近年、科学技術の進歩、家庭用家電の技術化、電子機器の電力要求の改善により、大量または超大規模の集積回路が多数存在し、これらの機器内部の過電圧に非常に敏感であるため、電圧による損失が増加しています。この状況を踏まえ、「建物の雷防設計コード」GB50057-94(2000年版)では第VI章 - 雷防電磁パルスが追加されました。この要件に基づき、一部のメーカーはサージプロテクターと呼ばれる関連過電圧保護製品も導入しています。電磁両立保護ゾーン内のすべての能動導体を含む電気および電子システムを保護するために、完全な等ポテンシャル結合システムを設置することが不可欠です。異なる過電圧保護装置における放電部品の物理的特性は、実用的な応用において利点と欠点があるため、複数の部品を用いる保護回路がより広く使われています。
しかし、現代の技術レベルで10/350μsのパルス電流を導ける雷電流防止器、二次電力分配用のプラグ可能なサージプロテクター、電力保護装置、パワーフィルターの技術要件をすべて満たすことができます。そのため、製品ラインは希少です。また、この製品ラインナップには、電源装置に加え、測定、制御、技術調整回路、電子データ処理伝送回路、無線および有線通信用のアレスターが含まれ、顧客が使用できるようにすべきです。
一般的に使われているサージプロテクション製品の簡単な紹介と、それらの特性および適用される場合の簡単な分析を紹介します。
1 等ポテンシャル結合系
過電圧保護の基本原理は、過渡的な過電圧が瞬間(マイクロ秒またはナノ秒レベル)に発生することです。保護区域内のすべての金属部品間で等ポテンシャルを達成すべきです。「等ポテンシャルとは、雷保護が必要な空間において、雷防い装置、建物の金属構造物、外部導体、電気・通信機器などを接続するための接続ワイヤーや過電圧保護器の使用を指します。」(「建物の避雷設計仕様書」)(GB50057-94年)「等ポテンシャル結合の目的は、落雷保護が必要な空間における金属部品と系の電位差を低減することにあります」(IEC13123.4)。「建物避雷設計規範」(GB50057-94)には次のように規定されています:「避雷装置が装備された建物において、避雷装置が建物内の他の施設や人から隔離できない場合、等ポテンシャル結合を採用すべきである。」この等ポテンシャルボンディングネットワークを確立する際は、情報を交換しなければならない電気機器と電子機器、そして等ポテンシャルボンディングベルト間の接続線との距離を最小限に保つよう注意が必要です。
誘導定理によれば、インダクタンスが大きいほど回路内の過渡電流によって生成される電圧は高くなります。(U=L·di/dt> インダクタンスは主に導線の長さに関連しており、導線の断面積とはほとんど関係ありません。したがって、アース線はできるだけ短く保つべきです。さらに、複数の線を並列に接続することで、ポテンシャル補償システムのインダクタンスを大幅に低減できます。これら二つを実践的にするために、理論的には等ポテンシャル結合素子に接続すべきすべての回路を接続することが可能です。機器と同じ金属板に接続されています。金属板の概念に基づき、等ポテンシャル結合システムを後付けする際には、ライン構造、スター構造、メッシュ構造を使用できます。原則として、新しい機器(リンクシステム)を設計する際にはメッシュ等ポポリティのみを用いるべきです。
2 電力供給線を等ポテンシャル接合系に接続
いわゆる過渡電圧または過渡電流とは、その存在時間がわずかマイクロ秒またはナノ秒であることを意味します。サージ保護の基本原理は、過渡過電圧が存在する間、保護区域内のすべての導電部品間に等電位を確立することです。このような導電素子は、電気回路内の電力線も含まれます。したがって、特に静電気放電の場合、マイクロ秒以上に速く応答する部品が必要です。
