サージプロテクターの目的は何ですか？

9000ドルもするPLC基板が、たった一度の落雷で燃える匂いを今でも覚えている。たった一つの安価な部品があれば、助かったかもしれないのに。

サージプロテクタは、余分な電圧とエネルギーを捕捉し、接地することで、機器を安全に保ちます。私は温州で毎日これらのユニットを製造し、IEC 61643-11規格に準拠したテストを実施しています。

サージが発生する理由と、小型ボックスがどのようにサージを防ぐのかを知っていれば、適切な部品を選び、予期せぬ損害に対する支払いを回避できます。

サージ保護が必要な理由とは？サージによって引き起こされるリスクと損害とは？

 

 

以前、ミラノで落雷によって生産ライン全体が停止するのを目撃したことがある。駆動装置、HMI、そしてコーヒーマシンまでが同時に停止した。

サージは落雷、ブレーカーのトリップ、大型モーターなどによって発生し、ドライブ、ボード、データに深刻なダメージを与えます。たった一度のサージで、サージプロテクタの1年分の費用をはるかに上回る損害が発生することもあります。

サージの発生源

サージとは、数マイクロ秒の間続く高電圧の短いバーストのことです。最大の発生源は落雷ですが、ほとんどのサージは工場内で発生します。100kWのモーターが停止すると、コイルがエネルギーをラインに押し戻します。このサージは2kVに達し、PLCに電力を供給するのと同じケーブルを伝わる可能性があります。私は毎週、研究室でこのような現象をテストしています。モーターを起動し、急停止させ、オシロスコープの波形が急上昇するのを確認します。近くの送電網に落雷があると、さらにエネルギーが加わります。嵐の日に機械が受けるサージは、これら2つの発生源が混ざり合ったものです。

サージがあなたのギアに及ぼす影響

最新のドライブは600VのMOSFETを使用していますが、900Vで故障します。1.5kVのサージ電圧で一瞬で壊れてしまいます。サージの後、ドライブはショートし、ヒューズが切れ、送電線が停止します。人件費は1時間あたり200ドルでかかります。ある顧客は一晩で38,700ドルの損失を被りました。サージはモーターや変圧器の絶縁体も焼き焦がします。初日は損傷が見られないかもしれませんが、銅が黒くなり、6か月後には部品が故障します。このような隠れた損傷があるため、多くの購入者は請求書が届くまで「ここではそんなことは起こらない」と考えてしまうのです。

私が目にした実費一覧表

サイト	ヒットデート	ダメージ	ダウンタイム時間	総費用
プラスチック工場、ミラノ	2023年7月	ドライブ3台 + PLC1台	14	38,700ドル
グラスライン、イギリス	2023年11月	サーボドライブ2基	6	18,500ドル
スペインの太陽光発電所	2024年1月	インバーター5台	2	12,000ドル
小さな工房、ドイツ	2022年9月	1枚のCNCボード	1	4,200ドル

この表は、たとえ短時間の停止であっても、SPDのフルセットよりもコストがかかることを示している。

隠れたリスク：データとセキュリティ

サージ電流はPLCのデータを消去し、安全リレーを作動させます。あるガラス工場では、サージ電流によってバッチカウンターがリセットされ、炉が間違った混合物を注いでしまったという事例がありました。ガラスは手作業で掘り出さなければならず、20時間の追加作業と5万ドルの損失が発生しました。安全システムが不適切なタイミングで作動すると、従業員が怪我をする可能性もあります。私は銅線用のサージ保護デバイス（SPD）を販売していますが、従業員の安全が確保されていると分かると、安心して眠ることができます。

保険だけでは不十分な理由

保険を信頼するバイヤーもいます。保険は現金で支払いますが、失った顧客を取り戻すことはできません。出荷日を守れなければ、バイヤーは別の供給元を探します。たった一度の遅延で、5年間の契約を失う可能性もあります。一方、SPD（出荷遅延防止）は1時間以下のダウンタイムで済み、受注を常に確保できます。

サージプロテクタの目的とは？ ― 基本的な機能と動作原理とは？

 

パネルの緑色のLEDを見ると、今でも思わず笑みがこぼれる。それは、小さな箱が衝撃を受けても、ドライブがまだ動いていることを意味するからだ。

サージプロテクタは高電圧を感知し、余分なエネルギーを捕捉してナノ秒単位で接地します。これにより、負荷が安全なレベルを認識できるようにラインをクランプします。私は温州で各バッチを20kAまでテストしています。

MOVがどのように機能するか

金属酸化物バリスタ（MOV）は、スイッチのように機能するセラミックディスクです。230Vでは開いており、0.3mA未満の電流しか流れません。電圧が275Vを超えるとディスクは閉じ、抵抗値は1オーム未満に低下します。サージ電流はドライブではなくMOVを流れます。ドライブにかかる電圧は700V付近に保たれ、危険電圧である900Vをはるかに下回ります。サージが終了すると、MOVは再び開き、次のサージを待ちます。あるディスクは、23回のフルショットに耐えてようやく動作し、寿命を迎えたのを見たことがあります。

アース線の長さがMOVのサイズよりも重要な理由

多くの購入者は「より大きなkA値」を求めますが、ケーブルのことを忘れています。25cmの短いアース線では、980Vの電圧が通過します。55cm延長すると、通過電圧は1,450Vに跳ね上がります。MOVは同じでも、ドライブは故障してしまいます。私は設置業者に、アース線を一度曲げてPEバーに直接ボルトで固定するように指導しています。この無料の手順は、100kAの部品を購入するよりもずっとお得です。

