JP2016009534A - 落雷抑制型避雷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上向き放電を抑制することができる落雷抑制型避雷装置を提供すること。【解決手段】最上部に設置された避雷極部材１と、避雷極部材１の下部に設けられた連結部材２と、この連結部材２を介して鉛直に連結されて避雷極部材１を支持する支持部材３と、さらに、この支持部材３の下部に設けられた取り付けプレート４と、を備えている。上部電極体１１と下部電極体１２とを絶縁する絶縁体１３を有する避雷極部材１と、避雷極部材１の下部に設けられた支持部材３と、を備え、下部電極体１２の外径Ｄ２は、上部電極体１１の外径Ｄ１よりも小さく形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、落雷を抑制することで、雷害から建築物や設備機器等の被保護体を保護するための落雷抑制型避雷装置に関するものである。

従来の雷保護概念では、落雷は防止できないものとの観点から、落雷を突針形避雷針（フランクリンロッド）に受けて大地に流す方式が大半であった。

近年、雷保護の概念が改正され、角度法から回転球体法に移行する動き（新ＪＩＳ Ａ４２０１ ２００３年版）等もあるが、いずれにしても落雷による障害を完全に取り除くことは困難であった。特に、冬季雷のように雷撃規模（電流値や継続時間）が大きい場合、雷電流そのものや大地の電位上昇による各種の被害を起こしていた。
さらに、近年の機器はＩＣ化のため異常電流に弱く、落雷による問題が大きくなる傾向となっている。

一方、落雷を防止する技術として、電荷放散型防雷システム（ＤＡＳ）が開発されている（特許文献１参照）。しかし、このシステムは大規模な装備となるため価格が高く、特殊な設備にしか用いられていないのが実情である。
近年、落雷を抑制する技術として、消イオン容量型避雷針（ＰＤＣＥ）が現れ効果を見せている（特許文献２、特許文献３参照）。

落雷は大気中で起こる放電現象であり、雷放電には雲内放電、雲間放電、雲―大地間放電等がある。雷放電で大きな被害を出すのは雲―大地間放電（以下落雷）である。落雷は雷雲（雲底）と大地または大地等に建設された構造物との間の電界強度が非常に大きくなり、その電荷が飽和状態となって大気の絶縁を破壊したときに発生する現象である。

落雷の現象を詳細に観察すると、夏季に起こる一般的な落雷（夏季雷）の場合、雷雲が成熟すると雷雲からステップトリーダが大気の放電しやすいところを選びながら大地に近づいてくる。ステップトリーダが大地とある程度の距離になると大地または建築物（避雷針）、木などからステップトリーダに向かって、微弱電流の上向きストリーマ（お迎え放電）が伸びてくる。
このストリーマとステップトリーダが結合すると、その経路を通って、雷雲と大地間に大電流（帰還電流）が流れる。これが落雷現象である。

特許文献２に記載の消イオン容量型避雷針（ＰＤＣＥ）は落雷抑制タイプの避雷針であり、上向きストリーマの発生を起こりにくくしたものである。そのため、このＰＤＣＥを最高部に取り付けた施設には落雷現象が起き難い。

このＰＤＣＥは、絶縁体を挟んで配置される上部電極体及び下部電極体を有し、下部電極体のみが接地される。したがって、例えばマイナス電荷が雲底に分布した雷雲が近づくと、それとは逆の電荷（プラス電荷）が大地の表面に分布し、雲底のマイナス電荷に引き寄せられて下部電極体にもプラス電荷が集まるようになる。すると、絶縁体を介して配置されている上部電極体は、コンデンサの作用でマイナス電荷を帯びる。この作用により、ＰＤＣＥとその周辺における上向きストリーマの発生を起こりにくくし、落雷の発生を抑制する。

北陸の平地でＰＤＣＥを設置し、５年にわたり雷観測カメラやＬＬＳ（Lightning Location System）を用いて落雷の有無を観測した結果、夏季には、ＰＤＣＥ設置箇所において落雷が観測されなかった。
これらの観測結果から、夏季雷に対して、ＰＤＣＥは帰還電流を防止（落雷を防止）し、落雷による被害を抑制することが判った。

