サージ保護デバイス（SPD）のしくみ

サージ保護デバイス（SPD）のしくみ

サージ電流を迂回させることによって配電ネットワークの過電圧を制限するSPDの機能は、サージ保護コンポーネント、SPDの機械的構造、および配電ネットワークへの接続の機能です。 SPDは、過渡過電圧を制限し、サージ電流を迂回させること、またはその両方を目的としています。 少なくともXNUMXつの非線形成分が含まれています。 簡単に言うと、SPDは、保護するデバイスに到達する過渡電圧サージによる機器の損傷やダウンタイムを防ぐことを目的として、過渡過電圧を制限することを目的としています。

たとえば、圧力逃し弁で保護された水車小屋について考えてみます。 圧力逃し弁は、給水に過圧パルスが発生するまで何もしません。 それが起こると、バルブが開き、余分な圧力を脇にシャントして、水車に到達しないようにします。

リリーフバルブがない場合、過度の圧力が水車、またはおそらくのこぎりのリンケージに損傷を与える可能性があります。 リリーフバルブが所定の位置にあり、適切に機能している場合でも、圧力パルスの残りの部分がホイールに到達します。 しかし、水車を損傷したり、その操作を中断したりしないように、圧力は十分に低下しています。 これは、SPDの動作について説明しています。 それらは、敏感な電子機器の動作を損傷または妨害しないレベルまで過渡現象を低減します。

使用されるテクノロジー

SPDではどのようなテクノロジーが使用されていますか？

IEEEStdから。 C62.72：SPDの製造に使用されるいくつかの一般的なサージ保護コンポーネントは、金属酸化物バリスタ（MOV）、アバランシェブレークダウンダイオード（ABD –以前はシリコンアバランシェダイオードまたはSADと呼ばれていました）、およびガス放電管（GDT）です。 MOVは、AC電源回路の保護に最も一般的に使用されるテクノロジーです。 MOVのサージ電流定格は、断面積とその組成に関連しています。 一般に、断面積が大きいほど、デバイスのサージ電流定格は高くなります。 MOVは通常、円形または長方形の形状ですが、7 mm（0.28インチ）から80 mm（3.15インチ）の範囲の多数の標準寸法があります。 これらのサージ保護コンポーネントのサージ電流定格は大きく異なり、メーカーによって異なります。 この節で前述したように、MOVを並列アレイに接続することにより、個々のMOVのサージ電流定格を加算してアレイのサージ電流定格を取得するだけで、サージ電流値を計算できます。 その際、選択したMOVの動作特性の調整を考慮する必要があります。

どのコンポーネント、どのトポロジ、および特定のテクノロジの展開によって、サージ電流を迂回させるのに最適なSPDが生成されるかについては多くの仮説があります。 すべてのオプションを提示するのではなく、サージ電流定格、公称放電電流定格、またはサージ電流機能の説明は、パフォーマンステストデータを中心に行うのが最善です。 設計で使用されるコンポーネントや展開される特定の機械的構造に関係なく、重要なのは、SPDがアプリケーションに適したサージ電流定格または公称放電電流定格を備えていることです。

これらのコンポーネントのより詳細な説明は次のとおりです。 SPDで使用されるコンポーネントはかなり異なります。 これらのコンポーネントのサンプルを次に示します。

• 金属酸化バリスタ（MOV）

通常、MOVは、適切な添加剤を含む焼結酸化亜鉛の円形または長方形の本体で構成されます。 使用されている他のタイプには、管状の形状と多層構造が含まれます。 バリスタは、銀合金または他の金属からなる金属粒子電極を備えています。 電極は、使用する金属に応じて、スクリーニングと焼結、または他のプロセスによって身体に適用された可能性があります。 バリスタには、多くの場合、電極にはんだ付けされている可能性のあるワイヤまたはタブのリード線またはその他のタイプの終端があります。

MOVの基本的な伝導メカニズムは、焼結プロセス中に形成された酸化亜鉛粒子の境界にある半導体接合に起因します。 バリスタは、端子間で直並列の組み合わせで作用する多くの粒子を備えた多接合デバイスと見なすことができます。 典型的なバリスタの概略断面図を図1に示します。

