株式会社イーユーテック
ドイツ OBO OBOベターマン輸入総代理店

SPDの必要性

◇雷保護の規格

 避雷針は200 年以上も前に発明され、各国それぞれの考えに基づき使用されてきましたが、1993 年に国際電気標準会議(IEC:International Electrotechnical Commission)においてIEC 標準規格ができ、日本もこの規格を取入れJIS を改定しました。
建物を雷から保護する避雷針に対し、建物内の電気設備をSPD で保護する考えは、ドイツの規格が元になりIEC 標準規格となり、日本も近年JIS へ導入しました。
OBO ベタ−マン社のSPD は、そのドイツで設計、生産されておりIEC(JIS)に準拠しています。さらにCE マーキングや輸出先に応じ、第三者検査機関であるKEMA などの認証を必要に応じて取得し製造、販売しています。
もちろん日本でも多く方々に選んでいただいています。





◇サージ電流に対し脆弱化が進む電気設備

 多くの電気設備には電子回路が多用され、年々、高性能化しています。
設備としての重要性が高くなる一方、雷サージに対しては従来よりも脆弱化が進んでいると考えられ、従来検討されなかった電気設備に対しても雷対策の必要性が増しています。





◇雷電流の侵入経路

 雷電流は電源線・通信線・接地線などの導体から侵入します。




◇ SPDの基本機能

 平常時には商用電流の電気設備への供給には影響しませんが、雷サージ等により電位が異常に上昇した場合に大電流を大地へバイパスし電気設備を保護します。





◇ 等電位ボンディング

 異常に電位差が発生したときに金属導電性部分間の電位差を安全なレベルに減少させることにより、人的及び電気設備の保護をします。

対象
 雷保護システム、金属構造体、金属性工作物、 導電性部分、電気・通信用設備。

方法
ボンディング用導体又はSPD で接続して等電位化します。




◇ 大地の電位上昇と接地間SPD

 落雷時には雷電流の大きさと避雷針の接地抵抗に依存し、大地電位が上昇します。
多くの電気設備は、接地線で大地に接続(D 種接地等)されており、一時的な電位上昇で感電事故や設備の絶縁破壊リスクが発生します。
接地間SPD は、このように電位が上昇したときに接地極間を等電位します。






◇ 内部雷保護システム例

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SPD関連規格と運用


◇公称電圧によるSPDの選定
SPDは適切な電圧のものを選定しないと故障や十分な保護が出来ない場合があります。
・SPDの最大連続使用電圧が系統の公称電圧より低い場合:
 → バリスタ素子を使用している場合、SPDに常時バイパス電流が流れて短時間で劣化し故障します。
・SPDの最大連続使用電圧が系統の公称電圧より必要以上に高い場合:
 → 一般に最大連続使用電圧が高いSPDの電圧防護レベルの電圧値が高くなる傾向があり、そのため設備に対し   ての防護レベルが低下します。
SPDの最大連続使用電圧は公称電圧やSPDの構成によって異なりますので、JISや運用基準などを参照して故障の懸念がなく、設備に対する雷保護効果が優れたSPDを選定してください。

JIS C 5381-12付属書

この構成はバリスタが径年劣化等により、リーク電流が流れるとそのまま大地に流れ漏電となり、接地線に触れると感電の危険性がある為、SPDの遮断器は漏電遮断器を設置する必要があります。
この構成はバリスタが径年劣化等により、リーク電流が流れてもギャップがリーク電流を阻止するため、漏電や感電の危険性が少なく、SPDの遮断器は漏電遮断器である必要はありません。

電気供給系統の形態によるSPDの必要最小Uc (JIS C 60364-5-53)
SPDの最大連続使用電圧(Uc)は、次の表に示す値以上でなければならないと記述されています。
SPDを接続する線間 配電網の系統の形態
TT TN-C TN-S IT(中性線有) IT(中性線無)
線導体-中性線 1.1Uo NA 1.1Uo 1.1Uo NA
各線導体-保護導体 1.1Uo NA 1.1Uo √3Uo (*1) 線間電圧 (*1)
中性線-保護導体 Uo (*1) NA Uo (*1) Uo (*1) NA
各線導体-PEN導体 NA 1.1Uo NA NA NA
N.A.:適用不可
備考 1.Uoは低圧系統の線-中性線間電圧
   2.この表は、IEC61643-1 追補1に基づく
(*1) これらの値は、最悪の故障状態に関するものである。そのため10%の誤差は考慮していない

