1. 電源装置のサージについて
電源装置のサージとは、電気系統内で発生する短期間で激しい電圧または電流の変動を指し、通常は雷撃、電力の切り替え、設備の故障などによって引き起こされます。こうした突発的な高電圧や高電流の急上昇は、電源装置および接続された機器に大きなリスクをもたらし、正常な電圧や電流の範囲を大幅に超える可能性があります。サージの持続時間は短いものの、長期的に機器に損傷を与える恐れがあります。主なサージの発生要因は以下の通りです。
(1) 雷撃
雷が電力線や建物に落ちると、極めて高い電圧と電流が発生し、電気系統やグリッド全体の電圧を一気に引き上げる可能性があります。適切なサージ保護が施されていない場合、この高電圧のピークは敏感な機器に容易に損害を与える危険があります。
(2) 負荷の瞬時変動
スイッチング操作は、回路条件の急激な変化を引き起こし、エネルギーの瞬間的な放出や転送を誘発するため、サージを発生させます。機器をオンまたはオフにすると、電場や磁場が変動し、急激なエネルギーが電源に戻り、サージを引き起こすことがよくあります。特にモーターやコンデンサバンクのようなリアクティブ負荷では、起動時に大きな電流が流れ、シャットダウン時には蓄積されたエネルギーを放出して瞬間的な影響を系統に与えます。また、スイッチング中の誘導効果やアーク発生も高周波の瞬時サージを引き起こし、電源系統内の敏感な機器に悪影響を与えることがあります。こうした影響を抑え、系統の安定性を確保するためには、適切なサージ保護装置の利用が不可欠です。
(3) 設備の故障
設備の故障、例えばショートサーキットやオープンサーキットが発生すると、突然の電圧および電流の変動が生じ、サージを引き起こす可能性があります。ショートサーキットの状況では、急激な電流の急増が起こり、他の回路部品に過剰な一時的な電流が流れ、その結果、電圧サージが発生することがあります。同様に、機器が故障してオープンサーキットを引き起こすと、電流の流れが中断され、系統内で一時的な高電圧が発生する可能性があります。こうした変動は系統の安定性を損ね、保護されていない機器に脅威を与えるため、設備の故障によるサージに対抗するためには、十分なサージ保護の導入が重要です。
2. 電源装置におけるサージの影響
突然のサージや瞬間的な高電圧のピークが電源装置に影響を与えると、その結果生じる高電圧が電子部品やシステム機器の劣化を加速させます。このサージが各部品の耐性を超えると、電源装置の保護機構が作動し、場合によってはヒューズが飛んで電流を遮断することがあります。サージ保護設計が不十分な場合、絶縁材料が劣化し、電子部品や機器が直接損傷を受ける可能性があり、電源装置が動作不能になるほか、短絡や焼損、さらには火災の危険性も高まります。
サージは電源装置の劣化を促進し、製品の寿命を短縮させ、電源の安定性を低下させると同時に、接続された機器の正常な運転を妨害することにもつながります。これにより故障率や修理コストが増加し、無駄な時間や費用の損失が発生する恐れがあります。そのため、電源装置の設計には、使用環境に応じたサージ耐性の確保と適切なサージ保護機構の導入が不可欠です。堅固なサージ保護は、電源システムや接続機器への潜在的な危害を軽減し、電源装置および関連機器の運転寿命を延ばすことが可能です。
3. サージ保護の重要性
電子機器の普及と技術の進展に伴い、負荷システムにおける安定した電力供給の需要が急増しています。サージ保護コンポーネントは電圧の変動を常に監視し、サージを検知した際には余分な電圧や電流を安全に保護接地に逃がすことで、機器が過電圧による損傷を受けないよう保護します。サージが収束した後は、これらのコンポーネントが通常の状態に戻り、引き続き電圧の監視を行います。このサイクル保護と復元の仕組みにより、雷、電源スイッチング、その他の電気的な擾乱によって発生する瞬間的な電圧変動を効果的に緩和します。
