(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の鉄骨や鉄筋を共用接地極とし独立接地極を構造物の外部に設けた接地装置において、前記独立接地極は、
前記構造物の内部に設置された機器のうち独立接地される機器の接地線に接続され前記構造物の外部に地面から所定の深さに埋設して独立接地される内部接地極と、
前記構造物の鉄骨または鉄筋からの連接線に接続され前記内部接地極の周囲を包囲し前記地面から所定の深さに埋設して独立接地され雷撃電流によって電位が上昇する場合でも共用接地極と同じ電位に維持される外部接地極とを備え、
前記構造物の雷撃電流によって電位が上昇する場合でも前記外部接地極が前記共用接地極と同じ電位に維持されることにより前記外部接地極に包囲された前記内部接地極に流れる雷撃電流は小さくなることを特徴とする接地装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、設備や機器毎に独立して接地するための接地装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、接地は人等に対する感電防止、漏電による火災防止、変圧器内部の混触事故による低圧側電路への高電圧の侵入防止、変圧器低圧側の中性点の系統接地等の目的のために施され、その工事種別にはＡ種接地工事、Ｂ種接地工事、Ｃ種接地工事、Ｄ種接地工事がある。Ａ種接地工事は、高圧用機器の金属製外箱や避雷器などに施され、Ｂ種接地工事は高圧と低圧とを変成する変圧器の低圧側に施される。Ｃ種接地工事は、３００Ｖを超える低圧電気機械器具の金属製外箱や金属管などに施され、また、Ｄ種接地工事は３００Ｖ以下の低圧電気機械器具や金属製外箱及び金属管などに施される。
【０００３】
接地方式には、設備や機器毎に独立した接地工事を施す独立接地方式と、複数の接地工事を一つの接地極に繋げて共用する共用接地方式とがある。独立接地方式は、接地極相互の影響をなくすために離隔距離を十分に確保することが必要となるが、現実には敷地の制限もあるため、Ｂ種接地以外のＡ種接地、Ｃ種接地、Ｄ種接地については、構造物の鉄骨や鉄筋に接続し共用接地されることがある。（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、設備や機器に侵入する雷サージ電圧を低減するために、設備や機器毎にサージ防護デバイスＳＰＤ(Surge Protective Device)（以下、単にＳＰＤという）を設け、設備や機器に侵入する雷サージを接地(大地)に分流するとともに、設備や機器に加わる過電圧を一定の値に制限するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２７１９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、構造物の鉄骨や鉄筋を共用接地極とし、独立接地極を構造物の外部に設けた場合には、雷撃電流が共用接地極である構造物の鉄骨や鉄筋に流入したとき、設備や機器に加わる電圧が大きくなることがある。これは、共用接地した設備や機器は等電位であるが、独立接地極は共用接地した構造物の外部に設けられていることから、共用接地極と独立接地極との間に電位差が生じるためであると考えられる。従って、ＳＰＤとして、雷撃電流があった場合に設備や機器に加わる大きな電圧・電流に耐え得るものを使用しなければならないのでＳＰＤが大型化する。
【０００７】
図６は、構造物の鉄骨や鉄筋を共用接地極とし独立接地極を構造物の外部に設けた場合の接地装置の一例を示す従来例の構成図である。構造物１１は例えばビルであり、図６では構造物１１は３階建てのビルであり、構造物１１の鉄骨や鉄筋（以下、鉄筋１２という）の一部を地面１３より下の土中に埋め込み鉄筋１２を共用接地極とし、また、構造物１１の外部に接地棒を埋め込み独立接地極１４としたものである。
【０００８】
