接地と中立

電気工学において、接地線と中性線（アースとニュートラル）は、交流（AC）電気システムで使用される回路導体です。中性線は、回路の通常動作中に交流電流を受け取り、電源に戻します。高電圧システムからの漏れ電流の影響を制限するために、中性線は多くの場合、電源ポイントでアースに接続されます。対照的に、接地導体は通常の動作で電流を運ぶことを目的としているのではなく、露出した金属部品（機器の筐体や配線を囲む導管など）をアースに接続します。接地導体は、露出した導電部品に通電して感電の危険を生じるような回路障害がある場合にのみ、大きな電流を運びます。その場合、回路保護デバイスが接地された金属筐体の障害を検出し、自動的に回路の電源を切るか、接地障害の警告を発することがあります。

特定の条件下では、システムの中性線に接続するために使用される導体は、機器や構造物の接地にも使用されます。接地導体に流れる電流により、機器の筐体に不快な電圧や危険な電圧が発生する可能性があるため、接地導体と中性導体の設置は電気規則で厳密に定義されています。中性導体が機器の筐体をアースに接続するためにも使用される場合は、中性導体がローカル グラウンドに対して高電圧にならないように注意する必要があります。

主電源( AC電源) の電気配線システムにおける接地またはアースは、機器に危険な電圧 (高電圧スパイク) が現れないように、アースへの低インピーダンス経路を提供する導体です。 ^{[要出典]このセクションでは、}アースとアースという用語は同義語として使用されています。北米英語ではground の方が一般的で、イギリス英語ではearth の方が一般的です。通常の状態では、接地導体に電流は流れません。接地は、ブレーカーがより速くトリップする (つまり、GFCI ) ため、より安全であるため、家庭配線にとって不可欠な経路でもあります。新しい接地を追加するには、配電地域に特有の知識を持つ資格のある電気技師が必要です。

中性線は、通常、回路を電源に戻す回路導体です。NECでは、中性線とアース線は、変圧器または発電機の中性点、または「システム中性点」に接続し、他の場所では接続しないことが規定されています。^[1]これは、単純な単一パネル設置の場合です。複数のパネルの場合、状況はより複雑になります。多相 (通常は3 相) AC システムでは、中性線は他の各回路導体と同様の電圧を持つように意図されていますが、位相がバランスしている場合は、ほとんど電流を流さない場合があります。

同じアース（接地）電気システムの中性線はすべてシステムアースを介して接続されているため、同じ電位を持つ必要があります。中性導体は通常、線路導体と同じ電圧で絶縁されていますが、興味深い例外があります。^[2]

中性線は通常、パネルボードまたは配電盤内の中性バスに接続され、電気サービス入口またはシステム内の変圧器でアースに「結合」されます。分相(3 線単相) サービスを備えた電気設備の場合、システムの中性点はサービス変圧器の二次側のセンタータップにあります。多相サービスを備えた電気設備など、より大規模な電気設備の場合、中性点は通常、デルタ/Y 接続変圧器の二次側の共通接続にあります。多相変圧器の他の配置では、中性点がなく、中性導体がない場合があります。

IEC規格 ( IEC 60364 ) は、建物内に中性線と接地線を設置する方法を成文化しており、これらの接地システムは文字記号で指定されています。文字記号はIEC規格を使用する国では一般的ですが、北米の慣行では IEC 記号が参照されることはほとんどありません。違いは、機器から接地までの導体が全長にわたって別々になっている場合と、全長全体または一部が結合されている場合があることです。中性線とローカル接地間の電圧差を最小限に抑えるために、さまざまなシステムが使用されます。接地導体に電流が流れると、導体に沿って電圧降下が発生します。接地システムは、この電圧が危険なレベルに達しないようにします。

TN-S システムでは、機器と電源 (発電機または電力会社変圧器) の間に、別々の中性線と保護接地導体が設置されています。通常の回路電流は中性線のみに流れ、保護接地導体はすべての機器ケースをアースに接続して、絶縁不良による漏れ電流を遮断します。中性線は建物の供給点でアースに接続されていますが、回路電流と保護導体には共通のアース パスは存在しません。

