JPS60225400A - 建築構造物等の避雷装置 - 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］ 本発明は、公共又は個人的な建物やプラント等の構造物
を落雷から保護する避雷装置に関する。

該装置は、地−１−と絶縁されへ空中電極と、地上にお
ける電界に関連４−ろ電位差か予め定めた値を越えた際
に、１．記空中電極をアースしつるＬ段とを備えている
。

「稲妻の発生及び落雷について］ 稲妻の形成に導く現象が未だ充分に説明されていないの
で、ここでますその現象を簡単に説明する。暴風雨の間
に雲の中には、電荷の集中によって特徴つけられる暴風
雨の核か形成されろ。上記の雲は、地上から２〜４ｋｍ
上方に位置し、通常雲の−Ｅ層においては正の電荷が、
下層においては負の電荷か存在する。従って、地表面と
雲との間には強い電界が生み出され、その電位差は１億
ボルトに達しうる。

地表面と雲の間の電位差か、人気の絶縁抵抗にザし勝っ
た際には、通常はまず先導ストロークが発生し、該先導
ストロークは雲から地上に向けてジグザク運動をし、多
くの電流を運ぶ。

先導ストロークの下降行程の終期においては、地上にお
ける電界が非常に高くなるので、先導ストロ〜りとは逆
極性の所定量の電荷（電流）が、地上を離れて下降中の
先導ストロークを迎え打つ。

それにより良導性の流路が形成され、該流路を通して先
導ストロ＝りの電荷か地−にに拡散される。

その結果、稲妻の最も危険な効果であるところの戻りス
トロークか、熱及び光エネルギーを成長させなから発生
する。

上記した現象は、いくつかの科学的な出版物において詳
しく説明されている。それらの中で、目についたものを
列挙すれば、 −Ｍ、Ａ　ニーーｒン（Ｍ　Δ、Ｕｍａｎ）の論文“稲
妻（Ｌ　ｉｇｈｔｎｉｎｇ）″　Ｍｃ　Ｇｒａｗ　−＋
１ｉｌｌ　（１９６９年） −Ｒ、ｌ−１ゴールド（Ｒ，Ｉ−１，Ｇｏｌｄｅ　）の
論文“　稲妻、稲妻と避雷の物理学（Ｌ　ｉｇｈｔｎｉ
ｎｇＰｈｙｓｉｃｓ　ｏｆ　Ｌ　ｉｇｈｉｎｉｎｇ　ａ
ｎｄ　ＬｉｇｈＬｎｉｎｇ　ＰｒｏＬｅｃ−ｔｉｏｎ）
″ Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ　（＋　９７７）−Ｊ、
　Ａ　カルマー（Ｊ、　Ａ、　Ｃｈａｌｍｅｒｓ）ノ論
文“空中電気（Ａ　ｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｅ　Ｉｅｃ
ｔｒｉｃｙ）”ＰｅｒｇａＩＩｌｏｎ　Ｐ　ｒｅｓｓ　
、　０ｘｆｏｒ＋ｌ　（１９６７年）−Ｉ−１バ　ツ（
ｒ（、Ｂａａｔｚ）の論文“エネルギー供給網にお（Ｉ
ろ過電圧（ｔＪｂｅｒ　ｓｐａｎｎｕｎｇｅｎ　ｉｎＥ
ｎｅｒｇｉｅｖｅｒｓｏｒｇｕｎｇｓｎｅｔｚｅｎ）”
　Ｓ　ｐｒｉｎｇｅｒ　Ｖｅｒｌａｇ（１９５６年） 一’ｒ　、スズキ、Ｆ　ミャケ、■、ギノジマの論文°
“稲妻のスト［７りの実験的ノミ、し　ンヨンに塙づく
研究（Ｓ　Ｌｕｄｙ　（ｌｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａ
ｌ　ｓｉｍｕｌａＬｉｏｎ　ｏｆ　Ｌ　ｉｇｈＬｎｉｎ
ｇ　５ｔｒｏｋｅｓ”　Ｉ　ＥＥ　Ｓ　−１３ＡＳ、１
９８１年４月 等である。

