JPH0632318B2 - 避雷針 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は避雷針に関する。さらに詳しくは、間欠的なパ
ルス化されたコロナ放電型避雷針に関する。

［従来の技術］ ヨーロッパ特許公開第 0,060,756号公報に記載されて
いる避雷針は、大地から接続されているチップ(tip)を
有しており、該チップは放電手段を介して大地(ground)
と接続されたベース(base)を有している。さらにチップ
は直流正電圧発生器に電気的に接続されている。該電圧
はチップ端の周囲雰囲気をイオン化（コロナ放電）する
のに充分高い電圧である。

このようにしてチップ端に形成されたイオン化空気プラ
ズマゾーンは、周囲の空気よりも一層高い導電性を有し
ており、それゆえ避雷針への雷放電を容易にし、効率を
向上せしめると共に作用範囲を拡げることができる。

［発明により解決しようとする問題］ しかしながら、避雷針チップ近辺の導電性が高められる
ことによって電場が局所的に減衰し、正の電位が高くな
ったチップからのコロナ放電のブラス放電性の発現が抑
えられる。このブラシ放電は避雷針の効率を向上させる
好ましい要素の１つである。

さらに前記の装置は、負にチャージされた雲（負の型の
落雷）に対してしか作動しない。なお、このような雲
（落雷）は、ヨーロッパ諸国では山岳地帯を除くと約90
％またはそれ以上を占めている。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は叙上の問題点を解消したものであって、コロナ
放電を連続的に生ぜしめるかわりにコロナ放電を間欠的
に生ぜしめ、チップ近辺に残る先の放電の残存チャージ
量を各放電ごとに無視しうる量にするような避雷針を提
供することを目的とする。加えられる電位は要求に応じ
て、いずれの極性あってもよい。

すなわち本発明の避雷針は、大地から絶縁されたチップ
を有し、該チップのベースが放電手段を介して大地に接
続されており、チップ端の周辺の周囲雰囲気を周期的か
つ間欠的にイオン化するために該チップのベースがエネ
ルギー源と発振器および高テンション発生手段を介して
接続されており、かつ該発振器と高テンション発生手段
がチップの電位をコロナ放電の維持には小さすぎる値に
まで周期的に減少させるように制御されており、それに
よって周期的かつ間欠的なコロナ放電パルスを生ぜしめ
るものである。

［作用および実施例］ 本発明の避雷針によれば、避雷針に波または一連の波(t
rain of waves)が加えられたばあい、電流パルスが生ず
る。そのパルス電流はきわめて速く消え、チップの電位
がスレッショルド値を越えない値に戻り、コロナ放電を
維持するのに不充分となる。このような短時間の遷移減
少により最大瞬間電流を放出できるほか、「ストリーマ
ーズー(streamers)」やシード電子(seed-electrones)な
どの好ましい現象がえられ、避雷針の最大効率が保証さ
れる。

有利には、間欠的な放電の繰り返し度数(recarrence fr
equency)は20Hz以上である。

このような状況のもとに、正に極性化されたチップによ
り生ずるｎ番目のブラシ放電も空気を通して(n-1)番目
の放電と同じ通路を流れ、この「チャンネルメモリー(c
hannel memory)」現象は繰り返し度数の増大と共に増大
することが観察される。この遷移現象は、特にイー・バ
ーガー(E.Berger)により「正の点と面のギャップにおけ
る続く放電の発現に関する電気的放電の影響(Influence
of an electrical discharge on the development of
a subsequent discharge in a positive point-to-plan
e gap)」と題する論文［第２回ガス放電国際会議(Secon
d International Conference on Gas Discharge)、アイ
・イー・イー・パブリケーション(I.E.E.Publication)
No.90、ロンドン(1972)］、および「大気中の続いて起
こるコロナ放電に関するコロナ放電の影響(Influence o
f a Corona discharge on the subsequent one in atmo
speric air)と題する論文［第３回ガス放電国際会議、
アイ・イー・イー・パブリケーションNo. 118.ロンドン
(1974)］で研究されており、またジー・ハートマン(G.H
artmann)とアイ・ガリンバーチ(I.Gallinberti)により
「ストリーマープログレッションに関する準安定分子の
影響(The influence of metastable molecules on stre
amer progression)」と題する論文(J.Phys.D.、8、1975、
670〜 680頁)で研究されている。

