JP5535886B2 - 落雷検出装置、これを備えた風車回転翼および風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、避雷部材から延びる避雷導線に流れた雷電流を検知することにより、落雷の有無および落雷位置を判定するようにした落雷検出装置、これを備えた風車回転翼および風力発電装置に関するものである。

標準的な風力発電装置は、ロータヘッドを中心として放射方向に延びる数本の風車翼を有する風車回転翼を備えており、タワーの上端にて水平旋回可能に支持されたナセルにロータヘッドが軸支され、この風車回転翼の回転により、ナセル内部に設置された発電機が駆動されて発電が行われるように構成されている。

この種の風力発電装置は、特に風車翼の部分に落雷を受けやすいため、特許文献１に開示されているように、風車翼に避雷装置としてレセプタ（アース部材）が設けられる。レセプタは、最も落雷しやすい翼先端部を始め、風車翼の各部に数ヶ所設けられ、各々のレセプタから避雷導線（ダウンコンダクタ）が延び、この避雷導線が風車翼の内部を通り、ナセル、タワーを経由して地面にアース接続される。このため、レセプタに落雷した際における雷電流が地中に導かれて風車翼の破損が防止される。

さらに、近年では、レセプタに加え、ダイバータ・ストリップと呼ばれる金属片を不連続的に翼表面に接着することにより、レセプタ以外の場所に落雷した際における落雷電流を、各ダイバータ・ストリップを経由させて風車翼の表面に沿って流れさせ、レセプタに導くことができる。このようにすれば、各ダイバータ・ストリップには避雷導線を設ける必要がないため、簡素な構造によって風車翼の耐雷性能を向上させることができる。

ところが、レセプタやダイバータ・ストリップ等では多くの落雷から風車翼を完全に保護することができず、風車翼にはしばしば落雷による損傷が発生する。風車翼が落雷により損傷したことが認識されずにそのまま運転が継続されると重大事故に繋がる可能性があるため、落雷による損傷の即座な発見と補修が必須である。また、補修を要するような損傷には繋がらなくても、風車翼のどの部位にどの程度のエネルギの落雷があったかを知ることは、風車翼のメンテナンス面や、今後の落雷対策の面で非常に重要である。

従来では、特許文献２に開示されているように、風力発電装置のタワーに設置した大口径のロゴスキーコイルにより雷電流を検出したり、特許文献３に開示されているように、複数の風車翼の各々の翼根に設置した小口径のロゴスキーコイルにより落雷電流を計測して落雷を受けた風車翼を特定したりする落雷検出装置が開示されている。

特開２０１０−２２３１４８号公報 特許第４２１１９２４号公報 特開２００９−２０３８９３号公報

しかしながら、上記特許文献２，３に開示されているような従来技術では、風力発電装置全体、または各風車翼への落雷検知および落雷電流の計測は可能だが、風車翼のどの部位に落雷したのかは検知が困難であるため、即座な補修が行いにくかった。ロゴスキーコイルのように雷電流を電気的に検知する装置を風車翼に多数設けられれば落雷箇所の特定ができるが、ロゴスキーコイルは価格が高価である上に設置が困難であるため、落雷検出装置全体の構成が複雑かつ高価になり、風力発電装置の建造コスト上昇を招来する。しかも、ロゴスキーコイルはメタル信号線を用いて雷電流を計測しているため、落雷によるサージやノイズによる悪影響を受けやすく、信頼性が低いという難点があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、簡素で安価、かつ信頼性の高い構造により、落雷があったことと、落雷箇所を確実に判定することのできる落雷検出装置、これを備えた風車回転翼および風力発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
即ち、本発明に係る落雷検出装置の第１の態様は、避雷部材と、前記避雷部材から延びて、落雷電流を地中に導く避雷導線と、前記避雷導線に設けられ、該避雷導線を流れる前記落雷電流を検知して光信号を出力する光ファイバ電流センサと、前記光ファイバ電流センサが出力する前記光信号を受信し、これを電気信号に変換して出力する光信号変換手段と、前記光信号変換手段が出力する前記電気信号を受信し、落雷があったと判定するとともに、管理者に落雷を報知する制御手段と、を備え、前記避雷導線１本あたりに、複数の前記光ファイバ電流センサを、前記避雷導線の長手方向に沿って離間させて設置し、これら複数の光ファイバ電流センサから出力される前記光信号を個別に前記制御手段に受信させるようにしたことを特徴とする。

