JP7078930B2 - 絶縁型雷保護システム - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 電気学会研究会資料１頁～５頁「高耐圧ケーブル引下げ導線による建物内誘導磁界低減効果」及び７頁～１１頁「高耐圧ケーブル引下げ導線による建物内誘導磁界低減効果（２）～ケーブル接続方法の検討～」（一般社団法人電気学会、２０１８年１月１８日発行）に記載。 平成３０年３月１４日（水）～１６日（金）の平成３０年電気学会全国大会の講演論文集の１１２頁～１１３頁「高耐圧ケーブル引下げ導線による建物内誘導磁界低減効果」及び１１４頁～１１５頁「高耐圧ケーブル引下げ導線による建物内誘導磁界低減効果（２）～ケーブル接続方法の検討～」に記載の内容を文書で公開するとともにＣＤ－ＲＯＭ（発行日：平成３０年３月５日）にて公開。

本発明は、建物構造体と絶縁した引下げ導線として高耐圧ケーブルを使用した絶縁型雷保護システムに関する。

近年の高度電子化社会では、データセンター、大規模なシミュレーション施設、手術室などを備える病院、研究施設などでは極めて静的な電磁環境が望まれている。このような建物に落雷すると、雷電流の影響によって建物内の電気・電子機器に過電圧が誘導され、機器の故障あるいは誤動作の原因となる。

建物に設けられる雷保護システムは、受雷部（避雷針、棟上げ導体）から接地極までに至る引下げ導線として建物構造体（建物等の鉄骨や鉄筋）を利用したもの、引下げ導線として建物構造体と絶縁したケーブルを利用したもの（絶縁型雷保護システム）がある。

絶縁型雷保護システムの引下げ導線として用いられるケーブルには、シース導体の無いケーブルと、シース導体を有するケーブルとがある。前者は、裸電線又は、心線と絶縁材とで構成される比較的単純な構造の被覆電線である。ここでは総称して電線と称する。後者は、心線に加えて雷電流の外部への影響を遮蔽する目的のシース導体を有する構造をしており、ここでは高耐圧ケーブルと称する。

高耐圧ケーブルを用いた絶縁型雷保護システムとして、建屋の屋上に避雷針を建屋に対して絶縁して敷設し、避雷針から接地極までの間は、単数又は複数のシールド付電力ケーブル又は電力用高周波同軸ケーブルから成る避雷ケーブルを接続し、予め建屋の内部に通した金属管路内に避雷ケーブルを通して建屋の上から下に引下げ、避雷針に雷が誘導された際、避雷ケーブルに流れる雷電流と逆向きの誘導電流が金属管路に流れることにより、雷撃電流による避雷ケーブルの外部磁場の発生を抑制させ、落雷時に特定パスを通して雷電流を地中に流すとともに建屋内部に誘導雷による電磁場を発生させないようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１－２８９２０号公報

しかし、特許文献１のものでは、建物内への誘導磁場の発生を抑制できるが、金属管路内にシールド付電力ケーブルなどを収容する構成であるので構造が複雑となる。また、金属管路とシールド付電力ケーブルとの間の絶縁耐力を確保する必要がある。すなわち、シールド付電力ケーブルに雷過電圧が加わると、金属管路の内面とシールド付電力ケーブルのシールド層との間に雷過電圧が加わるので、その間の絶縁耐力の確保が必要となる。

絶縁型雷保護システムの引下げ導線であるケーブルに加わる雷過電圧は、電線の場合は電線と建物構造体との間であり、高耐圧ケーブルの場合には、心線とシース導体との間及びシース導体と建物構造体との間である。従って、電線の場合は電線と建物構造体との間の電圧（電線・建物構造体間電圧）の抑制が重要となり、高耐圧ケーブルの場合は心線とシース導体との間の電圧（心線・シース導体間電圧）Ｖｃｓの抑制、シース導体と建物構造体との間の電圧（シース導体・建物構造体間電圧）Ｖｓｅの抑制が重要となる。電線の場合の電線・建物構造体間電圧は、高耐圧ケーブルの場合のシース導体・建物構造体間電圧に相当するので、以下の説明では、電線・建物構造体間電圧をシース導体・建物構造体間電圧Ｖｓｅに読み替えて説明する。なお、高耐圧ケーブルの心線・シース導体間電圧Ｖｃｓの評価方法について、本出願人は、特願２０１６－２４６４０３により特許出願している。

