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高電圧とは、人身傷害や物的損害を引き起こすのに十分な大きさの電位のことです。特定の産業分野では、高電圧とは公称閾値を超える電圧を指します。高電圧を扱う機器や導体には、特別な安全要件と手順が求められます。
高電圧は、電力配電、陰極線管、 X線や粒子ビームの生成、電気アークの発生、点火、光電子増倍管、高出力増幅用真空管、その他産業、軍事、科学分野での用途に用いられています。
高電圧の数値的な定義は、文脈によって異なります。電圧を高電圧と分類する際に考慮される2つの要素は、空気中で火花を発生させる可能性と、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各国の対応機関（IET、IEEE、VDEなど）は、IEC 61140において、交流の場合は1000V以上、直流の場合は少なくとも1500Vを高電圧と定義している。[ 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、極超高電圧を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1500VリップルフリーDCを超える場合、または導体とアース間の電圧差が600VACまたは900VリップルフリーDC を超える場合と定義しています。 [ 3 ]
管轄区域によっては、電気技師は特定の電圧クラスのみの免許しか取得できない場合があります。 [ 4 ]例えば、 HVACシステム、火災報知システム、閉回路テレビシステム の設置などの専門サブトレードの電気技師免許では、導体間の電圧が最大30ボルトまでのシステムを設置することのみが許可され、主電源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、普段遭遇する最高電圧が流れる家庭用主電源回路（100～250 VAC）を高電圧と考えるかもしれません。
約50ボルトを超える電圧は、回路の2点に触れた人体に危険な量の電流を流す可能性があるため、そのような回路に関する安全基準はより厳しくなっている。
自動車工学では、高電圧は30～ 1000VACまたは60～ 1500VDCの範囲の電圧と定義されています 。[ 5 ]
超高電圧(EHV) の定義は、文脈によって異なります。電力送電工学では、EHV は 345,000～765,000 V 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、機器内の他の電圧源と比較して、超高電圧または超高電圧(EHT)と表現できます。このタイプの電源は 5 kV から約 30 kV の範囲です。
低湿度条件下でよく見られる静電気火花は 、常に700Vをはるかに超える電圧を伴います。例えば、冬場の車のドアへの火花は、20,000Vもの高電圧を伴うことがあります 。[ 7 ]
ヴァンデグラフ起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は持ちません。 誘導コイルはフライバック効果で動作し、入力電圧に巻数比を掛けた値よりも大きな電圧を生成します。通常、静電発電機よりも高い電流を生成しますが、必要な出力電圧を2倍にするごとに、二次巻線に必要なワイヤの量のために重量がほぼ2倍になります。したがって、ワイヤの巻数を増やして電圧を上げ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・ウォルトン乗算器は、誘導コイルによって生成される電圧を乗算するために使用できます。これは、ダイオードスイッチを使用してコンデンサのラダーを充電することで直流を生成します。 テスラコイルは共振を利用し、軽量で、半導体を必要としません。
最も規模の大きい火花は、自然界で雷によって発生するものです。平均的な負極性の雷は、30～50キロアンペアの電流を流し、5クーロンの電荷を移動させ、500メガジュールのエネルギーを放出します（TNT換算で 120kg 、100ワットの電球を約2か月間点灯させるのに十分なエネルギー）。一方、平均的な正極性の雷（雷雨の頂上から発生するもの）は、300～500キロアンペアの電流を流し、最大300クーロンの電荷を移動させ、最大1ギガボルト（10億ボルト）の電位差を持ち、300ギガジュールのエネルギーを放出する可能性があります（TNT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）。負極性の雷は通常、数十マイクロ秒しか続きませんが、複数回発生することはよくあります。正極性の落雷は通常は単発の現象だが、ピーク時の電流は数百ミリ秒にわたって流れることがあり、負極性の落雷よりもはるかにエネルギーが高い。
標準温度圧力(STP) における球形電極間の乾燥空気の絶縁破壊強度は約33 kV/cm です。[ 8 ]これはあくまで目安であり、実際の絶縁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(小型または尖った導体に高電圧を印加した場合) は、空気中で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 ボルト以下の電圧では、大気圧下で空気中に容易に目に見える火花や発光は発生しないため、このルールではこれらの電圧は「低い」と言えます。しかし、低気圧条件下 (高高度航空機内など) や、アルゴンやネオンなどの希ガス環境下では、はるかに低い電圧で火花が発生します。500～700 ボルトは火花放電を発生させるための固定の最小値ではありませんが、経験則です。フリードリヒ・パッシェンが指摘したように、標準状態（STP）の空気の場合、最小スパークオーバー電圧は約327ボルトである。[ 9 ]