バリスタには、端子間で比較的小さな電圧変化を維持する特性がありますが、バリスタを流れるサージ電流は数十年にわたって変化します。 この非線形動作により、ラインの両端にシャントで接続されたときにサージの電流を迂回させ、ラインの両端の電圧をそのラインに接続された機器を保護する値に制限することができます。

• アバランシェブレークダウンダイオード（ADB）

これらのデバイスは、シリコンアバランシェダイオード（SAD）または過渡電圧サプレッサー（TVS）としても知られています。 PN接合ブレークダウンダイオードは、基本的な形では、アノード（P）とカソード（N）で構成される単一のPN接合です。 図2aを参照してください。 DC回路アプリケーションでは、プロテクターは逆バイアスされ、デバイスのカソード（N）側に正の電位が印加されます。 図2bを参照してください。

アバランシェダイオードには、1）順方向バイアス（低インピーダンス）、2）オフ状態（高インピーダンス）、および3）逆方向バイアスブレークダウン（比較的低インピーダンス）の3つの動作領域があります。 これらの領域を図1に示します。P領域に正の電圧がある順方向バイアスモードでは、電圧が順方向バイアスダイオード電圧VFSを超えると、ダイオードのインピーダンスは非常に低くなります。 VFSは通常0V未満であり、以下に定義されています。 オフ状態は、XNUMXVからN領域の正のVBRのすぐ下まで広がります。 この領域で流れる電流は、温度に依存するリーク電流と低絶縁破壊電圧ダイオードのツェナートンネリング電流だけです。 逆バイアスブレークダウン領域は、N領域の正のVBRで始まります。 VBRでは、接合部を通過する電子が接合部領域の高電界によって十分に加速されるため、電子の衝突により、電子と正孔のカスケードまたはなだれが発生します。 その結果、ダイオードの抵抗が急激に低下します。 順方向バイアスと逆方向バイアスの両方のブレークダウン領域を保護に使用できます。

アバランシェダイオードの電気的特性は本質的に非対称です。 背中合わせの接合部からなる対称アバランシェダイオード保護製品も製造されています。

• ガス放電管（GDT）

ガス放電管は、小さなギャップで分離され、セラミックまたはガラスのシリンダーで保持されたXNUMXつ以上の金属電極で構成されています。 シリンダーは希ガス混合物で満たされ、それがスパークしてグロー放電になり、電極に十分な電圧が印加されると最終的にアーク状態になります。

ギャップの両端でゆっくりと上昇する電圧が、主に電極間隔、ガス圧、およびガス混合物によって決定される値に達すると、ターンオンプロセスがスパークオーバー（ブレークダウン）電圧で開始されます。 スパークオーバーが発生すると、外部回路に応じてさまざまな動作状態が発生する可能性があります。 これらの状態を図4に示します。グローからアークへの遷移電流よりも小さい電流では、グロー領域が存在します。 グロー領域の低電流では、電圧はほぼ一定です。 高いグロー電流では、一部のタイプのガス管は、電圧が上昇する異常なグロー領域に入る可能性があります。 この異常なグロー領域を超えると、ガス放電管のインピーダンスは、低電圧アーク状態への遷移領域で減少します。 アークからグローへの遷移電流は、グローからアークへの遷移よりも低い場合があります。 GDTの電気的特性は、外部回路と組み合わせて、サージの通過後にGDTが消火する能力を決定し、サージ中に避雷器で消費されるエネルギーも決定します。

印加電圧（過渡電圧など）が急激に上昇する場合、イオン化/アーク形成プロセスにかかる時間により、過渡電圧が前の段落のブレークダウンに必要な値を超える可能性があります。 この電圧はインパルス降伏電圧として定義され、一般に印加電圧の上昇率（過渡）の正の関数です。

シングルチャンバーXNUMX電極GDTには、センターリング電極によって分離されたXNUMXつのキャビティがあります。 中心電極の穴により、他の空洞の電圧がスパークオーバー電圧を下回っている場合でも、伝導性の空洞からのガスプラズマが他の空洞で伝導を開始することができます。

GDTは、スイッチング動作と頑丈な構造のため、通電能力において他のSPDコンポーネントを超える可能性があります。 多くの電気通信GDTは、最大10 kA（8/20 µsの波形）のサージ電流を簡単に流すことができます。 さらに、GDTの設計とサイズによっては、100kAを超えるサージ電流を実現できます。

