JP7173894B2 - 避雷接地装置及び避雷接地方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電機に落雷した際に流れる雷電流を逃す避雷接地装置及び避雷接地方法に関する。

近年、再生可能エネルギー需要の高まりにより風力発電機の需要が増加している。しかし、風力発電機は、見通しの良い立地に６０－ｌ００［ｍ］程度の高さで建設されると共に、支持鉄塔やブレード自体が高さ方向に長尺に形成されているという独特な形状の影響により落雷の被害を受けやすいという特徴がある。そのため、風力発電機には落雷用の避雷接地が設けられている。

風力発電機の落雷対策として例えば、特許文献１に記載された風力発電機の保護システムが知られている。この保護システムは、ブレードに設けられた導体リングと、発電機を収容するためのロータケースに導体リングに対向して設けられた酸化亜鉛形避雷素子とを備えており、酸化亜鉛形避雷素子は、導体リングとギャップを置いて配置されるように構成されており、風力発電機の電子部品に発生する誘導過電圧が増大することを防止している。

また、特許文献２には、風力発電機の発電設備を落雷から保護する風力発電機が記載されている。この風力発電機は、発電機の収容箱に設けられた絶縁部と、絶縁部上に設けられた避雷針と、避雷針と接地部とを接続する導線とを備えており、導線を介して避雷針から受けた落雷により生じる電流を地面側に接地して、収容箱内部の発電機を落雷から保護している。

また、特許文献３には、風力発電機の周波数変換装置を落雷から保護する風力発電機が記載されている。この風力発電機は、周波数変換装置と基礎との間に設けられた絶縁体と、周波数変換装置と接地とを接続する導線とをそなえており、落雷により生じる電流が大地に流れる際に、周波数変換装置の接地用の導線と周波数変換装置との間にループ回路が構成されることを防止している。

特開２０００－２６５９３８号公報 特開２００４－２２５６６０号公報 特許第６０１９６６０号公報

風力発電機の設計基準では、接地抵抗が１０［Ω］以下とされている。そして、この基準によれば、避雷接地と風力発電機の内部の発電装置及び通信機器等の電気設備類に用いられる電気接地とが区別されておらず共用されている場合が多い。風力発電機において避雷接地と電気接地を共用した場合、落雷時に発生する雷撃電流により電気設備類に過剰な電圧及び電流が誘導され、電気設備類が破壊される虞がある。しかしながら、特許文献１から３の文献は、避雷接地と電気接地を共用して落雷を受けた場合の電気設備類の保護について言及していない。

本発明は、避雷接地と電気接地を共用化した風力発電機に落雷が生じた際に避雷接地と電気接地とを切り離して風力発電機の電気設備を保護することができる避雷接地装置及び避雷接地方法を提供することを目的とする。

本発明は、風力発電機の避雷のための避雷接地装置であって、前記風力発電機を制御する電気設備を接地させる電気接地と、前記風力発電機に落雷した際に流れる雷電流を逃すように接地させる避雷接地と、前記電気接地と前記避雷接地とを接続する少なくとも１巻以上のループコイルと、を備え、前記ループコイルは、落雷時に前記避雷接地側に流れる雷電流から流入する電流により生じる電磁力により切断され、前記避雷接地と前記電気接地とを遮断する、避雷接地装置である。

本発明によれば、避雷接地と電気接地を共用化した風力発電機に落雷が生じた際に、避雷接地と電気接地とを電気的に接続するループコイルに避雷接地側から落雷により生じた電流が電気接地側に流入する。このとき、ループコイルには、急激に流入する電流によりループコイルを切断する方向に電磁力が働き、ループコイルが切断される。ループコイルが切断されることにより、風力発電機の電気設備が雷電流から保護される。

