サージ保護装置の種類: タイプ 1、タイプ 2、およびタイプ 3 説明

今日の高度に電化されデジタル化された世界では、私たちの社会は、家庭のスマート TV やコンピューターから工業環境の精密制御装置まで、脆弱な電子機器に依存しています。

電力網の中には目に見えない脅威が潜んでいます。電気サージです。 これらは、100 万分の 1 秒以内に大きなダメージを与える可能性があります。 サージ保護装置 (SPDS) は、この脅威に対する重要な防御として機能します。 ただし、すべての SPD が同じように作成されているわけではありません。

タイプ 1、2 タイプ、およびタイプ 3 SPD の違いを理解することは、包括的かつ効果的なサージ保護システムを構築するために不可欠です。 この記事では、これら 3 つの SPD カテゴリの役割、標準、およびアプリケーションをレビューし、堅牢な電子防御を構築するための完全なガイドを提供します。

サージ保護装置 (SPD) とは何ですか?

サージはどこから来るの?

サージは、過渡過電圧としても知られ、天文学的な持続時間 (マイクロ秒からミリ秒) の電流パルスを指しますが、電圧振幅は通常の動作レベルをはるかに超えています。 外部サージと内部サージの 2 つのタイプに大きく分けることができます。

外部サージ (主な脅威)

a) 直接落雷: 雷が発生する電力網または近くの構造物は、最も極端なシナリオである何百万ボルトを注入します。

b) 誘発された雷: より一般的です。 雷が数百メートル離れた場所で衝突しても、その強力な電磁場が室内の電力線と信号線に過電圧を誘発し、それが装置に伝播します。

内部サージ (頻繁に発生する)

エレベーター、空調コンプレッサー、溶接機など、建物内の高電力機器の切り替え操作により、電力網で頻繁にスイッチング過渡現象が発生します。 コピー機やコーヒー マシンなどの操作でさえ、頻繁に発生する低エネルギーの過渡過渡電圧を生成します。

これらのサージの累積効果は、電子部品が連続的に衝突し、徐々に性能低下、データ破損、および機器の寿命の短縮を引き起こす「小型ハンマー」のように機能します。 ただし、1 つの主要なサージ イベントは、「電子心臓発作」に似ており、即座に恒久的な機器の損傷を引き起こしたり、火災を引き起こすことさえあります。

サージ保護装置 (SPD) は、これらの脅威に対抗するために特別に設計された電子安全装置です。 それらのコア機能は、「モニター、ダイバート、クランプ」として要約できます。

通常の電圧条件下では、SPD は高インピーダンスを示し、回路に影響を与えません。 過電圧を検出すると、ナノ秒以内に低インピーダンス状態に移行し、サージ電流用のアース放電経路を確立し、その端子間の電圧 (クランプ電圧) を保護された機器の許容範囲内に制限します。

したがって、SPD は贅沢ではありませんが、資産の保護、ビジネスの継続性の確保、およびデータの保護を目指している、あらゆる現代の電気システムにおいて不可欠な要素です。

SPD はどのように機能しますか?

通常の状態では、SPD は回路に影響を与えず、高インピーダンス状態のままです。 危険なサージを検出すると、ナノ秒以内に反応して低インピーダンス状態に切り替わります。 これにより、サージ電流の低抵抗経路が作成され、同時に、その端子間の電圧 (クランプ電圧として知られている) を安全な範囲に制限します。 これにより、並列接続された機器が損傷から保護されます。

下に示すように、高電圧の水流用のインテリジェントな圧力リリーフ バルブとして視覚化できます。水圧が正常な場合、バルブはしっかりと閉じたままです。 圧力が急に急上昇すると (サージ)、バルブが瞬時に開き、余分な水の流れ (サージ電流) が放出され、下流の機器 (アプライアンス) の安全性が確保されます。

LED 照明器具に電力サージが発生する可能性があります。

多くの人は、LED 照明器具は長持ちし、エネルギー効率が高いため、本質的に「耐久性と堅牢性」であると考えています。 ただし、現実はまったく逆です。LED 照明器具は、主にドライバーの電源装置である主なコンポーネントのため、電力サージに非常に敏感です。

1. スイッチング電源の損傷

以下に示すように、LED チップ自体は低 DC 電圧 (3V など) および定電流下で動作します。 毎日使用する 220V AC 電力は、「ドライバ電源」と呼ばれるコンポーネントを介して変換する必要があります。 このドライバは、基本的に、高感度の半導体コンポーネント (MOSFET、IC コントローラー、整流ダイオードなど) が詰め込まれた精密なスイッチング電源です。

これらの半導体コンポーネントは非常に壊れやすく、従来の白熱電球または蛍光灯の耐電圧よりもはるかに低い電圧です。 小さな電圧スパイクでも、故障の原因となります。 したがって、サージ保護されたスイッチング電源は、照明器具の寿命を延ばすために不可欠です。

