JP6128542B1 - 落雷抑制型避雷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】落雷を受け、両電極体や支持ロッドの接続部が損傷し、これらが分離させられた場合にあっても、これらの落下を防止する。【解決手段】接地された支持ロッド３の先端に電気的に導通された状態で取り付けられた第１電極体４と、この第１電極体４と所定間隔をおいて配置された第２電極体７と、これらの第１電極体４と第２電極体７とを電気絶縁状態に保持する電気絶縁体６とを備え、前記支持ロッド３を介して支持構造物２に取り付けられる落雷抑制型避雷装置１であって、前記第１電極体４と前記第２電極体７との間、前記支持ロッド３と前記第１電極体４との間、若しくは、前記支持ロッド３と前記支持構造物２との間の少なくとも１箇所に、これらを連結する連結索１１が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、落雷を抑制することで、雷害から建築物や設備機器等の被保護体を保護するための落雷抑制型避雷装置に関するものである。

従来の雷保護概念では、落雷は防止できないものとの観点から、落雷を突針形避雷針（フランクリンロッド）に受けて大地に流す方式が大半であった。

近年、雷保護の概念が改正され、角度法から回転球体法に移行する動き（新ＪＩＳ Ａ４２０１ ２００３年版）等もあるが、いずれにしても落雷による障害を完全に取り除くことは困難であった。特に、冬季雷のように雷撃規模（電流値や継続時間）が大きい場合、雷電流そのものや大地の電位上昇による各種の被害を起こしていた。
さらに、近年の機器はＩＣ化のため異常電流に弱く、落雷による問題が大きくなる傾向となっている。

一方、落雷を防止する技術として、電荷放散型防雷システム（ＤＡＳ）が開発されている（特許文献１参照）。しかし、このシステムは大規模な装備となるため価格が高く、特殊な設備にしか用いられていないのが実情である。
近年、落雷を抑制する技術として、消イオン容量型避雷針（ＰＤＣＥ）が現れ効果を見せている（特許文献２、特許文献３参照）。

落雷は大気中で起こる放電現象であり、雷放電には雲内放電、雲間放電、雲―大地間放電等がある。雷放電で大きな被害を出すのは雲―大地間放電（以下落雷）である。落雷は雷雲（雲底）と大地または大地等に建設された構造物との間の電界強度が非常に大きくなり、その電荷が飽和状態となって大気の絶縁を破壊したときに発生する現象である。

落雷の現象を詳細に観察すると、夏季に起こる一般的な落雷（夏季雷）の場合、雷雲が成熟すると雷雲からステップトリーダが大気の放電しやすいところを選びながら大地に近づいてくる。
ステップトリーダが大地とある程度の距離になると大地または建築物（避雷針）、木などからステップトリーダに向かって、微弱電流の上向きストリーマ（お迎え放電）が伸びてくる。
このストリーマとステップトリーダが結合すると、その経路を通って、雷雲と大地間に大電流（帰還電流）が流れる。これが落雷現象である。

特許文献２に記載の消イオン容量型避雷針（ＰＤＣＥ）は落雷抑制タイプの避雷針であり、上向きストリーマの発生を起こりにくくしたものである。そのため、このＰＤＣＥを最高部に取り付けた施設には落雷現象が起き難い。

このＰＤＣＥは、絶縁体を挟んで配置される上部電極体及び下部電極体を有し、下部電極体のみが接地される。したがって、例えばマイナス電荷が雲底に分布した雷雲が近づくと、それとは逆の電荷（プラス電荷）が大地の表面に分布し、雲底のプラス電荷に引き寄せられて下部電極体にもプラス電荷が集まるようになる。すると、絶縁体を介して配置されている上部電極体は、コンデンサの作用でマイナス電荷を帯びる。この作用により、ＰＤＣＥとその周辺における上向きストリーマの発生を起こりにくくし、落雷の発生を抑制する。

北陸の平地でＰＤＣＥを設置し、５年にわたり雷観測カメラやＬＬＳ（Lightning Location System）を用いて落雷の有無を観測した結果、夏季には、ＰＤＣＥ設置箇所において落雷が観測されなかった。
これらの観測結果から、夏季雷に対して、ＰＤＣＥは帰還電流を防止（落雷を防止）し、落雷による被害を抑制することが判った。

特開平８−２７３７１５号公報 特開２００８−１０２４１号公報 特開２０１０−２０５６８７号公報

本発明者らは、上記ＰＤＣＥによる夏季雷の抑制のメカニズムを研究していく中で、ＰＤＣＥの上下の電極体間の絶縁性を高めることにより、その抑制効果を増大させることができることを見出している。