本発明は、前記避雷接地側に地中の地表面側において前記地表面と略平行に環状に形成された第１環状部を備えるように構成されていてもよい。

本発明によれば、環状に形成された避雷接地が地表面側に設けられていることにより、地表面に雷の特性に合わせて雷電流を放射状に拡散させることができる。

本発明は、前記第１環状部が放射状に設けられた複数の第１電極部を備えるように構成されていてもよい。

本発明によれば、第１環状部が放射状に設けられた複数の第１電極部を備えることにより、地表面において雷電流を放射状に容易に拡散させることができる。

本発明は、前記第１電極部が前記第１電極部の軸線方向と直交方向に突出して形成された複数の針状体を備えるように構成されていてもよい。

本発明によれば、第１電極部が複数の針状体を備えることにより、地表面において雷電流を更に容易に拡散させることができる。

本発明は、前記電気接地が地中において前記避雷接地より下方に所定距離離間して設けられ、前記地表面と略平行に環状に形成された第２環状部または、略鉛直方向に設けられた少なくとも１個以上の第２電極部を備えるように構成されていてもよい。

本発明によれば、電気接地が地中において避雷接地より下方に所定距離離間して設けられていることにより、地表面側で避雷接地により拡散された雷電流が電気接地側に流れ込むことが防止され、電気設備を保護することができる。また、電気接地は、第２環状部や第２電極部を備えることにより、基礎の工法や地盤の性状に合わせて設計をすることができる。

本発明は、前記第２電極部は、前記風力発電機に設けられた複数のコンクリート杭内の鉄筋に接続されているように構成されていてもよい。

本発明によれば、風力発電機の基礎を支持するコンクリート杭を形成している鉄筋をアース棒として用いることができる。

本発明は、前記風力発電機に設けられた複数の鋼管杭に接続されているように構成されていてもよい。

本発明によれば、風力発電機の基礎を支持する鋼管杭をアース棒として用いることができる。

本発明は、前記風力発電機の設置において形成されたボーリング孔に設けられるように構成されていてもよい。

本発明によれば、風力発電機を設置する前の地盤調査で形成されたボーリング孔を有効利用することができる。

本発明は、前記避雷接地は、地表面から０．６～０．８メートルの深さに設けられているように構成されていてもよい。

本発明によれば、避雷接地が地表面から浅い位置において雷電流を拡散することができる。

本発明は、前記電気接地が地表面から３から５メートルの深さに設けられているように構成されていてもよい。

本発明によれば、地表面側で避雷接地により拡散された雷電流が電気接地に到達して電気設備に回り込むことが防止される。

本発明は、風力発電機の避雷のための避雷接地方法であって、前記風力発電機を制御する電気設備を電気接地により接地する工程と、前記風力発電機に落雷した際に流れる雷電流を逃すように避雷接地により接地する工程と、前記電気接地と前記避雷接地とを少なくとも１巻以上のループコイルで接続する工程と、前記ループコイルを落雷時に前記避雷接地側に流れる雷電流から流入する電流により生じる電磁力により切断させて前記避雷接地と前記電気接地とを遮断する工程と、を備える避雷接地方法である。

本発明によれば、避雷接地と電気接地を共用化した風力発電機に落雷が生じた際に、避雷接地と電気接地とを電気的に接続するループコイルに避雷接地側から雷電流をループコイルが切断されることにより遮断して風力発電機の電気設備を雷により生じる電流から保護することができる。

本発明によれば、避雷接地と電気接地を共用化した風力発電機に落雷が生じた際に避雷接地と電気接地とを切り離して風力発電機の電気設備を保護することができる。

本発明の実施形態に係る風力発電機の構成を示す側面図である。 避雷接地装置の構成を示す図である。 避雷接地装置が備えるループコイルの構成を示す正面図である。 避雷接地装置が備えるループコイルの構成を示す側面図である。 避雷接地装置が備える避雷接地の構成を示す平面図である。 避雷接地に設けられた放電索の構成を示す図である。 避雷接地装置が備える電気接地の構成を示す平面図である。 電気接地の他の構成を示す図である。 電気接地として用いるコンクリート杭の構成を示す図である。 電気接地の他の構成を示す図である。 ループコイルに働く電磁力を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る避雷接地装置Ｓについて説明する。

図１に示されるように、風力発電機１００は、回転自在な風車２０と、風車２０を支持する風車タワー１と、風車タワー１を支持する基礎２とを備える。風車タワー１は、例えば、頂部に向かうほど断面が減少する円柱状に形成された鉄塔である。風車タワー１の基端には、コンクリートで形成された基礎２が設けられている。基礎２は、地表面Ｅより下方の地中に根入れされるように設けられている。基礎２は、例えば、平面視して円形や多角形等の風車タワー１と同心をなす回転対象の形状に形成されている。

