JPH0216560B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は落雷保護装置、特にイオン化避雷針に
関する。この種装置の原理は避雷針針端の上部に
イオン化空気柱を形成することから成る。イオン
源が外気の導電度を増加することによつて大気の
破壊電圧を低下させること、即ち放電が発生し初
める電圧閾値を減少することは主として研究室内
での測定によつて実際に確かめられている。この
様にして放電の発生が容易にされ、落雷によつて
放出されたエネルギーは避雷針の引込導線によつ
て大地に誘導される。

イオン化避雷針の保護領域の広さおよびその保
護の有効性は従つて「フランクリン避雷針」とも
称される単純な避雷針のそれよりも優れている。

然し乍ら、この解決法は不都合がないわけでは
ないと云うのは、現在迄の所、イオン源は針端周
囲に設置された放射能を有するペレツトで構成さ
れ、このペレツトが生じるアルフア線が必要とさ
れるイオン化を行うからである。然し放射能源の
使用はこれを作るに当つてもその貯蔵ないし取付
に当つても特別な注意が必要である。

放射能源にもとづく不都合を除去した上でイオ
ン化避雷針の長所を残すために、特に、クレマン
（CLEMENT）の名によるフランス特許第907037
号明細書によつて、避雷針の針端に、一端を針端
に他端を大地に接続した高圧発生器によつて、周
囲の大気内に電荷を放出する様に給電することが
提案されているが、この電荷は雷雲の有する電荷
と再結合することによつて雷雲を放電させるか、
導電性の大気とするために外気のイオン化を少く
共充分に変化するのに充分な量を作るものとす
る。火花間隙装置が雷撃を分流するために発生器
と並列に設置されている。

上述の装置は、然し相当に大量のイオン量を発
生するために必要な約40KW程度の相当大きな電
力によつて動かされる。この電力および必要な超
高電圧（400KV）は目的を達するために今迄当
面したことのない多数の絶縁および安全性の問題
をもたらすこととなろう。

これとは反対に、本発明は避雷針の針端の周囲
の空気をイオン化するのにいわゆる「コロナ作
用」と称される作用を使用するもので、この作用
は電界の局部的な非常に強い変形の存在によつて
生じる。例えば非常に尖鋭な導体素子の近くの大
気中の電界がこれである。正または負のイオンを
導体素子によつてこれを高電圧にして放出させる
と、これらのイオンは外界の電界によつて加速さ
れてそれ自体がガス分子の２次的なイオン化を生
じる。イオン数の増加は針端上にある発光コロナ
の形として観察できる。この様にしてできたイオ
ンは避雷針の針端を取囲む空間内に、次いで拡散
されて外部電界によつて加速されて前述したイオ
ン化空気コロナを形成する。

この増倍現象は、小電力消費（数10ないし数
100ｍＷの程度）で、絶縁および保護技術が従来
技術の下で利用容易な電圧（数10KV）の下で充
分にできる針端頂部に生じるコロナ放電によるフ
ランクリン針端の自然作用の増幅を可能とする。

コロナ放電の出現の条件となる電界の局部的変
歪のあることおよびこれが非常に局在しているこ
とが絶対に不可欠である。そのために、本発明
は、針端頂部を頂点とする同軸の仮想包絡円錐面
に内接し且つ軸心へ向けて凹んだ回転凹面からな
る外周面を有する尖頭針端の採用を提案するもの
で、与えられた針端の底部直径および高さに対し
て良好な機械的強度を保持したままで外囲円錘の
頂角に比較して針端の頂角を相当に減少すること
ができる。好ましくは、この針端の頂角は10度の
程度である。比較例によると、底部直径／高さの
比が0.45であるこの種の針端は頂角25度を有す
る。

針端は大地に接続されていず（単純フランクリ
ン針端とはことなり）、高圧電源に接続されてい
るので、針端に到着した落雷を大地に側流するた
めの装置を設けることが必要で、好ましい方法と
してはこの装置は、その一方の電極が針端自体の
下部で構成され、他方の電極が避雷針の引込線導
体によつて接地されている避雷器をそなえてい
る。落雷の場合、避雷器は導体となり針端を大地
に電気的に接続する。

好ましくは、避雷器の放電ギヤツプの上部電極
を構成している針端底部は、凸部が下方に向き下
部電極と相対している丸い形状を有する。後者即
ち下部電極は例えば針端底部の直径に近い直径を
有する導電性環状部で構成し得、これは避雷針の
引込線導体に接続され、その上面は平担で針端の
丸形の底部に向いてこれとは離隔配列されてい
る。この針端の丸味は電極間の端部効果を回避
し、寄生コロナ放電発生の可能性のある突出隅部
を除去する、というのは上述の様な針端下部での
放電はイオンが拡散せず、また大地電位にある環
状部が近くにあるため直ちに中和されるので有効
でないからである。更に、これらの寄生放電は避
雷器の放電開始電圧を針端を帯電させている高電
圧より低い値にまで低下し得、発生器のエネルギ
ーが従つて針端頂部でのコロナ放電を起させる代
りに避雷器内で消耗される。

