シンガポールの病院でメンテナンス電気技師がポータブル除細動器を通常の壁のコンセントに接続して修理後のテストを行った際、技術者は除細動器内の内部接地故障による感電からの保護を提供するために建物内に存在する回路ブレーカーに依存していませんでした。彼はアイソレーショントランス — OR回路と建物の主電源との間に電気的絶縁を提供し、接地との接続がない浮遊二次回路を提供し、回路を継続的に監視し、接地へのインピーダンスが安全値を下回った場合にアラームを発するラインアイソレーションモニター（LIM）を備えた特別に設計されたユニットに依存していました。パネルボードの単一の故障は回路ブレーカーをトリップさせることはなく、孤立したシステムでは高い故障電流を生成しません — 起こるのは浮遊システムの一つのポイントが接地に接続されることだけであり、システムの残りの機能は妨げられることなく続きます。LIMの役割はこの状態を検出し、手順を完了するために人員に警告を発することで、運用中に突然の電力喪失がないようにすることです。これがアイソレーショントランスの基本的な動作原理です — 単に電圧を昇圧または降圧することだけではありません。アイソレーショントランスは、単一の故障が誰にも危害を加えず、機器の運転を中断させない電気的に絶縁された回路を提供します。アイソレーショントランスの使用の必要性とその動作原理、ならびにこれらのデバイスの仕様と設置についての知識は、医療または産業分野で働くすべての電気技師、施設管理者、または請負業者が持っているべきです。.
アイソレーショントランスは、1:1の巻数比（または一次側と二次側の電圧が異なる任意の比）を持つトランスとして説明できます。これは、一次巻線と二次巻線の間にガルバニック絶縁を提供します。二次巻線は一次巻線から電気的に絶縁されており（閉回路はありません）、一般的には浮遊状態（接地されていない）または高インピーダンスを介して接地されています。これにより、2つの重要な安全機能を果たすことができます。まず、電気ショックからの作業者の安全を確保します。接地された表面に立っているとき、絶縁された浮遊二次のいずれかのワイヤに触れている人は、電圧源への接地を通る閉回路がないため、電気ショックを感じません。電気ショックは、人物が両方の導体に同時に触れるか、他の導体で二次接地故障が発生したときにのみ発生します。第二に、機器を接地故障電流から保護します。孤立したシステムでは、単一の接地故障だけでは故障電流が高くならず、回路はトリップしません。アイソレーショントランスの設計と設置に関する主要な要件は、両方の巻線の絶縁耐力（運用電圧に加えていくつかのマージンに耐える必要があります。例えば、120 Vシステムの場合は1500 V）、一次側と二次側の間の可能な静電結合を防ぐ静電シールド、エンクロージャとコアの接地（コアは供給側の接地導体に接続されている必要があります）、およびトランスの二次側にラインアイソレーションモニター（LIM）を使用することです。NEC 517によれば、アイソレートされた電源（トランス、LIM、および接地されていない二次導体で構成される）は、手術室や医療施設で湿潤手技が行われる場所で使用されなければなりません。この概念は、制御システムや実験室にも適用できます。.
アイソレーショントランスの動作原理 — および標準トランスとの違い
トランスは、その2つの巻線を絶縁し、2つの回路間に直接接続が存在しないため、エネルギーの転送はコアの磁場を通じて行われます。しかし、従来のトランスは、二次巻線が接地されるように設計されています。接地の主な理由は、故障電流のための低インピーダンス経路を提供することであり、これにより、いかなる接地故障も大きな電流を引き起こし、過電流装置が即座にトリップします。この方法は多くのケースで効率的かつ安全ですが、1つの欠点があります。人が接地された物体の上にいるときにライブ回路に触れると、その人は故障回路の一部となり、たとえ電流が非常に低くても、命を失う可能性があります。しかし、アイソレーショントランスは異なる方法で機能します。接地されておらず高インピーダンスを介して接続された浮遊二次巻線を提供することにより、二次巻線の導体と接地の間に低インピーダンス経路は存在しません。したがって、たとえ人が接地された表面にいるときに導体の1つに触れても、回路を切断することはありません。なぜなら、二次巻線には接地がないからです。危険な電流は、その人が同時に二次導体の両方に接触している場合、または最初の故障が保持されている間に二次導体で2回目の接地故障が発生した場合にのみ流れることができます。この原則（単一の接地故障がショックを引き起こさず、したがって回路がトリップしないことを示す）は、アイソレーショントランスが、電力供給の突然の停止が事故を引き起こす可能性がある場所や、水、導電性液体、またはその場を離れられない患者の存在によって接地故障のショックが発生する可能性がある場所で利用される理由です。.
