JP6222738B2

JP6222738B2 - 逆流雷保護装置

Info

Publication number: JP6222738B2
Application number: JP2014110873A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　智之; 智之佐藤; 康弘深山
Original assignee: Tohoku Electric Power Co Inc; Shoden Corp
Current assignee: Tohoku Electric Power Co Inc; Shoden Corp
Priority date: 2014-05-29
Filing date: 2014-05-29
Publication date: 2017-11-01
Anticipated expiration: 2034-05-29
Also published as: JP2015226406A

Description

本発明は、配電設備から電源が供給されている需要家施設への落雷時に雷サージ電流を効率良く大地へ流し、需要家施設及び配電設備を保護するようにした逆流雷保護装置に関する。

電話交換所や移動体通信基地局の送受信アンテナ用鉄塔、風力発電所の風車等の高い構造物（以下、単に塔体という。）は、背が高い金属構造体であることに加え、その性質上、山頂や稜線等に建設されることが多い。従って、塔体は落雷の被害を受けやすい。

電話交換所や移動体通信基地局その他の施設（以下、需要家施設という。）に設置される通信機器等、各種の設備機器には、隣接する配電設備の柱上変圧器から低圧引込線を介して電源が供給されている。このため、需要家施設の塔体に落雷した場合には、需要家施設の接地電位の上昇によっていわゆる逆流雷によるサージ電流が低圧引込線から配電設備側に流れ込み、配電設備側の柱上変圧器や把持碍子、接地線、配電柱等に被害が及ぶおそれがある。従って、塔体への落雷時における配電設備への波及被害を防止する対策が不可欠である。

ここで、従来技術について図を参照しつつ説明する。
図２は、従来の雷サージ保護システムの構成図である。図２では、需要家施設１が電話交換所であって塔体１０が無線鉄塔の場合を示しており、配電設備２から需要家施設１に電源が供給されている。なお、図２において、Ｇは地表面を示す。

需要家施設１では、塔体１０の避雷針１０ａが接地線１０ｂを介して需要家側接地１１にて接地されている。そして、建屋１２内の通信機器等の設備機器１４は、バリスタ等を用いたＳＰＤ（サージ防護素子）１３を介して、同じく需要家側接地１１にて接地されている。

配電設備２では、複数の配電柱２０に高圧配電線２１及び架空地線２２が架設されている。なお、２０ａは配電柱２０の鉄筋である。
需要家施設１に隣接した配電柱２０には、単相三線式の柱上変圧器２３が、把持碍子２４（避雷装置）により絶縁を確保された状態で装柱されている。柱上変圧器２３の一次巻線２３１には高圧配電線２１が接続され、柱上変圧器２３の二次巻線２３２は、低圧引込線２５を介して建屋１２内の設備機器１４に接続されている。これにより、設備機器１４には、柱上変圧器２３から低圧引込線２５を介して電源電圧が供給されるようになっている。

柱上変圧器２３の二次側の中性線２３ｎは、把持碍子２４の一端と共に接地線２６を介してＢ種接地２６ａにて接地されている。架空地線２２は、各配電柱２０の鉄筋２０ａと実質的に接続され、鉄筋２０ａは配電柱接地２０ｂにて接地されている。また、架空地線２２は、接地線２７を介して架空地線接地２７ａにより接地されている。
なお、図２における鉄筋２０ａと架空地線２２との間の破線、鉄筋２０ａと柱上変圧器２３のケーシングとの間の破線は、何れも実質上、電気的に接続されていることを示す。また、鉄筋２０ａと配電柱接地２０ｂとの間の破線は、鉄筋基礎による接地抵抗を示している。

一方、需要家施設と配電設備との間の雷被害を防止する他の先行技術が、例えば特許文献１（特開２００７−３１２４６６号公報）にも開示されている。この先行技術では、配電線に雷撃を受けた場合に、雷サージ電流を通信線のシールド側へ迂回させて分電盤中継器の絶縁破壊を防止している。

また、他の先行技術が、特許文献２（特開２００２−３２０３１９号公報）に開示されている。この先行技術では、風力発電所や無線中継所等の高構造物の接地と配電線の架空地線接地とを接地線により接続し、落雷時に高構造物へ流れる雷サージ電流を、接地線を介して架空地線接地に流すことにより、高構造物側の避雷器の破損を防止している。
更に、他の先行技術が、特許文献３（特開２００７−３００７４４号公報）に開示されている。この先行技術では、逆閃絡防止器を設けることにより、特定需要家から配電設備側へ雷害が波及することを防止している。

