JPS6355870A - 避雷針用異常雷電圧低減用接地極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は建築物または煙突、塔、油そうなどの工作物
、その他のものに設備する避雷針の接地極に関するもの
で、特に落雷によって発生する異常電圧を低減し、雷電
筒の中和を促進して避雷針の保護効果を高め、雪害の発
生を防止する異常雷電圧低減用接地極に関するものであ
る。

（従来の技術〕 避雷針及びその接地極は、建築物又は工作物等の雷害防
止の他、特に近年において益々増加しているメカトロニ
クス等のコンピュータを使用した設備や、警備のための
警報表示装置等を雪害から保護し、その焼損あるいは情
報等のエラー発生を防止するためにも重要である。

これまでは、高層建築物には避雷針を設置する必要性が
あるが、低い建築物には特殊な場合を除き、その必要性
はないとされていた。避雷針は、避雷導線によって接地
極に接続されるが、ＪＩＳによると、避雷導線は、原則
として２本使用し、銅の場合、３Ｑｍｍ２以上の断面積
が必要とされ、地下５Ｑｃｍ以下で、銅板又は溶融亜鉛
めっき鉄板またはこれと同等以上の接地効果のおる棒状
、管状、帯状等の金属体からなる接地極に接続し、総合
接地抵抗を１０Ω以下にすることになっている。

この避雷針の原理は、避雷針を設置した被保護物では、
落雷はすべてこの避雷針に集中し、落雷による雷電筒は
避雷導線を通じ、地中の接地極により大地に放電され、
１０Ω以下の総合接地抵抗により、大地電位上昇を低減
し、速やかに雷電筒を大地に拡散させて、被保護物の保
護を達成しようというものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の避雷針による雪害対策は、その施工方法により雪
害から被保護物を守ることができず、逆に雪害を引き起
こす原因になっている場合もある。

これは避雷針から避雷導線・接地極を経て接続する大地
が良導体でなく、高抵抗体のため雷電流が通過しにくく
、従って落雷による異常電圧が低下しないという理由に
よる。さらに言えば、落雷の様相あるいは落雷時点から
被保護物の雪害発生までのメカニズムが十分解明されて
いなかったことになる。

たとえば、避雷針の接地抵抗は１０Ω以下に規定されて
いるが、これは大地電位上昇（第１０図参照）という観
念的理論によるものを低下させることができると考え、
これによって被保護物及び人体を危険から防止しようと
するものである。又、避雷針は最も高い位置に設置され
ているが、これも雷は高い所に落ちるという観念的な見
地からとらえられている。

まず大地電位上昇について考えてみると、本来落雷によ
る異常電圧は、落雷点及びその周辺で中和できなかった
残留雷雲電荷群と電気力線で結ばれた残留地上電荷群と
の間に発生した静電気であり、第１１図のような電位傾
度をもっていると考えられる。すなわち、電気力線の存
在する方向に直線的な電位傾度が発生し、電気力線のな
いところには電圧は発生しないのである。

雷雲から落下した電荷はいつまでも大電流ではなく、地
上の異性電荷と出会うたびに中和して消滅しているので
ある。

また落雷現象を雷雲と大地が作る静電容量に蓄えられた
電荷の放電と考え、放電距離の長いことと、電極を構成
している雷雲内部と大地が完全な導体でなく抵抗体であ
ることを併せて考えれば雷電流の放電時間は一瞬のよう
に見えても、１０ｍ５から５ＱｍＳの時間を要している
ものと推定されるので、瞬時値としての雷電流は、放電
時間が長い程小さくなる。

したがって、落雷によって発生する異常電圧が第１０図
のような大地電位上昇を発生することはない。又、落雷
は常に高い所に落ちるのではなく、相手の地上電荷が存
在する所に落ちるのでおり、避雷針にすべての雷電筒が
集中するのではなく、その周辺の被保護物及び大地に対
しても落雷は発生しているのである。

上述の様に考察するとき、落雷ならびに雪害発生のメカ
ニズムを再検討し、妥当な理論に基いた有効な対策を見
いだすことが不可欠となる。発明者は落雷現象を長年に
わたって研究した結果、静電気の公式Ｖ＝Ｑ／Ｃをベー
スとする理論に到達したもので、これによって従来避け
られなかった雪害を有効に防止し得る異常雷電圧低減用
接地極を提供しようとするものである。