特開平８−２７３７１５号公報 特開２００８−１０２４１号公報 特開２０１０−２０５６８７号公報

一方で、冬季雷の場合には、夏季雷とは逆に大地から上向きの放電現象（ステップトリーダ）がおこる。この上向き放電は、従来のＰＤＣＥを用いても、抑制することができないという問題があった。

上記のＰＤＣＥにおける上向き放電の状況を現物より詳細に観察すると、上部電極体にはほとんど放電痕がなく、小さな放電が下部電極体全面にみられていた。また、たまに発生する帰還電流を伴う放電（落雷）は下部電極体の縁部から発生していることが判明した。特に横からの放電はその可能性が高かった。

上記のような冬季雷における帰還電流を伴う放電（落雷）対策として、下部電極体の縁部を放電しにくくすることが有効と判断したが、単に下部電極体の縁部を絶縁物でカバーするだけでは不十分であることをフィールド試験で確認している。

本発明は、上記実情に鑑みてなされた発明であり、上向き放電を抑制することができる落雷抑制型避雷装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明における落雷抑制型避雷装置は、上部電極体と下部電極体とを絶縁する絶縁体を有する避雷極部材と、避雷極部材の下部に設けられた支持部材と、を備え、前記下部電極体の外径は、前記上部電極体の外径よりも小さく形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、上部電極体の外径に対して小さな外径の下部電極体を配置することで、冬季の帰還電流を伴う上向き電流を軽減することが可能となり、また横からの放電に対しても上部電極体がカバーすることとなり、抑制効果が向上する。

本発明の好ましい形態では、前記支持部材は、支持柱と、支持柱の下部に設けられた円形状の取り付け板と、を備え、前記取り付け板は、前記上部電極体よりも小径に形成されており、前記下部電極体は、前記上部電極体よりも小径で、かつ、前記取り付け板よりも大径に形成されていることを特徴とする。
このような構成とすることにより、より確実に落雷を抑制することができる。

本発明の好ましい形態では、前記上部電極体と下部電極体は同心円状に配置され、前記下部電極体の径の大きさは、前記上部電極体の径方向の外縁と、前記取り付け板の径方向の外縁とを結んだ直線間の内側に収まるように形成されていることを特徴とする。
このような構成とすることにより、より確実に落雷を抑制することができる。

本発明によれば、上向き放電を抑制することができる落雷抑制型避雷装置を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る落雷抑制型避雷装置の斜視図である。 本発明の実施形態１に係る落雷抑制型避雷装置の断面図である。 本発明の実施形態２に係る落雷抑制型避雷装置の断面図である。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１について、図１および図２を参照して詳しく説明する。
図１および図２は、本発明を消イオン容量型避雷針に適応した実施形態を示す図であり、特に図２は、特徴的部分について断面で示している。

この実施形態に係る落雷抑制装置は、図１に示すように、最上部に設置された避雷極部材１と、避雷極部材１の下部に設けられた連結部材２と、この連結部材２を介して鉛直に連結されて避雷極部材１を支持する支持部材３と、さらに、この支持部材３の下部に設けられた取り付けプレート４と、を備えている。

避雷極部材１は、上部電極体１１と、下部電極体１２と、それら上部電極体１１および下部電極体１２間に設けられた絶縁体１３とを備え、全体として概略球体状に形成されている。上部電極体１１、下部電極体１２は、球体が上下に半割りされた若干扁平な半球状に形成されている。したがって、図２に示すように、それらの表面は大気と接触する曲面部１１ａ、１２ａとして形成されている。

上部電極体１１及び下部電極体１２は、図１及び図２に示すように概略椀状であり、特に、前記下部電極体１２の外径Ｄ２は、上部電極体１１の外径Ｄ１よりも小径に形成されている。両者は平面視で同心円状に配置され、下部電極体１２全体が上部電極体１１の下部に収まっている。

また、前記上部電極体１１の天面及び前記下部電極体１２の内底面から互いに向き合う下向き凸部１１ｂおよび上向き凸部１２ｂが形成されている。これら下向き凸部１１ｂおよび上向き凸部１２ｂは放電用凸部としての機能を発揮するように相互の間隔Ｈ１が設定されている。

絶縁体１３は、上部電極体１１と下部電極体１２との間に配置された筒状絶縁体１４と、筒状絶縁体１４の周囲に配置されたカバー部材１５とを有している。前記筒状絶縁体１４及び前記カバー部材１５は、以下に例示する本実施形態の使用材料に限られず、絶縁性を有する物質であれば良い。

