JP2008535448A - 雷撃電流放出装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、捕捉装置と外部避雷器の接地設備とを電気的に接続するための雷撃電流放出装置に関するものであり、電気導体は絶縁被覆の中に埋設されており、該絶縁被覆は積層された誘電体も有している。絶縁被覆はさらに導電性または半導電性の外套を有している。前記電気導体と前記捕捉装置との接続区域には、沿面放電を防止する目的ならびに衝撃電圧耐力を高める目的で電界制御のための構造が設けられている。前記外装はその長さ全体にわたって異なる導電性を有する区域に細分化されていてよい。

Description

本発明は、請求項１，２，４，５または６の前提項に記載されている、捕捉装置と外部避雷器の接地設備とを電気的に接続するための雷撃電流放出装置に関する。

雷撃電流放出装置は、所望の雷撃電流耐性を保証するために、相応の断面積をもつ金属導体で構成されているのが普通である。通常用いられる素材はアルミニウム、亜鉛めっきされた鋼線もしくは帯鋼、あるいは銅回線などである。このような素材が天然または人工の捕捉装置に接続され、建物外面を経由して最短距離で接地設備へと案内され、たとえば接地リングや接地棒へと案内され、または基礎接地と接続される。

さまざまな細目措置を含んでいる関連する防雷規格を守ることは、保護されるべき設備の高度の動作安全性をもたらす。防雷の必要性に応じて規定されている防雷等級は、外部避雷器における具体化の設計的措置を決定づける仕様である。

実際問題として、きわめて頻繁に直面することになる問題は、捕捉装置と、電気装置または電子装置のその他の導電性の金属部分へと通じる放出部との間で、所要の安全距離を遵守することにある。所要の最低距離が守られていないと、雷が落ちた場合に制御不能な火花連絡が生じる危険があり、その結果として、損傷や発火が起こる可能性がある。

安全距離の計算は、係数Ｋ_ｃで表される放出部における雷撃電流の割合と、係数Ｋ_ｉで表される雷撃電流の立ち上がり時間と、近接位置から次の等電位面Ｌまでの距離と、係数Ｋ_ｍで表される分離区間の材料とによって規定される。

材料係数Ｋ_ｍは、空気との関係における素材の絶縁能力を表している。

従来、絶縁されていない雷撃電流放出装置を絶縁コーティングで取り囲むことによって、近接の問題を解決することが原理的には可能であるが、このことは、絶縁された放出部から防雷設備自体への移行に問題があるために困難である。雷撃電流が配線へ導入される個所で、表面に沿って沿面放電が起こる。沿面放電の開始電圧を超えるとただちに安定した放電が形成され、この放電が、耐電圧性を全体として低下させるとともに火花連絡を引き起し、その結果、絶縁が無効になってしまう。

公知の遮蔽された耐高圧性の同軸ケーブルは、沿面放電を防止するために抵抗制御型の終端箱を有しており、防雷の目的のために利用することができる。
このような種類の雷撃電流放出装置の問題点は、導電性の優れたシールド線が使用されているために、放出されるべき一次雷撃電流の好ましくない変成器結合がシールド線で起こるという点にある。

このことは、導電性のシールド線が通常、建物の金属コンポーネントのシステムに引き込まれているという意味において、重大である。その場合、値＜１Ωという小さいループ抵抗では、放出されるべき一次雷撃電流の最大５０％に達する場合がある甚大な電流が発生することになる。このような現象は、建物に設置されている電気式・電子式の設備および装置にとって甚大な脅威となる。このような脅威に対しては、高いコストのかかるシールドによってしか回避することができず、または、絶縁された放出部とその他の金属コンポーネントとの間の、具体化が困難な比較的大きい距離によってしか回避することができない。

