避雷装置、接地电极以及雷电浪涌电压的降低方法.pdf

使因雷击(7)引起的雷电浪涌电流流向接地侧的避雷装置(1)构成为具有：钢管(3)；同轴配置在该钢管(3)内的导体(4)；以及填充在钢管(3)及导体(4)之间的、具有导电性的填料(10)。由此，分流流过避雷装置(1)的雷电浪涌电流，使其低频成分流过导体(4)，且其高频成分流过导体(4)的外侧的钢管(3)及填料(10)。

1.  一种避雷装置，使因雷击引起的雷电浪涌电流流向接地侧，其特征在于，具有：
钢管；
导体，同轴配置在上述钢管内；以及
填料，填充在上述钢管和上述导体之间，具有导电性；
上述因雷击引起的雷电浪涌电流被分流，其低频成分流过上述导体，且其高频成分流过上述钢管及上述填料。

2.  根据权利要求1记载的避雷装置，其特征在于：
上述填料含有从由电阻、电介质及磁性体组成的组中选择的1种以上的材料。

3.  根据权利要求1或2记载的避雷装置，其特征在于：
上述钢管和上述导体在通过同轴类的特性阻抗终接后接地。

4.  根据权利要求1～3中任一项记载的避雷装置，其特征在于：
上述导体、上述钢管及上述填料附设在现有的设备上。

5.  一种具有避雷功能的构造柱，具有使因雷击引起的雷电浪涌电流流向接地侧的避雷功能，其特征在于，包括：
支承部，具有避雷功能；以及
被支承部，由上述支承部支承，具有与上述避雷功能不同的功能；
具有上述避雷功能的支承部具备：钢管，同轴配置在上述钢管内的导体，以及填充在上述钢管和上述导体之间的、具有导电性的填料；上述因雷击引起的雷电浪涌电流被分流，其低频成分流过上述导体，且其高频成分流过上述钢管以及上述填料。

6.  根据权利要求5记载的具有避雷功能的构造柱，其特征在于，
上述填料含有从由电阻、电介质及磁性体组成的组中选择的1种以上的材料。

7.  根据权利要求5或6记载的具有避雷功能的构造柱，其特征在于，
上述钢管和上述导体在通过同轴类的特性阻抗终接后接地。

8.  一种雷电浪涌电压的降低方法，当使因雷击引起的雷电浪涌电流流向接地侧时，降低雷电浪涌电压，其特征在于，
设置第2电流通路，该第2电流通路对于上述雷电浪涌电流的高频成分的阻抗比第1电流通路对于上述雷电浪涌电流的高频成分的阻抗低；
通过分流雷电浪涌电流，使上述雷电浪涌电流的低频成分流向第1电流通路，且高频成分流向第2电流通路，由此降低上述第1电流通路的雷电浪涌电压。

9.  根据权利要求8记载的雷电浪涌电压的降低方法，其特征在于，
上述第1电流通路由导体构成，
上述第2电流通路由同轴配置以覆盖上述导体外周的钢管，以及填充在上述钢管及上述导体之间的、具有导电性的填料构成。

10.  根据权利要求8或9记载的雷电浪涌电压的降低方法，其特征在于，
上述填料含有从由电阻、电介质及磁性体组成的组中选择的1种以上的材料。

11.  一种接地电极，使因雷击引起的雷电浪涌电流流向大地，其特征在于，具有：
至少一部分埋设在大地中的管状导体；
同轴配置在上述管状导体内的内部导体；以及
填充在上述管状导体和上述内部导体之间的、具有对高频成分的导电性的填料；
上述因雷击引起的雷电浪涌电流被分流，其低频成分主要流过上述内部导体，且其高频成分主要流过上述管状导体及上述填料。

12.  根据权利要求11记载的接地电极，其特征在于，
上述填料含有从由电阻、电介质及磁性体组成的组中选择的1种以上的材料。

13.  根据权利要求11或12记载的接地电极，其特征在于，
上述管状导体和上述内部导体在通过同轴类的特性阻抗终接后接地。

14.  根据权利要求11～13中任一项记载的接地电极，其特征在于，
连接至使因雷击引起的雷电浪涌电流流向接地侧的避雷装置。

15.  根据权利要求14记载的接地电极，其特征在于，
形成为与上述避雷装置一体型的同轴形状。

16.  根据权利要求11～15中任一项记载的接地电极，其特征在于，
使轴方向为垂直方向地埋设上述管状导体。

17.  根据权利要求11～16中任一项记载的接地电极，其特征在于，
使轴方向为水平方向地埋设上述管状导体。

18.  根据权利要求11～17中任一项记载的接地电极，其特征在于，
上述管状导体和上述内部导体连接至等电位联结导体。

19.  一种接地电极组，其特征在于，具有多个根据权利要求11～18中任一项记载的接地电极。

20.  一种雷电浪涌电压的降低方法，当使因雷击引起的雷电浪涌电流流向大地时，降低雷电浪涌电压，其特征在于，
设置第1电流通路，使其一端配置在大地中，并且设置第2电流通路，该第2电流通路对于上述雷电浪涌电流的高频成分的阻抗比上述第1电流通路对于上述雷电浪涌电流的高频成分的阻抗低；
通过按照频率成分分流雷电浪涌电流，使上述雷电浪涌电流的低频成分主要流向第1电流通路，且高频成分主要流向第2电流通路，从而降低上述第1电流通路的雷电浪涌电压。

21.  根据权利要求20记载的雷电浪涌电压的降低方法，其特征在于，
上述第1电流通路由内部导体构成；
上述第2电流通路由同轴配置以覆盖上述内部导体外周的管状导体，以及填充在上述管状导体及上述内部导体之间的、具有导电性的填料构成。

