上野：風力発電機用の雷保護システムの開発

総説

風力発電機用の雷保護システムの開発
Development of Anti-Lightning System for Wind Turbine
上野敏之*

2018 年度から 2020 年度にかけて実施した県単テーマ「放電プラズマ焼結法によるエネルギー産業へ向けた新製品の開発」において，開発パートナーである安来市の株式会社守谷刃物研究所とともに，風力発電機向けの雷対策製品の開発に成功した．開発にあたって風力発電機（風車）の雷被害について分析を行い，風車に従来から設置されている雷対策であるレセプタ（受雷部）の耐久性不足と，レセプタでの落雷捕捉失敗が風車破損の大きな要因であることを見出した．そこで，放電プラズマ焼結法により開発を行ってきた金属系複合素材の知見を活かし，大電流への耐久性に優れた素材の探索を行い，これを応用することで優れた雷対策製品を開発することができた．

1．は じ め に
風力発電は化石燃料に依存しない再生可能エネルギーのひとつであり，低炭素化社会の実現に大きく寄与するもレセプタのと期待される．全世界で見ると，総発電量に対する風力発電のシェアは 4% 以上となっており，今後ますます重要な電源となると見込まれている．しかしながら，国内での風力発電の導入率は 0.8% に過ぎず 1）諸外国に大きく立ち遅れている．この原因には諸外国に比較して風車設置に適ダウンコンダクタした平地が少ないこと，そして落雷をはじめとする事故による破損リスクが挙げられる 2）．
とりわけ，落雷による被害については国内の風車事故原因で 2 割以上を占めるなど，大きな問題となっている 3）．
落雷による風車の破損は，飛散する破片による周辺の器物や人への被害といった直接的なリスクに加え，修理費用の図1負担，長期の停止による逸失利益といった事業性へのリス

代表的な⾵⾞の雷対策システムク要因となっており，風力発電事業の採算性を大きく損ねている．

車によっては耐雷性に劣る機種があったことも一因であ

落雷の風車へのリスクは，風力発電が普及し始めた 90 年

る．このことに加え，日本国内においては「冬季雷」と呼代より認識されており，初期の段階で風車ブレードにレセばれる世界的にも珍しい高エネルギーの落雷が，冬の日本プタを設け，これをダウンコンダクタと呼ばれる導線を通海側（風況が良く，風車立地の好適地でもある）で多発すじてアースするシステム（図 1）が採用されている 4）．しる（図 2）ことが落雷による風車破損事故を大きくする要

かし，このシステムであっても落雷による破損は完全には因となっている 5, 6）．冬季雷は通常の雷の数十から数百倍の防げておらず，これは国内に限ったことではない．その理エネルギーを有しており，冬季雷を考慮しない国際的な基由はいくつかあり，風車の雷保護に関する国際規格である準で設計された風車雷保護システムでは負担が大きくな

2010 年の IEC 61400-24 Ed.1.0 が定められるまでは，風り，落雷を直接受けるレセプタが溶損するなどの事故を誘車耐雷システムの設計を製造各社が独自に行っており，風発する．

＊

企画調整スタッフ（兼無機材料技術科）

さらに，通常の雷に無い冬季雷の特徴として，上空が正極性となる正極雷であることが多い点も挙げられる．正極─1─島根県産業技術センター研究報告第58号 （2022）

2．耐雷性向上レセプタ「らいじん君」
2.1

らいじん君開発の経緯

著者は，新産業創出プロジェクト（2003 〜 2013 年）の一環であった熱制御システム開発プロジェクトにて，金属と黒鉛を放電プラズマ焼結法により複合材料とした高熱伝導材（㈱守谷刃物研究所にて事業化，製品名 STC）を開発した．この素材は銀，銅といった高い熱伝導率の金属に対して 1.5 倍以上となる熱伝導率を達成した 9）．この特性
図2に着目した松江工業高等専門学校の箕田教授が，落雷時の冬季雷の発⽣メカニズム（寒冷前線の場合）熱を高熱伝導体で拡散し，受雷部の温度上昇を抑えて耐溶損性を向上させるコンセプトを提案したことでレセプタの開発が始まった．

