避雷装置、避雷機能を有する構造柱及び雷サージ電圧の低減方法
【課題】落雷による雷サージ電流のフラッシオーバーを確実に防ぎ、雷害を防止することが可能な避雷装置、避雷機能を有する構造柱及び雷サージ電圧の低減方法を提供する。
【解決手段】落雷７による雷サージ電流Ｉを接地側に流す避雷装置１を、鋼管３と、この鋼管３内に同軸配置された導体４と、鋼管３及び前記導体４の間に充填された、導電性を有する充填材１０と、を有するように構成する。これにより、避雷装置１を流れる雷サージ電流Ｉが分流され、その低周波成分ＩＬが導体４を流れ、且つその高周波成分ＩＨが導体４の外側の鋼管３及び充填材１０を流れるようにする。
【解決手段】落雷７による雷サージ電流Ｉを接地側に流す避雷装置１を、鋼管３と、この鋼管３内に同軸配置された導体４と、鋼管３及び前記導体４の間に充填された、導電性を有する充填材１０と、を有するように構成する。これにより、避雷装置１を流れる雷サージ電流Ｉが分流され、その低周波成分ＩＬが導体４を流れ、且つその高周波成分ＩＨが導体４の外側の鋼管３及び充填材１０を流れるようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、落雷による雷サージ電流を接地側に流すことによって、雷害を防止する避雷装置、避雷機能を有する構造柱、及び雷サージ電圧の低減方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
落雷により高出力の雷サージ電流が建造物、信号機等の各種設備又は樹木等に流れると、これらは破壊されてしまう。近年では、電気的な衝撃に対して特に弱い電子機器も増加しており、雷害が非常に脅威になっている。このような雷害を防止するため、落雷による雷サージ電流を接地側に流す経路を予め確保する導体（避雷針導体とも呼ばれる）を備えた避雷針、引下げ導体等の避雷装置が用いられている。
【０００３】
ところが、雷サージ電流には多種多様の周波数の交流電流が含まれており、落雷による雷サージ電流が避雷針導体を流れる際には、雷サージ電流の高周波成分による電圧は非常に大きくなる（即ち、雷サージ電流の高周波成分では、導体のインダクタンスＬと電流の微分成分ｄｉ／ｄｔの積から求まる電圧降下分ｖ＝Ｌ×ｄｉ／ｄｔが非常に大きくなる）。このため、この電圧降下分であるｖが導体周辺の絶縁耐力を上回ると絶縁破壊が生じ、導体周辺に火花放電発生し（一般に、フラッシオーバーと呼ばれる）、周囲に予想外の雷害を与えてしまう恐れがある。
【０００４】
そこで、特許文献１に記載の避雷技術では、上述したフラッシオーバーを防止するように、避雷針導体の外周に絶縁体を設け、避雷針導体の周囲を完全な絶縁状態にすることによって、フラッシオーバーの発生を防止している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１８６１６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された避雷技術では、避雷針導体の外周に設けた絶縁体にクラックが入る等して僅かに破損しただけでも絶縁破壊し、フラッシオーバーが発生してしまう。また、フラッシオーバーの発生の可能性は、避雷針導体の導体長が長いほど高くなりそのため避雷針導体は、より高い絶縁耐力を有することが要求されている。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、落雷による雷サージ電流のフラッシオーバーを確実に防ぎ、雷害を防止することが可能な避雷装置、避雷機能を有する構造柱及び雷サージ電圧の低減方法を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明によれば、落雷による雷サージ電流を接地側に流す避雷装置であって、鋼管と、前記鋼管内に同軸配置された導体と、前記鋼管と前記導体の間に充填された、導電性を有する充填材と、を有し、前記落雷による雷サージ電流が分流され、その低周波成分が前記導体を流れ、且つその高周波成分が前記鋼管及び前記充填材を流れることを特徴とする、避雷装置が提供される。
【０００９】
上記避雷装置において、前記充填材は、抵抗体、誘電体及び磁性体より成る群から選択した１以上の材料を含有するようにしてもよい。
【００１０】
上記避雷装置において、前記鋼管と前記導体が、同軸系の特性インピーダンスにより終端された後に接地されていてもよい。
【００１１】
上記避雷装置において、前記導体、前記鋼管及び前記充填材が既設の設備に付設されていてもよい。
【００１２】
また、本発明によれば、落雷による雷サージ電流を接地側に流す避雷機能を有する構造柱であって、鋼管、前記鋼管内に同軸配置された導体、及び前記鋼管と前記導体の間に充填された、導電性を有する充填材を備え、前記落雷による雷サージ電流が分流され、その低周波成分が前記導体を流れ、且つその高周波成分が前記鋼管及び前記充填材を流れるように構成した、避雷機能を有する支持部と、前記支持部によって支持された、前記避雷機能とは別の機能を有する被支持部と、を有することを特徴とする、避雷機能を有する構造柱が提供される。
【００１３】
上記避雷機能を有する構造柱において、前記充填材は、抵抗体、誘電体及び磁性体より成る群から選択した１以上の材料を含有するようにしてもよい。
【００１４】
上記避雷機能を有する構造柱において、前記鋼管と前記導体が、同軸系の特性インピーダンスにより終端された後に接地されていてもよい。
【００１５】
また、本発明によれば、落雷による雷サージ電流を接地側に流す際に雷サージ電圧を低減する方法であって、前記雷サージ電流の高周波成分に対するインピーダンスが第１の電流路よりも低い第２の電流路を設け、前記雷サージ電流の低周波成分が第１の電流路に流れ、且つ高周波成分が第２の電流路に流れるように、雷サージ電流を分流させることにより前記第１の電流路の雷サージ電圧を低減することを特徴とする、雷サージ電圧の低減方法が提供される。
【００１６】
上記雷サージ電圧の低減方法において、前記第１の電流路は、導体で構成され、前記第２の電流路は、前記導体の外周を被覆するように同軸配置した鋼管と、前記鋼管及び前記導体の間に充填された、導電性を有する充填材とで構成されていてもよい。
【００１７】
上記雷サージ電圧の低減方法において、前記充填材は、前記充填材は、抵抗体、誘電体及び磁性体より成る群から選択した１以上の材料を含有するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、落雷による雷サージ電流を導体（即ち、避雷針導体）を通して接地側に流す際に、雷サージ電流を分流し、その低周波成分が第１の電流路としての導体を流れ、且つ高周波成分が導体の周囲に設けた第２の電流路を流れるようにしたことによって、従来公知の避雷装置のように雷サージ電流の全電流が導体を流れる場合よりも、導体の単位長さ当たりの電圧低下（即ち、雷サージ電圧）を低減することが可能になる。これにより、導体上部の電位上昇を抑制してフラッシオーバーの発生を防ぎ、例えば埋設設備等、周囲の設備への雷害を効果的に防止することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明をする。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態に係る避雷装置１の鉛直方向の断面図である。図２は、図１のＸ−Ｘ矢視拡大断面図である。図１及び図２に示すように、避雷装置１は、地面２上に鉛直方向に立設された円環形状の鋼管３の内部に裸の導体４を同軸配置した構成を有する。鋼管３は、例えばステンレス鋼で構成されている。導体４は、例えば銅等で構成され、鋼管３内を軸方向に沿って上端側から下端側まで配設されている。導体４の上端は、落雷７を受けるように、鋼管３の上端の外側に若干突出して配置された突針８が接続されている。導体４は、鋼管３の軸方向に沿って所定間隔で複数設けた絶縁性の固定装置５によって鋼管３内の中央位置に固定されている。
