JP2018081801A - 落雷抑制型避雷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】避雷装置回りに形成されるプラス電荷の領域を極力小さくして、上向きストリーマの発生を効果的に抑制する。【解決手段】接地された支持ロッド５の先端に電気的に導通された状態で取り付けられた第２電極体２と、この第２電極体を、所定隙間Ｇをおいて包み込むようにして設けられた第１電極体３と、前記隙間に設けられ、前記第２電極体と第１電極体とを電気絶縁状態に保持する電気絶縁層Ｓを備え、前記第２電極体が略球状に形成され、前記第１電極体が、前記第２電極体の外面形状と相似形をなす球殻状に形成されており、前記第１電極体の下部に、前記支持ロッドが挿通される貫通孔７が形成されているとともに、前記貫通孔に連続した連続孔１６を形成する被覆管が電気的に導通状態で連設され、前記電気絶縁層が、前記貫通孔を経て前記連続孔全長に亙って延設されて、前記被覆管が前記支持ロッドに対し電気絶縁状態に保持されていることを特徴とする。【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。

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。

このような落雷現象に対し、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、落雷を突針型避雷針（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。

これに対し、本発明者等は、落雷の発生を極力抑制することによって被保護体を保護すべく、特許文献１に示される落雷抑制型避雷装置を提案した。

この落雷抑制型避雷装置は、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、下部電極体のみを接地して構成したものである。

そして、たと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、接地されている下部電極体にもプラス電荷が集まる。

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ととなる。

この作用により、避雷装置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て落雷の発生を抑制するようにしている。

特許第５８３９３３１号公報

前述した本発明者等による先の提案によって、避雷装置を中心とした円状の保護領域において落雷を抑制できるようになった。

しかしながら、先の提案においては、避雷装置の下部構成体である下部電極体に、プラス電荷の領域が形成されることから、落雷のエネルギーによっては、前記下部電極体への落雷が想定されることから、前述したプラス電荷の領域を極力狭くする必要があるとの知見に至った。

本発明は、前述した知見に基づいてなされたもので、接地された支持ロッドの先端に電気的に導通された状態で取り付けられた第２電極体と、この第２電極体を、所定隙間をおいて包み込むようにして設けられた第１電極体と、前記隙間に設けられ、前記第２電極体と第１電極体とを電気絶縁状態に保持する電気絶縁層とを備え、前記第２電極体が略球状に形成され、前記第１電極体が球殻状に形成されており、前記第１電極体の下部に、前記支持ロッドが挿通される貫通孔が形成されているとともに、前記貫通孔に連続した連続孔を形成する被覆管が電気的に導通状態で連設され、前記電気絶縁層が、前記貫通孔を経て前記連続孔全長に亙って延設されて、前記被覆管が前記支持ロッドに対し電気絶縁状態に保持されていることを特徴としている。

本発明の避雷装置は、前記支持ロッドを用いて保護領域に設置され、この支持ロッドを介して前記第２電極体が接地される。

ここで、接地された前記第２電極体の全周が前記第１電極体によって覆われ、また、前記第１電極体を貫通して設けられ、前記第２電極体を接地する前記支持ロッドが前記第１電極体に電気的に接続された前記被覆管によってほぼ全長に亙って覆われる。

かつ、接地されている前記支持ロッドおよび前記第２電極体が、これらを覆う前記第１電極体および前記被覆管に対して、前記電気絶縁層により電気的に絶縁された状態に保持される。

そして、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、この大地に接地された前記支持ロッドおよび前記第２電極体にもプラス電荷が集まるようになる。

すると、前記第２電極体および前記支持ロッドに前記電気絶縁層を介して配置されている前記第１電極体および前記被覆管は、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、前記第１電極体や前記被覆管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ことができる。

ここで、前記第１電極体が、前記第２電極体をほぼ全面に亙って包み込むように配置されており、かつ、前記被覆管が、前記第１電極体から下方に延びるように配置される前記支持ロッドを覆って配置されていることから、避雷装置の回りの殆どがマイナス電荷で覆われることとなる。

したがって、避雷装置におけるプラス電荷の領域が極めて小さく抑えられ、雷雲接近時における上向きストリーマの発生を効果的に抑制することができる。
この結果、落雷抑制効果を高めることができる。

前記電気絶縁層は、前記第２電極体と前記第１電極体、および／または、前記支持ロッドと前記被覆管とを所定間隔に保持する電気絶縁性材料によって形成されたスペーサーと、前記第２電極体と前記第１電極体との間、および／または、前記支持ロッドと前記被覆管との間に形成される空間によって構成することができる。

