WO2014077337A1 - 落雷の電荷量推定システムと方法 - Google Patents

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lightning strike
lightning
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規泰 本間
保二 本郷
高橋　幸弘
光輝 佐藤
史紀 土屋
大樹 鶴島
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Hokkaido University NUC
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Tohoku University NUC
Hokkaido University NUC
Tohoku Electric Power Co Inc
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01W—METEOROLOGY
    • G01W1/00—Meteorology
    • G01W1/16—Measuring atmospheric potential differences, e.g. due to electrical charges in clouds
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux

Definitions

  • the present invention relates to a charge amount estimation system and method for estimating the charge amount of a lightning strike.
  • Patent Document 1 discloses a lightning strike location system that measures characteristic radio waves generated by lightning strikes at a plurality of points and estimates the position of lightning strikes based on differences in reception time and arrival directions of radio waves.
  • This lightning location system is based on the relationship between the peak value of the large feedback current that flows immediately after the discharge descends from the thundercloud and reaches the ground, and is proportional to the peak value of the radio wave intensity and the distance from the lightning strike. Estimate the peak value of.
  • a technology for estimating the amount of lightning strike a technology for estimating the amount of charge from the voltage generated in the shunt resistor by the current flowing through the shunt resistor inserted between the lighted structure and the ground
  • a technique is known in which a magnetic field generated by a current flowing through an object is measured by a Rogowski coil, and the charge amount is estimated from the measured magnetic field.
  • the amount of charge can be estimated only when lightning strikes the observation facility and measurement data is obtained.
  • the measurement information obtained is limited to data on a specific type of lightning, such as lightning on a high structure where lightning frequently occurs. In reality, it is difficult to predict when and where lightning strikes will occur. For this reason, the conventional technology for estimating the amount of charge caused by lightning strikes cannot determine the amount of lightning strikes on various structures in a wide area.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a lightning strike amount estimation system and method capable of easily estimating the amount of lightning strike to various objects in a wide area. To do.
  • the lightning strike charge amount estimation system includes a magnetic field measurement unit that measures a magnetic field generated by a lightning strike in a frequency band including a frequency of 200 Hz or less, and the lightning strike based on the magnetic field measured by the magnetic field measurement unit.
  • Charge amount calculating means for determining the amount of charge and calculating the amount of charge by integrating the current.
  • the lightning charge estimation system of the present invention uses the fact that a magnetic field generated by a lightning strike is measured in a low frequency band of 200 Hz or less and is similar to the current caused by the lightning strike. Ask. Moreover, the lightning strike charge amount estimation system integrates the current to obtain the charge amount that has flowed to the ground due to the lightning strike, thereby estimating the lightning strike charge amount. By combining the estimated lightning strike amount with lightning location information obtained by the Lightning Location System (LLS), etc., potential damage due to lightning strikes such as transmission line melting can be estimated. It is possible to provide materials for determining the necessity of damage countermeasures.
  • LLS Lightning Location System
  • the lightning strike charge amount estimation system can remotely observe even lightning strikes occurring up to several hundred kilometers away by measuring a magnetic field in a low frequency band including a frequency of 200 Hz or less. . For this reason, one observation device can cover a wide area, and the observation efficiency is high. In addition, the number of observation devices can be reduced, and the installation cost of new observation devices can be reduced.
  • the frequency band preferably includes a frequency of 100 Hz or less in a wide band.
  • the measured magnetic field waveform and the current waveform are better matched, and the charge amount estimation accuracy can be improved.
  • the lightning strike charge amount estimation system may include filter means for applying a filter having a cutoff frequency of 100 Hz on the high frequency side to the magnetic field measured by the magnetic field measurement means.
  • the charge amount calculating means may obtain the charge amount based on the magnetic field after being filtered by the filter means. In this case, the magnetic field after applying the filter and the current more closely match, and the charge amount estimation accuracy can be improved.
  • the magnetic field measuring means may be capable of measuring two orthogonal components of a magnetic field generated by a lightning strike.
  • the lightning strike charge amount estimation system may include azimuth estimation means for obtaining the direction of the lightning strike based on each component of the magnetic field measured by the magnetic field measurement means.
  • the measurement accuracy of the lightning strike position can be enhanced by combining with a lightning strike location system.
  • the magnetic field measuring means includes a low frequency region in a frequency band to be measured so that the measured magnetic field does not include a value having a polarity opposite to the initial polarity. Also good.
  • the charge amount calculation means may determine the charge amount after correcting the magnetic field or the current obtained based on the magnetic field so as not to include a value having a polarity opposite to the initial polarity. In this case, the estimation accuracy of the charge amount can be increased.
  • the charge amount calculating means is, for example, means for obtaining a lightning strike current by multiplying a measured magnetic field by a preset magnetic field current conversion coefficient, and based on the obtained current based on the length and slope of the discharge path. Means for multiplying the correction coefficient, and integration means for integrating the current multiplied by the correction coefficient.
  • the magnetic field current conversion coefficient is set in consideration of at least one of the attenuation of the magnetic field depending on the distance from the lightning strike point to the magnetic field measurement point and the attenuation of the magnetic field depending on the state of the ionosphere, for example.
  • the lightning strike charge estimation method includes: Measuring a magnetic field generated by a lightning strike; Determining a lightning strike current based on the measured magnetic field; Integrating the obtained current to determine the amount of charge due to lightning, Have
  • the program of the present invention On the computer, Determining a lightning strike current based on the measured magnetic field; Integrating the obtained current to determine the amount of charge due to lightning, Is executed.
  • FIG. 1 is a block diagram of a lightning strike charge amount estimation system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. It is a figure which shows the specific structural example of the electric charge amount calculation part shown in FIG. It is a figure which shows the structural example of the data memorize
  • FIG. 8 is a graph showing a current waveform after applying a filter (attenuation rate: ⁇ 6 dB / octave) having a cutoff frequency of 90 Hz on the high frequency side to the current waveform shown in FIG. 7.
  • FIG. 11 Schematic diagram of a cylindrical coordinate system FDTD simulation for reproducing the propagation of an electromagnetic pulse of 296 km from a lightning generated at Ogamidake to Onagawa Observatory, under the ionosphere, with respect to a lightning charge estimation system according to an embodiment of the present invention. It is. It is a graph which shows the horizontal magnetic field waveform in the distance of 298 km from the lightning obtained by the simulation shown in FIG. 11 is a graph showing a horizontal magnetic field waveform with a propagation distance of 298 km when the lightning current is assumed to be a Gaussian pulse with a half width of 4 ms, obtained by the simulation shown in FIG.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the logarithmic peak value of the horizontal magnetic field pulse and the logarithmic propagation distance obtained by the simulation shown in FIG. 4 under the same conditions as FIG. It is a graph which shows the propagation distance dependence of the bipolar ratio of a magnetic field pulse when changing the half width of a current pulse obtained by the simulation shown in FIG.
  • the lightning strike charge amount estimation system 100 includes a magnetic field measurement unit 10 and a charge amount calculation unit 20.
  • the magnetic field measuring unit 10 includes a search coil magnetic field meter having directivity in the north-south direction and the east-west direction.
  • the magnetic field measurement unit 10 measures two horizontal components Hns and Hew in the geographical north-south (latitude) direction and east-west direction of the magnetic field generated by lightning strikes in a low frequency band of 200 Hz or less.
  • the measurement range of the magnetic field measurement unit 10 preferably includes a low frequency region such that the measurement range is 0.1 Hz or more so that the measured magnetic field does not include a negative polarity component.
  • the measurement range may be up to 100 Hz. However, it is desirable to have sufficient sensitivity even in the vicinity of 100 Hz.
  • the magnetic field measurement unit 10 supplies the measured magnetic field component Hns in the north-south direction and the magnetic field component Hew in the east-west direction to the charge amount calculation unit 20.
  • the charge amount calculation unit 20 includes a computer device, and functionally includes an A / D converter 21, a low-pass filter (LPF) 22, an RTC 23, a storage unit 24, a distance determination unit 25, an ionosphere information collection unit 26, a magnetic field.
  • a current ratio table 27, a current calculation unit 28, a multiplication unit 29, and an integration unit 30 are provided.
  • the A / D converter 21 converts the north-south magnetic field component Hns and the east-west magnetic field component Hew measured by the magnetic field measuring unit 10 into digital data.
  • the sampling period ⁇ t of the A / D converter 21 is, for example, 5 ms to 10 ⁇ s, preferably about 100 ⁇ s.
  • the low-pass filter 22 is composed of a digital filter, and extracts and outputs a low-frequency component with a cutoff frequency of about 100 Hz. This increases the similarity between the actually measured magnetic field waveform and the actual magnetic field waveform.
  • the RTC (Real Time Clock) 23 measures the current date and time.
  • the configuration of the RTC 23 is arbitrary.
  • the RTC 23 may be composed of a self-running timer or a GPS (Global Positioning System) timer.
  • the storage unit 24 stores the magnetic field components Hns and Hew that have passed through the low-pass filter 22 in association with the current time measured by the RTC 23.
  • the distance discriminating unit 25 identifies the lightning strike point based on the magnetic field components Hns and Hew that have passed through the low-pass filter 22, information from a lightning strike location system installed at another point, and the distance from the installation point of the magnetic field measurement unit 10. Ask for. More specifically, as illustrated in FIG.
