地絡は、電流が意図された回路経路から外れ、大地、接地導体、機器の筐体、またはその他の導電性表面に流れるときに発生します。. これは、絶縁体の損傷、湿気、配線の緩み、汚染、または機械的損傷に起因する可能性があります。.
地絡は、感電、過熱、機器の故障、および火災を引き起こす可能性があります。 電気自動車、バッテリーエネルギー貯蔵システム、太陽光発電設備、およびDC急速充電器において, それらはまた、高電圧回路とシャシーまたは保護アースの間の絶縁劣化を示している可能性もあります。.
I. 地絡とは何ですか？
以下の NISTによる地絡の定義, によると、それは接地導体、導電性材料、またはその他の接地リターンパスを介して、通常の回路経路の外側に流れる電流です。.
通常の状態では、電流は電源から負荷へと流れ、指定された導体を介して戻ります。地絡時には、その電流の一部または全部が意図しない経路をたどります。.
- 通電中の導体が接地された金属製筐体に接触する。.
- 損傷したケーブルの絶縁体により、電流がシャシーに到達する。.
- 水が大地への導電経路を作り出す。.
- DCバスの対地絶縁抵抗が低下する。.
- 機械的損傷の後、バッテリーの配線が車両のボディに接触する。.
地絡が常に極端に高い電流を発生させるとは限りません。その大きさは システム電圧、接地トポロジー、故障インピーダンス、導体抵抗、および利用可能なリターンパス. によって異なります。したがって、高抵抗の地絡は、従来の過電流ヒューズの動作閾値を下回ったままになる可能性があります。.
II. 地絡の原因は何ですか？
ほとんどの接地故障は、電気絶縁の喪失または、帯電導体と接地された導電部品との意図しない接続から始まります。.
- 経年または損傷した絶縁: 熱、電気的ストレス、長期運転によりケーブルや部品の絶縁が弱まることがあります。.
- 湿気または冷却液の侵入: 水、結露、バッテリー冷却液は絶縁抵抗を低下させることがあります。.
- 緩んだり損傷した配線: 振動、摩耗、不適切な配線ルーティング、緩んだ端子は、ライブ導体を露出させることがあります。.
- 導電性汚染: ほこり、金属粒子、塩、化学残留物は絶縁面を橋渡しすることがあります。.
- 機械的衝撃: 衝突、ケーブルの破損、バッテリーエンクロージャの損傷は、高電圧導体とシャーシを接続することがあります。.
- 設置ミス: 不適切な接地、不十分なクリーぺージ距離、損傷した端子は、意図しない接地経路を作り出すことがあります。.
III. 接地故障と短絡とアーク故障
| 故障タイプ | 電流経路 | 典型的な特徴 | 主な危険 |
|---|---|---|---|
| 接地故障 | ライブ導体をアース、シャーシまたは接地されたエンクロージャに接続 | 電流は高い場合や故障インピーダンスによって制限されることがあります | ショック、火災および帯電した金属工作物 |
| 短絡 | 異なる電位の導体間 | 通常は低インピーダンスで高電流の経路 | 熱的および機械的損傷 |
| アーク故障 | ギャップを越える電気アークによる故障 | 断続的または持続的なアーキング | 極端な熱と点火 |
| 過負荷 | 通常の回路経路を通じて | 電流が回路の連続定格を超える | 導体および部品の過熱 |
低インピーダンスの接地故障は短絡のように振る舞い、ヒューズやブレーカーを作動させるのに十分な電流を発生させることがあります。高抵抗の接地故障は漏電電流のみを生じさせることがあり、その場合は 接地故障リレー、残留電流装置または絶縁監視装置が必要です.
IV. なぜ接地故障は危険なのか？
感電
故障電流が安全に制御されていない場合、導電性のエンクロージャや車両のシャーシが危険な電位に上昇することがあります。帯電した表面に触れると、人体が電流経路の一部となる可能性があります。.
火災と過熱
抵抗性接続を通じて流れる故障電流は局所的な熱を発生させることがあります。損傷した絶縁体、端子、周囲の材料は、従来の過電流保護装置が作動する前に発火することがあります。.