1）

雷は沿面放電を生じやすく ，レセプタ外に落雷する場合2.2

風力発電機のレセプタが多いとされている．特に，レセプタ外の落雷により，雷これまでに述べたように，ほとんどの風車のブレードに電流が風車ブレードを貫通し，電流がレセプタを介さずにはレセプタが設置されており，雷電流をアースする構造と直接ダウンコンダクタに入ると，風車ブレード内の密閉空なっている．レセプタの素材は導電性の銅やステンレスな間で放電が生じることとなりブレードの折損のような重どであり，FRP（ガラスファイバ強化プラスチック）製の大事故に発展しやすくなる（図 3）．

ブレード表面に露出するように取り付けられている．サイ

このような風車の雷事故については経済産業省が公開
7）

ズや形状は一般的なディスクレセプタで直径 30 〜 40㎜，のほか，電気学会に設けられた高さ 30 〜 50㎜の円柱状の小片であることが多い．落雷が「風力発電設備の耐雷健全性維持技術と法規制・規格調査生じた場合，通常の雷であってもレセプタ表面は多少溶融専門委員会」に著者が委員として参加し，情報収集を行っする程度であるが，冬季雷のような高エネルギー雷が落雷た 8）．

するとレセプタ脱落のような大きな事故に発展することする風力発電所事故事例

そして，風車の雷被害の様相を調査したうえで，雷電流が明らかとなっている．一般的に行われている対策の一例

への耐性を高めたレセプタの開発と，レセプタ外への落雷としては，ブレード端部の 300 〜 400㎜をアルミブロックによる被害を低減させるデバイスの開発の 2 点について検にしたチップレセプタと呼ばれるものがある（図 4）．アル

討を進めた．

ミニウムは銅やステンレスより融点が低いが，前述のディスクレセプタより大幅に体積を増加させており，多少溶融しても長期間機能が維持できるようになっている．しかレセプタ

雷電流ダウンコンダクタ
図3

レセプタ外への落雷による⾵⾞ブレードの破損様相

図 4 ⾵⾞レセプタの種類
左：ディスクレセプタ，右：チップレセプタ
─2─

上野：風力発電機用の雷保護システムの開発
2.3

高熱伝導材による大電流耐久性の実験方法

試作レセプタには 600Wm-1K-1 以上の高熱伝導を示す銅－黒鉛複合材料を用いた．比較材として無酸素銅製（JIS合金番号 C1020，熱伝導率 391Wm-1K-1）も準備した．試料を直撃雷インパルス電流試験に供し，試作したレセプタの直撃雷による溶融状態の観察を行った．
直撃雷インパルス電流試験は，現実の雷を模擬した150kV（印加毎に変動するが約 150 ± 1kA，90 ± 10C）を試料に印加し，形状等のダメージを評価した．模擬雷の生成には電流サージ発生器（音羽電機工業，IGC-200K24u350-110q，JIS Z 9290-1 に準拠）を用いた（図 5）．日本国
図5内に生じる雷の 98% は，今回用いた 150kA-90C の模擬雷

直撃雷インパルス試験の様⼦以下の電荷量である 10）．
模擬雷撃を与えた試作レセプタは受雷部を切断，研磨しし，操業開始後にチップレセプタへ改造することは困難でて走査電子顕微鏡により断面を観察した．
また，試作レセプタの大電流印加による温度上昇を評価あり，ディスクレセプタが装着された風車への雷対策として採用することは難しい．

するため，放電時の表面温度を熱画像装置にて測定した．

本研究では，既設のディスクレセプタと置き換えられる

この試験には上記の直撃雷インパルス電流装置では入力程度のサイズにて複数回の高エネルギーの雷撃に耐久しが過大であり，熱画像装置では温度上昇を測定できないた得ること目標とした．そのために素材に高熱伝導材を応用め，出力の低い 20kV の電源装置を用いた．

し，大きな改造が不要な形状での開発を行った．本論では

2.4

結果および考察

高熱伝導材の大電流への耐久性を述べ，その知見を活かし150kV に達する直撃雷インパルス試験を行ったとこた新レセプタ「らいじん君」の構造について紹介する．

ろ，高熱伝導材を用いた試作レセプタはほとんど溶融しな

雷撃点

雷撃点
純銅
図6

高熱伝導材

直撃雷インパルス試験による試作レセプタの外観の変化

純銅
図7

高熱伝導材
直撃雷インパルス試験による試作レセプタの雷撃点
─3─島根県産業技術センター研究報告
純銅

第58号 （2022）

高熱伝導材

中心（T0：電流印加点）

中心より 10㎜離れた点（T1）
図8

図9 2
 0kV ⾼電圧試験を⾏った際の試作レセプタ中⼼（T0）および 10㎜離れた位置（T1）の温度変化

 0kV ⾼電圧試験を⾏った際の試作レセプタ2
表⾯温度の時間変化かった．これに対して純銅製のレセプタは大きく溶融して高熱伝導材いた（図 6）．それぞれの試料の落雷部分の断面を図 7 に示純銅

