EMC と設置の安全性: パート 2

Aug 19, 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。

この記事の最初の部分では、人間の安全のみを要件とした最初の保護等電位ボンディング/接地システムを紹介しました。 これは、エレクトロニクスがより一般的になり、相互接続や可変速モータドライブの出力が増加するにつれて、これらの初期の構造が絶縁不良や雷サージによる損傷からエレクトロニクスを保護するためのボンディングネットワーク (BN) にどのように発展したかを示しました。 サイト全体の BN の作成にはコストがかかるため、初期の頃は、電子機器が設置されているサイトの部分にのみ BN を提供するのが一般的でした。 これが、絶縁結合ネットワーク (IBN) の開発につながりました。このパート 2 では、ここから取り上げます。

分離ボンディングネットワーク (IBN)

IBN は、1 つの単一接続点 (SPC) を除き、保護等電位ボンディング システムの残りの部分から絶縁された BN です (図 1 を参照)。

図 1: 2 つの絶縁ボンディング ネットワーク (IBN) のスケッチ

IBN の考え方は、建物 (または車両) の残りの部分で故障電流や雷電流が発生した場合、それらの電流が IBN 内に形成された良好な低インピーダンスを介して流れるのを絶縁することで防止し、IBN に含まれる機器の保護に役立つというものです。

通常のガイダンスは、すべての主電源が IBN の配電盤で分離され、無停電電源装置 (UPS) がオフになった後、SPC が一時的に切断された状態で、IBN は次の電圧に耐えられるはずです。 IBN の浮遊容量が充電された後、コロナ放電、アーク、またはスパークを含む「スニーク パス」に電流が流れることなく、建物の残りの保護等電位ボンディング システムに対して少なくとも 10kVDC を少なくとも 1 分間印加します。

(言うまでもなく、潜在的に可燃性または爆発性の雰囲気が存在する可能性がある場所で IBN が構築されている場合、その絶縁は上記のように決して高電圧でテストすべきではありません。また、耐電圧テストが成功した後は必ず SPC を再接続することを忘れないでください。また、SPC が適切に再接続されるまでは、主電源を IBN 内のどの機器にも再接続しないでください。)

上で簡単に説明したように、IBN の絶縁をテストする前に、IBN 内の機器の各項目のスイッチを個別にオフにするだけでは決して行わないでください。 これは、すべての電子機器には、主電源リード線の保護接地線にミリアンペアの迷走電流を「漏洩」させる EMI/RFI フィルタが取り付けられており、これらの漏洩電流が致命的なレベルにまで蓄積するには、そのような機器をそれほど多く必要としないためです。レベル。 高出力可変速ドライブ (VSD) やその他のスイッチング パワー コンバータの EMI フィルタは、個別に数百 mA、場合によってはアンペアを保護グランドに漏洩する可能性があります。

これらのフィルタは通常、主電源のオン/オフ スイッチの前に取り付けられるため、機器が独自の制御を使用してスイッチがオフになっているように見える場合でも、フィルタは電源が入ったままになり、電流が漏れます。 このため、IBN の電圧絶縁をテストする前に、そのすべての主電源 (複数の場合があります) を IBN の配電キャビネットと、IBN 内の無停電電源装置 (UPS) で絶縁する必要があります。 IBN がオフになりました。1

昔は、各商業ビルや工業ビルには専任の電気管理者がいて、熟練した電気技術者が、誰もその保護用等電位ボンディングシステムを侵害したり、火災、感電、信頼性の低下などを引き起こす可能性のある行為を行ったりしないことを保証し、また監督していました。あらゆる/すべてのアップグレードと変更。 これらの知識豊富な専門家は電気図面を管理しており、その図面を熟知していました。

しかし、最近では電気管理者を雇用しないことがはるかに一般的になっています。 その代わりに、アップグレードや改造が行われるとき、または年次検査のために、適切なスキルを持った下請け業者が雇用されます。 もちろん、特定の建物の電気設備やその歴史については詳しくないかもしれません。 そして、私の経験が参考になるとすれば、建物の所有者や管理者は、電気図面が最新の状態に保たれていることを保証していない可能性があり、電気図面がどこにあるのか、どの下請け業者が最後に保管したのかさえ知らない可能性があります。