ガス放電管の構造は、静電容量が非常に低く、通常は2pF未満です。 これにより、多くの高周波回路アプリケーションでの使用が可能になります。

GDTが動作すると、高周波放射が発生する可能性があり、敏感な電子機器に影響を与える可能性があります。 したがって、GDT回路を電子機器から特定の距離に配置することをお勧めします。 距離は、電子機器の感度と電子機器のシールドの程度によって異なります。 この影響を回避する別の方法は、GDTをシールドされたエンクロージャに配置することです。

GDTの定義

ガス混合物と圧力が制御されるように密閉されたXNUMXつまたはXNUMXつの金属電極を備えたギャップ、またはいくつかのギャップ。装置または人員、あるいはその両方を高い過渡電圧から保護するように設計されています。

Or

大気圧の空気以外の密閉された放電媒体のXNUMXつまたは複数のギャップで、装置または人員、あるいはその両方を高い過渡電圧から保護するように設計されています。

• LCRフィルター

これらのコンポーネントは、次の点で異なります。

• エネルギー能力
• 賃貸条件の詳細・契約費用のお見積り等について
• 信頼性
• コスト
• 有効

IEEE Std C62.72より：サージ電流を迂回させることによって配電ネットワークの過電圧を制限するSPDの機能は、サージ保護コンポーネント、SPDの機械的構造、および配電ネットワークへの接続の機能です。 SPDの製造に使用されるいくつかの一般的なサージ保護コンポーネントは、MOV、SASD、およびガス放電管であり、MOVが最も多く使用されています。 MOVのサージ電流定格は、断面積とその組成に関連しています。 一般に、断面積が大きいほど、デバイスのサージ電流定格は高くなります。 MOVは通常、円形または長方形の形状ですが、7 mm（0.28インチ）から80 mm（3.15インチ）の範囲の多数の標準寸法があります。 これらのサージ保護コンポーネントのサージ電流定格は大きく異なり、メーカーによって異なります。 MOVを並列アレイに接続することにより、個々のMOVの電流定格を加算してアレイのサージ電流定格を取得するだけで、理論上のサージ電流定格を計算できます。

どのコンポーネント、どのトポロジ、および特定のテクノロジの展開によって、サージ電流を迂回させるのに最適なSPDが生成されるかについては多くの仮説があります。 これらの議論をすべて提示し、読者にこれらのトピックを解読させるのではなく、サージ電流定格、公称放電電流定格、またはサージ電流機能の説明は、パフォーマンステストデータを中心に展開するのが最善です。 設計で使用されるコンポーネントや展開される特定の機械的構造に関係なく、重要なのは、SPDがアプリケーションに適したサージ電流定格または公称放電電流定格を備えていること、そしておそらく最も重要なこととして、SPDが過渡電流を制限することです。予想されるサージ環境を考慮して、保護されている機器への損傷を防ぐレベルまでの過電圧。

基本的な動作モード

ほとんどのSPDには、次のXNUMXつの基本的な動作モードがあります。

• 待ち
• 転換

各モードで、電流はSPDを流れます。 ただし、理解できないかもしれませんが、各モードには異なるタイプの電流が存在する可能性があります。

待機モード

「クリーンな電力」が配電システム内に供給される通常の電力状況では、SPDは最小限の機能を実行します。 待機モードでは、SPDは過電圧が発生するのを待機しており、AC電力をほとんどまたはまったく消費していません。 主に監視回路で使用されるもの。

迂回モード

一時的な過電圧イベントを検知すると、SPDは迂回モードに変わります。 SPDの目的は、損傷を与えるインパルス電流を重要な負荷からそらすと同時に、結果として生じる電圧の大きさを低く無害なレベルに下げることです。

ANSI / IEEE C62.41.1-2002で定義されているように、一般的な過渡電流は、60Hzの正弦波信号の連続的な流れと比較した場合、サイクルのほんの一部（マイクロ秒）、つまり時間の断片しか持続しません。

サージ電流の大きさは、その発生源によって異なります。 たとえば、まれに発生する可能性のある落雷には、数十万アンペアを超える電流の大きさが含まれます。 ただし、施設内では、内部で生成された一時的なイベントによって、より低い電流の大きさが生成されます（数千または数百アンペア未満）。

