規制により安全回路に対するサージ保護が義務付けられています

AutomationDirect、プロダクト マネージャー、PE、Brent Purdy 氏

安全性を組み込むことは産業機械の設計の基本的な要件です。 安全な実践とシステムは、技術の進歩に合わせて継続的に更新される詳細な規定と仕様に基づいた慎重な計画の結果です。 近年、基準が何度も引き上げられ、オペレーターの安全性と機械の保護が向上しました。 最近の例では、人員の安全を確保するために、安全インターロック回路と消火ポンプ制御装置に対するサージ保護の追加要件が挙げられます。

緊急停止 (E-stop) および安全インターロック回路は、長い間適用される規定の一部でした。 産業機械および関連システムの場合、これらの安全装置は、非常停止ボタン、ドア リミット スイッチ、ガード リミット スイッチ、ライト カーテン、およびその他のコンポーネントの形式をとっています。これらはすべて、安全定格のリレーまたはコントローラに直接接続され、電力を遮断します。問題が発生した場合の機械。 したがって、機械製造業者は、これらの安全規定と、これらの重要な安全機能を機器設計に統合する必要性についてよく知っています。

近年、特に重要なプロセスや安全アプリケーションにおいても電子デバイスがより一般的に使用されるようになり、業界全体で電力品質とサージ保護への注目が高まっています。 いかなるタイプの安全インターロック回路でも、電気サージによって故障した場合、オペレーターは大きな危険にさらされます。 新しい規定では、安全インターロック回路はサージ抑制装置によって提供される追加の保護から恩恵を受ける必要があると認識しています。 この記事では、要件の背景と更新されたコードに準拠する方法を検討します。

いくつかのコードは機械製造業者に影響を与える可能性があります。 米国では、相手先商標製品製造業者 (OEM) 機械メーカーは、全米電気規格 (NEC) としても知られる全米防火協会 (NFPA) 70 に最も精通しています。 地方自治体は通常、発行から数年以内に NEC のバージョンを採用するため、OEM はそれまでに準拠する必要があります。 産業機械に関する具体的なガイダンスを記載した NFPA 79 や、米国規格協会 (ANSI)、国際電気標準会議 (IEC)、および国際標準化機構 (ISO) によるその他の規格もあります。

NEC 670.6 の 2017 年改訂版に追加された主要な項目には、「安全インターロック回路を備えた産業機械にはサージ保護が設置されているものとする」と記載されています。 NFPA 79 2018 では、NEC と調和して同じ要件が採用されました。

その理由は、2013 年から 2014 年に調査した施設管理者の 4 分の 1 以上が、電気サージ現象による安全インターロック回路の損傷をサイトで経験したと回答したことです。 サージ抑制は十分に理解されており、費用対効果の高い技術であるため、重要なアプリケーションに適用することは意味があります。

コード要件を超えて、ソリッドステート電子コンポーネントまたはマイクロプロセッサを使用するアプリケーションにサージ抑制を組み込むことがベスト プラクティスであり、賢明な投資です (図 1)。 これは、あらゆる種類の困難な産業環境に設置されたシステムにとって特に重要ですが、実際には、どの場所でも電気サージの影響を受ける可能性があります。

図 1: この一般的な電源タップはサージ イベントの結果を示していますが、ソリッドステート エレクトロニクスを使用するデバイスは、センサーやコントローラーなどの堅牢な産業用デバイスであっても、電気サージによる損傷を受けやすくなります。

過渡過電圧またはスパイクとも呼ばれる、十分に大きな電気サージにさらされると、どんな電気機器も故障する可能性があります。 しかし、多くのソリッドステート電子部品やマイクロプロセッサは接続や電気配線が小さいため、リミットスイッチやリレーなどの単純な電気機械デバイスよりも繊細でサージに敏感です。

コード化された非接触スイッチやライト カーテンなど、電子要素を組み込んだ安全インターロック デバイスのオプションが多数利用可能になりました。 これらの高度なコンポーネントは、破壊するのが難しく、人が危険なエリアに近づく前にオペレータの存在を感知することにより、安全性を強化できます。