避雷器の有効性を改善するために、少くとも一
方の電極を誘導体で隔てられた複数個の導電チヤ
ンネルに分割することが有用である。これは特に
上述の環状部の全厚さにわたる複数本の長手方向
の溝を穿つことによつて実現することができる。

実際には、落雷に当つて非常に強い電流がこれ
らの２電極をへだてる間隙内で避雷器に流れる。
この電流はこの間隙の非常に局部化した点、通常
１点に生じる。そのため避雷器の両端子間に放電
時２電極間に存在する抵抗（小さくはあるがゼロ
ではない）のため電圧が発生することとなる（こ
の抵抗を以下「放電抵抗」と称することとする）。

この落雷電圧は、例外的なエネルギーの落雷の
場合に限らず長期間の使用による繰返し落雷のの
ちには高電圧発生器を破損するおそれがある。

若し、一点での放電の代りに落雷衝撃を同時ｎ
放電に分割可能ならば、放電抵抗はこの数ｎに分
割されることとなり、落雷電圧も同一割合で分割
されることとなる。この様にして高電圧発生器の
保護は相当に改良される。

分割によつて並列に接続されたｎ個の放電ギヤ
ツプを持つこととなる。これらの放電ギヤツプが
落雷時同時に動作し得るためには、これらの間の
各導電チヤンネルのインダクテイブデカツプラを
設けることが必要であり、事実、デカツプラがな
いと放電々流は一つの電路に流れて設けたｎ個で
はなくただ一つの放電ギヤツプのみが従つて有効
に作用することとなろう。

必要とするインダクタンス値は割れ目、従つて
溝に２個の隣接放電ギヤツプの電極間に充分に長
い電路を作り得る様な長さを与えることによつて
得られる。

本発明のその他の特徴および長所は添付図面を
参照して行つた以下の詳細な説明の精読から明ら
かとなろう。

第１図の曲線は、第１Ａ図に略示した本発明に
よる装置によつて作られたイオンの量を示す。電
圧発生器１０が一端を大地２０に、他端をケーブ
ル４０を介して避雷針の導電部材３０に接続され
ている。発生器はこれらの端子間に電位差V_pを
作り、電流I_pを流す。電圧V_pが低いときには回路
が開放されているので電流I_pはゼロである。電圧
V_pが高くなると、コロナ放電にもとずく針端近
くのイオン発生によつて電流I_pが生じる。電荷電
流である所の発生器内を流れる電流の大きさは、
従つて針端頂部に生じたイオン電流を示す。第１
図においては横坐標はキロボルトで表示した電圧
V_p、縦坐標はマイクロアンペアで表示した電流
の大きさI_pである。曲線６０は大地に対して正電
位を有する針端に対するもの、曲線６１は大地に
対して負電位を有する場合のそれである。10KV
以下の電圧に対しては誘電体ロスを除けば電流は
ゼロである。約10KVからコロナ現象が発生し、
イオンの発生のために電流が流れることとなる。
この現象は電圧V_pが上昇するのに伴つて大きく
なる。針端の電位の正負にかかわらずその結果は
殆んど同一である。然し、雷雲は大多数の場合負
の静電荷の担体で誘導によつて大地を正に帯電す
る。そのため、針端は電圧発生器の正極に接続
し、負電極を大地に接続するのが有利である。こ
の様にして針端は大地に対して正電位となり「フ
ランクリン針端」作用が強化される。

また、コロナ放電の増倍作用によつて消費電力
が非常に減少されることがわかる。25KVの電圧
V_pに対して電流I_pは１ないし2μAの程度で、電力
は25ないし50ｍＷとなる。

第２図は尖頭針端１００を示すが、その端部１
０１にコロナ放電が生じる。領域１０２に生じた
イオン１０２は針端を取囲む空気中に拡散し得
る。その下部１０４は大地４１０に避雷針を支え
る導電性軸部１１１を介して接続された環状部１
１０の近くに位置している。針端下部１０４、環
状部１１０およびその間に位置する空気間隙が避
雷器を構成している。間隙１２０の幅は針端に落
ちた電光が間隙１２０内の放電の出現によつて大
地に導びかれるが、火花間隙は高圧発生器によつ
て針端が帯電されている動作電圧値に対しては絶
縁状態に止まる様な値とする（放電開始電圧は例
えば外部湿度の平均状態で、25KVの動作電圧値
に対して30KVである）。