ほとんどのSPDは大きなサージ電流を処理するように設計されているため、パフォーマンスベンチマークのXNUMXつは、製品でテストされた公称放電電流定格（In）です。 故障電流と混同されることがよくありますが、無関係ですが、この大きな電流の大きさは、製品でテストされた繰り返し耐容量を示しています。

IEEEStdから。 C62.72：公称放電電流定格は、SPDの損傷、劣化、または測定された制限電圧性能の変化なしに、選択された値の繰り返し電流サージ（合計15サージ）にさらされるSPDの能力を発揮します。 公称放電電流テストには、すべてのサージ保護コンポーネントと内部または外部のSPD断路器を含むSPD全体が含まれます。 テスト中、コンポーネントまたは断路器が故障したり、回路が開いたり、損傷したり、劣化したりすることは許可されていません。 特定の定格を達成するには、SPDの測定された制限電圧性能レベルをテスト前とテスト後の比較の間で維持する必要があります。 これらのテストの目的は、場合によっては深刻であるが、サービス機器、施設内、または設置場所で予想されるサージに対応するSPDの機能とパフォーマンスを実証することです。

たとえば、モードあたり10,000または20,000アンペアの公称放電電流容量を持つSPDは、製品が各保護モードで最低10,000回20,000または15アンペアの過渡電流の大きさに安全に耐えることができる必要があることを意味します。

保守終了シナリオ

IEEE Std C62.72から：SPDの長期的な信頼性に対する最大の脅威はサージではなく、PDSで発生する可能性のある瞬間的または一時的な過電圧（TOVまたは「スウェル」）の繰り返しです。 公称システム電圧に不安定に近いMCOVを備えたSPDは、そのような過電圧の影響を受けやすく、SPDの早期劣化または早期の寿命終了につながる可能性があります。 よく使用される経験則は、SPDのMCOVが特定の保護モードごとに公称システム電圧の115％以上であるかどうかを判断することです。 これにより、SPDはPDSの通常の電圧変動の影響を受けなくなります。

ただし、持続的な過電圧イベントとは別に、SPDは、サージ電流、サージイベントの発生率、サージの持続時間のSPD定格を超えるサージにより、経年劣化、劣化、またはサービス終了状態に達する可能性があります。 、またはこれらのイベントの組み合わせ。 一定期間にわたって大きな振幅の繰り返しサージイベントが発生すると、SPDコンポーネントが過熱し、サージ保護コンポーネントが劣化する可能性があります。 さらに、サージが繰り返されると、サージ保護コンポーネントの加熱により、熱的に作動するSPD断路器が早期に動作する可能性があります。 SPDの特性は、サービス終了状態に達すると変化する可能性があります。たとえば、測定された制限電圧は増減する可能性があります。

サージによる劣化を回避するために、多くのSPDメーカーは、物理的に大きなコンポーネントを使用するか、複数のコンポーネントを並列に接続することにより、サージ電流能力の高いSPDを設計しています。 これは、非常にまれで例外的な場合を除いて、アセンブリとしてのSPDの定格を超える可能性を回避するために行われます。 この方法の成功は、この方法で設計された既存のSPDの長い耐用年数と歴史によって支えられています。

SPDの調整に関して、およびサージ電流定格に関して述べたように、早期経年劣化の防止を支援するために、PDSがサージに最もさらされるサービス機器に高いサージ電流定格のSPDを配置することは論理的です。 一方、外部のサージ源にさらされていないサービス機器からさらにダウンラインのSPDは、定格が低くなる可能性があります。 優れたサージ保護システムの設計と調整により、SPDの早期老化を回避できます。

SPD障害の他の原因は次のとおりです。

• インストールエラー
• 製品の定格電圧に対する誤用
• 持続的な過電圧イベント

抑制コンポーネントに障害が発生すると、ほとんどの場合、短絡として発生し、障害が発生したコンポーネントに電流が流れ始めます。 この故障したコンポーネントを流れるために利用できる電流の量は、利用可能な故障電流の関数であり、電力システムによって駆動されます。 故障電流の詳細については、SPDの安全関連情報を参照してください。