サージサージおよびスイッチング干渉からの機器の保護

このテキストを書くために、私は多くの人々が仕事の原理を知らず、雷放電によって引き起こされるものを含むネットワークのサージサージに対する並列保護の使用（または存在さえ知らない）の感覚に勇気づけられました

ネットワークのインパルスノイズは非常に一般的であり、雷雨の際、強力な負荷をオン/オフするときに発生する可能性があります（ネットワークはRLC回路であるため、電圧サージを引き起こす発振を引き起こす）およびその他の多くの要因。 デジタル回路を含む低電流では、スイッチング干渉が電源を十分に貫通するため、これはさらに重要です（フライバックコンバーターは最も保護されています-一次巻線が主電源から切断されると、トランスのエネルギーが負荷に伝達されます）。

ヨーロッパでは、サージ保護モジュールをインストールすることが事実上ほぼ必須でした（以降、簡単にするために、雷保護またはSPDと呼びます）。

科学者が過電圧を非常に恐れているフィールドMOSFETトランジスタのオプションをますます開発し始めた過去20年間のSPDの使用は、特に重要になりました。 また、このようなトランジスタは、1 kVAまでのほぼすべてのスイッチング電源で、プライマリ（ネットワーク）側のキーとして使用されます。

SPDのアプリケーションのもう1つの側面は、中性線とアース線の間に電圧制限を設けることです。 ネットワークのニュートラルコンダクタの過電圧は、たとえば、分割ニュートラルで自動転送スイッチを切り替えるときに発生する可能性があります。 切り替え中、中性線は「空中」にあり、何でも接続できます。

過電圧インパルスの特性

ネットワーク内のサージ電圧パルスは、波形と電流振幅によって特徴付けられます。 電流パルスの形状は、その立ち上がり時間と立ち下がり時間によって特徴付けられます-ヨーロッパ規格では、これらは10/350μsおよび8/20μsのパルスです。 ロシアでは、最近よくあることですが、欧州標準を採用し、GOST R 51992-2002が登場しました。 パルス形状の指定の数字は、次を意味します。

-最初は、電流パルスが最大電流値の10％から90％に上昇する時間（マイクロ秒）です。

-秒-電流パルスが最大電流値の50％まで減衰する時間（マイクロ秒）。



保護デバイスは、放散可能なパルスのパワーに応じてクラスに分類されます。

1）クラス0（A）-外部雷保護（この記事は考慮しません）;

2）クラスI（B）-過電圧に対する保護、25〜100 kAの振幅10/350μsのサージ電流を特徴とする（建物の入力パネルと配電盤の保護）。

3）クラスII（C）-10〜40 kA波形8/20 µsの振幅のサージ電流を特徴とする過電圧に対する保護（床板、構内の電気パネル、電源装置の入力の保護）。

3）クラスIII（D）-8/20μsの最大10 kAの振幅のサージ電流を特徴とする過電圧に対する保護（ほとんどの場合、GOSTに従って製造された場合、保護は機器に組み込まれます）;

サージ保護デバイス

主な2つの避雷器は、さまざまな設計の避雷器とバリスタです。

アレスター

アレスター-最も単純な場合には2つの電極を含む、開いた（空気）または閉じた（不活性ガスで満たされた）タイプの電気デバイス。 スパークギャップの電極の電圧が特定の値を超えると、「突破」され、それによって電極の電圧が特定のレベルに制限されます。 避雷器の故障時には、短時間（数百マイクロ秒まで）で大電流が流れます（数百アンペアから数十キロアンペア）。 過電圧パルスを除去した後、避雷器が消費できる電力を超えていない場合、次のパルスまで避雷器は初期閉状態に切り替わります。



避雷器の主な特徴：

1）保護クラス（上記を参照）;

2）定格動作電圧-連続、メーカーの推奨する避雷器の動作電圧。

3）最大動作交流電圧-動作しないことが保証されている避雷器の最大連続電圧。

4）最大パルス放電電流（10/350）μs-波形（10/350）μsの電流の振幅の最大値。これにより、アレスタが故障せず、所定のレベルで電圧制限が提供されます。

5）定格インパルス放電電流（8/20）μs-波形（8/20）μsの電流の振幅の公称値。この値で、避雷器は所定のレベルで電圧制限を提供します。

6）電圧制限-過電圧パルスの発生によるブレークダウン中のスパークギャップの電極の最大電圧。

7）応答時間-アレスターのオープン時間（ほとんどすべてのアレスターの場合-100 ns未満）;

8）（メーカーによってめったに示されないパラメーター）スパークギャップの静的破壊電圧は、スパークギャップが開く静的電圧（時間の経過とともにゆっくりと変化する）です。 定電圧を印加して測定。 ほとんどの場合、最大動作交流電圧より20〜30％高く、一定に低下します（交流電圧に2の根を掛けた値）。



スパークギャップの選択は、多数の「天井への吐き出し」を伴うかなり創造的なプロセスです。これは、ネットワークで発生する電流の値が事前にわからないためです。

スパークギャップを選択するときは、次のルールに従ってください。

1）架空送電線からの入力ボードまたは雷雨が頻繁に発生する場所に保護を取り付ける場合、最大放電電流（10/350）μsが少なくとも35 kAの避雷器を取り付けます。

