JP2018078087A - 保護機能付き抑制型避雷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 下部電極体と絶縁体を大気中の粉塵微粒子、雨から守り、上部電極体と下部電極体間の絶縁性能を保持し、下部電極体及び支持部材の横から雷撃を防ぎつつ、耐用性及び耐候性を向上させることのできる、保護機能付き抑制型避雷装置を提供すること。
【解決手段】 上部電極体１１と下部電極体１２間に設けられた筒状絶縁体１４とを備え、上部電極体１１の外縁部のスカート部１５は、筒状絶縁体１４と下部電極体１２を覆うように設ける。下部電極体及び支持部材に絶縁層を施す。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

本発明は、雷害から地上又は洋上の建造物や設備機器等の被保護体を保護するための抑制型避雷装置に関し、特に抑制型避雷装置の絶縁部及び支持部を保護する構造を有する抑制型避雷装置に関するものである。なお、本明細書でいう「雷」或いは「落雷」とは雷鳴の意味ではなく、「稲妻」のことであり、即ち、雷雲による放電現象である、

雷は大気中で起こる放電現象であり、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―大地間放電であり、いわゆる落雷である。落雷は雷雲の底部と大地または大地上（洋上なども含む）の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。従来、落雷に対しては主に三つの概念がある、一つ目は雷は相対的に一番高いところに落ちる。二つ目は雷は一方的に落ちてくる。三つ目は雷のエネルギーを地下に引導すれば良い。よって従来、落雷は避けることはできないとの観点から、多様な避雷装置を開発されてきたが、その代表的なものは突針形避雷針（フランクリンロッド）である、これらはいずれもいかに効率よく雷を大地に引導することに工夫されたもので、例えば特許文献１に記載の突針形避雷針。つまり従来の避雷針は原理上「誘雷針」である、

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、避雷針の接地配線は建築物の鉄骨を利用することにより落雷に起因する誘導電磁波、誘導電流は多発した、一方電子機器の精密化により異常電磁場に弱く、落雷による災害が大きくなる傾向となっている。実際、国の安全基準通りに避雷針を取り付けたにも関わらず、落雷による被害は多数報告されている

落雷を防止する技術として、電荷放散型防雷システム（ＤＡＳ）が提案されている（特許文献２参照）。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。

近年落雷のメカニズムを解明され、落雷に対する新しい認識が形成された、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マイナス電荷のステップトリーダ（先駆放電）大地に近づいてくる、ある程度の距離になるとそれに対応して、大地または建築物（避雷針）、木など（相対的に電気抵抗値の最も小さい所）からステップトリーダに向かって、微弱電流の上向きプラス電荷のストリーマ（お迎え放電）が発生し伸びてくる。このストリーマとステップトリーダが異性電荷のため、結びつく力が働いて互いに寄せ付けて、空気の絶縁性を破壊し電気通路を形成する、次にその電気通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。つまり、雷は一方的に一番高いところに落ちるのではなく、お迎え放電が最も生じやすい（相対的に電気抵抗値の最も小さい所）ところに落ちるのである。 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。

このような落雷の生成メカニズムに対する新しい認識を基に落雷を抑制する技術として、消イオン容量型避雷器（ＰＤＣＥ Ｐａｒａｒｒａｙｏｓ Ｄｅｓｉｏｎｎｉｚａｄｏｒ Ｃａｒｇｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａ 抑制型避雷器ともいうが、以下ＰＤＣＥという）が提案された、そして実用において効果を見せている（特許文献３〜１１参照）。

特許文献３〜１１に記載のＰＤＣＥは落雷抑制タイプの避雷装置であり、形状、構造を問わず基本構成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。ＰＤＣＥの避雷の原理は、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、接地極体と接地線を通って下部電極体に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、コンデンサ効果によりマイナス電荷を帯びるようになる、よって、雷雲からのマイナス電荷を帯びるステップトリーダとは同性電荷の斥力が働いて、ステップトリーダを寄せ付けなく、同時にＰＤＣＥからのストリーマ（お迎え放電）の発生を抑えられ、ＰＤＣＥとその周辺の落雷を抑制するものである。そのため、このＰＤＣＥを最高部に取り付けた被保護物には落雷現象が起き難い。

特開平１０−２６１４９５号公報 特開平８−２７３７１５号公報 特開２００８−１０２４１号公報 特開２０１０−２０５６８７号公報 特開２０１５−２１１０１６号公報 特開２０１６−４６４６号公報 特開２０１６−４７４０号公報 特開２０１６−９５３４号公報 特開２０１６−８１８８９号公報 特開２０１−８５８３４号公報 ＷＯ２０１４１２５６９９Ａ１号公報