構造物１１の内部に設置された変圧器１５の中性点は、Ｂ種接地され接地線１６ｘにより構造物１１の外部の独立接地極１４に接続されている。また、変圧器１５の外箱はＡ種接地され接地線１６ｙにより鉄筋１２ｙに接続されている。負荷１７ａ、１７ｂ、１７ｃの外箱はＤ種接地され接地線１６ａ、１６ｂ、１６ｃにより鉄筋１２ａ、１２ｂ、１２ｃに接続されている。
【０００９】
また、負荷１７ａの電源線１９ａ１、１９ａ２と接地線１６ａとの間に負荷１７ａを雷撃電流から保護するＳＰＤ２０ａ１、２０ａ２が設けられている。同様に、負荷１７ｂの電源線１９ｂ１、１９ｂ２と接地線１６ｂとの間に負荷１７ｂを雷撃電流から保護するＳＰＤ２０ｂ１、２０ｂ２が設けられ、負荷１７ｃの電源線１９ｃ１、１９ｃ２と接地線１６ｃとの間に負荷１７ｃを雷撃電流から保護するＳＰＤ２０ｃ１、２０ｃ２が設けられている。
【００１０】
いま、図６の構造物１１の頭頂部Ｇに雷撃があったとする。頭頂部Ｇに流入した雷撃電流のほとんどは、矢印で示すように、頭頂部Ｇから分流して構造物１１の鉄筋１２ｚ１１、１２ｚ１２〜１２ｚ４１、１２ｚ４２を介して共用接地極へ流れ遠方に分散する。
【００１１】
一方、頭頂部Ｇに流入した雷撃電流の数％は、頭頂部Ｇ→構造物１１の鉄筋１２ａ→接地線１６ａ→ＳＰＤ２０ａ１、２０ａ２→負荷１７ａの電源線１９ａ１、１９ａ２と流れる。そして、負荷１７ｃの電源線１９ｃ１、１９ｃ２において変圧器１５側と負荷１７ｃ側に分流する。変圧器１５側に分流した雷撃電流は、変圧器１５の低圧巻線→変圧器１５の中性点（Ｂ種接地）→接地線１６ｘ→独立接地極１４と流れる。また、負荷１７ｃ側に分流した雷撃電流は、負荷１７ｃのＳＰＤ２０ｃ１、２０ｃ２→接地線１６ｃ→構造物１１の鉄筋１２ｃに流れ、共用接地極に流れる。
【００１２】
図７は、図６の構造物１１の頭頂部Ｇに雷撃があった場合の雷撃電流Ｉｇ、ＳＰＤ両端電圧Ｖｓ、ＳＰＤ電流Ｉｓの一例を示すグラフである。負荷１７ａのＳＰＤ２０ａ１、２０ａ２に現れるＳＰＤ両端電圧Ｖｓは、接地線１６ａと負荷１７ａの電源線１９ａ１、１９ａ２との間の電圧である。この場合、ＳＰＤ両端電圧ＶｓはＳＰＤ制限電圧ＶＬに抑えられ、また、ＳＰＤ２０ａ１、２０ａ２に流れるＳＰＤ電流Ｉｓの波形は、雷撃電流Ｉｇに似た波形となる。負荷１７ａに設置されるＳＰＤ２０ａ１、２０ａ２の処理エネルギーは、ＳＰＤ２０ａ１、２０ａ２のＳＰＤ制限電圧ＶＬとＳＰＤ電流Ｉｓとを乗じた値の積分となる。
【００１３】
ここで、構造体１１の鉄筋１２を共用接地極とし、独立接地極１４を構造物の外部に設けた場合には、構造物１１に雷撃があると、雷撃により共用接地極の電位が上昇し、共用接地極と独立接地極１４との電位が等電位とならない。ＳＰＤ両端電圧Ｖｓは、接地線１６ａと負荷１７ａの電源線１９ａ１、１９ａ２との間の電圧であり、前述のように、雷撃時には、ＳＰＤ２０ａ１、２０ａ２に雷撃電流Ｉｇの一部が変圧器１５のＢ種接地を介して独立接地極１４に、雷撃電流波形に似た波形で長時間流れる。従って、独立接地極１４を構造物の外部に設けた場合には、ＳＰＤ２０ａ１、２０ａ２が雷撃電流に対して処理しなければならないエネルギーは大きくなりＳＰＤ２０ａ１、２０ａ２が大型化する。
【００１４】
本発明の目的は、独立接地極を構造物の外部に設ける場合であってもＳＰＤが処理するエネルギーを低減させることができ、ＳＰＤの小型化を図ることができる接地装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の接地装置は、構造物の鉄骨や鉄筋を共用接地極とし独立接地極を構造物の外部に設けた接地装置において、前記独立接地極は、前記構造物の内部に設置された機器のうち独立接地される機器の接地線に接続され前記構造物の外部に地面から所定の深さに埋設して独立接地される内部接地極と、前記構造物の鉄骨または鉄筋からの連接線に接続され前記内部接地極の周囲を包囲し前記地面から所定の深さに埋設して独立接地され雷撃電流によって電位が上昇する場合でも共用接地極と同じ電位に維持される外部接地極とを備え、前記構造物の雷撃電流によって電位が上昇する場合でも前記外部接地極が前記共用接地極と同じ電位に維持されることにより前記外部接地極に包囲された前記内部接地極に流れる雷撃電流は小さくなることを特徴とする接地装置。