JP5665669B2 - 接地電極における電位上昇の波及抑制方法 - Google Patents

Description

本発明は、接地電極周囲の土壌を改良することにより、雷撃時に生じる電位上昇が接地電極の周囲に波及するのを抑制する技術に関するものである。ここで、「土壌を改良する」とは、土壌自体の組成や含有水分量などを調整してその土壌の抵抗率を周辺の大地の抵抗率に対して変えることのほか、地中に絶縁材料を埋設してその絶縁材料を含む部位の土壌の抵抗率を周辺の大地の抵抗率に対して変えることを含む。

鉄塔や各種電気設備への雷撃時に雷撃地点の電位が上昇し、この電位上昇が周囲に波及して逆閃絡等の現象を引き起こすことが知られており、これによって各種電気機器や通信機器を破壊、損傷するおそれがあるため、従来から種々の対策が採られている。

例えば、特許文献１には、建造物を中心として放射状に複数本の接地線を接続することにより、接地線のサージインダクタンスを小さくし、１本当たりの接地線に流れる電流を低減して落雷点近傍の電位上昇を抑制すると共に、接地線全体に分流する雷電流を増加させて落雷点から離れた地点での電位低下を防止し、接地系全体としての電位を均等化するようにした接地系の接地構造が記載されている。

特開平９−２７３５９号公報「接地系の接地構造及び発電所」（段落[００２５]〜[００４０]、図１〜図７等）

しかしながら、特許文献１に記載された従来技術では、多数の接地線が必要不可欠であり、また、これらの接地線の接続構造も複雑であるため、接地工事に多くの労力とコストが必要であるという問題があった。

そこで、本発明の解決課題は、従来技術に比べて少ない労力及びコストにより、落雷時における接地電極の電位上昇が周囲に波及するのを抑制可能とした方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、大地に埋設されて雷電流が流れる起誘導側接地電極の電位上昇が、前記起誘導側接地電極の周囲に配置された被誘導側接地電極に波及するのを抑制するための電位上昇波及抑制方法において、
少なくとも前記起誘導側接地電極と前記被誘導側接地電極との間に存在して両接地電極と隔離された部分の土壌の抵抗値を、当該部分の周囲に存在する大地の抵抗値より相対的に高くすることにより、当該部分を土壌改良部としたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した波及抑制方法において、前記土壌改良部が、前記起誘導側接地電極と前記被誘導側接地電極との間で地表面とほぼ直交するように埋設された平面ほぼＩ字形の土壌からなることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載した波及抑制方法において、前記土壌改良部が、前記起誘導側接地電極を中心にしてその周囲を包囲するように埋設された筒状の土壌からなることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載した波及抑制方法において、前記土壌改良部が、前記起誘導側接地電極を中心にしてその周囲四面のうち前記被誘導側接地電極の反対側を除く三面に配置された平面ほぼコ字形の土壌からなることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１に記載した波及抑制方法において、前記土壌改良部が、前記起誘導側接地電極を中心にしてその周囲四面のうち前記被誘導側接地電極の反対側の一面と、前記起誘導側接地電極と前記被誘導側接地電極とを結ぶ線に平行な一面と、を除く二面に配置された平面ほぼＬ字形の土壌からなることを特徴とする。

なお、土壌改良部の形状、構造は、上述した請求項２〜５に記載したものに限定されないのはいうまでもなく、要は、起誘導側接地電極と被誘導側接地電極との間に存在して両接地電極と隔離された部分の土壌の抵抗値を、当該部分の周囲に存在する大地の抵抗値より相対的に高くするような形状、構造であればよい。

本発明によれば、雷撃地点である起誘導側接地電極の周囲に存在する各種電気機器、通信機器の接地電位が上昇するのを防ぎ、逆閃絡等によるこれらの機器の破壊や損傷を未然に防止することができる。
また、従来技術のように多数の接地線を相互に接続するような作業が不要になるため、労力やコストの低減も可能である。

