KR0130198B1 - 다기능형 번개 경보기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

다기능형 번개 경보기

제1도는 항공기의 이륙시에 「마이크로버스트」가 덮쳤을 경우의 상상도.

제2도는 모델적인 번개구름과 지상 번개의 경계 강도의 관계를 도시한 도면.

제3도는 번개 구름이 제2도의 화살표 방향과 같이 진행했을 경우에 제2도 A점에서 관측한 지표번개의 경계 강도의 시간적인 변화를 도시한 도면.

제4도의 (a)는 번개 구름의 전기적 구조의 2극형 모형도.

제4도의 (b)는 번개 구름의 전기적 구조의 3극형 모형도.

제5도는 본 발명의 번개 방전 검출기의 시스템을 도시하는 블록의 결선도.

제6도는 낙뢰(落雷)전의 지표 번개의 경계와 공간전하의 관계를 전기력선으로 도시한 도면.

제7도는 제6도의 것이 낙뢰(대지방전)로 어떻게 변화하는가를 전기력선으로 도시하는 도면.

제8a도 및 8b도는 낙뢰지점 접근시에 코로나 전류의 극성이 급반전 현상을 도시하는 그래프.

제9도는 제3도의 S로 도시되는 구역의 확대도.

제10도는 본 발명의 다기능형 번개 경보기의 원거리 감시용을 도시한 도면.

제11도는 마이크로버스트의 예지를 할 수 있는 다기능형 번개 경보기의 중거리용을 도시한 도면.

제12도는 중거리에서 폭풍의 감시를 할 수 있는 장치로 각각 블록의 접속도면.

제13도는 코로나 전류 발생용 침 전극의 1 유니트를 도시한 도면.

제14도는 금속 반구에 복수의 유니트를 부착한 코로나전류발생용 집합침 전극을 도시하는 측면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 유도 전극판 2 : 접지 단자

3 : 검출기 7 : 직류 증폭기

10 : 릴레이 회로 11 : 정전류 접점

17 : 경보 회로 41 : 적산기

44 : 신호 회로

본 발명은 야구장 기타 다수의 관객을 수용하는 운동장이나 학교, 작업현장, 골프장에서 낙뢰에 의한 사망사고를 미연에 방지하고, 또한 공항에서 번개 구름의 근접을 예측해서 이착륙시 항공기의 사고를 저지하고, 혹은 폭풍의 발생 및 이동을 전기적으로 탐지해서 재해를 방지하고, 또한 컴퓨터를 많이쓰는 장소에서 컴퓨터를 방해 작용시키는 번개 구름의 접근을 원거리에서 예지하고, 사전에 전원을 전환하는 처리중의 데이터의 보존을 행하고, 정전 및 방해 작동에 의한 불의의 피해를 방지할 수 있는 다기능형 번개 경보기에 관한 것이다.

근래, 공장이나 연구소, 사무소의 자동화가 진전되어 각처에서 컴퓨터의 보급이 눈부신데, 그 반면, 저압 전원으로 작동하는 전기기기 약전기기의 낙뢰에 의한 고장이 증대하고 있다. 또, 낙뢰에 의한 직접의 피해는 아니나 먼곳의 낙뢰에 의해서 송전선로에 순시정전 또는 전압 강화가 발생하며, 그 때문에 컴퓨터에 입력된 데이터가 소멸하거나, 컴퓨터에 의한 관리 시스템에 이상을 발생하는 등의 피해도 나오고 있다. 이같은 재해를 미연에 방지하기 위해선 CVCF (정전압 정주파 장치)나 UPS(무정전 전원 장치)가 있는데, CVCF는 배터리를 가지고 있지 않으므로 정전에는 소용에 닿지 않으며, UPS는 배터리를 내장하므로 정전시에도 전력을 공급하는데, 용량이 작고 유효 시간이 부족하는 등의 결점이 있으며, 충분한 대책이라고는 할 수 없다. 컴퓨터를 다수 사용하는 공장이나 사무소에선 먼곳에서 발생하는 번개를 조기에 예지해서 정확한 경보를 낼 수 있는 번개 경보기가 개발되면, 사전에 내부 전원으로 전환해둔 컴퓨터에서 플롭피를 뺀다는 대책을 취할 수 있다.

한편, 번개 경보기는 골프장이나 레저 시설에 있어서와 같이 골퍼나 시설중에 있는 사람들을 낙뢰의 위험에서 보호할 목적을 발생해야 된다. 이 때문에는 먼쪽의 발뇌보다는 중간 또는 근거리의 번개 활동을 정확하게 포착해야 된다. 따라서, 경계구역을 반경 30 킬로미터 정도의 범위에 한한 것이 쓰기 쉽다. 특히, 반경 10킬로 권내에 번개가 침입하는 타이밍을 정확하게 방지하는 것이어야 한다.

또, 비행장의 경우는 기상 관측 정보가 풍부하며, 레이다 정보등으로 먼쪽의 발뢰를 조기에 알 수 있다. 특히, 필요한 것은 이것들 먼 번개가 위험한 가까운 번개로 되는지 아닌지를 판단하는 것이다. 그밖에 항공기의 이륙과 착륙시에, 예기치 않는 마이크로버스트의 발생으로 중대 사고를 일으키는 예가 있다. 제1도에 대해서 이 현상을 간단하게 설명하면 항공기(100)이 활주로(101)에서 이륙하는 경우, 통상은 화살표 A와 같이 이륙상승하지만 마이크로버스트의 발생에 의한 도면과 같은 하강기류(102)가 생기며 이 바람의 영향을 받아서 항공기(100)은 화살표 B에 도시한 것같이 예정 비행 경고에 도달하기 이전에 하강을 부득이 하게 되어 사고를 일으키는 것이다. 이같은 사고를 방지하기 위한 예보가 요구되어 있다.

그러나, 마이크로버스트는 매우 단시간의 현상이며, 종래는 예측의 수단이 없었다. 그러나 오늘날에는 여러 가지 관측 정보 및 번개 방전 활동을 전기적으로 검지하므로서 마이크로버스트의 발생을 사전에 예지할 수 있는 경보기의 개발이 가능해지고 있다.