【００２１】
図２に示すように、鋼管３及び導体４の間には導電性を有する充填材１０が充填されている。本実施の形態では、充填材１０としては、抵抗体１５、誘電体１６及び磁性体１７の各材料を、所定の割合で混入させたセメントが用いられている。抵抗体１５としては、例えば金属微粉末（銀粉、銅粉等）又はグラファイト等が用いられる。誘電体１６としては比較的誘電率の高い材料（例えば酸化アルミ、チタン酸バリウム等）が用いられる。さらに、磁性体１７としては、例えばフェライト等が用いられる。なお、充填材１０としてのセメントは、例えば発泡状に構成する等により軽量化されているのが好ましい。
【００２２】
図３は、地面２付近における避雷装置１を拡大した斜視図である。図３に示すように、鋼管３の下端は地面２（ここでは、地面２を大地として扱うが、設置場所によってはコンクリート構造面としてもよい）の中に埋設され、接地系２０に接続されて接地されている。接地系２０は、地中にある鋼管３及び導体４の下端を、整合器２１を介して深埋設電極接地極２２に接続した構成を有する。この整合器２１は、鋼管３及び導体４の下端を、両者（３、４）が形成する同軸系の特性インピーダンスにより終端するように構成されている。これにより、落雷７による雷サージ電流Ｉが、鋼管３及び導体４から深埋設電極接地極２２にほとんど反射せずに流れるようになっている。なお、本実施の形態では、整合器２１として、鋼管３と軸方向を平行に且つ同心に配置された円柱形状のコンクリート材が用いられている。
【００２３】
以上のように構成された避雷装置１によって実施される、本発明の実施の形態に係る避雷方法について説明する。
【００２４】
雷７が発生し、避雷装置１の上端の突針８に落雷すると、図１に示すように、多種多様の周波数成分を含む雷サージ電流Ｉが、避雷装置１の導体４を軸方向に沿って上端側から下端側に流れる。導体４の周囲には、導体４の外周を被覆するように同軸配置した鋼管３が配置されており、且つ導体４と鋼管３との間には導電性を有する充填材１０が充填されているため、雷サージ電流Ｉは導体４を流れる際に減衰する。この現象を図４に示す回路図を用いて以下で説明する。
【００２５】
図４は、導体４の上端側に接続された突針８に落雷した雷サージ電流Ｉを接地側に流す際の、鋼管３、導体４及び充填材１０によって構成される本発明の実施の形態に係る避雷装置１の単位長さ当たりの等価回路を示した回路図である。図４において、Ｌは導体４のインダクタンス、Ｒは導体４の抵抗、Ｃは導体４と鋼管３の間のキャパシタンスである。Ｇは、抵抗体１５、誘電体１６及び磁性体１７を含有する充填材１０に起因するコンダクタンスである。
【００２６】
雷サージ電流Ｉが導体４を流れる際に減衰するのは、図４に示すように、雷サージ電流Ｉの高周波成分ＩＨが、導体４の外側の充填材１０及び鋼管３を通って（即ち、図４に示す点Ａ１から点Ｂ２の方に）流れるからである。従って、導体４に流れる減衰した雷サージ電流Ｉは、雷サージ電流Ｉの低周波成分ＩＬである。このように、本発明の実施の形態に係る避雷装置１は、落雷７の雷サージ電流Ｉが低周波成分ＩＬと、高周波成分ＩＨとに分流され、低周波成分ＩＬが第１の電流路としての導体４を流れ、高周波成分ＩＨが第２の電流路としての鋼管３及び充填材１０を流れるように構成されている。
【００２７】
減衰した雷サージ電流Ｉ（即ち、雷サージ電流Ｉの低周波成分ＩＬ）が導体４を流れる際に発生する雷サージ電圧ＶＬは、ＶＬ＝Ｌ×ｄＩＬ／ｄｔとなる。この雷サージ電圧ＶＬは、従来公知の避雷装置のように、全ての雷サージ電流Ｉ（＝ＩＬ＋ＩＨ）が導体４に流れる場合に発生する雷サージ電圧ＶＬ＋Ｈ＝Ｌ×｛ｄ（ＩＬ＋ＩＨ）／ｄｔ｝よりも低減されている。
【００２８】
一方、雷サージ電流Ｉの高周波成分ＩＨが導体４の外側の鋼管３及び充填材１０を流れる際には、主として充填材１０が含有する抵抗体１５、誘電体１６及び磁性体１７によって抵抗加熱、誘電加熱、及び誘導加熱が生じ、そのエネルギーの一部が消費される。
【００２９】
導体４を流れる雷サージ電流Ｉの低周波成分ＩＬと、充填材１０及び鋼管３を流れる雷サージ電流Ｉの高周波成分ＩＨは、軸方向に沿って下端側に流れて地面２よりも低い位置に到達すると、図３に示すように、接地系２０に流れる。即ち、雷サージ電流Ｉは、整合器２１を経由し、同軸系の特性インピーダンスにより終端された接地極２２に流れる。
【００３０】
以上の実施の形態によれば、避雷装置１を鋼管３の中心に導体４を配置した同軸ケーブルに構成し、さらに、鋼管３及び導体４の間に、導電性を有する充填材１０を充填したことによって、雷サージ電流Ｉが導体４を流れる際に分流され、その低周波成分ＩＬが主として第１の電流路としての導体４を流れ、且つその高周波成分ＩＨが導体４の周囲に設けた第２の電流路を流れるようにすることができる。これにより、ほとんど全ての雷サージ電流Ｉが導体４を流れる従来公知の避雷技術の場合よりも、導体４を流れる電流量を低減し、導体４に生じる雷サージ電圧（Ｌ×ｄｉ／ｄｔ）を低減させることができ、導体４を流れる雷サージ電流Ｉを安定化させ、落雷７による雷サージ電流Ｉが避雷装置１から飛出してしまうフラッシオーバーを確実に防ぎ、雷害を効果的に防止することが可能になる。
【００３１】
また、接地系２０に整合器２２を設け、鋼管３と導体４の下端を、両者（３、４）が形成する同軸系の特性インピーダンスにより終端した後に接地するように構成したことによって、接地インピーダンスは大地の抵抗率に関わらず一定となる。また、雷サージ電流Ｉ（即ち、低周波成分ＩＬ及び高周波成分ＩＨ）は反射されずに接地側に流れるようにすることができる。これにより、雷サージ電流Ｉをより確実に接地側に流すことができるので、フラッシオーバーの発生をさらに抑制することが可能である。
【００３２】
本発明の第２の実施形態として、図５に示すように、導体４、鋼管３及び充填材１０が、例えば信号機４０等の既設の設備に付設されていてもよい。図５は、本発明の第２の実施形態に係る避雷装置１の鉛直方向の一部断面図である。図５に示すように、本発明の第１の実施形態の場合と概ね同様に構成された避雷装置１が、鉛直方向に対して若干傾斜した状態で、複数の固定具４５によって信号機４０の支柱４１に付設されている。この第２の実施形態では、鋼管３及び導体４の下端が、同軸系の特性インピーダンスで終端された後にメッシュ接地極５２に接続された構成を有する。なお、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、深埋設電極接地極２２を用いてもよい。
【００３３】
本発明の第２の実施形態によれば、避雷装置１を、例えば信号機４０等の既設の設備に付設するようにしたため、避雷装置１を単独で立設する場合よりも、必要な強度、支持構造に関する設計制約等が低減され、容易に小型化及び単純化することが可能になり、避雷装置１の設備費及び設備空間を軽減することができる。また、本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態と同様の効果も有する。
【００３４】
本発明の第３の実施形態として、図６に示すように、本発明を避雷機能を有する構造柱に適用してもよい。図６は、本発明の実施の形態に係る構造柱６０の鉛直方向の断面図である。図７は、図６のＹ−Ｙ矢視拡大断面図である。
【００３５】
