JP2011149412A

JP2011149412A - 風力発電装置における引下導線設置機構

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Publication number: JP2011149412A
Application number: JP2010028150A
Authority: JP
Inventors: Kunio Sugawara; 邦男菅原
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2011-08-04

Abstract

【課題】風力発電装置における安全確実な雷害保護手段を提供する。
【解決手段】地上に立設される塔体上にブレードおよびナセルを有する風力発電装置において、ナセル上の突針と地中の接地部間を引下導線垂下にて接続する場合において、内部に環状段部を有する保護管を塔体内に支持部材にて支持して設け、引下導線に固定された複数個の絶縁体を該環状段部上に接して位置させ、かつ該絶縁体外面を保護管内面に近接して位置させ、該絶縁体間距離に対し引下導線長をやや長く設けることにより、ナセル回動による引下導線に対する引張力を吸収するとともに、塔体に対する電気的完全絶縁を可能とするよう構成したことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、風力発電装置への雷害を防止するために設けられる避雷針（突針）と地中に設ける接地部間をつなぐ引下導線の設置機構に関する。

従来より、風力発電装置は、地上数十メートルを有する塔体上にブレードおよび発電機構が設置されることが多く、この発電機構は筐体（ナセル）内に収容されている。
地上高所に設けられるブレードや発電機構への雷害を防ぐために、従来よりブレード内に設けるレセプタ、ナセルに導線を介して設ける突針などが用いられており、本発明にて示すように、突針からの引下導線を独自の構造にて地中の接地部に導く手段は現在のところ見あたらない。

風力発電は、地球温暖化防止に沿うエネルギー源として当初は脚光を浴びながらも気象条件、特に落雷による故障被害が増大し、修理費用の高額性と修理後の再発懸念にも脅かされ、中には修復せずに廃止に至ったものさえあったのである。このような結果を招いた根本原因は、的確な落雷性状把握に欠けたことにあったのみならず、主装置の大半を占めるブレード及びナセルが回転しているため、尋常な方法で正常な避雷針システムを設置し得なかったからと考えられるのである。本発明は以上の観点から、受雷郡（避雷針）から接地に至る中間の回転部による引下導線引下げの困難性を克服し、風力発電装置に正常な避雷針を設置し得る方法として発明された。
被保護物体を落雷から保護するには、被保護物体を金属導体の空間内に収容する、通常ファラデーケージ方式で電気力線を遮断するか、近傍に技術条件を満たした接地システムに接続された避雷針システムからの帰還雷撃で、雷の大半を中和しなければならなかったのであるが、現行風力発電装置は、ファラデーケージ雷保護方式でもなく、実質的には避雷針雷保護法でもなかったのである。
現行の風力発電装置は避雷用突針をナセル上に設置しているが受雷部から接地に至る引下部途中の回転部のため、他接地と同一ナセル筐体に筐体接地してきたために雷保護上二つの重大な過ちを犯してきたことになるのである。
第一に、塔体を引下導線としたため、好ましからざるインダクタンスにより設備内外の電気系統に許容しがたい電磁誘導作用を及ぼし、さらに回転部分の回転時接触不良からのギャップ放電で帰還雷撃の停滞を助長し、被害を断ちきることができなかったことである。
また第二には、ナセルに収容されている風力発電主要設備の全ての接地が避雷針接地と同一筐体接地となっているため、帰還雷撃を通過させてはならない設備に許容し難い雷サージを通過させることになり、被害を引き起こしてきたのである。
しかしこれ等、風力発電装置雷保護の重大欠陥を招いた根本は、一にナセル回転による引下導線引下方法の困難性にあったと考えられるのである。
本発明は、以上のような従来からの風力発電装置における雷害防止手段に関わる課題を解決するために発明されたもので、独自の構成にて雷害を有効に防止するための手段を提供するものである。

課題を解決する手段として本発明は以下の構成とした。
すなわち、地上に立設される塔体上にブレードおよびナセルを有する風力発電装置において、ナセル上の突針と地中の接地部間を引下導線垂下にて接続する場合において、内部に環状段部を有する保護管を塔体内に支持部材にて支持して設け、引下導線に固定された複数個の絶縁体を該環状段部上に接して位置させ、かつ該絶縁体外面を保護管内面に近接して位置させ、該絶縁体間距離に対し引下導線長をやや長く設ける方式並びにナセルの回動に追随して引下導線垂下部を円滑に回動させる方式により、ナセルの回動による引下導線に対する引張力を吸収するとともに、塔体に対する電気的完全絶縁を可能とするよう構成する。本発明は以上の構成よりなる風力発電装置における引下導線設置機構である。