이밖에, 토오네이트가 접근했을 경우의 안전대책도 중요하다. 미국에선 연간 700개 이상의 토오네이드가 보고되어 있다. 큰 우레 구름은 수백 km의 거리를 이동하는 동안에 30에서 40이나 되는 토오네이드를 만들어낸다. 토오네이드를 확인하는 방법은 목시(目視)이며, 폭풍이 한번 발견되면, 그 모체가 되는 번개 구름은 레이다로 추적할 수 있으며, 그 진로상의 사람들에게 경보를 내어 피난시킬 수 있다. 보통의 토오네이드는 직경 수백 m이며 더욱 대규모의 것도 자주 발생한다. 토오네이드가 깔때기가 발생하며, 지면에 접촉하고 있는 동안은 수분이며, 최대 풍속 150m/s로 추정된다. 토오네이드의 내부 기압은 주위의 대기의 압력보다 현저하게 낮으며, 강한 토오네이드의 중심 기압은 주위의 기압보다 약 100mb나 저하되며, 토오네이드가 진물상을 통과하면 건물의 외부의 기압은 곧바로 하강하는데 건물 내부의 기압은 천천히 변화하며, 창이나 문은 특히 큰 압력을 받아서 파괴되며, 때로는 지붕이나 벽이 날라간다. 토오네이드가 강한 바람은 자동차 트랙터와 같은 무거운 것도 들어올려서 파괴한다. 깔때기의 발견 이동을 목시만에 의하지 않고, 먼곳에서 전기적으로 포착할 수 있으면 그 재해를 유효하게 방지할 수 있다.

종래의 번개 예지에 관한 기술을 열거하면,

1. 레이타 방식(기상 레이다)

파장 3 내지 10 센티의 전파를 사용하고, 반사파에서 검지되는 것은 공중에 뜨는 구름알갱이가 아니고, 구름속을 중력으로 낙하하는 강수입자군(비, 눈, 싸라기눈, 우박 등을 총칭해서 강수라고 한다)이다. 대류운은 그 강수역이 여름일 경우 7km 이상, 겨울의 경우 3km 이상이 되면 번개 구름으로 되므로 이것을 가늠으로해서 번개 구름을 탐지할 수 있다. 장점 및 단점을 들면,

① 적난운의 강수역의 크기 및 위치를 시간마다 측정한다.

② 강수역의 높이와 크기로 발뇌의 유무를 간접적으로 추정하므로 정확을 결여하는 수가 있다.

③고가이며, 조작에 전문 기술자를 필요로 한다.

2. 전파 수신 방식

번개 방전으로 발생하는 전자파를 포착, 신호의 강약 및 빈도로 번개 활동의 성쇄 또는 접근을 판단한다. 이 때문에 다음같은 장점 단점이 있다.

① 번개 방전에 의한 전파를 포착할 수 있으므로 발뢰 이전에는 예지할 수 없다.

② 인공 잡음 전파를 발뢰로 오인하는 확율이 높다.

③ 번개 방전까지의 거리를 정확하게 알 수 없다.

④ 근처의 약한 전자파와 멀리의 강한 전자파의 구별을 할 수 없다.

⑤ 이 장치가 없어도 통상의 래디오 수신기의 잡음으로 동정도의 추정을 할 수 있다.

⑥ 낙뢰와 구름 방전이 식별이 되지 않는다.

⑦ 비교적 먼곳의 번개의 정보를 포착하는데 적합하다.

이상과 같이 정확한 낙뢰 탐지기로서 정확하지 않으므로 단독으로는 그다지 쓰이지 않는다. 그러나, 근래, 먼곳의 번개 정보가 얻어진다는 장점을 살려서 번개 방전에서의 전자파를 브라운관으로 관측하고, 그 파형을 해석해서 낙뢰와 구름 방전을 식별하고, 방향 탐지기를 수지점에 설치하는 네트워크를 짜고, 낙뢰의 위치를 결정하는 방법 (Lightning Location System)이 개발되어 있다.

그 결과는 컴퓨터로 신속 처리되며, 반경 400Km 정도의 광열을 조사할 수 있다. 그런, 전파를 이용하므로 이것에 따르는 오차는 피할 수 없다. 고가인 장치의 설치가 필요하며 운영에는 다수의 전문가를 필요로 한다.

3. 전계 측정 방식

이상밖에, 하기의 감지기를 사용하여 지상에 네트워크를 둘러치고 감시구역의 지표 전계를 측정하고, 전계가 특정한 값을 초과하면 경보를 발하는 방식이 있다.

① 회전형 전계계

② 코로나 침에 의한 전계계

회전형 전계계는 기계적인 회전 부분이 마모되어 고장되기 쉽다는 결점이 있으며 코로나 침에 의한 전계계는 코로나 전류의 방출 개시 자전으로 전류가 불안정으로 된다는 결점이 있었다. 또, 넓은 구역에 계측기를 배치하므로 그 연락선을 부설할 필요가 있다.

이 방식은 낙뢰에 가장 관계가 깊은 지표 전체를 측정하고 있으므로 국지적인 낙뢰의 위험을 아는데 적합하고 있으나 지표 전계는 지표 바로위의 강약만으로 낙뢰의 위험을 일으적으로 판단하는 것은 곤란하다.

상술한 전파를 이용하는 방법은 인공 잡음 전파에 방해된다. 또, 번개 방전까지 거리를 알 수 없다. 낙뢰의 위치 결정 방법 (Lightning Location System)은 별개이지만 고액 설비비와 전문 기술을 필요로 한다) 한편, 전계 측정 방식을 쓰는 경우, 지표 전계는 지표 바로위에 축적되는 공간 전하에도 좌우되므로 전계의 강약만으로는 낙뢰의 위험을 임의적으로 판단하는 것은 곤란하다. 또, 감지기로선 회전형 전계계 보다는 코로나전류발생용 침 전극쪽이 가동 부분이 없고 유리하지만 코로나 전류 발생의 한계점에선 전류값이 불안정하게 될 결점이 있다. 또, 옥외에서 사용하기 때문에 곤충이나 조해(鳥害)등의 영향도 최소한도로 막아야 한다.

