利用者:Habura/sandbox

無極性プラグ（リバーシブルプラグ）

概要

無極性プラグ（リバーシブルプラグ）とは、配線用差込接続器で規定されるAC差込プラグであり、差し込む際に方向がなく極性を持たないプラグを指す。 AC差込プラグには、ヒューズが内蔵されているもの、アース極を有するものなど多数の規格が存在するが、日本の100VのAC差込プラグ（NEMA 1-15 極性なし）や、欧州のユーロプラグ（CEE 7/16 ）やSchukoプラグ（CEE 7/4 ）は代表的な無極性プラグである。

欧州においても使用制限のある無極性プラグ

ユーロプラグは電圧250V 電流2.5Aまで使用が許可されている。英国のBS 4573 (UK shaver)は200mAまでと規定されており、電動歯ブラシやシェーバーなど小電力製品を対象にしている。また、Schukoプラグが許容されている国でも両切スイッチの使用が求められており、安価な片切の電源スイッチとの組み合わせでは使用できない。北米やオーストラリア、ニュージーランドでは極性プラグのみしか使用が許可されていない。

関係する世界の電気規格

片切の電源スイッチや半導体スイッチ（トライアック、サイリスタ、SSＲなど）は基本的に活線（以下Ｌ）に配置することで使用が許されている。（接地された導体を除いて全極を遮断することを基本としている）（IEC/EN 61058-1 3.4.9 all-pole disconnection single-pole phase, JIS C 4526-1 3.4.9全極遮断、JIS B9960-1 7.2.3 電力回路 ,NEC Article 404.2 Switch Connectionsなど世界各国の電気規格により：歴史的にはドイツでハンブルグ回路と呼ばれる、ニュートラル（以下N）が断路される回路を禁じたこと（VDE 0100-460セクション463.1.2）が最初であると考えられる） また、コンピューター、フォトカプラなど微弱な信号を用いる機器ではEMIにより誤動作が発生しやすい為、別途IEC60950-1の規格において、片切スイッチはＬにしか配置できないことが規定されている。 従って厳密に言えば、これらの規格に準拠している製品では、片切スイッチを使用した時点でACプラグに無極性プラグを選択することはできない。

無極性プラグの安全上リスク

無極性プラグはコンセントの極性トラブルと同様に、供給パスであるLと、リターンパスであるNが逆になることがあり、特に大電力機器では長期使用（数ヵ月から数年）において大きなトラブルが発生することが世界的に知られている。トライアックなどの高速なスイッチング素子を使用していない製品でもNを開閉するスイッチが使用されていれば、Lと大地間で意図しない電界が形成されやすい。

機能接地としてのニュートラルの役割

コイルは断路すると逆起電力（インダクティブキックバック）が発生する。また、DC電源回路で使用される平滑コンデンサは常に充放電を繰り返している（突入電流とはコンデンサが最初の充電を終了するまで吸収するように急激に流れる電流）。これらの素子は磁界や電界として、電気エネルギーを一時的に蓄えてしまう性質がある。 エネルギーが残留している状態で回路を開閉すると、そのエネルギーが瞬間的に負荷線路に放出される為、より大きなサージ電流やスイッチングノイズが発生する。

サージ電流やスイッチングノイズは周波数が高く、回路や線路外へ電磁波として放出（EMI）されやすい。トライアック、ＰＷＭ、インバーターなどで制御（スイッチング）された際のノイズは規則的で固有の周波数を持つことが多い。その際、アース線により接地された金属シャーシなどにEMIを誘導すれば、アース線を流れるリーク電流として大地へ戻ることができる。アース線は保護接地とも呼ばれ、人体への感電を防ぐ非常用リターンパスの役割がある。それと共にEMIによって帯電した電荷を、リーク電流として大地へ戻す為のリターンパス、即ち機能接地の役割もある。 一方、アース線路のない機器であっても、回路・線路のスイッチを配置していないNが常に接地されていれば機能接地の役割を兼ねることができる。

機能接地が存在しない場合、回路・線路外へリークしたエネルギーは、制御されていない最も低いインピーダンスのリターンパスを勝手に探しだし大地へ戻ろうとする。 この現象が、一般にEMCトラブルと呼ばれるトラブルの原因となっている。 例えば、PWMモーターは多くのEMIを発生するが、それがモーターのシャフトに誘導した場合、その電荷は意図していないリターンパスを介して大地へ向かおうとする。その経路ではジュール熱や放電の熱によって発熱する為、モーターシャフトが伸びたり、腐食したり、ベアリングが焼き付くなどのトラブルが発生しやすい。絶縁体が邪魔をしてコンスタントに大地へリークすることができなくとも、そのエネルギー（電荷）は帯電という形で留まりやすく、後にコイル間で放電するなど違う形のトラブルとなって表面化することがある。 前述の各国電気規格に準拠させ、片切スイッチがＬに配置された場合、もう一方の線路、すなわちNは常に接地されリターンパスが確立される。この場合、回路や線路に残留するエネルギーは最小化される為、スイッチング時に発生するEMIも最小化される。