  • the ionosphere information collection unit 26 collects ionosphere information indicating the ionosphere state via the network.
  • the ionosphere information may include information such as day and night.
  • the multiplication unit 29 multiplies the value obtained by the current calculation unit 28 by the correction coefficient K to obtain the current value obtained by the current calculation unit 28 as the current value when the lightning discharge path is perpendicular to the ground.
  • the actual length of the discharge path is obtained by statistical processing, simulation, or the like based on the area where lightning strikes occur, weather conditions, etc., and is set in advance.
  • DL is the length of the discharge path assumed when the magnetic field current ratio R stored in the magnetic field current ratio table 27 is obtained.
  • ⁇ is the inclination angle of the lightning discharge path.
  • ⁇ is obtained by statistical processing, simulation, or the like based on the lightning strike area, weather conditions, and the like.
  • the coefficient K may be expressed in the form of a table or function with the region and weather conditions as parameters.
  • the integrating unit 30 integrates the current from the start point to the end point of the lightning strike by accumulating the calculation result of the multiplication unit 29 (the corrected instantaneous value of the current), and calculates the charge amount Q that has flowed due to the lightning strike. Ask.
  • the above-described charge amount calculation unit 20 includes a CPU (Central Processing Unit) 201, a memory 202, an input device 203, a communication device 204, an output device 205, and an A / D converter. 21, RTC 23, and the like.
  • CPU Central Processing Unit
  • the memory 202 stores magnetic field data observed as the storage unit 24, stores an operation program and the like, and further functions as a work area of the CPU 201.
  • the CPU 201 executes an operation program stored in the memory 202 and executes processing of each unit.
  • the input device 203 takes in the magnetic field components Hns and Hew output from the A / D converter 21.
  • the communication device 204 communicates with an external device via a network, captures that a lightning has occurred, information for specifying a lightning strike point, ionosphere information, and the like.
  • the output device 205 outputs the calculated lightning charge Q of the lightning strike.
  • the magnetic field measurement unit 10 always measures the magnetic component Hns in the north-south direction and the magnetic field component Hew in the east-west direction, and supplies measurement data to the charge amount calculation unit 20.
  • the A / D converter 21 of the charge amount calculation unit 20 samples the magnetic field components Hns and Hew observed by the magnetic field measurement unit 10 at a constant sampling frequency, converts them into digital data, and outputs them. This digital data is accumulated and stored in the memory 202 functioning as the storage unit 24 via the input device 203.
  • the CPU 201 monitors the accumulated combined magnetic field. If the value of the combined magnetic field exceeds the threshold value, it is determined that a lightning strike has occurred, and the lightning strike shown in FIG. A process for obtaining the point and the charge amount is executed. Note that the CPU 201 starts the same processing when a lightning strike is notified from the external device via the communication device 204.
  • the CPU 201 specifies the start point and the end point of lightning strike from the change of the strength H of the synthetic magnetic field as the current calculation unit 28 (step S1).
  • the CPU 201 uses the distance discriminating unit 25 to determine the direction of the lightning strike (Hns / Hes) from the ratio (Hns / Hes) of the north-south magnetic field strength Hns and the east-west magnetic field strength Hew when the strength of the combined magnetic field is equal to or higher than the reference level.
  • ⁇ tan ⁇ 1 (Hns / Hew)) is obtained.
  • the CPU 201 cooperates with other devices to obtain the lightning strike point P3 by using the triangulation method illustrated in FIG. 4 and the like, and obtains the distance L from the installation place P2 of the magnetic field measurement unit 10 (step S2).
  • the CPU 201 accesses the outside via the communication device 204 and collects information indicating ionosphere information (step S3). Next, the CPU 201 obtains a magnetic field current ratio R that matches the state of the ionosphere and the distance L from the magnetic field current ratio table 27 stored in the memory 202 (step S4).
  • the charge amount Q is initialized (step S5).
  • the CPU 201 sequentially reads the intensity H of the combined magnetic field at the time of lightning strike from the memory 202 (step S5), and obtains the product H ⁇ R with the magnetic field current ratio R (step S7). This indicates the average value I of the current that has flowed by the lightning strike at the start of the lightning strike. Further, as the multiplication unit 29, the CPU 201 multiplies the obtained current value I by the correction coefficient K. As a result, a current value I corrected for variations in the length and inclination of the discharge path is obtained (step S8).
  • the CPU 201 multiplies the obtained current value I by the sampling period ⁇ t. Thereby, the charge amount q that has flowed during the sampling period ⁇ t is obtained (step S9).
  • the CPU 201 as the integration unit 30, accumulates the output of the multiplication unit 29 and obtains the charge amount Q due to the lightning strike (step S10).
  • step S11 determines whether or not the processing has been completed up to the measurement magnetic field H at the end of lightning strike. If not (step S11; No), the CPU 201 determines the intensity H of the combined magnetic field for the next processing target sampling period. Reading (step S12), returning to step S7, the same processing is performed. If it is determined in step S11 that the process has been completed (step S11; Yes), the obtained charge amount Q due to the lightning strike is output (step S13).
  • the lightning strike charge amount estimation system 100 can also set the sensitivity of the magnetic field measurement unit 10 to 100 Hz or less. However, it is desirable that the magnetic field measurement unit 10 itself has sensitivity up to about 200 Hz so as not to reduce the accuracy of charge amount estimation.
  • the cut-off frequency of the low-pass filter 22 may be set to 200 Hz.
  • the low-pass filter 22 may be disposed in front of the A / D converter 21 as an analog filter.
  • the lightning strike position specifying function may be removed from the distance determination unit 25, and the lightning strike position information may be received from the outside, for example, from an external lightning strike location system.
  • the charge amount calculation unit 20 is configured by a digital circuit (computer) has been shown, it may be configured by an analog circuit.
  • the magnetic field measurement data stored in the storage unit 24 may have a polarity opposite to the initial value.
  • the measurement data may show positive polarity initially and then negative polarity. This is one of the reasons that the sensitivity on the low frequency side of the magnetic field measuring unit 10 is low. When such an event occurs, the charge amount may be obtained after correcting the low-frequency sensitivity to reduce the reverse polarity signal. Moreover, you may improve the sensitivity of the low frequency area
  • the state of the ionosphere” registered in the magnetic field current ratio table 27 is arbitrary.
  • the “ionospheric state” may be classified as, for example, “daytime state” or “night state”.
  • the ionosphere state may be one type, and the magnetic field current ratio R may be set substantially based only on the distance. In an environment where the distance can be regarded as constant, the magnetic field current ratio R may be set based only on the state of the ionosphere. That is, the magnetic field current ratio table 27 may set the magnetic field current ratio R based on at least one of the “ionospheric state” and the distance.
  • an example of estimating the position of the lightning strike based on the principle of triangulation is not limited to this, but when there are three or more magnetic field measurement points, the measurement at each magnetic field measurement point is performed.
  • the position of the lightning strike may be determined by a general arrival time difference method from the difference in the reception time of the magnetic field. Further, the position of the lightning strike may be determined using both the direction of the lightning strike as seen from the magnetic field measurement point and the difference in the reception time of the magnetic field. Moreover, if it is a lightning strike to a power transmission line, the position of the failure by the lightning strike may be used as the lightning strike position.
  • the distance from the position of the lightning strike thus obtained to the magnetic field measurement point can be obtained.
  • the obtained distance information to the magnetic field measurement point with the lightning charge amount estimated by the charge amount calculation means, it is possible to assume potential damage due to lightning strikes such as meltdown of the transmission line. It is possible to provide materials for determining the necessity of countermeasures against damage.
  • the CPU 201 checks the magnetic field waveform stored in the memory 202 before starting the process of step S6 in FIG. 6 to determine whether there is a portion having a polarity opposite to the initial polarity. When it is determined that the reverse polarity portion exists, for example, a process of correcting the reverse polarity portion to be small may be executed. Further, the CPU 201 changes the conversion characteristics of the A / D conversion unit 21 and the characteristics of the low-pass filter 22 so that the low-frequency component is included in the stored magnetic field waveform when the reverse polarity portion is detected. May be.
  • lightning strike charge amount estimation system In the lightning strike charge amount estimation system according to the embodiment of the present invention, lightning observation and electromagnetic field simulation associated with the lightning strike were performed, and the configuration and effects were examined. We also examined a specific method for determining the amount of lightning charge from the measured magnetic field waveform.
  • a lightning strike was observed with a Rogowski coil and a search coil magnetometer.
  • the Rogowski coil is installed in Ogamidake (Mt. 0gami) in Niigata, Japan, and can observe the current waveform flowing through the radio tower in the frequency band of 0.1Hz to 1MHz.
  • the observed current waveform is sampled at 1 ⁇ s and time stamped with a GPS clock.
  • the lightning strike used for the observation occurred at Mt. Ogami and passed through the radio tower.
  • the search coil magnetometer (magnetic field measuring unit 10 of the embodiment) is installed at Onagawa Observatory in Miyagi Prefecture, 296 km away from Ogamidake, and observes lightning discharge electromagnetic field pulses in the frequency band of 2 to 90 Hz. It is possible.
  • the search coil magnetometer is designed to observe two horizontal components in the north-south direction and the east-west direction. The observed electric field waveform is discretized and recorded with a resolution of 16 bits.
