避雷器は電力機器をどのように保護するか？

避雷器の動作原理：電圧制御型サージ保護

しきい値に基づく作動：通常時は絶縁状態、サージ発生時には導通状態

避雷器は、2つの主要な動作モードを持つ「スマートスイッチ」のような働きをします。定格値の100％以下で通常運転している際には、内部構造は主に金属酸化物バリスタ（MOV）と呼ばれる円盤状素子で構成されています。これらの部品は非常に高い抵抗値（例えば100万オーム以上）を示し、実質的に絶縁体として機能して、電流がアース（接地）へ流れることを阻止します。これにより、定常時に電力損失を抑え、干渉を防止します。しかし、落雷や開閉操作などによって生じる電圧急上昇が、通常電圧レベルより約20～40％高い、あらかじめ精密に設定されたトリガーポイントを超えた場合、避雷器は数ナノ秒（10億分の1秒）という極めて短時間で即座に作動を開始します。このとき、避雷器はアース（大地）へ向けて極めて低い抵抗パス（場合によっては1オーム未満）を形成し、10万アンペアを超える大規模サージ電流を、保護対象の機器から安全に迂回させます。電圧サージが通過し、通常運転に戻ると、避雷器は自動的に高抵抗モードへとリセットされます。この自己リセット機能により、日常的な電圧変動の影響を受けずに常時待機状態を維持でき、さらに、接続機器の絶縁耐圧限界に達して損傷を受ける前に十分な余裕を持って作動することが可能になります。

金属酸化物バリスタ（MOV）技術および非線形VI特性

現代の避雷器は、主に酸化亜鉛（ZnO）セラミック円板をビスマス酸化物およびその他の各種金属化合物と混合・焼結した金属酸化物バリスタ（MOV）技術に大きく依存しています。これらの材料が特異なのは、効果的なサージ保護に不可欠な電圧と電流の非線形関係を実現できる点です。通常の運転条件下では、漏れ電流は非常に小さく、しばしば1ミリアンペア以下にとどまります。これは、材料がほぼ無限大の抵抗を示すためです。しかし、電圧サージが発生すると、電子がZnO粒子間の微小なギャップを通過し始め、これにより抵抗値が急激に低下します。その結果、大量の電流を通過させながらも、電圧レベルを厳密に制御することが可能になります。このような材料の性能曲線は、炭化ケイ素（SiC）やギャップ型避雷器などの従来技術と比較して、はるかに急峻であり、典型的な非線形指数（α値）は30～50の範囲です。この特性により、MOVを用いた避雷器は、現代の電力系統における電気的サージに対して優れた保護性能を提供します。

• 応答時間：25 ns未満
• 電圧クランプ比：2:1～3:1
• エネルギー吸収容量：ディスクあたり20 kJを超える

自己修復性マイクロ構造により、繰り返しのサージ事象にも耐え、永続的な劣化を引き起こさないため、機器の基本絶縁レベル（BIL）定格との長期的な協調動作が確保されます。

サージ分流およびアースパス管理

過渡電流向けの低インピーダンスアースパスの構築

優れたサージ保護は、避雷器とアース（接地）の間に強固で低インピーダンスな接続を確立することに大きく依存します。理想的には、各ダウンコンダクター（落雷導体）について接地抵抗を1オーム以下に保つ必要があります。落雷やサージが発生した際、この構成により放電時にV＝I×Zという電圧式における電圧上昇を抑制し、電圧スパイクを制御します。適切な接地が施されていない場合、機器は危険な電位差にさらされ、長期間にわたり部品が損傷する可能性があります。また、すべての金属部品（変圧器タンク、大型の遮断器ボックス、ブッシング、さらには構造用鋼材に至るまで）を、低インピーダンスの単一アースグリッドに相互に等電位接続（ボンディング）する必要があります。このような統合的な接地が実施されていないシステムでは、サージによる故障率が約20％高くなる傾向があります。その理由は、制御不能な電位勾配が発生し、これにより放電（フラッシュオーバー）が引き起こされ、絶縁材料に過度の応力が加わるためです。なお、過渡電流が流れる際には、必ずしも最短距離ではなく、最も抵抗の小さい経路を通過します。したがって、接地は単なる「あると便利な機能」ではなく、避雷器システムが正しく機能するために絶対に不可欠な要素なのです。