図６に示すように、構造柱６０は、本発明の第１の実施形態における避雷装置１と同様に構成された支持部６１と、この支持部６１によって支持された被支持部６２としての信号装置とを備えた構成になっている。本発明の第３の実施形態では、図６及び図７に示すように、被支持部６２は、支持部６１の導体４と鋼管３の間に軸方向（即ち、鉛直方向）に沿って配置された中空の配管６５の上端及び下端を直角に曲げて鋼管３の外に突出させた構成を有する。このように突出した配管６５の上端には、例えば赤色、黄色及び緑色の三色のランプを備えた発光装置６６が設けられている。配管６５の下端は、発光装置６６を制御する制御装置（図示せず）及び発光装置６６に電源を供給する電源装置（図示せず）に接続されている。配管６５内には、これらの制御装置及び電源装置（図示せず）と発光装置６６とを接続する電線及び信号線等の電線群６７が配設されている。なお、配管６５は、導体４と鋼管３との間に充填された充填材１０で固定されている。
【００３６】
本発明の第３の実施形態によれば、構造柱６０を、避雷機能を有する支持部６１と、この支持部６１によって支持された、避雷機能とは別の機能（即ち、信号機能）を有する被支持部６２とで構成したことによって、同一の設置空間内に、落雷７による雷害を防ぐ避雷機能と、避雷機能以外の種々の機能を並設することができ、設置空間を節約することが可能になる。また、本発明の第３の実施形態は、第１の実施形態と同様の効果も有する。
【００３７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３８】
上述した実施形態においては、充填材１０として、抵抗体１５、誘電体１６及び磁性体１７の全てを所定の割合で混入させたセメントが用いられている場合について説明したが、充填材１０は、導電性を有する任意の材料を用いてよい。また、充填材１０には、抵抗体１５、誘電体１６及び磁性体１７より成る群から選択した１以上の材料が含有されるようにしてもよい。さらに、これら抵抗体１５、誘電体１６及び磁性体１７以外の材料が含まれていてもよい。
【００３９】
上述した実施形態においては、抵抗体１５が金属微粉末（銀粉、銅粉等）又はグラファイトである場合について説明したが、抵抗体１５としてこれら以外の材料を用いてもよい。
【００４０】
上述した実施形態においては、誘電体１６が酸化アルミ、チタン酸バリウムである場合について説明したが、誘電体１６としてこれら以外の材料を用いてもよい。
【００４１】
上述した実施形態においては、磁性体１７がフェライトである場合について説明したが、磁性体１７としてこれら以外の材料を用いてもよい。
【００４２】
上述した実施形態においては、整合器２２として、鋼管３と軸方向を平行に且つ同心に配置された円柱形状のコンクリート材が用いられている場合について説明したが、整合器２２は、インピーダンスの整合をとるための任意の材料及び形状であってもよい。
【００４３】
上述した実施形態においては、接地系２０の接地極が深埋設電極接地極２２又はメッシュ接地極５２である場合について説明したが、その他の接地極が用いられてもよい。
【００４４】
上述した実施形態においては、被支持部６２が信号機の機能を備えている場合について説明したが、被支持部６２が、例えば通信機能、照明機能等、避雷機能以外の機能を備えるようにしてもよい。
【実施例】
【００４５】
一般に、雷サージ電流の主要な周波数成分は１０ＫＨｚ〜１ＭＨｚとみなされており、図１に示す本発明の実施の形態に係る避雷装置１に、一般的な伝送式を適用した試算を行うことによって正弦波定常電流法による解析からその有効性を検証する。
【００４６】
既述したように、本発明による避雷装置１は、図４に示す有損失線路の等価回路とみなせるので、以下では、公知の一般式を適用して試算を行う。なお、図４に示す有損失線路の等価回路において、抵抗Ｒ及びコンダクタンスＧを０に設定した場合には、無損失線路の等価回路に該当する。
【００４７】
一般的に、図８に示すように、内部導体７１の外径がａ、外部導体７２の内径がｂである同軸ケーブル７５は、これら内部導体７１及び外部導体７２が空気絶縁されている状態において、周波数ｆ（Ｈｚ）の電流を流した場合には、この同軸ケーブル７５の単位長さ当たりのインダクタンスＬ（μＨ／ｍ）、キャパシタンスＣ（ｐＦ／ｍ）及び抵抗Ｒ（Ω／ｍ）、並びにインピーダンスＺ０（Ω）は、各々下記式（１）〜（４）で得られることは公知である。
Ｌ＝０．２×ｌｎ（ｂ／ａ）・・・・・・・・・・・・（１）
Ｃ＝５５．６／｛ｌｎ（ｂ／ａ）｝・・・・・・・・・・（２）
Ｒ＝｛４．１５×１０−８×（ａ＋ｂ）×√ｆ｝／（ａ×ｂ）・・・・（３）
Ｚ０＝６０×ｌｎ（ｂ／ａ）・・・・・・・・・・・・・（４）
【００４８】
また、図８に示す同軸ケーブル７５の内部導体７１及び外部導体７２の間に空気の代わりにポリエチレンを充填し、同軸ケーブル７５に周波数ｆ＝３×１０９（Ｈｚ）の電流を流した場合には、同軸ケーブル７５のコンダクタンスＧ（Ｓ／ｍ）が下記式（５）で得られることが分かっている。
Ｇ＝（７．３５×１０−１０）／｛ｌｎ（ｂ／ａ）｝・・・・・・・（５）
【００４９】
しかしながら、本発明の場合、避雷装置１の導体４及び鋼管３の間の充填材１０は、導電性が支配的であるため、避雷装置１のコンダクタンスＧは、充填材１０の導電率σ（Ｓ／ｍ）に対して下記式（６）で求めるのが適切である。
Ｇ＝（σ×２π）／｛ｌｎ（ｂ／ａ）｝・・・・・・・（６）
【００５０】
表１には、（抵抗体１５、誘電体１６及び磁性体１７を含有する）充填材１０として種々の導電率σ（Ｓ／ｍ）の物質を用いた場合について、上式（６）から計算される避雷装置１のコンダクタンスＧ（Ｓ／ｍ）の各値が示されている。なお、表１においては、内部導体７１の外径をａ＝１０（ｍｍ）、外部導体７２の内径をｂ＝１０００（ｍｍ）としている。
【００５１】
【表１】
【００５２】
さて、図４に示す等価回路において、下記式（７）で示すγは一般に伝播係数と呼ばれている。
γ＝√｛（Ｒ＋ｊωＬ）×（Ｇ＋ｊωＣ）｝・・・・・・・（７）
なお、ω（ｒａｄ／ｓ）は等価回路を流れる電流の角周波数であり、ω＝２πｆである。ここで、
γ＝α＋ｊβ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（８）
とα、βを設定すると、電流が図４に示す等価回路をｌ（ｍ）流れた際の外部導体７２に対する内部導体７１の電圧成分の減衰率Ｄ（ｄＢ）は、下記式（９）で得られることが知られている。
Ｄ＝２０×ｌｏｇ１０ｅαｌ
＝（αｌ）×２０×ｌｏｇ１０ｅ
＝８．６８６×（αｌ）・・・・・・・・・・・・・・・・（９）
【００５３】
従って、上式（１）〜（３）、（６）から各々得られるＬ、Ｃ、Ｒ及びＧの値を上式（７）に代入し、伝播係数γの値を計算してから、上式（８）を用いてαの値を算出すると、上式（９）から避雷装置１の導体４を流れる雷サージ電流の電圧成分の減衰率Ｄ（ｄＢ）を求めることができる。なお、上式（９）では、電圧成分を対象にしたものであるが、電流の減衰率に対しても同様である。
【００５４】
ここでの試算は、図１に示す避雷装置１の導体４の外径が１０（ｍｍ）、鋼管３の内径が１０００（ｍｍ）であると仮定する。従って、ａ＝１０、ｂ＝１０００を上式（１）、（２）に適用することによって、避雷装置１のインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣは、Ｌ＝１（μＨ／ｍ）、Ｃ＝１２（ｐＦ／ｍ）となる。また、表１を参照し、試算に最適であるコンダクタンスＧの値をＧ＝０．０１、０．１、１．０、１０．０（Ｓ／ｍ）（即ち、導電率σ＝０．００７３３、０．０７３３、０．７３３、７．３３（Ｓ／ｍ））に設定して試算を行う。図９は、これら４種類のコンダクタンスＧの各値について、３種類の周波数ｆ＝１０４、１０５、１０６（Ｈｚ）の雷サージ電流が避雷装置１の導体４を流れる際の単位長さ当たりの減衰率Ｄ（ｄＢ）を各々試算した結果を示したものである。
【００５５】
