2025-07-09
サージ保護デバイス（SPD）は、電子機器を電力サージまたは過渡電圧から保護するために使用されるデバイスです。保護が必要な負荷電力回路と並列に接続され、あらゆるレベルの電源ネットワークでも使用できます。この記事では、サージ保護デバイスの動作原理と、電気システムにおけるその重要な役割について掘り下げていきます。
サージとは？
サージは、マイクロ秒オーダーの持続時間で数十キロボルトに達する可能性のある過渡的な過電圧です。その短い持続時間にもかかわらず、高いエネルギー含有量は、電子部品の早期劣化、機器の故障、またはサービスの混乱、金銭的損失など、回線に接続された機器に深刻な問題を引き起こす可能性があります。
サージの発生源
雷は、サージの最も重要な発生源として知られています。雷は、100万から10億ボルト、10,000〜200,000アンペアの記録があります。しかし、雷は施設内のすべての過渡現象のごく一部を占めるにすぎません。過渡現象は、外部の発生源（雷など）と内部の発生源の両方から発生する可能性があるため、施設には避雷システムとサージ保護の両方を設置する必要があります。
雷：サージの最も破壊的な発生源。IEC 61643-12規格に基づくと、雷からのエネルギーは最大200kAに達する可能性があります。ただし、参考として、推定では65％が20kA未満、85％が35kA未満です。
誘導：発生源には、雲から雲への雷や、電流の流れが供給ラインまたは他の金属導体に過電圧を誘起する近くの雷の影響が含まれます。
サージの発生時期、場所、サイズ、または持続時間/波形を本当に知る方法はありません。したがって、規格内ではいくつかの仮定がなされており、さまざまなサージイベントをシミュレートするために2つの主要な波形が選択されています。
- 伝導
伝導または10/350μsは、雷の直接的な影響からのエネルギーをシミュレートします。
- 誘導
誘導または8/20μsは、間接的な雷の影響からのエネルギーをシミュレートします。
内部発生源：
- これらは、ユーティリティグリッドの切り替え、モーターまたはその他の誘導負荷の切断から発生します。これらの発生源からのエネルギーも、8/20波形で分析されます。
- 過渡的な過電圧は、配電線だけでなく、電話、通信、測定、データなど、金属導体で形成されたあらゆる回線でも一般的です。
サージ保護デバイスの役割
サージ保護デバイスは、サージ電流を迂回または制限することにより過渡電圧を制御し、コンピューター、テレビ、洗濯機、安全回路（火災検知システムや非常用照明など）など、それらに接続された敏感な電子機器を保護します。これらのデバイスには、過渡的な過電圧による損傷を受けやすい敏感な電子回路が含まれています。したがって、サージ保護デバイスは、電気設備システムを保護する上で重要な役割を果たします。
適切なSPDがないと、過渡現象が電子機器を損傷し、コストのかかるダウンタイムにつながる可能性があります。したがって、電気機器を保護する上でのサージ保護デバイスの重要性はいくら強調してもしすぎることはありません。
SPDはどのように機能しますか？
SPDには、さまざまな条件下で高インピーダンス状態と低インピーダンス状態の間を遷移する少なくとも1つの非線形コンポーネントがあります。通常の動作電圧では、SPDは高インピーダンス状態にあり、システムに影響を与えません。過渡電圧が回路で発生すると、SPDは導通状態（または低インピーダンス）に移行し、過渡エネルギーと電流をその発生源またはアースに迂回させます。これにより、電圧振幅がより安全なレベルに制限またはクランプされます。過渡現象が迂回されると、SPDは自動的に高インピーダンス状態にリセットされます。
サージプロテクターの動作原理は次のとおりです。
- 通常動作
サージがない場合、サージ保護デバイスは、それが設置されているシステムに影響を与えません。オープン回路として機能し、
活線導体とアース間の絶縁を維持します。
- サージ中
電圧サージが発生すると、サージ保護デバイスはナノ秒単位でインピーダンスを下げ、サージ電流を迂回させます。この時点で、
SPDは閉回路のように動作し、過電圧を短絡させ、電気的に接続された
下流の機器で許容される値に制限します。
- サージ後
パルスサージがなくなると、サージ保護デバイスは元のインピーダンスを復元し、オープン回路状態に戻り、
電気システムの電圧状態を監視し続けます。
3Pまたは4P？N-PE極が必要なのはいつですか？
サージ保護デバイス（SPD）は、過電圧イベントが発生した場合に、SPDがアースへの低インピーダンスパスとして機能するように、電気機器の上流に並列に設置されます。これにより、高電圧エネルギーが、電圧耐性定格を超えて損傷を回避する前に、下流の機器から遠ざけられます。