1文字目 2文字目
電源と大地の関係を示す 需要家の機器と大地との関係を示す
T 電源が系統接地されている T 機器が電源の系統接地とは別に直接接地されている
I 充電部が大地に対し絶縁されている、または高インピ−ダンスで接続されている N 機器が電源の系統接地に接続されている

国土交通省建築設備設計基準 平成21年度版では、最大連続使用電圧は右記のように記述されています。
電気方式 最大連続使用電圧
単相2線式 100V, 単相2線式 200V
単相3線式 100/200V, 三相3線式 200V
220V 以上
三相4線式 400V 440V 以上
公共建築工事標準仕様書 平成22年度版は、クラスTSPDは特記とし、クラスUSPDは国土交通省建築設備設計基準 平成21年度版と同じです。

OBOはバリスタとギャップ(またはギャップのみ)で構成されるSPDをお薦めします。この構成のSPDはJIS C 5381-12の附属書K3図に示されているものと同等であり、バリスタの経年劣化により、リ−ク電流が流れても、ギャップがリーク電流を阻止し感電や漏電の危険性を減少させるため、SPDの1次側は通常の遮断器でよく、漏電遮断器とする必要はなく、さらにこの構成のSPDの最大連続使用電圧はバリスタのみで構成されるSPDに比し、低い電圧(公称電圧の1.1倍)のSPDを使用出来るため、一般的に電圧防護レベルを抑え、電気設備をより確実に保護することが可能です。



◇一時的過電圧(TOV)とSPD
 一時的過電圧(TOV)は、高圧系統及び低圧系統での短絡・地絡事故や突然の負荷の遮断等により、短時間継続する高電圧です。また落雷時には大地電位が上昇し、上記の事故と同様に高電圧が発生する可能性があります。
このような状態になった時、SPDが故障し、発火や感電などの二次被害を防ぐような選定をする必要があります。
JISでは電源用SPDのTOVに関してSPDの試験方法を規定しています。

関連するJIS C 5381-1を引用して説明します。

TOV故障試験(7.7.4)と TOV特性試験(7.7.6)の2種類の試験があります。

TOV故障試験(7.7.4)
一時的過電圧(TOV)を200ms印加した試験です。故障を宣言した場合、SPD自体は故障してもかまわないが、発火しないことを要求しています。またIP20以上の規格のSPDは、試験後に充電部に触れることができるような損傷を受けてはならないと記述されています。

TOV特性試験(7.7.6)
一時的過電圧(TOV)を所定時間印加した時の試験で、製造業者はTOV故障モードとTOV耐量特性のどちらかを指定します。

故障モードを宣言した場合:
SPD自体が故障しても良いが、発火してはならない。IP20規格のSPDは、試験後に充電部に触れることができるような損傷を受けてはならず、また試験後Ucの商用周波電圧を1分間印加した時に電流が0.5mAを超えてはならないと規定されています。

TOV耐量特性を宣言した場合:
試験後にUcを30分間印加し、後半の15分間に熱的に安定していること。および、試験後周囲温度になったときに、電圧防護レベルを維持しており、外観に全く損傷がないことが合格の基準と規定されています。

    JIS C 5381-1 : 2004 附属書B TOV値
適用回路 項目に準じる試験
SPDの接続箇所 5秒間での最少UT
( JIS C 5381-1 7.7.6.1)
200ms 間でのTOV値
( JIS C 5381-1 7.7.4)
TT系統 L−PE 間 √3Uo 1200+Uo
L−N 間 1.45Uo
N−PE 間 1200
L−L 間
Uo : 系統のラインと中性線の電圧

OBOの電源用SPDは、JIS C 5381-1附属書Bの表に示された条件のTOV試験を行っております。
電気設備の技術基準で決められている高圧混触時のTOVは、B種接地が600V(1秒間)、及び300V(2秒間)となっています。JIS C 5381-1の付属書Bに規定しているTOV値(TT系統で1200+ U0)は、それより厳しい値となっています。
OBO製品は、その厳しいJISの条件で試験しています。
一時的過電圧(TOV)に対する耐久性
落雷時には大地電位が上昇し、一時的過電圧(TOV)状態 になり、SPDに高電圧が加わります。
バリスタを大地に接続する構成では、バリスタの動作特性上、比較的容易に雷電流が配電系統に侵入する可能性があり、電気設備の損傷が懸念されます。また雷電流がSPDを通過するたびに、バリスタが動作・劣化します。
対地間にギャップ素子を入れることで、ギャップが動作するまで雷電流の侵入をブロックするため、電気設備の保護とバリスタの劣化防止に有利なSPD構成になります。