このような状況では、非常に慎重に設計された IBN が、その重要性 (または存在) に気づいていない人々による変更や修正によって深刻な危険にさらされる可能性があります。 私は、国の主要なインフラプラントでもそれが起こっているのを見てきました。 IBN を侵害するために必要なのは、IBN 外のオフィスから IBN 内のコンピュータにイーサネット ケーブルを接続することだけです。 機器の損傷、さらには重大な火災や感電の危険、特に雷雨の際には、実際に非常に深刻な結果が生じる可能性があります。

したがって、CBN を使用し、すべての IBN がどこにどのように配置されているかを理解している常駐の有能な電気技術者または技術者による建物または現場の 24 時間 365 日の監視がない限り、CBN を使用し、IBN を使用しないというのは、一般的な安全性と信頼性に関する適切なガイダンスです (そしてその理由）彼らを隔離しておくためです。 これらのエンジニアまたは技術者は、配線 (イーサネット ケーブルも含む) の変更を承認し、すべてのメンテナンスを監督する必要があります。

CBN は、建物全体に「共通」の単一の BN です (図 2 を参照)。

図 2: Common Bonding Network (CBN) のスケッチ

CBN の大きな利点は、保護等電位ボンディング システムを変更することなく、信号/データ ケーブルを建物内のどこにでも配線できることです。理想的には、全長に沿ってボンディング導体/金属構造にストラップで固定して PEC として使用できます。 。 これにより、将来的に新しい機器を追加することが簡単になり、比較的安価になります。

これまでの議論は、感電の危険に関する人間の安全と、雷によって (間接的に) 引き起こされるサージ過渡現象による損傷から電子機器を保護することのみに関係していました。 ただし、すべての導電性アイテムは「偶発的なアンテナ」のように動作します。2 この事実は、良好な EMC を実現するには、すべての導体および金属片 (もちろん、電気/電子回路の機能的な導電性部品ではありません) を次のように相互接続する必要があることを意味します。これらの導体や金属片が電気的安全性と関係があるかどうかに関係なく、BN、IBN、または CBN の不可欠な部品である必要があります。

コンピュータエレクトロニクスは当初、5VDC 電源レールで動作する回路を使用していましたが、このような低電圧信号/データでは、保護等電位ボンディングシステムの障害時や雷雨時に「接触可能な」点間で許容されると考えられていた「等電位」電圧が高すぎました。 しかし、どんなに短くても、すべてのデータ ケーブルに適切な定格の絶縁/絶縁を取り付けるコストは、まったく馬鹿げたものになるでしょう。

そのため、1970 年代にコンピュータ ルームとデジタル電話交換機 (米国ではセントラル オフィスと呼ばれる) が建設され始めたとき、MESH‑BN、‑IBN、‑CBN という、はるかに安価なソリューションが発明されました。 頭字語の MESH という言葉は、デジタル電子機器が雷サージによる損傷にさらされるのを十分に減らすために、保護等電位ボンディング システムのインダクタンスを低減するには複数のクロスボンドが必要であるという事実を指します。 Union の EMC 指令は、システムと設備の EMC の達成を支援するものとして迫ってきました。

一般に、これらの構造は、ボンディング導体の規則的な「グリッド」または「メッシュ」の物理的形状をとり、それがその名前の由来です (図 3 および 4 を参照)。

図 3: 2 つの MESH-BN のスケッチ

図 4: 2 つの MESH-IBN のスケッチ

当初、これらのメッシュ状の導電性構造は、SRPP (システム基準電位面の略)、BM (ボンディング マットの略)、または 1970 年代、80 年代のコンピュータおよび通信システムの設置ガイダンス文書で見られるさまざまな専門用語や独自の用語と呼ばれていました。 90年代.3

図 5 は、よく使用された SRPP 設計の種類を示しています。 メッシュに使用される導体は通常直径 6 mm の銅で、接合部ではんだ付けされていますが、インダクタンスが低く、LPS を構築するときにその目的で使用されるクランプを使用して接合が容易であるため、幅広の銅の「避雷テープ」を使用することを好む人もいます。 一部のコンピュータ/通信システム設置業者は、銅メッシュを設置する代わりに、コンピュータの仮床タイルをメッシュとしてサポートする金属フレームワークを使用するか、コンピュータ床タイルの金属背面を相互接続することにより、「自然金属加工」を使用していました。 図 6 は、後者のアプローチの最新の独自開発を示しています。

