直流サージ保護装置（SPD）の仕組み：エンジニアのためのガイド

エンジニアにとって最悪の悪夢：何百万ドルもする真新しい太陽光発電所が、遠雷の後に真っ暗になる。インバーターが焼損。最新鋭の通信タワーが接続を失い、ネットワークが停止する。直流発電所がダウンした。いずれの場合も、原因は直接の落雷ではなく、直流送電線の電圧サージという目に見えない静かな殺人である。このような過渡的な過電圧は、ほんの数マイクロ秒持続するだけで、現代のインフラのバックボーンを形成している繊細な電子機器を劣化させ、損傷させ、破壊するのに十分な威力を発揮する。.

シニア・アプリケーション・エンジニアとして、私はこの高価なシナリオを何度も目にしてきました。エンジニアはシステムのあらゆる面を綿密に設計しますが、システムのボディーガードとして機能する1つのコンポーネント、すなわち直流サージ保護デバイス（SPD）を見落としてしまうのです。このガイドはそれを変えるために書かれたものです。一般的な「雷保護」の説明を超えて、DC SPDがどのように機能するのか、アプリケーションに適したものをどのように選択するのか、そしてなぜそれがシステムの信頼性にとって最も重要な投資なのか、その工学的原理を深く掘り下げます。.

本書は単なる理論書ではない。システムをオンラインに保ち、高価な資産を保護し、致命的な障害を防ぐ責任を負う現場のエンジニアのための実践的なガイドです。.

DC SPDとは何か、なぜ違うのか？

DCサージ保護デバイスは、直流（DC）回路の過渡過電圧から電気機器を保護するために設計された特殊なコンポーネントです。電力線のゲートキーパーと考えてください。通常の動作状態では、電気的に休止状態のままであり、システムに影響を与えません。しかし、あらかじめ設定された安全レベルを超える電圧スパイクを検出した瞬間に即座に起動し、有害なサージエネルギーを安全にアースに迂回させ、自動的にリセットして次のイベントに備えます。.

すべてのエンジニアが理解しなければならない重要な違いは、直流SPDは交流（AC）SPDと互換性がないということです。これはマーケティング上のギミックではなく、電気物理学の基本的な問題です。.

AC 電圧は、1 秒間に 100 回または 120 回、自然にゼロ点を通過します（50/60Hz システムの場合）。AC SPDがサージを迂回すると、その後のゼロクロスポイントは、保護コンポーネント（ガス放電管など）が電気アークを消滅させ、非導通状態にリセットする機会となります。.

直流電圧はその性質上、連続的で絶え間ない電流の流れである。ゼロクロスは存在しない。直流回路にAC SPDを取り付けた場合、最初のサージを迂回させた後、直流電源からの追従電流を消滅させることができない可能性が高い。これは持続的な短絡回路を作り出し、SPDの壊滅的な故障を引き起こし、しばしば火災や発煙を伴うが、継続的な保護は提供されない。.

重要な収穫 AC 定格の SPD を DC アプリケーションで使用しないでください。直流システムにはゼロクロスがないため、直流アークを安全に消火するように設計された特別なコンポーネントが必要です。間違ったタイプのSPDを使用することは、SPDを全く使用しないことよりも危険です。.

核心作業原理クランプと転向

SPDがどのように機能するかを理解するには、水道管にある高速で自動復帰する圧力逃し弁に例えてみるのが役に立つ。.

通常の状態： バルブは閉じている。水（電圧）は通常の圧力（電圧レベル）でバルブを通過して下流の機器に流れます。.
サージイベント： 突然の圧力波（電圧サージ）がパイプを伝わる。.
活性化する： 危険な圧力波がデリケートな機器を直撃する前に、バルブは瞬時に開き、過剰な圧力を安全な排水システム（地面）に接続された二次排出口から逃がす。.
プロテクション： バルブが開くことで、バルブの作動設定で圧力が「クランプ」され、下流の機器には安全で管理可能な圧力しかかからないようになります。.
リセットする： 圧力波が過ぎ去り、システム圧力が正常に戻ると、バルブは自動的に閉じ、次のイベントに備えます。.