  • the current waveform observed at Mt. Ogami shown in FIG. 7 has a frequency band limited to 90 Hz or less in order to compare with the magnetic field waveform observed by the search coil magnetometer. As shown in FIG. 7, the current increases to a maximum value of 26 kA after a small change and then decays.
  • the integration of current corresponds to the amount of charge that has flowed due to lightning.
  • the charge amount of the first positive polarity portion of the lightning strike shown in FIG. 7 is 474C, and the subsequent negative polarity portion is ⁇ 496C.
  • the actual charge due to this lightning strike is estimated to be about 540C, slightly higher than the positive polarity part of the first half. Is done.
  • Fig. 8 shows the waveform of the magnetic field component observed at Onagawa Station with the same lightning strike at Ogamidake.
  • the polarity is positive in the southwest direction.
  • the waveforms of both components are similar, and the ratio of the EW direction component to the NS direction component is about 0.70 as indicated by the black circle in FIG. 8 when the absolute value of the NS direction component exceeds 100 nT.
  • the incident direction of the electromagnetic pulse based on the ratio is 54.8 ° west from the south, and is slightly coincident with the direction of Mt.
  • the slight deviation of the azimuth is mainly due to the installation of the orthogonal magnetic field meter (magnetic field measuring unit 10), for example, the rotation of the magnetic field meter set in the horizontal plane, or the sensitivity calibration error.
  • the influence of the induction noise of 50 Hz derived from a power wire is also considered.
  • the direction of the lightning strike can be obtained from the waveform of each component of the magnetic field.
  • the measurement accuracy of the lightning strike position can be improved by combining the direction of the lightning strike determined from the waveform of each component of the magnetic field with a lightning strike location system. Moreover, the position of a lightning strike can also be calculated
  • the electromagnetic field was simulated when electromagnetic pulses from lightning propagated radially under the ionosphere.
  • the FDTD method time domain difference method
  • a cylindrical coordinate system was used as the coordinate system.
  • the discharge path is simple and perpendicular to the ground, and the axial target condition in the cylindrical coordinate system is applied.
  • the ionosphere of the earth and the multi-layer structure was assumed to be a horizontal parallel plate.
  • the current waveform shown in FIG. 9 was used as the input current waveform.
  • FIG. 10 shows a schematic diagram of a FDTD simulation of a cylindrical coordinate system for reproducing the propagation of an electromagnetic pulse of 296 km from the lightning generated at Ogamidake to Onagawa Observatory under the ionosphere.
  • a simple lightning discharge path having a length of 4 km is installed on the ground surface along the vertical axis at the center of the simulation space.
  • the electromagnetic field in the simulation space is excited by a horizontal magnetic field arranged in a magnetic field element Hy (0, 0) having a radius of 2 km around the discharge path.
  • a positive current flowing downward along the discharge path generates a positive horizontal magnetic field at Hy (0, 0).
  • the conductivity of the ground was uniformly 1 mS / m.
  • the ionosphere consists of seven horizontal layers, and different conductivity ( ⁇ D, ⁇ N) was set for each layer for day and night. However, the relative permittivity ⁇ r and the relative permeability ⁇ r were the same as in the vacuum.
  • the simulation space is surrounded by a PML absorption boundary, but the end walls are separated so that reflections there do not affect the observation point.
  • Fig. 11 shows the simulation result of the horizontal magnetic field waveform at the distance of 298 km from the thunder corresponding to the Onagawa observation point.
  • the waveform shown in FIG. 11 is very similar to the waveform of FIG. 9 and shows that it is almost occupied by the induction field. This is because the propagation distance is much shorter than the wavelength of radio waves of 3300 km at 90 Hz.
  • the fluctuation of the first pulse of the magnetic field waveform shown in FIG. 8 to the negative polarity is deeper than the fluctuation of the magnetic field waveform shown in FIG. 11 to the negative polarity. This is because the cut-off frequency on the low frequency side of magnetic field observation is 2 Hz, which is higher than the cut-off frequency of 0.1 Hz on the low band of current observation.
  • the peak value of the magnetic field obtained by the simulation was about 800 pT when ignoring the high-frequency change that cannot be seen in the observed waveform.
  • the peak value of the observed magnetic field was composed of NS direction component and EW direction component, and was 480 pT.
  • the observed peak value is as small as 0.6 of the peak value obtained by simulation.
  • the amplitude of the magnetic field is proportional to the length of the discharge path, the actual discharge path length is estimated to be 2.4 km.
  • the discharge path length obtained by other lightning strikes may be referred to.
  • the magnetic field associated with a simple current pulse was determined at different distances.
  • the lightning current was a Gaussian pulse with a peak value of 1 kA and a half width of 1, 2, 4 ms.
  • the rising frequency of the Gaussian pulse is approximately 400, 200, and 100 Hz.
  • FIG. 12 shows a horizontal magnetic field waveform with a propagation distance of 298 km, obtained by simulation assuming that the lightning current is a Gaussian pulse with a half width of 4 ms.
  • the magnetic field waveform obtained by the simulation is very similar to the current waveform, regardless of the presence or absence of the ionosphere, except for a slight swing to negative polarity. This indicates that the current waveform and the magnetic field waveform are similar.
  • the waveform of the electromagnetic field propagating under the ionosphere during the day and night has a signal intensity that is 4.3 times or 4.1 times that of the case without the ionosphere.
  • FIG. 13 shows the relationship between the logarithmic peak value of the horizontal magnetic field pulse and the logarithmic propagation distance obtained by the simulation under the same conditions as in FIG. As shown in FIG. 13, the peak value is attenuated as the propagation distance is extended regardless of the presence or absence of the ionosphere.
  • the average attenuation rate was -0.8 when the ionosphere was present and -1.6 when the ionosphere was absent. This indicates that the ionosphere has an effect of suppressing the attenuation of the magnetic field depending on the distance when there is no ionosphere to about 1/10.
  • the attenuation factor of the magnetic field peak value was 1.8, as shown in FIG.
  • a perfectly conductive vertical electric dipole on the ground generates a horizontal magnetic field on the ground surface, and the inductive and radiative components of the magnetic field attenuate in inverse proportion to the square and the first power of the distance from the dipole, respectively.
  • the actual attenuation of the magnetic field is a mixture of attenuation of both components. This suggests that the magnetic field propagating between Ogamidake Ichinagawa Station is an inductive component whose attenuation is suppressed by the ionosphere.
  • FIG. 14 shows the propagation distance dependence of the bipolar ratio of the magnetic field pulse obtained by the simulation when the half width of the current pulse is changed.
  • the bipolar ratio of the magnetic field pulse is the absolute value of the ratio of the subsequent negative polarity peak to the first peak of the magnetic field waveform.
  • FIG. 14 shows a simulation result in the daytime when there is an ionosphere. As shown in FIG. 14, the bipolar ratio increases to about 0.3 as the propagation distance increases. Further, when the half width of the current pulse increases, the curve of the bipolar ratio moves in parallel to the longer propagation distance. Under the condition that there is no ionosphere, since the bipolar ratio of the magnetic field pulse approaches 1 when the propagation distance is extended, it can be seen that the increase of the bipolar ratio is suppressed by the effect of the ionosphere.
  • the half width of the current pulse is 4 ms corresponding to a cutoff frequency of 90 Hz and the propagation distance is 296 km. About 5%. This indicates that the difference between the current waveform and the waveform of the magnetic field pulse is small. From FIG. 14, the slight negative polarity swing after the peak of the magnetic field waveform can be improved by extending the low range of the observation frequency, thereby making the magnetic field waveform and the current waveform better match. I can say that.
  • the original lightning current waveform can be easily reproduced from the magnetic field waveform in the range of the frequency and propagation distance where the bipolar ratio shown in FIG. 14 is sufficiently small.
  • the reproduced current waveform composed of such low frequency components, it is possible to estimate the charge amount related to the equipment damage caused by lightning with high accuracy. That is, by integrating the reproduced current waveform, it is possible to estimate the amount of charge that has flowed due to a lightning strike.
  • potential damage due to lightning strikes such as transmission line melting can be estimated. It is possible to provide materials for determining the necessity of damage countermeasures.
  • the observation frequency is 100 Hz or less, the observation distance is 300 km or less, and the half-value width is 2 ms.
  • the observation frequency is 200 Hz or less, the observation distance is 150 km or less, and the half-value width is 1 ms, the observation frequency is 400 Hz or less and the observation distance is 70 km or less.
  • the observation frequency when the half width is 4 ms, the observation frequency is 100 Hz or less, the observation distance is 400 km or less, and when the half width is 2 ms, the observation frequency is 200 Hz or less, the observation distance is 250 km or less, and the half width. At 1 ms, the observation frequency is 400 Hz or less and the observation distance is 150 km or less.
  • the ambivalence ratio is allowed up to 20%, when the half width is 4 ms, the observation frequency is 100 Hz or less, the observation distance is 1000 km or less, and when the half width is 2 ms, the observation frequency is 200 Hz or less, the observation distance is 500 km or less, and the half width is 1 ms. In this case, the observation frequency is 400 Hz or less and the observation distance is 300 km or less.
