直流ヒューズのサイジング：計算機と例によるステップバイステップガイド

はじめに十分に近い」計算の高いコスト

ある経験豊富な太陽光発電施工業者（仮にデイヴと呼ぶ）は、繰り返し起こる悪夢に直面していた。彼が3ヶ月前に完成させた100kWの商業用屋上システムで、完璧に晴れた日にヒューズが切れていたのだ。顧客は生産量を失い、デイブのチームは20Aのヒューズを交換するサービスコールに時間とお金を浪費していた。最初の診断はヒューズの不良品だった。しかし、3回目のコールアウトで本当の問題が明らかになった。システムは、短絡電流（Isc）が13.9Aの新しい高効率550Wパネルで設計されていた。デイブのリード・エンジニアは、古い習慣に頼って、単純な1.25倍の倍率を使ってストリング・ヒューズのサイズを決め、17.4Aに着地させ、標準的な20Aのヒューズに切り上げていた。.

彼が見落としていたのは、連続的な負荷の両方を考慮した、規則で定められた完全な計算だった。 そして 実世界の太陽放射照度スパイク（太陽光を浴びたパネルが一時的に定格を大幅に上回る出力を出す状況）。そのような爽やかで明るい午後、アレイの電流はヒューズ・エレメントを疲労させるのに十分な時間、20Aをわずかに超える程度だった。そのため、コンバイナーボックスのヒューズを25Aに変更した。 ヒューズ, しかし、クライアントの不満、利益率の低下、そしてせっかく得た教訓というダメージは大きかった。.

“電気設計において「十分近い」という言葉は危険です。ユーティリティ規模の太陽光発電所からバッテリーエネルギー貯蔵（BESS）、電気自動車（EV）の急速充電器に至るまで、大電力の直流（DC）システムの世界では、規格に準拠した正確なヒューズのサイジングは推奨事項ではなく、安全性、信頼性、および財務的な実行可能性のための譲れない柱です。このガイドでは、常に正しいヒューズサイジングを行うための専門的な手法を段階的に説明します。.

パート1：基礎 - なぜDC定着はもっと尊敬されるべきなのか？

計算に入る前に、直流過電流保護が交流過電流保護よりも根本的に難しい理由を理解することが重要です。その違いは、電気アークの物理学にあります。.

交流回路では、電流は当然ながら毎秒100回または120回ゼロを通過する。このゼロ交差は、アーク（ヒューズエレメントが溶断する際に形成されるプラズマブリッジ）が消滅する一瞬の機会を提供します。AC ヒューズは、この繰り返し発生する「オフ」スイッチを活用するように設計されています。.

DCは容赦ない。ゼロクロスはない。直流ヒューズが開くと、連続した高エネルギーのアークが発生する。このアークは本質的にプラズマジェットであり、その温度は10,000℃を超える。これを消滅させるためには、DCヒューズは、その要求電圧がシステムの電圧を超えるまでアークを引き伸ばすのに十分な強度を持ち、同時にプラズマを冷却するために莫大な熱エネルギーを吸収しなければならない。このため、PV（太陽光発電）ヒューズやその他の直流定格ヒューズには、特殊な石英砂フィラーが含まれていることが多く、この石英砂フィラーはフルグライトと呼ばれるガラス状の物質に溶けてアークを窒息させます。.

DC アプリケーションで AC ヒューズを使用することは致命的な誤りです。ヒューズは故障を除去できない可能性が高く、アークが持続し、ヒューズ本体が爆発する可能性があり、重大な火災の危険性があります。DC ヒューズを正しく指定するには、4 つの重要なパラメータをマスターする必要があります：

• 定格電圧（VDC）： ヒューズの定格電圧は、システムの最大直流電圧以上でなければなりません。これには、ソーラーアレイに予想される最も低温での開回路電圧（Voc）も含まれます。.
• 連続定格電流（アンペア）： ヒューズの銘板値です（例：「15A」）。これは、ヒューズが劣化することなく無期限に流せる電流量を示します。これは ない すぐに吹き出す電流。.
• 遮断定格（kA）： 遮断容量とも呼ばれるこの値は、ヒューズが破裂することなく安全に遮断できる最大故障電流です。バッテリーバンクの場合、予想される短絡電流は数千アンペアにもなります。ヒューズの遮断定格はこの値を上回る必要があります。.
• ヒューズ速度（時間-電流曲線）： これは、異なるレベルの過電流においてヒューズがどの程度速く開くかを定義するものである。ヒューズは単純なオン／オフ装置ではありません。超高速」半導体ヒューズは繊細な電子機器を保護するために数ミリ秒で開く場合があり、「時間遅延」ヒューズはモーターからの一時的な突入電流に迷惑な溶断なしに耐えることができます。太陽光発電アプリケーションの場合、PV 定格ヒューズは、放射照度スパイクを許容しつつ、危険な逆電流から保護する特定の曲線で設計されています。.

