漏電遮断（GFCI/RCD）と地絡保護の原理

漏電遮断は「電流の絶対量」ではなく「差」を見る

過電流遮断器（ブレーカ）は1本の線を流れる電流の 大きさ を見て、定格を超えたら切ります。これは電線の過熱・火災を防ぐ装置で、感電は守れません。たとえば負荷が定格20Aの回路で、人体に30mAの地絡電流が流れても、20A基準から見れば誤差以下で永遠にトリップしないからです。

漏電遮断器（RCD: Residual Current Device、米系の呼称が GFCI: Ground Fault Circuit Interrupter）はまったく別の量を見ます。回路に出ていく行き電流と、戻ってくる帰り電流の差 です。正常時は行きと帰りが厳密に等しく、差はゼロ。どこかで電流の一部が保護導体(PE)や大地へ漏れる地絡が起きると、その分だけ行きと帰りに差（残留電流, residual current）が生じます。この差だけを取り出せば、負荷電流がいくら大きくても 漏れた30mAだけ を検出できます。これが感電保護にRCDが必須とされる理由です（接地と保護協調の全体像は /power/grounding-protection/ を参照）。

ZCT：行き帰りを逆向きに通して磁束を相殺する

RCDの心臓部は 零相変流器（ZCT: Zero-phase-sequence Current Transformer） です。電源の行き導体と帰り導体（単相なら活線L と中性線N、三相4線なら3相+N の全線）を 同一の環状磁心に同方向に貫通 させます。各導体が作る磁束は電流の向きで符号が決まるので、行きと帰りが等しければ磁心内で打ち消し合い、合計磁束はゼロになります。

ZCTによる残留電流検出:

  正常時:  ΣI = I_L − I_N = 0          → 合成磁束ゼロ → 二次出力なし
  地絡時:  ΣI = I_L − I_N = I_leak      → 差電流ぶんの磁束が残る
           → 二次巻線に誘起電圧 → 増幅 → 定格感度(例30mA)超で開路指令

  三相の一般化:  ΣI = I_a + I_b + I_c + I_N
    正常時は相電流とN電流の総和がゼロ（キルヒホッフ電流則）
    地絡で1相が大地へ漏れると総和が崩れ、差が現れる

検出しているのが「絶対値」ではなく「総和（差）」である点が要諦です。磁心の中で全導体電流のベクトル和を取っているので、原理的にキルヒホッフの電流則（/power/circuit-fundamentals/）そのものを磁気的に実装した装置だと言えます。総和が崩れる＝どこかに別経路（地絡）ができた、という対応です。

引外し方式には2種類あります。電圧引外し（電子式） は二次の信号を増幅してトリップコイルを駆動するもので感度設計が自由ですが、補助電源を必要とする場合があります。電圧不要・電流引外し（電磁式） は二次出力で直接小型のトリップ機構を動かすもので、電源喪失時でも動作する堅牢さが利点です。CT が本当に微小電流を見るため、磁心材料は高透磁率（パーマロイ等）で残留磁束の小さいものが選ばれます。

AC/A/B型 ── 直流成分にどこまで対応するか

ZCTは磁束の 変化 を通じて電流を検出する変流器なので、純粋な直流の差電流に対しては原理的に出力が出ません。ところが現代の負荷は整流器やインバータ、スイッチング電源（/power/smps-principles/）だらけで、地絡電流が正弦波とは限らず、脈流や直流分を含みます。これに応じてRCDは波形対応で型式が分かれます。

A型はパルス状の脈流直流まで検出できるよう磁心の動作点を工夫したもので、地絡波形に直流オフセットが乗っても感度が崩れにくくしてあります。ただし完全に平滑された純直流地絡電流が流れると、ZCTには磁束の時間変化が生じないため検出できません。

B型は別系統の検出を併設します。商用周波の交流分は通常のZCTで、直流・低周波・高周波分は別の磁気検出（磁束ゲート型のフラックスゲートセンサ等、/power/current-sensing-methods/ の直流対応電流センサと同じ原理）で拾い、両者を合成して引き外します。三相インバータ駆動のモータやPVパワコン、EV急速充電器は平滑直流の地絡が起こり得るため、B型でないと 直流地絡を見逃して感電・火災に至る 危険があります。型式選定は装置の入力段トポロジから逆算するのが正しい手順です。

不要動作と対地容量 ── データセンター接地との関係

RCDの悩みは感度を上げるほど 不要動作（誤って切れる） が増えることです。原因は地絡ではなく、設計上 常に存在する正常な漏れ電流です。EMIフィルタのYコンデンサ、長いケーブルの対地容量、絶縁の対地リークなどが、活線と大地の間に微小な電流を流します。これは地絡と区別がつかず ZCT の差として現れます。

正常時にも流れる対地漏れ電流（不要動作の原因）:

  I_leak_normal ≈ ω · C_pe · V
    C_pe : 機器・ケーブルの対地容量（EMIフィルタYコン＋ケーブル分布容量）
    V    : 対地電圧、 ω : 商用角周波数

  問題:
    - 多数の電源を1つのRCD下にまとめると C_pe が累積
    - 各々が0.5mA でも 60台で30mA級 → 30mA RCD が常時トリップ寸前
    - 周波数が高い成分（インバータのスイッチングノイズ）ほど I が増える

対策は感度と回路分割の設計です。一般に 人体保護（30mA以下）と火災・地絡保護（100〜500mAの低感度）を役割で分ける。感電リスクの高いコンセント系統は高感度RCDで、機器の多い動力系統は累積漏れ電流に負けない低感度RCD（または地絡継電器）で守り、回路を細かく分割して1台あたりの対地容量累積を抑えます。

機械的な信頼性も忘れてはいけません。RCDは内部のトリップ機構やリンク部が固着すると、地絡を検出しても物理的に切れない故障モードを持ちます。だから本体にテストボタンが付いており、これは 意図的に基準抵抗で約定格相当の漏れ電流を作りZCTに差を与えて、検出から遮断までの全経路を機械的に動かす 自己診断です。定期的な押下が安全の前提で、押して切れなければ即交換、というのが運用ルールです。過電流遮断器との保護協調（/power/fuse-breaker-coordination/）と合わせ、地絡はRCD・過電流はブレーカで分担させます。

まとめ

• RCD/GFCIは行き帰り電流の 差 をZCTでゼロ磁束検出し、過電流遮断器が見逃す数十mAの地絡を、感電の致死域に達する前（定格30mA・数十ms）で切る。検出原理がブレーカと根本的に違う。
• ZCTは磁束変化を見るため純直流の差電流を取りこぼす。脈流直流はA型、純直流まではフラックスゲート併用のB型が必要で、型式は入力段トポロジから逆算して選ぶ。
• EMIフィルタや長ケーブルの対地容量が作る正常な漏れ電流が感度に近づくと不要動作する。人体保護(高感度)と地絡火災保護(低感度)を分け、回路分割で対地容量の累積を抑える。
• データセンターでは不要動作と可用性のため、IT系統や絶縁監視で「切る前に監視・計画停止」に寄せる。テストボタンは全遮断経路の自己診断で、定期押下が安全の前提。
• 前提となる接地と保護協調は /power/grounding-protection/、電流連続性は /power/circuit-fundamentals/、直流対応の電流検出は /power/current-sensing-methods/ を参照。