図９に示されるように、コンダクタンスＧ（即ち、導電率σ）の値が大きくなるほど導体４を流れる雷サージ電流の減衰率Ｄ（ｄＢ）が増大することが分かる。従って、本発明のように、避雷装置１を同軸ケーブルに構成した上で、充填材１０が抵抗体１５を有するようにして導電率σを高くすると、導体４を流れる雷サージ電流が相対的に減衰し、導体４の外側（即ち、充填材１０及び鋼管３）により分流させる効果があることが分かる。
【００５６】
また、図９に示すように、Ｇ＝０．０１（Ｓ／ｍ）（即ち、導電率σ＝０．００７３３（Ｓ／ｍ））である場合に、減衰率Ｄは、周波数ｆ＝１０４（Ｈｚ）の雷サージ電流がＤ＝０．２（ｄＢ）、周波数ｆ＝１０５（Ｈｚ）の雷サージ電流がＤ＝０．５（ｄＢ）、周波数ｆ＝１０６（Ｈｚ）の雷サージ電流がＤ＝１．５（ｄＢ）であることが分かる。これは、導体４を流れる雷サージ電流のうちで、より周波数の高い高周波成分がより減衰し、導体４の外側（即ち、充填材１０及び鋼管３）により分流することを示している。
【００５７】
図１０は、上記４種類のコンダクタンスＧの値に、Ｇ＝０（σ＝０）の値を加えた５種類のコンダクタンスＧの各値について、３種類の周波数ｆ＝１０４、１０５、１０６（Ｈｚ）の雷サージ電流が導体４を流れる際の避雷装置４の特性インピーダンスＺ０を上式（４）を用いて各々試算した結果を示したものである。これは、整合器の抵抗に対応したものである。
【００５８】
図１０は、本発明の整合インピーダンスに目安を与えるグラフである。無損失の場合（Ｇ＝０（σ＝０））には、図１０に示すように、特性インピーダンスＺ０は、２８８．７（Ω）となる。このように無損失である場合に、特性インピーダンスが周波数に依存せずに一定であることは周知であり、このことは、無損失である場合、整合抵抗を２８８．７（Ω）とすることが電圧−電流特性が乱れることなく、終端で消費されることを意味する。一方、有損失である場合には、図１０に示されるコンダクタンスＧ（即ち、誘電率σ）の値によって、特性インピーダンスは異なり、また、周波数に依存する。これが整合インピーダンスである。図１０に示すように、避雷装置１のインピーダンスＺ０は、コンダクタンスＧ（即ち、導電率σ）の値が大きくなるほど避雷装置１のインピーダンスＺ０の値が無損失である場合（Ｇ＝０（σ＝０））の２８８．７（Ω）より低くなっており、整合インピーダンスの目安が得られている。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、落雷による雷サージ電流を接地側に流し、雷害を防止する避雷装置、避雷機能を有する構造柱、及び雷サージ電圧の低減方法に特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態に係る避雷装置１の鉛直方向の断面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ矢視拡大断面図である。
【図３】地面２付近における避雷装置１を拡大した斜視図である。
【図４】雷サージ電流Ｉが避雷装置１を流れる際の単位長さ当たりの回路図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る避雷装置１の鉛直方向の一部断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る構造柱６０の鉛直方向の断面図である。
【図７】図６のＹ−Ｙ矢視拡大断面図である。
【図８】同軸ケーブル７５の模式的な斜視図である。
【図９】４種類のコンダクタンスＧの各値について、３種類の周波数ｆの電流が導体４を流れる際の単位長さ当たりの減衰率Ｄ（ｄＢ）を各々試算した結果を示したものである。
【図１０】４種類のコンダクタンスＧの各値に、Ｇ＝０（σ＝０）の値を加えた５種類のコンダクタンスＧの各値について、３種類の周波数ｆ＝１０４、１０５、１０６（Ｈｚ）の交流電流が導体４を流れる際の避雷装置４の特性インピーダンスＺ０を上式（４）を用いて各々試算した結果を示したものである。
【符号の説明】
【００６１】
１ 避雷装置
２ 地面
３ 鋼管
４ 導体
５ 固定装置
７ 落雷
８ 突針
１０ 充填材
１５ 導電体
１６ 誘電体
１７ 磁性体
２０ 接地系
２１ 整合器
２２ 深埋設電極接地極
４０ 信号機
４１ 支柱
４５ 固定具
５２ メッシュ接地極
６０ 避雷機能を有する構造柱
６１ 支持部
６２ 被支持部
６５ 配管
６６ 発光装置
６７ 電線群
７１ 内部導体
７２ 外部導体
７５ 同軸ケーブル
Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２ 等価回路の点
ａ 外径
ｂ 内径
Ｃ キャパシタンス
Ｇ コンダクタンス
I 雷サージ電流（全体）
ＩＬ 雷サージ電流の低周波電流成分
ＩＨ 雷サージ電流の高周波電流成分
Ｌ インダクタンス
Ｒ 抵抗
Ｘ−Ｘ 断面線
Ｙ−Ｙ 断面線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、落雷による雷サージ電流を接地側に流すことによって、雷害を防止する避雷装置、避雷機能を有する構造柱、及び雷サージ電圧の低減方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
落雷により高出力の雷サージ電流が建造物、信号機等の各種設備又は樹木等に流れると、これらは破壊されてしまう。近年では、電気的な衝撃に対して特に弱い電子機器も増加しており、雷害が非常に脅威になっている。このような雷害を防止するため、落雷による雷サージ電流を接地側に流す経路を予め確保する導体（避雷針導体とも呼ばれる）を備えた避雷針、引下げ導体等の避雷装置が用いられている。
【０００３】
ところが、雷サージ電流には多種多様の周波数の交流電流が含まれており、落雷による雷サージ電流が避雷針導体を流れる際には、雷サージ電流の高周波成分による電圧は非常に大きくなる（即ち、雷サージ電流の高周波成分では、導体のインダクタンスＬと電流の微分成分ｄｉ／ｄｔの積から求まる電圧降下分ｖ＝Ｌ×ｄｉ／ｄｔが非常に大きくなる）。このため、この電圧降下分であるｖが導体周辺の絶縁耐力を上回ると絶縁破壊が生じ、導体周辺に火花放電発生し（一般に、フラッシオーバーと呼ばれる）、周囲に予想外の雷害を与えてしまう恐れがある。
【０００４】
そこで、特許文献１に記載の避雷技術では、上述したフラッシオーバーを防止するように、避雷針導体の外周に絶縁体を設け、避雷針導体の周囲を完全な絶縁状態にすることによって、フラッシオーバーの発生を防止している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１８６１６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された避雷技術では、避雷針導体の外周に設けた絶縁体にクラックが入る等して僅かに破損しただけでも絶縁破壊し、フラッシオーバーが発生してしまう。また、フラッシオーバーの発生の可能性は、避雷針導体の導体長が長いほど高くなりそのため避雷針導体は、より高い絶縁耐力を有することが要求されている。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、落雷による雷サージ電流のフラッシオーバーを確実に防ぎ、雷害を防止することが可能な避雷装置、避雷機能を有する構造柱及び雷サージ電圧の低減方法を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明によれば、落雷による雷サージ電流を接地側に流す避雷装置であって、鋼管と、前記鋼管内に同軸配置された導体と、前記鋼管と前記導体の間に充填された、導電性を有する充填材と、を有し、前記落雷による雷サージ電流が分流され、その低周波成分が前記導体を流れ、且つその高周波成分が前記鋼管及び前記充填材を流れることを特徴とする、避雷装置が提供される。
