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「雷撃防護の基礎知識」
The "Grounding" for Lightning and EMP Protection
第１０章：「迷信」にとらわれない雷撃防護
「迷信」の実例としては、鉄塔の防護システムにおいて、避雷針から地上の接地システムまでの接続を銅線を用いることが挙げられます｡鉄塔の周囲で起きた雷撃のエネルギーを地上に逃がす方法として行われるこの方法は、鉄塔のジョイント部の接触抵抗と鋼材の抵抗を合わせた値よりも、銅線の抵抗値の方がより少ないために一見有効であるかのように思われます｡しかし雷撃時には回路のインダクタンスによる誘導電圧が支配的になり、単なる抵抗による電圧降下を遙かに凌ぐ高電圧が回路内に誘起されます｡この場合鉄塔のインダクタンスは、その大きな表面積による表皮効果と、鋼材の磁気的な効果によって、銅線よりもずっと小さいインダクタンスとなり、銅線を避雷針と接地システムとの接続に使用するメリットはなくなります｡(銅線に電流が流れなくなるということです)雷撃によって高い誘導電圧が誘起されている銅線と鉄塔本体との間には、非常に大きな電位差が生じ、50cmにも及ぶ巨大なアークが飛ぶ可能性があります。鉄塔と銅線との間隔がこれ以下の場合には、両者がアークによって短絡してしまいます｡避雷針からの銅線と鉄塔本体が近接することによる弊害は他にもあります｡pH値にして5.5~6.0の酸性である雨水が銅と接触すると、イオンの交換による電解作用によって銅材表面の皮膜を侵し、取り去ってしまいます｡そのために鉄塔本体の腐食が早まり、その寿命を縮める原因となります｡
●鉄塔基部での接続
低インダクタンス回路を作る上で重要なことは、回路の曲率を最大でも半径25cm以上に抑え、できるだけ鉄塔本体などに近づけることなく空中に保持することです｡高いインダクタンスの原因になる鋭い屈曲部や接続箇所はできるだけ避けるようにして下さい｡
下部から上部にかけてテーパーがかかって細くなっていく鉄塔について考えます｡Ufer型接地は用いておらず、鉄塔基礎のコンクリートから一番近い接地ロッドまで70cm離れている鉄塔では、
１：接地ロッドから鉄塔上部のプレートまでを、鉄塔に配線を這わせること無く接続します｡この接続は屈曲部を無くし、地面と垂直に行ないます｡
２：鉄塔中部のプレートと接地ロッドを接続します｡
３：鉄塔底部のプレートと接地ロッドを接続します｡この接続は空中での取り回し距離は最小ですが、屈曲部の数は最大になります｡
接続ワイヤーのゲージを#2/0とすると、この回路のインダクタンスは1m当たりおよそ1.0μHになります。また直角な屈曲部が１つ増えるごとに、0.15μHずつインダクタンスが増加します｡こうした計算で接地回路のインダクタンスの概算をすることができます｡
●接地円
別の｢迷信｣として、放射状に等間隔に埋設された接地ロッドを相互に環状に結び、地面に｢接地円｣というものを形成する、というものがあります｡
土壌の電導率が低い場所に設置されたこうした接地システムは、接触部のインダクタンスが高く、環状部は多くの場合使いものになりません｡また環状部は、電子の大部分をリングの外側に向かって放出するため、２本のリングを近接させて設置することは、２本の接地ロッドによって地中にコンデンサを形成するのと同じようなもので、放電効率は上がらず時間とコストの無駄になります｡環状回路を建設するのに要する時間とコストは、放射回路を増設することに費やした方がずっと効果的な接地が得られます｡
●放射回路の反射電流
放射回路において、地中に放出されることなく末端まで到達したエネルギーが、鉄塔基部の方向に跳ね返ってくることはないかという質問をされることがあります。こうした現象は電導性の低い土壌に、放射回路が十分な数だけ構築されておらず、土壌が電子を十分に吸収しきれない場合に生じます｡こうした現象は放射回路の長さ不足というよりは、放射回路の本数が不足していることで生じます｡放射状の接地システムは、地中に埋め込まれた金属板に例えることができます｡このプレートの持つ電気容量は、地中に放出しうる電気量を決定し、抵抗値はプレートの電圧がアース電圧からどれだけ上昇しうるかという事を表す時定数を決定します｡放射回路を増設することは回路全体の表面積(電気容量)を増大させ、抵抗値を低減させます｡
●接地を行うか、行わないかの選択
単なる｢迷信｣でない格言として、｢接地を行った鉄塔は、雷撃を受ける確率が高い｣というものがあります。第１章の図を見ると、高さの高い物体ほど雷撃を受ける確率は高くなっています。より多くの雷撃を受ける可能性がありながら、それでは何故接地を行わなくてはならないのでしょうか?考え方を変えてみて下さい｡接地を行っていない鉄塔が雷撃を受けたときに、いったい誰がその修理を行うべきでしょうか｡鉄塔の管理者でしょうか｡それとも大自然に責任をとらせるべきでしょうか｡管理者の手で適切な接地が行われていれば、雷撃の際も損害を被ることはありません｡雷撃防護の基本的なコンセプトは、雷撃を防ぐことではなく、雷撃が起こったときのエネルギーが機器に及ぼす損害を最小限に食い止めることにあります｡