特開２００７−３１２４６６号公報（段落［００４４］、図４等）特開２００２−３２０３１９号公報（段落［００２４］、図４等）特開２００７−３００７４４号公報（段落［００１７］、図１等）

前述した図２において、塔体１０の避雷針１０ａに落雷すると、雷サージ電流は、接地線１０ｂを介して需要家側接地１１に流れる。しかしながら、山頂等に建設された需要家施設１の接地抵抗が比較的高い場合には、落雷による需要家側接地１１の接地電位の上昇により、低圧配電線２５との間に大きな電位差が生じる。このため、いわゆる逆流雷により低圧のＳＰＤ１３が動作し、低圧配電線２５を介して配電設備２側に雷サージ電流が流入するおそれがあった。

逆流雷に伴う雷サージ電流は極めて大きく、特に電荷量の大きい（エネルギーの大きい）冬季雷の場合には、その傾向が顕著になるので、最大容量の低圧ＳＰＤ１３であっても、冬季雷による雷サージ電流が流れ込んだ場合には損傷を防止できないことがある。
また、逆流雷による雷サージ電流が需要家施設１の設備機器１４を損傷させ、更に、配電設備２側の柱上変圧器２３や把持碍子２４、架空地線２２、接地線２６，２７、鉄筋２０ａ等に流入することで被害が波及するおそれもあった。あるいは、雷サージ電流が配電設備２側の接地に流れて接地電位を上昇させる等の問題を生じていた。

上記のような逆流雷に起因した機器の損傷、事故波及を防止するには、需要家側接地１１の接地抵抗をできるだけ低減させることが有効であるが、塔体１０を含む需要家施設１は、山頂や稜線のように低接地抵抗を得るには不向きな場所に建設されることが多い。このような立地条件において、接地抵抗を所望のレベルにまで低減させることは工事費等の関係から必ずしも容易ではない。

また、特許文献１に記載された先行技術は、雷サージの迂回路として通信線を経由させるものであるが、通信機器が雷サージにより損傷するおそれがあるため、改善の余地がある。
更に、特許文献２に記載された先行技術は、高構造物の接地と配電設備の接地との間の接地線により、接地抵抗値が変化するという問題があり、特許文献３に記載された先行技術は、冬季雷のようにエネルギーの大きい落雷まで考慮したものではない。

そこで、本発明の解決課題は、需要家施設の塔体等に落雷があった場合に、雷サージ電流を効率良く大地へ流すことにより、需要家施設内の設備機器や配電設備の損傷を防止するようにした逆流雷保護装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、塔体及び設備機器を含む需要家施設と、高圧配電線、架空地線及び前記高圧配電線が一次側に接続された柱上変圧器を含む配電設備と、を備え、前記柱上変圧器の二次側の電圧を、低圧引込線を介して前記設備機器に電源電圧として供給すると共に、前記設備機器が第１のサージ防護素子を介して需要家側接地にて接地されているシステムを対象とし、前記塔体への落雷により前記需要家施設の接地電位が上昇した時に、少なくとも前記設備機器及び前記配電設備を保護するための逆流雷保護装置において、
前記塔体及び前記第１のサージ防護素子に接続された需要家側接地と前記配電設備に設けられた配電設備側接地との間に接続されて前記第１のサージ防護素子よりも低い動作電圧を有する放電ギャップと、
前記柱上変圧器の二次巻線の中性線を除く両端と前記配電設備側接地との間にそれぞれ接続された第２，第３のサージ防護素子と、
を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した逆流雷保護装置において、前記配電設備側接地は、前記柱上変圧器の二次巻線の中性線に接続されたＢ種接地と、前記架空地線に接続された架空地線接地と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、需要家施設の塔体等への落雷時に、雷サージを効率良く大地へ流すことにより、需要家施設の設備機器や配電設備の各種配電機器等が逆流雷により損傷するのを防止することができる。
また、本発明では既存設備の大部分をそのまま利用できるため、低コストにて実現可能である。