［従来の技術とその問題点］ 目下のところ使用されている避雷装置は、ｌ又は複数の
稲妻捕集要素を備え、該稲妻捕集要素は適当なザイズの
コンダクタ（導体）により、地にに〜接続されて、稲妻
のストロークを地１−に拡散さｌる優先流路を構成する
ようにな−）でいろ。これらの稲妻捕集要素は、通常先
端の尖っノニ金属製ロッド又は捕集ネットからなる。上
記捕集要素は落雷から保護すべき構造物の−Ｌ部に固定
され、１１っ埋設されたアース要素に接続さＡする。

しかしながら、このような避雷ロッドにはいくつかの欠
点がある。まず第１に−に記避雷ロットは、それらが適
合された強度以」二の強度を有する稲妻のストロークに
は耐え得ないのて、保護４−へき構造物に対して限られ
た保護しか与えられない。

しかも、」二記避雷ロットは該「Ｊラドと地」−との特
別な接続に基因して高価であり且つ周期的なメンテナン
スを必要とする。

より最近、上述と同様の避雷ロッドによる保護機能を高
めろ１」的で、該避雷ロッドに放射性を何“ケる先端を
具備せしめる実験か行なわれた。しかしながら、この場
合も望ましい結果は得られなかった。のみならす、かか
る放射性の先端を有する避雷ロフトは、それらがいくつ
かの国で禁止されているので拡布する」二で障害の生し
る恐れがある。

ドーベルナルディ（Ｄｅ　Ｂｅｒｎａｒｄｉ　）の名に
おけるイタリア特許第７６７１１１０９号は、テレビア
ンテナを稲妻から保護する手段について記述している。

それによれば、２極アンテナの近傍に環状のノールド要
素か備えられて、稲妻のストロークに対し最も危険にさ
らされた部分の近傍に防壁が形成されている。

上記特許の教示するとごろによれば、環状シールド要素
か稲妻のストロ　りをそれさ且て、稲妻による被害を除
去するごとにな−ている。

同一の著者による別の発表においては、稲妻のストロー
クによる破壊効果を最小限にするために稲妻のスト【Ｊ
−りを広い表面に分散さＵるごと、又は（ｉｌｕをそれ
さ且うろ）−ルドｌ（ｈ壁をｉみ出４ために高周波の電
磁場を利用４゛ろごとを目的と４−る避雷装置について
Ｒ及されている。しかしながら、それに関連した教示は
何らすえられておらす、又１−記の理論を援護する議論
らなさＡ１ておら４〜．１］−ノ関連した装置の作用ら
述へられていない。

総括４−れば、ｌｊ下のところ知られている避雷装置は
、し・ずイ１の場合も稲妻を優先流路に導き、或いは稲
妻を広い表面に分散さ且るごとを目的としていノこ。

Ｌ問題点を解決４−るための手段］ 」二記した従来例に反し本発明は、先導ストロークが地
」−に接近している間に、該先導ストロークに作用を及
ぼすことにより先導ストロークの進展を阻止し、にうと
する乙のである。

すなわち、本発明に係る装置はｌ又は複数の時期に、地
−ヒから電荷が離れることを助長し、該電荷を先導スト
ローりの先端に集中させてその両者を相殺するように作
用する。

具体的には、本願は２つの発明を包含しており、その内
第１の発明に係る避雷装置は、 戻りストロークに向（３で先導放電の進展を阻止４−る
ために、先導放電の接近中に先導放電に相互作用を及ぼ
しうろ手段を備えたことを特徴としている。

又、第２の発明に係る避雷装置は、 下降中の先導放電に向けて、先導放電の極性と逆極性を
有する電荷を放出しうる手段を備え、上記先導放電と逆
極性の電荷の移動が、戻りストロークか惹起される値に
近い、地」二におけろ電界の値によって生じることを特
徴としている。

