銅ブスバー(銅バー)は、通電による温度上昇で1mあたり1mm前後伸びます。この伸びを逃がさずに両端を固定すると、支持碍子やボルト、接続部に力が集中し、緩み・変形・発熱の原因になります。この記事では、伸び量の計算方法と早見表、逃がし方の3つの手段(長孔・可撓継手・形状)、固定端と可動端の決め方、そして図面への書き方までを、数値を示しながら整理します。

ブスバー
熱膨張
熱伸縮
線膨張係数
長孔
可撓継手
配電盤
支持設計

銅ブスバーはどれくらい伸びるのか

銅ブスバーの熱伸縮量は「線膨張係数 × 長さ × 温度差」で求まり、銅の場合は1mあたり温度差60Kで約1.0mmです。盤内で温度が80K上がる条件なら1mあたり約1.3mm、3mのブスバーなら約4mmになります。数mmと聞くと小さく思えますが、ボルト穴のすきま(通常はボルト径+1mm程度)より大きく、拘束すれば必ずどこかに力が回ります。

線膨張係数とは、温度が1K(1℃)上がったときに、元の長さに対してどれだけ伸びるかを表す係数です。銅は20℃で約16.5×10^-6/K(一般社団法人日本銅センターの公開値)。実務では概算として17×10^-6/K前後を使うこともあります。

ここでいう温度差 ΔT は、ブスバーが実際に経験する温度の振れ幅です。冬季の停止中(たとえば10℃)と夏季の全負荷運転中(たとえば90℃)を比べれば、振れ幅は80Kになります。

他の金属と比べるとどうか

銅は鋼(鉄)よりよく伸び、アルミよりは伸びません。盤の骨組み(鋼板)とブスバー(銅)を同じ温度で比べても伸び方が違う点、そして銅とアルミを組み合わせた場合は伸び差が大きくなる点が、支持設計で効いてきます。

要点:伸び量は α×L×ΔT。銅は1mあたりΔT60Kで約1.0mm、ΔT80Kで約1.3mm。

伸びを拘束すると何が起きるか

両端を丸孔で固定したブスバーが熱で伸びようとすると、伸びられない分が内部応力に変わり、その力は支持碍子・ボルト・接続面へそのまま伝わります。結果として現れるのが、ブスバーの反り(座屈)、支持碍子の割れ・取付部の変形、ボルト軸力の低下による接触抵抗の上昇と発熱です。

完全に拘束された場合に発生する熱応力は、次の式でおおよその大きさが分かります。

銅の縦弾性係数を約120,000N/mm²、α=16.5×10^-6/K、ΔT=60Kとすると、σ ≒ 120,000 × 16.5×10^-6 × 60 ≒ 約119N/mm²。これは軟質(O材)の銅の耐力を上回る水準で、逃げ場を求めて横方向に反り出すには十分な大きさです。実際にはボルト穴のすきまや支持部のたわみで一部は緩和されますが、「拘束すると数十〜100N/mm²級の力が出る」という桁感は押さえておく必要があります。

要点:拘束すると熱応力は数十〜100N/mm²級。害は熱サイクルで少しずつ進む。

熱伸縮を逃がす3つの方法

ブスバーの熱伸縮を逃がす手段は、①接続部を長孔にして滑らせる、②可撓継手(フレキシブル導体)を入れる、③形状(曲げ・オフセット)で吸収する、の3つです。吸収できる量と手間・コストが違うため、伸び量と設置条件で使い分けます。目安として、伸びが1〜2mm程度なら長孔で足り、それを超えるか機器端子を保護したい場合は可撓継手、盤内で自然に曲がりが入る配置なら形状で吸収できます。

要点:1〜2mmなら長孔、それ以上や機器保護は可撓継手、曲げがあるなら形状で吸収。

長孔の設計 — 寸法・方向・座金

長孔は、ボルト径+1mm程度の幅に対して、長軸方向を「ボルト径+3〜5mm」程度長くとり、その長軸を熱伸縮の方向に合わせるのが基本です。海外の変圧器メーカーの事例では、500mmを超える接続にM12ボルトを使い、18mm×12mmの長孔(長軸側が6mm長い)を採用した例が報告されています。考え方は同じで、計算した伸び量に余裕を足した「滑り代」を確保します。

        ボルト M12
            │
   ┌────────┼────────┐
   │      ● 丸孔 φ13  │  ← 固定端:位置を決める側
   └────────┼────────┘
            │
   ┌────────┼────────┐
   │   ▭ 長孔 13 × 18 │  ← 可動端:長軸を伸びの向きに
   └────────┼────────┘
            │
      ←─── 熱伸縮の方向 ───→

