EMC と設置の安全性: パート 1

Aug 17, 2023

編集者注: この記事では、「接地」、「接地」、または「接地」という言葉は、「アース」、「接地」、または「接地」と同じ意味で使用されます。

システムや設備で使用される電子機器の量と種類が増加し続けるにつれて、EMC はますます重要な問題になっています。 1990 年以来、システムと設備に関する私の仕事のほとんどすべては、同じサイトにある他のアイテムの正しい動作を妨げる機器アイテムに関係していました。

1990 年当時、高速電力スイッチングに絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT) と電力電界効果トランジスタ (PowerFET) を使用した可変速モータ ドライブは、民間携帯無線システムと同様に非常に新しく、どちらも従来の電子機器に多くの問題を引き起こしました。装置。 それ以来、ほとんどの国の EMC 規格と規制により、機器のエミッションとイミュニティが大幅に改善されてきましたが、同時に、可変速モータ ドライブはスイッチングを高速化することにより常に改善されてきました。 スイッチングが高速化することで、効率が向上し、小型化、低コスト化が図られ、その結果、より広範囲に使用されるようになりました。 残念ながら、スイッチング速度が速くなると、より高い周波数でのノイズ放射が増加し、他の機器に干渉する可能性が高くなります (図 1 を参照)。

現在、すべての新しい船舶および潜水艦は電気モーター駆動技術のみを使用しているため、関連するシステムと設備は陸上に設置されているだけではありません。 彼らは依然として巨大な船舶用ディーゼルエンジンを保有していますが、それらはプロペラに直接接続されているのではなく、巨大な発電機を駆動しています。 電気自動車はすでに実用化されており、成長産業であることは言うまでもなく、全電気航空機の開発も計画されています。

スイッチングパワーコンバータにおけるもう一つの大きな技術的飛躍が現在起こっています。IGBTとPowerFETを、通常は窒化ガリウム、GaNをベースとする高電子移動度トランジスタ（HEMT）と、10倍の効率でスイッチングできる炭化ケイ素（SiC）PowerFETに置き換えます。 (またはそれ以上の) 高いレートにより、サイズとコストがさらに削減されます。

これはすべて、電力効率を向上させ、光熱費を節約しながら、CO2 排出量を削減して地球を救うという点で良いニュースです。 しかし、図 1 に示すように、高周波でのノイズ放出レベルが高くなるという大きな EMC ペナルティが伴います。

図 1: さまざまなパワー スイッチング デバイス技術を備えた、定格電力約 100kW の可変速モータ ドライブおよび同様のスイッチング パワー コンバータ装置によって生成されるノイズ スペクトルの例

可変速モータドライブなどの高出力スイッチングコンバータの多くには、EMC に関する取り付け説明書が付属しており、通常は非常に優れています。 しかし、私の経験 (および EMC 業界の他の人の経験) では、営業担当者は、EMI リスクを認識していない顧客との契約を獲得するために、新しいモータ ドライブ システムの EMC 設置要件を無視して価格で競争しています。

新しい産業プラント、科学研究施設、海洋石油/ガスプラットフォーム、鉄道システム、娯楽施設、データセンター、軍艦、クルーズ船などの建設に投資した後で、それが適切に機能しないことが判明するようなことを誰も望んでいません。自己生成EMIのせいです！ 経済的損失は非常に大きくなる可能性がありますが、意図したとおりに機能させるためにプラント、プラットフォーム、船舶などを改造するコストがそれを上回る可能性があります。

他のすべての EMC/EMI 問題と同様、最新の建設プロジェクトの開始時から優れた EMC を設計する方が、はるかに費用対効果が高く、経済的にもリスクが少なくなります。

Tim Williams と私は、2000 年に EMC for Systems and Installations に関する本を共著しました [1]。 建物や敷地について説明しますが、そのマテリアルは、陸上、海洋、海中、航空 (固定翼または回転翼機)、宇宙など、あらゆるタイプの乗り物をカバーするように簡単に拡張できます。

他の多くの問題の中でも、この本では、大規模なシステムや設備で使用されるさまざまな種類の (いわゆる) 「接地/接地」システム/ネットワークの設計と構築について説明します。

この 2 部構成の記事では、本書では説明されていない、これらの「グラウンディング ネットワーク」に関する背景を説明します。 これは、過去数十年にわたって、安全性を確保するための当初の単一点接地スキームから、EMI による生産損失とダウンタイムのコストを最小限に抑えるために EMC をコスト効率よく管理するためのメッシュ構造に開発する必要があった方法と理由を示しています。 、雷も含めて。

