電気​機器​に​向け​た​絶縁​および​安全​に関する​規格

あるメーカーは、DMMは絶縁されたカテゴリIIマルチメータであるとしています。別のメーカーは、DMMは二重絶縁のカテゴリIユニットであるとしています。この用語の意味は何でしょうか。両方のDMMの定格が250 V_RMSの場合、違いはありますか。本記事の目的は、これらの用語の由来、その意味、安全基準への影響について説明することです。

図1.一般的な計測器の安全記号の説明

製品の安全性が問題になる場合、通常、何が安全で何が安全でないかを示す基準があります。高電圧も例外ではありません。欧州委員会とUL (米国保険業者安全試験所) の両方。(UL) は、高電圧機器の安全設計に関する規格を発行しています。

1973年、欧州委員会は低電圧指令 (72/23/EEC) を発行しました。このドキュメントには、電気デバイスを安全に使用するための特別な注意事項を必要とする明確に定義された電圧が記載されています。これらのレベルは以下の範囲です。

• 最小:50 V_RMSまたは75 VDC
• 最大:1,000 V_RMSまたは1,500 VDC

1997年1月1日、低電圧指令がCEマークスキームの必須要件として追加されました。

低電圧指令には、約200の個別の安全基準が調整されています (適合を示すために使用が承認されています)。計測器メーカーに最も関わりのある規格は、EN 61010―測定、制御、研究室用電気機器の安全性要件です。61010は、低電圧指令よりも少しだけ厳格です。そこでは、30 Vrmsまたは60 VDCが危険電圧であるとされています。高電圧設計要件の他にも、EN 61010では可燃性や熱といった他の安全設計制限についても定めています。計測器メーカーがCEラベルを取得するためには、EN 61010のすべての仕様を満たす必要があります。

EN 61010によく似た規格が2つあります。それはIEC 1010とUL 3111です。国際電気標準会議が定めたIEC 1010は、EN 61010の先行となった規格です。欧州委員会が採用し、名称をEN 61010に変更しました。UL 3111も、IEC 1010が基になったもので、ULはIEC 1010に修正を加え、UL 3111として採用しました。この厳格な新UL規格は、計測、制御、研究用計測器向けの規格として、より寛大な旧UL 1244規格に代わるものです。新たに開発する設計は、UL 3111のすべての仕様を満たしていなければ、UL規格準拠の認定を受けることはできません。

このドキュメントの残りの部分では、製品がこれらの規格に準拠するために製造元が留意する必要がある電気安全上の問題について説明します。簡素化のため、本記事では元の規格IEC 1010のみについて言及します。ただし、IEC 1010に関するすべての注意事項は、UL 3111とEN 61010にも適用されます。

装置メーカーが高電圧の安全を提供する主な方法の1つである絶縁について考えてみましょう。絶縁は回路の2つの部分を物理的および電気的に分離しますが、2つの部分は相互作用できます。絶縁は、2つの回路の間の電磁界カプリングを用いて行われます。最も一般的に使用される方法は、オプトカプラ (光)、変圧器 (磁束)、容量性カプラ (電界) の3つです。

絶縁には複数の利点があります。

• グランドループを遮断。
• コモンモード電圧除去性能を向上。
• これにより、回路の2つの部分で異なる電圧レベルにすることができます。これは、一方が危険電圧レベルにある間も、他方は安全であることを意味します。

絶縁を安全にするには、高い信頼性の絶縁部品 (オプトカプラ、変圧器、容量性カプラ) と安全な絶縁バリアの2つが必要です。たとえば、この絶縁体はプラスチック片、プリント基板のキープアウト領域、または空隙の可能性があります。

絶縁バリアに必要な絶縁の量は、いくつかの要因によって異なります。

• 動作絶縁電圧 (絶縁バリアにかかる電圧) ― 絶縁電圧が大きいほど、より多くの絶縁が必要になります。
• 過渡電圧 (絶縁バリアにかかる一時的な電圧スパイク) ― 回路の通常の動作電圧に耐えられるだけの十分な絶縁は、大きな過渡現象によって破壊される可能性があります。そのため、過渡電流が大きくなるとより多くの絶縁が必要になります。
• 大気汚染 ― 大気中の汚染物質によって絶縁性が減少することがあります。汚染環境では、より多くの絶縁が必要です。
• 単一障害電流経路 ― 絶縁が破壊された場合、短絡電流は人体を流れますか？その場合、より多くの絶縁が必要です。

IECでは、IEC 1010規格のセクション6でこれらの問題を取り上げています。委員会は、過電圧カテゴリ、汚染度、二重絶縁などを定義しています。

設置カテゴリ

IECは、過渡電圧に対応するため、設置カテゴリ (過電圧カテゴリとも呼ばれます) という語を定義しました。カテゴリIV装置は、通常の動作電圧に対して最大の過渡電圧を処理できます。カテゴリI装置は、小さな過渡電圧のみを処理できます。たとえば、50 VカテゴリIV装置は最大1500 Vの過渡電圧を処理できますが、50 VカテゴリI装置は330 Vまでしか耐性がありません。

	許容過渡電圧
公称電圧 (VAC)	カテゴリⅠ	カテゴリⅡ	カテゴリⅢ
50	330	500	800
100	500	800	1500
150	800	1500	2500
300	1500	2500	4000
600	2500	4000	6000
1000	4000	6000	8000

IECによる設置カテゴリの分類:

カテゴリI ― 過渡過電圧を適切な低レベルに制限するための対策がされている回路への接続用。

例:保護された電子回路。

カテゴリII ― 固定設備から供給されるエネルギー消費機器。

例:家電製品、持ち運び工具、その他の家庭用および類似する負荷。これらの負荷の電圧レベルを測定するための測定機器は、この過電圧カテゴリで規定されている必要があります。