前記筒状絶縁体１４は、本実施形態においては、ファインセラミックによって厚肉の円筒状に形成され、各端部が、前記上部電極体１１と下部電極体１２の対向面のそれぞれに形成されている環状溝１１ｃ、１２ｃに嵌め込まれ、接着剤により一体化されている。
これによって、前記上部電極体１１と下部電極体１２とが、前記筒状絶縁体１４により液密及び気密に連結されている。

前記カバー部材１５は、本実施形態においては、シリコーンゴム又はフッ素ゴムによって形成されており、前記筒状絶縁体１４の外周を取り囲むようにして配設される環状の基部１５ａと、この基部１５ａの外周に連続して形成され、前記両電極体１１・１２の外方へ延設されるとともに、前記下部電極体１２の側部を覆うスカート部１５ｂとを備えている。

連結部材２は、前記避雷極部材１と前記支持部材３の間に設けられ、有底筒状に形成され、底部には前記連結部材２の内部と外気とに連通する空気孔２１が設けられている。
また、前記連結部材２は、前記支持部材３の支持棒３１の上端に位置する螺子部３１ａに設置され、前記下部電極体１２の下面に押圧する固定ナット３５によって螺着されている。

前記支持部材３は、中心に位置する支持棒３１と、その外側に同軸に配置された支持パイプ３２と、この支持パイプ３２の下部に設けられるパイプフランジ３３と、を備えており、前記支持棒３１の各端部には螺子部３１ａがそれぞれ形成されている。

そして、前記支持棒３１は、その一端部（図においては上端部）が前記螺子部３１ａによって前記下部電極体１２に螺着されているとともに、前記螺子部３１ａに螺合されているナット３４が前記下部電極体１２に圧接させられることによって、これらの下部電極体１２および支持棒３１が一体化されている。

一方、前記支持棒３１の下端部は、この支持棒３１を取り囲んで配置されている前記支持パイプ３２の下部に設けられた前記パイプフランジ３３が、前記螺子部３１ａに螺合されるダブルナット３６によって前記支持パイプ３２に圧接されて固定されている。

前記取り付けプレート４は、平面円形状であり前記上部電極体１１の３／４程度の外径Ｄ３で形成され、前記支持棒３１に形成されている螺子部３１ａに螺合されるダブルナット４１によって前記ダブルナット３６の下部に圧接されて固定されている。
本発明の落雷抑制型避雷装置は、前記取り付けプレート４を介して、円筒状の設置箇所Ａにボルト４２とダブルナット４３により圧接されて固定される。

前記上部電極体１１、前記下部電極体１２、前記連結部材２、前記支持部材３、および、取り付けプレート４は、本実施形態においては、高導電性を有するステンレスによって形成されている。これらは、本実施形態が使用する材料に限られず、高電導性を有する物質であれば良い。

前記下部電極体１２は、支持部材３と取り付けプレート４および図示しない接地用導電体（接地線）を介して大地に電気的に接続される。
これにより、この落雷抑制型避雷装置を鉛直に設置した状態において、雷雲等の影響により大地や構造物等が正電荷に帯電すると、前記上部電極体１１の表面は負電荷に帯電し、大地や構造物等が負電荷に帯電すると、上部電極体１１の表面は正電荷に帯電するように設計されている。なお、この帯電機能自体は既存のＰＤＣＥと同様の原理に基づいている。

本実施形態によれば、上部電極体１１の径に対し小さな径の下部電極体１２を配置することで、冬季に発生する帰還電流を伴う上向き電流を軽減することができる。また、横からの放電に対しても上部電極体１１がカバーすることとなり、抑制効果を向上させることが可能となっている。

また、本実施形態では、取り付けプレート４が上部電極体１１の３／４程度の外径Ｄ３で形成されている。その場合、下部電極体１２の径の大きさは、図２に示すように、上部電極体１１の径方向の外縁と、取り付けプレート４の径方向の外縁とを結んだ直線Ｂ−Ｂ間の寸法よりも小さく（小径）に形成することが好ましい。

