JP5813420B2 - 建造物雷電位上昇抑制装置 - Google Patents

Description

本発明は、建造物への落雷により当該建造物及び隣接建造物の対地電位が上昇するのを抑制する建造物雷電位上昇抑制装置に関するものである。

建造物への直撃雷や誘導雷、逆流雷に起因する過電流、過電圧により、各種の電気・電子機器、通信機器、医療機器等の損傷や誤作動を招くことが知られている。
特に、建造物の避雷針に落雷した場合には、当該建造物だけでなく、隣接する建造物の対地電位（接地電位）も上昇し、これによって各種機器に悪影響を及ぼすことが問題となっている。

ここで、図６は、建造物への落雷時における対地電位上昇原理を説明するための図である。
図６において、１００は大地、１０１は大地１００の無限遠点に相当する仮想接地抵抗零点、２０１，２０２，２０３はビル等の建造物、３０１は建造物２０１の屋上に設置された避雷針、３０２は避雷針３０１に接続された引き下げ導線、３０３は引き下げ導線３０２に接続された接地極、３０４は接地極３０３から仮想接地抵抗零点１０１に至る仮想電流路である。また、ＴＣは雷雲を示す。

上記構成において、建造物２０１の避雷針３０１に落雷すると、雷サージ電流は引き下げ導線３０２を介して接地極３０３に流れ、更に、仮想電流路３０４を介して仮想接地抵抗零点１０１に流れる。いま、建造物２０１，２０２，２０３が仮想電流路３０４に沿って配置されているとすると、これらの建造物の対地電位は、仮想電流路３０４を流れる雷サージ電流と各建造物の接地抵抗との積に相当する電圧降下分だけ、大地１００の零電位（仮想接地抵抗零点１０１の電位）に対して上昇した値となる。
すなわち、各建造物２０１，２０２，２０３の対地電位を模式的に示すと、図６に示すごとくＶ_０１＞Ｖ_０２＞Ｖ_０３となり、落雷した建造物２０１だけでなく、この建造物２０１に近い建造物ほど対地電位が上昇するため、建造物内での電磁誘導等によって各種の電気・電子機器、通信機器等に悪影響を与える。

このため、落雷時における建造物の対地電位上昇を抑制するための技術が、従来から種々提供されている。
例えば、特許文献１には、建造物の直下に布設されたメッシュ状の接地網に複数の接地棒を接続し、これらの接地棒を地中に鉛直に埋設して雷サージ電流を三次元的に拡散させることが記載されている。

また、特許文献２には、雷サージ電流を大地に流す接地電極を、鋼管と、その中心軸上に配置された導体と、これらの鋼管と導体との間に充填された導電性の充填材とによって構成することが記載されている。そして、雷サージ電流の低周波成分を前記導体に流すことにより、エネルギーの一部を主に抵抗損失として消費させ、また、高周波成分を前記鋼管及び充填材に流すことによって残りのエネルギーを抵抗損失、誘導損失等により消費させることが記載されており、上記作用により接地抵抗を低下させて対地電位の上昇を抑制している。

特開２００８−６６２０５号公報「建物の接地方法」（段落[００１３]〜[００１６]、図１等） 特開２００８−１６６１０４号公報「接地電極、接地電極群及び雷サージ電圧の低減方法」（段落[００２６]〜[００３８]、図１〜図５等）

しかしながら、特許文献１に記載された従来技術では、接地網に複数の接地棒を接続する必要があり、施工に多くの手間がかかると共に、多数の部材を必要としてコスト高になるという問題があった。
また、特許文献２に記載された従来技術では、雷サージ電流のエネルギーの多くを抵抗損失として消費させており、接地電極が損傷する等のおそれもあった。

そこで、本発明の解決課題は、少数の部品からなる簡単な構成により雷サージ電流を減少させて建造物の対地電位を抑制し、また、接地電極の損傷を防止することができる低コストの建造物雷電位上昇抑制装置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に係る建造物雷電位上昇抑制装置は、避雷針が引き下げ導線を介して接地極に接続されてなる建造物において、
前記避雷針と前記引き下げ導線との間に直列に接続された放電ギャップと、
前記放電ギャップから前記引き下げ導線を介して前記接地極に至る雷サージ電流の経路に配置された電流抑制用のコイルと、
前記コイルに並列に接続されたアークホーンと、
を備え、
前記引き下げ導線と前記接地極との間に前記コイルを配置することにより、前記避雷針、前記放電ギャップ、前記引き下げ導線、前記コイル、前記接地極の順に、前記避雷針から前記接地極に至る直列の雷サージ電流経路を形成したものである。

