避雷器とは何ですか?

電気システムを十分に長く扱っていると、雷に対する健全な敬意を抱くようになります。嵐が山を越えて押し寄せるのを見たときに人々が抱くロマンチックな種類の敬意ではありません。これは実用的なもので、作業前に接地接続を再確認し、配電線が頭上にあるのか地下にあるのかを現場のエンジニアに尋ねる必要があります。-

避雷器は、世界中のほぼすべての建物、変電所、通信塔を静かに保護しているにもかかわらず、電気業界以外のほとんどの人が考えたこともなかった装置の 1 つです。この記事では、避雷器とは何なのか、どのように機能するのか、どのようなタイプが存在するのか、そして多くの購入者が思っている以上に避雷器の選択が重要である理由について詳しく説明します。

避雷器

避雷器の実際の機能

本質的に、避雷器は電圧を制限する装置です。-導体とアースの間に接続されており、通常の動作条件下ではまったく何も行いません。電力線への直撃雷によるものであれ、大型の変圧器のスイッチがオフになったときに発生する電圧スパイクによるものであれ、サージが到達すると、避雷器が作動し、地面への一時的な低抵抗経路を作成し、下流のあらゆるものからサージ エネルギーを逃がします。{3}}サージが過ぎ、線間電圧が通常の電圧に戻ると、避雷器は非アクティブ状態に戻ります。

最後の部分は注目に値します。回路を保護するために自らを犠牲にするヒューズとは異なり、適切に定格された避雷器は、焼き切れることなく繰り返されるサージ イベントに対処できるように設計されています。自動的にリセットされ、ほとんどの場合、保護されている機器は何かが起こったことを記録することさえありません。

私が最も役立つと思う比較は、シンクの排水口です。水は通常の速度で流入し、排水は何の努力もせずに維持されます。しかし、誰かが満杯のバケツを一度に放り込んだとしても、排水管が突然の勢いに対処し、シンクが溢れることはありません。アレスターは排水管です。建物内の変圧器、開閉装置、敏感な電子機器がシンクです。

名前が紛らわしいところ

このトピックについて調査を始めるときに最初に遭遇することの 1 つは、重複する用語の山です。避雷器、避雷器、サージプロテクタ、サージダイバータ、避雷器。これらの用語は、同じ意味で使用されることもありますが、誰がどのような文脈で話しているかによって、まったく異なる意味になることもあります。

区別について考える実際的な方法は次のとおりです。

避雷針 (専門的にはエアターミナルと呼ばれます) は、構造物の上部に取り付けられる外部装置です。その役割は、直撃を遮断し、引下げ導体を介してグランドへの制御された電流経路を与えることです。建物の構造を火災や物理的損傷から保護します。内部の電気機器には何も影響しません。

伝統的な意味での避雷器は、送電鉄塔や屋外配電線に設置される装置を指します。これらは、線路に沿って伝わるサージ エネルギーを遮断し、変電所や建物に到達する前に方向転換します。多くの設計では、アレスタは線路導体と直接接触しません。並列に動作し、電圧が設定されたしきい値を超えた場合にのみ作動します。

避雷器またはサージプロテクターは、建物の内部、通常は主配電盤に設置されます。すでに屋外の保護層を通過した過電圧過渡現象に対処します。

完全な保護には 3 つすべてが必要です。受電線に避雷器がない場合でも、電気システムは導体に沿って伝わるサージにさらされたままになります。パネル レベルのサージ保護装置のない避雷器を回線に接続すると、ラスト マイルが保護されなくなります。避雷針を完全に飛ばすということは、建物への直接攻撃が他のすべてを圧倒する可能性があることを意味します。各レイヤーは異なる脅威を処理し、連携して動作するように設計されています。

デバイス内部での仕組み

最新の避雷器のほとんどは、一般に MOV と呼ばれる金属酸化物バリスタを中心に構築されています。活物質は酸化亜鉛であり、ディスク状に圧縮され、避雷器ハウジング内に積み重ねられています。酸化亜鉛には、その両端に印加される電圧に応じて電気抵抗が劇的に変化するという有用な特性があります。