  • the charge amount is obtained by integrating the current waveform, a rapid change in current (high frequency component) does not affect the charge amount. For this reason, considering that the current waveform having a duration of the order of several hundred ms is integrated, it is considered that a time resolution of several tens of ms is sufficient. Therefore, for example, when the current pulse width is about 10 ms, the observation frequency is about 25 Hz or less, and when the allowable bipolar ratio is 5%, the observation distance of the induced magnetic field is 800 km to 1000 km or less. In this case, for example, the whole of Japan can be covered with three observation points.
  • the lightning current waveform when the discharge path is vertical is obtained.
  • the actual length of the discharge path can be referred to the discharge path length obtained by other lightning strike observations.
  • the obtained lightning current waveform is multiplied by 1 / cos ⁇ ( ⁇ is the inclination angle of the discharge path)
  • ⁇ can be referred to an average value obtained by observation.
  • the relationship between the lightning current waveform and the magnetic field waveform includes distortion, a highly reliable lightning current waveform is estimated by using the magnetic field waveform observed at a point with small distortion from FIG. Can do. By integrating the current waveform of the lightning strike thus obtained, the amount of charge that has flowed to the ground due to the lightning strike can be obtained.
  • the amount of lightning strike was actually estimated from the magnetic field waveform of FIG.
  • the peak value of the NS direction component of the observed magnetic field shown in FIG. 13 was 390 pT, and the peak value of the EW direction component was 270 pT. From these, the peak value of the combined magnetic field obtained from the square root of the sum of the square of the NS direction component and the square of the EW direction component is calculated as 480 pT. From FIG. 13, when the discharge path length of lightning generated at Ogamidake is 4 km and the current value is 1 kA, the magnetic field observed at Onagawa Observatory at a distance of 296 km from Ogamidake is 50 pT.
  • the lightning strike charge amount estimation system 100 can appropriately estimate the lightning strike charge amount.
  • the operation program stored in the memory 202 is a computer-readable recording medium such as a flexible disk, a CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory), a DVD (Digital Versatile Disk), or an MO (Magneto-Optical disk). It may be stored in and distributed.
  • the function of the charge amount estimation system can also be realized by installing the operation program in the computer.
  • the program may be stored in a disk device or the like included in a predetermined server device on a communication network such as the Internet, and may be downloaded onto a computer by being superimposed on a carrier wave, for example.
  • the above-described functions can also be achieved by starting and executing a program while transferring it via a communication network.
  • the above-described functions can be achieved by executing all or part of the program on the server device and executing the program while the computer transmits and receives information on the processing via the communication network.
  • OS Operating System
  • the above functions are realized by sharing an OS (Operating System) or when the functions are realized by cooperation between the OS and an application, only the part other than the OS may be stored in a medium and distributed. It may also be downloaded to a computer.
  • the present invention can be widely used for estimating the amount of lightning strike.

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Abstract

　磁界測定手段は、２００Ｈｚ以下の周波数を含む周波数帯域で、落雷により発生する磁界を測定する。電荷量算出手段は、磁界測定手段で測定された磁界の波形に基づいて、落雷の電流波形を求め、その電流波形を積分して電荷量を求める。

Description

落雷の電荷量推定システムと方法
　本発明は、落雷の電荷量を推定する電荷量推定システムと方法に関する。
　落雷は、建築物、電気・通信設備等に破損、溶損等の様々なダメージを与える。このため、落雷の位置と電荷量を推定する技術の研究・開発が広く行われている。
　落雷により生じる特徴的な電波を複数の地点で測定し、受信時刻の差や電波の到来方位をもとに、落雷の位置を推定する落雷位置標定システムが特許文献１に開示されている。
　この落雷位置標定システムは、放電が雷雲から下降して大地に到達した直後に流れる大きな帰還電流のピーク値が電波の強度のピーク値と落雷からの距離とに比例する関係に基づいて、雷電流のピーク値を推定する。
　しかし、落雷の影響を評価するためには、雷電流のピーク値を推定するだけでは足りず、雷電流により流れた電荷の総量を求める必要がある。しかし、この落雷位置標定システムは、電荷の総量を求めることができない。また、この落雷位置標定システムは、放電が大地から雷雲に向かつて上昇するタイプの落雷の電流を推定することができない。