ドイツ特許出願公開第１０２２８６６５Ａ１号明細書より、捕捉装置と外部避雷器の接地設備とを電気的に接続するための雷撃電流放出装置が公知となっている。同文献で用いられている電気導体は絶縁被覆に埋設されており、この絶縁被覆がさらに導電性の外套を有しており、電気導体と捕捉装置との接続区域には、沿面放電を防止する目的のために、ないしは所要の衝撃電圧耐力を実現するために、電界制御ための構造が設けられている。しかし、同軸構造をもつこの放出装置では、たとえば金属製のカバーや金属管といった金属部品の領域で、この装置が一定の最低距離を有していることが必要であり、このことは、設計上の側面からだけでなく、特定の建築物の場合には造型上の観点からも欠点となる。

ドイツ実用新案出願公開第２０２００４００３２３３Ｕ１号明細書は、絶縁された放出装置を備える外部防雷システムのための防雷装置を示しており、この場合、放出装置を延長するために、その都度の利用ケースで必要となる取り付け場所の長さに応じて、任意の個数の内部絶縁被覆を電気導体に被せることが可能であるようになっている。突合せ個所の領域では、内部絶縁被覆は外部絶縁被覆によって取り囲まれるが、たとえば移動無線アンテナのアンテナ柱等に対して、いわゆる分離間隔を原則として遵守しなくてはならない。

したがって、以上を前提とする本発明の課題は、導電性の外套を有する絶縁被覆の中に埋設された電気導体を基本としたうえで、一方では、放出されるべき雷撃電流がシールド線へ変成器結合されるのを是認できる程度にまで低減することを保証とともに、さらには、電気的強度を弱めることなく、放出装置における材料使用量や厚みを減らすことを可能にする、改良された雷撃電流放出装置を提供することであり、最終的に提供されるべき雷撃電流放出装置は、従来技術のように分離間隔を必要とすることなく、金属コンポーネントのすぐ近傍を通過させ、ないしは敷設することができるようにすることである。

本発明の課題の解決は、請求項１，２，４，５または６の構成要件に基づく雷撃電流放出装置によって行われ、従属請求項は、少なくとも好都合な実施形態および発展例を含んでいる。

それによると第１の実施形態では、雷撃電流放出装置の電気導体は絶縁被覆に埋設されている。たとえばこの場合、ポリ塩化ビニルやポリエチレンなどの絶縁材料を用いることができる。

さらにこの絶縁被覆は、全長にわたって段階的な導電性を有する半導電性の外套を備えている。従来型の形式で構成されていてよい捕捉装置と、電気導体との接続区域には、沿面放電を防ぐ目的のために、たとえば導電性プラスチック部材の形態で、電界制御のための構造が設けられている。

電界制御部そのものは容量式に構成されていてよく、または、ケーブル端部の抵抗性電界制御部として構成されていてよい。たとえば電界制御電極がケーブル端部に設けられていてよく、このような電極は、たとえば巻き取られた半導電性テープの形態で具体化することができる。

この特別な放出装置に設けられる外部保護コーティングは、シリコンを含有する物質またはその他の水をはじく物質を有しており、このことは絶縁耐力をいっそう高める。

さらに、絶縁耐力を改善するために、沿面距離の延長につながるシールドを設けることも本発明の範疇に含まれる。

上述した絶縁被覆は捕捉棒まで直接達していてよく、またはその一部を形成することができる。

電界制御のための構造を備える絶縁被覆を設けるという上述したコンセプトは、たとえば水道管、ガス管、または降水管といった導電性の種類の供給技術装置および処理技術装置にも適用することができる。

防雷設備においては、従来型の放出装置と、本発明に基づいて絶縁されるとともに電界制御構造を備える放出部とを組み合わせ、ないしは、そのように構成されたケーブルとを組み合わせることが可能である。

電界制御部は、沿面放電に対する絶縁部の相応の強度を保証するために、このように組み合わされたシステムが統合される領域および分離される領域でも、利用することができる。

前述したように、この新たな種類の雷撃電流放出装置は、雷撃電流耐性のある内部導体を備えている同軸構造と、相応の絶縁部と、場合により抵抗が可変な被覆部と、外側の機械的な保護外套とで構成されている。沿面放電を回避するために、ケーブルの移行部には電位制御部すなわち絶縁された放出部が設けられるとともに、従来式の防雷設備が設けられている。