22.  根据权利要求21记载的雷电浪涌电压的降低方法，其特征在于，
上述填料含有从由电阻、电介质及磁性体组成的组中选择的1种以上的材料。

23.  根据权利要求21或22记载的雷电浪涌电压的降低方法，其特征在于，
在上述同轴配置的管状导体的外周设置外皮。

避雷装置、接地电极以及雷电浪涌电压的降低方法
技术领域
本发明涉及通过使因雷击引起的雷电浪涌电流流向接地侧从而防止雷电灾害的避雷装置、接地电极以及雷电浪涌电压的降低方法，。
背景技术
由于雷击而高输出的雷电浪涌电流流向建筑物、信号机等各种设备、或者树木等时，它们就会被破坏。近年来，特别不耐受电击的电子设备也增多，雷电灾害成为非常大的威胁。为了防止这样的雷电灾害，使用了导体(通常称为避雷针，包含避雷突针或避雷导体等)预先确保使因雷击引起的雷电浪涌电流流向接地侧的路径。
可是，在雷电浪涌电流中包含着各种各样频率的交流电流，在因雷击引起的雷电浪涌电流流过避雷针导体时，因雷电浪涌电流的高频成分产生的电压变得非常大(即，在雷电浪涌电流的高频成分中，由导体的电感L和电流的微分成分di/dt的乘积而求得的电压降落量v＝L×di/dt变得非常大)。因此，当该电压降落量即v超过导体周边的绝缘强度时，产生绝缘击穿，在导体周边发生火花放电(一般称为跳火)，可能对周围造成预想外的雷电灾害。
因此，在(日本)特开2002—186160号公报中记载的避雷技术，为了防止上述的跳火，通过在避雷针导体的外周设置绝缘体，使避雷针导体的周围成为完全绝缘状态来防止跳火的发生。
但是，在该专利文献中揭示的避雷技术，设置在避雷针导体外周的绝缘体即使出现破裂等轻微的破损，也会绝缘击穿，并发生跳火。另外，发生跳火的可能性随着避雷针导体的导体长度越长而变得越高，因此，要求避雷针导体具有更高的绝缘强度。
另外一般地，上述导体的一侧的端部连接避雷突针，且为了接收雷击而配置在作为防止雷电灾害对象的建筑物或各种设备等的上部。另外，另一侧的端部连接着埋设在大地中的接地电极。因此，通过使雷电浪涌电流绕过作为防止雷电灾害对象的建筑物等，顺序地流到避雷导体、接地电极、大地来防止受灾。而且，在接地工程中，例如A类接地中的接地电阻(一般，称为接地阻抗)是10Ω以下。通常，接地阻抗由电阻、电感、电容组成的等价电路所代表。电阻是主要与接地电极的大地接触的接地电阻和大地电阻，电感是接地电极的电感，电容是接地电极和大地之间的电容。在上述等价电路中构成为：电感和电阻串联连接，另外，电阻和电容并联连接。
在由该等价电路所代表的接地阻抗中，必须特别注意一点，在电感和电阻的串联电路上施加的电压因流动的电流频率成分不同而不同。即，若是直流或50Hz、60Hz的商用频率电流，则电流电压的大部分是施加在电阻上的成分。另一方面，随着电流的频率成分变宽，电感成分的电压也变得显著，电路电压成为电阻成分和电感成分重叠的值。因此，当雷电浪涌电流流向接地电极时，在接地电极上产生与电阻值以上相当的高电压就是这个原因。
在以往的接地工程中，从抑制对雷电浪涌电流的接地电极的电位上升的观点考虑，采用(1)进一步降低电阻的工程，或者(2)降低接地阻抗的工程等的对策。但是，这些工程需要非常大的成本或时间。另外，上述(1)中的电阻的降低未必导致接地阻抗的降低，因此成本效益差。在上述(2)中，需要多次追加工程和计测直到得到所希望的值，这也存在成本效益差的课题。
现在，假定接地阻抗之中，电阻为10Ω，电感为10μH，雷电浪涌电流的大小为100kA且100kA/μs，当雷电浪涌电流流过上述接地电极时，产生10(Ω)×100(kA)+100(kA/μs)×10(μH)＝1000(kV)+1000(kV)＝2000(kV)的电位上升。尽可能地降低该电感成分电压对于防止与接地电极直接或间接连接的电气设备或附近的设备的绝缘击穿极其有效。
若因雷电浪涌电流而发生的接地电极的电位上升加大，则接触电压或跨步电压变大，有附近居民或动物产生触电感觉的危险。另外，当2根接地电极近距离接地时，若雷电浪涌电流直接流向第1根，则雷电浪涌电流也向第2根分流，与其接地电极连接的电气设备受灾的情况很多。家电设备的雷电灾害是典型的一例。
发明内容
本发明的目的是提供一种避雷装置、具有避雷功能的构造柱以及雷电浪涌电压的降低方法，能够可靠地防止因雷击引起的雷电浪涌电流的跳火，并防止雷电灾害。
本发明的其他目的是提供一种接地电极、接地电极组以及雷电浪涌电压的降低方法，通过使作为雷电灾害防止对象的建筑物或各种设备等的接地阻抗、特别是使上述的阻抗低于导体固有的值，能够在防止因雷电浪涌电流引起的雷电灾害的同时，使成本效益提高。
为了解决上述课题，若采用本发明的第1方式，提供一种避雷装置，使因雷击引起的雷电浪涌电流流向接地侧，其特征在于，具有：钢管；同轴配置在上述钢管内的导体；以及填充在上述钢管和上述导体之间的、具有导电性的填料；分流上述因雷击引起的雷电浪涌电流，其低频成分流过上述导体，且其高频成分流过上述钢管及上述填料。
在上述避雷装置中，也可以上述填料含有从由电阻、电介质及磁性体组成的组中选择的1种以上的材料。
在上述避雷装置中，也可以上述钢管和上述导体在通过同轴类的特性阻抗终接后接地。
在上述避雷装置中，也可以上述导体、上述钢管及上述填料附设在现有的设备上。
另外，若采用本发明的第2方式，提供一种具有避雷功能的构造柱，具有使因雷击引起的雷电浪涌电流流向接地侧的避雷功能，其特征在于，构成为具有：具有避雷功能的支承部；以及由上述支承部支承的、具有与上述避雷功能不同的功能的被支承部；具有上述避雷功能的支承部具备：钢管，同轴配置在上述钢管内的导体，以及填充在上述钢管和上述导体之间的、具有导电性的填料；分流上述因雷击引起的雷电浪涌电流，其低频成分流过上述导体，且其高频成分流过上述钢管及上述填料。
在具有上述避雷功能的构造柱中，也可以上述填料含有从由电阻、电介质及磁性体组成的组中选择的1种以上的材料。
