JP4471113B2 - 塔状構築物の避雷設備 - Google Patents

Description

本発明は、構築高さが高い構築物での避雷設備に関するものであり、特に外壁に雷対策を講じ易い高層ビル建物とは異なる煙突などの鉄筋コンクリート造による塔状構築物の避雷設備に関するものである。

従来からビル建築物などにあっては落雷による障害の発生を防止するために、そのビル建築物の上部に避雷針を設け、その避雷針からの引き下げ導線（銅やアルミニウム、ステンレスの単線、撚り線）を接地させて、雷撃点から大地までの雷電流の経路が形成されるようにしている（例えば特許文献１参照）。そして受雷部の突針である避雷針からの垂線に対する所定の保護角（６０度又は４５度）の保護範囲に、被保護物である建築物全体が入るように屋上での避雷針の設置位置や高さを定めることが行われていた（保護角法）。また、接する個所に落雷する可能性が高いと想定した所定の回転球体半径の回転球体を想定し、その回転球体が被保護物である建築物の表面に接する個所に受雷部を設定する回転球体法があり、この回転球体法に基づいて避雷システムを建築物に外表面に構成することも行われていた。
さらに、高層のビル建築物では建築高さが高いことから側壁部分に対して保護角法が適用できず、回転球体法も実用的とはならないため、建物の側面にメッシュ導体を配し、メッシュ導体で覆われた内側を保護範囲とするメッシュ法により避雷システムが構成されているが、高層ビル建築物では側壁がメタルカーテンウオールなどで構成されることが多く、これらすべてのメタルカーテンウオールを電気的に接続し、かつ建築物の鉄骨と電気的に接続して、メタルカーテンウオールを受雷部とすることができる。また躯体の鉄骨も避雷設備中の導体として構成でき、その避雷設備を設ける上で有利なものとなっていた。
特開２００４−２７８１１８号公報

近年、清掃工場などの集塵処理施設では煙突から排出される煙が周辺環境に影響を及ぼさないようにするために、高さが１００ｍ以上となる鉄筋コンクリート造の高い煙突が構築されるようになってきている。そして通常の煙突に避雷設備が必要とされているのと同様に、前述したような構築高さが高く大型の煙突においても勿論、避雷設備が設置されている。
ところで、２００３年に建築物等の避雷設備に関わる規格が改訂された（ＪＩＳ Ａ ４２０１ ２００３）。これにより煙突などの鉄筋コンクリート造塔状構築物の避雷設備を計画する上で、従来と異なる方法で計画する必要があった。

「新ＪＩＳに基づく外部雷保護システムの設計・施工実務」（発行所社団法人日本電設工業協会 平成１６年１１月１５日発行）に基づいて説明を行なう。まず、ＪＩＳ Ａ ４２０１ ２００３では４段階の保護レベルが設定され、建築物などの施設に対してその種類、重要度などから保護レベルを選び、その保護レベルに応じた避雷設備を設けるように規定している。その保護レベルごとの保護効率、最小電撃電流、電撃距離を表１に示す。

ＪＩＳ Ａ ４２０１ ２００３において、保護範囲の算定は、保護レベルに応じた回転球体法、保護角法、メッシュ法の三つの方法を個別、また組み合わせて使用することとしている。

また、上記「新ＪＩＳに基づく外部雷保護システムの設計・施工実務」より回転球体法の適用例を図１に示し、保護角法の適用例を図２に示し、メッシュ法の適用例を図３に示した。

上述したように、煙突などの鉄筋コンクリート造塔状構築物では、避雷設備を計画する上で、この塔状構築物の構築高さが回転球体法や保護角法でカバーできる範囲を超える高さになると、メッシュ法での計画が必要となっていた。メッシュ法では、メッシュの幅を保護レベルに対応して用いることになり、メッシュで囲まれる四角の短辺の長さがメッシュ法幅（Ｌ）の値を満足させるものとなる。

