故障ループインピーダンスとは？

感電防止のひとつの手法

本稿は、規格 IEC/EN 60204-1の文脈で故障ループインピーダンスを説明していますが、私見を含んでいます。 あくまで参考情報として扱う必要があります。利用者あるいは第３者に損害やトラブルが発生しても、当社は損害賠償その他一切の責任を負いません。 本稿が参照している法律、規則、指令等の原文、最新情報を必ず参照し、個社・個人の責任においてご判断ください。本稿は、個別の事案に対する理解の一助となることを考慮して作成されたものです。決定的な解釈・判断は、欧州連合の裁判所のみが可能です。

本稿は、低電圧に関してのみ扱っており、中高圧（送電線や変電所等）は扱っていません。

本稿は、分岐回路での保護について、その際の主幹保護器との協調、トランスが介在する場合などに言及していません。

ITシステムについては、採用されているケースが少ないため、本稿では割愛しています。

この記事おいて、故障ループインピーダンス（Fault Loop Impedance）は、規格 IEC/EN 60204-1の感電防護方策のひとつとして自動電源遮断が説明される、そのなかでの概念です。

感電リスクがそもそも存在しないならば不要です。

電源遮断については、感電防護とは別に、負荷短絡や過負荷発生時に電源と負荷を切り離すことによって、当該のリスクを低減しようとする場合に（普通は必要）電源遮断方策を適切に設けなければなりません。（自動遮断器とは限らない。）

規格書に記載の電源自動遮断の要件を達成していれば、一応は感電防護リスクは低減されますが、それで良いかどうかはよく考慮する必要があります。

感電リスクがない、あるいは他のリスク低減手段によって感電防護を確実に達成しているならば、感電防護目的の電源自動遮断は必要ありません。

安全は、『シンプルイズベスト』であり、３ステップメソッドにもとづいて、適切にリスクが低減されなければなりません。

感電リスク低減のための感電防護方策として、（絶縁）故障時の電源自動遮断が合理的であると設計判断し、そのための遮断器を設ける場合、いざというときにその遮断器が確実に遮断動作するように設計しなければなりません。

自動遮断のためには、通常状態と絶縁故障状態とを明確に峻別するためのパラメーターが必要です。通常これは電流です。すなわち、故障電流が通常電流に比べて明確に過大な電流が流れることによって故障状態と判定し、遮断器が作動するようにします。

遮断器の作動は、絶縁故障発生時に故障電流が流れる部分・箇所ついて、

この電圧と時間の要件を満たす範囲内で遮断が作動しなければ意味がありません。

この要件がどの程度のものか、規格 IEC/EN 60204-1 は基準を示しており、参考にすることができます。

上記で触れたような、通常電流と異常電流を明確に峻別できないような用途（例：一部の電気溶接機）では、感電防護として過電流遮断器を用いることは難しい場合があります。

過電流保護器を所定の時間内に遮断動作させるためは、遮断動作電流の数倍以上の故障電流が継続して流れる必要があります。遮断時間ー電流特性の確実に動作する領域で使用する、そのような特性の過電流保護器を選定する必要があります。

もちろん、遮断デバイスの設置条件、使用上の注意等が遵守されていなければ、その遮断器は確実に動作するとはみなされません。

また、”遮断された状態”が確実に遮断といえるものか、デバイス自身の耐電圧、難燃性、耐環境性能、機械的強度、表示、そして必要な情報がユーザーに提供されているか、等々、様々な観点から適切なデバイスでなければならず、安全規格認証されたモデルを選び、使用条件、使用上の注意を逸脱することなく使用するのが通常です。

デバイスの仕様、取扱説明書、アプリケーションノート等、隅々まで目を通すこと。

適切な遮断機器を選択するためには、絶縁故障時にどれほどの故障電流が流れるか、明確に想定されている必要があります。

想定する絶縁故障箇所に流れる電流について、その電源から絶縁故障箇所を経由し、また電源に還っていく経路をたどります。この経路は、多くの場合、保護アースや大地を含む（あるいは含まない）ループを形成します。

このループ（青矢印または緑矢印）経路を流れる電流が、故障（ループ）電流です。
このループ上のインピーダンスが、故障ループインピーダンスです。
故障（ループ）電流は、電源電圧（対地電圧）を故障ループインピーダンスで除算することによって求められます。

故障ループインピーダンス (Fault Loop Impedance) を理解するためには、この記事でこれまで述べられてきた概念を理解しておく必要があります。

自動電源遮断による感電防護において、それが適切に作動するよう、遮断デバイスを選別する、あるいは検証しようとするとき、故障電流を適切に推定する必要があります。

遮断が確実に作動することを考慮します。故障電流が想定より少ない場合は遮断動作しませんので、故障電流が最も少なくなる状況を想定し、それもで十分に遮断動作するような、可能な限り少ない故障電流で遮断動作する遮断特性をもつデバイスを選択します。

上述の観点から、

このような値を基に、故障電流が最も少なくなる状況での故障電流を求めます。

　故障電流が想定より少ない ➡ 遮断動作せず　

故障電流が流れる経路に沿って、各要素のインピーダンスを見積もります。

電線の抵抗値は、そのカタログ値から線径と長さを基に計算できます。その他、インピーダンスが大きい要素については考慮に含める必要があります。

個別具体的な故障ループインピーダンスの推定についてはコンサルティングにて

故障ループインピーダンスには、装置内にない要素も含まれます。すなわち、【ソースインピーダンス】（電源～装置への接続点、装置の保護アース端子～電源のアース、など）です。

従って、電源自動遮断を確実に動作させるために、以下の対応が必要になります。

このことに関する具体的な例として、規格 IEC/EN 60204-1 Annex B.4があります。

このAnnex Bは、ユーザーとメーカー間の仕様決定、リスクアセスメントの前提条件、制限事項の決定に活用することをお勧めします。

ソースインピーダンス、電線の抵抗値、その他故障ループ上の要素を全て合算して故障ループインピーダンスを求めます。

自動電源遮断による感電防護方策を採用するとして、その実際の回路が、所定の時間内に絶縁故障によって発生する危険電圧の電源遮断が作動するよう設計・検証する必要があります。

絶縁故障時に流れる故障電流に対し、遮断デバイスの遮断特性は十分に小さいものでなければなりません。最も不利な条件でも確実に遮断動作するよう設計する必要があります。

規格 IEC/EN 60204-1 には、上記について参考になる技術仕様が記載されています。しかし、規格書の記述は、そこだけを見ると誤った理解をする可能性が高く、関連する事項を慎重に読み、理解することをお勧めします。

感電防護のために、過電流保護器や漏電遮断器を用いる際の技術仕様が規格IEC/EN 60204-1 に記載されています。故障ループインピーダンスあるいは接地抵抗、いずれも、装置側だけでは決定できない要素を含んでいます。

装置側だけでは決定できない要素があるとき、遮断器が確実に遮断動作するための条件付けをする必要があります。規格 IEC/EN 60204-1 Annex B は、ソースインピーダンスを含む電源仕様決定の一助とすることができます。

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2024-01-27

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