上記構成によれば、避雷部材に落雷した場合、この落雷電流が避雷導線を流れ、この落雷電流が光ファイバ電流センサに検知され、光ファイバ電流センサは光信号を光信号変換手段に出力する。光信号変換手段は、受信した光信号を電気信号に変換し、この電気信号を制御手段に出力する。制御手段は、電気信号を受信することにより落雷があったと判定し、管理者に落雷を報知する。このため、風力発電装置等の建造物に落雷したことを管理者が即座に知ることができ、装置の運転停止、点検、破損部分の補修といった作業を迅速に開始することができる。
しかも、避雷導線の先端に設けられた避雷部材に落雷した場合には、避雷導線を流れる落雷電流を複数の光ファイバ電流センサ全てが検知してそれぞれ光信号を出力するため、制御手段は避雷部材に落雷したことを判別できる。また、避雷部材に落雷せずに、避雷導線の中間部に落雷した場合には、同じ避雷導線に設けられた複数の光ファイバ電流センサのうち、避雷導線を流れる落雷電流を検知するものと検知しないものとが生じ、この検知状況を比較することにより、落雷箇所および破損の有無等を判別することができる。
このため、例えば風車翼の先端部に１箇所だけ避雷部材が設けられ、この避雷部材から１本だけ避雷導線が延びている簡素な構成であっても、風車翼の先端部の避雷部材に落雷した場合と、風車翼の中間部に落雷した場合とを判別することができる。特に、風車翼の中間部に落雷し、風車翼の内部に配設された避雷導線に落雷電流が流れた場合は、風車翼の外被が破損したことを意味するため、簡素な構成により、落雷による破損を速やかに検知することができる。

光ファイバ電流センサは、構造が簡素で安価である上に、避雷導線への設置が容易であり、ロゴスキーコイル等のようにメタル信号線を用いずに落雷電流を検出できるため、落雷によるサージやノイズによる悪影響を受けにくい。このため、落雷検出装置の信頼性を高めることができる。

また、本発明に係る落雷検出装置の第２の態様は、前記第１の態様において、前記避雷部材と、前記避雷導線と、前記光ファイバ電流センサとを、それぞれ複数箇所に設置し、前記光信号変換手段は、前記複数の光ファイバ電流センサから出力される前記光信号を個別に受信し、これら複数の光信号をそれぞれ固有の前記電気信号に変換して前記制御手段に出力する一方、前記制御手段は、前記光信号変換手段から入力された前記電気信号の種別を認識し、この種別に基づいて落雷箇所を判定し、それを報知することを特徴とする。

上記構成によれば、建造物等の各部に設置された複数の避雷部材に対応して光ファイバ電流センサも複数設けられているため、これらの光ファイバ電流センサが、落雷箇所に応じて異なる光信号を光信号変換手段に出力することができる。光信号変換手段は、これらの光信号をそれぞれ固有の電気信号に変換して制御手段に出力する。制御手段は、光信号変換手段から入力された電気信号の種別から、落雷電流を検知した光ファイバ電流センサを特定し、この光ファイバ電流センサに対応する避雷部材の位置情報から、建造物等のどの部位に落雷したかを判別することができる。

光ファイバ電流センサは安価であるため、避雷部材、避雷導線と共に多数設置してもコストの上昇が小さい。このため、避雷部材が多数設けられている場合であっても、各避雷部材に対応して光ファイバ電流センサを設けることができ、安価な構成によって落雷位置を正確に判別することができる。

また、本発明に係る落雷検出装置の第３の態様は、前記第１または第２の態様において、前記避雷部材を離間させて複数設け、これらの避雷部材に前記避雷導線をそれぞれ接続し、これら複数の避雷導線を数本ずつまとめる形で前記光ファイバ電流センサを１つ以上設置し、この光ファイバ電流センサから出力される前記光信号を前記制御手段に受信させるようにした。

上記構成とした場合、複数の避雷部材および避雷導線が設けられていても、それを１つの光ファイバ電流センサにより監視することができるため、例えば複数の避雷部材が近接して設けられているような場合には、光ファイバ電流センサの設置数を減少させて落雷検出装置の構成を簡素化することができる。

また、本発明に係る落雷検出装置の第４の態様は、前記第１または第２の態様において、１本の前記光ファイバ電流センサを２本の前記避雷導線に、その巻き付け方向を逆にして連続的に巻装することにより、前記２本の避雷導線のうちの一方に落雷電流が流れた場合には該光ファイバ電流センサから正の光信号が出力され、前記２本の避雷導線の他方に落雷電流が流れた場合には該光ファイバ電流センサから負の光信号が出力されるようにし、前記光信号変換手段は、該光ファイバ電流センサから受信した光信号の正負に応じて正または負の電気信号を出力し、前記制御手段は、前記電気信号の正負により、前記２本の避雷導線のどちらに落雷電流が流れたかを判別して落雷箇所を判定することを特徴とする。