上記特許文献３〜１１に記載の抑制型避雷器（ＰＤＣＥ）に示したように、いずれの基本構成は絶縁体を挟んで配置される上部電極体と下部電極体及び下部電極体と構造的電気的に連結する支柱部を有するものである。

即ち、絶縁体はＰＤＣＥの要であり、その絶縁性能が損なわれば、ＰＤＣＥの基本機能が低下し，もしくは、完全に失われてしまう危険性があるからである。公知の通り、大気中に多くの粉塵微粒子が漂っていて、中にはカーボン系、金属系のものもあり、海洋から飛来するの塩の微粒子も多く含まれている、これらは電気伝導物質である。特許文献３、６，７、９、１０の構造では上部電極体も下部電極体も絶縁体も共に直接大気に晒されて、大気中の粉塵微粒子が付着することは不可避で、更に雨に濡らされると、絶縁体の絶縁性能は低下し上部電極体と下部電極体間の電気伝導度は大幅に上がる、このような状態下で、絶縁体は雷雲からの数十万ボルトステップトリーダに耐え切れず、絶縁性を失ってしまう可能性は非常に大きいと考えられる。特許文献４、５，８、１１の構造ではでは、絶縁体外側にカバー材が設けられているが、カバー材は上部電極体及び下部電極体との間の隙間があり、大気中の粉塵微粒子、雨水が中に入り込んだり、カバー材表面に付着したりして、内部に貯まることも十分ありうると考えられる、むしろ、絶縁体を直接大気に晒す方よりさらに危険度は高い。実際に、ＰＤＣＥが雷撃を受けた例も報告されている。

更に、雷はＰＤＣＥの横から下部電極体を雷撃する例も報告されている。尚、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、これらを防ぐには、特許文献８の方法は下部電極体を上部電極体より小さく設け、上部電極体をカバーとしている。但し、特許文献８の方法では、下部電極体は依然大気中に暴露し、なお下部電極体と一体となる支持部材も大気中に暴露し、横からの雷撃を防ぐには十分とは言えない。

本発明は上記した問題点の解決を課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る保護機能付き抑制型避雷装置は、避雷器部材と該避雷器部材の下部に設けられた支持部材からなり，前記避雷器部材には上部電極体と下部電極体と絶縁体を備え、前記絶縁体は前記上部電極体と下部電極体の間に挟持され、尚前記上部電極体外縁のスカート部が前記絶縁体及び前記下部電極体を覆うように設けられることを特徴とする。

なお、本発明に係る保護機能付き抑制型避雷装置は、前記下部電極体の下端及び前記支持部材の外側に絶縁層を施すことを特徴とする。

本発明によれば、絶縁体と下部電極は大気中の粉塵微粒子及び雨水から守られるため、上部電極体と下部電極体間の絶縁性能を従来のＰＤＣＥより確実に保持でき、同時に耐用性及び耐候性の向上を図ることもできる抑制型避雷装置を提供することができる。

また、本発明によれば、下部電極体からの放電、並びに下部電極体及び支持部材への横からの雷撃を防ぐことができる。

本発明の一実施形態に係る保護機能付き抑制型避雷装置の断面正面図である。 本発明の一実施形態の上部電極体の底面図である。 本発明の一実施形態の下部電極体の平面図である。 本発明の一実施形態の筒状絶縁体の斜視図である。 本発明の一実施形態の上部押え金具の斜視図である。 本発明の一実施形態の下部押え金具の斜視図である。 本発明の一実施形態の応用イメージ図である。

以下に、本発明の実施形態について説明するが、本発明の趣旨を越えない限り、何ら限定されるものではない。本発明の実施形態について、図１〜図６を参照して詳細に説明する。図１は本発明の保護機能付き抑制型避雷装置の一実施形態を示す断面である。

この実施形態に係る保護機能付き抑制型避雷装置は、図１に示すように、上部に配置された避雷器部材１と、避雷器部材１の下部に設けられた支持部材３を備えている。支持部材３は連結部２と支持棒３１と支持パイプ３２と台座板３４からなり、避雷器部材１と鉛直に連結される。

避雷器部材１は、図面２に示す円形上部電極体１１（スカート部１５と結合する前の状態）と図面３に示す円形下部電極体１２と、その間に設けられた図面４に示す絶縁体である筒状絶縁体１４を備えている。上部電極体１１の上端部は若干扁平な半球状で、上端部の外縁は下に向けて延びスカート部１５を形成し、下部電極体１２と筒状絶縁体１４を覆うように設けられる。したがって、上部電極体１１の曲面部１１ａ及びスカート部１５の外側は大気と接触するが、筒状絶縁体１４と下部電極体１２はスカート部１５に覆われている、そのため大気中の粉塵微粒子の付着が少なく、雨に濡らすこともほとんどない。