　落雷の電荷量を推定する技術として、被雷した構造物と大地との間に挿入されているシャント抵抗を流れる電流によって、シャント抵抗に生じる電圧から電荷量を推定する技術や、被雷した構造物に流れる電流が作る磁界をＲｏｇｏｗｓｋｉコイルにより測定し、測定した磁界から電荷量を推定する技術が知られている。これらの技術では、観測施設に落雷し、かつ、測定データが得られた場合にのみ、電荷量を推定できる。また、得られる測定情報は、落雷が高頻度で発生する高い構造物への落雷等の特定の種類の落雷のデータに限られる。落雷は、現実には、いつ、どの地点で発生するか予測困難である。このため、このような従来の落雷による電荷量を推定する技術では、広い地域で様々な構造物への落雷の電荷量を求めることができない。
特開２００６－１９４６４３号公報
　本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、広い地域で様々な物体への落雷の電荷量を容易に推定することができる落雷の電荷量推定システムと方法を提供することを目的とする。
　本発明に係る落雷の電荷量推定システムは、２００Ｈｚ以下の周波数を含む周波数帯域で、落雷により発生する磁界を測定する磁界測定手段と、前記磁界測定手段で測定された磁界に基づいて、前記落雷の電流を求め、その電流を積分して電荷量を求める電荷量算出手段とを、有する。
　本発明の落雷の電荷量推定システムは、落雷により発生した磁界を２００Ｈｚ以下の低周波数帯域で測定したときの磁界が、その落雷による電流と相似であることを利用することにより、磁界から電流を求める。また、落雷の電荷量推定システムは、その電流を積分することにより、落雷により大地に流れた電荷量を求めて、落雷の電荷量を推定する。推定された落雷の電荷量と、落雷位置標定システム（ＬＬＳ）等により求められた落雷位置の情報と組み合わせることにより、送電線の溶損等の落雷による潜在的なダメージの想定を行うことができ、被害対策の必要性の判断を行うための材料を提供することができる。
　本発明に係る落雷の電荷量推定システムは、２００Ｈｚ以下の周波数を含む低周波数帯域で磁界を測定することにより、数百ｋｍまで離れた場所で発生した落雷であっても遠隔観測することができる。このため、１台の観測装置で広範囲をカバーすることができ、観測効率が高い。また、観測装置の数を減らすことができ、新たな観測装置の設置コストを抑えることができる。
　本発明に係る落雷の電荷量推定システムにおいて、前記周波数帯域は、１００Ｈｚ以下の周波数を広帯域で含むことが好ましい。この場合、測定される磁界波形と、電流波形とがよりよく一致し、電荷量の推定精度を高めることができる。
　本発明に係る落雷の電荷量推定システムは、前記磁界測定手段で測定された磁界に、高周波数側のカットオフ周波数が１００Ｈｚのフィルタをかけるフィルタ手段を有してもよい。この場合、前記電荷量算出手段は、前記フィルタ手段でフィルタをかけた後の磁界に基づいて電荷量を求めてもよい。この場合、フィルタをかけた後の磁界と、電流とがさらによく一致し、電荷量の推定精度を高めることができる。
　本発明に係る落雷の電荷量推定システムにおいて、
　前記磁界測定手段は、落雷により発生する磁界の２つの直交成分を測定可能であってもよい。この場合、落雷の電荷量推定システムは、前記磁界測定手段で測定された前記磁界の各成分に基づいて、前記落雷位置の方位を求める方位推定手段を有していてもよい。この場合、落雷位置標定システム等と組み合わせることにより、落雷位置の測定精度を高めることができる。
　本発明に係る落雷の電荷量推定システムにおいて、前記磁界測定手段は、測定された磁界が初期の極性と逆の極性の値を含まないよう、測定対象の周波数帯域に低周波領域を含んでいてもよい。あるいは、前記電荷量算出手段は、磁界または磁界に基づいて求めた電流が初期の極性と逆の極性の値を含まないよう補正した後、前記電荷量を求めてもよい。この場合、電荷量の推定精度を高めることができる。
　前記電荷量算出手段は、例えば、測定された磁界に、予め設定されている磁界電流変換係数を乗算することにより落雷の電流を求める手段と、求めた電流に、放電路の長さと傾きに基づく補正係数を乗算する手段と、補正係数が乗算された電流を積分する積分手段と、を有する。
　前記磁界電流変換係数は、例えば、落雷地点から磁界測定地点までの距離に依存する磁界の減衰と電離層の状態に依存する磁界の減衰との少なくとも一方を考慮して設定されている。
　また、本発明に係る落雷の電荷量推定方法は、
　落雷により発生する磁界を測定するステップと、
　測定された磁界に基づいて、落雷の電流を求めるステップと、
　求められた電流を積分して落雷による電荷量を求めるステップと、
を有する。
　本発明のプログラムは、
　コンピュータに、
　測定された磁界に基づいて、落雷の電流を求めるステップと、
　求められた電流を積分して落雷による電荷量を求めるステップと、
を実行させる。
　本発明によれば、落雷地点から遠隔に設置された観測施設を用いて、広い地域に渡って発生する落雷の電荷量を推定することができる。
本発明の実施の形態に係る落雷の電荷量推定システムのブロック図である。 図１に示す電荷量算出部の具体的構成例を示す図である。 図１に示す記憶部に記憶されるデータの構成例を示す図である。 落雷地点を求め、落雷地点までの距離を求める手法を説明する図である。 図１に示す磁界電流比テーブルに記憶されるデータの構成例を示す図である。 図１から図５に示す構成の落雷の電荷量推定システムの動作のフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る落雷の電荷量推定システムに関し、尾神岳で発生した落雷について、尾神岳のロゴウスキーコイルで観測された電流波形の前半部分を示すグラフである。 本発明の実施の形態の落雷の電荷量推定システムに関し、尾神岳で発生した同じ落雷について、女川観測所のサーチコイル磁界計で観測された磁界成分の波形を示すグラフである。 図７に示す電流波形に、高周波側のカットオフ周波数が９０Ｈｚのフィルタ（減衰率：－６ｄＢ／オクターブ）をかけた後の電流波形を示すグラフである。 本発明の実施の形態の落雷の電荷量推定システムに関し、尾神岳で発生した雷から女川観測所までの２９６ｋｍの、電磁パルスの電離層下での伝搬を再現するための円筒座標系ＦＤＴＤシミュレーションの概要図である。 図１０に示すシミュレーションにより得られた、雷から２９８ｋｍの距離における水平磁界波形を示すグラフである。 図１０に示すシミュレーションにより得られた、雷電流を半値幅４ｍｓのガウスパルスと仮定したときの、伝搬距離２９８ｋｍの水平磁界波形を示すグラフである。 図１２と同じ条件で、図４に示すシミュレーションにより得られた、水平磁界パルスの対数ピーク値と対数伝搬距離との関連を示すグラフである。 図１３に示すシミュレーションにより得られた、電流パルスの半値幅を変えたときの、磁界パルスの両極性比率の伝搬距離依存性を示すグラフである。
　以下、本発明の実施の形態に係る落雷の電荷量推定システムを説明する。
　図１に示すように、本実施の形態に係る落雷の電荷量推定システム１００は、磁界測定部１０と電荷量算出部２０とを備える。
　磁界測定部１０は、南北方向と東西方向にそれぞれ指向性を有するサーチコイル磁界計から構成される。磁界測定部１０は、２００Ｈｚ以下の低周波数帯域で、落雷により発生する磁界の地理的な南北（緯度）方向と東西方向の水平２成分ＨnsとＨewを測定する。磁界測定部１０の測定範囲は、測定された磁界が負極性の成分を含まないよう、測定範囲が０．１Ｈｚ～というように、低周波領域を含むことが望ましい。なお、測定範囲は、～１００Ｈｚでもよい。ただし、１００Ｈｚ近傍にも十分な感度を有することが望ましい。
　磁界測定部１０は、測定した南北方向の磁界成分Ｈnsと東西方向の磁界成分Ｈewとを電荷量算出部２０に供給する。
　電荷量算出部２０は、コンピュータ装置から構成され、機能的には、Ａ／Ｄ変換器２１、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２２、ＲＴＣ２３、記憶部２４、距離判別部２５、電離層情報収集部２６、磁界電流比テーブル２７、電流計算部２８、乗算部２９、積分部３０、を備える。
　Ａ／Ｄ変換器２１は、磁界測定部１０が測定した南北方向の磁界成分Ｈnsと東西方向の磁界成分Ｈewを、デジタルデータに変換する。Ａ／Ｄ変換器２１のサンプリング周期Δｔは、例えば、５ｍｓ～１０μｓ、望ましくは、１００μｓ程度である。
　ローパスフィルタ２２は、ディジタルフィルタから構成され、カットオフ周波数約１００Ｈｚで、低周波成分を抽出して出力する。これにより、実測された磁界の波形と実際の磁界の波形の相似性が高められる。
　ＲＴＣ（Ｒｅａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｃｌｏｃｋ）２３は、現在日時分秒を計測する。ＲＴＣ２３の構成自体は任意であり、例えば、自走タイマから構成されても、ＧＰＳ（Global Positioning System)タイマから構成されてもよい。
　記憶部２４は、図３に例示するように、ローパスフィルタ２２を通過した磁界成分ＨnsとＨewを、ＲＴＣ２３により計測された現在時刻と対応付けて蓄積する。記憶部２４は、また、測定された磁界の合成強度Ｈ＝√（Ｈns２＋Ｈew２）を求めて記憶する。
　距離判別部２５は、ローパスフィルタ２２を通過した磁界成分ＨnsとＨew、他地点に設置された落雷位置標定システムなどからの情報により、落雷地点を特定し、磁界測定部１０の設置地点からの距離を求める。より具体的には、距離判別部２５は、図４に例示するように、ｉ）ローパスフィルタ２２を通過した磁界成分ＨnsとＨewから落雷の発生した方向ＤＲ１（東西方向を基準として傾き角φ＝ｔａｎ－１（Ｈns／Ｈew））を求め、ii）求めた方向ＤＲ１を他地点Ｐ２に設置された落雷方向推定システムが求めた落雷発生方向ＤＲ２と重ね合わせることにより、三角測量の要領により、落雷地点Ｐ３を特定し、iii）磁界測定部１０の設置地点Ｐ１から落雷地点Ｐ３までの距離Ｌ（＝√（ｘ１－ｘ３）２＋（ｙ１－ｙ３）２）を求める。