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、構造物の外部に独立接地される内部接地極の周囲を包囲する外部接地極を設け、外部接地極は共用接地された鉄骨または鉄筋からの連接線に接続されて共用接地の電位に保持されるので、ＳＰＤ挿入箇所の発生電圧、継続時間が低減され、ＳＰＤの通電電流、通電時間を短くできる。従って、ＳＰＤが処理するエネルギーを低減させることができ、ＳＰＤの小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る接地装置の一例を示す構成図。
【図２】本発明の実施形態に係る接地装置の接地極部分の一例の構成図。
【図３】内部接地極を外部接地極で包囲した接地極及び単独の内部接地極によるＳＰＤ挿入箇所の電圧を電磁界解析により求める場合の接地極部分の説明図。
【図４】図３に示した外部接地極有りの場合及び外部接地極無しの場合の雷撃電流及びＳＰＤ挿入箇所の電圧の波形図。
【図５】図１の構造物の頭頂部Ｇに雷撃があった場合の雷撃電流Ｉｇ、ＳＰＤ両端電圧Ｖｓ、ＳＰＤ電流Ｉｓの一例を示すグラフ。
【図６】構造物の鉄骨や鉄筋を共用接地極とし独立接地極を構造物の外部に設け接地装置の一例を示す従来例の構成図。
【図７】図６の構造物の頭頂部Ｇに雷撃があった場合の雷撃電流Ｉｇ、ＳＰＤ両端電圧Ｖｓ、ＳＰＤ電流Ｉｓの一例を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の実施形態に係る接地装置の一例を示す構成図である。本発明の実施形態は、図６に示した従来例に対し、独立接地極１４の接地棒に代えて、独立接地される内部接地極２２と、内部接地極２２の周囲を包囲する外部接地極２３とで構成され、外部接地極２３は共用接地に連接線２４で接続したものである。その他の構成は図６と同一であるので、同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００１９】
図１において、内部接地極２２は、構造物１１の内部に設置された機器を独立接地する接地極であり、構造物１１の外部に設けられている。図１では、内部接地極２２は棒状に形成されたものを示しているが、板状、円筒形などでもよい。また、構造物１１の内部に設置された機器は変圧器１５であり、Ｂ種接地された変圧器１５の中性点を接地線１６ｘにより構造物１１の外部の内部接地極２２に接続したものを示している。
【００２０】
外部接地極２３は、内部接地極２２の周囲を包囲して設けられる。図１では、外部接地極２３は円筒形に形成され、その円筒内に棒状の内部接地極２２を収納して内部接地極２２の側面を包囲したものを示している。また、外部接地極２３は、構造物１１の鉄筋１２に連接線２４で接続されている。これにより、外部接地極２３は共用接地した構造物１１の鉄筋１２と同じ電位に維持される。図１では、外部接地極２３は円筒形に形成されたものを示しているが、円筒形に代えて球形や多角筒形であってもよい。
【００２１】
いま、図１の構造物１１の頭頂部Ｇに雷撃があったとする。頭頂部Ｇに流入した雷撃電流のほとんどは、矢印で示すように、頭頂部Ｇから分流して構造物１１の鉄筋１２ｚ１１、１２ｚ１２〜１２ｚ４１、１２ｚ４２を介して共用接地極へ流れ遠方に分散する。また、鉄筋１２ｃに流れる電流の一部は連接線２４を介して外部接地極２３へ流れ分散する。
【００２２】
