小型接地確認装置の開発に向けた基礎特性と着火性放電抑制の特性†
崔 光

石*1 長 田裕生*2

鈴 木輝夫*2

本報は，静電容量による電荷分割方式を基に開発した小型接地確認装置の接地検出と着火性放電抑制性能の定量的評価を行ったものである．小型接地確認装置を使って測定対象の導体の静電容量などを変えた場合の接地検出特性を評価した．また，本装置の先端にある抵抗結合型接触電極を使って着火性放電の抑制性能を検討した．
主な実験結果より，今回の測定対象の導体の静電容量が 11-1270 pF の範囲で接地の場合は 0 V，非接地の場合は測定対象の導体の静電容量によって分割された電圧の値となり，接地検出が可能であることが明らかとなった．
また，接触電極に接続される抵抗が 50 MΩ 以上であれば着火性放電が抑制された．

キーワード: 静電気，接地確認装置，接地，火災，爆発

1．はじめに

2．小型接地確認装置

静電気に起因した事故は 1992 年から 2020 年まで年

小型接地確認装置は，測定対象物が接地または非接地間約 100 件発生している 1）. その原因のうち 7 割以上はの状態かを判定するものであり，内部の構造を図 1 に示

人体を含む接地不良の導体から発生する火花放電によるす．小型接地確認装置の接地検出原理について，図 1 をと報告されている 2）．例えば，金属製容器に粉体を投入用いて説明する．まず，接地確認装置を接地した状態でする作業中に火災が発生した．原因は接地不良の金属製スイッチ S を閉じて測定用コンデンサ Cc [pF] （実測値：1270 pF）に電源電圧 Va [V]を印加した後，スイッ容器が帯電し，周りの接地導体に向かって火花放電が発チ S を開いて，Cc に電荷量 Qc [pC]（= Cc × Va）を充電生したと推定される 3）．
他にも接地及びボンディングが施されていないことでし，保持された状態にする．ただし，コンデンサ Cc は，発生する火花放電によって可燃性物質が着火する事故が漏洩抵抗が高いポリプロピレンフィルムコンデンサを用少なくない．また，接地対策された導体の中には，対策いる．この状態で接地確認装置の接触電極が測定対象のの管理が不十分で，接地線の接続不良や断線，あるいは導体に接触すると，検出電極 A とスプリングは接地電極人為的ミスなどによって接地されていない場合がある．と接触しているため，測定対象の導体が接地されたことこれらのことを防止するためには，予め導体が接地さになる．これによって，もし測定対象の導体が帯電してれていることを確認する必要がある．接地を確認する一いたとしても，導体の帯電電荷は測定器の抵抗結合型接般的な方法としては，市販のテスターを用いた測定対象触電極に流れ込み高抵抗 Rc（= 100 MΩ）を介して接地の導体と接地間の導通の判断がある．他にも，大型クリッに安全に逃がすことができる．小型接地確認装置をさらプを用いて常時接地を確認する装置があり，主な用途はに導体に押し付けると，スプリングが縮んで接触電極がドラム缶などに接続することである．これによって，絶内部に押し込まれる．その結果，検出電極 A が接地電極縁性の高い粉体または液体などの投入作業をしている間から離れて検出電極 B に接触し，Qc が接触電極を通じてに常時接地された状態かどうかを確認することができる

帯電していない測定対象の導体に流れ込む。

4）．しかし，上記の方法で接地の確認を行う前に，何ら測定対象の導体が接地されている場合，Qc はすべて測かの理由で接地不良の導体が帯電した状態で大型クリッ定対象の導体を通じて接地に流れるので 0 nC となる．

プを接触すると，火花放電などの着火性静電気放電が発測定対象の導体が非接地である場合は，測定対象の導体生する可能性がある．の静電容量 Cx [pF]と Cc によって Qc は分割されるため，Cx と Cc は並列接続となる．この時の Cc の電圧 Vc [V]はそこで本報では，小型で簡単かつ安全に接地の確認が並列合成容量（Cx + Cc）で電荷量 Qc を除した値となっできる小型接地確認装置を開発し，その接地検出と着火て安定する．Vc は高入力インピーダンスの電圧計で測定性放電抑制の性能を調べた結果について報告をする．なされる．Vc の測定が終了して導体から接触電極を分離す