同等の高周波ケーブルとは異なり、交流電圧耐力には配慮しなくてよいので、電界制御部は、衝撃電圧耐力の観点から簡単なやり方で最適化することができる。たとえば、簡素で省スペースな構成を可能にする比較的高い導電率を具体化することが可能である。

電界制御のために電極が構成されるが、制御媒体としては、半導電性物質や液体も適している。

巻き取ることができる半導電性のテープを電界制御のために利用する場合、導入部の領域ではＲｏｇｏｗｓｋｉ形状のような形式の幾何学構成が可能である。

本発明の第２の実施形態によると、絶縁被覆は、部分絶縁層または部分絶縁領域を備える積層された誘電体で構成されており、すなわち、誘電率のさまざまに異なる材料で構成されている。

それぞれの誘電率εｒは、それぞれの部分絶縁部ｒで生じる最大の電界強さが近似的に等しくなるように選択される。

絶縁された放出部が本発明の第２の実施形態に基づいて具体化され、すなわち、半径ｒ１の十分な断面積の金属導体を被覆する、ｒ２およびｒ３の半径をもつ積層された誘電体が使用されるという形で具体化されると、必要な材料使用量およびこれに伴う絶縁された放出部の厚みを減らすことができ、電気的強度を大幅に高めることができる。

電気的強度の向上、およびこれに伴う使用される絶縁物質の改善された利用性は、前述したように、それぞれの部分絶縁部で生じる最大の電界強さが近似的に等しい場合には必ず実現される。そのために、上述したように、さまざまに異なる誘電率εｒを有する絶縁材料が利用される。

本発明の第３の実施形態によると、同軸の雷撃電流放出装置の外套は、この外套の抵抗値が１ｋΩ／ｍから１００ｋΩ／ｍ未満の範囲内にあるように製作される。このように低い外套抵抗では、次のような利点が得られる。

外套の低い抵抗は、落雷があった場合に、終端箱の領域における導体の表面で電圧分布を均一化する。それにより、表面に沿って特に接地金具の領域で、いかなる場合でも電気放電の開始電解強さを下回る低い電界強さが生じる。それによって最終的に、構造の全体的な耐電圧性が大幅に向上する。

このような低抵抗の電界制御部は、頭頂部分と接地個所との間で線形の電圧分布が生じる理想的なケースに近似する。

１ｋΩ／ｍから１００ｋΩ／ｍ未満の範囲内にある選択された作業抵抗は、ケーブル外套を通る放出電流を依然として無視できるほどには小さく、かつ、防雷設備の確実な分離、建物内への導電性の設置といった同軸の雷撃電流放出装置の役割が確保される程度には高い。

本発明の第４の実施形態によると、雷撃電流放出装置の被覆は一体化された超小型バリスタを有しており、それにより、雷撃電流放出装置はその長さ全体にわたってバリスタ効果を有している。それによっても、特に接続個所の領域における電界制御挙動が改善される。

さらに本発明によると、電気導体と捕捉装置との接続区域に沿面放電を防止する目的および衝撃電圧耐力を高める目的で電界制御のための構造が設けられている、導電性または半導電性の外套をさらに有する絶縁被覆に埋設された電気導体の利用法は、捕捉装置と外部避雷器の接地設備とを電気接続するための雷撃電流放出装置としての利用法であり、この雷撃電流放出装置は、保護されるべき物体に対して分離間隔なしで敷設可能である。

図面を参照しながら、実施例を使って本発明について詳しく説明する。

図１では、接続側の端部に、導体５と接触する金属製の端子３が設けられている。絶縁体１の端部と金属製の端子３との間の移行領域には、電界制御のための構造が、導電性プラスチックからなるアダプタ２の形態で設けられている。