【０００９】
上記避雷装置において、前記充填材は、抵抗体、誘電体及び磁性体より成る群から選択した１以上の材料を含有するようにしてもよい。
【００１０】
上記避雷装置において、前記鋼管と前記導体が、同軸系の特性インピーダンスにより終端された後に接地されていてもよい。
【００１１】
上記避雷装置において、前記導体、前記鋼管及び前記充填材が既設の設備に付設されていてもよい。
【００１２】
また、本発明によれば、落雷による雷サージ電流を接地側に流す避雷機能を有する構造柱であって、鋼管、前記鋼管内に同軸配置された導体、及び前記鋼管と前記導体の間に充填された、導電性を有する充填材を備え、前記落雷による雷サージ電流が分流され、その低周波成分が前記導体を流れ、且つその高周波成分が前記鋼管及び前記充填材を流れるように構成した、避雷機能を有する支持部と、前記支持部によって支持された、前記避雷機能とは別の機能を有する被支持部と、を有することを特徴とする、避雷機能を有する構造柱が提供される。
【００１３】
上記避雷機能を有する構造柱において、前記充填材は、抵抗体、誘電体及び磁性体より成る群から選択した１以上の材料を含有するようにしてもよい。
【００１４】
上記避雷機能を有する構造柱において、前記鋼管と前記導体が、同軸系の特性インピーダンスにより終端された後に接地されていてもよい。
【００１５】
また、本発明によれば、落雷による雷サージ電流を接地側に流す際に雷サージ電圧を低減する方法であって、前記雷サージ電流の高周波成分に対するインピーダンスが第１の電流路よりも低い第２の電流路を設け、前記雷サージ電流の低周波成分が第１の電流路に流れ、且つ高周波成分が第２の電流路に流れるように、雷サージ電流を分流させることにより前記第１の電流路の雷サージ電圧を低減することを特徴とする、雷サージ電圧の低減方法が提供される。
【００１６】
上記雷サージ電圧の低減方法において、前記第１の電流路は、導体で構成され、前記第２の電流路は、前記導体の外周を被覆するように同軸配置した鋼管と、前記鋼管及び前記導体の間に充填された、導電性を有する充填材とで構成されていてもよい。
【００１７】
上記雷サージ電圧の低減方法において、前記充填材は、前記充填材は、抵抗体、誘電体及び磁性体より成る群から選択した１以上の材料を含有するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、落雷による雷サージ電流を導体（即ち、避雷針導体）を通して接地側に流す際に、雷サージ電流を分流し、その低周波成分が第１の電流路としての導体を流れ、且つ高周波成分が導体の周囲に設けた第２の電流路を流れるようにしたことによって、従来公知の避雷装置のように雷サージ電流の全電流が導体を流れる場合よりも、導体の単位長さ当たりの電圧低下（即ち、雷サージ電圧）を低減することが可能になる。これにより、導体上部の電位上昇を抑制してフラッシオーバーの発生を防ぎ、例えば埋設設備等、周囲の設備への雷害を効果的に防止することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明をする。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態に係る避雷装置１の鉛直方向の断面図である。図２は、図１のＸ−Ｘ矢視拡大断面図である。図１及び図２に示すように、避雷装置１は、地面２上に鉛直方向に立設された円環形状の鋼管３の内部に裸の導体４を同軸配置した構成を有する。鋼管３は、例えばステンレス鋼で構成されている。導体４は、例えば銅等で構成され、鋼管３内を軸方向に沿って上端側から下端側まで配設されている。導体４の上端は、落雷７を受けるように、鋼管３の上端の外側に若干突出して配置された突針８が接続されている。導体４は、鋼管３の軸方向に沿って所定間隔で複数設けた絶縁性の固定装置５によって鋼管３内の中央位置に固定されている。
【００２１】
図２に示すように、鋼管３及び導体４の間には導電性を有する充填材１０が充填されている。本実施の形態では、充填材１０としては、抵抗体１５、誘電体１６及び磁性体１７の各材料を、所定の割合で混入させたセメントが用いられている。抵抗体１５としては、例えば金属微粉末（銀粉、銅粉等）又はグラファイト等が用いられる。誘電体１６としては比較的誘電率の高い材料（例えば酸化アルミ、チタン酸バリウム等）が用いられる。さらに、磁性体１７としては、例えばフェライト等が用いられる。なお、充填材１０としてのセメントは、例えば発泡状に構成する等により軽量化されているのが好ましい。
【００２２】
図３は、地面２付近における避雷装置１を拡大した斜視図である。図３に示すように、鋼管３の下端は地面２（ここでは、地面２を大地として扱うが、設置場所によってはコンクリート構造面としてもよい）の中に埋設され、接地系２０に接続されて接地されている。接地系２０は、地中にある鋼管３及び導体４の下端を、整合器２１を介して深埋設電極接地極２２に接続した構成を有する。この整合器２１は、鋼管３及び導体４の下端を、両者（３、４）が形成する同軸系の特性インピーダンスにより終端するように構成されている。これにより、落雷７による雷サージ電流Ｉが、鋼管３及び導体４から深埋設電極接地極２２にほとんど反射せずに流れるようになっている。なお、本実施の形態では、整合器２１として、鋼管３と軸方向を平行に且つ同心に配置された円柱形状のコンクリート材が用いられている。
【００２３】
以上のように構成された避雷装置１によって実施される、本発明の実施の形態に係る避雷方法について説明する。
【００２４】
雷７が発生し、避雷装置１の上端の突針８に落雷すると、図１に示すように、多種多様の周波数成分を含む雷サージ電流Ｉが、避雷装置１の導体４を軸方向に沿って上端側から下端側に流れる。導体４の周囲には、導体４の外周を被覆するように同軸配置した鋼管３が配置されており、且つ導体４と鋼管３との間には導電性を有する充填材１０が充填されているため、雷サージ電流Ｉは導体４を流れる際に減衰する。この現象を図４に示す回路図を用いて以下で説明する。
【００２５】
図４は、導体４の上端側に接続された突針８に落雷した雷サージ電流Ｉを接地側に流す際の、鋼管３、導体４及び充填材１０によって構成される本発明の実施の形態に係る避雷装置１の単位長さ当たりの等価回路を示した回路図である。図４において、Ｌは導体４のインダクタンス、Ｒは導体４の抵抗、Ｃは導体４と鋼管３の間のキャパシタンスである。Ｇは、抵抗体１５、誘電体１６及び磁性体１７を含有する充填材１０に起因するコンダクタンスである。
【００２６】
雷サージ電流Ｉが導体４を流れる際に減衰するのは、図４に示すように、雷サージ電流Ｉの高周波成分ＩＨが、導体４の外側の充填材１０及び鋼管３を通って（即ち、図４に示す点Ａ１から点Ｂ２の方に）流れるからである。従って、導体４に流れる減衰した雷サージ電流Ｉは、雷サージ電流Ｉの低周波成分ＩＬである。このように、本発明の実施の形態に係る避雷装置１は、落雷７の雷サージ電流Ｉが低周波成分ＩＬと、高周波成分ＩＨとに分流され、低周波成分ＩＬが第１の電流路としての導体４を流れ、高周波成分ＩＨが第２の電流路としての鋼管３及び充填材１０を流れるように構成されている。
【００２７】
減衰した雷サージ電流Ｉ（即ち、雷サージ電流Ｉの低周波成分ＩＬ）が導体４を流れる際に発生する雷サージ電圧ＶＬは、ＶＬ＝Ｌ×ｄＩＬ／ｄｔとなる。この雷サージ電圧ＶＬは、従来公知の避雷装置のように、全ての雷サージ電流Ｉ（＝ＩＬ＋ＩＨ）が導体４に流れる場合に発生する雷サージ電圧ＶＬ＋Ｈ＝Ｌ×｛ｄ（ＩＬ＋ＩＨ）／ｄｔ｝よりも低減されている。
【００２８】