在具有上述避雷功能的构造柱中，也可以上述钢管和上述导体在通过同轴类的特性阻抗终接后接地。
另外，若采用本发明的第3方式，提供一种雷电浪涌电压的降低方法，当使因雷击引起的雷电浪涌电流流向接地侧时，降低雷电浪涌电压，其特征在于，对于上述雷电浪涌电流的高频成分，设置阻抗比第1电流通路低的第2电流通路，通过分流雷电浪涌电流，使上述雷电浪涌电流的低频成分流向第1电流通路，且高频成分流向第2电流通路，由此降低上述第1电流通路的雷电浪涌电压。
在上述雷电浪涌电压的降低方法中，也可以上述第1电流通路由导体构成，上述第2电流通路由同轴配置以覆盖上述导体外周的钢管，以及填充在上述钢管及上述导体之间的、具有导电性的填料构成。
在上述雷电浪涌电压的降低方法中，也可以上述填料含有从由电阻、电介质及磁性体组成的组中选择的1种以上的材料。
为了解决上述课题，若采用本发明的第4方式，提供一种接地电极，不仅使商用频率的接地电流，而且使因雷击引起的雷电浪涌电流流向大地，其特征在于，具有：至少一部分埋设在大地中的管状导体；同轴配置在上述管状导体内的内部导体；以及填充在上述管状导体和上述内部导体之间的、具有导电性的填料；分流上述因雷击引起的雷电浪涌电流，其低频成分主要流过上述内部导体，且其高频成分主要流过上述管状导体及上述填料。
在上述接地电极中，也可以上述填料含有从由电阻、电介质及磁性体组成的组中选择的1种以上的材料。
在上述接地电极中，也可以上述管状导体和上述内部导体在通过同轴类的特性阻抗终接后接地。
在上述接地电极中，也可以与使因雷击引起的雷电浪涌电流流向接地侧的避雷装置连接。
在上述接地电极中，也可以形成为与上述避雷装置一体的同轴形状。
在上述接地电极中，也可以连接至使商用频率电力设施或电力设备的接地故障电流流向接地侧的接地装置。
在上述接地电极中，也可以使轴方向为垂直方向埋设上述管状导体。
在上述接地电极中，也可以使轴方向为水平方向埋设上述管状导体。
在上述接地电极中，也可以上述管状导体和上述内部导体连接到等电位联结导体上。
另外，若采用本发明的第5方式，提供一种接地电极组，其特征在于，具有多个上述接地电极。
另外，若采用本发明的第6方式，提供一种雷电浪涌电压的降低方法，当使因雷击引起的雷电浪涌电流流向大地时，降低雷电浪涌电压，其特征在于，设置第1电流通路，使其一端配置在大地中，并且设置对于上述雷电浪涌电流的高频成分的阻抗比上述第1电流通路低的第2电流通路，通过按照频率成分分流雷电浪涌电流，使上述雷电浪涌电流的低频成分主要流向第1电流通路，且使高频成分主要流向第2电流通路，由此降低上述第1电流通路的雷电浪涌电压。另外，作为普通的接地电极实现与以往同样的功能。
在上述雷电浪涌电压的降低方法中，也可以上述第1电流通路由内部导体构成，上述第2电流通路由同轴配置以覆盖上述内部导体外周的管状导体，以及填充在上述管状导体及上述内部导体之间的、具有导电性的填料构成。
在上述雷电浪涌电压的降低方法中，也可以上述填料含有从由电阻、电介质及磁性体组成的组中选择的1种以上的材料。
在上述雷电浪涌电压的降低方法中，也可以在上述同轴配置的管状导体的外周设置外皮。通过例如使用混凝土等作为这样的外皮，能够在埋设时作为对钢管的腐蚀的应对。
若采用本发明，当使因雷击引起的雷电浪涌电流穿过导体(即，避雷针导体)流向接地侧时，使雷电浪涌电流分流，其低频成分流过作为第1电流通路的导体，且高频成分流过设置在导体的周围的第2电流通路，从而相比以往已知的避雷装置那样，雷电浪涌电流的全部电流流过导体的情况，能够降低导体的平均单位长度的电压降落(即，雷电浪涌电压)。因此，能够抑制导体上部的电位上升，预防跳火的发生，有效地防止对例如埋设设备等、周围的设备的雷电灾害。
本发明的接地电极具有降低接地阻抗的效果。特别地，具有降低接地电极固有的电感的构造。因此，不仅对于商用频率的接地电流，而且对于雷电浪涌电流，具备抑制当电流流过时的接地电压上升的功能。特别是，以往用于降低接地阻抗的工程是“试凑法(cut and try)”，与此相对，在本发明中，在现场安装的程度的工程就可以解决，包括缩短时间在内的成本效益是出色的。另外，因为本发明的同轴构造的接地电极的内部导体(中心导体)由作为管状导体的外侧钢管遮蔽电磁，所以分流浪涌的比例变得极小。利用该分流浪涌电流的降低效果来减少电气设备的雷电灾害。
若采用本发明，对雷电浪涌电流，能够有效地抑制接地电极的电位上升，且实现与以往相比非常低的接地阻抗。因此，能够使雷电浪涌电流经由接地电极可靠地流向大地，能够防止流向建筑物侧破坏电子设备等难以预料的情况。另外，即使流向大地的雷电浪涌电流经由大地流向周围的其他建筑物等的设备、邻接的其他接地电极、周围的人群等，接地电极的雷电浪涌电压也变成非常小的值，因此能够控制受灾到最小限度，且更加安全。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式涉及的避雷装置的垂直方向的剖面图。
图2是图1的X—X向视放大剖面图。
图3是将地面附近的避雷装置放大的立体图。
图4是当雷电浪涌电流流过避雷装置时的平均单位长度的电路图。
图5是本发明的第2实施方式涉及的避雷装置的垂直方向的部分剖面图。
图6是本发明的第3实施方式涉及的构造柱的垂直方向的剖面图。
图7是图6的Y—Y向视放大剖面图。
图8是示出将本发明的第4实施方式涉及的接地电极应用于作为雷电灾害防止对象的建筑物时的一例的结构图。
图9是接地电极的垂直方向的剖面图。
图10是图9的X—X向视放大剖面图。
图11是将大地附近的接地电极放大的立体图。
图12是示出当从导体的上端侧流入的雷电浪涌电流流向接地侧时，由钢管、导体及填料构成的本发明的第4实施方式涉及的接地电极的平均单位长度的等价电路的电路图。
图13是说明本发明的实施方式涉及的接地电极带给周围建筑物的影响的图。(a)示出接地电极和其周围建筑物等的位置关系。(b)示出在雷电浪涌电流从接地电极流向大地的情况下，雷电浪涌电压的值(纵轴)、和流经地点的位置(横轴)的关系。
