中電圧ケーブルのサイジング: 電流容量、電圧降下、短絡チェック

一次電流が 84 A と計算された 13.8 kV の変圧器フィーダがあるとします。簡単な電流容量表から、#3 AWG 銅導体が示唆される可能性があります。しかし、現場での一般的な設置では、多くの場合、2/0 AWG ケーブルが使用されます。その理由は、中電圧ケーブルのサイジングは電流容量にとどまらないためです。

また、正しいサイズは、電圧降下制限を満たし、利用可能な短絡電流に耐え、実際の最小導体サイズを尊重し、土壌温度、ダクトバンク、並列回路などの実際の設置条件を考慮する必要があります。これを単一の検索ステップではなく、検証ループとして扱います。

MV ケーブルの「サイジング」が意味するもの

中電圧ケーブルとは、通常、定格が 1 kV を超え 35 kV までのケーブルを意味します。一般的な電圧クラスには、3.6/6 kV、6/10 kV、8.7/15 kV、12/20 kV、および 18/30 kV が含まれます。 MV ケーブルのサイジングとは、定常負荷と障害状態の両方でケーブルが耐用年数全体にわたり安全に動作できる導体断面積、絶縁レベル、およびシールド構造を選択することを意味します。

連続通電容量、電圧降下、短絡熱耐性、設置条件によるディレーティングなど、主要なチェックは連続しています。多くの産業プロジェクトでは、特にフィーダが長い場合や障害レベルが高い場合、最終的なサイズは電流容量チェックではなく、短絡または電圧降下チェックによって決定されます。

ステップ 1 – システムとケーブル入力を定義する

計算を開始する前に、システム データを収集します。公称相間電圧、最大連続負荷電流、ケーブル位置での最大短絡電流、および保護解除時間が必要です。配線の長さ、周囲温度、土壌の熱抵抗率、埋設の深さ、ケーブルがダクトバンク、ケーブルトレイ、または直接埋設のいずれを通るかなど、設置の詳細も重要です。

小さな入力エラーが大きなサイズ設定エラーを引き起こします。土壌温度が 20°C であると仮定しても、実際の現場が 30°C で稼働している場合、限界ケーブルは設計温度を超えて動作します。並列フィーダ加熱を含めることを忘れた場合、実際の設置では同じケーブルの定格が下がります。入力データの検証に費やす余分な時間は常に価値があります。

ほとんどの配電アプリケーションでは、銅導体を備えた XLPE 絶縁ケーブルがデフォルトの選択です。この絶縁体は、高い電気強度、低い誘電損失、および良好な熱性能を提供します。中圧配電の実用的な参考資料は、 定格 3.6/6 kV ～ 26/35 kV の XLPE 絶縁電源ケーブル シリーズ .

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ステップ 2 – 実際の条件で電流容量を計算する

電流容量は、絶縁体の温度定格を超えずにケーブルが流すことができる最大連続電流です。 XLPE 絶縁の場合、最大連続導体温度は通常 90°C ですが、銅導体の場合、短絡緊急温度は 250°C になることがあります。ケーブルの断面は、絶縁体を過熱することなく、内部で発生した熱を外部に伝達できるようにする必要があります。

基本電流容量テーブルから開始し、周囲温度、土壌熱抵抗率、深さ、ケーブル間隔、およびグループ化の補正係数を掛けます。デスクトップ計算で機能する導体サイズは、他の負荷のかかるケーブルと並列に設置すると発熱する可能性があります。以下の表は、一般的な MV 設置における代表的なディレーティング係数を示しています。

すべての補正係数を適用した後、補正された電流容量を全負荷電流と比較します。値が 2 つの標準的な導体サイズの間にある場合は、後のチェックでさらに大きな導体が強制されない限り、次に大きいサイズを選択します。

ステップ 3 – 長いフィーダの電圧降下を確認する

MV フィーダの長さが数キロメートルである場合、またはケーブル インピーダンスに比べて負荷が高い場合、電圧降下が管理基準になります。三相電圧降下は、Vdrop = sqrt(3) * I * (R * cos(phi) X * sin(phi)) * L として近似できます。ここで、R と X は単位長さあたりの実効 AC 抵抗とリアクタンス、L は配線の長さです。

