(57)【要約】  【課題】雷撃電流をディジタル演算処理して波高値と電荷量を算出し、これにより雷撃電流計測装置の簡略化、小形化、低価格化を可能にする。  【解決手段】雷撃電流を計測する電流センサ２０１及びセンサＩ／Ｆ部２０５を有するセンサ部Ｂ１と、ピークホールド回路２０６及びＡ／Ｄ変換部２０７を有する波高値演算部Ｂ２と、絶対値回路２０８及びＡ／Ｄ変換部２０９を有する電荷量演算部Ｂ３と、ＧＰＳ受信機２１０を有する時刻計測部Ｄと、メモリカード２０３を有するデータ記憶部Ｃと、トリガ発生を判定して雷撃電流の波高値を取得すると共に電荷量を取得し、これらのデータを時刻計測部Ｄにより計測したトリガ発生時刻と共にメモリカード２０３に記憶させる演算処理部Ａとを備える。【選択図】図２
2006275845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
雷撃電流を計測する電流センサと、この電流センサの出力信号波形を整形して出力するセンサインターフェイス部と、を有するセンサ部と、
前記センサインターフェイス部の出力波形が入力されるピークホールド回路と、このピークホールド回路のアナログ出力信号をディジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換部と、を有する第１の演算部と、
前記センサインターフェイス部の出力波形が入力される絶対値回路と、この絶対値回路のアナログ出力信号をディジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄ変換部と、を有する第２の演算部と、
ＧＰＳ受信機を用いて高精度に時刻を計測する時刻計測部と、
着脱可能な記憶媒体を有するデータ記憶部と、
第１のＡ／Ｄ変換部の出力値が所定のトリガレベルを超えたときにトリガ発生を判定して第１のＡ／Ｄ変換部の出力値を雷撃電流の波高値として取得すると共に第２のＡ／Ｄ変換部の出力値に基づいて雷撃電流の電荷量を取得し、これらの波高値及び電荷量を前記時刻計測部により計測したトリガ発生時刻と共に前記記憶媒体に記憶させる演算処理部と、
を備えたことを特徴とする雷撃電流計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載した雷撃電流計測装置において、
前記電流センサが、雷撃電流の経路を包囲するように設置されたロゴウスキーコイルであることを特徴とする雷撃電流計測装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した雷撃電流計測装置において、
前記記憶媒体を所定の動作温度条件に維持するための温度制御部を備えたことを特徴とする雷撃電流計測装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載した雷撃電流計測装置において、
前記記憶媒体がメモリカードであることを特徴とする雷撃電流計測装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載した雷撃電流計測装置において、
前記電流センサを除く全ての構成要素を単一のケースに収納して計測装置本体を構成したことを特徴とする雷撃電流計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば風力発電設備等に適用して雷撃電流の波高値や電荷量を計測し、これらを落雷発生時刻と共に記憶するようにした雷撃電流計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
雷撃電流観測装置として、本出願人による後述の特許文献１に記載された従来技術が知られている。
この従来技術は、風力発電設備等の工作物が有する塔体の根元部が貫通するように装着され、この塔体の根元部の外周面と絶縁体を介して内接する円環状電流センサと、円環状電流センサから出力される電流を演算処理して波高値データを外部監視装置へ出力する波高値計測用観測装置と、円環状電流センサから出力される電流を演算処理して波形データを外部監視装置へ出力する波形計測用観測装置とを備えたものである。