TN-C システムでは、共通導体が中性接地と保護接地の両方を提供します。中性導体は供給ポイントでアースに接続され、機器ケースは中性に接続されます。機器に漏れや絶縁不良がある場合、中性接続が壊れるとすべての機器ケースが危険な電圧まで上昇する危険性があります。これは特殊なケーブルで軽減できますが、コストが高くなります。

TN-CS システムでは、各電気機器には、ケースへの保護接地接続と中性接続の両方があります。これらはすべて、建物システム内の共通ポイントに戻され、そのポイントから電源とアースへの共通接続が行われます。

TT システムでは、長い共通の保護接地導体は使用されず、代わりに各電気機器 (または建物の配電システム) が独自のアース接地に接続されます。

インドのCEAR規則41には、次のような規定があります。

• 3相4線システムの中性導体と2相3線システムの中間導体には、十分な接地抵抗を得るために、少なくとも2つの異なる接地電極を備えた少なくとも2つの独立した個別の接地接続が必要です。
• 接地抵抗を減らすために接地電極を相互接続する必要がある
• 中性導体は、ユーザー側の接続に加えて、配電システムまたはサービスラインに沿った1つ以上のポイントで接地される必要があります。

供給電力の中性線を流れる電流によって接地導体に発生する漂遊電圧は、問題となる可能性があります。たとえば、乳牛の搾乳に使用する牛舎では、特別な対策が必要になる場合があります。通常、人間には感知できない非常に小さな電圧が、乳量の低下や乳房炎(乳房の炎症) を引き起こす可能性があります。^[3] 搾乳室の配電システムには、いわゆる「チクチク電圧フィルター」が必要になる場合があります。

中性線を機器ケースに接続すると、障害に対してある程度の保護が提供されますが、中性線の接続が切断されると、ケースに危険な電圧が発生する可能性があります。

中性線とアース線を組み合わせた導体は、電力会社の配線でよく使用され、建物内の固定配線や、鉄道や路面電車など、他に選択肢がほとんどない特殊な用途にも時々使用されます。中性線の通常の回路電流により、局所的なアース電位と中性線の間に不快または危険な電位差が生じる可能性があるため、また中性線の破損を防ぐために、アースへの頻繁なロッド接続 (複数のアース棒接続)、中性線とアースの組み合わせが位相導体を完全に取り囲むケーブルの使用、通常よりも厚い等電位ボンディングなどの特別な予防措置を検討して、システムの安全性を確保する必要があります。

米国では、第二次世界大戦中に銅ケーブルの銅を節約する対策として、一部のキッチンストーブ（レンジ、オーブン）、調理台、衣類乾燥機、その他特に記載された機器のケースは、中性線を介して接地されていました。この慣行は 1996 年版のNECから削除されましたが、既存の設備（「旧工事」と呼ばれる）では、そのような記載された機器のケースを接地用の中性線に接続できる場合があります。（カナダはこのシステムを採用せず、当時から現在に至るまで、中性線と接地線を別々に使用しています。）

この慣習は、120 ボルトと 240 ボルトの両方の負荷に電力を供給するために使用される3 線式システムから生まれました。これらのリストされた機器には、120 ボルトのいずれか、または 120 ボルトと 240 ボルトの両方を使用するコンポーネントが含まれていることが多いため、中性線にいくらかの電流が流れていることがよくあります。これは、障害状態でのみ電流を流す保護接地線とは異なります。機器の筐体を接地するために中性線を使用することは安全であると考えられていました。これは、デバイスが電源に恒久的に配線されているため、両方の電源導体を破壊せずに中性線が破壊される可能性は低いためです。また、機器内のランプや小型モーターによる不平衡電流は、導体の定格に比べて小さいため、中性線で大きな電圧降下が発生する可能性は低いです。