す．純銅は大電流の印加により大きな範囲で溶融していることが観察された．一方，高熱伝導材は落雷部であっても元の断面形状を維持しており，ほとんど溶融していないこ高熱伝導材とが観察された．
図 8 に 20kV の電源を用いた熱画像を示す．純銅と比較して，高熱伝導材は高温部がやや広く拡散した．そこで熱純銅

画像より通電中心部の温度 T0 と約 10㎜離れた T1 の温度の時間変化を図 9 に示す．中心部 T0 の温度は高熱伝導材の高熱伝導材方が従来材より短時間で冷却された．一方，10㎜離れた T1
では高熱伝導材の方が大きく温度上昇しており，高熱伝導3mm材を用いることで，落雷部の生じる熱を拡散し，落雷部での温度上昇を短時間に抑えていることが明らかとなった．

図 10

このことにより，高熱伝導材は落雷点の溶融を抑制していると考えられる．

 層構造としたらいじん君レセプタの三模式（上）と断⾯（下）以上より，高熱伝導材は従来材に対して落雷時の耐溶損性に優れており，この素材をレセプタに応用することで耐実際の落雷事故事例を見ると，レセプタをブレードに固久性に優れたレセプタが開発できるものと期待される．

定するネジ部分において溶断しているものも認められた．

2.5

これらの取り付けネジ部は M10 程度であり導電断面積がらいじん君の構造

以上より，新レセプタの主要な構造材として高熱伝導材小さくなっていることから，ボトルネックとなる部分に電料を用いることで，高エネルギー落雷の大電流に対する耐流が集中し，大きなジュール熱が発生するためと考えられ久性を付与できることが示された．

た．そこで製品としてのらいじん君には M14 の大径ボルト
─4─

上野：風力発電機用の雷保護システムの開発
落雷による破損

3．ダイバータストリップ
3.1

風車用ダイバータストリップ

風車のブレードは絶縁性の FRP を主構造材としている
が，雷は非常に高い電圧によって空中を絶縁破壊しながら進行する現象であり，FRP であっても電流が流れてしまう．そして絶縁性部分への落雷はむしろ被害が大きくなる．この対策は航空機においては以前より為されてい樹脂部る．現代の旅客機の主構造材はジュラルミンなどの導電性に優れた材料であり，飛行中に落雷があってもほとんど被害は無い．しかし先端部はレーダーや通信装置の電波を通す必要性から FRP などの絶縁性のレドームとなっているボディに電流を導くことが多く，この部分に落雷すると大きな破損の危険がある．そこで，レドーム表面に導電性の小片を整列させたテープ状のデバイス「ダイバータストリップ」を貼り付ダイバータストリップ

け，レドームへの落雷の電流を導電性のボディまで導くこ
図 11とで落雷被害の抑制が図られている（図 11）．

航空機におけるダイバータストリップによる雷対策

しかしながら，風車にダイバータストリップを応用する
場合，耐久性が問題となる．航空機の場合，フライト毎に整備，交換が可能であるため，使用されるダイバータスト
リップは少なくとも 1 回の落雷に耐久出来れば十分であるが，風車ブレードの場合，近接しての整備は年に 1 〜 2 回程度であるため，1 年程度の耐久性が必要となる．航空機

ダイバータストリップ用のダイバータストリップの金属チップは銅などであり，直径 3㎜，厚さ 0.2㎜程の小円盤であるため，通常の落雷であっても一撃でチップの大部分が蒸発してしまう．
以上より，風車のレセプタ外への落雷被害抑制にダイ
バータストリップは有効なデバイスと考えられるが，航空機用のものでは耐久性が不足している．そこで，風車向けに十分な耐久性（少なくとも 1 年以上の機能維持）を有する風車用ダイバータストリップを開発する（図 12）．