機器の損傷と停止時間
接地故障はバッテリーモジュール、インバーター、電力変換システム、充電モジュール、接触器、制御電子機器を損傷させる可能性があります。データセンターや産業用直流ネットワークでは、予期しない停止が重要な負荷を中断することもあります。.
二次故障へのエスカレーション
一部の絶縁または非接地直流システムは、最初の絶縁故障後も運転を続けることがあります。反対側の極に二次故障が発生すると、シャーシや接地ネットワークを通じて深刻な極間電流経路が形成されることがあります。.
V. 接地故障はどのように検出されるのか？
残留電流測定
電流トランスや電子センサーは、出力側と入力側の電流を比較します。不均衡は、電流が他の経路を通じて漏れていることを示します。.
絶縁監視
An 絶縁監視装置（IMD） 帯電導体と保護接地またはシャーシ間の絶縁抵抗を測定します。テキサス・インスツルメンツは、バッテリーマネジメントシステム、エネルギー貯蔵装置、太陽光インバーター、DC充電装置を一般的なものとして識別しています。 高電圧絶縁監視用途.
地絡リレー
産業システムでは、ゼロシーケンス電流、残留電流、または電圧変位を監視するリレーを使用する場合があります。測定値が設定された閾値を超えると、リレーはアラームや遮断命令を発します。.
BMSおよび車両絶縁監視
電気自動車（EV）では、バッテリーマネジメントシステムが高電圧バッテリーと車両シャーシ間の絶縁抵抗を監督します。絶縁が許容閾値を下回ると、制御システムは接触器を開放したり、充電を制限したり、緊急遮断装置を作動させることがあります。.
VI. 地絡故障はどのように解除されるのか？
検出と遮断は別の機能です。センサーが異常状態を識別し、別の装置が影響を受けた回路を隔離する必要があります。.
- GFCI（漏電遮断器）、RCD（漏電保護装置）、または残留電流遮断器
- 地絡リレーによって動作する遮断器
- バッテリー接触器
- 十分に高い過電流時に動作する従来のヒューズ
- 積極的にトリガーされる パイロフューズ
- 監視、接触器、予備ヒューズの協調した組み合わせ
ヒューズは電流に反応し、絶縁抵抗を独立して測定できません。そのため、低レベルのリークは過電流ヒューズを作動させない場合があります。BMSや安全コントローラーが迅速な物理的絶縁を指示する必要がある場合、次の点を理解することが重要です。 Pyrofuseとは何か およびそれが接触器や従来のヒューズをどのように補完するか.
VII. 電気自動車における地絡故障
EVの高電圧システムは一般的に導電性の車体から絶縁されています。バッテリー、インバーター、モーター、車載充電器、電気コンプレッサー、DC配線は十分な絶縁を維持しなければなりません。.
- 損傷したオレンジ色の高電圧ケーブル
- バッテリーパック内部の冷却液漏れ
- インバーターまたはモーターの絶縁不良
- 汚染されたコネクター
- 衝突による損傷
- 高電圧エンクロージャーへの水の侵入
絶縁監視システムは、直接的な短絡状態になる前に抵抗の低下を検知できます。重大度に応じて、BMSはメイン接触器を開放したり、 電気自動車のPyrofuse. エンジニアはまた比較すべきです アクティブなPyrofuseのトリガー 完全な安全コンセプトを策定する際、受動的な過電流動作を伴うもの。.
VIII. 蓄電システムおよび充電システムにおける地絡
バッテリー蓄電システムには、長いDCストリング、電力変換機器、母線、多数の接続ポイントが含まれます。湿気、配線の損傷、または絶縁の劣化により、正極地絡または負極地絡が発生する可能性があります。.
絶縁型DCアーキテクチャでは、最初の地絡によって、即座に大きな過電流が発生することなく、極と大地間の電圧が変動する可能性があります。そのため、継続的な絶縁監視が重要となります。2つ目の地絡が発生すると、より破壊的な電流経路が形成される可能性があります。.
保護は、ストリングおよびラックのヒューズ、絶縁監視、地絡検出、コンタクタまたはDC遮断器、PCS保護、およびシステムレベルの緊急シャットダウン制御と連携させる必要があります。DC急速充電器は、高電圧、屋外での暴露、パワーエレクトロニクス、車両接続が組み合わさっているため、同様のリスクに直面します。.