垂直接地電極及びその周囲における電位上昇を解析するために用いた解析空間を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は正面図である。 解析に用いた注入電流波形を示す図である。 土壌改良部の形状を示した図であり、（ａ−１）〜（ｅ−１）はCase１〜５の正面図、（ａ−２）〜（ｅ−２）はCase１〜５の平面図である。 Case０における接地電極の電位変化を示す図である。 Case０及びCase１における接地電極の電位変化を示す図である。 Case０及びCase２における接地電極の電位変化を示す図である。 Case０及びCase３における接地電極の電位変化を示す図である。 Case０及びCase４における接地電極の電位変化を示す図である。 Case０及びCase５における接地電極の電位変化を示す図である。 Case５における土壌改良部の形状を示した図であり、（ｅ−１）は正面図、（ｅ−２）は平面図である。 Case５において土壌改良部の抵抗率を変化させた場合の接地電極２１，２２の電位変化を示す図である。 Case５において土壌改良部の抵抗率を変化させた場合の接地電極２１の電位上昇定常値（図１２（ａ））、接地電極２２の電位上昇定常値（図１２（ｃ））、及び、接地電極２２の電位上昇波高値（図１２（ｂ））を示す図である。 Case５において土壌改良部の深さを変化させた場合の接地電極２１，２２の電位変化を示す図である。 Case５において土壌改良部の深さを変化させた場合の接地電極２１の電位上昇定常値（図１４（ａ））、接地電極２２の電位上昇定常値（図１４（ｃ））、及び、接地電極２２の電位上昇波高値（図１４（ｂ））を示す図である。 Case５において土壌改良部の厚さを変化させた場合の接地電極２１，２２の電位変化を示す図である。 Case５において土壌改良部の厚さを変化させた場合の接地電極２１の電位上昇定常値（図１６（ａ））、接地電極２２の電位上昇定常値（図１６（ｃ））、及び、接地電極２２の電位上昇波高値（図１６（ｂ））を示す図である。 Case５において土壌改良部の幅を変化させた場合の接地電極２１，２２の電位変化を示す図である。 Case５において土壌改良部の幅を変化させた場合の接地電極２１の電位上昇定常値（図１８（ａ））、接地電極２２の電位上昇定常値（図１８（ｃ））、及び、接地電極２２の電位上昇波高値（図１８（ｂ））を示す図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は、雷撃時における接地電極及びその周囲の電位上昇を解析するために用いた解析空間を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は正面図である。
図１において、解析空間１０の刻み幅は、ｘ，ｙ，ｚ全ての方向でΔｓ＝０．２５ｍとし、解析空間１０の大きさはｘ方向：７６ｍ、ｙ方向：７４ｍ、ｚ方向：２７．５ｍとした。なお、解析空間１０を囲む６つの境界面は、Ｌｉａｏの２次吸収境界条件を用いて開空間を模擬している。ここで、Ｌｉａｏの２次吸収境界条件については、例えば、宇野亨による「ＦＤＴＤ法による電磁界およびアンテナ解析」（１９９８年３月２０日，コロナ社発行）のｐ．７２〜ｐ．８０に記載されている。
大地構造は、解析空間１０の底部から高さ１４．５ｍまでが、ρ＝１００Ωｍ、比誘電率ε_ｒ＝１０の物質で満たされているものとする。なお、図１（ｃ）において、１１は仮想地表面を示す。

解析空間１０の内部には、二本の垂直接地電極２１，２２が配置されており、一方の接地電極２１には電流注入線２３が接続されている。これらの接地電極２１，２２及び電流注入線２３には、半径５．７５ｍｍの細線導体モデルが使用されている。
一方の接地電極（起誘導側接地電極）２１は、図示されていない電流源（内部抵抗を５００Ωとする）から電流注入線２３を介して雷電流を注入するためのものであり、他方の接地電極（被誘導側接地電極）２２は、接地電極２１への雷電流注入時における電位上昇値を測定するための電極である。ここで、接地電極２１，２２の電位上昇値は、吸収境界面１２（図１（ｂ），（ｃ）を参照）から各測定点（接地電極２１，２２）までの大地面上電界の積分値であり、電圧プローブ２４（図１（ａ）を参照）を用いて測定される。