また有利には、間欠的な放電の繰り返し度数は2000Hz以
下である。

数 kHzを超える度数では、避雷針効果の増加が低下し、
コロナ放電を連続的に生ずる避雷針の効率にどんどん近
づくことが観察される。

チップの電位がコロナ効果の生ずるスレッショルド電圧
よりも大きくなる時間は、１μｓ以上で 100μｓ以下で
あるのが好ましい。実際、この範囲の値であれば、コロ
ナ放電を生ぜしめ、かつコロナ効果の発現を妨げる他の
要因におけるランダムな変動を和らげる。

チップの電位のピーク振幅は、コロナ効果が生ずるスレ
ッショルド電圧の 110％以上であるのが好ましい。

スレッショルドをちょうど超える電圧を用いることによ
り放電現象の遷移特性が増大し、それによって瞬間電流
はすべての状況下で最大となる。なお、以下の記載にお
いて通常のばあい、問題としているスレッショルドは正
負の別なく同じ絶対値を有している。しかし、正および
負のスレッショルドは絶対値において実質的に異なるべ
きものであり、避雷針に加えられる電圧を調整するため
に、前記のような真のスレッショルド電圧の関数として
本発明を超えない範囲で適当な手段や方法を講ずること
ができる。

１つの実施態様では、繰り返す電流の波(recurrent wav
es of electrical current)を生ぜしめるのに適切な電
流発生手段にチップを電気的に接続し、該波を同一の繰
り返し度数で間欠的なコロナ放電を生ぜしめるように、
該波をチップの周囲雰囲気中に放電させる。

他の実施態様では、チップは電位発生手段(potential g
enerator means)に電気的に接続される。電位発生手段
によってチップに加えられる電位は、繰り返す波または
一連の波の形であり、波（または一連の波。その最初の
半分のサイクルは周囲雰囲気と逆の極性にある）のピー
ク振幅の絶対値（コロナ効果が生ずるスレッショルドを
超える値）と共に変化しうる。そのピーク絶対値は、雷
雨の間に存在する周囲電場により生ずる自然増幅(natur
al amplification)の存在下においてのみ、コロナ放電
スレッショルドを超える必要がある。

択一的に、波または一連の波のうちの周囲雰囲気と逆の
極性を有する最初の半サイクルによりチップに加えられ
るピーク振幅電位の絶対値が、コロナ放電の生ずる電圧
スレッショルドを常に超えるように避雷針を配列、構成
することもできる。

一連の波を用いるばあい、続く逆の極性（雲と同じ極
性）を有するすべての半サイクルのピーク振幅の絶対値
は、前記スレッショルドを超えないのが有利である。

ある特定の実施態様においては、前記発生手段は一連の
減衰交番波(damped alternating waves)を生ぜしめ、最
初の２つの半サイクルのピーク振幅の絶対値がコロナ効
果を生ぜしめるスレッショルド電圧を超えるようにする
と、周囲雰囲気の極性に関係なく常時コロナ効果が生ず
る。

別の特定の実施態様では、発生手段は正の極性でかつゼ
ロ交叉しないノコギリ波または一連のノコギリ波を生ぜ
しめる。

とくに、このケースの発生手段はチップと高電位発生機
との間に接続されているRC型回路またはRLC 型回路で構
成されている。抵抗R はチップと発生器との間に直列に
接続されている抵抗で構成されていてもよく、またコン
デンサC はチップと大地との間の漂遊分布コンデンサ(s
tray distributed capacitance)で構成されていてもよ
い。

