サージ保護デバイスの概要（ACおよびDC電源、データライン、同軸、ガス管）

サージ保護デバイス（またはサージサプレッサーまたはサージダイバータ）は、電圧スパイクから電気デバイスを保護するように設計されたアプライアンスまたはデバイスです。 サージプロテクタは、安全なしきい値を超える不要な電圧を接地するためにブロックまたは短絡することにより、電気機器に供給される電圧を制限しようとします。 この記事では、主に、電圧スパイクをグランドに迂回（短絡）させるプロテクターのタイプに関連する仕様とコンポーネントについて説明します。 ただし、他の方法についても説明があります。

サージプロテクタと複数のコンセントを内蔵した電源タップ
サージ保護デバイス（SPD）および過渡電圧サージサプレッサー（TVSS）という用語は、保護を目的として、配電パネル、プロセス制御システム、通信システム、およびその他の頑丈な産業システムに通常設置される電気デバイスを表すために使用されます。雷によって引き起こされるものを含む、電気サージおよびスパイク。 これらのデバイスの縮小版は、家庭内の機器を同様の危険から保護するために、住宅用サービス入口の電気パネルに取り付けられることがあります。

ACサージ保護デバイスの概要

過渡過電圧の概要

電子機器、電話、データ処理システムのユーザーは、雷によって引き起こされる一時的な過電圧にもかかわらず、この機器を動作させ続けるという問題に直面する必要があります。 この事実にはいくつかの理由があります（1）電子部品の高度な統合により機器がより脆弱になる、（2）サービスの中断が許容されない、（3）データ伝送ネットワークが広いエリアをカバーし、より多くの妨害にさらされる。

過渡過電圧にはXNUMXつの主な原因があります。

  • ライトニング
  • 産業用およびスイッチングサージ
  • 静電気放電（ESD）ACImage概要

ライトニング

1749年のベンジャミンフランクリンの最初の研究以来調査された稲妻は、逆説的に、私たちの高度に電子化された社会に対する脅威の高まりになっています。

雷の形成

落雷は、反対の電荷を持つXNUMXつのゾーン間、通常はXNUMXつの嵐の雲の間、またはXNUMXつの雲と地面の間で生成されます。

フラッシュは数マイル移動し、次々と飛躍して地面に向かって進みます。リーダーは高度にイオン化されたチャネルを作成します。 それが地面に達すると、実際のフラッシュまたはリターンストロークが発生します。 次に、数万アンペアの電流が、イオン化されたチャネルを介して地面から雲に、またはその逆に移動します。

ダイレクトライトニング

放電の瞬間には、ピークが1,000〜200,000アンペアの範囲のインパルス電流が流れ、立ち上がり時間は約数マイクロ秒です。 この直接的な影響は、非常に局所的であるため、電気および電子システムへの損傷の小さな要因です。
最良の保護は、放電電流を捕捉して特定のポイントに導くように設計された、従来の避雷針または避雷システム（LPS）です。

間接効果

間接雷効果には次のXNUMXつのタイプがあります。

架空送電線への影響

このような線は非常に露出しており、雷が直接当たる可能性があります。雷は最初にケーブルを部分的または完全に破壊し、次に導体に沿って自然に線に接続された機器に伝わる高いサージ電圧を引き起こします。 損傷の程度は、ストライキと機器の間の距離によって異なります。

地盤電位の上昇

地面を雷が流れると、電流強度と局所的なアースインピーダンスに応じて変化するアース電位が上昇します。 複数のアースに接続されている可能性のある設備（建物間のリンクなど）では、ストライキによって非常に大きな電位差が発生し、影響を受けるネットワークに接続されている機器が破壊されるか、大幅に中断されます。

電磁放射

フラッシュは、数マイルの高さで数十分の一キロアンペアのインパルス電流を運び、強力な電磁場（1km以上で数kV / m）を放射するアンテナと見なすことができます。 これらのフィールドは、機器の近くまたは機器上のラインに強い電圧と電流を誘導します。 値は、フラッシュからの距離とリンクのプロパティによって異なります。

