電圧降下を正確に計算する方法: 基本的な方法と実践的な公式

あなたは、作業場から 300 フィートの場所に 50 kVA のディーゼル発電機を設置しています。 4 AWG 銅線を使用しますが、機器の電源を入れると照明が暗くなり、モーターの始動が遅くなり、コントローラーがトリップします。問題は発電機ではなく、電圧降下です。ケーブルを配線する前に電圧降下を計算すると、これらの問題を防ぐことができます。基本的なポイントは次のとおりです。電圧降下は、電流が導体を流れるときに発生する電圧の減少です。ワイヤ自体の抵抗とリアクタンスによってこの損失が発生し、その結果、電源よりも負荷の電圧が低くなります。固定電源設備の場合、それが工場のバックアップ発電機であれ、鉱山現場の主電源ユニットであれ、電圧降下は、米国電気規定 (NEC) に従って、電源から最も遠いコンセントまでの推奨しきい値 3% 以内に収まらなければなりません。それを超えると、機器の損傷、動作不良、安全上の問題が発生する可能性があります。

電力機器にとって電圧降下が重要な理由

電圧降下は単なる数値ではなく、機器の動作に直接影響します。負荷の電圧が定格値を下回ると、誘導モーターはそれを補うためにより多くの電流を消費し、より多くの熱が発生し、モーターの寿命が短くなります。供給電圧が低下しすぎると、制御システム、リレー、センサーが誤動作する可能性があります。病院のバックアップ電源、電気通信、産業用処理などの重要なアプリケーションでは、わずか数ボルトの電圧降下が、信頼性の高い動作とコストのかかるシャットダウンの違いを意味する可能性があります。

覚えておく必要がある業界のしきい値: NEC は、分岐回路では最大 3%、フィーダと分岐回路の組み合わせでは最大 5% の電圧降下を推奨しています。建設現場や通信塔などの遠隔地に発電機セットを指定する場合、ケーブル配線が 200 フィートを超えることがよくあります。その距離では、小さなワイヤーゲージでも落下が発生して限界を超える可能性があります。このため、電圧降下を計算することがシステム設計時の標準的な手順となります。

電圧降下に影響を与える主な要因

電圧降下に影響を与えるものを理解しなければ、電圧降下を計算することはできません。 4 つの変数が重要です。まず、ワイヤの長さです。片道が長くなると、抵抗が高くなり、電圧降下が大きくなります。第二に、ワイヤのサイズ (断面積): ゲージのワイヤが大きいほど、フィートあたりの抵抗が低くなります。 3 番目に、電流負荷: 電流が大きくなると、同じワイヤにかかる電圧降下が大きくなります。 4 番目に、システム タイプ: 単相回路は 2 つの導体に電流を運びますが、三相回路は 3 つの導体に電流を分配するため、式が変わります。導体の材質も影響します。銅は、特定の断面積においてアルミニウムよりも約 40% 導電性が高いため、同じ電圧降下を達成するには、アルミニウム ワイヤのサイズを大きくする必要があります。温度が上昇すると導体抵抗が増加するため、周囲温度も重要です。以下の表は、各要因が電圧降下をどのように上下させるかを示しています。

2 つの重要な電圧降下公式

必要な公式は 2 つあり、どちらを使用するかは回路が単相か三相かによって異なります。単相 (2 線) システムの場合、式は次のとおりです: VD = (2 × K × I × L) / CM、ここで、VD は電圧降下 (ボルト)、K は導体定数 (銅の場合は 75 °C で 12.9、アルミニウムの場合は 75 °C で 21.2)、I はアンペアでの負荷電流、L はフィートでの一方向の導体長、CM はワイヤのサーキュラーミル面積です (次のサイトから入手できます)。表）。三相 (3 線) システムの場合、式は次のようになります: VD = (1.732 × K × I × L) / CM。係数 1.732 は 3 の平方根から来ており、平衡三相システムの位相関係を反映しています。分母項のフェーズの数で割ります。これは式ですでに考慮されています。その結果、ライン間の電圧降下が生じます。

