JP2018148756A

JP2018148756A - 高構造物の落雷対策構造

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Publication number: JP2018148756A
Application number: JP2017044465A
Authority: JP
Inventors: 慎一郎服部; Shinichiro Hattori; 達也肥後; Tatsuya Higo; 直人長岡; Naoto Nagaoka
Original assignee: Doshisha Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Doshisha Co Ltd; Mitsui E&S Co Ltd
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2018-09-20

Abstract

【課題】山間部のような低接地インピーダンスを得ることができない場所に建設される風車タワー等が落雷を受けた場合に、リングメインユニットに導入されている電力ケーブルの遮へい層に過渡過電圧を低減させる高構造物の落雷対策構造を提供する。【解決手段】ボンディング金物４に接続されて埋設され、上端部がタワー内に配されたタワー内銅バー８に接続する立ち上がり接地線７またはタワー内銅バーとリングメインユニット内の銅バー９とを接続するタワー内接地線10のいずれか一方又は両方を複数本化することにより、接地線７、10の自己インダクタンスＬ1、Ｌ2を減少させる。落雷時には、雷電流により遮へい層に生じる過渡過電圧が小さくなって、該遮へい層の焼損が防止される。【選択図】図１

Description

この発明は、鉄塔や風力発電用の風車タワーのような頂部が高位置にある高構造物が落雷を受けた際に、該高構造物内部に設置された機器装置やケーブル等を雷電流に影響されないようにした高構造物の落雷対策構造に関する。

電力の供給を多元的なものにして電力の安定供給を図ると共に、いわゆるクリーンエネルギによる発電を行うことを企図して、例えば太陽光や風力、波力等の再生可能エネルギーを利用する発電を促進させることが図られている。このうち、風力発電装置は発電機のシャフトの回転を得るのに、風を受けるプロペラ（ブレード）の回転によるため、該プロペラを継続して安定させて回転させることが要求され、ある程度の強い風を安定して受けることが必要となる。このため、前記プロペラや該プロペラを風上に指向させるための回転機構等や発電機、変速装置等を設備したナセルは、極力高位置に設置されることが望ましく、風車タワーの頂上部に設置される。また、良好に風を受けることができるように、かつ、有効な風の通路で、近隣の住民等に影響がないよう、山間部等に建設されることが多い。

一方、頂部に配されているプロペラ等に落雷があった場合、ナセルからタワー接地を介して大地に雷電流が流入することになる。なお、ナセル内に配されている機器装置を接地するため、これら機器装置から風車タワーの頂部を経由して下部に引き下げ線が接続されている。

また、風車タワーの基礎の配筋にボンディング金物を介して接続させた接地線が風車タワーの内壁面に取り付けられている銅バーに取り付けられ、この銅バーから接地線により風車タワー内に設置されているリングメインユニット（以下、「RMU」と略記する。）内の銅バーへ接続され、RMU内の電力ケーブル端末の遮へい層がRMU内の前記銅バーに接続されている。

図４は前記接地線の実体配線の概略を示しており、RMU12内に導入された電力ケーブル20に上部接地線11の一端部が接続されている。この電力ケーブル20は、図５に示すように、芯線21が絶縁体22で被覆され、この絶縁体22が遮へい層23で被覆された構造を備えており、遮へい層23が接地される。前記上部接地線11の他端部がRMU12内の銅バー９に接続されている。この銅バー９とタワー内銅バー８との間がタワー内接地線10により接続されている。このタワー内銅バー８に立ち上がり接地線７の一端部が接続され、他端部がボンディング金物（図示せず）を介して基礎の配筋に接続されている。

ところで、風車タワーが設置される山間部では低接地インピーダンスを得ることが困難であるため、良好な接地特性を得ることが難しい。このため、風車タワーに落雷があると、前述したように、風車タワーを介して大地へ雷電流が放出されるが、一部は前記接地線７、10、11を介して流れ、これにより電力ケーブル20の遮へい層23が焼損されるおそれがある。

