EN
食品加工工場の電気技術者が、フィーダー遮断器の過負荷による単一のトリップが上流の保護装置に連鎖し、包装ライン全体を停止させた事例を発見しました。この故障は重大なものではなかったにもかかわらず、低圧配電設計時に保護協調性の検討が怠られたためです。この4時間の停止によって生じた生産損失は、適切な協調性検討を行う費用の20倍以上に上りました。低圧配電設計は建物利用者や生産管理者から直接見えにくい部分ですが、その設計に不備があると、電力に依存するあらゆるシステムに影響が波及します。
基本設計原理
負荷計算と需要率
低電圧配電システムの設計は、すべて正確な負荷一覧表から始まります。これは、各回路、その接続負荷（キロワットまたはキロボルトアンペア単位）、および想定される運転特性を明記した文書化されたリストです。モーターや空調用コンプレッサー、産業用加熱素子など、三相負荷は中性線電流および電圧不平衡を最小限に抑えるため、各相に均等に配分されます。一方、照明回路、コンセント回路、オフィス機器などの単相負荷は、最も負荷の高い相と最も負荷の低い相の間で15％未満の不平衡となるよう、三相間に分散して配置します。同時率（多様性係数）とは、すべての接続負荷が常に定格出力で同時に運転するわけではないという実情を反映した係数です。例えば、商業ビルにおける照明負荷の同時率は0.9程度であり、オフィスエリアのコンセント回路では0.3～0.5程度が適用されることが多く、これは特定の時点で実際に使用中の機器を接続しているコンセントが全体のごく一部にすぎないという現実を示しています。適切な同時率を適用することで、変圧器、主母線、上位側開閉装置などの過大設計を防ぐことができます。過大設計はコスト増加や設置面積の拡大を招くだけでなく、軽負荷時に変圧器の効率が低下することから、かえってエネルギー効率を悪化させる可能性があります。
保護協調および選択性
選択的協調（セレクティブ・コーディネーション）とは、故障が発生した際に、故障点の直近上流にある保護装置のみが作動することを意味します。すなわち、故障回路に電力を供給しているブレーカーだけがトリップし、そのさらに上流のすべてのブレーカーは閉じたままとなります。これを実現するには、受電用メインブレーカーから最終回路ブレーカーに至るまで、配電系統内のすべての保護装置の時間－電流特性曲線をプロットした協調性検討（コーディネーション・スタディ）が必要です。低圧開閉器における成形ケース断路器（MCCB）では、通常、瞬時脱扣設定値の異なるブレーカーを選定したり、上流側の装置に時間遅延を導入したりすることで協調性を確保します。MNSやGCSタイプなどの引き出し式開閉器では、長時間、短時間、瞬時の各保護機能を個別に調整可能な電子式トリップユニットを搭載したブレーカーを採用でき、熱磁式トリップユニットと比べて協調性の設定が格段に容易になります。低圧配電設計においては、地絡保護への特別な配慮が不可欠です。400Aのフィーダーで地絡が発生しても、相過電流保護を動作させるのに十分な電流が流れない場合があり、結果として故障が検出されず継続してしまうおそれがあります。こうした危険な状況を確実に検出し遮断するためには、専用の地絡継電器、あるいは内蔵型地絡保護機能付きブレーカーによる高感度な検出が求められます。
バスバーおよび熱管理
低圧開閉装置の主母線システムは、接続されたすべてのフィーダーの負荷電流を合算した電流を流す。母線の断面積は、連続電流定格、短絡耐量、およびIEC 61439またはこれと同等の規格で定められた温度上昇限界に基づいて選定される。ほとんどの用途では銅製母線が標準であり、重量およびコストが優先される場合はアルミニウム製母線が用いられるが、その際は異種金属接続部における電食を防ぐため、適切なバイメタリック接続が必須である。開閉装置の筐体内における熱管理は、母線および遮断器の性能に直接影響を与える。通気ルーバーによる自然対流冷却で、ほとんどの設置条件において十分な冷却が得られるが、高温環境下に設置される場合や、定格電流に近い状態で連続運転する場合は、強制換気が必要となることがある。母線接続部の標準温度上昇限界は、無電解ニッケルめっき（または錫めっき）を施さない裸銅で周囲温度より70 K、錫めっき処理済み接続部で周囲温度より65 Kである。この限界を超えると、酸化が加速し、接触抵抗が増大し、劣化が自己増幅的に進行する。
よく 聞かれる 質問
固定型低圧開閉器と引き出し型低圧開閉器の違いは何ですか？
固定型開閉器は、母線システムに断路器を常設で取り付ける方式であり、交換時には電源を完全に遮断する必要があります。一方、引き出し型は断路器を台車に取り付け、電源を遮断せずに台車ごと引き出して保守・点検が可能なため、断路器の交換や試験時の停電時間を短縮できます。
低圧分電盤の短絡耐量はどのように決定されますか？
分電盤の短絡耐量（短時間耐熱電流）は、設置場所における最大予想短絡電流を上回る必要があります。一般的な耐量は1秒間で25kA～100kAであり、これは変圧器のインピーダンス、電源からのケーブルインピーダンス、および接続された回転負荷（モーターなど）による短絡電流寄与分を総合的に計算して算出されます。
低圧開閉器の設計にはどのような規格が適用されますか？
IEC 61439は、低圧開閉装置および制御装置の組立品に関する規格であり、型式試験および通常の検証を対象としています。特定の部では、運転員向け分電盤、熟練者向け電源開閉装置、およびバスダクトシステムについて規定しています。IEC 60947は、個別の開閉・保護機器を対象としています。
アークフラッシュによる危険性は、低圧配電系統の設計にどのような影響を与えますか？
アークフラッシュ解析では、配電系統内の各ポイントにおける入射エネルギーを算出し、これに基づいて作業員用個人防護具（PPE）を選定します。また、引き出し式遮断器の遠隔操作化、アーク耐性開閉装置の採用、およびアーク消弧時間を短縮するためのゾーン選択的連動（ZSI）など、設計上の判断にも影響を与えます。
中性線およびアース導体は、系統設計においてどのような役割を果たしますか？
中性導体は、不平衡な三相帰還電流を流すため、それに応じた断面積で選定する必要があります。電子機器など高調波負荷が大きいシステムでは、中性導体に流れる電流が相導体を上回ることがあり、その場合は太い導体を選定する必要があります。保護接地導体は、地絡電流の帰路を提供するものであり、保護装置の作動に必要な時間だけ、予想される地絡電流に耐えられる断面積で選定しなければなりません。
保護協調検討は、どのくらいの頻度で見直すべきですか？
保護協調検討は、大幅な負荷の追加または削減、電力会社の供給特性の変化があった場合、あるいは最長でも5年ごとに見直す必要があります。電力会社による上位側保護装置の設定変更、ケーブル絶縁の経年劣化、特性の異なる機器への交換などは、従来の協調分析の妥当性に影響を及ぼします。