JP2007315910A - 落雷電荷評価装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電界と磁界の計測結果を利用して落雷電荷高度を正確に算出できるようにする。
【解決手段】落雷発生時の落雷電荷の高度を算出する機能を有する落雷電荷評価装置１であって、所定の測定対象地点における電界の時間変化を示す電界データ及び前記所定の対象地点における磁界の時間変化を示す磁界データを取得するデータ取得部２０と、取得した電界データに基づいて落雷の発生を検知する落雷発生検知部２４と、落雷発生が検知された場合に、磁界データに基づいて、落雷に先行するリーダの発生時点を検知するリーダ検知部２６と、検知されたリーダ発生時点から、落雷の発生時点までの時間をリーダ進展時間として算出するリーダ進展時間算出部２８と、リーダ進展時間と所定のリーダ進展速度とに基づいて、落雷電荷の高度を算出する電荷高度算出部３２と、を備える。
【選択図】図１

Description

電界と磁界の計測結果を利用して落雷電荷の高度を評価する機能を有する落雷電荷評価装置及び方法に関する。

落雷は送電設備等さまざまな設備や機器に対して甚大な損害を与えうるため、従来より、雷の接近を検知して警報を発生するための装置が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。

ところで、落雷が発生した場合、落雷の電荷量が大きいほど、落雷による損害の程度も大きくなる傾向があることが知られている。よって、落雷による損害の程度を把握するためには、落雷の電荷量を正しく算出することが必要である。しかしながら、上記特許文献１に記載された装置は、雷サージ電流に基づいて雷の接近を検知するものであり、また、特許文献２に記載された装置は、コロナ電流と電界の変化から雷の接近を検知するものであって、何れにおいても、落雷の電荷量を算出することは考慮されていない。

一般に、雷の電荷に関して、雷の有する電荷量Ｑ（Ｃ）は次式（１）で表されることが知られている。

ただし、πは円周率、ε₀は空気の誘電率であり、ΔＥ（Ｖ／ｍ）は落雷の前後での電界の変化量、Ｄ（ｍ）は落雷が地上に着地した落雷地点から観測地点までの水平距離、Ｈ（ｍ）は雷発生直前の電荷の高度を示している。

ここで、電界変化量ΔＥは周知の電界計測装置により計測することができ、距離Ｄは落雷位置標定システム（例えば非特許文献１を参照）により計測することができる。そして従来は、評価対象とする雷に対して、２つの地点において電界変化量ΔＥと距離Ｄとを計測し、各地点の計測値を（１）式に代入することにより、電荷量Ｑと高度Ｈとを未知数とする連立方程式を立て、この連立方程式を解くことにより電荷量Ｑと高度Ｈを算出していた。
特許第３０９８０７８号公報 特開２００３−１４９３４９号公報 岸本保夫、「雷観測システムおよび雷保護規格の最新動向」、[online]、ＮＴＴ建築総合研究所、[平成１７年１０月２６日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.ntt-bti.co.jp/pdf/2005_kish.pdf＞ マーティン・ウマン（Martin A. Uman）著、「ザ・ライトンニング・ディスチャージ(The Lightning Discharge)」、（米国）、第１版、ドーバーパブリケイションズ（Dover Publications）、２００１年、ｐ．３１３−３１７

しかし、上述したような連立方程式により電荷量Ｑと高度Ｈを算出する手法では、算出結果に大きな誤差が生じることがある。すなわち、（１）式は、落雷地点の真上に点電荷として電荷が一点に集中していると仮定しているが、電荷の高度が低くなって電荷の空間的な広がりを無視できなくなる場合や、雷道に傾きがあって電荷が落雷地点の真上付近にない場合には、（１）式の前提が成り立たず、算出結果に大きな誤差が生じてしまうのである。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、電界と磁界の計測結果を利用して落雷電荷高度を正確に算出できるようにすることを目的とする。