지상에 설치한 전극파상에 유도하는 유도 전압의 급변화를 검출하는 방법은 번개 방전 검출기의 감도와 번개 구름까지의 거리에 분명한 상관 관계가 있으며, 게다가 공간 전하의 영향을 받지 않으므로 전파식에 비해서 우수하며, 이것과 코로나침전계계를 사용하는 방법이 가장 소망스러운데, 각각 단독으로 사용했을 경우의 성능을 비교하면, 머리위에서 발달중인 강한 전하를 갖는 구름이 있을 경우에 구름 방전이 개시하지 않으면, 낙뢰의 위험이 다가셔도 번개 방전 검출기는 하등의 수신 감도니호도 출력하지 않는다. 그러나, 코로나침전계계로는 코로나 전류의 급증으로 머리위의 구름의 위험도가 판단된다. 한편, 번개 구름이 중거리에 있을 경우는 번개방전검출기의 신호로 판단되는데, 코로나침전계계로는 아직 코로나 전류가 유출하지 않기 때문에 검출되지 않는다.

또, 단독의 번개방전검출기는 원거리, 근거리의 번개 방전중의 어느 것에도 정확하게 대응시키는데는 무리가 있다.

한편, 비행장등에서 위험을 동반하는 마이크로버스트 발생의 예지나, 각지에서 발생하는 토오네이드를 목시에 의하지 않고 간단한 방법으로 먼곳에서 전기적으로 검출하는 기술이 필요한데, 종래의 번개 경보기로는 그같은 기술은 아직 달성되어 있지 않다.

본 발명은 지상의 유도 전극판에 유도하는 전압의 급변화의 수를 적산해서 어떤 가정치를 넘었을 경우에 신호를 발하는 번개방전검출기를 써서 번개 방전에서의 유도 전계를 이용하도록 한 것이며, 공간 전하의 영향에 방해됨이 없고, 유도 전극판에 유도하는 전압을 전계에 정비례하며, 번개 구름에서의 거리의 1 내지 2승에 역비례한다. 따라서, 먼곳의 번개의 활동 정황을 아는 경우는 유도 전극판을 써서 이것에 유도하는 미약한 전압의 급변화를 검출할 수 있게 번개방전검출기의 수신 감도를 고감도로 조정한 것과, 차차로 감도를 저하시킨 복수의 검출기를 사용하여 단계적으로 번개 방전을 검지하므로서 먼곳의 번개 구름이 발달 과정에 있는지 아닌지 접근하고 있는지 아닌지를 판단한다.

게다가, 수신 감도를 높게 설정한 번개방전검출기로는 100Km까지 탐지할 수 있다. 수신 감도를 중위로 설정한 것으로 30Km 이내, 또는 수신 감도를 낮게 설정한 것은 거의 10km 이내로 탐지 범위를 한정하는 것도 가능하다.

코로나침 전극으로 측정되는 코로나 전류의 크기는 그 장소의 전계의 2승에 비례하며, 구름의 전하 중심에서의 거리의 3승에 역비례하므로 대전한 구름의 원근에는 민감하게 응답한다.

한편, 코로나침전계계는 코로나 전류의 유출한계점 부근에서 전류값이 불안정하게 되는데, 10Km 이내의 근접 번개구를 또는 머리 위에서 급속히 발달중인 번개 구름에 따르는 비교적 강한 지표 전계를 검출하는데 적합하다.

본 발명에선 코로나침 전계침을 병설하고, 10Km 권내의 번개 구름에서 확실하게 동작시킬 것, 머리 위에 발생하는 활발한 대류 구름이 번개 구름으로 발달하는지 아닌지를 감시할 수 있다.

본 발명은 유도 전계의 변화값과, 정전계를 따로따로 측정하는 2개의 감지기를 병용하고, 양자의 장점과 단점을 보완함으로서 확율이 높은 예보, 경보를 행하는 것이다. 본 발명의 장치는 코로나 전류가 스타트 하는 시점 이전부터, 복수의 번개방전검출기로 단계적으로 번개 구름의 발생 및 접근을 검출하고, 주의보를 낼 수 있으며, 또한, 근거리에 접근한 경우에는 확실하게 경계경보가 동작하므로 예보 경보의 신뢰성을 가일층 높힐 수 있다.

예컨대 제2도는 모델적인 번개 구름과 그 지표전계를 도시한다. 제3도는 그 번개 구름이 화살표와 같이 진행했을 경우에, 제2도의 (A)점에서 관측했을 경우, 시간의 경과와 더불어 지표 전계가 어떻게 변화하는가를 도시한다. 도면중 K로 도시되는 구역에선 번개방전검출기의 신호와 코로나침전계계의 신호가 겹치므로 습뢰가 확실하게 접근하고 있음을 알 수 있다.

후술하는 낙뢰점 지근 검지 방식에센, 이미 번개 방전이 시작하고 있을 경우에, 코로나침전계계로 지표전계의 급반전 현상을 비교하고, 그중에서 낙뢰를 식별(제3도의 p점 참조)하거나, 그 낙뢰가 관측 지점에 접근하고 있는지 어떤지의 정보가 얻어진다. 이것들의 정보와, 감도를 낮게 설정된 번개방전검출기의 신호를 조합해서 마이크로버스트의 예지도 가능하다.

한편, 번개 구름의 전명에서 0℃층보다 아래쪽의 구름속에 대류 현상에 기인하는 주기성의 변동 현상이 있음이 알려져 있고, 이 현상은 토오네이드의 경우는 현저하게 발생하므로, 토오네이드의 접근을 아는 유력한 예지요소로 되어 있다.

그러나, 코로나 전류 발생의 한계점에선 전류값이 불안정에 있으므로 그것을 평균화하기 위해, 코로나침의 수를 증가할 필요가 있으므로 침수를 30개 정도로 한다. 또, 단위면적당의 침수가 너무 많아지면, 코로나 전류가 포화되며, 침수 증가의 효과가 상쇄된다. 또, 침끝의 첨예도가 고르지 않다든가, 사용중에 녹이 슬어서 마모하는 등의 불비가 있으면, 전계 측정 정밀도는 저하되어 감지기로서의 신뢰도가 손상된다.

