サージ保護 – 基本 サージ保護に関するテクノロジ、規格、指令。

このような質問にお答えします

• サージ電圧はどのように発生し、どのような影響があるのでしょうか。
• 効果的なサージ保護コンセプトはどのようにして作成すればいいのでしょうか。
• 保護コンセプトと製品の背後にはどのようなテクノロジがあるでしょうか。
• 留意点は何でしょうか。

過電圧の原因

過電圧とは一体何でしょうか。サージ電圧が発生するしくみとは。サージ電圧が機器やシステムに入り込む仕組みとは。このような疑問を抱かれていると思います。ここではサージ保護技術の概要を説明します。

原因

サージ電圧は瞬間的に発生します。このことからサージ電圧は過渡電圧または過渡過電圧と呼ばれます。立ち上がり時間は数マイクロ秒と短く、その後最大100マイクロ秒をかけて比較的ゆっくり下がっていきます。
サージ電圧は次の原因で発生します。

雷放電（LEMP）
技術用語では雷放電をLEMPと表します。これはLightning Electromagnetic Pulse（雷電磁パルス）の略語です。
嵐の落雷で非常に高い過渡過電圧が発生します。スイッチング操作や静電気放電で発生するサージ電圧よりもずっと高いものです。とはいえ他の原因よりも発生頻度はずっと低くなっています。

スイッチング操作（SEMP）
スイッチング操作はSEMPと表します。これはSwitching ElectroMagnetic Pulse（電磁パルスのスイッチング）の略語です。
この文脈ではスイッチング操作は高性能の機器のスイッチングや電源ネットワークの短絡を意味します。このような操作では影響を受けるケーブルで瞬時に大きな電流変化が発生します。

静電気放電（ESD）
ESDは静電気放電の略語です。
静電位が異なる導体が近接したり接触すると電荷が移動します。よくある例は、床に敷き詰めたカーペットを歩くと人体に充電され、金属レールなど金属製の接地体に触れて放電するという場合です。

結合の種類

サージ電圧はさまざまな方法で回路に入り込みます。次の結合種類があります。

抵抗結合
回路で直接結合するサージ電圧です。落雷などで発生します。この場合、落雷した建物の接地抵抗に雷電流が流れて過電圧が発生します。
この電圧は一括等電位ボンディングに接続するケーブルに印可します。雷電流が流れる導体にも過電圧が発生します。電流上昇の速度が速いため、この電圧はケーブルのインピーダンスのうち誘導成分に起因します。この値はファラデーの誘導法則u0 = L x di/dtから求めることができます。

磁界結合
このプロセスは、変流器の原理に従い他の通電ケーブルの磁場を通じて発生します。直接結合した過電圧で電線内に急激なサージ電流が発生します。
同時にこの導体の周囲には変圧器の一次巻線のように強磁界が形成されます。この磁界は変圧器の二次巻線のようにすぐそばの他の導体に過電圧を誘起させます。結合過電圧はケーブルを通じて接続機器に伝わります。

電界結合
このタイプの結合は、主に大きな電位差を持つ2点間の電界を通じて発生します。落雷により、高い電位が直撃雷用アレスタの引下げ導線を通じて発生します。引下げ導線と他の低電位部品との間に電界ができます。
例えば、電源や信号線のケーブルや建物内部の装置などです。電荷は電界を通じて移動します。このため電圧が上昇し、最終的にケーブルや機器への過電圧となる場合があります。

サージ電圧が発生する方向

サージ電圧は影響を受けた回路で2方向に発生します。

コモンモード電圧
コモンモード電圧[UL]は、活電部導体と接地の間にサージ電圧や高周波干渉電圧による干渉が生じた場合に発生します。非対称という表現もよく用いられます。
非対称電圧で、主に活電部電位とアース接地間の部品や活電部電位と接地された導体の電位との間の絶縁が危険にさらされます。この結果、プリント基板上または通電している機器と接地済みのハウジング部品の間に火花が発生します。

ノーマルモード電圧
ノーマルモード電圧[UQ]は、回路の活電部導体間にサージ電圧または高周波干渉電圧で干渉が起こると発生します。対称モードおよび差動モードの用語も使われます。
対称サージ電圧で、装置とインターフェースの電圧と信号入力が危険にさらされます。電源や信号処理部品など、影響を受けた機器が直接過負荷となったり破壊されたりします。

過電圧の影響

多くの場合、回路に入り込む過電圧は設備や機器に大きな被害をもたらします。常時使用している機器には非常に高いリスクがあります。この場合、被害によるコストが非常に高くなります。
被害を受けた機器の交換や修理でコストがかかるだけではありません。長時間のシステムダウンタイムやソフトウェアあるいはデータの損失でさらにコストが発生します。

電源の多段式保護コンセプト

機器やシステムの保護に必要な対策は、選定した保護機器や予想される環境の影響によって、二段階または三段階に分かれます。各段階の保護機器はその段階の放電容量レベルや電圧保護レベルによって異なります。
次のように設置場所により異なる三段階の保護コンセプトがあります。

