接地棒について知っておくべきことすべて: 選択、設置、テスト、および規格への準拠

接地棒はあらゆる安全な電気システムの基礎です

接地棒 (接地棒または接地電極とも呼ばれます) は、構造物の電気システムと大地の間に直接電気接続を作成するために土壌に埋め込まれた金属導体です。 すべての住宅、商業、産業用の電気設備には少なくとも 1 本の接地棒が必要です 米国電気規程 (NEC) は、1 本の接地棒で 25 オーム以下の抵抗をテストする場合を除き、少なくとも 2 本の接地棒を少なくとも 6 フィートの間隔で配置することを義務付けています。

その目的は単純ですが重要です。 接地棒 故障電流と雷によるサージが安全に大地に消散するための低抵抗経路を提供し、機器、構造物、人命を保護します。接地システムが適切に設置され、テストされていないと、単一の電気的欠陥が火災、機器の破壊、または致命的な感電死を引き起こす可能性があります。この記事では、材料の選択から規格への準拠、現実世界の抵抗目標に至るまで、接地棒の選択、設置、テスト、保守について知っておくべきことをすべて取り上げます。

接地棒が実際に何をするのか — そしてなぜ抵抗が重要なのか

接地棒は、地球の事実上無限の電荷吸収能力を利用して機能します。故障が発生すると、たとえば活線が金属製の電化製品のケーシングに接触すると、電流が接地導体を通って接地棒を伝って流れ、周囲の土壌に放射状に分散します。これにより回路ブレーカーまたはヒューズが開き、誰かが被害を受ける前に電力が遮断されます。

このプロセスの有効性は、ほぼ完全に接地棒と周囲の大地の間の抵抗 (接地抵抗またはアース抵抗と呼ばれます) に依存します。 NEC は、単一ロッドの接地抵抗を 25 オーム以下にすることを推奨しています。 ただし、多くの電気通信規格、データセンター、および機密機器のメーカーでは、信号干渉や過渡電圧による機器の損傷を防ぐために 5 オーム、さらには 1 オームを要求しています。

接地抵抗は一定ではなく、土壌水分含有量、温度、土壌組成、季節の変化によって変化します。砂質の乾燥した土壌は、湿った粘土質の土壌よりも 10 ～ 50 倍高い耐性を示すことがあります。春に 25 オームのテストに合格した接地棒は、乾燥した夏にはそのしきい値を超える可能性があるため、定期的なテストが重要です。

アース棒の種類：材質と性能の違い

すべてのアース棒が同じように作られているわけではありません。材料の選択は、耐食性、導電性、寿命、設置コストに直接影響します。最新の設備で使用される最も一般的な 3 つのタイプは、銅結合鋼、純銅、亜鉛メッキ鋼です。

銅結合鋼棒

これらは、北米で最も広く使用されているアース棒です。高炭素鋼のコアは銅の層と分子結合しています。通常、 厚さ 0.254 mm (10 ミル) 標準ロッドの場合 - 電気メッキまたは押出プロセスを使用します。スチール製のコアは駆動のための引張強度を提供し、銅製の外側は腐食に耐え、土壌との低い接触抵抗を維持します。銅接合ロッドは、UL 467 (接地および接合装置) によって参照される規格であり、NEC の要件を満たしています。

固体銅棒

純銅ロッドは優れた耐食性と導電性を備えていますが、材料コストが大幅に高くなり、銅は比較的柔らかいため、硬い土壌や岩の多い土壌に設置するときに曲がる傾向があります。最も一般的には、沿岸施設、化学プラント、高酸性土壌地域などの高腐食環境用に仕様化されています。 pH 5 未満の土壌や海洋環境では、固体銅ロッドは銅結合ロッドよりも数十年長持ちします。

亜鉛メッキ鋼棒

溶融亜鉛めっき鋼棒は最も経済的なオプションであり、NEC によって許可されています。しかし、亜鉛はほとんどの土壌条件において銅よりも著しく早く腐食し、亜鉛コーティングが劣化すると、その下の露出した鋼材が急速に腐食します。 亜鉛メッキ鋼棒は、中程度の腐食性土壌では有効耐用年数が 10 ～ 15 年しかない可能性があります。 、銅結合ロッドの場合は 30 ～ 40 年です。通常、一時的な設置または非常に乾燥した非腐食性土壌環境にのみ推奨されます。

