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電気測定の基礎知識

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HIOKIが贈る、電気測定の基礎がわかるやさしいハンドブック

「電気の基礎」「測定の基礎」「確度・校正の基礎」をテーマに、電気計測に必要な知識をまとめました。これから電気計測を本格的に始める方はもちろん、新人指導にあたる先輩にもおすすめします。

このカタログについて

ドキュメント名 電気測定の基礎知識
ドキュメント種別 ハンドブック
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このカタログの内容

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電気測定の基礎知識 Basic knowledge of electricity もくじ 電気の基礎 ................ p2 - 測定の基礎 ................ p10 - 確度・校正の基礎 ... p20 -
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電気測定の基礎知識 Basic knowledge of electricity 電気の基礎 2
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電気を例えるなら 電気とは、水の流れに似ている。 電流 オームの法則 電圧 [V] ＝ 電流 [A] × 抵抗 [Ω] 高電位 ＋ 電池 電位差 A B A 低電位 － 水位の差 電流（Ｉ） B 水が流れない 水の流れ 電圧（V） 抵抗（R） 電流の流れによって仕事を行う回路を、電気回路と呼ぶよ 直流とは DC（Direct Current）は、 方向が変化しない電圧・電流のこと。 ＋ 0 － I I I I I 直流波形の例 平流 脈流 脈流 乾電池やバッテリーは直流の電源（電気を流す源）だよ 3
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電気の基礎 交流とは AC（Alternating Current）は、 交流波形の例 方向と大きさが周期的に変化する電圧・電流のこと。 交流の代表的な波形は正弦波(sin波)で、 商用電源は正弦波交流電圧。 正弦波 方形波 ＋ 0 のこぎり波 三角波 － I=0 I I=0 I I=0 パルス波 ひずみ波 家庭用コンセントの電源は交流だよ 交流の表現方法 瞬時値 ： 瞬間における大きさ 最大値･最小値 ： 最も高い値と小さい値 ピークツーピーク（peak to peak）値 ： 最大値から最小値の差 平均値 ： 半周期における瞬時値の平均 実効値（RMS、True RMS、真の実効値）： エネルギー量を直流レベルに換算した値 周期 ： 変化1回に要する時間 [s] 周波数 ： 1秒間に変化する回数 [Hz] 最大値 ピークツーピーク値 1周期 平均値 商用電源100Vの測定例 ピークツーピーク値：282.8V 最大値：141.4V 平均値：90V 実効値：100V 最小値 最小値：-141.4V 実効値＝最大値÷√2　 平均値＝最大値×2÷π　で計算できるよ 4
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平均値整流方式と実効値方式① 平均値整流方式 全波整流 DC 入力波形を歪みのない正弦波（単一周波数 （×1.11） LPF MEAN値 のみ）として扱い、実効値に換算して表示。 真の実効値方式 DC 全波整流 2乗 平均 √ LPF RMS値 高調波成分などを含んだ波形を 実効値に換算して表示。 RMS演算IC RMS：Root Mean Square 平均値整流方式は波形がひずむと測定誤差が生じるため注意しよう 平均値整流方式と実効値方式② 平均値整流方式は、内部回路で平均値を測定する。 その平均値に正弦波の波形率（実効値÷平均値）1.11を掛けた値を実効値として 換算表示する。 実効値方式は、内部回路で実効値を測定する。 インバータ等の歪んだ電流値を比較 平均値方式の クランプ電流計 真の実効値方式の RMS ※真の実効値方式は クランプ電流計 ひずんだ波形も正確に測定可能 最近の負荷は、電流波形がひずんでいる場合が多いよ 5