抵抗の存在は、避雷針の高いテンションにおける周期的
な変動を助けるだけでなく、その電流消費を制限すると
共に電位発生器自体の耐久性を増大させる。さらに、雷
電流を放電器を介して放電させることにより落雷に対し
て保護し、この保護効果は抵抗の増大と共に増大する。

また、チップの電位はゼロを通過せず単にコロナ現象の
消滅スレッショルド(extinction threshold)よりも迅速
に小さくなるだけであるから、放電が消えたのち残りの
電圧はイオンを排出する。これは、避雷針が作動する繰
り返し度数が比例的に増大しうることを意味する。

第１図は一連の交番減衰波の形で避雷針に電位がかけら
れたばあいの避雷針に関する電圧および電流における変
動を示す波形図である。

電圧曲線および電流曲線はつぎのパラメータに対応す
る。

(Vo)：周囲電場が存在しないばあいの避雷針に存在する
電圧（したがって、その電圧は発生器により避雷針に供
給される電位に等しい）。

(V₁)：雷雨の間に存在する周囲電場により生ずる増幅を
考慮に入れた避雷針の電位。この例は雲が負にチャージ
されているばあいに適用される。正の半サイクルは増幅
されるが、負の半サイクルは減衰されることがわかる。

(Io)：周囲電場が存在しないばあいの避雷針に沿って流
れる電流（したがって、周囲雰囲気中に放電される電
流）。電位(Vo)の絶対値がコロナ放電の発現のためのス
レッショルド（たとえばこの例でば13kVに設定されてい
る）を超えるたびに、避雷針の電位に応じて正または負
の電流の突然の放電が生ずることがわかる。

(I₁)：周囲電場（この例では負のチャージされた雲によ
り生ずる）で与えられる増幅を考慮に入れたばあいの避
雷針に沿って流れる電流。最初の正のパルスは増幅され
るが、負であるべき第２のパルスは、最初の負の半サイ
クルのピーク値が電圧スレッショルドを超えていないの
で、実質的に存在しないことがわかる。

一連の波の束(packet)は 0.5〜50msの間隔(T)で繰り返
される。これは20〜2000Hzの繰り返し度数に相当する。
最初の正のサイクルのピーク増幅および最初の負の半サ
イクルのピーク増幅は、周囲電場が存在しないばあい、
それらは放電発生スレッショルド電圧をわずかに超える
が一連の波の他の半サイクルは常にそのスレッショルド
を超えないように選定される。それゆえ、１つの一連の
波あたり唯一の有効な電流パルスがえられ、この例では
周囲電場が発現するいなや最初の負のパルスは消える。
考慮する必要のある重要な点は、２つの連続する減衰発
振の突発(burst)の間の間隔(T)が避雷針近辺に蓄積され
るチャージを散逸させるのに充分な時間であることが保
証する点である。

第１図において、避雷針の電位(V₁)は約５μＳ間コロナ
放電が現われる電圧を超え、ピーク電圧は約15kVに達し
ている。このごく短い時間は、電流パルスを前記のごと
く避雷針特性における重要なファクターを構成する遷移
特性に維持することを保証している。

第２図は第１図の変形であり、周囲電場が存在しないば
あいに電位(V′o)は前記のばあいの電位よりも小さく
（したがって技術的な点からより早く充足される）、コ
ロナ効果が現われるスレッショルドを超えずに維持され
ている。この電位(V′o)のピーク値は、雷雨で生じた周
囲電場が存在するばあい、えられる電気(V′1)がコロナ
効果が現われるスレッショルド電圧を超えるように選ば
れる。電流パルス(I′1)は前記のばいとて同様にえられ
る。周囲電場が存在するばあいのみ放電が現われるの
で、周囲電場が存在しないばあいでは電流(I′0)はゼロ
となることがわかる。

第３図に、発生器がゼロ交叉しないノコギリ波状電圧を
発生させるばあいに適用可能な電圧曲線おび電流曲線を
示す。ノコギリ波形のピーク値は、最初の実施例で示し
たごとく、電流の短いパルスを発生させるべく、コロナ
放電の引金をひく電圧スレッショルド（この例では13k
V）をわずかに超える値（たとえば15kV）を有するよう
に選ばれる。