従来のトランスとアイソレーショントランスの物理的な違いは大きくはありませんが、依然として重要な場合があります。アイソレーショントランスは通常、一次巻線と二次巻線の間に配置された接地された導電性フォイル（シールド）である静電シールドを含み、巻線の容量結合を防ぎます。静電シールドは供給側の接地導体に接続されており、二次回路に到達する前に容量性電流を接地に逸らすことができます。トランスの絶縁システムは、一次コイルと二次コイル間の全電圧を維持する能力を持ち、さらに安全係数を加える必要があります（実際には、120 Vシステムの場合は1,500 V AC以上、240 Vシステムの場合は2,500 V AC以上を維持する必要があります）。さまざまな用途向けに利用可能なアイソレーショントランスと特殊トランスの全範囲については、製品カタログを参照してください。 スビアン電気.
アイソレーショントランスが必要とされる場所 — および推奨される場所
下の表は、最も一般的なアプリケーションを要約しています。 アイソレーショントランス, トランスが対処する特定の安全または運用要件、および設置を規定する適用基準またはコード。.
| アプリケーション | アイソレーショントランスが提供するもの | 適用基準またはコード |
|---|---|---|
| 病院の手術室および湿潤手技の場所 | 単一の接地故障がショックを引き起こしたり電力を中断させたりしないようにする、孤立した接地されていない電力システム。ラインアイソレーションモニター（LIM）は、接地へのインピーダンスを継続的にチェックし、最初の故障が発生した場合にアラームを鳴らします。このシステムは、故障した機器が特定されて取り除かれる間、安全に手術を続けることを可能にします。. | NEC第517条（医療施設）、NFPA 99（医療施設コード）。NECは、施設が代替アプローチを許可する「重要な電気システム」の規定に基づいて設計されていない限り、手術室および他の湿潤手技の場所に孤立した電力システムを要求します。. |
| 工業用制御盤および機械 | 制御回路を電力回路から絶縁することにより、PLC、センサー、およびオペレーターインターフェースを電圧スパイク、接地ループノイズ、および電力側の接地故障から保護します。アイソレーショントランスは、制御回路を電力システムとは独立して接地するか、浮遊させることも可能にします。. | NEC第409条（工業用制御盤）、NFPA 79（工業機械のための電気基準）。UL 508Aは工業用制御盤の構造に関する基準であり、制御トランスが電力回路と制御回路の間に絶縁を提供することを要求します。. |
| 実験室の試験ベンチおよび研究機器 | 敏感な機器を電気ノイズや接地ループから保護し、試験および開発中に露出した通電導体で作業する際に人員をショックから保護する孤立した浮遊電源。アイソレーショントランスは、実験者が接地されたオシロスコーププローブを浮遊回路に接続することを可能にし、接地故障を引き起こすことなく接続できます。. | すべての実験室に適用される単一の必須基準はありませんが、NFPA 70E（職場における電気安全）の原則および実験室機器に関する関連IEC基準が適用されます。多くの大学や研究機関は、すべての試験ベンチ電源にアイソレーショントランスを要求しています。. |
| 海洋およびオフショア電気システム | 陸上電源接地システムからの絶縁により、陸側の接地電流による船体および水中金属のガルバニック腐食を防ぎます。アイソレーショントランスは、陸側の接地導体と船の接地システムとの間の金属的接続を断ちつつ、船の電気システムに対して船自身の接地基準を通じて接地された二次側を提供します。. | アメリカボートおよびヨット協会（ABYC）標準E-11（ボートのACおよびDC電気システム）、ISO 13297（小型船舶 — 電気システム — 交流設置）。海洋アイソレーショントランスは、湿気、腐食、振動にさらされる海洋環境向けに設計された特定の製品カテゴリです。. |
| 音声、映像、および放送機器 | 建物の接地システムから機器の電源を隔離することによって、グラウンドループハムとノイズを排除します。アイソレーショントランスは、オーディオまたはビデオケーブルのシールドを通して60Hzの電流が流れることを許すグラウンドループを断ち切り、信号にハムを導入することを防ぎます。. | オーディオ機器にアイソレーショントランスを必要とする義務的な電気コードはありませんが、プロの録音スタジオ、放送施設、ライブサウンドシステムでは標準的な実践です。オーディオエンジニアリング協会（AES）は、アイソレーショントランスを参照する接地およびインターフェースの推奨実践を発表しています。. |
アイソレーショントランスを正しく指定し、設置する方法
アイソレーショントランスの適切な仕様と設置には、アイソレーショントランスの電気特性を負荷に合わせ、適切な保護スキームを遵守し、関連する接地およびボンディング要件に従うことが必要です。主要な仕様には、kVA定格（接続された負荷を考慮する必要があります — 80%の連続負荷ルールを適用して、適切な熱マージンを確保し、将来の負荷の増加に対応できるようにします）、一次電圧および二次電圧（電圧は、純粋なアイソレーションの場合のように、一次側と二次側の両方で同じ電圧である場合（例：120 V入力、V出力）または電圧を変換する必要がある場合は異なる場合があります）、静電シールド（特に、一次側の電気ノイズ、電圧スパイク、または共通モード電流が二次側の機器の機能に悪影響を及ぼす可能性があるアプリケーションでの設置中 — シールドは供給側の接地に接続され、一次側と二次側の間で試験電圧を維持できる必要があります）、およびエンクロージャのタイプと環境条件（電気室のアイソレーショントランスはオープンスタイルで設置できますが、工場や研究室または環境内のアイソレーショントランスは、関連する定格を持つエンクロージャが必要です — NEMA 1は乾燥した屋内用、NEMA 3Rは屋外用、NEMA 4Xは洗浄用、NEMA 12は防塵工業エンクロージャ用です）。.
