JP6980351B2

JP6980351B2 - 雷保護システム

Info

Publication number: JP6980351B2
Application number: JP2018117658A
Authority: JP
Inventors: 俊一柳川; 文彦森; 裕杉江; 壮太宇於崎
Original assignee: Shoden Corp
Current assignee: Shoden Corp
Priority date: 2018-06-21
Filing date: 2018-06-21
Publication date: 2021-12-15
Anticipated expiration: 2038-06-21
Also published as: JP2019221086A

Description

本発明は、同軸ケーブル用保安器及び耐雷ユニットを用いた雷保護システムに関するものである。

無線通信用のアンテナが設置された鉄塔に隣接する無線中継所において、各種の通信機器や電子機器を、導波管や同軸ケーブルを介して前記アンテナに接続する場合がある。
このような構成において、例えば鉄塔への落雷時に雷サージ電流が導波管や同軸ケーブルを介して機器に流入するのを防止するため、従来から、各種の雷保護システムが提供されている。

例えば、特許文献１には、中継所内の機器に接続された電源線路または通信線路と接地点との間に、アレスタやスパークギャップ、バリスタ等を接続すると共に、電源線路または通信線路に、雷電流を抑制するためのコアを挿入することが記載されている。
また、特許文献２には、パラボラアンテナと通信機器とを導波管により接続したマイクロ無線システムにおいて、導波管の外周面を金属テープや金属パイプ等の金属導体により覆い、その一端部をパラボラアンテナに接続して他端部を通信機器の接地点や筐体に接続することにより、導波管を流れる雷サージ電流と同一方向の雷サージ電流を金属導体から接地点に流すことが記載されている。

特開２００５−２３７１５７号公報（段落［００１６］〜［００２８］、図１，図２等）特許第２９２６０００号公報（段落［０００９］〜［００１８］、図１〜図３等）

特許文献１や特許文献２に記載された従来技術によれば、雷サージ電流から各種の機器を保護することが可能であるが、機器に流入する雷サージ電流を更に低いレベルまで抑制することが要請されている。
そこで、本発明の解決課題は、同軸ケーブル用保安器と耐雷ユニットとを組み合わせて通信機器等に流入する雷サージ電流を大幅に低減させた雷保護システム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、無線通信用のアンテナに接続された同軸ケーブルと、前記同軸ケーブルに接続された通信機器と、を有する無線通信設備において、
前記同軸ケーブルの芯線とシールド部との間に接続されたアレスタを有する同軸ケーブル用保安器と、
前記同軸ケーブル用保安器と前記通信機器との間に配置されて前記同軸ケーブルを包囲するコアからなる耐雷ユニットと、
を備え、
前記アンテナが設置された鉄塔と、前記シールド部と、前記通信機器の筐体と、前記通信機器が設置された無線中継所と、を等電位接地すると共に、前記同軸ケーブル用保安器を、前記無線中継所の外部において前記同軸ケーブルと前記シールド部の接地線との間に設置したことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した雷保護システムにおいて、前記耐雷ユニットは、既設の前記同軸ケーブルに装着される分割型の前記コアを備えたことを特徴とする。
また、請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した雷保護システムにおいて、前記コアが、軟磁性体材料によって構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、アンテナ等から同軸ケーブルに侵入した雷サージ電流の大部分が同軸ケーブル用保安器を介して接地側に流れ、通信機器等に流入する雷サージ電流を大幅に低減することができる。
このため、通信機器等の損傷を防止して信頼性の高い雷保護システムを実現することができる。