上記構成によれば、１つの光ファイバ電流センサにより、２本の避雷導線のどちらに落雷電流が流れたか、即ち２つの避雷部材のどちらに落雷したかを判別できるため、光ファイバ電流センサの設置数を、避雷部材の設置数の半分にすることができる。こうして、落雷箇所の特定能力を犠牲にすることなく、光ファイバ電流センサの設置数を半減させて落雷検出装置の構成を簡素化することができる。

また、本発明に係る落雷検出装置の第５の態様は、前記第１〜第４のいずれかの態様において、前記光ファイバ電流センサを前記避雷導線の絶縁被覆材で被覆したことを特徴とする。これにより、光ファイバ電流センサの設置工程を容易にするとともに、光ファイバ電流センサを絶縁被覆材で保護して落雷検出装置の耐久性と信頼性を高めることができる。

また、本発明に係る落雷検出装置の第６の態様は、前記第１〜第５のいずれかの態様において、前記光ファイバ電流センサと、この光ファイバ電流センサの近傍に位置する物体の歪みを測定する光ファイバ歪みセンサとを、同一の光ファイバケーブルにより連続的に構成したことを特徴とする。

これにより、光ファイバ電流センサと光ファイバ歪みセンサとが同一の光ファイバケーブルにより構成されるため、光ファイバ電流センサ用の光ファイバケーブルと、光ファイバ歪みセンサ用の光ファイバケーブルとを共通化でき、これにより落雷検出装置と歪み検出装置の両方の構成を簡素化することができる。

また、本発明に係る風車回転翼は、前記第１〜第６のいずれかの態様の落雷検出装置を備えたことを特徴とする。これにより、簡素で安価、かつ信頼性の高い構造により、風車回転翼への落雷の有無と、落雷箇所を判定することができる。

そして、本発明に係る風力発電装置は、前記の風車回転翼を備えたことを特徴とする。これにより、簡素で安価、かつ信頼性の高い構造により、風力発電装置の風車回転翼への落雷の有無と、落雷箇所を判定することができる。

以上のように、本発明に係る落雷検出装置、これを備えた風車回転翼および風力発電装置によれば、簡素で安価、かつ信頼性の高い構造により、落雷があったことと、落雷箇所を判定することができる。

本発明に係る落雷検出装置が適用された風車翼を備えた風力発電装置の一例を示す正面図である。 本発明に係る落雷検出装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第参考実施形態を示す落雷検出装置の斜視図である。 本発明の第１実施形態を示す落雷検出装置の斜視図である。 本発明の第２実施形態を示す落雷検出装置の斜視図である。 本発明の第３実施形態を示す落雷検出装置の斜視図である。 第３実施形態における光ファイバ電流センサの巻き方向と電流値の正負との関係を示し、（ａ）は左巻きで落雷電流を検知した場合の電流値を示し、（ｂ）は右巻きで落雷電流を検知した場合の電流値を示す図である。 本発明の第４実施形態を示す避雷導線および光ファイバ電流センサの斜視図である。 本発明の第５実施形態を示す落雷検出装置の構成図である。

以下、本発明に係る風力発電装置の複数の実施形態について図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る落雷検出装置Ａが適用された風車回転翼を備えた風力発電装置の一例を示す正面図である。また、図２は、落雷検出装置Ａの概略構成を示すブロック図である。

この風力発電装置１は、例えば地表面や海上等に立設されたタワー２と、このタワー２の上端部に設置されるナセル３と、略水平な横方向の回転軸線周りに回転自在に支持されてナセル３の前端部側に設けられるロータヘッド４とを有している。ロータヘッド４には、放射方向に延びる複数枚（例えば３枚）の風車翼５ａ，５ｂ，５ｃが取り付けられて風車回転翼６が構成されており、ナセル３の内部には図示しない発電機が収容設置され、ロータヘッド４の回転軸が上記発電機の主軸に増速機を介して連結されている。このため、風車翼５ａ〜５ｃに当たった外風の風力が、風車回転翼６と回転軸を回転させる回転力に変換され、発電機が駆動されて発電が行われる。