【０００３】
この従来技術によれば、風力発電設備の鉄塔などを包囲する大口径のロゴウスキーコイルを用いて観測装置を容易に設置可能であり、耐雷設計や耐量設計の指針となる雷撃電流の波高値や波形を正確に計測可能な雷撃電流観測装置を実現することが可能になった。
【０００４】
また、他の従来技術として、雷撃電流や地絡／短絡電流等を測定するためにダイナミックレンジを広範に確保するようにした電流測定装置が特許文献２に記載されている。
この従来技術では、ロゴウスキーコイルの出力信号を適当な値に調整した後、ＡＧＣアンプにより一定範囲に圧縮し、第１のＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換すると共に、ＡＧＣアンプの利得情報を第２のＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換し、これらのディジタル信号双方をマイコンによりソフトウェア演算して電流測定値を得ることにより、高価でダイナミックレンジの広いＡ／Ｄ変換器を用いなくても安価なＡ／Ｄ変換器を使用して広いダイナミックレンジを有する電流測定装置を実現可能としている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−６２０８０号公報（［００２３］〜［００３６］，図１、図４〜図７等）
【特許文献２】特開２００１−１９４３９０号公報（［００１１］〜［００２４］，図１〜図４等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、この種の雷撃電流観測装置ないし計測装置では、装置をより一層普及させるために更なる小形化、低価格化が求められており、計測・記録データの種類を絞り込むことで機能や回路構成を簡素化させ、これによってコストを低減させたいという要請も強くなっている。
ここで、雷撃電流による電荷量は耐雷設計等の上で重要な意味を持つが、従来では、高速トランジェントレコーダやデータレコーダ等の高価なシステムにより得られた雷撃電流波形から、市販のソフトウェア等を用いて電流瞬時値の積算値と計測サンプリング数とを乗算することにより電荷量を演算している。
【０００７】
しかしながら、上記のような方法により電荷量を演算する場合には回路構成が複雑化して装置全体が大形化しやすく、コストの低減も困難である。
また、前述した特許文献１，２では、雷撃電流の電荷量演算については特に開示されていない。
そこで本発明の解決課題は、最終的に雷撃電流の波形データを収集するのではなく、雷撃電流をディジタル演算して処理することにより波高値及び電荷量を直接算出するようにし、これによって装置構成の簡略化、小形化及び低価格化を可能にした雷撃電流計測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に記載した発明は、雷撃電流を計測する電流センサと、この電流センサの出力信号波形を整形して出力するセンサインターフェイス部と、を有するセンサ部と、
前記センサインターフェイス部の出力波形が入力されるピークホールド回路と、このピークホールド回路のアナログ出力信号をディジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換部と、を有する第１の演算部と、
前記センサインターフェイス部の出力波形が入力される絶対値回路と、この絶対値回路のアナログ出力信号をディジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄ変換部と、を有する第２の演算部と、
ＧＰＳ受信機を用いて高精度に時刻を計測する時刻計測部と、
着脱可能な記憶媒体を有するデータ記憶部と、