本発明の実施形態の主要部を示す原理的説明図（図１（ａ））、及び、耐雷ユニットの斜視図（図１（ｂ））である。図１における耐雷ユニットのコアの仕様を示す図（図２（ａ））、単一極性の雷サージ電流侵入前後における軟磁性体材料からなるコアの磁区の様子を示す模式図（図２（ｂ））、同じく、フェライトコアの磁区の様子を示す模式図（図２（ｃ））である。本発明の実施形態の主要部を示す全体構成図である。耐雷ユニットによる雷サージ電流の抑制効果を示す電流波形図である。本発明の実施形態に係る雷保護システムの全体構成図（図５（ａ））、及び、同軸ケーブル用保安器の回路図（図５（ｂ））である。本発明の実施形態に係る雷保護システムの試験回路図である。表１の波形Ｎｏ.１〜Ｎｏ.８を示す各電流の波形図である。表１の波形Ｎｏ.９〜Ｎｏ.１６を示す各電流の波形図である。図６の試験回路による電流の分流状態を示す図である。本発明の実施形態に係る雷保護システムの試験回路図である。表２の波形Ｎｏ.１７〜Ｎｏ.２４を示す各電流の波形図である。表２の波形Ｎｏ.２５〜Ｎｏ.３２を示す各電流の波形図である。図１０の試験回路による電流の分流状態を示す図である。本発明の実施形態において、同軸ケーブル用保安器のみを備えた場合の各電流の波形図である。本発明の実施形態において、同軸ケーブル用保安器及び耐雷ユニットを備えた場合の各電流の波形図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１（ａ）は本発明の実施形態の主要部を示す原理的説明図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）における耐雷ユニットの斜視図である。

図１（ａ）において、１０１は例えば鉄塔のアンテナ等に接続された同軸ケーブルであり、この同軸ケーブル１０１は、耐雷ユニット２０１を貫通して通信機器（以下、単に機器ともいう）２１１に導入されている。なお、同軸ケーブル１０１のシールド部と機器２１１の筐体とは等電位接地されている。１０３はシールドに接続された接地線である。

図１（ｂ）は、耐雷ユニット２０１を示している。この耐雷ユニット２０１は、開閉可能なケース２０１ｘ，２０１ｙの内部に、軟磁性体材料からなる３個のコア２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃを同軸上に収容して構成され、各コア２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃは、何れも半分に分割可能となっている。２０１ｄは、コア２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃの中心軸に沿った通孔であり、この通孔２０１ｄに同軸ケーブルや導波管が挿通される。
すなわち、この耐雷ユニット２０１は、既設の同軸ケーブルや導波管をコア２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃが包囲するように後から装着可能である。

図２（ａ）は、耐雷ユニット２０１のコア２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃのみの仕様を示しているが、これらはあくまで例示的なものであり、コア２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃの仕様が図２（ａ）によって限定されないことは言うまでもない。
ここで、図２（ｂ）は、本実施形態の軟磁性体材料からなるコア、例えばコア２０１ａの中心に単一極性の雷サージ電流が侵入した場合の磁区の様子を示す模式図である。軟磁性体材料からなるコア２０１ａにおいて、単一極性の雷サージ電流が侵入すると、図示するように、雷サージ電流侵入後の磁区は侵入前の状態に戻る。このため、雷サージ電流が繰り返し侵入したとしても、コア２０１ａは常に高インピーダンスの状態に保たれているので、コア２０１ａを繰り返して使用しても何ら支障はない。
これに対し、通常の珪素鋼鈑からなるフェライトコア２０１ａ’は、図２（ｃ）に示すように、単一極性の雷サージ電流が侵入した後の磁区はほぼ一定方向に揃ってしまい、消磁しない限り元の状態には戻らない。これによってフェライトコア２０１ａ’のインピーダンスがほぼゼロとなり、次回に侵入した単一極性の雷サージ電流はフェライトコア２０１ａ’をそのまま通過して機器２１１に流入することになる。
従って、本実施形態のごとく、耐雷ユニット２０１のコア２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃを軟磁性体材料によって構成すれば、雷サージ電流が機器２１１に流入するのを抑制することができる。

耐雷ユニット２０１の全体的な作用としては、前述した図１（ａ）のように、同軸ケーブル１０１のシールド部から機器２１１側に雷サージ電流ｘが流れると磁束ａが発生し、この磁束ａを相殺するような磁束ｂを生じさせる起電力ｃが発生する。このため、雷サージ電流ｘが流入する機器２１１側のインピーダンスが増加し、雷サージ電流ｘは機器２１１側に流れにくくなるので、その大部分は接地線１０３を介して矢印ｙのごとく排流されるものである。