ナセル３は、風車回転翼６と共に、タワー２の上端において水平方向に旋回することができ、図示しない駆動装置と制御装置により、常に風上方向に指向して効率良く発電できるように制御される。また、風車翼５ａ〜５ｃのピッチ角は、風量に合わせて最も効率良く風車回転翼６を回転させられるように自動調整される。なお、ナセル３や風車翼等６は、例えばＦＲＰ成形により形成されている。

３枚の風車翼５ａ〜５ｃには、それぞれ、その先端部にレセプタ８ａが設けられ、両側縁部に２箇所ずつレセプタ８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅが設けられている。これら複数のレセプタ８ａ〜８ｅは公知の避雷部材であり、一般には直径数センチ程度の円形、もしく翼端形状に沿う形状等に形成され、接着等により風車翼５ａ〜５ｃの表面に固着されている。そして、各レセプタ８ａ〜８ｅから風車翼５ａ〜５ｃの内部を通って翼根側に向って延びる避雷導線（ダウンコンダクタ）９ａ〜９ｅが、ナセル３、タワー２を経由して地面にアース接続される。これにより、各レセプタ８ａ〜８ｅに落雷した際における雷電流が地中に導かれる。なお、ここではレセプタ８ａに繋がる避雷導線９ａから避雷導線９ｂ〜９ｅが枝分かれする態様となっているが、各避雷導線９ａ〜９ｅを独立的に配設してもよい。

ロータヘッド４には、図２にも示す光信号変換装置（光信号変換手段）１１と、制御装置１２ａ（制御手段）が内蔵されている。また、ナセル３には制御装置１２ｂ（制御手段）が内蔵されている。光信号変換装置１１および制御装置１２ａと、制御装置１２ｂとの間は、例えば図示しないスリップリングを用いた信号通信経路１３を経由して接続している。スリップリングは、回転部材であるロータヘッド４と、固定部材であるナセル３との間を電気的に連通させる公知の電気接続部材である。なお、このようなスリップリングを用いた有線通信ではなく、無線通信としてもよい。

［参考実施形態］
図３に示すように、各レセプタ８ａ〜８ｅから延びる避雷導線９ａ〜９ｅには、それぞれ光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｅが設けられている。これらの光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｅは、各避雷導線９ａ〜９ｅを囲むリング状に形成された光ファイバ部材である。また、各光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｅからは、それぞれ光ファイバケーブル１６ａ〜１６ｅが延出し、これらの光ファイバケーブル１６ａ〜１６ｅは、避雷導線９ａ〜９ｅと共に風車翼５ａ〜５ｃの内部を通り、それぞれロータヘッド４内の光信号変換装置１１に接続されている。

そして、３枚の風車翼５ａ〜５ｃのレセプタ８ａ〜８ｅに付設された合計１５基の光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｅと、これらから延びる光ファイバケーブル１６ａ〜１６ｅと、光信号変換装置１１と、制御装置１２ａ，１２ｂと、風力発電装置１から離れた場所に設置された遠隔監視装置１８（図２参照）とを備えて落雷検出装置Ａが構成されている。

光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｅは、レセプタ８ａ〜８ｅに落雷して避雷導線９ａ〜９ｅに雷電流が流れた際に、避雷導線９ａ〜９ｅの周囲に発生する磁界を検知して電流値を測定するセンサである。即ち、磁界中に設置された透明媒質に光を通過させると、磁界に比例して光の偏波面が回転するファラデー効果を検知して固有の光信号を出力し、この光信号が光ファイバケーブル１６ａ〜１６ｅを経て光信号変換装置１１に個別に受信される。

光信号変換装置１１は、各光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｅから受信した光信号を、光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｅの全数に対応した１５種類の固有の電気信号に変換処理し、これらの電気信号を制御装置１２ａに出力する。制御装置１２ａは、制御装置１２ｂとともに、光信号変換装置１１から入力された電気信号の種別に応じて、１５個の光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｅのうちのどれが落雷電流を検知したのかを識別して落雷箇所を判定するとともに、電気信号を演算処理して雷電流の電流値を算出し、これらの情報を遠隔監視装置１８に出力する。

これにより、風力発電装置１の管理者に、落雷があったことと、落雷箇所および落雷の規模等の情報が報知されるため、管理者は風力発電装置１の運転を速やかに停止するとともに、点検、修理といった作業を迅速に開始することができる。

