電験三種 学習ノート

はじめに

電線は絶縁物で覆われている。電気は漏れないの？

絶縁物は熱・ひび・湿気で傷み、電気が大地へ漏れる

洗濯機の金属に触れてピリッとするのは、漏れのことも

低圧は絶縁抵抗、高圧は何Vを何分間かけるかで確かめる

電路の絶縁・絶縁抵抗・絶縁耐力試験の順に学ぶ

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「電線はビニールで覆われているから、電気が漏れることなんてないんじゃないの？」

ふだん目にする電線は、どれも絶縁物で覆われています。だから、電気はきちんと電線の中だけを流れている、と思いがちです。

ところが、絶縁物は年月とともに傷みます。熱で硬くなったり、ひびが入ったり、湿気を吸ったりします。すると、ほんのわずかずつ、電気が大地へ漏れはじめます。洗濯機の金属の部分に触れてピリッとするのは、こうした漏れが原因のことがあります。

実は、絶縁がどれだけ保たれているかは、数値で確かめることができます。低圧の電路は「絶縁抵抗が何MΩ以上」、高圧の電路は「何Vを何分間かけても壊れない」という基準で確かめます。この数値は、法規の計算問題の定番です。

そこで登場するのが、今回の主役 電路の絶縁 と 絶縁耐力試験 です。

前回の記事では、電技と解釈の関係や、低圧・高圧・特別高圧という電圧の区分を学びました。今回の記事では、電路を大地から絶縁する決まりと、低圧電路の絶縁抵抗の基準、そして高圧電路の絶縁耐力試験の試験電圧の求め方について解説します。

電路の絶縁：電気を大地へ漏らさない

電路は、大地から絶縁しなければならない

電路は水道管、絶縁は管の壁。穴から水がしみ出す

絶縁が傷むと、電路から大地へ漏えい電流が流れる

漏えい電流が増えると、感電や火災の原因になる

接地工事のように、わざと大地につなぐ例外もある

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はじめに、電路の絶縁について紹介します。

電技では、電路は、大地から絶縁しなければならない と定めています。これが 電路の絶縁 の決まりです。前回学んだように、電路は通常の使用状態で電気が通じているところでした。その電路と大地とのあいだを、電気が通らないように隔てておく、ということです。

水道にたとえると、電路は水道管で、絶縁は管の壁です。管の壁に小さな穴があくと、水が少しずつ地面へしみ出します。電気でも、絶縁が傷むと、電路から大地へ電流が漏れます。この漏れる電流を 漏えい電流 と呼びます。

漏えい電流は、量が少ないうちは目立ちません。しかし、増えていくと、機器の外箱に触れた人が感電したり、漏れた電流で熱が出て火災になったりします。だから、絶縁の状態を定期的に数値で確かめるのです。

ただし、どうしても大地とつながる部分もあります。例えば、次の記事で学ぶ接地工事では、保安のために電路の一部をわざと大地につなぎます。このように、構造上やむを得ない場合や、異常のときの危険を避けるために接地する場合などは、例外として認められています。

このように、電路は原則として大地から絶縁し、絶縁が傷むと漏えい電流が流れて感電や火災の原因になります。

以上が、電路の絶縁についてです。

絶縁抵抗：低圧電路の基準

絶縁抵抗は電路と大地の間の抵抗。単位はMΩ

対地電圧100Vで0.1MΩなら、漏えい電流は1mA

絶縁抵抗が大きいほど、漏えい電流は小さくなる

低圧電路の絶縁抵抗は0.1・0.2・0.4MΩ以上

住宅は0.1MΩ、三相200Vは0.2MΩ、400Vは0.4MΩ

ふつうは電気を止めて、絶縁抵抗計で測る

電気を止めにくい場所は、漏えい電流1mA以下でよい

低圧電線路の漏えい電流は、最大供給電流の2,000分の1まで

30kVA・210Vなら最大供給電流142.9A、上限71.4mA

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次に、絶縁抵抗について紹介します。

絶縁抵抗 とは、電路と大地とのあいだ（または電線どうしのあいだ）の抵抗のことです。絶縁がしっかりしているほど、絶縁抵抗は大きくなり、漏えい電流は小さくなります。単位は メガオーム［MΩ］ で、1MΩ は 1,000,000Ω です。

