(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直撃雷により円筒状支柱の外表面に流れる衝撃電流でもって発生する磁束を検出する磁界センサと、前記磁界センサの出力に整流部を介して接続され、磁界センサの検出信号を後段へ非接触で伝送する信号伝送部と、前記信号伝送部の出力に信号変換部を介して接続され、直撃雷の有無を出力する出力部とを具備し、
前記磁界センサは、強磁性体からなるＨ状コアと、前記コアに対して線材を所定ターン数だけ螺旋状に巻回し、その巻回方向が前記衝撃電流が流れる方向と直交するように配置されたループ状コイルとを備え、前記コアは、前記コイルをその巻回方向に沿って貫通するように配置された胴部と、前記胴部の両端から延び、前記コイルの巻回端部外側で衝撃電流が流れる方向と平行になるように配置された脚部とで構成され、前記磁界センサは、コアをコイルの巻回中心よりも衝撃電流が流れる側に偏心させた位置に配置されていることを特徴とする直撃雷検出装置。
【請求項２】
前記磁界センサと前記整流部との間に、ギャップ素子およびバリスタ素子を並列接続した請求項１に記載の直撃雷検出装置。
【請求項３】
前記信号伝送部は、整流部の出力に定電流ダイオードを介して接続された発光ダイオードと、前記発光ダイオードに所定の間隙を介して対向配置され、出力が信号変換部に接続されたフォトトランジスタとで構成されている請求項１又は２に記載の直撃雷検出装置。
【請求項４】
前記出力部は、直撃雷の有無を報知する出力信号を無線により送信可能とした送信器で構成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の直撃雷検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、風力発電システムにおける風車に直撃雷を受けたか否かを検出するため、風車のブレードを支持する円筒状支柱に取り付けられる直撃雷検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高圧送電線の鉄塔に落雷があった場合に、その位置を自動的に通報する落雷鉄塔通報装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この落雷鉄塔通報装置は、送電線鉄塔に流れる電流により誘起される磁界を検出するセンサと、所定のデータを保持した制御部と、この制御部から出力される所定のデータを送信信号に変調してアンテナに供給する送信部と、センサの検出出力によりオンされ、制御部および送信部の電源オン動作時間を設定するタイマーとで構成されている。
【０００４】
送電線鉄塔に落雷があると、自動的に所定のコードが送信部から電波に乗せられて送信されるために、受信機でこのコードをキャッチすれば、夜間および悪天候時であっても、容易に落雷のあった送電線鉄塔を確定することができる。
【０００５】
具体的には、送電線鉄塔に落雷がありその鉄塔に衝撃電流が流れると、鉄塔脚に磁束が発生する。この磁束を、鉄塔脚に取り付けられたセンサコイルにより検出する。このセンサコイルの検出出力が一定電圧以上にならないように過電圧保護回路により分圧・分流し、フォトカプラを制御する。このフォトカプラは、センサコイルに流れる電流を利用して発光する発光素子と、この発光素子からの光でパルスを出力する受光素子との光結合でもって、電池によりシステムをオンするタイマーに制御信号を与える。これにより制御部が起動され、自局データが送信部に与えられる。これにより、送信出力はアンテナを介して電波として発射される。そして、一定時間が経過すると、タイマーが動作してシステムをオフ状態にし、全ての機能が初期の待機状態に戻る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１３６６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前述した特許文献１に開示された落雷鉄塔通報装置では、コイルのみで構成されたセンサを鉄塔脚に取り付けることにより、その鉄塔脚に流れる衝撃電流で発生する磁束を検出するようにしている。落雷時に鉄塔脚に流れる衝撃電流は、複雑に組まれた鉄塔脚で分流し易く、その衝撃電流を確実に検出するためにどの位置の鉄塔脚にセンサを取り付ければよいかを決めるのが非常に困難である。つまり、センサを取り付けた鉄塔脚に流れる衝撃電流が分流により微小なものであると、コイルのみで構成されたセンサではその微小な衝撃電流を検出することができない可能性がある。