過去のフィールド試験において、前記上部電極体１１の３／４程度の外径Ｄ３で形成された取り付けプレート４に放電した例はない。そのため、上部電極体１１と取り付けプレート４を結んだ直線Ｂ−Ｂ間の範囲内に下部電極体１２の径の大きさを収めることで、前記下部電極体１２への放電や落雷の確率は大幅に減少する。
本実施形態では、図２の直線Ｂ−Ｂ及び図１で表示されるように、下部電極体１２の外径Ｄ２が上部電極体１１の外径Ｄ１よりも小さく、かつ、取り付けプレート４の外径Ｄ３よりも大きく形成されている。したがって、下部電極体１２は上部電極体１１で有効に保護され、下部電極体１２への放電や落雷の確率が大幅に減少する。

（実施形態２）
図３は、本発明を消イオン容量型避雷針に適応した実施形態２を示す断面図である。なお、同実施形態において、先の実施形態と基本的に同一の構成要素については、同一符号を付してその説明を簡略化する。
この実施形態の下部電極体１２は、前記下部電極体１２に設けられている上向き凸部１２ｂが、導電性金属からなる別部材によって構成されていることに特徴がある。

この実施形態においては、図３に示すように、上部電極体１１の天面及び下部電極体１２の内底面から互いに向き合う下向き凸部１１ｂおよび上向き凸部１２ｂが形成され、前記下部電極体１２は、凸部材１２ｄと、前記凸部材１２ｄが嵌め込まれる凹部材１２ｅとを備えている。

このように、下部電極体１２を、凸部材１２ｄと凹部材１２ｅとで構成することにより、下部電極体１２を容易に形成することができ、加工費を大幅に削減することができる。
本実施形態における凸部材１２ｄと凹部材１２ｅは、プレス加工等によって容易に形成することが可能である。
また、図示はしていないが、上部電極体１１においても、下部電極体１２と同様に、凸部材と凹部材で構成しても良い。

１ 避雷極部材
１１ 上部電極体
１１ａ 曲面部
１１ｂ 下向き凸部
１１ｃ 環状溝
１２ 下部電極体
１２ａ 曲面部
１２ｂ 上向き凸部
１２ｃ 環状溝
１２ｄ 凸部材
１２ｅ 凹部材
１３ 絶縁体
１４ 筒状絶縁体
１５ カバー部材
１５ａ 基部
１５ｂ スカート部
２ 連結部材
２１ 空気孔
３ 支持部材
３１ 支持棒
３１ａ 螺子部
３２ 支持パイプ
３３ パイプフランジ
３４ ナット
３５ 固定ナット
３６ ダブルナット
４ 取り付けプレート
４１ ダブルナット
４２ ボルト
４３ ダブルナット
Ａ 設置箇所
Ｂ 直線

上記課題を解決するため、本発明における落雷抑制型避雷装置は、上部電極体と下部電極体とを絶縁する絶縁体を有する避雷極部材と、避雷極部材の下部に設けられた支持部材と、を備え、前記支持部材は、支持柱と、前記支持柱の下部に設けられた円形状の取り付け板とを有し、前記下部電極体の外径は、前記上部電極体の外径よりも小さく形成されており、前記上部電極体と前記下部電極体は同心円状に配置され、前記下部電極体の径の大きさは、前記上部電極体の径方向の外縁と、前記取り付け板の径方向の外縁とを結んだ直線間の内側に収まるように形成されていることを特徴とする。

Claims (3)

1. 上部電極体と下部電極体とを絶縁する絶縁体を有する避雷極部材と、避雷極部材の下部に設けられた支持部材と、を備え、
   前記下部電極体の外径は、前記上部電極体の外径よりも小さく形成されていることを特徴とする落雷抑制型避雷装置。
2. 前記支持部材は、支持柱と、支持柱の下部に設けられた円形状の取り付け板と、を備え、
   前記取り付け板は、前記上部電極体よりも小径に形成されており、
   前記下部電極体は、前記上部電極体よりも小径で、かつ、前記取り付け板よりも大径に形成されていることを特徴とする請求項１記載の落雷抑制型避雷装置。
3. 前記上部電極体と前記下部電極体は同心円状に配置され、
   前記下部電極体の径の大きさは、前記上部電極体の径方向の外縁と、前記取り付け板の径方向の外縁とを結んだ直線間の内側に収まるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の落雷抑制型避雷装置。