機械であろうと大規模なプロセスであろうと、あらゆる安全システムの要は、安全回路が壊れたときに電力を遮断するように動作するリレー、安全コントローラ、またはプログラマブル ロジック コントローラ (PLC) です。 これらのデバイスは安全信号を常に監視し、重要なインターロック機能を実行します。安全サービス向けに設計およびテストされていますが、電気サージによって損傷する可能性があります。 したがって、サージ抑制装置で保護すると、さらに確実に動作します。 安全回路に関連する信号配線は、ほとんどの機械または大規模な施設全体に配線されることが多いため、安全システムはさらに過電圧過渡現象にさらされ、脆弱になります。

コード変更の影響を受けるシステムは安全インターロック回路だけではありません。 2014 年の NEC 改訂では、配電盤および分電盤の非常用システムにサージ保護の要件が追加されました。

2017 年、NEC 695.15 は、この必要な保護を消防ポンプ制御装置に拡張します。 NEC は、人や財産を電気的危険、主に火災から保護することに重点を置いています。 したがって、消火に使用される消防ポンプには特別な配慮が払われます。

ソリッドステートエレクトロニクスとマイクロプロセッサは、開閉装置や消火ポンプなどの重要なインフラストラクチャのサブシステムの自動化において重要な役割を果たします。 産業安全および制御ドメインの他の分野と同様に、重要なインフラストラクチャの制御はマイクロプロセッサベースの制御のパフォーマンスと機能の恩恵を受けることができますが、本質的にこれらのコントローラはサージの影響を受けやすくなっています。

NFPA の調査結果によると、2013 年から 2014 年にかけて参加者の 10% 以上が、電気サージの問題による何らかの形の消防ポンプ制御装置の損傷を報告しました。 これは、損傷の可能性を減らすために、これらのシステムにサージ抑制機能を組み込むことを義務付けるのに十分な大きな懸念を引き起こします。

電気サージから機器を保護する主な方法は、適切なサイズと定格のサージ保護デバイス (SPD) を対象回路に供給する電力線に接続することです。 サージ保護装置は、特に UL 508A にリストされている産業用制御パネルに取り付ける場合、サージ保護装置に関する Underwriter's Laboratories (UL) 1449 規格に準拠する必要があります。

産業用 SPD は通常、過渡過電圧スパイクを別の導体またはグランドに分流するようにサイズおよび構成された金属酸化物バリスタ (MOV) を組み込むことによって機能し、電流が保護されたコンポーネントから離れる方向にリダイレクトされ、コンポーネントを保護します。 通常、SPD は回路と並列に接続されます。 SPD は、過渡現象が発生するまでは受動デバイスであり、過渡現象が発生すると、ラインからグランドへの接続やラインから中性線への接続など、適切な保護モードを介してエネルギーを安全に分流する動作を「実行」します。 他の技術も可能ですが、それらはすべて、しきい値電圧を超えると電流を導通し、方向を変えることによって機能します。 このしきい値電圧は、通過電圧またはクランプ電圧としても知られています。

UL 1449 規格は SPD をタイプ別に分類しており、産業用制御パネル アプリケーションで最も一般的な 2 つのタイプはタイプ 1 とタイプ 2 です。どちらも機器を保護するために永続的に接続されていますが、タイプ 1 はサービス機器の過電流装置の上流の両方に接続できます。または下流側。 タイプ 2 は負荷側の下流にのみ接続できます。 デバイスの仕様には、この定格と、各相のサージ容量が数千アンペアで示されます。 これらのデバイスは UL508A 制御パネルでの使用を目的としているため、設計者が必要な短絡システムの計算を実行できるように、短絡電流定格も提供する必要があります。