北米およびヨーロッパの慣習では、コード セットで接続された小型ポータブル機器は、特定の条件下では、接続プラグに 2 本の導体しかなくてもかまいません。有極プラグを使用して、機器の中性導体の識別を維持することはできますが、中性導体はシャーシ/ケースの接地には決して使用されません。ランプなどへの小型コードには、中性導体を識別するための 1 つ以上の成形隆起または埋め込みストリングが付いているか、色で識別されることがあります。ポータブル機器では、中性導体をケースの接地に使用せず、多くの場合、「二重絶縁」構造になっています。

プラグとソケットの設計により、システムの中性導体がデバイスの特定の端子に接続されていることを保証できない場所 (「無極性」プラグ) では、各回路のいずれかの極が地面に対して最大の主電圧に達する可能性があるという前提でポータブル機器を設計する必要があります。

北米の慣例によれば、コード セットで接続された機器は、240 ボルトのみで供給される場合は 3 本のワイヤが必要であり、120/240 ボルトで供給される場合は 4 本のワイヤ (中性線とアースを含む) が必要です。

NEC には、いわゆる技術機器、主にいわゆる「バランス型」120 ボルト回路で供給されるプロ仕様のオーディオおよびビデオ機器に関する特別な規定があります。変圧器のセンター タップは接地に接続され、機器には 2 本のライン ワイヤからそれぞれ 60 ボルトが接地に供給されます (ライン導体間では 120 ボルト)。センター タップは機器に分配されず、中性導体は使用されません。これらのケースでは、通常、ノイズと「ハム」の低減を目的として、安全接地導体から分離された接地導体が使用されます。

病院の患者ケアエリアには、以前は別の特殊な配電システムが指定されていました。患者に直接接続された機器（心臓を監視するための心電計など）を通過する可能性のある漏れ電流を最小限に抑える目的で、特別な絶縁変圧器から分離された電力システムが供給されました。回路の中性線は接地されていませんでした。漏れ電流は、配線の分布容量と電源変圧器の容量によるものでした。^[4]このような配電システムは、高い漏れ電流が検出されるとアラームを発するために、恒久的に設置された機器によって監視されていました。

共有中性線は、複数の回路が同じ中性線接続を使用する接続です。これは共通中性線とも呼ばれ、回路と中性線を合わせてエジソン回路と呼ばれることもあります。

三相回路では、中性線は 3 つの相すべてで共有されます。通常、システムの中性線は、給電トランスのスター ポイントに接続されます。ほとんどの三相配電トランスの二次側が Y 型またはスター型に巻かれているのは、このためです。三相トランスとそれに関連する中性線は、通常、産業配電環境で使用されます。

システムを完全に非接地にすることもできます。この場合、1 つの相と接地間の障害では、大きな電流は発生しません。通常、中性線は、中性線バーとアース線バー間の接続を介して接地 (アース) されます。大規模なシステムでは、中性線とアース間のリンクを流れる電流を監視し、これを中性線障害保護の基準として使用するのが一般的です。

中性線とアース間の接続により、位相対アースの故障で十分な電流が発生し、回路の過電流保護装置が「作動」します。管轄区域によっては、故障ループのインピーダンスが故障電流によって保護が作動するように十分に低いことを確認するための計算が必要です (オーストラリアでは、これは AS3000:2007 故障ループのインピーダンス計算で参照されます)。これにより、分岐回路の長さが制限される場合があります。

2 つの相が 1 つの中性線を共有し、3 番目の相が切断されている場合、最悪の電流消費は、片側がゼロ負荷でもう一方が全負荷の場合、または両側が全負荷の場合です。後者の場合、 、またはが電流の大きさになります。つまり、中性線の電流の大きさは、他の 2 本のワイヤの電流の大きさに等しくなります。 ${\displaystyle I_{\mathrm {m} }\angle {0}^{\circ }+I_{\mathrm {m} }\angle {-120}^{\circ }=I_{\mathrm {m} } \angle {-60}^{\circ }}$${\displaystyle I_{\mathrm {m} }\angle {0}^{\circ }+I_{\mathrm {m} }\angle {120}^{\circ }=I_{\mathrm {m} }\角度 {60}^{\circ }}$${\displaystyle I_{\mathrm {m} }\angle {120}^{\circ }+I_{\mathrm {m} }\angle {-120}^{\circ }=I_{\mathrm {m} } \angle {180}^{\circ }}$${\displaystyle I_{\mathrm {m} }}$