ナノ秒以上の速さに。これらの素子は短時間内に数倍の万アンペアの強力な電流を供給することができます。最大50kAの風は、予想される雷撃条件下で10/350μSパルスで計算されます。完全な等ポテンシャル結合装置により、等ポテンシャル島は迅速に形成でき、この等ポテンシャル島の距離への電位差は数十万ボルトに達することもあります。しかし、保護対象領域において、すべての導電性部品がほぼ等しいか等しい電位を持ち、大きな電位差を伴わないことが重要であることが重要です。
3 サージプロテクターの設置と機能
サージプロテクションの電気部品は、応答特性の観点からソフトと複雑に分けられます。硬応答特性を持つ放電素子には、ガス放電管や放電ギャップ放電器があり、アークチョッピング技術に基づく角度スパークギャップや同軸放電スパークギャップのいずれかです。ソフトレスポンス特性に属する放電素子には、バリスタやサプレッサーダイオードが含まれます。(我々のサージプロテクターは弱い反応です。)これらの部品の違いは放電能力、応答特性、残留電圧です。これらの部品には利点と欠点があるため、人々はそれらを組み合わせて強みを活かし弱点を避けるために特別な保護回路を作ります。民間建築で一般的に使われるサージプロテクターは、主に放電ギャップ型アレスターとバリスター型アレスターです。
雷の電流や雷の後電流は非常に強力な放電器を必要とします。雷電流を等電位結合系を通じて接地装置に導くには、アークチョッピング技術に従い、角度火花ギャップを持つ電流避雷器を使用することが推奨されます。50kAを超える10/350μsのパルス電流を導き、自動アーク消火を実現できるのはこの機械だけです。この製品の定格電圧は400Vに達することがあります。さらに、このアレスターは短絡電流が4kAになったときに125Aの定格ヒューズを切ることはありません。
その優れた性能により、保護区域に設置された機器や機器の連続運転特性が大幅に向上しています。しかし、高振幅の電流だけでなく、より重要なのは電流のパルス形式が決定的な役割を果たしていることを指摘すべきです。両方を同時に考慮しなければなりません。したがって、角スパークギャップは最大100kAの電流も伝導可能ですが、パルス形式は短く(8/80μs)です。このようなパルスはインパルス電流パルスであり、1992年10月まで電流避雷器の開発の設計基盤となっていました。
避雷器は良好な放電容量を持っていますが、常に欠点があります。残留電圧が2.5~3.5kVと高いという点です。したがって、雷避雷器を全体として設置する場合は、他の避雷器と組み合わせて使用する必要があります。
主な製品には、リミターMB、リミターNB-B、リミトルG-B、アジアブラウンボファリー(ABB)社の限定GN-Bが含まれます。DEHNportMaxi(10/350μs、50kA/相)、DEHNport255(10/350μs、75kA/相);ドイツPHOENIXアングルスパークギャップ:FLT60-400(10/350μs、60kA相)、FLT25-400(10/350μs、25kA相);シュナイダーのPRF1サージプロテクター、モーラーのVBFシリーズ。
バリスタは、直列および並列に並列された複数の双方向サプレッサーダイオードとして機能し、電圧依存抵抗器のように動作します。電圧が指定電圧を超えると、バリスタは電気を導くことができます。電圧が指定電圧より低い場合、バリスタは電気を通しません。このようにして、バリスタは完璧な電圧制限機能を果たすことができます。バリスタは非常に高速で動作し、応答時間はナノ秒単位の低い範囲です。
電源に一般的に使われるバリスタは、40kA8/20μsパルス制限で電流を導けるため、電源の第2段放電器に非常に適しています。しかし、雷の電流捕捉器としては理想的ではありません。国際電子技術委員会の文書IEC1024-1には、処理される電荷量が10/350μsであり、これは8/20μsパルスの場合の電荷量の20倍に相当します。
(10/350) μs=20xQ(8/20) μs
この式から、放電電流の振幅だけでなくパルス形式にも注意を払うことが不可欠であることがわかります。バリスタの欠点は、劣化が容易で容量が大きいことです。さらに、ダイオード素子も分解されています。ほとんどの場合、PN接合部が過負荷になると短絡が発生し、負荷の頻度によってはバリスタが漏れ電流を引き出し、測定データの非感應なテスト回路に誤差を引き起こすことがあります。同時に、特に高電圧ではコース内で強い熱を発生させます。