以上の解析条件のもとで、接地電極２１を鉄塔などの雷撃地点に見立てて電流を注入し、後述するように、接地電極２１の周囲において抵抗率ρ＝１０ｋΩｍ、比誘電率ε_ｒ＝１０とした土壌（以下、上記抵抗率及び比誘電率を有する土壌の一部を土壌改良部という）の形状を種々変化させたときに各接地電極２１，２２に現れる電位及び電位上昇値を計算した。
図２は接地電極２１への注入電流波形を示しており、一般的な帰還雷撃の波頭長を表現したものであって、波頭長が約１．０μｓ、波高値が１．０Ａのステップ波電流である。
電位上昇値の計算には、数値電磁界解析の一種であるＦＤＴＤ法（Finite-Difference Time-Domain Method）を用いた。このＦＤＴＤ法は、前述した文献「ＦＤＴＤ法による電磁界およびアンテナ解析」の第１章などに記載されている周知の数値電磁解析手法である。

次に、図３（ａ）〜（ｅ）は、土壌改良部の形状を５つのケース（Case１〜５）に分けて示したものである。各図において、左側の図は接地電極２１，２２周辺の正面図、右側の図は平面図であり、（ａ−１）はCase１の正面図、（ａ−２）はCase１の平面図を示し、以下同様に、（ｂ−１），（ｂ−２）はCase２を、（ｃ−１），（ｃ−２）はCase３を、（ｄ−１），（ｄ−２）はCase４を、（ｅ−１），（ｅ−２）はCase５を、それぞれ示している。なお、これらの図において、３１〜３５は土壌改良部をそれぞれ示している。

発明者は、図３に示す様々な形状の土壌改良部３１〜３５を有するCase１〜５を対象として、接地電極２１を雷撃地点（起誘導側）に見立てて電流を注入し、そのときの接地電極２１の電位が接地電極２２（被誘導側）に波及する様子を観測することにより、接地電極２２における電位上昇が最も抑制されるような土壌改良部の形状につき鋭意、研究した。
なお、前述したように土壌改良部の抵抗率ρは、周囲の大地の抵抗率よりも十分に大きくしてρ＝１０ｋΩｍとし、比誘電率はε_ｒ＝１０である。これらの土壌改良部の抵抗率及び比誘電率は、土壌の組成や含有水分量などを調整することで容易に実現可能である。

図３（ａ−１），（ａ−２）のCase１は、接地電極２１を中心として垂直方向に延びる直方体状の土壌を土壌改良部３１とした例、図３（ｂ−１），（ｂ−２）のCase２は、接地電極２１を中心として内面が接地電極２１から０．７５ｍの距離にある四角筒状（平面ロ字形）の土壌を土壌改良部３２とした例、図３（ｃ−１），（ｃ−２）のCase３は、接地電極２１を包囲する周囲四面のうち接地電極２２側の一面を除いた三面からなる平面コ字形の土壌を土壌改良部３３とした例、図３（ｄ−１），（ｄ−２）のCase４は、Case３において接地電極２１，２２を結ぶ線と平行な一面を除いた平面Ｌ字形の土壌を土壌改良部３４とした例、図３（ｅ−１），（ｅ−２）のCase５は、接地電極２１から０．７５ｍの距離をおいた接地電極２２側の一面（平面Ｉ字形）の土壌を土壌改良部３５とした例である。
土壌改良部３１〜３５の各部の長さは図３に示すとおりであり、接地電極２１，２２間の距離は２ｍである。また、図中の長さＬについては、表１に示すようにそれぞれ３種類（Case１は０．２５ｍ，１ｍ，１．７５ｍ、Case２〜５は０．２５ｍ，０．５ｍ，１ｍ）に変化させて測定した。
なお、表１におけるCase０は、接地電極２１の周囲（接地電極２１，２２間）に土壌改良を施していないケースであり、Case１〜５の比較対象である。

