サージ保護装置は雷を止めることができますか? 神話と現実

A サージ保護装置 (SPD) 「雷を止める」はしない。 ストライキをブロックしたり、雷エネルギーを排除したりすることはできません。 何それ できます することは 過渡過電圧を制限する そして サージ電流を制御されたパスに分岐させる、絶縁と電子機器へのストレスを軽減します。 実際のパフォーマンスは、 協調保護システム: ボンディング/アースの品質、正しい配置、短いリード、段階的な保護。

「雷の被害」とはどういう意味ですか

「私の機器に雷が損傷した」と人々が言うとき、彼らはしばしば、同様の障害を引き起こすさまざまな電気的イベントを混ぜ合わせます。 エンジニアリング分析は、サージ ソースとカップリング メカニズムを分離することから始まります。

1) 直接落雷

直接攻撃により、構造物または線路に極めて大きな電流が注入されます。 それは次のようにします。

• 非常に大きな電流の大きさ (KA 範囲)
  
• 非常に速い立ち上がり時間 (マイクロ秒)
  
• 大きな電磁界
  
• 金属加工と配線の大きな電位差
  

これは、カジュアルな意味での「電圧スパイク」ではありません。 これは、建物の鋼鉄、ケーブル シールド、および電源導体など、利用可能な経路に電流を強制する高エネルギー インパルスです。

2) 近く/誘発された雷サージ

多くの失敗は、直撃なしで発生します。 近くのストライキは、次の方法で配線にエネルギーを結びつけることができます

• 誘導結合 (磁場によりループに電圧が発生する)
  
• 容量性カップリング (電界が導体に結合する)
  
• 接地電位上昇 (ストライク中のローカルアース電圧のシフト)
  

これらのイベントは、電力供給が 50/60 Hz で「正常」のままであっても、電力、制御、通信回線に損傷を与える過渡現象を引き起こす可能性があります。

3) スイッチングサージ

切り替え操作により、高速トランジェントも作成できます。

• モーターの始動/停止
  
• コンデンサバンクのスイッチング
  
• 変圧器の通電
  
• 障害のクリアと再閉鎖
  

スイッチング サージは通常、雷よりもエネルギーが低くなりますが、それでも電子機器や絶縁にストレスを与える可能性があり、多くの場合、繰り返されるイベント (累積老化効果) です。

神話と現実: SPD は雷を止めることができますか?

以下は、SPD と雷に関する一般的な信念であり、エンジニアリング用語に書き換えられ、システムの動作によって修正されます。

神話: 「SPD は雷を完全に止めます。」

現実: SPD は雷を止めません。 サージ中の低インピーダンスの迂回経路を提供することにより、過渡過電圧のみを制限します。

エンジニアリングの説明:
ライトニングは、デバイスで「ブロック」するものではありません。 サージ イベントにより、電流が流れます。 SPD は、電圧がしきい値を超えて上昇すると、高インピーダンスから低インピーダンスに遷移して動作し、サージ電流を基準 (通常は保護アース) に導きます。 イベントはまだ存在します。SPD は、エネルギーが流れる場所で単純に変化し、保護された機器が見ることの電圧を下げます。

神話: 「建物全体に 1 つの SPD で十分です。」

現実: 1 つの SPD が施設の完全な補償範囲を提供することはめったにありません 効果的な保護は通常、複数のポイントにわたって行われます。

エンジニアリングの説明:
サージ エネルギーと高速立ち上がり時間は、配線インピーダンスが重要であることを意味します。 数メートルの導体でも、追加の電圧 (V = L × DI/DT) を生成するインダクタンスが加わります。 メイン パネルで SPD を 1 つ使用すると、サージの発生を減らすことができますが、遠くにある敏感な荷物でも、次の理由により、高い貫通力が見られます。

• ケーブル インダクタンス
  
• 回路間の内部結合
  
• 建物内で発生するローカル スイッチング サージ
  

調整されたアプローチでは、通常、サービスの入口保護と、必要に応じて配布および使用ポイント保護を使用します。

神話: 「使用ポイント保護は、単独で雷を処理できます。」

現実: 使用できるデバイスは役に立ちますが、アップストリーム サージ コントロールやボンディング/アースの品質に代わるものとして扱われるべきではありません。

エンジニアリングの説明:
使用ポイント SPD は機器に近接しており、リード インダクタンスを最小限に抑え、ローカルでクランプするのに適しています。 ただし、次の制限を受けています。