バリスタの高い静電容量のため、多くの場合、信号伝送線路での使用が困難です。静電容量とワイヤーインダクタンスがローパス回路を形成し、信号を大幅に減衰させます。しかし、約30kHz以下の減衰は無視できる程度です。主な製品にはABBのリミッターV、リミテッドVTS、リミッターVE、リミターVETS、リミターGE-Sが含まれます。シュナイダーのPRDシリーズ交換可能なサージプロテクター、MOELLERのVR7、VS7シリーズ製品、ドイツのDEHNguard385(8/20μs、40kA相)、DEHNguard275(8/20μs、40kA相)、VAL-MS400ST(8/20μs、40kA相)、VAL-ME400ST/FM(8/20μs、40kA/位相)、馬申 DB30-4A/B(8/20μs、30kA/相)、DB40-4A/B(8/20μs、40kA相)。
4 過電圧保護スキームに従ってサージプロテクターを設置する
単一の保護素子または技術的な設置条件に応じて統合された複合保護回路を含むアセンブリ(レールマウントタイプ、電源ソケットタイプ、アダプター)をディスチャージャーと呼びます。
過電圧保護はほぼすべての場合、少なくとも2つのレベルに分けるべきです。例えば、各アレスターは1段階のセキュリティのみを備え、電源内の異なる場所に設置できます。同じ避雷器でも複数の保護層を持つことがあります。十分な過電圧保護を得るためには、異なる電磁両立区分の範囲を保護する必要があります。この保護範囲は、雷保護ゾーン0の過電圧保護ゾーン1から3まで、干渉電圧保護ゾーンのシリアル番号が高くなるまで続きます。電磁両立保護ゾーン0から3は、高エネルギー結合による機器損傷を防ぐために設定されています。より高いシリアル番号による電磁互換保護は、情報の歪みや損失を防ぐために設定されています。保護ゾーン番号が高いほど、期待される擾乱エネルギーおよび擾乱電圧レベルは低くなります。保護が必要な電気・電子機器は非常に効果的な保護リングに設置されます。このような保護リングは、単一の電子機器、複数の電子機器が並ぶ空間、あるいは通過する建物全体に適用されることがあります。通常、空間シールド保護リングを持つ配線は、保護円の周辺機器と同時に電圧保護アレスターに接続されます。
しかし、現代の技術レベルで10/350μsのパルス電流を導ける雷電流防止器、二次電力分配用のプラグ可能なサージプロテクター、電力保護装置、パワーフィルターの技術要件をすべて満たすことができます。そのため、製品ラインは希少です。また、この製品ラインナップには、電源装置に加え、測定、制御、技術調整回路、電子データ処理伝送回路、無線および有線通信用のアレスターが含まれ、顧客が使用できるようにすべきです。
一般的に使われているサージプロテクション製品の簡単な紹介と、それらの特性および適用される場合の簡単な分析を紹介します。
1 等ポテンシャル結合系
過電圧保護の基本原理は、過渡的な過電圧が瞬間(マイクロ秒またはナノ秒レベル)に発生することです。保護区域内のすべての金属部品間で等ポテンシャルを達成すべきです。「等ポテンシャルとは、雷保護が必要な空間において、雷防い装置、建物の金属構造物、外部導体、電気・通信機器などを接続するための接続ワイヤーや過電圧保護器の使用を指します。」(「建物の避雷設計仕様書」)(GB50057-94年)「等ポテンシャル結合の目的は、落雷保護が必要な空間における金属部品と系の電位差を低減することにあります」(IEC13123.4)。「建物避雷設計規範」(GB50057-94)には次のように規定されています:「避雷装置が装備された建物において、避雷装置が建物内の他の施設や人から隔離できない場合、等ポテンシャル結合を採用すべきである。」この等ポテンシャルボンディングネットワークを確立する際は、情報を交換しなければならない電気機器と電子機器、そして等ポテンシャルボンディングベルト間の接続線との距離を最小限に保つよう注意が必要です。