图14是说明本发明的实施方式涉及的接地电极带给周围人群的影响的图。(a)示出接地电极和在接地电极周围的人的位置关系。(b)示出在雷电浪涌电流从接地电极流向大地的情况下，雷电浪涌电压的值(纵轴)、和流经地点的位置(横轴)的关系。
图15是本发明的第5实施方式涉及的、具有多个接地电极的接地电极组的垂直方向的剖面图。
图16是本发明的第6实施方式涉及的、具有4个使任一管轴方向水平而配置的接地电极的接地电极组的水平方向的剖面图。
图17是示出本发明的第7实施方式涉及的、形成为与使因雷击引起的雷电浪涌电流流向接地侧的避雷装置一体型的同轴形状的接地电极结构的结构图。
图18是同轴电缆的示意的立体图。
图19是示出对于4种电导G的各值，分别估算出3种频率f的电流流过导体时的平均单位长度的衰减率D(dB)的结果。
图20是示出对于将G＝0(σ＝0)的值添加至4种电导G的各值中的5种电导G的各值，分别估算出3种频率f＝10⁴、10⁵、10⁶(Hz)的交流电流流过导体时的接地电极1的特性阻抗Zo的结果。
具体实施方式
以下，参照附图，对于本发明适宜的实施方式进行说明。而且，在本说明书及附图中，对于实质上具有相同功能结构的要素，通过赋予相同的符号，而省略重复说明。
图1是本发明的第1实施方式涉及的避雷装置1的垂直方向的剖面图。图2是图1的X—X向视放大剖面图。如图1及图2所示，避雷装置1具有将裸露的导体4同轴配置在沿垂直方向直立设置在地面2上的圆环形状的钢管3的内部的结构。钢管3，例如由不锈钢构成。导体4，例如由铜等构成，且沿轴方向从上端侧直到下端侧配置在钢管3内。导体4的上端连接着多少突出到钢管3上端的外侧而配置的突针8，以接收雷击7。导体4由沿着钢管3的轴方向以规定间隔设置的多个绝缘性固体装置5固定在钢管3内的中央位置。
如图2所示，钢管3及导体4之间填充具有导电性的填料10。在本实施方式中，作为填料10使用以规定的比例混入电阻15、电介质16及磁性体17的各种材料的胶合剂(cement)。作为电阻15，使用如金属微粉末(银粉、铜粉等)或者石墨等。作为电介质16使用介电常数比较高的材料(如氧化铝、钛酸钡等)。进而，作为磁性体17，使用如铁酸盐等。而且，作为填料10的胶合剂，优选利用如发泡状地构成等来轻量化。
图3是将地面2附近的避雷装置1放大的立体图。如图3所示，钢管3的下端埋设在地面2(在此，将地面2作为大地来处理，但因设置地点不同，也可以作为混凝土构造面)中，且连接到接地系统20而接地。接地系统20具有使处于地中的钢管3及导体4的下端通过匹配器21连接到深埋设置的电极接地极22的结构。该匹配器21构成为使钢管3及导体4的下端由两者3、4形成的同轴类的特性阻抗终接。由此，因雷击7引起的雷电浪涌电流I几乎未反射地从钢管3及导体4流向深埋设置的电极接地极22。而且，在本实施方式中，作为匹配器21，使用轴方向与钢管3平行且同心配置的圆柱形状的混凝土材料。
对于利用上述那样构成的避雷装置1而实施的本发明的实施方式涉及的避雷方法进行说明。
当发生雷7且雷击到避雷装置1上端的突针8时，如图1所示，包含各种各样频率成分的雷电浪涌电流I沿着轴方向从上端侧到下端侧流过避雷装置1的导体4。在导体4的周围配置有同轴配置的钢管3以覆盖导体4的外周，且在导体4和钢管3之间填充了具有导电性的填料10，因此雷电浪涌电流I在流过导体4时衰减。以下，使用图4所示的电路图说明该现象。
图4是示出当雷击到与导体4的上端侧连接的突针8而产生的雷电浪涌电流I流向接地侧时，由钢管3、导体4及填料10构成的本发明的实施方式涉及的避雷装置1的平均单位长度的等价电路的电路图。在图4中，L是导体4的电感、R是导体4的电阻、C是导体4和钢管3之间的电容。G是由含有电阻15、电介质16及磁性体17的填料10引起的电导。
雷电浪涌电流I流过导体4时发生衰减是因为，如图4所示，雷电浪涌电流I的高频成分I_H通过导体4外侧的填料10及钢管3(即，从图4所示的点A1向点B2方向)流过。因此，流过导体4的衰减了的雷电浪涌电流I是雷电浪涌电流I的低频成分I_L。这样，本发明的实施方式涉及的避雷装置1构成为使雷击7的雷电浪涌电流I分流成低频成分I_L和高频成分I_H，且低频成分I_L流过作为第1电流通路的导体4，高频成分I_H流过作为第2电流通路的钢管3及填料10。
当衰减了的雷电浪涌电流I(即，雷电浪涌电流I的低频成分I_L)流过导体4时产生的雷电浪涌电压V_L成为V_L＝L×dI_L/dt。该雷电浪涌电压V_L低于以往已知的避雷装置那样，在全部的雷电浪涌电流I(＝I_L+I_H)流向导体4的情况下产生的雷电浪涌电压V_L+H＝L×{d(I_L+I_H)/dt}。
另一方面，当雷电浪涌电流I的高频成分I_H流过导体4外侧的钢管3及填料10时，主要通过填料10含有的电阻15、电介质16及磁性体17产生电阻加热、电介质加热及感应加热，消耗其能量的一部分。
流过导体4的雷电浪涌电流I的低频成分I_L、和流过填料10及钢管3的雷电浪涌电流I的高频成分I_H，当沿着轴方向流向下端侧，到达低于地面2的位置时，如图3所示，流向接地系统20。即，雷电浪涌电流I经由匹配器21，流向由同轴类的特性阻抗终接的接地极22。
若采用以上的实施方式，将避雷装置1构成为在钢管3的中心配置导体4的同轴电缆，进而，在钢管3及导体4之间填充具有导电性的填料10，从而能够在雷电浪涌电流I流过导体4时使其分流，其低频成分I_L主要流过作为第1电流通路的导体4，且其高频成分I_H流过设置在导体4周围的第2电流通路。由此，相比几乎全部的雷电浪涌电流I流过导体4的以往已知避雷技术的情况，能够使流过导体4的电流量降低，且使在导体4上产生的雷电浪涌电压(L×di/dt)降低，可以使流过导体4的雷电浪涌电流I稳定化，可靠地预防因雷击7引起的雷电浪涌电流I从避雷装置1击出的跳火，有效地防止雷电灾害。