風車タワー１の上端部には、風車２０が回転自在に軸支されている。風車２０は、正面視してハブ２０Ａを中心に放射状に均等に配置された複数のブレード２１を備える。各ブレード２１の短手方向の断面は、翼断面形状に形成されている。各ブレード２１は、ハブ２０Ａに対して迎え角が付けられている。これにより各ブレード２１は、向かい風を受けた際に風向と直交方向する一方向に力が与えられ、風車２０を所定方向に回転させる。ハブ２０Ａには、風車２０の回転軸２２が連結されている。回転軸２２には、発電機２３のシャフトが連結されている。発電機２３は、風車２０の回転により誘導電圧を発生することにより発電する。

図２に示されるように、避雷接地装置Ｓは、風力発電機１００に適用される避雷のための装置である。避雷接地装置Ｓは、風力発電機１００に落雷した際に流れる雷電流を逃すように接地させる避雷接地３と、風力発電機１００の電気設備を接地させる電気接地５と、電気接地５と避雷接地３とを電気的に接続する少なくとも１巻以上のループコイル７とを備える。

避雷接地３は、風車タワー１に電気的に接続された地中電極である。避雷接地３は、大地を基準電位点とするように地中に設けられている。

避雷接地３は、地表面Ｅに近い深さの地中に設けられていることが望ましい。避雷接地３は、例えば、地表面Ｅから０．６～０．８［ｍ］程度の深さに設けられている。避雷接地３は、例えば、平面視して環状に形成されている。避雷接地３の形状等の詳細な構成については後述する。避雷接地３と風車タワー１とは、銅などの導体により形成された導線３Ａにより電気的に接続されている。

導線３Ａは、接続状態や配線対象部分の形状に合わせて適宜曲げられている。これにより、避雷接地３は、風力発電機１００に落雷した際に風車タワー１に流れる雷サージ電流を大地側に逃すように構成されている。導線３Ａとループコイル７との接続部には、銅製の矩形の板状体に形成された避雷接地用ターミナル４が設けられている。避雷接地用ターミナル４は、導線３Ａ等の端部が電気的に接続された接続端子である。避雷接地用ターミナル４は、設置対象物に絶縁して取り付けられている。

電気接地５は、風車タワー１の発電機２３を制御する制御装置や通信装置等の電気設備（不図示）に接続された地中電極である。電気接地５は、大地を基準電位点とするように地中に設けられている。電気接地５は、避雷接地３から放電された電流が回り込まないように避雷接地３と離間していることが望ましい。電気接地５は、地中において避雷接地３より下方に所定距離離間して設けられている。

電気接地５は、例えば、地表面Ｅから３～５［ｍ］程度の深さの位置に設けられている。電気接地５は、例えば、平面視して風車タワー１と同心をなす環状に形成されている。電気接地５の形状等の詳細な構成については後述する。電気接地５と電気設備とは、銅などの導体により形成された導線５Ａにより電気的に接続されている。

導線５Ａは、接続状態や配線対象部分の形状に合わせて適宜曲げられている。これにより、電気接地５は、電気設備に流れる過剰な電流を大地側に逃すように構成されている。導線５Ａとループコイル７との接続部には、銅製の矩形の板状体に形成された電気接地用ターミナル６が設けられている。電気接地用ターミナル６は、導線５Ａ等の端部が電気的に接続された接続端子である。電気接地用ターミナル６は、設置対象物に絶縁して取り付けられている。

図３及び図４に示されるように、ループコイル７は、避雷接地用ターミナル４と電気接地用ターミナル６とを電気的に接続する。ループコイル７は、例えば、２２［ｍｍ^２］以下の所定の断面積（例えば、１４［ｍｍ^２］）の銅製の導線（ＩＶ線）で形成されている。ループコイル７は、例えば、避雷接地用ターミナル４と電気接地用ターミナル６とに電気的に接続する一対の直線部７Ａ，７Ｂと、一対の直線部７Ａ，７Ｂとの間を電気的に接続するループ状のループ部７Ｃとを備える。