パート2：コア公式の解読：NECとIECの比較

1.56 倍率」は北米における直流ヒューズのサイジングの基礎ですが、多くの専門家がその適用を誤ったり、その由来を理解していません。これは任意の数値ではなく、米国電気工事規定（NEC）から直接導き出された安全係数です。.

NECの1.56乗の説明

1.56の倍率は、太陽光発電システムに対してNEC690条で義務付けられているように、2つの別々の125%倍率を連続して適用したものである。.

1. 125% の最大電流 (NEC 690.8(A)(1))： この最初のステップは、“最大回路電流 ”を計算することである。この規格では、特定の条件下（例えば、反射光を伴う寒冷な晴天日や「雲端効果」）では、ソーラーパネルが定格短絡電流（Isc）以上の電流を生成する可能性があることを認めています。この倍率は、導体およびOCPD（過電流保護装置）のサイジングの基準となります。.
   • 最大電流 = Isc × 1.25
2. 連続負荷用125% (NEC 690.9(B))： 第2ステップでは、この「最大電流」を連続負荷として扱う。連続負荷とは、3時間以上動作する負荷のことで、ソーラーアレイの標準的な負荷です。NECでは、連続負荷の過電流保護は、その負荷の125%のサイズにすることを義務付けています。.
   • 最小ヒューズ定格 = 最大電流 × 1.25

この2つのステップを組み合わせることで、全体像が見えてくる：

最小ヒューズ定格 = (Isc × 1.25) × 1.25 = Isc × 1.5625

実用上、これは四捨五入される。 1.56. .この最低レーティングを計算した後は、必ず四捨五入してください。 上 を次の標準ヒューズサイズ（例えば、10A、15A、20A、25A、30A）に変更します。.

IECアプローチとの比較

NEC は明確な規定倍率を提示していますが、国際規格 IEC 62548 はより柔軟な範囲を提示しています。IEC 規格では、ヒューズ定格 (I_n) は設計電流 (I_B) とケーブルのアンペア容量 (I_z) の間に収まっていなければならないと定めています。 I_B ≦ I_n ≦ I_z.

PVストリング保護の場合、IEC 62548はヒューズ定格をモジュールのIscの1.5～2.4倍にすることを推奨しています。.

• IEC ヒューズのサイジング： 最小ヒューズ定格 = Isc × (1.5 to 2.4)

この範囲により、設計者は地域の環境条件、温度、特定のモジュール特性に基づいて保護を最適化することができます。ただし、NEC管轄下のプロジェクトでは 1.56倍は必須。.

パート3：ステップ・バイ・ステップのサイズ計算機

これは自動化されたツールではなく、あらゆる重要な変数が考慮されていることを確認するための、手動による6段階のプロセスだと考えてください。このワークフローに従うことで、エラーを防ぎ、安全で信頼性の高い、コードに準拠した設計につながります。.

ステップ1：最大設計電流の決定
回路が流せる最大連続電流を特定する。.

• ソーラーストリングの場合：パネルの短絡電流（Isc）を使用する。.
• バッテリーバンクの場合インバータの最大連続DC入力電流を使用する。.
• 直流負荷の場合（EV充電器など）：機器の銘板最大DC電流定格を使用する。.

ステップ2：温度ディレーティング係数の適用
ヒューズは特定の周囲温度（通常 25°C または 40°C）に対して定格されています。屋根の上の日差しを浴びたコンバイナーボックスのような高温の環境に設置された場合、有効な通電容量は低下します。軽減曲線または軽減表については、ヒューズメーカーのデータシートを参照する必要があります。例えば、65℃の環境で 20A のヒューズは 17.4A の実効定格しか持たない可能性があります。これを補うために、より大きなヒューズを選択する必要があるかもしれません。.

ステップ3：関連するコード乗数を適用する
適用される法令に基づき、必要な安全係数を適用する。.

• NEC準拠のソーラー用：Iscに1.56を掛ける。.
• NECに基づくその他の連続DC負荷の場合：最大設計電流に1.25を乗じる。.
• IECプロジェクトの場合：設計に応じて1.5～2.4の倍率を使用する。.

ステップ 4：次の標準ヒューズサイズを選択する
乗数を適用した後、最低限必要なヒューズの定格が決まります。次の 標準 計算値と同等かそれ以上の市販のヒューズサイズをお選びください。例えば、計算の結果、最小定格が 22.54A であった場合、25A のヒューズを選択する必要があります。.

ステップ 5：導体および機器の保護の確認
ヒューズには、電線の保護と機器の保護という2つの役割がある。.