４００で略示する高圧発生器は導線１０５によ
つて針端１００に接続されている。好ましくはこ
の導線１０５は同軸ケーブルの心線を構成し、そ
の大地４１０に接続されたシールド１１１は避雷
針の少く共針端部近くの軸部を形成している。２
導体は絶縁物１３０で分離されている。

針端は若干くぼんだ形状の側面１０６を有す
る、換言すればこの回転面はその凸部が回転軸の
方に向いた曲線状子午線によつて作られたもので
ある。この表面の頂角αは針端を囲む円錘１０７
の頂角βよりも従つて小さい。この針端形状は底
部直径Ｄ／針端高さＨの比を大きくし（優秀な機
械的強度）小頂角をもたらす（コロナ作用の強
化）の２点間の良好な調和を可能としている。

針端下部は全々角張つた所がなく従つて寄生コ
ロナ放電の発生のおそれのない曲線１０８を有す
る。

表面１０８は避雷器の放電ギヤツプの上部電極
を構成しており、環上部の上面１１２に近接位置
し、この環状部はそこで下部電極を形成してい
る。この表面１１２は好ましくは平面である。こ
の様な火花間隙の形状のため電極間の端部効果が
全々なく、正確な放電開始電圧の決定が可能とな
る。

環状部１１０はこれをその厚さ全体にわたつて
分割している例えば４本の割目１１３（第２図な
いし第４図に見られる）をそなえている。これら
の割目は同数の導電性チヤンネル１１４を作り、
これらの間を絶縁している。

これらの導電チヤンネルの長さを増加するため
に、割目は導電性軸部１１１上で長くすることが
でき、この割目は勿論これらの軸部の全厚さにわ
たつて穿たれる。

割目はそのままにしておいても、例えば絶縁部
１３０のそれと同一の材料の絶縁層（図示せず）
を充填してもよい。この場合、導電チヤンネルを
隔てる誘電体はも早や空気ではなく、固体誘電体
である。更に、避雷針軸部内への水の浸入を阻止
して風化度を改善する。

更に、この風化度は排水孔１１５によつて改善
されるが、これは避雷器放電ギヤツプの両電極を
へだてる間隙１２０内に液体のたまるのを防止
し、環状部内部への浸入による腐蝕の他に、この
部分への水の存在が避雷器の動作特性、時にその
放電開始電圧を変化させることを防止している。

針端、環状部および軸部は良導電性、耐大気腐
蝕性および良好な機械的特性のある材料製であ
り、この材料は例えば真鍮または不錆鋼がよい。
好ましくは選定した材料は、主として避雷器放電
ギヤツプの電極間の電気化学的腐蝕現象を回避す
るために各部品に対し同一とする。

勿論、一体物として作られた割目付環状部は複
数個の部品を組合わせた組合せ物でその下部で電
気的に接続したもので置換してもよく、割目充填
層はこの場合スペーサの役目をする。

第５図は本発明による装置の給電回路を示す。
外気内電界捕捉器４０１が直流−交流変換器４０
３を制御回路４０２を介して動作させる。この変
換器は太陽電池４０５で充電されている緩衝蓄電
池４０４で構成された直流電源で給電されてい
る。変換器４０３の出力側で交流電圧は、同時に
電圧を３倍にする回路４０６で整流される。整流
済の電流は最後に避雷針の導電部材４０７に給電
されるが、避雷針に落雷し得る雷が給電回路を損
傷しない様にするために保護回路４０８が整流器
と導電部材との間に挿入されている。

高電圧発生装置と組合わされた外部電界捕捉器
の使用は、大落雷確率に対応する所定の値に外部
電界が到達した時のみに装置が動作する。即ち避
雷針の導体素子に電位を給電することを可能とし
ている。この値以下では変換器は給電されず、従
つて蓄電池は無駄な放電をしない。

第６ａ図は落雷発生時の単一火花間隙避雷針の
動作を説明する等価回路である。

落雷は火花間隙の端子、即ち点４０７と大地４
１０との間に接続された非常に強い（10000アン
ペア以上）電流源５００として等価し得る。避雷
器放電ギヤツプは固有抵抗Reと個有インダクタ
ンスLeを有する。

放電が発生すると、放電々流が大きい程高い電
位差が避雷器放電ギヤツプ端子間に発生する。こ
の電位差は、例外的な強度の放電の場合、禁止的
になり得て直流電圧発生器を破損する可能性があ
るし、或いは繰返し電撃作用のため少く共これを
破損する可能性もある。

