JP2017096193A - ダブルダウンコンダクタシステム、ダブルダウンコンダクタシステムを用いた落雷判定システム、ダブルダウンコンダクタシステム用の健全性評価システム、及び風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レセプタに着雷した正常落雷とダウンコンダクタ等に着雷した異常落雷とを区別して判定することを可能とする。【解決手段】風車ブレード３６の先端部に設けた導電性のレセプタ１８と、レセプタ１８に接続され、落雷により一時的に発生する落雷電流を接地部に導く２本のダウンコンダクタ２０と、２本のダウンコンダクタ２０を互いに絶縁すると共に一体的にモールドする絶縁体２８を含む絶縁手段を設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、ダブルダウンコンダクタシステム、ダブルダウンコンダクタシステムを用いた落雷判定システム、ダブルダウンコンダクタシステム用の健全性評価システム、及び風力発電装置に関する。

風力発電装置では風況（風の吹き方）の良好な場所、例えば洋上や山の尾根等、周りに高い構築物が無い様な場所に風車が建てられる。このような場所で雷雲が発生すると、風車が頻繁に落雷を受けることになる。

例えば日本海側では、冬季に対馬暖流による比較的暖かい海面にシベリアからの強い寒気が吹き込んで上昇気流が発生し、これにより洋上に雷雲が発生して落雷（冬季雷）が生じる。このような場所に風力発電装置を設けると、冬季雷が風車に直撃して破損に繋がるおそれがある。

そこで、風力発電装置には外部雷保護システムが設けられている。例えば、風車翼にレセプタ（避雷部材）と呼ばれる導体部材を設け、レセプタから落雷電流を地中に導くダウンコンダクタ（避雷導線）を設けることによって落雷電流を地中に導く保護システムが開示されている（特許文献１）。

また、風力発電装置に落雷があったことを検出するための落雷検出装置が提案されている。例えば、風車翼の複数箇所にレセプタを設け、レセプタから落雷電流を地中に導く避雷導線と共に避雷導線を流れる避雷電流を検知して光信号を出力する光ファイバ電流センサを備えた落雷検出装置が開示されている（特許文献２）。当該落雷検出装置では、光ファイバ電流センサからの信号の種別を認識し、この種別に基づいて落雷箇所を判定する。

また、風車羽根に設けられたレセプタから引き出された導線の電気抵抗を測定するために導線に並列に計測用の測定ケーブルを設けた構成が開示されている（特許文献３）。

特許第５３０８５３８号公報 特開２０１２−１１７４４６号公報 特開２０１２−４２４７３号公報

ところで、風車が落雷を受けた場合、外部雷保護システムが正常に機能して落雷電流が地中まで放電されれば本来であれば風力発電装置を停止させる必要はない。しかしながら、外部雷保護システムに溶損等の不具合が生じて落雷電流を放電できなくなる場合や外部雷保護システム以外の風車のブレード等に落雷した場合等を考慮して、落雷があった場合に風力発電装置を停止させて確認や補修を行うという管理が実施されている。そのため、正常な落雷であった場合にも風力発電装置を停止させることによって稼働率が低下してしまう。そこで、風力発電装置の稼働率を向上させる技術が望まれている。本発明は、レセプタに着雷した正常落雷とダウンコンダクタ等に着雷した異常落雷とを区別して判定することを可能とすることを目的とする。

請求項１に対応したダブルダウンコンダクタシステムは、風車ブレードの先端部に設けた導電性のレセプタと、前記レセプタに接続され、落雷により一時的に発生する落雷電流を接地部に導く２本のダウンコンダクタと、前記２本のダウンコンダクタを互いに絶縁すると共に一体的にモールドする絶縁体を含む絶縁手段とを備える。

請求項２に対応した上記ダブルダウンコンダクタシステムを用いた落雷判定システムは、前記レセプタ以外の部分への異常落雷を検出する異常落雷判定手段を備えることが好適である。

また、前記異常落雷判定手段は、前記風車ブレードの根元部に設けられ、前記落雷が有ったときの前記２本のダウンコンダクタのそれぞれの電流を計測する高周波電流計と、前記高周波電流計で計測された前記２本のダウンコンダクタの前記電流に基づいて異常落雷を判定する判定手段を設けることが好適である。

また、前記２本のダブルダウンコンダクタは、略同一の断面積を有し、前記判定手段は、前記高周波電流計で計測される前記２本のダウンコンダクタのそれぞれの前記電流が異なる場合に、前記風車ブレードへの異常落雷と判定することが好適である。

