安全な回路設計

先に見たように、アースに安全に接続されていない電力システムは、安全性の観点から予測できません。回路内の任意のポイントとアースの間に存在する電圧の量または量を保証する方法はありません。

電源システムの電圧源の片側を接地することにより、回路内の少なくとも1つのポイントがアースと電気的に共通であることが保証されるため、感電の危険がありません。単純な2線式電力システムでは、アースに接続された導体はニュートラルと呼ばれます。 、および他の導体は hot と呼ばれます 、ライブとも呼ばれます またはアクティブ ：

電圧源と負荷に関する限り、接地はまったく違いがありません。これは、回路内の少なくとも1つのポイントが安全に接触することを保証することにより、純粋に個人の安全のために存在します（アースへの電圧がゼロ）。

感電の危険性があることから名付けられた回路の「高温」側は、電源からの適切な切断によって電圧が確保されない限り（理想的には体系的なロックアウト/タグアウト手順を使用して）、触れるのが危険です。

単純な電源回路の2つの導体間のこの危険の不均衡を理解することが重要です。次の一連の図は、一般的な家庭用配線システムに基づいています（簡単にするためにACではなくDC電圧源を使用しています）。

導電性の金属ケースが付いたトースターなどのシンプルな家庭用電化製品を見ると、正常に動作しているときに感電の危険がないことがわかります。トースターの発熱体に電力を供給するワイヤーは、ゴムまたはプラスチックによって金属ケース（および相互）に接触しないように絶縁されています。

ただし、トースター内のワイヤーの1つが誤って金属ケースに接触した場合、ケースはワイヤーと電気的に共通になり、ケースに触れることはワイヤーをむき出しに触れることと同じくらい危険です。これが衝撃の危険をもたらすかどうかは、 によって異なります。 ワイヤーが誤って触れた：

「ホット」ワイヤーがケースに接触すると、トースターのユーザーが危険にさらされます。一方、中性線がケースに接触した場合、感電の危険はありません：

前者の故障が後者よりも起こりにくいことを保証するために、エンジニアは、ケースとの高温導体の接触を最小限に抑えるような方法でアプライアンスを設計しようとします。

もちろん、理想的には、どちらかのワイヤがアプライアンスの導電性ケースに誤って接触することは望ましくありませんが、通常、一方のワイヤがもう一方のワイヤよりも偶発的に接触する可能性が低くなるように部品のレイアウトを設計する方法があります。

ただし、この予防策は、電源プラグの極性が保証できる場合にのみ有効です。プラグを逆にすることができる場合は、ケースに接触する可能性が高い導体が「高温」の導体である可能性が非常に高くなります。

このように設計されたアプライアンスには通常、「極性化された」プラグが付属しており、プラグの一方のプロングはもう一方のプロングよりもわずかに狭くなっています。電源レセプタクルもこのように設計されており、一方のスロットはもう一方のスロットよりも狭くなっています。

したがって、プラグを「後方」に挿入することはできず、アプライアンス内の導体の同一性を保証できます。これは、アプライアンスの基本機能にはまったく影響しないことに注意してください。これは、厳密にはユーザーの安全のためです。

一部のエンジニアは、アプライアンスの外側のケースを非導電性にするだけで安全性の問題に対処します。このようなアプライアンスは、二重絶縁と呼ばれます。 なぜなら、絶縁ケースは、導体自体のそれを超えた絶縁の第2層として機能するからです。アプライアンス内のワイヤーが誤ってケースに接触した場合でも、アプライアンスのユーザーに危険が及ぶことはありません。

他のエンジニアは、導電性のケースを維持することで安全性の問題に取り組んでいますが、3番目の導体を使用してそのケースを地面にしっかりと接続しています：

電源コードの3番目のプロングは、アプライアンスケースからアースへの直接電気接続を提供し、2つのポイントを互いに電気的に共通にします。それらが電気的に共通である場合、それらの間で電圧降下が発生することはありません。

少なくとも、それが機能するはずです。高温の導体が誤って金属製の電化製品のケースに接触すると、アース線を介して電圧源に直接短絡し、過電流保護装置が作動します。アプライアンスのユーザーは引き続き安全です。

これが、2極レセプタクルに取り付けるときに、電源プラグの3番目の極を決して切断しないことが非常に重要である理由です。これを行うと、ユーザーを安全に保つためにアプライアンスケースを接地する必要がなくなります。

アプライアンスは引き続き正常に機能しますが、熱線をケースに接触させる内部障害が発生した場合、致命的な結果になる可能性があります。 2ピンレセプタクルが必要の場合 使用する場合は、接地されたカバーネジに接地線を取り付けて、2〜3ピンのレセプタクルアダプタを取り付けることができます。これにより、このタイプのレセプタクルに接続している間、接地されたアプライアンスの安全性が維持されます。