【０００８】
また、近年、クリーンなエネルギーとして注目されている風力発電システムにおいても、風車に直撃雷があると、その風車のブレードが直撃雷により損傷し、そのまま長期間放置しておくと、ブレードの劣化が進行してブレードの交換作業が必要となる。一方、直撃雷により損傷したブレードをすぐに補修すれば、風車の長寿命化が図れて風力発電システムの設備寿命の間におけるブレードの交換頻度を著しく低減することができる。そのため、風力発電システムにおける風車が直撃雷を受けたか否かを迅速かつ確実に検出できるようにすることが望ましい。
【０００９】
ここで、風車のブレードを支持する支柱は、例えば４ｍ程度の直径を有する円筒状をなすのが一般的である。この風車の支柱に特許文献１の落雷鉄塔通報装置を取り付ける場合、その落雷鉄塔通報装置のセンサを支柱の外表面に適宜の手段で取り付けることになる。この場合、直撃雷により支柱の外表面に流れる衝撃電流により発生する磁束は、その支柱の中心に衝撃電流が流れる状態と等価であり、磁束密度は支柱中心からの距離に反比例して小さくなる。このことから、支柱の中心から２ｍ程度も離隔した外表面では、衝撃電流により発生する磁束が微小なものとなっている。
【００１０】
前述したように、特許文献１に開示された落雷鉄塔通報装置のセンサ、つまり、コイルのみで構成されたセンサでは、支柱の中心から２ｍ程度も離隔した外表面で、直撃雷の衝撃電流により発生した微小な磁束を検出することが非常に困難である。このことから、特許文献１の落雷鉄塔通報装置を風車の支柱に適用しようとしても、実用に供することができないというのが現状である。
【００１１】
そこで、本発明は、前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、直撃雷の衝撃電流により発生した磁束が微小であっても、その微小な磁束を確実に検出し得る直撃雷検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、直撃雷により円筒状支柱の外表面に流れる衝撃電流でもって発生する磁束を検出する磁界センサと、磁界センサの出力に整流部を介して接続され、磁界センサの検出信号を後段へ非接触で伝送する信号伝送部と、信号伝送部の出力に信号変換部を介して接続され、直撃雷の有無を出力する出力部とを具備し、磁界センサは、強磁性体からなるＨ状コアと、そのコアに対して線材を所定ターン数だけ螺旋状に巻回し、その巻回方向が衝撃電流が流れる方向と直交するように配置されたループ状コイルとを備え、コアは、コイルをその巻回方向に沿って貫通するように配置された胴部と、その胴部の両端から延び、コイルの巻回端部外側で衝撃電流が流れる方向と平行になるように配置された脚部とで構成され、磁界センサは、コアをコイルの巻回中心よりも衝撃電流が流れる側に偏心させた位置に配置されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明における直撃雷検出装置の磁界センサは、強磁性体からなるＨ状コアと、そのコアに対して線材を所定ターン数だけ螺旋状に巻回し、その巻回方向が衝撃電流が流れる方向と直交するように配置されたループ状コイルとを備え、コアは、コイルをその巻回方向に沿って貫通するように配置された胴部と、その胴部の両端から延び、コイルの巻回端部外側で衝撃電流が流れる方向と平行になるように配置された脚部とで構成されていることから、直撃雷により円筒状支柱の外表面に流れる衝撃電流でもって発生する磁束が微小であっても、その微小な磁束を磁界センサにより確実に検出することが可能となる。
【００１４】