この発生器をすべての状況下で保護するため
に、本発明は前述の要領の、相互間が接続インダ
クタンスで離隔された個々のｎ個の放電ギヤツプ
に避雷器放電ギヤツプを分割することを提案する
ものであり、各放電ギヤツプは単一ギヤツプの場
合と同一の個有抵抗Reを有し（この抵抗は２電
極間に存在する間隙で事実上定まる）、各放電ギ
ヤツプのインダクタンスLeは導電チヤンネルの
長さ（従つて蝕刻された分離用割目の長さにほゞ
等しい）によつて定まり、前述した通り、これら
のインダクタンス値は、個々の放電ギヤツプのす
べてにおいて同時放電開始が見られる様に各導電
チヤンネルの効果的な分割を可能とする様な値で
なければならない。

この様にして、放電々流は複数個の放電ギヤツ
プに分配することができ、その全体抵抗をｎ分の
１とし、従つて直流電圧発生機の端子のあらわれ
る電位差をｎ分の１とする。

好ましくは、保護用第２回路が避雷器と高圧発
生器との間に挿入されるが、これは避雷針の引辺
同軸ケーブル１１１の前に取付けた直列抵抗４３
０と発生器に並列に接続された放電管４２０から
成つている。

この保護回路は補助的な役割を持つており、避
雷器端子間電圧が非常に大きくなつた場合、放電
管は導電状態となり従つて電圧発生器を保護し、
放電管自体は放電々流限定用の直列抵抗４３０で
同様に保護される。

言うまでもなく、本発明は上述の実施例に限定
されるものではなくその主旨に合致するすべての
変形例に及ぶものであり、上述の例示は好ましい
実施例であつて限定的なものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１Ａ図の実験的な装置で作つた針端
の電位の関数として測定したイオン発生量を示す
曲線であり、第２図は針端および避雷器の断面図
で左半は割目の１つを通る半平面で、右半は割目
を通らない半平面でそれぞれ切断したものであ
り、第３図は環状部および軸部の斜視図で線−
は第２図の断面に対応するものであり、第４図
は第３図に対応する立面図であり、第５図は針端
に電位を与えるための装置をブロツク図示したも
のであり、第６ａ図および第６ｂ図はそれぞれ放
電ギヤツプの分割のある、またはない、保護回路
の等価電気回路である。第１Ａ図は本発明の装置
の説明図。１００……針端、１０４……針端下
部、１０４，１１２，１２０……避雷器、１０６
……針端側面、１０７……仮想包絡円錐、１１０
……下部電極、導電性環状部、１１１……軸部、
１１３……割目、１１４……導電チヤンネル、１
１５……排水孔、１０，４００……高圧発生器、
２０，４１０……大地、４２０……放電管、４３
０……直列抵抗。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 雷放電その他の過電圧にさらされたときに上
   下電極からなる放電ギヤツプを有する避雷器を介
   して大地へ電気的に接続可能になされた避雷針端
   １００と、前記針端を高電位にするイオン化装置
   とを備えた避雷針において、 前記針端の外周面１０６が、前記針端の頂部を
   頂点とする同軸の仮想包絡円錐面１０７に内接し
   且つ軸心へ向けて凹んだ回転凹面からなり、 前記針端の底面１０４が、下方へ膨らんだ曲面
   形状１０８を有すると共に前記避雷器の放電ギヤ
   ツプの上部電極を形成していることを特徴とする
   コロナ作用でイオン化する避雷針。 ２ 前記針端頂部の頂角αが約10度であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の避雷
   針。 ３ 前記針端の電位が大地に対して正電位にされ
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項に記載の避雷針。 ４ 前記避雷器が、誘電体で隔てられた複数の導
   電チヤンネル１１４に分けられていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１〜３項のいずれかに記
   載の避雷針。 ５ 前記避雷器の下部電極が前記針端の底部に間
   隙を介して対面する大地電位に置かれた導電性環
   状部１１０を有し、前記環状部がその厚さ全体に
   亙つて少なくとの二つの縦スリツト１１３を有
   し、これらスリツトで前記環状部の導電チヤンネ
   ルを分ける誘電体を形成していることを特徴とす
   る特許請求の範囲第４項に記載の避雷針。 ６ 前記環状部が避雷針縦軸部１１１に結合さ
   れ、前記スリツトが前記縦軸部に沿つて下方へ延
   在されていることを特徴とする特許請求の範囲第
   ５項に記載の避雷針。 ７ 前記スリツト内に高誘電体強度の材料からな
   るストリツプ片が配置されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第５項に記載の避雷針。 ８ 前記環状部が排水孔１１５を有することを特
   徴とする特許請求の範囲第５〜７項のいずれかに
   記載の避雷針。 ９ 前記針端と前記イオン化装置の高電圧発生器
   ４００との間に追加の保護回路が挿入され、前記
   保護回路が、前記針端を前記高電圧発生器に接続
   する線路に直列な抵抗４３０と、前記高電圧発生
   器の両端子に並列接続された放電管４２０とを備
   えていることを特徴とする特許請求の範囲第１〜
   ８項のいずれかに記載の避雷針。