避雷器（雷電保護）システムソリューション：外部と内部の保護スキームを統合

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1. 解決策の背景と目的

落雷活動は、建物、人員、内部設備の安全性を脅かす重要な要因です。落雷は高強度の直流と瞬間的な過電圧を生成します。これらは建物の損傷や設備の物理的破壊だけでなく、電源線や信号線などの金属線を通じて電子機器に侵入し、電子機器の故障、データの喪失、さらには火災などの二次災害を引き起こす可能性があります。この解決策は、外部雷保護システム（ELPS）とサージ保護装置（SPDs）で構成される包括的な保護システムを確立することを目指しており、雷エネルギーを効果的にインターセプト、誘導、放電、制限することで、建物の構造的安全性を最大化し、内部設備およびシステム運軶の継続性と安定性を確保します。

2. 雷保護システム（LPS）の構成要素の概要

効果的な統合雷保護システム（LPS）は、以下の2つの不可欠かつ相互に補完する核心的な構成要素から成ります：

外部雷保護システム（ELPS）： 主に直撃雷からの防御を目的としています。
内部雷保護システム（サージ保護、SPDシステム）： 主に雷電磁パルス（LEMP）によって線路を通じて設備に侵入する瞬間的な過電圧（サージ）からの防御を目的としています。

3. 外部サージアレスタの設置スキーム（直撃雷からの保護）

主要な機能： 直撃雷をインターセプトし、大規模な雷電流を安全に接地へ導くことで、直撃雷が建物自体に与える物理的な損傷（貫通、火災、構造損傷など）を防止します。
主要な構成要素：

避雷針システム（避雷針/帯/網）： 建物の屋上または最も高い位置に設置され、雷を引きつけ受けます。建物の形状と面積に応じて適切なタイプ（例：針、網、帯）と配置を選択し、「ローリング球法」の原則に基づいて保護範囲が満たされるようにします。
下導体： 避雷針システムから接地システムへ雷電流を導きます。最短かつ最も直線的な経路を使用し、十分な数と均一な分布（規制に準拠した間隔）を持つべきです。材料は通常、亜鉛メッキされた平鋼または丸鋼です。一般的な通行路付近での設置は避けるか、絶縁保護措置を講じます。
接地システム： 雷電流を接地へ放出します。これは保護システムの核であり、その品質（接地抵抗値）は重要です。通常、接地電極（垂直棒、水平導体）と接続導体で構成されます。腐食耐性のある材料（例：亜鉛メッキ鋼、銅）を使用し、十分な埋設深度を確保し、建物周囲に効果的な等電位結合リング（基礎接地）を形成します。接地抵抗は最小限に抑える必要があります（通常≤10Ω、具体的な要件は関連規格による）。

設置場所：

建物の屋上の最も高い点と雷に打たれやすい場所（角、軒、胸壁、換気口、煙突など）。
特別な構造（例：塔、アンテナ、ソーラーパネルの支持台）は個別または統合して考慮する必要があります。

スキームの要点：

規格への準拠： 国家および業界の雷保護設計規格（例：GB 50057「建物の雷保護設計規程」、IEC 62305シリーズに相当）に厳格に従います。
材料の品質： 標準に適合する高品質かつ腐食耐性のある材料を使用します。
等電位結合： すべての金属製品（例：パイプ、設備ケース、金属屋根、鋼構造）は、最も近い下導体または接地システムに信頼性を持って結合し、側方フラッシュを防ぎます。
安全分離距離： 避雷針と構造物との間、および下導体とサービス/パイプラインとの間に十分な安全分離距離を確保します。
信頼性のある接続： すべての接続点は堅牢（溶接または認定されたクランプ）で、良好な電気連続性を確保します。

4. 内部サージアレスタ（SPD）の設置スキーム（雷サージからの保護）

主要な機能： 電源線、信号線、通信線などを通じて侵入する雷誘導の瞬間的な過電圧（サージ）を制限し、設備が耐えられる安全なレベルに抑え、過電圧/過電流による損傷を防ぎます。
主要な構成要素：サージ保護装置（SPD）、 またサージサプレッサーや雷アレスタとも呼ばれます：

