目次
アーシング・システムの説明
接地システム（IEC）または接地システム（IEEE）は、安全性と機能性の両方の目的で、電力系統と地表を接続する。接地システムは電磁両立性にも影響し、雷保護システムにも必要です。
接地システムは、システム接地と機器接地の2つに分類される。
システム接地とは、電圧応力および電圧危険性（タッチ電圧またはステップ電圧）を安全限度内に制御するために、相または中性導体を意図的にアースに接続することである。
機器アースとは、機器の非通電導電部を電気的に相互接続し、大地に「接着」することである。
接地システムは慎重に設計されなければならない。設計者が考慮すべき接地・アースシステム関連の規格は数多くある。
低電圧接地システム
IEC用語
IEC 60364-1規格[2]のIEC用語。
最初の手紙 - 電力系統と地球との関係：
- T = 1点をアースに直接接続すること。
- I = アースから絶縁されたすべてのライブ部品、または高インピーダンスを介してアースに接続された1点。
2番目の文字 - 設置物の露出した導電性部分（ECP）と大地との関係：
- T = 電力系統のどの地点のアースにも関係なく、ECPをアースに直接電気的に接続すること。
- N = ECPを電力系統の接地点に直接電気的に接続すること（AC系統では、電力系統の接地点は通常、中性点または中性点がない場合は線路導体である）。
中性点及び保護接地導体の配置：
- S = 中性導体または接地線（ACシステムでは接地相）導体とは別の導体によって提供される保護接地機能。
- C = 中性点および保護接地機能を単一の導体（PEN導体）にカプセル化したもの。
TNシステムズ
TN（Terre-Neutral） システムは、露出導電部（ECP）が電源の強固な接地点に直接接続されている電気システムである [1]。TNシステムは、故障ループインピーダンスは低いが、故障電流が大きいため、ニュートラルが損傷するリスクが高い（火災のリスクもある）。さらに、安全上の問題を避けるために、アース電極を一定の間隔で設置する必要がある（システム内の各導体と接続）。
TNシステムは、導体の配置によって複数の異なるタイプに分類することができる。
TN-S
TN-Sは、TN構成の最初のタイプである。この構成のシステムは、通常、工業用および商業用アプリケーションで使用され、2つの異なる電線が保護導体と中性導体として機能する[1]。TN-Sシステムは、保護接地とニュートラルが分離されているため、TN種類の中で最も安全なオプションとなる傾向があり、フレキシブルな導体やより小さなコンジットでも使用することができます。
上の図 1 に見られるように、TN-S システムは、中性点と保護アース（PE）を同じ地点から異なる導体で ECP に接続します。TN-Sシステムは、PE導体が存在する限り、ニュートラルがない場合（デルタ構成の三相電源など）にも使用できる。
TN-C
TN-CシステムはTN構成の第2のタイプである。TN-S構成とは異なり、TN-C構成は保護接地とニュートラルを単一導体にまとめたものである。これは北米の電力会社では一般的な構成であるが、産業用および商業用の電力システムでは推奨されていない[1]。TN-Cシステムを使用する利点の1つは、装置極と導体が不要になることによるコスト削減であるが、この妥協によって安全性が低下する（火災や電磁干渉による混乱のリスクが高まるなど）。
上の図2に見られるように、TN-CシステムはTN-Sシステムとは異なり、PEとニュートラルの機能を単一の導体であるPEN（Protective Earth Neutral）導体にまとめている。
TN-C-S
TNシステムの最後のタイプは、TN-C-Sシステムである。北米では、PENからPEへの移行点は、サービスエントランスでアースに意図的に接続するための電極を含む、ユーティリティからユーザーへのインターフェースに典型的である[1]。TN-C-Sシステムは、TN-Cシステムの利点をTN-Sシステムと組み合わせたものであるが、リターンは少なくなっている（すなわち、TN-C-SシステムはTN-Sシステムほど安全ではなく、TN-Cシステムほど安価ではない）。
図3：TN-C-Sシステムの構成図
上の図3に見られるように、TN-C-SシステムはTN-CシステムとTN-Sシステムの両方の機能を兼ね備えており、特定のECPはPEN導体を介してアースに接続され、他のECPは最初のPEN導体から分割されたPEとニュートラル導体に接続される。
TTシステム