これらのデバイスの欠点の 1 つは、動作寿命が限られており、一定回数のサージ イベントが発生すると保護機能が低下することです。 ユーザーが保護がアクティブであることを知る唯一の方法は、SPD が故障接点または表示灯を提供するかどうかです。 表示灯は通常、地絡回路遮断器のようなもので、保護機能が機能している場合は点灯または緑色、そうでない場合は消灯または赤色です。

SPD はいくつかのフォーム ファクタで提供されます。 1 つのスタイルは、パススルー DIN レール端子台のように構成されています。 ただし、便利で一般的に使用されるスタイルでは、延長リード線を備えた小さな筐体にサージ抑制機能がパッケージ化されています。 この汎用性の高いスタイルは、開閉装置、制御パネル、機械の配線内およびその周囲での使用に適しています (図 2)。 探すべき機能は次のとおりです。

図2:UL タイプ 1 サージ保護を提供するこの Mersen モデルのようなサージ保護デバイスは、コンパクトで柔軟に設置でき、LED ステータス インジケータ ライトを備えています。

適切なサイズのデバイスを選択したら、設計者は、NEC 670.6 への準拠を維持するために、安全インターロック回路を動作させるすべての制御電圧がサージ抑制によって保護されていることを確認する必要があります。 また、この記事の前半で述べたように、消火ポンプ制御に電力を供給する電源回路には同じ種類の保護が必要です。 実際、SPD によって提供される保護は、電気サージによる機器の故障や停止に対する安価な保険であり、理想的には産業用コントローラーや機器に電力を供給するあらゆる電源回路に適用する必要があります。

慎重なサージ保護設計には、施設または機器内での多層防御戦略が必要です。 これにより、カスケードレベルの保護が可能になり、落雷や大規模な外部スイッチングイベントによって発生する可能性のある大量のエネルギーを放散できます。 また、大型モーターやコンデンサーのスイッチングの開始など、内部で発生するサージが配電システムの複数のレベルで発生する可能性があります。 多層防御は、複数のアプリケーションのリスクを軽減する効果的な方法です。

通常、施設内では、メインの引き込み口にタイプ 1 SPD を保護の第一線として指定する場合があります。 さらに、タイプ 1 または 2 の SPD は、施設内の複数のレベルの配電盤に設置されます。 最後に、ここで説明したように、安全回路を備えた機械への電源には保護が必要です。 賢明なエンジニアは、次のような機器にサージ保護を指定して設置する必要があります。

産業機械および自動化機器の設計者は、今後 2017 NEC 670.6 に準拠することが求められます。 これは、すべての新しい機械およびシステムに安全インターロック回路用のサージ抑制装置を取り付けることを意味します。 これは NEC で指定されているため、新しい施設の電気検査官は準拠性を確保するために厳しい検査を行うことになります。

幸いなことに、このカテゴリは明確に定義されており、このサービス用に経済的で簡単にインストールできる製品がすぐに入手できます。 電子機器やコントローラーを保護するためにサージ抑制が実現されるため、コンプライアンスには追加の利点が伴うため、設計者はあらゆる形式の産業機器にこれらのデバイスを追加することを検討する必要があります。

これらの新しい要件は、サージ保護に対する注目を集めている規制の波の始まりにすぎません。 住宅における地絡保護やアーク障害保護と同様に、将来の規制では他の分野でもサージ保護が検討される可能性があります。 設計者は、産業用データラインと制御信号、住宅サービス、または電源に敏感な機器を供給するアプリケーションへのサージ保護を考慮する必要があります。 それは賢明であり、いつか必要になるかもしれません。

著者について

PE の Brent Purdy は、AutomationDirect.com の電源および回路保護の製品マネージャーです。 現在の職に就く前は、Brent はプロダクト エンジニアであり、2013 年に AutomationDirect に入社する前は、Polytron で電気担当リードおよびシニア エンジニアとして、また Westinghouse Anniston でシステム エンジニアとして働いていました。 ブレントはジョージア工科大学で BSEE の学位を取得しており、ジョージア州の認定プロフェッショナル エンジニアです。

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