すべての配線やケーブルを含む、建物や車両内の金属やその他の導電性構造物は、電源装置や配電網の絶縁不良によって引き起こされる故障電流や、雷によって引き起こされるサージ過渡電流の影響を受ける可能性があります。

故障またはサージ過渡電流がこれらの金属構造やその他の導体のインピーダンスを通って流れると、熱と電位差が生じ、人に火傷や感電の危険を引き起こす可能性があります。

可燃性または爆発性の雰囲気では、高温により火災や爆発が発生する可能性があり、ギャップ間に電位差が生じるとアークや火花が発生する可能性があります。

IEC 安全規格の用語では、保護等電位ボンディング システムは、絶縁不良や落雷の間接的な影響により人に感電を引き起こす可能性のある「接触可能な」金属部品をすべて相互接続することによって作成される全体的な導電構造です2 (図 2 を参照)。

図 2: 非常に基本的な保護等電位ボンディング システムのスケッチ

「タッチ可能」とは、人の体のどの部分でも同時に手の届く範囲にある金属/導電性の部分を意味します。 これには、たとえば、人の左手と右手の指先が同時に触れてしまうほど近くにある、通路の両側にある機器キャビネットやその他の導電性構造物が含まれます。

「等電位」とは通常、乾燥した環境において、最大連続電位差が 50Hz または 60Hz の主電源周波数で 25VAC rms 以下、または 60VDC 以下であることを意味すると考えられています。 短期間の電位差や雷によるサージ過渡現象については、より高い最大値が許容される場合があります。

上記の値は一般的なものであり、十分に安全であると考えられる実際の値は規格や国によって異なる可能性があり、湿潤または多湿の環境では通常、はるかに低い値が指定されることを理解することが重要です。このような状況では人間の皮膚抵抗力が低下するため、皮膚が汗ばむ可能性があります。3

「タッチ可能」には嵌合コネクタのシェルも含まれ、何メートルも伸びるシールド ケーブルは、ケーブルの長さだけ人間の到達範囲を効果的に延長することを忘れられがちです。 私の友人は、劇場で天井に取り付けられたアンプからオーディオケーブルを外したときに、非常に高いはしごから落ち、片手でアンプを握り、もう一方の手で外したケーブルの金属コネクタを握っていたため、重度の感電を受けました。 。 転んで足を骨折しましたが、その時はとても幸運でした。

「等電位」に許容される最大電位差は、保護等電位ボンディング システム全体で十分に低いインピーダンスを確保することによって達成されます。 長い導体 (最初の 4 分の 1 波長の共振よりかなり下) の直列インピーダンス (Z) は次のとおりです。

Z = √[R2 + (2πf L)2]

どこ：

R = 直列抵抗 (オーム)L = 直列インダクタンス (ヘンリー) f = 周波数 (ヘルツ)

50Hz と 60Hz の場合、ほとんどの実際の導電性構造のインピーダンスは、上式の R 項によって支配されます。 ただし、雷サージ過渡現象のエネルギーのほとんどは 1MHz までのスペクトル領域にあり、数 kHz 以上では、ほとんどの導体の Z は 2πf L 項によって支配されます。 そのため、通常の導体の直列インピーダンス（たとえば、保護等電位ボンディングシステムで機器のアイテムを接合するために使用されるもの）は、数kHzを超えると主に誘導性になります。これは、雷保護（およびEMCについては後述）にとって重要です。

主電源はヒューズなどの過電流保護装置によって常に保護されています。 保護等電位ボンディングシステムの絶縁不良が発生した場合、その結果生じる故障電流は通常の主電源電流よりもはるかに大きくなり、過電流保護が動作して絶縁不良のある導体から電力を遮断します（通常は 1 秒以内）。

正しく設計、構築、維持された保護等電位ボンディング システムの金属構造と導体は、感電を引き起こさない程度に低い抵抗を持っています。 これは、ほとんどの場合、すべての構成部品が十分な導体質量と断面積 (CSA) を備えており、過電流保護が動作して障害のある部品や導体から流れる電流を停止するまでに、それらの部品のいずれにも電流が流れないようにすることを意味します。部品は人の皮膚を火傷するほど高温になります。 通常、最悪の場合の温度上昇は、周囲温度よりわずかに上昇したように手に感じることがあります。4

間接雷サージ過渡電流は数十 kA に達する可能性がありますが、その継続時間は数マイクロ秒と非常に短いため、適切に構築された保護等電位ボンディング システムにおける加熱効果も無視できます。 ただし、これは雷保護システム (LPS) には必ずしも当てはまりません。