（問題点を解決するための手段） まず、落雷の様相について考察すると以下の通りである
。

雷雲と地上で対向した電荷の間の電位差は、静電気の公
式でＶ＝Ｑ／Ｃとなる。雷雲と大地間の静電容量Ｃは、
雷雲の地上高目が高くなると小さくなり、Ｈが低くなる
と大きくなる。従って雷雲と地上の電位差は雷雲が上昇
する程高くなり、空気の耐電圧を越えると放電現象を起
こし、落雷に至る。雷雲は気流によって、上下水平移動
を行う。

雷雲の移動に伴い、地上の電荷も同方向に移動しようと
するが、地形の変化点く断層、峡谷、河川、海岸、起伏
等）があると地上電荷の移動が妨げられ、雷雲の電荷と
地上電荷の離隔距離が長くなり、静電容量Ｃも小さくな
る。一方、地上電荷は変化点周辺に集中するので、単位
面積当りの電荷ｆｆ１Ｑの値も増加し、雷雲と大地間の
電圧が上昇し、空気の耐電圧を越えると落雷に至るもの
である。要するに、雷雲電荷と地上電荷の距離が急に長
くなるとともに、電気的対応面積が減少したとき、雷雲
電荷と、これに対応した地表上の異性電荷集中点との間
で落雷が起るものである。

落雷のメカニズム及び雪害防止対策を考察するには、コ
ンデンサに蓄電された電荷の動向が参考になる。

第１２図（ａ）のような可変容量形のコンデンサを直流
電源によって充電して行くとコンデンサ端子Ａ、Ｂ間の
電圧は、充電された電荷ＩＱと静電容量Ｃの値によりＶ
＝Ｑ／Ｃの条件にしたがって徐徐に上昇して行く。端子
電圧が定格値に達したとき充電をやめ、こんどはコンデ
ンサの電極間隔を広げて行くと静電容量Ｃが減少し、再
び外部端子Ａ−Ｂ間の電圧が上昇を続け、遂には外部端
子Ａ−Ｂ間の絶縁か、コンデンサ内部の誘電体の絶縁を
破り、放電ｍ必るいはｎによって電極の電荷は中和を完
了する。

また、第１２図（ｂ）のような可変容量形のコンデンサ
を直流電源によって定格電圧まで充電し、そのまま放置
するとコンデンサ内部の誘電体を通過する微少電流が流
れ、電極の正負の電荷は時間をかけて徐徐に中和し、外
部端子Ｃ−０間の電圧は中和が完了するとゼロとなる。

なお、コンデンサを定格電圧まで充電したあとで、電極
間隔を狭めて行くと静電容量Ｃが増加するので、Ｖ＝Ｑ
／Ｃの分母が大きくなり、外部端子Ｃ−０間の電圧は低
下する。ざらに、そのまま放置すると誘電体を通過して
流れる微少電流によって、電極の正負の電荷は徐徐に中
和し、中和が完了すると外部端子Ｃ−０間の電圧はゼロ
となる。

ところで、落雷前の雷雲電荷と、これに対応した地上の
異性電荷は、空気を誘電体として、コンデンサを形成し
ている。コンデンサでおれば、電極を構成する雷雲と地
表面に、それぞれ等量のプラスと、マイナスの電荷が蓄
電され、電気力線によって結ばれている。ただ、一般に
取扱われているコンデンサと異なる点は、電極を構成し
ている雷雲と大地表面が、いずれも完全な導体でなく、
そのうえ広い面積をもっていることである。雷による放
電現象は、前述のコンデンサのプラスとマイナスの電荷
が電極間隔を広げられたため、端子電圧が上昇し、外部
端子間の絶縁か、コンデンサ内部の誘電体の絶縁を破壊
して中和した場合と同様の現象である。コンデンサの場
合に比べると絶縁を破壊された放電路が著しく長いとい
うことである。