本発明における磁界センサは、コアをコイルの巻回中心よりも衝撃電流が流れる側に偏心させた位置に配置されていることから、磁界センサのコアが、衝撃電流が流れる側に近接した位置に配置されることになり、磁界センサの検出感度を上げることが容易となる。
【００１５】
本発明では、磁界センサと整流部との間に、ギャップ素子およびバリスタ素子を並列接続した構造が望ましい。このようにすれば、ギャップ素子およびバリスタ素子が、後段の整流部、信号伝送部、信号変換部および出力部をサージ電流から保護する機能を発揮する。つまり、前段の磁界センサからサージ電流が入力されても、このサージ電流をギャップ素子およびバリスタ素子で阻止することができる。ギャップ素子は、比較的大きなサージ電流を阻止する機能を発揮し、バリスタ素子は比較的小さなサージ電流を阻止する機能を発揮する。
【００１６】
本発明における信号伝送部は、整流部の出力に定電流ダイオードを介して接続された発光ダイオードと、その発光ダイオードに所定の間隙を介して対向配置され、出力が信号変換部に接続されたフォトトランジスタとで構成されている構造が望ましい。このようにすれば、発光ダイオードとフォトトランジスタとをそれぞれ単体部品で使用することで、単体部品としての発光ダイオードに超高輝度の赤色発光ダイオードを使用することができ、最適な発光状態でフォトトランジスタに信号を伝送することができる。また、前述の発光ダイオードとは別の発光素子を使用することにより、その発光素子の発光をフォトトランジスタで受けることでフォトトランジスタの後段である信号変換部および出力部の動作テストを実施することができる。
【００１７】
本発明における出力部は、直撃雷の有無を報知する出力信号を無線により送信可能とした送信器で構成されている構造が望ましい。このようにすれば、送信器から送信される出力信号を受信器で受信することで、直撃雷の有無に関する情報を現場まで出向くことなく、現地から遠く離れた場所において認知することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明では、強磁性体からなるＨ状コアと、そのコアに対して線材を所定ターン数だけ螺旋状に巻回し、その巻回方向が衝撃電流が流れる方向と直交するように配置されたループ状コイルとを備えた磁界センサを使用し、そのコアは、コイルをその巻回方向に沿って貫通するように配置された胴部と、その胴部の両端から延び、コイルの巻回端部外側で衝撃電流が流れる方向と平行になるように配置された脚部とで構成されている。
【００２０】
このような構成を具備した磁界センサを使用することにより、直撃雷により円筒状支柱の外表面に流れる衝撃電流でもって発生する磁束が微小であっても、その微小な磁束を磁界センサにより確実に検出することが可能となる。その結果、例えば、風力発電システムにおける風車のブレードへの直撃雷の有無を確実に検出し得る実用的価値の大きな直撃雷検出装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態で、直撃雷検出装置の回路構成図である。
【図２】図１の直撃雷検出装置の取り付け状態を示す斜視図である。
【図３】（Ａ）は図１の磁界センサを示す拡大正面図、（Ｂ）は（Ａ）の右側面図、（Ｃ）は（Ａ）の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明に係る直撃雷検出装置の実施形態を以下に詳述する。なお、以下の実施形態では、風力発電システムにおける風車のブレードを回転自在に支持する大径の円筒状支柱に取り付けられ、その風車のブレードに直撃雷を受けたか否かを検出する直撃雷検出装置を例示する。
【００２３】
図１に示す実施形態の直撃雷検出装置２０は、直撃雷により円筒状支柱の外表面に流れる衝撃電流でもって発生する磁束を検出する磁界センサ１１と、その磁界センサ１１の出力に整流部１２を介して接続され、磁界センサ１１の検出信号を後段へ非接触で伝送する信号伝送部１３と、その信号伝送部１３の出力に信号変換部１４を介して接続され、直撃雷の有無を出力する出力部１５とで構成されている。なお、磁界センサ１１と整流部１２との間には、ギャップ素子１６およびバリスタ素子１７が並列接続されている。また、整流部１２と信号伝送部１３との間には、定電流ダイオード１８が直列接続されている。
