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電気安全設計 IEC 60204-1


IEC 60204-1
IEC60204-1とは
機械安全設計を科学・診断する
Science and inspection of an machinery safety design

 リスクアセスメント  ISO 12100   IEC 60204-1  ISO 13849-1  CEマーキング  検査コスト  認証コスト    
IEC 60204-1

電気安全設計 
 - ポイント
 - 使用機器の選択
 - 主電源開閉器の遮断性能
 - 主電源開閉器の Trip 電流
 - 主電源開閉器の選択

 - 過電流保護機器の選択
 - 電磁接触器の選択
 - 型式協調(モータスタータと電磁接触器)
 - 絶縁監視装置


電気安全設計 ポイント IEC 60204-1

IEC 60204の規格群には,次に示す部がある。

Part 1:

General requirements

第1部:一般要求事項 

Part 11:

Requirements for HV equipment for voltages above 1000 V a.c. or 1500 V d.c. and not exceeding 36 kV

第11部:交流 1000 V 又は直流 1500 V を超え36 kV以下の高電圧装置に対する要求事項

Part 31:

Particular safety and EMC requirements for sewing machines, units and systems

第31部:縫製機械,縫製ユニット及び縫製システムの安全性とEMCに対する要求事項

Part 32:

Requirements for hoisting machines

第32部:巻上機械に対する要求事項

Part 33:

Particular requirements for semiconductor manufacturing equipment1

第32部:半導体製造装置に対する要求事項意

 IEC 60204-1. IEC 60204-11, IEC 60204-31, IEC 60204-32. IEC 60204-33






電気安全設計 ポイント IEC 60204-1
IEC 60204-1 Ed.5.1:2009

電気設計ポイント(製造業者、使用者)

- 機械の種類および用途の確認
- 電源変動による電気装置の性能
- 意図する使用(信頼性と操作性)
- 保全および修理の容易性


電気装置の危険源

- 電源 (機械の機能不良を起こす電源の変動または停止)
- 電気機器 (感電または火災を起こす故障または障害)
- 電気回路 (機能不良を起こす故障または障害)
- 蓄積エネルギー (蓄積された電気的、機械的エネルギー)
- 電気的妨害 (内部または外部で発生する電磁気、静電気、無線周波障害)
- 騒音 (健康上問題となるレベルの騒音)
- 表面温度 (障害を引き起こす表面温度)


電気安全設計 IEC 60204-1 のキーワードです。

- 使用機器:Switchgear
- 電圧降下:Voltage drop
- 過電圧:Over-voltage
- 絶縁協調:Insulation coordination
- 過電流:Over-current
- 遮断協調:Interception coordination
- 型式協調:Type coordination
- 安全絶縁変圧器:Safety isolating transformer
- 電気絶縁:Electric insulation
- 保護接地:Protective earth
- 機能接地:Functional earth


習うより慣れろ・・・・の文化を持つ我が国で、目先の件名を短期間で熟す皆様に朗報です。
IEC 60204-1 (EN 60204-1, NFPA 79) 電気安全の設計診断
国際レベルの電気安全の設計診断を請け負います。
IEC60204-1とは IEC 60204-1とは  電気安全設計
  IEC60204-1  IEC 60204-1  EN60204-1  EN 60204-1
CENELEC の EN 60204-1 の規格開発から始まり、IEC 60204-1 のコンビナーを第3版まで担当したドイツ制御機器メーカー日本法人の元在籍者として、電気図面の診断および Check を行います。




電気安全設計 使用機器の選択
使用機器の選択

   
IEC60204-1 IEC60947 IEC61010 IEC60950 IEC60335 IEC60601 IEC60065 IEC60664 IEC60529 IEC60364

産業機械は、産業機械用の機器を使用しましょう。





電気安全設計 主電源開閉器の遮断性能 Interception performance of a main power supply switch
メイスイッチ
MCCB(Molded case circuit breaker)又はDisconnect switch の採用



主電源開閉器器の
遮断性能は、

推定短絡電流以上




過電流保護装置 『電気設計の謎!』

短絡がありえない・・・
短絡の経験がない・・・・

もし、これが正しいとするなら、「物は壊れる」、「人は間違う」を否定することができ、IEC 規格の60%を削除できる。
また、短絡が無いことが正しいなら、ブレーカの採用を全て中止にする必要があるのかもしれない。
実際に、我が国の旧設計においては、分岐ブレーカを採用しなかった。