上記の目的を達成するため、第一の発明は、落雷発生時の落雷電荷の高度を算出する機能を有する落雷電荷評価装置であって、
所定の測定対象地点における電界の時間変化を示す電界データ及び前記所定の対象地点における磁界の時間変化を示す磁界データを取得するデータ取得部と、
前記取得した電界データに基づいて落雷の発生を検知する落雷発生検知部と、
前記落雷発生検知部により落雷発生が検知された場合に、前記取得した磁界データに基づいて、前記落雷発生検知部により検知された落雷に先行するリーダの発生時点を検知するリーダ検知部と、
前記リーダ検知部により検知されたリーダ発生時点から、前記落雷発生検知部により検知された落雷の発生時点までの時間をリーダ進展時間として算出するリーダ進展時間算出部と、
前記算出したリーダ進展時間と所定のリーダ進展速度とに基づいて、落雷電荷の高度を算出する電荷高度算出部と、を備えることを特徴とする。

第二の発明は、第１の発明において、落雷位置を標定する落雷位置標定装置から、標定された落雷位置を取得する落雷位置取得部と、
前記取得した落雷位置と前記所定の測定対象地点との距離と、前記算出した落雷電荷の高度とに基づいて、落雷電荷量を算出する落雷電荷算出部と、を備えることを特徴とする。

第三の発明は、第二の発明において、前記落雷電荷算出部は、
前記取得した電界データに第１の所定の勾配より大きい電界変化があった場合に、この電界変化を落雷による電界変化であると判定する第１判定部と、
前記取得した電界データに前記第１の所定の勾配よりも小さい第２の所定の勾配よりも大きく、かつ、前記第１の所定の勾配以下の電界変化があった場合に、当該電界変化が起きている間の前記磁界データに所定の度合い以上の変化が生じていれば、当該電界変化は落雷による電界変化であると判定し、前記磁界データに前記所定の度合い以上の変化が生じていなければ当該電界は落雷による電界変化ではないと判定する第２判定部と、
前記第１判定部又は前記第２判定部により落雷による電界変化であると判定された最初の電界変化の直前の電界値と、前記第１判定部又は前記第２判定部により落雷による電界変化であると判定された最後の電界変化の直後の電界値との差を落雷による電界変化量として判定する電界変化量判定部と、
前記判定された電界変化量に基づいて、落雷電荷量を計算する電荷計算部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、電界と磁界の計測結果を利用して落雷電荷高度を正確に算出することができる。

図１は、本発明の一実施形態である落雷電荷評価装置１を含むシステムの全体構成図である。同図に示すように、本実施形態の落雷電荷評価装置１には、雷放電位置標定装置５０と、複数の計測子局１０とが接続されている。

計測子局１０は、電界計測部１２及び磁界計測部１４を備えており、雷の監視対象地域に例えば数十ｋｍ程度の間隔で各地に配置される。電界計測部１２は、計測子局１０の設置地点での電界を計測し、電界の時間変化を示すデータ（以下、電界データという）を生成する。また、磁界計測部１４は、計測子局の配置された地点での磁界を計測し、磁界の時間変化を示すデータ（以下、磁界データという）を生成する。そして、これらの電界データ及び磁界データは、当該計測子局１０の識別情報と共に、落雷電荷評価装置１へ伝送される。図２に、計測子局１０にて計測され、落雷電荷評価装置１へ伝送される電界データ及び磁界データの例を示す。

また、雷放電位置標定装置５０は、雷放電から放射される電磁波を複数の地点で受信し、それらの受信した電磁波を解析することにより、落雷位置を標定する機能を有する周知の装置であり、その詳細は、例えば、上記非特許文献１等に記載されている。雷放電位置標定装置５０により標定された落雷位置を示す情報は、落雷電荷評価装置１へ伝送される。

図１に示す如く、落雷電荷評価装置１は、データ取得部２０、落雷位置取得部２２、落雷発生検知部２４、リーダ検知部２６、リーダ進展時間算出部２８、電荷高度算出部３０、及び、落雷電荷算出部３２の各機能部と、ＣＲＴや液晶等のディスプレイ装置である表示装置３４とを備えている。なお、落雷電荷評価装置１は、例えば、コンピュータシステムにより構成され、上記機能部２２〜３２はコンピュータのＣＰＵがハードディスク装置などの記憶装置に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより実現される。

