接地（電気）

配電システムは、配電回路に発生する電圧を制限するために、多くの場合、接地されています。接地されていない配電システムは、静電気による過渡電圧や、高電位回路との偶発的な接触によって高電位になる可能性があります。システムを接地することで、このような電位が放散され、接地されたシステムの電圧上昇が抑制されます。

主電源（交流電力）配線設備において、接地導体という用語は、通常、以下に示す2つの異なる導体または導体システムを指します。

機器ボンディング導体または機器接地導体（EGC）は、通常は電流が流れない機器の金属部分と、その電気システムの電源の導体のいずれかとの間に低インピーダンスの経路を提供します。絶縁体のほつれや損傷などにより、露出した金属部分に電流が流れる（故障）と、短絡が発生し、過電流保護装置（回路ブレーカーまたはヒューズ）が開いて故障が解消（切断）されます。この動作は、物理的な接地への接続の有無に関わらず発生します。電流は電源に戻らなければならないため、物理的な接地自体はこの故障解消プロセスには関与しません^{[ 1 ]。}ただし、電源は物理的な接地に接続されていることが非常に多いです^{[ 2 ]} （キルヒホッフの回路法則を参照）。露出した電流が流れない金属物体をすべて互いに、またパイプや構造用鋼などの他の金属物体にもボンディング（相互接続）することで、それらの電位はほぼ同じになり、感電の可能性が低減されます。これは、給水管や排水管、機器のフレームなど、さまざまな金属システムに接触する可能性のある浴室では特に重要です。導電性システムを物理的接地と電気的に接続する場合は、機器ボンディング導体と接地電極導体を同じ電位にします（たとえば、下記の「金属製水道管を接地電極として使用する場合」を参照）。

A接地電極導体（GEC）は、システムの接地された（「中性」）導体、または機器を接地電極、または接地電極システム上のポイントに接続するために使用されます。これは「システム接地」と呼ばれ、ほとんどの電気システムは接地する必要があります。米国NECおよび英国のBS 7671では、接地が必要なシステムがリストされています。NECによると、電気システムを物理的な接地に接続する目的は、落雷や高電圧線との接触によって発生する電圧を制限することです。以前は、水道管が接地電極として使用されていましたが、導電性の低いプラスチック管の使用が増加したため、規制当局によって特定の接地電極の使用が義務付けられることが多くなっています。同じタイプの接地は、無線アンテナや避雷システムにも適用されます。

常設の電気機器は、特に義務付けられていない限り、接地導体が恒久的に接続されています。金属製の筐体を持つ携帯型電気機器は、接続プラグのピンを介して接地されている場合があります（AC電源プラグとソケットを参照）。電源接地導体のサイズは、通常、地域または国の配線規則によって定められています。

単線接地帰還（SWER）交流配電システムでは、電力網に単一の高電圧導体のみを使用し、交流帰還電流を大地を通して流すことでコストを削減できます。このシステムは、大きな地電流が危険を引き起こさない農村地域で主に使用されています。

高電圧直流送電（HVDC）システムの中には、大地を第二導体として利用するものがあります。これは、海水が良導体であるため、海底ケーブルを使用する方式で特に一般的です。大地との接続には、地中に埋設された接地電極が使用されます。これらの電極の設置場所は、地下構造物の電気化学的腐食を防ぐために慎重に選定する必要があります。

変電所の設計において特に懸念されるのは、地電位の上昇です。非常に大きな故障電流が地中に注入されると、注入点周辺の電位が、そこから離れた地点に比べて高くなる可能性があります。これは、変電所の地中の土壌層の導電率が有限であるためです。電圧勾配（注入点までの距離による電圧の変化）が非常に大きくなると、地中の2点の電位が大きく異なる可能性があります。この勾配は、地中から十分に絶縁されていない変電​​所内の地中に立っている人にとって危険となります。変電所に引き込まれるパイプ、レール、通信線などは、変電所内外で異なる地電位にさらされる可能性があり、これらのパイプ、レール、または電線に触れた人が感電する危険性があります。この問題は、変電所内にIEEE 80に準拠した低インピーダンス等電位ボンディング面を設置することで軽減されます。この平面は電圧勾配を解消し、あらゆる故障が3電圧サイクル以内に解消されることを保証する。^{[ 5 ]}

