JPS6343812Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は、接地極に関し、特に、導電性繊維
入りコンクリート中に電極が埋設されている接地
極に関する。

従来、接地抵抗を低減させ、避雷針、避雷器等
の電気機器の接地効果を高めるために導電性繊維
入りコンクリートが開発されている。導電性繊維
入りコンクリートとは、たとえば、コンクリート
中に長さが約３cmの炭素繊維を互いに連接する程
度に混入したものである。この導電性繊維入りコ
ンクリートを、その中にリード線を挿入したりあ
るいはその表面に電極を当接したりして、接地極
に用いれば、接地抵抗の小さい接地極が得られ
る。さらに、そのような導電性繊維入りコンクリ
ートは、従来のコンクリートと同様に施工できる
ので、接地極兼構造体の基礎としても用いること
ができる。

しかしながら、前述のような導電性繊維入りコ
ンクリートの中にリード線を挿入したりあるいは
その表面に電極を当接したりした接地極において
は、商用周波数（たとえば60Hz）のような交流に
対する交流抵抗の低減効果は良いが、500KHz〜
1MHzのような高周波のサージに対するサージ抵
抗の低減の効果はあまり大きくないという欠点が
あつた。これは、サージ抵抗を低減させるために
は、サージ電流の放電時に、接地極の内部におい
て、電界強度の高い部分から電子なだれを起こさ
せ、ストリーマを急速に成長させることにより接
地極の等価半径を大にする必要があるが、従来の
導電性繊維入りコンクリートにおいては、そのよ
うな電界強度を高める部分がないためサージ抵抗
が小さくならなかつたものである。

この考案は、交流抵抗のみならず、サージ抵抗
をも低減させることのできる接地極を提供するこ
とを目的とする。

この考案は、要約すれば、コンクリート中に導
電性繊維が混入されていて、そのコンクリート中
に多数のとがつた部分を有する電極が埋設されて
いる接地極である。

以下、この考案の実施例を図面に基づき説明す
る。

第１図は、この考案の第１の実施例を示す断面
図である。大地３に凹部が設けられていて、その
凹部に導電性繊維入りコンクリート２が流し込ま
れている。この凹部の深さは、たとえば、約30cm
であり、広さはその中に針付接地棒４を埋設でき
る程度である。また、導電性繊維入りコンクリー
ト２は、好ましくは、前述したように、コンクリ
ート中に長さが約３cmの炭素繊維を互いに連接す
る程度に混入したものである。ただし、導電性繊
維の寸法、それのコンクリート中への混入の程度
は、上記のものに限定されるものではない。ま
た、導電性繊維は、金属繊維であつてもよい。前
記導電性繊維入りコンクリート２中には２本の針
付接地棒４が埋設されている。この針付接地棒４
については、以下にさらに詳細に説明する。この
２本の針付接地棒４はリード線５に接続されてい
る。リード線５には、図示しないが、接地したい
機器、たとえば避雷針が接続されている。導電性
繊維コンクリート２の上部には、保安のために、
高固有抵抗の砂利入りコンクリート１が設けられ
ている。砂利入りコンクリート１の厚さは、たと
えば、約10cm以上あればよい。

第２図は、針付接地棒を示す斜視図である。良
好な導電性を有するステンレススチール製のパイ
プ４１の外面に、ステンレススチール製の尖鋭な
先端部を有する円錐状の針４２が多数溶接固定さ
れている。パイプ４１は、一例として、長さが
1.5ｍであり、直径が２cmのものである。針４２
は、一例として、長さが３cmであり、４個（その
うち１個は図に現われていない。）を１組として
十文字にパイプ４１の長手方向に10cmの間隔で設
けられている。このような構成にすると、サージ
電流に対して良好な放電特性を有することが実験
により確かめられている。

次に、第１図の実施例の動作につき説明する。
たとえば、避雷針に接続されたリード線５に雷に
よるサージ電圧が印加されると、リード線５に接
続された針付接地棒４の針の先端部の電界強度が
極端に高まり、針の先端部から導電性繊維入りコ
ンクリート中へ電子注入が起こり、さらに電子な
だれの発生、ストリーマの発生へと続き、急速に
放電が成長する。この放電により電極部分の等価
半径が増大し、サージ抵抗が低減される。さら
に、導電性繊維入りコンクリートを使用している
ため、針の先端部には、導電性繊維が多数存在
し、かつ、その導電性繊維は相互に連接されてい
る。したがつて、針の先端部に発生たストリーマ
は導電性繊維に跳躍し、サージ電流は急速に広が
る。そして、これにより、針の先端部付近の空間
電荷効果が抑制され、針の先端部から導電性繊維
入りコンクリート中への電子の注入が容易にな
り、放電が促進される。さらに、１つの導電性繊
維から他の導電性繊維へとストリーマの跳躍が繰
返され、放電の領域が急速に拡大される。これに
より、電極の等価半径は、針付接地棒を単に大地
に埋設した場合に比べて格段に大きくなり、した
がつて、サージ抵抗の低減も非常に大きい。