通常の線間電圧では、酸化亜鉛は非常に高い抵抗を示します。電流はほとんど流れず、アレスタは回路から事実上見えなくなります。サージによって電圧が避雷器の保護レベルを超えると、酸化亜鉛の抵抗がマイクロ秒単位で数桁低下します。電流は避雷器を通って地面に流れ込み、保護された機器を迂回します。サージが終了し、電圧が通常の電圧に戻ると、抵抗は再び上昇し、避雷器は再び静かになります。

以前の設計では、酸化亜鉛ではなくスパーク ギャップと炭化ケイ素ディスクが使用されており、これらは古い設備でもまだ使用されています。たとえば、ロッドギャップアレスタは、間に小さなエアギャップを設けて近接して配置された 2 本の金属ロッドだけです。電圧が十分に高くなると、空気がイオン化し、火花がギャップを飛び越え、放電経路が形成されます。シンプルで堅牢ですが、精度が低く、アークがきれいに消えないため、システムに後続の問題が発生する可能性があります。-バルブ- タイプの避雷器には、サージ後のフォロー電流を制限するために炭化ケイ素ブロックが追加され、ロッド ギャップの設計が改善されましたが、最終的に MOV テクノロジーが提供するものにはまだ達していません。

以下の表は、一般的な主な避雷器のタイプを簡単に比較したものです。

住宅材料が些細なことではない理由

20 世紀のほとんどの間、避雷器のハウジングは磁器または強化ガラスで作られていました。どちらの材料も、清潔で安定した環境で適切に機能します。しかし、適切であることと理想的なことは同じではなく、数十年にわたる現場経験により限界が明らかになりました。

磁器は重いです。困難な地形を通る送電鉄塔では、磁器避雷器の重量が増加します。さらに重要なことは、極端なサージ条件下でデバイスが故障すると、磁器が激しく粉砕することです。通電中の変電所構造物上で磁器ハウジングが爆発すると、近くで作業している人に重大な危険が生じ、周囲の機器に二次故障を引き起こす可能性があります。

ガラスにも同様の問題があります。どちらの物質も時間の経過とともに汚染が蓄積され、特に塩水噴霧が地表に堆積する沿岸地域、または化学汚染物質がよく見られる工業地帯の近くで顕著です。汚れた磁器やガラスの表面は導電性を高め、雨天時にフラッシュオーバーを引き起こす可能性があり、そもそも避雷器を設置する目的が無効になります。

ポリマーハウジング、特にシリコーンゴム複合材料への移行により、これらの問題のほとんどが実際的な方法で解決されました。あポリマー製避雷器通常、同じ電圧定格の磁器ユニットよりも重量が 80 ～ 90% 軽くなります。シリコーン ゴムの表面は本来疎水性であるため、水は薄い導電性フィルムに広がるのではなく、ビーズとなって落ちます。この疎水性は、表面が汚れて洗浄された後でも回復しますが、これはセラミック材料にはない​​特性です。

ポリマー アレスタが故障した場合、制御された方法で故障します。ハウジングは爆発するのではなく、亀裂が入ったり、通気が生じたりします。これは、従業員の安全と近くの機器への連鎖的な損傷を防ぐという点で非常に重要です。

これは、磁器製避雷器が時代遅れであることを意味するものではありません。これらは多くの既存の設備で依然として確実に機能しており、その熱特性が利点をもたらす用途もあります。しかし、新しい建設、特に厳しい環境にある屋外配電線の場合、ポリマーハウジングのエンジニアリングケースに反論するのは困難です。

VICTORY ポリマー避雷器

設置と接地

適切に接地されていない避雷器は実際には何も保護しません。この装置はサージ電流を必要に応じて接地端子に流すことができますが、接地電極の抵抗が高い場合、または避雷器を地面に接続する導体が長すぎる場合、サージ エネルギーは十分に早く消散せず、保護された機器の両端に依然として損傷を与える電圧が発生します。

