分類

依據IEC61643-1（低壓避雷器國際標準），電源用避雷器按連接方式可分為單埠型和雙埠型。單埠(1-Port)型避雷器是並聯在被保護設備電源端子上的避雷器，被M-SYSTEM技研稱為簡易並聯型避雷器。雙埠(2-Port)型是串聯在供電線路上的避雷器，也稱為串聯型避雷器。

保護性能

優缺點

單埠(1-Port)型具有零件少、成本低等優點，而且由於設備的負載電流不通過避雷器內部，因此無需擔心負載電流的大小即可連接。另一方面，由於沒有串聯阻抗，如果雷擊突波電流大，限制電壓ν 變高，因此保護性能變差，這也是避雷器的致命性缺點。

雙埠(2-Port)型的缺點則是因採用多層保護，零件數量增加所以價格相對昂貴，且負載電流受到串聯阻抗的額定電流值限制。但是，由於阻抗是串聯在線路上的，所以不管雷電突波電流的大小，限制電壓ν' 都被抑制在較低的電位，具有保護性能良好的優點。

型式的選擇

如上所述，單埠(1-Port)型和雙埠(2-Port)型各有優缺點，因此需要正確使用。例如，如果選擇時著重在被保護設備的抗突波能力，可參考下面建議。

如果被保護設備是所謂的隔離變壓器、加熱器、電磁開關或馬達等大功率設備時，一般抗突波能力都很高，所以即使是單埠(1-Port)型也可以保護。但是，對於電腦、測量儀器、通信設備等弱電設備而言，由於對地間的耐電壓能力較低，且電源電路板內使用的半導體，相對容易受到突波影響，此時最好使用雙埠(2-Port)型。

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此時，晴朗的天空中所產生的積雨雲讓人感受大自然的雄偉，帶給人留下了深刻的印象。但積雨雲也是可怕的雷擊災害的來源，並且總是試圖破壞電子設備。與設備關係的各位，是否已有周全的防雷對策?

雷擊對電子設備的損害

避雷器的應答性

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避雷器因雷擊時產生雷突波時迅速作動，才能保護需要被保護的設備，但平常是一個不會有任何作用的設備。因此，在被保護設備發生故障或異常時，第一時間會認為避雷器的壽命是正常的。但是，構成避雷器的各元件由於反覆的雷擊會逐漸老化，它的壽命是有限的。麻煩的是，它的壽命取決於雷擊的次數和強度，這是一種自然現象。即使知道有使用壽命的問題，但判斷何時要更換也是一個重要且困難的問題。因此，這一篇將就避雷器的壽命來說明。

雷擊對電子設備的損害

M-SYSTEM技研主要的避雷器，採用處理大電流的放電管和應答速度優異的電壓限制元件（突波吸器Varistor或二極體）組成的兩段式設計，抑制施加在被保護設備上的突波電壓（限壓）（圖1）。

放電管

放電管規定了放電電流容量，可放電的電流與其放電時間成反比。因此，隨著放電電流的增加，放電時間將會變短，如果超過時間後仍繼續放電，放電管將會損壞。放電管的絕緣電阻值通常在10¹⁰ Ω左右，但放電時電極材料將會熔解並附著在放電管內壁上，因此絕緣電阻將逐漸劣化。

由於雷擊的大小並不相同，所以不能用雷擊次數來確定放電管的壽命，但必須知道隨著雷擊次數的增加，放電管將會漸漸地劣化。

電壓限制元件

ZnO 突波吸收器(Varistor) 的結構在反覆施加雷電突波時，將會漸漸劣化。具體而言，Varistor 電壓將會下降，漏電流也將會增加。這是因為邊界（高阻抗）層的較弱部分，會被雷電突波的能量逐漸破壞（短路），最終導致電極短路。

而二極體也一樣，當施加過大的電流時，接合部位將局部發熱，最後接合部位會熔化而導致短路。

避雷器的劣化

如上所述，雷突波反覆施加到每個避雷器元件，導致元件部品劣化，使避雷器的性能隨之劣化。一旦安裝後，經常認為被保護設備可以半永久性地免受雷擊突波的影響，但避雷器其實也是有壽命的設備。為了保持避雷器的性能，需要定期對其進行維護和檢查。

