三菱重工技報 VOL.44 NO.4: 2007

特集論17

風車の落雷の実機計測実績

文

Measurement Experience of Lightning
Current Fell to Wind Turbines
上 田 悦 紀＊1

Yoshinori Ueda

岩 井 信 樹＊4

Nobuki Iwai

有 永 真 司＊2

福 田 光 芳＊3＊5

井 上 厚 助＊6

Shinji Arinaga

松 下 崇 俊Takatoshi Matsushita

Mitsuyoshi Fukuda

Kosuke Inoue

風力発電は，地球温暖化防止を担う再生可能エネルギーの主役として世界的に導入拡大が続いている．
一方で，日本の厳しい気象条件による風車の故障も増加しており，その最も多い原因は落雷被害である．
特に北陸地方の日本沿岸部には， 冬季雷という世界的にもまれな高エネルギーの雷が存在し，毎年，多数の風車が被災している．当社は風車に落雷した際に，雷のエネルギーを速やかに地面に逃がす技術を確立するために，2003 年から実際の風車で冬季雷の計測を実施してきた．この論文では日本各地での風車落雷時の雷電流の計測結果を分析し，現在の風車落雷の国際設計標準 IEC 61400-24 とは別に，日本型風車ガイドライン策定が必要であることを確認した．

1．はじめ( )( )( )風車ブレードに被害を多くもたらしている 2 5 6 （図に２）． 冬季雷

日本には 2007 年 3 月末時点で 1 314 台，1 491 MW( )は，日本海の暖流と上空の寒気団の温度差により，広大な雷雲が発達して，蓄積された電荷の風車が建っている 1 ．導入量増大に応じて風車の故が一気に放電することで，通常よりずっと大きなエネ障例も増加し，欧州主体で制定された現在の風車の国ルギーを持つ．これに耐える風車ブレードを設計する

際設計標準（IEC 61400）は，台風には，冬季雷 の性状を定量的に把握する必要がある．

山岳風

冬季雷という日本特有の気象に対して不十分なのではないそこで当社は 2002 年から風車での新エネルギー・か，という懸念が生じた．このため（独）計測を開始している．なお，当社は前述の NEDO 研

産業技術総合開発機構（NEDO）により，冬季雷対策と日本型風車ガイドライン策定

(3)

(2)

2．雷 電 流 の 計 測されている．
( )

2．1

は雷の大電流を直接計測しようとすると，計測器自体日本の風車の故障原因で最も多いのが落雷である 4

台風 1 %

不明
17 %
落雷
36 %

調査中
14 %

保守 4 %

製造14 %

建設7%：冬季雷地域

18：その他地域

161412108
640

国内風車の故障原因 (4)

総被害

図２

＊1

＊4＊2

＊5

原動機事業本部原動機業務部事業戦略企画グループ主席
技術本部長崎研究所制御システム研究室主席＊3
長崎造船所プラント技術部計装電気課風車チーム

202

氷結 1 %

設計 4 %

図１計 測 方 法22被害率（件／100基・年当り）

その他 2 %

冬季雷の実機究事業にも参画している．の研究事業が開始（図１）．特に北陸地方の日本海沿岸部の冬季雷

ブレード損傷等

制御機器等

風車の雷による被害の頻度 (5)長崎造船所風力発電事業ユニットプロジェクト計画課
長崎造船所風力発電事業ユニット技術開発課＊6
原動機事業本部原動機業務部事業戦略企画グループ

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18が焼損する恐れがある．そこで雷電流計測は，電流セ
Antenna

車のタワー基部（および碁石が峰サイトでは主軸）に( )ループ状に巻きつける非接触方式とした 7（図４）．風Conductor

車に落雷して雷電流がループ内を通過すると，磁界がI発生してロゴスキーコイルに誘導電流が流れる．計測
した誘導電流から磁界の変化率を求め，それを積分す
れば元の雷電流の大きさ（電荷量・クーロン）を求めることができる．計測装置の構成を図５に示す．このMemoryA/DM

