地絡保護と地絡電流の計算｜漏電遮断器・地絡継電器と対地静電容量を図解

電線の絶縁が破れて、電流が大地へ漏れる事故が地絡です。地絡は感電や火災のもとになるので、漏れた電流を見つけて自動で電路を切るしくみが欠かせません。低圧の漏電遮断器と高圧の地絡継電器に分けて、施設の決まりと地絡電流の計算を整理します。

• 地絡保護とは
  • 地絡で漏れた電流を検出し、電路を自動で遮断して感電・火災・機器の損傷を防ぐ
• 地絡電流の流れ
  • 電流は外箱、D種接地、大地、B種接地を通って電源へ戻る
• 漏電遮断器と施設場所
  • 行きと帰りの電流の差を見る。電技解釈 第36条が施設する電路を定める
• 高圧の地絡電流
  • 非接地系の1線地絡電流は、対地静電容量で決まる Ig = 3ωCE
• 不要動作と DGR
  • 外部の地絡で GR が動作しないよう、DGR は零相電圧との位相で見分ける

地絡保護とは？漏れた電流を見つけて切るしくみ

電技 第15条は、地絡が生じた場合に、電線や電気機械器具の損傷、感電、火災のおそれがないよう、地絡遮断器の施設その他の適切な措置を講じると定めています。この措置の中心になるのが地絡保護です。

地絡保護とは、地絡で大地へ漏れた電流を検出し、自動的に電路を遮断して、感電・火災・機器の損傷を防ぐことです。低圧の電路では漏電遮断器、高圧の電路では地絡継電器（GR）と遮断器の組み合わせで行います。

地絡が起きる原因は、電線の絶縁の劣化や損傷、水の浸入など、さまざまです。どの電路に、どの装置を施設するかは、電技解釈 第36条が定めています。

1大きな遮断器2白い遮断器3小さな遮断器4小さな遮断器5ケーブル

1. 大きな遮断器　左にある、黒く大きな器具
2. 白い遮断器　中央にある、白い器具
3. 小さな遮断器　右の上段に並ぶ器具
4. 小さな遮断器　右の下段に並ぶ器具
5. ケーブル　上から入る、黒と赤の電線

地絡で電流は大地へ漏れる

電気機器の内部で、電圧側の電線が金属製の外箱に触れた場合を見ます。外箱が接地されていると、地絡電流は外箱から D種接地工事（機器側の接地）を通って大地へ流れます。大地を通った電流は、変圧器の低圧側の接地（B種接地工事）から電源へ戻ります。

このとき、人が外箱に触れると、外箱の電圧が人にかかります。外箱の電圧は、地絡電流が D種接地抵抗 $R_{\mathrm{D}}$ を流れて生じる電圧で、$R_{\mathrm{D}}$ が小さいほど低くなります。計算の手順は 接地工事の種類 で扱います。

接地だけでは、地絡電流が流れ続けます。電流を検出して電路を切る装置を組み合わせて、危険を取り除きます。

1取っ手2脚3緑の線4基礎

1. 取っ手　箱の扉に付いている、金属の取っ手
2. 脚　箱を支える、金属の脚
3. 緑の線　基礎へ降りる、緑色の電線
4. 基礎　箱を載せる、コンクリートの土台

漏電遮断器は行きと帰りの電流の差を見る

漏電遮断器は、零相変流器（ZCT）に行きの電流と帰りの電流を通して、その差を見ます。正常なときは行きと帰りが等しく、ZCT の鉄心の磁束が打ち消し合うので、何も検出しません。地絡が起きると、大地へ漏れた電流 $I_{\mathrm{g}}$ の分だけ帰りの電流が減り、差が $I_{\mathrm{g}}$ になります。差が定められた値を超えると、遮断器を引き外します。

$$\begin{gathered} I_{\mathrm{g}} = I_{\text{行き}} - I_{\text{帰り}} \end{gathered}$$

漏電遮断器は、接地工事の省略にも関わります。電技解釈 第29条 第2項は、水気のある場所以外の低圧用の機械器具に電気を供給する電路に、電気用品安全法の適用を受ける漏電遮断器（定格感度電流 15 mA 以下、動作時間 0.1 秒以下の電流動作型）を施設する場合に、金属製外箱等の接地を省略できると定めています。詳しくは 接地工事の種類 で扱います。

地絡遮断装置を施設する場所（電技解釈 第36条）

電技解釈 第36条は、自動的に電路を遮断する装置（地絡遮断装置）を施設する電路を、次の表のとおり定めています。

項	対象の電路	例外の例
第1項	金属製外箱の低圧機械器具（60 V 超）に接続する電路	乾燥した場所
第3項	高圧側と結合された 300 V 超の低圧電路	発電所・変電所等
第4項	36-1表の箇所の高圧・特別高圧の電路	電源側で遮断する場合

