雷サージによる屋内配線に接続されたイーサネットおよびPOTSポートの損傷

編集者注: この記事の基になっている論文は、もともと 2014 IEEE Product Safety Engineering Society Symposium で発表され、Best Symposium Paper として認められました。これは、2014 IEEE Product Safety Engineering Society International Symposium on Product Compliance Engineering の議事録から許可を得てここに転載したものです。著作権 2014 IEEE。

有線通信ケーブルの雷リスクに関する従来の見方は、電柱やその他の露出した環境など、屋外に張り巡らされたケーブルに焦点を当ててきました。一般に、完全に建物内に配線されているケーブルは、本質的に雷サージから保護されていると考えられています。

避雷技術者は、この見方が厳密には正しくないことを常に理解していました。近くで落雷が発生すると、ケーブル内部にサージが発生するメカニズムが知られています。しかし、既知の機構は一般に、雷が内部ケーブルを含む建物の近くの物体に落ちた場合、または建物自体の外壁に落ちた場合にのみ機能します。このようなイベントは比較的まれです。

近年、内部ケーブルに接続されたポートでのサージ障害率が予想よりも高いことが報告されています。この見かけ上の増加は、単に、より多くの内部配線ポートが配備され、常に存在していた従来のサージメカニズムがより明確になっているという事実によるものである可能性があります。

しかし、一部の業界観察者は、この明らかな増加は、内部配線システムの相互接続方法の変化によるものではないかと疑っています。これらの変化により、新しいサージ結合メカニズムが作成された可能性があります。特に興味深いのは、AC 主電源のサージが何らかの形で通信ケーブルに結合している可能性です。

ケーブル内でのサージ障害に注意を向けた最初の用途の 1 つは、光ネットワーク端末 (ONT) の使用でした。多くの通信事業者は、光ファイバーケーブルを使用して音声、データ、ビデオサービスを家庭や企業に提供するシステムを導入しています。ファイバケーブルは、建物の外壁上またはその近くのどこかで ONT で終端します。そこから、ONT のメタリックケーブルポートが、建物内全体に配線されたケーブルに接続されます。一般的なポートタイプには、データサービス用のイーサネット、従来のアナログ電話用の POTS (Plain Old Telephone Service) ポート、テレビサービス用の同軸ケーブルなどがあります。

ONT では、POTS 回路は加入者線インターフェイス回路 (SLIC) として知られる給電回路です。これらにより、従来の電話機を ONT に接続できるようになります。

この記事では代表的な機器タイプとして ONT を使用しますが、サージの問題は ONT に限定されません。イーサネットと POTS の両方をサポートする VOIP 電話システムのメーカーも同様の問題を報告しています。

上で述べたように、サージ障害の明らかな増加が、単に導入される内側回線の増加によるものなのか、あるいはおそらく他の要因によるものなのかは不明です。たとえば、年間故障率 1% は、現場に展開されているシステムが 1000 台しかないメーカーからはあまり注目されないかもしれません。年間 10 台のシステムが落雷による被害に遭うのは、過剰とは思えないかもしれません。

メーカーが現場に 100 万台のシステムを導入している場合、状況は変わります。現在、年間故障率 1% は年間 10,000 台のシステム故障に相当するため、落雷による故障はさらに注目を集める可能性があります。

ONT の場合、現場で 100 万を超えるシステムを運用している通信事業者がいくつかあります。また、ONT 障害が発生すると、障害が発生したユニットを交換するためのサービスコールが発生するため、通信事業者にとって ONT 障害は費用がかかります。

ほとんどの通信事業者にとって、1% の故障率は許容できません。実際、一部の通信事業者は 0.1% は受け入れられないと考えています。したがって、現在注目されている落雷障害は、常に存在していた同じ結合メカニズムの被害に遭うシステムが増えたことだけが原因である可能性があります。他の観察者は、新しい未知のサージ結合メカニズムにより、実際の故障率が最近増加していると考えています。次のセクションでは、両方の可能性を検討します。

従来の理論

参考文献 [1] では、雷サージが通信ケーブルに現れる一般的に受け入れられている 3 つの結合メカニズムについて説明しています。

原則として、内部ケーブルは上記 3 つのメカニズムすべての影響を受けやすくなりますが、内部配線に大きなサージが誘発される条件は限られています。メカニズム 1 (遠方界結合) は、ほとんどの建物構造が電磁放射からの遮蔽を比較的わずかしか提供していないため、内部ケーブルにとって依然として脅威です。木造構造はほとんど遮蔽を提供せず、多くのタイプの鉄骨構造は限られた遮蔽しか提供しません。したがって、建物内に張られた 300 メートルのケーブルは、建物の外に張られた場合とほぼ同じメカニズム 1 にさらされます。