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電気の基礎 クレストファクタとは 波形の最大値と実効値の比のこと。 最大値（ピーク値） クレストファクタ（CF）＝ 実効値 最大値 実効値形の測定器の仕様書にはクレストファクタが表記。 この値は、測定可能な波形を示すもの。 実効値 例）クレストファクタ3の測定器は、レンジに対してクレストファク タが3以上の波形を正確に測定することができない場合がある。 レンジを変更するか、もっと高いクレストファクタを持つ測定器が 必要となる。 オートレンジ機能があれば、自動で最適なレンジに調整されるよ 測定カテゴリ① 測定カテゴリⅡ コンセントに直接接続する機器の電源プラグから機器の電源回路まで 測定カテゴリⅢ 分電盤から電力を直接取り込む機器（固定設備など）の電源配線と、 電源回路、および分電盤からコンセントの裏側の配線端子までの配電路 測定カテゴリⅣ 建造物への引込み電路、引込口から電力量メータおよび分電盤までの電路 テスタの安全性に関する「国際規格：IEC61010-1」による 測定器の仕様書を見ると、「CAT III 600V」のように カテゴリの後に電圧が明記。 これは、CAT III の環境において600Vまで測定する 用途の測定器であることを示している。 通常の電圧は電柱が6,600V、家庭用コンセントが100Vだよ 6
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測定カテゴリと対地間電圧の表記 CAT Ⅳ 600 V / CAT Ⅲ 1000 Vの表記 つまり、対地間電圧が CAT Ⅳ の箇所では 600 V まで CAT Ⅲ の箇所では 1000 V まで 測定できるということ。 同じ電圧でも、測定箇所によって使い分けが必要だね 測定カテゴリ② 電力ラインの過渡的な過電圧（インパルス電圧）。 工場等では電磁弁や負荷の開閉により、スパイク状の高電圧が発生。また、誘導負荷などでは 波高値が電源電圧の10倍以上になる場合もあるため、IEC規格の中では過渡的な過電圧の目安 の参考として、公称システム電圧（電源ライン電圧）と過電圧レベル、および、測定カテゴリとの 相関関係を示している。 過渡過電圧の値［ V ］ 対地間電圧［ V ］ CAT Ⅱ CAT Ⅲ CAT Ⅳ 300 2500 4000 6000 600 4000 6000 8000 1000 6000 8000 12000 対地間電圧に対する各カテゴリの過電圧の参考値だよ 7
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電気の基礎 測定カテゴリ③ 電磁弁の開閉による発生電圧例 テスタの誤操作による焼損例 +1000V 0 -1000V 電磁弁の開閉時などでは、大きなサージ 抵抗レンジにて、誤って400Vを入力して焼損。 電圧が発生することが多い。 抵抗レンジは、250Vの回路保護付きであった。 上記の例では、AC100Vラインに1000V 近いサージ電圧が発生している。 測定箇所によっては想定外の危険があることを理解しておこう プローブの安全規格 テストリード先端部のキャップ装着で短絡事故を防止。 キャップ 先ピン CATⅡのコンセントは、キャップを外して測定するよ 8
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NG例：電流測定回路への電圧入力 例）mAレンジ（アナログテスタ） 10A 20mA （1/4W抵抗） 約63倍の過電流 約400倍の過電流 過大電圧 過電流により AC：100V Rs＝10Ω rｖ＝5kΩ 焼損！ 許容電流： 許容電流： 158mA 50μA こうならないように、ヒューズを挿入して回路を保護してるよ NG例：抵抗測定回路への電圧入力 200V盤内の電圧測定に 誤って抵抗レンジを使用してしまい配電盤が焼損。 テストリードの先端部も 短絡電流により溶けている。 測定時の短絡は大事故の原因になるため、十分に注意しよう 9
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電気測定の基礎知識 Basic knowledge of electricity 測定の基礎 10
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電圧測定 回路に並列接続。 アナログ式 入力インピーダンス：低め ディジタル式 入力インピーダンス：高め 計器損失：大きい 計器損失：小さい 外来ノイズ：受け難い 外来ノイズ：受け易い 電圧降下 電圧降下 大 小 8 8 8 8 電流 電流 ディジタル Vr 大 Vr 小 表示 A/D 電圧測定は並列接続、電流測定は直列またはクランプ接続だよ 電流測定 直接結線式 回路に直列接続 クランプ式 回路線にクランプ接続 電源を停止する必要あり 電源を停止する必要無し 電流 電流 直接結線式は微小電流向き、クランプ式は負荷電流向きだよ 11