第4項の 36-1表の箇所は、発電所・蓄電所・変電所等の引出口、他の者から供給を受ける受電点（負荷側の電路）、配電用変圧器（単巻変圧器を除く）の施設箇所です。需要家の受電設備では、受電点の負荷側の高圧の電路が、この対象になります。

第5項は、非常用照明装置、非常用昇降機、誘導灯、鉄道用信号装置などへ電気を供給する電路について、地絡を生じたときに技術員駐在所へ警報する装置を施設すれば、第1項・第3項・第4項の装置を施設しなくてよいと定めています。停止すると公共の安全に支障が出るおそれがあるので、電路を切る代わりに知らせる扱いです。

1防水カバー2水栓3外壁4柱

1. 防水カバー　コンセントを覆う、ふた
2. 水栓　水を出す金具
3. 外壁　コンセントを付ける壁
4. 柱　壁の右側にある、縦の部材

高圧の1線地絡電流は対地静電容量で決まる

中性点を接地しない（非接地）系統の高圧配電線で1線が地絡すると、地絡電流は、健全な2線の対地静電容量を通って流れる充電電流になります。地絡抵抗が 0 の完全地絡のとき、1線地絡電流は次の式で表されます。

$$\begin{gathered} I_{\mathrm{g}} = 3\omega C E \\ \omega = 2\pi f \end{gathered}$$

$E$ は相電圧 $\mathrm{[V]}$（線間電圧 $V$ の $1/\sqrt{3}$）、$C$ は1線あたりの対地静電容量 $\mathrm{[F]}$、$f$ は周波数 $\mathrm{[Hz]}$ です。$1\ \mathrm{\mu F} = 10^{-6}\ \mathrm{F}$ として換算します。

地絡した相の対地静電容量は短絡され、健全な2相の対地静電容量に線間電圧 $V = \sqrt{3}\,E$ が加わります。それぞれに $\sqrt{3}\,\omega C E$ の電流が流れ、2本の電流を位相を考えて足す（ベクトル和）と $3\omega C E$ になります。

接地方式による地絡電流の違いは 中性点接地方式 で確かめられます。

1端子2端末3バンド4ケーブル

1. 端子　上に付いている、銅色の金具
2. 端末　黒く太くなっている部分
3. バンド　端末の下側に巻かれた金具
4. ケーブル　下へ伸びる、黒い電線

外部の地絡で起こる地絡継電器の不要動作と DGR

地絡継電器（GR）は、零相変流器（ZCT）が検出した零相電流が整定値以上になると動作します。ZCT は三相の電流の和（零相電流の3倍）を検出し、正常なときの和は 0 です。

ところが、構内に地絡がなくても、配電線のほかの場所（外部）で1線が地絡すると、構内のケーブルの対地静電容量にも充電電流が流れ込みます。この電流は ZCT を通るので、零相電流として検出されます。大きさは、構内のケーブルについて $3\omega C E$ で求めた値です。

この電流が GR の整定電流より大きいと、構内に事故がないのに GR が動作します。これが不要動作で、需要家の停電を招きます。構内のケーブルが長く、$C$ が大きいほど起こりやすくなります。

対策として、地絡方向継電器（DGR）を使います。DGR は、零相電流に加えて零相電圧も見て、2つの位相の関係から、地絡点が自分の側（構内）にあるかを判別します。外部の地絡は向きが逆と判別されるので、DGR は動作しません。零相電圧は、接地形計器用変圧器（GPT）で検出します。原理は 保護継電器 で扱います。

継電器	動作に使う量
GR	零相電流
DGR	零相電流と零相電圧の位相

地絡保護も保護協調で考える

地絡保護も、事故点に近い装置だけを動かす考え方（保護協調）で整定します。構内の地絡は、構内の GR や DGR が配電用変電所の地絡保護より先に動作して切り離します。切り離せないと、配電用変電所の遮断器が動作して、ほかの需要家まで停電します。これが波及事故で、報告の決まりは 電気事故報告 で扱います。

逆に、外部の地絡で構内の GR が動作しても、不要な停電になります。構内の事故では確実に動作し、外部の事故では動作しないようにそろえるのが、地絡保護の協調です。整定値は民間の規程などで決められているので、この記事では数値を扱いません。協調の全体像は 保護協調 で扱います。

1変圧器2碍子3ケーブル4右の機器

1. 変圧器　左側に置かれた、大きな機器
2. 碍子　電線を絶縁して支える部品
3. ケーブル　上から下りてくる、3本の電線
4. 右の機器　遮断器とみられる、箱形の機器

例題で地絡電流を確かめる

例題で使う数値を、先に表で確かめます。

項目	値	使う例題
1線の静電容量（50 Hz）	0.4 μF	例題1
1線の静電容量（60 Hz）	0.25 μF	例題2
GR の整定電流	0.5 A	例題2