また、前記電気絶縁層は、前記第２電極体と前記第１電極体間から前記支持ロッドと前記被覆管との間に形成される連続した隙間の全域に亙って設けられ、電気絶縁性材料によって形成されたスペーサーによって構成することもできる。

そして、前記第２電極体および前記第１電極体は、鉛直断面においてほぼ真球形状や楕円形状とすることができる。

特に、後者のように楕円形状とすることにより、強風時における空気抵抗を軽減することができる。

一方、前記第１電極体を、２分割されて形成された一対の第１電極構成体によって構成し、これら一対の第１電極構成体を、前記電気絶縁層を介して前記第２電極体を挟み込んで突き合わせ、この突き合わされた部位において電気導通状態で接続して一体化することにより、前記第２電極体と一体化することができる。

そして、前記一対の第１電極構成体は、前記突き合わせた部位を溶接することにより、あるいは、前記突き合わせた部位において螺着することにより一体化することができる。

本発明の落雷抑制型避雷装置によれば、避雷装置回りに形成されるプラス電荷の領域を極力小さくして、上向きストリーマの発生を効果的に抑制し、これによって、落雷抑制効果を高めることができる。

本発明の第１の実施形態を示す正面図である。 本発明の第１の実施形態を示す縦断面図である。 本発明におけるストリーマ発生抑制作用を説明するための概略図である。 本発明の第２の実施形態を示す縦断面図である。 本発明の第３の実施形態を示す要部の縦断面図である。 本発明の第４の実施形態を示す縦断面図である。 本発明の第５の実施形態を示す縦断面図である。

以下、本発明の第１の実施形態について、図１ないし図３を参照して説明する。
図１において、符号１は本実施形態に係わる落雷抑制型避雷装置（以下、避雷装置と略称する）を示す。

本実施形態の避雷装置１は、接地された第２電極体２と、この第２電極体２を、所定隙間Ｇをおいて包み込むようにして設けられた第１電極体３と、前記隙間Ｇに設けられ、前記第２電極体２と第１電極体３とを電気絶縁状態に保持する電気絶縁層Ｓからなり、前記第２電極体２が略球状に形成され、前記第１電極体３が、前記第２電極体２の外面形状と相似形をなす球殻状に形成され、前記第２電極体２が前記第１電極体３によってほぼ全面に亙って覆われた構成となっている。

前記第２電極体２は真球形状で、かつ、図２に示すように、所定厚みを有する中空状に形成されている。

また、前記第２電極体２の下部には、ナット４が一体に取り付けられており、このナット４に後述する支持ロッド５の先端が螺合させられている。
この支持ロッド５にはロックナット６が螺着されており、このロックナット６が前記固定ナット４に圧着されることにより、前記支持ロッド５と前記第２電極体２との固定がなされている。

前記第１電極体３は、上下に２分割されて形成された一対の第１電極構成体３ａ・３ｂによって構成されている。
これら一対の第１電極構成体３ａ・３ｂは、前記電気絶縁層Ｓを挟み込むようにして突き合わされることにより前記第２電極体２を包み込み、この突き合わされた部位において溶接（溶接部Ｗ）により一体化されている。

下方の前記第１電極構成体３ａの下部中央には、その内外部を連通する貫通孔７が形成され、この貫通孔７内に、前記第２電極体２に電気的に接続された前記支持ロッド５が挿通されており、この支持ロッド５を介して前記第２電極体２が接地されるようになっている。

前記電気絶縁層Ｓは、前記隙間Ｇに配置され、前記第２電極体２と前記第１電極体３とを所定間隔に保持する電気絶縁性材料によって形成されたスペーサー８と、前記第２電極体２と前記第１電極体３間に空間を形成する前記隙間Ｇによって構成されている。

前記スペーサー８は、本実施形態においては、前記第２電極体２の下部に配置される下部スペーサー８ａと、前記第２電極体２の上部に配置される上部スペーサー８ｂとによって構成されている。

前記下部スペーサー８ａは、前記下方の第１電極構成体３ａの貫通孔７に嵌合させられるとともに、前記第１電極構成体３の下部内面に面接触させられる形状となされている。
前記下部スペーサー８ａと前記下方の第１電極構成体３ａは、接着剤等によって一体化されている。

そして、前記下部スペーサー８ａの中心部に前記支持ロッド５が貫通させられており、この支持ロッド５は、前記下部スペーサー８ａによって前記下方の第１電極構成体３ａに対し、所定間隔を保持した状態でかつ電気絶縁状態で連結されている。