メカニズム 1 の場合、内部配線の主な制限は単純にケーブルの長さです。外部ケーブルでの雷誘導に関するさまざまな研究 [2、3] では、5000 メートルのケーブルでは、メカニズム 1 に応じて通常約 5 kV の最大サージ電圧が発生することがわかりました。これは、300 メートルのケーブルでの最大サージは次のとおりであることを意味します。比例して小さくなり、わずか 300 ボルトに相当します。

メカニズム 2 (引下げ導体結合) は依然としてケーブル内部にとって明確な脅威ですが、限定された条件下でのみ発生します。このメカニズムでは、雷が建物または建物の避雷システムに直接当たることを必要とし、また、内部ケーブルが雷電流を運ぶ引下げ導体に近接してある程度の距離を配線されることも必要とします。引き込み導体は、建物の避雷システムの明示的な部分である場合もあれば、建物の鉄骨フレームの一部である場合もあります。メカニズム 2 は実際に発生する可能性がありますが、必要な条件は非常にまれであるため、現場で観察されているサージ障害を説明できないように思えます。

メカニズム 3 (GPR) では、内部ケーブルが設置されている建物の近くの地面に雷電流が流入することが必要です。必要な近接度は、ストライク電流や土壌の導電率などのさまざまな要因によって異なります [4、5]。一般的な状況では、建物の下で大きな GPR が発生するために必要な落雷の近接度は、雷電流が建物から 100 メートル未満の場所で地面に侵入することです。さらに、メカニズム 3 では、建物内の影響を受けるケーブルの両端が、物理的に分離された異なる接地基準に接続されている必要もあります。

原則として、建物内の配電ネットワークには、国家電気法 [6] の要求に従って、AC 主電源の引き込み口近くに配置された接地棒によって確立される単一の接地基準のみが必要です。建物に接地基準が 1 つしかない場合、内部のケーブルは GPR の影響を受けることはありません。実際には、一部の機器設置には複数の接地基準があり、近くの落雷によって GPR を介してサージが誘発される状況が生じます。

要約すると、従来の 3 つのメカニズムはすべて、建物内に完全に配線されているケーブルにとって確かに脅威ですが、複合的な脅威には説得力があるようには見えません。メカニズム 1 は、わずか数百ボルトの最大サージを生成すると予想されますが、メカニズム 2 とメカニズム 3 は、これらのメカニズムが有害なサージを生成する統計的可能性を制限する非常に特殊な条件を必要とします。

観察された障害の異常な特徴

損傷した ONT ポートの調査 [8、9] により、2 つのかなり驚くべき発見が明らかになりました。

したがって、ケーブル内部には 2 kV を超える電圧サージの証拠があり、2/10 マイクロ秒の波形で 100 アンペアのピークを超える電流サージの証拠があります。イーサネットのケーブル構成は POTS のケーブル構成とは異なるため、同じタイプのサージが両方のポートタイプに影響を与えるとは想定できません。言い換えれば、両方のポートタイプが 2 kV を超える開放電圧と 100 アンペアを超える短絡電流を伴う雷サージにさらされるとは想定できません。

たとえば、イーサネットポートには一般にサージ電流がグランドに流れるのを防ぐ絶縁バリアが含まれているため、絶縁バリアが壊れない限り電流はほとんど流れません。バリアが破壊されると、イーサネットトランシーバーチップを損傷するのに必要な電流は少量だけです。したがって、理論的には、3 kV の開路電圧とわずか 5 アンペアの短絡電流を伴うサージ波形によって、一般的なイーサネットポートが損傷する可能性があります。

POTS ポートには逆の状況が当てはまります。これらのポートは通常、グランド基準であり、電流をソースおよびシンクするように設計されています。通常、ONT で使用される過電流保護装置は、電圧を 100 ボルト未満に保ちながら、2/10 マイクロ秒の波形で 100 アンペアの雷サージ電流に耐えます。したがって、理論的には、わずか 300 ボルトの開回路電圧と 200 アンペアの短絡電流を伴うサージ波形によって、一般的な POTS ポートが損傷する可能性があります。

イーサネットおよび POTS ポートのサージ耐性を向上させたベンダーでは、フィールド故障率が大幅に減少していることに注意してください。 6 kV コモンモードサージに耐えられるようにイーサネット絶縁バリアを強化することは、非常に役立つようです。同様に、POTS ポートのサージ耐性を 2/10 電流波形に対して 500 アンペアに増やすと、非常に役立つことが示されています。現場での故障を制御するためにこれらの許容レベルが実際に必要かどうかは現時点では不明ですが、十分であると思われます。