　電離層情報収集部２６は、ネットワークを介して電離層の状態を示す電離層情報を収集する。電離層情報に、昼夜の別等の情報を含めても良い。
　磁界電流比テーブル２７は、図５に例示するように、電離層の状態別に、磁界観測点から落雷地点までの距離Ｌ、観測された磁界の合成強度Ｈ＝√（Ｈns２＋Ｈew２）と落雷により流れた電流との相関を表す情報を対応付けて記憶する。これらの情報は、実測値や実験値を統計処理することにより、あるいは、シミュレーションなどにより求められる。なお、磁界の強度は、落雷の放電路の長さに影響されるため、磁界電流強度比は、放電路が長さＤＬ（任意の定数）で、地面に垂直であると仮定した場合の値である。なお、これらの情報をテーブルに記憶する場合に限らず、距離Ｌと観測された磁界強度を変数とする関数の形態で電流を表す等してもよい。
　電流計算部２８は、記憶部２４に記憶されている合成磁界強度Ｈ＝√（Ｈns２＋Ｈew２）が基準値を越えたこと、或いは、外部からの情報に応答して、落雷の発生を検出する。合成磁界強度が基準値を越えることを検出する前に、磁界強度ＨnsまたはＨewの何れかが基準値を越えることを検出してもよい。落雷の発生を検出すると、電流計算部２８は、記憶部２４に記憶されている磁界強度のうち、落雷の発生から終了までのデータを特定する。次に、電流計算部２８は、電離層情報収集部２６により電離層の状態を示す情報を収集させる。また、電流計算部２８は、距離判別部２５により、磁界測定部１０の設置点Ｐ１から落雷発生地点Ｐ３までの距離Ｌを求める。次に、電流計算部２８は、電離層状態と距離Ｌに基づいて、磁界電流比テーブル２７から、電離層の状態と距離Ｌに対応する磁界電流比を求める。電流計算部２８は、記憶部２４から、落雷発生から終了までの合成磁界強度Ｈ＝√（Ｈns２＋Ｈew２）を順次読み出し、これと磁界電流比とを乗算することにより、落雷により流れた電流の瞬時値を順次求める。
　乗算部２９は、電流計算部２８で求められた値に、補正係数Ｋを乗算することにより、電流計算部２８で求められた電流値を、落雷の放電路が地面に垂直な場合の電流値に補正する。
　補正係数Ｋは次式で表される。
　Ｋ＝（放電路の実長／ＤＬ）＊ｃｏｓθ
　ここで、放電路の実長は、落雷の発生地域、気象状況等に基づいて、統計処理、シミュレーション等により求められ、予め設定されている。
　ＤＬは、磁界電流比テーブル２７に記憶されている磁界電流比Ｒを求める際に仮定した放電路の長さである。
　θは、落雷の放電路の傾き角である。θは、落雷の発生地域、気象状況等に基づいて、統計処理、シミュレーション等により求められる。
　なお、係数Ｋを地域と気象条件をパラメータとしてテーブルや関数の形態で表してもよい。
　積分部３０は、乗算部２９の演算結果（電流の補正された瞬時値）を累算することにより、落雷の開始時点から終了時点までの電流を積分して、落雷により流れた電荷量Ｑを求める。
　上述の電荷量算出部２０は、ハードウエア的には、図２に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit)２０１、メモリ２０２、入力装置２０３、通信装置２０４、出力装置２０５、Ａ／Ｄ変換器２１、ＲＴＣ２３、等を備えるコンピュータにより実現される。
　メモリ２０２は、記憶部２４として観測された磁界データを記憶すると共に、動作プログラム等を記憶し、さらに、ＣＰＵ２０１のワークエリアとして機能する。
　ＣＰＵ２０１は、メモリ２０２に記憶されている動作プログラムを実行し、各部の処理を実行する。
　入力装置２０３は、Ａ／Ｄ変換器２１が出力する磁界成分ＨnsとＨewを取り込む。
　通信装置２０４は、ネットワークを介して外部装置と通信、落雷の発生したこと、落雷の地点を特定するための情報、電離層情報などを取り込む。
　出力装置２０５は、求めた落雷の電荷量Ｑを出力する。
　次に上記構成を有する落雷の電荷量推定システム１００により、落雷による電荷量を検出（測定）する動作を説明する。
　磁界測定部１０は、常時、南北方向の磁界成分Ｈnsと東西方向の磁界成分Ｈewとを測定して、測定データを電荷量算出部２０に供給している。
　電荷量算出部２０のＡ／Ｄ変換器２１は、磁界測定部１０で観測された磁界成分ＨnsとＨewを、一定のサンプリング周波数でサンプリングして、デジタルデータに変換して出力する。このデジタルデータは、入力装置２０３を介して、記憶部２４として機能するメモリ２０２に蓄積・記憶される。
　ＣＰＵ２０１は、ローパスフィルタ２２として、Ａ／Ｄ変換器２１から出力された磁界成分ＨnsとＨewから、カットオフ周波数（＝２００Ｈｚ）以下の低周波成分を抽出し出力する。
　さらに、ＣＰＵ２０１は、ローパスフィルタ２２を通過した磁界成分ＨnsとＨewの値を、ＲＴＣ２３により計測された現在日時と共に図３に示すように記憶部２４として機能するメモリ２０２に蓄積する。この際、ＣＰＵ２０１は、合成磁界の大きさＨ＝√（Ｈns２＋Ｈew２）を求めて、併せて記憶する。
　メモリ２０２への磁界データの蓄積と並行して、ＣＰＵ２０１は、蓄積された合成磁界を監視しており、合成磁界の値が閾値を越えると、落雷が発生したと判別し、図６に示す落雷地点と電荷量を求める処理を実行する。なお、ＣＰＵ２０１は、通信装置２０４を介して、外部装置より、落雷の発生が通知されると、同様の処理を開始する。
　まず、ＣＰＵ２０１は、電流計算部２８として、合成磁界の強度Ｈの変化等から、落雷の開始時点と終了時点を特定する（ステップＳ１）。
　次に、ＣＰＵ２０１は、距離判別部２５として、合成磁界の強度が基準レベル以上の時の、南北方向磁界強度Ｈnsと東西方向磁界強度Ｈewとの比（Ｈns／Ｈes）から、落雷地点の方向（φ＝ｔａｎ－１（Ｈns／Ｈew））を求める。ＣＰＵ２０１は、他装置と協働して、図４に例示する三角測量の要領などを用いて、落雷地点Ｐ３を求め、磁界測定部１０の設置場所Ｐ２との距離Ｌを求める（ステップＳ２）。
　また、ＣＰＵ２０１は、通信装置２０４を介して、外部にアクセスし、電離層の情報を示す情報を収集する（ステップＳ３）。
　次に、ＣＰＵ２０１は、メモリ２０２に記憶されている磁界電流比テーブル２７から、電離層の状態と距離Ｌに合致する磁界電流比Ｒを求める（ステップＳ４）。
　また、電荷量Ｑを初期化する（ステップＳ５）。
　次に、ＣＰＵ２０１は、落雷開始時点の合成磁界の強度Ｈを、メモリ２０２から順次読み出し（ステップＳ５）、磁界電流比Ｒとの積Ｈ・Ｒを求める（ステップＳ７）。これは、落雷開始時点で、落雷で流れた電流の平均値Ｉを示す。
　さらに、ＣＰＵ２０１は、乗算部２９として、求めた電流の値Ｉに補正係数Ｋを乗算する。これにより、放電路の長さのばらつきや傾きが補正された電流値Ｉが求められる（ステップＳ８）。
　さらに、ＣＰＵ２０１は、求めた電流の値Ｉにサンプリング期間Δｔを乗算する。これにより、サンプリング期間Δｔに流れた電荷量ｑが求められる（ステップＳ９）。
　さらに、ＣＰＵ２０１は、積分部３０として、乗算部２９の出力を累算し、落雷による電荷量Ｑを求める（ステップＳ１０）。
　次に、ＣＰＵ２０１は、落雷終了時点の測定磁界Ｈまで処理が終了したか否かを判別し、終了していなければ（ステップＳ１１；Ｎｏ）、次の処理対象サンプリング期間の合成磁界の強度Ｈを読み出し（ステップＳ１２）、ステップＳ７にリターンして同様の処理を行う。
　ステップＳ１１で、処理が終了していると判別されると（ステップＳ１１；Ｙｅｓ）、求めた落雷による電荷量Ｑを出力する（ステップＳ１３）。
　このようにして、本実施形態によれば、落雷位置を特定すると共に落雷により流れた電荷量を求めることができる。
　なお、落雷の電荷量推定システム１００は、磁界測定部１０の感度を１００Ｈｚ以下とすることも可能である。ただし、電荷量推定の精度を落とさないようにするため、磁界測定部１０自体は、２００Ｈｚ程度まで感度を有することが望ましい。
　また、ローパスフィルタ２２のカットオフ周波数を２００Ｈｚとすることも可能である。また、ローパスフィルタ２２をアナログフィルタとして、Ａ／Ｄ変換器２１の前に配置してもよい。
　距離判別部２５から落雷位置特定機能を取り外し、落雷位置の情報は外部から、例えば、外部の落雷位置標定システムから受信するように構成してもよい。
　電荷量算出部２０をデジタル回路（コンピュータ）で構成する例を示したが、アナログ回路で構成してもよい。
　記憶部２４に記憶される磁界の測定データが初期と逆の極性を示すことがある。例えば、測定データが、初期は正極性、続いて、負極性を示すことがある。これは、磁界測定部１０の低周波側の感度が低いことが原因の１つである。このような事象が発生した場合には、低周波側の感度を補正して逆極性の信号を低減してから、電荷量をもとめてもよい。また、磁界測定部１０の低周波領域の感度を向上してもよい。
　磁界電流比テーブル２７に登録する「電離層の状態」は任意である。例えば、「電離層の状態」として、例えば、「昼の状態」、「夜の状態」というように分類してもよい。また、電離層の状態を１種類とし、実質的に、距離のみに基づいて、磁界電流比Ｒを設定してもよい。また、距離を一定と見なせるような環境では、電離層の状態のみに基づいて、磁界電流比Ｒを設定してもよい。即ち、磁界電流比テーブル２７は、「電離層の状態」と距離の少なくとも一方に基づいて、磁界電流比Ｒを設定するものでもよい。
　また、落雷地点を特定する手法として、三角測量の原理で落雷の位置を推定する例を示したがこれに限定されず、磁界測定点が３ヶ所以上ある場合には、各磁界測定点での磁界の受信時刻の差から、一般的な到達時間差法により落雷の位置を標定してもよい。また、磁界測定点から見た落雷の方位および磁界の受信時刻の差の両方を用いて落雷の位置を標定してもよい。また、送電線への落雷であれば、その落雷による故障の位置を落雷の位置としてもよい。本発明の実施の形態の落雷の電荷量推定システムではこうして求められた落雷の位置から磁界測定点までの距離を求めることができる。また、求めた磁界測定点までの距離の情報を、電荷量算出手段により推定された落雷の電荷量と組み合わせることにより、送電線の溶損等の落雷による潜在的なダメージの想定を行うことができ、被害対策の必要性の判断を行うための材料を提供することができる。