図 12

風車用ダイバータストリップの開発にあたり，金属チッ⾵⾞⽤ダイバータストリップによるブレードの雷保護プには大電流への耐久性が求められる．らいじん君レセプ
タの開発の際には高熱伝導材料を応用することで，落雷時の熱を拡散させ過熱を抑制することとしたが，ダイバータ（ゆるみ止め機構付き）を添付して取り付けることとした．

ストリップの金属チップは小さく，熱を拡散させてもチッ

さらに落雷時には機械的な衝撃（ブレードとレセプタのプ内で熱が飽和してしまい過熱を防止できないことが懸隙間の雨滴が気化膨張するなど）が加わる場合もあること念された．そこで，高融点金属を用いた方法を考案した．

が明らかとなった．高熱伝導材は銅と黒鉛の複合材であ

当初は放電プラズマ焼結法を用いた安価な銅と高融点金り，純金属と比して延性に乏しく，衝撃により破損する可属粉末の複合化によるチップを検討していたが 11, 12），複合能性が指摘された．そこで円盤状レセプタの中心に延性に化コストのデメリットを考慮し，単一の高融点モリブデン富む純銅を挿入し，3 層構造とした（図 10）．

でチップを構成することとした．

このような構造とした製品らいじん君は実証実験で高3.2

実験方法

い耐久性を示している．実証実験の風車は，冬季雷地域でモリブデンの耐溶損性を評価するため，アルミニウム，ある秋田県の日本海沿岸に設置されており，従来のレセプ

銅，モリブデンの薄板素材（10 × 1.5 × 50㎜）に 1㎜の空タでは溶損により年に 1 〜 2 回の交換が必要であった．こ間ギャップを設けた模擬ダイバータストリップを試作し，のレセプタをらいじん君（高熱伝導材のみの単層構造品）これに大電流パルスを印加することでダメージを評価しに換装したところ 5 年以上無交換で耐久している．

た（図 13）．模擬ダイバータストリップは，二枚の金属薄─5─島根県産業技術センター研究報告第58号 （2022）

パルス大電流アルミニウム

シリコーン
各種金属材料
図 13

ギャップ部での放電 擬ダイバータストリップへの⼤電流印加による模ギャップ部での放電試験の模式図

銅板の 10 × 1.5 面を突き合わせて設置し，全幅 20㎜となるよう金属薄板周囲を変性シリコーン剤で埋めて作製した．上面となる 10 × 50㎜面は露出している．レセプタ評価の際には通常の波形の雷を模したもの（JIS Z 9290-1）であったが，ダイバータストリップ開発にあたっては中部大学の協力の下，より高い電荷量を与え，長時間維持する冬季雷の波形である波頭長 80µs，波尾長 7000µs（波形 80/7000µs

モリブデンと表現される）を模した模擬雷試験を行った．
電荷量 180C のパルス大電流を各サンプルに通電し，通電後の金属チップの状態を観察した．
3.3

結果と考察

図 14 に模擬雷試験後の各サンプルの画像を示す．アルミ

図 14

ニウムはギャップ部から 30㎜近くが消失し，大電流放電による溶損が非常に激しかった．航空用ダイバータストリッ 擬ダイバータストリップへの⼤電流印加によ模るギャップ部での放電試験によるダメージ

プに多用されている純銅も同様で，ギャップ部周辺 15㎜が溶損により消失した．これに対し，モリブデンは良好で，溶融痕は認められるものの，ギャップは 0.8㎜増加程度に抑えられており，高エネルギーの冬季雷の複数回落雷にも機能の維持が可能と期待できる．
今回試験を行ったモリブデンについても，多少の溶損は認められるため，寿命を考慮した幅，厚さを設定し，複数回落雷でも金属が残存するよう設計する必要があると考えられる．
3.4

風車用ダイバータストリップ「雷伝」

以上の結果を基に，風車用ダイバータストリップとして

図 15

金属チップにはモリブデンを用い，チップサイズ 10 × 1.5

⾵⾞⽤ダイバータストリップ雷伝試作品

× 10㎜（航空機用のチップの 100 倍程度の体積）とすることとした．チップの長さについては 10㎜とすることでストダイバータストリップについては現在も開発を進めてリップ全体に柔軟性を付与し，曲面の多い風車ブレード表いるが，上記のような構成のプロトタイプは完成してお面においても，ストリップ自体も平面上で湾曲させて配置り，事業化を進めている．㈱守谷刃物研究所が提案した雷できるようにした（図 15）．この製品を雷伝と名付けた．