另外，在接地系统20上设置匹配器22，构成为使钢管3和导体4的下端由两者(3、4)形成的同轴类的特性阻抗终接后接地，由此接地阻抗与大地的电阻率无关，是固定的。另外，能够使雷电浪涌电流I(即，低频成分I_L及高频成分I_H)不被反射地流向接地侧。由此，因为能够使雷电浪涌电流I更可靠地流向接地侧，所以可以进一步抑制跳火的发生。
作为本发明的第2实施方式，如图5所示，导体4、钢管3及填料10也可以附设在例如信号机40等现有的设备上。图5是本发明的第2实施方式涉及的避雷装置1的垂直方向的部分剖面图。如图5所示，与本发明的第1实施方式的情况大致相同而构成的避雷装置1，在对于垂直方向有些倾斜的状态下，由多个固定件45附设在信号机40的支柱41上。在该第2实施方式中，钢管3及导体4的下端具有由同轴类的特性阻抗终接后，与网眼接地极52连接的结构。而且，在第2实施方式中也与第1实施方式一样，也可以使用深埋设置的电极接地极22。
若采用本发明的第2实施方式，使避雷装置1附设在例如信号机40等现有的设备上，因此相比单独立设避雷装置1的情况，可以减少与必要的强度、支承构造有关的设计制约等，容易使其小型化及简单化，且能够减少避雷装置1的设备费及设备空间。本发明的第2实施方式，具有与第1实施方式相同的效果。
作为本发明的第3实施方式，如图6所示，也可以将本发明应用在具有避雷功能的构造柱上。图6是本发明的实施方式涉及的构造柱60的垂直方向的剖面图。图7是图6的Y—Y向视放大剖面图。
如图6所示，构造柱60构成为具备：支承部61，与本发明的第1实施方式中的避雷装置1同样地构成；和信号装置，作为由该支承部61支承的被支承部62。在本发明的第3实施方式中，如图6及图7所示，被支承部62具有使沿着轴方向(即，垂直方向)配置在支承部61的导体4和钢管3之间的中空的配管65的上端及下端呈直角地弯曲并突出到钢管3之外的结构。在这样突出的配管65的上端，设置具备如红色、黄色及绿色的三色灯的发光装置66。配管65的下端连接着控制发光装置66的控制装置(未图示)及给发光装置66供给电源的电源装置(未图示)。在配管65内，配设有将这些控制装置及电源装置(未图示)和发光装置66连接的电线及信号线等电线组67。而且，配管65由填充在导体4和钢管3之间的填料10固定。
若采用本发明的第3实施方式，由具有避雷功能的支承部61，和由该支承部61支承的、具有与避雷功能不同的功能(即、信号功能)的被支承部62来构成构造柱60，从而能够在同一设置空间内设立防止因雷击7引起的雷电灾害的避雷功能、和避雷功能以外的各种功能，可以节约设置空间。另外，本发明的第3实施方式，具有与第1实施方式相同的效果。
图8是示出将本发明的第4实施方式涉及的接地电极101应用在作为雷电灾害防止对象的建筑物105时的一例的结构图。如图8所示，在建筑物105的屋顶上，沿垂直方向立设避雷突针110来作为使因雷击107的雷电浪涌电流流向接地侧的避雷装置。在避雷突针110的下端，连接着引下导线113，而能够使落到上端的雷107的雷电浪涌电流流向导线113。该导线113沿着建筑物105的外面延伸设置到下方，在低于大地115的位置上导入到建筑物105内，连接到设置在建筑物105内部的接地部117。该接地部117也可以使用跨过建筑物105内的整个底部而配置的金属等。
如图8所示，接地部117连接着接地电极101和等电位联结导体120。在等电位联结导体120上连接着如个人电脑等电子设备125或如自来水管等金属管120等。在本实施方式中，电子设备125连接着外部的电源127。等电位联结导体120是为了使连接的电子设备125、金属管126等保持等电位而设置的例如金属板。由此，即使因雷击7引起的雷电浪涌电流流过，各设备间125、126之间也不产生电位差，因此能够防止雷电灾害。
图9是接地电极101的垂直方向的剖面图。图10是图9的X—X向视放大剖面图。如图9及图10所示，接地电极101具有将裸露的导体134同轴配置在沿垂直方向埋设在大地115中的圆环形状的钢管133的内部的结构。作为管状导体的钢管133，例如由不锈钢或耐腐蚀钢管构成。作为内部导体的导体134，例如由铜等构成，且沿轴方向从上端侧到下端侧配置在钢管133内。导体134的上端有些突出地配置到钢管133上端的外侧，且连接到接地部117。根据情况，导体134由沿着钢管133的轴方向以规定间隔设置的多个绝缘性固体装置135固定在钢管133内的中央位置。
如图10所示，钢管133及导体134之间填充具有导电性的填料140。在本实施方式中，作为填料140使用如以规定的比例混入电阻145、电介质146及磁性体147的各种材料的胶合剂。作为电阻145，使用如金属微粉末(银粉、铜粉等)或者石墨等。作为电介质146使用介电常数比较高的材料(如氧化铝、钛酸钡等)。进而，作为磁性体147，使用如铁酸盐等。而且，作为填料140的胶合剂，优选利用如发泡状地构成等来轻量化。
图11是将大地115附近的接地电极101放大的立体图。如图8、图9及图11所示，钢管133沿着轴方向大致跨全长地埋设在大地115内，但其上端是从大地115突出的结构。匹配器151构成为使钢管133及导体134的下端由两者(133、134)形成的同轴类的特性阻抗终接。而且，在本实施方式中，作为匹配器151，使用轴方向与钢管133平行且同心配置的圆柱形状的混凝土材料。
对于利用上述那样构成的接地电极101而实施的本发明的第4实施方式涉及的雷电浪涌电压的降低方法进行说明。
如图8所示，当发生闪电107，且雷劈到避雷装置即避雷突针110的上端时，雷电浪涌电流I从避雷突针110的下端流向引下导线113，接着，从导线113流向接地电极101。该雷电浪涌电流I含有多种频率成分。流向接地电极101的雷电浪涌电流I沿着轴方向从上端侧到下端侧流过图2的接地电极101的导体134。在导体134的周围，配置有同轴配置的钢管133以覆盖导体134的外周，且在导体134和钢管133之间填充具有导电性的填料140，因此雷电浪涌电流I在流过导体134时衰减。以下，使用图12所示的电路图说明该现象。
