適切な単相サージ保護装置の選び方

適切な単相サージ保護装置の選び方

私はサージ電流がどのようなものか全く知らなかったことを認める前に、コーヒーメーカー2台と3,800ドルのCNCコントローラーを壊してしまった。

単相SPDを選ぶ際は、最大サージ電流（kA）、電圧保護レベル（VPR）、短絡定格（SCCR）の3つの数値を確認します。これらの数値をブレーカーのサイズと負荷感度に合わせれば、保護対象の機器よりも長持ちするでしょう。

私が使っているのと同じ3分間のフィルターを知りたい方は、このまま読み進めてください。そうすれば、間違ったデータシートに時間を無駄にすることがなくなります。

単相電源を理解する？

ヒューズが飛んで配電盤の中に2本の電線とアース線があるのを見るまでは、「単相」とは1本の電線のことだと思っていた。

単相電源とは、家庭や小規模店舗に電力を供給する230Vまたは120Vの2線式電源のことです。活線1本、中性線1本、そして繰り返される正弦波によって、照明、ノートパソコン、旋盤などに必要な電力がすべて供給されます。

波形が重要な理由

230Vシステムでは、正弦波のピーク電圧が325Vに達します。そのピークの上にサージが発生し、数マイクロ秒で600Vに達することがあります。SPDの定格が275V RMSであれば、早期に作動して波形の頂点をクリップします。しかし、価格が安いという理由で420Vモデルを選ぶと、サージがそのままVFDに流れ込んでしまいます。私は工具箱にポケットオシロスコープを入れています。クリップされた波形を見るだけで、適切な電圧クラスを選んだかどうかが分かります。

表1：一般的な単相電圧と推奨SPD電圧クラス

単相サージ保護とは何ですか？

サージプロテクターはただのちょっとおしゃれな電源タップだと購入者に説明したら、彼はレーザーカッターの修理請求書を送ってきた。

単相サージ保護装置は、ブレーカーパネルの横に取り付ける小型の装置です。内部では、金属酸化物バリスタ（MOV）またはガス管が25ナノ秒未満で過剰な電流をアースに流し、負荷を耐電圧以下に保ちます。

目に見える部分

プラスチックケースを開けると、コインのような形をした3枚のディスクが入っています。これらはMOV（金属酸化物バリスタ）です。各ディスクの横にはサーマルヒューズが配置されており、MOVが過熱するとヒューズが切れて緑色のLEDが消灯します。以前、故障したユニットを分解してみたところ、ヒューズ線がなくなっていて、MOVが黒く変色していました。この目視確認のおかげで、故障した保護回路を再取り付けせずに済みました。

表2：体内の器官とその死因

単相サージ保護装置（単相SPD）はどのように動作するのですか？

私のデータロガーに40kAの電流が流れたのを確認したところ、コンセントの電圧は1200Vではなく、わずか90Vしか上昇しなかった。

SPDは電源線と中性線、および電源線とアース線の間に設置されます。サージ電流が発生すると、内部部品がナノ秒単位で低インピーダンス状態に切り替わります。サージ電流はプリンターではなくSPDを流れ、クランプ電圧は高感度負荷の損傷閾値以下に維持されます。

クランプ曲線

すべてのMOVには、電圧と電流の関係を示す曲線があります。1mAでMOVは導通を開始し、1kAでは電圧が50%高くなります。私はこの曲線をCNCの耐電圧仕様に重ね合わせます。CNCが800Vで故障し、MOVが3kAで820Vに達する場合、より大きなMOVに変更するか、2段目を追加します。カタログだけを鵜呑みにせず、2つの線をプロットしてギャップを確認します。

単相サージプロテクタの動作原理とは？

端子台を飛び越えた火花をたどってみるまでは、「動作原理」なんてマーケティング用語だと思っていた。

動作原理は単純なインピーダンス崩壊です。通常電圧下では、SPDは開放回路のように見えます。サージによって余分なエネルギーが加わると、MOVの粒子が破壊され、短絡が発生し、エネルギーがアースに流れます。サージが終了すると、MOVはリセットされ、次のサージを待ちます。

ユニット内部でのエネルギー共有

20kAのサージ電流は1つのMOVに集中するわけではありません。このユニットは3つのMOVを並列接続して使用しているため、各ディスクが約3分の1の電流を消費します。いずれかのMOVの劣化が速い場合、抵抗値が低下してより多くの電流を消費し、発熱してサーマルヒューズが作動してそのMOVが破壊されます。この穏やかな破壊によって、残りの2つのMOVは保護されます。私は常に製造年月日を確認します。同じロットのMOVは同じ速度で劣化するため、交換用キットには同じ製造年月日が記載されています。

単相サージプロテクタの設置方法

以前、SPD（サージ保護デバイス）を逆向きに配線してしまったことがありました。LEDは緑色のままでしたが、保護機能は煙のように消えてしまいました。

メインブレーカーをオフにします。SPDラインをブレーカーの負荷側に、ニュートラル線をニュートラルバーに、アース線をアースバーに接続します。リード線は30cm未満に短くし、互いにねじり合わせて2Nmのトルクで締め付けます。パネルを閉じ、電源をオンにして、緑色のLEDランプが点灯していることを確認します。

リード線の長さテストは、すべての仕事で実施しています。

1MHzの信号発生器を使って、SPDの端子間に10cmのワイヤーを接続します。さらに10cm追加すると、電圧降下が2倍になります。このテストで、30cmが限界であることが分かりました。1cm追加するごとに、通過電圧が約40V上昇します。パネルが混み合っている場合は、SPDをドアに取り付けて編組銅線を使用します。平らな形状にすることで、インダクタンスを半分に抑えることができます。

小規模事業所における単相サージプロテクタの適用可能性とは？

私の顧客のパン屋は、一度の嵐でオーブンを3台も失いました。保険会社の担当者は「不運だった」と言い張りましたが、翌日私たちが修理した溶けたSPD（安全装置）を見せると、ようやく納得してくれました。

単相SPDは、小規模店舗のレジ、エスプレッソマシン、CNCルーター、CCTVなどの機器を保護します。1Uラックに収まるサイズで、メーター横のDINレールに取り付けることも可能です。20kAのユニット1台で、雷雨の季節でもベーキングライン全体を稼働させることができます。

私が使っているロードグループ化のトリック

私は16A以下のすべての機器をリストアップし、「高感度」または「高耐久性」のタグを付けています。PLCなどの高感度負荷は、550V VPRを備えた1つのSPDを共有します。ヒーターなどの高耐久性負荷は、650V VPRを備えた2つ目のSPDの後ろに配置されます。650Vモデルは30%安いため、分割することでコストを削減できます。私のスプレッドシートには、オーナーが210ドル節約でき、温州工場からの納期も短縮されることが示されています。

インストール時の注意事項は？

以前、手抜きをして50cmの配線を引いたことがあったのですが、DINレールの方が見た目が綺麗だと思ったからです。ところが、検査官にそれを撤去するように言われてしまいました。

以下の4つのルールに従ってください。リード線の長さは30cm未満に抑える、16mm²の銅線を使用する、上流側に32Aのブレーカーを追加する、SPDはメーターの後、RCDの前に設置する。地域の規定に従ってください。ドイツではVDE 0100-443、英国ではBS 7671 534に従ってください。

表3：クルーに渡す簡単なチェックリスト

結論

数字を選び、リード線を切断し、ネジを規定トルクで締め付ければ、単相SPDは壊れますが、機械は壊れません。

1ページの見積書をご希望の場合は、caroline@leikexing.comまでメールでご連絡ください。お客様のご要望に応じた製品を温州から15日以内に発送いたします。