JP2519433B2 - 避雷方法及び避雷装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、避雷方法に関し、また、この方法を実施す
るための避雷装置に関するものである。

（従来の技術） 晴天時において、地上の電界は１メートル当たり100
ボルト程度であるが、雷雲の接近によりこの電界が位相
修正を受けて大幅に増大する。このとき、平らな地面で
は、電界は１メートル当たり１万ボルト以上に達するこ
とがあり、雲の底部と地面との間の電位差は、そのとき
数千万ボルトとなる。

この大きな電位差の発生、及び電荷の放電の場所ごと
に生じる空気の電離が起こっても、依然として良絶縁体
を構成する巨大な空気層により主放電が自然に開始され
るとは限らず、そこでは、まだ雷撃の真の脅威にさらさ
れていない。

雷撃に相当する主放電は、大気電界がいわゆるコロナ
放電、すなわち、電界強度があ臨界値を越えたために電
極周囲の空気が電離することによって生じる発光を伴う
放電を開始できるような、突然の電界強度の増大が生じ
る時に起こる。この場合、地雲と地面との間の一部電離
した空気からなる導電チャネルを作り得る閃光またはア
ークと呼ばれる小さい電界強度の放電が生じる。

地上の小さな凹凸が電界集中器として動くことも知ら
れているが、これは多少上方に伸びた形状により電界の
値を数百倍にすることがあり、その回りに電荷の放出が
予想される。

かくして、１メートル当たり１万ボルト程度の周囲電
界は、すでに、このいわゆる、チップ効果の集中によ
り、凹凸のまわりに、コロナ放電を開始させるだけの値
になることがあり、この結果、凹凸の先端でグロー放電
または羽毛のような細い花火の放電を生じることがあ
る。

チップの高さ、及び特に大気電界の増加により、この
ような小さな発光は増幅されて真の花火となる。

放電が起こると、一部電離した空気からなる導電チャ
ネルが形成され、そこには、毎秒20キロメートル程度の
速度で、上方の雲または下方へ向かう閃光またはアーク
が発生し、主放電がこの誘電チャネルに流れる。

このチップ効果は避雷導体に使用され、最も簡単な形
として、地面からある高さに置かれた避雷針がある。こ
の避雷針は、避雷導体の下方供給装置により設置され
る。たが、この不活性状態の避雷針は、ある場合には有
効であるが、多くの場合、特に雷が弱い時、この避雷針
の近くにあるベルタワー、マストなどのような物体に落
ちて衝撃を与えることがある。

このような理由で、長い間、避雷針は避雷導体の先端
で電荷が放出され、その結果コロナ放電が開始され、上
昇するアークが形成され、さらに上方の雲や下方に向か
う、一部電離した空気からなる導電チャネルを形成し、
これは空に向けてできるだけ高く形成されるので、避雷
針の保護の下に置かれた地帯を広げることになる。

これらの既知の装置の中で、あるものは最低１つの放
電電極で作動するが、他のものは、避雷導体の先端に直
接作動する。避雷装置は、これまで最低１つの放電電極
により作動しているが、この電極は地面に接続されるチ
ップからわずかな距離に置かれ、また、それが給電され
ると放電電極とチップとの間に放電が発生し、電荷のす
なわち電子の二次放出を生じさせるが、この電子は、個
々に起こるチップからの放射に加え、またそのようにチ
ップの回りにある空気の衝撃によって衝撃を生じさせ
る。

（発明が解決しようとする課題） ヨーロッパ特許第96655号に記載の装置では、電力の
供給は大気電位を捕捉する部材によって雷天候の中で行
われるが、この部材は空気が少なくとも弱く電離される
と同時に電極が直接供給される電圧を蓄積するので、電
極と、接地されたチップとの間の電位差の影響を受けて
放電が行われる。

しかし、この電位タップを用いる方法は、原理的には
良いけれども、利用できるエネルギー量が非常に小さ
く、かつ二次放出は、大気電界がコロナ放電を開始させ
るだけの値に達した時点から、数10マイクロ秒程度遅れ
て発生するだけである。