I/F

Rogowski coil

計測手法は，元々は送電鉄塔の雷対策用に（財）電力中Mobile
pbone

CPUGPSTASystem bus

ンサとして，大口径のロゴスキーコイル（図３）を風Serial I/FBattery

PowerSupplyControl

図５

雷電流計測装置の構成

図６

落雷のカメラ観測装置

AC100V（株）によって開発されたものを，
央研究所と北陸電力（株）が風車のタワー基部に適用して，風車へ東光電気( )の落雷の実機計測に成功したものである 8 ．
当社は 2002 年に石川県の能登半島の付け根にある碁石が峰山頂の 600 kW 風車で雷の観測を開始した．風車のブレードとナセル上の避雷針への落雷を区別するために，ロゴスキーコイルを主軸とタワー基部の二箇（株）
雷センターの協力所に設置した（図４）．北陸電力
により，落雷観測カメラも設置し（図６），どの部位に落雷するかを視覚的にも観測できる体制を整えた．

2．2

外部磁界雷観測の実施サイト

碁石が峰での観測経験を踏まえて 2005 年から計測サイトを拡大した．当社は日本各地の 10 サイト，37

磁界台で雷観測を実施し，2005-06 と 2006-07 の２冬季分のデータを収集した（図７，表１）．NEDO の冬季雷電流研究の４サイトを囲む形で観測することで，冬季雷危険地域の境界を調べることも考えた配置である．
なお，石川県の碁石が峰は NEDO 研究と共通である．また，（株）も NEDO とは独自に秋田県仁賀保で落電源開発
図3

ロゴスキーコイルの構造( )雷計測を実施している 2（表１）．

1 0B 苫前③ 浜頓別

主軸（ブレード落雷検出用．
碁石が峰のみに設置．
）

1 5
1 5
1 52 02 05

1 5Z 仁賀保

55⑥ 名立1 02 01 0④ 室蘭

C 内灘
⑧ 鳥取

D 太鼓山

⑨ 湯梨浜
⑩ 瀬戸 WH

図４

雷電流計測装置

1 01 5 1 02 0
1 0
2 52 53 0
1 0
3 03 0⑤ 釜石 WF① A 碁石が峰

1 0

タワー基部
（37台共通）①〜⑩：当社計測サイト
A〜 D ：NEDO 計測サイト
Z ：電源開発計測サイト② 宗谷岬 WF

2 52 53 03 51 0
2 53 52 5
1 5
3 53 01 53 03 0
3 0 3 0 3 52 0
1 53 03 5
3 5
3 02 02 53 5153 5
3 0
3 51 51 5
3 5 3 02 0
3 0
1 52 52 0 1 52 02 0

3 0
3 0 2 20 0
3 0
2 52 5 2 30 2 0 2 052 52 02 02 52 02 53 0
2 5 2 5 3 03 03 0 3 53 0
2 52 0 2 53 0
3 02 03 53 5 2 53 0
3 0

気象庁，雷雨10年報，1968

図７

雷観測の実施サイト⑦ 横浜：35日〜/年：25日〜/年：15日〜/年：〜15日/年

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表１19

観測サイトと落雷回数の一覧表
着色部は冬季雷地域

当社

計測サイト

地形

① 石川県碁石が峰

有

山頂

レセプター サイト内の 雷電流計 カメラ観測
定格出力の有無
風車台数 計測台数 設置台数 2002−03
11111600 kW （無→）有② 北海道宗谷岬 WF

無岬の丘

1 000 kW有5710−−−

3−③ 北海道浜頓別

無海岸

1 000 kW有

11−−−0−④ 北海道室蘭

無海岸

1 000 kW無11無山岳1 000 kW有43−−−
2⑥ 新潟県名立有海岸

600 kW無171−−

6⑤ 岩手県釜石 WF−−−−−

12⑦ 神奈川県横浜

無海岸

2 400 kW

有

11−−−

5−

⑧ 鳥取県鳥取有海岸丘陵

1 000 kW有33海岸丘陵600 kW有

11−−−−

11有−−34⑨ 鳥取県湯梨浜

125⑩ 愛媛県瀬戸 WH

無岬の峰

1 000 kW有・無1111−−−2−11016190

4304−

1428−

−−−222−

合N
EDO他

落雷回数
2004−05 2005−06
16119

冬季雷の有無120

計A 石川県碁石が峰

1237

2003−04−

2006−07238①と同じ

B 北海道苫前

無海岸丘陵

1 000 kW有201−

C 石川県内灘有海岸

1 500 kW有11−−−

D 京都府太鼓山

有山岳

750 kW有61−−

Z 秋田県仁賀保

有海岸丘陵

1 650 kW

有

1522−

10−
12162424111042総合計

結

3．2

3．観測

果

3．1

落雷計測の結果

43雷電流の計測結果

2005 年９月から 2007 年４月までの２冬季シーズンの雷電流の観測結果を図８に示す．雷電流の大きさの2005 年９月から 2007 年４月までの２冬季分の雷電頻度分布は，大電流のものほど，頻度が減少する傾向