2）予想される最大主電源電圧よりもわずかに高い最大連続電圧を選択してください（そうしないと、主電源電圧が高いと避雷器が開いて過熱に失敗する可能性があります）。

3）可能な限り低い制限電圧の避雷器を選択します（この場合、ルール1および2の実装が必須です）。 通常、クラスI避雷器の電圧制限は2.5〜5 kVです。

4）このために特別に設計された避雷器をN導線とPE導線の間に取り付けます（製造者は、N-PE導線に接続するためのものであることを示しています）。 さらに、これらの避雷器は、通常250 V AC（通常モードではニュートラルとグランドの間に電圧がない）程度の低い動作電圧と、50 kA〜100 kA以上の大きな放電電流によって特徴付けられます。

5）少なくとも10 mm2の断面積を持つネットワークにアレスタを接続します（ネットワーク導体の断面積がより小さくても）、可能な限り最小の長さです。 たとえば、断面が4 mm2の長さ2 mの導体に40 kAの電流が流れると、（理想的にはインダクタンスを考慮せずに-ここで大きな役割を果たします）約350 V低下します。スパークギャップがそのような導体に接続されている場合、ネットワークへの接続点で制限電圧は、スパークギャップの制限電圧とパルス電流（350 V）での導体の電圧降下の合計に等しくなります。 したがって、保護特性は著しく損なわれます。

6）可能であれば、入力回路ブレーカーの前で、常にRCDの前にアレスターを取り付けます（この場合、80-125 Aの電流に対してgL特性のヒューズをアレスターと直列に取り付けて、故障時にアレスターがネットワークから切断されるようにする必要があります）。 入力サーキットブレーカーの前に誰もSPDを設置できないため、サーキットブレーカーはトリップ特性Dで少なくとも80Aの電流であることが望ましいです。これにより、アレスターがトリップするときの機械の誤ったトリップの可能性が減少します。 RCDの前にSPDを設置するのは、サージ電流に対するRCDの抵抗が低いためです。さらに、N-PEアレスターがトリガーされると、RCDが誤ってトリガーされます。 また、電気メーターの前にSPDを設置することをお勧めします（これもまた、電力技術者には許可されません）。

バリスタ

バリスタは、「クールな」対称電流電圧特性を持つ半導体デバイスです。







初期状態では、バリスタは高い内部抵抗を持っています（数百オームから数十メガオームまで）。 バリスタの接点の電圧が特定のレベルに達すると、バリスタの接点の電圧がわずかに変化する一方で、抵抗が急激に減少して大きな電流が流れ始めます。 スパークギャップと同様に、バリスタは数百マイクロ秒持続する過電圧パルスのエネルギーを吸収できます。 しかし、過電圧が長引くと、バリスタは大量の熱を放出して失敗します（爆発）。

DINレールバージョンのすべてのバリスタには、許容できない過熱時にネットワークからバリスタを切断するように設計された熱保護が装備されています（この場合、バリスタが故障しているというローカルの機械的表示から判断できます）。

写真では、異なる値の動作電圧を超えた後のサーマルリレー内蔵のバリスタ。 大きな過電圧では、このような内蔵の熱保護は実際には効果がありません-バリスタが爆発して耳がふさがれます。 ただし、DINレールのバリスタモジュールに組み込まれた熱保護は、長期の過電圧に対して非常に効果的であり、ネットワークからバリスタを切り離すことができます。



自然試験の小さなビデオ:)（直径20 mm-50 Vを超えるバリスタに高電圧を印加）



バリスタの主な特徴：

1）保護クラス（上記を参照）。 通常、バリスタには保護クラスII（C）、III（D）があります。

2）定格動作電圧-バリスタのメーカーの動作電圧で推奨される連続。

3）最大動作交流電圧-バリスタの最大連続電圧。この電圧で開くことが保証されていません。

4）最大パルス放電電流（8/20）μs-波形の電流の振幅の最大値（8/20）μs。バリスタが故障せず、所定のレベルで電圧制限を提供します。

5）定格インパルス放電電流（8/20）μs-波形（8/20）μsでの電流振幅の公称値。この値で、バリスタは所定のレベルで電圧制限を提供します。

6）制限電圧-過電圧パルスの発生によりバリスタが開かれたときのバリスタの最大電圧。

7）応答時間-バリスタのオープン時間（ほとんどすべてのバリスタ-25 ns未満）;

8）（メーカーによってめったに示されないパラメーター）バリスタ分類電圧は、バリスタの漏れ電流が1 mAに達する静的な電圧です（時間の経過とともにゆっくりと変化します）。 定電圧を印加して測定。 ほとんどの場合、一定に低下した最大動作交流電圧（交流電圧に2の根を掛けた値）よりも15〜20％高くなります。

9）（メーカーのパラメーターによって非常にまれに示される）バリスターパラメーターの許容誤差-ほとんどすべてのバリスター±10％。 バリスタの最大動作電圧を選択するときは、この誤差を考慮する必要があります。