ところで、ＰＤＣＥへの落雷時には、上下の電極体間の空間部内圧力が、最大で８０ｋｇ／ｃｍ^２に達すると想定されており、ＰＤＣＥの健全性を確保するために、両電極体の連結強度を前述した内部圧力に耐え得るような値に設定されている。

しかしながら、落雷時の内部圧力が前述した設定値以上となると、両電極が分離してこの電極体が落下してしまうことから、その対策が必要である。

また、ＰＤＣＥへの落雷時には、たとえば、急激な温度変化に伴って避雷装置の構成部材間の接続部が損傷してしまうことも想定され、それに伴う前記構成部材の落下への対策も必要である。

本発明の落雷抑制型避雷装置は、接地された支持ロッドの先端に電気的に導通された状態で取り付けられた第１電極体と、この第１電極体と所定間隔をおいて配置された第２電極体と、これらの第１電極体と第２電極体とを電気絶縁状態に保持する電気絶縁体とを備え、前記支持ロッドを介して支持構造物に取り付けられる落雷抑制型避雷装置であって、前記第１電極体と前記第２電極体との間、前記支持ロッドと前記第１電極体との間、若しくは、前記支持ロッドと前記支持構造物との間の少なくとも１箇所に、これらを連結する連結索が設けられていることを特徴としている。

本発明の落雷抑制避雷装置は、前記支持ロッドを介して落雷から保護する被保護体に設置された前記支持構造物に取り付けられ、取り付けられた状態で、前記第１電極体が、前記支持構造物と支持ロッドを介して大地へ接地される。

そして、マイナス電荷が雲底に分布した雷雲が近づくと、それとは逆の電荷（プラス電荷）が大地の表面に分布し、前記大地に接地された前記支持ロッドおよび前記第１電極体にもプラス電荷が集まるようになる。

すると、前記第１電極体および前記支持ロッドに前記電気絶縁層を介して配置されている前記第２電極体は、コンデンサの作用でマイナス電荷を帯びる。
この作用により、前記第２電極体や前記被覆管とその周辺における上向きストリーマの発生を起こりにくくし、落雷の発生を抑制することができる。

一方、雷雲によって発生させられる雷のエネルギーが、前述した落雷抑制型避雷装置で得られる落雷抑制作用よりも大きい場合、そのエネルギーによって前記第２電極体と前記第１電極体間の電気絶縁が破られて落雷が発生し、前記エネルギーが前記支持ロッドや前記支持構造物を経て大地へ流される。

前述した落雷エネルギーにより、第１電極体、電気絶縁体、および、第２電極体と、によって形成されている空間部内の空気が加熱されて膨張し、その空間部内の圧力が上昇する。

そして、空間部内の圧力が、第１電極体、および、第２電極体と電気絶縁体との接続強度よりも大きくなった場合、第１電極体と電気絶縁体の接続部、あるいは、第２電極体と電気絶縁体の接続部が破壊されて、第２電極体が第１電極体から分離する。

ここで、第１電極体と第２電極体が、連結索によって連結されていることから、分離した第２電極体が、連結索を介して第１電極体に支持される。
この結果、第１電極体の落下を防止することができる。

一方、前述した落雷エネルギーが、前記第２電極体と前記支持ロッドとの接続部や、この支持ロッドと前記支持構造物との接続部を破壊してしまうことも想定される。

この場合には、前記連結索を、前記第２電極体と前記支持ロッド間や、前記支持ロッドと前記支持構造物間にも設けておくことにより、これらの落下を防止することができる。

前記連結索を前記第１電極体と前記第２電極体間に設ける場合には、連結索を第１電極体、第２電極体、および、電気絶縁体とによって取り囲まれた空間部に内装することができる。

そして、この場合には、両電極体間の電気絶縁を確保するために、前記連結索を電気絶縁性材料によって形成する必要がある。

前記連結索は、可撓性を有する材料によって形成することが好ましい。
このような構成とすることにより、前述した両電極体や支持ロッドの分離を円滑なものとすることができる。

さらに、前記連結索を、屈曲性のある保護チューブによって被覆することができる。この保護チューブとしては、ゴムチューブ、屈曲性樹脂チューブ、シリコーンチューブなどの屈曲性と絶縁性を有するものが好適に用いられる。
このような構成とすることにより、前述した両電極体や支持ロッドが分離して、連結索が他の部材に接触した際に、この連結索を保護チューブによって効果的に保護することができる。
この結果、連結索の損傷を防止して、前述した両電極体や支持ロッドの落下防止効果を高めることができる。