• そのサージ電流定格
  
• 利用可能な地球への迂回経路
  
• アップストリーム インピーダンスとシステム リファレンスの安定性
  

大きなサージが施設に到着した場合、すべてのサージを荷重の端で処理する必要があります。 アップストリーム ネットワークはサージ エネルギーの大部分を占め、下流の段階では小さな残留トランジェントを残す必要があります。

神話: 「評価が高いということは、「損傷はありません」という意味です。

現実: 評価が高いほど、一般に、生存率と能力が向上し、損傷がゼロになるという保証はありません。

エンジニアリングの説明:
SPD データシートには、最大放電電流、公称放電電流、電圧保護レベルなどの定格が含まれています。 これらは標準化されたテスト条件であり、すべてのサージが無害であるという約束ではありません。 機器の損傷は、次の理由で発生する可能性があります

• サージは SPD の能力を超える可能性があります
  
• 設置インダクタンスにより、有効クランプ電圧が増加します
  
• すべての導体 (電源、信号、接地) で保護が不完全です
  
• 絶縁調整と機器の耐性は有限です
  

エンジニアリング保護はリスク軽減であり、絶対免疫ではありません。

神話: 「インジケーターがオンであれば、保護が保証されます。」

現実: ステータス インジケータは、システム全体の保護性能ではなく、基本的な内部状態を確認します。

エンジニアリングの説明:
多くの SPD は、熱切断およびインジケータ ウィンドウを使用して、保護要素 (多くの場合、MOV ベース) がまだ接続されているかどうかを示します。 「緑」は通常、「未開封ではありません」という意味です。 それは証明されていません：

• 正しい接地インピーダンス
  
• 正しい取り付けリード長
  
• アップストリーム/ダウンストリーム デバイスとの適切な調整
  
• SPD が次のイベントを処理できること
  

SPD は「健全」であり、機器端末の高い通電電圧をもたらす方法で設置できます。

神話: 「雷だけがサージを引き起こす (スイッチング サージは関係ありません)。

現実: スイッチング サージが頻繁に発生し、故障や早期老化の主な原因となる可能性があります。

エンジニアリングの説明:
雷は劇的ですが、スイッチング トランジェントは、産業用および商用システムでよく見られます。 反復的な低エネルギーサージは、次のことができます。

• MOV 要素を時間の経過とともに劣化させる
  
• ストレス電源と絶縁
  
• 原因間欠リセットと通信障害
  

スイッチング サージを無視すると、多くの場合、紙の上では適切に見えますが、実際の運用環境では失敗する保護戦略につながります。

SPD ができることとできないこと 

それができること

A サージ保護装置 できる:

• 過渡過電圧を保護されていない回路よりも低いレベルにクランプすると、
  
• サージ電流を高感度機器から制御された経路に分岐させます
  
• 絶縁ストレスを軽減し、サージ イベント中の電子機器の故障の可能性を下げます。
  
• レイヤーに設置した場合のサージ調整を改善 (サービスの入り口 + 配布 + ローカル保護)
  

それができないこと

サージ保護装置は、次の操作を行うことができません。

• 落雷や「ブロック」の落雷が施設に入るのを防ぐ
  
• 無制限のエネルギーを吸収 (すべてのデバイスは、有限のサージ機能と老化の挙動を備えています)
  
• 外部の雷保護システム (エア ターミナル、ダウン コンダクタ、およびボンディング) を交換します。
  
• サージ条件下での損傷を保証する、特に直撃のシナリオでは特に

サージアレスタとサージ保護装置

この用語は、何気ない会話でも同じように使用されますが、エンジニアリングの実践では、さまざまな設置ゾーンやシステム電圧に対応する傾向があります。

「サージアレスタ」がよく使われる場所

用語 サージアレスタ 電力およびユーティリティのコンテキスト、特に中電圧/高電圧ネットワークで広く使用されています。 通常、次の絶縁システムを保護するために設計されたデバイスを指します。

• 配電線
  
• 変電所
  
• 変圧器端子
  
• 架空の設備
  

「金属酸化物サージアレスタ」が重要な理由

A 金属酸化物サージアレスタ 通常、酸化亜鉛バリスタ ブロック (ZNO) を使用します。 これらは、古いギャップ設計と比較して、強力な非線形伝導と高エネルギー処理を提供します。 実際には、金属酸化物の設計は、多くの HV/MV アプリケーションで最新のアレスタ アプローチです。