この時、大気電位タップ部材が直接電極に供給する誘
起電圧は十分とはなり得ないので、この装置は、この大
気電位タップ部材と組み合わせることができず、また、
このような電位タップ部材とはまったく無関係である。

今まで知られ、かつこの電位タップ部材と組み合わさ
れた装置は、放射性電荷（フランス特許第1478526号の
図１参照）を有するが合、この電荷のα線は電位タップ
部材の区域にある空気の電離を補強するので、この部材
の効率が上がる。

これらの放射性電荷の効率は明らかにされたが、その
使用は、放射性元素の、特に避雷針製造に対するこの元
素の使用を大部分の国が法的に禁止を決定したことを考
えると、もはや不可能である。大気電位タップ部位から
独立したこの装置は、明らかに、避雷針とは独立または
関係があることにかかわらず、別のエネルギー源を使用
する必要がある。

別のエネルギー源は、電力供給源または高電圧発生器
からなり、保守操作が悪いと避雷針はすぐに機能不良と
なる。避雷針と関係のあるエネルギー源は、例えば、機
械的圧力が風の力によって与えられる圧電装置（フラン
ス特許第2543370号）からなるが、雷雨の接近によるこ
の風の出現は不確定であり、避雷針の信頼性を低下させ
る。

避雷針の先端部がより速やかに電荷を放出するため
に、最低１つの電極で作用する上述の装置が知られてお
り、さらに、避雷針の先端部に直接作用する他の装置も
知られている。

これらの他の既知のいくつかの装置は、避雷針の先端
部のまわりで周囲空気（フランス特許第1478526号）ま
たはパルス状ガス（フランス特許第2285008号）の電離
を促進する放射性電荷を単に使用するものであるが、電
極避雷針のようにそれを使用すると同じ禁止を受けるよ
うになる。

他の装置は、電池または高電圧発生器（フランス特許
第907037号及びヨーロッパ特許第60756号）のような外
部エネルギー源を使用するが、その端子の一方にチップ
が接続され、他方は大地に接続される。また、外部エネ
ルギーから給電されるチップは、エネルギー源からくる
高電圧放電の通過を遮るが雷雨の主放電は通過させる誘
電体によって、避雷針の下方からのエネルギー供給に対
しては絶縁されている。

しかし、これらは、上述のような外部電力供給源を必
要とし、これらの装置は経済的な見地から受け入れるこ
とは容易ではない。

本発明の目的の１つは、保護区域に主放電の危険があ
るときに、独立して直ちに確実に作用し、しかも外部エ
ネルギー源や放射性元素の使用を必要としない避雷方法
及びその避雷装置を提供することである。

避雷針への応用において、本発明の目的は、コロナ放
電を開始させるのに必要なエネルギーを予測によって供
給することである。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明は、特に特許請求
の範囲第1,第２及び第８項に記載の各構成を備えてい
る。特に第１項に記載の本発明の方法では、蓄積コンデ
ンサと、このコンデンサから放電電極に電圧を供給する
放電回路と、さらに、大気中の電気を集めて所定の誘起
電圧に給電される大気電位タップ部材とを用意し、 この電位タップ部材に給電される電圧を低い電圧範囲
に維持しながら、この給電される電圧で前記コンデンサ
を充電し、 前記給電される電圧の電位の傾きを監視し、 前記給電される電圧が高い電圧範囲に上昇して、所定
の閾値を越える前記給電される電圧の電位の傾きの変化
率を検出し、前記充電されたコンデンサの電荷を放電回
路から放電電極に放電する、各ステップを有しているこ
とを特徴としている。

（作用） 本発明によれば、以下の特徴を奏する。

（１）雷撃の真の驚異が生じる前に、一定の区域に衝撃
によって空気が電離する大気電界が生じることから、大
気電位タップ部材を空気の電離が促進される区域に配置
し、落雷が発生する前に、電離した空気による誘起電圧
を電位タップ部材に蓄積し、その電圧は低いレンジの値
に保たれる。