上部電極体１１及び下部電極体１２の間は、図１に示すのように空洞Ｓを形成されて、上部電極体１１の天面と下部電極体１２の内底面が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、コンデンサの構造をなす。

下部電極体１２と支持部材３は良好に導電するように連結する、尚、横からの雷撃及び放電を防ぐために、下部電極体１２の曲面部１２ａと連結部２の外側、台座板３４の表面に絶縁層１３を施した（各部分の接触面を除く）。本実施形態では絶縁層１３は絶縁塗料であるが、応用条件に応じて、ほかの方法でもよい。

筒状絶縁体１４と上部電極体１１との接合は、上部押え金具１６と固定ねじ１８を用いたねじ止めによってなされ、筒状絶縁体１４と下部電極体１２との接合は、下部押え金具１７と固定ねじ１８を用いたねじ止めによってなされている。

筒状絶縁体１４の上部には、図４に示すように、その内周面に沿って一周する形態で上側リブ１４ａが設けられている。また、筒状絶縁体１４の下部には、その外周面に沿って一周する形態で下側リブ１４ｂが設けられている。

上部押え金具１６は、図５に示すようにリング状に形成されていて、本体部１６ｂと、押え部１６ｃと、固定部１６ｄとを有している。そして固定部１６ｄに、固定ねじの挿通孔１６ａが設けられている。この挿通孔１６ａは、固定部１６ｄの周方向に等間隔で６ヶ所設けられている。

下部押え金具１７も、図６に示すようにリング状に形成されていて、本体部１７ｂと、押え部１７ｃとを有している。そして本体部１７ｂに、めねじ１７ａが設けられている。このめねじ１７ａは、本体部１７ｂの周方向に等間隔で６ヶ所設けられている。

上部電極体１１の下面には周方向に一周する環状溝１１ｃが形成され、この環状溝１１ｃに筒状絶縁体１４の上端が嵌め込まれている。上部電極体１１の下面であって、環状溝１１ｃよりも内側には、めねじ１１ｄが、環状溝１１ｃの周方向に等間隔で６ヶ所設けられている。また、筒状絶縁体１４に設けられた上側リブ１４ａに、上部押え金具１６の押え部１６ｃが係合するように、筒状絶縁体の内側に上部押え金具１６が嵌合されている。そして、固定ねじ１８を上部押え金具１６に設けられた挿通孔１６ａに挿通し、上部電極体１１に設けられためねじ１１ｄに螺合することにより、上部電極体１１と筒状絶縁体１４とが接合されている。

下部電極体１２の上面には周方向に一周する環状溝１２ｃが形成され、この環状溝１２ｃに筒状絶縁体１４の下端が嵌め込まれている。下部電極体１２の上面であって、環状溝１２ｃの外側には、固定ねじの挿通孔１２ｄが、１２ｃの周方向に等間隔で６ヶ所設けられている。また、筒状絶縁体１４に設けられた下側リブ１４ｂに、下部押え金具１７の押え部１７ｃが係合するように、筒状絶縁体の外側に下部押え金具１７が嵌合されている。そして、固定ねじ１８を下部電極体１２に設けられた挿通孔１２ｄに挿通し、下部押え金具１７に設けられためねじ１７ｄに螺合することにより、下部電極体１２と筒状絶縁体１４とが接合されている。

本実施形態においては、筒状絶縁体１４の内周面に上側リブ１４ａを、外周面に下側リブ１４ｂを設けているが、上側リブ１４ａを筒状絶縁体１４の外周面に設ける構成や、下側リブ１４ｂを筒状絶縁体１４の内周面に設ける構成も可能である。

しかし、上部電極体１１は若干扁平な半球状に形成されており、その中央部から外縁部にかけて肉薄になっていくため、本実施形態にあるように、筒状絶縁体１４の内周面に上側リブ１４ａを設け、上部電極体１１の環状溝１１ｃよりも内側にめねじ１１ｄを設けることにより、螺合に十分なめねじ１１ｄの深さを確保することが可能となる。

また、避雷器部材１の組立工程において、上部電極体１１と筒状絶縁体１４との接合後に、下部電極体１２と筒状絶縁体１４との接合を行う場合、上部電極体１１と下部電極体１２、および筒状絶縁体１４によって囲まれた空間部Ｓ中において、下部押え金具１６を固定することは困難である。そのため、本実施形態にあるように、筒状絶縁体１４の外周面に下側リブ１４ｂを、下部電極体１２の環状溝１２ｃよりも外側に固定ねじの挿通孔１２ｄをそれぞれ設け、筒状絶縁体１４の外側に下部押え金具１７を嵌合することにより、避雷器部材１の組立工程を容易にすることが可能となる。また、メンテナンス等のために分解する際の作業も容易にすることができる。

