高電圧

高電圧 電気とは、傷害や損傷を引き起こすほどの電位を指します。特定の業界では、高電圧は一定のしきい値を超える電圧を指します。高電圧を運ぶ機器や導体には、特別な安全要件と手順が必要です。

高電圧は、電力分配、陰極線管、 X線や粒子線の生成、電気アークの生成、点火、光電子増倍管、高出力増幅 真空管、およびその他の産業、軍事、科学の用途で使用されます。

高電圧の数値的定義は状況によって異なります。電圧を高電圧として分類する際に考慮される 2 つの要素は、空気中で火花が発生する可能性と、接触または近接による感電の危険性です。

国際電気標準会議とその国内機関（IET、IEEE、VDEなど）は、高電圧を交流の場合は1000V以上 、直流の場合は1500V以上と定義しています。^[1]

米国では、米国規格協会（ANSI）が100Vを超える60Hz電力システムの公称電圧定格を定めています。具体的には、ANSI C84.1-2020では、高電圧を115kV～230kV、超高電圧を345kV～765kV、超高電圧を1,100kVと定義しています。^[2]英国規格BS 7671 :2008では、高電圧を、導体間の電圧差が1000VACまたはリップルフリーDCで1500Vを超えるもの、または導体とアース間の電圧差が600VACまたはリップルフリーDCで900Vを超えるものと定義しています。^[3]

電気技師は、管轄区域によっては特定の電圧クラスに対してのみ免許を取得できる場合があります。^[4] たとえば、HVACシステム、火災警報システム、閉回路テレビシステムの設置などの特殊な下請け業の電気免許では、導体間の電圧が30ボルトまでしか通電されないシステムの設置が許可され、主電圧回路での作業は許可されない場合があります。一般の人々は、通常遭遇する最高電圧が流れる家庭用主回路（100～250 VAC）を高電圧と見なす場合があります。

通常、約 50 ボルトを超える電圧では、回路の 2 点に触れる人間に危険な量の電流が流れる可能性があるため、そのような回路では安全基準がより厳しくなっています。

自動車工学では、高電圧は30～1000VACまたは60～1500VDCの範囲の電圧として定義されています。^[5]

超高電圧（EHV） の定義もまた文脈に依存します。電力伝送工学では、EHVは345,000〜765,000Vの範囲の電圧として分類されます。^[6]電子システムでは、275,000ボルトを超える電源はEHV電源と呼ばれ、物理学の実験でよく使用されます。テレビのブラウン管の加速電圧は、機器内の他の電圧供給と比較して、超高電圧または超高圧（EHT）と呼ばれることがあります。このタイプの電源の範囲は5kVから約30kVです。

「高電圧」を表す Unicode テキスト文字は U+26A1、記号「⚡︎」です。

低湿度条件下で見られる一般的な静電気火花は、常に700Vをはるかに超える電圧を伴います。たとえば、冬に車のドアに発生する火花は、20,000Vもの高電圧を伴うことがあります。^[7]

ヴァンデグラフ発電機やウィムズハースト機などの静電発電機は、数アンペアで 100 万ボルトに近い電圧を生成できますが、通常は損傷を引き起こすほど長く持続しません。 誘導コイルはフライバック効果で動作し、巻数比に入力電圧を乗じた値よりも大きな電圧が発生します。誘導コイルは通常、静電機械よりも高い電流を生成しますが、必要な出力電圧が 2 倍になるごとに、二次巻線に必要なワイヤの量により重量がほぼ 2 倍になります。したがって、ワイヤの巻数を増やしてより高い電圧にスケーリングすることは非現実的になる可能性があります。コッククロフト・ウォルトン乗算器を使用すると、誘導コイルによって生成された電圧を乗算できます。これは、ダイオード スイッチを使用してラダー コンデンサを充電し、DC を生成します。 テスラ コイルは共鳴を利用し、軽量で、半導体を必要としません。

最も大規模な火花は、雷によって自然に発生するものです。平均的な負の雷は、30～50キロアンペアの電流を運び、5クーロンの電荷を輸送し、500メガジュールのエネルギーを消散します（ TNT火薬換算で120kg 、100ワットの電球を約2か月点灯させるのに十分な量）。ただし、平均的な正の雷（雷雨の頂上から）は、300～500キロアンペアの電流を運び、最大300クーロンの電荷を輸送し、最大1ギガボルト（10億ボルト）の電位差を持ち、300GJのエネルギーを消散することがあります（TNT火薬換算で72トン、100ワットの電球を最大95年間点灯させるのに十分なエネルギー）。負の雷撃は通常、数十マイクロ秒しか続きませんが、複数回落ちることはよくあります。正の雷撃は通常は単発の出来事ですが、より大きなピーク電流が数百ミリ秒間流れる可能性があるため、負の雷撃よりもかなりエネルギーが強くなります。

