地球の電位上昇

電気工学では、大地電位上昇( EPR ) は、接地電位上昇( GPR ) とも呼ばれ、大電流が接地グリッドインピーダンスを通じて大地に流れ込むときに発生します。地球上の離れた地点に対する電位は、電流が地面に入る地点で最も高く、発生源からの距離が離れるにつれて低下します。接地電位上昇は、高電位が人や機器に危険を及ぼす可能性があるため、変電所の設計において懸念事項となります。

距離による電圧の変化 (電位勾配) が非常に大きい場合、両足の間、または人が立っている地面と金属物体の間に発生する電圧によって人が負傷する可能性があります。電話線、レール、フェンス、金属パイプなど、変電所のアースに接続されている導電性物体も、変電所の接地電位で通電される可能性があります。この転送された電位は、変電所の外部にいる人や機器にとって危険です。

地電位上昇（EPR）は、変電所、発電所、または高電圧送電線で発生する電気故障によって引き起こされます。短絡電流は、プラントの構造と機器を通り、接地電極に流れ込みます。^[1]地球の抵抗はゼロではないため、接地電極で地面に注入された電流は、離れた基準点に対して電位上昇を引き起こします。結果として生じる電位上昇は、実際の故障場所から数百メートル離れた場所で危険な電圧を引き起こす可能性があります。危険レベルは、利用可能な故障電流、土壌の種類、土壌水分、温度、下層の岩層、故障を遮断するための除去時間など、多くの要因によって決まります。

地電位上昇は、電力および通信サービスの調整における安全上の問題です。配電変電所などの施設で EPR イベントが発生すると、人員、ユーザー、または構造物が危険な電圧にさらされる可能性があります。

「ステップ電圧」とは、通電された接地物体の近くに立っている人の足の間の電圧です。これは、「電極」から異なる距離にある 2 点間の電圧分布曲線で示される電圧の差に等しくなります。故障時に接地点の近くに立っているだけで、人が負傷する危険があります。

「接触電圧」とは、通電された物体と、その物体に接触している人間の足との間の電圧です。これは、物体と少し離れた地点との間の電圧差に等しくなります。接触電圧は、その物体が、人間が接触している場所から離れた地点で接地されている場合、接地された物体にかかる全電圧にほぼ等しくなる可能性があります。たとえば、システムの中性線に接地されたクレーンが通電された線に接触した場合、そのクレーンまたはその絶縁されていない負荷線に接触した人間は、全故障電圧にほぼ等しい接触電圧にさらされることになります。

「メッシュ電圧」は、接地導体のグリッドが設置されるときに計算または測定される要素です。メッシュ電圧は、最悪の障害状況下で、グリッドに接続された金属物体とグリッド内の土壌との間の最大電位差です。グリッド自体に比べて電圧が高い地点で人がグリッド内に立っている可能性があるため、これは重要です。

障害状態における電力システムのエンジニアリング分析は、危険なステップ電圧や接触電圧が発生するかどうかを判断するために使用できます。この分析の結果から、保護対策の必要性がわかり、適切な予防策を選択することができます。

危険な接地電位勾配から従業員を保護するために、等電位ゾーン、絶縁装置、作業制限エリアなど、いくつかの方法が使用される場合があります。

等電位ゾーンを作成すると、その中にいる作業員を危険なステップ電圧や接触電圧から保護できます。このようなゾーンは、接地された物体に接続された金属マットを使用して生成できます。通常、この金属マット (または接地メッシュ) は、埋設された接地棒に接続され、大地との接触を増やし、グリッドインピーダンスを効果的に低減します。^[2]場合によっては、接地グリッドを使用してグリッド内の電圧を均等化できます。ただし、等電位ゾーンでは、保護エリアの外部または一部にいる従業員を保護することはできません。作業エリアのすぐ近くにある導電性の物体をボンディングすることで、物体間の電圧や各物体と地面間の電圧を最小限に抑えることもできます (ただし、作業エリアの外部にある物体をボンディングすると、場合によってはその物体への接触電圧が増加することがあります)。

ゴム手袋などの絶縁個人用保護具を使用すると、接地された機器や導体を扱う従業員を危険な接触電圧から保護できます。絶縁機器は、故障状態で接地された物体に印加される可能性のある最高電圧（全システム電圧ではなく）に対して定格されている必要があります。