그러나, 종래의 코로나침을 쓴 전계계에선, 다수의 침끝을 적절하게 분산시킨 것, 침끝을 일정한 첨예도로 가지런히 한 것, 곤충이나 조해 등의 영향을 최소한도로 누르고, 일정기간 사용해서 침끝이 마모되기 전에 교환한다는 실용적인 구성인 것은 아니었다.

본 발명은 이같은 과제를 해결하는 것이며, 금속제반구 방사상으로 입설한 금속 파이프의 상부의 비차단형 절연체의 선단에 설치한 구상 전극의 상면에, 테이퍼 부착의 소돌기를 복수개 방사상으로 설치하고, 이 소돌기에 첨단이 예리하고 또한 일정한 첨예도로 형성한 동규격의 주사침을 적당한 간격을 가지고 착탈 가능하게 부착하고, 전체가 2단계 방사상의 코로나 전류 측정용 집합침 전극을 형성한다.

상기한 번개 예지요소의 적절한 조합으로 단계적으로 경보할 수 있는 시스템으로 하고, 이것에 사용하는 코로나침전계계의 감지기에 코로나 전류발생용 집합 전극을 쓰면, 종래의 것에 비교해서 먼곳의 번개 구름을 조기에 인지하고, 위험구역으로 접근하는지 아닌지를 확실하게 판단할 수 있다. 또, 머리위에 발생하는 활발한 대류운이 번개 구름으로까지 발달하는지 아닌지를 감시할 수 있다. 또한, 공간전하와 접근 낙뢰와의 관계를 이용하면, 번개 방전과 근처의 낙뢰를 식별하고 또한 신뢰도가 높은 경보를 발한다.

번개방전검출기로 검지되는 번개 방전의 신호 출력과, 코로나침전계계로 검출되는 최초의 낙뢰 신호 출력의 양쪽의 정보로, 비행장에서 항공기의 이륙이나 착륙시에 가장 염려되고 있는 마이크로버스트의 발생도 예지할 수 있는 것이다.

본 발명의 번개방전검출기의 블록마다의 결선도를 도시하면 제5도와 같으며, 증폭기(41), 적산기(42), 시한 회로(43), 신호 회로(44)로 된다. 증폭기의 데시벨 (단위는 db)의 크기는 곧바로 번개방전검출기의 수신 감도에 비례한다. (도면중 e는 입력측, c는 출력측을 도시한다.)

그러나 증폭기의 데시벨이 같으면 보다 긴 시간내(단위는 분)에 의해 적은 급변화수를 세우고 동작하는 쪽이 보다 수신 감도는 높다. 따라서, 대체적인 변경은 증폭기(통상 10db, 20db, 30db의 3채널)의 채널 전환으로 행하고, 자세한 조정은 적산기(통상 1회에서 5회까지의 5채널)과 시한 회로(통상 1분, 3분, 5분간의 3채널)의 조합을 바꾸는 것으로 할 수 있다. 번개방전검출기의 수신 감도는 3개의 다이알 눈금을 종합해서 데시벨로 판단되는 설정값으로 결정된다(여기에선 30db, 적산기(1), 시한 회로 5분의 최고 감도). 이 방식의 번개방전검출기로는 대폭으로 상이한 몇가지의 감도로 설정된다.

한편에 있어서 유도 전극판의 면적이나 부착 높이도 번개방전검출기의 수신 감도에 크게 영향되므로 번개방전검출기의 3개의 다이알 조정만으로 충분한 수신 감도가 얻어지지 않으면 허용되는 한 유도 전극판의 부착 위치를 높게 하고, 게다가 유도 전극판의 면적을 크게 한다.

원거리용에선 약 100km의 범위에서, 번개 활동이 활발한지 어떤지, 접근중인지 아닌지를 판단할 수 있게, 복수의 번개방전검출기와 그 수신 감도에 대응시킨 복수의 경보 표시기에 접속하면 발뢰보, 주의보 등으로 단계적으로 습뢰의 위험을 경보할 수 있으므로 먼곳의 발뢰에 민감한 뢰경보기를 용이하게 얻을 수 있다. 중거리의 경우에는 전술한 바와 같이 주의에 설정한 수신 감도를 갖는 번개방전검출기와 코로나침전계계를 조합시키는 방식이 최적하다.

다음에, 공간 전하를 이용한 낙뢰점 지근 검지 방식에 대해서 말한다. 통상의 경우, 뢰운의 구름 밑바닥과 지표면 구름 밑바닥과는 역의 극성의 공간 전하가 존재한다는 것이 알려져 있다.

제6도는 낙뢰직전의 뢰운의 전하와 전계의 예를 도시한다. 구름중의 부전하의 영향으로 구름 밑바닥 아래에

로 표시하는 공간 전하가 분포하는 경우가 많다. 대기중의 전계는 구름의 부전하의 아래쪽에서 가장 강해지며, 낙뢰의 리더는 이 위치에서 발신한다. 도면의 관측점에선 전계는 상향(부)인데 공간 전하의 영향을 받으며, 값은 5 내지 10kv/m 정도로 된다. 제7도는 낙뢰직후의 상태를 도시한다. 낙뢰로 구름의 부전하는 대지에 유입되어 소실되지만 공간 전하는 거의 그대로 잔존하므로 지표 전계는 도면의 역선이 도시하듯이 하향(정)으로 반전하고, 값은 낙뢰직전과 동정도이든가 약간 크게 된다.

이하에 수치를 들어서 낙뢰 직후의 지표 전계의 관계를 나타낸다. 제6도의 관측 지점의 전계의 절대값, 즉 낙뢰 직전에 실측되는 전계의 절대값을 Xa로 하고, 제7도의 같은 지점에서의 전계의 절대 값을 Xa로 하고 제7도의 같은 지점에서의 전계의 절대값, 즉 낙뢰 직후에 실측되는 전계의 실측값을 Xb로 한다. 공간 전하가 존재하지 않는다고 가정했을 때, 같은 지점의 낙뢰 직전의 전계의 절대 값을 X로 하면 이 전계는 제6도의 전계 Xa(공간 전하에 의한 전계를 뺀 것이므로

X =｜Xa - (Xb)｜ = Xa + Xb

로 된다. 한편, 오늘날까지의 번개 관측 결과에서 구름의 부전하 층심의 전위는 10。V, 전하 중심의 지상 높이는 5x10³m 인 것이 알려지고 있으므로,

V/m = 20Kv/m 이다. 본 경보기의 코로나침전계계의 정확한 갱정(평면 갱정)이 행해지고 있지 않을 경우에도, 대체의 전계의 절대값을 추정할 수 있다. 예컨대 낙뢰의 전후에서 기록 결과가 제8a도와 같이 Xa와 Xb가 동등할때는 위의 2식에서,

Xa + Xb = 20KV/m, Xa = Xb

이므로 Xa=Xb=10KV 이며, Xb는 상향(부), Xb는 하향(정)이다.