この落雷検出装置Ａでは、風車回転翼６に合計１５箇所設置されたレセプタ８ａ〜８ｅに対応して１５基の光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｅが設けられ、これらの１５基の光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｅが、それぞれ個別の光ファイバケーブル１６ａ〜１６ｅを介して光信号変換装置１１に接続され、各光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｅが固有の光信号を光信号変換装置１１に出力するように構成されているため、制御装置１２ａ，１２ｂは、１５基の光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｅのどれから光信号が出力されたかを認識することができ、これによって風車回転翼６のどの部位に落雷したかを正確に判定することができる。

光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｅは構造が簡素で安価であるため、避雷導線９ａ〜９ｅへの設置が容易である。このため、光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｅをレセプタ８ａ〜８ｅ、避雷導線９ａ〜９ｅと同じく多数設置してもコストの上昇が小さい。したがって、簡素かつ安価な構成により、風車回転翼６の落雷位置を正確に判別することができる。

しかも、光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｅは、従来において雷電流の検知に用いられていたロゴスキーコイルのようにメタル信号線を用いずに落雷電流を検出できるため、落雷によるサージやノイズによる悪影響を受けにくい。このため、落雷検出装置Ａの信頼性を格段に高めることができる。なお、光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｅの設置数を１５基よりも多くして落雷位置の特定精度をより向上させたり、あるいは１５基以下に減らして構成をより簡素化してもよい。また、風車翼５ａ〜５ｃに限らず、ナセル３等にレセプタと避雷導線と光ファイバ電流センサを設けてもよい。さらに、レセプタと共にダイバータ・ストリップを併用してもよい。

［第１実施形態］
図４は、本発明の第１実施形態を示す落雷検出装置Ｂの斜視図である。ここでは、風車翼５ａ〜５ｃの先端部のみに１基のレセプタ８が設置され、このレセプタ８から延出して翼根側に向って延びる１本の避雷導線９に、例えば３基の光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｃが設置されている。各光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｃから延びる光ファイバケーブル１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、参考実施形態の落雷検出装置Ａと同様に、避雷導線９とともに風車翼５ａ〜５ｃの内部に配設され、図示しないロータヘッドに内蔵された光信号変換装置に接続されている。光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｃの機能は落雷検出装置Ａと同様である。また、図示しないが、落雷検出装置Ａと同様な光信号変換装置と制御装置および遠隔監視装置が備えられている。

このように構成された落雷検出装置Ｂによれば、避雷導線９の先端に設けられたレセプタ８に落雷した場合には、避雷導線９を流れる落雷電流を３基の光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｃ全てが検知し、それぞれ光信号を出力するため、制御装置はレセプタ８に落雷したことを判別できる。また、レセプタ８に落雷せずに、避雷導線９の中間部に落雷した場合には、同じ避雷導線９に設けられた３基の光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｃのうち、避雷導線９を流れる落雷電流を検知するものと検知しないものとが生じ、制御装置１２ａ，１２ｂはこの検知状況を比較することにより、落雷箇所および破損の有無等を判別することができる。

このため、本実施形態のように風車翼５ａ〜５ｃの先端部に１箇所だけレセプタ８が設けられ、このレセプタ８から１本だけ避雷導線９が延びている簡素な避雷装置構成であっても、風車翼５ａ〜５ｃの先端部のレセプタ８に落雷した場合と、風車翼５ａ〜５ｃの中間部に落雷した場合とを判別することができる。特に、風車翼５ａ〜５ｃの中間部に落雷し、風車翼５ａ〜５ｃの内部に配設された避雷導線９に落雷電流が流れた場合は、風車翼５ａ〜５ｃの外被が破損したことを意味するため、簡素な構成により、落雷による破損を速やかに検知することができる。

［第２実施形態］
図５は、本発明の第２実施形態を示す落雷検出装置Ｃの斜視図である。ここでは、風車翼５ａ〜５ｃの先端部と中間部に、合計５つのレセプタ８ａ〜８ｅが設置されており、先端部に設けられたレセプタ８ａから延出して翼根側に向って延びる避雷導線９ａから、他のレセプタ８ｂ〜８ｅに繋がる避雷導線９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅが枝分かれしている。そして、避雷導線９ａには専用の光ファイバ電流センサ１５ａが設置され、避雷導線９ｂと９ｃには兼用の光ファイバ電流センサ１５ｂが設置され、同じく避雷導線９ｄと９ｅには兼用の光ファイバ電流センサ１５ｃが設置されている。各光ファイバ電流センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃから延びる光ファイバケーブル１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、避雷導線９ａとともに風車翼５ａ〜５ｃの内部に配設されて図示しない光信号変換装置に接続されている。