サージ保護は、電力系統の変動、雷撃、またはスイッチ操作による部品への過負荷ストレスを軽減し、電源装置や接続機器の信頼性と耐久性を高めます。これにより、安全な運転が確保され、電源装置および接続機器の寿命が延び、保守・交換コストが削減されます。
4. サージ保護レベルと適用分野
サージ保護の要件は、用途ごとに大きく異なり、各使用環境に応じた特定の保護レベルが求められます。国際電気標準会議（IEC）が策定した IEC 61000-4-5 サージ耐性規格では、様々な環境シナリオに対応する5つのサージ耐性レベルが定義されています。この基準により、ユーザーは多様な電気環境で安定した動作を実現するために最適なサージ保護ソリューションを選定できます。以下は、IEC 61000-4-5 の主なサージ保護レベルとその適用分野です：
(1) レベル1：低リスク環境
用途：オフィスやリスクの低い住宅などの制御されたエリア向け。
保護要件：サージ露出の可能性が低いため、最小限のサージ保護が必要。
電圧定格（L/N-PE）：0.5 kV
(2) レベル2：一般的な商業・住宅用途
用途：標準的な商業施設、オフィス、住宅環境での利用に適し、時折の電気的変動に対応。
保護要件：一般的な電力網の変動に耐える中程度のサージ保護が必要。
電圧定格（L/N-PE）：1 kV
(3) レベル3：産業・重商業用途
用途：頻繁なサージや電圧変動が発生する可能性のある商業および産業環境での高信頼性が求められる設備向け。
保護要件：重要機器の安定性を確保するための高レベルの保護が必要。
電圧定格（L/N-PE）：2 kV
(4) レベル4：高リスク産業用途
用途：大規模工場や発電施設など、定期的なスイッチング操作や大型機器の起動が頻発するサージの発生しやすい産業環境向け。
保護要件：頻繁かつ激しいサージに耐えるための堅牢なサージ保護が必要。
電圧定格（L/N-PE）：4 kV
(5) レベル5：極高リスク環境
用途：雷などの自然発生のサージや極端な電圧変動にさらされる屋外機器、送電線、通信基地局などの高リスクシナリオ向け。
保護要件：最も過酷なサージ条件を処理するための非常に高いサージ保護が必要。
電圧定格（L/N-PE）：6 kV以上（必要に応じてカスタム設計が可能）
この段階的なサージ保護アプローチにより、様々な条件下でシステムが信頼性を持って機能し、機器の寿命と安定性が確保されます。
5. サージ保護部品の概要と設計
突発的な瞬時過渡現象やサージが電源およびシステム機器にダメージを与えないよう保護するため、一般的に金属酸化物バリスタ（MOV）やガス放電管（GDT）、別名サージアレスタが使用されます。
(1) 金属酸化物バリスタ（MOV）：
MOVは、クランプ電圧、エネルギー容量、容量、応答時間といった重要なパラメータに基づいて設計された高速動作の保護部品です。MOVの非線形な電圧感受特性を活かし、過電圧スパイクを制御範囲内に抑制して、下流回路を保護します。定格限度を超える電圧がかかると、MOVはナノ秒（ns）単位の速さで作動し、余分な電圧を接地ラインに逃がし、過電圧ダメージを防ぎます。通常、MOVは2kV未満の過渡的な高電圧を処理するのに最適です。
(2) ガス放電管（GDT）またはサージアレスタ：
GDTは高電圧の過渡現象を効果的に抑制するために設計された電圧依存のスイッチングデバイスです。電圧が指定された破壊電圧を超えると、GDT内のガスがイオン化し、導通状態に達します。この状態では、GDTは低いアーク電圧を維持しながら完全に開放され、サージ電流を電流の大きさに関わらず確実に接地に導きます。過渡パルスが収束すると、GDTは自動的に高インピーダンスの非導通状態にリセットされ、次の保護に備えます。非常に高いサージ電流を処理できる能力と、非導通時の優れた絶縁特性を備えているため、GDTは2kV以上の過渡電圧を抑制するためにMOVと組み合わせて使用されることが多く、雷や電源スイッチングなどの高エネルギーの過渡現象からの強力な保護を提供します。