要約すると、確実に言えることは、イーサネットポートでは 2 kV ～ 6 kV の範囲の開回路サージ電圧が発生しており、POTS ポートでは 100 アンペア～500 アンペアの範囲の短絡サージ電流が発生しているということです (2/10 を想定)マイクロ秒の電流波形）。これらの範囲内のサージの正確な分布は現時点では不明です。

これらの範囲はどちらも、前のセクションで説明した従来のメカニズムによって作成される、非常にまれな出来事を除いて、通常予想される範囲を超えています。

観察された障害について考えられるメカニズム

高い開路電圧と短絡電流、および明らかに高い発生頻度を考慮すると、他の結合メカニズムが働いている可能性があると示唆する観察者もいます。このようなメカニズムは、上記の 3 つの従来のメカニズムに加えて動作している可能性があります。

近くにある十分な電圧と電流の供給源の 1 つは、AC 主電源です。一般的な AC コンセントに発生する雷サージは、開放電圧が 6 kV、短絡電流が 3 kA と非常に大きくなる場合があります [7]。さらに、AC 主電源システムは、雷サージが建物の内部に伝導的に伝わる経路を提供します。 AC 電源のサージが内部通信ケーブルに結合することを可能にするいくつかの非明白なメカニズムが存在する可能性があります。

AC 主電源のサージは、必要なサージエネルギーを有しており、内部通信ケーブルのすぐ近くに存在するため、発生源の可能性があると考えられています。これを考慮して、AC 主電源のサージがイーサネットおよび POTS の内部配線にどのように伝導結合するかを説明するために、さまざまな理論が提案されています。

最初の理論は、少なくとも実用的な理論としては理解しやすいです。イーサネットおよび POTS ポートに接続されているほとんどのタイプの顧客機器には、独自の AC メインポートもあります。例としては、イーサネットポートに接続されたコンピュータやルータ、POTS ポートに接続されたコードレス電話基地局などが挙げられます。この理論で対処すべき主な問題は、AC 主電源ポートからイーサネットまたは POTS ポートまでの絶縁破壊が発生する可能性です。

2 番目の理論 (容量結合) は、AC 電源の絶縁破壊を必要としませんが、この理論はイーサネット障害にのみ適用されます。ほとんどすべての AC 電源には、AC 主電源と電源の絶縁出力の間に小さいですが有限の静電容量があります。 AC 電源の立ち上がり時間が速いサージは、この容量を通じてある程度のエネルギーを結合する可能性があります。通常、イーサネットポートには独自の絶縁バリアが含まれるため、イーサネット絶縁バリアは AC 電源内の有限の静電容量と直列に配置されます。これにより分圧器が形成され、AC 主電源のサージ電圧の一部がイーサネット絶縁バリアを越えて直接現れます。

この理論を使用して POTS 障害を説明することはできません。 POTS ポートはグランド基準であり、通常、ケーブルからグランドまでの過電圧保護が備わっているため、これらのポートに高いサージ電圧が発生することは通常あり得ません。 POTS ポートを損傷するには、ポートに過剰な電流を強制的に流す必要があります。 AC 電源の絶縁バリアを横切る小さな静電容量では、一般的な POTS ポートに損傷を与えるのに十分な電流を結合するには十分ではありません。

3 番目の理論 (顧客が取り付けたサージ保護装置との相互作用) は分析が最も複雑ですが、この理論はいくつかの興味深い可能性を示しています。次のセクションでは、3 つの理論のそれぞれについて詳しく説明します。

理論 1: 絶縁破壊

図 1 は、イーサネットポートがルータに接続され、POTS ポートがコードレス電話基地局に接続された ONT の代表的な構成を示しています。ルータと電話ベースステーションの電源は、2 ブレード AC 電源プラグを備えた壁掛け電源であるため、これら 2 つのデバイスはアースに明示的に接続されていません。ただし、ONT 電源とその内部回路は通常、接地されています。ルータまたは電話機の AC 主電源入力に十分に大きなサージが発生すると、これらの AC 主電源入力と ONT のアースの間にある絶縁バリアに壊滅的な破壊が発生する可能性があります。