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測定の基礎 クランプ電流計の測定原理① 「アンペールの右ネジの法則」 磁界 電流が流れると同心円状に磁界が生じる。磁界の大きさは電流の 電流 大きさに比例する。磁界の方向は、ネジの進む方向と電流の方向を 合わせるとネジを締める方向になる。この法則を「アンペールの右 ネジの法則」と言う。 電流計測の測定原理 磁界に変化があると、それが突き貫けるコイルに電流が誘導。その 電流の大きさは増減により決まる。誘導電流を測定することにより 磁界の増減により 電流発生 磁界の大きさがわかり、導体に流れる電流を測定することが可能 となる。 右ねじの法則は右手、フレミングの法則は左手で覚えよう クランプ電流計の測定原理② クランプ電流計の構造 測定導体 クランプ電流計はコイルを形成する巻線、磁 測定電流による磁束Φ 界の感度を上げる磁気コア、誘導電流を測 出力 定するためのシャント抵抗から検出。シャン ト抵抗の両端の電圧を測定し、内部回路で ２次電流 磁気コア シャント抵抗 導体に発生している電流に換算して表示。 帰還巻線 2次電流に DC電流を測定するのであれば、ホール素子 よる磁束 測定電流 を使用して測定。誘導電流は磁界の変化に よって発生し、その磁界は測定対象の電流 の大きさに比例する。 AMPホール素子 AC専用のクランプテスタでは、直流を測定できないよ 12
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クランプ電流計の測定方法① クランプ電流計は大きく分けて負荷電流用、漏れ電流用、直流用、広帯域用がある。 負荷電流を計測するのであれば1線をクランプすることが基本。 クランプ電流計は2線はさむのではなく、1線のみはさむ。 往復2線の電流は逆向きになり、同じ大きさの磁 界が発生する。よってこの2つの磁界は打ち消し 合うため、合計すると磁界はゼロになってしまう。 つまり、2線をはさむと電流表示はゼロとなる。 漏れ電流測定はリーククランプメータなど専用測定器を使うよ クランプ電流計の測定方法② 漏れ電流測定 漏れ電流測定の場合、2線を同時にはさむことが ある。 漏れ電流は負荷の絶縁抵抗を通して大地に流れ る電流のことで、正常な場合は数μA程度以下。負 絶縁抵抗 荷がたくさんつながっていれば数十μAになる。 漏れ電流 漏れ電流用クランプ電流計を使用して往復の2線 をクランプすることで、往復の微小な差分を検出 し、漏れ電流として測定することが可能となる。 負荷電流測定とはクランプの仕方が違うことを覚えておこう 13
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測定の基礎 抵抗測定 抵抗測定の際は必ず「ゼロ調整」を行なう。（機械的ゼロ、電気的ゼロ） 電圧が印加されている状態では危険なため、切り離す。 アナログテスタの抵抗計回路 必ず切り離す ゼロ調整 Rx テスタ本体 被測定物 ゼロ調整することで、テストリードの断線もチェックできるよ 低抵抗測定① 配線抵抗や接触抵抗の影響を受けずに計測するには、 2端子計測法 → 4端子計測法 2端子計測法 4端子計測法 定電流電源 定電流電源 電圧計 I 電圧計 I r1 r2 r1 r3 r4 r2 E E 抵抗Ro 抵抗Ro 4端子計測法は、mΩ以下の小さな抵抗測定向けだよ 14
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低抵抗測定② 銅の線材は、周囲温度によって抵抗値が変化するので 基準温度に換算する補正を行う。 抵抗値 Rt ＝ Rt0 ×｛ 1 ＋ αt0×（ t－t0 ）｝ Rt Rt ：実測した抵抗値［Ω］ Rt0 Rt0：補正抵抗値［Ω］ 補正 ｔ0：基準温度［℃］ ｔ ：現在の周囲温度［℃］ t0 t 温度 αt0：t0の時の温度係数 測定抵抗値を温度補正機能で自動換算する抵抗計もあるよ 絶縁抵抗測定① 絶縁計測の目的 電気機器・部品および電気施設等の安全のために絶縁抵抗を測定する。 １．充電部と非充電部間の絶縁　→　絶縁破壊が起こると地絡･感電の恐れ ２．二つ以上の充電部間の絶縁　→　絶縁破壊が起こると短絡の恐れ 非充電部 L L 充電部 電源 絶縁部 電源 絶縁部 E 充電部 E 充電部 接地 絶縁抵抗は値が大きいので、MΩ（メガΩ＝10 6Ω）で表現するよ 15
