JP4211924B2

JP4211924B2 - 雷撃電流観測装置

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Publication number: JP4211924B2
Application number: JP2003294926A
Authority: JP
Inventors: 尊裕大塚; 康寛白石; 州彦水本
Original assignee: Toko Electric Corp
Current assignee: Toko Electric Corp
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2023-08-19
Also published as: JP2005062080A

Description

本発明は、特に風力発電装置のような工作物への雷撃電流の波高値及び波形の計測に好適な雷撃電流観測装置に関する。

風力発電装置は、クリーンエネルギーを得られることから近年では普及の途にあり、各地に設置され、又、設置計画も行われている。このような風力発電装置について図を参照しつつ説明する。図８は、風力発電装置の説明図である。風力発電装置１０００は、塔体１００、収容箱２００、ブレード３００を備えている。ブレード３００は、さらに２枚または３枚の羽３０１、ヘッド３０２、ロータ軸３０３を備える。このような風力発電装置１０００は、基礎部４００上に敷設される。

塔体１００は、例えば内部空間を有するようにするため中空の鋼管を多段（例えば図８では３段）積み上げた鉄塔であり、その上側端部で収容箱２００が回転自在となるように、図示しない軸受けを介して収容箱２００を軸支している。
収容箱２００は、増速器（図示せず）、発電を行う発電機（図示せず）、またはその他制御装置（図示せず）を内部に収容している。
ブレード３００は、２枚又は３枚の長手の羽根３０１を備えている。この羽３０１はＦＲＰやグラスファイバー等で形成されている。
これら羽３０１がヘッド３０２に取り付けられ、さらにヘッド３０２にはロータ軸３０３が取り付けられている。このロータ軸３０３には増速器が直結されている。ブレード３００が回転するとロータ軸３０３が回転し、このロータ軸３０３に連結された増速器により回転が増速され、増速された回転により発電機が発電することとなる。

このような風力発電装置１０００は風況が良い箇所（強い風が長時間吹く状況にある箇所）に設置される。我が国ではこのような風況の良い箇所は、海岸淵に接した広大で開けた地上高い丘のような箇所である、このような箇所に風力発電装置１０００の多くが敷設される。このような地勢の制約・気象条件に起因し、風力発電装置１０００は落雷を受けやすいという危険に曝されている。特にブレード３００の羽３０１は、図８でも明らかなように、最も高い箇所に位置するものであり、落雷を受けやすい。

そこで羽３０１は、その内部に避雷導体（図示せず）が埋め込まれ、この避雷導体の周りを覆うようにしてＦＲＰやグラスファイバー等により羽の形状となるように形成されている。そして、避雷導体（図示せず）、導体であるロータ軸３０１、導体である塔体１００を通して接地することで、雷保護を施している。

しかしながら、数万アンペアの雷撃電流が避雷導体を通過する際の瞬時過熱により、羽３０１が爆発的に破損する虞もあった。この羽３０１、つまりブレード３００が破損すると、風力発電装置１０００は全く用をなさなくなり、修復期間と共に修復コストも嵩むという問題があった。このような問題点から雷害対策をより強固なものとするため風力発電装置１０００用の雷撃観測装置が必要とされている。

一般に夏場における雷は高電圧であるが雷撃電流がそれほど大きくなく時間も短いという傾向にあり、また、冬場における雷は雷撃電流が大きく時間も長いという傾向にある。このように季節により雷性状が異なっている。雷性状によっては、風力発電装置１０００の制御装置（図示せず）内の電子部品が誘導過電圧で破壊されるというように破損状況も異なり、雷性状のふるまいの如何にかかわらず、適切な雷保護を施す前提として、風力発電装置１０００に対する雷撃電流を確実に計測できる観測装置が望まれていた。

本出願人は、このような雷撃電流観測について、風力発電装置用途ではないが、特許文献１（発明の名称：配電線雷観測システム）に記載されたような電柱・電力系統用の雷観測装置に係る発明を出願しており、この出願はすでに出願公開されている。
この特許文献１に記載された発明に係る配電線雷観測システムでは、配電設備に設置されて、ロゴウスキーコイルから取り込んだ雷撃電流を演算処理し、観測端末盤から携帯電話回線を介して遠隔地にあるセンター装置へ正確な雷撃電流データを送信するというものである。
また、特許文献２には、大きな建築物に流れる雷サージ電流の計測用途の電流プローブに係る発明が記載されている。