また、筒状絶縁体１４の周壁には、その長さ方向の中間部の周壁部分に、周壁の厚さ方向に貫通する通気孔１４ｃが設けられている。

筒状絶縁体１４は、十分な絶縁性能、機械的強度ならびに耐熱衝撃性を有するファインセラミックによって形成されている。

本実施形態においては、上部電極体１１及びスカート部１５、下部電極体１２、連結部材２、および支持部材３は、高導電性を有するステンレスによって形成されて、スカート部１５は上部電極体１１の外縁部に溶接で結合されている、なお補強のためスカート部１５の底辺に折り返し３５を施されている。尚、本保護機能付き抑制型避雷装置の応用条件に応じて、スカート部１５を上部電極体１１と異なる材料で形成し、相応の方法で結合しても良い。

本実施形態では、横からの雷撃を防ぐため、支持棒パイプ３２の外側にファインセラミックによって形成される絶縁層材３３を装着する。

また、上部電極体１１ならびに下部電極体１２と筒状絶縁体１４との接合に、固定ねじ１８によるねじ止めと、無機系接着剤による接着とを併用する場合には、より強度を高めることができる。

図７は本実施形態の保護機能付き抑制型避雷装置Ａ（詳しい構成は図１参照）を鉄塔３８の頂端に取り付けて応用する場合のイメージ図である。台座板固定用ねじ穴３４ａにネジを通し、接地線３６の上端を通常の避雷器の接地線接続方法で連結し、下端は接地極体３７と連結し大地と電気的に接続される。上部電極体１１と一体なるスカート部１５は筒状絶縁体１４及び下部電極体１２を覆い、大気中の粉塵微粒子、雨などから守り、上部電極体１１と下部電極体１２間の絶縁状態を保持することができる。保護機能付き抑制型避雷装置Ａの上空に雷雲Ｃが形成された場合、雷雲Ｃの下端面のマイナス電荷電場により大地Ｇがプラスの電荷を帯電することになり、接地極体３７と接地線３６を通って、下部電極体１２に伝え、下部電極体１２はプラス電荷を帯電する、そして上部電極体１１と間のコンデンサ作用により、上部電極体１１並びにスカート部１５の表面は空中のマイナス電荷を集める、よって、雷雲Ｃからのマイナス電荷のステップトリーダに斥力を発生し寄せ付けないと同時に、ストリーマの発生を抑制する。そして、下部電極体１２からの上向きの放電（ステップトリーダ）を抑止することもできる。更に、支持部材３に絶縁層を施したことにより、横からの雷撃を防ぐこともできる。

本発明によれば、抑制型避雷装置の絶縁性能及び耐用性、耐候性を向上させることで、雷による災害を大幅に低減することができ、高層建造物、各種アンテナ―鉄塔、石油備蓄施設、ソーラー発電施設、各種の船舶などの避雷装置として応用可能である。

１ 避雷器部材
２ 連結部材
３ 支持部材
１１ 上部電極体
１１ａ 曲面部
１１ｂ 下向き凸部
１１ｃ 環状溝
１１ｄ めねじ
１２ 下部電極体
１２ａ 曲面部
１２ｂ 上向き凸部
１２ｃ 環状溝
１２ｄ 挿通孔
１３ 絶縁層
１４ 筒状絶縁体
１４ａ 上側リブ
１４ｂ 下側リブ
１４ｃ 通気孔
１５ スカート部
１６ 上部押え金具
１６ａ 挿通孔
１６ｂ 本体部
１６ｃ 押え部
１６ｄ 固定部
１７ 下部押え金具
１７ａ めねじ
１７ｂ 本体部
１７ｃ 押え部
１８ 固定ねじ
３１ 支持棒
３１ａ 支持棒のねじ部
３２ 支持パイプ
３３ 支持パイプの絶縁層材
３４ 台座板
３４ａ 台座板固定用ねじ穴
３５ 折り返し
３６ 接地線
３７ 接地極体
３８ 鉄塔
Ａ 避雷装置
Ｃ 雷雲
Ｇ 大地
Ｓ 空間部

Claims (2)

1. 避雷器部材と該避雷器部材の下部に設けられた支持部材からなり，前記避雷器部材には上部電極体と下部電極体と絶縁体を備え、前記絶縁体は前記上部電極体と下部電極体の間に挟持され、尚前記上部電極体外縁のスカート部が前記絶縁体及び前記下部電極体を覆うように設けられることを特徴とする保護機能付き抑制型避雷装置。
2. 前記支持部材の外側に絶縁材料からなる絶縁層を施すことを特徴とする請求項１の保護機能付き抑制型避雷装置。

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