お，本報の一部は安全工学会誌 5)に掲載済みである．

る時，検出電極 A は検出電極 B から分離されて再び接地電極を通じて接地されるので，測定対象の導体も接地される．故に，測定対象の導体を帯電したままの状態にす†ることはない．

本報の一部は，安全工学，第 60 巻 4 号，pp.183-190，2021 の記述

さらに，本装置では，接地不良の帯電した導体に接触の一部を加筆修正し，まとめ直したものである．
*1 労働安全衛生総合研究所電気安全研究グループした時に発生する火花放電を抑制して可燃性雰囲気で着*2 春日電機株式会社

火することを防ぐために，浮遊容量を 1.7 pF（実測値）と小さくした接触電極（SUS，直径：1.7 mm，長さ：連絡先：〒204-0024 東京都清瀬市梅園 1-4-640 mm，先端の形状： 針）に放電電流制限抵抗（Rc：労働安全衛生総合研究所 電気安全研究グループ 崔光石

100 MΩ）を挿入した．次に，この抵抗結合型接触電極

E-mail: choiks@s.jniosh.johas.go.jp—43—労働安全衛生総合研究所特別研究報告 JNIOSH-SRR-No.53 (2023)

図 1 小型接地確認装置の構造の着火性放電の抑制メカニズムについて説明する．接触接地または非接地の場合の Vc の時間変化を測定し，接地電極が帯電した導体に接触するまでに，接触電極で静電検出原理について検討した．実験では，小型接地確認装気放電が発生すると，放電電荷によって接触電極が帯電

置 I 型，測定対象の導体（直径: 430 mm，高さ: 460 mm，した導体とほぼ同じ電位まで充電されて，放電が一旦停

図 4 参 照 ）， 直 流 電 源 装 置 （ Model 7335, Kikusui

止する．次に，接触電極に充電された電荷は，高抵抗のElectronics），エレクトロメータ（Model 6514, Keithley），100 MΩ を通って接地に流れる．これにより接触電極の電圧が下がり，帯電導体と接触電極間の電位差が放電開始電圧より大きくなると，再び静電気放電が発生し，接電圧供給用スイッチ
電圧供給
ライン

接触電極

触電極が充電されて上記のように放電が停止することになる．これを接触電極が測定対象の帯電導体に接触するまで繰り返し発生する．通常は，帯電した導体と接地された導体間で発生する放電は着火能力が高い火花放電で10 mmある．しかし，浮遊容量が小さい接触電極と高抵抗を組

図2み合わせることで，接触電極に充電される電荷量が小さ小型接地確認装置 I 型

くなり，一回の静電気放電の放電電荷量も小さく制限される．その小さな放電電荷量をもつ放電は，接触電極の浮遊容量と高抵抗との積による緩和時間で繰り返し発生

電圧供給用スイッチ
電圧表示部

接触電極することになる．故に，放電電荷量の大きな火花放電が接地線多数の小さい放電電荷量をもつ放電に分割されることになる．したがって，帯電した測定対象の導体と抵抗結合型接触電極の接触過程で発生する静電気放電では，可燃10 mm

性ガス・蒸気の雰囲気に着火しにくくなり，可燃性雰囲

図3

小型接地確認装置 II 型気が形成されている環境でも安全に接地確認ができるよ
うにした．
3．実験装置と方法
小型接地確認装置の開発にあたって，図 2 に示した I型を製作した．図 2 は電荷分割方式での接地検出原理を確認するために図 1 に示した構造の基礎的な回路のみとした．図 3 は，Vc の測定値を見るために作製した II 型である．また，小型接地確認装置が受ける静電気放電は回路以外に接触電極が考えられる．そこで，接触電極の先端を用いて，帯電物体から発生する静電気放電による可燃性ガス着火の有無を検討した．

100 mm3.1）接地検出の原理の検証
実験は，図 2 の装置を用いて Cx の測定対象の導体が

図 4 測定対象の導体—44—

小型接地確認装置の開発に向けた基礎特性と着火性放電抑制の特性データロガ（Midi LOGGER GL240）などを使用した．

Va = 5.0 V の下，Cx が 74 pF（実測値）の測定対象の導体に接触した時の Vc の変化を，接地または非接地の場合についてエレクトロメータで計測し，その時間変化をデータロガに記録した.

