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避雷器(アレスタ)

各種センサやネットワーク専用に設計された、
電子機器専用の避雷器です。

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サージエネルギー減衰方式とは たいそう立派に聞こえるけれど実は定石・・・!?

サージエネルギー減衰方式*1という言葉をよく耳にしますが、一体どのようなものかを以下に説明します。図はサージエネルギー減衰方式の回路図です。
例えば、S2〜G間にサージ電流が加わると、放電管が動作してサージ電流を大地に流します。しかし放電管には動作遅れがあり、サージのように急峻な立ち上がり勾配で電圧上昇すると、S2の電位が放電管の特性にもよりますが800V近くにならないと動作開始しません。
放電管が動作するとS2の電位がバリスタ(V2)電圧に抑えられるため問題はなくなりますが、放電管が働くまでの間はサージ電圧が保護側に通過してしまいます。
多くの被保護機器にはノイズ対策用コンデンサCが付いているので、サージ帯域ではL2のインピーダンスが高くなりサージ電流の通過を抑えるのと、Cの容量が大きくサージ電流を吸収するので電圧が上がりにくくなります。このため保護側に加わるサージ電圧は小さく抑えられます。
以上、サージエネルギー減衰方式とは、直列インピーダンスにインダクタを使用するところが特徴になります。なお、サージエネルギー減衰方式という言葉は目新しく感じますが、回路自体は以前からあり、電圧制限素子(図ではV4にあたる)に流れるサージ電流を制限するため、直列インピーダンスにインダクタを使用し、これは古くからの定石であり、エム・システム技研でも同じ考えに基づいたサージエネルギー制限方式避雷器を数多くラインアップしています。
前述のとおり、サージエネルギー減衰方式は、線〜接地間の保護効果を高めます。同方式でないと機器を保護できないかのように主張するメーカーもありますが、一般的に電気・電子機器は、ライン〜きょう体間に絶縁があり、800V程度の雷サージ電圧で破壊することはありませんので、特にこの方式にこだわる必要はありません
ただしライン〜きょう体間の絶縁能力が低い機器も存在するため、一般的な避雷器を使用して機器が壊れた場合やあらかじめ絶縁能力が低いと分かっている場合には、サージエネルギー制限方式の避雷器を使用することで雷被害のリスクを低減できます。
次に、線〜接地間保護の効き目についてですが、同方式は被保護機器のノイズ対策用コンデンサC(図参照)に期待したところがあります。Cが小さかったり付いていないと、せっかくの方式もその特長を活かすことができません。
また、信号ラインに接続する場合、被保護機器が発振する心配があります。受動素子で構成された回路だと問題ありませんが、能動素子(とくに位相補償が充分でないアンプ)を含んだ回路には注意が要ります。その他、4〜20mA DC信号に交流を重畳させる通信機器と組み合わせる場合、通信がインダクタによって妨害される心配もあります。以上、インダクタによる悪影響が懸念される場合には、直列インピーダンスに抵抗器を使用した避雷器の選定をおすすめします。

*1. エム・システム技研ではサージエネルギー制限方式としています。

エム・レスタシリーズでサージエネルギー制限方式を用いた製品

エム・システム技研では、サージエネルギー制限方式を用いた製品として、電源用ではMMAJやMAXなどを用意しています。
なお各製品には、線間に入っているバリスタ(図のV4)の劣化表示機能と安全保持ヒューズが付いており、より安全に配慮した設計になっています。またMMAHやMMAJなど放電耐量20kAに対応した製品もありますので、高信頼・長寿命を要求する設備への接続をおすすめします。電源用以外では、信号用にMMDHやMDJSTを、回線用にMDJMFAやMDJFTを提供していますので、併せてご利用ください。

避雷器の応答時間 要は無意味な数値ではなく避雷効果です

エム・システム技研では、避雷器の応答時間を、「雷サージが加わってから、避雷器が放電を開始するまでの時間」と定義し、応答時間の測定は、幅1μsの電圧矩形波を印加して行っています。高速で放電電流を測定するのは計測技術上非常に難しいので、印加電圧が電圧を維持できず低下したときを放電開始とし、そこまでの経過時間を測定します。ただし、避雷器の応答性は内蔵しているサージ吸収素子に依存するため、素子単体の応答時間を測定し、これを避雷器の応答時間に代用しています。
また雷サージ電圧は通常1.2μsの立ち上がり勾配であるのに対し矩形波を印加する理由は、1.2μsもの立ち上がり勾配があると、雷サージ電圧が加わってからサージ吸収素子の放電開始電圧に到達するまでのムダ時間が大きく、避雷器の純粋な応答時間を求めるには適切でないと考えるからです。
エム・レスタのうち、出荷実績が特に豊富なMDP-24-1を例にとって、その応答性を紹介しましょう。
図1に線間素子の応答性を、図2に線〜接地間素子の応答性を示します。線間素子の場合、電圧が加わった瞬間に端子間電圧は下がっていて、応答時間はゼロともいえる高速応答性を示しています。線〜接地間素子の場合、電圧が加わってから4ns経過後に端子間電圧は下がっていて、数nsの高速応答性を示しています。仕様書では「応答時間:0.1μs」と記載していますが、実力は以上のとおり数nsです。