理論で学んだオームの法則を使うと、漏えい電流は「電圧 ÷ 絶縁抵抗」で求められます。例えば、対地電圧 100V の電路の絶縁抵抗が 0.1MΩ なら、漏えい電流は 100 ÷ 100,000 = 0.001A、つまり 1mA です。

1つずつ見ていきましょう。

1. 電気使用場所の低圧電路の絶縁抵抗

電技では、電気使用場所の低圧の電路について、開閉器や過電流遮断器で区切ることのできる電路ごとに、絶縁抵抗の最低の値を定めています。

電圧が高いほど、求められる絶縁抵抗も大きくなります。電圧が2倍になっても漏えい電流を同じくらいに抑えるには、絶縁抵抗も2倍ほど必要になる、と考えると覚えやすいです。

身近な例に当てはめてみましょう。

【絶縁抵抗の当てはめの例】

• 住宅の単相3線式 100V/200V： 対地電圧は 100V なので、0.1MΩ 以上
• 工場の三相3線式 200V の動力回路： 対地電圧が 200V になるので、0.2MΩ 以上
• 三相4線式 400V の回路： 使用電圧が 300V を超えるので、0.4MΩ 以上

補足（ここは読み飛ばしてOK）：対地電圧とは、接地している電路では電線と大地とのあいだの電圧、接地していない電路では電線どうしのあいだの電圧のことです。

2. 測定が難しいときは漏えい電流で確かめる

絶縁抵抗を測るには、ふつう電気を止めて 絶縁抵抗計 を使います。けれども、病院やデータセンターのように、なかなか電気を止められない場所もあります。

そこで解釈では、絶縁抵抗の測定が難しい場合は、使用電圧がかかった状態での 漏えい電流が 1mA 以下 であればよい、としています。先ほど計算したように、100V で 0.1MΩ のときの漏えい電流がちょうど 1mA なので、2つの基準は同じくらいの厳しさだと分かります。

3. 低圧電線路の絶縁

電気使用場所までの低圧電線路にも、決まりがあります。低圧電線路の絶縁部分の電線と大地とのあいだの絶縁抵抗は、使用電圧に対する漏えい電流が 最大供給電流の 2,000 分の 1 を超えないようにします。

$$I_g \leqq \frac{I_m}{2000}$$

記号の意味は、$I_g$ が漏えい電流［A］、$I_m$ が最大供給電流［A］です。言葉で言うと、「漏れてよいのは、流す電流の 2,000 分の 1 まで」です。

例題：低圧電線路の漏えい電流の上限

定格容量 30kVA、二次電圧 210V の単相変圧器から、単相2線式で電気を供給する低圧電線路があります。電線1線と大地とのあいだの漏えい電流の上限は、何mA でしょうか？

【解き方】

1. 最大供給電流を求める： $I_m = 30{,}000 \div 210 \fallingdotseq 142.9$ A（kVA を VA に直してから割る）
2. 2,000 分の 1 にする： $142.9 \div 2000 \fallingdotseq 0.0714$ A
3. mA に直す： 0.0714A = 71.4mA

答えは約 71.4mA です。kVA を 1,000 倍して VA にするところと、A を mA に直すところでつまずきやすいので気をつけましょう。

試験のポイント：電気使用場所の低圧電路の絶縁抵抗は「0.1MΩ・0.2MΩ・0.4MΩ」の3段階、測定が難しいときは「漏えい電流 1mA 以下」、低圧電線路は「最大供給電流の 2,000 分の 1」です。