（２）電圧がこうして給電されると、最低１つのコンデ
ンサが漸次充填される。

（３）与えられた場所に雷撃が発生する数10マイクロ秒
前に、この位置における大気電界が急増を受け、かくし
て比較的同じように大気電位タップ部材に給電される電
圧に影響を及ぼし、この電圧の時間的変化である電位の
傾きを検出してその時および現在までにあった電圧レン
ジよりも高い電圧レンジまで上昇することをさらに知っ
て、電位の傾きの発生がこの電圧の上方レンジで監視さ
れる。

（４）検出される時間的変化の電位の傾きが、所定の閾
値を越えて上昇すると、コンデンサの容量が避雷装置の
電力供給回路に放電されるように制御される。

（実施例） 本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図２に
は、本発明の方法を実施するための大気電位タップ部材
１を含む装置が示されている。雷天候において、雷撃の
真の脅威が発生する前に、大気電界は含なくともある地
域で衝撃により空気を電離する電荷の放出を十分もたら
すようになることが知られている。

空気が電位タップ部材の働く地域で、弱く電離される
と、そこに電圧Ucが誘起される。避雷針のような避雷装
置に給電される電圧Ucを電極供給回路に直接供給する代
わりに、本発明の方法の基本的な特徴では、この電圧が
少なくとも１つのコンデンサ４に充電され、さらに後述
する放電回路を介して放電させることにより避雷装置に
引き続き電力が供給されるようにしている。

明らかに、この電位タップ部材１は、どんな既知の手
段によっても空気の電離が促進される区域、すなわち、
地面からある高さに置かれ、大地に接地される導電チッ
プ12または20に隣接するような区域に置かれることが望
ましく、その結果、チップ効果により大気電界は、この
周囲に集中し、これが電荷の放出を促進する。

雷撃の真の脅威が発生する前に、この誘起電圧Ucは、
雷雨によりいろいろな方法で発生するが、それにもかか
わらず低電圧領域Ubと呼ばれる比較的低い電圧レンジ内
にとどまる。この時間的変化は、図１で破線で示す曲線
として象徴化されているに過ぎない。

与えられた場所において大気電界が急増を受け、した
がって、誘起電圧Ucが給電されるのは、その場所におい
て、雷撃を受ける前のわずか数10マイクロ秒である。こ
の時の電圧はUbより大きな電圧Uhのレンジに上昇し、そ
の状態において、電位の時間的変化である電位の傾き
（du/dt）は非常に高くなる。

本発明のもう１つの基本的な特徴では、電圧の上方領
域Uhにおいて、検出される電位の時間的変化が監視さ
れ、この電位の傾きが所定の閾値を越えて上昇すると同
時に、コンデンサ４は避雷装置の電力供給回路に放電す
る。

コンデンサの端子間電圧は、安定した状態で閾値電圧
に向かって徐々に増大して、この閾値が検出される点を
越えると、放電によって低下され、再度上昇の準備を整
える。

避雷針への応用では、コンデンサのこの放電は、チッ
プ端で電気放電する形で行われ、電荷の強い放射、空気
の電離およびコロナ放電の開始の予想が確実となるよう
にする。

本発明の方法を実施する装置（図２及び図３参照）
は、空気の距離を促進する手段20、例えば大地へ接地さ
れ、かつそのまわりに大気電界の集中を生じさせる導電
チップ12と組み合わせることが望ましいので、この導電
チップ12の近くを支配している大気電界内に少なくとも
１つの大気電位タップ部材1,14を含んでいる。

それらの特徴は、この電位タップ部材1,14に接続され
た下記に示す少なくとも１の回路を有することである。

この回路は、時間ｔに関して検出される電位の傾き
（du/dt）に対する所定の閾値を越えたことを検出する
検出回路３と、この検出回路３の制御の下で、制御回路
10を介して、避雷装置に接続される放電回路を有する少
なくとも１つの蓄積コンデンサ４とを備えている。

このコンデンサ４の上流に、下方レンジの電圧Ubを選
択するフィルタ６が置かれている。同様に検出回路３の
下流に、上方レンジの電圧Uhを選択するフィルタ２が設
けられている。装置の数個のコンデンサが含まれる場合
には、それは明らかに容量を追加するように並列に接続
されている。