図 1: ONT に接続されたイーサネットルーターとコードレス電話基地局

図 1 に示すイーサネット接続を参照すると、イーサネットケーブルを通るサージパスは、直列の 3 つの絶縁バリア (バリア 1、バリア 2、およびバリア 3) を乗り越える必要があることに注意してください。民生用機器の無作為サンプリングによるサージ対故障テストでは、バリア 1 は通常少なくとも 9 kV のサージ耐性を持ち、バリア 2 と 3 は通常少なくとも 2 kV のサージ耐性があることが示唆されています。したがって、直列の 3 つのバリアすべてが壊滅的に破壊されるには、(9 kV + 2 kV + 2 kV) = 13 kV を超えるサージ電圧が必要になると思われます。このようなサージは AC 主電源ポートに発生する可能性がありますが、統計的にはまれです。

図 1 の POTS 接続を参照すると、ONT の AC 主電源ポートと接地基準の間に絶縁バリア (バリア 4) が 1 つだけ存在していることがわかります。

バリア 4 が通常少なくとも 9 kV のサージ耐性を備えていることを考慮すると、9 kV を超えるサージは、ONT の POTS ポートを介してアースに致命的な故障を引き起こす危険性があります。このレベルは、AC 主電源ポートで発生する可能性のあるレベルの範囲内ですが、統計的には非常にまれです。

上記の分析は、民生用機器の無作為サンプリングによるテストによって決定されたように、AC 主電源バリア 1 および 4 の絶縁破壊レベルが「通常 9 kV を超える」という仮定に基づいています。この発見は、AC 主電源バリアが、絶縁バリアを厳密に規定する UL 60950-1 [10] などの安全規制に準拠する必要があるという事実によって裏付けられています。

AC 主電源絶縁バリアに課せられる構造要件には、沿面距離、空間距離、固体絶縁体を通る距離が含まれます。一部の要件は、240 VRMS 電源よりも 120 VRMS 主電源の方が低いですが、現在米国で販売されているほとんどの電源は両方の入力電圧に対応しています。

[10] に準拠し、120 ～ 240 VRMS 入力の定格を持つ電源の場合、絶縁バリアの沿面距離と空間距離は 4 mm の範囲になり、固体絶縁体を通る距離は 0.4 mm を超え、生産時の耐電圧は低くなります。テストは 3000 VRMS (ピーク 4242 ボルト) になります。実際には、[10] の構造要件を満たすように設計された電源は、通常、実際のサージ破壊しきい値が 9 kV を超えています。

興味深いことに、インターネットで購入した一部の汎用交換用電源では、故障レベルが 3 kV という低さでした。内部検査により、これらの供給品の絶縁バリアが [10] に準拠していないことが判明しました。これらの非準拠の供給品には、独立した研究所からの安全マークは付いていませんでしたが、ヨーロッパではメーカーの自己宣言による CE マークは付いていました。

現時点では、ルーターやコードレス電話の有名ブランドのメーカーが非準拠の電源を使用しているという証拠はありません。したがって、今回の分析の目的で、壁取り付け電源には最小破壊しきい値 9 kV が割り当てられています。ただし、市場で入手可能な一部の電源の故障しきい値は低いことに注意してください。

「通常 2 kV を超える」サージ耐性を持つことが判明したイーサネット絶縁バリアについては、イーサネット標準 IEEE 802.3 [11] が 2121 ボルトのピークに相当する 1500 VRMS 定格の絶縁バリアを要求していることを考慮すると、この発見は合理的であるように思われます。。 [11] は規制標準ではなく単なる業界標準であるため、この要件の正式な強制は行われないことに注意してください。ただし、事実上すべての市販のイーサネットトランスは、メーカーによって 1500 VRMS の絶縁性を備えていると評価されています。

ほとんどのイーサネットインターフェイスには、絶縁バリアをブリッジするコンデンサも含まれています。このコンデンサは次のセクションの主題であり、そこでさらに詳しく説明します。

要約すると、図 1 の絶縁バリアの壊滅的な故障は、ここで議論されている異常なサージ故障を説明する候補としては考えにくいようです。壊滅的な故障には 13 kV を超えるサージが必要になる可能性があるため、これは特にイーサネットポートに当てはまります。 POTS ポートの場合でも、必要なサージレベルは 9 kV を超える可能性があります。

理論 2: AC 電源を介した容量結合

図 2 は、イーサネットポートがルータに接続された ONT の代表的な構成を示しています。この場合、3 つの連続する絶縁バリアのそれぞれの静電容量は、コンデンサ C1、C2、および C3 によって明示的に表されます。

図 2: イーサネットルーターを通る容量結合パス

これらは、トランスの巻線間容量などのパラメータからの単なる寄生容量ではないことを理解することが重要です。むしろ、各コンデンサは、回路設計者によって絶縁バリアを越えて意図的に配置された物理的な高電圧コンデンサです。