ここで、絶縁型雷保護システムの課題は、建物内に生じる磁界（ピーク値及び振動）の抑制を図ること、及びケーブルの雷過電圧の抑制を図ることの２点である。そこで、所定の建物モデルを用意し、受雷部に所定の雷電流を印加して建物内に生じる磁界のピーク値及び振動を解析するとともに、ケーブルに印加される電圧を解析し、従来の雷保護システムの評価をした。

建物内に生じる磁界の振動・変動は建物内の電気・電子機器へ誘導電圧を生じさせる。この誘導電圧が電気・電子機器の耐量を超えれば、その機器は故障あるいは誤動作する。そのため、落雷時においても建物内の電気・電子機器を安定的に動作させるためには、磁界の振動を抑制させることが重要である。

図８は評価対象とした従来の雷保護システムの概略構成図であり、図８（ａ）は受雷部１１から接地極までに至る引下げ導線として建物構造体１２を利用したもの、図８（ｂ）は絶縁型雷保護システムの引下げ導線として電線１３を用い地上側で建物構造体１２と接続し接地したもの、図８（ｃ）は絶縁型雷保護システムの引下げ導線として高耐圧ケーブル１４を用い地上側で高耐圧ケーブル１４の心線－シース導体－建物構造体を短絡して接地し、屋上側（受雷部側）でシース導体－建物構造体を開放したもの｛高耐圧ケーブル（シース開放）｝、図８（ｄ）は絶縁型雷保護システムの引下げ導線として高耐圧ケーブル１４を用い地上側で高耐圧ケーブル１４の心線－シース導体－建物構造体を短絡して接地し、屋上側（受雷部側）でシース導体と建物構造体とを短絡したもの｛高耐圧ケーブル（シース短絡）｝を示している。なお、高耐圧ケーブルは本出願人の特許出願（特願２０１６－２４６４０３）により評価したものを採用した。

図９は、雷保護システムを有した建物モデルの解析箇所の説明図であり、図９（ａ）は立体的に示した建物の磁界及び電圧の解析箇所の説明図、図９（ｂ）は建物の磁界の解析箇所の説明図、図９（ｃ）は平面的に示した建物の磁界及び電圧の解析箇所の説明図である。図９では、建物は４階であり、建物構造体１２の上部の受雷部１１から高耐圧ケーブル１４（又は電線１３）が設けられている場合（絶縁型雷保護システムの場合）を示している。図９（ａ）において、黒丸のＵ１１～Ｕ４２は磁界の解析箇所である。Ｕ１１、Ｕ１２は建物１階フロアの２箇所、Ｕ２１、Ｕ２２は建物２階フロアの２箇所、Ｕ３１、Ｕ３２は建物３階フロアの２箇所、Ｕ４１、Ｕ４２は建物４階フロアの２箇所を示している。図９（ｂ）において、磁界の解析箇所Ｕｉ１、ｉ２（ｉ：１～４）は、４階の建物の各階フロア（ｉ：１～４）を４分割した直方体のうち対角線上の位置にある２つの直方体Ｓｉ１、Ｓｉ２の中心位置である。

図９（ａ）、図９（ｃ）において、矢印のＥ１１～Ｅ１４、Ｗ２１～Ｗ４４、ＷＳ１～ＷＳ４は引下げ導線｛高耐圧ケーブル１４（又は電線１３）｝に加わる雷電圧の解析箇所である。図９（ａ）のＩ１１は高耐圧ケーブル１４又は電線１３を流れる電流の解析箇所である。矢印のＥ１１～Ｅ１４は建物１階の４隅、Ｗ２１～Ｗ２４は建物２階の４隅、Ｗ３１～３４は建物３階の４隅、Ｗ４１～Ｗ４４は建物４階の４隅、ＷＳ１～ＷＳ４は建物４階の４隅の天井部（input part）である。

図１０は、図８に示した従来の雷保護システム（ａ）～（ｄ）における磁界のピーク値の解析結果のグラフである。図１０から分かるように、どの階でも建物構造体１２を引下げ導線とした雷保護システム（ａ）の磁界のピーク値が大きい。また、高耐圧ケーブル（シース短絡）の雷保護システム（ｄ）も建物４階フロアの磁界解析箇所Ｕ４２以外では磁界のピーク値が大きい。一方、引下げ導線として電線１３を用い地上側で建物構造体１２と接続し接地した雷保護システム（ｂ）、高耐圧ケーブル（シース開放）の雷保護システム（ｃ）の磁界のピーク値は、雷保護システム（ａ）、（ｄ）より小さい。