DC SPDは、電気的な領域でこれらと同じ2つの基本的な動作を行う：

電圧クランピング： 過渡電圧を、保護対象機器が耐えられる安全なレベルに制限します。このレベルはSPDの電圧保護レベル（Up）と呼ばれます。.
現在の転用 低インピーダンスの経路を提供し、巨大なサージ電流を高感度機器から遠ざけ、接地システムに安全に流します。.

これが機能するためには、SPDを保護すべき負荷と並列に設置し、代替の「排水」経路を作る必要がある。システム全体の有効性は、その経路の品質、具体的には接地への堅牢で低インピーダンスの接続にかかっている。アース接続が不十分な驚異的なSPDは、排水管が詰まった圧力開放弁のようなもので、役に立たない。.

インサイド・ザ・ボックスコア・コンポーネントの内訳

原理は単純だが、このほぼ瞬時のスイッチングを可能にする部品にマジックがある。直流SPDに使用される最も主要な2つの技術は、金属酸化物バリスタ（MOV）とガス放電管（GDT）です。それぞれの特性を理解することは、適切なデバイスを選択する上で非常に重要です。.

金属酸化物バリスタ（MOV）：主力製品

MOVは最新のSPDで最も一般的な部品である。MOVは非直線抵抗器であり、電圧依存スイッチとして最もよく説明される。.

どのように機能するのか： MOVは、酸化亜鉛（ZnO）粒子に他の金属酸化物を混ぜたセラミック状のディスクです。通常の状態では、粒と粒の境界が高抵抗の接合部として機能し、MOVをオープン回路のように動作させる。高電圧が印加されると、これらの結晶粒の境界はナノ秒単位で破壊され、その抵抗は崩壊し、MOVは高導電性となり、サージを迂回させる。電圧が通常に戻ると、粒界が再形成され、MOVは高抵抗状態に戻る。.
長所だ： 非常に速い応答時間（通常25ナノ秒以下）、優れたエネルギー処理能力、低コスト。.
短所だ： MOVはサージを遮断するたびに劣化します。MOVがサージをクランプするたびに内部構造がわずかに変化し、耐圧が低下します。時間の経過とともに、通常の動作電圧で電流が「リーク」し始めるところまで劣化し、熱暴走につながる可能性があります。.

ガス・ディスチャージ・チューブ（GDT）：ヘビーリフター

GDTは古い技術だが、非常に堅牢な技術だ。基本的には、密閉されたチューブの中にミニチュア避雷針が入っている。.

どのように機能するのか： GDTは、不活性ガス混合物で満たされた小さなセラミック・シリンダー内に密封された2つ以上の電極で構成されている。通常の電圧では、ガスは非導電性です。サージ電圧がGDTのスパークオーバー電圧に達すると、ガスはイオン化してほぼ完全な短絡（「アーク」）を作り、サージ電流をアースに流します。これは「バールのような」作用であり、効果的にバールを線路に落とすことになります。.
長所だ： 非常に高いサージ電流（Iimp）に対応できるため、直撃雷アプリケーション（タイプ1 SPD）に最適です。絶縁抵抗が非常に高く、MOVのように使用による劣化がありません。.
短所だ： MOVよりも反応が遅い。ガスがイオン化するのに若干の遅れがあり、その間に電圧がオーバーシュートすることがあります。サージが発生した後、アークを消すには電圧が非常に低くなる必要があり、これは直流回路では困難となります（ゼロクロスの問題と関連します）。.

ハイブリッドSPD：両方の長所を併せ持つ

各技術の長所と短所を認識し、多くの先進的なSPDは「ハイブリッド」設計となっている。多くの場合、GDTをMOVと直列または並列に使用します。一般的な構成では、GDTを最前線に配置して大電流の雷に対応し、下流のMOVで「レットスルー」電圧をより高速かつ低レベルでクランプすることで、2段階の保護戦略を実現しています。.