第４〜６図は、本発明を実現するための回路のブロック
ダイヤグラムである。

いずれの回路においても、避雷針(1)は大地から絶縁さ
れており、放電手段(2)を介して大地と接続されてい
る。放電手段(2)は純粋に静電気的な手段（空気のギャ
ップにより分離されている２個の金属要素）で構成され
ていてもよく、制御スイッチ(controlled switch)のよ
うに作動する動的手段(dynamic means)で構成されてい
てもよい。

避雷針は高テンション発生手段(3)に接続されており、
該手段(3)はその下流で発振器(4)に接続されている。発
振器(4)にはエネルギー源(5)から電力が供給される。

第４図において、発振器(4)は通常のタイプのものであ
り、所望の繰り返し度数で信号を発生させる。高テンシ
ョン発生器(3)はパルス変圧型の変圧器である。電力供
給装置(5)は周囲電場からエネルギーを引き出すものが
有利であり、それにより完全に自蔵型(self-contained)
の装置を提供できる。これを行なうには、雷雨の間に生
ずる強くて迅速に増大する電場中に比較的長い棒を突き
出すことによってえられる電流を用いればよい。この電
流は電力供給手段(5)により採取され変圧される。

第５図において、電力供給手段(5)は蓄電池(6)を充電す
るための太陽電池パネルで構成されている。蓄電池(6)
は、危険のない期間の連続作動を防ぐための雷雨検出器
(7)を介して発振器(4)に選択的に電力を供給する。

第６図に示す実施例は、ノコギリ波状電圧を発生させる
ばあいであり、第３図に示す電圧曲線および電流曲線に
対応している。その構成は、パルス変圧器(3)を高テン
ション変圧器(3a)とRC回路(3b)との組合せに置き換えた
ほかは第５図に示す実施例と同じである。整流器(3a)は
直流（または少なくとも整流された）電圧を発生させ、
避雷針へ加えるノコギリ波を生ずるRC回路(3b)に電力を
供給する。

第６図に回路の特殊な一実施例を第７図（等価回路のダ
イヤグラムである）および第８図（各構成要素をどのよ
うに配置するかが示されている）に示す。この実施例に
おいて注目すべき点は、避雷針と大地との間の分布容量
(distributed capacitance)をRC回路の一部として構成
した点にある。

さらに詳しくは、示されている避雷針は、従来通りのテ
ーパ状導電性チップ(11)と直流電圧発生器(12)とを有し
ている。発生器は大地(T)とチップ(11)とを導電性ケー
ブル(13)を介して電気的に接続している。導体(13)は同
軸ケーブルのコアであり、そのクラッドすなわち外側の
導電性シース(14)は電気的に大地に接続されており、ま
た放電器(15)を介してチップ(11)に接続されている。チ
ップおよび放電器は、たとえば前記ヨーロッパ特許公開
第 0,060,756号公報に記載されているタイプのものであ
ってもよい。

本発明によれば、避雷針は高い抵抗値の抵抗(16)を有し
ており、発生器(12)とチップ(11)の間で導体(13)と直列
に接続される。抵抗はチップに隣接して配置される。

第７図に示す等価回路は、保護放電器(protective disc
hargr)(A)、充電回路(B)および放電回路(C)で構成され
ている。

まず、チップ(11)は電位発生器(12)に抵抗値(R)を有す
る抵抗(16)を介して隣接される。一旦チップに存在する
電圧がコロナ放電の現われるスレッショルドを超える
と、この回路は周囲雰囲気を形成する。この回路網を回
って流れる電流は、チップ近辺にセットアップされた電
流に対応する。

発生器に並列して存在する同軸ケーブル(13)、(14)の容
量はケーブル1mあたり約50〜100pFであり、定常状態下
の回路の電気的作動に殆んど影響を及ぼさない。

