故障電流の計算
故障電流とは、電気系統に流れる意図しない、制御不能な大電流のことです。 故障電流は、非常に低いインピーダンスの短絡によって発生する。 これらは、地面への短絡または相間短絡である場合がある。 その結果、大電流が流れ、機器や導体の過熱、過剰な力、時には深刻なアーク、爆風、爆発を引き起こすことがある。
故障電流の計算は、電流 (I) が電圧 (V) を抵抗 (R) で割ったものに等しいというオームの法則に基づきます。 式は、I = V/Rです。
もし抵抗がゼロであれば、計算される故障電流は無限大になります。 しかし、銅線にも多少の抵抗があり、完全な導体ではありません。
Fault Current Calculations Are Required
利用可能な故障電流を知ることは、保護装置を選択する際に重要ですが、法令でも要求されています。 National Electric Code (NEC) 110.24(A) は、次のように述べています。
「住居以外のサービス機器は、最大利用可能故障電流を現場で読みやすくマークするものとする。 現場マーキングには、故障電流の計算が行われた日付を含め、関係する環境に耐える十分な耐久性がなければならない」
これは、サービス入口機器などの電気機器に、利用可能な短絡故障電流を示す現場設置ラベルがなければならないということである。 これにより、機器の短絡電流定格(SCCR)と最大利用可能故障電流を簡単に比較することができます。
機器を変更するたびに、故障電流の計算をやり直さなければならない。 これは、NEC 110.24(B):
「サービスでの最大利用可能故障電流に影響を与える電気設備の変更があった場合、サービス機器の定格が機器のライン端子での最大利用可能故障電流に対して十分であるように、必要に応じて最大利用可能故障電流を検証または再計算しなければならない」に明記されています。 110.24(A) の要求フィールドマーキングは、利用可能な最大故障電流の新しいレベルを反映するように調整されるものとする」
Types of Faults
電気系統では、いくつかの種類の故障が考えられる。
第 4 のタイプの故障である開路故障は、短絡電流を発生させません。
保護システムは、上記のすべての状況において機器の損傷を防ぎ、人を保護する必要があります。
Bolted Fault vs. Arc Faults
電気障害は、ボルト故障またはアーク故障のいずれかになることがあります。 これにより、故障電流が導体を通って流れる。 このタイプの故障は、設置者が電源に接続すべきポイントではなく、アースに接続した場合に発生する可能性があります。 電源が入ると、すぐにボルトフォルトが発生し、保護装置が作動します。 電流の流れが抑えられているため、通常、損傷は限定的です。 しかし、ボルト締め故障は最も高い故障電流を発生させます。
アーク故障は、固体接続がない場合に発生しますが、導体が十分に接近し、電流がギャップを飛び越えてアークを発生させることがあります。 最初のアークが空気をイオン化してプラズマを作り、電流の流れを急速に増加させ、持続させることで、アークフラッシュまたはアークブラストを発生させる。 アーク放電の可能性がある場合、安全保護境界と必要な PPE を決定するため、また、必要な NEC 110.24 故障電流ラベルに加えて設置しなければならないアーク放電ラベルに必要な情報を提供するため、故障電流計算を行う必要がある。
Three Phase Faults
IEC 60909 “Short Circuit Currents in Three-Phase Systems” は、三相故障電流の認められた計算方法を示します。
三相システムにおける故障は対称（バランス）または非対称（アンバランス）になることがあります。 対称故障では、すべての三相が等しく影響を受ける。 しかし、これはめったに起こりません。
コンテンツのソース
故障電流の計算を実行する前に、可能なすべての電流ソースを識別する必要があります。 これには、考慮されていない可能性のある電流源も含まれることがあります。 短絡故障電流の4つの可能なソースがあります：
- オンサイトの電気発電機です。
- 同期モータ：同期モータは、モータの速度が電力の周波数に比例する交流モータである。 短絡した場合のように電力が停止しても、モータにかかる機械的負荷の慣性によってモータは回転し続けます。
- 誘導モータ：このタイプのモータも、システムのどこかで短絡故障が発生すると、発電機となります。 しかし、誘導電動機によって発生する故障電流は数サイクルしか続きません。
- 電気事業システム：故障電流の大部分は通常、電気事業者から来る。
- 変圧器の二次電圧定格とインピーダンス
- 発電機のインピーダンス
- 変圧器からショートまでの回路のインピーダンス
- 短絡電流のレベルは、以下によって決定されます。
故障電流の計算を簡単にするために、システム内のすべての電気発電機は同相であり、公称システム電圧で動作していると仮定します。
Bolted Three – Phase Condition
故障電流を計算できるように短絡調査を実施します。 これは通常、ボルト締め三相故障状態である最悪のケースシナリオを見ることを含みます。 この状況に基づいて、他の故障状態を近似することができる。
システム内のモーターからの故障電流の寄与は重要である。 多くの場合、モーターは通常の全負荷電流の4～6倍を寄与することがある。
アーク放電研究が行われている場合、故障電流の計算は、やはり最も高いボルト締め三相短絡電流でなければなりません。
Fault Current Labeling
故障電流が計算されたら、利用できる短絡故障電流を示すラベルを機器に貼り付ける必要があります。 アーク放電ラベルが必要な場合は、それも印刷し、適切な場所に貼付する必要があります。
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