図１１は、図８に示した雷保護システム（ａ）～（ｄ）の磁界波形のグラフであり、図１１（ａ）は引下げ導線が建物構造体である雷保護システム（ａ）の磁界波形のグラフ、図１１（ｂ）は引下げ導線が電線である雷保護システム（ｂ）の磁界波形のグラフ、図１１（ｃ）は高耐圧ケーブル（シース開放）の雷保護システム（ｃ）の磁界波形のグラフ、図１１（ｄ）は高耐圧ケーブル（シース短絡）の雷保護システム（ｄ）の磁界波形のグラフである。これらの波形は、図９の建物モデルでの磁界の解析箇所Ｕ１１における磁界である。雷保護システム（ａ）の磁界に対して、雷保護システム（ｂ）、（ｃ）の磁界は、磁界のピーク値を抑制できているが、磁界の振動が継続している。雷保護システム（ｄ）では、振動を抑制できているが、ピーク値は雷保護システム（ｂ）（ｃ）には及ばない。

次に、図１２は図８に示した従来の雷保護システム（ｃ）、（ｄ）における高耐圧ケーブルの心線・シース導体間電圧Ｖｃｓの解析結果のグラフである。図１２から分かるように、高耐圧ケーブルの心線・シース導体間電圧Ｖｃｓは、雷保護システム（ｃ）、（ｄ）のいずれの場合も、建物の階庄が上階になるほど高くなる傾向にある。建物４階の４隅の天井部（input part）の雷電圧の解析箇所ＷＳ１において、高耐圧ケーブル（シース短絡）の雷保護システム（ｄ）の高耐圧ケーブルの心線・シース導体間電圧Ｖｃｓが最大となっているが１００［ｋＶ］は越えていない。従って、心線・シース導体間電圧Ｖｃｓは問題はない。

図１３は、図８に示した従来の雷保護システム（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）における電線又は高耐圧ケーブルのシース導体・建物構造体間電圧Ｖｓｅの解析結果のグラフである。なお、雷保護システム（ｂ）の引下げ導線は電線であるので、前述したように、図８中の雷保護システム（ｂ）のグラフにおけるシース導体・建物構造体間電圧Ｖｓｅは電線・建物構造体間電圧を示している。

図１３から分かるように、高耐圧ケーブルのシース導体・建物構造体間電圧Ｖｓｅは、雷保護システム（ｂ）、（ｃ）の場合は、建物の階庄が上階になるほど高くなる傾向にあるが、高耐圧ケーブル（シース短絡）の雷保護システム（ｄ）の場合は、いずれの階庄においても極めて小さい。建物４階の４隅の天井部（input part）の雷電圧の解析箇所ＷＳ１において、引下げ導線として電線１３を用い地上側で建物構造体１２と接続し接地した雷保護システム（ｂ）のシース導体・建物構造体間電圧（電線・建物構造体間電圧）Ｖｓｅが最大となっているが５００［ｋＶ］程度である。

表１に図８に示した従来の雷保護システム（ａ）～（ｄ）の評価結果を示す。表１では、雷保護システム（ａ）～（ｄ）について、建物内に生じる磁界（ピーク値及び振動）、引下げ導線であるケーブルに印加される雷過電圧、評価・コメントを記載している。表１中の○印は評価結果が「良」、×印は評価結果が「不可」、△印は「良」と「不可」との中間の評価、－印は評価対象外を示している。

雷保護システム（ａ）は、図１０及び図１１（ａ）から分かるように、建物内に生じる磁界のピーク値が大きいので「不可」である。雷保護システム（ｂ）は、図１０及び図１１（ｂ）から分かるように、建物内に生じる磁界のピーク値は小さいが図１１（ｂ）から分かるように磁界は振動している。また、図１３から分かるように、建物の階庄が上階になるほどシース導体・建物構造体間電圧Ｖｓｅが大きくなる。従って、評価として、磁界の振動の影響と雷過電圧が大きいことが課題として残る。

建物内の電気・電子機器への誘導電圧は、磁界の振動・変動により生じる。その大きさは、磁界の変動の竣度（単位時間当たりの変動の大きさ）に比例する。そのため、磁界が継続的に変動すればその間、電気・電子機器には誘導電圧が生じる。さらに、磁界が振動すれば、磁界の増減に応じて誘導電圧の極性が反転することから、電気・電子機器はより過酷な状況に置かれることになる。