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測定の基礎 絶縁抵抗測定② 日本工業規格 JIS C 1302「絶縁抵抗計」の解説には、次のように記載されている。 定格測定電圧（V） 使用例 25V / 50V 電話回線用機器、電話回線電路の絶縁測定 100 V系の低電圧配電路および機器の維持・管理 100V / 125V 制御機器の絶縁測定 250V 200 V系の低圧電路および機器の維持・管理 600 V以下の低電圧配電路および機器の維持・管理 500V 600 V以下の低電圧配電路の竣工時の検査 600 Vを超える回路および機器の絶縁測定 1000V 常時使用電圧の高い高電圧設備（例えば、高圧ケーブル、高電圧機器、 高電圧を用いる通信機器および電路）の絶縁測定 色々な測定電圧を選択できる機種（多レンジモデル）が人気だよ 絶縁抵抗測定③ 絶縁抵抗値 （電気設備技術基準58条） 電路の使用電圧区分 絶縁抵抗値（MΩ） 対地電圧150V以下 0.1 300V以下 対地電圧150V超過 0.2 300V超過 0.4 ただし、1345節-2の注4で 「新設時の絶縁抵抗値は1MΩ以上であることが望ましい」とある。 J IS マーク付きの絶縁抵抗計で測定すると安心だね 16
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絶縁抵抗測定④ 測定原理 発振回路よりスイッチングさせトランスにて昇圧させて高電圧を印加し、その電流を計 測して抵抗値に換算。 MEASURE 測定端子電圧特性（IR4000s） SW EARTH 1,200 昇圧 1000V OFF 電圧 検出 1,000 ON 整流 V→I ＆ 被高圧レンジ 測 800 平滑 選択 定 I2 抵 600 単三 4本 （ 抗 500V直 流 高 I1 400 圧 発 抵抗値 250V 生 表示 LINE 200 125V） 電流 100 50V 検出 0 25V 発振回路 発振 0 0.025 0.05 0.1 0.125 0.25 0.5 1 20 100 2,000 ∞制御回路 被測定抵抗［MΩ］ 抵抗値が小さい場合は、印加電圧が自動的に下がるから安全だよ 接地抵抗測定① 接地工事とは 接地工事とは電路を大地と接続する工事のことを示す。大地は安定した電位で、大地と電路を 接続することで電位が安定する。電気機器の外箱、電気回路の中性点、電子機器や通信機器類 の基準電位を確保するためなど、接地は数多くの役割を持つ。 主な目的 ・通信機器や電子機器類は電磁波やノイズ対策や通信障害対策のため ・建物電気設備関係では、感電対策のため ・雷保護のため ・電位の均等化のため 接地はアースとも呼ばれ、緑色のケーブルで配線するよ 17 測定端子電圧［V］
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測定の基礎 接地抵抗測定② 接地工事の種類 種類 判定基準 適応する場所 A 種 10Ω 特高、高圧 B 種 計算による 変圧器の中性点 C 種 10Ω / 500Ω※ 300V超の低圧 D 種 100Ω / 500Ω※ 300V以下の低圧 ※0.5秒以内に動作する漏電遮断器がある場合 柱上トランス 変電所 ホーム分電盤N相 キュービクル 6600V 200V 6600V 200V 100V 100VN相 A B D A B C D 接地工事の種類で接地抵抗値の基準が違うよ 接地抵抗測定③ 接地抵抗計の測定原理 電流計 交流電源 I 交流電源の電圧をH（C）電極ー E電極間 I A に印加して、この時に流れる交流電流 Iを 測定する。 電圧計 また、電流が流れるS（P) 電極ー E電極間 V の電圧Ｖを交流電圧計で測定する。 V=Rx×I E電極 S（P）電極 H（C）電極 この電流と電圧からＥ電極の接地抵抗 Rx を求める。 Rx=V/I オームの法則で抵抗値を算出するよ 18
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接地抵抗測定④ 接地抵抗計の測定方法 ■ 3電極測定法 ■ 2電極測定法（簡易測定法） 　 A種～D種測定まで全てに対応 　 D種測定に対応 　 測定抵抗値＝Rｘ[Ω] 　 測定抵抗値＝Rｘ+Ro[Ω] C P E E P C E C Rx Ro Rx 10m 10m 5m以上 接地抵抗測定の基本は、3電極測定法を用いるよ 19
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電気測定の基礎知識 Basic knowledge of electricity 確度・校正の基礎 20