図６と図７に前記接地線７、10、11と風車タワー１の等価回路を示してあり、図６には夏季雷の電流分布を、図７には冬季雷の電流分布を、それぞれ示している。冬季と夏季とでは雷電流の流れ方向が異なると言われており、夏季には雷雲から大地への方向となり、冬季には大地から雷雲への方向となる。また、雷電流のような高周波の場合には、前記立ち上がり接地線７が自己インダクタンスＬ₁として、タワー内接地線10、11が自己インダクタンスＬ₂として、それぞれ振る舞うことになる。

夏季雷の場合には、図６に示す電流分布のように、風車タワー１への雷撃により、風車タワー１を流れる雷電流は、タワー内銅バー８から立ち上がり接地線７とタワー内接地線10とに分流する。立ち上がり接地線７に流れた分流により、タワー内銅バー８とタワー近傍地面との間に、式１に示す電位差Ｖ₁が生じる。
Ｖ₁ ＝Ｌ₁・（di／dt）式１
また、タワー内接地線10に流れた分流によりタワー内銅バー８と電力ケーブル20の遮へい層23との間に、式２示す電位差Ｖ₂が生じる。
Ｖ_２＝Ｌ_２・（di／dt）式２
このため、遮へい層23とタワー近傍地面との間には、（Ｖ₁ − Ｖ₂）の電位差が生じることになり、雷電流の電流峻度である（di／dt）により遮へい層23に過渡過電圧が生じるおそれがある。

また、冬季雷の場合には、図７に示す電流分布のように、タワー近傍地面の電位が上昇することによって、雷電流が立ち上がり接地線７、タワー内銅バー８、タワー内接地線10、RMU12内の銅バー９から上部接地線11を介して電力ケーブル20の遮へい層23に流れる。このときには、タワー近傍地面と遮へい層23との間には、（Ｖ₁ ＋Ｖ₂）の電位差が生じて、遮へい層23に過渡過電圧が生じるおそれがある。

さらに、山間部のような低接地インピーダンスを得ることが困難な場所では、接地抵抗による電位上昇Ｖ₀（遠方の地面の電位を０とする。）が加わって影響を及ぼすことになり、より大きな過渡過電圧（Ｖ₀＋Ｖ₁ ＋Ｖ₂）を生じるおそれがある。

遮へい層の焼損は、遮へい層に生じる過渡過電圧を低減させることで防止することができる。例えば、特許文献１には、風力発電書等の高構造物の避雷器と、配電線の高圧線とを引込線で接続すると共に、高構造物の接地と配電線の架空地線の接地とを接地線で接続してある高構造物の避雷器の破損を防止できる雷被害防護方法が開示されている。

特開２００２−３２０３１９号公報

前述したように、高構造物が雷撃された際に、雷電流の大地へ流入が制限されて、一部がRMUに導入されているケーブルの遮へい層を焼損させるおそれがあることに鑑みて、この発明は、前記遮へい層に生じる過渡過電圧を低減させて遮へい層の焼損を防止することを目的としている。

前記目的を達成するための技術的手段として、この発明に係る高構造物の落雷対策構造は、高構造物に落雷した場合の落雷対策構造において、ボンディング金物とRMU内の銅バーとを、タワー内銅バーを介在させて接続する接地線のうち、ボンディング金物とタワー内銅バーとを接続する立ち上がり接地線を複数本としたことを特徴としている。

前記立ち上がり接地線を複数本化することで、自己インダクタンスＬを低減させて前記遮へい層に生じる過渡過電圧を低減させるようにしたものである。
前記式１において、雷電流の電流峻度（di／dt）は、落雷した際の雷撃に依存するため、この電流峻度を制御することは不可能である。このため、自己インダクタンスＬ₁の低減を図ることで、過渡過電圧を低減させることになる。

そこで、前記ボンディング金物とタワー内銅バーとを接続する立ち上がり接地線を複数本にしてインダクタンスＬ₁の低減を図るものである。

また、請求項２の発明に係る高構造物の落雷対策構造は、高構造物に落雷した場合の落雷対策構造において、ボンディング金物とRMU内の銅バーとを、タワー内銅バーを介在させて接続する接地線のうち、タワー内銅バーとRMU内の銅バーとを接続するタワー内接地線を複数本としたことを特徴としている。

