低圧ケーブルサイズの選定方法

電気

低圧ケーブルサイズの選定方法について解説します。

もし許容電流を満たしていないケーブルを使っていると最悪、火災事故の原因となり大変危険です。また、何も知らない状態で電気設計をしていると上司や先輩から「その条件で○○sqは大きすぎるんじゃないか？」と指摘を貰うことがあります。じゃあケーブルのサイズってどうやって決めてるの？という話です。

選定の条件

  1. ケーブルの許容電流＞負荷の電流となっていること。
  2. ケーブルの電圧降下が許容範囲に収まっていること。

ケーブルサイズについては上記2つの条件を満足しなければなりません。ケーブルのサイズを大きくすれば2つの条件は満たしますが、単純に大きければ良いというものではありません。過剰スペック（大きすぎるケーブル）はコストアップとなりますので、両方の条件を満たすような最も小さい径のケーブルを選定します。施工面でも大きいケーブルは施工がしづらいため、ケーブルサイズは可能な範囲で抑えるのが無難です。

1と2それぞれの条件について以下で説明します。

許容電流の計算

基本的にケーブルの許容電流値 I_{W} は、負荷の定格電流以上でなければならなりません。ただし、負荷の電流の合計値の決め方については電技解釈によれば以下のルールがあります。

(1) \Sigma I_{M} \leqq \Sigma I_{H}の場合（電動機以外の負荷のほうが大きいとき）
I_{W} \geqq \Sigma I_{M} + \Sigma I_{H}

(2) \Sigma I_{M} \geqq \Sigma I_{H}の場合（電動機負荷のほうが大きいとき）
1. I_{M} \gt 50 \, \mathrm{A}の場合： I_{W} \geqq 1.25 \, \Sigma I_{M} + \Sigma I_{H}
2. I_{M} \leqq 50 \, \mathrm{A}の場合： I_{W} \geqq 1.1 \, \Sigma I_{M} + \Sigma I_{H}

要するに負荷が電動機の場合は少し余裕を持たせてケーブルを選定しなさいということです。特に電動機の容量が大きいときは余裕率も大きく持たせるという意味です。

上記の計算式で許容電流 I_{W} を計算して、直近上位のケーブルを選定します。許容電流値については「ケーブル 許容電流」でググれば出てきます。大抵、JCS 0168-2（日本電線工業会規格）が引用元となっているはずです。

また、ケーブルの許容電流には低減率というものがあります。敷設の仕方によってはケーブルの放熱性が下がり許容電流が下がってしまうため、低減率を掛けた値を許容電流値とします。例えば、気中・暗渠多条敷設の場合、1段積みで6本以上だと低減率は0.7です。0.7掛けした許容電流値で選定しなければなりません。（低減率の値もググれば資料が見つかります。）実務では6本未満でも安全を見て余裕を持たせる目的と計算を簡略化する目的で低減率0.7を使うことが多いのではないかと思います。

例えばCVT 38sqの許容電流は155Aですが、低減率0.7だと155×0.7＝108.5A≒108Aになります。※許容電流の小数点以下は7捨8入と内線規程で決まられています。

また、ケーブルの許容電流値には基準となる周囲温度が存在します。例えばCVケーブルの許容電流値は周囲温度40℃が基準で、もしそれより温度の高い場所に敷設する場合は補正のため低減率をかける必要があります。

電圧降下の計算

ケーブルに電流が流れているときの電圧降下（ケーブルの両端の電位差）は次式で表されます。

\Delta V = KIL (R \cos \theta + X \sin \theta ) \ \lbrack \rm V \rbrack

K：係数（単相2線：2、三相3線：√3）
I：負荷電流 (A)
L：配線距離 (km)
R：ケーブルの抵抗 (Ω/km)
X：ケーブルのリアクタンス (Ω/m)
cosθ：負荷の力率
sinθ： \sqrt{1- \cos ^{2} \theta}

ΔVを定格電圧で割れば電圧降下率 (%) となります。ケーブルの抵抗とリアクタンスはケーブルメーカーのカタログから入手できます。

例えば、変圧器二次側が440Vで、ケーブルに生じる電圧降下が10Vだとケーブルの末端における電圧は430Vとなります。電圧降下が大きすぎる、つまり電圧が下がりすぎると機器に悪影響が出るためケーブルの電圧降下は許容範囲内に抑えなければいけません。そして当たり前ですが負荷電流とケーブルのインピーダンスが大きいほど電圧降下は大きくなります。また、ケーブル導体の断面積が大きいほどインピーダンスが小さくなるので、サイズの小さいケーブルほど電圧降下が大きくなります。

電圧降下率の許容値は内線規程で以下のように定められています。

供給変圧器の二次側端子から最遠端の負荷に至る間の電線こう長 電気使用場所内に設けた変圧器から供給する場合 電気事業者から低圧で電気の供給を受けている場合
60m以下 幹線：3%以下
分岐回路：2%以下		 幹線：2%以下
分岐回路：2%以下
120m以下 5％以下 4％以下
200m以下 6％以下 5％以下
200m超過 7％以下 6％以下

一番左の列は、要するに「変圧器二次側から末端の負荷までの配線距離」のことです。また、プラントならほぼ必ず施設内に変圧器が存在するので「電気使用場所内に設けた変圧器から供給する場合」を参照します。イメージとしては以下の図のような感じです。

幹線と分岐回路のそれぞれ、電圧降下が許容範囲になるようにケーブルを選定します。60m以上だと合計の電圧降下で条件を満たせばよく、幹線・分岐回路それぞれいくらを許容値とするかは決まっていません。実際は会社ごとで基準値のようなものがあるかと思います。

また、表に示す通り、配線距離が長いほど多少の電圧降下が許容されます。これは経済的な観点から、負荷に影響が生じない程度で最大7％まで許容できるという意味合いです。

まとめ

  • ケーブルサイズの選定では、許容電流と電圧降下両方の条件を満足しなければならない。
  • 許容電流値は使用条件に合わせて低減率を掛ける。
  • 電圧降下の許容値は配線距離によって変わる。距離が長いと許容値も大きくなる（最大7％）。

参考文献

  • 内線規程（JEAC8001 2016）
  • 電気設備の技術基準の解釈