雷保護システム（ｃ）は、雷保護システム（ｂ）の場合と同様に、図１０及び図１１（ｃ）から分かるように、建物内に生じる磁界のピーク値は小さいが、図１１（ｃ）から分かるように磁界は振動している。また、図１３から分かるように、建物の階庄が上階になるほどシース導体・建物構造体間電圧Ｖｓｅが大きくなる。一般に、シース導体は高耐圧ケーブルの保護を目的としていることから高い耐電圧は有しないので、シース導体・建物構造体間電圧Ｖｓｅを小さくするには、高耐圧ケーブルと建物構造体との間の離隔距離を大きくする必要がある。従って、評価として、磁界の振動の影響が懸念され雷過電圧が大きいことが課題である。

雷保護システム（ｄ）は、図１３から分かるように、シース導体・建物構造体間電圧Ｖｓｅは小さいが、図１０及び図１１（ｄ）から分かるように、建物内に生じる磁界のピーク値の抑制効果は低下する。従って、評価として、「不可」である。

このように建物内に生じる磁界を抑制するために高耐圧ケーブルを用いて絶縁型雷保護システムを構築させる要望はあっても、建物内に生じる磁界が振動してしまい、建物に静的な電磁環境を提供することができない。また、それと同時に落雷時に高耐圧ケーブルのシース導体・建物構造体間電圧Ｖｓｅを抑制することも求められる。すなわち、高耐圧ケーブルを用いた絶縁型雷保護システムの場合、建物内に生じる磁界（ピーク値及び振動）の抑制と高耐圧ケーブルのシース導体・建物構造体間電圧Ｖｓｅの抑制とは相反する関係にある。

本発明の目的は、落雷時に建物内部に生じる磁界のピーク値及び振動を抑制でき、高耐圧ケーブルのシース導体と建物構造体との間の電圧を低減できる絶縁型雷保護システムを提供することである。

請求項１の発明に係る絶縁型雷保護システムは、建物構造体と絶縁した引下げ導線として高耐圧ケーブルを使用した絶縁型雷保護システムにおいて、前記建物構造体の屋上側における前記高耐圧ケーブルのシース導体と前記建物構造体との間を屋上側抵抗を介して接続し、前記建物構造体の地上側における前記高耐圧ケーブルの心線とシース導体との間を短絡して建物構造体とともに共通接地したことを特徴とする。

請求項２の発明に係る絶縁型雷保護システムは、請求項１の発明において、前記屋上側抵抗は、前記建物構造体の屋上側における前記高耐圧ケーブルのシース導体と前記建物構造体との間のマッチング抵抗であることを特徴とする。

請求項３の発明に係る絶縁型雷保護システムは、請求項１の発明において、前記建物構造体の地上側における前記高耐圧ケーブルの心線とシース導体との間を短絡することに代えて、前記建物構造体の地上側における前記高耐圧ケーブルの心線とシース導体との間に地上側抵抗を接続し建物構造体とともに共通接地したことを特徴とする。

請求項４の発明に係る絶縁型雷保護システムは、請求項３の発明において、前記地上側抵抗は、前記建物構造体の地上側における前記高耐圧ケーブルの心線とシース導体との間のマッチング抵抗であることを特徴とする。

本発明によれば、落雷時にも建物内に電磁誘導による磁界の侵入が少なく、磁界の振動の抑制を図れる絶縁型雷保護システムを構築できる。さらに、高耐圧ケーブルのシース導体と建物構造体との間の電圧を抑制できる。

本発明の実施形態に係る絶縁型雷保護システムの構成図。 本発明の実施形態で評価対象とした絶縁型雷保護システムの概略構成図。 本発明の実施形態で評価対象とした絶縁型雷保護システムにおける磁界のピーク値の解析結果のグラフ。 本発明の実施形態の実施例１に係る絶縁型雷保護システムにおける磁界及び電流の解析結果のグラフ。 本発明の実施形態の実施例２に係る絶縁型雷保護システムにおける磁界及び電流の解析結果のグラフ。 本発明の実施形態で評価対象とした絶縁型雷保護システムにおける高耐圧ケーブルの心線・シース導体間電圧Ｖｃｓの解析結果のグラフ。 本発明の実施形態で評価対象とした絶縁型雷保護システムにおける高耐圧ケーブルのシース導体・建物構造体間電圧Ｖｓｅの解析結果のグラフ。 従来の雷保護システムの概略構成図。 雷保護システムを有した建物モデルの解析箇所の説明図。 従来の雷保護システムにおける磁界のピーク値の解析結果のグラフ 従来の雷保護システムにおける磁界の解析結果のグラフ。 従来の雷保護システムにおける高耐圧ケーブルの心線・シース導体間電圧Ｖｃｓの解析結果のグラフ。 従来の雷保護システムにおける電線又は高耐圧ケーブルのシース導体・建物構造体間電圧Ｖｓｅの解析結果のグラフ。