TT（Terre-Terre）システムは、供給される負荷が、電源に接続された接地電極から独立した接地電極に接続される電気システムである[1]。TTシステムは、継続的な監視を必要としない傾向がある（ECPに接続された漏電遮断器（残留電流装置）を除く）。TT システムの欠点として、ループインピーダ ンスが高く、ステップ電圧と漏れ電流が高くなることが挙げられます。
図4：TTシステムの構成図
上の図4から、システムの接地は2つの異なるポイントで行われることがわかる：1つ目は中性導体が接続される点、2つ目はPE導体が接続される点である。これら2つの接地ポイントは、互いに独立しています。
ITシステム
IT（Isolation Terre）システムは、ソースが大地から絶縁されているか、非常に高いインピーダンスで大地と接続されている電気システムである。故障電流による潜在的な損傷を防ぐため、ITシステムは個別にも集合的にも接地することができる[1]。ITシステムは、運用中のサービス継続性に最も優れている（つまり、絶縁障害は非常に簡単に検出でき、それほど中断することなく除去できる）が、高度なメンテナンスも必要となる。さらに、ネットワークの絶縁レベルが高いため、地絡ループ・インピーダンスは非常に高く、ITシステムはネットワークに2つの故障電流が同時に流れる危険性がある。
図5：個別に接地されたECPを持つITシステムの図
図6：まとめて接地されたECPを持つITシステムの図
図5と図6はどちらもITシステムの例である。どちらの例でも、システムはとてつもなく高いインピーダンス（つまり開回路）を通して接地され、PE導体は個別に接地されていることに注意されたい。図5はECPが独立したPE導体を持つ例であり、図6はECPが共通のPE導体を持つ例である。
DCシステム
直流（DC）システムは、交流（AC）ではなく直流（DC）用に設計されたシステム接地の一種である。これらは通常、2線式システムを使用して正極と負極を介して接地される[2]。前述のシステムは、機能的にAC対応とは異なるDCシステム等価物を有する。
低電圧接地タイプの比較
低電圧アースの長所と短所を以下にまとめる：
高圧アースシステム
高電圧（1kV以上）の接地システムには、3つの基本要件があります：
- 人々の安全。
接地システムは、一般住民を含むいかなる人に対しても、不合理なリスクを課してはならない。
アーシングシステムに関連する人への主な危険は、心室細動につながる心臓を流れる電流である。
- 機器の保護。
接地システムは、いかなる機器にも損傷を与えることなく、期待される動作を提供しなければならない。具体的には、接地システムは、(a) 故障電流に耐えること、(b) 設置物の耐用年数の間、完全性を維持すること、(c) 故障時の過度な電圧上昇や電流の流れによる機器の損傷を回避すること、(d) システムの電磁両立性の確保に寄与すること、ができなければならないことを意味する。
- 運営上の安全。
接地システムは、信頼できる電圧基準を維持することで、運用上の安全性をサポートしなければならない。
しっかりとした接地
固体接地とは、発電機のニュートラルや変圧器などのシステム電源を、インピーダンスを介さずに直接大地に接続することである。これは、過大な故障電流を回避するための特に優れた方法である。強固に接地されたシステムの有効性は、地絡故障電流と三相故障電流を比較することで判断できる。三相故障電流に比べて地絡電流が大きければ大きいほど、システムの接地の程度が高いことを意味する。
非接地
非接地システムでは、システム電源とグラウンドの間に直接接続は一切ない。両者は容量性結合を介してのみ接続される [1]。
図7：非接地システムの回路図と位相図
図7は、非接地システムの回路図と位相図である。このシステムは、XCOとラベル付けされた3つの並列コンデンサを介して接地されているわけではない。これらは、システムが接地されている容量結合を表しています。ニュートラルと保護アースの両方が、このキャパシタンスを介して接地されています。
抵抗接地
抵抗接地システムは、システム電源が抵抗器を介してアースに接続される。抵抗器を介して電流を制限することで、故障機器の焼損や溶融の低減、回路の機械的ストレスの低減、作業員への感電の危険性の低減など、いくつかの利点があります。
抵抗接地システムは、望ましい結果に応じて、低抵抗または高抵抗にすることができる。低抵抗接地システムは、50Aから1000Aの間の漏電電流を制限するのに有効であり、高抵抗接地システムは、漏電電流が10A未満の場合に適している。
リアクタンス接地
共振接地と漏電中和器