理想情況下，雷擊後應該立即檢查避雷器的性能，但設備越大，花費的時間和成本就越多，所以一定要在雷擊季節前後檢查，這也是實務上的操作。

另一種方法是使用具有壽命終止顯示機能的避雷器，達到減輕檢查工作的方法。

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直接雷擊

夏季陽光加熱使地面上含有水蒸氣的上升氣流被上面的冷空氣冷卻，變成細小的冰晶。這些晶體在氣流中碰撞，分離成正負電荷，而進一步形成雷雲。

雷雲由若干個分子組成，同時在架空線路或地面上感應出與雲底極性相反的正電荷（受約束電荷）。當電場強度在這種狀態下達到極限時，雲內（雲間）正負電荷（分子間）之間發生放電。這稱為雲內（雲間）放電。

另一方面，隨著時間的推移可看到直接雷擊，從雲底向大地多次先行放電（先導放電），大氣的絕緣性進而被破壞。當先行放電接近大地時，大地一側也會發出向上的放電（先導），這兩種放電使大量電荷注入絕緣破壞的大氣中，形成「直接雷擊（主放電 ：返回雷擊）」。

與直接雷擊相比，雲內（雲間）放電的頻率更高，雷雲的電荷會隨著重覆放電而消失。關於放電電流，據說日本實測最大為240kA（歐洲為515kA），但據說大部分在1k～20kA之間。放電電壓傳說也有幾億伏特，但可以肯定的是幾百萬伏特以上。

感應雷擊

感應雷擊是在雷雲發生後，由於雲間、雲中和主放電二度發生的現象，其影響範圍廣泛。「感應突波」是放電產生的「電磁感應」、強照度產生的「電磁波」、架空線上產生的正電荷（突波傳遞：雲底負電荷消失，使原本約束變成釋放的正電荷衰減，並沿線路向兩側傳遞）的合成。

發生次數明顯高於直接雷擊（雷擊）的頻率，直到雷雲移開或消失前，會多次透過電線、通信線路和天線侵入室外和室內設備。大多數雷擊損壞都是由這種感應雷擊引起的（見 圖1）。

(1) 感應雷突波的侵入

• 線與接地間（放電破壞）

侵入1對(2條)電纜的感應雷擊突波電壓（V1和V2），因相對於大地會產生非常高的電位，所以與接地部分（金屬外殼或共用線路）產生電弧放電（參考 圖2）。

由於此時的放電電流會流過部份電路，成為電流通路的部分將被破壞。雖然取決於突波的大小，但電線和接地之間的電壓大約在1000～幾萬伏之間，所以零件將燒成焦會，即使從外部都可以看到。

• 線間（線間破壞）

侵入1對(2條)電纜的感應雷擊突波電壓（V1和V2），對地電位通常是相等（V1=V2），但在線路上傳遞的過程與避雷器的突波制元件的特性（放電延遲、放電開始電壓的差異）會產生電壓差(V=V1-V2)（見圖2）。

該電壓差（V）一般不會太大，但此異常電壓施加於線間時，會破壞線間耐壓低的設備。雖然取決於突波的大小，但線路之間會產生數V~數10V的電位差，所以零件損壞時從外部就可能看不到。

(1) 感應雷對策

因為不可能100%防止感應雷突波的侵入，因此必須提前採取保護措施。進入線路的雷突波會透過電源線或信號線，並以高壓脈波的形式瞬間到達設備或系統的端子。

所以，在要保護的設備或系統的端子附近，正確安裝合適的避雷器，通常就可以提供相當程度的保護效果（見圖 2）。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

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現代社會被稱為先進的資訊和通訊社會已經很久了，它的發展不知道何時會停止，而且似乎感覺越來越快了。同樣在儀器儀表領域，測量、通信和控制系統的發展是顯著的，但這種發展主要是由電子設備的高速和高密度支撐的。

然而，電子設備中使用的半導體元件，遠比傳統電氣產品中使用的元件更容易受到雷擊突波的影響，雷擊會釋放數億焦耳的能量，但電子設備卻只要幾毫焦耳的能量就可以使其故障。

M-SYSTEM技研作為儀表設備製造商，開發了大量的電子設備，同時開發了避雷器來保護它們。因為是由電子設備製造商自己製造的，我們可以很驕傲的說，它是比任何製造商的避雷器『有效』的避雷器。