このように、低圧電路の絶縁は、電圧の区分に応じた絶縁抵抗の値や、漏えい電流の上限で確かめます。

以上が、絶縁抵抗についてです。

絶縁耐力試験：高い電圧をかけて確かめる

ふだんより高い電圧をかけても、絶縁が壊れないか確かめる

橋に重いおもりを載せてしばらく置く試験と同じ考え方

電圧は上下するので、公称電圧より少し高い値を使う

最大使用電圧は公称電圧×1.15/1.1。6,600Vなら6,900V

試験電圧を、電路と大地の間に連続して10分間かける

試験電圧は、7,000V以下なら最大使用電圧の1.5倍

ケーブルは充電電流が大きいので、2倍の直流で試験してよい

6,600V→6,900V→交流10,350V。直流なら20,700V

公称電圧にいきなり1.5倍をかけて9,900Vとするのは誤り

3線一括で0.9μF。充電電流は約2.93A、容量は約30.3kVA

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最後に、絶縁耐力試験について紹介します。

高圧や特別高圧の電路では、絶縁抵抗を測るだけでは足りません。ふだんより高い電圧がかかっても、絶縁が壊れないことを確かめる必要があります。そこで行うのが 絶縁耐力試験 です。

橋の耐荷重の試験にたとえると分かりやすいです。ふだん通る車より重いおもりを載せて、しばらく置いても壊れなければ、ふだんの使い方では安心です。絶縁耐力試験も、ふだんより高い電圧を一定の時間かけて、絶縁が耐えるかを確かめます。

1. 最大使用電圧

試験電圧のもとになるのが 最大使用電圧 です。最大使用電圧とは、通常の使用状態で電路にかかる最大の線間電圧のことです。

配電線の電圧は、時間や場所によって少し上下します。そのため、公称電圧（使用電圧）より少し高い値を、最大使用電圧として使います。公称電圧が 1,000V を超え 500,000V 未満の電路では、次の式で求めます。

$$\text{最大使用電圧} = \text{公称電圧} \times \frac{1.15}{1.1}$$

具体的に計算してみましょう。公称電圧 6,600V の高圧の電路なら、$6{,}600 \times 1.15 \div 1.1 = 6{,}900$ V です。公称電圧 22,000V なら、23,000V です。

2. 試験電圧と時間

高圧と特別高圧の電路の絶縁耐力試験は、決められた 試験電圧 を、電路と大地とのあいだに 連続して 10分間 かけて、これに耐えることを確かめます。ケーブルのように心線が何本もあるものは、心線どうしのあいだにもかけます。

試験電圧は、最大使用電圧に倍率をかけて求めます。電験三種でよく使うのは、次の部分です。

最大使用電圧が 60,000V を超える電路では、中性点の接地のしかたによって倍率が変わります。まずは、高圧の「1.5 倍」と、特別高圧の「1.25 倍」を確実に押さえましょう。

ここで1つ注意があります。ケーブルは静電容量が大きく、交流で試験すると大きな充電電流が流れて、大がかりな試験装置が要ります。そこで、交流の電路に使うケーブルは、表の試験電圧の 2倍の直流電圧 を 10分間かけて試験してもよい、とされています。

例題：高圧電路の試験電圧

公称電圧 6,600V の三相3線式の高圧電路（ケーブル）の絶縁耐力試験を行います。交流で試験するときと、直流で試験するときの試験電圧は、それぞれ何V でしょうか？

【解き方】

1. 最大使用電圧を求める： $6{,}600 \times 1.15 \div 1.1 = 6{,}900$ V
2. 7,000V 以下なので 1.5 倍する： $6{,}900 \times 1.5 = 10{,}350$ V（交流）
3. ケーブルを直流で試験するときは 2 倍： $10{,}350 \times 2 = 20{,}700$ V（直流）

答えは、交流で 10,350V、直流で 20,700V です。どちらも連続して 10分間かけます。公称電圧 6,600V にいきなり 1.5 倍をかけて 9,900V としてしまう間違いが多いので、最大使用電圧を先に求める順番を守りましょう。