◇SPDの接続線サイズ
 JIS等では、SPDの接続線サイズは統一されていません。
過度に小さいサイズの電線で接続した場合、雷電流バイパス時に被覆の焼損や発熱による絶縁劣化が発生します。
大きなサイズの電線は許容電流量が大きく、細い電線に比べ発熱量が小さくなるため、十分なサイズの電線で接続することが望ましいです。

JIS A 4201(建築物等の雷保護)表1 ボンディング部品の最小断面積
ボンディング用導体の最小寸法
保護レベル 材料 雷電流の大部分を流す
ボンディング用導体
雷電流のごく一部を流す
ボンディング用導体
保護レベルT〜W 16mm2 6mm2
アルミニウム 25mm2 10mm2
50mm2 16mm2

JIS C 60364-5-53 (電気設備の選定及び施工−断路、開閉及び制御)

「設備の源点又はその近くにあるSPDの接地線は、断面積が4 mm2以上の銅線又はこれと同等のものでなければならない」、「雷保護システムがある場合は IEC 61643-1のクラスT試験に従って試験したSPDに対して、断面積16mm2以上の銅線又はこれと同等のものが必要である」と記述されています。


JIS Z 9290-4 A (雷保護 第4部:建物内の電気および電子システム)
ボンディング部品 材料 断面積(mm2)
ボンディング用バ−(銅又はめっき銅) 銅、鉄 50
ボンディング用バ−から接地システム
又はボンディング用バーへの接続導体
14
アルミニウム 22
50
内部の金属設備から
ボンディング用バーへの接続導体
5
アルミニウム 8
16
SPDの接続導体 クラスT試験 5
クラスU試験 3
クラスV試験 1
注記 他の材料を使用する場合は、抵抗が等価となる断面積が望ましい

公共建築工事標準仕様書 平成22年度版の仕様                   
「低圧用SPDの接地線は5.5 mm2以上、クラスUは3.5 mm2以上とし、防護対象設備と同一の接地に接続する」と記述されています。

推奨接続線サイズ
SPDは雷電流をバイパスし等電位するデバイスであるため、等電位ボンディングの規格を示したJIS A 4201を基本とし、推奨する接続線サイズを決めています。

電源用SPD: クラスT:14〜35 mm2
       クラスU:5.5〜35 mm2

接地間用 SPD:主接地端子盤(雷電流の大部分を流す接地端子): 22〜35 mm2
        各階接地端子盤(雷電流のごく一部を流す接地端子):8〜35 mm2



◇SPDの接続線の配線長
 JIS C 5381-12「最適な過電圧の防護を達成するために、SPDの接続導体はできるだけ短くしなければならない。長いリ−ド線は、SPDによる防護効果を減少させる」
 JIS C 60364-5-53「接続導体の長さは過電圧保護の効果を減少するため、接続導体は0.5m以下が望ましい」
と記述されています。


雷電流通過時に配線長(配線インピ−ダンス)による電圧が発生し、雷電流起因の高電圧がSPDだけでは抑制しきれず電気設備へ流れ込む恐れがあります。JISに示されている様にSPDの接続線は、配線長に依存する電圧を抑えるためにできる限り短く施工することが望ましいです。
多くの分電・動力盤では設計上、配線長を短くするには限界があり、下記の方法をご提案します。

1.優れた電圧防護レベルのSPDを選択し、総合的に設備の保護効果を高めるSPDを選定する。
2.接地端子をSPD近傍まで伸ばして配線長を短くし、配線インピ−ダンスによる影響を小さくする。



襲雷時に設備に加わる電圧 = SPDの電圧防護レベル+配線インピ−ダンスによる電圧

となります。このうちSPDの電圧防護レベルはカタログに示されており知ることができます。
配線インピ−ダンスによる電圧は、配線長(配線インピーダンス)と雷電流のピーク値と波形に依存しますが、雷電流に依らず配線長が短いほどこの電圧を小さくすることが出来ます。