ステンレス棒

316L ステンレス鋼の接地棒は、塩化物含有量の高い土壌、氷結防止塩の用途に近い地域、化学汚染のある工業用地など、最も過酷な土壌環境向けに仕様化されています。高価ではありますが、最小限のメンテナンスで 50 年を超える優れた寿命を実現し、重要なインフラストラクチャにとって長い耐用年数にわたって費用対効果が高くなります。

標準寸法: 長さと直径の要件

NEC (第 250.52 条) は、接地電極として使用される接地棒の最小寸法を指定しています。これらの要件を理解することで、規格への準拠が保証され、特定の土壌条件に適したロッドを選択するのに役立ちます。

• 最小の長さ: 銅または銅被覆ロッドの場合は 8 フィート (2.4 メートル)。鉄または鋼棒の場合は 8 フィート
• 最小直径: 5/8 インチ (15.9 mm) 銅接合および固体銅ロッド用。 3/4 インチ (19 mm) 亜鉛メッキ鋼棒用
• 一般的な商用の長さ: 10 フィート (3 m) および 20 フィート (6 m) のロッドは、土壌条件により抵抗の低い地層に到達するためにより深い浸透が必要な商業および産業用途で広く使用されています。

長いロッドは、表面土壌よりも確実に水分を保持する深い土壌層に到達するため、一貫して低い地面抵抗を実現します。完全な深さのロッドを垂直に打ち込むことができない岩だらけの地形では、NEC はロッドを垂直から最大 45 度の角度で打ち込んだり、少なくとも 30 インチの深さの溝に水平に埋めたりすることを許可しています。ただし、ロッドの全長がまだ地面と接触していることが条件です。

複数のロッドセクションを結合してより深い深さに到達するには、ネジ付きカップリングを使用して標準の 4 フィートまたは 5 フィートのセクションを結合します。 この断面アプローチにより、20 フィート以上の貫通深さを達成しながら、限られた垂直スペースへの設置が可能になります。

ステップバイステップの取り付け: アース棒を正しく打ち込む方法

不適切な設置は、接地システムの故障の主な原因です。最も一般的なエラーは、曲がり、浅い深さ、不適切なクランプ接続です。次のプロセスは、NEC の要件と業界のベスト プラクティスを反映しています。

設置場所の選択

接地電極導体の長さを最小限に抑え、そのインピーダンスを下げるために、電気パネルまたは引き込み口にできるだけ近い場所 (理想的には 20 フィート以内) を選択します。圧縮された砂利、埋められたコンクリート、または大きな木の根系があるエリアは避けてください。湿気を保持する土壌（日陰のエリア、縦樋の近く、または低いエリア）では、常に低い抵抗値が得られます。複数の電極システムの一部として相互に接着される場合を除き、接地棒を別の棒から 6 フィート以内に設置しないでください。

ロッドの駆動

1. 埋設された公共施設を特定するために、掘削または棒の打ち込みを行う少なくとも 2 営業日前までに、811 (米国の場合) または地域の公共施設通知サービスに電話してください。
2. 選択した位置にロッドを垂直に配置します。先端のわずかな尖り（ほとんどのロッドはあらかじめ尖っています）が貫通を助けます。
3. 一般的な土壌では最大 8 フィートのロッドには接地ロッド駆動アタッチメントを備えたロータリー ハンマーを使用し、より長いロッドや硬い土壌には空気圧または油圧ドライバーを使用します。手動スレッジハンマーの打ち込みは柔らかい土壌でも実行可能ですが、速度が遅く、ロッドの上部が曲がりやすいです。
4. 上部が地面と同じ高さになるか、地面のすぐ下になるまでロッドを打ち込みます。 NEC は、棒を地面と接触する少なくとも 8 フィートの深さまで埋め込むことを要求しています。棒の長さ全体は地表の下になければなりません。
5. ロッドが深度に達する前に障害物（岩層）に当たった場合は、ロッドを過度に曲げないでください。代わりに、NEC 250.53(G) で許可されている斜め設置または水平埋設オプションを使用してください。
6. セクショナルロッドを使用する場合は、最初のセクションが地面の下に消える前に最初のカップリングを取り付け、次のセクションに通して運転を続けます。

接地電極導体の取り付け

接地棒と接地電極導体 (GEC) の間の接続は、システム内で最も故障が発生しやすい箇所の 1 つです。 NEC では、リストに記載されている接地クランプを使用して接続を行う必要があります。通常のパイプ クランプ、ホース クランプ、またはワイヤ タイを使用することは決してありません。 リストされている接地棒クランプは直接埋設用に評価されている必要があります 接続ポイントが地下にある場合。