●被害の可能性を皆無にすることは不可能
また別の格言として｢鉄塔が雷撃の直撃を受けた場合、機器を完全に保護することはできない｣というものがあります。新規のサイトを建設している中で、現存するサイトの雷撃防護のために多くの資金と労働力を割り当てるという事は困難なことです｡鉄塔の入札においては最も安価な入札者が鉄塔建設を受注します｡工費見積もりの段階で既に雷撃防護の要求を出さなければ、こうしたコストのかかる部分は省略されてしまうでしょう｡
鉄塔の計画段階では、雷撃の強度の見積もりができないために、鉄塔に雷撃があった際に生き残れるかという事を予言することはできません｡ただ言えることは、雷撃があった場合でも、適切な接地がなされていれば被害を抑えることができるという事です｡
また重要なのは、雷撃防護に要する費用は、既存の鉄塔に後付けで設置するよりも、鉄塔の設計段階で組み込む方が安価で済むという事です｡そして設計段階から組み込んだ方がより確実な、適切な接地が得られることも確かです｡
●雷にまつわる迷信を信じるなかれ
高さの高い物体の周囲に鋭利な突起が多数存在すると、そこから放出されたイオンが物体を覆い隠し、「カミナリ様」の監視の目から逃れることができる、ということを言う人がいますが、これは誤りです｡もしこれが事実だとすれば、多くのアンテナが屋上にある鉄塔や、森の木などは雷撃を受けないことになってしまいます。樹木は良い伝導体ではありませんが、ひとたび高いインピータンスの静電場の中におかれると電導性を持つようになることは、森の木が雷撃を受けて黒焦げになることからも分かります｡
「ブラシ線」と呼ばれる、導線を「のれん」のように何本も垂らしておく方法は、局所的に大量の電荷が蓄積されるのを防ぐ働きがあります｡これは接地システムと併用され、静電誘導によって接地システムに蓄積された電荷を、風でなびくブラシ線の1本1本から空気をイオン化することで放電してしまうものです。これは優れた発想ですが、ブラシ線がイオンを生成する速さが、接地システムに電荷が蓄積する速さに追いつかないという欠点があります｡
3次元空間内にサイトが建っている場面を考えます｡このサイトの全表面に電荷が蓄積する事ができ、これがサイトの静電容量を表します。ブラシ線（あるいは鋭利な突起）は10kV/mという電場を作り、0.5Aで放電することができますが、これは20kΩの負荷に相当します。接地システムの土壌に対する抵抗値はおよそ5Ωであることを考えると、放電の速さは4,000倍も土壌に直接放電する方が速く、ブラシ線を用いてもほとんど効果がないことが分かります｡
雷撃に対する風の影響ですが、いくら風があってもイオンを吹き飛ばして雲の中が帯電するのを防ぐことはできません｡また、風がなくともイオンは雲の中を上昇していきます｡こうしたイオンが空気の電導性を高め、ブラシ線からのステップ･リーダ（雷撃に先立つ放電線）の生成を助け、ついには雷撃につながります｡前章までに述べたように、ステップ･リーダは半径50m以内の物体にのみ影響します。ブラシ線はストリーマが上空に伸びることを抑えることができません｡ブラシ線は実験室レベルで行われる鋭利な先端からのコロナ放電を抑制することはできますが、実際のサイトのように大規模になると効果はなくなってしまいます。
こうしたブラシを取り扱う販売店は、多くの顧客がこれによって雷撃から機器を守ることが出来ていると考えています｡しかし、このシステムが効果を発揮するのは、Ufer型接地のような適切な接地回路が構築されていないときのみです｡そうした接地回路はブラシ線が果たすべき役目も担っており、ブラシ線はもはや不要なものになります｡アメリカ海軍が空軍、海洋大気庁、運輸省と合同で行った研究として、こうしたブラシ線が雷撃防護に何の効果もないことが報告されています｡（もし効果があったならばNASAが打ち上げの際の雷撃防護に既に利用しているはずです）また運輸省が行った研究の中でブラシ線が繰り返し雷撃を受ける映像が記録されています｡
大自然から機器を保護するのは容易なことではありません｡
（ポリフェーザー社は廉価な雷撃カウンタ（LSC-10, LSC-20, LSC-30）を取りそろえております｡これらのカウンタを鉄塔、電力ライン、電話線などに取り付けることをお奨めします｡）
●その他の格言
「もてる全財産を雷撃防護につぎ込んでも、雷撃を受けなければその投資が有効であったかを知ることは出来ない｡」
雷撃を受けなければ防護装置が有効かどうかを知る手段はありません｡機器がダメージを受けていないことがそのまま優秀な防護の証であるとは限りません｡しかしひとたび雷撃がおそったときは、防護装置が施されているシステムは「知らせが無い事がよい知らせ」であると言えます｡
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