前記タワー内接地線の自己インダクタンスＬ₂を、タワー内銅バーとRMU内の銅バーとを接続するタワー内接地線を複数本として低減するものである。

すなわち、タワー内接地線を複数本として自己インダクタンスＬ₂の低減化を図るものである。

ところで、日本列島における気象環境にあっては、冬季雷と夏季雷とでは性質が異なることが知られている。すなわち、冬季雷の持つエネルギーは夏季雷に比較してはるかに大きい。このため、高構造物の落雷対策としては、主に冬季雷に対応することが要求されている。しかも、山間部では冬季には土壌温度が低下するために接地インピーダンスが上昇する。このため、夏季の場合と冬季の場合とを較べると、タワー内銅バーと地面との間に生じる過渡過電圧（Ｖ₀＋Ｖ₁ ）は、冬季の場合の方がはるかに大きい。
他方、夏季では土壌温度の上昇により接地インピーダンスが低下することから、夏季に高構造物を雷撃した際には、雷電流は大地へ流入することが期待できて、タワー内銅バー８と遮へい層23との間の電位差Ｖ₂は冬季に較べてはるかに小さい。
このため、夏季雷に対しては、自己インダクタンスＬ₂を低減させてＶ₂を小さくした場合であっても、Ｖ₁ がＶ₂に比べてはるかに大きく、支配的であるため、Ｖ₂の大小は関係なく、過渡過電圧Ｖ₁ − Ｖ₂に与える影響は少ない。
なお、冬季雷では、前述のように、雷雲から大地への方向の雷電流よりも大地から雷雲への方向の雷電流に対する対応が重要となる。

なお、ボンディング金物とタワー内銅バーとを接続する立ち上がり接地線は、タワーの基礎に埋設されているから、この立ち上がり接地線を複数本とする場合には、タワーを建設する際に配設することを要する。これに対して、タワー内銅バーとRMU内の銅バーとを接続するタワー内接地線は風車タワー内に露呈しているから、既設の風車タワーに対しても容易に複数本化できるものである。

また、請求項３の発明に係る高構造物の落雷対策構造は、高構造物に落雷した場合の落雷対策構造において、ボンディング金物とRMU内の銅バーとを、タワー内銅バーを介在させて接続する接地線のうち、ボンディング金物とタワー内銅バーとを接続する立ち上がり接地線及びタワー内銅バーとRMU内の銅バーとを接続するタワー内接地線を複数本としたことを特徴としている。

ボンディング金物からRMU内の銅バーとをタワー内銅バーを介在させて接続する立ち上がり接地線とタワー内接地線とを複数本化するものである。ボンディング金物からタワー内銅バーとの間の立ち上がり接地線は風車タワーの基礎に埋設させて配される。

なお、立ち上がり接地線とタワー内接地線との一方または双方を複数本とする場合には、隣接する接地線との相互インダクタンスＭを極力小さくすることが好ましく、そのため、接地線同士の間隔を極力大きくすることが好ましい。

また、請求項４の発明に係る高構造物の落雷対策構造は、高構造物に落雷した場合の落雷対策構造において、ボンディング金物とRMU内の銅バーとを、タワー内銅バーを介在させて接続する立ち上がり接地線とタワー内接地線との合計の長さを極力短くしたことを特徴としている。

接地線の自己インダクタンスＬ₁、Ｌ₂は接地線を短くすることによっても低減させることができるので、ボンディング金物からRMU内の銅バーまでの距離を短くして立ち上がり接地線を短くするものである。RMUは接続される電力ケーブル等との関係で設置位置が制限されることがあるので、この設置位置の制限内で、立ち上がり接地線またはタワー内接地線を極力短くするように、風車タワーの設計を行って接地線を配するようにするものである。