GEC は、接地ロッドからメイン サービス パネルまで連続している (継ぎ目がない) 必要があります。 NEC ごとの最小ワイヤ サイズは、引き込み線のサイズによって決まります。通常は、 最大 200 アンペアのサービス用の No. 6 AWG 銅導体 、200 アンペアを超えるサービスの場合は No. 4 AWG 以上。発熱 (キャドウェルド) 接続は、熱サイクルや腐食によって時間が経っても緩まない分子結合を形成するため、恒久的な設置には機械的クランプよりも推奨されます。

土壌の種類と条件が接地抵抗に与える影響

オームメーター (Ω・m) で測定される土壌の抵抗率は、接地棒の性能に影響を与える最も重要な環境変数です。異なる土壌に設置された 2 つの同一のロッドは、大幅に異なる接地抵抗の測定値を生成する可能性があります。

地盤改良材(GEM)

土壌の抵抗率が高すぎて標準的なロッドでは抵抗目標を達成できない場合、地盤強化材 (GEM) (導電性コンクリートまたは地盤改良化合物とも呼ばれる) をロッドの周囲に詰めて、より大きく導電性の高い電極ゾーンを作成します。 GEM 製品は通常、ロッドの周囲に導電性マトリックスを提供しながら、水分を吸収して保持する炭素ベースまたはベントナイト粘土化合物で構成されています。研究によると、GEM は次のような方法で接地抵抗を低減できることがわかっています。 同じ土壌の裸のロッドと比較して 40 ～ 70% GEM は普通の埋め戻しのように乾燥しないため、改善は設置期間中安定したままになります。

接地抵抗のテスト: 方法と許容値

テストせずに接地棒を設置することは、水圧を検証せずに消火用スプリンクラー システムを設置するようなものです。ロッドは地面にあるかもしれませんが、必要なときに機能するかどうかは確認できません。接地抵抗テストは、最初の設置時に実行する必要があり、その後は定期的に (重要なインフラストラクチャの場合は 1 年ごと、標準的な商業施設の場合は 3 ～ 5 年ごと) 実行する必要があります。

電位低下法 (3 点テスト)

これは、個々の接地棒をテストするために最も正確で広く使用されている方法です。専用の接地抵抗テスター (別名メガーまたは降下電位テスター)、3 本のテスト リード、および 2 本の補助テスト ステークが必要です。手順:

1. ロッドが絶縁されるように、接地電極導体をロッドから (またはシステムからメインのボンディング ジャンパーを) 切り離します。
2. 試験対象の接地棒から約 100 フィート (30 m) 離れたところに電流電極 (C2) ステークを打ち込みます。
3. 接地棒と電流電極の間の距離の 62%、つまり棒から約 62 フィート (19 m) の位置に電位電極 (P2) 杭を打ち込みます。
4. テスターのリード線を 3 つの電極すべてに接続し、テストを実行します。この機器は既知の AC 電流を注入し、その結果生じる電圧降下を測定して抵抗を計算します。
5. 読みを記録します。 25Ω以下でNEC規格を満たします。 ;敏感な電子および電気通信アプリケーションでは、5 オーム未満の値が必要です。

クランプオン試験方法

複数の接地棒がすでに結合されているシステムの場合、クランプオン (またはステークレス) 方式を使用すると、システムを切断せずにテストできます。クランプ式接地抵抗計は、任意の 1 本のロッドで接地導体の周囲にクランプされます。電圧を誘導し、その結果生じるループ抵抗を測定します。この方法はより高速で中断が少ないですが、個々のロッドの抵抗ではなく、結合システム内のすべてのロッドの並列組み合わせを測定します。これは、初期の試運転テストではなく、継続的なメンテナンスの検証に最適です。

複数のアースロッド: 1 つでは不十分な場合

NEC では、1 本の接地棒が 25 オームを超えるテストを行う場合、2 番目の接地棒が必要になります。しかし、多くのアプリケーションでは、最小 2 本のロッドは出発点にすぎません。複数のロッドが並列でどのように動作するかを理解することは、効果的な接地システムを設計するのに役立ちます。