変電所の境界内や送電塔付近など、危険な電圧が発生する可能性のあるエリアへのアクセスを禁止することで、作業員を危険なステップ電圧や接触電圧から保護することができます。接地システムに接続された導体や機器を取り扱う必要がある作業員は、誤って通電した導体から身を守るために、保護手袋やその他の対策が必要になる場合があります。

変電所では、表面が砕石やアスファルトの高抵抗層で覆われている場合があります。表面層は足と接地グリッドの間に高い抵抗をもたらし、ステップ電圧や接触電圧の危険性を軽減する効果的な方法です。

原理的には、故障電流( I _f )とグリッド抵抗 ( Z _grid ) がわかっていれば、オームの法則を使用してアースグリッドV _gridの電位を計算できます。 $${\displaystyle V_{\text{grid}}=I_{\text{f}}\times Z_{\text{grid}}}$$

配電システムや送電システムからの故障電流は通常、正確に計算または推定できますが、接地グリッド抵抗の計算はより複雑です。計算が困難なのは、実際の接地グリッドが拡張され不規則な形状をしており、深さによって土壌の抵抗率が異なるためです。

アースグリッドの外側の地点では、電位上昇は減少します。距離における電位の最も単純なケースは、均質なアースにおける駆動棒電極の解析です。電圧プロファイルは次の式で与えられます。 ここで $${\displaystyle V_{r}={\frac {\rho I}{2\pi r_{x}}}}$$

• ${\displaystyle r_{x}}$地球グリッドの中心からの点の距離（メートル単位）です。
• ${\displaystyle V_{r}}$アースグリッドからの距離における電圧（ボルト単位）です。${\displaystyle r_{x}}$
• ${\displaystyle \rho}$地球の抵抗率（ Ω ·m単位）です。
• ${\displaystyle I}$地絡電流（アンペア）です。

このケースは単純化されたシステムです。実際の接地システムは 1 本の棒よりも複雑で、土壌の抵抗率はさまざまです。ただし、接地グリッドの抵抗はそれが覆う面積に反比例するということは確実に言えます。この規則を使用すると、特定の場所の難易度をすばやく評価できます。デスクトップ パソコンで実行されるプログラムは、有限要素法などのさまざまな手法を使用して、接地抵抗の影響をモデル化し、接地電位の上昇を詳細に計算できます。

米国労働安全衛生局（OSHA）はEPRを「既知の危険」に指定し、職場におけるこの危険の排除を規定する規制を発行しました。^[3]

保護および絶縁装置は、 IEEE、米国電気規格(UL/CSA)、FCC、および Telcordia によって規定された国内および国際規格に準拠して製造されています。

IEEE Std. 80-2000 は、変電所周辺のステップ電圧と接触電圧を計算し、許容レベルまで軽減することを扱う規格です。

接地電位の上昇自体は、同じ接地電位に接続されている機器や人に害を及ぼすことはありません。ただし、遠隔の接地電位 (中央局/交換局など) に接続されている導体 (金属製の通信回線など) が GPR の影響を受けるエリアに入ると、電位の衝突によって重大なリスクが生じる可能性があります。高電圧は機器を損傷し、人員に危険を及ぼす可能性があります。変電所の有線通信および制御回路を保護するには、保護装置を使用する必要があります。絶縁装置は、GPR エリアへの電位の転送や GPR エリアからの電位の転送を防止します。これにより、両方の接地電位に同時にさらされる可能性のある機器や人員が保護され、高電圧や高電流が電話会社の中央局や同じネットワークに接続されている他のユーザーに向かって伝播するのを防ぎます。回路は、変圧器または非導電性光ファイバーカップリングによって絶縁できます。 (カーボン ブロックや接地用ガス管シャントなどのサージ アレスティング デバイスは回路を分離しませんが、保護対象の回路からローカル グラウンドに高電圧電流を迂回させます。このタイプの保護では、危険が同じ回路上の遠隔地のグラウンドから発生する場合、GPR の危険から完全に保護することはできません。)

