(57)【要約】【課題】鉄塔塔脚のアンカー部や基礎部の周囲にループ導体または平板導体を接続するという簡単な構造により、塔脚の電位上昇を確実に抑制可能とした低コストの電位上昇抑制方法及び抑制装置を提供する。【解決手段】地中に埋設される基礎部２０と、この基礎部２０にを固定されたアンカー部１１とを備えた構造において、アンカー部１１の表面または基礎部２０の表面にループ導体３０または平板導体を接続し、鉄塔塔脚からアンカー部１１または基礎部２０を介して大地に流れる雷電流を打ち消す方向の誘導電流をループ導体３０または平板導体に通流させ、鉄塔塔脚１０の急峻な電位上昇を抑制する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に埋設される基礎部と、鉄塔塔脚を前記基礎部に固定するために地中に埋設されるアンカー部と、を備えた構造において、
前記アンカー部の表面または前記基礎部の表面に導体を接続し、前記鉄塔塔脚から前記アンカー部または前記基礎部を介して大地に雷電流が流れた際に、電磁誘導により、前記雷電流を打ち消す方向の誘導電流を前記導体に通流させ、前記鉄塔塔脚の電位上昇を抑制することを特徴とする鉄塔塔脚の電位上昇抑制方法。
【請求項２】
地中に埋設される基礎部と、鉄塔塔脚を前記基礎部に固定するために地中に埋設されるアンカー部と、を備えた構造において、
前記アンカー部の表面または前記基礎部の表面に導体を接続し、前記鉄塔塔脚から前記アンカー部または前記基礎部を介して大地に流れる雷電流を打ち消す方向の誘導電流を前記導体に通流させ、前記鉄塔塔脚の電位上昇を抑制することを特徴とする鉄塔塔脚の電位上昇抑制装置。
【請求項３】
請求項２に記載した鉄塔塔脚の電位上昇抑制装置において、
前記導体は、前記アンカー部の表面または前記基礎部の表面に接続され、前記アンカー部の表面または前記基礎部の表面と相まって閉回路を構成すると共に、雷電流により発生する磁束が内部空間に鎖交する線状のループ導体であることを特徴とする鉄塔塔脚の電位上昇抑制装置。
【請求項４】
請求項２に記載した鉄塔塔脚の電位上昇抑制装置において、
前記導体は、前記アンカー部の表面または前記基礎部の表面に接続され、雷電流により発生する磁束が鎖交する平板導体であることを特徴とする鉄塔塔脚の電位上昇抑制装置。
【請求項５】
請求項３に記載した鉄塔塔脚の電位上昇抑制装置において、
前記アンカー部が棒状部材により構成され、その外周面に、互いに等間隔で放射状に複数の前記ループ導体を接続したことを特徴とする鉄塔塔脚の電位上昇抑制装置。
【請求項６】
請求項４に記載した鉄塔塔脚の電位上昇抑制装置において、
前記アンカー部が棒状部材により構成され、その外周面に、互いに等間隔で放射状に複数の前記平板導体を接続したことを特徴とする鉄塔塔脚の電位上昇抑制装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電システム等の鉄塔塔脚（以下、単に塔脚ともいう）の電位上昇を抑制するための抑制方法及び抑制装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風力発電システムにおいて、風力発電装置が接地された鉄塔への雷撃により、波頭部分が急峻に増加する雷電流が塔脚から大地に流れると、接地点の有するインダクタンス成分によって雷電流の波頭部分による電位上昇値が波尾部分より著しく大きくなることがある。
ここで、図１３（ａ）は風力発電システムの塔脚から大地に流れる雷電流の一例を示す波形図、図１３（ｂ）は上記雷電流による接地点の電位を示す波形図であり、塔脚を固定するアンカー部や地中の基礎部が有するインダクタンス成分に起因して、雷電流の波頭部分に対応する急峻な電位上昇が生じていることがわかる。
【０００３】
上記の電位上昇により、風力発電システムの塔脚内またはその近傍に設置された電力・通信・制御設備と外部から引き込まれた導体との間に過電圧が印加され、その結果、これらの設備に大きな被害が発生することが非特許文献１，２等に記載されている。
【０００４】