一方、頭頂部Ｇに流入した雷撃電流の数％は、頭頂部Ｇ→構造物１１の鉄筋１２ａ→接地線１６ａ→ＳＰＤ２０ａ１、２０ａ２→負荷１７ａの電源線１９ａ１、１９ａ２と流れる。そして、負荷１７ｃの電源線１９ｃ１、１９ｃ２において変圧器１５側と負荷１７ｃ側に分流する。変圧器１５側に分流した雷撃電流は変圧器１５の低圧巻線→変圧器１５の中性点（Ｂ種接地）→接地線１６ｘ→内部接地極２２と流れる。
【００２３】
また、負荷１７ｃ側に分流した雷撃電流は、負荷１７ｃのＳＰＤ２０ｃ１、２０ｃ２→接地線１６ｃ→構造物１１の鉄筋１２ｃに流れ共用接地極に流れる。それに加えて、雷撃電流は構造物１１の鉄筋１２ｃから連接線２４を通って外部接地極２３に流れる。
【００２４】
外部接地極２３は共用接地した構造物１１の鉄筋１２ｃに連接線２４で接続されるので、外部接地極２３は共用接地した構造物１１の鉄筋１２ｃと同じ電位に維持される。すなわち、雷撃により共用接地極の電位が上昇しても、外部接地極２３の電位も共用接地極の電位と同じように上昇する。従って、外部接地極２３に包囲された内部接地極２２に流れる雷撃電流は小さくなり、通電時間も短くなるのでＳＰＤの小型化が図れる。
【００２５】
以上の説明では、内部接地極２２は、Ｂ種接地された機器を独立接地する場合について説明したが、Ｂ種接地に代えて、Ａ種接地、Ｃ種接地、Ｄ種接地された機器を独立接地する場合であってもよい。
【００２６】
次に、本発明の実施形態に係る接地装置によるＳＰＤ挿入箇所の電圧Ｖｓ０の低減について説明する。図２は、本発明の実施形態に係る接地装置の接地極部分の一例の構成図である。図２に示すように、内部接地極２２及び外部接地極２３の長さをｌとし、地面１３から埋設深さｔの位置に内部接地極２２及び外部接地極２３を埋設するものとする。また、棒状の内部接地極２２の半径はａであり、外部接地極２３の半径はｂであるとする。
【００２７】
いま、表１に示す条件１の接地装置を用意した。すなわち、ａ＝０．０１４ｍ、ｂ＝０．３ｍ、ｌ＝２．０ｍ、ｔ＝０．８ｍとした。
【００２８】
【表１】
0006519083.tif 000002
図３は、内部接地極２２を外部接地極２３で包囲した接地極及び単独の内部接地極２２によるＳＰＤ挿入箇所の電圧Ｖｓ０を電磁界解析のうちＦＤＴＤ（Finite-difference time-domain method）法：有限差分時間領域法による電磁界解析（以下、単に電磁界解析という）により求める場合の接地極部分の説明図であり、図３（ａ）は内部接地極２２を外部接地極２３で包囲した接地極によるＳＰＤ挿入箇所の電圧Ｖｓ０を電磁界解析により求める場合の説明図、図３（ｂ）は単独の内部接地極２２によるＳＰＤ挿入箇所の電圧Ｖｓ０を電磁界解析により求める場合の説明図である。
【００２９】
図３（ａ）に示すように、内部接地極２２を外部接地極２３で包囲した接地極に対し、外部接地極２３には構造物１１の鉄筋１２からの連接線２４を設け、構造物１１の頭頂部Ｇに雷撃を模擬した雷撃電流（１００ｋＡ、１０／３５０μｓ）を流し込み、連接線２４に流れる電流、及び内部接地極２２と外部接地極２３との間の電圧（ＳＰＤ挿入箇所の電圧Ｖｓ０）を、電磁界解析により条件１の接地装置の形状で求めた。ＳＰＤ挿入箇所の電圧Ｖｓ０は、雷撃があった接地線１６ａと負荷１７ａの電源線１９ａ１、１９ａ２との間の電圧である。この場合、条件１の接地装置の内部接地極２２及び外部接地極２３が設置される箇所の大地抵抗率ρは１００Ωｍとし、鉄筋１２と内部接地極２２との距離ｄは５ｍとした。
【００３０】
同様に、図３（ｂ）に示すように、単独の内部接地極２２に対し、構造物１１の頭頂部Ｇに雷撃を模擬した雷撃電流（１００ｋＶ、１０／３５０μｓ）を流し込み、構造物１１の鉄筋と内部接地極２２との間の電圧（ＳＰＤ挿入箇所の電圧Ｖｓ０）を、電磁界解析により条件１（ただし、外部接地極無し）の接地装置の形状で求めた。
【００３１】
図４は、図３に示した外部接地極有りの場合及び外部接地極無しの場合の雷撃電流及びＳＰＤ挿入箇所の電圧の波形図であり、図４（ａ）は雷撃電流Ｉｇの波形図、図４（ｂ）は図３（ａ）に示した外部接地極有りの場合のＳＰＤ挿入箇所の電圧Ｖｓ０１の波形図、図４（ｃ）は図３（ｂ）に示した外部接地極無しの場合のＳＰＤ挿入箇所の電圧Ｖｓ０２の波形図である。