データ取得部２０は、計測子局１０から伝送されてきた電界データ及び磁界データを取得する。また、落雷位置取得部２２は、雷放電位置評定装置５０から伝送されてきた落雷位置情報を取得する。

落雷発生検知部２４は、データ取得部２０が取得した電界データに基づいて、落雷発生時点を検知する。具体的には、電界データにおいて、図２に示す電界波形に符号Ａで示すように、数ミリ秒程度の微小時間の間に電界の大きさが急激に変化するピーク波形が現れた場合に、そのピーク波形の発生時点を、落雷発生時点であると判定する。より具体的には、所定の勾配を超える急峻な電界変化が生じた時点を、落雷発生時点と判定する。なお、図２では、電界波形のピークは符号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ等で示すように、複数回生じているが、これは、１回の落雷が複数回の放電に分かれて起きることによるものであり、最初に現れたピークＡを落雷発生時点として判定する。

リーダ検知部２６は、データ取得部２０が取得した磁界データに基づいて、落雷発生に先行して起こるリーダの発生時点を検知する。なお、リーダとは、落雷発生前に、雷電荷が雷雲の中で放電する現象であり、雷雲で生じたリーダが地上に向けて進展することにより落雷に至ることとなる。リーダ検知部２６は、落雷発生検知部２４が検知した落雷発生時点より前の所定期間における磁界データを参照し、その期間内で磁界波形に、短時間の間に電界の大きさが急激に変化するピーク波形が現れた場合に、そのピーク波形の発生時点を、リーダ発生時点であると判定する。より具体的には、落雷発生時点を判定する場合と同様に、所定の勾配を超える急峻な磁界変化が生じた時点を、リーダ発生時点と判定する。図２においては、符号Ｘの時点がリーダ発生時点と判定される。

リーダ進展時間算出部２８は、リーダ検知部２６が検知したリーダ発生時点から、落雷発生検知部２４が検知した落雷の発生時点までの時間をリーダ進展時間として算出する。

電荷高度算出部３０は、リーダ進展時間算出部２８で算出されたリーダ進展時間と、リーダ進展速度とに基づいて落雷電荷の高度を算出する。上述のように、雷雲の中で発生したリーダが地表に向けて進展して、地上に到達することにより落雷が発生するのであるが、その際にリーダが雷雲から地表に向けて進展する際の速度がリーダ進展速度であり、一般に、０．２ｍ／μsecである。したがって、リーダ発生時点から落雷時点までの時間であるリーダ進展時間に、リーダ進展速度を乗ずることにより、落雷電荷の高度（地上からの高さ）を求めることができる。

落雷電荷算出部３２は、上記のように落雷高度算出部３０で求めた落雷電荷の高さと、落雷位置取得部２２が取得した落雷発生位置と、データ取得部２０が取得した電界データとに基づいて落雷電荷量を算出する。

表示装置３４は、落雷高度算出部３０で算出した落雷高度や、落雷電荷算出部３２で算出した落雷電荷を表示し、必要に応じて、データ取得部２０で取得したデータと、落雷位置取得部２２で取得した位置情報も表示する。

背景技術の欄で述べたように、落雷によって生ずる電界変化をΔＥ、落雷地点と観測地点との距離をＤ、落雷電荷の高さをＨとすると、落雷電荷量Ｑは（１）式で表される。

落雷電荷量Ｑを求めるのに必要なパラメータのうち、落雷電荷の高さＨは、上記のように、電荷高度算出部３０により算出でき、距離Ｄは、電界データ及び磁界データの送信元である計測子局の位置情報と、落雷位置取得部２２が取得した落雷位置情報とから算出できる。また、落雷による電界変化ΔＥは電界データから求めることができる。なお、落雷電荷評価装置１は、各計測子局１０の識別情報と、位置情報との対応関係を保持するデータベースを備えており、電荷高度算出部３０は、電界データ及び磁界データと共に送られてきた識別情報に基づき、上記データベースを参照して、計測子局１０の位置情報を取得することができる。