特開平１０−１９７６５２号公報（図１，図２）特開２０００−６５８６６号公報（段落番号００１４〜００２５，図１〜図１１）

特許文献１に記載された発明に係る「配電線雷観測システム」で使用している円環状電流センサは、接地線もしくは避雷針等を貫通させる小口径のロゴウスキーコイルを用いて雷観測を行うものであり、風力発電装置では単純に適用できないものであった。風力発電装置の雷観測では、建物の柱、梁や鉄塔等に流れる電流を測定する必要があり、このような用途のロゴウスキーコイルは大口径化が避けられない。

しかしながら、大口径化するために、ロゴウスキーコイルを長尺化していくと、コイルのインダクタンスおよびコイルの帰路線の浮遊容量の増加による共振周波数の低下により、高周波特性が悪化してしまうため、測定対象とするサージ電流に含まれる周波数成分によっては、ロゴウスキーコイルの長尺化はある長さ以上は困難であり、そのまま雷撃電流の計測に適用できなかった。

また、特許文献２に記載の電流プローブのように、コイルのインダクタンスと浮遊容量を低減するために、複数のユニットコイルを結合し、全体として大口径の円環状ロゴウスキーコイルを形成することにより、貫通する導体に流れる雷撃電流を取り込む電流プローブが既に知られている。

しかしながら、この種の電流プローブは、円周上複数に分離したそれぞれのユニットコイルに積分回路や加算回路、その他制限抵抗等を敷設し、更に各ユニットコイルどうしの煩わしい接続作業や各ユニットコイル全体で円環状を形成する保持固定具を要する等、その構成や取り扱いに支障をきたしていた。

そこで、本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、鉄塔等の塔体に供する大口径のロゴウスキーコイルを用いて、容易に設置可能とし、且つ、耐雷設計や耐量設計の指針とするべく雷撃電流の波高値及び波形その他雷性状を正確に計測できる雷撃電流観測装置を提供するものである。

本発明の請求項１に係る雷撃電流観測装置は、
塔体と、塔体の根元部に形成されるフランジと、フランジを基礎部に固定する複数のフランジボルトと、を有し、塔体の外周部、フランジ、およびフランジボルトにより断面略凹状の溝部が形成される観測対象である工作物に対する雷撃電流の観測を行う雷撃電流観測装置であって、
観測対象である工作物が有する塔体の根元部が貫通するように塔体の根元部の溝部内で装着され、この塔体の根元部の外周面と自らの絶縁被覆部を介して内接する波高値計測用ロゴウスキーコイルと、
観測対象である工作物が有する塔体の根元部が貫通するように塔体の根元部の溝部内で装着され、この塔体の根元部の外周面と自らの絶縁被覆部を介して内接するとともに波高値計測用ロゴウスキーコイルと上下二段に重ねて配置される波形計測用ロゴウスキーコイルと、
波高値計測用ロゴウスキーコイルから出力される電流を演算処理して波高値データを外部監視装置へ出力する波高値計測用観測装置と、
波形計測用ロゴウスキーコイルから出力される電流を演算処理して波形データを外部監視装置へ出力する波形計測用観測装置と、
を備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る雷撃電流観測装置は、
請求項１記載の雷撃電流観測装置において、
前記波高値計測用ロゴウスキーコイルと前記波形計測用ロゴウスキーコイルとは、巻始めから巻終わりまで１コイルで閉ループを形成したコイルであることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る雷撃電流観測装置は、
請求項１または請求項２に記載の雷撃電流観測装置において、
観測対象である工作物が有する塔体は、
塔体が立設される基礎部の周囲の地中に埋設され、接地線を介して塔体と電気的に接続される接地リンクと、
基礎部の周囲に埋設されるとともに、接地線を介して接地リンクと電気的に接続される接地極と、
を備えるものであり、
前記波高値計測用ロゴウスキーコイルと前記波形計測用ロゴウスキーコイルとは、接地リンクと平行面位置に装着されることを特徴とする。

また、本発明の請求項４に係る雷撃電流観測装置は、
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の雷撃電流観測装置において、
工作物は、
風車を構成するブレードと、
ブレードを保持するロータ軸を回動自在に支持し、ロータ軸に直結される増速器およびこの増速器により回転して発電を行う発電機を収容する収容箱と、
収容箱を先端で支持する塔体と、
を備える風力発電装置であることを特徴とする。

また、本発明の請求項５に係る雷撃電流観測装置は、
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の雷撃電流観測装置において、
外部監視装置と波高値計測用観測装置との間、および、外部監視装置と波形計測用観測装置との間に移動体通信回線を介在させたことを特徴とする。