以下、本発明に至った経緯を説明する。発明者らは、高耐圧ケーブルを用いた引下げ導線の場合に、建物内に生じる磁界（ピーク値及び振動）を低減するとともに高耐圧ケーブルのシース導体と建物構造体との間の雷過電圧の低減を同時に満たすことを検討した。

実験および解析を行い、落雷時に建物内に発生する磁界、電流、高耐圧ケーブルの電圧を分析し検討することによって、建物の内部磁界やシース導体と建物構造体間の雷過電圧は、雷電流の反射による振動波形が大きく影響していることを見出した。

そこで、屋上側（受雷部側）でシース導体と建物構造体との間を屋上側抵抗を介して接続することにより、建物内に生じる磁界（ピーク値および振動）の低減と、高耐圧ケーブルに加わる電圧の低減とを同時に満たすことを見出した。この屋上側抵抗は、高耐圧ケーブルのシース導体と建物構造体との間のマッチング抵抗とすることで、シース導体での雷電流の反射を抑制でき、建物内に生じる磁界の振動を抑制できることを見出した。

図１は本発明の実施形態に係る絶縁型雷保護システムの構成図であり、図１（ａ）は実施例１の構成図、図１（ｂ）は実施例２の構成図である。

図１（ａ）に示す実施例１において、絶縁型雷保護システムの引下げ導線として高耐圧ケーブル１４を用い、屋上側（受雷部側）でシース導体１５と建物構造体１２との間を屋上側抵抗Ｒｓiを介して接続している。また、地上側で高耐圧ケーブル１４の心線１６とシース導体１５と建物構造体１２とを短絡（地上側抵抗を介さず接続）して建物構造体１２とともに共通接地している。

屋上側のシース導体１５と建物構造体１２との間に挿入する屋上側抵抗Ｒｓiは、屋上側での反射を抑制するものであり、これにより、シース導体１５の電位が安定する。この屋上側抵抗Ｒｓiは、例えば、建物構造体１２の屋上側における高耐圧ケーブル１４のシース導体１５と建物構造体１２との間のマッチング抵抗とする。そこで、屋上側抵抗Ｒｓiの値を選定するにあたって、高耐圧ケーブル１４のシース導体１５と建物構造体１２との間の特性インピーダンスを検討する。高耐圧ケーブル１４のシース導体１５と建物構造体１２との間の特性インピーダンスは、下記の（１）式で示される大地上の単相架空線（ケーブル）の特性インピーダンスＺ０を参考として算出する。

Ｚ０＝６０・ｌｎ（２ｈ／ｒ） …（１）
ｈ：ケーブル中心から建物構造体表面までの距離
ｒ：ケーブルの半径
いま、建物構造体１２とシース導体１５との距離ｈが２５０ｍｍ、シース導体１５の外径（半径）ｒが２０ｍｍであるとすると、（１）式から高耐圧ケーブル１４のシース導体１５と建物構造体１２との間の特性インピーダンスの値は１９３．１［Ω］と求められる。この値に基づき、本発明の実施形態の実施例１では屋上側抵抗Ｒｓiの値は２００［Ω］に設定する。

次に、図１（ｂ）に示す実施例２は、図１（ａ）に示した実施例１に対し、建物構造体１２の地上側における高耐圧ケーブル１４の心線１６とシース導体１５との間に地上側抵抗Ｒｓｇを接続し建物構造体１２とともに共通接地したものである。

地上側の心線１６とシース導体１５との間に挿入する地上側抵抗Ｒｓｇは、地上側でのシース導体１５と建物構造体１２との間での反射を抑制するともに、地上側での心線１６とシース導体１５との間のインピーダンス整合を図るものである。