コンデンサ C1 はほとんどすべてのスイッチング電源に使用されており、その標準値は 2200 pF です。その目的は、AC 主電源の伝導性放出を制御することです。 C1 の最大値は、電源の絶縁出力のタッチ電流に関する安全要件によって制限されます [10]。場合によっては、C1 が 2200 pF より大きくなることがあります。

60 Hz 降圧トランスとリニアレギュレータを組み合わせたリニア電源では、軽減するスイッチングノイズがないため、コンデンサ C1 は必要ありません。線形電源では、C1 で表される静電容量は、60 Hz トランスの寄生巻線間静電容量にすぎません。この寄生容量の標準値は 100 pF の範囲内です。

数年前まで、ほとんどの小型イーサネットルーターは、壁に取り付けられたリニア電源を電源として使用していました。エネルギー効率に対する規制要件の増加により、壁掛け式リニア電源はほとんど段階的に廃止され、壁掛け式スイッチング電源が採用されています。したがって、小型イーサネットルーターの電源に明示的なコンデンサ C1 が存在するようになったのは、最近の変更です。これからわかるように、C1 の値は、AC 主電源からルータおよび ONT のイーサネットポートに結合されるサージ電圧に影響します。

コンデンサ C2 および C3 は、コモンモード放射を低減し、伝導 RF の影響を低減するために、ほとんどのイーサネットポートで使用されます。典型的な値は 1000 pF です。

C1 に 2200 pF、C2 と C3 に 1000 pF の標準値を使用すると、ルータの AC 主入力と ONT アース間のサージの場合、サージ電圧の約 18% が C1 に、41% が C2 に現れ、 C3 全体で 41%。 C2 と C3 の静電容量を減らすと、それらの両端に現れるサージ電圧の割合が増加することに注意してください。 C1 の静電容量を増やすと、C2 と C3 間の電圧も増加します。

通常、コンデンサ C1 は安全絶縁バリアを橋渡しし、AC 電源の安全性評価中に慎重な検査を受けるため、堅牢な高電圧コンデンサです。これは、[12] で安全絶縁バリアをブリッジすることが許可されているコンポーネントとして分類されているため、いわゆる「Y1」コンデンサになります。 240 VRMS 主電源用の Y1 コンデンサは、複数の 8 kV サージに耐えるように定格されています。通常、実際の障害しきい値ははるかに高くなります。

一方、イーサネットポートの絶縁バリアは一般に安全絶縁バリアとはみなされないため、コンデンサ C2 および C3 は通常、安全定格コンデンサではありません。ほとんどのアプリケーションでは、屋内イーサネットケーブルは [10] に従って SELV 回路として分類されます。これにより、それらはほとんどのコンピュータやルータで接続される内部回路と同じクラスに分類されるため、[10] ではいかなる形式の安全絶縁も要求されません。

ただし、IEEE 802.3 に準拠して適切に設計されたイーサネットポートでは、このレベルの絶縁が IEEE 802.3 で要求されているため、これらのコンデンサと関連するイーサネットトランスは、1500 VRMS AC または 2250 VDC の耐電圧テストに耐えられると評価されます。 IEEE 802.3 の絶縁要件は一般に、コモンモード干渉に対する堅牢な耐性を提供することを目的とした機能要件として始まったと考えられていますが、この要件の実際の起源は不明です。

今回の分析で理解する必要がある重要なことは、C2 と C3 は通常、安全定格のコンデンサとして扱われず、安全機関による審査を受けないことです。さらに、IEEE 802.3 の絶縁要件は、自主的な業界標準に記載されている機能要件にすぎません。したがって、これらのコンデンサを監視する規制当局はなく、設計エンジニアがこれらのコンデンサに多くの注意を払う動機はほとんどありません。ほとんどのメーカーは、自社の設計が 802.3 絶縁要件を満たしていることを確認するために IEEE 802.3 耐衝撃テストを実行することさえありません。

その結果、C2 と C3 は通常、耐電圧テストやサージ耐性を考慮していない個々の設計者によって選択されます。ほとんどの製品設計では、C2 および C3 に使用されるコンデンサは、IEEE 802.3 の絶縁テストにかろうじて合格できる電圧定格を備えた小型の表面実装コンポーネントです。

このため、予想よりも高いサージレベルが発生した場合、C2 と C3 が絶縁破壊の可能性が高くなります。サージエネルギーは C1 を介して容量結合される可能性がありますが、安全定格コンデンサとしての堅牢な構造により、C1 は通常損傷を受けません。 C2 と C3 は、堅牢性が低く、容量値が C1 よりも低いことが多いため、より脆弱です。これらのより低い静電容量値により、C1 と C2 は合計サージ電圧のより大きな割合を経験します。