放電器(15)は、直列に接続された可変抵抗とインダクタ
ンスに並列に接続されているコンデンサと等価である。
この回路の分岐は落雷の間のみ作動するということを明
らかにするため、破線で示されている。回路の残部は、
雷が避雷針に落ちやすくすることにより、できるだけ作
用の有効範囲を拡げうるように、落雷以前に作動する。

最後に、漂遊コンデンサ(17)はチップと大地との間に設
けられている。実際、この「大地」は分布されており(d
istributed)、かつこの回路は拡散の形でループを形成
する。漂遊容量は数ピコファラッド、たとえば5pFであ
る。抵抗(16)の位置を変えたり、追加のコンデンサを加
えることにより変更してもよい。変更が漂遊容量を増加
させるものであるばあい、放電パルスにおいて消散する
エネルギーは増大する。ところが、漂遊容量が減少する
と、放電の停止に要求されるようにチップでの電圧はよ
り一層急速に低下して消滅する。

発生器(12)が手動ででも自動的にでも作動状態になる
と、コンデンサ(C)は抵抗(R)を通して流れてくる発生器
の電流で充電される。コロナ効果が現われるスレッショ
ルドに達しない限り、インピーダンス(Z)は準無限(quas
i-infinite)の状態（イオン化された空気の束(flux)が
存在しない）であると考えられる。一旦スレッショルド
に達すると、コンデンサ(C)は突然インピーダンス(Z)に
放電し、避雷針の近辺の空気をしばらくイオン化する。

このイオン化およびイオン化によって誘起される避雷針
に沿った電流は、従来のイオン化避雷針で実用化されて
いるように抵抗(R)が高すぎて電流がインピーダンス(Z)
に連続的に流れないので、一時的なものであることがわ
かる。ここで、対照的に、緩和現象の不存在下でインピ
ーダンス(Z)を通って流れる永久電流(permanent curren
t)は、コンデンサ(C)の放電電流に比して無視しうる値
である。一旦放電が停止すると、コンデンサ(17)は抵抗
(R)を介して再充電され、同じサイクルが周期的に繰り
返される。

抵抗(16)の値(R)は数百メガオーム、たとえば400MΩで
あるのが有利である。コンデンサ(17)の容量(C)は数ピ
コファラッド、たとえば5pFである。

この実施例において、回路のRC時定数は2×10^-3秒であ
り、約500Hzのパルス周波数を与える。発生器(12)によ
って生ずる電位（大地に対して）は数キロボルトから数
十キロボルトの間であり、数百キロボルト程度であって
もよい。発生器は永久的な放電を生ぜしめるイオン化避
雷針に用いられるものと同じものであってもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は一連の交番減衰波の形で避雷針に電位がかけら
れたばあいの避雷針に関する電圧および電流における変
動を示す波形図、第２図は周囲媒体による自然増幅がな
されたばあいの第１図の変形を示す波形図、第３図は避
雷針に加えられる電位がゼロ交叉しないノコギリ波であ
るばあいの波形図、第４〜６図はそれぞれ本発明を達成
するための異なる回路のブロックダイヤグラム、第７〜
８図はそれぞれノコギリ波状に変化する電位が避雷針に
加えられている特定の実施態様の回路のダイヤグラムお
よび物理的配置のダイヤダイヤグラムである。 （図面の主要符号） (1)：避雷針 (2)：放電手段 (3)：高テンション発生器 (11)：チップ (15)：放電器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ステフアンヌ・キユーン フランス共和国、78630 オージエバル、 アレー デ コクリコ、９ (72)発明者 ピエール‐エマニユエル・ラングロワ フランス共和国、75012 パリ、パサージ ユ アベルールブラン、９ (72)発明者 ジエラール・ベルジエ フランス共和国、57014 パリ、リユ デ ユ ムーラン ベール、43 (56)参考文献 特開 昭59−56399（ＪＰ，Ａ)