ごごて、第１及び第２の発明に係る避雷装置は、地１．
と絶縁状態に保持された空中電極と、地にに、おけろ電
界に関連４′る電位差か戻りストＫ）　夕の形成される
値より低い予め定められた値を越えた際にト降中の先導
放電に向けて、該先導放電の極性と逆極性の電荷を放出
するために、」二足空中電極をアースしうる手段とを備
え、該手段は空中電極から電荷か離れた後、直しに地１
−との接続を断つように構成されていることが好ましい
。

その場合、」二足空中電極をアースしろる手段は、バリ
スタにより構成することかてきる。又、」−記空中電極
は、金属製で丸みを帯びた大径の要素とすることができ
る。

又、第１の発明に係る避雷装置は、金属製で丸みを帯び
た空中電極と、先導放電の接近により決定されろ電界に
関連する電位差が、戻りストロークの生しる値に近づい
た際に、−１二記空中電極をアースコンダクタに接続し
うるバリスタとを備えて構成することができる。

［発明の効果］ 本願の第１の発明によれば、避雷装置が先導放電の接近
中に、該先導放電に相互作用を及はしうる手段を備えて
いるので、該手段によって先導放電を減衰させることが
でき、それによって建築構造物等を上記先導放電から有
効に保護できるよっになる。

又、本願の第２の発明では、下降中の先導放電に向１ノ
で、該先導放電と逆極性の電荷を放出するようにしたの
で、該電荷と先導放電の電荷とが相殺されて先導放電を
減衰させうるばかりでなく、上記先導放電と逆極性の電
荷の移動を、地上にお＋Ｊる電界の値が戻りストローク
の形成される値に近い値となった際に生ぜしめるように
したのて、戻りストロークの発生を防止できるようにな
る［実施例］ 以下、添付図面を参照しながら本発明の詳細な説明する
。但し、本発明は以下の例に限定されるものではない。

本発明に係る装置は、実質的に金属製の空中電極１を備
え、該空中電極ｌはバリスタ２の上方の極に接続されて
いる１、ノ＼リスタ２の他方の極は、アース電極３にコ
ンダクタ４によ−、て接続されている。

空中電極Ｉとバリスタ２からなろユニリドは、支１−１
１部材５に取り付け１られ、該支持部＋Ａ５は絶縁性の
基部６を備えている。）−記支持部祠５（Ｊ、参照番号
７によって示される保護すべき構造物のト部に固定さＡ
１ている。

バリスタ２の下部に通接して、例えは金属製リンク等か
らなる静電シールド８か設けられて０ろ。

空中電極１は、例えばアルミニラｌ、からなり、好まし
くは、１その大きい丸みを帯びた形状を有する。

バリスタ２は、好ましくは酸化亜鉛型と４−ろことかで
きろ。かかるバリスタは、現在冗なろ用途、とりわ１Ｊ
電線を過電１１ミから保護４−ろために使用されている
。

コンダクタ４のサイズは、従来の“避雷ＵＪノドに用い
られているコンダクタに比してかなり小さ円実際、コン
ダクタ４は後述オるように低い電流を伝達するので、そ
の断面積はａｆｆｒのア　スコンダークタに比へて１１
５〜１／８程度で充分である。

第２図には本発明に係る装（ξの等価回路か示されてい
る。同図中、ρＯは汚染物に、Ｌり生成されろ抵抗（さ
１０菫０−１Ω−ｃｍ） てあり、この抵抗は電界の強さの非線型の関数として表
わされる。

