JP7846414B2 - 誘雷装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘雷装置に関する。

気象の極端化に伴う多雷化時代を見据え、雷を制御し、人や設備への落雷被害をなくす技術の研究開発が行われている。非特許文献１、２には、導電性ワイヤを取り付けた小型ロケットを雷雲に向けて打ち上げるロケット誘雷が記載されている。

一般的に、導電性の高構造物の先端は電界強度が高くなるため、落雷を誘引しやすい。一方で、高構造物の先端では電界集中によりコロナ放電が発生しやすい。雷雲襲来時には、コロナ放電に伴い発生するコロナ電荷が空中に拡散して電荷層を構成する。この電荷層は、高構造物に対して静電シールドとして作用し、その先端の電界強度を弱める働きをする。すなわち、通常の高構造物の先端付近の電界集中は理想的ではない。なお、コロナ電荷とは、電子雪崩に伴い気体分子から電子が離脱ことにより発生する陽イオン、およびこの陽イオンにエアロゾルが付着して発生する荷電エアロゾルなどである。

ロケット誘雷はコロナ電荷層の影響をロケットの速度によって打破するものである。具体的には、コロナ電荷の拡散速度がおよそ100m/sであることに鑑み、ロケットを用いて、大地から上空に向かって100m/s以上の速度で導電性ワイヤを伸展させる。ロケット先端ではコロナ放電は生じるものの、コロナ電荷の拡散よりもロケット速度のほうが速いため、ロケット先端ではコロナ電荷によるシールド効果を受けず、理想的な電界集中が実現する。これにより、ロケット先端のコロナ放電は上向きリーダへと変化し、落雷を誘発する。

堀井憲爾、"雷は制御できるか? -ロケット誘雷など-"、電学誌、110巻1号、1990年、pp. 21-25 小奈勝也、"雷対策検討のシナリオ検討"、動力炉・核燃料開発事業団（PNC）、1993年1月

しかしながら、ロケット打ち上げには火薬を使うため危険が伴ううえに、保存・運搬・使用に法的制限がある。ロケット誘雷に失敗した場合はロケットとワイヤが落ちてくるため、打ち上げ位置から十分な離隔距離をとる必要があり、街中での実施は困難である。さらに、ロケットは使い捨てであり、誘雷成功時はワイヤも落雷により溶断する。このため、短時間で連続してロケットを発射することは困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、より安全に落雷を誘発することを目的とする。

本発明の一態様の誘雷装置は、落雷を誘発する誘雷装置であって、複数の導体と、前記複数の導体間に配置され、前記導体間の導通状態を切り替える複数のスイッチを備え、前記複数の導体のいずれか１つを接地して、前記複数の導体を前記複数のスイッチを介して上空方向に連結し、作業者によって送信される信号に応じて前記複数のスイッチの全てのオンとオフを切り替えることで、前記複数の導体の全てが導通して接地する状態と前記複数の導体が互いに導通していない状態とを切り替える。

本発明によれば、より安全に落雷を誘発することができる。

図１は、本実施形態の誘雷装置の構成の一例を示す図である。 図２は、スイッチ部の構成の一例を示す図である。 図３は、スイッチＯＦＦ時の等電位面の一例を示す図である。 図４は、スイッチＯＮ時の等電位面の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態の誘雷装置の構成の一例を示す図である。同図に示す誘雷装置は、突針１１、Ｎ個（Ｎは自然数）の中間導体１２、および最下部導体１３をＮ＋１個のスイッチ部２０で上空方向（鉛直方向）に連結したものであり、雷雲襲来時、スイッチ部２０（以下、スイッチともいう）をＯＮにすることで落雷を誘発する。Ｎは例えば５０であるが、これに限らない。

突針１１はいわゆる避雷針であり、最上部のスイッチ部２０の上面に配置される。例えば突針１１として、長さ500mm、直径20mmの金属製の棒またはパイプを用いる。突針１１の先端は尖らせていることが望ましい。