本発明によれば、塔体内に設けた管体内に、絶縁体を有する引下導線を垂下し、この絶縁体にて引下導線は管体と非接触を保ち、また、各絶縁体間距離に対し引下導線をやや長く設けることにて、引下導線はたるみを有して位置するために、ナセルの回動に追随して引下導線垂下部および該導線支持円盤を円滑に回動させ、ナセル回動に伴う引下導線への引張力を吸収し、引下導線はナセル上の突針と地中の接地部間に導通して位置する構成のため、既述の従来法のように、ブレードと発電機構および塔体に対する雷の影響を皆無とする有用なる手段を得ることができる。また、雷害による修理費用および修理による期間損失面における顕著な有利性を得ることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の概要を示すものである。図において、１は基部で地中に設置され、この基部上に金属製の塔体２が立設される。この塔体上には、発電機構等を収容した筐体つまりナセル３が、塔体に対し回動可能に設置される。ナセルより突出する軸にブレード４が回転可能に設けられ、またナセルには適宜部材にて突針５が設けられる。
以上が従来からの風力発電装置の概略である。突針からの引下導線は従来より、図６のごとくナセルに導通されている。
次に、本発明方式を説明する。
図において、１０は保護管で、５メートル長ほどの金属管体であり、その上端には、下部に環状平板部を有する短管による接続管部１１が固着される。この接続管部外径は保護管内径より小さく、また、該環状平板部外径は保護管外径と同一である。１２は下部ガイド環で、金属円盤中央に孔を有するドーナツ状部分であって、保護管下方内面に固着される。この下部ガイド環は、図３にて示すように、接続管部上縁に接して位置し、保護管下端と接続管部の環状平板部上面、保護管下端および保護管内面と接続管部外面とがわずかの距離を持って位置するように設けられる。１３は上部ガイド環で、下部ガイド環と同一物品であり、下部ガイド環より所定距離上方の保護管内面に固着される。
１４は注油孔で、保護管下方側面に穿設される孔であり、この孔に対応する接続管部に雌ねじが刻設され、該孔を挿通して雌ねじに螺合する止めビス１５が、孔内に位置するとともに雌ねじに螺合して位置する。１６は合成樹脂による引下導線支持円盤で、電気的絶縁体である。該円盤外径は保護管内径よりわずかに小さく、またその中央には所定径の孔が穿設される。１７は引下導線で、直径２０ミリメートルほどの高絶縁ケーブルであり、引下導線支持円盤中央の孔内に固着されて位置する。１８は保護管を塔体内に支持固定するための支持部材で、任意の棒体により、塔体内面と保護管外面間に固着される。
この支持部材は、少なくとも接続された保護管の上下二箇所に必要である。なお、保護管上縁はナセル下縁のやや上方に、下縁は塔体下縁近傍に達して位置する。
既述の保護管構成は、塔長にあわせて複数本が上記のごとく組み合わされて設けられ、引下導線の一端は既述の突針に、他端は塔体外部の接地部に接続される。なお、最下部の引下導線支持円盤は、上段までの引下導線の適宜なたるみと、絶縁体の回動を吸収するため、上方に引き上げられないように、上部ガイド環と下部ガイド環との距離を小さくしている。また、引下導線はたるみを有し、かつ引下導線支持円盤はナセル回動に伴う引下導線の回動に追随するために、ナセル回動に伴う影響は最初はこのたるみにて吸収されるが、たるみで吸収しきれなくなれば、引下導線に固定されている支持円盤は環状段部上にて回動して、引下導線への引張力を回避することができる。
以上にて本発明が構成される。