この地上側抵抗Ｒｓｇは、例えば、建物構造体１２の地上側における高耐圧ケーブル１４の心線１６とシース導体１５との間のマッチング抵抗とする。そこで、地上側抵抗Ｒｓｇの値を選定するにあたって、高耐圧ケーブル１４の心線１６とシース導体１５との間の特性インピーダンスを検討する。高耐圧ケーブル１４の心線１６とシース導体１５との間の特性インピーダンスは下記の（２）式で示される。

Ｚ０＝６０・ｌｎ（Ｒ／ｒ）／√εｒ …（２）
Ｒ：シース導体の外径（半径）
ｒ：心線の外径（半径）
εｒ：心線－シース導体間の絶縁体の比誘電率（εｒ＝３）
いま、シース導体の外径（半径）Ｒが２０．２５ｍｍ、心線１６の外径（半径）ｒが１２．２５ｍｍであるとすると、（２）式から高耐圧ケーブル１４の心線１６とシース導体１５との間の特性インピーダンスの値は、１７．４［Ω］と求められる。この値に基づき、本発明の実施形態の実施例２では地上側抵抗Ｒｓｇは１８［Ω］に設定する。

次に、本発明の実施形態で評価対象とした絶縁型雷保護システムについて説明する。図２は、本発明の実施形態で評価対象とした絶縁型雷保護システムの概略構成図である。図２（Ａ）は図８（ｃ）に示した従来例ｃの絶縁型雷保護システム（Ａ）、図２（Ｂ）は図８（ｄ）に示した従来例ｄの絶縁型雷保護システム（Ｂ）、図２（Ｃ）は本発明の実施形態に対する比較例の絶縁型雷保護システム（Ｃ）、図２（Ｄ）は図１（ｂ）に示した本発明の実施形態の実施例２に係わる絶縁型雷保護システム（Ｄ）、図２（Ｅ）は図１（ａ）に示した本発明の実施形態の実施例１に係わる絶縁型雷保護システム（Ｅ）である。

絶縁型雷保護システム（Ａ）は、屋上側（受雷部側）で高耐圧ケーブル１４のシース導体－建物構造体を開放し地上側で心線１６とシース導体１５との間を短絡して建物構造体１２とともに共通接地したもの、絶縁型雷保護システム（Ｂ）は、絶縁型雷保護システム（Ａ）に対し屋上側（受雷部側）で高耐圧ケーブル１４のシース導体１５と建物構造体１２とを短絡したもの、絶縁型雷保護システム（Ｃ）は、絶縁型雷保護システム（Ｂ）に対し地上側で高耐圧ケーブル１４の心線１６とシース導体１５との間に地上側抵抗Ｒｓｇを接続して建物構造体１２とともに共通接地したもの、絶縁型雷保護システム（Ｄ）は、屋上側（受雷部側）でシース導体１５と建物構造体１２との間を屋上側抵抗Ｒｓiを介して接続し地上側で高耐圧ケーブル１４の心線１６とシース導体１５との間に地上側抵抗Ｒｓｇを接続して建物構造体１２とともに共通接地したもの、絶縁型雷保護システム（Ｅ）は、絶縁型雷保護システム（Ｄ）に対し、地上側で地上側抵抗Ｒｓｇを除去し心線１６とシース導体１５と建物構造体１２とを短絡して建物構造体１２とともに共通接地したものである。

図３は、図２に示した本発明の実施形態で評価対象とした絶縁型雷保護システム（Ａ）～（Ｅ）における磁界のピーク値の解析結果のグラフである。図３では、絶縁型雷保護システム（Ｄ）、（Ｅ）の屋上側抵抗Ｒｓiは２００［Ω］、絶縁型雷保護システム（Ｃ）、（Ｄ）の地上側抵抗Ｒｓｇは１８［Ω］とした場合を示している。図３の縦軸は磁界のピーク値、横軸は図９に示した建物モデルの磁界の解析箇所Ｕ１１～Ｕ４２である。

図３から分かるように、どの階でも高耐圧ケーブル１４のシース導体１５を屋上側で建物構造体１２に短絡接続した絶縁型雷保護システム（Ｂ）、（Ｃ）の磁界のピーク値が大きい。屋上側（受雷部側）でシース導体１５と建物構造体１２との間を屋上側抵抗Ｒｓiを介して接続した絶縁型雷保護システム（Ｄ）、（Ｅ）では磁界のピーク値が小さい。

