1.なぜ誘導雷サージ対策が必要か?

近年、IT機器の高速化・多機能化が進んでいく一方で、IT機器に使用される部品は、駆動電圧の低電圧化・高密度集積化により過電圧に対する耐久性が脆弱化している。さらにネットワーク化が急速に進んだことで誘導雷の侵入ルートが複雑化しており、様々な機器が誘導雷サージで破壊される危険性が以前より格段に高まっているため、誘導雷サージ対策が重要となる。

2.誘導雷サージの仕組み

落雷が発生すると雷雲と大地の間に大きな雷電流が流れて周囲の電磁界が急激な変化を及ぼすようになる。電磁誘導によって、屋外のメタルケーブルに電磁界変化を打ち消す方向に誘導電流が発生し、誘導雷サージとなって電子機器へ侵入する。(図.1)

図.1 誘導雷サージについて
図.1 誘導雷サージについて

3.SPD(サージプロテクトデバイス)の役割

雷サージ対策製品(以下、SPDとする)は落雷によって発生する突発的な過電圧・過電流(雷サージ)を電子機器に侵入することを防ぐ部品である。SPDは保護対象である機器の電源線、通信・信号線と接地(グラウンド)との間に接続し、通常状態では絶縁状態であるが、雷サージが侵入するとSPDの内部素子が応答し電流を接地線へ放流して一定の電圧に抑制する。動作後は元の正常な状態に自動復帰する機能を持ち、回路に影響を与えることはない。(図.2)

図.2 SPDの働き
図.2 SPDの働き

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4.誘導雷サージ対策方法の種類

誘導雷サージの対策方法は大きくは3種類の方法があり、SPDを使用する対策が2種類と耐雷トランスなどによる絶縁化をする対策がある。

まず1つめは接地(グラウンド)の等電位化を行うことが挙げられる。複数の接地(グラウンド)をとるケースの場合、落雷が近傍で発生した地点では大地の電位が急激に上昇することにより接地間電位差が大きくなることで接地線から雷電流が機器側に流れて機器が壊れることがある。そのため、落雷で電圧が上昇してもSPDを使用して接地電位の等電位化を行うことにより雷害被害を防ぐことが可能となる。(図.3)

図.3 SPDによる共通接地の等電位化
図.3 SPDによる共通接地の等電位化

2つめは、電源線と通信線とが両方接続された機器の対策には、誘導雷サージのバイパスの方法が有効である。電源線には単相・3相、および電源電圧に適した電源用SPDを設けることが必要である。(図.4)
通信線には低い駆動電圧であるので耐電圧の低い通信デバイスが誘導雷サージに対して壊れやすいことから、より低いSPD抑制電圧が必要とされ、なおかつ通信性能に影響を与えないように設計された通信用SPDを設けることが必要である。電源用SPDと通信用SPDを保護する装置と共通接地(グラウンド)することで雷害被害を防ぐことが可能となる。

図.4 SPDによる誘導雷サージのバイパス
図.4 SPDによる誘導雷サージのバイパス

3つめは耐雷トランスや絶縁トランスなどをいれて、雷サージの絶縁化を図ることである。絶縁トランスの耐電圧が低い場合には、絶縁トランス前段の線間に電源用SPDを設けることもある。重要な設備・施設に対しては有効な対策方法だが、SPDを使用して対策するのが一般的である。(図.5)

図.5 誘導雷サージの絶縁化
図.5 誘導雷サージの絶縁化

5.実機による雷サージ試験による効果検証

雷サージ対策を上述の手法で検討された後には、必ず雷サージ試験による効果検証を行うことが必要となる。SPDは雷サージを全て抑制できるわけではなく、必ず一定の抑制電圧が保護対象の機器に残留電圧として印加され、耐電圧の低い部品が存在する場合、SPDを設けていても雷サージでまれに壊れることがある。

また、回路図からは予想できないケースで、機器を筐体と組み込んで完成品としてサージ試験することにより想定外のルートからサージが侵入して壊れることもある。市場で雷害故障が複数発生するのを未然に防ぐため、サージ試験にて検証しておくことをお勧めする。

(著)岡谷電機産業株式会社

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