雷サージ｜保護とJIS/IEC規格基礎要点

2025.08.20

雷サージ

雷サージとは、落雷や雷放電の誘導により系統や配線に瞬間的な過電圧・過電流（transient overvoltage/overcurrent）が印加される現象である。落雷が直接配電線や建築物に流入する場合だけでなく、遠方落雷の電磁誘導でも数kV級のインパルスが発生し、電源系・通信系の機器を破壊または誤動作させる。一般にLEMP（lightning electromagnetic pulse）の一形態として扱われ、保護にはSPD（surge protective device）や等電位ボンディング、適切な接地・配線設計が不可欠である。工場のインバータ、PLC、サーバ、センサ、LAN機器、計装回路などは雷サージの主要な影響対象である。

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定義と発生メカニズム

雷サージは「大きく速い立ち上がりを持つ非定常インパルス」であり、代表的な試験波形は電圧1.2/50µs、電流8/20µs、直撃エネルギー想定の10/350µsで表される。発生経路は①直撃電流の導入、②配線・構造体の磁気結合による誘導、③接地系の電位上昇、④遠方開閉動作との合成などである。配線インダクタンスLに急峻なdi/dtが流れるとV=L·di/dtが生じ、数十メートルのケーブルでも高電圧が立つ。

影響と典型的な被害

雷サージは絶縁破壊、半導体素子のpn接合破壊、絶縁劣化、リレー溶着、CPUハング、データ化け、誤リセットなどを招く。特にスイッチング電源の一次整流部、LANのトランス周り、アナログ計装の入力段は弱点になりやすい。

  • 電源系: 整流ダイオード、PFC、一次コンデンサの破壊
  • 通信系: Ethernet/RS-485/4-20mAのトランス・保護素子損傷
  • 安全面: 二次災害として発煙・発火リスク

規格と用語の要点

国際規格ではIEC 62305（雷保護）、IEC 61643-11（AC用SPD）が広く参照され、日本ではJIS C 5381-11等が整合する。SPDの分類はType 1/2/3（Class I/II/III）で、定義上の主パラメータはUc（連続許容電圧）、Up（残留電圧）、In・Imax（8/20µs放電電流）、Iimp（10/350µs衝撃電流）である。装置側の耐性評価にはIEC 61000-4-5（サージイミュニティ）が用いられる。

保護デバイスの種類

代表素子には、クランプ動作のMOV（酸化亜鉛バリスタ）・TVSダイオード、クラウ動作のGDT（ガス放電管）、シリーズ要素（コモンモードチョーク、PTCなど）がある。一般に大電流吸収はMOV/GDT、低残留と高速応答はTVSが適し、複合構成で広帯域・多エネルギーに対応する。

Type 1/2/3の使い分け

建屋引込点にはType 1（Iimp耐量重視）、分電盤・盤間にはType 2（In/Imax重視）、端末機器近傍にはType 3（低Up重視）を段階配置する。これによりエネルギー協調がとれ、雷サージの残留を段階的に減衰できる。

選定の実務ポイント

  1. 定格整合: Uc≥1.1×系統電圧、機器耐圧＞Up
  2. 放電余裕: 立地の雷密度・配電方式を考慮してIn/Imax/Iimpを選定
  3. 保護協調: 上位は高エネルギー、下位は低残留で組み合わせ
  4. 保護連動: 熱保護・溶断器/MCBの短絡保護、状態監視接点の有無
  5. 信号系: 差動・コモン双方の保護、帯域とキャパシタンスの両立

配線・接地のベストプラクティス

SPD接続リードは極力短く（往復合計で約0.5m以下を目標）、ループ面積を最小化する。等電位ボンディングを実施し、盤間・建物内の主要金属体を共通母線に集約する。シールドは高周波では両端接地、低周波計装では片端接地を基本にノイズとグラウンドループのバランスを取る。接地抵抗は用途に応じた目標値を設定し、配線は直角曲げを避ける。

評価・試験の進め方

設計段階ではIEC 61000-4-5の組合せ波（1.2/50-8/20µs）や、信号系のサージ/バースト（IEC 61000-4-4）を想定した部品選定を行う。試作ではクランプ波形、残留電圧、劣化進行（MOVのリーク増大）を測定し、長期ではサージカウンタやSPDインジケータで保全する。

産業設備での対策例

工場の200V三相/単相混在環境を想定する。受電盤にType 1、主要分電盤にType 2、PLC・HMI・サーバの直前にType 3を配置し、EthernetやRS-485にもライン用SPDを挿入する。VFD（インバータ）やサーボは入力・制御双方を保護し、長尺センサ配線には終端側にもSPDを入れて雷サージの進入と反射を抑える。

よくある誤解

  • UPS＝耐サージではない（多くのUPSは大エネルギー雷に非対応）
  • テーブルタップの簡易フィルタでは保護不足
  • 接地だけで十分ではない。SPDと等電位の併用が要点
  • GDT単独は高速成分に弱い。TVSやMOVとの多段が有効

関連する概念との関係

開閉サージ（スイッチング過渡）、ESD、EFT/Burstは周波数成分・時間スケールが異なるが、配線インダクタンスと結合経路を介して似た被害を生む。したがってEMC設計（配線、シールド、フィルタ）と雷サージ対策は一体で最適化することが望ましい。設備の信頼性を高めるには、規格に基づく段階的SPD、短い接続、等電位化、信号系の帯域配慮を統合した設計が要る。立地・架空配電・避雷設備の有無を踏まえ、定期的な点検と記録で対策を維持することが重要である。

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