기록 결과가 제8b도와 같이 Xb가 Xa의 2배 정도일때는,

Xa + Xb = 20KV/m, Xb = 2Xa 이므로 개략의 값으로 Xa = 7KV/m, Xb = 13KV/m 이며, 마찬가지로 Xasms 상향(부), Xb는 하향(정)이다.

이상은 대표적인 번개 구름에 대한 시산인데, 전계급 변화의 폭 ｜Xa - (Xb)｜ = Xa + Xb가 크다는 것은 낙뢰로 소비되는 구름의 전하량이 크다는 것은 낙뢰로 소비되는 구름의 전하량이 크다는 것을 나타낸다. 또 Xb/Xa가 크다는 것은 공간전하의 영향이 크다는 것을 나타내며, 공간 전하는 번개 구름의 부전하 중심의 바로 밑에서 가장 강해지므로 Xb/Xa가 클수록, 번개 구름의 바로 밑에 가깝다고 판단된다. 이같이 상기의 2개의 양이 차차로 커지는 것은 강대한 번개 구름이 머리 위에 가까워지고 있음을 시사한다. 감지기의 하나로서 코로나침전계계를 사용하는 본뢰 경보기는 이같은 유효한 정보를 제공하므로 사용자는 직격낙뢰의 위험도에 적확하게 예지할 수 있다.

근래, 마이크로버스트의 발생기구에 대해선 거의 해명되어 있다. 즉, 구름의 중심부에는 강한 상승기류가 있고, 구름이 성장을 계속하고 운전고도가 12000m 정도 되면, 운정부근의 기온은 -40℃∼50℃로 되며, 구름중에선 싸라기는, 우박이 대량으로 생성되며 상승기류를 거슬러서 낙하를 시작한다. 기류의 상승과 싸라기눈의 낙하에 의한 상대운동에 의해서, 구름알갱이에 정, 싸라기눈에 부의 전하가 분리되며, 운정부근에 정전하, 그 아래측에 부전하가 축적된다. 그 양이 일정값에 이르면 구름 방전이 일어난다. 부전하의 분 또는 대체로 고도 5-8km 정도(온도로 -10∼-20)의 범위이며, 이때의 방전을 대체로 1분간에 3-5개 정도의 비율이다. 그러나, 이 영역에 농밀하게 부전하가 축적되어도 지상고가 높으므로 곧바로 낙뢰로는 되지 않는다.

구름중에서 부전하를 지니는 싸라기눈의 성장이 계속하면, 싸라기눈의 낙하에 이끌려서 하강기류가 시작되며 하강기류의 영역은 구름의 상부에서 차례로 하강되며, 이어서 구름밑바닥 부근까지 확대된다. 동시에 기온의 영향으로 0℃층 부근에 국부적인 정전하의 분포가 나타난다. 그 정전하에 유발되어서, 구름중의 부의주 전하와 지표의 정전하와의 새의 방전 즉 낙뢰가 일어난다. 최초의 낙뢰발생보다 수분 늦어서 강한 하강기류역이 지표에 이르고 마이크로버스트로 된다.

최초의 낙뢰발생시, 하강기류의 하단은 구름바닥 부근에 있고 이것이 지표에 도달하기까지에 수분의 시간이 걸린다.

즉, 마이크로버스트에 앞서서 최초에 낙뢰가 있고, 그 이전엔 활발한 구름 방전이 일어나고 있다는 것이 연구자에 의해 밝혀져 있다. 제4도는 모델적으로 구름내의 전하분포와 구름방전과 낙뢰의 방전로를 나타낸다. (a)는 쌍극형 (b)는 3극형이며, 후자쪽의 하부의 정의 국부전하의 작용으로 빈번하게 낙뢰를 일으킨다.

다음에 토오네이드의 접근중에 곧잘 나타나는 주기적인 지표전계의 변화와, 이 현상을 이용한 토오네이드의 감시를 겸한 습뢰경보기의 이용법에 대해서 말한다. 전술의 제2도는 번개 구름중의 전하와 그것에 따르는 전계를 모식적으로 나타낸다. 그림과 같이 번개 구름의 상부에 널리 정전하가 분포되며, 하부에는 부하의 전하가 농밀하게 분포한다는 생각은 오늘날 널리 받아들여져 있다. 그러나 구름의 하부의 결심한 강수역내엔 국부적인 정전하의 분포가 자주 발견된다. 위쪽의 정전하는 온도 고도에서 -30℃층보다 위쪽에 있으며, 부전하는 -10°∼20°의 범위에 있다. 한편, 하층의 국부적인 정전하는 0℃ 부근에 있다.

전술과 같이 제3도는 상기의 번개 구름이 화살표 방향으로 진행했을 경우, 제2도 A점에서의 지표전계의 변화를 나타낸다. 번개 구름이 접근하고 제2도 C점에 대응하는 거리를 통과하면, 지표전계가 부에서 정으로 변화한다(중앙부근 S로 나타내어지는 영역에 대응하는 전계변화). 번개 구름이 이 거리를 넘어서면 번개방전에 따르는 지표전계의 급변화에 덧붙여서 번개 구름중의 소규모대류 현상에 기인해서 지표전계가 주기적으로 변화한다는 특징적인 현상이 일어난다. 제9도는 이 현상이 나타난 제2도 S의 구역에 대응하는 전계기록을 확대해서 도시한다. a-b는 낙뢰에 의한 급변화, 다른 부분은 특징적인 주위적 변화이다.