現場で絶縁破壊が発生したイーサネットポートを検査すると、多くの場合、コンデンサが損傷していても、関連するトランスには損傷がないことがわかります。

理論 3: お客様が取り付けたサージ保護装置との意図しない相互作用

サージプロテクターがイーサネットポートや POTS ポートに意図せずサージを引き起こす可能性がある方法がいくつかあります。顧客が可能な設置構成の範囲が広いため、考えられるメカニズムの種類は非常に多く、そのすべてをここで説明できるわけではありません。以下の説明では、考えられる 2 つのメカニズムのみに焦点を当てます。

図3は、いくつかの代表的な「組み合わせサージプロテクター」の写真です。これらの各デバイスは、AC 主電源、イーサネット、POTS、同軸という 4 つのポートタイプのサージ保護回路を組み合わせています。組み合わせサージ保護装置の一般的なバリエーションでは、4 つのポートタイプのうち 1 つ以上が省略されていますが、残りの各ポートタイプで使用される個別の保護方式は、ここで説明する回路と同様になります。

図 3: 組み合わせサージプロテクター

図 4 は、組み合わせサージ保護装置の内部回路の非常に簡略化した回路図を示しています。イーサネットや POTS などの多導体ポートではいくつかのサージ保護コンポーネントが使用されていますが、図 4 の図ではこれらを各ポートタイプの単一のデバイスとして表していることを理解することが重要です。この簡略化は、議論をコモンモードサージに集中できるようにするために行われています。

図 4: 組み合わせサージ保護装置が取り付けられた家庭用配線図

AC 主電源コンセントの保護に一般的に使用されるサージ保護部品は、しきい値電圧が約 400 ボルトの金属酸化物バリスタ (MOV) です。同様に、MOV は POTS ポートで使用される最も一般的なタイプですが、しきい値電圧は通常 300 ボルトの範囲にあります。イーサネット保護に使用される最も一般的なコンポーネントは、しきい値が約 70 ボルトの TVS ダイオードで、通常は一連のステアリングダイオードと組み合わせて、単一の TVS ダイオードでイーサネットケーブル内の 4 つのペアすべてを保護できます。同軸保護のために、ほとんどのサージ保護装置は、しきい値電圧が約 100 ボルトのガス放電管 (GDT) を使用します。

図 4 の組み合わせサージプロテクターの回路は、AC 主電源のサージが、サージプロテクターが保護するように設計されている他の各ポートタイプに伝導する機会を生み出します。保護された AC 主ポートと他のポートタイプを組み合わせたサージプロテクターには、このリスクが発生します。

最も単純なカップリングのリスクは、サージ保護装置が使用するアース接続が何らかの理由で開いたままになっている場合に発生します。図 4 のサージプロテクターは、比較的低電圧の保護コンポーネントを介してすべてのポートを意図的に結合しているため、1 つのポートのサージが他のすべてのポートに現れるのを防ぐ唯一の方法は、アースへの信頼性の高い接続です。

これは、図 4 の点 A でのグランドへの接続が開いていると想像すると簡単に想像できます。点 A が開いていると、AC 主電源ポートに発生するサージは点 A を介してアースに取り込まれません。アースへの次善の経路は、ONT に接続されている 1 つ以上の保護ポートを経由することです。

ここで重要な点は、雷サージは常に地面への最も低いインピーダンスの経路を探すということです。図 4 のようなサージ保護装置が適切に機能するかどうかは、AC コンセントのアース接続を介してアースへの低インピーダンスパスが確保されているかどうかに完全に依存しています。何らかの理由でこの接地が信頼できなくなると、サージ電流は接地への次善の経路を探します。その経路は、サージ保護装置が保護することを目的とした機器を通過する可能性があります。これの皮肉な側面は、サージ保護装置と信頼性の低いアースを組み合わせた場合、保護装置をまったく使用しない場合よりも悪くなる可能性があることです。

複合サージ保護装置のアースが欠落していると、AC 主電源から他のすべてのポートにサージが直接結合することは容易にわかりますが、このメカニズムが現場で経験したサージ障害の数を説明できるとは考えにくいようです。結局のところ、ほとんどのサージ保護装置は、アースピン付きのプラグを受け入れる AC 壁コンセントに正しく差し込まれており、ほとんどの壁コンセントでは、このアースが AC 主電源の引き込み口のアースロッドに確実に接続されています。例外は確かに発生しますが、おそらく広く普及していません。