図 5: 1990 年代の SRPP の構築例

図6：仮床タイルそのものを使用してSRPPを構築するための独自のシステム

時間が経つにつれて、これらのコンピュータ システムは複数の部屋を占めるようになったため、部屋の個々の MESH-BN または MESH-IBN をメッシュボンディングして、新しく結合された BN または IBN の「サージ インピーダンス」を低減する必要がありました。作成した。

この記事のパート 1 で Z = √[R2 + (2 L)2] の式を紹介したとき、これは最初の 4 分の 1 波長の共振よりはるかに低い導体にのみ関係すると述べたことを思い出してください。 次に、これをメッシュの寸法と関連付ける必要があります。

ほとんどの雷エネルギーは 1MHz 以下のスペクトルに含まれていますが、それでも 10MHz までのかなりの量のエネルギーを持っていると考えられています。 10MHz の空気中の波長は 30 メートルで、最初の 4 分の 1 波長の共鳴は 7.5 メートルになります。 したがって、一辺 (空中) 5m 以下のメッシュ サイズは、すべての雷の周波数に対して有効であると考えられます。メッシュ サイズが小さいほど、任意の 2 点間のインダクタンスが低くなり、雷によるサージ過渡電圧が低くなります。誘導雷電流。

良好な EMC を実現するには、コンピュータ データの高速化により 10MHz より高い周波数を制御するため、または高出力 VSD により 10MHz より低いインピーダンスを提供するために、メッシュを小さくすることが必要な場合があります。 たとえば、初期のコンピュータ システムでは 30 MHz が一般的な目標であり、図 8 に示すように、一辺約 600 mm のメッシュ寸法が必要でした。現代のコンピュータ システムでは、100 MHz 以上を制御するメッシュが必要になる場合があります。

1990 年代初頭に新しく登場した VSD 技術は、設備内で数 MHz までの構造共振を励起する可能性があり、この周波数はパワー スイッチング デバイスの発展に伴い着実に上昇しています。 これらの周波数はコンピューター データで使用される周波数よりも低いですが、その一方で、そのレベルははるかに高いため、メッシュ サイズのサイジングは、コンピューターよりもサイトで使用される VSD に依存する可能性があります。 2020 年代には次世代のパワー スイッチング デバイスが IGBT やシリコン パワーFETS に取って代わるため、この問題はさらに重要になるでしょう。4

明らかに、最近では新しい電子システムや VSD を簡単かつ迅速に設置できるようにするために、建物の保護等電位結合構造 (地中の棒に接地されているかどうかに関係なく) を最初に変更する必要がない場合に役立ちます。 MESH‑BN、IBN、または CBN を作成します。 既存の設備を変更して新しい機器用のメッシュ ボンディング ネットワークを作成すると、新しい機器自体のコストを簡単に上回る可能性があります。 結局のところ、メッシュする必要がある導体に到達するには、床や壁に切り込みを入れる必要があることがよくあります。

また、産業用途では、既存の金属ケーブル支持構造および/またはケーブル外装を PEC として使用することは長い間簡単でした。 しかし、この巧妙なコスト削減策は、これらの金属構造に機械的以外の機能があることを知らない人々によって行われる変更や改造に対して非常に脆弱です。 適切にメッシュ化された CBN を作成すると、そのような理由から生じる信頼性の低下や EMC の問題を回避できます。

そのため、1990 年代半ば以降、すべてのシステムまたは設置に対する一般的な推奨事項は、「新しいビルド」には最初から MESH‑CBN をインストールすることです。 また、従来の建物をできるだけ早く MESH-CBN に転換することも一般的に推奨されており、通常は新しい機器が設置されるにつれて段階的に行われます。

この記事の第 1 部で説明した HEMT および SiC powerFETS をベースにした新世代のパワー スイッチング コンバータおよび可変速モータ ドライブが高電力定格で容易に入手できるようになるため、これらの推奨事項は今後数年間でさらに重要になるでしょう。

図 7 は、建物のフロア全体をカバーする MESH‑CBN を示していますが、もちろん、他のフロアにも 3 次元で拡張する必要がある場合があります。図 8 ～ 10 は、私の EMC トレーニング コースからの関連スライドのコピーです。システムと設置.5

