主配電のサージ保護 サージ保護を誤って設置すると、スイッチング機器の計画者や設置者が責任を問われるリスクが生じます。接続ケーブルが長すぎると問題が発生することがよくあります。正しい設置方法と必要なケーブル長を遵守する方法をご説明します。
サージ保護機器の正しい設置場所
大規模な電気システムでは、給電用に独立した変圧器が使用されることが多いです。最大7,000 Aのミニチュアサーキットブレーカを備える主配電は、低電圧側に設置されます。このような配電では、DIN VDE 0100-443に準拠してサージ保護も提供する必要があります。
下から給電され、上部または中央にバスバーシステムがある配電では、サージ保護機器は通常ミニチュアサーキットブレーカより上に設置されます。受電パネルには、サージ保護機器および必要なバックアップヒューズ用のスペースが豊富にあります。
サージ保護機器への接続ケーブルは、カバーする必要のある距離が長いため、非常に長くなります。これは、上部または中央に設置されたL1、L2、L3のバスバーおよび下部にあるPE、N、PENからの経路により自動的に発生します。これは単に美観上の欠陥ではありません。ケーブル長が過度に長いと、開閉機器の実効電圧防護レベルが、不適切なレベルまで上昇します。
基本原則：ケーブル長と電圧防護レベルの詳細
開閉機器の電圧防護レベル
サージ保護機器の接続、特にケーブル長は、開閉機器の実効電圧防護レベルに大きく影響します。
そのためDIN VDE 0100-534では、位相とPEとの間の最大ケーブル長を0.5 mと定めています。
開閉機器の全体的な実効電圧防護レベル
直線に設置された長さ1 mの導線では、10 kA（10/350 µs）のパルス電流の場合に約1 kVの電圧降下が生じます。
ΔUL = (-) L ∙ di/dt
L = 1 µH/m
ΔUL = 1 µH ∙10 kA / 10 µs = 1 kV
全体的な実効電圧防護レベルを評価する際には、この電圧降下を考慮する必要があります。
接続ケーブルでの電圧降下は、サージ保護機器の電圧防護レベルを超える値にすぐに到達することがあります。この点は過小評価されることが多いです。
2. 実効電圧防護レベルの評価
特に大規模な開閉機器では、ケーブル長を0.5 m未満に保つのは必ずしも容易ではありません。
その代わりに、システムの実効電圧保護レベルを個別に評価することもできます。これは複雑に思えるかもしれませんが、そうとは限りません。これは実際には、大規模な開閉機器では推奨されています。
実効電圧防護レベルを評価するには、保護対象が何かを知り、理解する必要があります。保護対象は明確に定義されます。機器の保護が適切に行われることを保証するため、アクティブな導線と保護導線との間の電圧防護レベルUpは、保護対象機器の必要な定格サージ電圧Uwをいかなる場合も超えてはなりません。
これはつまり、アクティブな導線と保護導線との間の電圧が、使用する機器の絶縁抵抗または電気強度より決して大きくなってはならないということです。これには制御盤も含まれます。
機器の電気強度は、定格サージ電圧Uwで定義されます。機器は過電圧カテゴリに分類されます。
230/400 Vネットワークの過電圧カテゴリ
アクティブな導線とPE（接地）間の必要な定格サージ電圧Uw
| 定格サージ電圧 | 部品 | |
|---|---|---|
| 過電圧カテゴリ | ||
| IV | 6 kV | 電気メーター、リップル制御レシーバなど、定格サージ電圧が非常に高い機器 |
| III | 4 kV | 分電盤、スイッチ、ソケットなど、定格サージ電圧が高い機器 |
| II | 2.5 kV | 家電、工具など、定格サージ電圧が通常の機器 |
| I | 1.5 kV | 繊細な電子機器など、定格サージ電圧が低い機器 |
そのため電気システムでは、保証する必要があるのは、実効電圧防護レベルが定格サージ電圧Uwを超えないことのみです。
そしてそれは実際に、それほど難しくはありません。大規模な主配電では、すべての機器は通常過電圧カテゴリIIIを満たし、場合によってはカテゴリIVを満たすこともあります。つまり、400 Vネットワーク内の機器は最大4 kVまたは6 kVのサージに対応できます。