【００２４】
整流部１２は、４つの整流ダイオード１２ａをブリッジ構成した整流回路（以下、整流回路１２と称す）である。信号伝送部１３は、単体部品の発光ダイオード１３ａと、その発光ダイオード１３ａに所定の間隙を介して対向配置された単体部品のフォトトランジスタ１３ｂとで構成されている。信号変換部１４は、フォトトランジスタ１３ｂの出力を一定時間保持するラッチ回路（以下、ラッチ回路１４と称す）で構成されている。出力部１５は、ラッチ回路１４の出力、つまり、直撃雷の有無を報知する出力信号を無線により送信可能とした送信器（以下、送信器１５と称す）で構成されている。ラッチ回路１４および送信器１５には耐雷トランス１９が接続されている。
【００２５】
この直撃雷検出装置２０は、前述の磁界センサ１１と、ギャップ素子１６およびバリスタ素子１７、整流回路１２（整流ダイオード１２ａ）、定電流ダイオード１８、信号伝送部１３（発光ダイオード１３ａおよびフォトトランジスタ１３ｂ）、ラッチ回路１４、送信器１５および耐雷トランス１９からなる回路構成部品を配線基板上に実装して非磁性体の樹脂製ケース２１に収容した構造を具備し、図２に示すように、取り付け対象物である円筒状支柱２２にステンレス製バンド２３によりケース２１を固定することにより取り付けられる。
【００２６】
この実施形態において、取り付け対象物である支柱２２は、風力発電システムにおける風車のブレードを回転自在に支持するものである。近年、クリーンなエネルギーとして注目されている風力発電システムにおいても、風車に直撃雷があると、その風車のブレードが直撃雷により損傷し、そのまま長期間放置しておくと、ブレードの劣化が進行してブレードの交換作業が必要となる。一方、直撃雷により損傷したブレードをすぐに補修すれば、風車の長寿命化が図れて風力発電システムの設備寿命の間におけるブレードの交換頻度を著しく低減することができる。そのため、風力発電システムにおける風車が直撃雷を受けたか否かを迅速かつ確実に検出できるようにすることが望ましい。
【００２７】
ここで、風車のブレードを支持する支柱２２は、例えば４ｍ程度の直径を有する円筒状をなすのが一般的である。この場合、直撃雷により支柱２２の外表面に流れる衝撃電流により発生する磁束は、その支柱２２の中心に衝撃電流が流れる状態と等価である。磁束密度は支柱２２の中心からの距離に反比例して小さくなることから、支柱２２の中心から２ｍ程度も離隔した外表面では、衝撃電流により発生する磁束が微小なものとなっている。そこで、この直撃雷検出装置２０では、直撃雷の衝撃電流により発生した磁束が微小であっても、その微小な磁束を確実に検出し得るように磁界センサ１１を以下の構造としている。
【００２８】
この実施形態における磁界センサ１１は、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、例えばフェライト等の強磁性体からなるＨ状コア１１ａと、そのコア１１ａに対して線材を所定ターン数（例えば１００ターン）だけ螺旋状に巻回したループ状コイル１１ｂとを備えている。前述のケース２１内の配線基板上に実装されてそのケース２１を支柱２２に固定した状態で、磁界センサ１１のコイル１１ｂは、その巻回方向が支柱２２の外表面で衝撃電流が流れる方向（図１および図２の白抜き矢印方向）と直交するように配置されている。また、磁界センサ１１のコア１１ａは、コイル１１ｂをその巻回方向に沿って貫通するように配置された胴部１１ａ1と、その胴部１１ａ1の両端から一体的に延び、コイル１１ｂの巻回端部外側で衝撃電流が流れる方向と平行になるように配置された脚部１１ａ2とで構成されている。
【００２９】