解答と解説を見る

相電圧は $E = \dfrac{6600}{\sqrt{3}} \approx 3810\ \mathrm{V}$、角周波数は $\omega = 2\pi \times 50 \approx 314\ \mathrm{rad/s}$ です。$I_{\mathrm{g}} = 3\omega C E = 3 \times 314 \times 0.4 \times 10^{-6} \times 3810 \approx 1.44\ \mathrm{A}$ です。

解答と解説を見る

相電圧は $E \approx 3810\ \mathrm{V}$、角周波数は $\omega = 2\pi \times 60 \approx 377\ \mathrm{rad/s}$ です。構内のケーブルを流れる充電電流は $3\omega C E = 3 \times 377 \times 0.25 \times 10^{-6} \times 3810 \approx 1.08\ \mathrm{A}$ です。整定電流 $0.5\ \mathrm{A}$ を超えるので、GR は不要動作するおそれがあります。不要動作を防ぐには、零相電圧との位相で地絡点の向きを判別する地絡方向継電器（DGR）を使います。

解答と解説を見る

(a) は正しく、第1項のとおりです。(b) は正しく、第1項の例外に乾燥した場所があります。(c) は正しく、第4項と 36-1表のとおりです。(d) は誤りで、第5項により、警報する装置を施設すれば、第1項・第3項・第4項の装置は施設しなくてよいとされています。(e) は誤りで、第3項の対象は使用電圧 $300\ \mathrm{V}$ 超の低圧電路なので、$200\ \mathrm{V}$ は対象外です。答えは (a)、(b)、(c) です。

解答と解説を見る

(a) は正しく、GR の動作の条件です。(b) は正しく、DGR は電流の大きさだけでなく向きも見ます。(c) は誤りで、ケーブルが長いほど $C$ が大きくなり、充電電流は大きくなります。(d) は誤りで、零相電圧は接地形計器用変圧器（GPT）で検出します。(e) は正しく、正常なときの和は 0 です。答えは (a)、(b)、(e) です。

よくある質問

漏電遮断器は、何を見て動作しますか？

ZCT を通した行きの電流と帰りの電流の差です。正常なときの差は 0 で、地絡が起きると、大地へ漏れた電流の分だけ差が出ます。差が定められた値を超えると、遮断器を引き外します。

地絡と短絡は、どう違いますか？

地絡は、電線が大地や、大地とつながった金属部分に触れることです。短絡は、電圧の異なる電線どうしが触れることです。地絡電流の大きさは、中性点の接地方式で変わります。

非接地系の1線地絡電流は、なぜ対地静電容量で決まりますか？

非接地系では、地絡電流が電源へ戻る通り道が、電線の対地静電容量しかないからです。健全な相の対地静電容量に線間電圧が加わって充電電流が流れ、その合計が $3\omega C E$ になります。

構内に地絡がないのに GR が動作することがあるのは、なぜですか？

外部の地絡で、構内のケーブルの対地静電容量に充電電流が流れ、ZCT がそれを零相電流として検出するからです。電流が整定電流を超えると、不要動作になります。零相電圧との位相で向きを見る DGR で防ぎます。

思い出してみよう

答えを見る前に、まず自分で思い出してからタップしてください。

地絡保護とは何ですか？

地絡で大地へ漏れた電流を検出し、自動的に電路を遮断して、感電・火災・機器の損傷を防ぐことです。

漏電遮断器は、何を検出して動作しますか？

ZCT を通した行きの電流と帰りの電流の差です。

電技解釈 第36条 第1項は、どんな電路に地絡遮断装置を求めていますか？

金属製外箱を有する使用電圧 60 V 超の低圧機械器具に接続する電路です。乾燥した場所などの例外があります。

非接地系の1線地絡電流の式は何ですか？

$I_{\mathrm{g}} = 3\omega C E$ です。$E$ は相電圧、$C$ は1線あたりの対地静電容量です。

外部の地絡で GR が不要動作するのは、なぜですか？

構内のケーブルの対地静電容量に充電電流が流れ、ZCT が零相電流として検出するからです。

DGR は、何で地絡点の向きを判別しますか？

零相電圧と零相電流の位相です。

まとめ

• 地絡保護は、地絡で漏れた電流を検出し、電路を自動で遮断する保護
• 漏電遮断器は、ZCT を通した行きと帰りの電流の差で動作する
• 非接地系の1線地絡電流は $I_{\mathrm{g}} = 3\omega C E$ で、対地静電容量に比例する
• 外部の地絡による GR の不要動作は、零相電圧との位相で見分ける DGR で防ぐ

装置	検出するもの
漏電遮断器	行きと帰りの電流の差
GR	零相電流
DGR	零相電流と零相電圧の位相

事故点に近い装置だけを動かす考え方は 保護協調、接地の工事の決まりは 接地工事の種類 へ進んでください。