ところが無極性プラグにより、片切スイッチ（トライアックなど電子スイッチを含む）がＮを開閉してしまうと、充放電を繰り返す平滑コンデンサは大地へのリターンパスを絶たれて残留するエネルギーが増え、コイル断路時の逆起電力（インダクティブキックバック）も最大化する。その結果、より大きなEMIが発生することになる。

EMIの測定

本来は大掛かりで専門的な機器が必要であるが、簡易的には次の方法でも確認できる。 電源線のLとNを流れる電流は本来同じ大きさになるが、電磁波として線路外へリークした場合、Nを流れる電流は減少する。その差分を測定することにより、ACプラグを正しく接続した際と逆に接続した際のリーク電流の大きさ≒EMIの大きさの違いを知ることができる。この測定に適したリーククランプメーターは各社より発売されている。電線とクランプ位置を固定して測定すると電線との距離がずれることによる誘導の誤差が出にくい。

EMIによる寄生容量の帯電と放電

長期間に渡りEMIが回路や線路から放出すると、回路内や線路間、あるいはそれらとシャーシや大地間にある寄生容量（浮遊容量）がエネルギーを吸収し蓄えてしまうことがある（帯電）。 寄生容量とは絶縁体を挟んだ2つの導体が存在する箇所であり、設計段階では想定することは難しいが、寄生容量部分に電位差があれば充電（帯電）することができる。 また、スイッチなど開閉器自体もアーク放電があると酸化し絶縁物を形成することにより、年月を経て、接触抵抗や寄生容量が増えてくる。

放電によるトラブル

EMIは言わば回路・線路から外へしみ出るエネルギーであるが、寄生容量とは、これらのエネルギーを吸収するキャパシターであり、自然に放電するよりもチャージ量が多ければ次第に帯電が進むことになる。もちろん機能接地が有効（接地された金属シャーシ、Nの継続的な接地）である場合、寄生容量は充電されにくい。 しかし機能接地がなく、大きなエネルギーが寄生容量に充電されてしまうと、何等かのきっかけ（電源スイッチの開閉など）で放電した際、絶縁破壊を伴う大きなトラブルが発生する。これは素子の破壊や接点の焼損をもたらし、最悪の場合、電気火災を引き起こすことがある。また、帯電している金属部に人体が触れることで感電するケースもある。このトラブルは、欧米でオープンニュートラルあるいはリバースポラリティーとして説明されることがある。 このアーク放電時のサージ電流やスパイク電圧はDI/dt、DV/dtで表すことができ、放電する時間が短ければ短いほど大きな数値になる。 トラブルを避ける為、英国、米国、カナダ、オーストラリア、ニュージーランド、香港ではACプラグとコンセント、スイッチ、配線色に関する各電気規格を厳格に守っており、周知しているエンジニアは多い。

国内公的機関の対応と意識

日本の場合、日本工業規格による複数の規定の他、PSEにおいても極性ありの場合（配線色で電線が識別されている場合）ACプラグ・コンセントには接地側の表示などを義務付けている。（例えばアレクサのスマートプラグには接地側には必ずNマークが目立つように表示されている）また、電気工事士は開閉器を必ず活線側に設ける原則を守っている。

しかしながら、ACプラグの差込む向きがEMCトラブル（ノイズ発生や機器トラブル、機器寿命、電気火災、感電）に関係することを認識している国内の公的機関は全く確認できない。 残念なことに、安全を守るべき電気保安協会が、ACプラグの向きはどちらでもよいなどと説明しているケースが散見される。これは米国Oshaの見解とは真逆である。米国では解明されている家電製品の発火原因調査も経済産業省の調査では原因不明、あるいは経年劣化によるトラッキング現象によるものと結論づけられることが多い。

例えば、長期間に渡り大出力機器のNを片切スイッチで開閉するという配線になっていると、スイッチングされた側でアーク放電が発生しやすい為、N側のみが激しく焼損するケースが多くなる。 このトラブルを日本の公的機関は経年劣化あるいは吸湿した埃によるトラッキング現象であるとしているが、その理論では片側だけが激しく焼損する理由を説明できない。仮にトラッキング現象がおきないように、コンセント-プラグの部位を恒久的に結線したとしても、プラグやコンセントの代わりに、製品内のコネクタや電源スイッチ、電子スイッチ、ダイオードブリッジ、コイル、スイッチング回路などが放電・焼損する為、リスクの低減には繋がらない。

EMIを含めたEMCトラブルは、ファラデーシールドやシールドケーブル、バリスタやYコンデンサ、CRフィルター、フェライトコア、ラインフィルターなどにより回路・線路外へリークしたあるいはリークしようとしているエネルギーを、制御されたリターンパスにより大地へ逃がしたり、熱に変えたりすることである程度改善できる。しかしながら根本的にトラブル発生（EMI発生）を抑制するには、リターンパスであるＮをスイッチングさせることなく、常に機能接地しておくことが重要であり、これは世界各国の電気規定に準拠することでもある。