ガス（濃度：5.25 vol％，MIE = 0.25 mJ 7））中で，帯電した導体からの火花放電のエネルギーおよび接触電極の抵抗を変えて着火試験を行った．着火実験装置の概要を
図 5 に示す．この実験装置は，電極間距離 d が 4.0 mmの針状の放電電極（高電圧電極，抵抗結合型接触電極）と爆発放散口を有した内容積 1.90 L の円筒形の金属製

3.2）測定対象物体の静電容量による接地検出への影響

爆発容器，任意の放電エネルギーの静電気放電を発生す

産業現場において測定対象の導体の静電容量の範囲はる静電気放電発生装置（MIES-10 型，環境衛生研究所

大きさと形状によって異なるものの， 1-1000 pF である製）から構成されている．この他，爆発容器の真空度をことが知られている 6）．そこで今回は，測定対象の導体確認するための真空計（AP-31K，KEYENCE），プロパの代わりに Cx の異なる複数のポリプロピレンフィルムン―空気の混合ガス濃度を測定するためのガス濃度計

コンデンサを用いた Vc の時間変化を計測した．今回使用（FI-8000，理研計器）などを用いた．金属製爆発容器したコンデンサの静電容量 Cx は 11, 34, 149, 510, 1270の前面には，着火の有無を確認するための覗き窓（直径pF（実測値）の 5 種類である．

50 mm）が設置されている．
実験方法は，爆発容器内を真空に引き，プロパンガス3.3）測定対象物の漏洩抵抗の影響を真空計で所定の圧力まで挿入した後，空気を大気圧ま実際の産業現場では，様々な抵抗を持つ測定対象物がでに注入して混合ガスを形成させる．爆発容器にガス濃存在する．そこで，今回使用した小型接地確認装置がこ度計を接続して，プロパン―空気混合ガスの濃度が 5.0 ±れらの物体に対してどの程度の抵抗まで接地確認ができ0.5 vol％になっていることを確認する．混合ガスの濃度るのかを検討した．方法は，漏洩抵抗が大きい測定対象が所定の濃度になっていることを確認した後，静電気放物を模擬して，Cx が 74 pF の測定対象の導体に抵抗（Rm電発生装置によって，任意の放電エネルギーW の放電を= 1, 10, 100, 1000 MΩ）を接続し，3.1 と同様に Vc の時発生させて，着火の有無を確認する．放電を 300 回繰り間変化を計測し，得られた結果から緩和時間 τm [s]を求返し発生させても着火しない場合は着火なしとし，発生めて，計算によって求めた緩和時間 τc [s]との比較を行っした場合は着火とした．

た．

今回の実験で使用した針状の抵抗結合型接触電極（直径 1.8 mm，長さ約 120 mm）は，無抵抗と 10, 50, 100MΩ の 4 種類（図 6）である．W は，静電気放電発生装3.4）測定用コンデンサの Va による接地検出特性
小型接地確認装置の防爆化を検討するためには Va を置内部のコンデンサの静電容量 C1 [pF]，静電気放電装低く抑える必要がある．そこで，図 3 の小型接地確認装

置の高電圧出力端子から放電電極までの放電回路系の浮置 II 型を用いて Va = 1.5, 3.0 V の低電圧を測定用コンデ

遊容量 C2 [pF]，充電電圧 V [kV]より，下記の（1）式かンサ Cc に印加して，3.2 で使用した異なる Cx のコンデら求めた．

ンサに対する Vc を測定した．

（1）3.5）抵抗結合型接触電極の着火性放電抑制性能
小型接地確認装置の抵抗結合型接触電極の着火性放電抑制性能を定量的に調べるために，プロパン―空気混合

図5

着火試験装置—45—

労働安全衛生総合研究所特別研究報告 JNIOSH-SRR-No.53 (2023)された結果となる．この時の Vc は，下記の式（3）で表すことができる．
（3）
式（3）より算出した Vc の値は 4.72 V であり，実験値の 4.73 V とほぼ一致していることが分かった．
4.2）測定対象物体の静電容量の影響