前記上部スペーサー８ｂは、下面が前記第２電極体２の外面に沿うように、また、上面が前記第１電極体３の内面に沿うように球面に形成されており、下面には、前記第２電極体２の上部に形成されている係止孔９に嵌合させられる位置決め突起１０が突設されている。

前記上部スペーサー８ｂも、前記第２電極体２および前記第１電極体３に接着剤等によって固着されるようになっている。

さらに、前記第１電極構成体３ａの下部には、前記貫通孔７に連続する連続孔１６を形成する被覆管３ｃが電気的に接続された状態で連設されており、この被覆管３ｃは、前記支持ロッド５の、前記第１電極体３の下方に突出する部分のほぼ全長に亙って覆うようになされている。

前記被覆管３ｃは、前記第１電極構成体３ａと一体的に形成され、あるいは、筒状の別部材を溶接等によって一体化することによって設けられる。そして、前記下部スペーサー８ａは、前記貫通孔７や前記連続孔１６と前記支持ロッド５との隙間を埋めるようにして設けられ、前記支持ロッド５の下端から突出する位置まで設けられて、前記支持ロッド５を前記被覆管３ｃに対して電気絶縁状態に保持するようになっている。

支持ロット５の下部には、円板状の取り付けフランジ２０が上下のナット２１、２２によって固定されている。この取り付けフランジ２０は、その下方に配置される支柱（図示せず）の上端フランジにねじ結合して連結する際に用いられる複数のボルト孔（図示せず）が設けられている。この取り付けフランジ２０は、導電性金属により形成され、支持ロッド５と電気的に接続されている。さらに、取り付けフランジ２０には、導電性金属からなる突起部２３が複数設けられている。これらの突起部２３は、取り付けフランジ２０の上面に、その周方向に等間隔をおいて設けられている。これらの突起部２３は、取り付けフランジ２０の外周面から放射状に突出する形態で設けても良い。突起部２３は受雷部を構成するために設けた例を示したが、無くても良いし、取り付けフランジ２０に兼用させても良い。

本実施形態の避雷装置１は、以下の手順で組み立てられる。
まず、前記下部スペーサー８ａを、前記下方の第１電極構成体３ａの内側から、この底部に設けられている前記貫通孔７を経て前記連続孔１６へ差し込み、これらを塞ぐようにして配置するとともに、この下部スペーサー８ａを前記下方の第１電極構成体３ａに固着する。

ついで、この下部スペーサー８ａに、前記第２電極体２が固定された前記支持ロッド５を挿入したのちに、前記第２電極体２の上部に前記上部スペーサー８ｂを、その位置決め突起１０を前記第２電極体２の前記係止孔９へ嵌合させつつ固定する。

そして、前記上部スペーサー８ｂを覆うようにして、上方の第１電極構成体３ｂを被せて、その下部を、前記下方の第１電極構成体３ａに突き合わせる。

これより、前記上下の第１電極構成体３ａ・３ｂの突き合わせ部を溶接によって接続して組み立てを完了する。

このように組み上げられた本実施形態の避雷装置１は、前記第１電極体３が、前記下部スペーサー８ａと前記上部スペーサー８ｂによって。前記第２電極体２に対して所定間隔をおき、かつ、電気絶縁状態で連結される。
また、前記支持ロッド５が、前記第１電極体３、および、前記被覆管３ｃに対して所定間隔をおき、かつ、前記下部スペーサー８ａによって電気絶縁状態で固定される。

前述したように組み上げられた状態において、前記第１電極体３は、前記第２電極体２のほぼ全周を覆うように位置させられる。
また、前記第２電極体２は、前記支持ロッド５を介して電気的に前記第１電極体３の外部に引き出されている。

このように構成された本実施形態の避雷装置１は、前記支持ロッド５を用いて、落雷から保護すべき被保護体に、あるいは、その近傍に設置され、前記支持ロッド５が、図１および図３に示すように地面Ｅに接地される。

このように設置された本実施形態の避雷装置１による落雷抑制機能について説明する。

図３に示すように、マイナス電荷が雲底に分布した雷雲Ｃが近づくと、それとは逆の電荷（プラス電荷）が大地Ｅの表面に分布し、この大地Ｅに前記支持ロッド５を介して接地されている前記第２電極体２にも、図２に示すように、プラス電荷が集まる。