第１３図は、落雷開始直前から、雷害発生直前までの、
雷雲電荷と地上電荷の動向を表現したものであり、以下
、順を追って説明する。図中、ＴＣは雷雲でおる。

（１）第１３図（ａ）は、落雷直前の雷雲電荷群と地上
電荷群の対向した状態を示したものである。

気流と大地の状況によって、雷雲電荷群と、地上電荷群
の距離が急速に長くなり、非常に高い電圧に成長して、
空気の絶縁を破って落下を開始した雷雲の電荷群も、先
端が落雷点に近づき、地上の異性電荷群との距離が小さ
くなると電圧も小さくなり、地上の電荷群と出合うと中
和して電圧はゼロどなるはずである。

しかし、雷雲内部と、地表面の電荷群の存在する面積が
広いためと、放電路が長いために、雷雲電荷の全部と、
地上電荷の全部が中和を完了するまでには一般的に１０
〜５ＱｍＳ、なかには５０ｍ５を越える時間を有してい
ることが、ボイスカメラによる分解像から知ることがで
きる。

（２）放電を開始し、落雷点（例えば支持物の上部付近
）に到達した雷雲電荷は、落雷点に集まっている地上電
荷と、中和し、中和できない雷雲電荷は、支持物上の地
上電荷と中和しながら地上に到達し、支持物周辺の地上
電荷と中和を行なう（第１３図（ｂ）および（Ｃ）参照
）。

（３）支持物周辺の地上に到達しても、中和する相手に
めぐりあえない雷雲電荷は、第１３図（ｄ）のように、
地上電荷との間に、地表面に近い土壌および空気を誘電
体としたコンデンサを形成することになる。

これは、落雷点から離れた地上電荷が、地形の変化（断
層、峡谷、河川、海岸、起伏等）や、地表面の土壌が高
抵抗のため、落雷点に瞬時に移動することが出来ないた
めに起こるものである。

因みに、地表面に近い深度の大地抵抗を実測したところ
第１４図のように数にΩ以上の高抵抗体であった。この
図は２接地電極間の距離と電極の打込み深さによる大地
抵抗値の変化を示すグラフで、電極は打込式接地棒φ’
１４ｍｍを用いた。Ｌは電極間距離（ｍ＞である。

第１３図（ｄ）では、マイナス電荷を中心にして、プラ
ス電荷が周囲を囲んでいるが、気流によって移動する雷
雲電荷に対して、地上電荷は追従する形をとるので、残
留雷雲電荷と、残留地上電荷による異常電圧は、第１５
図（ａ）、（ｂ）のように、円状より方向性を持つ場合
が多い。

電気力線で結ばれた、プラスと、マイナスの電荷は、中
和すれば電気力線が消滅し、電圧もなくなるのであるか
ら、落雷によって発生する異常電圧は、落雷点および落
雷点周辺の地上で中和を完了出来なかった残留雷雲電荷
と、電気力線で結ばれた残留地上電荷との間に発生した
ものと言うことになる。

地表面上にコンデンサを形成した、残留雷雲電荷と、残
留地上電荷によって発生する異常電圧も、電荷量と、離
隔距離（すなわち静電容量）によって決まり、Ｖ＝Ｑ／
Ｃの基本公式を満足する値となる。地表面近く浮上して
いる残留雷雲電荷と残留地上電荷が形成しているコンデ
ンサの対向電極面積がきわめて小さいので、静電容量Ｃ
が小さく、したがって電圧Ｖが高くなる。これが落雷に
よって発生する異常電圧の正体である。

上記は静電気理論によって裏付けられるものであるが、
過去３０数年にわたって発明者が調査した雪害発生現場
の被害状況とも一致するものである。

上記理論的、経験的解明によりこの発明が提供する異常
雷電圧低減用接地極の基本的構成は、被保護物地表面か
ら垂直方向にある程度の大きさを有し、かつ被保護物と
の関係において、被保護物を取巻く４方向のうち、少な
くとも１方向をカバーできる程度の水平方向の大きさを
有する導電体からなる接地極としたものであり、この雷
電圧低減用接地極により、雷電筒の中和を促進し、残留
雷雲電荷と残留地上電荷により発生する異常電圧を低減
し、よって避雷針の保護効果を高め、雪害の発生を未然
に防止したものでおる。