図４は、Case０について接地電極２１，２２の電位変化の計算結果を示す図である。接地電極２１，２２間に土壌改良部を設けない場合、起誘導側である接地電極２１では、定常値３０Ｖの容量性電位上昇が現れた。この電位上昇が周囲へ波及し、被誘導側である接地電極２２では、波高値７Ｖ、定常値６Ｖの誘導性電位上昇が現れた。

図５は、Case０及びCase１（図３（ａ−１），（ａ−２））における接地電極２１，２２の電位変化の計算結果を示す図である。
これらの波形によれば、Case１の土壌改良を行った場合、接地電極２１の接地抵抗が土壌改良部３１の大きさに依存して増加するため、起誘導側で電位上昇値が増加している。また、接地電極２２では電位上昇値は低減されなかった。つまり、起誘導側、被誘導側の両方で、Case０の結果よりも電位上昇が大きくなり、良好な結果は得られなかった。

図６は、Case０及びCase２（図３（ｂ−１），（ｂ−２））における接地電極２１，２２の電位変化の計算結果を示す図である。
これらの波形によれば、Case２の土壌改良を行った場合、Case１の場合と同様に起誘導側である接地電極２１の接地抵抗が土壌改良部３２の大きさに依存して増加している。しかしながら、Case２の土壌改良部３２の形状は筒状であり、接地電極２１の直近を土壌改良していないため、Case１ほど接地抵抗の増加量は大きくなかった。また、被誘導側である接地電極２２の電位上昇は、土壌改良部３２の大きさが大きくなるほど低減された。
以上の結果から、起誘導側の接地電極２１を囲むように電位上昇を波及させたくない接地電極２２が配置されている場合、Case２のように筒状の土壌改良部３２によって接地電極２１を包囲する方法が有効であると考えられる。しかしながら、起誘導側の接地電極２１の電位が土壌改良を行わない場合に比べて若干上昇するので、起誘導側での耐雷対策を強化する必要がある。

図７，図８，図９は、それぞれ、Case０とCase３（図３（ｃ−１），（ｃ−２））、Case０とCase４（図３（ｄ−１），（ｄ−２））、Case０とCase５（図３（ｅ−１），（ｅ−２））における接地電極２１，２２の電位変化の計算結果を示す図である。
これらの波形より、Case３（コ字形）→Case４（Ｌ字形）→Case５（Ｉ字形）というように土壌改良部３３〜３５の規模が小さくなるに従って、起誘導側の接地電極２１における電位上昇は抑制されている。これは、単純に、接地電極２１の接地抵抗が土壌改良部３３〜３５の規模に依存して変化する（小さくなる）ためである。また、被誘導側の接地電極２２の電位上昇低減効果は、Case３〜５でほぼ同程度であった。
具体的には、Case３〜５において、起誘導側の接地電極２１における電位上昇は５〜５５％程度であるが、被誘導側の接地電極２２における電位上昇は、定常値で２５〜６０％程度、波高値で１５〜３０％程度低減されることが明らかになった。これらのCase３（コ字形），Case４（Ｌ字形），Case５（Ｉ字形）については、起誘導側の接地電極２１の周囲にある被誘導側の接地電極２２（言い換えれば、雷撃地点の周囲に配置されていて電位上昇の波及を抑制したい電気機器等）の数や配置に応じて使い分ければよい。