短絡電流 『電気設計なるほど』

- 短絡事故は実際に発生する。
- 短絡の経験は人的ミスを大半とし、保護素子による対策を行ってこなかった日本の現状を確認。
- 電力会社及び建築会社の電気設計者は、これを実体験していることから、カスケード遮断に対応した設計が基本。
- 機械メーカーの大半が協力工場の盤製造メーカーへ依頼することから、この審議に至らない。


【参考】
IEC 60204-1 では、過電流保護状態を銘板および仕様書に記載し、使用者に伝える義務を与えている。
溶断特性を最高と考えるアメリカでは、Fuse をベースとしている。
そこで、MCCBを採用した場合を含め、その制御装置の性能をSCCRを定義し、銘板に記載することを義務付けた。



【重要】
ここで、電気設計のコストダウンができる!







電気安全設計 主電源開閉器のTrip 電流 Trip current of a main power supply switch
メイスイッチ
MCCB(Molded case circuit breaker)の Trip 電流の選択



主電源開閉器器の
Trip電流は、

全負荷電流の200% !
何故ですか?




MCCB Trip 電流の選択 『電気設計の謎!』

- 上図のような設計が多いことは、事実である。
- 何故、このような設計を行うのでしょうか?
- ブレーカの選択は負荷電流の2倍で選定するようにと、先輩に言われたから・・・・
- マークチューブで隠せば解らないし、外国の認証機関で引っかかった事がない。



MCCB は、実負荷電流で決定する 『電気設計なるほど』

- 我が国のサーキットブレーカは、起動電流及び過負荷保護が固定レンジである。
- 従いまし、起動電流からブレーカを選択すると、通常で2倍位になる。
- 特に、トランスは突入電流が高い(おおよそ、25倍)ことから、2倍以上のブレーカを採用する。
- 選択したブレーカで保護できるサイズの電線を採用。
- 分岐回路の電磁接触器などの端子に接続ができないことから、「減線」を行っている


【重要】
ここで、電気設計のコストダウンができる!







電気安全設計 主電源開閉器の選択 Selection of a main power supply switch
メイスイッチ
MCCB(Molded case circuit breaker)又はDisconnect switch の採用



主電源開閉器器の
遮断性能は、

推定短絡電流以上




メインブレーカの選択 『電気設計の謎!』

EUでは、全負荷電流の80%が一般的であるが、日本は200%が一般的となっている。
さらに、その採用は漏電ブレーカである。

NOTE:
全負荷電流の200%を再検討することで、必要の無い太い電線の使用回避から省スペースが図れ、劇的なコストダウンを図ることが可能である。



漏電ブレーカ採用の注意点 『電気設計なるほど』

- 漏電ブレーカは、ZCT が故障しましても、セルフチェックが困難である。
- 従いまして、人による定期点検が必要となる。
- 感電を対象に考えますと、安全面からフェールセーフが要求される。
- また、感度電流 = 30mA は人体に影響を与える電流である。(IEC 60479-1参照)
- 人体が許容できる電流は、10mA である。(IEC 60479-1参照)
- ドイツでは、女性:6mA 、男性:9mA である。(感度電流6mAの漏電ブレーカが標準販売)
- アメリカでは、6mA である。(感度電流6mAの漏電ブレーカとして、GFCI が標準販売)


【重要】
ここで、電気設計のコストダウンができる!







電気安全設計 過電流保護機器の選択 Selection of an over-current protection device
分岐ブレーカ

過電流保護は、

保護機器が設置点で
推定される

短絡電流以上の性能が
必要!

加熱保護は、次の3種類

-過負荷保護

-過剰温度保護

-電流制限による保護



分岐ブレーカ  『電気設計の謎』

 分岐ブレーカの選定は、過電流Trip 値が固定レンジの場合に、突入電流で選定・・・・?