通過距離と地球の長さの関係表

アーステイル	インダクタンス	20 kA での通過	600Vドライブの結果
25cm	0.25 µH	980V	安全
55cm	0.55 µH	1.250V	リスク
80cm	0.80 µH	1.450V	死んだ

ガス排出管バックアップ

MOV（金属酸化物バリスタ）は消耗します。ガス放電管（GDT）はより多くの衝撃に耐えられますが、応答速度が遅いです。そこで、両者を並列に接続します。MOVは25ナノ秒で起動し、最初のスパイクを抑制します。GDTは600Vで放電し、次の100マイクロ秒間、大電流を受け止めます。MOVは休止状態となり、寿命が延びます。これをハイブリッド設計と呼び、20年の寿命を求めるドイツの太陽光発電所では現在、これが標準となっています。

熱遮断により火災を防止

MOVが故障すると、ショートして発熱することがあります。当社のユニット内部にあるサーマルスイッチは120℃で作動し、該当部品をラインから切り離します。このスイッチはMOVディスクにリベット留めされているため、同じ熱を受けます。私はオーブンで1分あたり1℃の速度でテストしています。ディスクが煙を出す前にスイッチが作動しなければなりません。この1セントの部品がパネルと私の名誉を守ってくれるのです。

スマートサイト向けリモート信号

大規模工場は来月ではなく、今すぐに結果を知りたいのです。そこで、無電圧接点となるマイクロスイッチを追加しました。この接点は24VのPLCに接続されています。SPDが故障すると、HMIが赤く点灯します。購入者は次の嵐が来る前に予備カートリッジを注文します。私は即日発送し、ダウンタイムは数時間から数分に短縮されます。

適切なサージプロテクターの選び方

 

以前、10kAしか必要としていない人に40kAの部品を送ったことがあるのですが、彼は倍の金額を支払ったにもかかわらず、「安い保険だ」と言っていました。

許容できる最低通過電圧を選択し、サージ電流をリスクに見合ったものにし、部品がパネルとメンテナンス方法に適合していることを確認してください。すべての見積もりには、1ページの早見表を添付しています。

ステップ1：リスクレベルを確認する

供給状況を確認してください。暴風雨地帯の架空線にはタイプ1が必要です。クリーンオフィス内の地下ケーブルにはタイプ2が必要です。PLCへの長距離ケーブルにはタイプ3が必要です。私は次の3つの質問をします。(1) 建物は以前に被害を受けたことがありますか？(2) 負荷は重要ですか？(3) ケーブルは長いですか？どれか1つでも「はい」であれば、少なくともタイプ2を追加します。

ステップ2：適切な電圧定格を選択する

230Vの場合は最大連続電圧275V、480Vの場合は550Vを使用します。定格電圧が低すぎる部品は早期に摩耗し、定格電圧が高すぎる部品はクランプが遅れてドライブに過電圧がかかります。そのため、定格電圧に15%の余裕を持たせて選定しています。これにより、長寿命と低漏れ電圧を実現しています。

ステップ3：サージ電流を合わせる

IEC 62305では、25 kA、40 kA、60 kAの電流レベルが規定されています。都市部のオフィスでは年間10～15 kA、沿岸部の工場では40 kAの電流が流れます。私は産業用途向けには40 kAを標準仕様として販売しています。避雷針が設置されている場所では、主配電盤に25 kAのタイプ1、分電盤に40 kAのタイプ2を追加します。コストは低く抑えられ、電流範囲も広くカバーできます。

私がジェフに送るクイックピック一覧表

サイトの種類	メインボード	サブパネル	ソケット	部品番号
市役所	—	20 kA タイプ2	10 kA タイプ 3	LKX - 20、LKX - 10
工場	25 kA タイプ 1	40 kA タイプ 2	10 kA タイプ 3	LKX - 25、LKX - 40、LKX - 10
太陽光発電所	25 kA タイプ 1	40 kA タイプ 2 DC	—	LKX - 40 - DC
データホール	25 kA タイプ 1	40 kA タイプ 2	20 kA タイプ 3	LKX-40、LKX-20 - RJ45

フォームファクターを確認してください

パネルによっては取り付けスペースが限られている場合があります。弊社では18mm幅と36mm幅の製品をご用意しております。レールが満杯の場合は、SPDを2本のDINレールに分割するか、プラグインベースを使用することで、ユーザーがカートリッジのみを交換できるようにします。パネルの写真をお送りいただき、空きスロットを赤でマークします。設置当日に予期せぬ問題が発生するのは誰にとっても好ましいことではありません。

交換を検討する

小規模な施設には緑色のLEDが適しています。大規模な施設にはリモート接点の方が適しています。施設が24時間365日稼働している場合は、フライワイヤーハーネスを追加して、部品を稼働中に交換できるようにします。費用は3ドル追加で、ダウンタイムはゼロです。ジェフによると、1シフト分の節約でSPDの注文全体の費用が回収できるそうです。

結論

サージプロテクタは余分なエネルギーを消費し、回線を安定させます。許容電流値を低く設定し、リスクに見合ったものを選ぶことで、1時間未満のダウンタイムで安心を得ることができます。