比較：MOVとGDTの比較

特徴	金属酸化物バリスタ (MOV)	ガス・ディスチャージ・チューブ（GDT）
主要機能	電圧クランピング	電流スイッチング / クラウバー
応答時間	超高速 (< 25 ns)	遅い（初期電圧オーバーシュートが発生する可能性がある）
サージ電流定格	中～高（イン、アイマックス）	非常に高い（Iimp）
クランプ特性	スムーズで非線形な電圧制限	“「クロウバー」作用で電圧をゼロ近くまで落とす
終息モード	使用により劣化し、ショートして故障することがある。	劣化はしないが、オープンまたはショートで故障する可能性がある
カレントをフォローする	漏電や熱暴走の可能性がある	アーク消火に低電圧が必要
典型的な使用例	タイプ2＆タイプ3 SPD（二次保護）	タイプ1およびタイプ2 SPD（一次保護）

適切なDC SPDを選択するための実践的フレームワーク

SPDの選択は「最大」のものを見つけることではなく、エンジニアリングのリスク管理のプロセスである。SPDの仕様をシステム要件と外部環境に適合させる必要があります。以下は、SPDを選択する際の指針となる、ステップ・バイ・ステップのフレームワークである。.

ステップ1：最大連続動作電圧（MCOV / Uc）の決定

これは最も重要なパラメータである。MCOVは ウク IEC規格の場合）は、SPDが導通することなく連続的に受けることができる直流電圧の最大値である。.

経験則： SPDのMCOVは、最大公称システム電圧の少なくとも1.25倍でなければなりません。この25%の安全マージンは、電圧変動、バッテリー充電電圧、およびシステムに対する温度影響（特に太陽光発電の場合）を考慮したものです。.

DC48Vの電気通信システムの場合、次のように計算する：48V * 1.25 = 60V。MCOVが60V以上のSPDを選択する必要があります。.
太陽光発電システムの場合、予想される最低周囲温度におけるストリングの最大開放電圧（Voc）を使用し、次に安全係数を適用する必要があります。.

プロのアドバイス 公称システム電圧とMCOVを混同しないでください。MCOVが公称電圧に近すぎるSPDを選択することは、早期故障の主な原因です。デバイスは通常のシステム電圧のピークを小さなサージと解釈し、常に導通して急速に劣化します。.

ステップ2：電圧保護レベルの評価（上）

電圧保護レベル(上へ)を通過する最大電圧である。 を通して サージ発生時にSPDから下流の機器に印加される電圧。これは「クランプ」電圧である。.

目標は 断熱コーディネーション. .その 上へ SPDの絶縁耐圧(Uw)を保護する。最近のほとんどの電子機器には Uw 1500V程度であるが、必ず機器の技術仕様を確認すること。.

経験則： でSPDを選択する。 上へ よりも少なくとも20%低い。 Uw 保護されたデバイスの.

ソーラーインバータに Uw のSPDを選択する必要があります。 上へ 2000V以下。.

これはトレードオフである。 上へ の方が保護性能は高いが、SPDの動作が重くなり、寿命が短くなることがある。しかし、SPDの交換はインバーターの交換よりも常に安価である。.

ステップ3：サージ電流定格（In、Imax、Iimp）の評価

このパラメータは、SPDが扱えるサージエネルギーの大きさを定義します。3つの主要な評価があります：

公称放電電流 (In)： 標準化された8/20 µsの波形を少なくとも15回繰り返した場合にSPDが耐えられるピーク電流を規定する。誘導サージ（近接ストライク）に対するSPDの堅牢性を示し、タイプ2のSPDの主要な定格です。より高い で 定格（例：20kA対10kA）は一般に耐用年数が長いことを意味する。.
最大放電電流（Imax）： これは、SPDが8/20 µsの波形で1回処理できる最大ピーク電流である。フェイルセーフ」能力の指標となる。タイプ2のSPDの定格です。.
インパルス電流（Iimp）： この評価はタイプ 1 SPD に固有のものです。これは、高エネルギー10/350 µs波形でシミュレートされた直接落雷に対するSPDの耐性を示します。タイプ インプ 定格は、サービスエントランスまたは直撃にさらされる可能性が高い場所に必要である。.