【００３２】
外部接地極有りの場合のＳＰＤ挿入箇所の電圧Ｖｓ０１の最大値Ｖｓ０ｍ１は、図４（ｂ）から分かるように、約１．７５［ｋＶ］であり、外部接地極無しの場合のＳＰＤ挿入箇所の電圧Ｖｓ０２の最大値Ｖｓ０ｍ２は、図４（ｃ）から分かるように、約２１．７［ｋＶ］である。
【００３３】
また、ＳＰＤ挿入箇所の電圧Ｖｓ０がＳＰＤ制限電圧ＶＬを超える制限電圧発生時間Ｔは、ＳＰＤ制限電圧ＶＬが１ｋＶであるとした場合、外部接地極有りの場合の制限電圧発生時間Ｔ１は図４（ｂ）から分かるように約７μsecであり、外部接地極無しの場合の制限電圧発生時間Ｔ２は図４（ｃ）から分かるように２０μsec以上である。表２に、これらの値をまとめた。
【００３４】
【表２】
0006519083.tif 000003
図３（ａ）に示した外部接地極有りの本発明の実施形態の場合は、図３（ｂ）に示した外部接地極無しの従来例の場合に比較し、ＳＰＤ挿入箇所の最大電圧Ｖｓ０m１は、１．７５ｋＶであり、外部接地極無しの場合のＳＰＤ挿入箇所の最大電圧Ｖｓ０mが大幅に小さくなっていることが分かる。また、ＳＰＤの制限電圧発生時間Ｔ１は７μsecでありＳＰＤの制限電圧発生時間Ｔが大幅に短縮していることが分かる。
【００３５】
このように、内部接地極２２に外部接地極２３を設けた場合には、外部接地極２３を設けない場合に比較して、雷撃電流があった場合にはＳＰＤ挿入箇所の最大電圧Ｖｓ０mが大幅に小さくなる。このことから、ＳＰＤ挿入箇所にＳＰＤを挿入すれば、内部接地電極２２に外部接地極２３を設けた場合では、外部接地極２３を設けない場合に比べ、ＳＰＤの通電電流は大幅に小さくなる。また、ＳＰＤの制限電圧発生時間Ｔも大幅に小さくなる。
【００３６】
図５は、図１の構造物１１の頭頂部Ｇに雷撃があった場合の雷撃電流Ｉｇ、ＳＰＤ両端電圧Ｖｓ、ＳＰＤ電流Ｉｓの一例を示すグラフである。いま、図７の場合と同じ雷撃があったとすると雷撃電流Ｉｇは、図７の場合と同じである。負荷１７ａのＳＰＤ２０ａ１、２０ａ２に現れるＳＰＤ両端電圧Ｖｓの大きさは図７と同じであるが、その制限電圧の発生時間は図７の場合と異なり、大幅に短かくなる。また、ＳＰＤの通電電流、通電時間が小さくなるので、ＳＰＤで処理されるエネルギー（ＳＰＤの制限電圧ＶＬにＳＰＤに流れる電流Ｉｓを乗じた値の積分値）が小さくなるため、ＳＰＤ２０の小型化が図れる。
【００３７】
これは、外部接地極２３が共用接地である鉄骨１２に連接線２４で接続され、外部接地極２３が共用接地の電位と同じ電位となり、また、雷撃電流Ｉｇの一部が外部接地極２３を介して遠方に拡散するためであると考えられる。
【００３８】
本発明の実施形態によれば、構造物１１の外部に独立接地される内部接地極２２の周囲を包囲する外部接地極２３を設け、外部接地極２３は共用接地された鉄骨または鉄筋からの連接線２４に接続されて共用接地の電位に保持される。従って、外部接地極２３が共用接地の電位と同じ電位となり、また、雷撃電流Ｉｇの一部が外部接地極２３を介して遠方に拡散するので、雷撃があった場合にＳＰＤ挿入箇所の電圧を低減でき、ＳＰＤ制限電圧発生時間も短縮され、ＳＰＤ２０が処理するエネルギーを低減させることができる。これにより、ＳＰＤ２０の小型化を図ることができる。
【００３９】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
１１…構造物、１２…鉄筋、１３…地面、１４…独立接地極、１５…変圧器、１６…接地線、１７…負荷、１９…電源線、２０ａ１〜２０ｃ２…ＳＰＤ、２２…内部接地極、２３…外部接地極、２４…連接線
【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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