計装機器の接地・シールド・雷保護：見落とされがちな故障原因

計装機器の接地・シールド・雷保護：見落とされがちな故障原因

断続的な測定値のずれや通信障害は、配線、ボンディング、電源品質、サージへの暴露が原因となることがあります。伝送器を交換する前に設備全体を診断してください。その際、保護接地、信号の基準電位、ケーブルシールドを区別して確認します。

保護ボンディングと信号基準を区別する

保護ボンディングは危険な接触電位を抑え、必要な故障電流経路を確保します。信号基準とケーブルシールドは、それぞれ別の機能を担います。不要な電流が信号回路に流れ込んだり、インターフェースのコモンモード限界を超えたりすると、基準電位差によって信号が乱れることがあります。

一部の低周波アナログ回路では、信号基準を定められた一点で接続します。ただし、現場の保護接地を外したり、設備の等電位ボンディング網を単一の孤立した接地点に置き換えたりするという意味ではありません。機器マニュアル、電気設計、適用される安全要件に従ってください。

シールドの端末処理：片端か両端か

ケーブルシールドは干渉電流の経路を提供します。その効果は周波数、端末接続のインピーダンス、等電位ボンディング系統によって変わります。一部の低周波アナログ回路では片端接続が一般的です。ほかの回路、特に高周波では、両端接続や全周接続が必要な場合があります。

シールドの端末処理は、両端の機器マニュアルと現場のEMC設計から決めます。両端のボンディングに不要な低周波電流が流れる可能性がある場合は、等電位ボンディング、絶縁、または承認された容量結合方式を評価してください。ノイズを解消するために保護導体を外したり、現場で独自の端末処理を考案したりしないでください。

雷サージが実際に機器へ侵入する経路

直撃雷や近傍への落雷後には、電源、信号、通信、接地電位差を通じてサージが侵入することがあります。露出するケーブルの境界や保護ゾーンの境界にSPDを配置し、協調を図ります。両端の保護が必要になる場合もあります。一つの伝送器にSPDを一台取り付けるだけでは、雷保護設計全体を構成したことにはなりません。

サージ保護装置（SPD）は過渡電圧を接地へ逃がして抑制するため、短く直接的で低インピーダンスの接地接続が必要です。塗装された盤にボルト止めし、細い線を1メートル引き回したSPDでは実効的な保護になりません。清浄な接地バーへ直接ボンディングしたSPDが保護を担います。

実用的な接地チェックリスト

保護ボンディング網と、意図された信号基準の接続を確認します。接地ループの一般的な対策として現場接地を外さないでください。

各シールドを承認済みの端末処理図と照合し、導通、露出長、ケーブルグランド、必要な両端ボンディングを確認します。

ケーブルトレイを分けます。4–20 mAケーブルやデジタルケーブルをモータ・電力ケーブルと同じトレイに敷設しないでください。交差が必要な場所では直角に交差させます。

SPDを適切にボンディングします。サージ保護の効果は接地接続に左右されます。短く、幅広く、直接接続してください。

設備の接地網を確認します。腐食または断線した接地網につながっていても、計装接地としての役割は果たせません。

技術者からの質問

Q1. ポンプ起動時に指示値がドリフトするのはなぜですか？

電源電圧の低下、誘導結合、基準電位差、インターフェースの限界、実際のプロセス変化などが考えられます。ボンディングを変更する前に、安全に電源と信号の時系列を記録し、配線経路を点検して、発生事象と照合してください。この症状だけで二つ目の接地経路があるとは断定できません。

Q2. シールドは伝送器側と盤側のどちらで接地すべきですか？

機器と現場のEMC要件に従ってください。一部のアナログループでは盤側のみの接続が一般的ですが、デジタルインターフェース、サージ保護、等電位ボンディングでは別の構成が必要になることがあります。

Q3. すべてのループにサージ保護が必要ですか？

現場の雷・サージリスク評価、ケーブルの暴露状態、保護ゾーン境界、機器の耐量に基づいて判断します。該当する場合は信号、電圧、HART、危険場所要件への適合も含めてください。屋外にあるというだけではSPD設計全体は決まりません。

Q4. シールドを予備の導体として使えますか？

使ってはいけません。シールドは遮蔽用で、回路導体の代わりではありません。電流を流すと本来の目的を損ない、ノイズを直接信号に結合させます。

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技術参考資料

• シールド端末処理と等電位ボンディング