選考ガイダンス：

建物の通用口での直撃に対する保護には タイプ1 SPD を持つ。 インプ 定格（例：12.5kAまたは25kA）が必要である。.
サブ配電盤や最終機器の近く（ソーラー・インバータのDC入力など）の保護には タイプ2 SPD 堅牢な で 定格（例えば20kA）が標準的な選択である。.

故障モードと熱保護の重要性

SPDの主力部品であるMOVは、時間とともに劣化することが分かっている。これは致命的な故障モードにつながる： 熱暴走.

MOVが古くなると、通常の動作電圧におけるスタンバイ・リーク電流が増加します。この電流の流れは熱を発生させます。この熱が管理されないと、MOVの導電率が上昇し、それがリーク電流を増加させ、危険な正帰還ループを作り出します。MOVはどんどん熱くなり、通常は短絡によって壊滅的に破損します。大電力DCシステムでは、この短絡が火災、アーク放電、SPDおよび周辺機器の破壊につながる可能性があります。.

これを解決するために、信頼できるメーカーはSPDに熱保護機能を組み込んでいる。A 熱保護MOV（TPMOV） は、MOV本体に接着されたサーマルディスコネクタ素子を含む。.

どのように機能するか MOVが過熱し始めると、熱暴走する前にディスコネクト素子が作動します。これにより、MOVが回路から物理的に切り離され、安全な開回路寿命末期状態になります。.

これは、最新のMOVベースのSPDにおいて最も重要な安全機能です。単にそれ自体がオフラインになることで安全に故障するデバイスと、発火することで故障するデバイスの違いです。.

重要な収穫 必ず、熱保護機能を内蔵したSPDを指定し、取り付けてください。視覚的なステータスインジケータ（多くの場合、緑から赤に変わるフラグ）は、このサーマルディスコネクタにリンクしています。これは、保護エレメントが安全に切断され、SPDモジュールを直ちに交換する必要があることを示しています。.

実世界での応用：どこで DC SPD 重要である

直流SPDはどのような直流システムでも価値があるが、いくつかの重要な用途では譲れない。.

太陽光発電（PV）システム

太陽電池アレイは、その性質上、大気現象に大きくさらされる。多くの場合、野外や屋上に設置される大型の金属製構造物であり、長い直流ケーブルが近くの雷からの誘導サージを拾うための完璧なアンテナとして機能する。パネルからコンバイナーボックス、インバーター入力までの太陽光発電設備の直流側は、システムの最も脆弱なポイントである。.

プレースメント戦略： 長いDCケーブルの両端にはSPDが必要です。.
- コンバイナーボックス タイプ2 DC SPD パネルを保護するために、コンバイナーボックスに取り付ける必要があります。.
- インバーター： 堅牢なタイプ2のDC SPDは、セントラルまたはストリング・インバータのDC入力において絶対的に重要である。これはシステムで最も高価な単一コンポーネントの最後の防衛ラインです。.

産業用および電気通信用アプリケーション

電気通信： DC48V電源は、電気通信およびデータセンターの世界標準です。SPDは、セルタワーや基地局の整流器、バッテリープラント、高感度無線機器の保護に不可欠です。.
バッテリーエネルギー貯蔵システム（BESS）： これらのシステムには、大規模なバッテリーバンクと双方向インバーターが含まれます。SPDは、バッテリ管理システム（BMS）とDC-DCコンバータを系統誘導サージや雷から保護するために極めて重要です。.
産業制御システム： DC電源のセンサー、アクチュエーター、PLC制御を使用する施設では、サージに関連する機器の故障によるコストのかかるダウンタイムを防ぐため、DC SPDを設置する必要があります。.

インストールのベストプラクティス：プロテクションを妥協しない

高価で完璧な仕様のSPDも、設置の不備で役に立たなくなることがあります。高周波サージ事象の物理学は、ワイヤーの1cm単位が重要であることを意味します。.