次に、図４は本発明の実施形態の実施例１に係る絶縁型雷保護システム（Ｅ）における磁界と電流の解析結果のグラフであり、図４（ａ）は磁界の時間的変化を示すグラフ、図４（ｂ）は引下げ導線である高耐圧ケーブル１４の心線１６及びシース導体１５を流れる電流のグラフである。なお、図４では磁界の解析箇所は建物１階のＵ１１の場合を示している。

図４（ａ）において、Ｅｘは建物１階の磁界の解析箇所Ｕ１１でのｘ軸方向の磁界、Ｅｙはｙ軸方向の磁界、Ｅｚはｚ軸方向の磁界の時間的変化を示している。Ｅｔは、ｘ軸方向の磁界Ｅｘ、ｙ軸方向の磁界Ｅｙ、ｚ軸方向の磁界Ｅｚの合成磁界｛Ｅｔ＝（Ｅｘ２＋Ｅｙ２＋Ｅｚ２ ）１／２｝である。受雷してから１［μｓ］までは磁界は振動しているが、それ以降は磁界の振動は収まっている。

図４（ｂ）において、Ｉｃは高耐圧ケーブル１４の心線１６を流れる電流、Ｉｓは高耐圧ケーブル１４のシース導体１５を流れる電流、Ｉｔは心線電流Ｉｃとシース導体電流Ｉｓとの合成電流（Ｉｔ＝Ｉｃ＋Ｉｓ）である。図４（ｂ）の心線電流Ｉｃ、シース導体電流Ｉｓ、合成電流Ｉｔは、図９の建物モデルにおける電流の解析箇所Ｉ１１の電流である。心線電流Ｉｃ及びシース導体電流Ｉｓはそれぞれ大きく振動しているが、合成電流Ｉｔはほとんど振動していない。磁界の振動は電流の振動が原因となって生じるものであることから、合成電流Ｉｔが振動していないので、図４（ａ）から分かるように磁界の振動も受雷してから１［μｓ］以降は収まっている。

図５は本発明の実施形態の実施例２に係る絶縁型雷保護システム（Ｄ）における磁界と電流の解析結果のグラフであり、図５（ａ）は磁界の時間的変化を示すグラフ、図５（ｂ）は引下げ導線である高耐圧ケーブル１４の心線１６及びシース導体１５を流れる電流のグラフである。なお、図５では磁界の解析箇所は建物１階のＵ１１の場合を示している。

図５（ａ）において、図４（ａ）の場合と同様に、Ｅｘは建物１階の磁界の解析箇所Ｕ１１でのｘ軸方向の磁界、Ｅｙはｙ軸方向の磁界、Ｅｚはｚ軸方向の磁界の時間的変化を示している。Ｅｔは、ｘ軸方向の磁界Ｅｘ、ｙ軸方向の磁界Ｅｙ、ｚ軸方向の磁界Ｅｚの合成磁界｛Ｅｔ＝（Ｅｘ２＋Ｅｙ２＋Ｅｚ２ ）１／２｝である。受雷してから１［μｓ］までは磁界は振動しているが、それ以降は磁界の振動は収まっている。

図５（ｂ）において、Ｉｃは高耐圧ケーブル１４の心線１６を流れる電流、Ｉｓは高耐圧ケーブル１４のシース導体１５を流れる電流、Ｉｔは心線電流Ｉｃとシース導体電流Ｉｓとの合成電流（Ｉｔ＝Ｉｃ＋Ｉｓ）である。

受雷してから１［μｓ］の間は、心線電流Ｉｃ、シース導体電流Ｉｓ、合成電流Ｉｔはそれぞれ大きく振動しているが、１［μｓ］以降は、心線電流Ｉｃ、シース導体電流Ｉｓ、合成電流Ｉｔの振動は収まっている。磁界の振動は電流の振動が原因となって生じるものであることから、心線電流Ｉｃ、シース導体電流Ｉｓ、合成電流Ｉｔのいずれもが受雷してから１［μｓ］以降は振動は収束しているので磁界の振動もない。

次に、図６は本発明の実施形態で評価対象とした絶縁型雷保護システムにおける高耐圧ケーブルの心線・シース導体間電圧Ｖｃｓの解析結果のグラフである。絶縁型雷保護システム（Ａ）～（Ｅ）のどの絶縁型雷保護システムであっても心線・シース導体間電圧Ｖｃｓを所定値（例えば２００ｋＶ）以下に抑制できる。特に、心線・シース導体間電圧Ｖｃｓが大きい絶縁型雷保護システム（Ｃ）であっても、どの階（建物１階の接地箇所、建物４階の天井部を含む）でも心線・シース導体間電圧Ｖｃｓは所定値以下とすることができる。

