JP2013540334A - ２層分布定数回路を基盤にした炭素接地電極モジュールの長さ算定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

同軸構造を有し、炭素含有充填材で内部が詰められる接地電極モジュールに対し、周波数の変動によって接地インピーダンスの変動が最も少なく表れる接地電極モジュールの長さ（以下、最適長さ）を求める炭素接地電極モジュールの長さ算定装置及び方法に関するものであって、２つの分布定数回路を２層に構成して接地電極回路を構成する回路構成部と、大地の抵抗率及び比誘電率、充填材の抵抗率及び比誘電率、接地電極モジュールの内部及び外部直径を模擬変数として入力を受ける変数入力部と、周波数変動範囲内で多数の周波数を選定する周波数選定部と、選定された各周波数に対し、模擬変数によって接地電極回路を模擬して、接地電極の長さに対応する接地インピーダンスを計算するシミュレーション部と、各周波数の接地インピーダンスの間の差が最小となる接地電極の長さを求める接地長さ推定部と、を含む構成を設ける。
上記のような方法及び装置によれば、周波数の変動にも接地インピーダンスの変動の少ない接地電極モジュールを具現することで、雷撃電流などの高周波事故電流に対して安定した性能を有する接地システムを開発することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、同軸構造を有し、炭素含有充填材で内部が詰められる接地電極モジュールに対し、周波数の変動によって接地インピーダンスの変動が最も少なく表れる接地電極モジュールの長さを求める炭素接地電極モジュールの長さ算定装置及び方法に関するものである。

特に、本発明は２つの分布定数回路を２層に構成して、上層分布定数回路は充填材の特性を反映し、下層分布定数回路は大地の特性を反映する炭素接地電極モジュールの長さ算定装置及び方法に関するものである。

また、本発明は、２層分布定数回路で一定の周波数範囲内の各周波数別に接地電極の長さに対応する接地インピーダンスをシミュレーションして、各周波数の接地インピーダンスの差が最小となる接地電極の長さを求める炭素接地電極モジュールの長さ算定装置及び方法に関するものである。

最近、韓国の産業が国際化に応じて国内だけでなく国際市場を先占し、競争力を備えるために国際規格を韓国の規格として受け入れることが早く進められている。国内の接地関連規定もＩＥＣ６０３６４、ＩＥＣ ６２３０５などの接地関連国際規格を変更無しで受け入れて、国内の建築電気設備分野及び被雷設備分野の産業規格に変更したし、内線規定及び各種の接地関連基準を含んでいる基準を改正した。

このように改正された法令の主要骨子のうち、特に接地は環境汚染を誘発させる施工方法や化学添加物は使用できないようにしており、電力、通信、被雷など、全ての接地を１つの接地極として使用する等電位共通接地を適用するようにしている。

このような接地システムは、一般建築物や住宅、共同住宅など、高周波のノイズが殆ど発生しない環境では、極めて有効な接地システムといえる。しかしながら、ＵＰＳ設備等、高速の半導体スイッチング素子が使われる建物や情報通信ビルディング、そして落雷発生頻度が極めて高い環境を有する地域などでは、事故電流が高周波形態に発生するので、共通接地をしても高い周波数による接地インピーダンスの上昇が数倍〜数十倍に達するので、同一な事故電流（落雷含み）としても、極めて高い電位上昇が発生するので、電子装備及び設備に非常に致命的な悪影響を及ぼすことがある。

しかしながら、既存の接地関連規格だけでなく、変更された規格でも建築物の用途とは関わらず、主に接地抵抗を基準にして接地設計及び点検を行なっており、接触電圧と歩幅電圧など、安全電圧に対する計算時にも商用周波の事故電流に対してのみ考慮している。接地システムを設計し、施工するためには、商用周波事故電流だけでなく、落雷電流及び高周波設備で発生できる高周波電圧ノイズなども考慮しなければならない。落雷電流及び高周波設備で発生する事故電流は周波数が高いので、接地インピーダンスを考慮して設計、施工しなければならない。

現在、国内の接地設計及び施工者らは、大部分、接地抵抗のみを考慮して接地電極の規模を極めて大きく施工しており、長さの長い埋設地線や大地を穿孔して、長さの長い垂直接地電極などを施設している。このように、規模の大きい接地電極は、大部分、高周波数で接地インピーダンスが急激に増加する特性を示し、これは、高周波故障電流に対して機器及び人体の安全を保証できない条件を形成するようになる。

したがって、高周波数を含む故障電流が接地電極に印加された時、低周波数で表した接地抵抗を維持できる接地電極の設計技法が要求され、既存の接地電極及び炭素接地極でない他の接地電極を取り替えて、より接地インピーダンスの変化のない接地電極の開発が求められる。

接地極に流れる電流が商用周波数領域の電流である場合、接地電極の全体が接地極としての機能をする。しかしながら、雷撃電流のように、高い周波数成分を含む接地電流の場合、接地電極導体の一部だけ接地電極として作用するようになる。即ち、接地電極の一部だけ接地電極としての機能をするということは、他の観点から見ると、接地インピーダンスが急激に増加するためであり、定常状態での接地抵抗ではその特性を解析することが技術的に不可能である。

したがって、接地システムの保護動作を効果良く遂行するためには、高周波数で、より効果的な接地電極の開発と、接地インピーダンスを考慮した接地電極の配置及び有効長さを考慮した設計と施工が必要となる。また、接地電極の種類によって高周波特性が各々変わり、商用周波数領域で同一な接地抵抗を有する接地電極であっても、過度応答特性は全く異なる様相を表すこともある。

現在、配電系統の接地システムは、大部分、架空地線とその他の腕金、及び低圧線路の中性性が多重接地形態に接続されている。したがって、１地点で入射した雷過電圧は、効果的に保護動作がなされない場合、急激に他の地点に伝播されるようになって、配電系統の接地システム全体から見て、直撃雷及び誘導雷による事故の頻度が極めて高い方である。配電系統の接地システムは、接地抵抗により性能評価がなされて、接地抵抗を基準にして設計されている実状であるので、雷撃電流の侵入時には設計値より高い接地電位上昇が発生する場合が多い。