また、請求項２に係る建造物雷電位上昇抑制装置は、避雷針が引き下げ導線を介して接地極に接続されてなる建造物において、
前記避雷針と前記引き下げ導線との間に直列に接続された放電ギャップと、
前記放電ギャップから前記引き下げ導線を介して前記接地極に至る雷サージ電流の経路に配置された電流抑制用のコイルと、
前記コイルに並列に接続されたアークホーンと、
を備え、
前記放電ギャップと前記引き下げ導線との間に前記コイルを配置することにより、前記避雷針、前記放電ギャップ、前記コイル、前記引き下げ導線、前記接地極の順に、前記避雷針から前記接地極に至る直列の雷サージ電流経路を形成したものである。

本発明によれば、少数の部品からなる簡単な構成により雷サージ電流を減少させて建造物の対地電位を抑制することができる。また、接地電極に流入する雷サージ電流を大幅に抑制できるため、接地電極が損傷するおそれもなく、全体として低コストかつ施工が容易な建造物雷電位上昇抑制装置を提供することができる。

本発明の実施形態を示す構成図である。 本発明の実施形態の作用を説明する図である。 本発明の実施形態において、落雷時の建造物の対地電位を説明するための図である。 本発明の効果を確認するための試験装置の構成図である。 本発明の効果を確認するための雷サージ電流の波形図であり、図５（ａ）は本発明を模擬した図４の試験装置を用いた場合、図５（ｂ）は本発明を用いない場合である。 建造物への落雷時における対地電位上昇原理を説明するための図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態を示す構成図であり、図６と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。

まず、図１（ａ）において、３０５は避雷針３０１と引き下げ導線３０２との間に配置された放電ギャップである。また、引き下げ導線３０２と接地極３０３との間には、電流抑制用のコイル（リアクトル）３０６が接続されている。なお、コイル３０６は放電ギャップ３０５と引き下げ導線３０２との間に配置しても良い。

この実施形態の作用を、図２に基づいて説明する。
図２に示すように、雷雲ＴＣと避雷針３０１の先端との間の空間は一種のコンデンサＣ_１を（その静電容量値もＣ_１とする。）を構成しており、放電ギャップ３０５も一種のコンデンサＣ_２（同じく静電容量値をＣ_２とする。）を構成している。すなわち、雷雲ＴＣと引き下げ導線３０２との間にはコンデンサＣ_１，Ｃ_２の直列回路が構成されており、コンデンサＣ_２の両端電圧Ｖ_２は、雷雲ＴＣとコンデンサＣ_２の一端（引き下げ導線３０２）との間の電圧Ｖ_０に対して、数式１のような関係にある。
[数式１]
Ｖ_２＝Ｃ_１・Ｖ_０／（Ｃ_１＋Ｃ_２）

つまり、放電ギャップ３０５は電圧Ｖ_０を静電分圧しており、雷雲ＴＣが避雷針３０１に接近するほど静電容量値Ｃ_１は大きくなってコンデンサＣ_２の両端電圧Ｖ_２は電圧Ｖ_０に近付いていく。
そして、電圧Ｖ_２が放電ギャップ３０５の動作電圧を超えると放電が開始され、放電ギャップ３０５の周囲に熱電子等が放出されて雷雲ＴＣと避雷針３０１との間の放電が一層助長されて電路が形成されるので、雷サージ電流は、避雷針３０１→放電ギャップ３０５→引き下げ導線３０２→コイル３０６→接地極３０３の経路で流れる。

このとき、コイル３０６には、周知のように数式２で示すエネルギーＵ_ｍが蓄積される。なお、数式２において、Ｌはコイル３０６のインダクタンス、Ｉは雷サージ電流を示す。
[数式２]
Ｕ_ｍ＝（Ｌ・Ｉ^２）／２

従って、雷サージ電流Ｉが持つエネルギーをコイル３０６によって吸収することが可能であり、結果的に、接地極３０３から大地１００の仮想接地抵抗零点１０１（図６参照）に流れる雷サージ電流を減少させることができる。

なお、落雷時には雷サージ電流Ｉのエネルギーによってコイル３０６が焼損するおそれがあるので、図１（ｂ）に示すように、コイル３０６に並列にアークホーン３０７を接続し、コイル３０６の両端に過大な電圧が印加されたときにアークホーン３０１を動作させてコイル３０６を保護する。

図３は、本発明の実施形態において、落雷時の建造物の対地電位を説明するための図であり、前述した従来技術の図６に対応している。
本発明によれば、雷サージ電流のエネルギーをコイル３０６が吸収することにより、接地極３０３から仮想電流路３０４を介して仮想接地抵抗零点１０１に流れる電流が減少するため、建造物２０１，２０２，３０３の対地電位Ｖ_０１，Ｖ_０２，Ｖ_０３を図６の従来技術よりも大幅に低減することができる。
これにより、建造物２０１，２０２，２０３内に設置された各種の電気・電子機器、通信機器等に対し、電磁誘導等による悪影響を防止することができる。