カテゴリIII ― 固定設備、および機器の信頼性と可用性が特別な要件の対象となる場合。

例:固定設備および固定設備に恒久的に接続されている産業用機器のスイッチ。これらの固定設備の電圧レベルを測定するための測定機器は、この過電圧カテゴリで規定されている必要があります。

カテゴリIV ― 設置場所で使用されます。

例:電力量計および一次過電流保護装置。

メモ:IECは、他のドキュメントでこのカテゴリを定義していますが、IEC 1010はこの過電圧カテゴリを扱っていません。

図2.配電ネットワークに関連する設置カテゴリ

この情報は何を意味しますか。図2の住宅の例を見てみましょう。電力会社からの生の電圧には最大のカテゴリであるカテゴリIVに分類される巨大な過渡電圧が含まれているため、この図では送電線がカテゴリIVとして表示されています。

電圧がヒューズパネルを通過して住宅に到達するまでに、保護回路は過渡をカテゴリIIIに減少させるのに十分なレベルになっています。エアコンやヒーターなどの固定電気装置は、このカテゴリIIIの電力を使用し、過渡状態に耐えることができます。

ほとんどの電気装置は固定されておらず、電源プラグを抜いたり、移動したりできます。これらの装置はカテゴリIIIの過渡電圧には耐えられませんが、カテゴリII過渡電圧には対応できます。たとえば、テレビ、ドリル、電子レンジなどがあります。家庭用配電網は通常、壁コンセントがカテゴリIIの電力を供給するのに十分な過渡抑制を提供します。

カテゴリI装置は最も堅牢性が低く、小さな過渡電圧にのみ耐性があります。容易にアクセス可能な電源 (壁コンセントなど) では、カテゴリIに該当するほど清潔な電源を供給できません。そのため、カテゴリI装置には、カテゴリII電源の過渡状態を抑制する追加の保護装置 (図2の絶縁変圧器など) が必要です。このような保護方式のカテゴリI回路の例としては、ステレオ受信機内のオーディオアンプ回路が挙げられます。ステレオ受信機には、壁コンセントからのカテゴリII過渡電圧を抑制し、アンプ回路を損傷しないカテゴリI電源を生成する電源装置が内蔵されています。

汚染度

IEC 1010では、さまざまなタイプの汚染環境が規定されています。過酷な環境では、より多くの絶縁が必要です。設計者は、絶縁を増やす代わりに、回路の微小環境をよりクリーンにすることができます。この微小環境は、筐体、カプセル化、または気密封止を使用して作成できます。

汚染度1とは、汚染の発生がないこと、または乾いた非伝導汚染のみが発生します。この汚染による影響はありません。

例: 密閉箱内の回路 (ICチップなど)。箱の中に空気が入り込んで、結露や導電性粒子が発生することはありません。

汚染度2とは、非伝導汚染のみが生じます。場合によっては、結露による一時的な伝導が生じる可能性があります。

例: オフィス環境で使用される回路。コンピュータ内部の回路はこのカテゴリに入ります。

汚染度3とは、導電性汚染、または乾いた非導電性汚染が生じ、予想される結露で導電性になります。

例: 外気に晒されるが、降雨に接触しない回路。ガレージドアオープナはこのカテゴリに入ります。

メモ:IECは他の文書でこの汚染度を定義していますが、IEC 1010では汚染度3は扱っていません。

汚染度4とは、伝導性のほこり、雨、雪などによって持続的な導電性になります。

例: ウォーターポンプ用の露出した屋外制御ボックス。

メモ:IECは他の文書でこの汚染度を定義していますが、IEC 1010では汚染度4は扱っていません。

絶縁タイプ

どの絶縁方式でも、絶縁バリアを作成するには一定量の絶縁が必要です。IEC 1010では、これを基本絶縁と呼んでいます。絶縁破壊により人体に危険な電流が流れる可能性がある場合、基本絶縁では安全保護が不十分です。IEC 1010では、設計者に複数の絶縁改善オプションを提供します。二重絶縁と強化絶縁の2つのオプションがあります。二重絶縁とは、基本絶縁に追加の絶縁 (別の基本層など) を加えたものです。基本絶縁が破壊されても (単一障害)、追加の絶縁がユーザを安全に保ちます。強化絶縁は、基本絶縁と余分な絶縁を個別にテストできない点を除いて、二重絶縁と同じ役割を果たします。

これらのIEC定義の意味

IECの定義を知ることで、現在の計測器で何ができるのか、また今後何を購入する必要があるのかが分かります。

たとえば、250 V_RMSのカテゴリI DMMは、標準の壁コンセント電圧を測定するために規定されていません。DMMは、電力線の過渡電圧に耐えるように設計されていません。しかし、NI PXIe-4081 7½桁DMMなどのカテゴリII 500 V_RMS DMMは、壁コンセント電圧の測定用に設計されています。壁ソケットの過渡電圧に耐えるために必要な追加の絶縁が含まれています。

高電圧を測定する場合、安全性が大きな懸念です。既存の機器を使用する際、または新しい機器を購入する際は、動作電圧定格以上の値に注意してください。使用する機器が、必要なUL、CE、またはIEC規格を満たしていることを確認してください。こうすることで、高電圧が人間ではなく、測定回路に確実に流れます。

NIハードウェアには詳細な仕様が含まれており、製品認証書が発行されているため、選択した製品が絶縁および安全性の要件を満たしていることを確認できます。