〔作用〕

被保護物の周辺又は避雷針に落雷し、残留雷雲電荷と残
留地上電荷の間に第１６図のような被保護物の電気設備
等が存在しているとき、地表面上の異性電荷間に発生し
た異常電圧が電気設備の耐電圧を上回ると、電気設備の
絶縁レベルの低い、最も通りやすい部分の絶縁を破壊し
た中和を完了する。たとえば第１６図（ａ＞のように、
避雷針ＬＲ及び被保護物上空に雷雲ＴＣが来たとき、地
上に帯電した十電荷は避雷針上部に移動していくが、地
表面が高抵抗のため十電荷の移動がスムースに行えない
。この時落雷が起こると第１６図（ｂ）のように地上に
残留電荷が多く残り、残留雷雲電荷ＴＥと残留地上電荷
ＧＥの間で高電圧を発生し電気設備等の被保護物に雪害
を及ぼすことになる。

しかるに第１図（ａ）のように、地表面近くから垂直方
向に、また水平方向にもある程度の大きさを有する導電
体からなる異常雷電圧低減用接地極ＰＥ＠設置すれば、
大地に対する並列抵抗が増え、その抵抗値は低下するた
め、地表面上の十電荷が落雷点すなわち避雷針ＬＲに移
動し易くなり、避雷針に落雷したとき多くの十電荷と一
電荷が中和する。よって残留雷雲電荷と残留地上電荷が
少なくなり、発生する異常電圧も小さくなる。

ざらにまた第１図（ｂ）のように、異常雷電圧低減用接
地極ＰＥに残留雷雲電荷ＴＥ又は残留地上電荷ＧＥが到
達すると、電荷が垂直な面に広がり、電荷密度が低下し
、さらに電圧を低減する。

また特に、図示のとおり被保護物の電気設備等を挟んで
、異常電圧低減用接地極ＰＥを対向配置した場合、異常
雷電圧低減用接地極間のコンデンサの対向面積が、地表
面近く浮上している残留雷雲電荷と残留地上電荷が形成
しているコンデンサの対向電極面積に比べ数倍以上にも
なり１ｑるので、よりいっそう異常電圧が低下し、被保
護物の電気設備等の耐電圧を下回ることになる。又異常
雷電圧低減用接地極間の大地の並列抵抗が増大し、抵抗
値が低下するに伴い、残留電荷の移動も一層スムースに
なり、中和が促進され、被保護物の雷害を防止できるも
のである。

〔実施例〕

以下、上記異常雷電圧低減用接地極の例を第２図ないし
第９図にしたがって説明する。

第２図（ａ）、（ｂ）及び第３図（ａ）、（ｂ）は、被
保護物地表面から地下５ＱＣｍの深さの垂直片を有し、
被保護物を取巻く４方向のうち１方向をカバーできる水
平方向の大きさを有する異常雷電圧低減用接地極ＰＥを
設置し、この異常雷電圧低減用接地極と避雷針ＬＲを避
雷導線ＣＷで接続したものである。

今避雷針及び被保護物上空に雷雲が来たとき、大地に対
する並列抵抗が多く、その抵抗値が低い異常雷電圧低減
用接地極ＰＥに地表面上の十電荷が集って避雷針ＬＲに
移動し、避雷針に落雷したとき多くの十電荷と一電荷が
中和する。また避雷針及びその周辺の残留雷雲電荷が異
常雷電圧低減用接地極に到達すると、残留雷雲電荷の電
荷密度が低下し、電圧が低減する。

第４図（ａ）、（ｂ）及び第５図（ａ）、（ｂ）は、前
記接地極ＰＥとは別に、避雷針ＬＲからみて被保護物の
裏側にも異常雷電圧低減用接地極ＰＥ’を設置した例を
示すもので、避雷針に落雷したとき、前記と同様異常雷
電圧低減用接地極ＰＥによって、多くの十電荷と一電荷
が中和するとともに、落雷してまだ中和出来なかった残
留雷雲電荷と残留地上電荷が異常雷電圧低減用接地極Ｐ
Ｅ、ＰＥ’において、垂直な面に広がり、電荷密度が低
下し、電圧が低減するとともに大地の並列抵抗が増大す
るので残留電荷の移動がスムーズに行われ、中和が促進
される。