設置要件は、孤立システムの安全性と良好な機能にとって重要です。変圧器のエンクロージャーとコアは、すべての変圧器（孤立変圧器を含む）に対するNEC要件に従って、供給側の機器接地導体と接触している必要があります。これにより、一次側からコアの短絡による故障が発生した場合に、上流の過電流装置が故障をクリアします。二次回路は、特定のアプリケーションによって指定されている場合にのみ接地される孤立回路として配線および配置される必要があります（例：海洋アプリケーションでは、二次中性線を船舶接地バスに接地する必要があります）。一方、医療用孤立電源システムのラインアイソレーションモニター（LIM）は、二次側に設置され、二次導体と接地の間に接続され、所定の閾値でトリガーされるアラームを備えています — 実際には50 kΩです。.
よくある質問
孤立変圧器と標準変圧器の違いは何ですか？
従来の配電変圧器は、接地された中性線を持つ二次回路を生じさせます。この場合、中性線は地面と直接接触しており、接地故障が発生すると大きな電流が流れ、過電流装置がトリップします。孤立変圧器と呼ばれる別のタイプの変圧器は、接地されていないまたは浮遊しているラインを提供し、他のタイプの孤立変圧器は高抵抗（すなわち高インピーダンス）を持つ接地されたラインを生じさせます。したがって、故障が発生した場合、高い故障電流は生成されず、ショックや回路のトリップは発生しません。両方の種類の変圧器は、一次回路を二次回路から絶縁するのに役立ちます。.
孤立変圧器にラインアイソレーションモニターは必要ですか？
NECによれば、孤立電源システム内で医療機関に孤立変圧器を使用する場合、ラインアイソレーションモニター（LIM）を提供する必要があります。ただし、工業、実験室、研究所、海軍アプリケーションの場合、コードに従って必ずしも義務ではありませんが、単相接地故障中に電源供給が妨げられないことを確保するために、すべての状況での設置が強く推奨されます。.
孤立変圧器は電圧変換にも使用できますか？
正しいです。孤立変圧器は、電圧を昇圧または降圧しながら、任意の巻数比を持つことができ、かつガルバニック絶縁を提供します。巻数比が2:1の変圧器は、240 Vから120 Vに電圧を変換しながら絶縁を提供します。絶縁と電圧変換のタスクは互いに独立しており、したがって変圧器はこれらのタスクのいずれかまたは両方を達成できます。.
孤立変圧器における静電シールドとは何ですか？
静電シールドは、通常は銅箔またはスクリーンの形状をした導電性の接地シールドであり、一次巻線と二次巻線の間に配置されています。その目的は、巻線間の静電結合を最小限に抑え、高周波の電気ノイズ、電圧スパイク、および一次側で発生する共通モード電流が巻線間の静電容量を通じて二次側に到達するのを防ぐことです。シールドは、医療、実験室、および産業制御分野で適用されるほとんどの絶縁変圧器基準に従って、供給側の接地導体に接続されています。.
参考文献
- NFPA 70 (NEC) — 第517条 (医療施設) および第250条 (接地およびボンディング). 医療における絶縁電源システムのための国家電気規則の要件、および変圧器と別途導出されたシステムのための接地およびボンディングの要件。.
- NFPA 99 — 医療施設コード. 病院やその他の医療施設における絶縁電源システムを含む電気システムのための包括的な基準。.
- UL 60601 — 医療電気機器安全基準. 医療用途で使用される絶縁変圧器の設計、試験、および性能要件を定義する基準であり、絶縁耐圧および漏れ電流の制限を含みます。.
- ABYC E‑11 — ボートのACおよびDC電気システム. 海洋環境におけるガルバニック腐食を防ぎ、作業者を感電から保護するために、岸電源接続に絶縁変圧器またはガルバニックアイソレーターを要求するアメリカボートおよびヨット評議会の基準。.
絶縁変圧器は、電気安全の分野において特別な位置を占めています。他の製品では、接地故障に遭遇するとブレーカーが作動しますが、変圧器は全く接地故障を引き起こしません。危険を検出した場合、装置は自動的に機能を停止するのではなく、アラームを鳴らし、部屋の人々が情報に基づいて行動できるようにします。それに加えて、単に2つの回路を分離するのではなく、絶縁変圧器は建物の他の部分とは異なる特性を持つ浮遊電気アイランドを作成します。これらの点から、手術室、産業制御パネル、実験室デスク、または船舶において、絶縁変圧器の使用が選択肢ではなく、安全基準に従った義務である理由が容易に理解できます。したがって、Subian Electric Companyは医療、産業、実験室、および造船分野向けに絶縁変圧器を製造しています。.