中間導体１２は、上下のスイッチ部２０間を電気的に接続する導体である。中間導体１２は、上方のスイッチ部２０を介して上方の突針１１または中間導体１２に接続され、下方のスイッチ部２０を介して下方の中間導体１２または最下部導体１３に接続される。中間導体１２として、例えば、長さ2000mm、公称断面積60mm²の銅撚線を用いる。全ての中間導体１２が同じサイズ、同じ材質でなくてもよい。

最下部導体１３は、最下部のスイッチ部２０の下面に配置され、接地された導体である。例えば、最下部導体１３として、長さ1000mm、公称断面積60mm²の銅撚線を用いる。最下部導体１３の長さは中間導体１２の長さの半分程度の長さにすることが望ましい。

突針１１、中間導体１２、および最下部導体１３のサイズおよび個数は上記の例に限らない。中間導体１２および最下部導体１３は銅撚線のような電線状のものでなくてもよく、金属棒でもよい。

スイッチ部２０は、導体（突針１１、中間導体１２、および最下部導体１３）間に配置され、導体間の導通状態を切り替える。スイッチ部２０がＯＮのときは、上側に接続された導体と下側に接続された導体とが導通し、スイッチ部２０がＯＦＦのときは、上側に接続された導体と下側に接続された導体とが絶縁される。全てのスイッチ部２０をＯＮにすると、突針１１および全ての中間導体１２が接地となる。

図２にスイッチ部２０の構成の一例を示す。スイッチ部２０は、Fiber Reinforced Plastics (FRP) などの絶縁体の筐体２１の上面と下面のそれぞれに端子２２を備える。上下の端子２２のそれぞれに突針１１、中間導体１２、または最下部導体１３が電気的に接続される。

上下の接点２３のそれぞれは、上下の端子２２のそれぞれと導通し、筐体２１内で離間して配置される。接点２３は球状であることが望ましい。これにより、スイッチＯＦＦ時に、突針１１の下端部、中間導体１２の上下端部、最下部導体１３の上端部の電界集中を阻害し、コロナ放電を抑制できる。

コンタクタ２４は、２つの接点２３間を導通したり、絶縁したりする導体である。コンタクタ２４を２つの接点２３のそれぞれに接触させることで、２つの接点２３が導通する。図２の例では、接点２３のコンタクタ２４の接触部分をコンタクタ２４の形状に合わせて平面としている。コンタクタ２４が２つの接点２３に接触するとスイッチがＯＮ（上下の導体が導通）になり、コンタクタ２４が接点２３から離れるとスイッチがＯＦＦ（上下の導体が絶縁）になる。

駆動部２６は、絶縁体２５を介してコンタクタ２４を動かして、スイッチのＯＮとＯＦＦを切り替える。具体的には、駆動部２６は、絶縁体２５を図上の右側に動かしてコンタクタ２４を２つの接点２３に接触させてスイッチをＯＮとし、絶縁体２５を図上の左側に動かしてコンタクタ２４を接点２３から離してスイッチをＯＦＦとする。

受信部２７は、アンテナ２８を通じて無線信号を受信し、受信した無線信号に従って駆動部２６を駆動する。具体的には、受信部２７がスイッチＯＮ命令を受信した場合、コンタクタ２４が接点２３に接触するように駆動部２６を駆動する。受信部２７がスイッチＯＦＦ命令を受信した場合、コンタクタ２４が接点２３から離れるように駆動部２６を駆動する。

バッテリ２９は、駆動部２６と受信部２７に電力を供給する。スイッチ部２０がバッテリ２９を備えることにより、地上から電源線を配線する必要がなくなる。地上から各スイッチ部２０に電源線を配線すると、電源線の最上部からコロナ放電が発生してしまい、誘雷装置の効果を小さくするおそれがある。なお、バッテリ２９は定期的に交換してもよいし、無線給電の仕組みを用いて充電してもよい。

支持塔３０は、スイッチ部２０を支持する絶縁体である。支持塔３０は、ＦＲＰまたは木材で構築される。図１では、支持塔３０でスイッチ部２０を支持しているが、スイッチ部２０以外の主構成要素が支持されてもよい。支持塔３０の代わりに、突針１１または最上部のスイッチ部２０を耐雷性のドローン等で持ち上げてもよい。

