電圧降下とは何か
あらゆる導体は抵抗を持ちます。電流が流れると、供給電圧の一部がケーブルを通して電流を押し進めることに使われ、負荷側の電圧は電源側より下がります。損失は3つのものに比例します。導体の1 kmあたり抵抗、経路長、電流です。経路長が2倍になれば降下も2倍になり、大きな導体で抵抗を半分にすれば降下も半分になります。
過大な電圧降下は現実の問題を起こします。モータは始動が遅く高温で運転し、照明は暗くなり、電子機器は不足電圧で遮断します。ソーラー発電所では、エネルギーがそのままケーブル内の熱として失われます。だからこそ配線規則とプロジェクト仕様は最大値を定めます。通常は名目電圧に対する百分率で、回路ごと、または電源点から最も遠い負荷までの設備全体に対してです。使うべき上限は適用される規則またはプロジェクトの設計者から来ます。本稿は方法を説明するもので、上限値を示すものではありません。
基本の計算
DC回路または単相交流回路では、電流が片方の導体で往き、もう片方で戻るため、導体長は経路長の2倍です。簡易な抵抗による推定は次のとおりです。
- DCまたは単相: 電圧降下 = 2 x 経路長(km) x 抵抗(ohm/km) x 電流。
- 平衡三相: 線間電圧降下 = 1.732 x 経路長(km) x 抵抗(ohm/km) x 電流。
これらはリアクタンスと力率を無視します。大型交流ケーブルではこれらが効きます。また、抵抗は単一温度の値を使います。サイズと長さの効果を見るには十分で、それが本稿の目的です。正式な設計は、導体の運転温度における、適用される配線規則のmV/A/m表または完全なインピーダンス法を使います。
抵抗値はIEC 60228またはケーブルのデータシートから取ります。銅クラス2では、2.5 mm2で7.41 ohm/km、4 mm2で4.61、6 mm2で3.08、10 mm2で1.83、16 mm2で1.15、いずれも20℃です。運転温度では抵抗は上がります。XLPEの90℃上限近くを運転する銅導体は、20℃より約4分の1ほど抵抗が高く、設計計算はこの高温値を使います。
電流容量を出さない比較例
電流容量を式から外すため、表は負荷電流1アンペアあたりの電圧降下で示します。回路の設計電流を掛けてボルト数の降下を得て、名目電圧で割れば百分率になります。経路は単相100 m、つまり導体200 mで、20℃の抵抗値を使います。
| サイズ | 抵抗 ohm/km | 往復抵抗 ohm | 1 Aあたりの電圧損失 |
|---|---|---|---|
| 2.5 mm2 | 7.41 | 1.482 | 約1.48 V |
| 4 mm2 | 4.61 | 0.922 | 約0.92 V |
| 6 mm2 | 3.08 | 0.616 | 約0.62 V |
| 10 mm2 | 1.83 | 0.366 | 約0.37 V |
| 16 mm2 | 1.15 | 0.230 | 約0.23 V |
重要なのは傾向です。1段階サイズを上げるごとに、損失は約3分の1〜5分の2削れます。100 mの経路では、2.5 mm2から6 mm2への変更で降下は半分以下になります。20 mの経路なら同じ回路の損失はその5分の1で、小さいサイズが許容されるかもしれません。同じ負荷の2つの回路がまったく違うケーブルに行き着く理由がこれです。
同じ計算は三相フィーダーにも使えます。銅4x25 mm2(低圧の基準構造、0.727 ohm/km)の200 m経路では、1.732 x 0.2 x 0.727、つまり20℃で相電流1 Aあたり約0.25 Vの線間降下です。これに頼る前に、データシートの高温抵抗とリアクタンスと比較してください。最終設計で技術者がまさに行うことです。
電圧降下が支配的になる場所
電圧降下がサイズを決めやすいのは、繰り返し現れるいくつかの状況です。
- ソーラーのDCストリングとフィーダー: 電流は中程度でも、敷地を横断する区間は長く、失われた1ボルトはそのままエネルギーの損失です。ソーラーPVケーブルのページの基準であるH1Z2Z2-K 1x4 mm2ケーブルは錫めっきクラス5で最大5.09 ohm/km、6 mm2は3.39 ohm/kmです。50 mの経路で、4 mm2ケーブルは20℃で1 Aあたり約0.51 V、6 mm2では約0.34 Vを失います。
- 離れ、ポンプ、街路照明: 低電圧の長い単一回路。
- モータ回路: 始動電流は運転電流の数倍なので、始動時の降下が支配事例になります。
- 低電圧DC系統: 12、24、48 Vでは、1〜2 Vの降下が大きな百分率になります。
- アルミフィーダー: アルミ95 mm2は0.320 ohm/kmで、銅95 mm2の0.193に対します。アルミ設計はサイズを引き上げる必要があります。銅とアルミの記事を参照。
電圧降下と購買判断
電圧降下は、ケーブルサイズ選定の方法における検証の一つで、電流容量や短絡耐量と並びます。最大の結果がサイズを決めます。バイヤーにとっての実務的な帰結が3つあります。
第1に、電圧降下のために選んだ大きめのサイズは過大設計ではありません。その経路にとっての正しいサイズであり、長区間で銅を節約しようとサイズを下げるよう提案するサプライヤーには、電圧降下の計算を示すよう求めるべきです。第2に、電圧降下は実際の導体抵抗に依存するため、導体はIEC 60228の上限を満たさなければなりません。過小サイズの導体は熱だけでなく電圧降下も加え、抵抗試験が重要なもう一つの理由です。第3に、長区間で大きな導体にかかる追加費用は、何年もの運転で失われるエネルギーと比べれば控えめなことが多く、設計で技術者が天秤に掛ける論点です。
銅は電力ケーブルのコストの大半を占め、LME3か月物銅が2026年10月21日時点で1トンあたり約14,315米ドルという状況では、バイヤーが節約を探すのは自然です。見つけるべき場所は設計の入力であって、計算の後にサイズを削ることではありません。サイズが確定したら、見積もりフォームが回路ごとのサイズと長さを受け付け、ケーブルサイズ設計ガイドが全方法を説明します。