ルール#1：リードの長さを物理的に可能な限り短くする

サージ電流とは、非常に立ち上がりの速いパルス（高 di/dt).SPDをラインとグランドに接続するワイヤーにはインダクタンスがある。このインダクタンスによって、電圧降下(V = L * di/dt) の上に SPD自身のクランプ電圧(上へ).

例たった1メートルの接続ワイヤーでも、一般的なサージ時には1000Vを超える電圧を加える可能性があります。SPDに 上へ 1500Vの場合、電線から1000Vが追加されると、「保護された」機器は2500Vを見ることになる。.

プロのアドバイス 50cmルールに従ってください。SPD（フェーズ＋グラウンド）との接続リードの長さの合計が50cmを超えないようにしてください。インダクタンスループをさらに小さくするため、可能な限りリード線をねじって接続する。SPDは、メインバスバーの接続ポイントのできるだけ近くに取り付けてください。.

ルール#2：堅固で低インピーダンスのグラウンドは譲れない

SPDは電流をアースに迂回させることで機能する。アース接続が弱かったり、抵抗性であったり、存在しなかったりすると、サージの通り道がなくなります。エネルギーは別の経路を見つけるだけです。SPDの接地接続が、適切なサイズの導体で主装置接地（EGC）および接地電極システム（GES）に直接結合されていることを確認してください。.

よくある質問（FAQ）

1.DCアプリケーションにAC SPDを使用しないことはできますか？
絶対にダメだ。説明したように、AC SPDは直流追従電流アークを消弧できないため、重大な火災と安全上の危険がある。両者は根本的に異なるものであり、交換してはならない。.

2.kA定格は（Imaxのように）高い方が常に良いのですか？
必ずしもそうではない。評価が高いほど堅牢性が高いことを示すが、それよりも重要なのは 正しい 上へ そして MCOV. .間違ったMCOVの40kA SPDは、適切に選択された20kA SPDよりも早く故障し、保護性能も低下します。まず正しい電圧パラメータを選択することに重点を置き、次に被ばくレベルに適したkA定格を選択します。.

3.タイプ1とタイプ2の違いは？ SPD?
タイプ 1 の SPD は、サービスエントランスに設置するよう設計されており、直撃雷インパルス (インプ, 10/350μs波形）。これは防御の第一線である。タイプ2のSPDは下流に設置され、より一般的な誘導サージ(で, 8/20µs 波形）。タイプ 1 が必要な場合にタイプ 2 を使用することはできない。.

4.SPDはどのくらいの頻度で交換する必要がありますか？
決まったスケジュールはない。SPDは、遭遇するサージの数と大きさに基づいて劣化する。このため、視覚的な状態表示器が不可欠である。保守計画には、すべてのSPDの定期的な目視点検を含めるべきである。インジケータが赤色の場合（または障害を示す場合）は、モジュールを直ちに交換する必要があります。.

5.私のSPDは赤ランプです。私のシステムは保護されていないのでしょうか？
そうです。赤色インジケータは、内部熱保護がその役割を果たし、危険な故障を防ぐために回路からMOVを永久的に切り離したことを意味します。SPDモジュールは「開回路」となり、保護機能はゼロになります。交換が必要です。最近のSPDのほとんどはモジュールのプラグインが可能で、ベースの配線を変更することなく素早く交換できます。.

結論究極の保険

高価な直流システムの世界では、直流サージ保護デバイスはオプションの付属品ではなく、信頼性と回復力のある設計の基本コンポーネントです。数千ドル、あるいは数百万ドルの価値のある資産を保護するために、自らを犠牲にする用意のある静かな守護者なのです。.

単純な「避雷器」用語を超えて、MCOV、Up、絶縁調整などの工学原理を取り入れることで、サージ保護をチェックリスト項目からリスク軽減のための計算された戦略に変えることができます。技術を理解し、用途に適したデバイスを選択し、細心の注意を払って設置することは、単なるベストプラクティスではなく、勤勉なプロのエンジニアの証です。インバータが壊れたり、セルサイトが暗くなったりする悪夢が現実になるのを待つ必要はありません。前もって適切な保護に投資し、システムが長持ちするようにしましょう。.