可燃性または爆発の可能性のある雰囲気が時々または常に存在する可能性がある場合、異なる金属部品間の最大電位差を減らすために「等電位接合」の追加要件があります。 これは感電の危険を減らすためではなく、火災や爆発の危険を引き起こす火花の危険を減らすためです。 これらについてはここでは説明しませんが、関連する規格で詳しく規定されています。

陸上の建物の場合、この相互接続された接合構造を接地電極（建物の下および/または周囲の土壌に埋められた導体）に接続するのが通常であり、それによって「接地された保護等電位接合システム」が形成されます。 5

感電の危険を防ぐために、接地 (つまり、接地電極への接続) が必ずしも必要ではない、または望ましいわけではないことを理解することが重要です。 たとえば、車載の 230V AC 主電源配電器を備えた車両であっても、安全のために (厳密な意味で) 接地する必要はありません。 そして、それらを接地電極に直接接続しようとしても、あまり成功しないでしょう。

実際、保護等電位ボンディング システムを建物の下および/または周囲の土壌に接続する唯一の理由は、近くで地面に落雷があったのと同時に人々が建物に出入りした場合に、建物とその周囲（歩道、道路、段差、階段、ガントリーなど）との間に生じるサージ過渡電圧は、感電による傷害を引き起こすほど高くはありません。6

230VAC rms 主電源の IEC 安全規格に準拠するすべての非医療機器では、主電源リード線と主電源コンバータの両方が絶縁およびガルバニック絶縁されており、雷サージ過渡現象によって引き起こされる過電圧に少なくとも 3kV rms、4.24kV ピークまで耐えられます。 、何年も繰り返しました。 （医療機器の安全基準では、一般的により高い耐電圧が求められます。）

ずっと昔、電気および電子機器は、電源線の先にある単なる箱でした。 このような機器の場合、固定か可動かに応じて接地するかどうかに関係なく、保護等電位ボンディング システムで十分でした。

ただし、設備内のさまざまな機器を接続する信号/データ ケーブルは長くなる可能性があり、そのため、より大きな電位差にさらされます。 このようなケーブルが、離れた機器を相互接続するために頻繁に使用され始めたとき、主電源ケーブルに使用されるのと同じレベルまでケーブルを絶縁および絶縁するには、コスト、サイズ、重量が高すぎると考えられました。 そこで、ボンディング ネットワーク (BN) が開発されました。

たとえば、雷の影響による電子機器の信頼性の低さ (5 km 程度以内!) が、イーサネットの送信機と受信機が常にデータ絶縁変圧器を使用する理由です。そのため、人々は、保護等電位ボンディングを備えた従来の建物にイーサネットを簡単に設置できます。図 2 に示すような構造 (各金属片からメインのボンディング バーまたは接地バーまでの長いワイヤ)。 この種の従来の設備は数 kHz 以上の高インピーダンスに悩まされ、信号/データ ケーブルで接続された 2 つの機器間で発生する可能性のある雷サージ過渡電圧を制御できませんでした。7

これは、IEC で言うところの、保護等電位ボンディング システムの一部を指します。このシステムでは、導体やその他の金属構造の追加のクロスボンディングを使用して全体のインピーダンスを低減します。これにより、機器のアイテム間で発生する可能性のある高電圧サージ過渡現象の振幅が減少します。雷が原因で遠く離れた場所にあるため、信号ケーブルとデータ ケーブルに手頃な価格の絶縁/絶縁を使用できるほど十分に低い (通常、主電源の絶縁に必要なピーク電圧の半分であり、主電源のガルバニック要件が不要)分離。）

最大 1MHz までの十分に低い誘導インピーダンスを達成するには、ボンディング導体の長さを 1 メートル未満にする必要があります。 これは、機器の主電源リード線の保護導体に依存することによっては達成できません。なぜなら、これらの導体が最終的に接続する主ボンディング (または接地) バーは、住宅のような小さな建物であっても、多くの場合 10 メートル以上離れているからです。 オフィス街や工場では、距離が数十メートルになる場合があります。

「サージ インピーダンス」と呼ばれる、落雷に関連する周波数での導体のインピーダンスが表示されることがあります。 これは、IEC 61000-4-5 で指定されているような「組み合わせ波形発生器」によって作成されるサージ テスト波形に基づく時間領域の概念です。 サージ インピーダンスは、数 MHz を超える周波数では EMC には関係ありません。