シールド４および６は、同軸の導体に沿って、導電性の異なる区域Ｌ１および区域Ｌ２に分かれている。

本実施例では、高圧電位の方を向いているシールド線の第１の区域Ｌ１は、典型的には１０ｋΩ／ｍの抵抗を有している。

これに続くシールド線の区域Ｌ２は、特に１０ｋΩ／ｍよりも小さい抵抗値を有している。

使用するシールド線４および６の材料としては、好ましくは、前述した抵抗領域にある導電性プラスチックまたは半導電性材料を採用することができる。

アダプタとしての図２の導電性プラスチック部材２は、金属製の接続端子３に対して、およびそれと同時に雷撃電流放出装置の相応の端部ではシールド線４に対して、部分放電の少ない所望の結合をもたらす。

高圧電位と反対を向いているほうの同軸ケーブルの側または端部では、内部導体５は、金属製の接続部材によって接地システムと接続されている。ここでも同様に、接地システムへのシールド線６の接続が行われる（図示せず）。同軸ケーブルの両側での接触に用いられる接続部材３は、発生するあらゆる雷撃電流を危険なく放出できるように設計されている。

図３に示す図面は、コア部分にある半径ｒ_１の金属導体を備えた同軸の雷撃電流放出装置の断面を示している。

この半径ｒ_１の金属導体は、半径ｒ_２およびｒ_３の積層された誘電体で取り囲まれている。この構造体は、外側円周側に、半導電性の外装７を有している。

電気的強度の向上、およびこれに伴う、積層された誘電体に使用される絶縁材料の改善された所望の利用性は、それぞれの部分絶縁材で発生する最大の電界強さがほぼ等しい場合には常に保証される。そのために、さまざまに異なる誘電率εｒを有する絶縁材料が用いられる。これに関しては近似的に次の解釈が成り立つ：
ｒ_２・εｒ_２≒ｒ_３・εｒ_３．．．≒ｒ_ｎ・εｒ_ｎ

図４の図面から明らかなように、絶縁された同軸の雷撃電流放出装置ＨＶＩは、たとえば建築物の金属製の化粧張り８といった金属コンポーネントにごく密接して敷設することも可能である。アースと接続されている金属製の化粧張り８に沿ったこのような重大な領域でも、通常ならば必要となる分離間隔Ｓ_１が無視できるほど小さくてよいので、特に造型上の観点から、あまり人の目につかない非常に目立たない敷設方法が得られる。
図４が示しているように、雷撃電流放出装置ＨＶＩの半導電性または導電性の外装は建物アースと接続されている。雷撃電流放出装置ＨＶＩから裸導体９への移行領域にある電界制御構造によって沿面放電が確実に回避され、その結果、非常に信頼度の高い雷撃電流放出装置が得られる。

雷撃電流放出器の一区域を示す断面図である。 導電性プラスチックからなるアダプタとしての電界制御構造を示す詳細図である。 積層された誘電体を備える本発明による同軸の雷撃電流放出装置の一区域を示す横断面図である。 保護されるべき物体に対して間隔をおかずに雷撃電流放出装置（ＨＶＩ）が敷設された、本発明の一実施形態である。

符号の説明

１ 絶縁材
２ 導電性プラスチックからなるアダプタ
３ 金属端子
４，６ シールド線
５ 金属製の内部導体
７ 半導電性の外装
８ 建物の金属製の化粧張り、たとえばアッティカ
９ 裸導体
ＨＶＩ 雷撃電流放出装置

Claims (10)