このように、２本の避雷導線９ｂ，９ｃをまとめる形で１つの光ファイバ電流センサ１５ｂを設置し、同じく２本の避雷導線９ｄ，９ｅをまとめる形で１つの光ファイバ電流センサ１５ｃを設置したため、２つのレセプタ８ｂ，８ｃへの落雷を１つの光ファイバ電流センサ１５ｂで監視し、同じく２つのレセプタ８ｄ，８ｅへの落雷を１つの光ファイバ電流センサ１５ｃで監視することができる。このため、本実施形態のように複数のレセプタ８ｂ，８ｃおよび８ｄ，８ｅが近接して設けられているような場合には、少ない数の光ファイバ電流センサ１５ａ〜１５ｃによって落雷検出装置Ｃの構成を簡素化することができる。

［第３実施形態］
図６は、本発明の第３実施形態を示す落雷検出装置Ｄの斜視図である。ここでは、風車翼５ａ〜５ｃの先端部と中間部に、合計３つのレセプタ８ａ，８ｂ，８ｃが設置され、先端部に設けられたレセプタ８ａから延出して翼根側に向って延びる避雷導線９ａから、他のレセプタ８ｂ，８ｃに繋がる避雷導線９ｂ，９ｃが枝分かれして延びている。そして、避雷導線９ａには専用の光ファイバ電流センサ１５ａが設置され、避雷導線９ｂと９ｃには兼用の光ファイバ電流センサ１５ｂが設置されている。各光ファイバ電流センサ１５ａ，１５ｂから延びる光ファイバケーブル１６ａ，１６ｂは、避雷導線９ａとともに風車翼５ａ〜５ｃの内部に配設されて図示しない光信号変換装置に接続されている。

光ファイバ電流センサ１５ｂは、リング状ではなく柔軟な棒状であり、２本の避雷導線９ｂと９ｃに、その巻き付け方向を逆にして連続的に巻装されている。つまり、光ファイバ電流センサ１５ｂには、避雷導線９ｂに巻装されるリング部１５１と、避雷導線９ｃに巻装されるリング部１５２とが設けられている。各リング部１５１，１５２の巻き方向は互いに逆方向とされる。例えば、リング部１５１が左巻きであるならば、リング部１５２は右巻きである。なお、図６中の右側に変形例を記載したように、光ファイバ電流センサ１５ｂをリング状のものとし、このリング状の光ファイバ電流センサ１５ｂを８の字状に捻ることにより、避雷導線９ｂに巻装される左巻きのリング部１５１と、避雷導線９ｃに巻装される右巻きのリング部１５２を形成してもよい。

これにより、一方のレセプタ８ｂに落雷した場合には、その雷電流が避雷導線９ｂを流れるため、光ファイバ電流センサ１５ｂの左巻きのリング部１５１によって雷電流が検知される。この場合、光ファイバ電流センサ１５ｂから正の光信号が出力され、これを受けて光信号変換装置から出力される電気信号は図７（ａ）に示すように、例えばプラス値となる。

また、他方のレセプタ８ｃに落雷した場合には、その雷電流が避雷導線９ｃを流れるため、光ファイバ電流センサ１５ｂの右巻きのリング部１５２によって雷電流が検知される。この場合、光ファイバ電流センサ１５ｂから負の光信号が出力され、これを受けて光信号変換装置から出力される電気信号は図７（ｂ）に示すようにマイナス値となる。

そして、制御装置は、光信号変換装置から出力される電気信号の正負により、２本の避雷導線９ｂ，９ｃのどちらに落雷電流が流れたか、即ちどちらのレセプタ８ｂ，８ｃに落雷したかを判別することができる。

この落雷検出装置Ｄによれば、１つの光ファイバ電流センサ１５ｂによって２本の避雷導線９ｂ，９ｃの落雷電流を個別に監視できるため、光ファイバ電流センサの設置数を、レセプタの設置数の半分にすることができる。こうして、落雷箇所の特定能力を犠牲にすることなく、光ファイバ電流センサの設置数を半減させて落雷検出装置Ｄの構成を簡素化することができる。

［第４実施形態］
図８は、本発明の第４実施形態を示す避雷導線９および光ファイバ電流センサ１５の斜視図である。ここに示すように、避雷導線９は、高圧な直流電流である雷電流を流すに足りる太さを持つ導電体である芯線９１を有し、この芯線９１の周囲が２重の絶縁被覆材９２，９３で被覆されている。そして、光ファイバ電流センサ１５が、避雷導線９に内蔵される形で設けられている。つまり、光ファイバ電流センサ１５は、芯線９１に直に触れないように、絶縁被覆材９２の外周に巻装され、その上から絶縁被覆材９３が被覆されている。