産業サージ
産業サージは、電源のオン/オフを切り替えることによって引き起こされる現象をカバーしています。
産業サージは次の原因で発生します。

  • モーターまたは変圧器の始動
  • ネオンとナトリウムのライトスターター
  • スイッチング電源ネットワーク
  • 誘導回路のスイッチ「バウンス」
  • ヒューズとサーキットブレーカーの操作
  • 落下する電力線
  • 接触不良または断続的

これらの現象は、マイクロ秒のオーダーの立ち上がり時間で数kVの過渡現象を生成し、妨害源が接続されているネットワーク内の機器を妨害します。

静電過電圧

電気的には、人間の静電容量は100〜300ピコファラッドで、カーペットの上を歩いて15kVもの電荷を拾い、導電性の物体に触れて数マイクロ秒で放電します。電流は約XNUMXアンペアです。 。 すべての集積回路（CMOSなど）は、この種の外乱に対して非常に脆弱です。この外乱は、通常、シールドと接地によって排除されます。

過電圧の影響

過電圧は、重要度の高い順に、電子機器にさまざまな種類の影響を及ぼします。

破壊：

  • 半導体接合の電圧破壊
  • コンポーネントの結合の破壊
  • PCBまたは接点のトラックの破壊
  • dV / dtによる試験/サイリスタの破壊。

運用への干渉：

  • ラッチ、サイリスタ、トライアックのランダム操作
  • 記憶の消去
  • プログラムエラーまたはクラッシュ
  • データと送信エラー

早期老化：

過電圧にさらされたコンポーネントの寿命は短くなります。

サージ保護装置

サージ保護デバイス（SPD）は、過電圧の問題を解決するための認識された効果的なソリューションです。 ただし、最大の効果を得るには、アプリケーションのリスクに応じて選択し、当技術分野の規則に従ってインストールする必要があります。

DC電力サージ保護デバイスの概要

背景と保護に関する考慮事項

ユーティリティインタラクティブまたはグリッドタイ太陽光発電（PV）システムは、非常に要求が厳しく、コストのかかるプロジェクトです。 彼らはしばしば、太陽光発電システムが望ましい投資収益率を生み出す前に、数十年間稼働していることを要求します。
多くのメーカーは20年以上のシステム寿命を保証しますが、インバーターは通常5〜10年しか保証されません。 すべてのコストと投資収益率は、これらの期間に基づいて計算されます。 ただし、多くのPVシステムは、これらのアプリケーションの公開された性質とACユーティリティグリッドへの相互接続のために成熟に達していません。 金属製のフレームを備え、オープンまたは屋上に取り付けられたソーラーPVアレイは、非常に優れた避雷針として機能します。 このため、これらの潜在的な脅威を排除し、システムの平均寿命を最大化するために、サージ保護デバイスまたはSPDに投資することが賢明です。 包括的なサージ保護システムのコストは、システムの総支出の1％未満です。 UL1449 4th Editionであり、タイプ1コンポーネントアセンブリ（1CA）であるコンポーネントを使用して、システムが市場で入手可能な最高のサージ保護を備えていることを確認してください。

インストールの完全な脅威レベルを分析するには、リスク評価を行う必要があります。

  • 運用上のダウンタイムのリスク–雷が激しく、商用電源が不安定な地域は、より脆弱です。
  • 電力相互接続のリスク–太陽光発電アレイの表面積が大きいほど、直接および/または誘導された雷サージへの曝露が多くなります。
  • アプリケーションの表面積のリスク– ACユーティリティグリッドは、スイッチングトランジェントおよび/または誘導された雷サージの原因となる可能性があります。
  • 地理的リスク–システムのダウンタイムの結果は、機器の交換だけに限定されません。 追加の損失は、注文の損失、アイドル状態の労働者、残業、顧客/管理者の不満、迅速な運賃、および迅速な送料から生じる可能性があります。

