接地が難しすぎて全然わかりません
接地は深く理解しようとすると沼にはまるからね。 いいよ、俺が教えてやるよ
ここでは、高圧受電の施設を対象に接地の基本的な仕組みから、A種、B種、D種接地の電流の流れる経路、接地線の太さの求め方、単独接地、統合接地などをわかりやすく解説する。
接地の種類は？ しくみは？
まずは、基礎的な事項として、D種、C種、B種、A種接地とはなにか、どういう仕組みなのかについて解説する。
D種接地は300V以下の機器の金属製外箱に施す接地である。洗濯機を例に考えてみると、洗濯機の接地線を接地端子付きのコンセントに接続することで、洗濯機が漏電した場合、漏洩電流が洗濯機の金属製フレームを通り、接地線を経由して地面に流れるという仕組みになっている。
あくまでイメージ図となるが、低圧の負荷で漏電したら、漏洩電流はD種接地極に向かい流れ、その電流は、B種接地極(詳細は後述)を通り、また同じ位置に戻ってくるという閉回路が形成される。
この場合、D種接地がなければ、人が触ったときに、人を通って、地面に電流が流れ、同じようにB種接地を通り、元の位置に戻って来るという回路が形成され感電してしまう。
D種接地があれば、仮に人が触っていたとしても、人間よりも抵抗の低いD種接地線側に多くの漏洩電流が流れる。(機器から地面までの漏洩電流のルートおいて、人が触れていた場合、人間と接地線の並列回路になっており、人間と接地線なら圧倒的に接地線のほうが抵抗が低いのでそちらに多くの漏洩電流が流れる)
そのため、感電させずに、安全なルートで地面に流すために、D種接地が必要となる。
なお、低圧負荷が300Vを超える場合は、C種接地となる。D種接地とC種接地の違いは求められる接地抵抗の違いであり、C種接地のほうが、安全のためより低い接地抵抗が求められている。
え、接地って地面に流れたら、そのまま地面の中で分流されて終わりじゃないんですか？
違う違う！ それじゃ閉回路となってないよ！ 回路になってないと電流が流れないのは電気回路の基礎だよ！
よくある勘違いとしてアースに流れた電流は地面に流れて分散されて終わりというものがあるが電流は閉回路が形成されてはじめて流れる。
行って戻ってくるルートが確立されてなければ、回路として成立していないのでそもそも接地線に電流が流れていかない。
よって、この電流が流れなくなるには、漏電の原因が解消されるか、もしくは漏電遮断器によって電流を遮断するかのどちらかになる。
配線用遮断器しか設置していない場合は、原因を取り除かない限りは、接地線にずっと漏洩電流が流れ続けていることになる。
続いてB種接地についてだが、B種接地は、変圧器の低圧側に施し、高圧と低圧が混触した際に、電位上昇による低圧機器の絶縁破壊や感電を防止するために設けるものとなる。
過去には、B種接地がないために、低圧側の電線を触った際に、変圧器の高圧と低圧が混触しており、感電してしまったという事故も起きている。
高圧と低圧が混触した際の電流の経路としては、変圧器→B種接地→地面→電力会社配電線→変圧器
という流れで、閉回路が構成されている。
地面→電力会社配電線にどうやって電流が流れるかと言えば、これは対地静電容量によるものであり、A種接地の説明のところで後述する。
また、B種接地は、先程のD種接地からの漏洩電流の通り道にもなる。
高圧低圧で混触した際の安全のためにB種接地が必要となり、B種接地があることで、漏電した機器に人が触るとB種接地との回路が形成され、人体に電流が流れ危険なので、D種接地も必要となるということになる。
なおD種接地は機器接地、B種接地は系統接地とも言われる。D種は電路を直接接地するのではなく、機器の外箱に施す接地であり、B種は電路に直接施す接地だからである。
コンセントで電源側、接地側というが、この接地側というのは、系統接地であるB種接地が施されている側の極のことを指しており、コンセントの接地極や接地端子は機器接地であるD種接地のことをさしている。