2. LED チップの焼損

電流が多いと、金線の接続や LED チップの損傷が直接切断され、チップの部分的または完全な黒色化や故障の原因となります。

3. プログレッシブ コンポーネントの劣化

このタイプの損傷は、より微妙で広範囲に及ぶ。 フィクスチャをすぐに破壊しない小さなサージが繰り返されると、内部の半導体材料に累積的な損傷が生じます。 時間が経つにつれて、フィクスチャは不可解に暗くなり、ちらつき、色ドリフトを経験したり、ドライバーから異常なノイズを発したりすることがあります。

フィクスチャの予想寿命は、50,000 ～ 100,000 時間から 1 年か 2 年、またはそれ以下に急落します。 「標準以下の製品」を購入したと思うかもしれませんが、本当の原因は、頻繁な内部サージである可能性があります。

照明器具に SPD を追加するメリット

LED 照明器具は、特に商業用、工業用、または屋外用に使用されます (街灯、投光照明、工業用/マイニング ライトなど) は、従来の器具よりも大幅に高い調達コストと設置コストを実現します。 単一の器具の損傷には、ユニット自体を交換するコストだけでなく、特に高地や複雑な環境でのメンテナンス/交換のための多大な労務費も含まれます。

SPD の設置費用は、サージ損傷により LED ドライバーまたは器具全体を頻繁に交換することによって発生する長期的な費用よりも大幅に低くなります。 これは、照明投資の重要な保護手段となります。

したがって、LED 照明システム (特に屋外、商用、産業用照明) にサージ保護装置 (SPD) を装備することは、オプションの贅沢ではなく、必要な保護手段です。 それは可能です：

• 突然の、高価な機器の故障を防ぎます。
• 隠れた段階的なパフォーマンスの低下と寿命の短縮は避けてください。
• メンテナンス費用を削減し、照明システムの信頼性を高めます。
• 家庭用品の場合: 基本的なサージ保護機能を内蔵した高品質の電源装置を使用してください。

• 建物全体または別荘の場合: メインの配電盤にタイプ 2 SPD を取り付けて、すべての家庭用回路をトランク保護します。

• 屋外の LED 器具 (街路灯、景観照明) および大型の工場/モールの照明回路の場合、タイプ 2 SPD は、対応するゾーンの配電パネル内の照明回路用に特別に設置する必要があります。 特に高価な、または重要な固定具の場合は、フィクスチャ内または端末に 3 種類の SPD を追加して、粒状の保護を検討してください。

SPD への投資により、LED 照明への投資が約束された長寿と高性能を実現し、それによって真のコスト価値を実現します。

SPD グレーディングを理解する方法は?

SPD が存在するのに、なぜそれらを異なるタイプに分類するのかと尋ねるかもしれません。 答えは、単一の SPD があらゆる種類のサージ脅威を個別に処理できることではないということです。

落雷によって生成されるエネルギーは、内部のスイッチング操作によって生成されるエネルギーと大きく異なります。 したがって、効果的な保護戦略には、階層化された相乗的な防御システムの確立が含まれます。 この概念は、「エネルギー調整」または「段階的排出」として知られています。 それを城の防御システムと想像してください。

• タイプ 1 は、最も強烈な前頭攻撃に耐えるように設計された、頑丈な外壁とゲートとして機能します。

• タイプ 2: 城内のパトロール ガードは、外壁や内部の妨害を破るストラグラーに対処します。

• タイプ 3: キングズ ベッドチャンバーのドアにいるパーソナル ガードは、最終的かつ最も洗練された保護層を提供します。

これら 3 つの防御線が連携して初めて、城 (電気システム) は最も包括的な保護を受けることができます。

タイプ 1 SPD: 外部サージに対する防御の最前線

タイプ 1 SPD は、直撃によって引き起こされる雷電流の一部を迂回させるように設計された、最も高い定格のデバイスです。 国際規格 (IEC 61643-1 など) に従って、10/350µs のシミュレートされた雷電流波形でのテストに耐える必要があります。 この波形は、直接の落雷の計り知れないエネルギーを表しており、機器に深刻なストレスを与える非常に長い持続時間を特徴としています。 設置場所: 建物のメインの分電盤 (MDB) 内に設置され、通常は入庫点にあります。

特徴: 大量の雷電流 (多くの場合、数十キロアンペア) を放電します。 その主な目的は、電圧を非常に低いレベルに制限することではなく、最も致命的な最初のストライキを安全に「吸収」することです。

代表的なコンポーネント: 通常、スパーク ギャップまたはガス放電管を採用します。これらのコンポーネントは、非常に大きなエネルギーの影響に耐えることができるからです。

該当するシナリオ: 主に、外部の雷保護システム (避雷針) を備えた建物または架空送電線から供給される建物で使用されます。 それはサージ保護システム全体の基礎を形成します。

タイプ 2 SPD: プライマリ保護、配電システムの保護

タイプ 2 SPD は、最も広く使用されている SPD であり、サージ保護システムの主要な保護レベルとして機能します。 これらは、タイプ 1 SPD によって制限された後に送信される残留サージと、内部スイッチング操作によって生成されるサージをシミュレートする 8/20µs の電流波形を使用してテストされます。