推奨プラクティス

1）接地システム

サージプロテクタは、トランジェントをアースシステムにシャントします。 サージプロテクタが適切に機能するには、同じ電位の低インピーダンスの接地経路が重要です。 保護スキームが効率的に機能するためには、すべての電力システム、通信回線、接地および非接地の金属物体を等電位で結合する必要があります。

2）外部PVアレイから電気制御機器への地下接続

可能であれば、外部のソーラーPVアレイと内部の電力制御機器の間の接続は、直接の落雷や結合のリスクを制限するために、地下または電気的にシールドする必要があります。

3）調整された保護スキーム

利用可能なすべての電力および通信ネットワークは、PVシステムの脆弱性を排除するためにサージ保護で対処する必要があります。 これには、一次AC商用電源、インバーターAC出力、インバーターDC入力、PVストリングコンバイナー、およびギガビットイーサネット、RS-485、4-20mA電流ループ、PT-100、RTD、およびその他の関連データ/信号ラインが含まれます。電話モデム。

データラインサージ保護デバイスの概要

データラインの概要

電気通信およびデータ伝送デバイス（PBX、モデム、データ端末、センサーなど）は、雷による電圧サージに対してますます脆弱になっています。 それらは、いくつかの異なるネットワーク間で接続される可能性があるため、より敏感で複雑になり、誘発されたサージに対する脆弱性が増しています。 これらのデバイスは、企業の通信および情報処理にとって重要です。 そのため、これらの潜在的にコストがかかり破壊的なイベントに対して保険をかけることが賢明です。 機密性の高い機器の真正面にインラインで設置されたデータラインサージプロテクタは、耐用年数を延ばし、情報の流れの継続性を維持します。

サージプロテクタの技術

すべてのLSP電話およびデータラインサージプロテクタは、頑丈なガス放電管（GDT）と高速応答シリコンアバランシェダイオード（SAD）を組み合わせた信頼性の高い多段ハイブリッド回路に基づいています。 このタイプの回路は、

  • 5kAの公称放電電流（IEC 15に従って破壊なしで61643回）
  • 1ナノ秒未満の応答時間
  • フェイルセーフ切断システム
  • 低容量設計により、信号損失が最小限に抑えられます

サージプロテクタを選択するためのパラメータ

設置に適したサージプロテクタを選択するには、次の点に注意してください。

  • 公称および最大線間電圧
  • 最大ライン電流
  • ライン数
  • データ伝送速度
  • コネクタのタイプ（ネジ留め式端子、RJ、ATT110、QC66）
  • 取り付け（DINレール、表面取り付け）

インストール

効果的にするには、サージプロテクタを次の原則に従って設置する必要があります。

サージプロテクタと保護された機器の接地点を結合する必要があります。
保護装置は、インパルス電流をできるだけ早く迂回させるために、設備のサービス入口に設置されています。
サージプロテクタは、保護された機器の近く（90フィートまたは30メートル未満）に設置する必要があります。 この規則に従わない場合は、二次サージプロテクタを機器の近くに設置する必要があります。
接地導体（プロテクターのアース出力と設置ボンディング回路の間）は、できるだけ短く（1.5フィートまたは0.50メートル未満）、断面積が2.5mm平方以上である必要があります。
アース抵抗は、地域の電気規則に準拠する必要があります。 特別なアースは必要ありません。
保護されたケーブルと保護されていないケーブルは、結合を制限するために十分に離しておく必要があります。

規格

通信ラインサージプロテクタのテスト標準と設置に関する推奨事項は、次の標準に準拠している必要があります。

UL497B：データ通信および火災警報回路用のプロテクター
IEC 61643-21：通信回線用のサージプロテクタのテスト
IEC 61643-22; 通信回線用のサージプロテクタの選択/設置
NF EN 61643-21：通信回線用のサージプロテクタのテスト
ガイドUTEC15-443：サージプロテクタの選択/設置

特別な条件：雷保護システム

保護対象の構造物にLPS（Lightning Protection System）が装備されている場合、建物のサービス入口に設置されている通信またはデータ回線用のサージプロテクタは、最小の直接雷インパルス10 / 350us波形でテストする必要があります。 2.5kAのサージ電流（D1カテゴリテストIEC-61643-21）。