A種接地については、高圧機器の金属製外箱の接地となる。
漏電時の回路は変圧器→B種接地→地面→電力会社の配電線→変圧器となっている。
地面→電力会社配電線の間は、先ほどのB種接地と同じように、対地静電容量である。
詳細を説明すると、電力会社の高圧配電線は非接地方式を採用してるため、A種接地の閉回路は、電力会社の高圧線や他の需要家の高圧ケーブルによる対地静電容量による閉回路になる。
つまり、A種接地の地絡電流の流れる先は、地面であるが、その後、高圧線との対地静電容量により、漏洩電流はもとの場所に戻ってくることになる。
え、いくら対地静電容量とはいえ、地面と高圧線の間に電流が流れたら絶縁破壊になりませんか？
厳密に説明すると、交流電流の場合、電流の向きが周期的に変わるから、その周期が速ければ速いほど、コンデンサの絶縁体の中を電流が流れているとみなすことができるんだよ。
ここまで、地面に電流が流れるという話をしてきたが、地面は電流が簡単に流れるほど抵抗値が低いものなのかと疑問に思われる方もいるかもしれない。
確かに、土壌は、完全に乾燥していればほとんど電気を通さない絶縁体である。水を含むと急激に抵抗は低下するとはいえ、それでも電線と比べるとかなり導電性は悪いものとなる。
ここで、抵抗値の計算式をみてみる。
R=ρL/S［Ω］
(R：電気抵抗［Ω］ ρ：導体の抵抗率［Ω・ｍ］ L：導体の長さ［m］ S：導体の断面積［㎡］)
この式によると、抵抗は断面積が大きいほど低くなるということになる。
ケーブルでも同様で、ケーブルの断面積が大きいほど電流は流れやすくなる。
地面は断面積がほぼ∞と言えるため、それを考慮すると、実質抵抗値は0となる。
とはいえ、接地極から離れると断面積はほぼ∞と考えられるが、接地極付近では、断面積のさほど大きくない接地極から電流が流れていくため、電流の経路としての断面積は接地極付近では大きいとは言えない。
地面は抵抗0であるが、接地極付近では0ではない。
これがいわゆる接地抵抗となる。
つまり接地抵抗は接地極の周りで発生してるものであり、接地極から離れるにつれてゼロに近くなるということになる。
なお、接地抵抗は、接地極の導体の抵抗、地面との接触抵抗、接地極周囲の地面の抵抗から構成される。
接地抵抗については、季節によって変動することも考慮する必要がある。例えば夏に測定して問題なくても竣工検査時の冬に測定すると規定値を超えているという例があったりする。
それは夏と冬では大地抵抗値が変わるからである。
冬は寒いため、地面の水分も凍りつき、絶縁性が高くなるので、接地抵抗が高くなる傾向になる。
特に浅い場所に埋設した場合は要注意であり、冬に抵抗値が上昇することを見越し、ギリギリの抵抗値とするのは避けるべきである。
接地が必要な根拠は？
省令では第11条に「電気設備に接地を施す場合は、電流が安全かつ確実に大地に通ずることができるようにしなければならない」と定められている。
その解釈として、電技解釈17条に接地の種類や抵抗値など具体的なことが記載されている。
ここから先は、内線規程を参考に、接地が必要な根拠を見ていく。
内線規程1350-2によると、
「電路に施設する機械器具の金属製の台及び外箱には、使用電圧の区分に応じ、下記の表に規定する接地工事を施すこと」
となっている。
省略できる場合としては、「交流の対地電圧が150V以下の機械器具を乾燥した場所に施設する場合」となっている。
つまり、対地電圧が150V以下ということなので、単相3線式100/200V回路で供給する機械器具を乾燥する場所に施設する場合は、接地の省略ができるということになる。(単相3線式の回路は、200V回路もとれるが、対地電圧としては100Vとなる。)
よって、実質、単相なら乾燥している限りは接地は省略可となる。