図４はそのメッシュ法により鉄筋コンクリート造の塔状構築物の外周面に設けた避雷設備ａの例を側方から見た状態で概略的に示して、ｂは縦の導体であり、ｃは横の導体である。このように鉄筋コンクリート造塔状構築物の避雷設備ａではメッシュ法を用いると、以下の理由から縦の導体ｂと横の導体ｃとを設置する必要がある。（なお、図では説明を容易にするために塔状構築物自体は図示していない。）
まず、図示のように避雷設備ａを縦の導体ｂを主体とする垂直メッシュとして計画すると、その縦の導体ｂが引き下げ導線の役割をも兼用することとなり、保護レベルに応じたピッチで設置することとなる。塔状構築物における避雷設備での引き下げ導線は、（１）複数の電流経路を並列に形成する、（２）電流経路の長さを最小に保つ、（３）間隔を被保護物の外周に沿って等間隔にして引き下げることが好ましい。各保護レベルに応じた引き下げ導線の平均間隔を表３に示す。この表３に示されているように、保護レベル２とした場合引き下げ導線の間隔は１５ｍとされるが、上述したように垂直メッシュとして間隔が保護レベル２のときに１０ｍ以下となるため、避雷設備ａの主体とした縦の導体ｂは１０ｍ以下の間隔とし、上述した引き下げ導線での構成を満すようにする。

これに加えて、等電位化の観点より水平方向の繋ぎを設ける必要がある。即ち、上記引き下げ導線の目的が、雷電流を分流し、引き下げ導線相互間の電位差を少なくするものであることから、地表面近く、および垂直方向で最大２０ｍ間隔ごとに水平環状導体などで相互に接続する必要がある。よって、この水平方向の繋ぎとして環状の導体である横の導体ｃを垂直方向に２０ｍピッチ以下で設置することとなる。
そして、この横の導体ｃの材料である導線は、各段ごとの縦の導体ｂとの交叉部分となる位置で、図５に示すように縦に通る導体ｂに取り付けられた導線接続端子ｄに取り付けて、確実に縦の導体ｂと電気的に接合させることになる。
このように塔状構築物に設置する避雷設備が縦の導体と横の導体との組み合わせたものとなるため、その避雷設備の構成が複雑になり、また、縦の導体に対する横の導体の接続作業も煩雑になるという問題がある。
そこで、本発明は上記事情に鑑み、上記水平環状導体を設けることなく塔状構築物に対する避雷システムが計画できるようにすることを課題とし、簡易な構成で取付作業が容易な塔状構築物用の避雷設備を得ることを目的とする。

本発明は上記課題を考慮してなされたもので、煙突などの塔状構築物の上端部から接地部までに亘る外周面で、第一の導体方向と第二の導体方向との二方向が交叉する交叉パターンで複数の導体が配置され、交叉部分における第一の導体方向の導体と第二の導体方向の導体とを電気的に接続してなる避雷設備であって、第一の導体方向と第二の導体方向との少なくとも一方の導体方向が前記外周面高さ方向に対して傾斜し、この傾斜した導体方向に沿って連続した導体を少なくとも一本有して、該導体を塔状構築物の外周面を回る螺旋状にして塔状構築物の上端部から接地部までに配置し、かつ、他方の導体方向の導体それぞれを、塔状構築物の上端部から接地部までに配置したことを特徴とする塔状構築物の避雷設備を提供して、上記課題を解消するものである。

そして、本発明において、上記他方の導体方向は、塔状構築物の外周面高さ方向に沿った方向とすることが可能である。
また、本発明において、上記他方の導体方向は、塔状構築物の外周面高さ方向に対して上記一方の導体方向とは逆方向に傾斜した方向であり、この傾斜した他方の導体方向の導体を、塔状構築物の外周面を回る螺旋状にすることが可能である。

（請求項１の効果）
請求項１の発明によれば、傾斜した導体方向に沿って少なくとも一本の導体を有して、その導体を塔状構築物の外周面を回る螺旋状にして塔状構築物の上端部から接地部までに配置しているので、仮にこの螺旋状にした導体が受雷しても、直接雷電流を地盤面に伝えることができるようになる。よって、水平環状導体としての横の導体を塔状構築物に対して水平にかつ複数段にして配置する必要がなくなって避雷設備の構造が簡単なものとなり、この避雷設備を設置する作業が容易になる。

また、傾斜した導体方向の導体それぞれが螺旋状配置の一条の導線であるため、電気抵抗も小さくなって、従来構成の避雷設備より雷電流を適正に地盤面へと伝えることができる。この理由は、従来の避雷設備の横の導体を環状配置すると、仮にその横の導体に受雷した場合、引き下げ導線の役割を兼ねていた縦の導体を通して雷電流を地盤面に逃がす必要が生じる。その場合、縦の導体に取り付けられている上述の導線接続端子を介して縦の導体に雷電流を伝えることになるが、導線接続端子への取り付け部分が電気抵抗となって適正に雷電流を流すことができない。
これに比べて、一本の導線からなる導体を塔状構築物の上端部から接地部までに配置しているので、電気抵抗が小さく適正に地盤面へと雷電流を伝えることができる。さらに導線接続端子のボルト緩みによる導線の外れも生じないものとなる。