本方法を実施するこれらの装置の独創性は、真に独立
したエネルギー源が雷天候の際に利用できるということ
であり、極めて大きな危険状態にあるとき、すなわち雷
用の放電回路を形成する「前兆」の危険にさらされる前
に、ただちにその全エネルギーを解放しながら、充放電
されることがわかる。雷雨は、雲および地面のそれぞれ
の極性により正または負の極性を有している。

商業形式では、避雷装置はこの２種類の雷雨を考慮し
て、もちろんダイオードのような回路構成部品がこの極
性による接続方向を持つ制限内において、本発明の装置
は例えば、並置されたり重ねられる２つの同様な回路を
有する少なくとも１つの組立体を含み、その一方は、い
わゆる負の雷雨に適応され、他は、いわゆる正の雷雨に
適応される。

言うまでもなく、装置は単一回路または組合わせ回路
（正負雷雨両用の）の組立体で構成されたり、いくつか
の回路または例えば、段階的な引きはずしが得られるよ
うに別々に較正された回路の組立体で構成されることが
ある。

実際には、２個の組立体は、例外的にごく接近して２
回の電放電が同じ場所に現れた場合であっても、最大の
効率を得るよう交互に異なる時定数で十分較正すること
ができる。

電子基板（カード）上にはさらに、当業者に知られた
あらゆる有用な保護が与えられて、各構成部品の新しい
永久作動が保証されている。

避雷針に応用した場合、電位タップ区域で電界を集中
して空気の電離を促進する手段20は、もちろん接地され
る避雷針のロッド11の先端部にある導電チップ12によっ
て形成される。この場合、電極供給回路５は導電チップ
12と共に強力な放電発生器を構成する少なくとも１つの
放電電極に接続されるであろう。

電力供給回路５が、避雷針の導電チップ12に直結され
る場合、この避電針は雷の電圧よりも低い電圧で地面か
ら絶縁されているので、空気の電離を促進する手段20は
そのとき避雷針の導電チップ12の別な部分によって構成
される必要がある。

コンデンサの充放電サイクルは自動反復するので、言
うまでもなく、本発明の装置ももう１つの特徴は極めて
短時間のうちに電子放出を制御し得ると共に研究室内で
極めて高精度に較正し得る点にある。

構成部品は静的な素子であるので、信頼性、利用可能
性、安全および保守に関する利点は明らかである。

少なくとも１つの電極を有する形式では、この避雷針
は、全体として、例えば、先端に導電チップ12を有し、
接続部13によって接地されるロッド11と、絶縁体15によ
り導電チップから絶縁された少なくとも１つの電位タッ
プ部材14とによって構成されており、絶縁体14は、大気
媒介物をよび蛍光媒介物（紫外線）に対して時間的に完
全な抵抗を有するように選択された絶縁特性を有する。

少なくとも１つの花火電極16が導電チップ12に接近し
て置かれ、電位タップ部材14と同様に、導電チップ12に
関してそれを絶縁するように固定される。これらの放電
電極16は、この場合絶縁支持体15の上に置かれているの
で、導電チップ12と放電電極16との間の距離が固定され
るという利点が得られる。

電位タップ部材14のよび放電電極16は、それらの絶縁
支持体15を介して、保護ハウジング17によって支持され
るが、このハウジング17はロッド11に取付けられるとと
もに、プリント基板または配線回路および電子部品を有
する回路基板18を含んでいる。

保護ハウジング17は、ニッケル被膜のような表面処理
でなるべく悪天候に対して完全密閉された非酸化金属で
作られ、雷の通過または容量性効果による誘電電流に対
して最大の保護を構成部品に与えるようになっているこ
とが望ましい。

保護ハウジング17は単独で、「ファラデー・ケージ」
形のすぐれた保護体を形成するが、それにもかかわら
ず、金属型の利点をすべて備えるプラスチック材料また
は合成材料から作られるハウジングを有することができ
る。

商業形式では、回路基板18および電気構成部品は、そ
の絶縁特性および衝撃波に対するその優れた抵抗のため
に選ばれた樹脂中に埋め込まれる。樹脂はさらに、組立
体の密封状態を与えるために、湿度に関する大気パラメ
ータに対して不活性物質となっている。それは、さら
に、経時変化に対する良好な特性を有し、装置のすべて
の特性を保護する利点を有する。

