ブスバーの事故のうち、導体そのものが原因になることはまれです。焼損の起点はほとんどがボルトで締結した接続部であり、その原因は接触抵抗の増加にあります。この記事では、接触抵抗が生まれる仕組み、締結力をどう管理すれば抵抗が安定するのか、めっきの役割、そして現場で接触抵抗を確認する方法までを、設計・調達・保守の三つの視点で整理します。

銅ブスバー
接触抵抗
ボルト締結
締付トルク
発熱
めっき
配電盤
保守点検

ブスバーの接触抵抗とは何か

接触抵抗とは、二つの導体を重ねて締結したときに、その境界面だけで余分に発生する電気抵抗のことです。ブスバー同士をボルトで締めた部分では、導体の断面が変わっていないにもかかわらず抵抗が増えます。この増分が接触抵抗であり、通電時の発熱量は電流の2乗に比例して効いてきます。

式のとおり、電流が2倍になれば発熱は4倍になります。定格1,000Aの回路で接触抵抗が10μΩあれば、その1か所で10Wの熱が出ます。ブスバー本体は表面積が広く熱を逃がせますが、接続部は熱が集中するうえに、温度が上がると酸化が進んで抵抗がさらに増えるという悪循環に入りやすい場所です。

接触抵抗は「導体の抵抗」ではなく「境界面の抵抗」。断面積を増やしても、ここは改善しない。

なぜ接続部だけが熱を持つのか

平らに見える金属面も微視的には凹凸だらけで、実際に電流が流れているのは見かけの接触面積のごく一部だけだからです。この実際に金属同士が触れている部分を真実接触面積と呼びます。電流はその狭い点に集中して流れ込むため、そこで抵抗と発熱が生じます。

 見かけの接触面(例 50mm × 50mm)
 ┌───────────────────────────────┐
 │  ・      ・        ・      ・  │ ← 実際に通電している点
 │      ・       ・        ・     │   (真実接触点)
 │  ・       ・       ・      ・  │
 └───────────────────────────────┘
        ↓ 電流はこの点に集中する
   ┌──────╲   ╱──────┐
   │       ╲ ╱       │  電流線が絞られる = 集中抵抗
   │        ×        │  点の周囲で発熱する
   └──────╱   ╲──────┘
  

真実接触点の数と大きさは、押し付ける力に応じて増えます。つまり接触抵抗は締結力でほぼ決まるということです。ボルトを1本増やす、あるいは適正な軸力まで締めることが、面積を広げること以上に効きます。逆に、重ね代だけを大きくして締結力が足りない設計は、見た目ほど効果がありません。

効くのは「見かけの面積」ではなく「押し付けられている範囲」。

接触抵抗を決める4つの要因

接触抵抗は、接触力・表面状態・表面処理・温度履歴の4つでほぼ説明できます。トラブルが起きたときは、この4項目を順に確認すると原因にたどり着きます。

銅の酸化被膜は「絶縁膜」ではないが無視もできない

銅の表面にできる酸化被膜は、アルミの酸化被膜ほど強固な絶縁性はありません。締結時に被膜が破れて金属同士が接触するため、銅同士の接続は比較的成立しやすいのが実情です。ただし高温で成長した厚い被膜や、屋外・硫黄分の多い環境で生じる硫化膜は皮膜抵抗を確実に押し上げます。保管期間が長い部材ほど、組立前の状態確認が効きます。

原因は4つに絞れる。順に潰せば、当てずっぽうの増し締めは不要になる。

締結力はトルクではなく軸力で考える

接触抵抗を決めているのはボルトの軸力(締め付けによって生じる引張力)であり、トルクはその軸力を得るための手段にすぎません。同じトルクで締めても、ねじ面の潤滑状態や座面の摩擦でばらつくため、トルクと軸力の関係は次の式で扱います。

トルク係数Kは、無潤滑の鋼製ボルトで0.2程度、潤滑があると0.1〜0.15程度まで下がります。同じトルクで締めても、油が付いていれば軸力は2倍近くになりうるということです。潤滑の有無を統一しないまま同じトルク値で管理すると、締付不足と締めすぎが同じ盤の中に混在します。

強度区分8.8のボルトを使った場合の目安

軸力の設定は、一般に耐力の70%程度を上限の目安とします。強度区分8.8(耐力640 N/mm²)の鋼製ボルトで、トルク係数K=0.2として計算した参考値が下表です。

締めすぎは締め不足と同じくらい危険

管理すべきは軸力。トルク値だけを追いかけると、潤滑条件でばらつく。

めっきは接触抵抗を「安定させる」ために使う

めっきの目的は、接触抵抗を今すぐ下げることよりも、長期にわたって上がらないようにすることです。銅は導電率が高い一方で、表面が酸化・硫化しやすいという弱点があります。めっきはその表面を安定した金属で覆い、経年変化を抑えます。

この図だけを見ると「錫めっきは導電率が低いから不利」に見えます。しかし接続部で効くのは材料の導電率ではなく接触抵抗です。錫は軟らかいため、締結すると相手面の凹凸に潰れて入り込み、真実接触面積が大きくなります。めっき層は数μmと薄く、電流が通過する距離もごくわずかです。結果として、固定接続では錫めっきの接触抵抗は低く安定します。

めっきの種類ごとの詳しい選定基準は銅ブスバーへのめっきのページで整理しています。膜厚の指定や、めっき後の曲げ加工の可否など、工程の順序に関わる部分は早い段階でご相談ください。

固定接続なら錫、大電流の接点なら銀、高温なら耐熱性重視。目的から逆算して選ぶ。

接続部の状態をどう確認するか

接触抵抗はマイクロオーム単位のため、通常のテスターでは測れません。四端子法による低抵抗測定か、通電状態でのサーモグラフィによる温度差の確認が実務的な手段です。どちらも「絶対値」より「同じ盤の他の接続部との比較」で判断するのが基本になります。

四端子法が必要な理由

二端子測定では、測定リードの抵抗とプローブ自身の接触抵抗が測定値に上乗せされてしまいます。μΩ台の値を見たいときは、この誤差のほうが大きくなります。四端子法は、電流を流す端子と電圧を検出する端子を分けることで、リード側の影響を受けずに導体そのものの電圧降下を測れます。

絶対値より変化と比較。据付時の初期値が最良の判定基準になる。

設計・加工段階でできる対策

接触抵抗の対策の大半は、組立前に決まっています。平面度、端面の仕上げ、ボルト穴の位置精度、めっきの指定といった要素は、後から現場で直すことができません。

株式会社石垣商店では、切断・穴あけ・曲げ・端面仕上げまでを社内で行い、めっきを含めた一貫した手配に対応しています。接触面になる部分のバリ取りや、曲げ後の平面度の確認といった、図面に書かれにくい部分も含めてご相談ください。加工の対応範囲は加工技術のページにまとめています。

接触抵抗は組立現場ではなく、図面と加工指示の段階で決まっている。

よくあるご質問