以下において、電界データから落雷による電界変化ΔＥを求める手法について説明する。
図３は、落雷が発生したときの電界及び磁界の波形を、上記図２よりも時間スケールを千倍程度に拡大して示す図であり、電界を実線で、磁界を破線で示している。一般に、落雷は電荷が複数回に分けて地上に放電して起こることが多く、図３に示す電界波形にも、複数回の放電に対応する複数回の変化が生じている。このうち、同図の電界波形に現れる電界変化ΔＥ１、ΔＥ２、ΔＥ３、ΔＥ５、ΔＥ６、ΔＥ７は急峻に立ち上がっており、落雷に伴う電界変化であると判断できる。これに対して、電界変化ΔＥ４は、比較的小さな緩やかな勾配で電界が上昇することにより生じている。このような緩やかな電界の変化は、ノイズによって生ずることもあり、この電界変化ΔＥ４は落雷による放電によるものかどうか、電界波形から直ちに判定することは困難である。

これに対して、本実施形態では、落雷電荷算出部３２は、以下のように、磁界データを参照することにより、電界変化ΔＥ４のような緩やかな変化が落雷によるものか否かを正確に判定できるようにしている。

本願発明者らが行った調査・研究によると、落雷により電界変化が生じている間、図３に符号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７等で示すように、磁界も間欠的に変化することが分っている。そこで、落雷電荷算出部３２は、上記電界変化ΔＥ４のように緩やかな電界変化が生じている期間の磁界データにノイズレベルを超える変化が生じているか否かを判定し、磁界に変化が生じていれば（図３においては、符号Ｓ４）、当該電界変化は落雷による電界変化であると判断する。そして、落雷による最初に電界変化（図３の例では、ΔＥ１）が起きる直前の電界の値（以下、電界初期値Ｅ０という）から、最後の電界変化（図３の例ではΔＥ７）が終了した時点での電界の値（以下、落雷後電界値Ｅｅという）までの電界変化量Ｅtotal（＝Ｅｅ−Ｅ０）を落雷による電界変化ΔＥとし、これを（１）式に代入して、落雷電荷量Ｑを算出する。なお、ここでは、図３に示す電界変化ΔＥ７の後、一定時間をおいても落雷による電界変化が現れていなかったものとして、このΔＥ７を今回の落雷による最後の電界変化であると判断している。

図４は、落雷電荷算出部３２の機能ブロック図である。同図に示すように、落雷電荷算出部３２は、第１判定部４０、第２判定部４２、電界変化判定部４４、及び、電荷計算部４６を備えている。

第１判定部４０は、電界データに所定の勾配Ｋ１より大きい電界変化があった場合に、この電界変化を落雷による電界変化であると判定する。

第２判定部４２は、電界データに勾配Ｋ１以下であり、かつ、勾配Ｋ１よりも小さい所定の勾配Ｋ２よりも大きい電界変化があった場合に、当該電界変化が起きている間の前記磁界データに所定レベル以上の変化が生じていれば、当該電界変化は落雷による電界変化であると判定する。一方、磁界データに前記所定レベル以上の変化が生じていなければ当該電界変化は落雷による電界変化ではないと判定する。

電界変化判定部４４は、第１判定部４０又は第２判定部４２によって落雷による電界変化であると判定された最初の電界変化の直前の電界値（すなわち電界初期値Ｅ０）と、落雷による電界変化であると判定された最後の電界変化の直後の電界値（すなわち落雷後電界値Ｅｅ）との差を落雷による電界変化量ΔＥとして求める。

電荷計算部４６は、電界変化判定部４４により求められた電界変化量ΔＥと、電荷高度算出部３０により求められた電界高度Ｈと、計測子局１０の位置情報と、落雷位置取得部２２が取得した落雷位置情報とから算出される距離Ｄとを（１）式に代入することにより、落雷電荷量Ｑを計算する。