誘導定理によれば、インダクタンスが大きいほど回路内の過渡電流によって生成される電圧は高くなります。(U=L·di/dt> インダクタンスは主に導線の長さに関連しており、導線の断面積とはほとんど関係ありません。したがって、アース線はできるだけ短く保つべきです。さらに、複数の線を並列に接続することで、ポテンシャル補償システムのインダクタンスを大幅に低減できます。これら二つを実践的にするために、理論的には等ポテンシャル結合素子に接続すべきすべての回路を接続することが可能です。機器と同じ金属板に接続されています。金属板の概念に基づき、等ポテンシャル結合システムを後付けする際には、ライン構造、スター構造、メッシュ構造を使用できます。原則として、新しい機器(リンクシステム)を設計する際にはメッシュ等ポポリティのみを用いるべきです。
2 電力供給線を等ポテンシャル接合系に接続
いわゆる過渡電圧または過渡電流とは、その存在時間がわずかマイクロ秒またはナノ秒であることを意味します。サージ保護の基本原理は、過渡過電圧が存在する間、保護区域内のすべての導電部品間に等電位を確立することです。このような導電素子は、電気回路内の電力線も含まれます。したがって、特に静電気放電の場合、マイクロ秒以上に速く応答する部品が必要です。
ナノ秒以上の速さに。これらの素子は短時間内に数倍の万アンペアの強力な電流を供給することができます。最大50kAの風は、予想される雷撃条件下で10/350μSパルスで計算されます。完全な等ポテンシャル結合装置により、等ポテンシャル島は迅速に形成でき、この等ポテンシャル島の距離への電位差は数十万ボルトに達することもあります。しかし、保護対象領域において、すべての導電性部品がほぼ等しいか等しい電位を持ち、大きな電位差を伴わないことが重要であることが重要です。
3 サージプロテクターの設置と機能
サージプロテクションの電気部品は、応答特性の観点からソフトと複雑に分けられます。硬応答特性を持つ放電素子には、ガス放電管や放電ギャップ放電器があり、アークチョッピング技術に基づく角度スパークギャップや同軸放電スパークギャップのいずれかです。ソフトレスポンス特性に属する放電素子には、バリスタやサプレッサーダイオードが含まれます。(我々のサージプロテクターは弱い反応です。)これらの部品の違いは放電能力、応答特性、残留電圧です。これらの部品には利点と欠点があるため、人々はそれらを組み合わせて強みを活かし弱点を避けるために特別な保護回路を作ります。民間建築で一般的に使われるサージプロテクターは、主に放電ギャップ型アレスターとバリスター型アレスターです。
雷の電流や雷の後電流は非常に強力な放電器を必要とします。雷電流を等電位結合系を通じて接地装置に導くには、アークチョッピング技術に従い、角度火花ギャップを持つ電流避雷器を使用することが推奨されます。50kAを超える10/350μsのパルス電流を導き、自動アーク消火を実現できるのはこの機械だけです。この製品の定格電圧は400Vに達することがあります。さらに、このアレスターは短絡電流が4kAになったときに125Aの定格ヒューズを切ることはありません。
その優れた性能により、保護区域に設置された機器や機器の連続運転特性が大幅に向上しています。しかし、高振幅の電流だけでなく、より重要なのは電流のパルス形式が決定的な役割を果たしていることを指摘すべきです。両方を同時に考慮しなければなりません。したがって、角スパークギャップは最大100kAの電流も伝導可能ですが、パルス形式は短く(8/80μs)です。このようなパルスはインパルス電流パルスであり、1992年10月まで電流避雷器の開発の設計基盤となっていました。
避雷器は良好な放電容量を持っていますが、常に欠点があります。残留電圧が2.5~3.5kVと高いという点です。したがって、雷避雷器を全体として設置する場合は、他の避雷器と組み合わせて使用する必要があります。