第１のＡ／Ｄ変換部の出力値が所定のトリガレベルを超えたときにトリガ発生を判定して第１のＡ／Ｄ変換部の出力値を雷撃電流の波高値として取得すると共に第２のＡ／Ｄ変換部の出力値に基づいて雷撃電流の電荷量を取得し、これらの波高値及び電荷量を前記時刻計測部により計測したトリガ発生時刻と共に前記記憶媒体に記憶させる演算処理部と、を備えたものである。
【０００９】
請求項２に記載した発明は、請求項１において、前記電流センサが、雷撃電流の経路を包囲するように設置されたロゴウスキーコイルであることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載した発明は、請求項１または２において、前記記憶媒体を所定の動作温度条件に維持するための温度制御部を備えたものである。
【００１１】
請求項４に記載した発明は、請求項１〜３の何れか１項において、前記記憶媒体がメモリカードであることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載した発明は、請求項１〜４の何れか１項において、前記電流センサを除く全ての構成要素を単一のケースに収納して計測装置本体を構成したものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、各種機器の電流耐量や絶縁設計を検討する際の雷撃電流波形パラメータとして重要な電荷量及び波高値を、簡単なディジタル演算及び回路構成によって直接求めることができ、雷撃電流計測装置の小形化、軽量化及び低価格化を可能にすると共に、その普及にも大きく寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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、この実施形態の全体的な構成図である。図１において、１００は風力発電設備であり、その鉄塔根元部１０１には本実施形態に係る雷撃電流計測装置が設置される。
この雷撃電流計測装置は、鉄塔根元部１０１を包囲するように装着されたロゴウスキーコイル等の電流センサ２０１と、この電流センサ２０１に接続された計測装置本体２００Ａとを備えていると共に、計測装置本体２００Ａに接続されたＧＰＳアンテナ２０２を備えている。なお、２０３は計測装置本体２００Ａによって得た落雷データを記憶するＳＲＡＭ等からなるメモリカード、３００はこのメモリカード２０３を介して落雷データを収集するノートＰＣである。
【００１５】
次に、図２は本実施形態の機能ブロック図であり、Ａは演算処理部、Ｂは雷撃電流計測部、Ｃはデータ記憶部、Ｄは時刻計測部、Ｅは通信処理部、Ｆは表示部、Ｇは温度制御部、Ｈは電源部である。なお、図２に示した構成要素のうち前記電流センサ２０１及びＧＰＳアンテナ２０２以外の部分は単一のケースに収納されており、図１の計測装置本体２００Ａとして鉄塔根元部１０１の内部に設置されている。
【００１６】
演算処理部Ａは、雷撃電流の波高値が所定のトリガレベルを超えた時にトリガ発生（すなわち落雷の発生）を判定して雷撃電流の波高値及び電荷量を演算するＣＰＵ等を備えており、雷撃電流計測部Ｂ、データ記憶部Ｃ、時刻計測部Ｄ、通信処理部Ｅ、表示部Ｆ、温度制御部Ｇ等の動作全体を統括制御する機能を有する。
【００１７】
雷撃電流計測部Ｂは、センサ部Ｂ１と、第１の演算部としての波高値演算部Ｂ２と、第２の演算部としての電荷量演算部Ｂ３とを備え、センサ部Ｂ１は前記電流センサ２０１とセンサＩ／Ｆ（インターフェイス）部２０５とからなっている。また、第１の演算部である波高値演算部Ｂ２はピークホールド回路２０６及び第１のＡ／Ｄ変換部２０７からなり、第２の演算部である電荷量演算部Ｂ３は絶対値回路２０８及び第２のＡ／Ｄ変換部２０９からなっている。
ここで、波高値演算部Ｂ２及び電荷量演算部Ｂ３は、演算処理部Ａと共に計測処理部Ｉを構成している。
なお、センサ部Ｂ１及び計測処理部Ｉの動作については後述する。
【００１８】
データ記憶部Ｃは、演算処理部Ａにより演算し取得した雷撃電流の正負波高値、電荷量、落雷時刻等のデータを記憶媒体としてのメモリカード２０３に記憶するものである。このデータ記憶部Ｃでは、メモリカード２０３に例えば１００イベントまで所定のファイル形式でデータを記憶可能とし、データの上書き禁止機能、電源停止時のデータ保存機能も備えている。
