太陽光発電システム向けサージ保護デバイスの選定 – SPDの種類

太陽光発電（PV）は再生可能エネルギーの主要な供給源であり、従来の発電方法と比較して経済的に非常に競争力があります。屋上ソーラーパネルなどの小型分散型PVシステムは、ますます普及が進んでいます。屋上PVシステムは交流（AC）と直流（DC）の両方の配電を必要とし、電圧は最大1500Vに達します。直流側、特にPVパネルは、高リスク地域では落雷に直接さらされる可能性があり、落雷による損傷を受けやすいという問題があります。

建物の雷保護は、雷リスクに基づいて、外部保護（雷保護システム、LPS）と内部保護（サージ保護対策、SPM）に分けられます。内部保護の一部であるサージ保護デバイス（SPD）は、大気雷やスイッチング操作によって発生する過渡的な過電圧から保護します。SPDは保護対象機器の外部に設置され、主に次のように機能します。電力系統にサージが発生していない場合、SPDは保護対象システムの正常な動作に大きな影響を与えません。サージが発生すると、SPDは低インピーダンス状態となり、サージ電流を自身に迂回させて電圧を安全なレベルに制限します。サージが収まり、残留電流がなくなると、SPDは高インピーダンス状態に戻ります。

1. サージ保護装置（SPD）の設置場所

SPDの設置場所は、雷の脅威の程度に応じて、IEC 62305の雷保護ゾーン（LPZ）の概念に基づいて決定されます。過渡過電圧は、保護対象機器の耐電圧を下回る安全なレベルまで段階的に低減されます。図に示すように、SPDはこれらのゾーンの境界に設置され、低電圧システムで使用されるマルチレベルサージ保護の概念が生まれます。PVシステムの場合、AC側とDC側の両方から雷サージが侵入するのを防ぎ、インバータなどの重要なコンポーネントを保護することに重点が置かれます。

2. サージ保護装置（SPD）試験クラス

IEC 61643-11によると、SPDは耐えるように設計された雷電流インパルスの種類に基づいて3つのテストカテゴリに分類されます。タイプIテスト（T1と表記）は、建物に伝導される可能性のある部分的な雷電流をシミュレートすることを目的としています。これらは、下の図に示すように10/350 µsの波形を使用し、通常はLPZ0とLPZ1の境界、例えば主配電盤や低電圧変圧器の受電部で適用されます。このレベルのSPDは通常、ガス放電管やスパークギャップ（例えば、ホーンギャップやグラファイトギャップ）などのコンポーネントを備えた電圧スイッチングタイプです。

タイプ II (T2) およびタイプ III (T3) のテストでは、より短い持続時間のインパルスを使用します。タイプ II SPD は通常、金属酸化物バリスタ (MOV) などの部品を使用した電圧制限デバイスです。これらは、8/20 µs の電流波形 (下の図を参照) を使用して公称放電電流でテストされ、上流の保護デバイスから発生する残留サージ電圧をさらに制限する役割を担います。タイプ III テストでは、1.2/50 µs の電圧と 8/20 µs の電流インパルス (下の図を参照) を組み合わせた波形発生器を使用して、エンド ユース 機器に近いサージをシミュレートします。

3．サージ保護装置（SPD）の接続方式

過渡過電圧に対する保護には、主に2つの方式があります。1つ目はコモンモード保護（CT1）で、活線導体とPE（保護接地）間のサージから保護するように設計されています。例えば、落雷は接地に対して高電圧をシステムに導入する可能性があります。コモンモード保護は、以下に示すように、落雷などの外部擾乱の影響を軽減するのに役立ちます。

2つ目は差動モード保護（CT2）で、線間導体（L）と中性線（N）間のサージから保護します。このタイプの保護は、下の図に示すように、システム内部で発生する電気ノイズや干渉などの内部障害に対処する上で特に重要です。

これらの保護モードのいずれか、または両方を実装することで、電気システムを潜在的なサージ源からより効果的に保護することができ、最終的に接続機器の寿命と信頼性を向上させることができます。

SPDの保護モードの選択は、設置されている接地システムに合わせて行うことが重要です。TNシステムでは、CT1とCT2の両方の保護モードを使用できます。ただし、TTシステムでは、CT1はRCDの下流にのみ適用できます。ITシステム、特に中性線がないシステムでは、CT2保護は適用できません。これは、IT接地構成を使用するDC配電システムにおいて重要な考慮事項です。詳細は以下の表を参照してください。

4. サージ保護デバイス（SPD）の主要パラメータ

国際規格IEC 61643-11によれば、図7に示すように、低電圧配電システムに接続されるSPDの特性と試験が定義されています。

（１）電圧保護レベル（上昇）

SPDを選択する上で最も重要な点は、端子間の電圧を制限するSPDの性能を示す電圧保護レベル（Up）です。この値は、最大クランプ電圧よりも高くする必要があります。最大クランプ電圧は、SPDを流れる電流が公称放電電流Inに等しくなったときに発生します。選択する電圧保護レベルは、負荷のインパルス耐電圧Uwよりも低くなければなりません。落雷の場合、SPD端子間の電圧は通常Up以下に保たれます。PV DCシステムの場合、負荷は通常、PVモジュールとインバータを指します。

（２）最大連続動作電圧（Uc）

Ucは、SPD保護モードに連続的に印加できる最大DC電圧です。定格電圧とシステムの接地構成に基づいて選択され、SPDの作動閾値として機能します。PVシステムのDC側では、UcはPVアレイのUoc Max以上である必要があります。Uoc Maxとは、PVアレイの指定点における活線端子間および活線端子と接地間の最大開放電圧を指します。

（３）公称放電電流（In）

これは、タイプ II テストおよびタイプ I の事前調整テストに使用される、SPD を流れる 8/20 μs 波形電流のピーク値です。 タイプIIIEC規格では、SPDは8/20μs波形の電流による放電を少なくとも19回耐えられることが求められています。In値が高いほどSPDの寿命は長くなりますが、コストも増加します。

（４）インパルス電流（Iimp）

電流ピーク（Ipeak）、電荷（Q）、比エネルギー（W/R）の3つのパラメータで定義されるこの電流は、 1型 テスト。典型的な波形は10/350μsです。