同軸サージ保護デバイスの概要

無線通信機器の保護

固定、遊牧、またはモバイルアプリケーションに配備された無線通信機器は、露出した領域に適用されるため、落雷に対して特に脆弱です。 サービスの継続性に対する最も一般的な混乱は、アンテナポール、周囲の地上システムへの直接の落雷、またはこれらXNUMXつのエリア間の接続に誘発される一時的なサージに起因します。
CDMA、GSM / UMTS、WiMAX、またはTETRA基地局で使用される無線機器は、中断のないサービスを保証するために、このリスクを考慮する必要があります。 LSPは、各システムのさまざまな運用要件に個別に適した無線周波数（RF）通信回線用のXNUMXつの特定のサージ保護技術を提供します。

RFサージ保護技術
ガス管DCパス保護
P8AXシリーズ

ガス放電管（GDT）DCパス保護は、静電容量が非常に小さいため、超短波伝送（最大6 GHz）で使用できる唯一のサージ保護コンポーネントです。 GDTベースの同軸サージプロテクタでは、GDTは中心導体と外部シールドの間に並列に接続されます。 デバイスは、スパークオーバー電圧に達したとき、過電圧状態のときに動作し、ラインが短時間短絡され（アーク電圧）、敏感な機器から迂回されます。 スパークオーバー電圧は、過電圧の立ち上がりフロントに依存します。 過電圧のdV / dtが高いほど、サージプロテクタのスパークオーバー電圧が高くなります。 過電圧がなくなると、ガス放電管は通常のパッシブで高度に絶縁された状態に戻り、再び動作する準備が整います。
GDTは、大規模なサージイベント中の伝導を最大化する特別に設計されたホルダーに保持され、寿命が尽きたシナリオのためにメンテナンスが必要な場合でも非常に簡単に取り外すことができます。 P8AXシリーズは、最大-/ + 48VDCのDC電圧を実行する同軸ラインで使用できます。

ハイブリッド保護
DCパス–CXF60シリーズ
DCブロック–CNP-DCBシリーズ

ハイブリッドDCパス保護は、フィルタリングコンポーネントとヘビーデューティガス放電管（GDT）を組み合わせたものです。 この設計は、電気的過渡現象による低周波外乱に対して優れた低残留通過電圧を提供し、それでも高いサージ放電電流能力を提供します。

クォーターウェーブDCブロック保護
PRCシリーズ

クォーターウェーブDCブロック保護はアクティブバンドパスフィルターです。 アクティブなコンポーネントはありません。 むしろ、本体と対応するスタブは、目的の波長の7分の16に調整されています。 これにより、特定の周波数帯域のみがユニットを通過できるようになります。 雷は数百kHzから数MHzまでの非常に小さなスペクトルでのみ動作するため、雷と他のすべての周波数はアースに短絡されます。 PRCテクノロジーは、アプリケーションに応じて、非常に狭い帯域または広い帯域に選択できます。 サージ電流の唯一の制限は、関連するコネクタタイプです。 通常、100 / 8Dinコネクタは20kA50 / 8usを処理できますが、Nタイプコネクタは最大20kA XNUMX / XNUMXusを処理できます。

同軸-サージ保護-概要

規格

UL497E –アンテナ引き込み導体用のプロテクター

同軸サージプロテクタを選択するためのパラメータ

アプリケーションのサージプロテクタを適切に選択するために必要な情報は次のとおりです。

  • 周波数範囲
  • ライン電圧
  • コネクタ タイプ
  • 性別タイプ
  • 取り付け
  • テクノロジー

インストール

同軸サージプロテクタの適切な設置は、低インピーダンスの接地システムへの接続に大きく依存します。 次のルールを厳守する必要があります。

  • 等電位接地システム：設備のすべてのボンディング導体は、相互に相互接続し、接地システムに接続し直す必要があります。
  • 低インピーダンス接続：同軸サージプロテクタは、接地システムへの低抵抗接続が必要です。