電圧防護レベル Up
測定制限電圧UmはJIS試験において試験電流を印加したときに測定した最大値で、この値を基にして製造メーカーがSPDの電圧防護レベルの性能を決めます。Upが製品の公称値、Umは試験したSPDの測定値という関係にあり、 Up ≧ Um となります。動作開始電圧は、SPD関連のJISでは定義されていない用語です。



◇SPDの保護遮断器
 SPDの1次側に設ける遮断器は、SPDや電気回路の保守点検時に回路を遮断する為(点検用)、SPD短絡時に電気回路を守る(電気回路保護用)、SPDに仕様以上の雷電流が侵入することによりSPDの損傷を防ぐ(SPD保護用)ことを目的としています。
雷電流を確実にバイパスさせる為に定格電流値が小さすぎる遮断器や接点の浮き上がりなどの不要動作等が発生しない遮断器を選定する必要があります。

JIS C 60364-5-53 「電気設備の選定および施工-断路、開閉および制御」
「SPDの短絡保護は、過電流保護装置F2(附属書A〜Dの図参照)で行う 。その過電流保護装置は、製造者のSPD説明書に示す過電流保護装置に対する最大推奨定格に従って選定する」「過電流保護装置F1(それは設備の一部である。附属書(A〜Dの図参照)の定格が、過電流保護装置F2の最大推奨定格以下である場合は、F2は省略することが出来る」と記述しています。
F1 > F2 = BF 値
F1 ≦ BF値の場合 F2は省略することができます
最大推奨定格値=BF値(バックアップヒュ−ズ値)

JIS C 5381-12 附属書 図K-2で示されるバリスタのみで構成されるSPDは、F1を漏電ブレ−カとする必要があります。
図K-3で示される接地間にギャップを接続する構成のSPDは、F1は漏電遮断器でなく配線用遮断器(MCCB)を選択できます。

(図K-2・K-3は「P8公称電圧に基づくSPDの選定」をご参照ください。)
国土交通省建築設備設計基準 平成21年度版では「低圧用SPDに設ける配線用遮断器は、クラスUでは50AT(50AF)以上、クラスTでは225AT(225AF)以上の警報接点付き配線用遮断器とし、特記する」「低圧用SPDを主幹器具の2次側に設ける場合の配線用遮断器は、定格遮断容量5kA以上とし特記する」と記述しています。


左図はSPDが正常に動作して電気設備を守ることができますが、右図は保護遮断器が雷電流により誤動作し、雷電流をバイパスできません。

保護遮断器は「SPDを含めた電気設備の保護する機器」として考える必要があります。
SPDの視点からは雷電流を正しくバイパス出来ること、電気設備の視点からは感電や漏電の危険性をなくすこと、SPD短絡時に電気回路を確実に遮断出来ることが必要です。
これらから遮断器は定格電流、遮断容量のほか、雷電流により接点の浮き上がりや不要動作が起きることなく確実に雷電流をバイパス出来る保護遮断器を設置することが必要です。定格電流が小さすぎると雷電流の侵入時に遮断器がトリップする可能性があり、また大きすぎると性能以上の雷電流が侵入した場合、SPDが故障してしまう恐れがあり、SPDごとにバックアップヒュ−ズ値(例:V50シリ−ズの場合125A)以下のものを選定する必要があります。
MCCBは雷電流侵入時に遮断器の不要動作や接点の浮き上がりが発生し、SPDの回路が遮断され雷電流が電気設備へ侵入し絶縁破壊を起こす可能性があり、また漏電ブレ−カはSPDがバイパス電流を流すと漏電検出回路が漏電と誤判定し、SPDの回路を遮断してしまう可能性があります。
新しい技術でこれらの問題に対応できる製品もあるようですので、各メ−カに確認して選定することをお薦めします。
特に受電トランスの近傍に設置するSPDの保護遮断器を主幹に設置する場合は、定格電流(トリップ値)の他、トランス容量、電線サイズとトランスからSPDまでの距離により計算される地絡電流を遮断出来る容量(遮断容量)にも留意して遮断器を選定する必要があります。
これに対しヒュ−ズは不要動作がなく、遮断容量も大きく特にクラスTSPDの保護遮断器として推奨します。