一方、特許文献１には、風力発電システムにおける雷撃時の大地電位上昇を抑制するために、鉄塔の基礎部に設けられた配筋を接地すると共に、前記基礎部の等価半径以上で十分に離れた位置に接地極を複数埋設することにより、合成接地抵抗を低減することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２２５６６０号公報（段落［００２７］〜［００３１］，［００７６］〜［００８２］、図９，図１０等）
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】山本和男他，「縮小モデルを用いた風力発電システムの雷過電圧に関する実験的検討」（電気学会論文誌Ｂ，ｖｏｌ．１２６，Ｎｏ．１，ｐｐ．６５−７２，２００６年１月）
【非特許文献２】山本和男他，「風力発電システムの雷過電圧に関する実験的検討−実際の土壌における縮小モデル実験」（電気学会論文誌Ｂ，ｖｏｌ．１２６，Ｎｏ．１２，ｐｐ．１２３０−１２３８，２００６年１２月）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された従来技術では、配筋と複数の接地極との接続作業や接地極の埋設作業に多くの手間とコストがかかるという問題があった。
そこで本発明の解決課題は、塔脚を固定するアンカー部や基礎部の表面にループ状または平板状の導体を接続するという簡単な構造により、塔脚の電位上昇を確実に抑制し、しかも低コストにて実現可能な電位上昇抑制方法及び抑制装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１に係る鉄塔塔脚の電位上昇抑制方法は、地中に埋設される基礎部と、鉄塔塔脚を前記基礎部に固定するために地中に埋設されるアンカー部と、を備えた構造において、
前記アンカー部の表面または前記基礎部の表面に導体を接続し、前記鉄塔塔脚から前記アンカー部または前記基礎部を介して大地に雷電流が流れた際に、電磁誘導により、前記雷電流を打ち消す方向の誘導電流を前記導体に通流させ、前記鉄塔塔脚の電位上昇を抑制するものである。
【０００９】
請求項２に係る鉄塔塔脚の電位上昇抑制装置は、地中に埋設される基礎部と、鉄塔塔脚を前記基礎部に固定するために地中に埋設されるアンカー部と、を備えた構造において、
前記アンカー部の表面または前記基礎部の表面に導体を接続し、前記鉄塔塔脚から前記アンカー部または前記基礎部を介して大地に流れる雷電流を打ち消す方向の誘導電流を前記導体に通流させ、前記鉄塔塔脚の電位上昇を抑制するものである。
【００１０】
請求項３に係る鉄塔塔脚の電位上昇抑制装置は、請求項２に記載した電位上昇抑制装置において、
前記導体は、前記アンカー部の表面または前記基礎部の表面に接続され、前記アンカー部の表面または前記基礎部の表面と相まって閉回路を構成すると共に、雷電流により発生する磁束が内部空間に鎖交する線状のループ導体であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る鉄塔塔脚の電位上昇抑制装置は、請求項２に記載した電位上昇抑制装置において、
前記導体は、前記アンカー部の表面または前記基礎部の表面に接続され、雷電流により発生する磁束が鎖交する平板導体であることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係る鉄塔塔脚の電位上昇抑制装置は、請求項３に記載した電位上昇抑制装置において、
前記アンカー部が棒状部材により構成され、その外周面に、互いに等間隔で放射状に複数の前記ループ導体を接続したものである。
【００１３】
請求項６に係る鉄塔塔脚の電位上昇抑制装置は、請求項４に記載した電位上昇抑制装置において、
前記アンカー部が棒状部材により構成され、その外周面に、互いに等間隔で放射状に複数の前記平板導体を接続したものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、鉄塔塔脚を固定する地中のアンカー部または基礎部の表面にループ導体や平板導体を接続することにより、塔脚からアンカー部または前記基礎部に流れる雷電流を打ち消す方向の誘導電流を流すことができ、アンカー部や基礎部のインダクタンス成分に起因した塔脚の急峻な電位上昇を抑制することができる。