標準温度および圧力(STP)における乾燥空気の球状電極間の絶縁破壊強度は、約33 kV/cm です。^[8]これは大まかな目安に過ぎません。実際の破壊電圧は電極の形状とサイズに大きく依存します。強い電界(小さな導体または尖った導体に高電圧を印加した場合) は、空気中に紫色のコロナ放電や目に見える火花を発生させることがよくあります。約 500 ～ 700 ボルト未満の電圧では、大気圧の空気中では目に見える火花や輝きは発生しないため、この規則ではこれらの電圧は「低い」ことになります。ただし、大気圧が低い状況 (高高度の航空機など) やアルゴンやネオンなどの希ガスの環境では、はるかに低い電圧で火花が発生します。500 ～ 700 ボルトは火花破壊を発生させる固定の最小値ではありませんが、大まかな規則です。フリードリヒ・パッシェンが指摘したように、標準温度の空気の場合、最小の火花電圧は約327ボルトです。^[9]

一般に、低電圧では、電圧が印加される前に存在していたギャップを飛び越えることはありませんが、ギャップによって既存の電流の流れが中断されると、低電圧の火花またはアークが発生することがよくあります。接点が離れると、いくつかの小さな接点が最後に離れます。電流はこれらの小さなホットスポットに集中し、白熱して電子を放出します (熱電子放出によって)。暗い部屋では、このメカニズムにより、小さな9 V バッテリーでも目立つ火花を散らすことができます。イオン化された空気と金属蒸気 (接点から) がプラズマを形成し、広がるギャップを一時的に橋渡しします。電源と負荷によって十分な電流が流れる場合、自立型アークが発生する可能性があります。いったん形成されると、アークはかなりの長さにまで延長されてから回路が切断されることがあります。誘導回路を開こうとすると、電流が中断されるたびにインダクタンスによって高電圧パルスが発生するため、アークが発生することがよくあります。ACシステムでは、電流が 1 サイクルに 2 回ゼロに戻るため、持続的なアークが発生する可能性は多少低くなります。アークは電流がゼロ交差を通過するたびに消滅し、アークを維持するために次の半サイクル中に再点火する必要があります。

オーム導体とは異なり、アークの抵抗は電流が増加するにつれて減少します。このため、電気機器内で意図しないアークが発生すると危険です。十分な電流が供給されれば、小さなアークでも機器を損傷したり火災を引き起こしたりするほど大きくなる可能性があるからです。照明や溶接などで使用される意図的に生成されるアークでは、アークの電流/電圧特性を安定させるために回路内に何らかの要素が必要です。

電力の送電線と配電線では、通常、数十から数百キロボルトの電圧が使用されます。送電線は、頭上または地下にあります。配電では、長距離の電気輸送時に抵抗損失を減らすために高電圧が使用されます。

これは半導体の製造において、ウェーハの表面に薄い金属膜をスパッタリングするために使用されます。また、物体をエッジに立った小さな繊維でコーティングする静電植毛にも使用されます。

火花ギャップは歴史的に無線通信の初期の形態として使われてきました。同様に、木星の大気中の雷放電は、この惑星の強力な無線周波数放射の源であると考えられています。 ^[10]

高電圧は、画期的な化学および素粒子物理学の実験や発見に使用されてきた。電気アークは、大気中のアルゴン元素の分離と発見に使用された。誘導コイルは、初期のX線管に電力を供給した。モーズリーは、陽極として使用したときに放出されるスペクトルから、選択した金属元素の原子番号を決定するためにX線管を使用した。高電圧は、顕微鏡検査用の電子ビームを生成するために使用される。コッククロフトとウォルトンは、水素原子を加速してリチウム酸化物のリチウム原子をヘリウムに 変換する電圧倍増器を発明した。

50 V を超える電圧を乾燥した傷のない人間の皮膚に印加すると、体組織に電流が発生し、それがたまたま胸部を通過して心臓細動を引き起こす可能性があります。感電の危険がある電圧は、乾燥した人間の皮膚の電気伝導性によって異なります。乾燥した皮膚の絶縁特性により、約 50 ボルトまでの生体組織は損傷から保護されます。同じ皮膚が濡れたり、傷があったり、皮膚を貫通する電極に電圧が印加されたりすると、40 V 未満の電圧源でも致命的になる可能性があります。

十分なエネルギーを供給する高電圧に偶然接触すると、重傷や死亡につながる可能性があります。これは、人体が電流の経路を提供することで発生し、組織の損傷や心不全を引き起こします。その他の傷害には、偶然の接触によって発生したアークによる火傷が含まれます。被害者の気道が影響を受けている場合、これらの火傷は特に危険です。また、非常に高いところから落ちたり、かなりの距離を投げ飛ばされたりして、物理的な力によって傷害を受ける場合もあります。