バリスタと逮捕者の選択は、彼らの仕事の未知の条件に関連する困難に関連しています。

バリスタ保護を選択するときは、次の規則に従ってください。

1）サージサージに対する保護の第2または第3段階としてバリスタが設置されています。

2）クラスIIのバリスタ保護とクラスIの保護を併用する場合、バリスタとアレスタの異なる応答速度を考慮する必要があります。 アレスタはバリスタよりも遅いため、SPDが一致しない場合、バリスタは過電圧パルスの大部分を引き継ぎ、すぐに故障します。 IおよびIIクラスの雷保護をマッチングするには、特別なマッチングチョークが使用されます（超音波メーカーはそのような場合に合わせて品揃えを持っています）、またはIおよびIIクラスのSPD間のケーブル長は少なくとも10メートルでなければなりません。 このソリューションの欠点は、チョークをネットワークまたはその拡張に挿入する必要があることです。これにより、誘導性コンポーネントが増加します。 唯一の例外は、ドイツのメーカーPhoenixContactです 。これは、同じメーカーのバリスタモジュールと「整合」する、いわゆる「電子点火」を備えた特別なクラスI避雷器を開発しました。 これらのSPDの組み合わせは、追加の調整なしでインストールできます。

3）予想される最大主電源電圧よりもわずかに高い最大連続電圧を選択します（そうしないと、主電源電圧が高いとバリスタが開いて過熱に失敗する可能性があります）。 ただし、バリスタ制限の電圧は分類に直接依存するため（したがって、最大動作電圧に依存するため）、無理をすることはできません。 最大動作電圧の選択に失敗する例は、440 Vの最大連続電圧を持つIEKバリスタモジュールです 。それらが公称電圧220 Vのネットワークに設置されている場合、その動作は非常に非効率になります。 さらに、バリスタは「エージング」する傾向があることに注意する必要があります（つまり、時間の経過とともに、多くのバリスタ動作により、分類電圧が低下し始めます）。 ロシアに最適なのは、320〜350 Vの長い動作電圧を持つバリスタの使用です。

4）可能な限り低い電圧制限で選択する必要があります（この場合、ルール1〜3の実装は必須です）。 通常、900 Vから2.5 kVの主電源電圧のクラスIIバリスタ制限電圧。

5）バリスタを並列に接続して総消費電力を増加させないでください。 SPD保護デバイス（特にクラスIII（D））の多くのメーカーは、バリスタの並列接続に問題があります。 しかし、同じバリスタは100％存在しないため（同じバッチであっても異なる）、常に1つのバリスタが最も弱いリンクになり、過電圧パルスで失敗します。 後続のパルスでは、残りのバリスタは必要な電力を消費しなくなるため失敗します（これは、合計電流を増やすためにダイオードを並列に接続するのと同じです-これは実行できません）

6）バリスタを、少なくとも10 mm2の断面積（ネットワーク導体の断面積が小さい場合でも）および最短長の導体（アレスタの場合と同じ理由）でネットワークに接続します。

7）可能であれば、バリスタを開回路ブレーカーの前、常にRCDの前に取り付けます。 入力サーキットブレーカの前に誰もSPDを設置できないため、サーキットブレーカはトリップ特性D（クラスIIバリスタの場合）で少なくとも50Aの電流であることが望ましいです。 これにより、バリスタがトリップするときの誤検知の可能性が減少します。

SPDのメーカーの概要

低電圧ネットワークのSPDを専門とする大手メーカーは次のとおりです。 デーン ; OBOベターマン ; CITEL ハケル 。 また、低電圧機器の多くのメーカーは、製品にSPDモジュールを搭載しています（ABB、シュナイダーエレクトリックなど）。 さらに、中国は世界のメーカーのSPDを正常にコピーします（バリスターは非常にシンプルなデバイスであるため、中国のメーカーはかなり高品質の製品（ TYCOTIUモジュールなど）を生産しています）。

さらに、市場には、1つまたは2つの保護クラスのモジュールや、保護要素が故障した場合の安全性を確保するためのヒューズなど、既製のサージ保護パネルがかなりあります。 この場合、シールドはメーカーの推奨に従って壁に取り付けられ、既存の配線に接続されます。

SPDのコストは、メーカーによって異なる場合があります。 かつて（数年前）、 市場分析を行い、保護クラスIIの多くのメーカーを選択しました （320 Vまたは350 Vの長期動作電圧が必要なため、モジュール設計が不足しているため、一部はリストに含まれていませんでした）。

品質に関する注意事項として、私はHAKELモジュール（PIIIMT 280 DSなど）のみを選択できます。これらはインサートの接触接続が弱く、GOST R 51992-2002で禁止されている可燃性プラスチックで作られています。 現時点では、HAKELは多くの製品を更新しています。それについては何も言えません。 私は二度とHAKELを使用しません



SPDクラスIII（D）の使用とデバイスのデジタル回路の保護については、あとで説明します。

結論として、すべてを読んだ後、見出しを読んだ後よりも質問がある場合は、トピックが興味を持っているため、これは良いことであり、複数の本を書くことができるほど広大であると言えます。