本発明の実施形態を示す全体構成図である。従来技術を示す全体構成図である。

以下、図１を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、前述した図２の従来技術と共通する事項もあるが、明確化のために改めて説明する。
図１において、塔体１０は、例えば、需要家施設１が電話交換所であれば無線鉄塔が、需要家施設１が移動体通信基地局であれば送受信アンテナ用鉄塔が、また、需要家施設１が風力発電所であれば風車が該当し、これら以外にも、各種の需要家施設における高構造物の塔体を対象とする。この実施形態では、需要家施設１が山頂に建設された電話交換所であり、塔体１０が無線鉄塔である場合について例示する。

塔体１０の頂上には避雷針１０ａが設置されており、この避雷針１０ａは接地線１０ｂを介して需要家側接地１１にて接地されている。
ここで、需要家施設１では、接地抵抗の低減工事等を実施した上で需要家側接地１１を施工することが望ましい。需要家側接地１１の接地抵抗をできるだけ小さくすることにより、避雷針１０ａへの落雷時に接地電位の極端な上昇を防止することができる。

需要家施設１の建屋１２内には、電話交換所の機能を果たすための各種の通信機器等の設備機器１４と第１のＳＰＤ１３とが設置されている。このＳＰＤ１３の一端は、需要家側接地１１にて接地されている。

一方、配電設備２では、配電柱２０に高圧配電線２１及び架空地線２２が架設されている。配電柱２０は、コンクリート電柱であって所定の間隔（例えば３０ｍ間隔）で複数、建てられており、高圧配電線２１及び架空地線２２を支持している。配電柱２０の内部には鉄筋２０ａが設けられており、地中の鉄筋基礎と連結固定されている。この鉄筋基礎は、電気的には配電柱接地２０ｂとして機能する。

高圧配電線２１は、図示しない碍子によって配電柱２０に架設され、電力供給の幹線として利用されている。
架空地線２２は、配電柱２０の頂部に架設され、例えば亜鉛めっき鋼より線または銅単線等の裸線が使用される。架空地線２２は、配電柱２０の頂上の図示しないピン碍子に引き通されている。

需要家施設１に隣接する配電柱２０には、単相三線式の柱上変圧器２３が装柱されている。柱上変圧器２３の一次巻線２３１（高圧側）には高圧配電線２１が接続されており、その二次巻線２３２（低圧側）の電圧が、低圧引込線２５を介して需要家施設１の建屋１２内の設備機器１４に電源電圧として供給されている。
なお、二次巻線２３２の中性線２３ｎを除く両端は、逆流雷保護装置１００内において、動作電圧が例えば１０００Ｖである第２，第３のＳＰＤ４１，４２の各一端に接続され、これらのＳＰＤ４１，４２の各他端は一括して接地線２６に接続されている。また、この接地線２６はＢ種接地２６ａにて接地されている。

柱上変圧器２３の一次側と接地線２６との間には把持碍子（避雷装置）２４が接続されており、把持碍子２４と接地線２６との接続点は柱上変圧器２３のケーシングに接続されている。また、前記中性線２３ｎはバイパス線２８を介して接地線２６に接続されている。

更に、建屋１２内のＳＰＤ１３の接地端と前記接地線２６との間には、逆流雷保護装置１００内において、第１の放電ギャップ３１及び第２の放電ギャップ３２が互いに並列に接続されている。また、接地線２６側の放電ギャップ３１，３２同士の接続点は、架空地線２２を接地するための接地線２７に接続され、この接地線２７は架空地線接地２７ａにて接地されている。
第１，第２の放電ギャップ３１，３２において、不活性ガス中で対向する電極のギャップ長は例えば数百μｍ〜数ｍｍであり、動作電圧は例えば１０００Ｖであって、建屋１２内の第１のＳＰＤ１３の動作電圧よりも低い値に設定されている。

良く知られているように、電気設備技術基準では、需要家側接地１１とＢ種接地２６ａとを接続することが規制されている。このため、図１の実施形態において、需要家側接地１１とＢ種接地２６ａとの間は、通常時は放電ギャップ３１，３２により絶縁されており、この点は需要家側接地１１と架空地線接地２７ａとの間の経路についても同様である。
しかし、避雷針１０ａへの落雷により需要家施設１の接地電位が上昇して放電ギャップ３１，３２の両端電圧が動作電圧を超えると、放電ギャップ３１，３２が放電し、雷サージ電流がＢ種接地２６ａまたは架空地線接地２７ａに流入するようなバイパス回路が形成されるものである。

