電子機器に対する過電圧・過電流対策と保護協調の考え方

組み込みエンジニア

こんにちは、ENGかぴです。

電子機器において電源周りの過電圧・過電流対策の設計は大切です。雷が落ちたことによって発生した誘導雷によって電子機器が壊れてしまう可能性があるからです。電子機器に対する過電圧(バリスタ)・過電流対策(ヒューズ)と保護協調についてまとめました。

保護協調とは

保護協調は、電力系統の事故(故障)が発生した場合、事故を検出し、故障区間を切り離すことで他の回路に影響を与えないように遮断器(ブレーカー)やヒューズを切り離すことです。

遮断器やヒューズが切れるタイミングがバラバラだと本来守りたい箇所が先に壊れてしまうなど問題となります。

身近な例で考えると、家で暖房をつけた状態でホットプレートやストーブを使いすぎると停電するようなイメージです。この時の停電は、家の全体が停電するよりも先に電気を使いすぎた箇所のブレーカが先に落ちていることが多くあります。

保護協調ができていないと、いきなり家の全体が停電することがあります。ブレーカーはこれ以上電気を流すと発熱によって火事になってしまうことを防ぐために設置されています。

ホットプレートやストーブは消費電力が高い機器になります。このため同時に使用した場合電流が多く流れることから危険だと判断してブレーカが動作することがあります。

保護協調のイメージ

保護協調をイメージで示したいと思います。下の図は、保護協調によって遮断したい箇所のみが遮断できている例です。

保護協調の例
保護協調の例

負荷Aがオーバー負荷になって電流が増えたとき負荷Aのブレーカが動作して負荷Aへの電気の供給を停止しています。負荷Bと負荷Cはオーバー負荷ではないので、通常に電気が供給できている状態が続きます。

負荷A・負荷B・負荷Cが短絡故障(プラスとマイナスをそのままつなぐ)が起こると20Aを超える電流が流れることがあります。この場合においても先に事故点の遮断器が先に動くことが望ましいです。先に20Aの遮断器が動作したとなると保護協調が取れていないと言えます。

次に、保護協調ができていない例について示します。

保護協調ができていない例
保護協調ができていない例

この例では、負荷A・負荷B・負荷Cの合計の電流が前段のブレーカの定格電流を超えています。このため10Aで遮断するブレーカが動作してしまうと負荷A・負荷B・負荷Cのすべてにおいて電気の供給が停止してしまいます。

保護協調を検討するにあたっては、ブレーカの動作する時限を把握しておく必要があります。メーカーのデータシートの電流と動作時限を見て何秒程度で動作する可能性があるのかを確認しながら各点に配置していく必要があります。

過電圧と過電流の対策

産業用の電子機器は工場や屋外に設置されることがあります。屋外に近いほど落雷による誘導雷などの過電圧によって電子機器が故障してしまうことが良くあります。

特に夏場は、雷が多いことから電子機器の故障の頻度が増えてしまいます。過電流の保護の観点と過電流の保護の観点から電子機器の保護について考えてみます。

過電圧の対策

過電圧とは、電圧が過剰にかかることになります。雷が落ちたとき地面を伝ってサージ(大きな電圧と電流)が流れてきます。

サージが電線に乗ってきたときに主電源近傍の遮断器(ブレーカ)が動作する前に過電圧が印加されることがあります。

過電圧が電子機器の電源に波及しないように保護する必要があります。過電圧を保護する電子部品としてバリスタと呼ばれるセラミック素材の部品があります。

バリスタは、過電圧がかかると電気抵抗が小さくなる特性があります。 電気抵抗が小さくなり電気の特性から抵抗の小さい方へ電気が流れため電子機器内部に過電圧による電流が流れにくくなります。

バリスタは、過電圧がかかると電気抵抗が小さくなる特性があります。

電気抵抗が小さくなり電気の特性から抵抗の小さい方へ電気が流れため電子機器内部に過電圧による電流が流れにくくなります。

これはオームの法則:V=R×I(Vが一定でRが小さくなるとIが大きくなる)に従ってのことです。

過電圧対策(バリスタ)の例
過電圧対策(バリスタ)の例

通常は①のように装置内のAVRに電流が流れます。過電流が発生すると②のようにバリスタに電流が流れるようになります。バリスタは保護電圧を定格で決めることができAC100Vならバリスタ電圧が200Vのものを選択することで過電圧の保護ができます。

メーカのデータシートには用途がかかれていることが多いので参考にしながら選択すると良いでしょう。バリスタの寿命計算や選定方法については下記記事にまとめています。

バリスタのサージ耐量に関する寿命計算と選定例

バリスタ電圧200Vというのは過電圧が印加された時に200V程度で電圧が落ち着くということになります。電圧が上がればその分電流が流れることになりますが、バリスタ側に電流が流れることで電子機器を保護することができます。

過電流の対策

過電流とは、定格よりも大きな電流が流れることを言います。過電流が流れることによって消費電力が増えて発熱し機器が故障する原因になります。

ヒューズは、過電流が一定時間流れ続けたときに熱によって溶断する性質を利用して電気の供給を止める素子です。 ヒューズは遮断電流と遮断までの時限の特性表をみながら選定する必要があります。

ヒューズは、過電流が一定時間流れ続けたときに熱によって溶断する性質を利用して電気の供給を止める素子です。

ヒューズは遮断電流と遮断までの時限の特性表をみながら選定する必要があります。

例えば、1A流し続けた場合は30秒間流れ続けると溶断する特性のヒューズを選定し、これに3A流した場合は5秒で溶断したりします。下のイラスト例でAVRを含めて電子機器を保護する例を示しています。

過電流対策(ヒューズ)の例
過電流対策(ヒューズ)の例

AVRに2Aのヒューズが内蔵されているとします。2A以上の電流が流れ続けた場合を想定すると、保護協調の関係からAVRの前段のヒューズが先に溶断するように設置する必要があります。

この場合はAVR前段のヒューズが、1.0Aから1.5Aで溶断するようなものを選んだほうが良いのですが、あまり余裕を見て低くしすぎると突入電流などで溶断することもあり得るので注意が必要です。

バリスタで過電圧を押さえていたとしても過電流から復帰するときバリスタの若干の容量性によって電流がAVRの方向に流れてくることがあります。この過電流が流れすぎるとAVRにダメージになるために前段のヒューズで保護することは有効となります。

ヒューズが溶断しても交換するだけで電子機器が再利用できるため消費電流が大きな電子機器についてはヒューズが内蔵されているケースが多いと思います。

保護協調の失敗の例としては前段のヒューズが溶断する前にAVR側のヒューズが溶断することです。AVR側が切れると装置を交換するしかなくなるケースがあります。

バリスタとヒューズによる過電圧と過電流保護を行っていたとしても雷によるサージは大きく保護できないケースが良くあります。本来であれば、大きな過電圧を検知すると電子機器に波及する前にブレーカが働くことが理想です。

既設の設備に追加する場合など保護装置の配置の関係上、保護協調がうまくできておらず保護できないケースがあるため難しいところです。

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最後まで、読んでいただきありがとうございました。

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