図 7: MESH‑CBN のスケッチ

図 8: 建物全体の 3-D MESH‑CBN での「自然な」金属加工の使用

図 9: IEC 61000-5-2 の図から発展させたスケッチ。建物の異なる階にある MESH‑CBN 間の垂直接合を示しています。

図 10: 「自然な」金属加工を使用して建物の異なる階にある MESH‑CBN 間を垂直に接着するスケッチ

1970 年代に低コストの高速デジタル無線通信が利用可能だったらどうなるでしょうか? 3G 携帯電話システムでさえ、当時はデータ ケーブルが不要になり、BN、IBN、CBN も不要になっていたでしょう。 電子システムの複雑さが増すにつれて、ワイヤレス データ通信も、最初は 4G、次に 5G と歩調を合わせてきたでしょう。

おそらく、5G が成熟し、産業用途で堅牢であることが証明されたら (産業プロセスに伴う高レベルの干渉が頻繁に発生するにもかかわらず)、5G モデムを USB 3 ソケットに接続するだけで、データを必要とせずに産業用イーサネットを伝送できるようになるでしょう。したがって、高価な MESH‑BN、‑IBN、または ‑CBN は必要ありません。 人間の安全のためには保護等電位ボンディング/接地ネットワークが依然として必要ですが、この記事の第 1 部の図 1 に描かれている元のタイプよりも複雑なものはなく、高価な銅の使用が大幅に削減されます。

同様の推測は、低コストの光ファイバーにも関係しています。 1970 年代に 25Mb/s で動作する最新の低コストの光ファイバーがあれば、銅線ケーブルよりも好まれていたでしょう (避けられない「偶発的なアンテナ」動作によって EMC の問題がすべて発生しました)。

最近、人々が科学/産業システム/施設内の機器間のケーブルによるデータ干渉の問題を解決するために私に助けを求めてきたとき、私はますます銅線のデータ ケーブルを、金属で接続された光ファイバー「モデム」に置き換えることを勧めています。 -無料) 光ファイバーケーブル。 光ファイバー システムのコストは着実に低下しており、そのデータ レートは着実に増加しています。銅線ケーブルの代わりに光ファイバー システムを使用すると、MESH‑BN、‑IBN、または ‑CBN を作成する必要がなくなります。

光ファイバー ソリューションのコストは数百米ドルから数千米ドルかかる場合がありますが、設置にはほとんど時間はかかりません。 MESH‑BN、MESH-IBN、または MESH‑CBN の作成は、最初はコストがかからないように見えますが、人件費を考慮すると、ほぼ確実に全体的にははるかに多くのコストがかかります。これらの作成中に生産が失われるコストは気にする必要はありません。侵入的な変更が行われています。

また、光ファイバー ソリューションは最初から機能することがほぼ保証されていますが (EMI に関することを実際に経験した人は何も保証しません!)、レガシー設備を MESH-BN、-IBN、または -CBN に変換することは可能です。ちょっとしたギャンブル。 レガシーな建物にメッシュボンディングを設置するのは非常に労力と時間がかかりますが、最もコストの低いオプションを選択すると、最初からやり直すことになる可能性があります。 たとえば、メッシュ サイズは、全体のインピーダンスをどの程度低くする必要があるか、および制御する必要がある最高周波数に依存しますが、これらは多くの場合、十分に理解されていません。

また、結果として得られるメッシュ構造は将来にわたって使用できるのでしょうか、それとも既存の機器がアップグレードまたは交換されたとき、または数年後に新しい機器が近くに設置されたときに再度変更する必要があるのでしょうか? 故障した機器を同じメーカーのまったく同じ製品の新しいバージョンと交換した場合でも、必然的に、より高い周波数で増加し続けるノイズ問題が発生します。

この問題は、新しいバージョンでは必然的に、より高速に切り替わる新しい電源スイッチング デバイスと新しいマイクロプロセッサが使用されるため、必要かどうかに関係なく発生します。 オリジナルの低速半導体は単に製造業者が入手できなくなっただけであり、したがってその製品は、関連する排出基準に完全に準拠している場合でも、周波数が増加し続けるとノイズが増大する傾向にあります。

一般的に言えば、最低の総コストで最高の EMC を実現するには、現在および将来において、銅線ケーブルは (十分にフィルタリングされた!) AC または DC 電源にのみ使用する必要があります。 また、すべての信号、データ、制御には、（メタルフリーの）光ファイバー ケーブルか、業界で堅牢性と信頼性が実証されている無線データリンクを使用する必要があります。

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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