图12是示出当从导体134的上端侧流入的雷电浪涌电流I流向接地侧时，由钢管133、导体134及填料140构成的本发明的第4实施方式涉及的接地电极101的平均单位长度的等价电路的电路图。在图12中，L是导体134的电感、R是导体134的电阻、C是导体134和钢管133之间的电容。G是由含有电阻145、电介质146及磁性体147的填料140引起的电导。
当雷电浪涌电流I流过导体134时，以雷电浪涌电流I的高频成分为主体的电流I_H容易流向导体134外侧的填料140及钢管133(即，从图12所示的点A1向点B2方向)。因此，流向导体134的雷电浪涌电流是雷电浪涌电流I减去I_H的以低频成分为主体的I_L。这样，构成本发明的第1实施方式涉及的接地电极1，使雷击107的雷电浪涌电流I分流成低频成分I_L和高频成分I_H，且低频成分IL主要流过作为第1电流通路的导体134，高频成分I_H主要流过作为第2电流通路的钢管133及填料140。
当衰减了的雷电浪涌电流I(即，雷电浪涌电流I的低频成分I_L)流过导体134时大体产生的雷电浪涌电压V_L成为V_L＝L×dI_L/dt。该雷电浪涌电压V_L低于以往已知的接地电极那样，在雷电浪涌电流I(＝I_L+I_H)流向导体34的情况下产生的雷电浪涌电压V_L+H＝L×{d(I_L+I_H)/dt}。
另一方面，当雷电浪涌电流I的高频成分I_H流过导体134外侧的钢管133及填料140时，主要通过填料140含有的电阻35、电介质136及磁性体137产生电阻加热、电介质加热及感应加热，消耗其能量的一部分。
流过导体134的雷电浪涌电流I的低频成分I_L、和流过填料140及钢管133的雷电浪涌电流I的高频成分I_H的主要成分，当沿着轴方向流向下端侧，到达低于大地115的位置时，如图10所示，经由匹配器151流到大地115，且其一部分从与钢管133接触的部分流到大地。
若采用以上的实施方式，将接地电极101构成为在钢管133的中心配置导体134的同轴电缆，进而，在钢管133及导体134之间填充具有导电性的填料140，从而能够在雷电浪涌电流I流过导体134时使其分流，其低频成分I_L主要流过作为第1电流通路的导体134，且其高频成分I_H主要流过设置在导体134周围的第2电流通路。由此，相比几乎全部的雷电浪涌电流I流过导体134的以往已知接地电极的情况，能够使流过导体134的电流量降低，且使在导体134上产生的雷电浪涌电压(L×di/dt)降低，可以使接地阻抗低于以往的值。由此，流向建筑物侧的分流量降低，结果，与电气相连的电子设备的破坏等情况变少。
进而，如上述那样，利用接地电极101使雷电浪涌电压降低，从而可以抑制经由接地电极101流向大地115的雷电浪涌电流带给周围的建筑物或人群的损害到最小限度。以下，使用在图13及图14中示出的例子，对其效果进行说明。
在图13(a)所示的例中，在具备接地电极101的建筑物105的附近存在其他建筑物155。在其他建筑物155的内部具备连接例如外部电源167的电子设备165等。其他建筑物155通过埋设在大地115中的以往已知的接地电极161接地。接地电极161通过导线160连接到电子设备165上。图13(b)是当雷107劈到(a)所示的建筑物105时，在其雷电浪涌电流I从接地电极101流向大地115的情况下，将大地115中的雷电浪涌电压的值，和大地115上的位置一起示出的图。而且，在(b)中，纵轴显示雷电浪涌电压的值，横轴显示大地115上的位置(即，距离)。(a)的横方向的位置关系与(b)的横轴所示的距离对应。在(a)所示的建筑物105具备以往已知的接地电极来替代接地电极101的情况下，雷电浪涌电压和距离的关系成为如(b)所示的虚线。
如图13(b)所示，在使用以往已知的接地电极的情况下，与流向大地115时的雷电浪涌电流的电压(雷电浪涌电压)的初始值是U_E0，与此相对，以无限远点的电位为零，在使用本发明的接地电极101的情况下，流向大地115的雷电浪涌电压的值大幅降低，且刚刚流向大地115的雷电浪涌电压的初始值为U_E1。一般地，随着雷电浪涌电压从流向大地115的地点向更远位置(距离)行进，它的值慢慢地衰减，但在建筑物105中使用以往已知的接地电极的情况下，邻接的接地电极161的地点D上的雷电浪涌电压是依然非常高的值U_D0，由于这样高的电压，存在电子设备165损伤的可能性。与此相对，在使用本发明涉及的接地电极101的情况下，邻接的接地电极161的地点D上的雷电浪涌电压变成相当低的值U_D1，电子设备165免于损伤。这样，利用本发明，可以减少或消除对邻接的接地电极161的因雷电浪涌电压造成的灾害。
另一方面，作为建筑物105的接地电极，在不使用本发明的接地电极101，而使用以往已知的接地电极161的情况下，如图13(b)的虚线所示，流向大地时的雷电浪涌电流的电压(雷电浪涌电压)的初始值是U_E0，而作为邻接的接地电极，若使用本发明的接地电极101，则与大地115直接接触的，不是以往已知的接地电极那样的导体，而是钢管部分133，且由于不是中心导体134，钢管部分133对于中心导体134起到电磁的屏蔽体作用，因此向中心导体134的雷电浪涌电流的入侵受到抑制。另外，由于性质上是低频成分的电流选择性地流向中心导体134，因此电流浪涌电压被大幅地降低。
接着，使用图14说明将带给周围人群的损害抑制到最小限度。在图14(a)所示例中，示出步行经过具备接地电极101的建筑物105附近的步行者170。图14(b)是当雷107落到(a)所示的建筑物105时，在其雷电浪涌电流I从接地电极101流向大地115的情况下，将大地115中的雷电浪涌电压的值，和大地115上的位置一起示出的曲线图。而且，在(b)中，纵轴显示雷电浪涌电压的值，横轴显示大地115上的位置(即，距离)。(a)的横方向的位置关系与(b)的横轴所示的距离对应。在(a)所示的建筑物105具备以往已知的接地电极来替代接地电极101的情况下，雷电浪涌电压和距离的关系成为如(b)所示的虚线。