本発明によれば、落雷を受け、両電極体や支持ロッドの接続部が損傷し、これらが分離させられた場合にあっても、これらの落下を連結索によって防止することができる。

本発明の第１の実施形態を示す縦断面図である。 本発明におけるストリーマ発生抑制作用を説明するための概略図である。 本発明の第１の実施形態を示すもので、第２電極が分離した状態を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す正面図である。 本発明の第２の実施形態を示すもので、電極体が分離した状態を示す図である。 本発明の第３の実施形態を示す正面図である。

以下、本発明の第１の実施形態について、図１ないし図３を参照して詳細に説明する。
図１中、符号１は、本実施形態の落雷抑制型避雷装置（以下、避雷装置と略称する）を示す。

本実施形態に係る落雷抑制型避雷装置１は、図１に示すように、落雷から保護すべき被保護体（図示略）に併設され、大地Ｅに接地された支持構造物２上に設置されている。

前記支持構造物２の上部には、導電性材料によって形成された支持ロッド３が装着されており、この支持ロッド３の上端には、導電性材料によって形成され、上方が開放されたた半球殻状の第１電極体４が螺着されている。

また、第１電極体４は、支持ロッド３に螺合させられているロックナット５によって一体化されているとともに、必要に応じて、支持ロッド３に点溶接される。

第１電極体４には、電気絶縁材料によって形成された筒状の電気絶縁体６を介して第２電極体７が取り付けられている。

この第２電極体７は、導電性材料によって形成され、下方が開放された半球殻状に形成されている。

また、第１電極体４、および、第２電極体７の底部には、それぞれ、環状溝４ａ・７ａが形成されているとともに、これらの環状溝４ａ・７ａの中心部に位置する部位に、球殻状の突起４ｂ・７ｂが形成され、環状溝４ａ・７ａに電気絶縁体６の各端部が嵌合させられてこの電気絶縁体６と一体化されている。

そして、電気絶縁体６は、ＦＲＰやアルミナ９９．６％の粉体を圧密成形した後に焼成して形成されたファインセラミックによって厚肉の円筒状に形成され、その高さ（軸線方向の長さ）が、各突起４ｂ・７ｂ間の間隔Ｌが所定間隔となるように設定されている。
また、電気絶縁体６は、環状溝４ａ・７ａへの嵌合とともに、接着剤等によって両電極体４・７へ所定強度で一体化されている。

これによって、第１電極体４、第２電極体７、および、電気絶縁体６により、液密、および、気密な空間Ｓが形成されている。

本実施形態においては、前記空間Ｓが、第１電極体４に形成された通気孔４ｃを介して外気へ連通させられている。

また、第１電極体４と第２電極体７との間には、電気絶縁体６の周囲を全周に亙って覆う、電気絶縁材料によって形成されたカバー部材８が介装されている。

カバー部材８は、本実施形態においては、シリコーンゴムやフッ素ゴムによって形成されており、電気絶縁体６の外周を取り囲むようにして配設される環状の基部８ａと、この基部８ａの外周に連続して形成され、両電極体４・７の外方へ延設されるとともに、第１電極体４の側部を覆うスカート部８ｂとを備えている。

第１電極体４、第２電極体７、支持ロッド３は、高導電性を有するステンレスによって形成されている。

一方、前持ロッド３の下端部には、ねじ部３ａが形成されており、支持構造物２に取り付けられた支持プレート９を貫通して設置されるとともに、螺子部３ａに螺合されるダブルナット１０・１０によって支持プレート９に固定されるようになっている。

そして、第１電極体４は、支持ロッド３および図示しない接地用導電体（接地線）を介して大地Ｅに電気的に接続される。

本実施形態においては、第１電極体４と第２電極体７と間には連結索１１が設けられている。
この連結索１１は、たとえば、電気絶縁性を有し、かつ、可撓性を有するパラ系アラミド繊維等からなる連結紐１１ａと、この連結紐１１ａを全長に亙って覆う保護チューブ１１ｂとによって構成されている。この保護チューブ１１ｂとしては、ゴムチューブ、屈曲性樹脂チューブなどの屈曲性と絶縁性を有するものが好適に用いられる。この実施形態ではシリコーンチューブが用いられている。