このように、光ファイバ電流センサ１５を避雷導線９の絶縁被覆材９３によって被覆し、避雷導線９の内部に組み込んでしまうことにより、光ファイバ電流センサ１５の設置工程を容易にするとともに、光ファイバ電流センサ１５を絶縁被覆材９３で保護して落雷検出装置の耐久性と信頼性を高めることができる。

［第５実施形態］
図９は、本発明の第５実施形態を示す落雷検出装置Ｅの構成図である。この落雷検出装置Ｅにおいては、避雷導線９を流れる落雷電流を検知する光ファイバ電流センサ２２ａ〜２２ｄと、光ファイバ電流センサ２２ａ〜２２ｄの近傍に位置する物体、例えば避雷導線９や風車翼５ａ〜５ｃ等の歪みを測定する光ファイバ歪みセンサ２３ａ〜２３ｄとが、同一の光ファイバケーブル２１により連続的に構成されている。

避雷導線９は太くて重量のある電線であり、風車翼５ａ〜５ｃの回転に伴い常時遠心力が掛かるため、避雷導線９に光ファイバ歪みセンサ２３ａ〜２３ｄを設けて歪みを計測することにより、避雷導線９の固定が外れたり、緩んだりした場合に即刻検知することができる。
また、光ファイバを用いて風車翼５ａ〜５ｃの歪みを計測する場合は、ＦＢＧ方式による計測が望ましい。即ち、紫外線によって光ファイバに回折格子（センサ部）を作成し、光ファイバに入射光を発信すると、上記回折格子で反射光が発生し、光ファイバに歪みが生じると上記反射光の波長が変化する特性を利用し、波長の変化から歪みを算出する方法である。これによれば、翼全体の荷重分布を評価することができる。

この第５実施形態の落雷検出装置Ｅでは、例えば、風車翼５ａ〜５ｃの先端部に設置されたレセプタ８から、翼根側に向って延びる避雷導線９に沿うように光ファイバケーブル２１が配設されており、この光ファイバケーブル２１は、その中間部分が４箇所ループ状に巻かれて光ファイバ電流センサ２２ａ〜２２ｄが形成され、この光ファイバ電流センサ２２ａ〜２２ｄのループ形状の内部を避雷導線９が通過するように配設されている。そして、避雷導線９に雷電流が流れると、各光ファイバ電流センサ２２ａ〜２２ｄにおいてファラデー効果が奏され、光信号が出力される。

一方、光ファイバケーブル２１の、光ファイバ電流センサ２２ａ〜２２ｄ以外の部分は、避雷導線９に沿うように配設されており、光ファイバ電流センサ２２ａ〜２２ｄのループ形状の交差部が避雷導線９に固着されて光ファイバ歪みセンサ２３ａ〜２３ｄとされている。そして、避雷導線９に歪みが生じると、その近傍の光ファイバ歪みセンサ２３ａ〜２３ｄにおける光透過率が変化し、光ファイバケーブル２１に歪み検知用の光信号が流れる。なお、これらの光ファイバ歪みセンサ２３ａ〜２３ｄを風車翼５ａ〜５ｃの内面に固着することにより、風車翼５ａ〜５ｃの歪みを検知することができる。

光ファイバケーブル２１の基部側には分光器２５が接続され、この分光器２５から、雷電流検知用の光信号を通す雷電流検知用光ファイバ２６と、歪み検知用の光信号を通す歪み検知用光ファイバ２７が延びている。雷電流検知用光ファイバ２６は、光信号変換装置１１の内部に設けられた雷電流検知用データロガー１１ａに接続され、歪み検知用光ファイバ２７は、同じく光信号変換装置１１の内部に設けられた歪み検知用データロガー１１ｂに接続されている。そして、光信号変換装置１１に接続されている制御装置１２は、雷電流検知用データロガー１１ａまたは歪み検知用データロガー１１ｂから入力される信号の種別より、落雷の情報と避雷導線９（または風車翼５ａ〜５ｃ）の歪みの情報とを判別する。

このように、光ファイバ電流センサ２２ａ〜２２ｄと光ファイバ歪みセンサ２３ａ〜２３ｄとを、同一の光ファイバケーブル２１により連続的に構成することにより、光ファイバ電流センサ２２ａ〜２２ｄ用の光ファイバケーブルと、光ファイバ歪みセンサ２３ａ〜２３ｄ用の光ファイバケーブルとを共通化でき、これにより落雷検出装置Ｅと歪み検出装置の両方の構成を簡素化することができる。