• ワイヤーの保護： ヒューズの定格は、接続されているワイヤーの耐力を超えてはなりません。定格20Aの電線に30Aのヒューズを使用すると火災の危険があります。.
• 機器の保護： ヒューズの定格は、機器メーカーが指定する最大OCPD定格を超えてはなりません。例えばソーラーパネルのデータシートには「最大直列ヒューズ定格」が記載されています（通常15A～30A）。これを超えると保証が無効になり、モジュールの損傷につながる可能性があります。.

ステップ6：遮断定格（kA）の確認
最後に、ヒューズの遮断定格（kA）がシステム内のその時点で利用可能な短絡電流よりも大きいことを確認します。これは、大きな故障電流が流れる可能性のあるバッテリーシステムにとって特に重要です。バッテリーの予想短絡電流（I_sc）の簡単な見積もりは次のとおりです。 I_sc = バッテリー電圧 / ループ総抵抗値. .計算されたI_scが16,000A（16kA）の場合、10kAの遮断定格を持つヒューズでは不十分であり、激しく故障する可能性がある。.

パート4：計算による応用例

この6段階のプロセスを、一般的な3つの大電力DCアプリケーションに適用してみよう。.

A.太陽光発電システム（ストリング＆コンバイナーヒューズ）

3つ以上のストリングが並列に接続されたソーラーアレイの場合、NEC690.9(A)は各ストリングに個別のヒューズを必要とする。これにより、1つのストリングに障害が発生しても、健全なストリングから大量の逆電流が流れるのを防ぐことができる。.

シナリオ 450Wパネルを使用した商業用屋上システムのストリングヒューズを設計。.

• パネル・データシート Isc：12.8A
• パネル「最大直列ヒューズ定格」：25A
• ワイヤー10 AWG PVワイヤー（定格40A）
• コンバイナーボックスの周囲温度50°C
• 50°Cにおけるヒューズメーカーのディレーティング：0.92

計算：

1. 最大設計電流： 基本はパネルIscである： 12.8A.
2. 温度ディレーティング： そのヒューズのサイズを見つける必要がある、, その後 ディレーティングを行っても、コード要件は満たしています。ディレーティング係数は後で検証時に適用します。.
3. コード・マルチプライヤー（NEC）：
   • 最低必要定格 = 12.8A × 1.56 = 19.97A
4. 標準ヒューズサイズを選択してください： 19.97Aの次の標準サイズは 20A.
5. プロテクションを確認する：
   • 温度チェック： では、50℃で20Aのヒューズが十分かどうか見てみよう。.
     • 有効ヒューズ定格 = 20A × 0.92（ディレーティング係数） = 18.4A
     • これは 未満 私たちが要求する最低19.97Aです。20Aのヒューズは小さすぎ、迷惑なトリップを引き起こします。.
   • 改訂されたセレクション： 次のサイズを選ばなければならない。 25Aヒューズ.
     • 有効ヒューズ定格 = 25A × 0.92 = 23A
     • これは19.97Aより大きいので、この高温環境では25Aのヒューズが正しい。.
   • ワイヤーの保護： 25Aのヒューズ定格は、10 AWGワイヤーの40A耐力をはるかに下回っています。✓
   • 機器の保護： ヒューズ定格25Aは、パネルの「最大直列ヒューズ定格」25Aと同じです。✓
6. 遮断定格をチェックする： ストリングレベルのフォルトの場合、利用可能なフォルト電流は、他の並列ストリングからのIscの合計である。合計10個のストリングがある場合、最大故障電流は次のようになる。 9ストリングス×12.8A≒115A. .標準的な gPV ヒューズの遮断定格は 10kA 以上であり、十分な性能を備えています。✓

最終選考： 25A、1000VDC gPV定格ヒューズ。.

B.蓄電池システム（BESS）

大規模なリチウムイオンバッテリーバンクのヒューズは、主に壊滅的な短絡から保護することです。ヒューズは何万アンペアもの電流を遮断できなければなりません。.

シナリオ 5,000Wインバーター/チャージャーに接続された48V、400Ah LiFePO4バッテリーバンク用のメインDCヒューズを選択します。.