（請求項２の効果）
請求項２の発明により、他方の導体方向に位置する導体で垂直メッシュを構成することが容易であり、避雷設備の取付が簡単になる。

（請求項３の効果）
請求項３の発明により、一方の導体方向の導体と他方の導体方向の導体とがそれぞれ互いに逆方向に傾斜した状態で螺旋状に配置されているので、一方の導体方向の導体に用いる導線と他方の導体方向に用いる導線との合計長さが、従来の避雷設備における縦の導体に用いる導線と横の導体に用いる導線との合計長さより短くなり、素材コストを低減することができるという利点がある。

つぎに本発明を図６から図９に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図６は鉄筋コンクリート造塔状構築物（図示せず）に設置した避雷設備１を示していて、この避雷設備１は塔状構築物の上端部から接地部までに亘る外周面で、第一の導体方向Ａと第二の導体方向Ｂとの二方向が交叉する交叉パターンで複数の導体を配置してなるものである。そして、前記第一の導体方向Ａの導体２と第二の導体方向Ｂの導体３とはそれぞれ従来の避雷設備と同じように規格を満たす導線から作製されているものであり、交叉部分Ｃそれぞれで電気的に接続されている。

この実施の形態にあっては、図６に示すように第一の導体方向Ａが塔状構築物の外周面高さ方向（垂直方向）に対して傾斜していて、この導体方向Ａの導体２を一本とし、導線接続端子などを介在させていない一条の導線により連続した形態の導体としている。そして、一条の導線を塔状構築物の外周面を回る螺旋状にして塔状構築物の上端部から接地部までに配置しており、これによって、一本の第一の導体方向Ａの導体２が同一方向に回るスパイラル形態として設けられている。
また、第二の導体方向Ｂは塔状構築物の外周面高さ方向に沿った方向であって、この第二の導体方向Ｂに沿う６本の導体３を有していて、その導体３それぞれが直線状のラインを描くようにして、塔状構築物の上端部から接地部までに配置されている。

このように避雷設備１にあっては第一の導体方向Ａの導体２を、導線接続端子などを介在させない一条の導線により連続した導体として螺旋状に配置しているので、この導体２が水平環状導体の役割を有するものとなる。また、第二の導体方向Ｂの導体３はメッシュ法に基づいた垂直メッシュを構成しており、第二の導体方向Ｂの導体３は塔状構築物の周方向での間隔が保護レベルに応じた間隔に設定されている。
なお、この実施の形態において、第一の導体方向Ａに沿って螺旋状となる導体２を一本としたが、複数本の導体２を用意し、これらを第一の導体方向Ａに沿って回るスパイラル形態にしてもよい。この場合は、第一の導体方向Ａに沿う導体２は構築物外周面の周方向に同一の間隔を取って螺旋状となるようにする。

図７は第二の実施の形態を示している。この第二の実施の形態は上記第一の導体方向Ａの導体２を複数本としている。さらに、第二の導体方向Ｂは、図示されているように、第一の導体方向Ａとは逆方向に傾斜した方向であり、この第二の導体方向Ｂに沿って複数本の導体４が塔状構築物の外周面を回る螺旋状となり、塔状構築物の上端部から設置部までにスパイラル状のラインとなるようにして設置したものである。
この実施の形態での避雷設備１にあっては第一の導体方向Ａに沿う導体２相互の最短間隔を、従来の水平環状導体に対して設定されていた垂直方向での間隔とすればよい。また、第二の導体方向Ｂに沿う導体４相互の最短間隔を、保護レベルで設定されたメッシュ法幅とすればよい。

さらにこの実施の形態では第一の導体方向Ａの導体２に用いる導線の長さと第二の導体方向Ｂの導体４に用いる導線の長さとの合計が、従来の縦の導体と横の導体とからなるものの導線合計長さより短くなり、素材コストを低減できる。
この点を図８に示す従来構成の避雷設備の展開と図９に示す上記形態での避雷設備の展開とに基づいて説明する。
なお、共に煙突径１６．０００ｍφの周長さが５０．２４０ｍ（ｌ＝１６．０００×π＝５０．２４０ｍ）、高さが１００．０００ｍの煙突の外周面を展開したパターンで示した。保護レベルを２とした。
さらに従来避雷設備での水平環状導体間距離を２０．０００ｍとした。また、上記実施の形態で水平環状導体間距離に対応する距離も２０．０００ｍとし、メッシュ法幅を１０．０００ｍとして配置した導体４の避雷設備上部での位置を、周方向に１２．５６０ｍの間隔をおいて並ぶものとした。