ただし、サージ保護装置のアース接続が欠落している場合に発生する可能性のある種類の損傷は、アースが引き込み口のアースロッドに正しく配線されている場合でも発生する可能性があります。これが発生する理由は、アース線のインダクタンスに関係します。

単一のワイヤのインダクタンスは小さいですが有限であり、通常は 1 メートルあたり 2 マイクロヘンリーの範囲です。したがって、サージ保護装置を接地棒に接続する 50 メートルの接地線には、約 100 マイクロヘンリーのインダクタンスがあります。

AC 電源コンセントに関連するアース線の場合、長さが 50 メートルになることも珍しくありません。建物内の AC 主電源コンセントに関連するアース線は、通常、AC 主電源引き込み口の電気パネルから始まるスター型構成で配線されます。配電盤の中央接地ノードは、通常は非常に短いワイヤによって接地棒に接続されます。

したがって、配電盤の中央接地ノードは低インピーダンス接地であると考えることができますが、特定のコンセントにある接地については同じことは言えません。

50/60 Hz の AC 電源周波数では、100 マイクロヘンリーのインダクタンスによって生じるインピーダンスは無視できます。ただし、立ち上がりの速いサージ波形の場合、この同じインダクタンスによって非常に高いインピーダンスが生成される可能性があります。これがどのように起こるかを理解するには、インダクタ L の両端の電圧 V が次の式で表されることを思い出してください。ここで、di/dt はインダクタ内の電流の変化率を表します。

V = L(di/dt)

AC 主電源上の代表的な雷サージは、8 マイクロ秒の立ち上がり時間でピーク 500 アンペアの短絡電流波形を持つ可能性があります [7]。これらの値を 100 マイクロヘンリーのインダクターに適用すると、計算された電圧は 6.25 kV になります。

この計算は、指数関数的な立ち上がり時間を持つサージ波形の状況を単純化しすぎていますが、基本原理は依然として有効です。立ち上がり時間が速い大きなサージ電流により、長いアース線に数千ボルトの電圧降下が発生する可能性があります。

図 4 に戻って、AC 主電源コンセントに雷サージが発生したときに何が起こるかを考えてみましょう。保護コンポーネント P1 および/または P2 が公称 400 ボルトでオンになり、サージ電流が AC コンセントのアース線を通って電気パネルに戻ろうとします。接地線 (図 4 の L-GND で表す) の長さにわたって 6 kV の電圧降下が発生すると、サージ保護装置内の接地基準ノード全体が、接地より 6 kV 高い瞬間電位まで上昇します。

これは、接続されているすべてのケーブル (AC 主電源、イーサネット、POTS、および同軸ケーブル) のサージ保護装置の端を、アースから 6 kV の瞬間値まで上昇させる効果があります。この時点で、通常はアース接続を介して流出すると予想されるサージ電流が、接続されたケーブルを介してアースへの他のより魅力的な経路を見つける可能性があります。

ここで重要な点は、AC 主電源に流れる高電流で立ち上がり時間の速いサージがアース線のインダクタンスと相互作用して、サージ保護装置に接続されているすべてのケーブルに高電圧コモンモードサージを発生させる可能性があるということです。ある意味、サージプロテクターは AC 電源のサージを受け取り、サージプロテクターに接続されているすべてのケーブルにサージを「ブロードキャスト」します。これは、サージ保護装置が正しく取り付けられており、AC 主電源コンセントのアース線が正しく接続されているにもかかわらず発生します。

このサージメカニズムの興味深い点は、サージプロテクターと同じ場所にあるすべての機器のアースに対する電圧上昇がほぼ同じであるため、サージプロテクターと同じ場所にある機器が通常はサージによって損傷しないことです。サージ電流が流れたケーブルの遠端に接続されている機器に損傷が発生します。したがって、サージ電流が ONT のイーサネットポートまたは POTS ポートを介してグランドへの経路を見つけた場合、結果として損傷するのは ONT のポートだけです。お客様にとって、ONT には、お客様のインストールの他の部分とは関係のない、ある種の個別の問題が発生しているように見えます。

参考文献 [13] には、サージ保護装置の不適切な使用によって生じるリスクについての優れた説明が含まれています。原則として、これらのリスクは、建物内の相互接続された機器と接地を注意深く分析することで軽減できます。この分析の結果に基づいて、サージプロテクターが建物内の戦略的なポイントに配置されます。