一方、雷サージ電流Ｉの高周波成分ＩＨが導体４の外側の鋼管３及び充填材１０を流れる際には、主として充填材１０が含有する抵抗体１５、誘電体１６及び磁性体１７によって抵抗加熱、誘電加熱、及び誘導加熱が生じ、そのエネルギーの一部が消費される。
【００２９】
導体４を流れる雷サージ電流Ｉの低周波成分ＩＬと、充填材１０及び鋼管３を流れる雷サージ電流Ｉの高周波成分ＩＨは、軸方向に沿って下端側に流れて地面２よりも低い位置に到達すると、図３に示すように、接地系２０に流れる。即ち、雷サージ電流Ｉは、整合器２１を経由し、同軸系の特性インピーダンスにより終端された接地極２２に流れる。
【００３０】
以上の実施の形態によれば、避雷装置１を鋼管３の中心に導体４を配置した同軸ケーブルに構成し、さらに、鋼管３及び導体４の間に、導電性を有する充填材１０を充填したことによって、雷サージ電流Ｉが導体４を流れる際に分流され、その低周波成分ＩＬが主として第１の電流路としての導体４を流れ、且つその高周波成分ＩＨが導体４の周囲に設けた第２の電流路を流れるようにすることができる。これにより、ほとんど全ての雷サージ電流Ｉが導体４を流れる従来公知の避雷技術の場合よりも、導体４を流れる電流量を低減し、導体４に生じる雷サージ電圧（Ｌ×ｄｉ／ｄｔ）を低減させることができ、導体４を流れる雷サージ電流Ｉを安定化させ、落雷７による雷サージ電流Ｉが避雷装置１から飛出してしまうフラッシオーバーを確実に防ぎ、雷害を効果的に防止することが可能になる。
【００３１】
また、接地系２０に整合器２２を設け、鋼管３と導体４の下端を、両者（３、４）が形成する同軸系の特性インピーダンスにより終端した後に接地するように構成したことによって、接地インピーダンスは大地の抵抗率に関わらず一定となる。また、雷サージ電流Ｉ（即ち、低周波成分ＩＬ及び高周波成分ＩＨ）は反射されずに接地側に流れるようにすることができる。これにより、雷サージ電流Ｉをより確実に接地側に流すことができるので、フラッシオーバーの発生をさらに抑制することが可能である。
【００３２】
本発明の第２の実施形態として、図５に示すように、導体４、鋼管３及び充填材１０が、例えば信号機４０等の既設の設備に付設されていてもよい。図５は、本発明の第２の実施形態に係る避雷装置１の鉛直方向の一部断面図である。図５に示すように、本発明の第１の実施形態の場合と概ね同様に構成された避雷装置１が、鉛直方向に対して若干傾斜した状態で、複数の固定具４５によって信号機４０の支柱４１に付設されている。この第２の実施形態では、鋼管３及び導体４の下端が、同軸系の特性インピーダンスで終端された後にメッシュ接地極５２に接続された構成を有する。なお、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、深埋設電極接地極２２を用いてもよい。
【００３３】
本発明の第２の実施形態によれば、避雷装置１を、例えば信号機４０等の既設の設備に付設するようにしたため、避雷装置１を単独で立設する場合よりも、必要な強度、支持構造に関する設計制約等が低減され、容易に小型化及び単純化することが可能になり、避雷装置１の設備費及び設備空間を軽減することができる。また、本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態と同様の効果も有する。
【００３４】
本発明の第３の実施形態として、図６に示すように、本発明を避雷機能を有する構造柱に適用してもよい。図６は、本発明の実施の形態に係る構造柱６０の鉛直方向の断面図である。図７は、図６のＹ−Ｙ矢視拡大断面図である。
【００３５】
図６に示すように、構造柱６０は、本発明の第１の実施形態における避雷装置１と同様に構成された支持部６１と、この支持部６１によって支持された被支持部６２としての信号装置とを備えた構成になっている。本発明の第３の実施形態では、図６及び図７に示すように、被支持部６２は、支持部６１の導体４と鋼管３の間に軸方向（即ち、鉛直方向）に沿って配置された中空の配管６５の上端及び下端を直角に曲げて鋼管３の外に突出させた構成を有する。このように突出した配管６５の上端には、例えば赤色、黄色及び緑色の三色のランプを備えた発光装置６６が設けられている。配管６５の下端は、発光装置６６を制御する制御装置（図示せず）及び発光装置６６に電源を供給する電源装置（図示せず）に接続されている。配管６５内には、これらの制御装置及び電源装置（図示せず）と発光装置６６とを接続する電線及び信号線等の電線群６７が配設されている。なお、配管６５は、導体４と鋼管３との間に充填された充填材１０で固定されている。
【００３６】
本発明の第３の実施形態によれば、構造柱６０を、避雷機能を有する支持部６１と、この支持部６１によって支持された、避雷機能とは別の機能（即ち、信号機能）を有する被支持部６２とで構成したことによって、同一の設置空間内に、落雷７による雷害を防ぐ避雷機能と、避雷機能以外の種々の機能を並設することができ、設置空間を節約することが可能になる。また、本発明の第３の実施形態は、第１の実施形態と同様の効果も有する。
【００３７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３８】
上述した実施形態においては、充填材１０として、抵抗体１５、誘電体１６及び磁性体１７の全てを所定の割合で混入させたセメントが用いられている場合について説明したが、充填材１０は、導電性を有する任意の材料を用いてよい。また、充填材１０には、抵抗体１５、誘電体１６及び磁性体１７より成る群から選択した１以上の材料が含有されるようにしてもよい。さらに、これら抵抗体１５、誘電体１６及び磁性体１７以外の材料が含まれていてもよい。
【００３９】
上述した実施形態においては、抵抗体１５が金属微粉末（銀粉、銅粉等）又はグラファイトである場合について説明したが、抵抗体１５としてこれら以外の材料を用いてもよい。
【００４０】
上述した実施形態においては、誘電体１６が酸化アルミ、チタン酸バリウムである場合について説明したが、誘電体１６としてこれら以外の材料を用いてもよい。
【００４１】
上述した実施形態においては、磁性体１７がフェライトである場合について説明したが、磁性体１７としてこれら以外の材料を用いてもよい。
【００４２】
上述した実施形態においては、整合器２２として、鋼管３と軸方向を平行に且つ同心に配置された円柱形状のコンクリート材が用いられている場合について説明したが、整合器２２は、インピーダンスの整合をとるための任意の材料及び形状であってもよい。
【００４３】
上述した実施形態においては、接地系２０の接地極が深埋設電極接地極２２又はメッシュ接地極５２である場合について説明したが、その他の接地極が用いられてもよい。
【００４４】
上述した実施形態においては、被支持部６２が信号機の機能を備えている場合について説明したが、被支持部６２が、例えば通信機能、照明機能等、避雷機能以外の機能を備えるようにしてもよい。
【実施例】
【００４５】
一般に、雷サージ電流の主要な周波数成分は１０ＫＨｚ〜１ＭＨｚとみなされており、図１に示す本発明の実施の形態に係る避雷装置１に、一般的な伝送式を適用した試算を行うことによって正弦波定常電流法による解析からその有効性を検証する。
【００４６】
既述したように、本発明による避雷装置１は、図４に示す有損失線路の等価回路とみなせるので、以下では、公知の一般式を適用して試算を行う。なお、図４に示す有損失線路の等価回路において、抵抗Ｒ及びコンダクタンスＧを０に設定した場合には、無損失線路の等価回路に該当する。
【００４７】
一般的に、図８に示すように、内部導体７１の外径がａ、外部導体７２の内径がｂである同軸ケーブル７５は、これら内部導体７１及び外部導体７２が空気絶縁されている状態において、周波数ｆ（Ｈｚ）の電流を流した場合には、この同軸ケーブル７５の単位長さ当たりのインダクタンスＬ（μＨ／ｍ）、キャパシタンスＣ（ｐＦ／ｍ）及び抵抗Ｒ（Ω／ｍ）、並びにインピーダンスＺ０（Ω）は、各々下記式（１）〜（４）で得られることは公知である。