伝開発テーマは，2020 年度の国立研究開発法人新エネル

チップを固定する樹脂については，耐久性を考慮してシギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の課題設定型産業リコーンを選択した．シリコーンと金属の接着性について技術開発費助成事業に採択され，同社と㈱朝日ラバー，中は，共同開発先である㈱朝日ラバーの技術により高強度を部大学，松江工業高等専門学校そして産業技術センターの実現した．

開発グループで事業化に向けた開発を進めている．
─6─

上野：風力発電機用の雷保護システムの開発
4 ）横 山茂．風車ブレードの雷害問題．日本電気学会論文誌 B．

4．お わ り に

2004, vol.124, no.2, p.177-180.
5 ）高田吉治．技術連載その 30 雷．日本風力エネルギー学会誌．

風力発電は低炭素化社会の実現に寄与する重要な電源

2012, vol.36, no.3, p.446-453.のひとつであるが，その事業リスクとして雷被害は無視で6 ）高田吉治．技術連載その 31 雷．日本風力エネルギー学会誌．

きないものである．本研究はその対策デバイスとして高耐

2012, vol.36, no.4, p.614-621.

久レセプタ（商品名：らいじん君）と風車用ダイバータスト7 ）経済産業省：新エネルギー発電設備事故対応・構造強度ワーキ

リップ（商品名：雷伝）の開発，製品化に寄与することがンググループ，https://www.meti.go.jp/shingikai/ sankoshin/

できた．特に落雷によるレセプタの溶損について，ダメー

hoan_shohi/denryoku_anzen/newenergy_hatsuden_wg/index.
html, 2013 年〜 2021 年 .

ジ低減可能な素材を放電プラズマ焼結法で作製できたこ8 ）風力発電設備の耐雷健全性維持技術と法規制・規格調査専門とが大きな成果であった．

委員会．風力発電設備の耐雷健全性維持と稼働率向上のため素材開発については一定の成果を得たが，今後は製品との最新技術の動向

して風車ブレードという特殊な環境において高速粒子と版 , 電気学会 , p.4-9.の衝突による摩耗であるエロージョンへの耐久性につい9 ）上野敏之，吉岡尚志，箕田充志．銅 - 黒鉛複合材料を用いたても検証する必要がある．また，今後は陸上の風車設置好適地が減少しているため，洋上風車の設置が進むと考えられるが，洋上においては海水，潮風による耐食性について風力発電用耐雷レセプタの開発．粉体及び粉末冶金．2016,vol.63, no.5 p.269-276.
10）箕田 充志 , 上野 敏之 , 朝比奈 秀一 , 仲佐 太助 , 守谷 吉弘．
高性能風力発電用レセプタの開発．電気学会論文誌Ｂ．2020,も陸上以上に注意を払う必要がある．産業技術センターはこれらの耐久性の評価について今後も続け，事業化を支援する．

電気学会技術報告第 1551 号．2020, 第 1

vol.140, no.8, p.656-657.
11）上野敏之，朝比奈秀一，金坂俊二，守谷吉弘，渡辺延由，山本和男，尾立志弘．風車用新型ダイバータストリップの試作．

文

電気学会研究会資料

献

高電圧研究会．2020, HV-20-18, p.89-93.

1 ）特定非営利活動法人環境エネルギー政策研究所：【速報】国12）上野敏之，朝比奈秀一，仲佐太助，守谷吉弘，渡辺延由，山内の 2019 年度の自然エネルギーの割合と導入状況 , https://

本和男，尾立志弘．風車用銅 - モリブデン複合材料を用いた風

www.isep.or.jp/archives/library/12745, 2020 年 7 月 20 日 .

車用ダイバータストリップの試作．電気学会研究会資料

2 ）横山茂，関岡昇三．風力発電設備の雷害対策の動向．日本電気学会論文誌 B．2009, vol.129, no.5, p.572-575.
3 ）安田陽．電気学会および IEC/JIS における風力発電システム
雷保護の動向．日本風力エネルギー学会誌．2019, vol.43, no.3,
p.360-363.

─7─

電圧研究会．2019, HV-19-28, p.151-155.

高