残念ながら、ほとんどのユーザーは必要な分析を実行するための技術的資格を持っていません。ほとんどの用途は、サージプロテクターを購入し、保護したい機器の近くに取り付けるだけです。そうすることで、建物内の他の場所にある他の機器にサージ電流を流す影響があることに気づいていない可能性があります。

まとめ

近年、通信機器の多くのサプライヤーは、内部配線のみに接続されているイーサネットおよび POTS ポートで、予想を上回る割合で雷サージによる損傷を経験しています。結果として生じる物理的損傷は、イーサネットポートで 2 kV を超えるサージ電圧が発生し、POTS ポートで 100 アンペア (想定される 2/10 マイクロ秒の電流波形の場合) を超えるサージ電流が発生していることを示しています。これらのレベルは、建物内全体に配線されたケーブルに雷サージがどのように結合するかについての従来の仮定では簡単に説明できません。

知られている従来の機構 (GPR) の少なくとも 1 つはこのような大きなサージを発生させることができますが、必要な条件は比較的まれです。他のメカニズムが働いている可能性があるようです。

代替メカニズムに関するさまざまな理論が業界の専門家によって提唱されています。これらの理論のうち 3 つは詳細に議論されています。これら 3 つの理論はすべて、AC 主電源のサージが何らかの形でイーサネットおよび POTS ケーブル内に結合されているという概念に基づいています。

分析によると、これらの理論の最初の理論はありそうもないように見え、2 番目の理論は非常にもっともらしいですが、イーサネットポートの絶縁破壊を伴う障害を説明するためにのみ使用できることがわかります。この理論では POTS の障害は説明できません。

3 番目の理論は、顧客が取り付けたサージ保護装置による予期せぬ副作用に焦点を当てています。このようなデバイスは近年、より一般的になりました。 3 番目の理論では、イーサネットポートと POTS ポートの両方で観察された障害と一致する損傷が発生する可能性があります。

これらの理論をテストするための有益な次のステップは、実際の現場での故障に関するデータを収集して、その特性を候補理論の 1 つと照合することです。

たとえば、理論 1 では、関連するポートに接続されている機器が損傷します。理論 2 はイーサネットポートにのみ適用され、接続された機器に損傷を与えることはありません。さらに重要なのは、サージ電流が比較的低いことです。理論 2 に起因する損傷では、溶けた回路基板の痕跡や焦げた物質などの物理的証拠はほとんど示されません。ただし、詳しく検査すると、ポート内の特定の領域にアークの痕跡が見つかったり、集積回路の内部損傷が判明したりする場合があります。理論 3 では、接続された機器に損傷を与えることなく、非常に高エネルギーのサージを POTS ポートまたはイーサネットポートに結合できます。ただし、理論 3 は、お客様がマルチポートサージプロテクターを取り付けている場合にのみ適用されます。

残念ながら、イーサネットおよび POTS ポートを備えた機器のメーカーは、機器が設置される電源および接地環境の特性をほとんど制御できません。これは、たとえこれらの理論のいずれかのメカニズムが観察された故障の原因であることが現場評価で確認されたとしても、サージの発生を防ぐためにメーカーができることはほとんどないことを意味します。

ここで紹介した理論的メカニズムはさらなる研究の対象となる必要がありますが、現場での故障率を直ちに削減したいと考えている製造業者は、根本的な原因を必ずしも理解していなくても、特定の措置を講じることができます。

イーサネットのコモンモードサージ耐性を 6 kV に高めることで、イーサネット絶縁バリアのほとんどの障害を排除するのに十分であると思われます。 POTS サージ電流許容値を 2×10 マイクロ秒の電流波形に対して 500 アンペアに増やすことで、POTS ポートでのほとんどのサージ障害を排除するのに十分であると思われます。

参考文献

ジョゼフ・ランドルフは、電気通信機器の設計において 30 年以上の経験を持つ独立系コンサルタントです。彼はバージニア工科大学で BSEE の学位を取得し、パデュー大学で MSEE の学位を取得しました。彼の経歴には、従来の通信音声およびデータ機器、DSL、および光ネットワーク端末デバイスを含むさまざまな新興 VOIP および IP テレフォニー製品の設計が含まれます。彼の主な専門分野は、回路設計、雷保護、国際法規制への準拠、および米国のキャリアクラス通信機器用の Telcordia NEBS GR-1089 などの業界標準への準拠です。彼は IEEE の上級会員であり、テレコムアドバイザリーの委員を務めています。 IEEE 製品安全技術協会の委員会。ランドルフへの連絡先は、[email protected] です。

イーサネット雷スポットサージ

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雷サージによる屋内配線に接続されたイーサネットおよびPOTSポートの損傷