ρい。は亜鉛の抵抗（−２１Ω・ｃｍ）である。

Ｃｓはバリスタ２の等価的な容量（１０−１ｏ。

７１Ｆ）である。

ＲＣＴ　はアースコンダクタ４の等価的な抵抗値である
。

Ｌ　ＣＴ　はアースコンダクタ４の等価的なインダクタ
ンスである。

乙ｒ　は等価的なアースインピーダンスである。

本発明の理解を深めるため、以下に本発明に係る装置の
種々の局面にお（Ｊる作用及び本発明の基礎となる物理
的な原理を訂しく説明する。

ごこて、予め以下の説明で使用４−る記号を定義オろ。

ＫｃｆＪ：、空中電極１の近傍にお（１ろ電界の強さで
あろ２、 Ｋｓは、バリスタ２の両極間におけろ電界の強さである
。

Ｋｃは、バリスタ２の導通状態に対応１′る電界のｌｊ
ｉ’ｉである３、 Ｋｃｓは、ｉ向きのストロークか形成さイ１ろ際の電界
の臨界値である。

雲の低域部に電荷Ｑｎ（第：３図１）か集めらＡ１ろと
、雲と避雷装置の配置さ４１．　／二Ｉｔ！！　ｌ域と
の間に電界か牛１戊されろ、。

第３図には、に記電界の力線の輪や１；か小されている
。空中電極１−［、には、該電極１の（Ｙと地１−にわ
（Ｊろ電界との関数としての電荷の集中か生しる。

雲と地１−との間の電（）′Ｌ差が、人気の絶縁抵抗に
打ち勝−ノことのできる値に達すると、−ト方（とり４
’−＋＋＋空中電極１）へ向かう先導ストローりか発生
する。。

先導スト［！−りの総電荷はおよそ５Ｃ（間接的な測定
による）であり、約０　、５　ｍｃ／、ｍρの密度で分
布する。

Ｆ方へ向かう先導ストロークか接近すると、該先導スト
ロークは空中電極ｌ内に存在ずろ電荷を分離させ、分離
された電流は夫々の極性に応じて空中電極１の１部と下
部に集中４−ろ。

その間バリスタ２は、作動していて電界の値が地１・の
構造物からの１−向きの電流が生成されろ臨界値Ｋｃｓ
　（３−５Ｋ　Ｖ　７ｃｍ）より僅かに低い値とな−）
へ時にコンダクタとなる。それゆえ、Ｋｓ＜Ｋｃの場合
、空中電極ｌは地上と電気的に絶縁さイ１でいろらのと
見な４゛ことかできろ。

空中電極１は地」−と絶縁され、全体としては帯電され
正に電界中に浸された金属製のホゾ−として機能する。

その結果、静電誘導によ−て互いに逆極性の電荷が空中
電極ｌの上部と下部に集中する（第４図）。

先導ストロークが保護される構造物に近つくことによっ
て、Ｋｓが臨界値Ｋｃを越えると、バリスタ２はコンダ
クタとなり、それによって空中電極１が全体として正に
帯電されるとともに、Ｋｅか更に高くなる（第５図）。

この局面において、ノくリスク２を通しで電流が流れ、
地１．がら空中電極１への電荷の移動か３１容される。

。 ア　スコンダタタ４を通ｊ、て流れろ電流は、稲との最
初の戻りストロークより少ないことに留意４゛ろ必要か
ある。これは、電荷の関連か低いことに基因４′ろ、。

空中電極１」二の電荷は、その下方に位置ずろ装置のノ
　ルトの役割を果たし、ノ＼リスタ２内の電界を消滅さ
０る。

それゆえ、バリスタ２は再び不導通状態（第６図）とな
る。先導ストロータか當時接近し一ノーノあるので、電
界Ｋｅは更に高くなり臨界値Ｋｃｓに近つく３、 それにより空中電極Ｉの近傍において、電界条件が“コ
ロナ放電”のプロセスを生み出しうる状態となる。この
コロナ放電は、下方へ向かう逆極性の先導ストロークに
向へて移動する（Ｋｅ≧Ｋｃｓ）。

このコロナ放電と先導ストロークの衝突により先導スト
ローク内において、対応する量の電荷が消滅する。コロ
ナ放電中に、バリスタ２は不導通状態であるので上方へ
向かう電荷の流れが空中電極ｌの下方に位置する装置全
体に影響を及ぼずことはない。この最後の局面の期間中
（コロナ放電中）にＫｓの値は再び増加する。