通信規格では、変電所の周囲に「影響ゾーン」を定義しており、その内部の機器や回路は、地表電位上昇の影響から保護されなければならない。北米の慣例では、影響ゾーンは「300 ボルト ポイント」で区切られると考えられており、これは通信回路上の、地表電位が遠方の地面に対して 300 ボルトに達するポイントである。^[4]変電所の周囲に影響ゾーンを定義する 300 ボルト ポイントは、地表の抵抗率と故障電流の量に依存している。それは、変電所の接地グリッドから一定の距離に境界を定義する。上記の変数は場所ごとに異なるため、変電所ごとに影響ゾーンが異なっている。^[5]

英国では、地電位上昇 (ROEP) の影響を受けるサイトはすべて「ホットサイト」と呼ばれます。影響範囲は、歴史的にはホットサイトの高電圧施設の境界から 100 メートル以内の任意の場所として測定されていました。サイト全体のサイズによっては、大規模なサイトの一部を「ホット」として分類する必要がない場合があります。または、逆に、小規模サイトの影響が土地所有者の管理外の領域にまで及ぶ場合があります。2007 年以降、エネルギーネットワーク協会 (ENA) の勧告 S34 ^[6] (「変電所サイトの地電位上昇評価ガイド」) を使用してホットゾーンを計算することが許可されています。これは現在、ROEP が通常信頼性の電力線の場合は 430 V、高信頼性の電力線の場合は 650 V を超える等高線として定義されています。 「ゾーン」は、サイトのアース電極システムや境界フェンスなどの結合された金属構造から半径内に広がります。これにより、以前の定義と比較して、ホットゾーンの全体的なサイズが効果的に縮小される可能性があります。ただし、このゾーンから伸びるストリップアース電極、および効果的に絶縁されていない電力ケーブルの金属シース/外装は、境界から 100 メートルの距離、導体の両側に幅 2 メートルの範囲で引き続き「ホット」と見なされます。ホットゾーンを計算するのは、所有する電気供給業界 (ESI) の責任です。

Openreach (英国における電話回線の物理的な大部分の設置と保守を担当する BT グループ企業) は、英国の ESI 企業から自発的に提供される情報によって 12 か月ごとに更新されるホット サイト レジスタを維持しています。このレジスタにあるサイトを訪問する Openreach のエンジニアは、ホット サイトのトレーニングを受けている必要があります。装甲電話ケーブルを使用しないこと、アクセスを防ぐためにケーブル ジョイントを完全に密閉すること、ケーブル シースの端を超える個々のワイヤ ペアにスリーブをかぶせること、作業するすべての回線を (ホット ゾーンの外で) 分離することなど、特定の作業慣行と計画上の考慮事項に従う必要があります。分離リンク、サービス分離デバイ​​ス、および配線ケーブル用の明確にマークされたトランクを提供するためのコストを負担するのは、サービスの初期設置を発注する当事者の責任であると想定されており、これらすべてが計画プロセスの一部である必要があります。

状況によっては (「コールド」サイトが「ホット」ステータスにアップグレードされた場合など)、影響範囲には、電気供給業界の所有地ではない住宅や商業施設が含まれる場合があります。このような場合、各電話回線を遡及的に保護するためのコストが法外に高くなる可能性があるため、排水電極を供給して、ローカルのアース電位を安全なレベルに効果的に戻すことができます。

• 単線アースリターン
• 漂遊電圧

[1] ACIFワーキング委員会CECRP/WC18、AS/ACIF S009:2006顧客配線の設置要件（配線規則）、オーストラリア通信産業フォーラム、オーストラリア北シドニー（2006年）ISBN 1-74000-354-3 

• https://web.archive.org/web/20061010124312/http://www.acif.org.au/__data/page/15836/S009_2006r.pdf AS/ACIF S009:2006 顧客配線の設置要件 (配線ルール)。
• http://esgroundingsolutions.com/ 地表電位上昇研究に関する情報
• https://www.osha.gov/pls/oshaweb/owadisp.show_document?p_table=STANDARDS&p_id=9868 OSHA 29 CFR 1910.269
• http://www.davas.co.nz 2010-05-24 にWayback Machineでアーカイブ
• アース/グランド電位上昇とステップ電圧およびタッチ電圧に関する説明ビデオ