-分岐回路には、配線と負荷の保護が要求されることから、メインブレーカに採用される配線用遮断器で保護するとは困難となりますことより、分岐回路にモータ保護用ブレーカが要求されます。

-分岐回路の電磁接触器の一次側に、配線用遮断器を設ける場合、誘導負荷を対象としていない事を含めますと、負荷の突入電流から、負荷電流の20倍~30倍の配線用遮断器を採用されます。そうしますと、それに見合います電線を選定することから、電磁接触器に端子に接続が不可能なのです。

- モータの場合:負荷電流の200%で保護
- 変圧器の場合:コイル電流の250%で保護
- インバータの場合:定格電流の300%で保護

【参考】
結果、使用電線も定格の2倍、3倍と太くなり、配線処理、配線スペースで困ってしまいます。
配線用遮断器は、その名の通り、配線保護を目的としております。
誘導負荷を対象としていない事からと、モータやトランスの保護は、困ります。



過電流保護  『電気設計なるほど』

過電流保護は、ヒューズとブレーカのどちらを採用・・・・?

- ドイツのヒューズ定格の選定基準は、使用電線の許容電流の75%を設計。
- ヒューズ採用時は、電線の許容電流を「負荷電流÷0.75」のサイズとする。
- MCCB(モールデッド・ケース・サーキット・ブレーカ) Trip 時間は、ヒューズの1000倍。
- MCCBの標準は、短定格電流(起動)、定格電流(運転)の Trip 値が、それぞれ可調整
- 日本のブレーカは、アメリカのヒューズを参考にドイツの MCCB の開発技法を用いて開発された。
- これが、メーカー商標となっている「ノー・ヒューズ・遮断器」である。
- また、ヒューズによる配線保護を対象としていることから、「配線用遮断器」という言葉を標準化。
- 配線用遮断器は、誘導負荷の突入電流で選定。

ヒューズを標準とするアメリカは、ブレーカの使用が増加したことから、 NEC / NFPA 70 : 2005 にて、「 SCCR (定格短絡電流) 」を定義しました。


【参考】
現在のアメリカでは、相間短絡よりも対地間短絡を懸念し、それに対応できるブレーカの選択を要求しております。




電気安全設計 電磁接触器の選択
Hiranuma - Theory の新規提案

This is Hiranuma theory.

-Cat. A: Factor of Safety

-Cat. B: Type coordination
         (IEC 60947-4-1)
-Cat. C: Redundancy 
        (ISO 13849-1)
-Cat. D: Diversity  
  
-Cat. E: Functionality 
        (IEC 61800-5-2)

Hiranuma - Theory とは

 

本項は、制御システムの開発経過を確認した上で、仮設を立て、その理論の定義付けから、論文を通じて今後あるべき設計手順を提案するものである。


安全関連系にて使用する電気機器の統合を考える場合は、電気工学をベースとして、過電流に対する安全係数を考慮した仕様(A.参照)を考える必要性、及び 保護器と電磁接触器の接点の保護協調として型式協調(B.参照)が考えられる。

また、信頼性工学に基づく危険側故障率を考慮したシステム統合を行った組合せの冗長性(C.参照)及び多様性(D.参照)、また、機器統合を行い完成させた電気機器(E.参照)を理解する(表2参照)。



【重要】
ここで、電気設計のコストダウンができる!






電気安全設計 モータスタータと電磁接触器の協調
IEC 60947-4-1 / Type coordination of a motor-starter and contactor
型式協調;
要求している規格:

IEC 60204-32
EN 60204-32
EN 528
NFPA 79
IEC 60947-4-1
JIS C 8201-4-1

米国自動車工業会では、

Type”2”coodination

を規定している。

 
昇降機として、クレーン、ホイスト、自動倉庫などは、タイプ 2 コーディネーションが要求されている。






電気安全設計 絶縁監視装置
IEC 60204-1 Clause 9.4.3.1 2)  絶縁監視装置

Equipment for a floating control circuit

BENDER社製



地絡事故による誤動作対応の絶縁監視装置の情報です。

制御回路において、
- 片切り、片側接地ができない場合は、両切で絶縁監視装置 (IEC 60204-1 Clause 9.4.3.1の2)を参照)
- 半導体素子が NPN 出力を使用しなければならない場合は両切で絶縁監視装置を使用。そして、
- 接地系からのノイズを避けたい場合など  


絶縁監視装置を設けることで、設計( NPN 出力)の半導体素子を使用した電子機器をそのまま使用できます。





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