什麼是串聯式電源用避雷器

串聯式避雷器是串聯連接在供電線路和被保護設備上的一種避雷器，保護效果高是它的最重要的特點，因此非常適合保護被組裝在儀表和控制盤中的電子設備。

對比的型式則是並聯式避雷器，不過這主要是做為電力盤和電源的粗略保護，針對電氣產品來說，它的保護電子設備能力是不足的。

大多數避雷器製造商只提供並聯式，而M-SYSTEM技研則是並聯式和串聯式兩種都有（圖1 顯示了類型和效果的差異）。

此外，串聯連接式由於內建線圈，因此還具有雜訊濾波器的機能。

與防雷變壓器的比較

另一方面，防雷變壓器因體積及重量相當大，造成使用上的不方便，而單價偏高也是它的缺點。此外，為了發揮防雷變壓器的性能，需要將一次側和二次側的接地端子連接到不同的接地棒。尤其是一次側的接地棒，為了防止變壓器的絕緣破壞，需要將接地電阻降低在數10Ω以下，這樣不只是產品價格高，在接地施作上也非常昂貴。

綜合上述，除非是需要變壓器特有的絕緣隔離、電壓變換等機能，如果您只需要考慮防雷的對策，我們推薦使用方便且價格便宜的串聯式避雷器就好。

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將有隔離網的信號線安裝到避雷器時，可能對隔離網的配線處理感到麻煩。這一次，我們將介紹隔離網接地和不接地的時，以及被保護設備有SG（信號接地）端子時，恰當的隔離網處理方法。

隔離網接地時

由於交流電源線等原因，會雜散電流在大地間流動，因此兩個遠隔的接地棒間存在大地之間的電位差。當隔離網在信號線兩端接地時，這種大地間電位差會導致電流流過隔離網，從而對芯線產生干擾。為避免這種情況，長距離佈線時一般會採用單邊接地。單邊接地時，隔離網接地側應如 圖1所示配線。

無論是避雷器側接地還是設備側接地，盤內的隔離網在電氣上都是相同的，但設備側的同電位性增加，可以有更好的雜訊隔離效果。但是，設備的 FG（框體接地）和信號之間也會存在雜訊。如果連這種雜訊都無法忽略，請嘗試將隔離網連接到負極端子，僅限於單邊（單邊接地）電路。一般情況下，將隔離網連接到 SG 端子會提供最好的隔離效果。在單邊接地時，負極端子與 SG 具有相同的電位，因此隔離能力是可以預期的。

隔離網沒有接地時

隔離網不接地的一側，請參考 圖2 所示接線。但是，由於非接地側的隔離網無法抑制雷電突波，為防止產生火花的發生，請將套管端子用熱縮套管等絕緣體覆蓋，或者另外安裝能夠保持浮接(floating)狀態的避雷器。

有SG端子時

通常，差動入力型設備具有 SG 端子。而且隔離網常常被連接到SG端子。有些情況下連接錯誤，只有芯線使用避雷器，而將隔離網直接連接到被保護設備的SG端子，但這種配線方式絕對不能被使用。因為雷電突波會透過隔離網侵入芯線和接地離開，被保護設備會不可避免地損壞。在這種情況下，建議使用帶SG端子的避雷器，如果容易受雜訊影響，最好將隔離網接地（圖3）。

M-SYSTEM技研的避雷器

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以前的 JIS 標準以避雷針、接地等建築物保護目的為主，但近年來，隨著電氣及電子設備的損壞增加，這些設備的防雷標準已陸續制定為IEC標準，透過有效的翻譯 JIS 標準也被建立起來。因此，JIS標準中也增加了避雷器（Surge Protective Device，本文以下簡稱“SPD”）的評價方法，在避雷器製造商的目錄中常可看到 class I相容和 class II相容等表述。

這一次，將解釋 JIS標準中規定的避雷器的分類。

關於JIS標準

表1 列出了防雷相關的主要標準。這些標準與最右邊一欄中的 IEC 標準，內容幾乎是相同的。

表 1 與防雷相關的主要 JIS 標準

關於避雷器（SPD）的分類

避雷器的性能測試分為電源用和通訊/信號線用。

（1）電源用避雷器的分類（JIS C5381-1）

表2 是電源用避雷器類別列表。第 I 類和 II 類使用試驗設備輸出短路時的雷電突波波形（短路電流波形），但III類使用的是組合波形，不僅是短路電流波形，還規定測試設備輸出開路時的雷擊突波波形（開路電壓波形）。在通信和線路用避雷器測試類別中，也同樣規定短路電流波形和開路電壓波形的雷擊突波波形。這些測試波形考慮了侵入安裝場所的標準雷電突波。