したがって、接地システムの性能を接地インピーダンス次元に拡張して評価する方法が必要であり、接地インピーダンスの周波数の依存性を考慮した設計がなされなければ、より効果的な保護がなされることができない。

一方、電気設備技術基準において、接地システムの性能を単純に接地抵抗数値に規定するによって、接地抵抗が規定値以下になるかに対する部分のみを重要視した。しかしながら、最近、接地システムの重要性が各種の電気分野で浮び上がっており、定常状態の接地抵抗だけでなく、過度状態を含んだ接地インピーダンス次元の考慮が必要である。

接地インピーダンス次元の考慮は、送電線路より使われる機器や設備の絶縁耐力が格段に低い配電系統での雷保護で極めて重要である。雷撃電流の速い上昇時間を有し、速い速度で伝播されるため、低圧配電系統に接続される需用家にまで深刻な被害を与えることもある。したがって、配電系統の接地システムにおける接地インピーダンス次元の性能評価技法と設計技法の開発、配電系統で使われる接地電極と引下げ導線の種類と施設方法に従う実験的研究は、これ以上看過できない重要な分野として残っている。

現在、接地設備の重要性と接地システムに対する関心が増加するにつれて、国内外に関連産業の規模が徐々に増加している。過去には接地銅棒と銅板を使用して接地する方式が一般的であったが、現在は多様な方法の接地電極が開発／施工されている。国内の接地システム関連技術は、一般の接地銅棒を除いて、山岳や岩盤など、劣悪な環境で接地する外国製品である電解質生成接地棒技術と化学接地抵抗低減剤、及び国内開発の針状接地電極、炭素接地棒に分けられる。

海外で主に使用する接地極には、接地銅棒とステン棒、及び電解質生成接地モジュールが主をなしている。このうち、接地銅棒と電解質生成接地銅棒の場合、腐食や土壌汚染に問題があってステン棒と炭素棒に取り替えられている趨勢である。

現在、国内では既存の電力、通信、被雷など、種別接地抵抗のみを考慮した設計が主をなしており、最近、関連規定の国際化により接地システム設計の過渡期的な時期で、一部では４、５年前から接地設計プログラムを用いて共通接地を適用した接地システムを設計している趨勢である。

接地システムを設計するに当たって、事故電流の周波数特性に従う接地インピーダンスを考慮した接地設計はなされていない実状である。実際に、設計エンジニアリング会社では、一部業体を除いては、殆ど全ての接地設計を既存の種別接地により設計しており、または被雷接地専門会社に用役を与えて接地システムを設計している実状であり、これによって、周波数特性に従う接地インピーダンスを考慮した設計は十分でない状態である。

外国の接地設計技術は、接地抵抗よりは主として安全電圧（歩幅及び接触電圧）を考慮した設計が主をなしており、先進国では殆ど全ての設備及び建築物を安全電圧を考慮した接地システムを構成している趨勢である。このような趨勢にもかかわらず、周波数特性に従う接地インピーダンスを考慮した接地システム設計は殆どなされていない。

本発明の目的は、前述したような問題点を解決するためのものであって、同軸構造を有し、炭素含有充填材で内部が詰められる接地電極モジュールに対し、周波数の変動によって接地インピーダンスの変動が最も少なく表れる接地電極モジュールの長さを求める炭素接地電極モジュールの長さ算定装置及び方法を提供することにある。

また、本発明の目的は、分布定数回路モデルを用いてシミュレーションし、かつ高周波である時、インピーダンスが変化する大地及び充填材の特性を反映できる炭素接地電極モジュールの長さ算定装置及び方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、同軸構造を有し、炭素含有充填材で内部が詰められる接地電極モジュールに対し、周波数の変動によって接地インピーダンスの変動が最も少なく表れる接地電極モジュールの長さ（以下、最適長さ）を求める炭素接地電極モジュールの長さ算定装置に関するものであって、２つの分布定数回路を２層に構成して接地電極回路を構成する回路構成部と、大地の抵抗率及び比誘電率、充填材の抵抗率及び比誘電率、接地電極モジュールの内部及び外部直径を模擬変数で入力を受ける変数入力部と、周波数変動範囲内で多数の周波数を選定する周波数選定部と、選定された各周波数に対し、上記模擬変数によって上記接地電極回路を模擬して、接地電極の長さに対応する接地インピーダンスを計算するシミュレーション部と、上記各周波数の接地インピーダンスの間の差が最小となる接地電極の長さを求める接地長さ推定部と、を含むことを特徴とする。

また、本発明は、炭素接地電極モジュールの長さ算定装置において、上記接地電極回路は、大地の抵抗率及び比誘電率を使用した下層分布定数回路と、充填材の抵抗率及び比誘電率を使用した上層分布定数回路から構成された２層分布定数回路であることを特徴とする。

また、本発明は、炭素接地電極モジュールの長さ算定装置において、上記２層分布定数回路の単位回路は、π型単位回路を２層に構成し、かつ上記π型単位回路は、コンダクタンス（Ｇ）とキャパシタンス（Ｃ）の並列回路を両側に構成し、両側の並列回路をインダクタンス（Ｌ）回路に連結することを特徴とする。

また、本発明は、炭素接地電極モジュールの長さ算定装置において、上記上層分布定数回路の第１コンダクタンス（Ｇ_１）、第１キャパシタンス（Ｃ_１）、及び第１インダクタンス（Ｌ_１）と、上記下層分布定数回路の第２コンダクタンス（Ｇ_２）、第２キャパシタンス（Ｃ_２）、及び第２インダクタンス（Ｌ_２）は、垂直埋設時、＜数式１＞により求めることを特徴とする。