HV サージ アレスタと LV サージ アレスタ (目的とゾーン)

• A HV サージ アレスタ 高電圧システムに取り付けられ、トランス、開閉装置、ライン絶縁を雷やスイッチングのインパルスから保護します。 その焦点は、絶縁調整とシステム レベルのサージ制御です。
  
• A レベルサージアレスタ (低電圧システムの SPD と同様に機能的に類似しています) は、過渡過電圧に到達する負荷を減らすために、施設の入り口または配電盤に設置されています。
  

要するに、アレスタは通常、グリッド レベルと変圧器の保護に関連付けられていますが、SPD は一般に施設レベルおよび機器レベルの保護に関連付けられています。 物理は重複していますが、インストール環境と調整の目的は異なります。

実際のシステムにおける雷サージ経路 

建物に直接衝突しなくても、カップリングや過渡動作により、雷が損傷する可能性があります。

送電線への結合

近くのストライキは、エネルギーをオーバーヘッドや長いケーブル ランに結びつける可能性があります。 ラインは、雷のインパルス周波数でアンテナのように動作します。 誘導された過渡現象は、サービスの入口および配電ネットワークに伝播する可能性があります。

長時間導体の誘導電圧

長い導体は、特に分離して (ループ領域を形成する) 場合に、急速に変化する磁場から誘導電圧を発生する可能性があります。 これが理由です：

• 長い並列実行
  
• 接着性の悪いケーブルトレイ
  
• 分離された地球と中立の参照
  全てサージストレスを増大させることができます。
  

立ち上がり時間と一時的な動作

雷の衝動は非常に速く上昇します。 急上昇時間の意味:

• 高ディ/DT
  
• インダクタンス全体で高誘起電圧
  
• 機器端末の深刻なストレス
  

これが重要なポイントです。定常状態の効用電圧が完全であっても、損傷イベントは定常状態ではないため、機器が故障する可能性があります。 これは、高周波コンテンツを備えた一時的なインパルスです。

電源電圧が「正常」なのに、機器が故障する理由

最新の電子機器のほとんどは、次の原因で故障しています。

• 半導体接合部の故障
  
• 電源の絶縁パンク
  
• PCB トレースのアーク
  
• コモンモードサージによる通信ポートの損傷
  

これらの障害は、RMS 電圧がブレーカーをトリップするほどのずれにならない場合でも、過渡素子がコンポーネントの耐性を超えると、マイクロ秒間で発生する可能性があります。

実際に雷から守るもの

雷保護は、単一のデバイスの問題ではありません。 システム調整の問題です。

1) 外部雷保護

外部システムは、優先ストライキの終端と伝導経路を提供します。

• エア ターミナル (ストライク インターセプト)
  
• ダウン導体 (制御電流パス)
  
• アース終端（電流消散）
  

これにより、雷電流が内部配線を経路として使用する可能性が減少します。

2) ボンディングとアースのネットワーク

接地と接地は、次の方法で危険な電位差を低減します。

• 金属加工の可能性を均等化する
  
• 低インピーダンスの参照パスを提供する
  
• ギャップ全体のフラッシュオーバー リスクを制限する
  

接合が不十分な場合、サージ イベント中に「接地」点間の電圧差が大きくなる可能性があります。これは、まさに機器に損害を与えるものです。

3) 正しい位置でのサージ保護装置

サージ保護装置 サージ電流をクランプして迂回させることにより、残留トランジェントを処理します。 次の場合に最もよく機能します。

• 導体の入口付近に設置
  
• 段階的に調整されます (つまり、単一のデバイスがすべてを取る必要はありません)
  
• 低インピーダンスの地球リファレンスに結合
  

4) 保護層間の調整

調整とは、次のことを意味します。

• アップストリーム保護は高エネルギー コンポーネントを採用
  
• 下流の保護により、負荷に近い残留電圧が制限されます
  
• アース/ボンディング システムは、クランプを意味のあるものにする共通のリファレンスを提供します
  

調整がないと、SPD は配線インピーダンスと基準シフトにより、機器端子の電圧を伝導しますが、それでも損傷を許容します。

インストールの現実 (「クレーム」よりも「配置」が重要な理由)

サージ保護では、物理的なインストールがデータシートの数字を支配することがよくあります。 インストールが正しくないと、最高のデバイスがうまく機能しません。

主要なインストールの原則:

• リードを短く保つ (長いリードは高速トランジェント時の誘導電圧を増加させます)
  
• 低インピーダンス接地（ワイド導体、短いルート、ソリッドボンディング）を使用
  
• ループを避ける (ループ領域を最小限にして誘導電圧を下げる)
  
• 金属加工を適切に接着する (ケーブル トレイ、エンクロージャ、構造用鋼)
  
• 正しい導体配線を維持する (サージ パスと敏感な回路間の結合を減らす)
  

SPD 自体が正しく機能している場合でも、インストールが不十分な場合は、有効な通電電圧が高くなる可能性があります。

比較表: 雷保護ツールとその実際の機能

デバイス/システム	主な目的	ダイレクト ストライク	誘導サージ処理	注意事項/制限
サージ保護装置 (SPD)	過渡過電圧をクランプし、低電圧回路でサージ電流を迂回させます	直接攻撃エネルギーをそれ自体で処理するようには設計されていません	正しく設置され、調整された場合に有効	パフォーマンスは、リードの長さ、結合、および調整に大きく依存します
雷サージアレスタ / 金属酸化物サージアレスタ	非線形バリスタ動作を使用した電力システムのインパルス過電圧の制限	クラスや設置に応じて、大きなインパルス電流を処理できます	ライン/トランスインパルス保護に非常に効果的	フォーカスは絶縁調整です。それでも適切なアースが必要です
HV サージ アレスタ	HV/MV 機器の絶縁保護 (変圧器、開閉装置、ライン)	HV ゾーンでの高エネルギー イベントに LV デバイスよりも適しています	雷やスイッチングのインパルスに対して効果的	システム電圧と一時的な過電圧条件に一致する必要があります
レベルサージアレスタ	左右の分配およびサービスの入口における過渡過電圧を低減	直撃の単独ソリューションではない	ステージング時に発生したサージやサージに効果的	正しい配置と低インピーダンスの接地が必要
接地とボンディング	参照安定性とポテンシャルの均等化	現在の経路を制御し、フラッシュオーバーのリスクを軽減するために不可欠	損傷の可能性を減らすために不可欠	デバイスではありません。接地性が低いと保護が無効になります

誤った保護を生み出すよくある間違い

これらは、システムを保護しているように見えますが、実際のサージ イベント中には動作が悪くなる実用的な障害モードです。

• サービスの入り口で 1 つの SPD のみを使用し、完全な施設の保護を想定
  
• 間違った配置 (SPD が着信導体または保護されたパネルから離れすぎている)
  
• 電気、構造、および通信のグランド間の結合調整はありません
  
• SPD への長い配線により、高誘導性の通電電圧を発生させます
  
• システム電圧とアプリケーション ゾーンで誤ったアレスタ/SPD タイプを混在させます
  
• 信号線とデータ線を無視して、電源導体のみを保護します
  
• リスクの軽減と生存性を設計するのではなく、「ゼロの損害」を期待する
  
• デバイスが劣化しないと仮定して、検査/交換の計画はありません
  

現実的な推奨事項

中立的でエンジニアリングに重点を置いたアプローチは、リスクを管理し、生存可能性を改善することです。

• 雷が多い場合は、協調保護 (外部雷保護 + ボンディング/アース加工 + ステージ SPD) を使用します。
  
• 施設に機密性の高い電子機器 (自動化、IT、LED ドライバー、計装) が含まれている場合、小さな残留サージが依然として故障を引き起こす可能性があるため、層状保護が正当化されます。
  
• サージ プロテクションを保守計画の一環として扱います。検査、イベント履歴のレビュー、および代替戦略の問題です。
  
• 設置品質を優先する: 短いリード、低インピーダンスのボンディング、正しい配置は、より大きなネームプレートの定格を追跡するよりも大きなメリットをもたらすことがよくあります。
  
• すべての入力パスを考慮してください: 電源、通信、制御配線、および長い屋外ケーブル ランは、一般的なサージ エントリ ポイントです。
  

結論

サージ保護装置は雷を止めず、損傷ゼロを保証することはできません。 それができることは、過渡過電圧を制限し、サージ電流を迂回させることで、機器が電気的ストレスを軽減することです。 現実世界の結果は、システム設計に依存します。ボンディングとアースの品質、正しい配置、および保護層間の調整。 雷保護はシステムの問題であり、SPD はそのシステムの重要な部分の 1 つです。

よくある質問