   [ボルト頭]─[硬質の平座金]─[ブスバー(長孔側)]
                └ 長孔をまたぐ幅の座金で面圧を分散する
  

長孔の寸法をどう決めるか

手順は次の3ステップです。伸び量そのものは§1の式で出せるので、あとは余裕の取り方だけです。

例えば固定端から2,000mmの位置に長孔を置き、ΔT=60Kを想定するなら伸びは約2.0mm。据付誤差2mm程度を見込むと滑り代は4mm前後になり、M12なら「幅13mm × 長さ17〜18mm」が一つの目安になります。

要点:長孔はボルト径+3〜5mm、長軸は伸びの向き、固定端は1本に1か所だけ。

可撓継手(フレキシブルブスバー)を使う場所

可撓継手は、薄い銅板を積層した導体や編組線で作られた「曲がる導体」で、機器の端子に外力を伝えたくない場所と、伸びが長孔で吸収しきれない場所に使います。代表例は変圧器の一次・二次端子、遮断器や断路器との接続、そして屋外変電設備の母線接続です。熱伸縮だけでなく、機器の振動や地震時の相対変位も同時に吸収できるのが利点です。

可撓継手を入れる場合も、その両側のブスバーは通常どおり支持し、固定端・可動端を決めます。可撓部が吸収するのは相対変位であって、ブスバー自身の座屈は別に防ぐ必要があります。

要点:可撓継手は機器端子の保護と大きな変位の吸収。許容電流と許容変位を必ず確認。

固定端と可動端の決め方

1本のブスバー(1つの伸縮区間)につき、位置を決める固定端を1か所だけ設け、残りの支持点と接続部を可動端にします。固定端は「動いてほしくない側」、つまり機器の端子や分岐の基準になる位置に置き、そこから遠い側ほど伸び量が大きくなるので、長孔の滑り代も端に行くほど大きく取ります。

   変圧器端子        支持碍子        支持碍子        盤端の接続
      ●固定端 ───────  ○可動 ─────── ○可動 ─────── ○可動(長孔大)
      (丸孔)          (長孔 小)       (長孔 中)      (長孔 大)
        │
        └─ 基準位置。ここからの距離 L が大きいほど伸び ΔL も大きい

     L=0mm          L=800mm        L=1,600mm      L=2,400mm
     ΔL=0           約0.8mm        約1.6mm        約2.4mm
                    (α=16.5×10-6/K, ΔT=60K の場合)
  

支持間隔との関係

支持間隔は本来、自重によるたわみ・短絡時の電磁力・振動で決まりますが、すべての支持点を固定にすると伸びの逃げ場がなくなります。支持点の数は電磁力から決め、そのうち1つだけを固定端、残りを「支えるが、長手方向には滑れる」構造にするのが現実的な解です。

要点:固定端は1区間に1か所。遠い可動端ほど滑り代を大きく取る。

そもそも温度上昇を下げる

熱伸縮量は温度差に比例するため、温度上昇そのものを抑えれば、必要な滑り代も小さくできます。断面積を確保する、放熱しやすい形状(幅広・薄めの組み合わせ)にする、接続部の接触抵抗を下げる、盤内の通風を確保する——この4つが基本です。

接続部の局部発熱は、その周辺の膨張・収縮を大きくし、ボルト軸力の低下を早めます。処理の選び方は銅ブスバーへのめっきのページで目的別に整理しています。

要点:温度上昇を下げれば伸びも減る。接続部のめっきは局部発熱に効く。

図面にどう書くか — 製作側に伝わる指示

熱伸縮対策は、図面に「長孔の寸法・向き・どちらが固定端か」を明記しないと現場で再現されません。穴径だけを指示して現場合わせにすると、長孔が伸びと直交する向きで開いていたり、両側とも長孔になっていたりという食い違いが起きます。

当社(株式会社石垣商店・名古屋市守山区瀬古)は、変圧器・配電盤・受配電設備・電池関連向けの銅ブスバー加工を行っており、切断・穴あけ・長孔加工・曲げ・めっきまでを通して対応しています。長孔にするか可撓継手を使うかで迷う段階でも、母線の長さ・想定電流・盤内の温度条件を伝えていただければ、加工側から実現しやすい形をご提案できます。図面がなく、手書きスケッチや現物写真しかない状態でもご相談いただけます。加工の範囲は加工技術のページにまとめています。

なお熱の観点では、導電率が高いこと自体が発熱を抑え、結果として熱伸縮を小さくする方向に働きます(銅ブスバーのメリット)。

要点:長孔は寸法と「向き」まで図面に書く。固定端がどこかを明示する。

よくあるご質問