トリップアウト: 回路保護のフィールドガイド

Jul 20, 2023

私が回路保護に出会ったのはまだ 8 歳のときでした。 好奇心旺盛で創意工夫に富み、そして明らかに自己破壊的な性格の私は、母親をランプにすることに決めました。 小さな電球の根元にホースクランプを取り付け、古い延長コードの絶縁体を剥がし、ワイヤーの両端をクランプの下に押し込みました。 私が発明品を書斎のコンセントに差し込んだとき、家全体が暗くなる直前にコードの絶縁体が剥がれるのが見えました。 どういうわけか分岐回路のブレーカーが故障し、200 アンペアのパネルのメイン ブレーカーが落ちました。 母は、私ほどこの偉業に感動したことはありませんでした。特に今では、電気がどのように機能するのか、そして私がダーウィン賞受賞者にどれだけ近づいたかを少し知ったので。

同様の運命を避けるために、私はあなたを典型的な家庭用電源パネルを巡る旅に連れて行き（ティッヒ！）、毎日準備が整い、準備ができているいくつかのデバイスを見て、機会を待ちたいと思います。私たちを自分自身から救ってください。 北米人として、私はこの地域で最も一般的な住宅用電力システム規格に焦点を当てます。 そして、最後の手段としてあなたの安全を守るために設計されたテクノロジーはたくさんありますが、それでも壁の電気があなたを殺す可能性があります。 主電源を使ってカジュアルにならないでください。

遠い昔、私を救ってくれたのはサーキットブレーカーでした。 最も単純な形では、回路ブレーカーは、そこを流れる電流が設計点を超えたときにジュースをオフにして回路を保護するように設計された単なる電気機械デバイスです。 ブレーカーは電流の流れを感知し、それを機械的な動作に変換して、接点を物理的に迅速かつ安全に分離できるようにする必要があります。 最も一般的なメカニズムは、過電流が増加すると磁界が発生して接点が引き離される電磁機構と、過負荷によってバイメタル ストリップが加熱されて曲がり、スイッチが作動するバイメタル機構です。

北米の住宅用ブレーカーには、いくつかの異なる種類があります。 分岐回路ブレーカーは、メイン パネルに並列接続されているコンセント、照明器具、電化製品などの各分岐回路を保護するために使用されます。 各分岐回路の定格は通常 15 または 20 アンペアで、電気乾燥機や井戸ポンプなどの大きな負荷を実行していない限り、120 ボルトの回路になります。 分岐ブレーカーに加えて、パネルには、私に起こったような、欠陥のある分岐ブレーカーが見逃す障害を検出するための主ブレーカーが搭載されます。 通常は 4 極で構成されます。各ホットラインに 1 つ、ニュートラルに 1 つ、アースに 1 つです。 メイン ブレーカーは、すべての分岐回路の電源を切るスイッチとしても機能するため、パネル内での作業がより安全になります。ただし、メイン ブレーカーに電力を供給するラグに注意してください。 これらは常に高温になっており、次に送電線が遮断されるのは、おそらく電柱にある大きな断路器です。

このあたりのメインブレーカーパネルは、120 ボルトと 240 ボルトの両方の回路に対応できる興味深い配置になっています。 電力は分相配置で配電され、柱上の変圧器にはセンタータップの 240 ボルトの二次巻線が付いています。 これにより、2 つのホット レッグがニュートラルに対してそれぞれ 120 ボルト、または 2 つのホット レッグ全体で 240 ボルトになります。 配電盤内では、2 つのホットが交差するフィンガーでバス バーに接続されています。 これにより、単一の 120 ボルト ホット レッグに接続される単極ブレーカー、または 240 ボルト回路の 2 つのホット レッグをブリッジする二極ブレーカーのいずれかを設置できます。

パネル内の他のすべての単極回路が動作していて、240 ボルト回路がまったく動作していないという問題に遭遇した場合は、ホット レッグの 1 つが何らかの理由で通電されていないことがわかります。 この場合は電力会社に電話した方が良いでしょう。