クロスボンディング導体およびその他の金属加工は、BN の誘導インピーダンスの低減に強力な効果をもたらします。 最小限のコストで最高の保護を得るには、図 3 に示すように、クロスボンディング導体は信号/データ導体自体のルートに従う (理想的にはストラップで固定する) 必要があります。

図 3: 2 つのボンディング ネットワーク (BN) のスケッチ

IEC 61000-5-2 [3] では、信号/データ ケーブルのルートに沿ったクロスボンディング導体を「保護接地導体」(PEC) と呼び、しばしば「自然金属構造」と呼ばれる既存の構造金属構造がどのように使用されるかを説明しています。導入コストを削減するため。 たとえば、産業用および商業用アプリケーションでは、通常、ケーブルは金属製のケーブル トレイと導管によってサポートされており、それらを互いに電気的に接着するだけで、また、ケーブルが搭載されているさまざまな機器のシャーシ/フレームに接続するだけで、非常に効果的な PEC に変換できます。 .8

通常、BN は建物内の 1 つの部屋で構成され、その部屋には電子機器が含まれているため保護が必要な信号/データ ケーブルがあります。 図 3 に示すように、2 つ以上の個別の BN がある場合、それらは少なくともメイン ボンディング バーへの個別の接続によって相互接続されます。 (メイン ボンディング バーを使用して BN を下の土壌に埋設された接地電極に直接接続する場合)および/または建物の周囲では、「主接地バー」と呼ばれます。)

常に生じる問題は、クロスボンディング導体が、50 または 60Hz の主電源や配電網の絶縁不良によって発生する可能性のある全故障電流を流すことができる定格を備えている必要があるかどうかです。 答えは、保護等電位ボンディング システムが最新の安全要件に準拠しており (かつ継続的に準拠するように維持されている)、そのような障害が発生した際に、絶縁体を含む損傷を受けるほど過熱しないようにする場合です。クロスボンディングは主電源故障電流を流す定格を必要としません。 両端が電気的に結合されたケーブル シールド (RF で適切にシールドする唯一の方法、[1]、[3] を参照) であっても、正しく結合された保護安全システムでは主電源障害によって損傷することはありません。

しかし、従来の保護等電位ボンディング システムの多くは、大規模でコストのかかる改造を行わなければ現代の安全要件を満たさない可能性があり、古い建物の所有者やユーザーの一部は、そのようなコストを回避するために「問題の証拠はない」というアプローチを採用していることが知られています。

そのようなオーナーやユーザーの下で働くように頼まれた場合、安全性の観点から「適切な仕事」をすることが許可されている（そして給料をもらっている）場合を除き、仕事を断ることを強くお勧めします。 たとえ「誰もが知っている」常識に反してでも、多額の費用がかかった、または致命的な火災や感電死の責任を依頼者以外の誰かになすりつける弁護士の能力を過小評価してはなりません9。

時間の経過とともに、システムは大型化し、可変速ドライブはより大型かつ一般的になり、現在ではシステムオブシステムが作成されています。つまり、信号/データ ケーブルは 2 つ以上の BN (コンピュータ ネットワーク、照明制御システムなど) にまたがる必要があります。 、空調システムなど）。 したがって、これらの BN を互いに交差結合してより大きな BN を作成する必要があり、最終的には建物全体を交差結合して共通の結合ネットワーク (CBN) を作成する必要があります。

しかし、CBN を従来の建物や車両に改修するにはコストがかかる可能性があるため、BN コンセプトは IBN (絶縁結合ネットワーク) を作成するために開発されました。 これについては、この記事のパート 2 で説明します。

電気接地ネットワークキース・アームストロングセーフティ

電子設計者、プロジェクト マネージャー、設計部門マネージャーとして働いた後、Keith は 1990 年に Cherry Clough Consultants を設立し、実証済みの優れた EMC エンジニアリング手法を使用して企業の財務リスクとプロジェクトのスケジュールを削減できるよう支援しました。 過去 20 年間にわたり、キースは、優れた EMC エンジニアリング技術と機能安全のための EMC に関する多くの論文、デモンストレーション、トレーニング コースを世界中で発表し、また、これらのトピックに関する非常に多くの記事も執筆してきました。 彼は、IET の機能安全のための EMC 作業グループの議長を務めており、61000-1-2 (EMC および機能安全)、60601-1-2 (医療機器の EMC) に取り組む IEC 委員会の英国政府に任命された専門家でもあります。 61000-6-7 (EMC および機能安全に関する一般規格)。

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