簡単に言えば、単相は乾燥しているところなら(水気のない屋内の部屋なら)接地の省略可能 三相は接地必須となる。
現実的には非住宅案件では、単相回路であっても、乾燥、非乾燥関わらず接地を行うのが一般的である。
各接地極で求められている抵抗値は下記のとおりである。
実際の施工としては、各負荷ごとに接地極を打つのではなく、接地線は、各負荷から、分電盤・動力盤内の接地端子に集約し、そこからさらに、各分電盤・動力盤からの接地幹線を主接地端子盤に集約し、そこで、まとめて接地を行うというパターンが多い。
下記のイラストは接地端子盤がキュービクルの中にあり、そこで集約して接地をしている例である。
上記のイラストを参考に
①分岐回路
②幹線
③受変電設備内、接地端子盤
に分けて接地の設計について解説していく。
接地設計(分岐回路)
分岐回路において接地の対象となる主なものは以下のとおりである。
(1)LED照明器具
内線規定3218-10では、「LED照明器具の金属製部分にはLED制御装置をLED照明器具の外部に施設する場合を除き接地工事を施すこと」となっており、省略できる例として、「LED制御装置とLED照明器具との間の回路の対地電圧が150V以下のものを乾燥した場所に施設する場合」があげられている。
LED照明は、単相3線式100/200V回路で使用するため、対地電圧は100Vとなるので、乾燥した場所に設置する限りは、接地の省略が可能ということになる。(照明器具を200V回路で使用した場合でも対地電圧は100Vである点に注意)
しかし、いくら省略が可能とはいえ、住宅を除き、通常は接地を施す。
というのも、LED照明については、一部の機器を除いて基本的には、メーカーの取付説明書などに、アースを施すよう記載がある事が多いからである。
メーカーによるとLEDの特徴として、従来の器具より漏洩電流が高い傾向にあるため、安全性を高める必要があり、接地するようお願いしてるとのことで、これは非常照明も同様となる。
メーカーHPでも「LED照明は、蛍光灯など従来の照明と比べて漏洩電流が高くなる傾向がありますので、漏電遮断機（漏電ブレーカー）や漏電警報装置の感度電流の設定に注意が必要」との記載がある。
なお、新築では上記のとおりだが、既存改修等で蛍光灯器具からLEDへの器具のみの更新の際は接地線まで新たに敷設するのは大変であるため、LEDを接地なしで使用することも現実的には多い。
また誘導灯については、湿気の多い場所、水気のある場所で使用するものを除き、通常は接地を省略する。(アース端子もないことが多い)
誘導灯は漏洩電流の観点で見ると、一般のLED照明よりも安全性が高いため、内線規程通り接地の省略が可能となる。
(2)コンセント
内線規程3202-3より接地極付きコンセントを使用することもなっている箇所を抜粋する。
①電気洗濯機用コンセント
②電気衣類乾燥機用コンセント
③電子レンジ用コンセント
④電気冷蔵庫用コンセント
⑤電気食器洗い機用コンセント
⑥電気冷暖房機用コンセント
⑦温水洗浄便座用コンセント
⑧電気温水器用コンセント
⑨自動販売機用コンセント
⑩200V用コンセント
⑪雨線外に施設するコンセント
⑫台所、厨房、洗面所及び便所に施設するコンセント
⑬病院、診療所等において、医療用電気機械器具を使用する部屋に施設するコンセント
※接地極付きコンセントは接地端子を備えることが望ましい。
実際には住宅を除き、一般的な施設ではほぼすべてのコンセントを接地極付きとして設置する場合が多いが、明らかに接地極がないような機器を接続する用途のコンセントは接地極なしのものとすることもある。
公共工事の場合は、建築設備設計基準にて、設置場所により接地極付きもしくは接地端子付きにするよう記載がある。
(3)電線管
ケーブルの保護管として金属管を使用する場合、内線規程3165-8にて、使用電圧が300V以下の場合の金属管、ラックなどの金属製部分、金属製の電線接続箱にはD種接地工事を施すことと記載されている。
