残留 電流 監視(RCM)による火災時の安全性向上
はじめに
ヨーロッパ各国におけるいくつかの調査によると、建物内およびその周辺における火災の最も一般的な原因は、電気（30～35％）と 人為的ミス（15～20％）の2つに分類される。最先端の電気安全システムにもかかわらず、建物火災の報告は常にある。電気供給 システムにおける最も一般的な故障は、絶縁故障により導体と大地との間に流れる故障電流である。この記事では、残留電流モニタリングで起こりうる故障メカニズムに注目し、その概要を説明します。
建物の電気回路は、2種類のサーキットブレーカーで保護されている。
- 過電流保護装置は、電気ヒューズまたは過電流 保護（OCP）とも呼ばれ、電流が指定された電流値を指定された時間超えた場合に電気回路を遮断します。ヒューズやサーキットブレーカーなど、過電流保護装置にはさまざまな種類があります。住宅やアパート内のすべての電気ヒューズは、通常、分電盤に他の遮断器とともに収納されています。過電流装置は、過電流が長時間流れることによって生じる過度の加熱による損傷からケーブルまたはその他の機器を保護します。過電流は、過負荷または短絡によって発生します。過電流保護は、ほとんどの国で、電気設備に関する建築規制および基準に従って義務付けられています。
- 漏電遮断器（RCD：Residual Current Device）は、裸線のような生きた導線に直接触れても怪我をしないように設計された救命装置です。漏電遮断器は、通常のヒューズや回路ブレーカーでは提供できないレベルの個人保護機能を備えています。漏電遮断器は、故障が発生した場合に自動的に電気を切り換える、感度の高い安全装置です。漏電遮断器は、漏電による感電死や火災の危険から保護するために設計されています。例えば、浴室で人がランプの裸線に触れ、濡れた床がアースされたラジエーターに電気的に接続されていた場合。
ここ数年、漏電遮断器の分野では重要な変化と発展が見られます。この分野における重要な技術革新について、以下に説明します。 すでに選択されている機器を正しく選択することで、電気系統における火災のリスクを最小限に抑えることができる可能性があります。
漏電遮断器の原理
漏電遮断器の原理を図 1 に示す。人が非絶縁導体に触れた場合、人体の抵抗（ ）が約800オームであるため、電流の一部が人を介して流れる可能性がある。多くの場合、この抵抗はアースに対する抵抗としてはかなり低い。この電流はアースを経由して、 電圧源（変圧器のアース付き二次側）に逆流する。この電流が合計変流器を通って逆流しない場合、残留電流が発生する。この値が十分に高い場合、漏電遮断器がトリップし、回路全体が遮断される。
定格残留電流の50～100％の間でトリップすることが国際規格で規定されている。 30mAの漏電遮断器がトリップする場合、15～30mAの残留電流がなければならない。 30mAという閾値は、自由にアクセスできるコンセントがある場所であればどこでも必要とされる個人保護を確保するためのものである。
産業環境では、30 mA の漏電遮断器で保護されている管理棟に加え、通常、 生産に使用される大型機械がある。これらの機械に自由にアクセスできるソケットがない場合でも、漏電遮断器による保護は理にかなっている。機械の絶縁不良は、 、火災や故障を引き起こす可能性があり、これも危険の原因となる。市場には、トリップ値が異なるため、保護目的も異なるさまざまな漏電遮断器がある。以下の表に、3 種類の保護タイプとそれに対応するトリップ電流を示します。
導体とアースの間に流れ、熱として少なくとも60Wを発する電流は、火災を引き起こす可能性があります。電源電圧が 230 V の場合、これは 約 300 mA に相当します。したがって、防火用漏電遮断器の最大トリップ値は 300mA です。
さまざまな信号波形に対応する漏電遮断器
現在、漏電遮断器が正しく機能するためには、電流値に加え、電流の信号形式も重要である。今日、多くの電気負荷は、主電源から非正弦波電流を取り込むため、 非直線負荷と表示されなければなりません。その結果、漏電遮断器によって検出される残留電流は、しばしば非正弦曲線状となります。漏電遮断器が正しく機能するためには、使用する漏電遮断器に関して、接続されている負荷 を考慮する必要があります。
例えば、新しい洗濯機を購入し、取扱説明書にタイプBの個人用サーキットブレーカー（30 mA）が指定されているにもかかわらず、これが考慮されていない場合、 以下のシナリオが発生する可能性があります。