一方、前記第２電極体２に前記電気絶縁層Ｓを介して対峙されている前記第１電極体３は、コンデンサの作用でマイナス電荷を帯びる。
また、前記第１電極体３の下方に延びる前記支持ロッド５を覆う前記被覆管３ｃも、前記第１電極３と同様にマイナス電荷を帯びる。

この作用により、前記第１電極体３とその周辺における上向きストリーマの発生が起こりにくく、この結果、落雷の発生が抑制される。

そして、前記第１電極体３が、前記第２電極体２のほぼ全周を覆うように設けられており、かつ、前記第１電極体から下方に延びる前記支持ロッド５が前記被覆管３ｃによって覆われていることにより、本実施形態の避雷装置１回りの殆どがマイナス電荷を帯びることとなる。

これによって、上向きストリーマを生じさせるプラス電荷の領域を大幅に減少させることができ、落雷抑制効果を大幅に向上させることができる。

図４は、本発明の第２の実施形態を示すもので、前記下部スペーサー８ａと上部スペーサー８ｂを、前記第２電極体２と前記第１電極体３との間に形成される隙間Ｇの全域に亙って設けることにより前記電気絶縁層Ｓを構成したものである。

このような構成とすることによって、前記第１電極体３、前記第２電極体２、および、前記支持ロッド５を剛接続することができる。
また、前記第１電極体３の内側の空間を無くすことにより、その内部圧力の変化を極力小さくして、本発明の避雷装置１の健全性を向上させることができる。

また、図５は本発明の第３の実施形態を示すもので、前記第１電極構成体３ａ・３ｂの連結をねじ１１によって行なうようにしたものである。

このような構成とすることによって、前記第１電極体３の組み立て操作を簡便なものとすることができる。

さらに、図６は本発明の第４の実施形態を示すもので、前記第１電極体３および前記第２電極体２の形状を、鉛直断面において楕円形としたものである。

このような構成とすることにより、水平方向の風に対する流体抵抗を軽減することができる。
これによって、避雷装置１の風に対する強度を高めることができる。

さらにまた、図７は本発明の第５の実施形態を示すものである。
本実施形態においては、前記第１の電極体３を連続した球殻状に形成するとともに、その下部に、前記支持ロッド５を挿通するための前記貫通孔７を形成する被覆管３ｃを連設してある。

また、前記被覆管３ｃには、前記支持ロッド５が挿通されるとともに、この連結ロッド５を、前記被覆管３ｃの内面と所定間隔をおいて保持する第１のスペーサー１２が装着されている。

この第１のスペーサー１２は、電気絶縁性材料によって形成されており、前記支持ロッド５と前記被覆管３ｃとを電気的に絶縁するようになっている。

また、前記第１のスペーサー１２は、前記被覆管３ｃの内部に、前記第１電極体３の外側から嵌合させられるようになっており、接着、あるいは、ねじ込みによって前記被覆管３ｃに固定されるようになっている。

そして、前記第１のスペーサー１２の下端部には、前記被覆管３ｃの下端面に当接させられる鍔１３は一体に形成され、この鍔１３と前記被覆管１２との当接により、両者間の位置決めがなされるようになっている。

一方、前記第２電極体２は、球体若しくは球殻体に形成されており、その外径が、前記第１電極体３に形成されている被覆管３ｃの内径よりも小さく形成されており、この被覆管３ｃから前記第１電極体３の内部に挿入可能となされている。

前記第２電極体２は、前記支持ロッド５の先端に固定されるが、この支持ロッド５の先端部から基端部へ向かう所定領域には雌ねじ５ａが形成されている。

そして、前記支持ロッド５には、前記雌ねじ５ａを介してロックナット１４が螺着されているとともに、このロックナット１４よりも先端側に前記第１のスペーサー１２が嵌合され、さらに、この第１のスペーサー１２よりも先端側に、筒状の第２のスペーサー１５が嵌合されている。

このように、前記支持ロッド５に前記ロックナット１４、前記第１のスペーサー１２、および、前記第２のスペーサー１５が装着された状態において、前記支持ロッド５の先端部が、前記第２のスペーサー１５から突出させられて、この突出させられた先端部に前記第２電極体２が固着されるようになっている。

また、前記ロックナット１４を前記第２電極体２へ向けてねじ込むことにより、前記ロックナット１４と前記第２電極体２との間に、前記第１のスペーサー１２、および、前記第２のスペーサー１５を挟持固定するようになっている。

このような固定により、前記第１のスペーサー１２と前記第２電極体２の距離が設定されるが、この間隔は、前記第１のスペーサー１２の厚みと前記第２のスペーサー１５の長さによって決まる。