また、請求項５の発明に係る高構造物の落雷対策構造は、高構造物に落雷した場合の落雷対策構造において、ボンディング金物とRMU内の銅バーとを、タワー内銅バーを介在させて接続する接地線のうち、ボンディング金物とタワー内銅バーとを接続する立ち上がり接地線及びタワー内銅バーとRMU内の銅バーとを接続するタワー内接地線を複数本とすると共に、これら接地線を極力短くしたことを特徴としている。

ボンディング金物とRMU内の銅バーとをタワー内銅バーを介して接続させる接地線を複数本とすると共に、極力短くすることにより、自己インダクタンスＬ₁およびＬ₂を最小としてケーブルの遮へい層に生じる過渡過電圧を極力低減させるようにしたものである。

この発明に係る高構造物の落雷対策構造では、接地線の自己インダクタンスＬを小さくすることによるため、これら接地線の配線を極力細いものとすることがより好ましい。

この発明に係る高構造物の落雷対策構造によれば、接地線の自己インダクタンスＬを極力低減することができるから、落雷時の雷電流によってRMU内のケーブル端末の遮へい層に過渡過電圧が発生することを抑制できる。これにより遮へい層の焼損を防止できて、落雷時の不測の損傷を防止できる。

この発明にかかる落雷対策構造を示す図で、電力ケーブルとボンディング金物との間の接地線による接続の実体を示す図である。この発明に係る高構造物の落雷対策構造を適用するのに適した風車タワーの下端部の構造を示す正面図である。図２に示す風車タワーの下部の構造を示す平面図である。従来の電力ケーブルとボンディング金物との間の接地線による接続の実体を示す図である。電力ケーブルの断面図である。図４に示す電力ケーブル配線の等価回路を示し、夏季雷の電流分布を説明する図である。図４に示す電力ケーブル配線の等価回路を示し、冬季雷の電流分布を説明する図である。

以下、図示した好ましい実施の形態に基づいて、この発明に係る高構造物の落雷対策構造を具体的に説明する。

図２に、この発明に係る高構造物の落雷対策構造を実施する風力発電用の風車タワー１を支持している基礎構造を示してある。この風車タワー１の設置場所の地中に打ち込まれた杭２に、基礎３が配置される。この実施形態では、この基礎３はフーチング部3aと台座部3bとを備えた形状に形成されている。また、風車タワー１はアンカーリング1aに支持される。

前記基礎３は配筋3cが配されており、この配筋3cの一部をボンディング金物４としてある。ボンディング金物４には、地中に埋設された連接接地棒５や羽根付アース６が接続されている。なお、これら連接接地棒５や羽根付アース６は、ボンディング金具4aを介してボンディング金物４と接続されている。また、羽根付アース６とは、Ｔ型コネクタ4bにより接続されている。

前記ボンディング金物４には立ち上がり接地線７の下端部が接続されて、該立ち上がり接地線７の一部が前記基礎３の台座部3bに埋設され、上端部は風車タワー１の内部に露呈させて立ち上げられている。この立ち上がり接地線７の上端部が風車タワー１の内壁に配されているタワー内銅バー８に接続されている。

風車間を接続する電力ケーブルはRMU内に配される。前記電力ケーブルはRMU内に導入されて遮へい層はRMU内の銅バー９に接続されている。前記タワー内銅バー８と前記RMU内の銅バー９とはタワー内接地線10によって接続され、銅バー９と遮へい層とは上部接地線11によって接続されている。

この発明に係る高構造物の落雷対策構造では、前記立ち上がり接地線７とタワー内接地線10との自己インダクタンスＬ_１、Ｌ_２（式１、式２参照）を低減させることで、前記遮へい層に生じる過渡過電圧を低減させて該遮へい層の焼損を防止しようとするものである。
前記式１または式２の自己インダクタンスＬ₁、Ｌ_２を、前記立ち上がり接地線７とタワー内接地線10とのいずれか一方又は両方を複数本化することで低減させるものである。
すなわち、図１に示すように、前記立ち上がり接地線７とタワー内接地線10のいずれか一方または両方を複数本化するものである。
特に、前記立ち上がり接地線７は、風車タワー１の基礎３に埋設されて配されているため、既設の風車タワー１の場合には、該立ち上がり接地線７の複数本化は困難である。このため、既設の風車タワー１ではタワー内接地線10を複数本化する。
なお、風車タワー１を新設する場合には、複数本の立ち上がり接地線７を埋設して配することができるので、立ち上がり接地線７とタワー内接地線10のいずれか一方又は両方を複数本化することができて、配線設計の自由度を高くできる。