また、本発明は、上述した雷電流による急峻な電位上昇の抑制以外にも、塔脚の定常接地抵抗値の低減にも有益である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の概略的な構成を示す図である。
【図２】本発明による電位上昇の抑制原理を説明するための図である。
【図３】ＦＤＴＤ法の解析空間を解析モデルと共に示した図である。
【図４】ループ導体及び平板導体の寸法の説明図である。
【図５】解析に用いた注入電流の波形図である。
【図６】解析に用いたループ導体または平板導体の接続位置の説明図である。
【図７】導体の接続位置が異なる各ケースについての電位上昇値を示すグラフである。
【図８】導体の種類が異なる各ケースについての電位上昇値を示すグラフである。
【図９】ループ導体について一辺の長さを変化させた場合の電位上昇値の最大値を示すグラフである。
【図１０】平板導体について一辺の長さを変化させた場合の電位上昇値の最大値を示すグラフである。
【図１１】ループ導体について一辺の長さを変化させた場合の電位上昇値の最大値を示すグラフである。
【図１２】平板導体について一辺の長さを変化させた場合の電位上昇値の最大値を示すグラフである。
【図１３】風力発電システムの塔脚から大地に流れる雷電流の一例を示す波形図（図１３（ａ））、及び、上記雷電流による接地点の電位を示す波形図（図１３（ｂ））である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は、本発明の構成を示す概要図である。本発明では、図１に示すように、風力発電システムを構成する鉄塔の塔脚１０に、地中に埋設されるアンカー部１１が固定されており、このアンカー部１１の表面、または基礎部２０の表面に、雷電流を打ち消す誘導電流を流すためのループ導体３０または平板導体（図示せず）が接続される。ここで、ループ導体３０は厳密にはループ状（環状）ではなく例えばコ字形に形成されており、ループ導体３０が接続されるアンカー部１１等の表面と相まって閉回路を形成するものであるが、本明細書では、このような機能を果たす限り、ループ導体というものとする。この場合、ループ導体３０または平板導体に接続されるアンカー部１１や基礎部２０は、例えば鉄筋コンクリートにより構成されている。
なお、図１において、ａ，ｂはループ導体３０の各辺の長さを、Ｘ，Ｙ，Ｚは三次元の各方向を示している。
【００１７】
図２は、本発明による電位上昇の抑制原理を説明するための図である。
いま、塔脚１０に雷電流が流れ、この塔脚１０に電気的に接続されたアンカー部１１に図示する如く電流Ｉ１が流れたとする。なお、電流Ｉ１は、前述したように波頭部分が急峻に増加するような波形を持つ。
電流Ｉ１によってループ導体３０の内部空間に磁束Φが発生すると、レンツの法則により前記磁束Φを打ち消す方向の磁束Φ’を発生させるようにループ導体３０に起電力が発生して誘導電流Ｉ２が流れる。
【００１８】
その結果、ループ導体３０が接続されているアンカー部１１の表面には電流（Ｉ１−Ｉ２）が流れることになり、ループ導体３０が接続されていない場合に比べて、アンカー部１１や基礎部２０のインダクタンス成分による過渡的な電位上昇が抑制されることになる。
ここで、ループ導体３０は、図１に示したようにアンカー部１１の軸を中心として、外周面の複数箇所（例えば４箇所、８箇所等）に、互いに等間隔で放射状に配置することが望ましい。
【００１９】
上述した電位上昇の抑制効果は誘導電流Ｉ２の大きさに依存し、言い換えればループ導体３０または平板導体の種類、接続位置、大きさ等に左右される。
このため発明者は、以下の方法により様々なケースについて電位上昇の抑制効果を解析した。
【００２０】
解析方法としては、数値電磁界解析手法の一つであるＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain）法を用いた。このＦＤＴＤ法は、例えば宇野享の「ＦＤＴＤ法による電磁界およびアンテナ解析」（コロナ社，１９８６年発行）に記載されている。