以上のような本発明によれば、鉄塔等の塔体に供する大口径のロゴウスキーコイルを用いて、容易に設置可能とし、且つ、耐雷設計や耐量設計の指針とするべく雷撃電流の波高値及び波形その他雷性状を正確に計測できる雷撃電流観測装置を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態について図に基づき説明する。
図１は風力発電装置に設置された本形態の雷撃観測装置の構成図、図２はロゴウスキーコイルの設置を説明する説明図、図３は風力発電装置の接地を説明する説明図である。雷撃電流観測装置は、図１で示すように、波高値計測用ロゴウスキーコイル１、波高値計測用観測装置２、ＵＰＳ電源装置３、波形計測用ロゴウスキーコイル４、波形計測用観測装置５を備えている。また、外部監視装置６と図示しない回線を介して通信可能に接続される。

この雷撃電流観測装置の波高値計測用ロゴウスキーコイル１および波形計測用ロゴウスキーコイル４（以下、これら波高値計測用ロゴウスキーコイル１および波形計測用ロゴウスキーコイル４を表すとき、単にロゴウスキーコイル１，４と表記する。）が、風力発電装置１０００の塔体１００の根元部１０１に配置される。

根元部１０１については図２で示すように、詳しくは、塔体１００にフランジ１０２が一体に形成されており、このフランジ１０２の図示しない孔に挿入されるフランジボルト１０３が、基礎部４００に設けられた図示しないめねじ部と締結されて、基礎部４００上で塔体１００を固定する。そして、このような塔体１００の外周部、フランジ１０２、およびフランジボルト１０３により形成される断面略凹状の溝部の中側にロゴウスキーコイル１，４が配置される。

本形態では、上下二段にロゴウスキーコイル１，４を配置している。なお、ロゴウスキーコイル１，４は図示しないが外周部に絶縁被覆部が形成されており、短絡等が起きないように配慮されている。このような構成により、塔体１００の外周面と内接しながら、巻始めから巻終わりまで１コイルで閉ループを形成して、極めて容易に装着できる。

次に、接地部について説明する。図３で示すように、中空円筒状の塔体１００の基礎部４００は段違い円筒状基礎部であり周囲がコンクリートにより形成されて強固に固定されている。また、中空円筒状の塔体１００と、基礎部４００を貫通した状態の接地リンク１０５と、接地極１０６とが、接地線１０４により電気的に接続されており、図３中の矢印の如く、雷撃の際に塔体１００の上側から接地極１０６までに流れる雷撃電流が、局部的に流れるのではなく、中空円筒の根元部の全周囲を伝わって地中に逃すようにしている。

これにより、ロゴウスキーコイル１，４が、巻始めから巻終わりまで１コイルで閉ループを形成して長尺化しても、塔体１００の根元部１０１の外周面との内接と、接地リンク１０５との近接平行面位置装着とも相俟って、ロゴウスキーコイル１，４のインダクタンスと浮遊容量を低減して高周波特性を確保し、雷撃電流の正確な計測を可能にしている。
ロゴウスキーコイル１，４は、風力発電装置１０００への雷撃の際に塔体１００に流れる雷撃電流を精度良く取り込むことができる。

続いて、回路ブロックについて説明する。図４は波高値計測ブロックを説明する説明図である。
波高値計測用観測装置２は、積分回路２ａ、正極性ピークホールド回路２ｂ、負極性ピークホールド回路２ｃ、メモリ２ｄ、信号処理部２ｅ、時計部２ｆ、通信部２ｇ、アンテナ２ｈ、電源部２ｉを備えている。

電源部２ｉは、ＵＰＳ電源装置３と接続されており、雷撃等があっても瞬断することなく各部に電力を供給する。
波高値計測用ロゴウスキーコイル１から取り込んだ雷撃電流を積分回路２ａにより積分処理して正極性ピークホールド回路２ｂおよび負極性ピークホールド回路２ｃへ出力する。正極性ピークホールド回路２ｂおよび負極性ピークホールド回路２ｃはトリガ機能を有しており、所定値（例えば正負ともに２ｋＡ）を超える電流が入力された場合に動作するように構成されている。所定値を超える電流が入力された場合に、正極性ピークホールド回路２ｂにより正極の波高値をピークホールドして信号処理部２ｅへピークホールド値を出力し、また、負極性ピークホールド回路２ｃにより負極の波高値をピークホールドして信号処理部２ｅへピークホールド値を出力する。

信号処理部２ｅはこれらピークホールド値を一時記憶し、さらに時計部２ｆから雷撃発生時刻（トリガ発生時刻）となる時刻を読み出してこれらを組み合わせた波高値データをメモリ２ｄに登録する。信号処理部２ｅは時計部２ｆから得た時刻が所定時刻（例えば１時間毎）に到達したとき、メモリ２ｄから波高値データを読み出して通信部２ｇへ送信すする。通信部２ｇは通信データを生成し、アンテナ２ｈからＰＨＳ回線（図示せず）を介して外部監視装置６のＰＨＳ電話６ａに接続された端末装置６ｂへ伝送する。