避雷システムは、広範囲にわたる接地システムに接続することで落雷の影響を軽減するように設計されています。接地システムは、大地との接続面積を大きくすることで落雷の影響を軽減します。この広い面積は、落雷による大電流を、過度の熱でシステム導体を損傷することなく放散するために必要です。落雷は非常に高い周波数成分を持つエネルギーパルスであるため、避雷用の接地システムでは、自己インダクタンスと表皮効果を低減するために、短い直線状の導体を使用する傾向があります。

変電所において、接地マット、アースマット、またはアースマットとは、人がスイッチやその他の機器を操作するために立つ場所に設置される導電性材料のメッシュのことです。これは、変電所の故障によって作業者が高差動電圧にさらされないように、局所的な支持金属構造物と開閉装置のハンドルに接続されています。

静電気に敏感な機器の近くでは、人や動く機器によって発生する静電気を接地するために接地マットが使用されます。^{[ 6 ]}静電気制御には、静電気散逸マットと導電性マットの2種類が使用されます。

導電性表面（軍事施設でよく見られるケース）に敷かれる静電気散逸マットは、通常、導電性基材を電気的に接地した状態で、静電気散逸性ビニール層で囲んだ3層構造（3プライ）になっています。商業用途では、従来は2層構造（2プライ）の静電気散逸性ゴムマットが使用されており、ビニールマットよりも長持ちする丈夫な耐はんだ性静電気散逸性上層と、導電性ゴム下層で構成されています。導電性マットはカーボン製で、静電気をできるだけ早く接地するために床にのみ使用されます。通常、導電性マットは立ち作業時のクッション性を備えており、「疲労軽減」マットと呼ばれています。

静電気散逸マットを確実に接地するには、接地経路に接続する必要があります。通常、マットとリストストラップの両方は、共通点接地システム（CPGS）を使用して接地されます。^{[ 7 ]}

コンピューター修理店や電子機器製造工場では、作業員は人体から発生する電圧に敏感な機器を扱う前に、必ず接地を行う必要があります。そのため、静電気散逸マットは、生産組立ラインに沿って「フロアランナー」として使用され、人が行き来することで発生する静電気を吸収します。

電圧は、電界内の点間の電位差として定義されます。電圧計は、ある点と、都合の良い、しかしそれ以外は任意の基準点との間の電位差を測定するために使用されます。この共通の基準点は「接地」と呼ばれ、公称ゼロ電位を持つものとして指定されます。信号は信号接地を基準として定義され、信号接地は電源接地に接続されている場合があります。システム接地が他の回路や大地に接続されていないシステム（これらの回路間に交流結合が存在する可能性がある）は、しばしばフローティング接地と呼ばれ、クラス0またはクラスII機器に対応する場合があります。

一部の機器は、純粋な保護機能とは別に、正しく動作するために大地との接続を必要とします。このような接続は機能接地と呼ばれ、例えば一部の長波長アンテナ構造では機能接地接続が必要ですが、送信無線周波数を配電網に導入することは違法であり、潜在的に危険であるため、一般的に電源保護接地と無差別に接続すべきではありません。このような分離があるため、純粋な機能接地は通常、保護機能を果たすものとして頼るべきではありません。事故を避けるため、このような機能接地は通常、緑や緑/黄色のケーブルではなく、白、クリーム色、またはピンクのケーブルで配線されます。 

テレビ局、レコーディングスタジオ、信号品質が重要なその他の設備では、グランドループを防ぐために、「テクニカルグランド」（または「テクニカルアース」、「スペシャルアース」、「オーディオアース」）と呼ばれる特別な信号グランドが設置されることがよくあります。これは基本的に交流電源のグランドと同じですが、電気的な干渉を運ぶ可能性があるため、一般的な機器のアース線は接続できません。たとえば、レコーディングスタジオでは、オーディオ機器のみがテクニカルグランドに接続されます。^{[ 9 ]}ほとんどの場合、スタジオの金属製の機器ラックはすべて太い銅ケーブル（または平らな銅管やバスバー）で接続され、同様の接続がテクニカルグランドに行われます。一般的なシャーシ接地機器がラックに置かないように細心の注意が払われます。テクニカルグランドへの単一の交流接地接続は、その効果を損なうためです。特に要求の厳しい用途では、主要な技術的接地は、必要に応じて複数のコンクリート床に穴を開けて設置する太い銅管で構成され、すべての技術的接地が可能な限り最短経路で地下室の接地棒に接続されるようにすることができます。

