が低くなります。.

コンパクト／サンドイッチ製造装置： カプセル化により、小型設計が可能になります。部品間隔を狭めることで、インダクタンス、抵抗、電圧降下、および誘電損失を低減できます。.

その他のさまざまな変数： 金属製ユニット（アルミニウム）は、近接による影響やユニットの発熱を低減します。高所での設置には定格出力の引き下げが必要です。接続不良はユニットの過熱を引き起こすため、十分な接触圧を確保することが不可欠です。.

複合条件係数（K）は、棒の形状（k1）、表面積（k2）、設置位置（k3、k4）、気流（$k5）、既存の種類（k6）といった要因の影響を反映しています。塗装は散逸を促進する（k2= 1.15）。設置場所による要因は異なり（例えば、縁部設置の場合はk3= 1、基部設置の場合はk3= 0.95など）。.

5. 交流と直流の用途による影響

電流の種類、特に交流の周波数は、表皮効果や近接効果を通じて電流の流路に影響を与え、交流抵抗や損失を増大させます。.

表皮効果： 空調による熱は表面付近に集中するため、有効面積が減少する。この現象は、周波数が高くなるほど顕著になる。50 Hzにおける銅のスキン深度（電流が約 37% まで減少する深さ）は約 8.5 mm である。これにより、10 mm 以下のバスバー密度では効率が制限される。追加損失は、係数（ys）および経験式を用いて推定される。.

近接影響： 近くの導体から発生する電磁界は渦電流を発生させ、その領域に集中させます。これにより、特に間隔が狭い場合、交流抵抗と損失が増加します。電力損失は、位置よりも速いペースで増加する可能性があります。.

距離係数（K=RAC／RDC）は、抵抗の増大度合いを評価する指標である。間隔が狭くなると、距離係数の値が高くなり、損失も増大する。.

統合的な影響・緩和策： これらの影響はいずれも、エアコンの抵抗、I2R損失、および電圧降下を増大させます。大電流（2000A以上）や長距離の系統において特に重要です。わずかな損失の増加でも経済的な影響が生じます。不平衡リアクタンスは、電圧の不均衡や電磁力を引き起こします。

削減手法：

ブースト間隔： 磁場の影響を低減します。.
インターリーブ／転置： 同一のバー間で調整を行います。.
バスバーの形状: 1本の太いバーよりも、多数の細いバーの方が、皮膚への衝撃をはるかにうまく吸収できる。.
添付資料： 金属製の部屋（アルミニウム）は、近接による影響を軽減します。.

混合効果は、補正係数（S）＝皮膚の側面（Sk）×近接の側面（Sp）によって説明される。.

6. 算定方法および要件

容量設計には、安全性と信頼性を確保するための規格に基づいた手法が用いられます。この手法では、環境や空調の影響を考慮しつつ、連続電流に対する許容温度上昇に基づいて必要な面積を算出します。この作業はしばしば反復的なものとなります [15]

主な基準：

IEC 61439（低電圧開閉装置）： 設置時のバスバーに関する重要事項。IEC 61439-2はPSCアセンブリを対象としており、既存の定格値は、指定された周囲環境条件下において情報シートに準拠している必要があります。定格引き下げ後も、既存の定格値は継続して適用されるべきであり、主要なバスバーは、実際のサイズよりもやや大きめの定格で設計される必要があります。.

温度上昇の確認： 手法としては、種別テスト、コントラスト、あるいは計算などが挙げられる。.
見積りの確認： IEC TR 60890 などの基準に基づき、1600 A 以下の設定で許可されます。回路の定格電流が型式電流以上であることが必要です。推定制限が適用されます（≤1600 A、構成要素は80%にディレーティング）。単一コンパートメントで総供給電流が630 A以下の場合、損失データが提供され、損失が均一であり、かつ回路電流が自由空気定格の80以下であれば、推定が許可されます。.
ランク付けされた多様性係数（RDF）: IEC 61439-2 の試験・計算における一次直列バスバーの係数：1.0。.
最小断面積：仕様書には、最小面積（例：125%の規定電流値）が明記されている場合があります。.
消費電力： 全体的なセットアップ損失は、ユニットの容量の範囲内である必要があります。.
ULおよびANSI規格： 米国およびカナダで使用されています。通常、温度上昇試験に基づいて選定されます。イートン社では、周囲温度40°Cを超える場合、UL/ANSI規格に基づき65°Cの上昇を基準としています。.