そして、以上のように、上記第１〜第６実施形態の落雷検出装置Ａ〜Ｅを風車回転翼６、もしくはナセル３等に適用することにより、簡素で安価、かつ信頼性の高い構造によって、風力発電装置１への落雷の有無と、落雷箇所を判定することができる。

なお、本発明の実施形態は、上述の第１〜第５実施形態のみに限定されることはない。例えば、第１〜第５実施形態を適宜組み合わせる等してもよい。また、本発明に係る落雷検出装置は、風力発電装置の風車回転翼のみに限らず、他の種の風車回転翼にも適用でき、さらには風力発電装置のみならず、他の建造物や移動体等にも幅広く適用することができる。

１ 風力発電装置
３ ナセル
４ ロータヘッド
５ａ，５ｂ，５ｃ 風車翼
６ 風車回転翼
８，８ａ〜８ｅ レセプタ（避雷部材）
９，９ａ〜９ｅ 避雷導線
１１ 光信号変換装置（光信号変換手段）
１２，１２ａ，１２ｂ 制御装置（制御手段）
１５，１５ａ〜１５ｅ 光ファイバ電流センサ
１６ａ〜１６ｅ，２１ 光ファイバケーブル
２３ａ〜２３ｄ 光ファイバ歪みセンサ
９３ 絶縁被覆材
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ 落雷検出装置

Claims (8)

1. 避雷部材と、
   前記避雷部材から延びて、落雷電流を地中に導く避雷導線と、
   前記避雷導線に設けられ、該避雷導線を流れる前記落雷電流を検知して光信号を出力する光ファイバ電流センサと、
   前記光ファイバ電流センサが出力する前記光信号を受信し、これを電気信号に変換して出力する光信号変換手段と、
   前記光信号変換手段が出力する前記電気信号を受信し、落雷があったと判定するとともに、管理者に落雷を報知する制御手段と、
   を備え、
   前記避雷導線１本あたりに、複数の前記光ファイバ電流センサを、前記避雷導線の長手方向に沿って離間させて設置し、これら複数の光ファイバ電流センサから出力される前記光信号を個別に前記制御手段に受信させるようにしたことを特徴とする落雷検出装置。
2. 前記避雷部材と、前記避雷導線と、前記光ファイバ電流センサとを、それぞれ複数箇所に設置し、
   前記光信号変換手段は、前記複数の光ファイバ電流センサから出力される前記光信号を個別に受信し、これら複数の光信号をそれぞれ固有の前記電気信号に変換して前記制御手段に出力する一方、
   前記制御手段は、前記光信号変換手段から入力された前記電気信号の種別を認識し、この種別に基づいて落雷箇所を判定し、それを報知することを特徴とする請求項１に記載の落雷検出装置。
3. 前記避雷部材を離間させて複数設け、これらの避雷部材に前記避雷導線をそれぞれ接続し、これら複数の避雷導線を数本ずつまとめる形で前記光ファイバ電流センサを１つ以上設置し、この光ファイバ電流センサから出力される前記光信号を前記制御手段に受信させるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の落雷検出装置。
4. １本の前記光ファイバ電流センサを２本の前記避雷導線に、その巻き付け方向を逆にして連続的に巻装することにより、前記２本の避雷導線のうちの一方に落雷電流が流れた場合には該光ファイバ電流センサから正の光信号が出力され、前記２本の避雷導線の他方に落雷電流が流れた場合には該光ファイバ電流センサから負の光信号が出力されるようにし、
   前記光信号変換手段は、該光ファイバ電流センサから受信した光信号の正負に応じて正または負の電気信号を出力し、
   前記制御手段は、前記電気信号の正負により、前記２本の避雷導線のどちらに落雷電流が流れたかを判別して落雷箇所を判定することを特徴とする請求項１または２に記載の落雷検出装置。
5. 前記光ファイバ電流センサを前記避雷導線の絶縁被覆材で被覆したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の落雷検出装置。
6. 前記光ファイバ電流センサと、この光ファイバ電流センサの近傍に位置する物体の歪みを測定する光ファイバ歪みセンサとを、同一の光ファイバケーブルにより連続的に構成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の落雷検出装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の落雷検出装置を備えたことを特徴とする風車回転翼。
8. 請求項７に記載の風車回転翼を備えたことを特徴とする風力発電装置。

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