図３は、本発明の実施形態の主要部を示す全体構成図である。図３において、鉄塔１００とこれに隣接する無線中継所２００とによって無線通信設備が構成されている。無線中継所２００には機器２１１，２１２が配置されており、同軸ケーブル１０１が耐雷ユニット２０１を介して機器２１１に導入され、アンテナ１０４に接続された導波管１０２が耐雷ユニット２０２を介して機器２１２に導入されている。
なお、１０３は、同軸ケーブル１０１及び導波管１０２を鉄塔１００や機器２１１，２１２と共に等電位接地する接地線である。

次に、図４は、耐雷ユニット２０１，２０２等による雷サージ電流の抑制効果を示す電流波形図である。
図４（ａ）は耐雷ユニットを設けない場合、図４（ｂ）は図１（ａ）や図３のごとく耐雷ユニットを設けた場合であり、「分流経路の電流」は接地線１０３を流れる電流、「保護経路の電流」は機器に流入する電流である。
図４（ａ），（ｂ）を比較して判るように、耐雷ユニットを設けることで分流経路の電流が増加し、その分、保護経路の電流が減少するので、雷サージ電流による機器への悪影響が解消されている。

次いで、図５（ａ）は、本発明の実施形態に係る雷保護システムの全体構成図である。
前述した図１や図３のように、雷サージ電流の経路に耐雷ユニットを挿入すれば、機器に流入する雷サージ電流をある程度抑制することが可能であるが、本実施形態では、雷サージ電流の抑制効果を更に高めるために、同軸ケーブル用保安器を耐雷ユニットと併用することとした。

図５（ａ）の例は、鉄塔１００に設置されたアンテナ１０４と無線中継所２００内の機器２１１とを同軸ケーブル１０１によって接続した場合であり、１１０は同軸ケーブル用保安器である。また、無線中継所２００においては、同軸ケーブル用保安器１１０を介して引き込まれた同軸ケーブル１０１が、耐雷ユニット２０１を介して機器２１１に接続されている。
耐雷ユニット２０１の構成は前述した図１（ｂ）と同様であり、そのコアの仕様は図２（ａ）と同様である。

図５（ｂ）は、同軸ケーブル用保安器１１０の等価回路図である。１１１は、インパルス電流耐量が例えば８／２０［μｓ］，１０［ｋＡ］のアレスタ（ガスアレスタ）、１１２，１１３は同軸ケーブル１０１にそれぞれ接続されるコネクタであり、前記アレスタ１１１の両端は同軸ケーブル１０１の芯線とシールド部及び接地点（アレスタＥ）とに接続される。なお、同軸ケーブル用保安器１１０は、同軸アレスタまたは同軸ＳＰＤとも言われるものである。
図５（ａ）に示すように、鉄塔１００と同軸ケーブル用保安器１１０の接地点（アレスタＥ）、無線中継所２００及び機器２１１の筐体は、等電位接地されている。

ここで、発明者は、図５（ａ）に示した実施形態に相当する試験回路を構成し、雷サージ電流の経路である同軸ケーブル上に同軸ケーブル用保安器１１０のみを備えた場合と、同軸ケーブル用保安器１１０及び耐雷ユニット２０１を備えた場合とについて、雷サージ電流の分流状況をそれぞれ解析した。

図６は、機器２１１に接続された同軸ケーブル１０１上に同軸ケーブル用保安器１１０のみを備えた場合の試験回路である。図６において、１０１ａは同軸ケーブル１０１の芯線、１０１ｂは同じくシールド部、ＩＧは雷サージ電流（１００[Ａ]〜２[ｋＡ]）を模擬するためのインパルス電流源、ＯＳＣ１〜ＯＳＣ３は電流測定器、２１５は同軸ケーブル１０１の芯線１０１ａとシールド部１０１ｂとの間に接続された終端抵抗（５０[Ω]）である。

以下の表１は、図６の試験回路において、インパルス電流源ＩＧにより印加電流値[Ａ]（すなわち雷サージ電流）を種々変化させた場合に、同軸ケーブル用保安器１１０から接地線１０３を介してアレスタ接地に分流する測定電流値（アレスタＥ[Ａ]）と、機器２１１側の保護側シールド接地に分流する測定電流値（保護側シールドＥ[Ａ]）と、これらの測定電流値の分流比とを示したものである。