NEMA基準： 設計・試験に関するガイドライン。.
銅産業振興機構（CDA）： リソースには、効率化されたソリューション、視覚的な手法、および許容電流表などが含まれます。.
実測データ／計算式： シミュレーションが実施できない場合に利用します。慎重に使用し、確認を行ってください。.
短絡計算： 仕様書には、熱的・機械的負荷に対する耐性に関する対策が記載されています。.

採用する手法は、システムの複雑さ、求められる精度、情報のスケジュール、および規制基準によって異なります。施設システムや、計算上の制限を超えるシステムについては、物理的な検証が必要となります。.

7. 物理寸法の選択

必要な断面積を算出した後、適切なサイズと密度を選択します。基本的なサイズ、機械的強靭性、熱性能、および電流の流れについて検討してください。.

銅製のバスバーは、標準的な長方形の寸法で提供されています。計算された設置位置に合わせて寸法を選択してください（例：500 mmの設置位置2か所の場合、50×10 mmのバスバー1本、または複数の平行なバスバーを使用できます）。.

寸法オプションの決定要因：

基本寸法： 購入手続きを簡素化し、コストを最小限に抑えます。.
機械的スタミナ： 荷重、取り付け、および短絡時の電磁力に耐える必要があります。寸法や間隔は剛性に影響を与えます。.
熱効率： 表面積は放熱において極めて重要です。幅が広く、薄いバーほど表面積が大きいため、空調効果が格段に向上し、
より高い許容電流。.
既存の流通量（AC）： スキン効果や近接効果は、気流に影響を与えます。細いバーを複数配置することで、ACの効率を向上させることができます。平行なバーの間隔を調整することで、近接効果を抑制できます。.
接続要件： 寸法はデバイスの端子に適合している必要があります。ボルト接続のための十分なスペースを確保することで、低接触抵抗が保証されます。.
エリア制限： 設置場所や設置室の寸法に収まるようにしてください。ポータブル型システムであれば、必要なスペースが少なくて済みます。.

既存の密度は厳しい基準となります。棒の直径が小さいほど、許容される厚みは大きくなります。静止空気中における銅の粗い推定値は、約 2 A/mm² です。.

最終的な寸法選定においては、電気的・熱的効率、機械的要件、設置スペース、価格、および製造上の実現可能性のバランスを考慮する。.

8. 高度なサイズ測定・評価装置

高度なソフトウェアは、FEAおよびCFDを用いて、施設システム、大電流、および過渡現象に対する包括的な解析と最適化を行います。.

CENOS BBH： AC/DCバスバーに対する電磁・熱・構造の連成解析。既存の配電状況、ジュール熱による住宅の暖房、ホットスポット、電圧降下、熱応力をシミュレートします。設計の変更や最適化が可能です。定常状態および過渡状態の解析に対応しています。.

Ansys： 電磁界（Maxwell）と熱（Icepak）のシミュレーションを組み合わせたものです。インバータのバスバーの解析に有効です。Maxwellの短期ソルバーが、空調効果を含むオーム損失の循環を特定し、熱評価のためにIcepakにマッピングします。 .

EMWorks： 発熱の抑制に焦点を当てた電気熱シミュレーション。熱解析と統合された電気伝導ソルバーにより、面積、電流密度、電位、温度、熱変化をシミュレートします。製品の形状、入力条件（対流、周囲環境）、およびメッシュ設定が必要です。.

JMAG-Designer: バスバーの熱応力解析で構成されています。磁場評価による発熱から、温度の上昇量および変動を予測します。.

これらのデバイスにより、手作業による従来の方法では不可能な詳細な分析が可能になります：

複雑な形状や配置を設計する。.
エアコンの設置状況の不均一を補う。.
過渡現象を再現する（短絡、電圧変動など）。.
冷却手法を評価する。.
温度分布や高温箇所を予測する。.
力学的な懸念事項（熱膨張、電磁力）について確認する。.
寸法、間隔、材質を最適化する。.

これらは専門的な知識を必要としますが、設計の洗練、規格準拠の確保、および容量限界の拡大を実現します。CFDは、さまざまな条件下での温度上昇を評価します。解析式を用いることで、許容電流や熱伝達係数の算出を自動化できます。設計段階において、シミュレーションは実機試験を補完したり、それに取って代わったりすることができます。.