図５は、落雷電荷算出部３２による電荷算出処理を示すフローチャートである。先ず、落雷発生検知部２４により落雷発生が検知される（Ｓ１００）と、その落雷発時点の直前の電界の大きさが電界初期値Ｅ０として記憶される（Ｓ１０２）。そして、第１判定部４０及び第２判定部４２は、落雷発生時点以降の電界データを時間軸方向にスキャンし、所定の勾配Ｋを超える変化があるか否かを判別する（Ｓ１０４）。そして、勾配Ｋを超える変化があれば、第１判定部４０は、この電界変化は、落雷による電界変化と判断し、当該変化後の電界値を落雷後電界値Ｅｅとする（Ｓ１０６）。一方、勾配Ｋより小さい第２の所定の勾配Ｋ０を超える程度の緩やかな電界変化が生じている場合は（Ｓ１０８）、第２判定部４２は、その緩やかな変化が生じている間に磁界に所定の勾配Ｋ１を超える変化が生じているか否かを判別する（Ｓ１１０）。その結果、肯定判別された場合は、Ｓ１０８で判別された緩やかな電界変化が落雷によるものと判断して、落雷後電界値Ｅｅを、当該緩やかな電界変化後の電界値に更新する（Ｓ１１２）。そして、所定時間以上の間、落雷に起因する電界変化が検知されなければ、落雷後電界値Ｅｅの値が確定され（Ｓ１１４）、電界変化判定部４４は、ΔＥ＝Ｅｅ−Ｅ０により、落雷に伴う電界変化ΔＥを算出する（Ｓ１１６）。そして、落雷位置取得部２２から取得した落雷位置情報と、電界データ及び磁界データの送信元である計測子局１０の位置情報とに基づいて、測定地点から落雷地点までの距離Ｄを算出し（Ｓ１１８）、この距離Ｄと、電荷高度算出部３０が算出した落雷電荷高度Ｈと、上記電界変化ΔＥとを（１）式に代入することにより、落雷電荷量Ｑを算出する（Ｓ１２０）。

以上説明したように、本実施形態のシステムによれば、落雷電荷評価装置１は、計測子局１０から伝送されてくる電界データ及び磁界データに基づいて、リーダ進展時間を求め、これに既知のリーダ進展速度を乗ずることにより、従来のように、連立方程式を解くことなく、落雷電荷高度を正確に算出することができる。

また、緩やかな電界変化が生じている場合に、この電界変化が落雷によるものか否かを、その間の磁界変化に基づいて正確に判定できるので、落雷による磁界変化ΔＥも正確に求めることができる。

このように、本実施形態のシステムによれば落雷電荷高度及び落雷電荷量の両方を正確に求めることが可能である。

また、従来手法では、背景技術の欄で説明したように、２つの地点で計測地点での電界変化ΔＥ及び落雷地点までの距離Ｄが必要であるが、本実施形態では、１つの地点の電界データ及び磁界データが計測するだけで、落雷電荷高度Ｈ及び落雷電荷量Ｑを算出することができる。

本発明の一実施形態である落雷電荷評価装置の全体構成図である。 落雷時における地上での磁界と電界の時間変化を示した図である。 図２に示す磁界と電界の時間変化を、時間軸のスケールを千倍程度に拡大して示す図である。 落雷電荷算出部の機能ブロック図である。 落雷電荷算出部の電荷算出処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 落雷電荷評価装置
１０ 計測子局
１２ 電界計測部
１４ 磁界計測部
２０ データ取得部
２２ 落雷位置取得部
２４ 落雷発生検知部
２６ リーダ検知部
２８ リーダ進展時間算出部
３０ 電荷高度算出部
３２ 落雷電荷算出部
４０ 第１判定部
４２ 第２判定部
４４ 電界変化判定部
４６ 電荷計算部
５０ 雷放電位置標定装置

Claims (7)