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】周期的かつ間欠的なコロナ放電パルスを生
   ずる避雷針であって、大地と絶縁されているチップを有
   し、該チップのベースが放電手段を介して大地と接続さ
   れており、チップ端の周辺の周囲雰囲気を周期的かつ間
   欠的にイオン化するために該チップのベースがエネルギ
   ー源と発振器および高テンション発生手段を介して接続
   されており、かつ該発振器と高テンション発生手段がチ
   ップの電位をコロナ放電の維持には小さすぎる値にまで
   周期的に減少させるように制御されていることを特徴と
   する避雷針。
2. 【請求項２】前記間欠的な放電の繰り返し度数が20Hz以
   上である特許請求の範囲第１項記載の避雷針。
3. 【請求項３】前記間欠的な放電の繰り返し度数が2000Hz
   以下である特許請求の範囲第２項記載の避雷針。
4. 【請求項４】コロナ効果を生ずるスレッショルド電圧を
   超えるチップの電位が存在する時間が１μｓ以上である
   特許請求の範囲第１項記載の避雷針。
5. 【請求項５】コロナ効果を生ずるスレッショルド電圧を
   超えるチップの電位が存在する時間が 100μｓ以下であ
   る特許請求の範囲第４項記載の避雷針。
6. 【請求項６】チップの電位のピーク振幅がコロナ効果を
   生ずるスレッショルド電圧の110 ％以上である特許請求
   の範囲第１項記載の避雷針。
7. 【請求項７】チップが繰り返し電流波を生ぜしめるのに
   適切な電流発生手段に電気的に接続されており、同じ繰
   り返し度数で間欠的なコロナ放電を生ずるように該波が
   チップを囲む雰囲気中に放電される特許請求の範囲第１
   項記載の避雷針。
8. 【請求項８】チップが電位発生手段に電気的に接続され
   ており、該発生手段によりチップに加えられる電位が繰
   り返す波または一連の繰り返す波の形の可変電位であ
   り、該波または該一連の波の周囲雰囲気とは逆の極性を
   有する最初の半サイクルのピーク振幅の絶対値がコロナ
   効果の生ずるスレッショルド電位を超えるものであり、
   また該絶対値が適宜雷雨中に存在する周囲電場によって
   生ずる自然増幅を考慮して設定されてなる特許請求の範
   囲第１項記載の避雷針。
9. 【請求項９】前記波または周囲雰囲気とは逆の極性の前
   記最初の半サイクルのピーク振幅の絶対値が、コロナ効
   果の生ずるスレッショルド電圧を常時超えるものであ
   り、該絶対値が周囲電場により生ずる自然増幅を考慮せ
   ずに設定されてなる特許請求の範囲第８項記載の避雷
   針。
10. 【請求項１０】前記発生手段が一連の繰り返しパルスを
    生ぜしめ、かつ一連の波の最初の半サイクルに続く雲と
    同じ極性を有するすべての半サイクルのピーク振幅の絶
    対値が、前記スレッショルド値を超えない特許請求の範
    囲第８項記載の避雷針。
11. 【請求項１１】前記発生手段が一連の減衰交番波を生ぜ
    しめ、かつ最初の２つの半サイクルのピーク振幅の絶対
    値がコロナ効果の生ずるスレッショルド電圧を超えてお
    り、周囲雰囲気の極性に関係なくコロナ効果が常時起こ
    ることを保証する特許請求の範囲第８項記載の避雷針。
12. 【請求項１２】前記発生手段がゼロ交差しない正の極性
    を有するノコギリ波または一連のノコギリ波を生ぜしめ
    る特許請求の範囲第８項記載の避雷針。
13. 【請求項１３】前記発生手段が、避雷針のチップと高電
    位発生器との間に接続されているRC型回路またはRLC 型
    回路である特許請求の範囲第12項記載の避雷針。
14. 【請求項１４】前記RC型回路またはRLC 型回路の抵抗Ｒ
    がチップと発生器との間に直列に接続されている抵抗で
    あり、またコンデンサＣがチップと大地との間の避雷針
    の分布漂遊コンデンサで構成されている特許請求の範囲
    第13項記載の避雷針。