3. 接続ケーブルでの電圧降下
直線に設置された長さ1 mの導線では、10 kA（10/350 µs）のパルスサージ電流の場合に約1 kVの電圧降下が生じます。SPDは常にケーブルで接続されるわけではありません。銅レールは通常大規模な開閉機器に設置されます。レールはその形状のためケーブルよりインダクタンスが低くなります。
形状がインダクタンスに与える影響は、取付けプレートにも該当します。取付けプレートのインダクタンスはケーブルよりはるかに低く、パルスサージ電流によって生じる電圧降下が大幅に低くなります。しかし気を付けてください。取付けプレートでの電圧降下を無視することなく、取付けプレートへの接続を必ず考慮してください。
電流変化di/dtは、接続ケーブルでの電圧降下を決定付けます。10 kA（10/350 µs）のパルスサージ電流では、直線で長さ1 mの導線での電圧降下は約1 kVです。しかし大規模な開閉機器には、放電性能が極当たり25 kA、合計最大100 kAのタイプ1サージ保護機器が設置されることが多いです。つまり、規格文書に記載される10 kAの数字の10倍です。di/dtが10倍であれば電圧降下も10倍になります。つまり1 kVがすぐに10 kVになるということです。
さまざまなパルスサージ電流に対する接続形状に依存する電圧降下
この表を使って、電気システムでの全体的な電圧保護レベルを大まかに判定することができます。指定された値は、実際的な接続寸法を決定するのに十分正確です。
| 10 kA | 25 kA | 40 kA | 75 kA | |
|---|---|---|---|---|
| 丸型導線、任意の適合線サイズ | 1.0 | 2.5 | 4.0 | 7.5 |
| 30 x 2 mm銅線フラットリボンケーブル | 0.9 | 2.3 | 3.6 | 6.8 |
| 30 mm銅製レール | 0.9 | 2.3 | 3.6 | 6.8 |
| 60 mm銅製レール | 0.8 | 2.0 | 3.2 | 6.0 |
| 100 mm銅製レール | 0.7 | 1.8 | 2.8 | 5.3 |
| 120 mm銅製レール | 0.7 | 1.8 | 2.8 | 5.3 |
| スチールシート | 0.4 | 1.0 | 1.6 | 3.0 |
| VAステンレスシート | 0.3 | 0.8 | 1.2 | 2.3 |
バックアップヒューズを備えた開閉機器の電圧保護レベル
バックアップヒューズが電圧保護レベルに与える影響
電気システムの全体的な実効電圧保護レベルを計算するために、線状導体（接続ポイントA）と保護導線（接続ポイントB）の間のすべての接続部の部分的電圧を、サージ保護機器の実際の電圧保護レベルに追加する必要があります。ここでは、バックアップヒューズまでのケーブル経路も考慮する必要があります。
バックアップヒューズまでのケーブル経路を考慮してはなりません。さらに、タイプ1サージ保護機器のバックアップヒューズも、対応する高い等級です。極当たりの定格サージ電流25 kAをトリップなしで安全に送電するには、NHヒューズの定格は315 Aでなければなりません。これは、少なくともNH2ヒューズを使用しなければ不可能で、これはサイズがかなり大きく制御盤内で追加の場所を取ります。
3つの例を使用する電気システムにおける実効電圧防護レベルの計算
説明のように、線状導体（接続ポイントA）と保護導体（接続ポイントB）の間のすべての接続部の部分的電圧を、サージ保護機器（SPD）の実際の電圧防護レベルに追加する必要があります。
次の3つの例に対して、この計算を実行しました。
対応するケーブルでの電圧降下は、「形状に依存する電圧降下」の表から取られています。
サーキットブレーカの上のFLT-SEC-HYBRID
1. 設置：サーキットブレーカの上
設置は接地取付けプレートのサーキットブレーカの上にあり、その下のPENレールからはかなり距離があります。
注記：
保護機器からPENレールまで、取付けプレートによる接続と平行して、直接ケーブル接続を設置します。この接続によりサージ保護機器の電圧防護レベルが向上することはありませんが、これはDIN VDE 0100-534に記載されています。
実効電圧防護レベル、例1