すなわち、導電性繊維入りコンクリートにリー
ド線を挿入したような接地極では針の先端部のよ
うな電界強度が極端に高まる部分がほとんどない
ので、ストリーマの成長が悪く、したがつて電極
の等価半径が大きくならないのでサージ抵抗は小
さくならない。また、針付接地棒を単に大地に埋
設した場合は、一応針先から大地にストリーマが
成長し、電極の等価半径が大きくなり、サージ抵
抗が小さくなるものの、ストリーマの成長する領
域は針先部分に制限されており、さらに針先部分
における空間電荷効果により針先から大地への電
子の注入が抑制されため、サージ抵抗の低減には
限界がある。一方、本考案によれば、前述のよう
に、多数の針先からストリーマが急速に成長し、
さらにそのストリーマが導電性繊維に跳躍し、そ
れに加えて、そのストリーマは導電性繊維間をも
跳躍して広がるので、電極の等価半径増大の効果
には著しいものがあり、これによりサージ抵抗の
低下も著しい。

なお、第１図に示した実施例においては、第２
図に示したような針付接地棒４を２本導電性繊維
入りコンクリート２中に埋設しているが、針付接
地棒４の組合わせの仕方はそれに限られるもので
はない。一般に、針付接地棒４の組合わせの本数
を増すほどサージ抵抗は低下する。しかし、実験
によれば、第３図に示すように、針付接地棒４を
４本用いこれを十文字に組合わせたものが、サー
ジ抵抗の低下の割合と経済性を考慮すると最も好
ましい。

なお、一般的に、高周波（たとえば500KHz〜
1MHz）のサージを接地する場合、比較的高い周
波数のサージ（たとえば、1MHz付近）に対して
は第１図に示す実施例のように、接地極は深さは
浅くてもよいが面積を広げる方がサージ抵抗の低
減に効果が大であり、逆に、比較的低い周波数の
サージ（たとえば、500KHz付近）に対しては深
さの深い方が効果が大である。そこで、比較的低
い周波数のサージに対する実施例を次に説明す
る。

第４図はこの考案の第２の実施例を示す断面図
である。大地３に凹部が設けられていて、その凹
部に導電性繊維入りコンクリート２が流し込まれ
ている。この凹部は、たとえば、深さが10〜50ｍ
であり、直径が60〜100mmである。導電性繊維入
りコンクリート２は、第１図の場合と同様であ
る。導電性繊維入りコンクリート２中には、２枚
の銅帯接地板６が埋設されている。この銅帯接地
板６については、以下にさらに詳細に説明する。
そして、第１図の場合と同様、この２枚の銅帯接
地板６はリード線５に接続されており、導電性繊
維入りコンクリート３の上部には砂利入りコンク
リート１が設けられている。

第５図は、銅帯接地板を示す斜視図である。銅
帯接地板６は、銅からなる帯状の接地板であり、
多数のとがつた角６１を有する。銅帯接地板６
は、一例として、幅が３cm、厚さが２mm、長さが
10〜50ｍのものである。

第４図の実施例の動作も、第１図の実施例の動
作と同様である。すなわち、要約すれば、多数の
とがつた角６１からストリーマが急速に成長し、
さらにそのストリーマが導電性繊維入りコンクリ
ート２中の導電性繊維に跳躍し、それに加えて、
そのストリーマは導電性繊維間をも広がるので、
電極の等価半径を著しく増大し、これによりサー
ジ抵抗も著しく低下する。

ここで、参考のために、サージ抵抗の定量的な
検討結果を示す。

まず、第３図に示したようなような針付接地棒
を用いた場合と、導電性繊維入りコンクリート単
独の場合のサージ抵抗の検討を示す。

第６図は、導電性繊維入りコンクリート単独の
場合の等価半径を示す図である。導電性繊維入り
コンクリートにリード線を挿入しただけの場合の
サージ抵抗をZ_p、真空の誘電率をε_p、真空の透磁
率をμ_p、導電性繊維入りコンクリートの比誘電率
をε_r2、導電性繊維入りコンクリートの比透磁率
をμ_s2、リード線の比透磁率をμ_s1、リード線挿入
部分の等価半径をr₁、導電性繊維入りコンクリー
トの等価半径をr₂、導電性繊維入りコンクリート
の等価半径をｂとすると、Z_pは次式で表わすこと
ができる。