一対の直線部７Ａ，７Ｂは、上方に起立すると共に、軸線方向が平行となるように対向して配置されている。一対の直線部７Ａ，７Ｂは、軸線方向が水平方向であるように配置されていてもよい。一対の直線部７Ａ，７Ｂの基端は、それぞれ避雷接地用ターミナル４と電気接地用ターミナル６とに電気的に接続されている。一対の直線部７Ａ，７Ｂの先端は、ループ部７Ｃに電気的に接続されている。一対の直線部７Ａ，７Ｂは、長さＬが０．１～０．２［ｍ］程度に形成されている。

ループ部７Ｃは、直径が１０［ｃｍ］程度の１．５巻のループコイルが形成されている。ループ部７Ｃの上部は、結束バンドＨ等で束ねられている。ループ部７Ｃは、一対の直線部７Ａ，７Ｂが形成されるように避雷接地用ターミナル４と電気接地用ターミナル６との上方において設置対象物に対し自立している。ループコイル７において、直線部７Ａ，７Ｂの配置関係やループ部７Ｃに巻き数は上記実施例に限らない。ループコイル７の電気的な性質については後述する。

次に、避雷接地３の詳細な構成について説明する。地中に浸入する雷電流は、地表面から深度が浅い場所を放射状に拡散する性質があることが知られている。そのため、避雷接地３は、雷電流を拡散し易い形状に形成されている。また、雷電流は、例えば、２５～１Ｍ［Ｈｚ］の周波数であり、特に接地の設計においては高周波の雷電流に対応した設計が求められる。

図５に示されるように、避雷接地３は、平面視して風車タワー１と同心をなすように環状に形成されたループ部３Ｒ（第１環状部）を備える。ループ部３Ｒは、地中の地表面側において地表面Ｅと略平行に環状に形成されている。ループ部３Ｒは、地中において基礎２の上方において、平面視して基礎２の周囲を取り囲むように環状に形成されている。ループ部３Ｒは、例えば半径が基礎２の径方向の端部から０．５～２［ｍ］程度大きくなるように形成されている。

ループ部３Ｒと風車タワー１の表面とは、導線３Ａにより電気的に接続されている。ループ部３Ｒは、風車タワー１の表面を流れる雷サージ電流を地中に放電する。ループ部３Ｒには、平面視して外方に向かって放射状に均等に突出するように４個の放電索３Ｓ（第１電極部）が設けられている。放電索３Ｓの数は、４個だけでなく、地面の雷電流に対するキャパシタンスに応じて適宜増減されてもよい。

放電索３Ｓは、水平面内に配置されるように設けられている。放電索３Ｓは、金属製で棒状に形成された地中電極である。ループ部３Ｒと複数の放電索３Ｓの基端とは、電気的に接続されている。放電索３Ｓは、ループ部３Ｒに流れる雷サージ電流を更に地中に拡散して放電するように設けられている。

図６に示されるように、放電索３Ｓには、多数の針状体３Ｎが設けられている針付電極であってもよい。針状体３Ｎは、放電索３Ｓの軸線方向Ｐと直交方向に放射状に突出して形成されている。放電索３Ｓに多数の針状体３Ｎが形成されていることにより、雷サージに対して複数の針状体３Ｎのそれぞれの先端部から放電が行われる。このため、複数の針状体３Ｎが形成された放電索３Ｓは、針状体３Ｎが設けられていない放電索３Ｓに比してサージインピーダンスが低減される。

次に、電気接地５の詳細な構成について説明する。

図７に示されるように、電気接地５は、平面視して風車タワー１と同心をなすように環状に形成されたループ部５Ｒ（第２環状部）を備える。ループ部５Ｒは、地中の地表面側において地表面Ｅと略平行に環状に形成されている。ループ部５Ｒは、地中において基礎２の下方において、平面視して基礎２の周囲を取り囲むように環状に形成されている。ループ部５Ｒは、例えば半径が基礎２の径方向の端部から０．５～２［ｍ］程度大きくなるように形成されている。ループ部５Ｒと風車タワー１の電気設備とは、導線５Ａにより電気的に接続されている。ループ部５Ｒは、電気設備に生じる過剰な電流を地中に放電する地中電極である。