そして、前記第２電極体２は、前記第１電極体３内に、前記被覆管３ｃの貫通孔７を経て挿入され、前記被覆管３ｃの下端に前記第１のスペーサー１２の鍔１３が当接させられることにより、前記第１の電極体３内において位置決めされる。

ここで、前記第１のスペーサー１２の厚みと前記第２のスペーサー１５の長さを設定することにより、前記第２電極体２を前記第１電極体３の中心に位置させることができる。

これによって、前記第２電極体２と前記第１電極体３との間のほぼ全周に亙って均一な隙間Ｇを形成することができる。
すなわち、前記第２電極体２回りに、空気による均一な電気絶縁層Ｓを形成することができる。

そして、前記第１のスペーサー１２と前記支持ロッド５は、前記雌ねじ５ａを利用して螺着するようにしてもよく、また、前記第２のスペーサー１５を電気絶縁性材料によって形成して、前記第１のスペーサー１２と一体化することも可能である。

このような構成とすることによって、前記第１電極体３を単一部材で構成することができ、部品点数を減少させて構成を簡素化するとともに、製作性を向上させることができる。

なお、前記各実施形態において示した各構成部材の諸形状や寸法等は一例であって、設計要求等に基づき種々変更可能である。

１ （落雷抑制型）避雷装置
２ 第２電極体
３ 第１電極体
３ａ 第１電極構成体
３ｂ 第１電極構成体
３ｃ 被覆管
４ ナット
５ 支持ロッド
５ａ 雌ねじ
６ ロックナット
７ 貫通孔
８ スペーサー
８ａ 下部スペーサー
８ｂ 上部スペーサー
９ 係止孔
１０ 位置決め突起
１１ ねじ
１２ 第１のスペーサー
１３ 鍔
１４ ロックナット
１５ 第２のスペーサー
１６ 連続孔
２０ 取り付けフランジ
２３ 突起部
Ｃ 雷雲
Ｅ 大地
Ｇ 隙間（電気絶縁層）
Ｓ 電気絶縁層
Ｗ 溶接部

Claims (8)

1. 接地された支持ロッドの先端に電気的に導通された状態で取り付けられた第２電極体と、この第２電極体を、所定隙間をおいて包み込むようにして設けられた第１電極体と、前記隙間に設けられ、前記第２電極体と第１電極体とを電気絶縁状態に保持する電気絶縁層とを備え、前記第２電極体が略球状に形成され、前記第１電極体が球殻状に形成されており、前記第１電極体の下部に、前記支持ロッドが挿通される貫通孔が形成されているとともに、前記貫通孔に連続した連続孔を形成する被覆管が電気的に導通状態で連設され、前記電気絶縁層が、前記貫通孔を経て前記連続孔全長に亙って延設されて、前記被覆管が前記支持ロッドに対し電気絶縁状態に保持されていることを特徴とする落雷抑制型避雷装置。
2. 前記電気絶縁層が、前記第２電極体と前記第１電極体、および／または、前記支持ロッドと前記被覆管とを所定間隔に保持する電気絶縁性材料によって形成されたスペーサーと、前記第２電極体と前記第１電極体との間、および／または、前記支持ロッドと前記被覆管との間に形成される空間によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の落雷抑制型避雷装置。
3. 前記電気絶縁層が、前記第２電極体と前記第１電極体間から前記支持ロッドと前記被覆管との間に形成される連続した隙間の全域に亙って設けられ、電気絶縁性材料によって形成されたスペーサーによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の落雷抑制型避雷装置。
4. 前記第２電極体および前記第１電極体が、ほぼ真球形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の落雷抑制型避雷装置。
5. 前記第２電極体および前記第１電極体が、鉛直断面において楕円形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに落雷抑制型避雷装置。
6. 前記第１電極体が２分割されて形成された一対の第１電極構成体によって構成されているとともに、これら一対の第１電極構成体が、前記電気絶縁層を介して前記第２電極体を挟み込んで突き合わされ、この突き合わされた部位において電気導通状態で接続されて一体化されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れかに記載の落雷抑制型避雷装置。
7. 前記一対の第１電極構成体が、前記突き合わせた部位において溶接によって一体化されていることを特徴とする請求項６に記載の落雷抑制型避雷装置。
8. 前記一対の第１電極構成体が、前記突き合わせた部位において螺着されることにより一体化されていることを特徴とする請求項６に記載の落雷抑制型避雷装置。