ガス放電の概要

PCボードレベルのコンポーネントの保護

今日のマイクロプロセッサベースの電子機器は、高いチップ密度、バイナリロジック機能、およびさまざまなネットワーク間の接続により、感度が高くなり、保護が複雑になったため、雷による電圧サージや電気的スイッチング過渡現象に対してますます脆弱になっています。 これらのデバイスは、企業の通信と情報処理にとって重要であり、通常、収益に影響を与える可能性があります。 そのため、これらの潜在的にコストがかかり、破壊的なイベントに対してそれらを確実にすることが賢明です。 ガス放電管またはGDTは、スタンドアロンコンポーネントとして使用することも、他のコンポーネントと組み合わせて多段保護回路を作成することもできます。ガス管は、高エネルギー処理コンポーネントとして機能します。 GDTは、静電容量が非常に小さいため、通常、通信およびデータラインのDC電圧アプリケーションの保護に使用されます。 ただし、漏れ電流がない、高エネルギー処理、より優れた寿命特性など、AC電源ラインに非常に魅力的な利点を提供します。

ガス放電管技術

ガス放電管は、故障が発生すると、開回路から準短絡（アーク電圧約20V）まで非常に急速に変化するコンダクタンス特性を備えた一種の非常に高速なスイッチと見なすことができます。 したがって、ガス放電管の動作にはXNUMXつの動作領域があります。
gdt_labels

GDTは、故障が発生したときに非常に急速に変化し、開回路から準短絡に変化する特性を伝導する必要がある非常に高速に動作するスイッチと見なすことができます。 その結果、約20VDCのアーク電圧が発生します。 チューブが完全に切り替わるまでには、XNUMXつの操作段階があります。

  • 非動作領域：実質的に無限の絶縁抵抗が特徴です。
  • グロードメイン：故障時に、コンダクタンスが突然増加します。 ガス放電管から排出される電流が約0.5A（部品ごとに異なるおおよその値）未満の場合、端子間の低電圧は80〜100Vの範囲になります。
  • アークレジーム：電流が増加すると、ガス放電管は低電圧からアーク電圧（20V）にシフトします。 端子間のアーク電圧を増加させることなく電流放電が数千アンペアに達する可能性があるため、ガス放電管が最も効果的であるのはこの領域です。
  • 消滅：低電圧にほぼ等しいバイアス電圧で、ガス放電管はその初期の絶縁特性をカバーします。

gdt_グラフ3-電極構成

2本のXNUMX電極ガス放電管でXNUMX線式回線（電話ペアなど）を保護すると、次の問題が発生する可能性があります。
保護されたラインがコモンモードで過電圧にさらされると、スパーク過電圧の分散（+/- 20％）、ガス放電管のXNUMXつが他のチューブよりも非常に短い時間（通常は数マイクロ秒）でスパークします。したがって、スパークオーバーのあるワイヤは接地され（アーク電圧は無視されます）、コモンモードの過電圧が差動モードの過電圧に変わります。 これは保護された機器にとって非常に危険です。 XNUMX番目のガス放電管がアークオーバーすると（数マイクロ秒後）、リスクはなくなります。
3電極形状により、この欠点が解消されます。 影響を受けるすべての電極を収容するガスで満たされたエンクロージャがXNUMXつしかないため、XNUMXつの極のスパークオーバーにより、デバイスの一般的な故障がほぼ即座に（数ナノ秒）発生します。

人生の終わり

ガス放電管は、初期特性を破壊したり失われたりすることなく、多くのインパルスに耐えるように設計されています（通常のインパルステストは、極性ごとに10倍x 5kAインパルスです）。

一方、持続的な非常に高い電流、つまり10秒間15A rmsは、AC電力線から電気通信線へのドロップアウトをシミュレートし、GDTをすぐに使用停止にします。

フェイルセーフの寿命が必要な場合、つまり、ライン障害が検出されたときにエンドユーザーに障害を報告する短絡が必要な場合は、フェイルセーフ機能を備えたガス放電管（外部短絡）を選択する必要があります。 。

