【絶縁協調】避雷器の制限電圧と機器の耐電圧の関係とは？6.6kVの60kV・33kVと、低圧の過電圧カテゴリ
避雷器や機器の仕様書、電験の電力科目に出てくる「絶縁協調」。用語集では一言で説明されますが、何と何を協調させるのか、6.6kVでは具体的にどんな数字になるのか、低圧ではどう考えるのかまでは分かりにくい言葉です。この記事は、この3つだけにしぼって説明します。
ペン太
ハリタ
結論
絶縁協調は、避雷器・SPDで電圧を抑え、その下で機器が耐えるように、両方の数字を組み合わせる考え方です。6.6kVでは、避雷器の制限電圧33kV以下に対して、機器の雷インパルス耐電圧が60kVで、約1.8倍の余裕があります。低圧は、過電圧カテゴリⅣ〜Ⅰで段階的に考えます。
この記事に出てくる言葉
読む前に、意味をざっと押さえておくと分かりやすくなります。
| 言葉 | 読み方 | やさしい説明 |
|---|---|---|
| 絶縁 | ぜつえん | 電気を通さないもので包んだり隔てたりして、電気が漏れないようにすること。 |
| 耐電圧 | たいでんあつ | 絶縁が破れずに耐えられる電圧。機器ごとに決まっている。 |
| 過電圧・サージ | かでんあつ | ふだんより高い電圧。雷などで一瞬だけ来るとても高い電圧をサージと呼ぶ。 |
| 避雷器（LA） | ひらいき | 高い電圧が来たときだけ電気を大地へ逃がし、電圧を抑える装置。 |
| 制限電圧 | せいげんでんあつ | 避雷器が雷の電流を逃がしているとき、両端に残る電圧。 |
| SPD | エスピーディー | サージ防護デバイス。低圧で、避雷器と同じように電圧を抑える装置。 |
| 雷インパルス耐電圧 | かみなりインパルスたいでんあつ | 雷のような、ごく短い時間の高い電圧に耐える力。 |
| 商用周波耐電圧 | しょうようしゅうはたいでんあつ | ふだんと同じ50・60Hzの電圧を、決められた時間（1分など）かけても耐える力。 |
「絶縁協調」を理解するために、土台になる考え方を3つだけ押さえておきましょう。
電圧が高すぎると、絶縁は破れる
電線や機器は、絶縁物で電気を閉じこめています。ところが、絶縁物が耐えられる以上の電圧がかかると、絶縁が破れて電気が漏れ、ショートや火災、故障の原因になります。
雷などで、一瞬だけ高い電圧が来る
近くに雷が落ちたり、開閉器を操作したりすると、ほんの一瞬だけ、ふだんの何倍もの電圧（サージ）が電線に入ってきます。
すべてを強くするのは、高くつく
すべての機器を雷に耐えるほど強く作ると、大きく高価になります。そこで、電圧を抑える装置と、機器の耐える力を組み合わせて守ります。
絶縁協調とは？ ― 「抑える」と「耐える」の組み合わせ
ペン太
ハリタ雷のサージは数百kVにもなり、そのまま機器に入れば絶縁が破れます。かといって、すべての機器を数百kVに耐えるように作るのは現実的ではありません。そこで、避雷器（低圧ではSPD）で電圧を一定の値（制限電圧）まで抑え、機器はそれより高い耐電圧を持つようにします。この組み合わせを決めるのが絶縁協調です。
大切なのは、抑えた電圧と耐える電圧のあいだに余裕をとることです。避雷器から機器までの配線や接地線でも電圧が上乗せされるので、ぎりぎりでは足りません。
- 避雷器・SPDで、電圧を制限電圧まで抑える
- 機器は、それより高い耐電圧を持つ
- 2つのあいだに、余裕をとる
6.6kVの数字で見る ― 60kV・33kV・22kV・8.4kV
ペン太ハリタ高圧受電設備で使う配電用避雷器と、6kV級の機器の数字を並べると、絶縁協調の考え方がよく分かります。
| 数字 | 何の値 | 意味 |
|---|---|---|
| 60kV | 機器の雷インパルス耐電圧 | 雷のような短い高電圧に耐える力 |
| 33kV以下 | 避雷器の制限電圧（8/20μs・2.5kA） | 雷の電流を逃がしているときに残る電圧 |
| 22kV | 機器の商用周波耐電圧 | 50・60Hzの電圧に1分間耐える力 |
| 8.4kV | 避雷器の定格電圧 | ふだんの電圧や地絡時の電圧では動かないための値 |