토오네이드의 근처에선 이 형의 주기적 변화가 현저하게 나타나는 것이 판명되고 있다. 본 습뢰경보기는 이점에 착안하고 모든 형의 전계 변화를 기록할 수 있는 특성을 활용하고, 목시에 의하지 않는 토오네이드의 검출을 가능으로 하는 것이다.

(e)발명을 실시하기 위한 최량의 형태

최초는, 공장이나 골프장 등의 용도에 적합한 1예를 제10도에 도시한다. 원거리의 발뢰, 근거리습뢰, 낙뢰점접근 등을 경보하는 시스템이다. (1)은 유도전극판, (2)는 접지단자, (3)은 일정시간 신호를 출력하는 (약 30초 정도)고감도의 번개방전검출기. (4)는 일정시간 신호를 출력하는 (약 30초 정도) 감도중 정도의 번개방전검출기이다.

(5)는 코로나전류발생용 침전극, (6)은 비절단형 절연애자, (7)은 직류증폭기, (8) 및 (8')는 릴레이 접점부착의 마이크로안미터이며, 마이크로안미터(8) 및 (8')은 중심이 영이고 양단에 설정침을 가지고 있으며, (9)와 (10)은 (8) 및 (8')에 부속한 릴레이 회로, (8)과 (9) 및 (8')와 (10)은 직류증폭기(7)에 접속된다. 미터에 부속하는 릴레이 회로(9)에 설정침으로 전계의 크기와 정부에 따라서 동작한다. 한편, 미터에 부속하는 릴레이 회로(10)은 정전류접점(11), 부전류접점(12)에 따로따로 접속된다. (13),(14)는 유지회로(복귀시간 0.1-0.5초), (15)는 전기 정전류접점, 부전류접점이 거의 동시에 동작한 경우에 작용하는 릴레이, (16)은 「발뢰」를 보지하는 경보회로, (17)은 「주의보」(18)은 「경계경보」, (19)는 「낙뢰경보」를 보지하는 경보회로이다. 즉, 원거리에서도 발뢰가 있으면 높은 수신감도의 번개방전검출기(3)의 신호로 「발뢰」를 알리는 경보회로 「16」이 동작한다.

다음에,

(A)중정도의 수신 감도의 번개방전검출기(4)가 동작해서 신호를 출력했을 경우

(B)코로나침전구(5)에 코로나 전류가 흐르며, 마이크로안미터(8)의 설정침(정부 어느것 이어도)을 넘어서 미터에 부속하는 릴레이 회로(9)가 동작해서 신호를 출력했을 경우

상기(A)(B)중의 어느 한쪽의 신호이면 「주의보」의 경보 회로(17)이 동작한다.

발뢰 경보에서 주의경보와 경보 단계가 나아갔을 경우, 공장등에선 내부 전원으로 전환하거나 플롭피를 빼는 등의 처리가 필요한 시기이다. (A)(B)의 신호가 거의 같으면 「경계경보」의 경보 회로(18)을 동작한다. 이것은 골프장 등에선 플레이하고 있는 골퍼에 대해서 골프를 중지시키고 골퍼를 가까운 번개피난장소로 피난시키는 시기이다.

근접낙뢰의 경우의 예를 들면, 가까이에 번개 구름이 있고, 이미 코로나 전류가 마이크로안미터(-8')의 부설정침을 넘어서고 있으며, 다음에 낙뢰가 일어나면 코로나 전류의 극성이 급반전하고, 정의 코로나전류가 정설정침을 넘어서 유출한다. 그러나 시간의 경과와 더불어 구름밑바닥의 부전하는 증가하므로 마이크로안미터의 전류값은 줄어서 지침은 영점을 지나서 거의 낙뢰전의 위치로 돌아간다.

이 급반전의 직전의 전계의 절대값을 Xa, 이 급반전의 직후의 전계의 절대값을 Xb, 라고 하면 마이크로안미터의 실정침을 Xa와 Xb가 비교될 수 있게 조정한다. 마이크로안미터의 지침이 정전류접점(11) 및 부전류접점(12)를 거의 동시에 동작시켰을 경우, 유지 회로(13),(14)에 의해, 릴레이 회로(15)가 동작하며, 「낙뢰 경보」의 경보 회로(19)가 동작한다. 이같이 Xa와 Xb를 비교할 수 있게 하면, Xa + Xb의 값 및 Xb/Xa의 값이 증가할때는 직격 낙뢰의 공산이 증대하고 있다고 판정된다. 낙뢰 경보의 경우는 어떤 경우도 긴급피난의 시기이다. 또, 번개방전검출기(4), 릴레이 회로(9)의 단독 신호 출력으로 경보 회로(18)를 동작해서 경계경보를 낸다.

2번째로, 비행장 등에서 유효한 것을 제11도에 도시한다. (1)은 유도전극판, (2)는 접지단자, (3)은 일정시간(약 30초) 신호를 출력하는 감도 층정도의 번개방전검출기. (4)는 일정시간(약 30초 정도) 신호를 출력하는 낮은 감도의 번개방전검출기, (5)는 코로나전류발생용 침전극, (6)은 비 절단형의 절연애자, (7)은 직류증폭기, 마이크로안미터(8) 및 (8')은 중심이 영이고 양측에 설정침을 갖고 있으며, (8)은 설정침으로 전계의 크기와 정부에 따라서 동작하는 미터에 부속하는 릴레이 회로(10)에 접속된다. 마찬가지로 마이크로안미터(8')에 접속한 미터에 부속하는 릴레이 회로(9)는 정전류접점(11), 부전류접점(12)에 따로따로 접속한다. (13),(14)는 유지회로(복귀시간 0.1-0.5초), (15)는 전기 정전류접점, 부전류접점이 거의 동시에 동작했을 경우에 작용하는 릴레이, (15')는 낮은 수신 감도의 번개방전검출기(4)의 신호출력과 미터에 부속하는 릴레이 회로(10)의 신호출력을 동시에 수신했을 경우에 동작하는 릴레이이다. (16)은 「주의보」,(17)은 「경보」(18)은 「비상경보」, (19)은 「낙뢰경보」의 경보회로이다. 제10도의 것과 다른 점은,

1. 증거리의 발뢰에서 특히 감시구역으로의 습뢰를 예지한다. 한쪽에선 바로 위에서 발달하는 번개의 활동을 감시하는 것에 중점을 두고 있다.