　また、ＣＰＵ２０１は、図６のステップＳ６の処理を開始する前に、メモリ２０２に記憶されている磁界の波形をチェックして、初期の極性と逆極性の部分があるか否かを判別し、逆極性の部分が存在すると判別した場合に、逆極性の部分を、例えば、小さくするように補正する処理を実行してもよい。また、ＣＰＵ２０１は、逆極性の部分を検出したときに、記憶される磁界波形に低周波成分がより多く含まれるように、Ａ／Ｄ変換部２１の変換特性や、ローパスフィルタ２２の特性を変更してもよい。
　本発明の実施の形態の落雷の電荷量推定システムについて、落雷の観測および落雷に伴う電磁界のシミュレーションを行い、その構成や効果について検討を行った。また、測定された磁界波形から落雷の電荷量を求める具体的な手法についての検討も行った。
［落雷の観測］
　ある落雷について、ロゴウスキーコイルおよびサーチコイル磁界計により観測を行った。ロゴウスキーコイルは、日本国新潟県の尾神岳（Ｍｔ．０ｇａｍｉ）に設置されており、０．１Ｈｚ～１ＭＨｚの周波数帯域で、電波塔を流れる電流波形を観測可能になっている。観測された電流波形は、１μｓでサンプリングされ、ＧＰＳ時計でタイムスタンプされる。なお、観測に使用した落雷は、尾神岳で発生し、そこの電波塔を流れたものである。
　サーチコイル磁界計（実施形態の磁界測定部１０）は、尾神岳から２９６ｋｍ離れた宮城県の女川観測所（０ｎａｇａｗａ）に設置されており、２～９０Ｈｚの周波数帯域で、雷放電電磁界パルスを観測可能になっている。サーチコイル磁界計は、地理的な南北方向と東西方向の水平２成分を観測するようになっている。観測された電界波形は、１６ビットの分解能で離散化されて記録される。
　図７に示す、尾神岳で観測された電流波形は、サーチコイル磁界計により観測された磁界波形と比較するため、周波数帯域を９０Ｈｚ以下に制限している。図７に示すように、電流は、小さな変化の後、最大値２６ｋＡまで増加し、その後減衰している。ここで、電流の積分は、落雷により流れた電荷量に相当する。図７に示す落雷の最初の正極性の部分の電荷量は４７４Ｃ、続く負極性の部分は－４９６Ｃである。電流波形の負極性の部分が、ロゴウスキーコイルの低周波での感度不足によるものであるとすると、この落雷に伴う実際の電荷量は、前半の正極性の部分より少し多いおおよそ５４０Ｃと推定される。
　図８に、尾神岳で発生した同じ落雷に伴って女川観測所で観測された磁界成分の波形を示す。極性は、南西方向を正としている。両成分の波形は相似であり、ＮＳ方向成分に対するＥＷ方向成分の比は、ＮＳ方向成分の絶対値が１００ｎＴを超える場合、図８中の黒丸で示すように、約０．７０である。その比に基づく電磁パルスの入射方位は、南から５４．８°西であり、尾神岳の方位に対しやや南にずれているが、ほぼ一致している。方位の僅かなずれは、主に直交磁界計（磁界測定部１０）の設置、例えば磁界計セットの水平面内の回転、または感度の較正誤差によるものと推定される。また、電源線由来の５０Ｈｚの誘導ノイズの影響も考えられる。このように、磁界の各成分の波形から、落雷の方位を求めることができる。
　磁界の各成分の波形から求めた落雷の方位を、落雷位置標定システム等と組み合わせることにより、落雷位置の測定精度を高めることができる。また、複数の位置で落雷の方位を求めることにより、落雷の位置を求めることもできる。
　図７に示す電流波形と、図８に示す磁界波形とを比較するため、女川観測所での磁界の観測周波数帯域２～９０Ｈｚに合わせて、電流波形に高周波側のカットオフ周波数が９０Ｈｚのフィルタ（減衰率：－６ｄＢ／オクターブ）をかけた。フィルタ適用後の波形を、図９に示す。図９に示すように、振幅と極性の違いを除くと、得られた波形は、図８に示す磁界波形によく一致していることが確認された。これは、図８に示す磁界波形は、主に雷電流に伴う誘導成分で構成されていることを示している。このことから、低周波数帯域で観測された磁界波形から、雷の電流波形を求めることができるといえる。その電流波形を積分することにより、落雷により流れた電荷量を求めて、落雷の電荷量を推定することができる。
［落雷に伴う電磁界のシミュレーション］
　雷による電磁パルスが電離層下を放射状に伝搬するときの、電磁界のシミュレーションを行った。シミュレーションには、様々な状況での雷に伴う電磁界のシミュレーションに適用されている、ＦＤＴＤ法（時間領域差分法）を使用した。また、座標系として、円筒座標系を使用した。放電路を大地に垂直な単純なものとし、円筒座標系での軸対象条件を適用した。また、大地および複数層構造の電離層を、水平の平行平板と仮定した。入力する電流波形として、図９に示す電流波形を使用した。
　図１０に、尾神岳で発生した雷から女川観測所までの２９６ｋｍの、電磁パルスの電離層下での伝搬を再現するための円筒座標系ＦＤＴＤシミュレーションの概要図を示す。図１０に示すように、シミュレーション空間の中心の垂直軸に沿って、長さ４ｋｍの単純な雷放電路が地表に設置されている。また、シミュレーション空間の電磁界は、放電路の周囲の半径２ｋｍにある磁界要素Ｈｙ（０，０）に配置された水平磁界により励振される。シミュレーションでは、放電路に沿って下向きに流れる正極性の電流が、Ｈｙ（０，０）において正の水平磁界を生じている。大地の導電率は、一様に１ｍＳ／ｍとした。電離層は、水平の７層から成り、昼と夜について、各層で異なる導電率（σＤ，σＮ）を設定した。ただし、比誘電率εｒおよび比透磁率μｒは、真空と同一にした。シミュレーション空間は、ＰＭＬ吸収境界により囲まれているが、端の壁はそこでの反射が観測点に影響を与えないように離している。
　図１１に、女川観測点に対応する、雷から２９８ｋｍの距雛における水平磁界波形のシミュレーション結果を示す。図１１に示す波形は、図９の波形と良く似ており、ほとんど誘導界で占められていることを示している。これは、９０Ｈｚで３３００ｋｍという電波の波長よりも、伝搬距離がはるかに短いためである。また、図８に示す磁界波形の第一パルスの負極性への振れは、図１１に示すシミュレーションによる磁界波形の負極性への振れよりも深くなっている。これは、磁界観測の低周波側のカットオフ周波数が２Ｈｚであり、電流観測の低域のカットオフ周波数０．１Ｈｚより高いためである。
　また、図１１に示すように、シミュレーションにより得られた磁界のピーク値は、観測波形では見られない高周波の変化を無視すると、約８００ｐＴであった。観測された磁界のピーク値は、ＮＳ方向成分とＥＷ方向成分とで構成され、４８０ｐＴであった。観測されたピーク値は、シミュレーションにより得られたピーク値の０．６と小さい。磁界の振幅が放電路の長さに比例すると仮定すると、実際の放電路長は２．４ｋｍと推定される。磁界から電流を推定する場合には、他の落雷観測により得られた放電路長を参考にすればよい。
　電磁パルスの伝搬に及ぼす電離層の影響を調べるため、単純な電流パルスに伴う磁界を、異なる距離について求めた。雷電流を、ピーク値１ｋＡで、半値幅が１、２、４ｍｓのガウスパルスとした。そのガウスパルスの立ち上りの周波数はおおよそ４００、２００、１００Ｈｚとなる。
　図１２に、雷電流を半値幅４ｍｓのガウスパルスと仮定したときのシミュレーションにより得られた、伝搬距離２９８ｋｍの水平磁界波形を示す。図１２に示すように、シミュレーションにより得られた磁界波形は、僅かな負極性への振れを除き、電離層の有無によらず、電流波形と良く似ている。これは、電流の波形と磁界の波形とが、相似になることを示している。昼と夜に電離層下を伝搬する電磁界の波形は、電離層が無い場合に比べ、信号強度が４．３倍または４．１倍となっている。
　図１３に、図１２と同じ条件のシミュレーションにより得られた、水平磁界パルスの対数ピーク値と対数伝搬距離との関連を示す。図１３に示すように、ピーク値は、電離層の有無によらず、伝搬距離が延びると減衰している。その平均の減衰率は、電離層がある場合には－０．８、電離層がない場合には－１．６であった。これは、電離層には、電離層が無い場合の距離に依存する磁界の減衰を、約１／１０に抑える効果があることを示している。電離層が無い場合の尾神岳－女川観測所間の伝搬では、図１３に示すように、磁界ピーク値の減衰率は１．８であった。ここで、完全導体の大地上の垂直な電気双極子は、地表に水平磁界を生じ、その磁界の誘導成分および放射成分は、それぞれ双極子からの距離の２乗および１乗に反比例して減衰する。また、実際の磁界の減衰は、両方の成分の減衰が混在したものとなる。このことから、尾神岳一女川観測所間を伝搬する磁界は、ほとんど電離層により減衰が抑えられた誘導成分であると考えられる。
　図１４に、電流パルスの半値幅を変えたときの、シミュレーションにより得られた磁界パルスの両極性比率の伝搬距離依存性を示す。ここで、磁界パルスの両極性比率とは、磁界波形の第一ピークに対する後続の負極性でのピークの比の絶対値である。また、図１４は、電離層がある場合の昼でのシミュレーション結果である。図１４に示すように、両極性比率は、伝搬距離が延びると、約０．３まで増加している。また、電流パルスの半値幅が増えると、両極性比率の曲線が伝搬距離の長い方に平行移動している。電離層が無い条件では、磁界パルスの両極性比率は伝搬距離が延びると１に近づくことから、電離層の効果により両極性比率の増加が抑えられることがわかる。
　シミュレーションにより得られた磁界パルスが女川観測所で観測されるとすると、電流パルスの半値幅は、カットオフ周波数９０Ｈｚに相当する４ｍｓ、伝搬距離は２９６ｋｍであるため、図１４から、両極性比率は約５％となる。これは、電流波形と磁界パルスの波形との違いが小さいことを示している。図１４から、磁界波形のピークの後の僅かな負極性への振れは、観測周波数の低域を延ばすことにより改善可能であり、それにより、磁界波形と電流波形とをよりよく一致させることができるといえる。
　図１４に示す両極性比率が十分に小さい周波数および伝搬距離の範囲では、磁界波形から元の雷電流波形を容易に再現することができる。このような低周波成分で構成される再現された電流波形により、雷により引き起こされる設備の損傷に関連する電荷量を高精度で推定することができる。すなわち、再現された電流波形を積分することにより、落雷により流れた電荷量を推定することができる。推定された落雷の電荷量と、落雷位置標定システム（ＬＬＳ）等により求められた落雷位置の情報と組み合わせることにより、送電線の溶損等の落雷による潜在的なダメージの想定を行うことができ、被害対策の必要性の判断を行うための材料を提供することができる。