但し、ｌ、ｄ_１、ｄ_２は各々接地電極モジュールの長さ、内部直径、外部直径、
ρ_１、ε_１は、各々充填材の抵抗率及び比誘電率、
ρ_２、ε_２は、各々大地の抵抗率及び比誘電率、
ε_０、μ_０は、各々真空の誘電率と透磁率。

また、本発明は、炭素接地電極モジュールの長さ算定装置において、上記上層分布定数回路の第１コンダクタンス（Ｇ_１）、第１キャパシタンス（Ｃ_１）、及び第１インダクタンス（Ｌ_１）と、上記下層分布定数回路の第２コンダクタンス（Ｇ_２）、第２キャパシタンス（Ｃ_２）、及び第２インダクタンス（Ｌ_２）は、水平埋設時、＜数式２＞により求めることを特徴とする。

但し、ｌ、ｒ_１、ｒ_２は、各々接地電極モジュールの長さ、内部半径、外部半径、
ρ_１、ε_１は、各々充填材の抵抗率及び比誘電率、
ρ_２、ε_２は、各々大地の抵抗率及び比誘電率、
ε_０、μ_０は、各々真空の誘電率と透磁率、
ｓは、埋設深さ。

また、本発明は、炭素接地電極モジュールの長さ算定装置において、上記シミュレーション部は、ＥＭＴＰプログラムを用いて模擬することを特徴とする。

また、本発明は、炭素接地電極モジュールの長さ算定装置において、接地長さ推定部は、接地電極モジュールの長さを単位長さ間隔に分けて、各接地電極モジュールの長さに該当する各周波数の接地インピーダンスの最大値と最小値の差（以下、長さ別インピーダンス変動範囲）を求めて、上記長さ別のインピーダンス変動範囲が最も小さい接地電極モジュールの長さを接地電極モジュールの最適長さに定めることを特徴とする。

また、本発明は、同軸構造を有し、炭素含有充填材で内部が詰められる接地電極モジュールに対し、周波数の変動によって接地インピーダンスの変動が最も少なく表れる接地電極モジュールの長さ（以下、最適長さ）を求める炭素接地電極モジュールの長さ算定方法に関するものであって、（ａ）２つの分布定数回路を２層に構成して接地電極回路を構成するステップと、（ｂ）大地の抵抗率及び比誘電率、充填材の抵抗率及び比誘電率、接地電極モジュールの内部及び外部直径を模擬変数で入力を受けるステップと、（ｃ）周波数変動範囲内で多数の周波数を選定するステップと、（ｄ）選定された各周波数に対し、上記模擬変数によって上記接地電極回路を模擬して、接地電極の長さに対応する接地インピーダンスを計算するステップと、（ｅ）上記各周波数の接地インピーダンスの間の差が最小となる接地電極の長さを求めるステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明は、上記の方法を遂行するプログラムを記録したコンピュータで読取可能な記録媒体に関するものである。

前述したように、本発明に係る炭素接地電極モジュールの長さ算定装置及び方法によれば、周波数の変動にも接地インピーダンスの変動の少ない接地電極モジュールを具現することで、雷撃電流などの高周波事故電流に対し、安定した性能を有する接地システムを開発することができる効果が得られる。

特に、本発明に係る炭素接地電極モジュールの長さ算定装置及び方法によれば、高周波である時にインピーダンスが変化する大地及び充填材の特性を反映してシミュレーションすることで、多様な大地環境条件または周波数環境条件に適した接地システムを設計することができる効果が得られる。

本発明を実施するための全体システム構成の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る炭素接地電極モジュールの長さ算定装置の構成に対するブロック図である。 接地電極に流入した電流の分散特性及び分布定数回路モデルの等価回路図を示す図である。 本発明の一実施形態に係る炭素接地電極モジュールの２層構造分布定数回路モデルを示す図である。 本発明の一実施形態に係る２層分布定数回路モデルの単位分布定数回路の回路図である。 本発明の一実施形態に係る炭素の含有量に従う充填材の抵抗率及び比誘電率を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る１０ｍ炭素接地電極モジュールの水平埋設時、周波数に従う接地インピーダンスに対する模擬結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る炭素接地電極モジュールの接地インピーダンスを模擬した結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る炭素接地電極モジュールの接地インピーダンスに対する周波数依存性の模擬結果と実際測定結果とを比較したグラフである。 本発明の一実施形態により周波数に従う最小接地インピーダンス変動を有する同軸構造の炭素接地電極モジュールの最適設計長さを例示した表である。 本発明の一実施形態により接地導線に流れる電流による磁界の強さを求めるための図である。 本発明の一実施形態により接地導線のインダクタンス測定結果と模擬結果とを比較した表である。 本発明の一実施形態により接地導線（引下げ導線）の影響有無場合の周波数−インピーダンスグラフである。 本発明の一実施形態に係る炭素接地電極モジュールの長さ算定方法を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施のための具体的な内容を図面を参照して説明する。

また、本発明を説明するに当たって、同一部分は同一符号を与えて、その反復説明は省略する。

まず、本発明を実施するための全体システムの構成例について図１を参照して説明する。

図１に示すように、本発明に係る炭素接地電極モジュールの長さ算定装置及び方法は、格納装置１０に格納された模擬変数の入力を受けて処理するコンピュータ端末２０の上の装置またはプログラムシステム３０により実施できる。

即ち、電極モジュールの長さ算定装置及び方法は、プログラムで構成されてコンピュータ端末２０に設置されて実行できる。コンピュータ端末２０に設けられたプログラムは、１つの装置またはシステム３０と共に動作することができる。

また、コンピュータ端末２０は、ＰＣ、ノートブック、ＰＤＡ、スマートフォン等、コンピューティング機能を有する端末装置である。一方、他の実施形態として、電極モジュールの長さ算定装置及び方法は、プログラムで構成されて汎用コンピュータで動作するの他に、ＡＳＩＣ（注文型半導体）等、１つの電子回路で構成されて実施できる。その他の可能な他の形態も実施できる。