ガス放電管の選択

  • アプリケーションのサージプロテクタを適切に選択するために必要な情報は次のとおりです。
    DCスパーク過電圧（ボルト）
  • インパルススパーク過電圧（ボルト）
  • 放電電流容量（kA）
  • 絶縁抵抗（ゴーム）
  • 静電容量（pF）
  • 取り付け（表面実装、標準リード、カスタムリード、ホルダー）
  • 包装（テープ＆リール、弾薬パック）

利用可能なDCスパーク過電圧の範囲：

  • 最小75V
  • 平均230V
  • 高電圧500V
  • 非常に高い電圧1000〜3000V

*絶縁破壊電圧の許容誤差は通常+/- 20％です

gdt_chart
放電電流

これは、ガスの特性、電極の体積と材料、およびその処理によって異なります。 これがGDTの主な特徴であり、他の保護デバイス、つまりバリスタ、ツェナーダイオードなどと区別するものです。標準コンポーネントの標準値は5〜20kAで、インパルスは8 / 20usです。 これは、ガス放電管が基本仕様を破壊または変更することなく繰り返し（最小10インパルス）耐えることができる値です。

インパルススパークオーバー電圧

急勾配のフロントが存在する場合のスパークオーバー電圧（dV / dt = 1kV / us）; インパルススパーク過電圧は、dV / dtの増加とともに増加します。

絶縁抵抗と静電容量

これらの特性により、通常の動作状態ではガス放電管は実質的に見えなくなります。 絶縁抵抗は非常に高く（> 10 Gohm）、静電容量は非常に低くなります（<1pF）。

規格

通信ラインサージプロテクタのテスト標準と設置に関する推奨事項は、次の標準に準拠している必要があります。

  • UL497B：データ通信および火災警報回路用のプロテクター

インストール

効果的にするには、サージプロテクタを次の原則に従って設置する必要があります。

  • サージプロテクタと保護された機器の接地点を結合する必要があります。
  • 保護装置は、インパルス電流をできるだけ早く迂回させるために、設備のサービス入口に設置されています。
  • サージプロテクタは、保護された機器の近く（90フィートまたは30メートル未満）に設置する必要があります。 この規則に従えない場合は、二次サージプロテクタを機器の近くに設置する必要があります
  • 接地導体（プロテクターのアース出力と設置ボンディング回路の間）は、できるだけ短く（1.5フィートまたは0.50メートル未満）、断面積が2.5mm平方以上である必要があります。
  • アース抵抗は、地域の電気規則に準拠する必要があります。 特別なアースは必要ありません。
  • 保護されたケーブルと保護されていないケーブルは、結合を制限するために十分に離しておく必要があります。

メインテナンス

LSPガス放電管は、通常の状態ではメンテナンスや交換は必要ありません。 それらは、損傷することなく、繰り返される強力なサージ電流に耐えるように設計されています。
それでも、最悪のシナリオを計画するのは賢明です。このため、 LSPは、実用的な場合に保護コンポーネントを交換するように設計されています。 データラインサージプロテクタのステータスは、LSPのモデルSPT1003でテストできます。 このユニットは、サージプロテクタのDCスパーク過電圧、クランプ電圧、およびライン導通（オプション）をテストするように設計されています。 SPT1003は、デジタルディスプレイを備えたコンパクトな押しボタンユニットです。 テスターの電圧範囲は0〜999ボルトです。 GDT、ダイオード、MOV、またはACまたはDCアプリケーション用に設計されたスタンドアロンデバイスなどの個々のコンポーネントをテストできます。

特別な条件：雷保護システム

保護対象の構造物にLPS（雷保護システム）が装備されている場合、建物のサービス入口に設置されている通信、データライン、またはAC電力線のサージプロテクタは、直接雷インパルス10 / 350us波形に対してテストする必要があります。 2.5kAの最小サージ電流（D1カテゴリテストIEC-61643-21）。