図３は、ＦＤＴＤ法の解析空間を解析モデル（塔脚１０、アンカー部１１、基礎部２０、ループ導体３０または平板導体からなる）と共に示した図である。解析空間５０の大きさは、Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向の長さを５０〔ｍ〕とし、空間の刻み幅は全ての方向で０．５〔ｍ〕とした。立方体である解析空間５０を囲む６つの面は、二次のLiaoの吸収境界条件を用いて開空間を模擬している。大地は、抵抗率ρ＝１００〔Ω・ｍ〕の物質をＺ＝２０〔ｍ〕の高さまで満たすことにより表現している。なお、６０は塔脚１０に接続された電流注入線である。
【００２１】
ループ導体３０としては、Y.Baba, N.Nagaoka, A.Ametani, “Modeling of the wires in a lossy medium for FDTD simulation”, IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility, Vol.47, Issue 1, pp. 54-60 (2005年２月)に記載されている細線導体モデルを用いた。
図４は、解析に用いたループ導体３０または平板導体の寸法を定義した図であり、Ｚ方向（アンカー部１１の長手方向）の長さをａ〔ｍ〕とし、これに直交する幅方向（Ｙ方向）の長さをｂ〔ｍ〕とした。
【００２２】
種々のループ導体３０及び平板導体を使用したときの電位上昇の抑制効果を検証するため、電流注入線６０への注入電流Ｉと、基礎部２０の電位上昇値Ｖ（基礎部２０の周辺からループ導体３０の中心軸に向かう方向を正とする）とを計算した。
図５は、注入電流Ｉの波形図であり、波高値１〔Ａ〕、波頭長０．１〔μｓ〕の急峻な立ち上がりの波形として、比較的急峻に立ち上がる雷電流の波頭部分を模擬した。
【００２３】
また、図６は、ループ導体３０または平板導体の接続位置を説明した図である。なお、便宜的に、図６ではループ導体３０のみを示してあるが、平板導体についても同様な位置に接続するものとする。
図６（ａ）は、アンカー部１１の外周面（側面）において、アンカー部１１の中心軸を含む平面内に位置するように（アンカー部１１の径方向に沿って）ループ導体３０または平板導体を接続した例であり、これらをケース２，ケース６〜１８とする。図６（ｂ）は、基礎部２０の上面に直交する平面内に位置するようにループ導体３０または平板導体を接続した例であり、これをケース３とする。
図６（ｃ）は、基礎部２０の側面において、アンカー部１１の中心軸を含む平面内に位置するように（基礎部２０の径方向に沿って）ループ導体３０または平板導体を接続した例であり、これをケース４とする。図６（ｄ）は、基礎部２０の下面に直交する平面内に位置するようにループ導体３０または平板導体を接続した例であり、これをケース５とする。
なお、ループ導体３０または平板導体を接続しない例を、ケース１とする。
【００２４】
上述した図６（ａ）〜（ｄ）の配置例において、本発明の原理上、ループ導体３０または平板導体の向きは、アンカー部１１を流れる雷電流によって発生する磁束が鎖交するような向きにする必要がある。例えば、ループ導体３０について言えば、上記磁束がループ導体３０の内部空間を貫通するような向きに配置する。
ループ導体３０または平板導体を複数箇所（例えば４箇所、８箇所等）に接続する場合には、前述したように互いに等間隔で放射状に配置することが望ましい。
【００２５】
上記各ケース１〜１８の具体的条件を、一覧表として表１に示す。例えば、ケース２は、寸法が３〔ｍ〕×５〔ｍ〕であって断面積が１００〔ｍｍ２〕のループ導体を、アンカー部１１の側面に４個接続した場合を示している。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
図７は、ケース１〜５についての基礎部２０の電位上昇値Ｖを示したものである。ループ導体３０等を接続しないケース１に比べ、ループ導体３０をそれぞれ異なる位置に接続したケース２〜５では、何れも電位上昇値Ｖが低下していることが確認された。
ちなみに、ケース１に対するケース２〜１８の電位上昇値Ｖの最大値の比を、表２にまとめて示す。この表２によれば、基礎部２０の上面や側面、下面にループ導体３０等を接続しても電位上昇の抑制効果は低く、アンカー部１１の側面に接続した方が電位上昇の抑制効果が高いことが明らかである。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
