I. よくある質問

ケーブルの選択と使用において、次の 1 つの質問が繰り返し尋ねられます。

「このケーブルが耐えられる最大電流はどれくらいですか?」

この質問自体が間違っています。

正しい質問は次のとおりです。

「特定の過負荷電流の下で​​、ケーブルはどのくらいの時間安全に動作できますか?」

ケーブルの短期過負荷耐量は、電流だけではなく、時間と電流の両方によって決まります。時間の次元を無視して過負荷容量を議論することは、エンジニアリングにおいては無意味です。

II.過負荷時のケーブルの熱プロセス

ケーブルは電流が流れるとジュール熱を発生します。発生する熱量は次の式で求められます。

Q = I² × R × t
ここで、Q は発生する熱、I は電流、R は導体抵抗、t は時間です。

電流は発生する熱に二乗関係で影響します。電流が 2 倍になると、発生する熱は 4 倍になります。

ただし、重要な点は、時間が十分に短い場合、たとえ大電流であっても、発生する総熱量は非常に小さい可能性があるということです。

ケーブルはヒューズではありません。ヒューズは数ミリ秒以内に溶けるように設計されています。ケーブルは大きな熱慣性を持つシステムであり、導体と絶縁材料の両方が危険な温度に達するまでに時間がかかります。

短期間の大電流サージによっても、温度上昇は数℃しか起こらない可能性があります。ただし、小さな過負荷が長時間続くと、熱劣化や絶縁の熱破壊につながる可能性があります。

Ⅲ．故障シーケンス: 導体の前の絶縁

よくある誤解は、ケーブルの過負荷が「銅線を焼き切る」ということです。

これは間違いです。

実際の過負荷シナリオでは、導体ではなく絶縁層が最初に破損します。

銅導体の融点は約 1085°C です。 XLPE 絶縁体の長期許容動作温度はわずか 90°C であり、短期間の過負荷を考慮しても、その耐久温度は 250°C を超えません。 PVC絶縁体の長期許容使用温度は70℃、短期耐久温度は約160℃です。

これらの数値を比較すると、銅導体が融点に達する前に、絶縁材料がすでに熱軟化、炭化、さらには絶縁性能の完全な喪失を起こしていることが明確にわかります。

絶縁が失われると、導体間で短絡が発生し、アークが発生して局所的な高温が発生し、銅導体が溶ける可能性があります。ただし、これは二次的な障害であり、過負荷の直接的な結果ではありません。

したがって、エンジニアリングにおいてケーブルの過負荷容量について議論するということは、本質的には、導体加熱によって絶縁体温度がその短時間耐用限界を超えない期間はどれくらいか、ということを議論することを意味します。

IV.短時間過負荷容量XLPE絶縁ケーブル

IEC 60364-5-54 および工学実務における熱力学計算に基づいて、XLPE 絶縁銅導体ケーブルの場合、初期温度 90°C (全負荷通常状態) の前提の下で、短時間過負荷容量はおよそ次のようになります。

過負荷倍数が 150% の場合、ケーブルは通常、数分から数十分に耐えることができます。この時間範囲は主に断熱材内の熱蓄積率に依存します。

過負荷倍数が 200% の場合、ケーブルは数十秒から数分間耐えることができます。ここでの制限要因は主に断熱材表面の温度上昇率です。

過負荷倍数が 300% の場合、ケーブルは数秒から 10 秒以上耐えることができます。この時点で、導体と絶縁の界面の温度が急速に上昇し、主な制限要因となります。

過負荷が 500% 以上に達すると、ケーブルは 1 ～ 5 秒しか耐えることができません。このような条件下では、断熱材は急速に炭化し、安全マージンがほとんどなくなります。

上記の値は工学的な推定値にすぎないことに注意してください。正確な値は、ケーブルの断面、敷設方法、初期温度、および絶縁材料の特定の配合によって異なります。初期温度が低いほど、耐久時間は長くなります。コールド スタートはホット スタートよりもはるかに安全です。放熱性が優れているため、耐久時間も延長されます。エアレイド設置は電線管設置よりも優れています。

V. モーターの直接始動のためのケーブル過負荷チェック

132kWのモーターを例に挙げます。定格電流は約240A(400V系時)です。直接始動時の始動電流は定格電流の約 6 倍、つまり 1440A です。開始時間は通常 6 秒です。

適合するケーブルは 95mm² XLPE 銅ケーブルです。このケーブルの定格電流容量は、電線管設置条件下、40℃環境下で約 300A です。

検証プロセスは次のとおりです。

まず、初期温度を決定します。ケーブルがしばらくの間、初期温度が約 90°C の定格負荷で動作していたと仮定します。

次に、起動時に発生する熱を計算します。発生する熱は、電流の二乗と抵抗の積と時間の積、つまり 1440² × R × 6 に等しくなります。

この値を定格動作条件下で発生する熱と比較してください。定格条件下では、300A の電流を 1 時間 (3600 秒) 流した場合、発生する熱は 300² × R × 3600 です。