電圧防護レベル8.2 kVでは、230/400 Vネットワーク内の開閉機器に対して過負荷カテゴリIVに準拠する保護を維持することはできません。
| 長さ（cm） | 部分電流（kA） | 電圧降下（kV） | |
|---|---|---|---|
| SPDから取付けプレートまでのPEN接続 | 15 | 75 | 1.1 |
| 取付けプレート経由のPEN接続 | 115 | 75 | 3.5 |
| 取付けプレートからPENレールまでのPEN接続 | 15 | 75 | 1.1 |
| L1-L3接続 | 40 | 25 | 1.0 |
| サージ保護機器（電圧防護レベル） | - | 25 | 1.5 |
| 全体的な電圧防護レベル | 8.2 |
主電源分岐におけるFLT-SEC-HYBRID
2. 設置：サーキットブレーカの下
サージ保護機器はサーキットブレーカの下に設置されます。
この設置方法では、保護導線までの距離が比較的短くなります。
実効電圧防護レベル、例2
電圧防護レベル4 kVでは、230/400 Vネットワーク内の開閉機器に対して過負荷カテゴリIIIに準拠する保護を維持することができます。
| 長さ（cm） | 部分電流（kA） | 電圧降下（kV） | |
|---|---|---|---|
| SPDからPENレールまでのPEN接続 | 20 | 75 | 1.5 |
| L1-L3接続 | 40 | 25 | 1.0 |
| サージ保護機器（電圧防護レベル） | - | 25 | 1.5 |
| 全体的な電圧防護レベル | 4.0 |
電圧防護レベルの計算
3. 設置：サーキットブレーカの下
サージ保護機器は、最適化されたPEN接続でサーキットブレーカの下に設置されます。
例1、2は、電圧防護レベルを最適化する際には、サージ保護機器からPENレールまでの接続を重視すべきであることを明確に示しています。この接続が短いほど、電圧防護レベルは向上します。例1、2では、PEN接続の影響はアクティブな電線L1、L2、L3への接続より3倍大きいです。
1本のケーブルを使用してPENレールへの接続を行う代わりに、もう1つのオプションは各極に対して独立したケーブル、つまり3本の個別ケーブルを使用することです。この場合、ケーブルから流れる部分電流は75 kAではなく25 kAだけです。そのため電圧降下も1/3になります。
実効電圧防護レベル、例3
電圧防護レベル2.5 kVでは、230/400 Vネットワーク内の開閉機器に対して過負荷カテゴリIIに準拠する保護を維持することができます。
| 長さ（cm） | 部分電流（kA） | 電圧降下（kV） | |
|---|---|---|---|
| SPDからPENレールまでのPEN接続 | 10 | 25 | 0.25 |
| L1-L3接続 | 10 | 25 | 0.75 |
| サージ保護機器（電圧防護レベル） | - | 25 | 1.5 |
| 全体的な電圧防護レベル | 2.5 |
当社のソリューション：FLT-SEC-Hybrid
FLT-SEC-Hybridヒューズを内蔵したタイプ1サージ保護機器は、スペース、コスト、および貴重なケーブル長を節約するソリューションです。
独立したバックアップヒューズが不要なため、サージ保護機器（SPD）の設置場所に新たな可能性が広がります。SPDはバックグラウンドで慎重に動作し、安全を確保します。
FLT-SEC-Hは、続流のないスパークギャップと耐サージヒューズを組み合わせており、追加のバックアップヒューズなしで使用することができます。短絡電力は最大100 kAで、大規模な電源供給にも適しています。
この動画では、サージ保護とバックアップヒューズを正しく設置する際の課題を取り上げています。私たちの同僚が、適切な設置方法について説明します。動画では、当社のソリューションであるFLT-SEC-Hybridによって制御盤内のスペースがどれだけ節約されたかについても紹介しています。
FLT-SEC-Hを使用した設置の特長 独立したバックアップヒューズを設置した場合との比較
- 制御盤内のスペースを最大80%増加
- 低い電圧防護レベルのためのケーブル経路短縮
- プラグ式保護モジュールによる安全なシステム試験