この実施形態では、２つのコ字状コアを逆向きに突き合わせて対称形状のＨ状をなすように磁界センサ１１のコア１１ａを構成している。このようにすれば、市販品のコ字状コアを使用することで磁界センサ１１を製作することができ、装置のコスト低減が図れる。なお、２つのコ字状コアを逆向きに突き合わせて対称形状のＨ状をなすように構成する以外に、１つの一体物でＨ状をなすように磁界センサ１１のコア１１ａを構成するようにしてもよい。また、コア１１ｂの断面形状も図示のような矩形だけでなく、円形や楕円形であってもよく、その形状は任意である。さらに、脚部１１ａ2の形状は、衝撃電流が流れる方向に延びる図示のような矩形の棒状だけでなく、胴部１１ａ1が延びる方向と直交する面を持つ矩形や円形の板状であってもよく、その形状は任意である。要するに、コア１１ａは、図３（Ａ）の正面から見た平面内でＨ状をなす形状であればよい。
【００３０】
以上のように磁界センサ１１は、Ｈ状コア１１ａと、そのコア１１ａに対して線材を螺旋状に巻回し、その巻回方向が衝撃電流が流れる方向と直交するように配置されたループ状コイル１１ｂとを備え、コア１１ａは、コイル１１ｂをその巻回方向に沿って貫通するように配置された胴部１１ａ1と、その胴部１１ａ1の両端から一体的に延び、コイル１１ｂの巻回端部外側で衝撃電流が流れる方向と平行になるように配置された脚部１１ａ2とで構成されている。これにより、風車のブレードに直撃雷があると、その直撃雷により支柱２２の外表面に流れる衝撃電流でもって発生する磁束が微小であっても、その微小な磁束を磁界センサ１１により確実に検出することが可能となる。
【００３１】
また、この磁界センサ１１は、図３（Ｂ）（Ｃ）に示すように、コア１１ａをコイル１１ｂの巻回中心よりも衝撃電流が流れる側、つまり、支柱２２の外表面側に偏心させた位置に配置された構造としている。このようにコア１１ａをコイル１１ｂに対して偏心させた構造とすることにより、磁界センサ１１のコア１１ａが、衝撃電流が流れる支柱２２の外表面側に近接した位置に配置されることになり、磁界センサ１１の検出感度を上げることが容易となる点で有効である。
【００３２】
この直撃雷検出装置２０は、前述したように、磁界センサ１１と整流回路１２との間に、ギャップ素子１６およびバリスタ素子１７を並列接続した構造としている。このように磁界センサ１１と整流回路１２との間に設けられたギャップ素子１６およびバリスタ素子１７が、後段の整流回路１２、発光ダイオード１３ａおよびフォトトランジスタ１３ｂ、ラッチ回路１４および送信器１５をサージ電流から保護する機能を発揮する。
【００３３】
つまり、前段の磁界センサ１１からサージ電流が入力されても、このサージ電流をギャップ素子１６およびバリスタ素子１７で阻止することができる。ギャップ素子１６は、比較的大きなサージ電流を阻止する機能を発揮し、バリスタ素子１７は比較的小さなサージ電流を阻止する機能を発揮する。これにより、ギャップ素子１６およびバリスタ素子１７は二重の保護機能を発揮する。
【００３４】
信号伝送部１３を構成する発光ダイオード１３ａは、整流回路１２の出力に定電流ダイオード１８を介して接続され、フォトトランジスタ１３ｂは、その発光ダイオード１３ａに所定の間隙を介して対向配置されている。この発光ダイオード１３ａの前段に、抵抗ではなく、定電流ダイオード１８を用いることにより、電流ロスを小さくして発光ダイオード１３ａを発光させるようにしている。また、整流回路１２として整流ダイオード１２ａのブリッジ構成を採用したことにより、直撃雷の極性に関わらず、発光ダイオード１３ａを発光させるようにしている。
【００３５】
この実施形態では、従来のような発光素子と受光素子とを一体化したフォトカプラを使用することなく、発光ダイオード１３ａとフォトトランジスタ１３ｂとをそれぞれ独立した単体部品で使用する。これにより、最適な発光状態でフォトトランジスタ１３ｂに信号を伝送し得る発光ダイオード１３ａを選定することができ、例えば、超高輝度の赤色発光ダイオードを使用することができる。また、単体部品の発光ダイオード１３ａおよびフォトトランジスタ１３ｂを独立して使用することにより、前述のフォトカプラよりも良好な絶縁性を確保することが可能となる。
【００３６】