なお、図１（ａ），（ｂ）及び図３では、建造物雷電位上昇抑制装置を構成するコイル３０６及びアークホーン３０７を接地極３０３の近傍に配置してあるが、前述したようにこれらを放電ギャップ３０５と引き下げ導線３０２との間に配置することにより、落雷時における引き下げ導線３０２の電位を低下させることができ、引き下げ導線３０２から建造物に電磁誘導が及ぶのを防止することができる。

次に、図４は、本発明の効果を確認するための試験装置の構成図であり、４０１は雷雲ＴＣを模擬した高電圧直流電源、４０２は雷雲ＴＣと避雷針３０１との間の前記コンデンサＣ_１に相当する放電ギャップ、４０３はディジタルオシロスコープ、４０４は放電ギャップ３０５とコイル３０６との直列回路に直列接続された金属皮膜抵抗、４０５は金属皮膜抵抗４０４の両端に接続された高圧プローブである。
ここで、放電ギャップ４０２の長さを５[ｍｍ]、放電ギャップ３０５の長さを０．５[ｍｍ]、金属皮膜抵抗４０４の抵抗値を１[Ω]とし、高電圧直流電源４０１から所定の大きさの直流高電圧を印加したときに金属皮膜抵抗４０４を流れる電流を雷サージ電流と見なして高圧プローブ４０５により電流−電圧変換し、数式３により雷サージ電流を求めた。
[数式３]
雷サージ電流＝（高圧プローブ４０５による測定電圧）／１[Ω]）×１０００

図５は、雷サージ電流の波形図であり、図５（ａ）は上述した図４の試験装置を用いた場合、図５（ｂ）は本発明を用いない場合を示している。
図５（ａ）では、雷サージ電流のｐ−ｐ値が約４００[Ａ]であるのに対し、図５（ｂ）では雷サージ電流のｐ−ｐ値が約６０００[Ａ]であり、本発明によって雷サージ電流を約９３．３[％]抑制できることが明らかになった。
すなわち、本発明によれば、落雷した建造物及びその隣接建造物における対地電位の上昇を効果的に抑制することが可能である。

本発明は、ビルディング、マンション等の建造物を始めとして、いわゆるメガソーラー発電設備や風力発電設備、送電鉄塔、通信鉄塔（これらも一種の建造物である）などにおいて、落雷時の当該設備及びその隣接設備の対地電位上昇を抑制する場合にも適用可能である。

１００：大地
１０１：仮想接地抵抗零点
２０１，２０２，２０３：建造物
３０１：避雷針
３０２：引き下げ導線
３０３：接地極
３０４：仮想電流路
３０５：放電ギャップ
３０６：コイル（リアクトル）
３０７：アークホーン
４０１：高電圧直流電源
４０２：放電ギャップ
４０３：ディジタルオシロスコープ
４０４：金属皮膜抵抗
４０５：高圧プローブ
ＴＣ：雷雲

Claims (2)

1. 避雷針が引き下げ導線を介して接地極に接続されてなる建造物において、
   前記避雷針と前記引き下げ導線との間に直列に接続された放電ギャップと、
   前記放電ギャップから前記引き下げ導線を介して前記接地極に至る雷サージ電流の経路に配置された電流抑制用のコイルと、
   前記コイルに並列に接続されたアークホーンと、
   を備え、
   前記引き下げ導線と前記接地極との間に前記コイルを配置することにより、前記避雷針、前記放電ギャップ、前記引き下げ導線、前記コイル、前記接地極の順に、前記避雷針から前記接地極に至る直列の雷サージ電流経路を形成したことを特徴とする建造物雷電位上昇抑制装置。
2. 避雷針が引き下げ導線を介して接地極に接続されてなる建造物において、
   前記避雷針と前記引き下げ導線との間に直列に接続された放電ギャップと、
   前記放電ギャップから前記引き下げ導線を介して前記接地極に至る雷サージ電流の経路に配置された電流抑制用のコイルと、
   前記コイルに並列に接続されたアークホーンと、
   を備え、
   前記放電ギャップと前記引き下げ導線との間に前記コイルを配置することにより、前記避雷針、前記放電ギャップ、前記コイル、前記引き下げ導線、前記接地極の順に、前記避雷針から前記接地極に至る直列の雷サージ電流経路を形成したことを特徴とする建造物雷電位上昇抑制装置。

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