接地線はできるだけ短く、直接的にする必要があります。導体が 1 メートル増えるごとにインダクタンスが追加され、サージ条件下では余分な電圧が発生します。接地電極自体は、駆動ロッド、埋設プレート、建物基礎内のコンクリートで包まれた電極のいずれであっても、システムの保護要件を満たすのに十分な低い抵抗を達成する必要があります。-ほとんどの配電アプリケーションでは、これは接地抵抗が 10 オーム以下であることを意味し、敏感な電子設備では、目標は 1 オーム未満であることがよくあります。

変電所では、各変電端末およびすべての受入線に避雷器が設置されています。この配置により、変電所内で最も高価で交換が最も困難な部品の 1 つである変圧器巻線にサージが到達する前に、線路に沿って伝わるサージが確実に遮断されます。住宅用建物や小規模な商業用建物では、引き込み口パネルに建物全体の避雷器を設置するのが標準的なアプローチであり、サーバーや医療機器などの機密機器に使用ポイント デバイスを追加することもあります。--

適切な避雷器の選択

電圧定格のみに基づいて棚から避雷器を選ぶのは、よくある間違いです。いくつかのパラメータはアプリケーションに一致する必要があります。

連続動作電圧 (COV) は、障害状態時に発生する電圧上昇を含む、通常のシステム動作中に避雷器が検出する最大連続電圧と少なくとも等しくなければなりません。 COV のサイズが小さすぎると熱暴走が発生し、アレスタが通常の電圧下で発熱し、最終的に故障します。

エネルギー定格は、アレスタが損傷することなく吸収できるサージ エネルギーの量を決定します。露出した丘の上の送電線の避雷器など、頻繁または高エネルギーの攻撃にさらされるデバイスには、低露出環境で屋内パネルを保護するものよりも高いエネルギー クラスが必要です。-

定格放電電流での残留電圧として表される保護レベルは、保護された機器がサージ時に実際にどの程度の電圧を受けるかを決定します。残留電圧が低いほど、敏感な機器に対する保護が強化されることを意味しますが、通常は価格も高くなります。保護レベルは、下流側の耐衝撃定格と一致する必要があります。

ポリマー避雷器の製品ラインは、幅広い電圧範囲にわたってこれらの選択要件の多くに対応しており、屋外配電アプリケーションでは、MOV テクノロジーとシリコーン ゴム製ハウジングの組み合わせにより、性能、重量、困難な環境での長期信頼性の点で現代の送電網事業者が求めているもののほとんどをカバーします。{0}}

規格に関する注意事項

ユーティリティおよび産業用アプリケーション向けのアレスタは、市場に応じて IEC 60099 または IEEE C62 に対してテストされます。これらの規格は、繰り返しの落雷をシミュレートする運転義務テストから、住宅を塩霧や産業汚染物質に長期間さらす汚染テストまで、あらゆるものをカバーしています。これらの規格に対する認証を取得した避雷器の購入は、ほとんどの専門用途ではオプションではありません。これは、実際のサージが到来したときにデバイスが実際に主張どおりに動作することを確信できる唯一の方法です。

変電所保護計画の費用を節約するために認定されていない避雷器を購入するのは、偽りの経済です。故障した変圧器または開閉装置アセンブリのコストは、避雷器のコストの何倍にも見えません。

終わりの思い

雷保護は、エンジニアリングがよく理解されており、適切に作業を行うためのツールが存在し、広く利用できる分野の 1 つです。避雷の失敗のほとんどは、技術が不十分であることに起因するものではなく、設計または設置時に手抜きが行われたこと、環境に対して間違った製品が指定されたこと、または接地システムが目に見えず地味であるために無視されたことによって発生します。

避雷器は、適切な場所に、適切な定格で正しく設置され、強固な接地に接続されていれば、基本的にメンテナンスを必要とせずに、数十年にわたり電気インフラを保護します。これは、控えめな投資に対して妥当な収益率であり、おそらくこれが、このデバイスが配電の初期の頃から電力システム設計の標準部分となっている理由でしょう。