電圧降下計算機（NEC）

電圧降下計算機とは？

電圧降下計算機は、分電盤から負荷までの経路で回路が何ボルト失うかを教えてくれます。完全な導体は存在しません。電線は 1 m ごとに抵抗を持ち、その抵抗に電流を流すと供給電圧の一部が熱として消費されます。長い配線の末端に電気が届くころには、モーター・照明・コンセントが目に見えて低い電圧しか受け取っていない、ということが起こります。

このツールは、電気工事の現場で使われている標準的な近似計算を適用します。システム（直流、単相交流、三相交流）、導体の材質、AWG の電線サイズ、片道の回路長、負荷電流、電源電圧を選ぶと、失われる電圧、その損失が供給電圧に占める割合、実際に負荷へ届く電圧、そして推奨値を満たしているかどうかの明確な判定が返されます。

電圧降下が重要な理由

過大な電圧降下は、多くの場合、規格違反ではありません。性能と効率の問題であり、米国電気工事規程（NEC）も拘束力のある規則ではなく参考注記で扱っています。それでも影響は現実的です。

• モーターが過熱する。 電圧が不足した誘導電動機は、同じトルクを出すために大きな電流を引き込み、巻線が発熱して寿命が縮みます。
• 照明が暗くなり、ちらつく。 白熱灯の光束は電圧とともに急激に落ち、LED ドライバーも下限付近では動作が不安定になることがあります。
• ヒーターの能力が落ちる。 抵抗発熱は電圧の 2 乗に比例するため、5% の電圧損失は熱量のほぼ 10% を失うことになります。
• エネルギーが無駄になる。 失われた電圧は電線自身で熱になります。料金は払っているのに、負荷ではなく壁を温めているのです。

NEC の指針（210.19(A) および 215.2(A) の参考注記）は、分岐回路で 3% 以下、幹線と分岐回路を合わせて合計 5% 以下に電圧降下を抑えることです。この計算機は、その 3% という目標に対して配線を判定します。

計算機のしくみ

計算は、NEC 第 9 章 表 8 に掲載された導体特性を用いた、サーキュラーミル形式のオームの法則に基づいています。

導体の抵抗率。 定数 $K$ は、断面積 1 サーキュラーミル・長さ 1 フィートの導体の抵抗で、単位はオーム・サーキュラーミル毎フィートです。

$$K_{\text{copper}} = 12.9 \qquad K_{\text{aluminum}} = 21.2$$

アルミの $K$ は銅より約 64% 大きく、同じサイズのアルミ配線で電圧降下がはっきり大きくなるのはまさにこのためです。

導体の断面積。 各 AWG サイズにはサーキュラーミル（$CM$）単位の決まった断面積があり、これも表 8 から取られます。たとえば 12 AWG は $6{,}530$ CM、8 AWG は $16{,}510$ CM です。数値が大きいほど電線が太く、抵抗が小さく、電圧降下も小さくなります。

直流・単相交流の電圧降下。 電流は負荷まで行き、さらに中性線を通って戻る必要があるため、電線長は 2 回分数えます。

$$V_{\text{drop}} = \frac{2 \times K \times I \times L}{CM}$$

三相交流の電圧降下。 平衡三相システムでは戻り電流が部分的に打ち消し合うため、係数は 2 ではなく $\sqrt{3} \approx 1.732$ になります。

$$V_{\text{drop}} = \frac{1.732 \times K \times I \times L}{CM}$$

ここで $I$ は負荷電流（A）、$L$ は回路の片道長さ（ft）です（m で入力してもかまいません。計算機が換算します）。

電圧降下率と負荷端の電圧。 次に、電圧降下を供給電圧と比べ、供給電圧から差し引きます。

$$\%\ \text{drop} = \frac{V_{\text{drop}}}{V_{\text{source}}} \times 100$$ $$V_{\text{load}} = V_{\text{source}} - V_{\text{drop}}$$