また、自己インダクタンスＬを低減するためには、立ち上がり接地線７とタワー内接地線10のいずれか一方又は両方を短くすることでも達成できる。これら立ち上がり接地線７とタワー内接地線10との長さを短くするためには、RMUの設置高さを小さくすることを要するため、風車タワー１を設計する時点で、風車タワー１内に設置する機器装置に設置位置や配置等が考慮されることを要する。また、立ち上がり接地線７とタワー内接地線10のいずれか一方のみを極力短くすることでも自己インダクタンスＬ₁、Ｌ₂のいずれか一方を低減できる。

さらに、立ち上がり接地線７とタワー内接地線10とを複数本化すると共に、短くすることで、さらに自己インダクタンスＬを低減させて、遮へい層に生じる過渡過電圧をより低減化させることができるので、風車タワー１を設計する際には、立ち上がり接地線７とタワー内接地線10の長さを小さくでき、かつ、複数本化することができるように、風車タワー１内のRMUや機器装置の配置設計を行うことが好ましい。

また、接地線を施工する場合には、これら接地線をタワーの壁面に接近させて敷設することが好ましい。

この発明に係る高構造物の落雷対策構造によれば、落雷時に風車間電力ケーブルの遮へい層に生じる過渡過電圧を極力低減できるので、落雷による電力ケーブルが損傷する機会がほんとんどなくなり、風力発電装置を安定して運転させることができて、風力発電による安定した電力の供給に寄与する。

１風車タワー
３基礎
3c 配筋
４ボンディング金物
4a ボンディング金具
５連接接地棒
６羽根付アース
７立ち上がり接地線
８タワー内銅バー
９銅バー
10 タワー内接地線
11 上部接地線
12 リングメインユニット（RMU）
20 電力ケーブル
21 芯線
22 絶縁体
23 遮へい層

Claims

高構造物に落雷した場合の落雷対策構造において、
ボンディング金物とリングメインユニット内の銅バーとを、タワー内銅バーを介在させて接続する接地線のうち、ボンディング金物とタワー内銅バーとを接続する立ち上がり接地線を複数本としたことを特徴とする高構造物の落雷対策構造。
高構造物に落雷した場合の落雷対策構造において、
ボンディング金物とリングメインユニット内の銅バーとを、タワー内銅バーを介在させて接続する接地線のうち、タワー内銅バーとリングメインユニット内の銅バーとを接続するタワー内接地線を複数本としたことを特徴とする高構造物の落雷対策構造。
高構造物に落雷した場合の落雷対策構造において、
ボンディング金物とリングメインユニット内の銅バーとを、タワー内銅バーを介在させて接続する接地線のうち、ボンディング金物とタワー内銅バーとを接続する立ち上がり接地線及びタワー内銅バーとリングメインユニット内の銅バーとを接続するタワー内接地線を複数本としたことを特徴とする高構造物の落雷対策構造。
高構造物に落雷した場合の落雷対策構造において、
ボンディング金物とリングメインユニット内の銅バーとを、タワー内銅バーを介在させて接続する立ち上がり接地線とタワー内接地線との合計の長さを極力短くしたことを特徴とする高構造物の落雷対策構造。
高構造物に落雷した場合の落雷対策構造において、
ボンディング金物とリングメインユニット内の銅バーとを、タワー内銅バーを介在させて接続する接地線のうち、ボンディング金物とタワー内銅バーとを接続する立ち上がり接地線及びタワー内銅バーとリングメインユニット内の銅バーとを接続するタワー内接地線を複数本とすると共に、これら接地線を極力短くしたことを特徴とする高構造物の落雷対策構造。