【００１９】
時刻計測部Ｄは、前記ＧＰＳアンテナ２０２が接続されたＧＰＳ受信機２１０を備え、この受信機２１０はアンテナ２０２を介して受信したＵＴＣ時刻（協定世界時）を基準として高精度な時刻を生成し、時計制御部２１１を介して演算処理部Ａに出力する。
更に時計計測部Ｄは、秒単位以下の時刻を外部カウンタによりカウントしたり、外部カウンタのリセット機能や、落雷によるトリガ発生時に内部時計及び外部カウンタによる時刻を保存する機能も持っている。
【００２０】
通信処理部Ｅは、外部の入出力機器、通信機器と演算処理部Ａとの間のシリアル通信を行うものであり、シリアル通信部２１２により、落雷を判定するトリガレベルの読み出しや設定、装置内部時刻の読み出しや設定、電荷量演算の有効電流値の読み出しや設定、その他装置各部の状態取得等が可能になっている。
【００２１】
表示部Ｆは、ＬＥＤ２１３により、電源の供給状態、演算処理部Ａ等の動作状態、ＧＰＳ受信機２１０の受信状態、落雷データの処理状態（トリガの状態）、メモリカード２０３の有無及び正常異常、メモリカード２０３の電池やライトプロテクトの状態、メモリカード２０３内の落雷データの有無等を表示可能である。
【００２２】
温度制御部Ｇは、温度センサ２１４及びヒータ２１５を備えており、周囲温度の低下に応じてヒータ２１５に通電することにより、メモリカード２０３の周囲温度をその動作温度条件の下限値（例えば０℃）以上に制御するものである。
なお、電源部Ｈは、商用電源を交流／直流変換して直流電源を得るＡＣ／ＤＣコンバータ２１６を備えており、停電時にも電源供給を可能にするバックアップ用のＵＰＳ（無停電電源装置）２１７をオプション装置として追加可能である。
【００２３】
次いで、図３は前記センサ部Ｂ１の構成を示す回路図である。
このセンサ部Ｂ１は、落雷時に鉄塔根元部１０１を接地側に流れる電流ｉ(ｔ)を電流センサ２０１により微分電圧信号ｅ(ｔ)として検出し、この信号ｅ(ｔ)を同軸ケーブル２０４を介してセンサＩ／Ｆ部２０５に入力することにより、積分回路２０５ａ及び出力調整回路２０５ｂにて波形整形するものである。
【００２４】
ここで、上記電圧信号ｅ(ｔ)、積分回路２０５ａの出力電圧ｖ(ｔ)、電流センサ２０１と測定電流経路との相互インダクタンスＭは、それぞれ数式１〜３によって表される。
［数式１］
ｅ(ｔ)＝ Ｍ×（ｄｉ(ｔ)／ｄｔ）
［数式２］
ｖ(ｔ)＝（Ｍ／ＲＣ)×ｉ(ｔ)
［数式３］
Ｍ＝２×１０−７×（ＮＳ／ｒ）
なお、上記の各数式において、Ｒ，Ｃはそれぞれ積分回路２０５ａの抵抗値及び容量値、Ｎは電流センサ（ロゴウスキーコイル）の巻数、Ｓは同じく断面積、ｒは同じく半径である。
【００２５】
次に、図２における計測処理部Ｉの動作を中心として本実施形態の動作を説明する。
前述したセンサＩ／Ｆ部２０５から出力された波形整形後のアナログ電流波形は、波高値演算部Ｂ２を構成するピークホールド回路２０６に入力され、電流波形の正負両極性のピーク値が検出されてホールドされる。このピークホールド値はＡ／Ｄ変換部２０７により一定周期でディジタル信号に変換され、演算処理部Ａに入力される。
演算処理部Ａでは、Ａ／Ｄ変換部２０７から入力されたディジタル値が予め設定されたトリガレベルを超えた場合にトリガ発生すなわち落雷発生を判定し、演算時間内における最大値のデータとして取得する。
【００２６】
また、センサ部Ｂ１から出力されたアナログ電流波形は、電荷量演算部Ｂ３を構成する絶対値回路２０８にも入力されて絶対値に変換され、Ａ／Ｄ変換部２０９により一定周期でディジタル信号に変換されて演算処理部Ａに入力される。
演算処理部Ａでは、前記波高値演算部Ｂ２によるトリガ発生の判定に応じて、前記Ａ／Ｄ変換部２０９の出力信号を用い、数式４に示す如く演算時間内における電流の絶対値を積算することにより雷撃電流による電荷量Ｑを演算する。
［数式４］
Ｑ＝∫｜ｉ(ｔ)｜ｄｔ