電気接地５は、ループ部５Ｒだけでなく、少なくとも１個以上のアース棒５Ｓ（第２電極部）により形成されていてもよい。アース棒５Ｓは、金属製で棒状に略鉛直方向に沿って形成された地中電極である。アース棒５Ｓと導線５Ａとは、銅線５Ｄにより電気的に接続されている。アース棒５Ｓと導線５Ａとは、例えば溶接により接続されている。

図８及び図９に示されるように、アース棒５Ｓは、基礎２を支持するための複数のコンクリート杭が用いられてもよい。コンクリート杭は、高さ方向に複数の鉄筋が配筋されて形成されている。導線５Ａと複数のコンクリート杭内部の鉄筋とを電気的に接続することにより、各コンクリート杭がアース棒５Ｓとして形成される。上記鉄筋は金属製のメッシュであってもよい。アース棒５Ｓにより地中に雷電流が入力されると、アース棒５Ｓを中心に下方に行くほど電位が低下する等電位面が形成される。

基礎２を支持する杭は、コンクリート杭の他、鋼管杭で形成されていてもよい。鋼管杭は、地中に打ち込まれる鋼製の杭である。鋼管杭が地中に打ち込まれた後、内部にコンクリートが注入される。導線５Ａと複数の鋼管杭とを溶接を用いて電気的に接続することにより、各鋼管杭がアース棒５Ｓとして形成される。

図１０に示されるように、アース棒５Ｓは、基礎２周辺の地盤調査時に設けられたボーリング孔を利用して形成されていてもよい。ボーリング調査が行われると、土層がコア抜きされてボーリング孔が形成される。このボーリング孔に例えば鋼管を挿入して、この鋼管に導線５Ａを電気的に接続する。そうすると、鋼管がアース棒５Ｓとして形成される。

上述したコンクリート杭、鋼管杭、及び鋼管を用いた杭状の電気接地５は、地中の地下水位面に接していればより良好な放電特性を有する。上述した電気接地５は、風力発電機１００の基礎２の工法や設置対象地盤の性状に応じて適宜ループ状、又は杭状のいずれかのパターンが選択される。

次に、ループコイル７の特性について説明する。

ループコイル７は、落雷時に避雷接地３側に流れる雷電流から電気接地５側に流入する電流により一対の直線部７Ａ，７Ｂにローレンツ力が働く。

図１１に示されるように、ループコイル７に落雷時に避雷接地３側に流れる雷電流から電流が流入すると、一対の直線部７Ａ，７Ｂに互いに逆方向の電流が流れる。一般的に、互いに平行な一対の電線に向きが異なる電流が流れる場合、一対の電線の間には互いに離間する方向に電磁力Ｆが加わる。そうすると、ループコイル７において、雷電流により一対の直線部７Ａ，７Ｂに互いに離間する方向の力が瞬間的に生じる。

また、ループ部７Ｃにも、向きが異なる電流が流れるので、ループが互いに離間する方向、即ち放射状にローレンツ力が瞬間的に生じる。そうすると、ループコイル７は、雷電流が流入すると略同時にループ部７Ｃがローレンツ力により切断されると共に、一対の直線部７Ａ，７Ｂが互いに離間する。また、ループ部７Ｃには、雷電流と反対方向に誘導される誘導起電力が生じ、雷電流の増加を妨害する。そのため、ループ部７Ｃに瞬間的に高周波で大電流値を有する雷電流が流入すると、ループ部７Ｃがインダクタとなってショートして焼き切れる場合もある。

従って、ループコイル７は、避雷接地３側に流れる雷電流から流入する電流により生じる力により切断され、避雷接地３と電気接地５とを電気的に遮断する。電気接地５は、避雷接地３と地中において離間して設置されており、且つ、地中の避雷接地３により雷電流が地表面付近を拡散していくことから、地中の避雷接地３から電気接地５に雷電流が流入することが防止され、電気設備が保護される。