大学の EE ラボコースの初日、講師は「命を奪うのは電流だ」と題した、身の引き締まる安全性の講義をしてくれました。 彼が引用した、実際に人を殺すのに必要な電流がどれほど少ないかについての数字は、私を驚かせました。私が経験したさまざまな線間電圧のショックで、ある時点で少なくとも 30 ミリアンペアの心臓が止まりそうなほどの電流が体に流れ込まなかったのはなぜでしょうか? おそらく私が受け取った電流はそれよりもはるかに少なく、おそらく心臓を通過しなかったことが判明しましたが、それでも、現代の住宅用配電盤の多くの回路が地絡回路遮断器によって保護されていることを知るのは嬉しいことです。 米国では GFCI または GFI、英国では残留電流装置 (RCD) として知られるこれらの装置は、ホットラインからわずか 5 mA の漏れがあった場合に電流の流れを遮断できます。 そして、これは非常に早く起こります - 約 25 ～ 40 ミリ秒で、これは人間の心臓を心室細動にするのに 30 mA の電流がかかる時間よりも短いです。

GFCI は、変流器を使用して 2 つの導体間の電流の不均衡を検出することによって機能します。 ホット導体と中性導体の両方が変流器のトロイドを通過します。 通常、電流は互いに打ち消し合いますが、漏れによるアンバランスが発生すると、変圧器に電流が誘導され、電磁ブレーカーが作動します。 ほとんどの感知とトリップを処理するチップがあることは驚くべきことではありません。 予想外だったのは、最初の GFCI チップである LM1851 が 1970 年代半ばにどのようにして誕生したかという興味深い話です。 ネタバレ注意: 最初の GFCI の作成中に多くの大学院生が感電死しました。

米国では、水と電気が混合する可能性がわずかでもある場所では、法律によって GFCI が義務付けられています。 GFCI はもともとバスルームやキッチンのコンセント用に作られていましたが、現在では地下室、ガレージ、屋外コンセント、特にプールやスパにも使用されています。 GFCI の最も一般的なフォーム ファクターは二重コンセントに組み込まれていますが、一部のサーキット ブレーカーには GFCI が組み込まれています。そしてもちろん、現在製造されているすべてのヘア ドライヤーやヘア アイロンの電源コードから生えている厄介な GFCI もあります。

より最近の回路保護方式は、アーク障害回路遮断器 (AFCI) です。 高温アークによる火災を防ぐことを目的とした AFCI は、2000 年代初頭から寝室にサービスを提供する分岐回路に法令で義務付けられています。 初期の AFCI は、掃除機のモーターのブラシのような、「通常の」アークによる迷惑なトリップを起こしやすかった。 技術が向上し、迷惑なトリップが減少するにつれて、コード要件が書き直され、現在ではすべての分岐回路に AFCI が必要となり、家のほぼすべての部屋にサービスを提供するようになりました。

AFCI は GFCI と同様に現在の異常を感知しますが、類似点はほぼそれだけです。 AFCI はまた、電圧を監視し、潜在的に破壊的なアーク放電が発生していることを示す証拠となる兆候がないか、監視中の回路の波形を分析する必要があります。 AFCI は、活線と中性点または接地の間のアークを認識することに加えて、直列アークを検出する必要があります。直列アークは、緩んだ端子内で熱線が自由に揺れ動くときに発生する可能性があります。 これらすべてのアークには特徴的な波形があり、正常に動作している機器からのアークは無視して、マイクロコントローラーが分析して障害が存在するかどうかを判断します。 それは複雑なことであり、メーカーがそれを正しく理解するのに時間がかかったのも不思議ではありません。 検出アルゴリズムの詳細については、この論文 (PDF リンク) で詳しく説明されています。

もちろん、サージプロテクター、ノイズフィルター、UPSなど、電源をクリーンに保つために機能するデバイスは他にもたくさんあります。 ただし、これらは主にデバイスを健康で快適に保つためのものです。 ブレーカー、GFCI、および AFCI は、周囲の構造物を火災から保護したり、ヘアドライヤーをトイレに落としたときに多くの怒っているピクシーに噛まれたりするのを防ぐための生命安全装置です。 しかし、それらは最後の防衛線であることを忘れないでください。結局のところ、私が昔やったような愚かなことをしないようにするかどうかは、ほとんどあなた次第です。