さらに、単体部品の発光ダイオード１３ａおよびフォトトランジスタ１３ｂを使用することで、両者間が完全に独立していることから、フォトトランジスタ１３ｂの後段であるラッチ回路１４および送信器１５の動作テストを実施することができる。つまり、ラッチ回路１４および送信器１５はメンテナンスおよび信頼性の向上を図る上で動作確認を必要とする。そこで、直撃雷検出装置２０を設置する現場にて、作業員が持参したデジタルカメラのフラッシュに使用されている発光素子を前述の発光ダイオード１３ａに代えて発光させることにより、その発光素子の発光をフォトトランジスタ１３ｂで受けることでラッチ回路１４および送信器１５の動作テストを事前に実施することができる。
【００３７】
前述のラッチ回路１４は、フォトトランジスタ１３ｂから出力される検出信号を一定時間保持することで送信器１５へ出力可能な信号に変換する。また、送信器１５は、直撃雷の有無を報知する出力信号を無線により送信可能としている。このようにして、送信器１５から送信される出力信号を受信器２４で受信することで、直撃雷の有無に関する情報を現場まで出向くことなく、現地から遠く離れた場所において認知することができる。なお、このラッチ回路１４および送信器１５と電源ラインとの間には耐雷トランス１９を設けることにより、電源ラインからのサージ電流の侵入を阻止して絶縁性を確保するようにしている。
【００３８】
前述の受信器２４としては、一般的な携帯電話を使用することが可能であり、その携帯電話でメール通知を受信することにより直撃雷の有無を認知することができる。なお、携帯電話以外の他の受信器を使用することも可能であり、その受信器の液晶ディスプレイに表示させるようにしてもよい。
【００３９】
なお、この実施形態では、出力部として送信器１５を例示しているが、この出力部には送信器以外に記録計を選定することも可能である。このように出力部として記録計を使用することにより、ラッチ回路１４からの出力信号として得られる直撃雷の有無に関する情報をデータとして蓄積することが可能となる。この記録計に蓄積されたデータは、作業員が現地に出向いて回収するようにすればよい。
【００４０】
以上の構成からなる直撃雷検出装置２０の動作は次のとおりである。
【００４１】
風車のブレードに直撃雷があると、その直撃雷により支柱２２の外表面に流れる衝撃電流でもって発生する微小な磁束を磁界センサ１１により確実に検出する。この時、磁界センサ１１のコア１１ａをコイル１１ｂの巻回中心よりも衝撃電流が流れる支柱２２の外表面側に偏心させた位置に配置された構造としていることにより〔図３（Ｂ）（Ｃ）参照〕、衝撃電流により発生した磁束を高感度で検出することができる。
【００４２】
この磁界センサ１１から出力される検出信号をギャップ素子１６およびバリスタ素子１７を介して整流回路１２で整流して定電流ダイオード１８を介して発光ダイオード１３ａを発光させる。前述のギャップ素子１６およびバリスタ素子１７は、直撃雷の検出信号以外のサージ電流が後段の整流回路１２に流入することを阻止する。また、定電流ダイオード１８は、電流ロスを小さくして発光ダイオード１３ａを発光させる。
【００４３】
この発光ダイオード１３ａの発光をフォトトランジスタ１３ｂで受光し、そのフォトトランジスタ１３ｂから出力される検出信号をラッチ回路１４により一定時間保持し、送信器１５により外部へ送信する。この送信信号を携帯電話などの受信器２４で受信することにより、直撃雷の有無に関する情報を得ることができる。
【００４４】
本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。
【符号の説明】
【００４５】
１１  磁界センサ
１１ａ  Ｈ状コア
１１ａ1  胴部
１１ａ2  脚部
１１ｂ  ループ状コイル
１２  整流部（整流回路）
１３  信号伝送部
１３ａ  発光ダイオード
１３ｂ  フォトトランジスタ
１４  信号変換部（ラッチ回路）
１５  出力部（送信器）
１６  ギャップ素子
１７  バリスタ素子
１８  定電流ダイオード
２０  直撃雷検出装置
２２  円筒状支柱
【図１】
0005651835.tif 000002
【図２】
0005651835.tif 000003
【図３】
0005651835.tif 000004