【００２７】
同時に演算処理部Ａでは、時刻計測部Ｄから入力されている高精度な時刻を保持しており、トリガ発生時刻（落雷時刻）を正確に特定することが可能である。
これにより、演算処理部Ａは、雷撃電流の正負波高値、電荷量、トリガ発生時刻を落雷データとしてデータ記憶部Ｃに送り、メモリカード２０３に記憶、保存する。なお、メモリカード２０３に記憶させるデータには、本計測装置のアドレス、位置情報、落雷回数、装置状態の異常履歴等を含めても良い。
また、メモリカード２０３の有無や正常異常等の情報は、前述したように表示部Ｆによって確認できると共に、温度制御部Ｇの作用により、メモリカード２０３の動作温度条件を常時適切に維持することが可能である。
落雷データが記憶されたメモリカード２０３は人手によって回収し、これをノートＰＣ３００等に装着して落雷データを収集することにより、各種機器の電流耐量や絶縁設計の検討に役立てることができる。
【００２８】
なお、図４は、上記実施形態において、所定周波数の雷インパルス電流を流した場合の波高値計測機能を確認した特性図であり、横軸は雷インパルス電流の周波数、縦軸は入出力比（計測電流値／印加電流値）を示している。
この図４から明らかなように、本実施形態では、広い周波数帯域において正負何れの極性の電流に対しても入出力比がほぼ１に近くなっており、印加電流値とほぼ等しい波高値を持つ電流が計測されている。また、図示されていないが、印加電流の周波数を一定としてその大きさを変化させた場合にも、前記入出力比がほぼ１になることが確認されている。
【００２９】
更に、図５は、本実施形態における電荷量計測機能を確認するために流した雷インパルス電流の波形図であり、図６は、この雷インパルス電流（印加波形）に対する計測値（波高値及び電荷量）を示したものである。
図６から明らかなように、印加波形の電荷量と計測された電荷量とは良く一致しており、本実施形態が良好な電荷量計測機能を有していることが確認された。
【００３０】
なお、本発明は風力発電設備ばかりでなくロゴウスキーコイル等の電流センサを装着可能な送電鉄塔を始めとして、雷撃電流の波高値や電荷量を計測するべき各種の設備、建造物に適用可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態の全体的な構成図である。
【図２】実施形態の機能ブロック図である。
【図３】図２におけるセンサ部の構成図である。
【図４】実施形態において、所定周波数の雷インパルス電流を流した場合の波高値計測機能を確認した特性図（雷インパルス電流の周波数−入出力比の関係を示す図）である。
【図５】実施形態において、電荷量計測機能を確認するために流した雷インパルス電流の波形図である。
【図６】図５の雷インパルス電流を流した場合の計測値（波高値及び電荷量）の説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１００：風力発電設備
１０１：鉄塔根元部
２００Ａ：計測装置本体
２０１：電流センサ
２０２：ＧＰＳアンテナ
２０３：メモリカード
２０４：同軸ケーブル
２０５：センサＩ／Ｆ部
２０５ａ：積分回路
２０５ｂ：出力調整回路
２０６：ピークホールド回路
２０７：Ａ／Ｄ変換部
２０８：絶対値回路
２０９：Ａ／Ｄ変換部
２１０：ＧＰＳ受信機
２１１：時計制御部
２１２：シリアル通信部
２１３：ＬＥＤ
２１４：温度センサ
２１５：ヒータ
２１６：ＡＣ／ＤＣコンバータ
２１７：ＵＰＳ（無停電電源装置）
３００：ノートＰＣ
Ａ：演算処理部
Ｂ：雷撃電流計測部
Ｂ１：センサ部
Ｂ２：波高値演算部（第１の演算部）
Ｂ３：電荷量演算部（第２の演算部）
Ｃ：データ記憶部
Ｄ：時刻計測部
Ｅ：通信処理部
Ｆ：表示部
Ｇ：温度制御部
Ｈ：電源部
Ｉ：計測処理部
【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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