一時的な電圧抑制装置（TVS）： 細密な設備保護や信号線に使用されます。
過電圧保護装置： 各種技術（例：金属酸化バリスタMOV、ガス放電管GDT、固体保護装置）を含む一般的な用語です。
電力SPD： 電力配電システムの各レベル（主配電盤、副配電盤、終端設備の前）に設置されます。
信号/データSPD： 電話線、ネットワーク線（例：RJ45）、同軸ケーブル（例：CCTVビデオ、衛星信号）、制御線などの入力ポートに設置されます。
接地接続： SPDは低インピーダンスパスを通じて良好に接地され、サージ電流を効果的に放出する必要があります。接地導体はできるだけ短く、直線的、太い（「短-直-太」原則）であるべきです。

設置場所とレベル（段階的な保護 - 協調）：

第一レベル保護（クラスI / タイプ1 SPD）：

場所： 建物の主配電盤/主入力（通常LPZ 0A/0B → LPZ 1境界）。
機能： 直撃雷または近くの落雷からの大部分の巨大なエネルギー（10/350μs波形）を放出し、残存電圧をより低いレベルに制限します。通常、高放電容量の火花ギャップ型SPDを使用します。高度に信頼性のある接地が必要です。

第二レベル保護（クラスII / タイプ2 SPD）：

場所： フロア配電盤、エリア配電盤、設備室の主開閉盤（LPZ 1 → LPZ 2境界）。
機能： 第一レベルを通過した残存サージ電圧と内部スイッチング操作による過電圧（8/20μs波形）をさらに制限し、ゾーン内の設備保護を提供します。通常、電圧制限型SPD（例：MOVベース）を使用します。

第三レベル保護（クラスIII / タイプ3 SPD / 使用点保護）：

場所： 設備の直前に、コンセントアウトレット/プラグストリップ内、または設備の内部回路（LPZ 2 → LPZ 3境界）。
機能： 設備ポートでの残存過電圧（組み合わせ波形）をクリッピングし、最終段階の細密な保護を提供します。センシティブな電子機器（例：サーバー、ワークステーション、PLC、医療機器、通信機器）にとって特に重要です。また、信号線の入口でも使用されます。

スキームの要点：

協調： 異なるレベルのSPDはエネルギーと電圧の協調を達成する必要があります（各段階間のカップリング/アイソレーション要素を使用するか、SPDの固有の解連特性を使用）。これにより、エネルギーが段階的に放出され、電圧が段階的に低下します。これにより、下位レベルのSPDが過度のエネルギーにより故障するのを防ぎます。
接地品質： SPDの効果的な接地は全体的なスキームの効果に非常に重要です。接地導体は理想的には0.5メートル未満で、十分な断面積（SPDクラスと場所に応じて、通常≥6-25mm²の多芯銅線）を持つべきです。
設置準拠： SPD製品の指示および関連規格に従って設置し、正しい相と接地接続を確保します。
等電位結合： 金属製キャビネット、ラック、ケーブルトレイなどを結合し、「ファラデーケージ」効果を形成し、内部の電位差を最小限に抑えます。
定期的なメンテナンス： SPDはしばしば「犠牲型」の装置であり、定期的な検査（視覚的な状態表示、リモート警報監視）とテストが必要です。故障したSPDは速やかに交換する必要があります。

5. 包括的な解決策の利点と実装価値

全般的な保護： 外部システムは直撃雷から保護し、内部システムは誘導サージ（LEMP）から保護し、完全な保護チェーンを形成します。
最大限の安全性： 建物の構造、人的生命、貴重な電気/電子機器資産を損傷から保護します。
運用の継続性を確保： 雷による設備の故障、システムのダウンタイム、データの喪失のリスクを削減し、システムの信頼性と事業継続性を向上させます。
総所有コストの削減： 予防的な投資は、直接的な雷被害（設備の交換）と間接的なコスト（生産停止、データの喪失、評判の影響）と比較して大幅にコスト効果が高いです。
規制への準拠： 国家の建築物安全、電気安全、雷保護に関する規制要件と標準を満たします。