ただし、電気的に安全なエンジニアリングは、必ずしも負荷で終了するわけではありません。感電に対する最終的な保護手段は、アプライアンス自体ではなく、回路の電源側に配置できます。このセーフガードは、地絡検出と呼ばれます。 、そしてそれはこのように機能します：

適切に機能しているアプライアンス（上に表示）では、電子が回路を流れる経路が1つしかないため、高温の導体を流れる電流は中性線を流れる電流と正確に等しくなるはずです。アプライアンス内部に障害がないため、回路導体とケースに触れる人との間に接続がないため、衝撃がありません。

ただし、熱線が誤って金属ケースに接触した場合、ケースに触れた人に電流が流れます。衝撃電流の存在は、差として現れます。 レセプタクルの2つの電力導体間の電流の流れ：

「ホット」導体と「ニュートラル」導体間の電流のこの違いは、アース接続に電流が流れている場合にのみ存在します。つまり、システムに障害があります。したがって、このような電流差は、検出する方法として使用できます。 障害状態。

2つの電力導体間のこの電流差を測定するようにデバイスが設定されている場合、電流の不均衡の検出を使用して切断スイッチを開くことができるため、電源が切断され、深刻なショックを防ぐことができます。

このようなデバイスは、地絡電流遮断器と呼ばれます。 、または略してGFCI。北米以外では、GFCIは、安全スイッチ、残留電流デバイス（RCD）、ミニチュアサーキットブレーカーと組み合わせた場合はRCBOまたはRCD / MCB、または漏電サーキットブレーカー（ELCB）としてさまざまに知られています。

それらは、電源レセプタクルに組み込むのに十分コンパクトです。これらのレセプタクルは、特徴的な「テスト」ボタンと「リセット」ボタンで簡単に識別できます。このアプローチを使用して安全性を確保することの大きな利点は、アプライアンスの設計に関係なく機能することです。

もちろん、GFCIレセプタクルに加えて二重絶縁または接地されたアプライアンスを使用する方がよいでしょうが、アプライアンスの設計と状態を超えて安全性を向上させるために何かができることを知って安心しています。

アーク障害回路遮断器（AFCI） 、火災を防止するように設計された回路ブレーカーは、断続的な抵抗性短絡で開くように設計されています。たとえば、通常の15 Aブレーカーは、15 A定格をはるかに超えて負荷がかかるとすぐに開回路になり、定格を少し超えてゆっくりと開くように設計されています。

これは、直接短絡と数秒の過負荷からそれぞれ保護しますが、アーク溶接と同様に、アークからは保護しません。アークは非常に変動しやすい負荷であり、70 Aを超えると繰り返しピークに達し、交流ゼロ交差で開回路になります。

平均電流は標準のブレーカーをトリップするのに十分ではありませんが、発火するには十分です。このアークは、金属を焼き尽くしてイオン化ガスの抵抗膜スパッタリングプラズマを残す金属短絡によって発生する可能性があります。

AFCIには、この断続的な抵抗性短絡を検知するための電子回路が含まれています。ホットアークからニュートラルアーク、およびホットアークからグラウンドアークの両方から保護します。 AFCIは、GFCIのように、個人的な感電の危険から保護しません。したがって、GFCIは、キッチン、バス、屋外の回路に設置する必要があります。

AFCIは、大型モーター、より一般的にはブラシ付きモーターの始動時にトリップすることが多いため、その設置は米国電気工事規程により寝室回路に限定されています。 AFCIを使用すると、電気火災の数を減らすことができます。ただし、AFCI回路でモーターを搭載したアプライアンスを実行する場合の妨害トリップは問題です。

レビュー：

• 電力システムでは、多くの場合、その時点での安全性を確保するために、電圧源の片側がアースに接続されています。
• 電力システムの「接地された」導体は、ニュートラルと呼ばれます。 接地されていない導体はホットと呼ばれます。 。
• 電力システムの接地は、負荷の操作ではなく、個人の安全のために存在します。
• アプライアンスまたはその他の負荷の電気的安全性は、優れたエンジニアリングによって改善できます。極性プラグ、二重絶縁、および3極「接地」プラグは、負荷側で安全性を最大化できるすべての方法です。
• 地絡電流遮断器 （GFCI）は、負荷に電力を供給する2つの導体間の電流の差を検出することによって機能します。電流にまったく違いはないはずです。違いがあるということは、電流が2つの主導体以外の手段で負荷に出入りする必要があることを意味しますが、これは良くありません。大きな電流差があると、切断スイッチメカニズムが自動的に開き、電源が完全に遮断されます。

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