以上の結果は、例えば風力発電システムの接地が有する誘導性の特性の多くは、アンカー部１１が有するインダクタンス成分によるものであることを示している。
実際の風力発電システムにおいては、低接地抵抗値を得るために各種の接地線を基礎部に接続することが行われる。従って、このような場合には接地線を基礎部に接続するのではなく、図６（ａ）に示したように、アンカー部１１の側面に接続した方が、定常接地抵抗値を低減させることができると共に、波頭部が急峻に増加する雷電流が接地側に侵入した際の急峻な電位上昇を抑制することも可能になり、一層効果的であると言える。
上述した理由から、以下では、アンカー部１１の側面にループ導体３０や平板導体を接続した場合について検討を進める。
【００３０】
まず、導体の種類と電位上昇の抑制効果との関係について考察する。
ループ導体３０を構成する線状導体の断面積を変化させ、あるいは、ループ導体３０に代えて平板導体を用いた場合の電位上昇の抑制効果を検討する。
図８は、ケース１，２，６〜９についての基礎部２０の電位上昇値Ｖを示したものである。同図によれば、ループ導体３０の断面積が大きい方が電位上昇の抑制効果が大きいが、断面積の違いによる電位上昇値Ｖの差異は１〔％〕以下と小さく、ループ導体３０を用いる場合には、現在、接地線として使用されている導線で十分であることが判明した。
また、ループ導体３０と同じ大きさ（ａ，ｂがそれぞれ等しい）の平板導体を用いたケース６では、ループ導体３０を用いた場合よりも電位上昇の抑制効果が大きくなることが明らかになった。
【００３１】
次に、導体の大きさ（ａ，ｂの長さ）と電位上昇の抑制効果との関係について考察する。
ここでは、ループ導体３０及び平板導体について、図４に示した長さａ，ｂを変化させた場合の電位上昇の抑制効果を検討する。
【００３２】
図９は、ループ導体３０の幅ｂを５〔ｍ〕に固定し、高さａを変化させた場合の電位上昇値Ｖの最大値Ｖｍａｘを示している。また、図１０は、平板導体について同様に測定した場合のものである。
これらの図から、何れの場合も高さａを長くするほど電位上昇の抑制効果が大きくなることが判る。
【００３３】
更に、図１１は、ループ導体３０の高さａを３〔ｍ〕に固定し、幅ｂを変化させた場合の電位上昇値Ｖの最大値Ｖｍａｘを示している。また、図１２は、平板導体について同様に測定した場合のものである。
何れの場合も幅ｂを長くするほど電位上昇の抑制効果が大きくなるが、単位導体長当たりの抑制効果は、高さａを長くした方が大きいことが判明した。これは、塔脚（アンカー部）から離れるに従って塔脚を流れる電流による磁界は距離に反比例して減少するので、ａを長くした方がｂを長くするよりもループ導体に鎖交する磁束が多くなり、この磁束に応じた誘導電流も大きくなるためである。
しかし、大地抵抗率が大きい場所などでは、ｂを長くすることで定常接地抵抗値を下げることができ、このような効果と併せて雷撃時の過渡的な接地抵抗を低減させたい場合には、ｂを長くすることも有効であると言える。
【００３４】
以上のように、この実施形態によれば、アンカー部１１の表面や基礎部２０の表面にループ導体３０または平板導体を接続することにより、アンカー部１１や基礎部２０のインダクタンス成分によって塔脚の電位が急激に上昇するのを抑制することができる。
また、必要な部品はループ導体３０または平板導体であり、アンカー部１１の側面等への接続作業も簡単に実現可能であるから、資材や工事の費用も安く済み、コストの低減を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、風力発電システムに限らず、送電鉄塔などの塔脚に対しても適用可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１０：塔脚
１１：アンカー部
２０：基礎部 
３０：ループ導体
５０：解析空間
６０：電流注入線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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