格納装置１０は模擬変数を格納するデータ格納所であって、ネットワーク上のデータベース（または、ＤＢサーバ）、コンピュータ端末２０のハードディスクなどの格納空間、移動格納媒体などを含む。また、他の実施形態として、模擬変数を分析者が直接コンピュータ端末２０の入力装置を通じて入力することもできる。

次に、本発明の一実施形態に係る炭素接地電極モジュールの長さ算定装置３０の構成を図２を参照して説明する。

図２に示すように、電極モジュールの長さ算定装置３０は、回路構成部３１、変数入力部３２、周波数選定部３３、シミュレーション部３４、及び接地長さ推定部３５から構成される。

回路構成部３１は、２つの分布定数回路を２層に構成して接地電極回路を構成する。接地電極回路は、大地の抵抗率及び比誘電率を使用した下層分布定数回路と、充填材の抵抗率及び比誘電率を使用した上層分布定数回路から構成された２層分布定数回路である。

高周波成分を含む雷撃電流と電磁障害（ＥＭＩ）を誘発する高周波異常電流が接地電極に印加される場合、接地電極のインダクタンスと土壌のキャパシタンスによるインピーダンス特性が表れて、このような接地電極の高周波電流に対するインピーダンス特性は、分布定数回路モデルを用いた解析が可能である。サージや故障電流が接地電極に流入する時、図３ａのように、埋設された接地電極に沿って分散された漏洩電流の形態で大地に放流される。このような電流の分散特性は、伝送線路理論（Transmission line theory）により理論的に具現可能であり、これを具現した模擬解析技法が本発明で用いた分布定数回路モデルである。

分布定数回路モデルは、図３ｂのように、接地電極をなす金属導体である銅の抵抗（Ｒ）とインダクタンス（Ｌ）、そして接地電極が埋設された土壌のコンダクタンス（Ｇ）とキャパシタンス（Ｃ）を分布回路定数で表現し、分布回路定数と伝送線路の伝播方程式を用いて接地電極の接地インピーダンスを算出する。

接地電極をなす銅の抵抗率１０^−８Ωｍに比べて、土壌の抵抗率は１〜１０^６Ωｍで、１０^８〜１０^１４倍の差が出るため、接地システムを設計する時、接地電極そのものの抵抗（Ｒ）は無視することができるので、接地電極を理想的な導体と仮定してインダクタンス成分のみで表す。

本発明で遂行した同軸構造型の炭素接地電極モジュールの模擬は、直線型接地電極の分布定数回路モデルの模擬技法に炭素接地電極モジュールの特性を追加する。

炭素接地電極モジュールの場合、直線型接地電極の一種で接地インピーダンスに対する模擬が可能であるが、炭素接地電極モジュールの内部の炭素特性が周波数に従う接地インピーダンスに影響を及ぼすので、その特性を反映するために、図４ａのように、分布定数回路の２層構造でシミュレーションモデルを使用する。

図４ａは、同軸構造炭素接地電極モジュールのシミュレーションのための２層構造の分布定数回路モデルを示す。炭素接地電極モジュールのシミュレーションモデルは、炭素の特性を反映するための上層の分布定数回路と土壌の影響を反映するための下層の分布定数回路からなっている。

下層の分布定数回路は、既存の分布定数回路と同一な方法により分布回路定数を算定できるが、上層の分布定数回路は、充填材の炭素特性を反映するために周波数と炭素含有量によって変化する抵抗率と比誘電率を考慮する。

炭素含有量によって充填材の抵抗率と比誘電率の差が表れる。特に、周波数が変化するによって、比誘電率の差が大きく表れる。充填材の炭素含有量と周波数依存性を反映することで、既存の分布定数回路モデルより接地電極自体の構造的な特性を明確に反映できる２層構造分布定数回路モデルを提示する。

図４ｂと図４ｃは、既存の接地電極を対象とする分布定数回路モデルを改善した２層構造の分布定数回路モデルを表す。図４ｂの２層構造分布定数回路モデルの場合、印加点で充填材の特性が考慮されず、短絡されている効果が表れるため、図４ｃのように、π型モデルに分布定数回路モデルを選定して充填材の特性が印加点でも反映されるように分布定数回路モデルを改善した。

２層構造分布定数回路は、大別して充填材の特性を反映するための上層の分布定数回路と土壌（または、大地）の影響を反映するための下層の分布定数回路からなっているので、各々の分布定数回路を算定しなければ模擬が可能でない。図５のように、２層構造分布定数回路モデルの分布回路定数を先に計算し、π型２層分布定数回路モデルに合うように分布回路定数を修正して同軸構造炭素接地電極モジュールの分布回路定数を算定することができる。

図５に示すように、π型２層分布定数回路のπ型単位回路は２層から構成する。上層のπ型単位回路は、コンダクタンス（Ｇ）とキャパシタンス（Ｃ）の並列回路を両側に構成し、両側の並列回路をインダクタンス（Ｌ）回路に連結する。即ち、第１上層コンダクタンス（Ｇ_１１）と第１上層キャパシタンス（Ｃ_１１）の並列回路（以下、第１上層並列回路）と、第２上層コンダクタンス（Ｇ_１２）と第２上層キャパシタンス（Ｃ_１２）の並列回路（以下、第２上層並列回路）を両側に構成する。そして、上層インダクタンス（Ｌ）の両端を各々第１上層並列回路の一端と第２上層並列回路の一端と連結する。

上層のπ型単位回路と同一な方式により、下層のπ型単位回路は、コンダクタンス（Ｇ）とキャパシタンス（Ｃ）の並列回路を両側に構成し、両側の並列回路をインダクタンス（Ｌ）回路に連結する。即ち、第１下層コンダクタンス（Ｇ_２１）と第１下層キャパシタンス（Ｃ_２１）の並列回路（以下、第１下層並列回路）と、第２下層コンダクタンス（Ｇ_２２）と第２下層キャパシタンス（Ｃ_２２）の並列回路（以下、第２下層並列回路）を両側に構成する。そして、下層インダクタンス（Ｌ）の両端を各々第１下層並列回路の一端と第２下層並列回路の一端と連結する。