避雷針と組み合わせて使用するほか、これらの装置
は、例えば、施設の、特に電気施設の安全に関する機器
において、かつ極めて異なる形式で、有利に使用するこ
とができる。例えば、雷天候において、重要な施設を予
防するための機器を供給するのにこれらの装置を適用す
ることができる。

図4,図５に示す好適な実施例において、ダイオード32
（形式1N4004）の出力に導かれた電圧Ucは、コンデンサ
４（例えば10μF/400V）をツェナーダイオード22,23に
よって定められた閾値（例えば300V）まで充電する前
に、抵抗器21（750Ω/3W）を通過する。

時間的変化における電位の傾き（du/dt）の所定の閾
値の超過を検出する検出回路３は、例えば、分路回路に
抵抗を接続したRC回路で構成される高域フィルタからな
る。

当業者は抵抗器９およびコンデンサ８のそれぞれの値
を決定する方法を知っているので、検出回路３は与えら
れた時定数と反応して10マイクロ秒程度内に較正され
る。

超過の場合、検出回路３は電気信号をコンデンサ４の
放電を制御する装置10に送る。この制御装置10は、光カ
プラ（M0C3020形）を含むが、これは抵抗器25（22KΩ）
を経て、トライアック28（8A/400V）のゲート27を制御
するパルスを出す。

トライアック28は、そのとき作動して、コンデンサ４
に累積されたすべてのエネルギーを、例えば、自己イン
ダクタンス29を通して電力供給回路５に解放する。トラ
イアック28のゲート27の上流に置かれたダイオード26
（1N4004形）はそのとき、自己インダクタスによる過電
圧からこのトライアックを保護する。

コンデンサ４と自己インダクタンス29との間にダイオ
ード30を設けて、自己インダクタンス29とコンデンサ４
との間の発振を回避する。

さらに、避雷装置は、過電圧保護装置31（例えば保護
装置UE350Q）を含むが、これは電圧上昇（本実施例では
350V以上）から構成部品および回路を保護する。

図4,図５に示す構成部品及び回路は同一であるが、ダ
イオードのみは正（図４）および負（図５）の雷雨を考
慮に入れるように異なる接続がなされている。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、保護区域に主
放電による落雷の危険があるときに、大気電界の空気の
電離により生じる誘起電圧を大気電位タップ部材に給電
させるので、保護区域に直ちに落雷が発生するのを防止
できる。

また、本発明は、外部エネルギー源や放射性元素の使
用を必要としないで、大気電位タップ部材に給電された
誘起電圧がコンデンサに充電され、さらに、誘起電圧の
電位の傾きが所定の閾値を越えて上昇すると、コンデン
サの電荷が、放電回路を通じて放電電極に放電が行われ
るので、落雷の発生が予測されるときに、導電チップと
放電電極との間にコロナ放電を開始させるのに必要なエ
ネルギーを供給できる。

したがって、保護区域に主放電の危険があるときに、
導電チップと放電電極との間にコロナ放電を開始させ
て、そこに上昇するアークを形成し、雷撃を導電チャネ
ルに導いて確実に避雷針に避雷させることができる。

【図面の簡単な説明】

図１は、蓄積された電圧の時間に関する発生の形を示す
曲線図である。 図２は、本発明の方法を実施する装置の回路および構成
部品のブロック図である。 図３は、これらの装置を備えた避雷針の一部断面正面図
である。 図４は、正の雷雨に対する保護に適用された特定の実施
例を示す詳細な回路図である。 図５は、負の雷雨に対する保護に適用された特定の実施
例を示す詳細な回路図である。 １……大気電位タップ部材 2,6……フィルタ ３……検出回路 ４……コンデンサ ５……電力供給回路 10……制御回路 12……導電チップ 20……電離促進手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブワロズ パスカル フランス国，59500 ドゥウエ，ブルヴ ァール ジャンヌ ダルク 141