図７は、本発明の実施形態で評価対象とした絶縁型雷保護システムにおける高耐圧ケーブルのシース導体・建物構造体間電圧Ｖｓｅの解析結果のグラフである。図７から分かるように、建物１階の接地箇所では絶縁型雷保護システム（Ａ）～（Ｅ）のシース導体・建物構造体間電圧Ｖｓｅはいずれも小さい。建物２階以上では、屋上側（受雷部側）でシース導体－建物構造体を開放した絶縁型雷保護システム（Ａ）のシース導体・建物構造体間電圧Ｖｓｅが大きく、屋上側でシース導体１５を建物構造体１２に短絡接続した絶縁型雷保護システム（Ｂ）、（Ｃ）のシース導体・建物構造体間電圧Ｖｓｅが小さい。また、屋上側（受雷部側）でシース導体１５と建物構造体１２との間を屋上側抵抗Ｒｓiを介して接続した絶縁型雷保護システム（Ｄ）、（Ｅ）では、シース導体・建物構造体間電圧Ｖｓｅは絶縁型雷保護システム（Ａ）より小さく、絶縁型雷保護システム（Ｂ）、（Ｃ）より大きい。

図７から分かるように、シース導体・建物構造体間電圧Ｖｓｅだけで判断すれば、絶縁型雷保護システム（Ｂ）、（Ｃ）が優れているが、図３から分かるように、絶縁型雷保護システム（Ｂ）、（Ｃ）は建物内部磁界が大きく好適な形態とはならない。

以上のことから、引下げ導線として高耐圧ケーブル１４を用いた場合には、建物内に生じる磁界（ピーク値及び振動）を低減するとともに高耐圧ケーブル１４のシース導体１５と建物構造体１２との間の電圧の低減を同時に満たすには、屋上側（受雷部側）でシース導体１５と建物構造体１２との間を屋上側抵抗Ｒｓｉを介して接続すること好ましいこととの結論に至った。

屋上側抵抗Ｒｓｉは、高耐圧ケーブル１４のシース導体１５と建物構造体１２との間のマッチング抵抗とすることで、シース導体１５での雷電流の反射を抑制でき、シース導体１５上での電流の振動を抑制して建物内に生じる磁界の振動を抑制する。

屋上側抵抗Ｒｓｉによって、磁界の振動を抑制できるのは、シース導体１５上での電流の振動を抑制できるためである。また、高耐圧ケーブル１４のシース導体１５と建物構造体１２との間の電圧Ｖｓｅを抑制できるのは、シース導体１５が心線１６と建物構造体１２との間に位置しており静電結合によってシース導体１５の電位が決まることから、原理的に裸導線に比べて必ず低い耐電圧に抑制できるためである。

さらに、屋上側抵抗Ｒｓｉに加えて、大地側で心線１６とシース導体１５との間に地上側抵抗Ｒｓｇを入れても同様の効果が維持される。この場合、心線電流Ｉｃとシース導体電流Ｉｓの振動はほとんどなくなる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…受雷部、１２…建物構造体、１３…電線、１４…高耐圧ケーブル、１５…シース導体、１６…心線

Claims (4)

1. 建物構造体と絶縁した引下げ導線として高耐圧ケーブルを使用した絶縁型雷保護システムにおいて、
   前記建物構造体の屋上側における前記高耐圧ケーブルのシース導体と前記建物構造体との間を屋上側抵抗を介して接続し、
   前記建物構造体の地上側における前記高耐圧ケーブルの心線とシース導体との間を短絡して建物構造体とともに共通接地したことを特徴とする絶縁型雷保護システム。
2. 前記屋上側抵抗は、前記建物構造体の屋上側における前記高耐圧ケーブルのシース導体と前記建物構造体との間のマッチング抵抗であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁型雷保護システム。
3. 前記建物構造体の地上側における前記高耐圧ケーブルの心線とシース導体との間を短絡することに代えて、前記建物構造体の地上側における前記高耐圧ケーブルの心線とシース導体との間に地上側抵抗を接続し建物構造体とともに共通接地したことを特徴とする請求項１に記載の絶縁型雷保護システム。
4. 前記地上側抵抗は、前記建物構造体の地上側における前記高耐圧ケーブルの心線とシース導体との間のマッチング抵抗であることを特徴とする請求項３に記載の絶縁型雷保護システム。

Images