上層のπ型単位回路と、下層のπ型単位回路は、各々の並列回路を連結させる。即ち、第１上層並列回路の一端を第１下層並列回路の一端と連結させる。この際、第１上層並列回路で上層インダクタンス（Ｌ）の一端と連結されない一端と、第１下層並列回路で下層インダクタンス（Ｌ）の一端と連結される一端と連結する。

同一な方式により、第２上層並列回路で上層インダクタンス（Ｌ）の一端と連結されない一端と、第２下層並列回路で下層インダクタンス（Ｌ）の一端と連結される一端と連結する。

まず、下層の分布定数回路モデルについて説明する。

下層の分布回路定数Ｇ_２、Ｃ_２、Ｌ_２は、既存の直線型接地電極と同様に外部電極による接地抵抗（Ｒ_０）により算定できる。接地抵抗（Ｒ_０）は、接地電極の周辺の土壌の大地抵抗率により決定され、同軸構造炭素接地電極モジュールの垂直埋設時には＜数式３＞の垂直接地電極の接地抵抗式により接地抵抗を算定し、水平埋設時には＜数式７＞の埋設地線の接地抵抗式を用いる。分布定数回路モデルにおいて、土壌による単位長さ当たりコンダクタンスは、接地抵抗と関連した回路定数であり、接地抵抗の逆数を接地電極の長さで割って算定する。

伝送線路理論によれば、任意の形態の伝送線路に対し、分布回路定数Ｇ、Ｃ、Ｌは＜数式１＞と＜数式２＞のような相関関係を有する。

但し、ε_２は土壌の比誘電率、ε_０、μ_０は真空の誘電率と透磁率である。

接地抵抗の逆数を接地電極の長さで割って算定したＧをこのようなＧ、Ｃ、Ｌの相関関係を通じてＣとＬを算定することができる。

同軸構造炭素接地電極モジュールの垂直埋設時に使われる垂直接地電極に対する接地抵抗式は＜数式３＞の通りであり、同軸構造炭素接地電極モジュールの分布回路定数は＜数式４〜６＞の通り計算される。

ここで、ｌは、同軸構造炭素接地電極モジュールの長さ、
ｄ_２は、同軸構造炭素接地電極モジュールの外部導体の直径、
ρ_２は、大地の抵抗率、
ε_２は、大地の比誘電率、
ε_０、μ_０は各々真空の誘電率と透磁率。

同軸構造型の炭素接地電極モジュールの水平埋設時に使われる埋設地線に対する接地抵抗式は＜数式７＞の通りであり、同軸構造型の炭素接地電極モジュールの単位分布定数回路は、＜数式８〜１０＞の通り計算される。

ここで、ｌは、同軸構造炭素接地電極モジュールの長さ、
ｒ_２は、同軸構造炭素接地電極モジュールの外部導体の半径、
ｓは、埋設深さ。

大地の比誘電率はその測定が極めて難しく、水分の含有量及び含まれた水分の抵抗率等によって、その値が多様に変わるため、各種の文献上に表れた単一比誘電率を適用してシミュレーションを遂行した。乾燥した土壌の比誘電率は約２〜３程度であり、水の比誘電率が略８０程度であることを考慮して、１０〜８０の範囲の比誘電率に対して模擬解析した。

次に、上層の分布定数回路モデルについて説明する。

上層の分布回路定数は充填材を模擬するパラメータであり、このようなパラメータは土壌（または、大地）と異なるので、炭素の含有量に従う充填材の抵抗率と比誘電率をシミュレーションに反映した。図６は、１ｋＨｚから１ＭＨｚまで測定した炭素含有量に従う充填材の抵抗率と比誘電率を表す。充填材の抵抗率は、炭素含有量によって減少した反面、比誘電率は炭素の含有量によって増加したし、周波数が増加するによって２つのパラメータが共に減少する特性を表すので、そのような結果を参照して接地インピーダンスの模擬時、該当する周波数に合せて充填材の抵抗率と比誘電率を上層の分布回路定数Ｇ_１、Ｃ_１の算定に適用した。

同軸構造炭素接地電極モジュールの垂直埋設時に使われる上層部の分布回路定数は、＜数式１１〜１３＞の通り計算される。

ここで、ｌは、同軸構造炭素接地電極モジュールの長さ、
ｄ_１は、同軸構造炭素接地電極モジュールの内部導体の直径、
ρ_１は、同軸構造炭素接地電極モジュールの内部充填材の比抵抗、
ε_１は、同軸構造炭素接地電極モジュールの内部充填材の比誘電率、
ε_０、μ_０は、各々真空の誘電率と透磁率。

同軸構造炭素接地電極モジュールの水平埋設時に使われる上層部の分布回路定数は、＜数式１４〜１６＞の通り計算される。

ここで、ｌは、同軸構造炭素接地電極モジュールの長さ、
ｒ_１は、同軸構造炭素接地電極モジュールの内部導体の半径、
ｓは、埋設深さ。

次に、変数入力部３２は、大地の抵抗率及び比誘電率、充填材の抵抗率及び比誘電率、接地電極モジュールの内部及び外部直径を模擬変数として入力を受ける。即ち、前述した模擬変数である接地電極モジュールの内部直径ｄ_１、外部直径ｄ_２、充填材の抵抗率ρ_１、及び比誘電率ε_１、大地の抵抗率ρ_２、及び比誘電率ε_２の入力を受ける。

また、周波数選定部３３は、周波数変動範囲内で多数の周波数を選定する。

前述した例において、周波数変動範囲は１００Ｈｚから１ＭＨｚである。この周波数変動範囲を代表する多数の周波数を選定する。例えば、１００Ｈｚ、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、５００ｋＨｚ、１ＭＨｚに選定する。