実際の計算結果では、6 秒間の起動プロセスで発生する熱は、定格条件で発生する熱の約 15 ～ 20 秒にすぎません。これは、約 15 ～ 20°C の温度上昇に相当します。

この温度上昇は、XLPE 絶縁体の短時間耐久温度限界 (約 250°C) をはるかに下回ります。したがって、起動プロセスによって絶縁損傷が発生することはありません。

このため、多くのダイレクトスタート モーター アプリケーションでは、起動時間が十分短い (通常は 5 ～ 8 秒以内) 限り、起動電流のためにケーブルの仕様を増やす必要がありません。

VI.エンジニアリング実務における 3 つの判断基準

まず、定常状態の過負荷と過渡的な過負荷を区別します。

定常状態の過負荷とは、電流が定格値を超えて数分以上続く状況を指します。このタイプの過負荷の主なリスクは絶縁体の熱劣化であり、長期にわたる累積的な損傷につながる可能性があります。

一時的な過負荷とは、電流が定格値の数倍であるにもかかわらず、数秒しか続かない状況を指します。このタイプの過負荷は、繰り返し発生しない限り、通常、ケーブルに耐えることができます。

2 番目に、絶縁温度を故障基準として使用します。

ケーブルに過負荷がかかっているかどうかの判断基準は、「銅が切れているかどうか」ではなく、「絶縁温度が短時間耐用限界を超えているかどうか」です。 XLPE絶縁の場合、導体温度をもとに短時間耐温度は通常250℃とされています。

第三に、累積効果を考慮します。

クレーンやレシプロコンプレッサーなど、頻繁に起動・停止を繰り返す機器の場合、起動時の温度上昇が蓄積されます。この場合、1 回の始動時の温度上昇だけを見るだけでは十分ではありません。熱サイクル下での累積温度上昇の影響を計算する必要があります。

VII.選択の推奨事項
モーター、変圧器、溶接機など、始動電流が大きい機器には、4 つの一般的な対処方法があります。

1 つ目の方法は、ケーブルの仕様を増やすことです。この方法は、起動時間が長い (10 秒以上) 場合や頻繁に起動するシナリオに適しています。ただし、特に長距離の敷設の場合は高価になります。

2 番目の方法は、ソフトスターターを取り付けることです。この方法は、起動時間が中程度 (3 ～ 10 秒) で、電流サージの低減が必要なシナリオに適しています。コストは中程度です。

3 番目の方法は、周波数変換器を設置することです。この方法は、非常に頻繁に始動するシナリオや、正確な速度制御が必要なシナリオに適しています。最も包括的な機能を提供しますが、最も高価でもあります。

4 番目の方法は、そのままにして元の仕様を使用する方法です。この方法は、起動時間が非常に短く (5 秒以内)、起動頻度が低いシナリオに適しています。コストはゼロですが、安全性が検証されることが条件となります。

よくあるエンジニアリング上の間違いは、起動時の過負荷に対処するためにケーブルの仕様をやみくもに増やすことです。多くの場合、これは最適な解決策ではありません。正しいアプローチは、まず起動時に発生する実際の熱を計算することです。多くの場合、計算の結果、既存のケーブルで十分であることがわかります。

検証が必要な場合は、ケーブルの断面積、材質、絶縁タイプなどのパラメータを準備する必要があります。機器メーカーが提供する起動時の電流時間曲線。敷設方法と初期温度。

Ⅷ.主な結論

まず、ケーブルの短期過負荷耐量は、時間と電流の両方によって決まります。 「どれくらいの電流に耐えられるの？」意味がありません。また、「どのくらいの期間耐えられるか?」と尋ねる必要もあります。

第二に、過負荷がかかると、導体ではなく絶縁体が最初に破損します。絶縁体の温度限界は銅の融点をはるかに下回ります。

第三に、XLPE 絶縁ケーブルは、初期温度と熱放散条件に応じて、通常、200% の過負荷下でも数十秒から数分間耐えることができます。

第 4 に、モーターの直接始動による短期間の影響については、始動時間が 5 ～ 8 秒を超えず、頻度が低い場合には、ほとんどの場合、ケーブルの仕様を増やす必要はありません。

第 5 に、エンジニアリング上の決定は直感ではなく計算に基づいて行われるべきです。やみくもにケーブルの仕様を増やすとコストが無駄になりますが、検証を怠ると隠れた危険が生じる可能性があります。