省略できる場合としては、対地電圧が150V以下の場合において、乾燥した場所に施設し、長さが8以下の場合または、簡易接触防止措置を施した場合、あとは対地電圧が150Vを超える場合であっても長さ4m以下で乾燥した場所に施設する場合など省略可能となっている。
(簡単にまとめると、単相は乾燥してて8m以下なら接地不要、三相は乾燥してて4m以下なら接地不要 もしくは接触防護措置をすれば接地不要)
なお合成樹脂管においては、素材が金属ではなく合成樹脂なので、接地は不要となる。
(4)ケーブルラックの接地
電線管同様に、ケーブルラックについても接地が必要となる。
ラックとラックの接続については、メーカーの仕様どおりにボルトで接続すれば電気的接続がされることになるが、上下自在継ぎ部、水平自在継ぎ部、伸縮自在継ぎ部、口径違い部の場合はノンボンドタイプを除き、接地線により電気的接続を行う必要が生じる。
漏電遮断器について
漏電遮断器は、接地をすることで正常に動作する遮断器となる。
一般的な施設例としては、対地電圧150V以下の場合には、水気のある場所、150V以上300V以下の場合には、湿気の多い場所及び水気のある場所となる。
なお、配線用遮断器では、漏洩電流(地絡電流)は遮断できない。そのため、配線用遮断器の回路では、漏電が起きても、遮断器は動作せずに漏電は継続される。
配線用遮断器の場合、漏洩電流が短絡電流くらいの大きさの場合のみ動作する形になる。
漏電遮断器の内部構成は、配線用遮断器＋漏電リレー＋ZCTという組み合わせになっている。
電源線の行きと帰りの電流値の差により漏電を判断している。
例えば行きに5A流れたとしたら、戻りの相も5Aになるはずである。
しかし、例えば1Aほど漏電した場合、行きには5A流れていても、接地線に1A流れるため、戻りの相には4Aしか流れないことになる。
そして、この1Aと4Aが合流し、5Aとなり、また行きに流れるという構図になっている。
電源線の行きと帰りの電流値が同じ場合、周囲にできる磁界はお互いに打ち消し合い0となるか、2線で差がある場合、その差に応じて磁界が発生し、ZCTの円形の鉄心に磁束が誘導される。その磁束は、交流のため、常に変化するので、鉄心に巻かれたコイルに、電磁誘導により、誘導起電力が生じる。
よって、ZCTの2次側に誘導電流が流れ、二次側に接続されている漏電リレーが動作し、遮断器が動作する。
つまり、漏電遮断器は、接地をすることで、初めて正常に動作する。
接地がない場合、人が触れて、漏洩電流が流れることで、漏電遮断器は動作するが、一瞬、人体に漏洩電流が流れることになる。
分岐回路の接地線の太さの算出
建築設備設計基準より、C種接地又はD種接地線の太さは下記のとおりである。
例えば、一般的に分岐回路は20Aのブレーカーを使用するので、照明やコンセントなどの回路は、1.6mm以上の接地線を使うと覚えておくと良い。
接地線は、一般的にIV線(EM-IE線)を使用するが、
単相分岐回路においては、VVF(EM-EEF)の3Cを使用し、うち2Cを電源供給、1Cを接地線する場合も多い。
動力設備の制御盤分岐回路の場合は建築設備設計基準より以下のようになる。
内線規程資料1-3-6より、次の計算式にて算出する方法もある。
A＝0.052 In
(A＝銅線の断面積 In＝過電流遮断器の定格電流)
例えば、20Aの分岐ブレーカーを使用していた場合、0.052×20＝1.04
となり、これを満たすのは接地線の太さは1.6mmとなるので、建築設備設計基準の表と一致する。
接地設計(幹線)
建築設備設計基準より、幹線の接地については下記のようになる。
内線規程資料1-3-6より、次の計算式にて算出する方法もある。
A＝0.052 In
(A＝銅線の断面積 In＝過電流遮断器の定格電流)