如图14(a)(b)所示，在使用以往已知的接地电极的情况下，流向大地115时的雷电浪涌电流的电压(雷电浪涌电压)的初始值是U_E0，与此相对，在使用本发明的接地电极101的情况下，流向大地115的雷电浪涌电压的值大幅降低，且刚刚流过大地115的雷电浪涌电压的初始值成为U_E1。由此，使用本发明的接地电极101的情况下的雷电浪涌电压的斜度((b)的实线)变得比使用以往已知的接地电极的情况下的雷电浪涌电压的斜度((b)的虚线)还缓。
如图14(a)所示，步行者170的两脚对于大地115接触不同的位置L1、L2，因此从接地电极101流向大地115的雷电浪涌电流，在流过步行者170的正下方的大地115的情况下，与两脚间的电位差对应的雷电浪涌电压(称为跨步电压)施加在步行者170上。但是，在使用本发明的接地电极101的情况下，如上述那样使雷电浪涌电压的斜度变缓，因此一只脚的位置L1和另一只脚的位置L2之间的电位差降低到U_S1，显著地低于使用以往已知的接地电极的情况下的电位差U_S0。这样，利用本发明，在雷电浪涌电流流过步行者170的情况下，也可以有效地降低其损害。
在上述例中，对于步行者170因雷电浪涌电流造成的触电进行了说明，如图14(a)所示，通过使用本发明的接地电极101，也能够有效地减少或消除直接接触建筑物105的接触者171受到的电击损害。
例如，图14(b)的虚线所示，在使用以往已知的接地电极的情况下，接触者171触电时受到的雷电浪涌电压(称为接触电压)是墙壁的位置W和接触者171的位置L0之间的电位差U_T0，与上述步行者170受到的电位差U_S0相比较，明显变大。然而，在使用本发明的接地电极101的情况下，如图14(b)的实线所示，雷电浪涌电压被充分地降低，衰减程度也变缓，因此电击时施加到接触者171的电位差U_T1成为非常低的值。这样，利用本发明，即使在雷电浪涌电流流过的情况下，也可以有效地降低接触者171因电击受到的损害。
进而，如上述那样，同轴构造接地电极101，从而基本上能够大幅地降低以往类型接地电极的电感成分，由此使接地阻抗的值变小。获得的优点是在其接地阻抗之中，电抗成分的值不依赖于设置接地电极101的通常的土壤环境(例如电阻率等)。另外，能够在作为雷电灾害防止对象的建筑物105等中设置接地电极101时，将制造的接地电极101搬运到存在安装位置(例如建筑物105等)的现场，沿着垂直方向挖孔后，在该孔中插入接地电极101并固定，以这样非常简单的工序实施，其施工变得非常容易。
进而，如上述那样，同轴构造接地电极101，从而接地电极101的钢管133能够屏蔽来自外部的电流，并保护导体134。由此，能够防止感应雷电浪涌电流从大地115流入导电134的情况。另外，例如邻接接地电极101，设置其他接地电极的情况下，能够降低从该邻接的其他接地电极流向大地115的雷电浪涌电流向接地电极1的中心导体134的流入量。
作为本发明的第5实施方式，如图15所示，也可以相互连接多个不同特性阻抗的接地电极101，并形成接地电极组102。图15作为一例，是示出具有3个接地电极101的接地电极组102的垂直方向的剖面的剖面图。在图15所示的接地电极组102的例中，3个接地电极101都使作为管状导体的钢管133的管轴方向成为垂直方向，以相互大体等间隔地埋设在大地115中。3个接地电极101的导体134在各钢管133之外被相互连接成为1个。这样，结合成了一个的导体134，经过如图8所示的接地部117等，连接到设置在建筑物105上部的避雷装置110上。
若采用本发明的第5实施方式，使用多个接地电极101，从而与以往相比，能够使各接地电极101小型化。由此，各接地电极101的搬运及施工非常容易。而且，在第5实施方式中，具有与第4实施方式相同的效果。
作为本发明的第6实施方式，如图16所示，也可以当设置多个不同特性阻抗的接地电极101时，使其管轴方向成为水平地埋设在大地115中。图16作为一例，是示出具有4个接地电极101的接地电极组102的水平方向的剖面的剖面图。在图16示出的接地电极组102的例中，4个接地电极101都使作为管状导体的钢管133的管轴方向成为水平方向地配置在同一水平面内。4个接地电极101配置成放射状以使相互的管轴方向成为直角。使作为内部导体的导体134延伸设置到钢管133之外的一侧的端部朝向放射的中心来配置各接地电极101。在本发明的第6实施方式中，在放射状的接地电极组102的中心部设置中空的空间180，在该空间180内，4个接地电极101的各导体134被相互连接成为一个。这样，结合成了一个的导体134沿着垂直方向延伸设置到上方，且经过例如图11示出的接地部117等，连接到设置在建筑物105上部的避雷装置110上。
若采用本发明的第6实施方式，使接地电极101的钢管133的管轴方向成为水平地配置，从而在埋设接地电极101时，如在大地115形成的孔可以是相同深度等，使其施工变得容易。另外，在连接多个接地电极101而形成接地电极组102的情况下，能够相互远离地配置各接地电极101的雷电浪涌电流流向大地115侧的端部，可以减少相互的影响。而且，在第6实施方式中也具有与第4实施方式相同的效果。
作为本发明的第7实施方式，如图17所示，也可以将使因雷击107的雷电浪涌电流流向接地侧的避雷装置110和接地电极101形成为一体型的同轴形状。图17是作为一体型的同轴形状地形成避雷装置110和接地电极101的一例的直立设置型避雷针185的垂直方向的剖面图。在图17示出的例中，避雷针185被单独地立设，且在上端具备突针186。而且，也可以使避雷装置及接地电极一体型地设置在现有的设备等中。若例如将这样的结构连接到输电线的架空地线，且将接地电极的上端连接到架空地线来使用，则能够减少架空地线的雷电浪涌电压的上升。