ここで、接地線２６，２７には、雷サージ電流による溶損防止のため、通常より太い線、例えば断面積が３８ｍｍ^２以上の銅線が用いられている。
なお、配電柱接地２０ｂ，Ｂ種接地２６ａ及び架空地線接地２７ａは、請求項における配電設備側接地に相当する。

この実施形態では、第１，第２の放電ギャップ３１，３２及び第２，第３のＳＰＤ４１，４２を有する逆流雷保護装置１００を設けたことにより、以下のような作用効果を得ることができる。
すなわち、塔体１０への落雷時に、仮に需要家施設１の接地電位（ＳＰＤ１３の接地端の電位）が大幅に上昇したとしても、雷サージ電流は第１，第２の放電ギャップ３１，３２を介してＢ種接地２６ａ側または架空地線接地２７ａ側に流れる。このため、建屋１２内のＳＰＤ１３や設備機器１４、柱上変圧器２３の二次側、把持碍子２４等に流れる雷サージ電流を抑制し、これらの損傷を防止することができる。

また、接地線２６，２７同士が接続されていることにより、雷サージ電流の接地側への電流経路が複数になり、柱上変圧器２３の二次側や把持碍子２４側に流入する雷サージ電流を一層減少させることが可能である。同時に、配電柱２０の欠損頻度を低減させることもできる。
更に、柱上変圧器２３の二次巻線２３２の両端と接地線２６との間に第２，第３のＳＰＤ４１，４２を接続したことにより、二次巻線２３２を流れる雷サージ電流を減少させることができると共に、線間に生じる雷過電圧を抑制することが可能である。

以上のように、この実施形態によれば、特に冬季雷のように継続時間が長くエネルギーが大きい場合であっても、雷サージ電流が低圧引込線２５を介して配電設備２側に流入するのを防ぎ、各種設備や配電柱等の損傷を防止することができる。
また、この実施形態に係る逆流雷保護装置は、図２に示した既存設備をそのまま利用可能であり、低コストにて設置することができる。

本発明に係る逆流雷保護装置は、例えば山頂や稜線に建設される電話交換所や移動体通信基地局、風力発電所等における逆流雷からの保護に適用可能である。

１：需要家施設
１０：塔体
１０ａ：避雷針
１０ｂ：接地線
１１：需要家側接地
１２：建屋
１３：第１のＳＰＤ
１４：設備機器
２：配電設備
２０：配電柱
２０ａ：鉄筋
２０ｂ：配電柱接地
２１：高圧配電線
２２：架空地線
２３：柱上変圧器
２３ｎ：中性線
２３１：一次巻線
２３２：二次巻線
２４：把持碍子
２５：低圧引込線
２６，２７：接地線
２６ａ：Ｂ種接地
２７ａ：架空地線接地
２８，３３，３４：バイパス線
３１：第１の放電ギャップ
３２：第２の放電ギャップ
４１：第２のＳＰＤ
４２：第３のＳＰＤ
１００：逆流雷保護装置
Ｇ：地表面

Claims

塔体及び設備機器を含む需要家施設と、高圧配電線、架空地線及び前記高圧配電線が一次側に接続された柱上変圧器を含む配電設備と、を備え、前記柱上変圧器の二次側の電圧を、低圧引込線を介して前記設備機器に電源電圧として供給すると共に、前記設備機器が第１のサージ防護素子を介して需要家側接地にて接地されているシステムを対象とし、前記塔体への落雷により前記需要家施設の接地電位が上昇した時に、少なくとも前記設備機器及び前記配電設備を保護するための逆流雷保護装置において、
前記塔体及び前記第１のサージ防護素子に接続された需要家側接地と前記配電設備に設けられた配電設備側接地との間に接続されて前記第１のサージ防護素子よりも低い動作電圧を有する放電ギャップと、
前記柱上変圧器の二次巻線の中性線を除く両端と前記配電設備側接地との間にそれぞれ接続された第２，第３のサージ防護素子と、
を備えたことを特徴とする逆流雷保護装置。
請求項１に記載した逆流雷保護装置において、
前記配電設備側接地は、前記柱上変圧器の二次巻線の中性線に接続されたＢ種接地と、前記架空地線に接続された架空地線接地と、を含むことを特徴とする逆流雷保護装置。