太陽光発電システム向けサージ保護デバイスの選定 - SPDの設置

1. SPD設置に影響を与える要因

屋上太陽光発電（PV）システムにおける過電圧は、主に直撃雷（建物またはLPSを備えたPV機器上もしくはその近傍）、雷による電界変化から生じる誘導電圧、またはAC/DC配電ネットワークにおけるスイッチング動作によって発生します。サージ保護の必要性を評価し、適切な保護戦略を決定するには、機器の定格インパルス耐電圧（Uw）を基準として使用する必要があります。リスク評価で別途指定されていない限り、SPDはPVシステムのDC側とAC側の両方に設置する必要があります。

太陽光発電システム内で保護が必要となる可能性のある機器には、以下のようなものがあります。

インバータ（低電圧交流システムおよび直流システムへのインターフェースを含む）、PVアレイ、PVシステム内部配線、インバータとPVアレイの間に設置されるコンポーネント（コンバイナボックスなど）、PVシステムの監視および制御に使用される機器。

IEC 61643-12およびGB/T 21714の関連セクションによると、PVシステム用のSPDの選択と設置は複数の要因に依存します。これには、地表落雷密度（NG）[1/km²·年]または1年あたりの平均雷雨日数（T）、低電圧電源システムの特性（架空線または地中ケーブルなど）、保護対象機器の性質、PVシステムを直撃雷から保護するための外部避雷システム（LPS）が設置されているかどうかなどが含まれます。

外部LPSが存在する場合、SPDの要件は、LPSの保護レベル（クラス）と、LPSとPVシステム間の必要な分離距離（S）が維持されているかどうか（絶縁型LPSか非絶縁型LPSか）によって影響を受けます。

2. 異なる外部LPS構成がPVシステムの雷保護に及ぼす影響

屋上太陽光発電システムにおけるSPDの設置は、外部LPSの有無と種類に基づいて、一般的に3つのカテゴリーに分類されます。

（１）外部LPSのないPVシステム

図（ここでは省略）に示すように、建物に外部避雷設備が設置されていない場合は、雷リスク評価の結果に基づいてサージ保護装置（SPD）を設置する必要があります。重要な太陽光発電コンポーネントを保護するため、交流側と直流側の両方にサージ保護装置を設置することをお勧めします。

DC側については、PVコンバイナボックスまたはPVアレイ（コンバイナボックスを使用しない場合）の近くに、タイプ2 DC SPD（DC1と表記）を設置する必要があります。このSPDは、PVケーブルを介して伝わる外部サージから建物を保護するもので、通常はPVケーブルが建物に入った直後に設置されます。インバータのDC入力付近には、もう1つのタイプ2 DC SPD（DC2と表記）を設置する必要があります。DC1とインバータ間のケーブル長が10メートル未満の場合は、DC1を省略できます。

AC側では、AC主電源入力部（通常は主配電盤に設置）にタイプ2 AC SPD（AC1と表記）を設置することを推奨します。このデバイスは、電力網からのサージから機器を保護します。外部雷保護装置のないシステムでAC1が必要かどうかは、雷リスク評価の結果によって決まります。高価なインバータを保護するため、通常はインバータのAC出力部付近にタイプ2 AC SPD（AC2と表記）を設置します。AC1とAC2間のケーブル長が10メートル未満の場合は、AC2を省略できます。詳細については、構成表を参照してください。

（２）必要な分離距離を満たす外部LPSを備えたPVシステム（独立型LPS）

図に示すように、建物に外部避雷システム（避雷針や避雷テープなど）が設置されており、屋上太陽光発電アレイが適切な分離距離を維持した上でこのシステムによって保護されている場合、太陽光発電システムは独立した避雷システムを備えているとみなされます。ただし、この場合でもSPDの設置は必要です。

独立したLPSを備えたシステムの場合、SPDの設定は外部雷保護のないシステムと同様です。タイプ2のDC SPDをコンバイナボックスの近く、またはコンバイナボックスを使用しない場合はPVアレイの近くに設置する必要があります。別のタイプ2のDC SPDをインバータのDC側の近くに、タイプ2のAC SPDをインバータのAC側の近くに配置する必要があります。ただし、PVシステムは建物内外に接続されるため、商用電源が建物に入る主AC配電盤にもタイプ1のAC SPDが必要です。詳細なレイアウトについては、構成表を参照してください。

（３）必要な分離距離を満たさない外部LPSを備えたPVシステム（非絶縁LPS）

屋上設置型太陽光発電システムにおいて、パネルが外部避雷システム（LPS）に近すぎて必要な安全距離を確保できない場合、適切な雷等電位ボンディングを確保するために、太陽光発電システムのすべての金属部品をLPSに接続する必要があります。これは、屋上設置型太陽光発電システムの雷保護に一般的に用いられる方法です。この構成では、ボンディングシステムにおいてACケーブルとDCケーブルの両方が並列導体として扱われるため、雷電流の影響を直接受ける可能性があります。そのため、IECは、太陽光発電ケーブルが建物に入る場所や、インバータなどの重要な機器のAC側とDC側の両方など、システムの重要な箇所にタイプ1サージ保護デバイス（SPD）を（通常はタイプ2 SPDと併用して）使用することを推奨しています。

図に示すように、DC1はコンバイナボックスのできるだけ近くに設置するか、コンバイナボックスがない場合はPVアレイの近くに設置してください。DC2とAC2はインバーターの近くに設置して、インバーターをより適切に保護してください。ほとんどの場合、AC1（メインパネル側）とAC2（インバーター付近）の両方が必要です。ただし、インバーターがメインパネル内に設置され、同じ接地線を共有し、ケーブル長が0.5メートル以下の場合は、AC2は不要となる場合があります。詳細な設置手順については、表を参照してください。

1：DC1は、以下の条件で省略できます。DC1とインバータ間のケーブル長が10メートル未満で、AC2の電圧保護レベル（Up）がPVアレイの定格インパルス耐電圧（Uw）の0.8倍以下である場合、またはAC2のUpがUwの0.5倍以下で、PE（保護接地）導体がDCケーブルの近くに配線されている場合。

2：AC2は、以下の条件で省略できます。AC1とAC2間のケーブル長が10メートル未満の場合、またはインバータと主配電盤が同じ接地電極を共有し、SPD接続ケーブルがそれぞれ0.5メートル以下である場合（例えば、インバータが主配電盤内に設置されている場合）。

3：SPD接地導体の最小断面積：タイプ2のSPDの場合、銅接地導体は6mm²以上である必要があります。タイプ1のSPDの場合、16mm²以上である必要があります。

屋上太陽光発電システムにおけるDC側サージプロテクタの選択は、主に建物の雷保護対策とシステムの配線方法によって決まります。構成表とIEC規格によれば、インバータのDC側には必ずサージプロテクタを設置する必要があります。しかし、コンバイナボックス付近（コンバイナボックスがない場合はPVパネル付近）に追加のサージプロテクタが必要となるのは、パネルとインバータ間のケーブル長が10メートルを超える場合のみです。

とはいえ、これはどこでも通用するわけではありません。例えばドイツなど一部の国では、規則は基本的に正反対です。ドイツでは、DCサージ保護装置は常に太陽光発電パネルのすぐ隣に設置され、ケーブルの長さが10メートルを超える場合にのみインバーターの近くに設置する必要があります。