これら周波数値は予め選定して格納できる。または、周波数変動範囲が与えられれば、一定の間隔で多数の周波数を選定することができる。この際、一定の間隔は各周波数にログを取ってログ結果値を一定の間隔にすることが好ましい。または、他の実施形態として、一定の倍率で増加させて多数の周波数を選定する。

また、好ましくは、周波数の変動範囲の最小周波数及び最大周波数を含めて多数の周波数を選定する。

次に、シミュレーション部３４は選定された各周波数に対し、上記模擬変数によって上記接地電極回路を模擬して、接地電極の長さに対応する接地インピーダンスを計算する。好ましくは、シミュレーション部３４はＥＭＴＰプログラムを用いて模擬する。

即ち、同軸構造炭素接地電極モジュールのモデルに、上、下層の分布回路定数を算定して代入した後、ＥＭＴＰプログラムを用いて模擬すれば、各々の周波数に従う接地インピーダンス模擬が可能である。

図７は、１０ｍ炭素接地電極モジュールに対し、大地抵抗率３００Ωｍで１００Ｈｚ〜１ＭＨｚ周波数範囲の接地インピーダンスを模擬した例を示す。約５０ｋＨｚ以下の周波数では比誘電率の大きさにかかわらず、炭素接地電極モジュールの接地抵抗に収束する接地インピーダンスを表し、約１００ｋＨｚ以上の周波数では、接地インピーダンスが接地抵抗より大きくなる誘導性特性を示したり、接地抵抗より小さくなる容量性特性を示した。大地抵抗率３００Ωｍ、比誘電率２０で周波数の変化によって接地インピーダンスが殆ど変化しない１０ｍ炭素接地電極モジュールの特性が模擬された。この結果を通じて本発明で目標とする周波数変化に従う接地インピーダンスの変動が最小化する接地設計で最も重要な核心要素である最適の接地電極長さの算定が可能である。

次に、接地長さ推定部３５は、各周波数の接地インピーダンスの間の差が最小となる接地電極の長さを求める。特に、接地長さ推定部３５は、接地電極モジュールの長さを単位長さ間隔に分けて、各接地電極モジュールの長さに該当する各周波数の接地インピーダンスの最大値と最小値との差（以下、長さ別インピーダンス変動範囲）を求めて、上記長さ別インピーダンス変動範囲が最も小さい接地電極モジュールの長さを接地電極モジュールの最適長さに定める。

２層構造分布定数回路モデルを用いて入力された模擬変数によってシミュレーションを説明する。

前述した例として、１００Ｈｚ〜１ＭＨｚの周波数範囲で同軸構造炭素接地電極モジュールの長さが増加するによる特定周波数での接地インピーダンスを模擬する。図８は、大地抵抗率が比較的高い２８０Ωｍ、比誘電率２０の土壌と大地抵抗率が比較的低い２３Ωｍ、比誘電率２０の条件で炭素接地電極モジュールの接地インピーダンスを模擬した結果を表す。

同軸構造炭素接地電極モジュールの長さが短く、大地抵抗率の高い場合、容量性接地インピーダンスが表れて、周波数が高い時、接地インピーダンスが接地抵抗より低く表れたし、炭素接地電極モジュールの長さが長くなる時には、接地電極の内部のインダクタンス影響が大きくなって接地抵抗より大きい誘導性接地インピーダンスが表れた。

したがって、炭素接地電極モジュールの長さが長くなるによって、容量性接地インピーダンスから誘導性インピーダンスに変化する過程で、周波数に従う接地インピーダンスの変動が最も小さく表れる長さを算出することができる。

即ち、図８ａの高い大地抵抗率では９．６ｍ、図８ｂの低い大地抵抗率では２ｍの長さで接地インピーダンスの変動が最も少なく、その長さを炭素接地電極モジュールの周波数に従う接地インピーダンス変動を最小化することができる最適設計長さに定める。

最適長さを求める具体的方法は、次の通りである。接地電極モジュールの長さを単位長さ間隔に分けて、各接地電極モジュールの長さに該当する各周波数の接地インピーダンスを求める。このインピーダンス値はシミュレーション部３４により模擬した結果値である。そして、求めた各インピーダンスの最大値と最小値との差（以下、長さ別インピーダンス変動範囲）を求める。

上記のように、単位長さ間隔に分けた各長さに対し、長さ別インピーダンス変動範囲を求める。そして、長さ別インピーダンス変動範囲が最も小さい長さを接地電極モジュールの最適長さに決める。

次に、本発明の一実施形態に係る効果を図９及び図１０を参照して説明する。

図８で求めた炭素接地電極モジュールの最適設計長さ条件に対し、周波数変動性を確認するために同一な大地抵抗率を有する土壌で炭素接地電極モジュールの接地インピーダンスに対する周波数依存性を図９のように模擬し、測定結果と比較した。

高周波数領域において、接地インピーダンスの模擬結果と測定結果に若干の誤差があるが、このような点は正確な土壌の比誘電率の結果が反映できないことによる誤差と判断され、周波数変化に従う接地インピーダンスの傾向性が測定結果と極めて類似し、接地インピーダンス変動が少ないということが分かる。

したがって、本発明の一実施形態により遂行した炭素接地電極モジュールの接地インピーダンス模擬を通じて接地インピーダンス変動の少ない炭素接地電極モジュールの最適設計条件を算定することができ、測定結果と比較してシミュレーション結果の信頼性を確保した。

一般的な土壌の大地抵抗率は１０〜１０００Ωｍであり、土壌の比誘電率が１０〜８０であると知られているため、各土壌の特性によって炭素接地電極モジュールの接地インピーダンス変動性が最も少ない長さである臨界長さを算出しなければ、接地システム施工時、炭素接地電極モジュールの長さを決定できないようにする。