在直接雷擊可能分流的電源入口處，請使用第 I 類避雷器。另外，而建築物內部的配電盤等感應雷擊可能侵入的地方，請安裝第 II 類避雷器，將可以減少第 I 類避雷器無法防止的雷擊突波。對於特別容易受到過電壓影響的設備，請在設備附近安裝第 III 類避雷器。

表 2 電源用避雷器的類別一覽

（2）通信和信號線路用避雷器的分類（JIS C5381-21）

表3 是通信線路和信號線路用避雷器的分類一覽表。

相對於電源用避雷器又更細分類別（category），但不是根據安裝場所來區分，而是對一個避雷器進行多種試驗方法，從多個方面來評估避雷器。

由於感應雷擊大多數會侵入通信線路，C 類測試是性能評估的核心。此外，在比較避雷器的性能時，通常是在 C 類測試條件下進行比較。

表 3 通信和信號線用避雷器分類一覽表

JIS C5381-21: 2004~

直擊雷和感應雷

本節將介紹避雷器性能測試中常用的突波波形。圖1 顯示了第 I 類測試中使用的直擊雷波形（10/350 μs）和第 II 類測試中使用的感應雷波形（8/20 μs）。可以看出，即使峰值電流相同，但突波波形卻有很大的差異。

直擊雷會侵入的場所，因有大電流適用第 I類避雷器；而感應雷可能侵入的場所，則是適用第 II 類避雷器。

第 I 類與第 II 類安裝例

避雷器的分類並不表示性能的優劣，而是表示其執行的測試條件。由於製造商在設計和試驗時有考慮安裝位置和用途，因此只使用第Ⅰ類避雷器時對雷擊的保護是不夠的，針對安裝位置和被保護設備的耐壓，搭配第 II 類或第 III 類避雷器使用才能得到有效的防雷保護。圖2 為使用M-SYSTEM技研的第Ⅰ類、第 II 類電源用避雷器的安裝例。

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避雷器和防雷變壓器都可以保護電子設備免於遭受雷擊突波影響，我們將說明兩者之間主要的區別。

防雷變壓器是由抗雜訊變壓器(Noise cut transformer) 和避雷器或避雷元件結合的設計，所以在說明避雷器和防雷變壓器的區別之前，先說明抗雜訊變壓器。

抗雜訊變壓器

抗雜訊變壓器，通常是用來防止電氣和電子設備受到變頻器和馬達產生雜訊的不當影響。

順便說一下，依據雜訊和雷電突波的傳遞方式，可以分為共通模式(Common mode)和普通模式(Normal mode)。侵入電源線及地線這2條線後，朝著電源方向傳遞為共通模式，而進入電源線路後，朝著電源相反方向傳遞則為普通模式。

抗雜訊變壓器可抑制這些雜訊進入二次側。在共通模式下，隔離變壓器對低頻(數10kHz)雜訊可以有一定程度的衰減。然而，隨著雜訊頻率的提高，變壓器一次側和二次側之間的靜電電容，會增加雜訊侵入二次側的可能。抗雜訊變壓器會在一次側線圈和二次側線圈之間加入靜電隔層，並將其接地來防止雜訊進入（圖1）。

至於普通模式，因變壓器的特性是原樣輸出到二次側，所以變壓器本來就沒有抑制普通模式雜訊的作用。考慮到雷電引起的雜訊頻率遠高於商用電源的頻率（50 / 60Hz），抗雜訊變壓器可允許低頻的電源通過，但具有衰減高頻率的濾波器特性。因此，可以抑制普通模式的雜訊。

像這樣，抗雜訊變壓器對雜訊會相當有效。

但是，當要作為雷電突波對策使用時，則是務必注意。雷擊突波的能量通常比變頻器和馬達產生的雜訊高得多，並且會破壞變壓器的絕緣。

防雷變壓器

防雷變壓器是變壓器與避雷器結合的結構（參考 表1接線圖）。防雷變壓器中使用的抗雜訊變壓器，針對一次側和二次側之間的耐壓會採用較大等級設計，以防止因共通模式進入的雷電突波造成的絕緣破壞。而且又組合避雷器或防雷元件，也會提高一次側和二次側之間的耐壓。另外，對於正常模式下的雷電突波，大部分雷電突波，也因為在變壓器前端配備了避雷器，所以可以處理大部份的雷電突波。也有在二次側增加避雷器或電容器提高保護性能的防雷變壓器。