1. 落雷発生時の落雷電荷の高度を算出する機能を有する落雷電荷評価装置であって、
   所定の測定対象地点における電界の時間変化を示す電界データ及び前記所定の対象地点における磁界の時間変化を示す磁界データを取得するデータ取得部と、
   前記取得した電界データに基づいて落雷の発生を検知する落雷発生検知部と、
   前記落雷発生検知部により落雷発生が検知された場合に、前記取得した磁界データに基づいて、前記落雷発生検知部により検知された落雷に先行するリーダの発生時点を検知するリーダ検知部と、
   前記リーダ検知部により検知されたリーダ発生時点から、前記落雷発生検知部により検知された落雷の発生時点までの時間をリーダ進展時間として算出するリーダ進展時間算出部と、
   前記算出したリーダ進展時間と所定のリーダ進展速度とに基づいて、落雷電荷の高度を算出する電荷高度算出部と、を備えることを特徴とする落雷電荷評価装置。
2. 請求項１記載の落雷電荷評価装置において、
   落雷位置を標定する落雷位置標定装置から、標定された落雷位置を取得する落雷位置取得部と、
   前記取得した落雷位置と前記所定の測定対象地点との距離と、前記算出した落雷電荷の高度とに基づいて、落雷電荷量を算出する落雷電荷算出部と、を備えることを特徴とする落雷電荷評価装置。
3. 請求項２記載の落雷電荷評価装置であって、
   前記落雷電荷算出部は、
   前記取得した電界データに第１の所定の勾配より大きい電界変化があった場合に、この電界変化を落雷による電界変化であると判定する第１判定部と、
   前記取得した電界データに前記第１の所定の勾配よりも小さい第２の所定の勾配よりも大きく、かつ、前記第１の所定の勾配以下の電界変化があった場合に、当該電界変化が起きている間の前記磁界データに所定の度合い以上の変化が生じていれば、当該電界変化は落雷による電界変化であると判定し、前記磁界データに前記所定の度合い以上の変化が生じていなければ当該電界は落雷による電界変化ではないと判定する第２判定部と、
   前記第１判定部又は前記第２判定部により落雷による電界変化であると判定された最初の電界変化の直前の電界値と、前記第１判定部又は前記第２判定部により落雷による電界変化であると判定された最後の電界変化の直後の電界値との差を落雷による電界変化量として判定する電界変化量判定部と、
   前記判定された電界変化量に基づいて、落雷電荷量を計算する電荷計算部と、を備えることを特徴とする落雷電荷評価装置。
4. 電界を計測し、所定の測定対象地点における電界の時間変化を示す電界データを取得するステップと、
   磁界を計測し、前記所定の測定対象地点における磁界の時間変化を示す磁界データを取得するステップと、
   前記取得した電界データに基づいて落雷の発生を検知するステップと、
   落雷の発生が検知された場合に、前記取得した磁界に基づいて、前記検知された落雷に先行するリーダの発生時点を検知するステップと、
   前記検知されたリーダ発生時点から、前記検知された落雷の発生時点までの時間をリーダ進展時間として算出するステップと、
   前記算出したリーダ進展時間と所定のリーダ進展速度とに基づいて、落雷電荷の高度を算出するステップと、を備えることを特徴とする落雷電荷評価方法。
5. 請求項４記載の落雷電荷評価方法において、
   落雷位置を標定する落雷位置標定装置から、標定された落雷位置を取得するステップと、
   前記取得した落雷位置と前記所定の測定対象地点との距離と、前記算出した落雷電荷の高度とに基づいて、落雷電荷量を算出するステップと、を備えることを特徴とする落雷電荷量評価方法。
6. コンピュータにより落雷電荷を評価するためのプログラムであって、前記コンピュータに、
   所定の測定対象地点における電界の時間変化を示す電界データ及び前記所定の対象地点における磁界の時間変化を示す磁界データを取得する手順と、
   前記取得した電界データに基づいて落雷の発生を検知する手順と、
   前記落雷発生検知部により落雷発生が検知された場合に、前記計測された磁界に基づいて、前記落雷発生検知部により検知された落雷に先行するリーダの発生時点を検知する手順と、
   前記リーダ検知部により検知されたリーダ発生時点から、前記落雷発生検知部により検知された落雷の発生時点までの時間をリーダ進展時間として算出する手順と、
   前記算出したリーダ進展時間と所定のリーダ進展速度とに基づいて、落雷電荷の高度を算出する手順と、を実行させることを特徴とする落雷電荷評価プログラム。
7. 請求項５記載の落雷電荷評価プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
   
   

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