Ｌ＝０．２×ｌｎ（ｂ／ａ）・・・・・・・・・・・・（１）
Ｃ＝５５．６／｛ｌｎ（ｂ／ａ）｝・・・・・・・・・・（２）
Ｒ＝｛４．１５×１０−８×（ａ＋ｂ）×√ｆ｝／（ａ×ｂ）・・・・（３）
Ｚ０＝６０×ｌｎ（ｂ／ａ）・・・・・・・・・・・・・（４）
【００４８】
また、図８に示す同軸ケーブル７５の内部導体７１及び外部導体７２の間に空気の代わりにポリエチレンを充填し、同軸ケーブル７５に周波数ｆ＝３×１０９（Ｈｚ）の電流を流した場合には、同軸ケーブル７５のコンダクタンスＧ（Ｓ／ｍ）が下記式（５）で得られることが分かっている。
Ｇ＝（７．３５×１０−１０）／｛ｌｎ（ｂ／ａ）｝・・・・・・・（５）
【００４９】
しかしながら、本発明の場合、避雷装置１の導体４及び鋼管３の間の充填材１０は、導電性が支配的であるため、避雷装置１のコンダクタンスＧは、充填材１０の導電率σ（Ｓ／ｍ）に対して下記式（６）で求めるのが適切である。
Ｇ＝（σ×２π）／｛ｌｎ（ｂ／ａ）｝・・・・・・・（６）
【００５０】
表１には、（抵抗体１５、誘電体１６及び磁性体１７を含有する）充填材１０として種々の導電率σ（Ｓ／ｍ）の物質を用いた場合について、上式（６）から計算される避雷装置１のコンダクタンスＧ（Ｓ／ｍ）の各値が示されている。なお、表１においては、内部導体７１の外径をａ＝１０（ｍｍ）、外部導体７２の内径をｂ＝１０００（ｍｍ）としている。
【００５１】
【表１】
【００５２】
さて、図４に示す等価回路において、下記式（７）で示すγは一般に伝播係数と呼ばれている。
γ＝√｛（Ｒ＋ｊωＬ）×（Ｇ＋ｊωＣ）｝・・・・・・・（７）
なお、ω（ｒａｄ／ｓ）は等価回路を流れる電流の角周波数であり、ω＝２πｆである。ここで、
γ＝α＋ｊβ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（８）
とα、βを設定すると、電流が図４に示す等価回路をｌ（ｍ）流れた際の外部導体７２に対する内部導体７１の電圧成分の減衰率Ｄ（ｄＢ）は、下記式（９）で得られることが知られている。
Ｄ＝２０×ｌｏｇ１０ｅαｌ
＝（αｌ）×２０×ｌｏｇ１０ｅ
＝８．６８６×（αｌ）・・・・・・・・・・・・・・・・（９）
【００５３】
従って、上式（１）〜（３）、（６）から各々得られるＬ、Ｃ、Ｒ及びＧの値を上式（７）に代入し、伝播係数γの値を計算してから、上式（８）を用いてαの値を算出すると、上式（９）から避雷装置１の導体４を流れる雷サージ電流の電圧成分の減衰率Ｄ（ｄＢ）を求めることができる。なお、上式（９）では、電圧成分を対象にしたものであるが、電流の減衰率に対しても同様である。
【００５４】
ここでの試算は、図１に示す避雷装置１の導体４の外径が１０（ｍｍ）、鋼管３の内径が１０００（ｍｍ）であると仮定する。従って、ａ＝１０、ｂ＝１０００を上式（１）、（２）に適用することによって、避雷装置１のインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣは、Ｌ＝１（μＨ／ｍ）、Ｃ＝１２（ｐＦ／ｍ）となる。また、表１を参照し、試算に最適であるコンダクタンスＧの値をＧ＝０．０１、０．１、１．０、１０．０（Ｓ／ｍ）（即ち、導電率σ＝０．００７３３、０．０７３３、０．７３３、７．３３（Ｓ／ｍ））に設定して試算を行う。図９は、これら４種類のコンダクタンスＧの各値について、３種類の周波数ｆ＝１０４、１０５、１０６（Ｈｚ）の雷サージ電流が避雷装置１の導体４を流れる際の単位長さ当たりの減衰率Ｄ（ｄＢ）を各々試算した結果を示したものである。
【００５５】
図９に示されるように、コンダクタンスＧ（即ち、導電率σ）の値が大きくなるほど導体４を流れる雷サージ電流の減衰率Ｄ（ｄＢ）が増大することが分かる。従って、本発明のように、避雷装置１を同軸ケーブルに構成した上で、充填材１０が抵抗体１５を有するようにして導電率σを高くすると、導体４を流れる雷サージ電流が相対的に減衰し、導体４の外側（即ち、充填材１０及び鋼管３）により分流させる効果があることが分かる。
【００５６】
また、図９に示すように、Ｇ＝０．０１（Ｓ／ｍ）（即ち、導電率σ＝０．００７３３（Ｓ／ｍ））である場合に、減衰率Ｄは、周波数ｆ＝１０４（Ｈｚ）の雷サージ電流がＤ＝０．２（ｄＢ）、周波数ｆ＝１０５（Ｈｚ）の雷サージ電流がＤ＝０．５（ｄＢ）、周波数ｆ＝１０６（Ｈｚ）の雷サージ電流がＤ＝１．５（ｄＢ）であることが分かる。これは、導体４を流れる雷サージ電流のうちで、より周波数の高い高周波成分がより減衰し、導体４の外側（即ち、充填材１０及び鋼管３）により分流することを示している。
【００５７】
図１０は、上記４種類のコンダクタンスＧの値に、Ｇ＝０（σ＝０）の値を加えた５種類のコンダクタンスＧの各値について、３種類の周波数ｆ＝１０４、１０５、１０６（Ｈｚ）の雷サージ電流が導体４を流れる際の避雷装置４の特性インピーダンスＺ０を上式（４）を用いて各々試算した結果を示したものである。これは、整合器の抵抗に対応したものである。
【００５８】
図１０は、本発明の整合インピーダンスに目安を与えるグラフである。無損失の場合（Ｇ＝０（σ＝０））には、図１０に示すように、特性インピーダンスＺ０は、２８８．７（Ω）となる。このように無損失である場合に、特性インピーダンスが周波数に依存せずに一定であることは周知であり、このことは、無損失である場合、整合抵抗を２８８．７（Ω）とすることが電圧−電流特性が乱れることなく、終端で消費されることを意味する。一方、有損失である場合には、図１０に示されるコンダクタンスＧ（即ち、誘電率σ）の値によって、特性インピーダンスは異なり、また、周波数に依存する。これが整合インピーダンスである。図１０に示すように、避雷装置１のインピーダンスＺ０は、コンダクタンスＧ（即ち、導電率σ）の値が大きくなるほど避雷装置１のインピーダンスＺ０の値が無損失である場合（Ｇ＝０（σ＝０））の２８８．７（Ω）より低くなっており、整合インピーダンスの目安が得られている。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、落雷による雷サージ電流を接地側に流し、雷害を防止する避雷装置、避雷機能を有する構造柱、及び雷サージ電圧の低減方法に特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態に係る避雷装置１の鉛直方向の断面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ矢視拡大断面図である。
【図３】地面２付近における避雷装置１を拡大した斜視図である。
【図４】雷サージ電流Ｉが避雷装置１を流れる際の単位長さ当たりの回路図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る避雷装置１の鉛直方向の一部断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る構造柱６０の鉛直方向の断面図である。
【図７】図６のＹ−Ｙ矢視拡大断面図である。
【図８】同軸ケーブル７５の模式的な斜視図である。
【図９】４種類のコンダクタンスＧの各値について、３種類の周波数ｆの電流が導体４を流れる際の単位長さ当たりの減衰率Ｄ（ｄＢ）を各々試算した結果を示したものである。
【図１０】４種類のコンダクタンスＧの各値に、Ｇ＝０（σ＝０）の値を加えた５種類のコンダクタンスＧの各値について、３種類の周波数ｆ＝１０４、１０５、１０６（Ｈｚ）の交流電流が導体４を流れる際の避雷装置４の特性インピーダンスＺ０を上式（４）を用いて各々試算した結果を示したものである。