若采用本发明的第7实施方式，因雷击107的雷电浪涌电流从到达接地电极101之前流过同轴形状的避雷装置110，因此能够更有效地抑制雷电浪涌电流的电位上升，且使接地阻抗大幅降低。另外，在雷电浪涌电流从避雷装置110经过匹配器151流到大地115之间的整个路径(即，流过大地115之上的空气中的路径、和大地115中的路径)中，能够防止因雷电浪涌电流引起的跳火等放电的发生。进而，能够防止从外部电流流入该路径的情况。而且，在第7实施方式中也具有与第4实施方式相同的效果。
以上，参照附图，对本发明合适的实施方式进行了说明，但并不限于本发明涉及的例子。不言而喻，本领域的技术人员在专利申请范围内记载的技术思想的范畴内，可以想到各种的变更例或者修正例，对于这些，当然也属于本发明的技术范围。
在实施方式中，对于使用例如由不锈钢或耐腐蚀钢管构成的钢管3，133作为管状导体的情况进行了说明，但也可以使用其他的材料形成管状导体。
在实施方式中，对于使用以规定的比例分别使电阻15，145、电介质16，146及磁性体17，147的全部混入的胶合剂作为填料10，140的情况进行了说明。但填料10，140也可以使用具有导体性的任意材料。另外，在填料10，140中也可以含有在由电阻、电介质及磁性体组成的组中选择1种以上的材料。进而，也可以包含这些电阻、电介质及磁性体以外的材料。
在实施方式中，对于电阻15，145是金属微粉末(银粉、铜粉等)或者石墨的情况进行了说明，但作为电阻15，145也可以使用这些以外的材料。
在实施方式中，对于电介质16，146是氧化铝、钛酸钡的情况进行了说明，但作为电介质16，146也可以使用这些以外的材料。
在实施方式中，对于磁性体17，147是铁酸盐的情况进行了说明，但作为磁性体17，147也可以使用这些以外的材料。
在实施方式中，对于使用轴方向与钢管3，133平行且同心配置的圆柱形状的混凝土材料作为匹配器22，151的情况进行了说明，但匹配器22，151也可以是用于获得阻抗匹配的任意材料及形状。
在第1～第3实施方式中，对于接地系统20的接地极是深埋设置的电极接地极22或网眼接地极52的情况进行了说明，但也可以使用其他的接地极。
在第3实施方式中，对于被支承部62具备信号机功能的情况进行了说明，但被支承部62也可以具备如通信功能、照相功能等避雷功能以外的功能。
在第4～第7实施方式中，对于单独使用本发明的接地电极101的情况进行了说明，但也可以与例如网眼接地极等以往已知的接地电极一起使用，通过这样的并用，有效地使以往已知的接地电极的接地阻抗降低。
在第5实施方式中，对于接地电极组102具有3个或4个接地电极101的情况进行了说明，但也可以具有任意数量的接地电极101。另外，接地电极组102具有的多个接地电极101也可以是任意的配置结构。
在第7实施方式中，对于将避雷装置110和接地电极101形成为一体型的同轴形状的情况进行了说明，但也可以在同轴形状的避雷装置110和同轴形状的接地电极101之间设置如蛇腹形状的同轴形状或者非同轴形状的中间部分，并通过中间部分连接避雷装置110和接地电极101。
在第4～第7实施方式中，对于接地电极101对因雷击107引起的雷电浪涌电流发挥效果的情况进行了说明，但接地电极101在如图1示出的电子设备125接地故障的情况下，对于商用频率的漏电电流，也可以发挥与对雷电浪涌电流效果相同的效果。
在第4～第7实施方式中，对于接地电极101直接埋设在大地115之中的情况进行了说明，但也可以在接地电极101的外周设置例如胶合剂等的外皮。这样，通过在钢管133的外周设置外皮，能够在埋设接地电极101时，作为对钢管133的腐蚀的应对。
实施例
一般地，雷电浪涌电流的主要频率成分被视为10KHz～1MHz，通过应用一般的传输公式，对本发明的实施方式涉及的避雷装置1及接地电极101进行估算，从而利用正弦波恒定电流法的分析来验证其有效性。
如上所述，避雷装置1及接地电极101被视为图4、12所示的有损耗线路的等价电路，因此，以下，应用已知的一般公式来进行估算。而且，在有损耗线路的等价电路中，在将电阻R及电导G设定为0的情况下，相当于无损耗线路的等价电路。
一般地，如图18所示，内部导体91的外径为a、外部导体91的内径为b的同轴电缆95，在空气绝缘这些内部导体91及外部导体92的状态下，当流过频率f(Hz)的电流时，众所周知可以分别由下述公式(1)～(4)得到该同轴电缆95的平均单位长度的电感L(μH/m)、电容C(pF/m)、电阻R(Ω/m)、及阻抗Z₀(Ω)。
L＝0.2×ln(b/a)…(1)
C＝(55.6×εs)/{ln(b/a)}…(2)
R＝{4.15×10^-8×(a+b)×√f}/(a×b)…(3)
Z₀＝60×ln(b/a)…(4)
而且，上式(2)中的εs是介电常数。
另外，在图18所示的同轴电缆95的内部导体91及外部导体92之间，替代空气来填充聚乙烯，当在同轴电缆95中流过频率f＝3×10⁹(Hz)的电流时，可知由下述公式(5)可以得到同轴电缆95的电导G(S/m)。
G＝(7.35×10^-10)/{ln(b/a)}…(5)
但是，本发明的情况是避雷装置1的导体4及钢管3之间的填料10、或者，接地电极101的导体134及钢管133之间的填料140的导电性是起支配作用的，因此相对于填料10或140的导电率σ(S/m)由下述公式(6)求得避雷装置1或接地电极101的电导G是适宜的。
G＝(σ×2π)/{ln(b/a)}…(6)
在表1中，对于(含有电阻、电介质及磁性体的)填料1或140使用各种导电率σ(S/m)的物质的情况，示出由上式(6)计算出的避雷装置1或接地电极101的电导G(S/m)的各值。而且，在表1中，设内部导体91的外径a＝10(mm)，外部导体92的内径b＝1000(mm)。
表1