上記条件で従来の避雷設備での縦の導体と横の導体との導体総長さを以下のようにして算出した。なお、メッシュ法幅を８．３７３ｍとした。
・まず、縦の導体の長さ合計Ｌ１を求める。
Ｌ１＝１００．０００ｍ×６本
＝６００．０００ｍ
・つぎに横の導体の長さ合計Ｌ２を求める。
Ｌ２＝５０．２４０ｍ×５本
＝２５１．２００ｍ
・そして、導体総長さΣＬ（＝Ｌ１＋Ｌ２）を求める。
ΣＬ＝６００．０００ｍ＋２５１．２００ｍ
＝８５１．２００ｍ
よって、このように導体総長さは８５１．２００ｍとなる。

上記条件で上記実施の形態の避雷設備での導体総長さを以下のようにして算出した。なお、第一の導体方向Ａの傾斜の角度と第二の導体方向Ｂの逆方向への傾斜の角度は同じである。
・螺旋状導体の一本の長さＬを求めるために、初めに、その螺旋状導体を直線状に伸ばしたときの水平方向での長さＬｘを求める（図９参照）。
Ｌｘ＝１００．０００／６６．１１０×５０．２４０
＝７６．０００ｍ
そして、三平方の定理を利用して螺旋状導体一本の長さＬを求める。
Ｌ＝√（７６．０００^２＋１００．０００^２）
＝１２５．６００ｍ
・つぎに螺旋状導体の導体総長さＬ３を求める。
Ｌ３＝１２５．６００ｍ×６本
＝７５３．６００ｍ
・また、煙突頂部リング状導体の長さＬ４を求める。
Ｌ４＝５０．２４０ｍ×１本
＝５０．２４０ｍ
・そして、導体総長さΣＬ（＝Ｌ３＋Ｌ４）を求める。
ΣＬ＝７５３．６００ｍ＋５０．２４０ｍ
＝８０３．８４０ｍ
よって、導体総長さは８０３．８４０ｍとなる。

上述した比較から上記実施の形態では、従来の避雷設備に比べて導体の長さが短くなることが分かった。

回転球体法の適用例を示す説明図である 保護角法の適用例を示す説明図である。 メッシュ法の適用例を示す説明図である。 従来の鉄筋コンクリート造塔状構築物に対する避雷設備を示す説明図である。 従来の避雷設備における縦の導体と横の導体との接合を示す説明図である。 本発明に係る避雷設備の第一の例を示す説明図である。 第二の例を示す説明図である。 比較例として従来避雷設備の導体を展開した状態で示す説明図である。 第二の例における導体を展開した状態で示す説明図である。

符号の説明

１…避雷設備
２、３、４…導体
Ａ…第一の導体方向
Ｂ…第二の導体方向
Ｃ…交叉部分

Claims (3)

1. 煙突などの塔状構築物の上端部から接地部までに亘る外周面で、第一の導体方向と第二の導体方向との二方向が交叉する交叉パターンで複数の導体が配置され、交叉部分における第一の導体方向の導体と第二の導体方向の導体とを電気的に接続してなる避雷設備であって、
   第一の導体方向と第二の導体方向との少なくとも一方の導体方向が前記外周面高さ方向に対して傾斜し、この傾斜した導体方向に沿って連続した導体を少なくとも一本有して、該導体を塔状構築物の外周面を回る螺旋状にして塔状構築物の上端部から接地部までに配置し、
   かつ、他方の導体方向の導体それぞれを、塔状構築物の上端部から接地部までに配置したことを特徴とする塔状構築物の避雷設備。
2. 上記他方の導体方向は、塔状構築物の外周面高さ方向に沿った方向である請求項１に記載の塔状構築物の避雷設備。
3. 上記他方の導体方向は、塔状構築物の外周面高さ方向に対して上記一方の導体方向とは逆方向に傾斜した方向であり、この傾斜した他方の導体方向の導体を、塔状構築物の外周面を回る螺旋状にした請求項１に記載の塔状構築物の避雷設備。

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