図１０は、周波数に従う最小接地インピーダンス変動を有する同軸構造炭素接地電極モジュールの最適設計長さを土壌の比誘電率と大地抵抗率によって各々分布定数回路モデルで模擬をし、その算出結果を最適の炭素接地電極モジュール長さ算定のための基準として提示する。

次に、本発明の一実施形態により接地導線（または、引下げ導線）のインダクタンスの影響を考慮したミューレーションを図１１乃至図１３を参照して説明する。

模擬解析結果との比較のための実測結果を得るために接地インピーダンスを測定する時、接地インピーダンスは印加電流と接地電極の電位の測定により算出される。この際、検出された電位には接地電極の電位だけでなく、引出し用接地導線の電圧降下が含まれ、接地電極に接続された接地導線のインダクタンスが１μであれば、接地インピーダンスは周波数１ＭＨｚで引出し用接地導線により６．２８Ω増加するようになり、１０ＭＨｚでは６２．８Ω増加するようになる。したがって、高周波数で引出し用接地導線のインダクタンスの影響を無視することができないので、下記に提示された方法により接地導線のインダクタンスを計算して接地インピーダンス模擬解析に適用する。

図１１のような有限長さの接地導線に流れる電流により発生する磁界の強さはＢｉｏｔ−Ｓａｖａｒｔ法則を適用する＜数式１７＞により計算され、有限長さの導線に鎖交する総電流磁束鎖交数は＜数式１８＞により算出される。この計算された導線に鎖交する総電流磁束鎖交数を基礎にして、＜数式１９＞のように接地導線の直径（２ｒ_０）と長さ（ｌ）に従うインダクタンスが算出される。

但し、μ_０は真空の透磁率であり、ｌとｒ_０は各々接地導線の長さと半径である。

実験用接地電極の一端に連結して引き出した接地導線は、断面積２５ｍｍ^２のＧＶ電線であって、このＧＶ電線のインダクタンスに対する模擬結果と測定結果は、図１２の通りである。

ＬＣＲメートルを用いて測定したし、測定装備の与件上、３１０ｍｍ以上の長さの直線形態の導線に対して測定が不可能で、導線の形態によってインダクタンスが変わるので、測定が可能な範囲内の３つの長さに対する直線型導線のインダクタンス模擬結果と測定結果を比較して提示する。

図１２に提示された資料のように、模擬結果が測定結果とほぼ同一な値を表すことを確認することができる。実際に施設された同軸構造炭素接地電極モジュールに連結された接地導線は長さが１．２ｍであるので、これに対するインダクタンスの計算結果は、１．３８μＨであり、この計算結果をＥＭＴＰの分布定数回路の前段に直列に追加して、模擬解析時に接地導線のインダクタンスによる影響を反映する。

図１３は、接地導線のインダクタンスによる影響を検証するために接地導線が含まれた場合と含まれない場合の同軸構造炭素接地電極モジュールの接地インピーダンスをシミュレーションして測定値と比較した結果を表す。

図１３ａにおいて、２ｍ炭素接地電極モジュールに対して模擬した結果、２００ｋＨｚ以上の周波数でもインダクタンス影響が殆ど表れず、接地インピーダンスが殆ど一定な結果を示している。しかしながら、同一な条件で実際に測定した結果は、２００ｋＨｚ以上の周波数でインダクタンス影響が大きく作用した誘導性接地インピーダンスを表した。

同軸構造炭素接地電極モジュールに高周波数で接地導線のインダクタンス影響が表れることと判断して、接地導線の影響を考慮した接地インピーダンスのシミュレーション結果を図１３ｂに表した。接地導線の影響を無視した結果と比較して、模擬結果と測定結果が殆ど類似するように表れた。したがって、高周波数では接地導線の影響が大きく表れて、接地インピーダンスに無視できない程度の影響を及ぼすので、接地インピーダンスの模擬時、接地導線の影響を必ず考慮しなければならない。

次に、本発明の一実施形態に係る炭素接地電極モジュールの長さ算定方法を図１４を参照して説明する。

図１４に示すように、本発明の一実施形態に係る炭素接地電極モジュールの長さ算定方法は、（ａ）２つの分布定数回路を２層に構成して接地電極回路を構成するステップ（Ｓ１０）と、（ｂ）大地の抵抗率及び比誘電率、充填材の抵抗率及び比誘電率、接地電極モジュールの内部及び外部直径を模擬変数として入力を受けるステップ（Ｓ２０）と、（Ｃ）周波数変動範囲内で多数の周波数を選定するステップ（Ｓ３０）と、（ｄ）選定された各周波数に対し、上記模擬変数によって上記接地電極回路を模擬して、接地電極の長さに対応する接地インピーダンスを計算するステップ（Ｓ４０）と、（ｅ）上記各周波数の接地インピーダンスの間の差が最小となる接地電極の長さを求めるステップ（Ｓ５０）とに分けられる。

上記炭素接地電極モジュールの長さ算定方法の説明のうち、省略した部分は上記炭素接地電極モジュールの長さ算定装置の説明を参照する。

本発明の実施形態は多様なコンピュータで具現される動作を遂行するためのプログラム命令を含むコンピュータ読取可能媒体を含む。コンピュータ読取可能媒体は、プログラム命令、ローカルデータファイル、ローカルデータ構造などを単独または組合せて含むことができる。媒体は、本発明のために特別に設計され、構成されたものであるとか、コンピュータソフトウェア当業者に公知されて使用可能なものであることもある。コンピュータ読取可能記録媒体の例には、ハードディスク、フロッピーディスク、及び磁気テープのような磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤのような光記録媒体、フロプティカルディスクのような磁気−光媒体、及びＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリなどのプログラム命令を格納し、遂行するように特別に構成されたハードウェア装置が含まれる。プログラム命令の例には、コンパイラーにより作られるような機械語コードだけでなく、インタープリターなどを使用してコンピュータにより実行できる高級言語コードを含む。

以上、本発明者によりなされた発明を実施形態によって具体的に説明したが、本発明は実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変更が可能であることは勿論である。