流の観測結果を表１に示す．当社計測では，９サイトが見て取れる．国際設計標準 IEC 61400-24 9 の保護において 233 回の風車への落雷が観測された．そのレベルⅠ（300 クーロン：表３参照）を越える観測値が，内の 142 回（61 ％）は碁石が峰である．特に 2005-06

碁石が峰，鳥取，湯梨浜，内灘（NEDO）の４サイト（いは当たり年で，12 月８日に 13 回，同 16 日に 18 回，ずれも冬季雷地域）で 10 回，得られている（表４）．

同 21 日に 10 回など，短期間に集中的に落雷を受けて2005 年の 12 月 22 日には複数サイトで大きな落雷がいる．

計測されている．この日の天気図 10 は強い冬型を示( )( )2005-06 は NEDO 計測分も含めると 12 サイト・39す（図９）．寒気団が西日本上空まで入りこみ，日本台で 222 回の落雷を計測しており，最もデータが充実

海の暖流との温度差が拡大し，広い範囲で雷雲が発生と，約 5.7 回／台・シーズン（当たり年だった碁石が7014060120高い値となっている．ただし，落雷計測の実施に際し，50100

落雷リスクの高い風車（過去の落雷実績，地形，地域）

40

峰を除くと約 2.7 回／台・シ−ズン）となる（表２）．

を選抜しているバイアスもあるため，落雷頻発地域で回数

冬季雷地域はその他の地域より落雷頻度が 10 倍以上：夏季：冬季：合計：夏季：冬季

30の目安と考えるべきである．また，図２の NEDO の20

落雷被害率の統計（0.2 回／台・年）より頻度が１桁10

445 617

高いが，これは落雷しても，被害を受けずに済む場合0があるためと思われる．

50100 150観測された雷電流の分布

風車への落雷頻度（2005-06）
サイト

計測台数 落雷回数

頻度

表３

IEC 61400-24 の保護レベル標準

冬季雷地域

5（4）

7（6）

194（75） 27.7（12.5）

IEC の保護レベル

電荷量（C）

その他地域

7（7）

32（32）

28（28）

0.9（0.9）

Ⅰ300

合計12（11）39（38） 222（103） 5.7（2.7）

Ⅱ

225

Ⅲ＆IV150

注：（）
内は碁石が峰を除いた場合を示す

6040
200300 350 400 525 739

電荷量（C）

図８
表２200 25080

累積頻度（％）

している．そこで，このシーズンで落雷頻度を求める

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20

表４

IEC 保護レベル I を越える観測データ
電荷量計測サイト

計測日

1739 C鳥取

2005/12/6

2617 C鳥取

2005/12/22

3525 C鳥取

2005/12/22

4445 C

内灘（NEDO）

2005/1/19

5415 C

碁石が峰

2005/12/16

6386 C

碁石が峰

2005/12/16

7383 C

碁石が峰

2005/12/8

8356 C鳥取

2005/12/22

9337 C湯梨浜

2007/1/7

10325 C

内灘（NEDO）2005/12/226日（火）西日本中心に大雪

寒気は引き続き西日本中心に流れ込み，9時までの24時間に岐阜県郡上市で71 cm，岡山県真庭市で40 cm，広島県庄原市で38 cmの降雪．岐阜県郡上市では積雪が119 cmに達す．

図 10

天気図（2005 年 12 月６日）

225−300：
IEC レベル I
5%

600−：
2 倍以上
1%

300−600：
レベル I 以上
3%

150−225：
IEC レベル II
3%22日（木）再び強い冬型へ

鳥取県米子市上空5 200 m付近で−40℃以下．積雪が秋田市56 cm，鹿児島市11 cm，共に88年ぶりに12月の最深積雪記録を更新．東京都八丈島町で最大瞬間風
速北西38.2 m/s．