今雷電荷が地表面より５　ｃｍまでの深さの範囲に集ま
っているとすれば、垂直方向で１０倍の静電容量が有り
、水平方向も含めると、雷電圧を１／１０〜１／１００
に低減することができるものである。

第６図（ａ）、（ｂ）及び第７図（ａ）、（ｂ）は、被
保護物の４方向に対し、前記異常雷電圧低減用接地極Ｐ
Ｅ“を２方向ずつ設置した例を示すものであり、どの方
向に地上電荷が存在しても、避雷針に落雷した多くの一
電荷と地上電荷の十電荷か中和できるものである。そし
て落雷してまだ中和できなかった残留地上電荷群につい
ては、第４図及び第５図と同じ前記理由により、残留雷
雲電荷との中和促進及び異常電圧低減が行なわれる。

第８図（ａ）、（ｂ）及び第９図（ａ）、（ｂ）は、被
保護物を取巻く４方向に対し、異常雷電圧低減用接地極
ＰＥ／″を仝方向に取り囲むように設置したものであり
、どの方向に地上電荷が存在しても、避雷針ＬＲに落雷
した時、多くの十電荷と一電荷が中和する。そして中和
できなかった残留雷雲電荷と残留地上電荷が、異常雷電
圧低減用接地極ＰＥ″″による短絡回路により中和を完
了するものである。なお、異常雷電圧低減用接地極ＰＥ
’あるいはＰＥ’を使用する場合、避雷導線をＰＥ’　
ｉるいは他方のＰＥ′にも接続して電荷の中和を促進さ
せてもよい。

〔発明の効果〕

以上詳述の通り、この発明は、落雷の挙動、雪害発生の
メカニズムを再検討することによって静電気理論および
経験に裏付けられた新規な避雷針用異常雷電圧低減用接
地極を提供し得たのであり、避雷針の保護効果を飛躍的
に高め′、雷害の発生を有効に防止し得るのもので、雪
害防止技術の分野において資するところがきわめて大で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ＞、（ｂ）は、この発明に係る避雷針用の異
常雷電圧低減用接地極の概念図で、（ａ）は落雷時の状
況、（ｂ）は作用状態を示す。 第２図ないし第９図は、同接地極の設置例を示す模式図
で、各各（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、 第１０図は、従来の雪害理論における大地電位上昇の説
明図、 第１１図は、この発明の雷電圧理論による電位傾度の説
明図、 第１２図（ａ）、（ｂ）は、落雷のメカニズムおよび雪
害対策の原理を、可変容量形コンデンサで説明した、こ
の発明による概念図、 第１３図（ａ＞ないしくｄ）は、落雷直前から雪害発生
直前までの雷雲電荷と地上電荷の動向を説明した概念図
、 第１４図は、２接地電極間の距離と電極の打込み深さに
よる大地抵抗値の変化図、 第１５図（ａ）、（ｂ）は、落雷後における残留雷雲電
荷と残留地上電荷による異常電圧の方向性を示す正面図
及び平面図、 第１６図（ａ＞、（ｂ）は、避雷針落雷時の電荷の挙動
を示す概念図である。 ＬＲ・・・避雷針　　　ＣＷ・・・避雷導線ＰＥ、ＰＥ
’　、ＰＥ”、ＰＥ−・・・異常雷電圧低減用接地極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）建築物、工作物その他の被保護物を落雷から保護
   する避雷針用の接地極において、被保護物の存する地表
   面から垂直方向にある程度の大きさを有し、かつ被保護
   物を取巻く４方向のうち、少なくとも１方向をカバーす
   る水平方向の大きさを有する導電体よりなる避雷針用異
   常雷電圧低減用接地極。
2. （２）被保護物を挟んで、接地極が対向配置されている
   特許請求の範囲第１項記載の避雷針用異常雷電圧低減用
   接地極。
3. （３）被保護物の４方向を取巻いて接地極が配置されて
   いる特許請求の範囲第１項記載の避雷針用異常雷電圧低
   減用接地極。