雷撃が突針に加わったとき、その電流は引下導線にて地中の接地部に導かれ放電吸収される。既述のように、本発明では絶縁体としての引下導線支持円盤中央に引下導線が位置しており、該支持円盤は保護管内を垂下し、保護管は塔体内面と距離を有している。
従って、塔体に対する雷電流通過はなく、またナセルおよび発電機構への雷電流通過もないために、風力発電装置に対する雷保護を満たすものとなったのである。
なお、本発明の実施についての具体表現を以下に示す。
（ａ）引下部が塔体の中央である場合のナセル回転による引下導線に働く力は回動力のみとなるから、引下導線支持円盤の回転と、保護管内導線の若干のたるみでナセルの回動は容易に吸収可能となる。
（ｂ）引下導線引下位置が中央から離隔するに従い、引下導線には水平方向の伸長及び圧縮力が加わるので、引下導線上部は若干の柔軟性とたるみを考慮しなければならない。
（ｃ）保護管の各段階の引下導線たるみは各段階の引下導線支持円盤溝により吊りあげられるような形態を基本とし、引下導線支持円盤溝巾すなわち上下部ガイド環距離を調整するものとする。
（ｄ）引下位置が塔体の中央では垂直導体にかかる力は回転力のみとなるから引下導線は可能な限り大口径の線材とする。
（ｅ）引下導線引下用配管は金属導体で外部へ電気力線が漏れる懸念はないが、接続部には接続後に絶縁塗料を施すものとする。
（ｆ）風力発電装置においては発電電力を電力線によりナセルから送出するために、塔体の中央から引下げなければならないため、避雷針引下導線と競合するために電力線には適切な直雷用避雷器が必須となり、避雷針から引下導線垂直部までの導線も高絶縁ケーブル等によるものとしなければならない。

以上、本発明について記したが、本発明は管内に引下導線を絶縁体を介在させて位置させ、かつ突針と接地部間を接続するところにその特徴を有し、ナセルおよびブレードを電気的に関与させない雷害保護方式としたものであり、雷害対策として極めて有効なものである。
すなわち本発明は、ナセル上に避雷針を設置した場合に引下導線を土中に設けた接地部に途中回転部分に阻害されることなく連続導体で接続するために発案した引下導線用配管システムであり、原理は、ナセルの左右半回転による引下導線回転による捻りを、引下導線専用配管内で吸収し、専用配管を塔体中心に配置し得ない場合の引下導体にかかる水平力を引下導線支持円盤並びに引下導線自体に与えたたるみにより吸収し、引下導線に生じる電位約２ＫＶ／ｍによる電磁誘導を配管を金属性にすることにより遮断し、引下のすべての課題克服を実現した、これまでの技術には、その発想すら見当たらなかった画期的な発明である。
これまで風力発電装置には正常な避雷針システムが存在せず、ブレードのレセプタ化によっても、避雷針として機能する機能は同じく存在しなかったのである。しかし、ナセル上の突針及びレセプタからはコロナが放射される構造になっていたため、落雷は殆ど１００パーセント、高さの高いレセプタに落ちることとなり、直ちにブレード被害を起こすか、タービンロータを急速に劣化させてきたことを否定し難かったのである。
また突針が正常な避雷針とは云えなかったレセプタ化以前においても、ブレードと突針への落雷割合が同率であったことから、本発明により９５パーセント以上の帰還雷撃を避雷針接地により充足し得るようにし、レセプタの除去により、落雷のほぼ１００パーセントを高度な避雷針で受雷することとなるため、これまでのブレード被害及び発電機機能部分への雷サージ侵入によるタービンロータの劣化を完全に阻止することになるほか、電力線及び通信線、信号線への雷分流５パーセントにより、これ等に対する事故も阻止し得ることになるため、雷被害は殆ど絶無になるであろうと考えられ、直接修理費用のみならず修理のための長期停止期間損失を含めると膨大な運転費用削減を実現し得るものと考えられるものである。以上のごとく、本発明によって風力発電装置に対する有効なる雷保護手段を得ることができる。

本発明の概要説明図本発明の要部概要説明図本発明の主部構造説明図本発明の主部構造説明図（最下部）本発明の主部構造説明図従来例説明図

１基部
２塔体
３ナセル
４ブレード
５突針
６接地部
１０保護管
１１接続管部
１２下部ガイド環
１３上部ガイド環
１４注油孔
１５止めビス
１６引下導線支持円盤
１７引下導線
１８支持部材

Claims

地上に立設される塔体上にブレードおよびナセルを有する風力発電装置において、ナセル上の突針と地中の接地部間を引下導線垂下にて接続する場合において、内部に環状段部を有する保護管を塔体内に支持部材にて支持して設け、引下導線に固定された複数個の絶縁体を該環状段部上に接して位置させ、かつ該絶縁体外面を保護管内面に近接して位置させ、該絶縁体間距離に対し引下導線長をやや長く設ける方式並びにナセルの回動に追随して引下導線垂下部を円滑に回動させる方式により、ナセルの回動による引下導線に対する引張力を吸収するとともに、塔体に対する電気的完全絶縁を可能とするよう構成したことを特徴とする風力発電装置における引下導線設置機構。