中電圧回路の場合、電源から負荷までの総電圧降下は通常 5% 未満に抑える必要があります。多くの施設では、変圧器や二次導体に余裕を持たせるために、フィーダのみに 3% というより厳しい制限を適用しています。 250 A を流す 33 kV、10 km のフィーダーの場合、95 mm² の銅線ケーブルでは電圧降下が 3.5% 近くになる可能性がありますが、120 mm² のケーブルでは電圧降下が 3% 未満になります。このような場合、より大きなケーブルは電流容量ではなく電圧降下の制限によって選択されます。

33 kV の給電線では、インダクタンスが抵抗よりも優勢であることが多いため、導体断面積を追加しても改善は限定的です。その場合、電圧レベルを高くするか、ケーブルの配線を変えるとより効果的になる可能性があります。

ステップ 4 – 短絡耐性の確認

中電圧システムのケーブルは、保護装置が障害を解決するのに十分な長さ、最悪の場合の短絡電流に耐える必要があります。障害が発生すると、熱がすぐに逃げることができないため、導体の温度が急激に上昇します。 XLPE 絶縁ケーブルの場合、許容される短絡導体温度は多くの場合、銅の場合は 250 °C、アルミニウムの場合は 200 °C ですが、メーカーのテスト データの値を使用する必要があります。

熱耐性の最小導体断面積は、s = I * sqrt(t) / k として推定できます。ここで、I は実効値故障電流、t は秒単位の解除時間、k は導体材料と想定される初期および最終温度に依存する定数です。 20 kA の障害が 0.2 秒で解消される 13.8 kV システムでは、電流容量チェックよりも大きな導体が簡単に必要になる場合があります。このため、短絡チェックはオプションではありません。

上流のリレー調整も検証する必要があります。リレーのクリア時間がケーブルの温度制限より長い場合、ブレーカーが開く前にケーブルが損傷します。

ステップ 5 – ディレーティングと最小サイズ要件を尊重する

技術的な計算に加えて、コードや機械的な要件により、最小導体サイズが強制されることがよくあります。多くの中電圧フィーダは、たとえ電流容量の計算によりより小さいサイズが許容される場合でも、実用的な最小値として #2 AWG 銅導体を使用します。非常に細い MV ケーブルでは、大きなラグ、終端キット、および引き込み力はすべて実用的ではなくなります。

グループ化されたケーブルおよび埋設設備のディレーティング係数により、基本電流容量が 20% 以上低下する可能性があります。真の電流容量は、基本値に適用可能なすべての係数を乗算したものです。最終値がまだ負荷電流を上回っている場合、ケーブルは連続負荷に耐えられます。ただし、エンジニアは、ケーブルが開閉装置、バス、または変圧器の端子に正しく接続できることも確認する必要があります。

ステップ 6 – コスト、可用性、将来の成長のバランスを取る

技術的なチェックがすべて満たされた後でも、経済的な問題が残ります。導体を大きくすると I^2*R 損失が減少し、将来の負荷増加に対する余地が残りますが、初期コストが上昇し、狭いダクト内での設置が複雑になる可能性があります。長いフィーダでは、エネルギー節約の正味現在価値により、追加コストが正当化されます。フィーダが短い場合、より大きなケーブルは不要な場合があります。

広く製造された断面を選択すると、リードタイムが短縮され、非標準の終端処理が回避されます。メートル法における一般的な MV サイズには、70、95、120、150、185、240 mm² があります。製品オプションを検討する際には、 6 ～ 35 kV XLPE 電源ケーブル範囲 では、一般的な配電回路の定格電圧と構造の詳細について概要を説明します。

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サイジングプロセスを統合する

中電圧ケーブルのサイジングは体系的なプロセスです。システム パラメータの定義、電流容量の確認、電圧降下の検証、短絡耐量の確認、ディレーティングと最小サイズのルールの適用を行います。これらのチェックに合格した後でのみ、コストと可用性を比較検討します。

長いフィーダや障害レベルの高い産業用配電システムのサイジングを検討している場合は、ディレーティング係数と障害電流の計算に特に注意してください。一見正常に動作するケーブルでも、障害が発生したり、暑い夏の終わりに機能しなくなる可能性があります。絶縁温度定格とそれが電流容量に与える影響の詳細については、 MV90 と MV105 のケーブル電流容量と絶縁コストの比較 出発点として役立ちます。