なお、表２（有効数字３桁）は、Case１〜５における起誘導側の接地電極２１の電位、被誘導側の接地電極２２の電位、及び、Case１〜５のCase０に対する起誘導側の接地電極２１の電位上昇増加率、並びに、被誘導側の接地電極２２の電位上昇低減率についてまとめたものである。

次に、様々な土壌改良部のうち、特に、Case５として示したＩ字形の土壌改良部３５の規模とその効果について検討した結果を、以下に説明する。
図１０は、Case５における土壌改良部３５の形状を示した図であり、（ｅ−１）は正面図、（ｅ−２）は平面図である。ここでは、土壌改良部３５の抵抗率及び大きさ（深さ、厚さ、幅）を変化させた場合の電位上昇への影響について検討した。
図１０において、土壌改良部３５の深さｈ＝２ｍ、厚さＬ_１＝０．５ｍ、幅Ｌ_２＝１．０ｍ、抵抗率ρ＝１０ｋΩｍを基準とし、抵抗率ρを１〜１０ｋΩｍの範囲で変化させると共に、深さｈを０．５〜３．５ｍ、厚さＬ_１を０．２５〜１．０ｍ、幅Ｌ_２を０．５〜４．０ｍの範囲でそれぞれ変化させて計算した。
なお、接地電極２１への注入電流波形は、図２に示したものと同一であり、波頭長約１．０μｓ、波高値１．０Ａのステップ波電流である。

図１１は、土壌改良部３５の抵抗率ρを変化させた場合の接地電極２１，２２の電位変化の計算結果を示す図である。また、図１２は、土壌改良部３５の抵抗率を変化させた場合の接地電極２１の電位上昇定常値（図１２（ａ））、接地電極２２の電位上昇定常値（図１２（ｃ））、及び、接地電極２２の電位上昇波高値の計算結果を示している。なお、ρ＝１００Ωｍのケースは、土壌改良部３５の周囲の大地と同じ抵抗率であるから、土壌改良していない場合とみなすことができる。

図１１，図１２から明らかなように、土壌改良部３５の抵抗率は、起誘導側の接地電極２１の電位上昇値に大きな影響を与えていない。一方で、被誘導側の接地電極２２の電位上昇値は、土壌改良部３５の抵抗率を大きくするほど低減することが可能であった。
また、図１２より、接地電極２２の電位上昇低減効果は、土壌改良部３５の抵抗率ρ＝５〜１０ｋΩｍ辺りで飽和している。ただし、これは周囲の大地の抵抗率がρ＝１００Ωｍの場合の結果である。

次に、図１３は土壌改良部３５の深さｈ［ｍ］を変化させた場合、図１５は厚さＬ_１［ｍ］を変化させた場合、図１７は幅Ｌ_２［ｍ］を変化させた場合の、接地電極２１，２２の電位変化の計算結果をそれぞれ示している。
また、図１４は土壌改良部３５の深さｈ［ｍ］を変化させた場合、図１６は厚さＬ_１［ｍ］を変化させた場合、図１８は幅Ｌ_２［ｍ］を変化させた場合の、接地電極２１の電位上昇定常値（各図の（ａ））、接地電極２２の電位上昇定常値（各図の（ｃ））、及び、接地電極２２の電位上昇波高値（各図の（ｂ））を示している。

これらの図１３〜図１８によれば、土壌改良部３５の形状は、大きければ大きいほど起誘導側すなわち接地電極２１の電位上昇値は若干大きくなっているが、被誘導側すなわち接地電極２２の電位上昇を効果的に低減できることが明らかである。
また、土壌改良部３５の抵抗率と同様に、深さ、幅を変化させた場合にも飽和特性があり、今回の条件の場合、それぞれ、深さｈ＝３ｍ、幅Ｌ_２＝４．０ｍ程度で飽和を開始した。厚さＬ_１に関しては飽和特性が確認されていないが、これは、接地電極２１，２２間の距離（今回のモデルでは２ｍ）が狭いためであり、電極間隔が更に長い条件下では、厚さＬ_１の飽和特性も深さｈ及び幅Ｌ_２と同様に現れると考えられる。