図５は波形計測ブロックを説明する説明図である。
波形計測用観測装置５は、ＧＰＳ（Global Positioning System）アンテナ５ａ、ＧＰＳ時計部５ｂ、演算処理部（CPU）５ｃ、データ保存部５ｄ、波形処理部５ｅ、センサインターフェース部（センサＩ／Ｆ部）５ｆ、システムバス５ｇ、電源制御部５ｈ、電源部５ｉ、携帯電話アンテナ５ｊ、携帯電話５ｋ、ＴＡ（Terminal Adapter)５ｌ、シリアル通信処理部５ｍ，補助電池５ｎを備えている。

電源部５ｉはＵＰＳ電源装置３と接続されており、雷撃等があっても瞬断することなく各部に電力を供給する。また、補助電池５ｎが接続されており、停電時でも電力供給されて通信不能となる事態を回避する。
波形計測用ロゴウスキーコイル４から取り込んだ雷撃電流をセンサＩ／Ｆ部５ｆにより電圧信号に変換し、波形処理部５ｅによりデジタルの波形に係るデータに変換し、システムバス５ｇを介して演算処理部（ＣＰＵ）５ｃが読み込んでいる。演算処理部（ＣＰＵ）５ｃはトリガ機能を有しており、所定値（例えば正負１ｋＡ）を超える電流が入力された場合に波形計測を開始するように制御する。

ＧＰＳ時計部５ｂは、ＧＰＳアンテナ５ａを介して入力されるＧＰＳ信号に基づいてＧＰＳ時計機能による時刻データを出力しており、部演算処理部（ＣＰＵ）５ｃはトリガ発生時の時刻データを読み込んで波形と時刻に係るデータを組み合わせた波形データを生成し、データ保存部５ｄに記憶させる。

演算処理部（ＣＰＵ）５ｃは、ＧＰＳ時計部５ｂから得た時刻が所定時刻（例えば１時間毎）に到達したとき、データ保存部５ｄから波形データを読み出してシリアル通信処理部５ｍへ伝送する。シリアル通信処理部５ｍは波形データを含む通信データを生成し、ＴＡ５ｌ、携帯電話５ｋにより携帯電話アンテナ５ｊから携帯電話回線（図示せず）を介して外部監視装置６（図１参照）へ伝送する。
外部監視装置６では取り込んだ波高値データおよび波形データを用いて各種監視を行うこととなる。

続いて、観測例について説明する。図６は観測された雷撃電流波形の全体波形の波形図、図７は観測された雷撃電流波形の時間軸拡大波形の波形図である。観測された雷撃電流波形は負極性雷撃であり、波高値−２０ｋＡであることが確認できる。このように本発明の雷撃電流観測装置では雷性状を把握し、耐雷設計や耐量設計の指針となる有効なデータを収集できる。

なお、本形態の説明では雷撃電流観測装置が風力発電装置に適用されるものとして説明した。しかしながら、これは雷撃電流観測装置の適用形態の一例であり、他にも各種工作物（例えば避雷針など）・高層建築物（例えば、煙突など）に適用が可能である。

また、ロゴウスキーコイルそれぞれ波高値計測用と波形計測用と便宜上分けているが、一つのロゴウスキーコイルが、波高値計測用と波形計測用とを兼ねるようにしてもよい。
しかしながら、ロゴウスキーコイルを分離することで、波高値計測用観測装置を波高値計測に最適となるように各種構成・設定値を決定することができ、同様に波形計測用観測装置でも波形計測に最適となるように各種構成・設定値を決定することができるため分離することが好ましい。

また、図１では波高値計測用ブロック及び波形計測用ブロック構成が塔体外部で図示しない収容箱内に収容配置される構成を想定して説明したが、他に波高値計測用ブロック及び波形計測用ブロック構成共に塔体内部に収容し、ケーブルを塔体から外側に引き出してロゴウスキーコイルとケーブル接続し、またアンテナを塔体の外側に設置するような構成を採用しても良い。

以上本形態について説明した。
こうして、本発明による雷撃電流観測装置では、特に、大口径ロゴウスキーコイルを用いることにより、塔体を有する大型施設に容易に設置可能とし、且つ、雷性状における雷撃電流の波高値、波形等各種データを正確に計測・収集できる。そして、これらのデータに基づいて、風力発電装置をはじめあらゆる大型施設に対する適切な雷保護措置を講ずることが容易となる。