乾燥した気候でカーペット敷きの床を歩いた後にドアノブに触れたときに発生する火花など、高電圧への低エネルギーの曝露は無害である可能性があります。電圧は1,000 ボルトの範囲になることもありますが、平均電流は低くなります。

傷害を避けるための標準的な予防措置には、腕の間や腕と脚の間など、特に心臓の領域を通る電気エネルギーの流れを回避する条件下での作業が含まれます。高電圧機器では、2 本の導体間に電気が流れ、体が回路を完成させることがあります。これを避けるには、作業者はゴム手袋などの絶縁衣類を着用し、絶縁工具を使用し、一度に複数の手で機器に触れないようにする必要があります。機器とアース間にも電流が流れる可能性があります。これを防ぐには、作業者はゴムマットなどの絶縁面の上に立つ必要があります。安全装置は、ユーザーを保護し続けていることを確認するために定期的にテストされます。テスト規制は国によって異なります。テスト会社は最大 30 万ボルトでテストでき、手袋テストから高所作業台(EWP) テストまでのサービスを提供しています。

電線導体に接触したり接近したりすると感電の危険があります。架空線に接触すると、負傷したり死亡したりする恐れがあります。金属製のはしご、農機具、船のマスト、建設機械、空中アンテナ、および同様の物体は、架空線との致命的な接触に頻繁に関与しています。また、許可なく送電鉄塔や電気機器に登った人も、感電の犠牲者となることがよくあります。^[11]送電電圧が非常に高い場合は、高電圧が大きな空隙を横切ってアーク放電する可能性があるため、接近するだけでも危険です。

埋設ケーブルを掘ることは、掘削現場の作業員にとっても危険です。埋設ケーブルに接触する掘削装置 (手工具または機械駆動) は、そのエリアの配管または地面に通電し、近くの作業員が感電する可能性があります。高電圧送電線または変電所の故障により、大地の表面に沿って高電流が流れ、地電位が上昇して感電の危険が生じる可能性があります。

高圧および超高圧送電線の場合、特別に訓練された作業員が「活線」技術を使用して、通電中の機器に直接触れることができます。この場合、作業員は高電圧線に電気的に接続されていますが、アースからは完全に絶縁されているため、線と同じ電位になります。このような作業の訓練は長期間に及ぶ上、作業員に危険が及ぶ可能性があるため、非常に重要な送電線のみが通電中のメンテナンスの対象となります。これらの適切に設計された状況以外では、アースから絶縁されていても、アースに電流が流れないことは保証されません。アースへの接地またはアーク放電が予期しない方法で発生する可能性があり、高周波電流はアースされていない人でも火傷を負う可能性があります。このため、送信アンテナに触れることは危険であり、高周波テスラコイルは1 つのエンドポイントでのみ火花を放つことができます。

高電圧送電線の保護装置は、通常、不要なアークの発生を防止したり、数十ミリ秒以内にアークが消滅するようにします。高電圧回路を遮断する電気装置は、発生したアークを安全に誘導して、損傷を与えることなく消散するように設計されています。高電圧回路遮断器は、高電圧回路が遮断されたときに、高圧空気の噴射、特殊な誘電ガス(加圧されたSF ₆など)、または鉱油への浸漬を使用してアークを消滅させることがよくあります。

X 線装置やレーザーなどの機器の配線には注意が必要です。高電圧セクションは、低電圧側から物理的に離して配置し、両者の間にアークが発生する可能性を減らします。コロナ損失を避けるため、導体はできるだけ短く、尖った部分がないようにします。絶縁されている場合は、プラスチック コーティングに気泡がないようにする必要があります。気泡があると、気泡内でコロナ放電が発生します。

高電圧は、十分な電流を流すことができない限り、必ずしも危険ではありません。ヴァンデグラフ発電機やウィムズハースト発電機などの静電機械は、100万ボルトに近い電圧を発生しますが、刺すような痛みは短時間です。これは、電流が低い、つまり比較的少数の電子しか動かないからです。これらの装置は蓄積エネルギーの量が限られているため、生成される平均電流は低く、通常は短時間で、パルスは1ナノ秒間に1Aの範囲でピークに達します。^{[12] [13]}

放電は、非常に短い期間に極めて高い電圧を伴う場合がありますが、心細動を引き起こすには、電源が心筋に数ミリ秒間継続して大きな電流を発生させ、少なくともミリジュール以上の総エネルギーを蓄積する必要があります。したがって、約 50 ボルトを超える比較的高い電流は、医学的に重大であり、致命的となる可能性があります。