一般的に、低電圧では電圧印加前に存在する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を遮断すると、低電圧の火花やアークが発生することがよくあります。接点が分離されると、ごく少数の小さな接点が最後に分離します。電流はこれらの小さなホットスポットに集中し、ホットスポットが白熱状態になり、熱電子放出によって電子を放出します。暗い部屋では、このメカニズムによって、小型の9V電池でも目立つ火花が発生することがあります。イオン化された空気と（接点からの）金属蒸気がプラズマを形成し、一時的に広がるギャップを橋渡しします。電源と負荷が十分な電流を流せる場合、自己持続的なアークが発生する可能性があります。一度アークが発生すると、回路が切断されるまでかなりの長さにまでアークが伸びることがあります。誘導回路を開こうとすると、電流が遮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。交流システムでは、1サイクルあたり2回電流がゼロに戻るため、持続的なアークが発生する可能性はやや低くなります。電流がゼロクロス点を通過するたびにアークは消滅し、アークを維持するためには次の半サイクル中に再点火する必要がある。
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。そのため、電気機器で意図せず発生するアークは危険です。たとえ小さなアークでも、十分な電流が流れれば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ような、意図的に発生するアークの場合、回路内にアークの電流・電圧特性を安定させるための要素が必要です。
電力の送電線および配電線では、通常、数十キロボルトから数百キロボルトの電圧が使用されます。これらの線路は、架空線または地中線として敷設されます。高電圧は、長距離送電時の抵抗損失を低減するために配電に用いられます。
半導体製造において、ウェハ表面に金属薄膜をスパッタリングするために使用される。また、静電植毛法において、物体を小さな繊維でコーティングし、繊維が端で立ち上がるようにするためにも使用される。
火花放電は、歴史的に初期の無線送信方式として利用されてきた。同様に、木星の大気中の雷放電は、木星の強力な無線周波数放射の発生源であると考えられている。[ 10 ]
高電圧は、画期的な化学実験や素粒子物理学の実験、発見に用いられてきました。電気アークは、大気からアルゴン元素を分離・発見する際に使用されました。誘導コイルは初期のX線管の動力源でした。モーズリーは、X線管を陽極として使用した際に放出されるスペクトルから、いくつかの金属元素の原子番号を決定しました。高電圧は、顕微鏡用の電子ビームを生成するためにも使用されます。コッククロフトとウォルトンは、水素原子を加速することで酸化リチウム中のリチウム原子をヘリウムに変換する電圧増倍器を発明しました。
乾燥した無傷の人体に50Vを超える電圧をかけると、胸部を通過する体組織に電流が流れ、心房細動を引き起こす可能性があります。感電の危険性がある電圧は、乾燥した人体の皮膚の電気伝導率によって異なります。乾燥した皮膚の絶縁特性により、生きた人体組織は50V程度までは損傷から保護されます。しかし、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かけられたりすると、40V以下の電圧源でも致命的と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誤って接触すると、重傷または死亡に至る可能性があります。これは、人体が電流の経路となり、組織損傷や心不全を引き起こすことで発生します。その他の傷害としては、偶発的な接触によって発生するアーク放電による火傷が挙げられます。これらの火傷は、被害者の気道が影響を受けると特に危険です。また、高所から落下したり、かなりの距離まで投げ飛ばされたりした場合に、物理的な衝撃によって傷害を負うこともあります。
高電圧への低エネルギー曝露は無害な場合があり、例えば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際に発生する火花などが挙げられます。電圧は1000ボルトにも達することがありますが、平均電流は低い値です。
怪我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、特に心臓の領域に電気エネルギーが流れないような条件下で作業することが含まれます。高電圧機器では、2本の導体間に電気が流れ、人体で回路が完成することがあります。これを防ぐには、作業者はゴム手袋などの絶縁服を着用し、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。機器とアースの間にも電流が流れることがあります。これを防ぐには、作業者はゴムマットなどの絶縁された表面の上に立つ必要があります。安全装置は、使用者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。テストの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、手袋のテストから高所作業台（EWP）のテストまでサービスを提供しています。
送電線導体に接触したり、近づいたりすると、感電の危険があります。架空線に接触すると、怪我や死亡につながる可能性があります。金属製の梯子、農機具、ボートのマスト、建設機械、アンテナ、および同様の物体が、架空線との致命的な接触に巻き込まれることがよくあります。許可されていない人が送電鉄塔や電気機器に登ると、感電の犠牲になることもよくあります。[ 11 ]非常に高い送電電圧では、高電圧が大きな空気ギャップを越えてアーク放電を起こす可能性があるため、近づいただけでも危険です。
埋設ケーブルを掘り起こす作業は、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した掘削機器（手工具または機械駆動）は、配管や周辺の地面に電流を流し、近くの作業員が感電する恐れがあります。高圧送電線や変電所の故障は、地表に大電流を流し、地電位の上昇を引き起こし、感電の危険性も高めます。