次に、図３、４を参照し、本実施形態の誘雷装置による誘雷方法について説明する。

通常時、誘雷装置のスイッチはＯＦＦとなっている。誘雷装置のスイッチがＯＦＦの時、導体がそれぞれ絶縁されており、図３に示すように、誘雷装置の上端付近の電界が強くならない。図３、４の地面から垂直方向に延びる実線は誘雷装置の導体である。実線の切れ目はスイッチがＯＦＦになっていることを表す。水平方向の破線は等電位面を表す。

落雷を誘発したいタイミングで誘雷装置のスイッチを全てＯＮにする。例えば、落雷を誘発したいタイミングで、作業者がスイッチＯＮ命令を全てのスイッチに送信する。全てのスイッチがＯＮになると、全ての導体が瞬時に接地し、図４に示すように、等電位面が上に凸となって、誘雷装置の上端付近の等電位面の間隔が非常に狭くなる。すなわち、誘雷装置の上端付近の電界強度が非常に強くなる。その結果、コロナ電荷が拡散する前に誘雷装置の上端で絶縁破壊が開始し、リーダと呼ばれるプラズマ電路が雲に向かって伸びる。リーダが雲内の電荷に到達すると、このプラズマ電路を通じて雲内電荷が中和され、誘雷装置に大電流が流れる（落雷）。

一度誘雷が失敗しても、本誘雷装置は、スイッチのＯＦＦ・ＯＮによりすぐに再トライが可能である。また、導体とスイッチが雷撃で破壊されない強度であれば、本誘雷装置は、何度でも連続して誘雷が可能である。

以上説明したように、本実施形態の誘雷装置は、スイッチ部２０を介して突針１１、中間導体１２、および接地した最下部導体１３を上空方向に連結し、スイッチ部２０の全てをＯＮにすることで、突針１１、中間導体１２の全てを瞬時に接地する。これにより、誘雷装置の上端に理想的な電界集中が実現でき、スイッチをＯＮにする意図的なタイミングで落雷を誘発できる。意図的に落雷を発生させ、雲電荷を中和することにより、周囲の人、建物、および設備への落雷を防止できる。

本実施形態の誘雷装置はロケットを打ち上げないため、より安全に落雷を誘発でき、街中にも設置可能である。また、火薬が不要であるため法規制対策が不要である。

１１ 突針
１２ 中間導体
１３ 最下部導体
２０ スイッチ部
２１ 筐体
２２ 端子
２３ 接点
２４ コンタクタ
２５ 絶縁体
２６ 駆動部
２７ 受信部
２８ アンテナ
２９ バッテリ
３０ 支持塔

Claims (4)

1. 落雷を誘発する誘雷装置であって、
   複数の導体と、
   前記複数の導体間に配置され、前記導体間の導通状態を切り替える複数のスイッチを備え、
   前記複数の導体のいずれか１つを接地して、前記複数の導体を前記複数のスイッチを介して上空方向に連結し、
   作業者によって送信される信号に応じて前記複数のスイッチの全てのオンとオフを切り替えることで、前記複数の導体の全てが導通して接地する状態と前記複数の導体が互いに導通していない状態とを切り替える
   誘雷装置。
2. 請求項１に記載の誘雷装置であって、
   前記スイッチは、
   上下の導体のそれぞれに電気的に接続される２つの端子と、
   前記２つの端子のそれぞれと導通し、離間して配置された２つの接点と、
   前記２つの接点に接触して前記２つの接点を導通し、前記スイッチをオンにするコンタクタを備える
   誘雷装置。
3. 請求項２に記載の誘雷装置であって、
   前記スイッチは、
   前記スイッチのオンオフを切り替える無線信号を受信する受信部と、
   前記無線信号に応じて前記コンタクタを動かす駆動部と、
   前記受信部と前記駆動部に電力を供給するバッテリを備える
   誘雷装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の誘雷装置であって、
   最上部に配置する前記導体の先端は尖っており、
   接地する前記導体の長さは他の導体の長さの半分である
   誘雷装置。