例題：試験に必要な電流と容量

前の例題のケーブルを、3線を一括して大地とのあいだに交流 10,350V をかけて試験します。1線と大地とのあいだの静電容量は 0.3μF、周波数は 50Hz です。試験のときに流れる充電電流と、試験用の電源に必要な容量を求めましょう。

【解き方】

1. 3線一括なので、静電容量は 3 倍： $C = 3 \times 0.3 = 0.9$ μF $= 0.9 \times 10^{-6}$ F
2. 充電電流を求める： $I = 2\pi f C V = 2\pi \times 50 \times 0.9 \times 10^{-6} \times 10{,}350 \fallingdotseq 2.93$ A
3. 容量を求める： $S = VI = 10{,}350 \times 2.93 \fallingdotseq 30{,}300$ VA

答えは、充電電流が約 2.93A、容量が約 30.3kVA です。コンデンサの電流 $I = 2\pi f C V$ は、理論で学んだ容量性リアクタンスの考え方そのものです。μF を F に直すところに気をつけましょう。

試験のポイント：最大使用電圧は公称電圧の $1.15/1.1$ 倍、7,000V 以下の電路の試験電圧は最大使用電圧の 1.5 倍、時間は連続 10分間、ケーブルは直流なら 2 倍です。この流れで試験電圧を求める問題は、B 問題の定番です。

このように、絶縁耐力試験は、最大使用電圧に倍率をかけた試験電圧を 10分間かけて、高圧や特別高圧の電路の絶縁が耐えることを確かめる試験です。

以上が、絶縁耐力試験についてです。

今回のまとめ

電路は大地から絶縁する。傷むと漏えい電流が流れる

低圧電路の絶縁抵抗は0.1・0.2・0.4MΩの3段階

測りにくいときは1mA以下、電線路は2,000分の1以下

公称電圧×1.15/1.1に倍率をかけ、連続して10分間

キーワードは電路の絶縁・絶縁抵抗・絶縁耐力試験など

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それでは、今回の内容を振り返ります。

今回は、電路の絶縁と絶縁耐力試験について紹介しました。電路は大地から絶縁するのが原則で、その状態を低圧では絶縁抵抗や漏えい電流で、高圧や特別高圧では高い電圧をかける絶縁耐力試験で確かめます。

今回のポイントを振り返りましょう。

振り返り

• 電路は原則として大地から絶縁する。絶縁が傷むと漏えい電流が流れる。
• 低圧電路の絶縁抵抗は、対地電圧 150V 以下で 0.1MΩ、300V 以下でそれ以外は 0.2MΩ、300V 超で 0.4MΩ 以上。
• 測定が難しいときは漏えい電流 1mA 以下、低圧電線路の漏えい電流は最大供給電流の 2,000 分の 1 以下。
• 試験電圧は、最大使用電圧（公称電圧 × 1.15/1.1）に倍率をかけて求め、連続して 10分間かける。

キーワードのおさらい

• 電路の絶縁: 電路を大地から絶縁すること。電技の原則
• 絶縁抵抗: 電路と大地とのあいだなどの抵抗。大きいほど絶縁がよい
• 漏えい電流: 絶縁物を通って大地などへ漏れる電流
• 最大使用電圧: 通常の使用状態で電路にかかる最大の線間電圧
• 絶縁耐力試験: 試験電圧を一定時間かけて、絶縁が耐えることを確かめる試験
• 試験電圧: 絶縁耐力試験でかける電圧。最大使用電圧に倍率をかけて求める

以上が、今回のまとめです。

さて、どれだけ絶縁に気をつけても、絶縁が壊れて機器の外箱に電気が漏れることはあります。そのとき、触れた人が感電しないようにするには、どうすればよいのでしょうか？

次回は、電気を安全に大地へ逃がす「接地工事」について紹介します。

それでは、次の記事へ進んでいきましょう。