図９0−150：
IEC レベル III
以下 88 %

天気図（2005 年 12 月 22 日）

して，降雪と落雷をもたらしている．最も大きな雷は，

図 11

雷電流の確率分布2005 年 12 月６日に鳥取に落ちた 739 クーロンのものである．この日の天気図（図 10）も 22 日と同様に西500日本上空まで寒気団が覆っている． 日本海の暖流と上空の寒気団で，大気層に大きな温度差が生じる400の発生源になっていることが分かる．

IEC の保護レベルに準じて，計測された雷の大きさの確率を整理したものを図 11 に示す．IEC 保護レ
ベルⅠ以上の雷の確率は約４％，２倍以上のものも１％以上ある．表２の落雷頻度の高さと合わせて考えると，北陸地方の冬季雷Blade（C）とが， 冬季雷こ300200100が IEC の想定を超える日本特有の気象現象であることが分かる．
3．30レセプターについて

碁石が峰の風車は，建設時には非レセプター翼（非100200300400500Tower（C）

図 12ブレードとタワー基部の電流値の対比

電導製の FRP 無垢）だったが，2005 年５月にレセプター翼（翼内に避雷針を通した翼）への換装工事を実していたが，レセプター化後は 100 ％の確率でブレー施した．

．これドのレセプターに落雷している（表５，図 12）

風車への落雷部位は，非レセプター翼の時期には，．
はカメラ観測からも確認されている（図 13，図 14）ブレードとナセル上避雷針に，ほぼ半々の割合で落雷

なお，風車への落雷頻度自体について，レセプター

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表５

レセプターの有無による落雷頻度の変化
雷電流計測

カメラ

翼

タワー

観測

翼

ナセル不明

合計

翼への落雷率

無無−
有−
有有
有

665406111655 ％
60 ％

有有

有有有
有

有有

113
220061119
23

100 ％
100 ％

時期

レセプターの有無

2002−032004−05
2005−06
2006−07

落雷回数

ブレード ナセル避雷針
58 % 42 %

図 13

図 14ようにも思われるが，シーズンごとのばらつきも 1.5〜５倍と大きいため，レセプター化の影響とは断言できない．とブレード
100 %

非レセプター期

翼への換装工事後は 1.5 倍（〜 10 倍）増加している

4．ま21め

国内の 10 サイトにおける 37 台の風車で 2005 年９月から 2007 年４月までに２冬季分の雷観測を行い，233 回の落雷を計測した．その結果は IEC 61400-24の保護レベルの設定は冬季雷には不十分であることを示している．
（1）冬季の雷の４％は IEC 保護レベルⅠ（300 クーロン）を超過している．
（2）冬季の雷の１％は IEC 保護レベルⅠの２倍を超過している．
（3）最も大きな計測値は 2005 年 12 月６日の鳥取のレセプター化後（2）NEDO， 平成 18 年度風力発電設備への落雷対策に関する調査（平成 19 年３月） 報告書（3）NEDO， 日本型風力発電ガイドライン策定事業に係る委託先の公募について，平成 17 年 6 月 28日（4）NEDO，風力発電設備の故障・事故等調査委員会，
平成 17 年度報告書（5）NEDO 丸山隆一・白石裕之他，日本型風力発電ガイドライン策定事業，第 7 回 風力エネルギー利用総合セミナー（足利工業大学，2007/6/22･23）（6）日本風力発電協会，風車への落雷対応について，
NEF 主催第１回風力発電システム導入のための基礎研修会（2003/12/19）（7）Y.Ueda et al, "Measurement of Lightning
Currents Fell to the Actual Wind Turbines",
RE2006 at Chiba, Oct.10, 2006（8）東光電気 大塚尊裕他，風力発電設備における直撃雷電流観測，電学論Ｂ 124 巻 12 号（2004）（9）IEC TR 61400-24, "Wind turbine generator
systems-Part 24: Lightning protection"（2002）（10）気象庁 HP，日々の天気図 No.47 2005 年 12 月

739 クーロンである．
地球上の地域ごとに気象や風土が異なるのは自明である．今回観測した冬季雷は気象の地域性の典型例である．おそらく 台風 や 山岳風 においても，同様の日本特有の気象現象が発見されると思われる．
NEDO により日本型風車のガイドラインが制定され，万全の体制とすることが必要とされる所以であ

上田悦紀

有永真司

福田光芳

岩井信樹

松下崇俊

井上厚助

る．

参 考 文 献（1）NEDO，日本における風力発電設備・導入実績，
2007 年 3 月末