各回の作用の後に装置は初期状態に復帰し、次回の作用
に対し準備する。このことは、空中電極１から下方へ向
かう先導ストロークに移送された電荷の量が、先導スト
ロークを完全に消滅させて保護されるべき構造物に向け
ての曲進を停止させるのに充分でない場合に重要である
。

しかしなから、図示の避雷装置は前進する先導ストロー
クに対する優先流路の役割を果たすことは決してない。

なぜならば、空中電極１とアースとの接続が断たれるか
らである。

大径の空中電極ｌを使用することによって、コロナ放電
現象或いはマイナロ放電が生じる前に、空中電極１上に
かなり多量の電荷を蓄積することができる。空中電極ｌ
の近傍の電界は、発生するｌｕ荷の密度の変動に応して
増加ケる。市電界領域か広くなるにつれて、空中電極１
を離れノこ電荷は電界の強さが静止状態に一致する領域
内に制限されろ前に、より多くの距離を移動することが
できろ。

バリスタ２の伝導特性のおかげで暴風雨の雲の低域部の
極性、すなわち、先導ストロークの極性は避雷装置の保
護機能には影響を与えず、コロナ放電現象の発生及び拡
散の方法に影響を与えろのみであることに留意する必要
がある。

当業者は、上述の例にいくつかの変形又は修正を行ない
うるであろうが、そＡ１らは全て本発明の範囲内に含ま
れるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る装置を模式的に示す図面、 第２図は、本発明に係る装置の等価回路図、第３図は、
先導ストロークと本発明に係る装置との相互作用を模式
的に示す図面、 第４図〜第８図は、本発明に係る装置の異なる作動局面
を先導ストロークに関連して示す図面である。 ■・・空中電極、　２・・・バリスタ。 特許出願人イエッセピエディ エルミニオ　ノアナエチ ェッセ、ア、エッセ。 代　理　人　弁理士　青　山　葆ばか２名ｒ′８） Ｆ・８γ　ｐ’ｓ　ｓ １８２

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）　戻りストロークに向けての先導放電の進展を阻
   １Ｌ４−ろために、先導放電の接近中に先導放電に相互
   作用を及ぼしつる手段を倫えたことを特徴とする建築構
   造物等の避雷装置。
2. （２）・・・下降中の先導放電に向けて、先導放電の極
   性と逆極性を何４゛る電荷を放出しうろ手段をａｌｌえ
   、上記先導放電と逆極性の電荷の移動が、戻りストロー
   クか惹起されろ値に近い、地１−にお（Ｊろ電界の値に
   よ−、て生じることを特徴とする建築構造物等の避雷装
   置。
3. （３）地−にと絶縁状態に保持されノコ空中電極と、地
   上における電界に関連する電位差か戻りストロークの形
   成される値より低い予め定められた値を越えた際に、下
   降中の先導放電に向（ｊて、該先導放電の極性と逆極性
   の電荷を移動させることを助長するために、上記空中電
   極をアースしうる手段とを備え、該手段は空中電極から
   電荷か離れた後、直ちに地上との接続を断つことを特徴
   とする特許。 請求の範囲第（１）項又は第（２）項記載の建築構造物
   等の避雷装置。
4. （４）空中電極をアースしつる手段がバリスタからなる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（３）項記載の建築
   構造物等の避雷装置。
5. （５）空中電極が、金属製で丸みを帯びた大径の要素か
   らなることを特徴とする特許請求の範囲第（３）項記載
   の建築構造物等の避雷装置。
6. （６）金属製て丸みを帯びた空中電極と、先導放電の接
   近により決定される電界に関連する電位差が、戻りスト
   ロークの生しる値に近づいた際に、上記空中電極をアー
   スコンブフタに接続しうるバリスタとを備えたことを特
   徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の建築構造物等
   の避雷装置。