各 Cx における Vc の時間変化を図 8 に示す．縦軸は測定用コンデンサの電圧 Vc［V］，横軸は時間 t［s］である．この結果によると，どの Cx の値においても接触開始

図 6 抵抗結合型接触電極

した後の Vc は減衰して所定の値で安定しており，Cx が大きくなるほど減衰後の Vc は小さくなる傾向が見られ4．結果と考察た．また，減衰した後の Vc は 11 pF で 4.96 V，34 pF
4.1）接地検出原理の検討

で 4.87 V，149 pF で 4.36 V，510 pF で 3.63 V，1270 pF

小型接地確認装置の測定用コンデンサ Cc に Va = 5.0 V

で 2.48 V であった．式（3）から求めた各 Vc（= 4.96，を印加して，測定対象の導体に接触したときの Vc の時間，横軸は t［s］
変化の一例を図 7 に示す．縦軸は Vc［V］

である．
図 7 より，測定対象物が接地されている場合は，4.87，4.47，3.57，2.50 V）の値と比較すると，ほぼ同じ値が得られたことから，Cc と Cx による電荷分割が確認された．なお，Cx が接地されていた場合の Vc は，接接触開始した後に Vc は直ちに減衰して 0 V になってい触した後に直ちに減衰してすべて 0 V になることも確認るのに対して，接地されていない場合は，測定用コンデされた．

ンサ Cc の電荷が測定対象物体の静電容量 Cx で分割されることにより Vc は僅かに減衰して 4.73 V で安定した．

11 pF

直前の電圧からその 37 ％値まで減衰するのに要した時間を時定数 τm とすると，τm = 0.14 s であった．この値は，小型接地確認装置のコンデンサと抵抗による応答時間（τc = RcCc = 0.13 s）とほぼ一致することが確認できた．このコンデンサの電圧 Vc の減衰は，下記の（2）式で表される．
（2）ては，接触後の Vc の値が，このコンデンサ Cc に充電さ149 pF

4510 pF

321270 pF

4812時間, t [s]16

図 8 Cx を持つコンデンサに接触した後のVc の時間変化

れた電荷量 Qc がコンデンサ Cc とコンデンサ Cx で分割

4.3） 測定対象物体の漏洩抵抗の影響

5

小型接地確認装置の接地検出特性において，測定対象接触開始の導体の漏洩抵抗の影響を調べた結果を表 1 に示す．た非接地

だし，抵抗 R は小型接地確認装置内部の Rc と測定対象の導体に接続した高抵抗 Rm が直列に接続されているの3接地で，それらの和をとったもの（R = Rc + Rm）である．表

2R が増加するほど，τm も増加する傾向が得られ，
1 より，

τ = 0.14 s

1

表 1 各 R における τm と τc

,コンデンサ電圧 Vc [V]34 pF0

一方，測定対象の導体が接地されていない場合につい45,コンデンサの電圧 Vc [V]

測定対象の導体が接地されている場合については，減衰R [MΩ]τm [s]

τc [s]

1010.140.13

時間, t [s]1100.150.142000.260.25

図 7 接地確認装置内部のコンデンサ電圧の時間変化

1100

1.351.39003691215—46—

小型接地確認装置の開発に向けた基礎特性と着火性放電抑制の特性

τc と比較してもほぼ同じであることが分かった．した

接地確認装置が安全に使用できることを確認するために，放電エネルギーが W = 180 mJ 程度の大きな静電気がって，漏洩抵抗が 1000 MΩ までであれば，接地確認放電を発生させて抵抗値が異なる 4 種類の接触電極につは可能である．

いての着火の有無を調べた結果を表 2 に示す．この結果によると，今回与えられた放電エネルギーでの混合ガス

Cc に印加する Va の大きさを変えた時の Vc の実測値と計算値を図 9 に示す．ただし，縦軸は測定用コンデンサの電圧 Vc，横軸は Cx である．比較のために図 8 の各 Cxに接触して減衰した後の Vc の値を掲載した．実測値は各Cx に小型接地確認装置で 5 回接地検出をした時の Vc の平均値で，計算値は式(3)から求めたものであり，実測値と比較するために示される．この実験結果より，Va = 1.5
V と 3.0 V においても Cx の大きさを変えた時の Vc は，計算値とほぼ一致していることが分かる．なお，Va = 1.5,3.0 V でも Cx が接地されている状態では Vc が 0 V になった．したがって，小型接地確認装置は低電圧でも正常に機能し，測定器の防爆化が容易となった．