【符号の説明】
【００６１】
１ 避雷装置
２ 地面
３ 鋼管
４ 導体
５ 固定装置
７ 落雷
８ 突針
１０ 充填材
１５ 導電体
１６ 誘電体
１７ 磁性体
２０ 接地系
２１ 整合器
２２ 深埋設電極接地極
４０ 信号機
４１ 支柱
４５ 固定具
５２ メッシュ接地極
６０ 避雷機能を有する構造柱
６１ 支持部
６２ 被支持部
６５ 配管
６６ 発光装置
６７ 電線群
７１ 内部導体
７２ 外部導体
７５ 同軸ケーブル
Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２ 等価回路の点
ａ 外径
ｂ 内径
Ｃ キャパシタンス
Ｇ コンダクタンス
I 雷サージ電流（全体）
ＩＬ 雷サージ電流の低周波電流成分
ＩＨ 雷サージ電流の高周波電流成分
Ｌ インダクタンス
Ｒ 抵抗
Ｘ−Ｘ 断面線
Ｙ−Ｙ 断面線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
落雷による雷サージ電流を接地側に流す避雷装置であって、
鋼管と、
前記鋼管内に同軸配置された導体と、
前記鋼管と前記導体の間に充填された、導電性を有する充填材と、を有し、
前記落雷による雷サージ電流が分流され、その低周波成分が前記導体を流れ、且つその高周波成分が前記鋼管及び前記充填材を流れることを特徴とする、避雷装置。
【請求項２】
前記充填材は、抵抗体、誘電体及び磁性体より成る群から選択した１以上の材料を含有することを特徴とする、請求項１に記載の避雷装置。
【請求項３】
前記鋼管と前記導体が、同軸系の特性インピーダンスにより終端された後に接地されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の避雷装置。
【請求項４】
前記導体、前記鋼管及び前記充填材が既設の設備に付設されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の避雷装置。
【請求項５】
落雷による雷サージ電流を接地側に流す避雷機能を有する構造柱であって、鋼管、前記鋼管内に同軸配置された導体、及び前記鋼管と前記導体の間に充填された、導電性を有する充填材を備え、前記落雷による雷サージ電流が分流され、その低周波成分が前記導体を流れ、且つその高周波成分が前記鋼管及び前記充填材を流れるように構成した、避雷機能を有する支持部と、前記支持部によって支持された、前記避雷機能とは別の機能を有する被支持部と、を有することを特徴とする、避雷機能を有する構造柱。
【請求項６】
前記充填材は、抵抗体、誘電体及び磁性体より成る群から選択した１以上の材料を含有することを特徴とする、請求項５に記載の避雷機能を有する構造柱。
【請求項７】
前記鋼管と前記導体が、同軸系の特性インピーダンスにより終端された後に接地されていることを特徴とする、請求項５又は６に記載の避雷機能を有する構造柱。
【請求項８】
落雷による雷サージ電流を接地側に流す際に雷サージ電圧を低減する方法であって、前記雷サージ電流の高周波成分に対するインピーダンスが第１の電流路よりも低い第２の電流路を設け、
前記雷サージ電流の低周波成分が第１の電流路に流れ、且つ高周波成分が第２の電流路に流れるように、雷サージ電流を分流させることにより前記第１の電流路の雷サージ電圧を低減することを特徴とする、雷サージ電圧の低減方法。
【請求項９】
前記第１の電流路は、導体で構成され、
前記第２の電流路は、前記導体の外周を被覆するように同軸配置した鋼管と、前記鋼管及び前記導体の間に充填された、導電性を有する充填材とで構成されていることを特徴とする、請求項８に記載の雷サージ電圧の低減方法。
【請求項１０】
前記充填材は、抵抗体、誘電体及び磁性体より成る群から選択した１以上の材料を含有することを特徴とする、請求項８又は９に記載の雷サージ電圧の低減方法。
【請求項１】
落雷による雷サージ電流を接地側に流す避雷装置であって、
鋼管と、
前記鋼管内に同軸配置された導体と、
前記鋼管と前記導体の間に充填された、導電性を有する充填材と、を有し、
前記落雷による雷サージ電流が分流され、その低周波成分が前記導体を流れ、且つその高周波成分が前記鋼管及び前記充填材を流れることを特徴とする、避雷装置。
【請求項２】
前記充填材は、抵抗体、誘電体及び磁性体より成る群から選択した１以上の材料を含有することを特徴とする、請求項１に記載の避雷装置。
【請求項３】
前記鋼管と前記導体が、同軸系の特性インピーダンスにより終端された後に接地されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の避雷装置。
【請求項４】
前記導体、前記鋼管及び前記充填材が既設の設備に付設されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の避雷装置。
【請求項５】
落雷による雷サージ電流を接地側に流す避雷機能を有する構造柱であって、鋼管、前記鋼管内に同軸配置された導体、及び前記鋼管と前記導体の間に充填された、導電性を有する充填材を備え、前記落雷による雷サージ電流が分流され、その低周波成分が前記導体を流れ、且つその高周波成分が前記鋼管及び前記充填材を流れるように構成した、避雷機能を有する支持部と、前記支持部によって支持された、前記避雷機能とは別の機能を有する被支持部と、を有することを特徴とする、避雷機能を有する構造柱。
【請求項６】
前記充填材は、抵抗体、誘電体及び磁性体より成る群から選択した１以上の材料を含有することを特徴とする、請求項５に記載の避雷機能を有する構造柱。
【請求項７】
前記鋼管と前記導体が、同軸系の特性インピーダンスにより終端された後に接地されていることを特徴とする、請求項５又は６に記載の避雷機能を有する構造柱。
【請求項８】
落雷による雷サージ電流を接地側に流す際に雷サージ電圧を低減する方法であって、前記雷サージ電流の高周波成分に対するインピーダンスが第１の電流路よりも低い第２の電流路を設け、
前記雷サージ電流の低周波成分が第１の電流路に流れ、且つ高周波成分が第２の電流路に流れるように、雷サージ電流を分流させることにより前記第１の電流路の雷サージ電圧を低減することを特徴とする、雷サージ電圧の低減方法。
【請求項９】
前記第１の電流路は、導体で構成され、
前記第２の電流路は、前記導体の外周を被覆するように同軸配置した鋼管と、前記鋼管及び前記導体の間に充填された、導電性を有する充填材とで構成されていることを特徴とする、請求項８に記載の雷サージ電圧の低減方法。
【請求項１０】
前記充填材は、抵抗体、誘電体及び磁性体より成る群から選択した１以上の材料を含有することを特徴とする、請求項８又は９に記載の雷サージ電圧の低減方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−５９８７０（Ｐ２００８−５９８７０Ａ）
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２３４６２５（Ｐ２００６−２３４６２５）
【出願日】平成１８年８月３０日（２００６．８．３０）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【出願人】（５０６２９４６１３）有限会社カエラ研究所 (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月３０日（２００６．８．３０）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【出願人】（５０６２９４６１３）有限会社カエラ研究所 (3)
【Ｆターム（参考）】
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