2 本のロッドを並列に接続すると、それらの合計抵抗はいずれかのロッド単独よりも低くなりますが、単純に半分ではありません。ロッドが互いに近くに配置されると、抵抗ゾーンが重なるため、利点は減少します。 ロッド間の最適な間隔は少なくともロッドの長さに等しい — したがって、8 フィートのロッドの場合、最小 8 フィートの間隔が推奨されます。 20 フィートのロッド、20 フィートの間隔。ロッドの間隔がそれ自体の長さよりも短い場合、収益は急速に減少します。

実際の例として、湿ったローム土壌にある 2 本の 8 フィートの銅結合ロッド (それぞれの測定値は個別に 15 オームで、8 フィートの間隔で配置) を組み合わせると、通常は約 9 ～ 10 オームになります。土壌の影響ゾーンが重なっているため、単純な並列計算で示唆されるような 7.5 オームにはなりません。それらを 15 ～ 20 フィート離すと、合計値は 8 オームに近づきます。

データセンター (1 ～ 5 オーム)、放送塔 (1 オーム以下)、医療施設など、非常に低い抵抗を必要とする設備の場合は、4 本、6 本、またはそれ以上のロッドをラインまたはリング構成に配置したアース ロッド アレイが標準的な方法です。

避雷システム用接地棒

接地棒は、避雷システム (LPS) を備えた構造において二重の機能を果たします。直流雷電流の接地終端点と、電気システムの機器の接地経路を提供します。これら 2 つの機能には異なる要件があり、慎重に調整する必要があります。

米国防火協会規格 NFPA 780 と国際規格 IEC 62305 は、どちらも避雷接地に対応しています。主な要件は標準の電気接地とは異なります。

• 複数のアース終端電極 複数の並列経路を通じて雷電流を地中に分配するために、構造物の周囲に間隔を置いて配置する必要があります。
• NFPA 780 では、タイプ I 構造の引き込み導体ごとに少なくとも 2 本の接地棒が必要で、棒の間隔は接地抵抗の目標によって決まります。
• 避雷アースと電気システムアース間の接続は必須です ストライキ中の危険な電位差を防ぐため。個別の非結合接地システムは、ステップ電圧および接触電圧の危険を引き起こします。
• リング接地電極（構造物の周囲に埋め込まれ、垂直の接地棒に接着された連続裸銅導体）は、大規模な構造物に推奨され、通信塔や変電所の標準です。

落雷が発生すると、次のようなピーク電流が流れる可能性があります。 30,000 ～ 200,000 アンペア マイクロ秒単位で。接地システムは、電極と土壌の界面がアークオーバーすることなくこの衝撃に対処する必要があります。この現象は、システムのサイズが小さすぎると土壌を破壊し、ロッドが物理的に地面から飛び出す可能性があります。

接地棒のよくある間違いとその回避方法

経験豊富な電気技術者でも、避けられる設置ミスに起因する接地システムの障害に遭遇します。以下は、検査およびテスト中に発見される最も頻繁に文書化される問題です。

• ロッドが完全な深さまで打ち込まれていない: ロッドの一部が地面より上に残っている場合、または 8 フィートの完全な埋没深さに達していない場合は、抵抗が大幅に増加します。埋め戻す前に必ず完全な深さを確認してください。
• リストにないクランプを使用する場合: パイプクランプ、ホースクランプ、および即席コネクタが腐食して緩みます。導体サイズと埋設条件に対して定格が定められた UL 規格の接地クランプのみを使用してください。
• 接地電極導体の接続: NEC は、電極とサービス パネルの間の GEC のスプライスを禁止しています。接続された GEC は、故障電流性能を低下させる高インピーダンス ポイントを作成します。
• 保護のない異種金属接続: アルミニウム導体を銅棒に直接接続すると、電解腐食セルが形成されます。リストされているバイメタル コネクタを使用するか、同じ金属ファミリへの接続を制限してください。
• 合格したテストが永続的であると仮定すると、次のようになります。 土壌の状態は季節によって変化します。春の測定値が 18 オームのロッドは、夏の終わりの干ばつでは 25 オームを超えることがあります。定期的な再テストをスケジュールし、長期的な安定性のために保湿性のある GEM バックフィルの設置を検討してください。
• 接地システム間の結合をスキップする: 異なるシステム (電気、雷保護、通信) の複数の接地電極が互いに結合されていないと、差動接地電位が生じ、機器が破壊され、感電死の危険が生じる可能性があります。同じ構造上のすべての接地システムは 1 点で結合する必要があります。

NEC コード要件の概要

次の表は、電気請負業者、検査官、エンジニア向けに、接地棒電極に適用される NEC 第 250 条の主な要件をまとめたものです。