風力発電装置に設置された本発明を実施するための最良の形態の雷撃観測装置の構成図である。ロゴウスキーコイルの設置を説明する説明図である。風力発電装置の接地を説明する説明図である。波高値計測ブロックを説明する説明図である。波形計測ブロックを説明する説明図である。観測された雷撃電流波形の全体波形の波形図である。観測された雷撃電流波形の時間軸拡大波形の波形図である。風力発電装置の説明図である。

符号の説明

１：波高値計測用ロゴウスキーコイル
２：波高値計測用観測装置
２ａ：積分回路
２ｂ：正極性ピークホールド回路
２ｃ：負極性ピークホールド回路
２ｄ：メモリ
２ｅ：信号処理部
２ｆ：時計部
２ｇ：通信部
２ｈ：アンテナ
２ｉ：電源部
３：ＵＰＳ電源装置
４：波形計測用ロゴウスキーコイル
５：波形計測用観測装置
５ａ：ＧＰＳ（Global Positioning System）アンテナ
５ｂ：ＧＰＳ時計部
５ｃ：演算処理部（CPU）
５ｄ：データ保存部
５ｅ：波形処理部
５ｆ：センサインターフェース部（センサＩ／Ｆ部）
５ｇ：システムバス
５ｈ：電源制御部
５ｉ：電源部
５ｊ：携帯電話アンテナ
５ｋ：携帯電話
５ｌ：ＴＡ（Terminal Adapter)
５ｍ：シリアル通信処理部
５ｎ：補助電池
６：外部監視装置
６ａ：ＰＨＳ電話
６ｂ：端末装置
１０００：風力発電装置
１００：塔体
１０１：根元部
１０２：フランジ
１０３：フランジボルト
１０４：接地線
１０５：接地リンク
１０６：接地極
２００：収容箱
３００：ブレード
３０１：羽
３０２：ヘッド
３０３：ロータ軸
４００：基礎部

Claims

塔体と、塔体の根元部に形成されるフランジと、フランジを基礎部に固定する複数のフランジボルトと、を有し、塔体の外周部、フランジ、およびフランジボルトにより断面略凹状の溝部が形成される観測対象である工作物に対する雷撃電流の観測を行う雷撃電流観測装置であって、
観測対象である工作物が有する塔体の根元部が貫通するように塔体の根元部の溝部内で装着され、この塔体の根元部の外周面と自らの絶縁被覆部を介して内接する波高値計測用ロゴウスキーコイルと、
観測対象である工作物が有する塔体の根元部が貫通するように塔体の根元部の溝部内で装着され、この塔体の根元部の外周面と自らの絶縁被覆部を介して内接するとともに波高値計測用ロゴウスキーコイルと上下二段に重ねて配置される波形計測用ロゴウスキーコイルと、
波高値計測用ロゴウスキーコイルから出力される電流を演算処理して波高値データを外部監視装置へ出力する波高値計測用観測装置と、
波形計測用ロゴウスキーコイルから出力される電流を演算処理して波形データを外部監視装置へ出力する波形計測用観測装置と、
を備えることを特徴とする雷撃電流観測装置。
請求項１記載の雷撃電流観測装置において、
前記波高値計測用ロゴウスキーコイルと前記波形計測用ロゴウスキーコイルとは、巻始めから巻終わりまで１コイルで閉ループを形成したコイルであることを特徴とする雷撃電流観測装置。
請求項１または請求項２に記載の雷撃電流観測装置において、
観測対象である工作物が有する塔体は、
塔体が立設される基礎部の周囲の地中に埋設され、接地線を介して塔体と電気的に接続される接地リンクと、
基礎部の周囲に埋設されるとともに、接地線を介して接地リンクと電気的に接続される接地極と、
を備えるものであり、
前記波高値計測用ロゴウスキーコイルと前記波形計測用ロゴウスキーコイルとは、接地リンクと平行面位置に装着されることを特徴とする雷撃電流観測装置。
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の雷撃電流観測装置において、
工作物は、
風車を構成するブレードと、
ブレードを保持するロータ軸を回動自在に支持し、ロータ軸に直結される増速器およびこの増速器により回転して発電を行う発電機を収容する収容箱と、
収容箱を先端で支持する塔体と、
を備える風力発電装置であることを特徴とする雷撃電流観測装置。
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の雷撃電流観測装置において、
外部監視装置と波高値計測用観測装置との間、および、外部監視装置と波形計測用観測装置との間に移動体通信回線を介在させたことを特徴とする雷撃電流観測装置。