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】蓄積コンデンサ（４）と、このコンデンサ
   から放電電極（16）に電圧を供給する放電回路と、さら
   に、大気中の電気を集めて所定の誘起電圧（Uc）に給電
   される大気電位タップ部材（1,14）とを用意し、 この電位タップ部材（1,14）に給電される電圧（Uc）を
   低い電圧範囲に維持しながら、この給電される電圧（U
   c）で前記コンデンサ（４）を充電し、 前記給電される電圧（Uc）の電位の傾き（dv/dt）を監
   視し、 前記給電される電圧（Uc）が高い電圧範囲（Uh）に上昇
   して、所定の閾値を越える前記給電される電圧（Uc）の
   電位の傾きの変化率を検出し、 前記充電されたコンデンサ（４）の電荷を放電回路から
   放電電極（16）に放電することからなる避雷方法。
2. 【請求項２】雷電圧に対して少なくとも接地される導電
   チップ（12）を含み、大気電界の集中により空気の電離
   を促進する手段（20）と、 この電離促進手段（20）の回りの電界内に置かれ、大気
   中の電気を集めて所定の誘起電圧（Uc）に給電される大
   気電位タップ部材（1,14）と、 この大気電位タップ部材（1,14）に接続され、前記給電
   される電圧（Uc）が低い電圧範囲（Ub）に維持されると
   ともに、前記給電される電圧で充電され蓄積コンデンサ
   （４）と、 放電電極（16）と、 前記蓄積コンデンサ（４）の電荷を放電回路から前記放
   電電極（16）に放電させる制御回路（10）と、 前記コンデンサ（４）の放電を生じさせるために制御回
   路（10）に接続され、かつ所定の閾値を越える前記給電
   される電圧（Uc）の電位と変化率（dv/dt）を検出する
   検出回路（３）と、を備えていることを特徴とする避雷
   装置。
3. 【請求項３】コンデンサ（４）および検出回路（３）に
   よって形成される構成部品の少なくとも１つの上流に、
   この部品に対応する制限された範囲の電圧（UbまたはU
   h）を選択するフィルタ（2,6）を有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項に記載の装置。
4. 【請求項４】検出回路は、分路回路に接続された抵抗と
   により抵抗−コンデンサ回路の形式でなる高域フィルタ
   を構成することを特徴とする特許請求の範囲第２項また
   は第３項に記載の装置。
5. 【請求項５】制御回路（10）は、入力が検出回路の出力
   に接続される光カプラ（24）を含むことを特徴とする特
   許請求の範囲第２項ないし第４項のいずれかに記載の装
   置。
6. 【請求項６】制御回路（10）は、放電回路にトライアッ
   ク（28）を含み、このトライアックの入力ゲート（27）
   は光カプラ（24）の出力に接続されていることを特徴と
   する特許請求の範囲第５項に記載の装置。
7. 【請求項７】２つの類似の回路を備え、一方は、負の雷
   雨に対する極性を生じ、他方は正の雷雨に対する極性を
   生じることを特徴とする特許請求の範囲第２項ないし第
   ６項のいずれかに記載の装置。
8. 【請求項８】一端に、大気電界の集中により空気の電離
   を促進する誘電チップ（12）を備え、他端がアースされ
   ているロッド（11）と、 大気中の電気を集めて所定の誘起電圧（Uc）に給電され
   る大気電圧タップ部材（14）、および前記導電チップ
   （12）から大気電位タップ部材（14）を絶縁する絶縁体
   （15）と、 前記導電チップ（12）から電気的に絶縁されるように固
   定され、かつ前記導電チップ（12）に近接して配置され
   た少なくとも１つの放電電極（16）と、 回路基板の支持体（18）と、 前記大気電位タップ部材（14）に接続され、前記給電さ
   れる電圧（Uc）が低い電圧範囲（Ub）に維持されるとと
   もに、前記給電される電圧で充電される蓄積コンデンサ
   （４）と、 放電回路から前記放電電極（16）に前記コンデンサ
   （４）を放電させる制御回路（10）と、 前記コンデンサ（４）の放電を生じさせるために制御回
   路（10）に接続され、かつ所定の閾値を越える前記給電
   される電圧（Uc）の電位の変化率（dv/dt）を検出する
   検出回路（３）と、 前記回路基板の支持体（18）を保護するハウジング（1
   7）とを備えていることを特徴とする避雷装置。