避雷器與防雷變壓器的區別

雖然防雷變壓器可以具有很高的保護性能，但它也是有其缺點。為了發揮防雷變壓器的性能，需要將一次側和二次側引出的接地端子連接到不同的接地棒，接地棒之間也需要有數m的距離。特別是一次側的接地棒，接地阻抗必須在數10Ω以下，以防止變壓器的絕緣破壞。這種接地工事的複雜性，也正是不易導入防雷變壓器的原因。

綜合上述，在正確使用避雷器和防雷變壓器時，需要兼顧保護效果和導入成本。防雷變壓器對於保護昂貴、重要、易受雷擊突波影響的產品是安全的，反之，對於一般的電子、電氣設備，從成本效益的角度考慮時，使用避雷器將會更合適。

表1 避雷器與防雷變壓器的主要區別

	避雷器	防雷變壓器
接線圖
形狀和重量	小（大約W60×H100×D60mm） 0.5kg左右	大（大約W300×H300×D300mm） 即使是較小型的也大約20kg。
保護性能	限制在規定的電壓限制（約1500V）	輸出到二次側的雷電突波衰減到 1/100 到 1/1000 。 對共通模式雷電突波特別有效
接地	避雷器和被保護設備之間的接地是共通的	個別接地以保持一次側和二次側之間的絕緣
安裝	由於體積小、重量輕，因此可以與受保護設備安裝在同一個配電盤中。 可採一般接地工事	由於又大又笨重，防雷變壓器的安裝位置受到限制。 需要進行２次接地工事
其它	如果是並聯型避雷器，則沒有電流容量限制。	可同時變換電壓

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本篇將回答有關避雷器的類別選用問題

避雷器（SPD：Surge Protective Device ）的JIS 標準 JIS C5381-21 制定已經十幾年了。在為通信和信號線選擇避雷器時，確定類別（考慮目標能量大小的測試條件分類）已是先決條件。

隨著術語類別的確立，我們可能會被問到諸如「為什麼有各種類別？」和「我應該使用哪種類別的避雷器？」等問題。這一次，“稻津男子漢”將出現回答這些問題。

表1 是 JIS C 5381-21 中規定的通信和信號線路用避雷器類別列表。透過這些上升速度慢的突波、上升速度快的突波、能量大的突波等多種測試條件，又細分為A1～D2類。

表1 通信線路和信號線路用避雷器分類一覽表

類別	測試種類	短路電流
A1	上昇率非常緩慢	10 A
A2	交流(48 Hz〜62 Hz)	0.1 A〜20 A
B1	上昇率緩慢	100 A
B2		25 A〜100 A
B3		10 A〜100 A
C1	上昇率快速	0.25 kA〜小於1 kA
C2		1 kA〜5 kA
C3		10 A〜100 A
D1	高能量	0.5 kA〜2.5 kA
D2		0.6 kA〜2.0 kA

串聯式避雷器萬能嗎？

每個類別有專用的避雷器似乎很好，但大多數避雷器都支援多個類別。而如果一個避雷器就可以處理，為什麼需要這麼多類別（測試條件）呢？

例如，在電源用避雷器（串聯型）中，為了讓較大的電源電流流過避雷器內部，通常會使用直流阻抗較小的線圈。

使用線圈對急劇上昇(上昇率快速)的雷電突波(快速稻津男子漢)是有效的(圖1)。

另一方面，緩慢(上昇率緩慢)的雷電突波（慢速稻津男子漢）由於線圈的特性，而難以獲得效果（圖2）。

這樣一來，最初似乎是基於性能會隨測試條件變化的假設來細分類別的。

隨著通信和信號速度的提高，通信和信號線用避雷器使用電阻(純電阻)代替線圈的情況越來越普遍。無論雷電突波的速度（上昇率）如何，以純電阻作為阻抗（障礙物）都具有穩定的效果。也因此通信線路和信號線路用避雷器是可以對付各種速度的雷擊突波的萬能避雷器（圖3）。

直擊雷沒問題嗎?

但這種高能量的雷電突波也會被考慮進去，所以通常也會設計在通信/信號線用避雷器的內部電路中。

由於上述原因，即使沒有針對每個類別準備一個專門的避雷器，１個避雷器同樣也是可以對應各種類別。

由於C2類測試條件的漸漸普遍被使用，M-SYSTEM技研已經把C2列為標準。然而，近年來，電視上常常強調異常天氣的發生，擔心直擊雷的顧客增多已是事實。為了讓這些客戶安心使用避雷器，我們不僅會對新產品進行評估，還會對現有的信號避雷器進行直接雷擊的評估。

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