SPDに関する一般的な質問は、3極デバイスと4極デバイスのアプリケーションの違いです。TN-C-S配線システムの場合、中性導体はアースに直接接続されています（MENリンク）。SPDがこのMENリンクから10メートル以内に設置されている場合、3極デバイスのみが必要です。4極デバイスが提供する追加のN-PE極は、MENリンクを介して中性線を経由してすでにアースへのパスがあるため、この状況では冗長になります。
ただし、SPDがMENリンクから10メートル以上離れて設置されている場合は、4極SPDが必要です。アースへのインピーダンスはケーブル長とともに増加するため、サージエネルギーはMENリンクの後でネットワークに入り、下流の機器を損傷する可能性があります。
プロテクターの分類
保護デバイスは、放電容量に応じてタイプに分類されます。
タイプ1：
■ 10/350μs波形（クラスIテスト）でテストされ、直撃雷によって生成される電流をシミュレートします。
■ 非常に高い電流をアースに放電する能力があり、高いUp - 電圧保護レベルを提供します。
■ 下流のタイプ2プロテクターを伴う必要があります。外部保護システムを備えた建物など、落雷のリスクが高い受電盤での使用を目的としています。
タイプ2：
■ 8/20μs波形（クラスIIテスト）でテストされ、配電線またはその近傍でのスイッチングまたは落雷イベントで生成される電流をシミュレートします。
■ 高い電流をアースに放電する能力があり、中程度のUp - 電圧保護レベルを提供します。タイプ1プロテクターの下流または、落雷への露出が少ない地域にある受電盤での使用を目的としています。
タイプ3：
■ 1.2/50μs - 8/20μs波形（クラスIIIテスト）の組み合わせでテストされ、保護対象の機器に到達する可能性のある電流と電圧をシミュレートします。
■ 中程度の電流をアースに放電する能力があり、低いUp - 電圧保護レベルを提供します。常にタイプ2保護の下流に設置され、敏感な機器またはタイプ2デバイスから20m以上下流に配置された機器を保護するように設計されています。
IEC 61643規格に基づくSPD機能
プロテクターのパラメータ：
- Up 保護レベル：ピーク電流の印加中の保護デバイスの端子間の最大残留電圧。
- In 公称電流：保護デバイスが寿命に達することなく20回耐えることができる8/20μs波形のピーク電流
- Imax 最大放電電流：保護デバイスが耐えることができる8/20μs波形のピーク電流。
- Uc 最大連続動作電圧：保護デバイスの端子に恒久的に印加できる最大実効電圧
デバイス。
- Iimp インパルス電流：保護デバイスが寿命に達することなく耐えることができる10/350μs波形のピーク電流。
保護設計はどこから始めますか？
設置の起源として、主配電盤はネットワーク上のSPDの設計を開始する場所です。
保護設計はどのように開始しますか？
前述のように、SPD保護設計は、変圧器によって与えられた故障定格に依存せず、サージに対する露出レベルにのみ依存します。では、主配電盤にどのSPDを設置する必要がありますか？
IEC 63205-1規格の上の図を参照してください。これは、考慮される最大の雷の分散を示しています：200kA @ 10/350μs。
最悪のシナリオでは、このエネルギーの50％がアースに伝導され、ネットワークの3相と中性線に100kAの電位が残ります。
ここでは、雷が建物の接地接続に直接または近くに当たった場合、特に建物に避雷針がある場合に、25kA @ 10/350μs（Iimp）タイプ1 SPDを強く推奨します。
「通常のシナリオ」では、ネットワークへの直接的な落雷は、設置から十分に離れた場所で行われ、接続点に入る前に、エネルギーのさらに50％が他の導体を介してアースに分散されると想定されています。このシナリオでは、12.5kA @ 10/350μs（Iimp）タイプ1のデバイスを推奨します。さらに、IEC 61643-12規格に基づくと、タイプ1が必要な場合の最小kA定格は12.5 kAです。
設置の露出レベルが上記のシナリオよりも低い場合は、タイプ2 SPD（Imax）を機器のリスクとコスト、およびダウンタイムとともに検討できます。
サージ保護デバイスの第3段階を設置する必要がありますか？
最終負荷に設置されたサージ保護の第3段階は、負荷、その重要性、高価さ、ダウンタイムのコスト、および感度に応じて検討できます。機器やダウンタイムのコストが高い場合は、第3段階のタイプ3（1.5/50μs）デバイスを設置することで、最後のサージエネルギーが機器に到達するリスクをさらに減らすことができます。
サージ保護の第3段階を含める必要があるアプリケーションの例は次のとおりです。
■ 病院
■ データセンター
■ 空港
■ 銀行および保険
■ 交通機関