3 つの同一の抵抗負荷またはリアクタンス負荷を持つ 3 相線形回路では、中性線には電流が流れません。各相の負荷が同一でない場合、中性線には電流が流れます。管轄区域によっては、不平衡電流が予想されない場合は、中性線のサイズを小さくすることが許可されています。中性線が相導体よりも小さい場合、大きな不平衡負荷が発生すると過負荷になる可能性があります。

蛍光灯や HID 照明、スイッチング電源を備えた電子機器などの非線形負荷によって消費される電流には、多くの場合、高調波が含まれています。三次高調波電流 (第 3 高調波の奇数倍) は加算され、共有中性線の電流がどの相導体よりも多くなります。最悪の場合、共有中性線の電流は各相導体の 3 倍になることがあります。管轄区域によっては、三相電源から単相負荷に給電する場合に共有中性線を使用することを禁止しています。また、中性線が相導体よりも大幅に大きいことを要求している管轄区域もあります。4 極回路ブレーカー (標準の 3 極ではなく) を使用することをお勧めします。4 極は中性相であり、そのため中性線の過電流から保護されます。

北米のキッチンにあるデュプレックス レセプタクルなどの分相配線では、アースに加えて 3 本の導体を持つケーブルでデバイスを接続することができます。3 本の導体は通常、赤、黒、白に色付けされています。白は共通のニュートラルとして機能し、赤と黒はそれぞれ別々にレセプタクルの上部と下部のホット サイドに給電します。通常、このようなレセプタクルには、2 つの極のハンドルが共通のトリップのために一緒に結ばれた 2 つの回路ブレーカーから電力が供給されます。2 つの大型家電製品を同時に使用する場合、電流は両方を通過し、ニュートラルは電流の差のみを運びます。利点は、これらの負荷に対応するために 4 本ではなく 3 本のワイヤしか必要としないことです。1 つのキッチン家電製品が回路に過負荷をかけると、デュプレックス レセプタクルのもう一方の側も遮断されます。これは、マルチワイヤ分岐回路と呼ばれます。接続された負荷が同時に複数の相を使用する場合は、共通トリップが必要です。共通トリップは、1 つのデバイスが定格を超える電流を消費した場合に、共有ニュートラルが過負荷になるのを防ぎます。

接地接続が欠落しているか容量が不十分な場合、接続された機器に障害が発生したときに意図したとおりの保護機能が提供されない可能性があります。接地と回路中性線の間に余分な接続があると、接地経路に循環電流が生じたり、地面または構造物に漂遊電流が生じたり、漂遊電圧が生じたりする可能性があります。^[要出典]中性線に余分な接地接続があると、漏電遮断器によって提供される保護がバイパスされる可能性があります。接地接続に依存する信号回路は、接地接続が欠落していると機能しないか、不安定な動作になります。

• アプライアンスクラス
• 電気結合
• 電気配線
• イギリスの電気配線
• 北米の電気配線
• アースシステム
• アース（電気）

• リック・ギルモア他編、カナダ電気規格第 1 部、第 19 版、C22.1-02 電気設備の安全規格、カナダ規格協会、トロント、オンタリオ州、カナダ (2002) ISBN 1-55324-690-X 
• NFPA 70、National Electrical Code 2002、National Fire Protection Association、Inc.、米国マサチューセッツ州クインシー、(2002)。ISBN なし
• IEE 配線規則 電気設備規則 第 15 版 1981、電気技術者協会、(1981) ヒッチン、ハーツ、イギリス
• 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。
• エジソン回路は安全上の危険をもたらす
• 家庭配線の完全ガイド (リンクは切れていますが、Google 検索で複数のソースが見つかります)
• 高度な家庭配線