主な製品には、リミターMB、リミターNB-B、リミトルG-B、アジアブラウンボファリー(ABB)社の限定GN-Bが含まれます。DEHNportMaxi(10/350μs、50kA/相)、DEHNport255(10/350μs、75kA/相);ドイツPHOENIXアングルスパークギャップ:FLT60-400(10/350μs、60kA相)、FLT25-400(10/350μs、25kA相);シュナイダーのPRF1サージプロテクター、モーラーのVBFシリーズ。
バリスタは、直列および並列に並列された複数の双方向サプレッサーダイオードとして機能し、電圧依存抵抗器のように動作します。電圧が指定電圧を超えると、バリスタは電気を導くことができます。電圧が指定電圧より低い場合、バリスタは電気を通しません。このようにして、バリスタは完璧な電圧制限機能を果たすことができます。バリスタは非常に高速で動作し、応答時間はナノ秒単位の低い範囲です。
電源に一般的に使われるバリスタは、40kA8/20μsパルス制限で電流を導けるため、電源の第2段放電器に非常に適しています。しかし、雷の電流捕捉器としては理想的ではありません。国際電子技術委員会の文書IEC1024-1には、処理される電荷量が10/350μsであり、これは8/20μsパルスの場合の電荷量の20倍に相当します。
(10/350) μs=20xQ(8/20) μs
この式から、放電電流の振幅だけでなくパルス形式にも注意を払うことが不可欠であることがわかります。バリスタの欠点は、劣化が容易で容量が大きいことです。さらに、ダイオード素子も分解されています。ほとんどの場合、PN接合部が過負荷になると短絡が発生し、負荷の頻度によってはバリスタが漏れ電流を引き出し、測定データの非感應なテスト回路に誤差を引き起こすことがあります。同時に、特に高電圧ではコース内で強い熱を発生させます。
バリスタの高い静電容量のため、多くの場合、信号伝送線路での使用が困難です。静電容量とワイヤーインダクタンスがローパス回路を形成し、信号を大幅に減衰させます。しかし、約30kHz以下の減衰は無視できる程度です。主な製品にはABBのリミッターV、リミテッドVTS、リミッターVE、リミターVETS、リミターGE-Sが含まれます。シュナイダーのPRDシリーズ交換可能なサージプロテクター、MOELLERのVR7、VS7シリーズ製品、ドイツのDEHNguard385(8/20μs、40kA相)、DEHNguard275(8/20μs、40kA相)、VAL-MS400ST(8/20μs、40kA相)、VAL-ME400ST/FM(8/20μs、40kA/位相)、馬申 DB30-4A/B(8/20μs、30kA/相)、DB40-4A/B(8/20μs、40kA相)。
4 過電圧保護スキームに従ってサージプロテクターを設置する
単一の保護素子または技術的な設置条件に応じて統合された複合保護回路を含むアセンブリ(レールマウントタイプ、電源ソケットタイプ、アダプター)をディスチャージャーと呼びます。
過電圧保護はほぼすべての場合、少なくとも2つのレベルに分けるべきです。例えば、各アレスターは1段階のセキュリティのみを備え、電源内の異なる場所に設置できます。同じ避雷器でも複数の保護層を持つことがあります。十分な過電圧保護を得るためには、異なる電磁両立区分の範囲を保護する必要があります。この保護範囲は、雷保護ゾーン0の過電圧保護ゾーン1から3まで、干渉電圧保護ゾーンのシリアル番号が高くなるまで続きます。電磁両立保護ゾーン0から3は、高エネルギー結合による機器損傷を防ぐために設定されています。より高いシリアル番号による電磁互換保護は、情報の歪みや損失を防ぐために設定されています。保護ゾーン番号が高いほど、期待される擾乱エネルギーおよび擾乱電圧レベルは低くなります。保護が必要な電気・電子機器は非常に効果的な保護リングに設置されます。このような保護リングは、単一の電子機器、複数の電子機器が並ぶ空間、あるいは通過する建物全体に適用されることがあります。通常、空間シールド保護リングを持つ配線は、保護円の周辺機器と同時に電圧保護アレスターに接続されます。