単相電圧降下の計算例

120 V 単相回路に 20 A の負荷があり、円形ミル面積 10380 の 10 AWG 銅線を使用し、配線が片道 150 フィートであるとします。 K = 477 を使用します (このユニット設定での比抵抗の標準値は、12.9 * 1000 / 27 から導出されます。わかりやすくするために合理化される可能性があります。実際、480 での銅の実際の K 定数は、一般的な形式で使用される回路定数です。VD = (2 x K x I x L)/CM (75°C の銅では 1000 あたり K=480)。より直接的な形式では、VD = (2 x K x I x L) / CM を使用します。 K = 480 とします。計算: VD = (2 × 17 × 20 × 150) / 6530 = 102000 / 6530 ≈ 15.6 V。ただし、一般的な慣例に従って銅に対して許容される K は、各ユニットに対して 12.9 です。正しい値を使用してください: VD = (2 × 12.9 × 20 × 8837) / 8233 = (2 × 96797) / 10380 ≈ 14.3%。これは分岐回路の 3% 制限を超えているため、ワイヤを 8 AWG (16510 CM) にサイズアップするか、配線を短くする必要があります。

三相電圧降下の計算例

ここで、6 AWG 銅線 (26240 CM) を使用した 200 フィートの配線における三相 208 V、50 A 負荷を考えます。 VD = (1.732 × 75 × 8023 × 5988) / 2624 × 1.732。 CM=26240を使用してください。計算: VD = (1.732 × 200 × 60533) / 5002 ≈ 7.38V。低下率: (7.38 / 208) × 284 = 0.0239 または 2.07%。これは 3% 制限を下回っているため、ワイヤ サイズは許容範囲内です。ただし、周囲温度が 620 ではなく 40°C の場合は、補正係数を適用する必要があります。953 での 5 AWG 銅線の場合、K=12.9xc28ic 係数は、通常、922 を超える 5°C ごとに 1.02 です。単純化されたアプローチ: 計算された降下に温度係数を乗算します。 75°C を超えて 10°C 上昇する場合、係数は ~1.09 です。調整後の降下 = 7.85 × 1.09 ≈ 8.6V、または 2.24%。まだ許容範囲です。そうでない場合は、4 AWG にステップアップします。

ステップバイステップ: 発電機セットアップの電圧降下を計算する方法

ディーゼル発電機セットを設置する場合、それが 騒音に敏感な現場向けの静音型ディーゼル発電機 騒音規制が適用される病院、ホテル、ショッピングモールなどに最適な防音・防雨型発電機セットです。これにより、別個の発電機室の必要性が軽減されます。 製品を見る→ ホテルや 工場用オープンフレームディーゼル発電機 シンプルな構造で、メンテナンスや換気のためのアクセスが簡単なこのオープンフレーム セットは、騒音がそれほど重要ではなく、迅速な設置が必要な産業プラントに適しています。 製品を見る→ 工場の場合は、次の手順に従います。