2. 바로 위에서 강한 번개가 발달할때는 마이크로버스트가 나오는 경우가 있다. 이 경우는 탁월한 번개 방전의 10분후, 그리고 최초의 지상낙뢰의 수분후라고 말해진다. 그 타이밍을 아는 것에도 중점을 두고 있다.

따라서, 중거리 정도의 번개의 활동이 파악되면, 방심하지 말고, 여러 가지의 기상정보를 이용해서 충분히 안전대책을 취할 수 있다. 그러나 마이크로버스트는 매우 단시간의 활동이고, 사건의 불과 수분전이 되지 않으면 확실한 예측을 할 수 없는 매우 다루기 힘든 현상이다.

본 장치는 마이크로버스트 발생의 조건의 유무를 조기부터 예지하고 마이크로버스트 발생의 직전의 최종예보를 가능으로 한다. 제11도에서, (3)의 감도 중정도의 번개방전검출기이며, (4)은 낮은 감도의 번개방전검출기, (16)은 주의보, (17)은 경보, (19)는 비상경보를 경보하는 경보회로. 제10도의 것과 다르며, 고감도의 번개 검출기 대신으로 낮은 감도의 번개방전검출기(4)를 구비하며, 이 신호출력과 침전극전계계의 신호출력으로 전술의 마이크로버스트의 전조가 되는 빈번한 구름방전을 검출하고 「비상경보」를 낼 수 있다. 또, (9,11,12,13,14,15,19)는 「낙뢰경보」 시스템으로 마이크로버스트 예지의 목적에 마이크로안미터(8')의 설정침을 조정하면 「낙뢰경보」가 즉시 마이크로버스트의 직전예보로 된다. 기타의 기호 및 동작은 제10도와 전혀 같다. 또한, 번개 방전기(3)과 릴레이 회로(10)의 단독 신호로 경보 회로(16)을 동작해서 주의보를 내고, 복합 출력으로 경계회로(17)을 동작시켜서 경보를 말한다.

3번째로, 주로 토오네이드를 감시하는 것을 제12도에 도시한다. 이것은 전술의 코로나 전류의 주기성의 변화를 검출해서 이것을 토오네이드의 예지에 이용하는 것이다.

각부의 기호를 설명하면, (1)-(7)은 제11도와 전혀 같으며, (8)은 급격한 전류 변화를 지지하는 초크코일, 마이크로안미터(9) 및 (9')는 중심이 영이며 양측에 설정침을 갖고 있으며, (9)는 설정침으로 전계의 크기 및 정부에 따라서 동작하는 미터에 부속하는 릴레이 회로(10)에 접속된다. 미터에 부속하는 정전류접점(11)은 정전류접점(12), 부전류접점(13)에 따로따로 접속된다. (14),(15)는 유지회로(복귀시간 0.3-10초), (16)는 전기 정의 전류접점, 부전류접점이 그대로 동작한 회로를 일정시간 적산해서 미리 설정한 값을 초과하면 신호를 출력하는 적산기, (16')는 낮은 감도의 번개방전검출기(4)의 신호출력과, 미터에 부속하는 릴레이 회로(10)의 신호출력을 동시에 수신한 경우에 동작하는 릴레이이다. (17)은 주의보, (18)은 경보, (19)는 비상경보의 경보회로, (20)은 낙뢰경보의 경보회로이다.

끝으로 코로나전류발생용 집합침전극을 도면에 의해서 설명한다. 제13도는 1유니트로서의 코로나전류 발생용침전극을 도시한다. 이 유니트 복수개를 금속제반구(9)에 방사상으로 부착한 예를 제14도에 도시한다.

제13도 및 제14도에 있어서 (51)은 전극본체이며, 진원형의 구이다. 전극본체(51)은 진원구가 아니어도 코로나 전류가 나오기 어려운 형상이면, 유사한 형상이나 타원형의 구여도 된다.

(52)는 테이퍼부착 소돌기이며, 적당한 간격을 두고, 방사상으로 전극 본체(51)의 상면에 입설되어 있다. 이 소돌기(52)에 주사침(53)이 간호등에 의해서 변환자재로 설치된다.

주사침(53)은 그 용도상 비교적 정밀하게 선단부가 처리되고 있으며, 첨예도, 굵기나 길이등이 균일하다. 게다가 입수하기 쉽고 가격도 싸다. 또한, 주사침(53)에는 구멍이 있는데, 비 따위가 들어가므로 실리콘수지등을 채워서 폐색하고 쓴다. 주사침(53)은 테이퍼부착 소돌기(52)에 부착되어 전극본체(51)에 대해서 적당한 간격을 두어 공중으로 신장되어 있다.

도면중 (54)는 비차단형의 절연체, (55)는 급속 파이프, (56)은 절연체, (57)은 샤프트, (58)은 접속단자, (59)는 금속제반구이다. 금속반구(59)로 방사상으로 입설한 금속 파이프(55)의 선단에 설치한 전극(51)의 상면에 테이퍼부착의 소돌기(52)를 방사상 으로 복수개 설치하고, 이 소돌기(52)에 선단이 예리하고 또한 일정한 첨예도 형성한 동종류의 주사침(53)을 방사상으로 또한 적당한 간격을 가지고 대체 자재로 조립하고 있다. 주사침(53)은 금속제반구(59)에 대해서 2단계의 방사상(금속 파이프로 5방향, 주사침으로 6방향)으로 배치되어 있다. 전극본체(1)등은 스텐레스등의 도전성 재료로 작성되는데, 별로 재료에는 구애되지 않는다. 바늘의 개수는 1유니트에 6개의 주사침(53)이 설치되고 있으며, 금속제반구(59)에는 5유니트가 설치되므로 이 장치에선 30개의 주사침(53)이 2단계의 방사상으로 분산해서 코로나전류를 검지하게 된다. 1유니트에 주사침(53)을 너무 다수개 설치하면 오히려 코로나전류가 포화되어 좋지 않다. 5-6개가 바람직하다. 이같은 구성의 코로나전류발생용 집합침전극은 늘 옥외에 접지되므로 새나 벌레의 해를 받기 쉬우나 수가 많으므로 1-개의 손상으로는 영향을 받지 않는다.