計算例

20 A の単相分岐回路を 12 AWG の銅線で配線し、120 V の分電盤から片道 100 ft（30.48 m）敷設したとします。

• 12 AWG の断面積は $6{,}530$ CM、銅の定数は $K = 12.9$ です。
• 単相なので係数は 2：

$$V_{\text{drop}} = \frac{2 \times 12.9 \times 20 \times 100}{6{,}530} = 7.90 \text{ V}$$

• 供給電圧に対する割合：

$$\%\ \text{drop} = \frac{7.90}{120} \times 100 = 6.58\%$$

• 負荷に届く電圧：

$$V_{\text{load}} = 120 - 7.90 = 112.10 \text{ V}$$

6.58% という電圧降下は推奨値 3% の 2 倍を超えており、この配線は目標を満たしません。負荷には 112.10 V しか届きません。

電線を太くして解決する

他の条件はそのままに、8 AWG の銅線（$16{,}510$ CM）に変えてみます。

$$V_{\text{drop}} = \frac{2 \times 12.9 \times 20 \times 100}{16{,}510} = 3.13 \text{ V}$$

これは 120 V の 2.60% で、負荷端には 116.87 V が残ります。3% の目標に余裕をもって収まりました。サイズを 2 段階上げるだけで、5 V 近くを取り戻せた計算です。

実務上の注意

• 往復ではなく、片道の距離を入力してください。 直流回路と単相回路については、式がすでに長さを 2 倍しています。分電盤と負荷の直線距離よりも、壁を上がり、根太に沿い、障害物を迂回する——実際の配線経路どおりに測ることのほうが重要です。
• システムの違いはすべてこの係数に表れます。 直流と単相がどちらも 2 なのは、電流が 2 本の導体で完全な往復をするからです。平衡三相が 1.732 なのは、3 つの線電流の位相が 120° ずつずれ、戻り経路で部分的に打ち消し合うからです。
• これは古典的な NEC の近似式です。 直流抵抗だけを使い、導体のリアクタンス、温度上昇、力率を無視しています。大多数の分岐回路と短い幹線には十分な精度です。長い配線、太い導体、力率の悪い負荷では、代わりに NEC 第 9 章 表 9 の交流インピーダンス値を使ってください。ここでの結果は堅実な設計見積もりであり、技術検討の代わりにはなりません。
• アルミが銅に並ぶには約 2 サイズ太くする必要があります。 $K$ が 12.9 ではなく 21.2 であるため、同じサイズ・同じ電流ではアルミの電圧降下は約 64% 大きくなります。コスト削減のために材質を変える前に、この点を織り込んでください。
• 電圧降下と許容電流は別の問題です。 ある電線が流す電流に対して完全に適法であっても、長い配線では電圧を落としすぎることがあります。まずオームの法則計算機とワットからアンペア計算機で許容電流からサイズを決め、次に電圧降下を確認し、必要ならサイズを上げます。サイズが決まったら、電線管占積率計算機で電線が管に収まることを確認しましょう。

よくある質問

3% は法的な上限ですか？ いいえ。NEC では参考注記として示されており、指針であって強制力のある規則ではありません。地域の追加規定、電力会社の要求、特定の機器の仕様によって、より厳しい上限が課されることはあり、実際に拘束力を持たせている自治体もあります。分岐回路 3%、全体 5% で設計しておけば、ほぼどこでも通用します。

なぜ長さを 2 回数えるのですか？ 電流は回路を一周しなければならないからです。片道 100 ft の配線では、電気は電圧線を 100 ft 進み、中性線を 100 ft 戻ります。合計 200 ft 分の抵抗です。式の係数 2 がこれを自動的に織り込むので、入力するのは片道の距離だけで済みます。

サーキュラーミルとは何ですか？ 直径 1 ミル（1000 分の 1 インチ）の円の面積のことです。電線表がこれを使うのは、サーキュラーミル単位の面積がミル単位の直径の 2 乗そのものになり——$\pi$ が不要になり——導体どうしの比較が簡単になるからです。

大きすぎる電圧降下はどう減らせばよいですか？ 実行しやすい順に、太い導体を使う（最も一般的な対処）、配線を短くする、負荷を 2 回路に分ける、電源電圧を上げる——同じ電力なら 240 V 回路は電流が半分になり、電圧降下も半分になります。