雷が落ちたときにサージプロテクターの内部で何が起こるのか

落雷時にサージ保護装置で何が起こるのか？

落雷時には、サージ保護装置（SPD）は一時的な過電圧（つまりサージ）から電気機器を保護する重要な役割を果たします。以下に、このようなイベント中にSPD内で発生する主なプロセスとメカニズムを示します：

1. サージの検出と応答

落雷によって引き起こされるサージが電力システムに入ると、サージ保護装置はこの異常な電圧を迅速に検出します。通常、SPDには閾値電圧が設定されており、検出した電圧がこの閾値を超えると、保護メカニズムが活性化されます。

2. エネルギーの吸収と散逸

SPDはサージエネルギーを吸収し、散逸させることで、接続された電気機器に到達することを防ぎます。一般的な吸収と散逸のメカニズムには以下のものがあります：

a. 金属酸化物バリスタ（MOVs）

• 動作原理：MOVsは非線形抵抗材料であり、適用される電圧に応じて抵抗値が変化します。通常の動作電圧ではMOVsは高抵抗を示しますが、電圧が一定の閾値を超えると抵抗値が急激に低下し、電流が通過できるようになります。

• エネルギー散逸：MOVsは余剰の電気エネルギーを熱に変換し、散逸させます。MOVsは自己回復特性を持ち、複数の小さなサージ後も機能を続けることができますが、大きなまたは頻繁なサージの後には故障することがあります。

b. ガス放電管（GDTs）

• 動作原理：GDTsは不活性ガスで満たされた密封管です。両端間の電圧が一定値を超えると、内部のガスがイオン化し、電流を通す導電路を作ります。

• エネルギー散逸：GDTsはガスイオン化によって作られるプラズマを通じてサージエネルギーを散逸させ、電圧が正常に戻ると自動的にプラズマが消滅し、絶縁状態が回復します。

c. トランジェント電圧抑制ダイオード（TVSダイオード）

• 動作原理：TVSダイオードは通常の動作電圧下では高抵抗状態を維持します。電圧がブレイクダウン電圧を超えると、ダイオードは急速に低抵抗状態に切り替わり、電流が流れることができます。

• エネルギー散逸：TVSダイオードは内部のPN接合部でのアバランシェ効果を通じてサージエネルギーを散逸させ、高速応答の小さなサージに適しています。

3. エネルギーの迂回と接地

SPDはサージエネルギーを吸収するだけでなく、それを接地線に迂回させることで、設備への影響をさらに軽減します。具体的なメカニズムには以下のものがあります：

• 迂回回路：SPDは専用の迂回回路を設計しており、過電圧を負荷装置に直接入らないように接地線に誘導します。

• 接地システム：良好な接地システムはSPDの有効な動作を確保する鍵です。接地システムはサージエネルギーを素早く地面に散逸させるための低インピーダンスパスを提供する必要があります。

4. サージ後の回復

サージイベント後、SPDは正常な動作状態に戻る必要があります。異なるタイプの保護器には異なる回復メカニズムがあります：

• MOVs：サージがMOVsに永久的な損傷を与えない場合、電圧が正常に戻ると自動的に高抵抗状態に戻ります。

• GDTs：電圧が正常に戻ると、GDT内のプラズマは自動的に消滅し、絶縁状態が回復します。

• TVSダイオード：電圧が正常に戻ると、TVSダイオードも自動的に高抵抗状態に戻ります。

5. 故障モードと保護

SPDはサージに対応するように設計されていますが、極端な場合には故障することもあります。安全を確保するために、多くのSPDには追加の機能が含まれています：

• 熱遮断デバイス：MOVsや他のコンポーネントが過熱して故障した場合、熱遮断デバイスが回路を切断し、火災その他の危険を防ぎます。

• 表示灯/アラーム：一部のSPDには保護器が正常に機能しているかどうかをユーザーに通知する表示灯やアラームが装備されています。

結論

落雷時には、サージ保護装置は以下の手順を通じて電気機器を保護します：

• サージ検出：電圧が正常範囲を超える状況を識別します。

• エネルギーの吸収と散逸：MOVs、GDTs、TVSダイオードなどのコンポーネントを使用して、サージエネルギーを熱や他の形式のエネルギーに変換します。

• 接地線への迂回：過電圧を接地線に誘導することで、設備への影響を最小限に抑えます。

• 正常状態への復帰：サージ後、保護器は正常な動作状態に戻ります。

• 故障保護：極端なケースでは、さらなる損傷を防ぐための追加の安全対策を提供します。