エム・レスタシリーズも大半の機種は数ns応答です。

近年、いくつかのメーカーが応答時間数nsをセールスポイントにしています。エム・システム技研の避雷器も数nsの応答性をもっています。応答が速いほど、雷サージ電圧を素早く抑えられるので、避雷器として優れていると言えます。しかし被保護機器を守れるかどうかは制限電圧で決まります。
避雷対策は機器にかかる過電圧をいかに低く抑えるかがポイントです。エム・システム技研では応答性は避雷器選定の目安にしかすぎず、あまり応答性にこだわるのは無意味なことと考えています。

モリブデン避雷器 高価な素子を使わなくても効果は同じです

避雷器の放電素子には、一般に放電管が用いられるのに対して、モリブデン避雷器の放電素子には、酸化皮膜を形成したモリブデン片が用いられています。
これは、モリブデンの酸化反応性を利用したもので、通常時、モリブデン片は酸化皮膜で絶縁を保っていますが、雷サージ電圧が加わると、酸化皮膜が破れ、良導体のモリブデンを通じて雷サージ電流を大地に放流します。
次に、雷サージが通過すると、モリブデン片は周囲の酸素と反応して、再び酸化皮膜を形成し絶縁状態に戻るというものです。
上記のモリブデン片は、放電管と動作原理的な違いはありますが、避雷素子としての役割は全く同じと考えています。
したがって、モリブデン避雷器に限定されなくても、エム・システム技研の避雷器をお使いになれば、所望の保護性能を得られるだけでなく、価格面でも十分ご満足いただけるものと確信いたします。

直列接続形と並列接続形 一長一短があります

電源用避雷器は、その接続方式に着目すると、直列接続形と並列接続形に分けることができます。直列接続形は電源ラインに直列に接続する避雷器で、これに対し、並列接続形は電源ライン−接地間に並列に接続する避雷器です。
直列接続形の長所としては、避雷器に内蔵した直列インピーダンスが雷サージ電流を絞るため、雷の大きさに関わらず制限電圧が低く抑えられ、保護性能が良いことが挙げられます。しかし、短所として、部品点数が増え比較的高価になる、さらに、直列インピーダンスの定格電流値によって負荷電流が制限されることが挙げられます。
上記の長所短所を考慮すれば、直列接続形は、コンピュータ、計測機器、通信機器といった、内部に半導体が使われていてサージに弱い傾向がある弱電機器を保護するのに適しています。
これに対し、並列接続形は、比較的サージ耐力が高く負荷電流も大きい機器、つまり絶縁トランス、ヒータ、電磁開閉器、モータといったいわゆる強電機器の保護に適しています。また、分電盤に設置して電源系統の1次保護を行うのにも有効です。
エム・システム技研は、計装機器といった弱電機器の保護が避雷器開発の出発点でした。そのため、避雷器メーカーのほとんどが並列接続形しか供給しない中で、直列接続形を作り続けてきました。当然、並列接続形も充実させますが、今後も保護性能に主眼をおいた直列接続形を開発の主流にしていきます。

酸化亜鉛素子形避雷器 並列接続形避雷器と同じです

酸化亜鉛素子とは、酸化亜鉛が主成分の焼結体を用いたサージ吸収素子で、形状の割には比較的大きなエネルギーを吸収できるのが特長ですが、劣化すると短絡故障になる短所をもちます。バリスタとも呼ばれ、避雷器に普通に使われている素子です。この酸化亜鉛素子に、ケース、端子、短絡故障時の安全対策(一般的には、温度ヒューズを用い、素子の発熱を検出して電源から切離す)を付加したのが酸化亜鉛素子形避雷器です。
上記、「直列接続形と並列接続形」に登場する並列接続形避雷器に相当し、エム・システム技研では、MAK2の形式で販売しています。

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