IX. 地絡を安全に特定する方法
地絡のトラブルシューティングは、電圧と機器に適した手順に従った有資格者のみが実行する必要があります。.
- システムの通電を停止し、安全を確保する 適用される安全手順に従って。.
- アラームとイベントログを確認する BMS、IMD、インバータ、または保護継電器からの。.
- システムをセクションに分割する 影響を受けた回路を絞り込むため。.
- ケーブル、コネクタ、およびエンクロージャを点検する 湿気、摩耗、汚染、衝撃による損傷がないか確認する。.
- 絶縁抵抗を測定する システムに対して承認された機器とテスト電圧を使用して。.
- 敏感な電子機器を取り外す メーカーの要求により絶縁試験前に行うこと。.
- 根本的な原因を修理する, 単にアラームをリセットするのではなく。.
- 絶縁および機能試験を繰り返す 設備を運用に戻す前に。.
高電圧絶縁故障の唯一の評価として基本的な導通試験を使用しないこと。湿度、振動、温度、動作電圧下でのみ現れる断続的な故障もある。.
X. 効果的な漏電保護の設計方法
信頼性の高い保護設計は、接地方式と予想される故障電流範囲から始まる。エンジニアは次の点を評価すべきである：
- 最大動作電圧および過渡電圧
- 確実に接地された、抵抗接地された、または絶縁されたトポロジー
- 最小および最大の漏電電流
- 絶縁抵抗閾値
- 接触電圧と人員安全要件
- システムの接地容量
- 必要な検出および遮断時間
- 接触器の直流遮断能力
- ヒューズの電圧定格と遮断容量
- 故障電流の時間定数
- BMS、PCS、インバータ制御との調整
- 単一故障および二次故障の動作
単一コンポーネントですべての接地故障条件をカバーすることはできません。堅牢な設計では 層状保護: 早期検出のための絶縁監視、意思決定のための制御ロジック、指令隔離のための接触器またはトリガーデバイス、高電流のバックアップ保護のためのHVDCヒューズを使用します。.
XI. よくある質問
地絡故障はアース故障と同じですか？
これらの用語はしばしば同じ意味で使われます。どちらも一般的に、帯電した導体から地面、保護接地、シャーシ、または接地された導電性材料への意図しない電流の流れを表します。.
通常のヒューズは地絡故障を遮断しますか？
故障電流がヒューズの動作範囲に入り、十分長く持続する場合に限ります。高抵抗の地絡故障はその範囲以下に留まることがあり、専用の検出が必要です。パッシブおよびアクティブ絶縁デバイスの選択時に ヒューズとパイロフューズの違いを参照してください パッシブおよびアクティブ絶縁デバイスの選択時に。.
DCシステムで地絡故障が発生することはありますか？
はい。DC地絡故障は、電気自動車のバッテリー、太陽光発電アレイ、エネルギー貯蔵システム、UPS装置、データセンターおよびDC充電インフラストラクチャで発生します。.
ポール・アース故障とは何ですか？
それは、DCシステムの正極または負極と地面またはシャーシとの間の意図しない接続です。その挙動は、システムの接地トポロジーに大きく依存します。.
アース故障検出器とヒューズの違いは何ですか？
検出器はリーク電流、残留電流、または絶縁抵抗の低下を感知します。ヒューズは、定格電流時間条件に達したときに電流を遮断します。.
絶縁故障後に電気自動車は運転を続けることができますか？
対応はシステム設計、故障の重大性、および適用される安全要件によります。車両は警告を発し、運転を制限し、接触器を開放したり、緊急隔離を開始したりすることがあります。.
第十二章 結論
アース故障は、電圧を帯びた回路と地面、シャーシ、または接地された導電性材料との間の意図しない電流経路です。これは小さなリーク電流として始まり、後に破壊的な短絡に発展することがあります。.
効果的な保護には、 絶縁監視、アース故障検出、制御ロジック、接触器、HVDCヒューズ、および能動的にトリガーされる切断装置の協調が必要です。. 電気自動車、エネルギー貯蔵、充電または産業用DCプロジェクトの場合、Chauronはシステム電圧、連続電流、予想故障電流、時間定数、および絶縁戦略をレビューできます。.