また、図７，図８は、表１の波形Ｎｏ．１〜１６に対応する印加電流値[Ａ]、測定電流値（アレスタＥ[Ａ]及び保護側シールドＥ[Ａ]）を示しており、図９は、表１における分流比を図６の試験回路に付記した回路図である。
これらの表１，図６〜図９によれば、同軸ケーブル１０１上に同軸ケーブル用保安器１１０のみを有する場合には、雷サージ電流のうち４５〜４７［％］が機器２１１側の保護側シールドＥに流入しているため、機器２１１における雷サージ電流の抑制効果が不十分であることが判る。

次に、図１０は、同軸ケーブル１０１上に同軸ケーブル用保安器１１０及び耐雷ユニット２０１を備えた場合の試験回路であり、前述した図６と同一の部分には図６と同一の符号を付してある。
また、表２は、図１０の試験回路において、インパルス電流源ＩＧにより印加電流値[Ａ]（すなわち雷サージ電流）を種々変化させた場合に、同軸ケーブル用保安器１１０から接地線１０３を介してアレスタ接地に分流する測定電流値（アレスタＥ[Ａ]）と、耐雷ユニット２０１を介して機器２１１側の保護側シールド接地に分流する測定電流値（保護側シールドＥ[Ａ]）と、これらの測定電流値の分流比とを示したものである。

更に、図１１，図１２は、表２の波形Ｎｏ．１７〜３２に対応する印加電流値[Ａ]、測定電流値（アレスタＥ[Ａ]及び保護側シールドＥ[Ａ]）を示しており、図１３は、表２における分流比を図１０の試験回路に付記した回路図である。
これらの表２，図１０〜図１３によれば、同軸ケーブル用保安器１１０だけでなく耐雷ユニット２０１を併用することにより、雷サージ電流はほぼアレスタＥに流入していて保護側シールドＥとの分流比は９９：１となっている。このため、機器２１１に流入する雷サージ電流を低減することができ、雷サージ電流による機器２１１の損傷を確実に防止することが可能である。

なお、図１４は、表１（図７，図８）を一つの波形図にまとめたものであり、同軸ケーブル用保安器１１０のみを備えた場合の印加電流値[Ａ]、測定電流値（アレスタＥ[Ａ]及び保護側シールドＥ[Ａ]）を示している。また、図１５は、表２（図１１，図１２）を一つの波形図にまとめたものであり、同軸ケーブル用保安器１１０及び耐雷ユニット２０１を備えた場合の印加電流値[Ａ]、測定電流値（アレスタＥ[Ａ]及び保護側シールドＥ[Ａ]）を示している。
図１５によれば、印加電流のほとんどがアレスタＥに流れており、保護側シールドＥへの流入が抑制されていることが判る。

１００：鉄塔
１０１：同軸ケーブル
１０１ａ：芯線
１０１ｂ：シールド部
１０２：導波管
１０３：接地線
１０４：アンテナ
１１０：同軸ケーブル用保安器
１１１：アレスタ
１１２，１１３：コネクタ
２００：無線中継所
２０１，２０２：耐雷ユニット
２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ：コア
２０１ｄ：通孔
２０１ｘ，２０１ｙ：ケース
２１１，２１２：機器
２１５：終端抵抗
ＩＧ：インパルス電流源
ＯＳＣ１〜ＯＳＣ３：電流測定器

Claims

無線通信用のアンテナに接続された同軸ケーブルと、前記同軸ケーブルに接続された通信機器と、を有する無線通信設備において、
前記同軸ケーブルの芯線とシールド部との間に接続されたアレスタを有する同軸ケーブル用保安器と、
前記同軸ケーブル用保安器と前記通信機器との間に配置されて前記同軸ケーブルを包囲するコアからなる耐雷ユニットと、
を備え、
前記アンテナが設置された鉄塔と、前記シールド部と、前記通信機器の筐体と、前記通信機器が設置された無線中継所と、を等電位接地すると共に、前記同軸ケーブル用保安器を、前記無線中継所の外部において前記同軸ケーブルと前記シールド部の接地線との間に設置したことを特徴とする雷保護システム。
請求項１に記載した雷保護システムにおいて、
前記耐雷ユニットは、既設の前記同軸ケーブルに装着される分割型の前記コアを備えたことを特徴とする雷保護システム。
請求項１または２に記載した雷保護システムにおいて、
前記コアが、軟磁性体材料によって構成されていることを特徴とする雷保護システム。