ここで、r₁＝0.1ｍ、r₂＝２ｍ、ｂ＝４ｍ、μ_s1
＝１、μ_s2＝１、ε_r2＝10とすると、 Z_p≒72（Ω） …(2) となる。

第７図は、導電性繊維入りコンクリート中に埋
設する針付接地棒を示す。この針付接地棒を導電
性繊維入りコンクリート中に埋設した場合のサー
ジ抵抗をZ_p′、導電性繊維入りコンクリートの比
誘電率をε_s、導電性繊維入りコンクリートの比透
磁率をμ_s、接地棒１本の長さを、接地棒の直径
をｄ、接地棒の埋設の深さをｈ、針の間隔を10
cm、針の長さを３cmとすると、Z_p′は次式で表わ
すことができる。

ここで、＝1.5ｍ、ｄ＝0.01ｍ、ｈ＝0.3ｍ、
μ_s＝１、ε_s＝10とすると、 Z_p′≒40（Ω） …(4) となる。(2)式および(4)式を比べれば明らかなよう
に、導電性繊維入りコンクリート中に針付接地棒
を埋設した場合のサージ抵抗は、導電性繊維入り
コンクリートだけの場合の約1/2に低下する。

次に、銅帯接地板を用いた場合と、導電性繊維
入りコンクリート単独の場合のサージ抵抗の検討
を示す。

第８図は、接地極の等価半径を示す概略図であ
る。

導電性繊維入りコンクリート単独の場合のサー
ジ抵抗をZ_p、真空の誘電率をε_p、真空の透磁率を
μ_p、導電性繊維入りコンクリートの比透磁率を
μ_r、大地土壌の比誘電率をε_s3、大地土壌の比透
磁率をμ_s3、導電性繊維入りコンクリートの深さ
を、導電性繊維入りコンクリートの半径をａ、
その直径をｄ、導電性繊維入りコンクリートの等
価半径をｂとすると、Z_pは次式で表わすことがで
きる。

ここで、μ_r＝１、ε_s3＝23、μ_s3＝１、＝50ｍ、
ｄ＝0.033ｍ、ｄ＝50.4ｍとすると、 Z_p≒240（Ω） …(6) となる。

次に、導電性繊維入りコンクリート中に銅帯接
地板を１枚埋設した場合のサージ抵抗をZ_p′、真
空の誘電率をε_p、真空の透磁率をμ_p、大地土壌の
比誘電率をε_s3、導電性繊維入りコンクリートの
深さを、銅帯接地板の幅をＷ、銅帯接地板の厚
さをｔとすると、Z_p′は次式で表わすことができ
る。

ここで、ε_s3＝23、＝50ｍ、Ｗ＝0.025ｍ、ｔ
＝0.0016ｍとすると、 Z_p′≒160（Ω） …(8) となる。(6)式および(8)式を比べれば明らかなよう
に、導電性繊維入りコンクリート中に銅帯接地板
を埋設した場合のサージ抵抗は、導電性繊維入り
コンクリートだけの場合の約67％に低下する。

以上のように、この考案によれば、交流抵抗の
みならず、サージ抵抗をも顕著に低減することが
できる。特に、サージ電流を大地中に放電させる
場合、先に詳述したように、針あるいは銅帯の角
からのストリーマの発生、さらに、導電性繊維に
よるそのストリーマの跳躍により、サージ抵抗の
低減の効果は著しいものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この考案の第１の実施例を示す断面
図である。第２図は、針付接地棒を示す斜視図で
ある。第３図は、針付接地棒を４本用いこれを十
文字に組合わせた概略図である。第４図は、この
考案の第２の実施例を示す断面図である。第５図
は、銅帯接地板を示す斜視図である。第６図は、
導電性繊維入りコンクリート単独の場合の等価半
径を示す図である。第７図は、導電性繊維入りコ
ンクリート中に埋設する針付接地棒を示す。第８
図は、接地極の等価半径を示す概略図である。 図において、２は導電性繊維入りコンクリー
ト、４は針付接地棒、４１はパイプ、４２は針、
６は銅帯接地板、６１はとがつた角である。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) コンクリート中に導電性繊維が混入されてい
   て、 前記コンクリート中に多数のとがつた部分を
   有する電極が埋設されている、接地極。 (2) 前記電極が、導体の棒に尖鋭な先端部を有す
   る円錐状の導体の針が多数設けられている針付
   接地棒である、実用新案登録請求の範囲第１項
   記載の接地極。 (3) 前記電極が、多数のとがつた角を有する帯状
   の銅帯接地板である、実用新案登録請求の範囲
   第１項記載の接地極。 (4) 前記コンクリート中に、長さが約３cmの導電
   性繊維が互いに連接する程度に混入されてい
   る、実用新案登録請求の範囲第１項ないし第３
   項のいずれかに記載の接地極。 (5) 前記導電性繊維が炭素繊維である、実用新案
   登録請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか
   に記載の接地極。 (6) 前記導電性繊維が金属繊維である、実用新案
   登録請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか
   に記載の接地極。