　磁界波形から元の雷電流波形を再現するときに、両極性比率を５％まで許容する場合には、図１４から、半値幅４ｍｓのとき、観測周波数１００Ｈｚ以下、観測距離３００ｋｍ以下、半値幅２ｍｓのとき、観測周波数２００Ｈｚ以下、観測距離１５０ｋｍ以下、半値幅１ｍｓのとき、観測周波数４００Ｈｚ以下、観測距離７０ｋｍ以下となる。また、両樋性比率を１０％まで許容する場合には、半値幅４ｍｓのとき、観測周波数１００Ｈｚ以下、観測距離４００ｋｍ以下、半値幅２ｍｓのとき、観測周波数２００Ｈｚ以下、観測距離２５０ｋｍ以下、半値幅１ｍｓのとき、観測周波数４００Ｈｚ以下、観測距離１５０ｋｍ以下となる。さらに、両様性比率を２０％まで許容する場合には、半値幅４ｍｓのとき、観測周波数１００Ｈｚ以下、観測距離１０００ｋｍ以下、半値幅２ｍｓのとき、観測周波数２００Ｈｚ以下、観測距離５００ｋｍ以下、半値幅１ｍｓのとき、観測周波数４００Ｈｚ以下、観測距離３００ｋｍ以下となる。
　電流波形を積分して電荷量を求めるため、電流の速い変化(高周波数成分)は、電荷量に影響しない。このため、数百ｍｓオーダーの継続時間の電流波形を積分することを考慮すると、その時間分解能は数十ｍｓあれば十分だと考えられる。このことから、例えば、電流パルス幅を１０ｍｓ程度とすると、観測周波数は約２５Ｈｚ以下となり、許容できる両極性比率を５％とすると、誘導磁界の観測距離は、８００ｋｍ～１０００ｋｍ以下になる。この場合、例えば、日本全体を３箇所の観測点でカバーすることができる。
［落雷の電荷量を求める具体的な手法の検討］
　以上の落雷の観測および落雷に伴う電磁界のシミュレーションの結果に基づいて、測定された磁界波形から落雷の電荷量を求める具体的な手法の検討を行った。まず、方位推定手段や落雷位置標定システム等を利用して求められた落雷の位置から、磁界測定手段による磁界測定点までの距離を求め、その距離における磁界の大きさに対する雷電流の比を、図１３から求める。その比を、磁界測定手段により測定された図８に示すような磁界波形に掛けると、放電路長が４ｋｍの場合の雷電流波形が得られる。
　得られた雷電流波形に、放電路の実長／４ｋｍの比を掛けると、放電路が垂直の場合の雷電流波形が得られる。ここで、放電路の実長は、他の落雷観測により得られた放電路長を参考にすることができる。さらに、得られた雷電流波形に、１／ｃｏｓθ（θは放電路の傾斜角）を掛けると、傾斜した放電路を流れる雷電流波形が得られる。ここで、θは、観測で得られている平均的な値を参考にすることができる。
　なお、雷電流波形と磁界波形との関係には歪が含まれるため、図１４から、歪の小さい地点で観測された磁界波形を利用することにより、信頼度の高い雷電流波形を推定することができる。こうして得られた落雷の電流波形を積分することにより、落雷により大地に流れた電荷の量を求めることができる。
　以上の手順に従って、実際に図１３の磁界波形から落雷の電荷量を推定した。図１３に示す観測された磁界のＮＳ方向成分のピーク値は３９０ｐＴ、ＥＷ方向成分のピーク値は２７０ｐＴであった。これらから、ＮＳ方向成分の２乗とＥＷ方向成分の２乗との和の平方根から求められる合成磁界のピーク値は、４８０ｐＴと算出される。図１３から、尾神岳で発生した落雷の放電路長が４ｋｍ、電流値が１ｋＡの時、尾神岳からの距離が２９６ｋｍの女川観測所で観測される磁界は５０ｐＴである。この関係から、電流値は、１ｋＡ×４８０ｐＴ／５０ｐＴ＝１０ｋＡと算出される。放電路長を、尾神岳を含むエリアでの冬期の雷の平均的な放電路長の３ｋｍとし、放電路の平均的な傾斜を４５°とすると、磁界を生じる垂直な等価放電路長は、３ｋｍ／√２＝約２．１ｋｍと推定される。この長さと、想定した放電路長４ｋｍとの比から、電流ピーク値は、１０ｋＡ×４ｋｍ／２．１ｋｍ＝１９ｋＡと推定される。この値は、図９に示す実測の電流ピーク値１８ｋＡとほぼ一致している。同様に、図１１に示す磁界波形を電流波形に換算して積分すると、電荷量５３０ｋＡと算出される。この値は、図９に示す電流波形の積分により得られる電荷量５４０ｋＡとほぼ一致している。
　以上の考察より、本願実施形態に係る落雷の電荷量推定システム１００により、落雷の電荷量を適切に推定できることが確認された。
　なお、本願発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。
　例えば、メモリ２０２に記憶されている動作プログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disk Read-Only Memory）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、ＭＯ（Magneto-Optical disk）等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して配布されてもよい。その動作プログラムがコンピュータにインストールされることにより、電荷量推定システムの機能を実現することもできる。
　また、プログラムをインターネット等の通信ネットワーク上の所定のサーバ装置が有するディスク装置等に格納しておき、例えば、搬送波に重畳させて、コンピュータにダウンロード等するようにしても良い。
　また、通信ネットワークを介してプログラムを転送しながら起動実行することによっても、上述の機能を達成することができる。
　更に、プログラムの全部又は一部をサーバ装置上で実行させ、その処理に関する情報をコンピュータが通信ネットワークを介して送受信しながらプログラムを実行することによっても、上述の機能を達成することができる。
　なお、上述の機能を、ＯＳ（Operating System）が分担して実現する場合又はＯＳとアプリケーションとの協働により実現する場合等には、ＯＳ以外の部分のみを媒体に格納して配布してもよく、また、コンピュータにダウンロード等しても良い。
　本出願は、平成２４年１１月１５日に出願された日本国特許出願２０１２－２５１４９３号に基づく。本明細書中に、本国特許出願２０１２－２５１４９３号の内容を取り込むものとする。
　本願発明は、落雷の電荷量を推定する場合に広く利用可能である。
　１０　磁界測定部
　２０　電荷量算出部
　２１　Ａ／Ｄ変換器
２２　ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
２３　ＲＴＣ
２４　記憶部
２５　距離判別部
２６　電離層情報収集部
２７　磁界電流比テーブル
２８　電流計算部
２９　乗算部
３０　積分部（累算部）
１００　落雷の電荷量推定システム
２０１　ＣＰＵ
２０２　メモリ
２０３　入力装置
２０４　通信装置
２０５　出力装置

Claims (10)

  1. 　２００Ｈｚ以下の周波数を含む周波数帯域で、落雷により発生する磁界を測定する磁界測定手段と、
    　前記磁界測定手段で測定された磁界に基づいて、前記落雷の電流を求め、その電流を積分して電荷量を求める電荷量算出手段と、
    を有することを特徴とする落雷の電荷量推定システム。
  2. 　前記周波数帯域は、１００Ｈｚ以下の周波数を含むことを特徴とする請求項１に記載の落雷の電荷量推定システム。
  3. 　前記磁界測定手段で測定された磁界に、高周波数側のカットオフ周波数が１００Ｈｚのフィルタをかけるフィルタ手段を有し、
    　前記電荷量算出手段は、前記フィルタ手段でフィルタをかけた後の磁界に基づいて電荷量を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の落雷の電荷量推定システム。
  4. 　前記磁界測定手段は、落雷により発生する磁界の２つの直交成分を測定し、
    　前記磁界測定手段で測定された前記磁界の各成分に基づいて、前記落雷の方向を求める方位推定手段を更に有する、
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の落雷の電荷量推定システム。
  5. 　前記磁界測定手段は、測定された磁界が初期の極性と逆の極性の値を含まないよう、測定対象の周波数帯域に低周波領域を含んでいることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の落雷の電荷量推定システム。
  6. 　前記電荷量算出手段は、磁界または磁界に基づいて求めた電流が初期の極性と逆の極性の値を含まないよう補正した後、電荷量を求めることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の落雷の電荷量推定システム。
  7. 　前記電荷量算出手段は、
    　測定された磁界に、予め設定されている磁界電流変換係数を乗算することにより落雷の電流を求める手段と、
    　求めた電流に、放電路の長さと傾きに基づく補正係数を乗算する手段と、
    　補正係数が乗算された電流を積分する積分手段と、
    を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の落雷の電荷量推定システム。
  8. 　前記磁界電流変換係数は、落雷地点から磁界測定地点までの距離に依存する磁界の減衰と電離層の状態に依存する磁界の減衰との少なくとも一方を考慮して設定されている、
    ことを特徴とする請求項７に記載の落雷の電荷量推定システム。
  9. 　落雷により発生する磁界を測定するステップと、
    　測定された磁界に基づいて、落雷の電流を求めるステップと、
    　求められた電流を積分して落雷による電荷量を求めるステップと、
    を有することを特徴とする落雷の電荷量推定方法。
  10. 　コンピュータに、
    　測定された磁界に基づいて、落雷の電流を求めるステップと、
    　求められた電流を積分して落雷による電荷量を求めるステップと、
    を実行させるコンピュータプログラム。
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