습뢰에 따라서 발생하는 코로나전류는 발생시의 전류값이 흐뜨러짐이 크지만 이 경우에도 다수의 바늘로 코로나 전류의 방출이 평균화듸므로 검지기능이 안정되어 있다.

본 습뢰경보기는 수신 감도가 다른 복수의 번개방전검출기를 써서 원거리의 발뢰와 그 활동정황을 감시하며, 또 코로나침전계계에 의해 머리위의 발뢰를 감시함과 더불어 번개방전 검출기의 신호출력과 코로나침전계계의 신호출력을 조합하고, 습뢰의 위험을 단계적으로 보지할 수 있다. 번개 구름의 전면에서 0℃층보다 아래쪽의 구름중의 대류현상에 기인하는 주기성의 전계변동이 관측된다는 것이 알려져 있고, 이현상은 토오네이드의 경우에 현저하게 발생한다. 따라서, 본 습뢰 경보기는 토오네이드의 접근을 아는 유력한 예지 수단으로서 소용에 닿는다.

본 경보기는 공간전하의 영향을 포함한 낙뢰의 급반전전계를 표시하고, 직격낙뢰의 위험을 동반하는 번개 구름의 접근정황을 예지한다. 본 경보기는 유도 전압급변화의 검출과 코로나침에 의한 전계측정을 시스템화해서 조합하고 ①원거리의 발뢰, ②머리위의 발뢰 ③감시구역으로의 습뢰 ④강한 번개 구름의 접근 ⑤낙뢰점의 부근등을 경보할 수 있다.

그중에서 유도전압의 급변화를 수신 감도가 다른 복수의 번개방전검출기로 포착하는 것. 전계 측정에 특성이 안정된 집합침전극을 사용하는 것이 중요한 역할을 다하고 있다.

본 발명의 다기능성 습뢰경보기는 상기의 ①에서 ⑤까지의 용도의 어느것에 중점을 두는가에 의해서 장치의 시스템을 선택할 수 있다. 시스템의 설정이 정해지면 발뢰보, 주의보, 경계경보, 비상경보, 낙뢰경보등을 단계적으로 발신한다.

발뢰보, 주의보, 경계경보, 비상경보, 낙뢰경보의 어구 표현은 낙뢰확율에 따른 복수 단계의 경보이며, 사용자의 선택에 의해 예컨대, 제1주의보, 제2주의보, 경계경보, 피난경보등이라는 표현으로 할 수도 있다.

원거리지점에 있는 송전선의 철탑에 낙뢰했을 경우에도, 공장이나 사무소에서 수많은 컴퓨터에 의한 관리시스템을 갖고 있는 곳에선 정전이나 순시의 전압강하에 의해서 심대한 피해를 입는 일이 있다. 본 발명의 다기능형 번개 경보기로는 상술한 바와 같이 비교적 원거리의 번개활동, 그리고 중거리의 번개활동을 검지하고, 머리위에서 급속히 발뢰하는 번개 구름을 즉시 포착하여 경보할 수 있으므로 대규모의 컴퓨터로 관리되고 있는 공장이나 사무소에서 일어나는 심대한 번개 재해를 미연에 방지할 수가 있다.

또, 골프장, 레이저 시설, 야구장 기타 다수의 관객을 수용하는 운동장, 건설현장등 한정된 구역으로의 습뢰도 확실하게 경보할 수 있으므로 낙뢰에 의한 인심사고의 방지에 도움이 된다.

본 발명은 이같은 먼곳의 발뢰.감시구역에 침입하는 번개 머리위의 발뢰 그 어느것을 불문하고 정확한 조기예지로 경보발신을 가능으로 했는데 이에 덧붙여서 토오네이드의 감시에도 소용에 닿게 할 수 있다. 또한, 항공기의 이륙이나 착륙시에 우려되는 마이크로버스트의 예지도 되며, 이용범위가 매우 넓은 유익한 발명이다.

Claims (4)

1. 지상에 설치된 전극 판에 대해서 번개방전에 따라 나타나는 전극판상의 유도전압의 급변화의 수를 소정시간 적산하고, 그 수가 설정값을 초과했을때에 신호를 출력하는 복수개의 번개방전검출기와, 병설된 침전극에서 유출하는 코로나전류에 의해 지표 번개의 경계를 측정하고, 지표 번개의 경계값이 설정값을 넘었을 경우에 신호를 출력하는 코로나침전극전계계를 구비하고, 하나의 번개방전검출기의 신호출력, 다른 하나의 번개방전검출기 또는 코로나침전 번개의 경계계측중의 어느 하나의 신호출력 및 양자 동시의 신호 출력에 의해서 습뢰, 낙뢰의 위험을 단계적, 자동적으로 인지하는 것을 특징으로 하는 다기능형 번개 경보기.
2. 제1항에 있어서, 낙뢰를 나타내는 지표번개의 경계의 급히 반전하는 것을 검출했을 때, 급히 반전하기 직전의 번개의 경계값 Xa와 급히 반전한 후의 번개의 경계값 Xb를 비교하고, Xb-Xa의 값 및 Xb/Xa의 값이 각각 소정의 값을 넘었을 경우에 자동적으로 낙뢰경보를 울리는 기능을 구비한 다기능형 번개 경보기.
3. 제1항에 있어서, 급변화와는 다른 지표번개의 경계의 주기적 변화가 계속해서 발생한 단계에서 번개 구름중에서 활발한 전하의 분리가 진행중 또는 머리위부근을 활발한 번개 구름이 이동중임을 인지하는 기능을 구비한 다기능형 번개 경보기.
4. 제1항 내지 제3항중의 어느 한항에 있어서, 금속제반구에 방사상으로 설치된 금속파이프의 상부에 비절단형의 절연체를 부착하고, 그 선단의 구상전극상면에 작은돌기를 복수방사사으로 돌출시키고, 그 작은 돌기에 주사침을 착탈가능하게 부착한 집합침전극을 갖는 다기능형 번개 경보기.

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