• インバーター最大連続直流電流：125A
• インバーター効率: 95%
• 最低バッテリー動作電圧：44V
• 予想短絡電流の計算（バッテリーの仕様とケーブル抵抗から）： 18,000A (18kA)
• ワイヤー：2/0 AWG（定格190A）

計算：

1. 最大設計電流： インバータの最大電流は、電流が最も大きくなるバッテリーの最低電圧で計算しなければならない。.
   • 最大消費電力 = 5000W / 0.95（効率） = 5263W
   • 最大DC電流 = 5263W / 44V（低電圧） = 119.6A
2. 温度ディレーティング： ヒューズが管理された屋内環境（25℃）にあると仮定すると、ディレーティングは必要ない。.
3. コード・マルチプライヤー（NEC）： これは連続負荷なので、1.25倍の倍率を使用する。.
   • 最低必要定格 = 119.6A × 1.25 = 149.5A
4. 標準ヒューズサイズを選択してください： 次の標準サイズは 150A.
5. プロテクションを確認する：
   • ワイヤーの保護： 150A のヒューズ定格は、2/0 ワイヤの 190A のアンペア容量を下回っています。✓
   • 機器の保護： 150Aヒューズは、最大連続電流125A用に設計されたインバータを保護します。✓
6. 遮断定格をチェックする： 予想される故障電流は18kAである。これ以上の遮断定格を持つヒューズが必要である。標準的なANLヒューズやMEGAヒューズは定格が2～6kAしかないことが多く、不向きです。のような高遮断容量のヒューズを使用する必要があります。 クラスTヒューズ. .クラス T ヒューズの遮断定格は 20kA ～ 200kA です。20kA 定格のクラス T ヒューズは安全な選択です。.

最終選考： 150A、クラスTヒューズ（≥20kA遮断定格）。.

C.DC急速充電器（EVSE）

DC急速充電器は、過電流によってマイクロ秒単位で破壊される可能性のある高感度パワーエレクトロニクス（IGBTやSiC MOSFET）を搭載している点が特徴である。ここでの保護は、電線火災の防止というよりも、高価な半導体モジュールの保護が重要である。そのためには超高速ヒューズが必要です。.

シナリオ 150kW DC 急速充電器の 50kW パワーモジュール 1 個に対応する DC 出力ヒューズのサイズ。.

• モジュール出力：50kW
• DC出力電圧範囲：200-1000VDC
• IGBTモジュール耐量（I²t）：50,000 A²s
• DCバスからの見込み短絡：50kA

計算：

1. 最大設計電流： 電流は最低電圧で最も大きくなる。充電器がその電圧範囲全体で50kWを供給できると仮定する：
   • 最大電流 = 50,000W / 200V = 250A
2. 温度ディレーティング： これらのモジュールはファン冷却ですが、信頼性のため、ヒューズの定格を連続負荷の1.2～1.5倍でサイジングすることを一般的に提案しているメーカーのガイダンスを使用します。ここでは1.4倍を使用します。.
3. コードマルチプライヤー： メーカーによる1.4倍のサイジング係数は、必要な安全マージンをすべて考慮している。.
   • 目標ヒューズ定格 = 250A × 1.4 = 350A
4. 標準ヒューズサイズを選択してください： A 350A 半導体ヒューズは標準的なサイズである。.
5. プロテクションを確認する： ここで最も重要な検証は、I²t（溶断エネルギー）定格です。ヒューズの全クリアリング I²t は以下の値でなければなりません。 少ない IGBTの耐圧よりも高い。.
   • 350A、1000VDCの超高速ヒューズのデータシートを参照すると、1000VでのクリアリングI²tは〜38,000A²sである。.
   • 38,000 A²s < 50,000 A²s. .ヒューズは IGBT を保護する。✓
6. 遮断定格をチェックする： 使用可能な故障電流は 50kA である。高速半導体ヒューズには、50kA、100kA、またはそれ以上の遮断定格のものがあります。の定格のものを選択しなければならない。 少なくとも50kA.

最終選考： 350A、1000VDC aR定格（半導体）ヒューズ、≥50kA遮断定格およびI²t < 50,000 A²s。.

パート5：よくある落とし穴とその避け方

プロセスがしっかりしていても、よくあるミスがシステムの安全性と信頼性を損なうことがある。ここでは、最も頻度の高いエラーとその防止策をまとめた。.

結論と行動への呼びかけ

正確な DC ヒューズのサイジングはシステムであり、単一の数値ではありません。それは、法規制の要件、環境の現実、および導体から電源そのものに至る一連の各コンポーネントに特有の保護ニーズのバランスを取るための体系的なプロセスです。太陽光発電の1.56倍の倍率から、バッテリーの重要な遮断能力、EV充電器に必要なマイクロ秒の応答時間まで、正しく理解することが真の電気専門家の証です。これは、単に設置されただけのシステムと、何十年にもわたって安全で信頼できる性能を発揮するように設計されたシステムとの違いです。.

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免責事項：この記事で提供される情報は、教育目的のみのものです。電気工事は危険であり、資格のある専門家のみが行うべきです。電気システムを設計または設置する前に、必ず最新版の米国電気工事規定（NEC）、関連するIEC規格、管轄当局（AHJ）が施行する地域規定、および機器メーカーの仕様を参照してください。.