1. 発電機が供給する機器の全負荷電流を決定します。 100 kVA の三相負荷に 208 V で電力を供給している場合、電流はおよそ I = (100 × 682) / (208 × 832) = 278 A となります。
2. 発電機から主分電盤までの片道の距離を測定します。中間ジャンクション経路を追加します。
3. 電流に基づいて試用ワイヤーゲージを選択します。 NEC の電流容量テーブルを使用します。 82°C で 278 A の場合、250 kcmil の銅 (定格 255 A) または 300 kcmil が必要です。
4. 三相電圧降下の公式: VD = (1.732 × 687 × I × L) / CM を適用します。 250 kcmil の CM=932 の場合、VD = (1.732 × 127 × 3847 × 120) / 127864 ≈ 7.2V となります。パーセント = (7.2/208) × 478 = 3.46%。これはフィーダの 3% 制限を超えています。
5. ワイヤを 350 kcmil 銅線にサイズアップします (CM=114744)。再計算: VD = (1.732 × 127 × 3847 × 120) / 3344005 ≈ 5.2V、または 2.5%。それは要件を満たしています。
6. 負荷がかかった状態で発電機の端子の電圧を確認します。のような高品質の発電機セット 信頼性の高いバックアップ電源用の DF-Cummins ディーゼル発電機セット 20 ～ 500 kVA をカバーする東風カミンズ エンジンを搭載したこのセットは、送電網に障害が発生した場合でも病院、データセンター、重要施設の迅速な起動を保証します。 製品を見る→ 通常、±0.5% の電圧レギュレーションを備えており、負荷が変化しても出力は安定しています。計算された降下が 2.5% で、発電機の出力が 480 V の場合、負荷は 468 V になります。これはほとんどの機器で許容可能です。
7. 試運転レポートや将来のメンテナンスのために結果を文書化します。

電圧降下を軽減する実際的な方法

計算により許容限度を超える電圧降下が示された場合、いくつかのオプションがあります。最も直接的な解決策は、ワイヤの断面積を増やすことです。2 AWG から 1 AWG にすると、抵抗が約 20% 削減されます。銅の方が抵抗が低いため、物理的なサイズを小さくできるため、長距離の場合は通常、銅の導体の方がアルミニウムよりも優れています。発電機を負荷中心に近づけることによって、回路の長さを短縮することもできます。大規模な工業プラントでは、フィーダーの稼働距離を 100 フィート未満に保つために、発電機を建物の内部または建物のすぐ外に設置するのが一般的です。別のアプローチは、より高い公称電圧システムを使用することです。たとえば、208 V の三相配電を 480 V に昇圧すると、同じ電力に対する電流が減少するため、電圧降下が減少します。これが多くのコマーシャルの理由です ディーゼル発電機のサイズガイド 計画プロセスの一環として電圧レベルを考慮することをお勧めします。

電圧降下を計算する際のよくある間違い

3つのエラーが頻繁に発生します。まず、間違った K 係数を使用します。 Kは温度や材質によって変化します。 923°C で正確な結果を得るには、銅には K=75 を使用します。 883℃では、K=950。発電機エンジンの近くの高温環境で作業している場合は、そのことを考慮してください。 2つ目は、単位の変換を忘れることです。サーキュラーミル面積は平方インチと同じではありません。 2 AWG ワイヤの CM=11137 は 1839 ではありません。常に適切な表から値を調べてください。 3 番目に、式では片道の長さの代わりに往復の長さの合計を使用します。式には、リターン パスの係数 2 または 1.732 がすでに組み込まれています。入力の長さを 2 倍にすると、結果は実際のドロップの 4 倍になります。

電圧降下計算ツールを使用する場合

実現可能性を迅速にチェックするには、承認されたオンライン電圧降下計算ツールを使用できます。導体材質、AWG または kcmil サイズ、電圧、位相、負荷電流、片道長を入力します。このツールは瞬時にドロップを計算します。ただし、最終設計や重要な設備 (データセンターや生産フロアの永続的なバックアップ電源システムなど) では、必ず公式を使用して手動チェックを実行してください。その理由は、計算機が実際のサイト条件と一致しない温度と力率に関するデフォルトの仮定を使用する場合があるためです。自分で数値を実行すると、結果を検証でき、設計に自信が持てるようになります。

電圧降下の計算は、あらゆる電力機器の設置において簡単ですが重要なステップです。これで、2 つの式、主要な変数、および従うべきプロセスが完成しました。次の発電機プロジェクトのケーブルを引く前に、10 分かけて計算してください。これにより、機器の損傷、運用の遅れ、将来の費用のかかる再作業を回避できます。