高電圧および超高電圧送電線では、特別に訓練された作業員が「活線」技術を用いて、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ますが、大地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わたり、作業員にとって依然として危険を伴うため、活線状態で保守されるのは非常に重要な送電線に限られます。こうした適切に設計された状況以外では、大地からの絶縁は電流が大地に流れないことを保証するものではありません。接地やアーク放電は予期せぬ形で発生する可能性があり、高周波電流は接地されていない人でも火傷を負わせる可能性があるからです。このため、送信アンテナに触れるのは危険であり、高周波テスラコイルは片方の端点だけで火花を発生させることができます。
高電圧送電線に設置された保護装置は、通常、不要なアークの発生を防止するか、数十ミリ秒以内にアークが消弧されるように設計されています。高電圧回路を遮断する電気機器は、発生したアークを安全に誘導し、損傷を与えることなく消散させるように設計されています。高電圧遮断器は、高電圧回路が遮断された際に、高圧空気の噴射、特殊な絶縁ガス（加圧されたSF6など）、または鉱物油への浸漬を用いてアークを消弧す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。高電圧部と低電圧部の間にアーク放電が発生する可能性を低減するため、両者を物理的に離して配置します。コロナ放電による損失を避けるため、導体はできるだけ短く、鋭利な部分がないようにします。絶縁されている場合は、プラスチック被覆に気泡が混入していないことを確認し、気泡内でコロナ放電が発生しないようにします。
高電圧は、十分な電流を供給できない場合は必ずしも危険ではありません。ヴァンデグラフ起電機やウィムズハースト起電機などの静電発電機は、100万ボルト近い電圧を発生させますが、一瞬の刺激を与えるだけです。これは、電流が低い、つまり比較的少数の電子しか移動しないためです。これらのデバイスは蓄積エネルギー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 ナノ秒の間1Aの範囲でピークに達します。[ 12 ] [ 13 ]
放電は極めて短時間で極めて高い電圧を伴う場合があるが、心房細動を引き起こすには、電源装置が心筋に数ミリ秒にわたって相当量の電流を流し続け、かつ総エネルギーが少なくともミリジュール以上の範囲で蓄積されなければならない。したがって、約50ボルトを超える比較的高い電流は、医学的に重大な影響を及ぼす可能性があり、場合によっては致命的となる可能性がある。
放電中、これらの装置は人体に高電圧を印加するのはわずか100万分の1秒以下です。そのため、ごく短時間だけ低電流が流れ、関与する電子の数も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起電機に似ているように見えるが、静電発電機ではなく、強力な高周波電流を連続的に発生させることができる。静電発電機は電荷の蓄積に時間がかかるのに対し、テスラコイルは接触が維持されている限り人体に供給される電流は比較的一定であり、電圧は人間の皮膚の絶縁破壊電圧をはるかに上回る。そのため、テスラコイルの出力は危険であり、場合によっては致命的となる可能性もある。
開閉装置ラインアップで想定される短絡電流によっては、高強度のアーク放電が発生する可能性があり、保守・運転担当者に危険が及ぶことがあります。アークの最高温度は10,000ケルビンを超えることがあり、放射熱、膨張する高温空気、金属や絶縁材の爆発的な蒸発により、保護されていない作業員は重傷を負う可能性があります。このような開閉装置ラインアップと高エネルギーアーク源は、電力会社の変電所や発電所、工業プラント、大型商業ビルなどで一般的に見られます。米国では、全米防火協会（ NFPA）がアークフラッシュの危険性を評価・計算するためのガイドライン規格NFPA 70Eを発行しており、職場においてこのような危険にさらされる電気作業員に必要な保護服の規格も定めています。
空気を絶縁破壊するのに十分な電圧でなくても、可燃性ガスや蒸気、あるいは浮遊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。例えば、水素ガス、天然ガス、あるいはガソリン蒸気が空気と混ざったものは、電気機器から発生する火花によって発火する可能性があります。危険区域を有す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、炭鉱などが挙げられます。
このような爆発を防ぐために講じられた対策には、以下のようなものがある。
近年、爆発危険保護に関する基準は、欧米間でより統一されてきている。「ゾーン」分類システムは、米国電気工事規程（NEC）およびカナダ電気工事規程（CEC）において、修正された形で採用されている。本質安全防爆装置は、現在、北米での用途において使用が承認されている。
部分放電やコロナ放電を含む電気放電は、少量の有毒ガスを発生させる可能性があり、密閉空間では健康被害を引き起こす可能性があります。これらのガスには、オゾンや様々な窒素酸化物などの酸化剤が含まれます。これらは特有の臭いや色で容易に識別できるため、接触時間を最小限に抑えることができます。 一酸化窒素は無色ですが、甘い臭いがあります。数分以内に二酸化窒素に酸化され、濃度によって黄色または赤褐色を呈し、プールの塩素ガスのような臭いがします。オゾンは無色ですが、雷雨後の空気のような刺激臭があります。オゾンは短寿命で、その半分は酸素に分解されます。通常の気温と気圧下では、1日以内に2回。
落雷による危険には、人や物への直撃が含まれます。しかし、落雷は地中に危険な電圧勾配や電磁パルスを発生させ、電話線、フェンス、パイプラインなどの金属物体を危険な電圧まで帯電させ、その電圧は落雷地点から何マイルも離れた場所まで伝わ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絶縁体が電気的に破壊され、導体として機能してしまうことがあります。このように伝わる電位は、人、家畜、電子機器にとって危険です。落雷は火災や爆発も引き起こし、死傷者や物的損害をもたらします。例えば、北米では毎年、落雷によって数千件の森林火災が発生しています。
落雷を制御するための対策は、危険性を軽減することができます。これには、避雷針、遮蔽線、建物の電気部分と構造部分を接続して連続した囲いを形成することなどが含まれます。