設置場所: サブディストリビューション ボード内にインストールされ、特定のフロア、ゾーン、または負荷グループを保護します。

特徴: さらに、過電圧を制限し、タイプ 1 SPD では完全に処理されていないサージ電流と、内部で生成されたサージを制限します。 これにより、電圧がほとんどの家庭用および商用家電製品 (たとえば、機器の耐電圧定格以下) にとって安全なレベルに制限されます。

典型的なデバイス: 最も一般的には、その応答速度とクランプ電圧特性に優れているため、金属酸化物バリスタ (MOV) です。

アプリケーション・シナリオ: すべての電気設備に不可欠な保護装置。 外部の雷保護システムのない小さな建物では、第 1 レベルの保護としても機能します。

タイプ 3 SPD: エンド デバイスの高精度保護

タイプ 3 SPD は、高感度または高価なエンド デバイスを保護するために特別に設計された、最も洗練されたレベルの保護を提供します。 テスト電流値は、タイプ 2 よりも大幅に低い複合波 (1.2/50µs の電圧波と 8/20µs の電流波) を使用してテストされます。

タイプ 3 SPD は、最初の 2 つの保護レベルをバイパスする微小な残留過電圧をさらに抑制します。 エネルギーは低いものの、これらの電圧スパイクは、長時間の蓄積によって機器の寿命を低下させたり、データの破損を引き起こす可能性があります。 単独で使用してはならず、タイプ 2 SPD の下流にインストールする必要があります。

設置場所:

– SPD 機能を備えた電源コンセントを含む機器側 (一部の高度な電源装置など)。

– 専用プラグイン SPD。

– 機器内に組み込まれた SPD モジュール。

組み合わせ単位: タイプ 2+3 の組み合わせ SPD も市場に出回っています。 これらは両方の保護レベルを 1 つのモジュールに統合するため、複数のスタンドアロン SPD をインストールすることが実用的でないシナリオに便利で効率的なソリューションを提供します。

SPD システムを選択して展開する方法は?

適切な SPD を選択し、協調システムを構築することは、頻繁な落雷や大きな電力変動が発生しやすい環境で非常に重要です。 SPD の適切な選択と設置は、費用のかかる修理を防ぐだけでなく、生産と日常生活の継続性を確保するため、包括的な考慮が必要な技術的な決定となります。

まず、建物の環境を評価します。落雷の頻度、絶縁状態、架空または地下電源、構造物内の避雷針の存在、および内部機器の価値と感度。 これにより、タイプ 1 の保護が必要か、またはタイプ 2+3 の組み合わせで十分かが決まります。

• 階層の原則に従う:

– 外部の雷保護システムまたは高リスク ゾーンのある建物: タイプ 1 → タイプ 2 → タイプ 3 の完全なアーキテクチャを実装します。

– 標準的な商業用または住宅用建物: メイン サービスの入り口に少なくとも 2 タイプ SPD を設置し、重要な機器ポイントにタイプ 3 SPD を補足します。

– 小さな建物またはアパートのユニット: サービス パネルに高性能タイプ 2 SPD を取り付け、タイプ 3 サージ保護された電源装置を使用して貴重な機器を使用します。

• 電圧保護レベル (上): これは、SPD のクランプ電圧を表します。 値が小さいほど、保護が良好であることを示します UP が保護された機器の耐電圧定格を下回っていることを確認してください。

• 公称放電電流 (IN) および最大放電電流 (IMAX): これらは、SPD がサージ電流を消散する能力を示しています。 値が大きいほど、回復力が高くなるということを意味します。

• タイプ 1 SPD の場合、インパルス電流 (IIMP) に注目してください。

• 適切なインストールを確認してください: SPD のパフォーマンスは、インストールに大きく依存します。 リードの長さを最小限に抑えることは重要です。リード線が長すぎると、誘導電圧が発生して保護が大幅に低下します。 専用のツールまたはバスバーを使用して、SPD を最小限の長さで接地システムに直接接続します。

• メンテナンスと寿命: SPD は消耗品です。 特に MOV ベースの SPD は、サージ イベントを繰り返すと徐々に劣化します。 リモート信号連絡先またはビジュアル アラーム ウィンドウを備えた SPD を選択して、そのステータスを監視し、タイムリーな交換を容易にします。

適切な SPD タイプを選択し、協調保護システムを構築することが、電気機器の安全性を確保し、寿命を延ばすための鍵となります。 それらの区別と相互接続を理解することは、ご家庭やビジネスのための真に堅牢な「電子防御線」を確立するのに役立ちます。 付録には、さまざまな SPD タイプを選択するためのリファレンス パラメータがあります

電力線サージ プロテクタのサージ電流および公称放電電流に関する推奨値

結論

要約すると、タイプ 1、タイプ 2、およびタイプ 3 の SPD はそれぞれ、マクロからミクロレベルまでの階層化された防御システムを形成します。 適切に設計されたサージ保護システムへの投資は、ハードウェアの保護だけでなく、データ セキュリティ、ビジネスの継続性、および生命と財産の保護への戦略的投資にもなります。 それぞれの機能を理解し、相乗的に展開することで、予測不可能な電気的脅威に対する電子資産の強力な障壁を確立できます。