| 約3.8kV | ふだんの対地電圧 | 6,600V÷√3 |
避雷器が抑える33kVと、機器が耐える60kVのあいだには、約1.8倍の余裕があります。この余裕を食いつぶさないように、避雷器は守る機器の近くに付け、接地線はA種接地で太く短くします（高圧受変電設備の設計マニュアル⑤、避雷器LAの設置基準と接地線の太さ）。なお、制限電圧などの数字は、配電用避雷器の規格（JEC-203）の値です。
- 機器の雷インパルス耐電圧60kV、商用周波耐電圧22kV
- 避雷器の制限電圧33kV以下、定格電圧8.4kV
- 余裕は約1.8倍。近くに、太く短く
低圧の絶縁協調 ― 過電圧カテゴリⅣ〜Ⅰ
ペン太ハリタ低圧では、機器が建物のどこに付くかで過電圧カテゴリ（耐インパルス電圧カテゴリ）を4段階に分け、それぞれに耐えるべき電圧を決めています。雷サージは引込口から入ってくるので、引込口に近いほど強く、奥の電子機器ほど弱くてよい、という考え方です。
| カテゴリ | 主な場所・機器 | 対地電圧150V以下 | 対地電圧300V以下 |
|---|---|---|---|
| Ⅳ | 引込口・電力量計 | 4kV | 6kV |
| Ⅲ | 分電盤・固定の設備 | 2.5kV | 4kV |
| Ⅱ | コンセントにつなぐ家電 | 1.5kV | 2.5kV |
| Ⅰ | 弱い電子機器 | 0.8kV | 1.5kV |
カテゴリの境目にSPDを置き、次の段の機器が耐えられる電圧まで、少しずつ下げていきます。SPDのクラスⅠ・Ⅱ・Ⅲの選び方は内部雷保護とSPD、家庭での雷対策は雷で家電が壊れるのはなぜ？で説明しています。表の数字は、IEC 60664-1（JIS C 60664-1）の耐インパルス電圧の表にもとづいています。
- 低圧は、場所で過電圧カテゴリⅣ〜Ⅰに分ける
- 150V以下なら4kV・2.5kV・1.5kV・0.8kV
- 境目ごとにSPDを置き、段階的に下げる
まとめ｜結論
結論
絶縁協調は、避雷器・SPDで電圧を抑え、その下で機器が耐えるように数字を組み合わせる考え方です。6.6kVでは、制限電圧33kV以下に対して雷インパルス耐電圧60kVで、約1.8倍の余裕があります。低圧は過電圧カテゴリⅣ〜Ⅰで、引込口ほど強く、奥ほど弱い機器をSPDで段階的に守ります。
絶縁協調を確かめるときは、この順で見ます。
- 守りたい機器の耐電圧（雷インパルス・商用周波）
- 避雷器・SPDの制限電圧（電圧防護レベル）が、それより十分低いか
- 避雷器・SPDが機器の近くにあり、接地線が太く短いか
- 低圧なら、カテゴリの境目ごとにSPDがあるか
よくある質問
絶縁協調とは何ですか？
機器の絶縁の強さ（耐電圧）と、雷などの過電圧を抑える装置（避雷器やSPD）の性能を組み合わせて、安全で経済的な設備にする考え方です。すべての機器をうんと強くするのではなく、抑える装置で電圧を下げ、その下で機器が耐えるようにします。
6.6kVの機器と避雷器の数字は、どう関係していますか？
一般的な配電用避雷器（定格電圧8.4kV・公称放電電流2.5kA）の制限電圧は、規格値で33kV以下です。一方、6kV級の機器の雷インパルス耐電圧は60kVで、避雷器が抑えた電圧と機器が耐える電圧のあいだに約1.8倍の余裕があります。
制限電圧とは何ですか？
避雷器が雷の電流を大地へ逃がしているときに、避雷器の両端に残る電圧です。この値が、守られる機器の耐電圧より十分低いことが大切です。
低圧の過電圧カテゴリとは何ですか？
低圧の機器を、建物のどこに付くかで4段階に分け、それぞれに耐インパルス電圧を決めたものです。対地電圧150V以下では、引込口（Ⅳ）4kV、分電盤（Ⅲ）2.5kV、家電（Ⅱ）1.5kV、電子機器（Ⅰ）0.8kVです（IEC 60664-1／JIS C 60664-1）。
避雷器やSPDは、どこに付ければよいですか？
守りたい機器のできるだけ近くに、太く短い接地線で付けます。接地線や配線が長いと、そのぶんの電圧が上乗せされ、機器にかかる電圧が制限電圧より高くなります。
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