放電中、これらの機械は、100万分の1秒以下だけ高電圧を人体にかけます。そのため、非常に短い時間だけ低電流が流れ、関与する電子の数は非常に少なくなります。

テスラコイルは一見ヴァンデグラフ発電機に似ていますが、静電機械ではなく、大きな高周波電流を継続的に生成できます。人体に供給される電流は、接触が維持されている限り比較的一定です。静電機械では電荷を蓄積するのに通常より長い時間がかかり、電圧は人体の皮膚の破壊電圧よりもはるかに高くなります。その結果、テスラコイルの出力は危険であり、致命的になることもあります。

スイッチギアラインアップで発生する可能性のある短絡電流によっては、高強度の電気アークが発生する可能性があり、保守および操作担当者に危険が及ぶ可能性があります。アークの最高温度は 10,000ケルビンを超える場合があり、輻射熱、熱気の膨張、金属および絶縁材の爆発的な蒸発により、保護具を着用していない作業員が重傷を負う可能性があります。このようなスイッチギア ラインアップと高エネルギー アーク発生源は、電力会社の変電所や発電所、工場、大規模な商業ビルによく見られます。米国では、全米防火協会がアーク フラッシュの危険性を評価および計算するためのガイドライン規格NFPA 70Eを発行し、職場でこのような危険にさらされる電気作業員に必要な防護服の規格を定めています。

空気を分解するには不十分な電圧でも、可燃性のガスや蒸気、浮遊する粉塵を含む雰囲気を発火させるのに十分なエネルギーを供給する可能性があります。たとえば、空気と混合された水素ガス、天然ガス、またはガソリン蒸気は、電気装置によって生成された火花によって発火する可能性があります。危険区域のある産業施設の例としては、石油化学精製所、化学工場、穀物倉庫、炭鉱などがあります。

このような爆発を防ぐために講じられた対策には以下のものがあります。

• 爆発を引き起こすほどの電気エネルギーを蓄積しないように設計された装置の使用による本質的な安全性
• 安全性の向上。火花を防止するためにオイル充填エンクロージャなどの対策を講じたデバイスに適用されます。
• 防爆（耐火）筐体は、筐体内での爆発が外部に漏れて周囲の爆発性雰囲気に引火しないように設計されている（この指定は、装置が内部または外部の爆発に耐えられることを意味するものではない）

近年、爆発危険防止に関する基準は、欧州と北米の慣行の間でより統一されるようになりました。分類の「ゾーン」システムは現在、米国電気工事規定およびカナダ電気工事規定で修正された形で使用されています。本質安全装置は現在、北米の用途での使用が承認されています。

部分放電やコロナ放電などの電気放電は、少量の有毒ガスを生成する可能性があり、密閉された空間では健康被害をもたらす可能性があります。これらのガスには、オゾンやさまざまな窒素酸化物などの酸化剤が含まれます。これらは特徴的な臭いや色で簡単に識別できるため、接触時間を最小限に抑えることができます。 一酸化窒素は目に見えませんが、甘い臭いがします。数分以内に二酸化窒素に酸化され、濃度に応じて黄色または赤褐色になり、プールのような塩素ガスの臭いがします。オゾンは目に見えませんが、雷雨後の空気のような刺激臭がします。短命な種であり、半分はOに分解されます。
₂常温、常圧では 1 日以内に。

雷による危険には、当然のことながら、人や財産への直撃が含まれます。しかし、雷は、電磁パルスだけでなく、地面に危険な電圧勾配を生み出す可能性があり、電話ケーブル、フェンス、パイプラインなどの長い金属物体に危険な電圧を帯電させ、その電圧が雷撃場所から何マイルも離れた場所まで運ばれる可能性があります。これらの物体の多くは通常は導電性ではありませんが、非常に高い電圧によってそのような絶縁体が絶縁破壊され、導体として機能してしまいます。このように転移した電位は、人、家畜、電子機器にとって危険です。また、落雷は火災や爆発を引き起こし、死亡、負傷、財産の損害につながります。たとえば、北米では毎年、何千もの森林火災が落雷によって引き起こされています。

雷を制御する対策により、危険を軽減できます。これには、避雷針、シールド線、建物の電気部品と構造部品を接続して連続した囲いを形成することが含まれます。

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• 電気工学
• 電力送電（「健康上の懸念」セクションを含む）
• 高電圧直流
• 低電圧
• 桁数（電圧）
• テスラコイル
• スパークギャップ

• NFPA 70E: 職場における電気安全、米国
• 米国エネルギー省電気安全ハンドブック
• 電気回路のレッスン第 1 巻 DC 書籍およびシリーズの電気安全の章。