故障により、洗濯機は8 mAの残留電流として直流を発生させる。しかし、配電盤内の個々の回路は、タイプ A の漏電遮断器によって 保護されているだけである。タイプ A の漏電遮断器には直流電流は規定されていません。少なくとも6 mAの直流電流が流れると、タイプAに設置されている小型変流器（ ）を磁気飽和状態に追い込む効果があります。その後、ドライヤーは水を張った浴槽に落ちる。この時、誘電電流は浴槽の水を経由して のアースに流れ込み、電力会社の変圧器のアース付き二次巻線に戻る。この残留電流は、パルス状または正弦波状の波形（ ）となり、タイプAの漏電遮断器によってカバーされます。この残留電流が例えば 40mA の場合、タイプ A の漏電遮断器はトリップするはずです。しかし、この場合、変流器の鉄心はすでに 8mA の直流電流によって完全に磁化されているため、変流器は 40mA を二次側に変換することができなくなり、漏電遮断器はトリップしません。配電系統に漏電遮断器タイプBまたはB+が設置されていれば、残留電流値が合計48 mAのトリップしきい値を超えているため、漏電遮断器は確実にトリップしているはずである。
機械と漏電遮断器
産業用システムに自由にアクセスできるソケットがない場合、オペレータはシステムを漏電遮断器で保護する義務はありません。安全の観点からは、 残留電流に対する保護が常に望ましい。しかし、モーターやその他の誘導性機器のスイッチオン時に電流ピークが発生し、誤動作につながることがよくあり、生産工程に有害な影響を及ぼす可能性があります。
システム関連の残留電流も存在する可能性がある。電流信号の高周波成分は、フィルターやケーブルの容量を通してアースに流れる可能性があります。下図では、周波数変換器を例に、これらのシステム関連残留電流を模式的に示しています。
このようなシステム関連の残留電流は、火災警備用の漏電遮断器（300 mA）による保護がもはや使用できないレベルにまで達する可能性がある。
残留電流モニターは、このような状況を解決することができます。次の図3は、漏電遮断器とは対照的に、RCMが独立して供給ラインを遮断することができないことを示しています。残留電流は測定され、適切なインターフェースを介して出力されるだけです。 さらに、RCMには1つ以上のリレー出力があり、それを使ってサーキットブレーカーを制御することができる。
ダニセンス・ソリューション
Danisense RCM ソリューションは、リレー出力とTRMS値を4-20 mA DC標準機械信号に変換し、プログラマブルロジックコントローラ（PLC）やユニバーサル測定器で簡単に処理することができます。より詳細な解析のために、USBインターフェースをSRCMソフトウェアツールを搭載したラップトップに接続することができます。この構成では、電流信号をより詳細に分析することができます。このソフトウェアでは、オシロスコープ表示やFFT解析が可能です。
PLCによる残留電流モニタリング
複雑な産業機械では、多種多様な電気部品がPLCを介して制御されるシステムを形成している。したがって、これらのプラントでは、上記の表よりも高い残留電流レベルが発生する可能性がある。例えば、定格電流235Aの生産工場では、以下のような値になります。
国際標準化により、連続的な残留電流モニタリングが絶縁検査に取って代わることができるとしても、上記の の測定値による絶縁抵抗の分析は、非常に単純なものではない。プラント内では、多種多様な個々のコンシューマーが制御されており、これらのコンシューマーは合計で様々な残留電流レベルを発生させる。
このため、一部の PLC メーカーは、機械標準信号で PLC に接続できる残留電流センサをすでに提供しています。 スタートアップと安全テストの成功後、様々な機械ステータスと測定された残留電流レベルを直接リンクすることで、「健全な」RCベースラインをPLCに保存することができます。このデータにより、生産プラントの信頼性の高い有意義なモニタリングが可能になります。
結論
一般に、RCMは早期警告システムとして使用することができる。多くの絶縁不良は、残留電流を徐々に増加させるからである。このため、これらの装置は 予知保全対策に分類される。多くの場合、多くの監督機関（ ）が要求する定期安全検査の一部である絶縁検査を回避することができる。RCM装置は、データセンターや病院など、重要なインフラの一部である物件ではすでに義務付けられています。また、予期せぬ機械の故障が問題となる産業界のアプリケーションにもメリットがあります。RCMは、絶縁不良時の安全性とシステムの可用性を向上させる究極のソリューションです。