例えば幹線保護用遮断器の定格電流が400Aなら、0.052×400＝20.8
となり、これを満たす接地線の太さは22sqなので、建築設備設計基準の表と一致する。
※公称断面積は導体の断面積で通常sq(スケア)で表さる。導体の断面積である点に注意で、絶縁体やシースは含まれていない。
なので、CV 100sq-1Cというケーブルがあったとしたら、ケーブルの断面積が100mm2なのではなく、導体(銅線)の断面積が100mm2ということになる。
接地設計(受変電設備、接地端子盤)
受変電設備内にも接地が必要な機器がある。
高圧側では、高圧ケーブルのシールド線、避雷器、VCB、VTの一次側、CTの一次側、変圧器の一次側などである。
これらにA種接地を施す。
低圧側についても、受電盤のVTやCTの２次側、
低圧側で使われるMCCBについては外箱が絶縁体(プラスチック)となっているので、接地は不要である。
A種接地線の太さについては、電技解釈上、5.5sq以上と定められているが、一般的に100sqにする場合が多い。
高圧ケーブルについては、低圧ケーブルと違い、遮蔽層(銅遮蔽テープ)があるため、シースアースを施す必要がある。
シースアースの詳細は下記の記事で詳しく解説している。
B種接地は、先述した通り、変圧器の低圧側に施し、高圧と低圧が混触した際に、電位上昇による低圧機器の絶縁破壊や感電を防止するために設けるものとなる。
また、D種接地からの漏洩電流の通り道にもなる。
B種接地の接地線の太さはも建築設備設計基準の表により選定ができるが、ここでは記載を省略する。
接地抵抗については、150/Ig以下となっており、Igは変圧器一次側の電路の1線地絡電流となっており、送配電事業者に確認する必要がある。
参考として、電技解釈17条では、6.6kV配電系統の架空線の場合、線路延長125km以下で75Ωとなる。
150というのは電圧値である。つまり地絡電流が流れたときでも、安全のため対地電圧を150Vまでに抑えたいという意図であり、150/Igという式は、地絡電流が流れたときに接触電圧が150V以下となるような接地抵抗値を求める式である。
接地極、接地工法について
接地極については、接地抵抗値の低いほうの接地工事で他の接地工事を兼用することができるため、
A、C、D種の接地極は共用とすることも多い。
漏電遮断器用のD種(Edelb)については、単独の場合、通常のD種と同じ100Ω以下でよいが、共用すると2Ω以下にしないといけないという規定があるため、2Ω以下の接地抵抗値を確保するのは、構造体利用でない限り困難なため、漏電遮断器用のD種については単独にする場合も多い。
そのような規定がある理由としては、漏電遮断器用のD種(Edelb)を単独にしないと以下のような問題が発生するからである。
ELCBがない負荷から漏電した場合に、そのまま接地極まですべての漏洩電流が流れるのではなく、一部、分流し、ELCBのある負荷を触っている人にも感電をしてしまう可能性があるからである。
この経路は、負荷Bの金属製フレームを伝わって人に感電し、人を経由し地面に流れる経路となっているので、負荷Bの電源線に電流が流れていない以上、負荷Bの電源回路に漏電遮断器が設置されていたとしても、漏電遮断器は動作しないことになる。
接地抵抗が低ければ、接地極側により多くの電流が流れるため、この限りではない。
そのため、もし共用する場合は、2Ωという低い抵抗値が求められている。
また、D種の中でもインバーター機器などノイズの発生源となる機器の接地は単独とすることが推奨されている。
B種接地については、ほとんどの場合、単独で設計されることが多い。
理由としては、負荷側で漏電した際に、D種からB種に向かって漏電電流が流れる回路が形成されるが、D種とB種を地面を介さずに共用してしまうと、漏電電流は接地抵抗の影響を受けないため、短絡電流に近い大きな地絡電流が流れてしまうからである。そのためもし共用するなら、抵抗器を入れるなどの検討が必要となる。