1. 捕捉装置と外部避雷器の接地設備とを電気的に接続するための雷撃電流放出装置であって、電気導体は絶縁被覆の中に埋設されており、さらに該絶縁被覆は導電性の外套を有しており、前記電気導体と前記捕捉装置との接続区域には、沿面放電を防止する目的ならびに衝撃電圧耐力を高める目的で電界制御のための構造が設けられている、雷撃電流放出装置において、
   前記外套は半導電性の材料でできており、その長さ全体にわたって導電性の異なる細分化された区域を有していることを特徴とする雷撃電流放出装置。
2. 捕捉装置と外部避雷器の接地設備とを電気的に接続するための雷撃電流放出装置であって、電気導体は絶縁被覆の中に埋設されており、さらに該絶縁被覆は導電性の外套を有しており、前記電気導体と前記捕捉装置との接続区域には、沿面放電を防止する目的ならびに衝撃電圧耐力を高める目的で電界制御のための構造が設けられている、雷撃電流放出装置において、
   前記絶縁被覆は誘電率の異なる材料からなる部分絶縁区間または部分絶縁領域を備える積層された誘電体でできていることを特徴とする雷撃電流放出装置。
3. それぞれの誘電率εｒは、それぞれの部分絶縁材ｒで生じる最大の電界強さが近似的に等しくなるように選択されており、次式
   ｒ_２・εｒ_２≒ｒ_３・εｒ_３．．．≒ｒ_ｎ・εｒ_ｎ
   が成り立つことを特徴とする請求項２に記載の雷撃電流放出装置。
4. 捕捉装置と外部避雷器の接地設備とを電気的に接続するための雷撃電流放出装置であって、電気導体は絶縁被覆の中に埋設されており、さらに該絶縁被覆は導電性の外套を有しており、前記電気導体と前記捕捉装置との接続区域には、沿面放電を防止する目的ならびに衝撃電圧耐力を高める目的で電界制御のための構造が設けられている、雷撃電流放出装置において、
   前記外套の抵抗値は１ｋΩ／ｍから１００ｋΩ／ｍ未満の範囲内にあることを特徴とする雷撃電流放出装置。
5. 捕捉装置と外部避雷器の接地設備とを電気的に接続するための雷撃電流放出装置であって、電気導体は絶縁被覆の中に埋設されており、さらに該絶縁被覆は導電性の外套を有しており、前記電気導体と前記捕捉装置との接続区域には、沿面放電を防止する目的ならびに衝撃電圧耐力を高める目的で電界制御のための構造が設けられている、雷撃電流放出装置において、
   前記外套は一体化された超小型バリスタを有する半導電性材料でできていることを特徴とする雷撃電流放出装置。
6. 捕捉装置と外部避雷器の接地設備とを電気的に接続するための雷撃電流放出装置であって、電気導体は絶縁被覆の中に埋設されており、さらに該絶縁被覆は導電性の外套を有しており、前記電気導体と前記捕捉装置との接続区域には、沿面放電を防止する目的ならびに衝撃電圧耐力を高める目的で電界制御のための構造が設けられている、雷撃電流放出装置において、
   前記請求項１，２，３，４および／または５の構成要件の組み合わせを有していることを特徴とする雷撃電流放出装置。
7. 高圧電位の方を向いている区域から接地接続部に向かって導電性が段階的または連続的に低下していくことを特徴とする請求項１に記載の雷撃電流放出装置。
8. 高圧電位の方を向いている導電性外套の第１の区域は実質的に１ｋΩ／ｍの抵抗を有しており、これに続く区域は特に１ｋΩ／ｍから１０ｋΩ／ｍの間で推移する抵抗値を有していることを特徴とする請求項１または７に記載の雷撃電流放出装置。
9. 前記電気導体の接続区域および前記絶縁被覆に対する部分放電の少ない結合のために、特に導電性プラスチック部材がアダプタとして利用されることを特徴とする前記請求項のうちいずれか１項に記載の雷撃電流放出装置。
10. 電気導体と捕捉装置との接続区域に沿面放電を防止する目的および衝撃電圧耐力を高める目的で電界制御のための構造が設けられている、前記請求項のうちいずれか１項に記載された、導電性の外套をさらに有する絶縁被覆に埋設されている電気導体の利用法において、捕捉装置と外部避雷器の接地設備とを電気接続するための雷撃電流放出装置としての利用法であって、前記雷撃電流放出装置は保護されるべき物体に対して分離間隔なしで敷設されている利用法。

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