1820 年以降の長距離電磁電信システム^{[ a ]}は、信号と帰還電流を伝送するために 2 本以上の電線を使用していた。1836 ～ 1837 年にドイツの科学者C.A. フォン・シュタインハイルが、接地を帰還経路として使用して回路を完成させることができ、帰還線が不要になることを発見した。^{[ 11 ]}シュタインハイルはこれを最初に行ったわけではないが、それ以前の実験的研究を知らず、稼働中の電信でこれを最初に行ったため、この原理は電信技術者に広く知られるようになった。しかし、このシステムには問題があり、1861 年にウェスタン ユニオン社がミズーリ州セント ジョセフとカリフォルニア州サクラメントの間に建設した大陸横断電信線がその例である。乾燥した天候では、接地接続の抵抗が高くなることが多く、電信が機能したり電話が鳴ったりするように、接地棒に水をかける必要があった。

19世紀後半、電話が電信に取って代わり始めた頃、電力システム、電気鉄道、その他の電話および電信回路、雷などの自然発生源によって地中に誘起される電流が音声信号に許容できない干渉を引き起こすことが判明し、1883年頃に2線式または「金属回路」システムが再導入された。^{[ 12 ]}

MFおよびLFバンドで動作するマスト放射器放送アンテナに広く使用されている標準的な接地システムは、波長の 4分の 1 まで伸びる120 本の等間隔に埋設された放射状の接地線で構成されています( ${\displaystyle \ {\tfrac {1}{4}}\lambda \ }$アンテナ基部から90 電気度^{[ b ] ) の位置に設置します。 [ 14 ] [ 13 ] [ 16 ] [ 17 ]}一般的にはAWG  8 から AWG  10 の軟銅線が使用され、4〜10インチ (100〜250 mm)の深さに埋設されます。^{[ 16 ]} AM 放送帯アンテナの場合、マストから47〜136 メートル (154〜446フィート)の範囲に広がる円形の土地が必要です。この土地には通常、草が植えられ、特定の状況下では背の高い草が電力損失を増加させる可能性があるため、短く刈り込まれます。このような長いラジアルを設置するには利用可能な土地の面積が限られている場合は、多くの場合、より短いラジアルを多くするか、より長いラジアルを少なくすることで適切に置き換えることができます。^{[ 15 ] [ 13 ]}   

送信アンテナでは、電力損失の 2 つ目の原因は、アンテナの電界 (変位電流) が大地を通過して接地線に到達する際の誘電損失です。[ 17 ]半^{波長( 180}電気度^{[ b ]} ) に近い高さのアンテナでは、アンテナの基部付近に電圧の最大値 (腹) があり、変位電流が大地に流れ込むマスト付近の大地の接地線上の大地に強い電界が発生します。この損失を減らすために、これらのアンテナでは、地面に敷設するか、数フィート高く設置して大地を電界から遮蔽するために、埋設接地線に接続された導電性の銅製接地スクリーンをアンテナの下に設置することがよくあります。 

岩や砂の土壌では、地中埋設には抵抗が高すぎる場合があり、その場合はカウンターポイズが使用されます。^{[ 13 ]}これは、地中埋設システムと同様の放射状のワイヤーネットワークですが、地表に敷設されるか、地面から数フィート上に吊り下げられます。コンデンサプレートとして機能し、給電線を土壌の導電層に容量結合します。

低周波数では、アンテナの放射抵抗が小さいため、接地システムの抵抗がより重要な要素となります。LF および VLF バンドでは、建設高さの制限により、基本共振長 (波長の 4分の 1 )よりも短い電気的に短いアンテナを使用する必要があります。${\displaystyle \ {\tfrac {1}{4}}\lambda \ }$1/4波長モノポールアンテナの放射抵抗は約25～36オームですが、 ${\displaystyle \ {\tfrac {1}{4}}\lambda \ }$抵抗は高さと波長の比の二乗に反比例して減少します。アンテナに供給される電力は、アンテナの目的機能である電波として放出される電力を表す放射抵抗と、熱として無駄になる電力をもたらす接地システムのオーム抵抗に分けられます。アンテナの高さに対して波長が長くなると、アンテナの放射抵抗は減少するため、接地抵抗がアンテナの入力抵抗のより大きな割合を占め、送信電力の消費量が増加します。VLF バンドのアンテナは抵抗が 1オーム未満であることが多く、非常に抵抗の低い接地システムであっても、送信電力の 50% ～ 90% が接地システムで無駄になる可能性があります。^{[ 14 ]}