このシリコーンチューブからなる保護チューブ１１ｂは、その弾力を利用して、連結紐１１ａへの衝撃等の外力を緩和することにより、その損傷を防止するようになっている。

連結紐１１ａは、第１電極体４、第２電極体７、および、電気絶縁体６によって取り囲まれた空間Ｓ内に配置されているとともに、その各端部が、第１電極体４、および、第２電極体７に、固定ボルト１２・１３によって固定されている。

このように構成された本実施形態の避雷装置１は、前述したように、被保護体に併設された支持構造物２に支持ロッド３を介して固定され、また、第１電極体４を接地線によって接地することによって設置される。

このように設置された避雷装置１は、図２に示すように、雷雲Ｃ等の接近により大地や被保護体等がプラス電荷に帯電すると、第２電極体７の表面はマイナス電荷に帯電するように設計されている。なお、この帯電機能自体は既存のＰＤＣＥと同様の原理に基づいている。

したがって、第２電極体７に帯電したマイナス電荷によって上向きストリーマの発生を抑制して、避雷装置１周りへの落雷を抑制し、これによって、被保護体への落雷を抑制することができる。

そして、想定外のエネルギーの雷が発生し、この雷が本実施形態の避雷装置１に落雷した場合、この雷のエネルギーが、前記第２電極体７と第１電極体４との絶縁を壊して、接地線から大地Ｅへと流される。

このような落雷時において、空間Ｓ内の圧力が急激に上昇し、第１電極体４、および、第２電極体７の接続部に、その接続強度以上の外力が作用した場合、たとえば、第２電極体７が第１電極体４から脱落してしまう。

本実施形態においては、前述した第２電極体７の脱落が起こっても、この第２電極体７が前記連結索１１によって前記第１の電極体４へ連結されていることから、図３に示すように、脱落した前記第２電極体７の落下が防止される。

したがって、高所に設置される避雷装置１が破壊された場合にあっても、その構成体が地上へ落下することが防止され、被保護体周りの安全が確保される。

なお、前記実施形態において示した各構成部材の諸形状や構成は一例であって、設計要求等に基づき種々変更可能である。

たとえば、避雷装置１に設けられる連結索１１は、図４に示すように、相互に接続されている第１の電極体４と支持ロッド３間に設けるようにしてもよい。
このような構成とすることにより、落雷時に、第１の電極体４と支持ロッド３との接続部が破壊された際に、図５に示すように、この支持ロッド３の上部に取り付けられている第１電極体４や第２電極体７等の構成部材の落下を防止することができる。

また、支持ロッド３と支持構造物２との接続部が破壊されることが想定される場合には、図６に示すように、支持ロッド３と支持構造物２との間を、連結索１１によって連結しておけばよい。

さらに、前述した第１電極体４と第２電極体７との間、第２電極体７と支持ロッド３との間、および、支持ロッド３と支持構造物２との間の全てに連結索１１を設けておくこともできる。

１ (落雷抑制型)避雷装置
２ 支持構造物
３ 支持ロッド
３ａ ねじ部
４ 第１電極体
４ａ 環状溝
４ｂ 突起
４ｃ 通気孔
５ ロックナット
６ 電気絶縁体
７ 第２電極体
７ａ 環状溝
７ｂ 突起
８ カバー部材
８ａ 基部
８ｂ スカート部
９ 支持プレート
１０ ダブルナット
１１ 連結索
１１ａ 連結紐
１１ｂ 保護チューブ
１２ 固定ボルト
１３ 固定ボルト
Ｃ 雷雲
Ｅ 大地
Ｓ 空間

Claims (4)

1. 接地された支持ロッドの先端に電気的に導通された状態で取り付けられた第１電極体と、この第１電極体と所定間隔をおいて配置された第２電極体と、これらの第１電極体と第２電極体とを電気絶縁状態に保持する電気絶縁体とを備え、前記支持ロッドを介して支持構造物に取り付けられる落雷抑制型避雷装置であって、前記第１電極体と前記第２電極体との間、前記支持ロッドと前記第１電極体との間、若しくは、前記支持ロッドと前記支持構造物との間の少なくとも１箇所に、これらを連結する連結索が設けられていることを特徴とする落雷抑制型避雷装置。
2. 前記第１電極体と前記第２電極体とを連結する前記連結索が、電気絶縁性材料によって形成されているとともに、前記第１電極体、前記第２電極体、および、前記電気絶縁体とによって取り囲まれた空間部に内装されていることを特徴とする請求項１に記載の落雷抑制型避雷装置。
3. 前記連結索が可撓性を有する材料によって形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の落雷抑制型避雷装置。
4. 前記連結索が、屈曲性のある保護チューブによって被覆されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の落雷抑制型避雷装置。