• クラスI：雷電流アレスタ
  電圧防護レベル < 4 kV、通常の設置場所：主配電盤
• タイプ2：サージ保護機器
  電圧防護レベル < 2.5 kV、通常の設置場所：分電盤
• タイプ3：機器保護
  電圧防護レベル < 1.5 kV、通常の設置場所：末端機器の上流
  保護レベル1と2は、雷電流アレスタとサージアレスタの複合型タイプ1+2にも実装することができます。この保護機器はタイプ1およびタイプ2アレスタと同じ要件を満たします。特長は簡単に設置ができることです。特別な設置条件を考慮する必要もありません。
  雷電流アレスタとサージアレスタの複合型タイプ1+2と、独立したタイプ3アレスタによる三段階の保護コンセプト：
• 雷電流アレスタとサージアレスタの複合型タイプ1+2
  電圧防護レベル < 2.5 kV、通常の設置場所：主配電盤
• タイプ3：機器保護
  電圧防護レベル < 1.5 kV、通常の設置場所：末端機器の上流

部品と保護回路

過電圧発生時は、影響を受ける機器とケーブルを非常に短い時間内に等電位ボンディングで短絡させる必要があります。これに適した特性を持つ部品が多数用意されています。基本的にこの部品は応答動作と放電性能が異なります。

規格と指令 サージ保護機器の雷保護、設置仕様、製品選定に関する一般規格

設置と安全性の要件および各種アプリケーションでの製品の使い方についてはさまざまな規格で詳しく説明されています。以下に、主な項目と関連する国際規格を示します。

サージ保護機器の分類

サージ保護機器（SPD）はバリスタ、サプレッサダイオード、ガス入り放電管（GDT）、スパークギャップなどを主要部品とする装置です。サージ保護機器は許容できない高い過渡的過電圧と過渡的電流から他の電気機器や電気システムを保護し、等電位ボンディングを作るために使用します。サージ保護機器は、サージ保護機器向けの関連する製品とアプリケーションの規格に従って、「クラス」に分類されます。
サージ保護機器は用途や保護機能に応じて次のように分類されます。

低電圧システムで使用する最大定格電圧1000 Vのサージ保護機器（SPD）です。

製品の選定と設置では、IEC 61643-12、IEC 60364-5-53 Part 534、VDE 0100 Part 534などの低電圧システムに関する各国の設置仕様を順守する必要があります。製品規格はEN（IEC） 61643-11です。IECおよびEN規格サージ保護機器は、この規格に従って、放電性能および代表的な設置場所に基づいて3つの試験クラスに分類されます。

• タイプ 1 SPD：直接または近隣への落雷によって生じる高エネルギーサージ電流/サージ電圧向けの、高性能のサージ保護機器。設置場所：雷保護ゾーンLPZ 0Aと雷保護ゾーンLPZ 1との境界。通常は主配電。建物外部に雷保護システムが設置されている場合は必ずタイプ 1 SPDが推奨されます。

• タイプ2 SPD：遠隔地への落雷、誘導結合または容量結合、過電圧のスイッチングによって生じる高エネルギーサージ電流/サージ電圧向けの、高性能のサージ保護機器。設置場所：雷保護ゾーンLPZ 0Bと雷保護ゾーンLPZ 1との境界、またはLPZ 1とLPZ 2との境界。通常は主配電および/または分電盤。

• タイプ3 SPD：過電圧に弱い末端機器を保護する追加のサージ保護機器（機器保護）。設置場所：雷保護ゾーンLPZ 2と雷保護ゾーンLPZ 3との境界。通常は過電圧に弱い末端機器の近く。このような過電圧に弱い末端機器には、保護する末端機器の上流側ソケットエリアで配電盤やポータブル保護機器に固定設置する装置が含まれます。

一般的な説明についてはIEC 61643-12またはDIN EN 61643-12アプリケーションガイド（選定と適用原理）をお読みください。EN（IEC） 62305-…/VDE 0185-305-…の4つの部（part）で雷保護の基礎、雷保護ゾーンの考え方、リスク解析について扱っています。

__テレコミュニケーションや信号ネットワークで使用するサージ保護機器__で、落雷や他の過渡過電圧サージ電圧の影響から直接的・間接に保護するため設計されています。これには最大定格電圧1000 V ACおよび1500 V DCの低電圧データシステム、計測制御回路、音声伝送ネットワークも含まれています。

製品規格はEN 61643-21、VDE 0845 Part 3-1です。試験要件と性能クラスを定義するために、装置はこの規格に従ってA1、A2、B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1、D2のカテゴリに分類します。保護機器はさまざまなカテゴリと性能クラスでマーキングして試験することができます。

一般的な説明についてはIEC (TS） 61643-22アプリケーションガイドをお読みください。また、VDE 0800…およびVDE 0845…の各部（Part）にも説明があります。さらに各国の仕様を順守する必要があります。