熱暴走やシステムの過負荷を伴わないエネルギー散逸

金属酸化物バリスタ（MOV）を用いた避雷器は、制御された導電という可逆的なプロセスを通じてサージエネルギーを吸収・消散させることで動作します。これにより、従来型の犠牲電極ギャップやガス放出機構を必要としなくなりました。これらの装置が非常に効果的である理由は、非線形抵抗特性にあり、絶縁体と導体の間を迅速に切り替えることが可能です。この特性により、数千アンペアに及ぶ大電流サージが発生しても残留電圧を低く保つことができます。また、熱的配慮もこれらの避雷器の設計に組み込まれています。エネルギーを吸収した際の発熱は、局所的な集中ではなく、複合ディスク構造および外装ケース全体に均等に分散されるため、ホットスポットの形成や、最悪の場合に温度が制御不能になるような事態を防ぎます。EPRIによる現地実測データによると、適切なサイズ選定および正しく設置された装置は、実運用において機器の故障を約3分の2まで低減します。このような信頼性が得られる理由は、これらの避雷器が大部分の時間帯において安全な動作温度範囲内に留まり、変圧器や開閉装置などの下流側の重要な機器を保護しつつ、電力系統自体に過剰な負荷をかけることがないためです。

残留電圧および絶縁協調による信頼性の高い保護

避雷器の残留電圧と機器のBIL定格との整合

残圧（レジデュアル・ボルテージ）とは、サージ放電時にアレスタ端子間で測定される最大電圧であり、絶縁協調においておそらく最も重要な因子です。機器を適切に保護するためには、この値が接続される機器の「基本絶縁レベル（BIL：Basic Insulation Level）」評価値を十分に下回っていなければなりません。EPRI（米国電力研究所）の研究によると、残圧がこのBIL閾値の約85％を超えると、危険性が急速に高まり始めます。実際のデータでは、単独で変圧器巻線における誘電破壊の発生率が約72％増加することが示されています。今日の金属酸化物バリスタ（MOV：Metal Oxide Varistor）型アレスタは、より優れたディスク積層技術および改良されたグレーディング手法により、サージを非常に正確にクランプ（制限）できます。これらの進歩により、極めて高い電流レベルに対しても一貫した残圧を維持することが可能になっています。これを正しく実現するには、協調プロセスにおけるいくつかの基本的な要素に注意を払う必要があります。

• 最大残留電圧（定格放電電流時）が機器のBILの85％以下であることを確認すること
• 特に高dI/dtサージにおいて、接地導体に沿った誘導性電圧上昇を考慮すること
• システムのアップグレードや地絡電流レベルの変化後に、余裕率を再検証すること

このような厳密なアプローチにより、絶縁破壊による重大事故を防止し、修理費・ダウンタイム・付随損害を含めて50万ドル以上にも及ぶ変電所の停電を回避します。

実際の応用例：変圧器、遮断器、および変電所の保護

避雷器は、重要な電力システムを守るための第一線の防護装置として機能し、損傷が発生する前に、有害なサージエネルギーを精密部品から遠ざけて導きます。特に油入変圧器を扱う場合、設置者は高電圧ブッシングの直隣に避雷器を配置し、巻線の絶縁を保護します。適切な保護が施されていないと、急激な電圧スパイクによってこれらの機器内部で甚大な故障が引き起こされる可能性があります。遮断器もまた別の課題を呈しており、電流の遮断時にスイッチングサージを発生させます。避雷器は、こうした電圧ピークを制限することで、接触点の早期摩耗やアーク消滅性能の劣化を防ぎます。また、変電所全体では、エンジニアがフィーダー入口、母線接続部、および重要機器の近傍など、さまざまな箇所に避雷器を配置して、多重の防護層を構築します。この手法により、接続された機器間へのサージの伝播が阻止され、IEEEの研究によれば、落雷被害の多い地域において変圧器の故障率を約40％低減できます。さらに、設置判断を導く基本原則として、「避雷器は、保護対象物に対して、サージが侵入する他のあらゆる経路よりもより近い位置に設置しなければならない」というものがあります。これにより、電流は絶縁材料を損傷させる代わりに、自然と避雷器を通るより容易な経路を選択するのです。

避雷器に関するよくある質問（FAQ）

避雷器とは何ですか？

避雷器は、落雷やスイッチング現象によって発生する高電圧サージから電力系統の機器を保護するために用いられる装置です。これは、アースへ低抵抗経路を提供することで、過剰な電流を感度の高い部品から安全に迂回させます。

避雷器はどのように動作しますか？

避雷器は、通常の電圧条件下では絶縁体として機能するために高抵抗状態を維持します。サージ電圧が所定のしきい値を超えると、避雷器は迅速に低抵抗状態に切り替わり、高電流を効果的にアースへ導いて、系統を保護します。

酸化金属バリスタ（MOV）の避雷器における役割は何ですか？

金属酸化物バリスタ（MOV）は、その非線形な電圧－電流特性により、避雷器において極めて重要な役割を果たします。通常の動作条件下では、高抵抗および低漏れ電流を示します。サージ発生時には、その抵抗値が著しく低下し、大電流を通過させることで、機器を過剰な電圧から保護します。

なぜ避雷器にはアース（接地）が重要なのでしょうか？

アース（接地）は、避雷器がサージ電流を安全に大地へ導くために不可欠です。インピーダンスの低いアース経路を確保することで、電圧スパイクの発生を防止し、機器間の危険な電位差を低減することにより、機器への損傷を最小限に抑えます。