機能用の接地がある場合は、機能用の接地も単独とする必要がある。
接地極の形態としては、主に接地棒、接地銅板、メッシュなどがあり、接地棒がよく使われる。
接地銅板は、接地棒よりも接触面積が広く接地抵抗が出やすいが、接地抵抗の出づらいときは接地棒を連結するやり方でも対応可能である。
メッシュ接地は浅いところでも他の接地極に比べると接触面積が大きいので、接地抵抗は出やすい。一般の建築物よりは、発電所や変電所など地絡電流が大きなところに使われる傾向にある
接地極の埋設深さはA種、B種接地は地下75cm以上の深さに埋設する必要がある。
C.D種については、特に法的には定められていないが、公共建築標準仕様書では、C.D種も含めて地下75センチ以上の深さとなっているので、C種.D種も地下75センチ以上の深さとするのが一般的である。
接地極間の離隔については、避雷針の接地極とは2m離すよう内線規程に記載がある。
A種、B種、C種、D種の各極の離隔距離の規定はないが、一般的には2m-5mくらい離す人が多い。
なお、接地極は構造体利用も可能である。
建物のコンクリート基礎は抵抗値が高いようにも思えるが、断面積が大きく、かつ地中に埋まっていることからコンクリートも湿潤状態であるため、むしろ単極の接地極よりも効果が高いと言われている。
また、接地極は腐食により接地抵抗が上昇することもあるが、構造体利用の場合、接地極の寿命はほぼ建物の寿命とイコールであるため、耐用年数としても単極の接地極より有用である。
接地抵抗は2Ω以下(D種の場合は100Ω以下)とする必要があるが、構造体の基礎の抵抗値を測定するのは大変なため(電圧降下法という物を使う必要があり高額な費用のほか測定の際に、かなり遠方に測定用補助極を埋設する必要があり、場合によっては道路占有許可なども必要になる)、書類上の計算( 電技解釈第 18 条第1項第四号の規定に記載のあるJIS T 1022：2018「病院電気設備の安全基準」の「附属書（参考）建築構造体の接地抵抗の計算」を準用)により接地抵抗値を求めることが多い。
なお、関東地方では構造体利用での抵抗値が2Ωを超えることはまずないと思われるが、全国的に見ると、レアケースではあるが、全く無いとはいえない。
なお、構造体基礎を避雷設備用の接地極として使う場合は、接地抵抗の規定はない。
先程、B種やインバーター機器などのノイズ源となるD種、機能用接地は共用(統合)しないほうが良いと述べたが、雷対策の観点では、すべて統合することが理想である。
建物に落雷した際に、接地間の電位差が生じ、逆流雷が発生するからである。
統合接地により接地極間の電位差は解消できるが、接地極自体の電位上昇がなくなったわけではない。
統合されたことにより、本来関係のなかった接地も含めて、全体として電位が上昇することになる。その上昇は接地抵抗が高いほど大きくなる。そのため統合接地の接地抵抗が高ければ、それに繋がっている機器が高電位になり、機器と大地間で部分放電が発生する可能性があるため、統合すれば機器は完全に守られるというわけではない。
逆に個別接地については、接地極間の離隔が適切に取れていれば、該当する接地極の電位上昇のみ生じ、他の接地極に影響しないというメリットがある。
とはいえ、狭い土地で接地極間の離隔を適切にとるのは難しいことが多いので、通常時は単独接地、落雷時については統合接地という考えがよく採用される。
それらを踏まえ設計すると下記のようになる。
通常時は、単独接地になっているが接地極間にSPDがついているため、落雷時など、接地極間に電位差が発生すると、SPDが短絡し、各接地極間が統合されるという構成になっている。
これにより、落雷時のみ統合するということが可能となり、単独接地が必要な機器への対応も満たせ、落雷時の接地極間の電位差への対応も満たせるようになっている。