本発明は、同軸構造を有し、炭素含有充填材で内部が詰められる接地電極モジュールに対し、周波数の変動によって接地インピーダンスの変動が最も少なく表れる接地電極モジュールの長さを求める炭素接地電極モジュールの長さ算定装置の開発に適用可能である。

Claims (10)

1. 同軸構造を有し、炭素含有充填材で内部が詰められる接地電極モジュールに対し、周波数の変動によって接地インピーダンスの変動が最も少なく表れる接地電極モジュールの長さ（以下、最適長さ）を求める炭素接地電極モジュールの長さ算定装置であって、
   ２つの分布定数回路を２層に構成して接地電極回路を構成する回路構成部と、
   大地の抵抗率及び比誘電率、充填材の抵抗率及び比誘電率、接地電極モジュールの内部及び外部直径を模擬変数として入力を受ける変数入力部と、
   周波数変動範囲内で多数の周波数を選定する周波数選定部と、
   選定された各周波数に対し、前記模擬変数によって前記接地電極回路を模擬して、接地電極の長さに対応する接地インピーダンスを計算するシミュレーション部と、
   前記各周波数の接地インピーダンスの間の差が最小となる接地電極の長さを求める接地長さ推定部と、
   を含むことを特徴とする、炭素接地電極モジュールの長さ算定装置。
2. 前記接地電極回路は、大地の抵抗率及び比誘電率を使用した下層分布定数回路と、充填材の抵抗率及び比誘電率を使用した上層分布定数回路から構成された２層分布定数回路であることを特徴とする、請求項１に記載の炭素接地電極モジュールの長さ算定装置。
3. 前記２層分布定数回路の単位回路は、π型単位回路を２層に構成し、かつ前記π型単位回路は、コンダクタンス（Ｇ）とキャパシタンス（Ｃ）の並列回路を両側に構成し、両側の並列回路をインダクタンス（Ｌ）回路に連結することを特徴とする、請求項２に記載の炭素接地電極モジュールの長さ算定装置。
4. 前記上層分布定数回路の第１コンダクタンス（Ｇ_１）、第１キャパシタンス（Ｃ_１）、及び第１インダクタンス（Ｌ_１）と、前記下層分布定数回路の第２コンダクタンス（Ｇ_２）、第２キャパシタンス（Ｃ_２）、及び第２インダクタンス（Ｌ_２）は、垂直埋設時、＜数式１＞により求めることを特徴とする、請求項３に記載の炭素接地電極モジュールの長さ算定装置。
   

   

   但し、ｌ、ｄ_１、ｄ_２は各々接地電極モジュールの長さ、内部直径、外部直径、
   ρ_１、ε_１は、各々充填材の抵抗率及び比誘電率、
   ρ_２、ε_２は、各々大地の抵抗率及び比誘電率、
   ε_０、μ_０は、各々真空の誘電率と透磁率。
5. 前記上層分布定数回路の第１コンダクタンス（Ｇ_１）、第１キャパシタンス（Ｃ_１）、及び第１インダクタンス（Ｌ_１）と、前記下層分布定数回路の第２コンダクタンス（Ｇ_２）、第２キャパシタンス（Ｃ_２）、及び第２インダクタンス（Ｌ_２）は、水平埋設時、＜数式２＞により求めることを特徴とする、請求項３に記載の炭素接地電極モジュールの長さ算定装置。
   

   

   但し、ｌ、ｒ_１、ｒ_２は、各々接地電極モジュールの長さ、内部半径、外部半径、
   ρ_１、ε_１は、各々充填材の抵抗率及び比誘電率、
   ρ_２、ε_２は、各々大地の抵抗率及び比誘電率、
   ε_０、μ_０は、各々真空の誘電率と透磁率、
   ｓは、埋設深さ。
6. 前記シミュレーション部は、ＥＭＴＰプログラムを用いて模擬することを特徴とする、請求項１に記載の炭素接地電極モジュールの長さ算定装置。
7. 接地長さ推定部は、接地電極モジュールの長さを単位長さ間隔に分けて、各接地電極モジュールの長さに該当する各周波数の接地インピーダンスの最大値と最小値の差（以下、長さ別インピーダンス変動範囲）を求めて、前記長さ別インピーダンス変動範囲が最も小さい接地電極モジュールの長さを接地電極モジュールの最適長さに定めることを特徴とする、請求項１に記載の炭素接地電極モジュールの長さ算定装置。
8. 前記接地電極回路は、接地導線（引下げ導線）のインダクタンス回路を前記分布定数回路の前段に直列に追加することを特徴とする、請求項１に記載の炭素接地電極モジュールの長さ算定装置。
9. 前記接地導線のインダクタンス回路のインダクタンスＬは＜数式３＞により求めることを特徴とする、請求項１に記載の炭素接地電極モジュールの長さ算定装置。
   

   

   但し、μ_０は真空の透磁率であり、ｌとｒ_０は各々接地導線の長さと半径。
10. 同軸構造を有し、炭素含有充填材で内部が詰められる接地電極モジュールに対し、周波数の変動によって接地インピーダンスの変動が最も少なく表れる接地電極モジュールの長さ（以下、最適長さ）を求める炭素接地電極モジュールの長さ算定方法であって、
    （ａ）２つの分布定数回路を２層に構成して接地電極回路を構成するステップと、
    （ｂ）大地の抵抗率及び比誘電率、充填材の抵抗率及び比誘電率、接地電極モジュールの内部及び外部直径を模擬変数として入力を受けるステップと、
    （ｃ）周波数変動範囲内で多数の周波数を選定するステップと、
    （ｄ）選定された各周波数に対し、前記模擬変数によって前記接地電極回路を模擬して接地電極の長さに対応する接地インピーダンスを計算するステップと、
    （ｅ）前記各周波数の接地インピーダンスの間の差が最小となる接地電極の長さを求めるステップと、
    を含むことを特徴とする、炭素接地電極モジュールの長さ算定方法。

Images