以上のように、この実施形態によれば、接地電極２１，２２の間の土壌改良部の抵抗率や大きさ（深さ、厚さ、幅）を変化させることにより、接地電極２１への雷撃時に生じる電位上昇が接地電極２２側に波及するのを抑制することが可能である。
つまり、起誘導側の接地電極２１と電位上昇を波及させたくない被誘導側の接地電極２２との数や配置に応じて筒状、コ字形、Ｌ字形、Ｉ字形の土壌改良部３２〜３５を使い分けることにより、雷撃時の起誘導側の電位上昇を抑制しつつ被誘導側の電位上昇を効果的に低減することができる。
これにより、雷撃地点の周囲に存在する各種電気機器や通信機器の接地電位が上昇するのを防ぎ、逆閃絡等による機器の破壊や損傷を未然に防止することができる。
なお、電位上昇の抑制効果は、土壌改良部の抵抗率や大きさ（深さ、厚さ、幅）、接地電極の大きさ、形状、数、位置関係等によって異なるため、土壌改良部の施工に当たっては、事前に解析的な検討を行って費用対効果を考慮しつつ設計することが望ましい。

前述した各実施形態では、土壌改良部を均質な高抵抗の土壌によって形成することを想定しているが、例えば平板状あるいは粒状、粉末状のゴム等の絶縁材料を土壌に埋設し、この絶縁材料を含む部位の土壌全体を土壌改良部とすることもできる。
また、各実施形態では、土壌改良部の抵抗率をその周辺の大地の抵抗率よりも高くしてあるが、周辺の大地の抵抗率を下げることにより土壌改良部の抵抗率が相対的に高くなるようにしてもよい。

１０：解析空間
１１：仮想地表面
１２：吸収境界面
２１：垂直接地電極（起誘導側接地電極）
２２：垂直接地電極（被誘導側接地電極）
２３：電流注入線
２４：電圧プローブ

Claims (5)

1. 大地に埋設されて雷電流が流れる起誘導側接地電極の電位上昇が、前記起誘導側接地電極の周囲に配置された被誘導側接地電極に波及するのを抑制するための電位上昇波及抑制方法において、
   少なくとも前記起誘導側接地電極と前記被誘導側接地電極との間に存在して両接地電極と隔離された部分の土壌の抵抗値を、当該部分の周囲に存在する大地の抵抗値より相対的に高くすることにより、当該部分を土壌改良部としたことを特徴とする接地電極における電位上昇の波及抑制方法。
2. 請求項１に記載した波及抑制方法において、
   前記土壌改良部が、前記起誘導側接地電極と前記被誘導側接地電極との間で地表面とほぼ直交するように埋設された平面ほぼＩ字形の土壌からなることを特徴とした接地電極における電位上昇の波及抑制方法。
3. 請求項１に記載した波及抑制方法において、
   前記土壌改良部が、前記起誘導側接地電極を中心にしてその周囲を包囲するように埋設された筒状の土壌からなることを特徴とした接地電極における電位上昇の波及抑制方法。
4. 請求項１に記載した波及抑制方法において、
   前記土壌改良部が、前記起誘導側接地電極を中心にしてその周囲四方のうち前記被誘導側接地電極の反対側を除く三方に配置された平面ほぼコ字形の土壌からなることを特徴とした接地電極における電位上昇の波及抑制方法。
5. 請求項１に記載した波及抑制方法において、
   前記土壌改良部が、前記起誘導側接地電極を中心にしてその周囲四方のうち前記被誘導側接地電極の反対側の一方と、前記起誘導側接地電極と前記被誘導側接地電極とを結ぶ線に平行な一方と、を除く二方に配置された平面ほぼＬ字形の土壌からなることを特徴とした接地電極における電位上昇の波及抑制方法。

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