避雷接地３と電気接地５とが電気的に切り離された状態では、直ちに風力発電機の稼働に支障が生じることはないが、電気設備と風車タワー１との間に電位差が生じると電気設備に放電されたり、風力発電機内部で作業する作業者に放電されたりして悪影響が発生する虞がある。ループコイル７は、例えば、センサやカメラ等により監視され、常時または所定のタイミングで切断状態が検出される。ループコイル７は、切断が検出された場合、新たなループコイル７と交換される。

上述した避雷接地装置Ｓによれば、避雷接地と電気接地を共用化した風力発電機に落雷が生じた際に避雷接地と電気接地とを切り離して風力発電機の電気設備を保護することができる。また、避雷接地装置Ｓによれば、雷電流が地中で拡散する特性に合わせて避雷接地３がループ状に形成される共に放射状に複数の放電索３Ｓが設けられていることにより、サージインピーダンスを低減することができる。更に避雷接地装置Ｓによれば、電気接地５が避雷接地３よりも下方に設けられているため、避雷接地３で拡散した雷電流が電気接地５に流れ込むことが無く、電気設備を確実に保護することができる。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。例えば、避雷接地装置Ｓは、風力発電機だけでなく、通信用の基地局等の塔状構造物に適用してもよい。ループコイル７は、複数個が設けられていてもよく、使用中のループコイル７が切断された場合、他のループコイル７に切り替えて使用するように回路を設定してもよい。

１ 風車タワー
２ 基礎
３ 避雷接地
４ 避雷接地用ターミナル
５ 電気接地
６ 電気接地用ターミナル
７ ループコイル
２０ 風車
２１ ブレード
２２ 回転軸
２３ 発電機
１００ 風力発電機
Ｓ 避雷接地装置

Claims (11)

1. 風力発電機の避雷のための避雷接地装置であって、
   前記風力発電機を制御する電気設備を接地させる電気接地と、
   前記風力発電機に落雷した際に流れる雷電流を逃すように接地させる避雷接地と、
   前記電気接地と前記避雷接地とを接続する少なくとも１巻以上のループコイルと、を備え、
   前記ループコイルは、落雷時に前記避雷接地側に流れる雷電流から流入する電流により生じる電磁力により切断され、前記避雷接地と前記電気接地とを遮断する、
   避雷接地装置。
2. 前記避雷接地は、地中の地表面側において前記地表面と略平行に環状に形成された第１環状部を備える、
   請求項１に記載の避雷接地装置。
3. 前記第１環状部は、放射状に設けられた複数の第１電極部を備える、
   請求項２に記載の避雷接地装置。
4. 前記第１電極部は、前記第１電極部の軸線方向と直交方向に突出して形成された複数の針状体を備える、
   請求項３に記載の避雷接地装置。
5. 前記電気接地は、地中において前記避雷接地より下方に所定距離離間して設けられ、前記地表面と略平行に環状に形成された第２環状部または、略鉛直方向に設けられた少なくとも１個以上の第２電極部を備える、
   請求項２から４のうちいずれか１項に記載の避雷接地装置。
6. 前記第２電極部は、前記風力発電機に設けられた複数のコンクリート杭内の鉄筋に接続されている、
   請求項５に記載の避雷接地装置。
7. 前記第２電極部は、前記風力発電機に設けられた複数の鋼管杭に接続されている、
   請求項５に記載の避雷接地装置。
8. 前記第２電極部は、前記風力発電機の設置において形成されたボーリング孔に設けられる、
   請求項５に記載の避雷接地装置。
9. 前記避雷接地は、地表面から０．６～０．８メートルの深さに設けられている、
   請求項１から８のうちいずれか１項に記載の避雷接地装置。
10. 前記電気接地は、地表面から３から５メートルの深さに設けられている、
    請求項１から９のうちいずれか１項に記載の避雷接地装置。
11. 風力発電機の避雷のための避雷接地方法であって、
    前記風力発電機を制御する電気設備を電気接地により接地する工程と、
    前記風力発電機に落雷した際に流れる雷電流を逃すように避雷接地により接地する工程と、
    前記電気接地と前記避雷接地とを少なくとも１巻以上のループコイルで接続する工程と、
    前記ループコイルを落雷時に前記避雷接地側に流れる雷電流から流入する電流により生じる電磁力により切断させて前記避雷接地と前記電気接地とを遮断する工程と、を備える、
    避雷接地方法。

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