共振接地とは、共振によってシステムのリアクタンスを除去するために、供給系統の中性点と大地の間にリアクトルを接続することである。漏電中和器は、系統の供給中性点と接地間に接続されるリアクトルである。共振接地では、リアクトルはシステムの分布容量と共振するように特別に選択または調整されるため、地絡電流はほとんど抵抗となり、大きさは小さくなる。
リアクタンス接地システムは、システムの電源ニュートラルをリアクトル（コンデンサ、インダクタ、チョークなど）を介して大地に接続する。リアクタンス接地は通常、地絡の大きさを三相故障の大きさに近い値に制限したい場合に使用される。
図9：漏電中和器を使用した共振接地システムの図
図9は、漏電中和器を使用した共振接地システムの例を示している。インダクタXLの導入は、接地への容量性結合の影響を打ち消すために使用され、その結果、地絡電流をほぼ純粋な抵抗性にしていることに注意してください。
高圧アーシング・システム・タイプの比較
高圧アースの利点と欠点を以下にまとめる：
| パラメータ | 非接地 | ソリッド | リアクタンス接地 | 漏電中和器 | 抵抗アース | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 低価原子炉 | 高価値原子炉 | 低抵抗 | 高抵抗 | ||||
| 三相電流のパーセントで表した相間地絡の電流 | 1％未満 | 異なるが、100％以上の場合もある | 通常、25％から100％を生産するように設計されている。 | 5%から25 | ほぼゼロの故障電流 | 20%以下～100Aおよび1000A | 1%未満、ただしシステム充電エレメント、3ICOを下回らないこと |
| トランジェント | 非常に高い | 過剰ではない | 過剰ではない | 過剰ではない | 過剰ではない | 過剰ではない | 過剰ではない |
| ライン・ニュートラル間負荷 | 非対応 | サポート | 現在60%以上の場合にサポート | 非対応 | 非対応 | 非対応 | 非対応 |
| サージアレスター | 非接地中性タイプ | 非接地中性タイプ | |||||
| 備考 | 過電圧と故障の非分離のため推奨されない | 一般に(1)600V以下、(2)15kV以上のシステムで使用される。 | 過電圧のため使用しない | 変圧器によって電力系統から絶縁されているほとんどの中電圧の産業用および商業用システムへの適用に最適 | 一般に2.4kVから15kVのシステムで使用され、特に大型回転機械が接続される。 | 5 kVまでのシステムで使用 | |
リスクベースのアプローチ
一般に、接地システムに関連するすべての危険を排除することは非常に困難である。リスク管理は一般的に、ハザードを排除するのではなく、統計的に許容できる程度に最小化することを含む。AS 2067 [3]のような比較的新しい規格は、接地システム設計のためのリスクに基づく計算の方法論を提供している。
タッチ・ステップ電圧の危険性とリスクベースのアプローチ
ア ー シ ン グ シ ス テ ム に 関 す る 人 が 直 面 す る 最 も 大 き な 脅 威 は 、心 臓 に 電 流 が 流 れ る こ と に よ る 心 室 細 動 の リ ス ク で あ る 。これは、人の生理学、電流が流れる時間、電流の量、電流が人の心臓サイクルを妨げるかどうかによって異なる。電流が人間の心臓に及ぼす影響と心臓／身体のインピーダンスに関する確率の詳細は、IEC 60479 [4]に記載されている。
無視できるハザードレベルを達成することはほとんど不可能である。ハザード・レベルの決定は、細動のリスクと、IEC 60479 に詳述されている確率計算の使用に関連する。
ハザードを低減できない場合は、リスクアセスメントを採用しなければならない。これには、故障の発生率や期間、現場での人の接触頻度や期間を含めるべきである。リスク軽減は、合理的に実行可能で、コストが得られる利益と著しく不釣り合いでない場合に適用されるべきである。
参考文献
[1] IEEE Std 3003.1-2019 Recommended Practice for System Grounding of Industrial and Commercial Power Systems.
[2] IEC 規格 60364-1 低電圧電気設備 - 第 1 部：基本原則，一般特性の評価，定義。
[3] AS 2067:2016 a.c. 1 kV を超える変電所及び高圧設備
[4] IEC 60479-1:2018 人及び家畜に対する電流の影響-第 1 部：一般的側面