◇電源用SPDのJIS試験
 JISで定めた試験をして仕様を満たした電源用SPDは、クラスT・クラスU・クラスVと表記することができます。
雷電流の処理性能だけでなく電気設備に設置する設備として安心して使用できる製品とする為、雷電流の処理性能や感電保護など電気的な性能の他、耐熱性、ネジ端子などの機械的な性能なども含む多岐に渡る内容で定められています。
JIS では試験方法を決めているだけなので、同じクラスのSPDの性能は、製品ごとに異なります。
またクラスTとクラスUなど複数のクラスの試験を行った製品にはクラスT・Uと併記されることがあります。
OBOの電源用SPDであるMC・MCD・V・VFの各シリーズは、JISの仕様に基づく試験で性能を確認しており、安心して使用できます。

■雷電流の処理性能
クラスTSPDは直撃雷電流を処理し、クラスUSPDは繰返し侵入する誘導雷を処理します。
そのためJISでは、単発の大きな直撃雷電流を想定した波形(10/350μsec)や頻度の高い誘導雷を想定した波形(8/20μsec)を使い、性能を確認する試験を行います。
クラス VSPDは電圧、電流のコンビネーション波形を印加し試験を行います。
ここではクラスTとクラスUSPDの雷電流の処理性能の試験方法について説明します。

前処理試験(繰返し侵入する高頻度の誘導雷を想定した性能試験)「公称放電電流 In」 として表記
商用電圧を印加しながら製品仕様の誘導雷電流を1分間隔で5回印加し、30分間を放置します。
これを3回(合計15回)繰返し、短絡や物理的な障害を受けていないことを確認します。

動作責務試験(単発の大きな雷電流を想定した性能試験)
クラスT:「インパルス電流 Iimp」 クラスU:「最大放電電流 Imax」と表記
商用電圧を印加した状態で、交流正弦波のピークで極性の一致した電流インパルスImpを0.1XImpを商用電流に重畳し、印加後、商用電圧を加えたまま30分間放置し周囲温度まで冷却したことを確認し、さらに同じ手順で 0.25X Imp・0.5X Imp・0.75X Imp・1.0X Impと印加し、最後に公称放電流を印加して短絡や物理的な障害がないこと、製品の性能が保たれていることを確認します。

公称放電電流:In, 最大放電電流:Imax, インパルス電流:Iimp について
Imax・Iimpは単発の大きな雷電流に対する性能を示し、Inは繰返し処理できる雷電流の性能で耐久性を示す値とも考えられます。想定される最大雷電流に対する能力は、Iimp やImaxの性能に注目し、落雷が多い地域ではクラスに関わらずInの性能も考慮して選定することをお薦めします。

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特殊な回路の接続方法


◇ 非常灯(蓄電池DC電源回路)

 DC電源のみで点灯する回路の電気設備を保護します。
 最大連続使用電圧(Uc)は、電源のDC電圧をもとに選定してください。




◇ 非常灯(商用・蓄電池切替え回路)

 ACとDC電源の両方に対応できる最大連続使用電圧(Uc)のSPDを選定します。
 最大連続使用電圧(Uc)は、AC電源の実効値を判断材料として選定してください。



外部からの配線はAC電源のみで停電時は電灯設備内部にあるバッテリ−で点灯させる設備は、AC電源回路にSPDを接続します。



◇ 非常用動力(商用・発電機切替え回路)
 商用電源と発電機電源の両方に対応できるSPDを選定します。
それぞれの電源に接地相があるか確認します。片方の系統に接地相がない場合は、接地相がない配電系に用いる構成のSPDを選定してください。


商用・発電機電源ともに一相接地された配電で設備に供給される場合には、接地相がある構成のSPDを選択します。
接地相の有無は電気図面等で確認してください。



◇ 動力(インバーター回路)
 インバ−タ−回路は、スイッチング動作のたびに高調波が発生し、バリスタに悪影響を与えることが考えられます。
通常のAC電源に用いるSPDの選定を基にして、高調波を想定して余裕ある最大連続使用電圧のSPDを選定してください。

端子間に大きな電圧が加わるとバリスタは動作して電気を流し始めます。交流に高調波数成分がある場合にも一定の電圧がかかれば動作します。バリスタが繰返し動作することで劣化するため、対地間にギャップ素子を接続し高調波で容易に動作しない構成をお薦めします。
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