は，無抵抗と Rc = 10 MΩ の接触電極には，1 回目の放電で着火したのに対して，Rc = 50, 100 MΩ の接触電極には，着火しないことが確認された．なお，表 2 には示していないが，抵抗なしと Rc = 10 MΩ を使用した場合，約 0.3 mJ の小さい火花放電の放電エネルギーを与えても容易に着火することも確認している．故に，接触電極が着火性放電抑制性能を有するのに必要な抵抗の値は，Rc = 50 MΩ 以上であることがわかった．Rc = 50 MΩ の接触電極において，180 mJ 程度の静電気放電が与えられた場合の波形の一例を 図 11 に示す．結果によると，抵抗の影響により単発波形ではなく多数の小さな放電パルス波形が見られ，放電エネルギーが分散されていると推測できる．また，全体的な放電持続時間は約 0.2 s で

Va = 5.0 V（実測値）
Va = 5.0 V（計算値）
Va = 3.0 V（実測値）
Va = 3.0 V（計算値）
Va = 1.5 V（実測値）
Va = 1.5 V（計算値）

543

表 2 各 Rc における着火の有無

W [mJ]

抵抗 Rc [MΩ]

2

着火の有無

0180

有10180有50180無100180無100300600900601200

放電電流, I [mA]

コンデンサの電圧, Vc [V]4.4） 測定用コンデンサの Va を変えた時の接地検出特性

静電容量, Cx [pF]
図9

異なる Va による Cx に対する Vc の変化4.5）抵抗結合型接触電極の着火性放電抑制性能
3.5 の実験装置および方法を用いて，小型接地確認装置の着火性放電抑制の性能を評価した．着火実験装置を

40200-20-40用いて，無抵抗の接触電極に 5.75 mJ の放電エネルギーを与えた場合に得られた LPG の典型的な着火パターン0.0を図 10 に示す．この結果より，今回は（a）爆発前，（b）
図 11観察された．

0.60.81.050 MΩ の接触電極からの放電波形の一例(b)
図 100.4

高電圧電極

接触電極

(a)

0.2

時間, t [s]静電気放電による着火・爆発，（c）消炎の様子の順番で10 mm0.2 s

爆発容器内部のプロパン―空気混合ガスの着火プロセス—47—(c)労働安全衛生総合研究所特別研究報告 JNIOSH-SRR-No.53 (2023)

非常に長く，放電電流のピーク値は 70 mA 以下であり，着火性の静電気放電を防止するための放電パルス電流のピーク値は 100 mA 以下 8）であることから，着火性放電を発生するレベルではないことが示唆された．以上のことから，2 で述べた抵抗結合型接触電極の着火性放電抑制のメカニズムが実証された．
5．まとめ
作業者が簡単かつ安全に使用できる小型接地確認装置を開発し，その基礎特性と着火性放電抑制の特性について評価した．その結果，測定対象の導体が接地および非接地の場合のコンデンサ電圧はそれぞれ電圧減衰によって 0 V になること，並びに，静電容量による電荷の分割によって特定の値で安定することが明らかとなった．測定対象の導体の静電容量は 1-1000 pF の範囲で，漏洩抵抗が 1000 MΩ オーダーまでであれば接地確認が可能であることが分かった．さらに，小型接地確認装置の電源電圧は 1.5 V と 3.0 V であっても接地の確認ができることが確認された．抵抗結合型接触電極の着火性放電抑制
では，50 MΩ 以上の抵抗であれば，着火性放電は抑制され，安全に使用することができる．以上のことから，抵抗結合型接触電極と接地確認回路の低電圧化を採用することで，可燃性物質を取り扱っている工場・事業所のような危険場所でも安全に使用できる接地確認装置の開発を前進することができた．
参考文献

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