また、前記判定手段は、前記２本のダウンコンダクタの前記電流に基づいて前記風車ブレードに対する前記異常落雷の落雷位置を算出することが好適である。

また、前記判定手段は、前記高周波電流計で計測された前記２本のダウンコンダクタのそれぞれの前記電流が等しい場合に、前記レセプタへの正常落雷と判定することが好適である。

また、前記異常落雷判定手段は、前記レセプタの近傍の前記２本のダウンコンダクタ間に応力センサを備え、前記判定手段は、前記高周波電流計で計測された前記電流と前記応力センサで検出された前記２本のダウンコンダクタ間の応力に基づいて前記異常落雷を検出することが好適である。このとき、前記応力センサは、光ファイバ応力センサとすることがより好適である。

また、前記レセプタの近傍の前記２本のダウンコンダクタに異なる巻き数、異なる極方向で巻き付けられた電流センサを備え、前記判定手段は、前記高周波電流計で計測された前記電流と前記電流センサで検出された電流センサ電流に基づいて前記異常落雷を検出することが好適である。このとき、前記電流センサは、光ファイバ電流センサとすることがより好適である。

また、前記異常落雷判定手段は、前記レセプタの近傍の前記２本のダウンコンダクタに異なる巻き数、異なる極方向で巻き付けられたレセプタ側電流センサと、前記風車ブレードのハブ近傍の前記２本のダウンコンダクタに異なる巻き数、異なる極方向で巻き付けられたハブ側電流センサと、前記レセプタ側電流センサで検出された電流と前記ハブ側電流センサで計測された電流とに基づいて前記異常落雷を検出する判定手段を設けることが好適である。この場合も、前記レセプタ側電流センサ及び前記ハブ側電流センサは、光ファイバ電流センサとすることがより好適である。

請求項１０に対応した上記ダウンコンダクタシステムに用いられる健全性評価システムは、前記風車ブレードの根元部に設けられ、前記落雷が有ったときの前記２本のダウンコンダクタのそれぞれ電流を計測する電流測定手段と、前記２本のダウンコンダクタのうちの１本の前記根元部に高電圧を印加する高電圧印加手段を備える。

また、前記高電圧印加手段による１本のダウンコンダクタへの前記高電圧の印加時に前記電流測定手段により計測された他のダウンコンダクタの前記電流に基づいて、前記２本のダウンコンダクタと前記レセプタの接続部の健全性を評価することが好適である。

また、前記高電圧の印加を遠隔場所から行うことが好適である。

請求項１３に対応した風力発電装置は、上記ダブルダウンコンダクタシステム用の落雷判定システム、又は上記ダブルダウンコンダクタシステム用の健全性評価システムを備える。

請求項１に対応したダブルダウンコンダクタシステムによれば、風車ブレードの先端部に設けた導電性のレセプタと、前記レセプタに接続され、落雷により一時的に発生する落雷電流を接地部に導く２本のダウンコンダクタと、前記２本のダウンコンダクタを互いに絶縁すると共に一体的にモールドする絶縁体を含む絶縁手段と、を備えることで、レセプタに着雷した正常落雷とダウンコンダクタ等に着雷した異常落雷とを区別して判定する落雷判定システムを適用することができる。また、ダウンコンダクタが２本あるところ、１本が損傷しても他の１本で落雷電流を接地部に導く機能を補うことができる。また、２本のダウンコンダクタ間に例えば引力、斥力が働いても、２本のダウンコンダクタの位置関係を絶縁手段により保持できる。

また、上記ダブルダウンコンダクタシステムを用いた落雷判定システムによれば、前記レセプタ以外の部分への異常落雷を検出する異常落雷判定手段を備えることによって、レセプタに着雷した正常落雷とダウンコンダクタ等に着雷した異常落雷とを区別して判定することができる。

ここで、前記異常落雷判定手段は、前記風車ブレードの根元部に設けられ、前記落雷が有ったときの前記２本のダウンコンダクタのそれぞれの電流を計測する高周波電流計と、前記高周波電流計で計測された前記２本のダウンコンダクタの前記電流に基づいて異常落雷を判定する判定手段を設けることによって、前記２本のダウンコンダクタの前記電流に基づいて正常落雷と異常落雷とを判定することができる。

また、前記２本のダブルダウンコンダクタは、略同一の断面積を有し、前記判定手段は、前記高周波電流計で計測される前記２本のダウンコンダクタのそれぞれの前記電流が異なる場合に、前記風車ブレードへの異常落雷と判定することによって、前記２本のダウンコンダクタのそれぞれの前記電流の差のみから異常落雷を検出することができる。

また、前記判定手段は、前記２本のダウンコンダクタの前記電流に基づいて前記風車ブレードに対する前記異常落雷の落雷位置を算出することよって、正常落雷と異常落雷の区別のみならず、落雷位置を推定することができる。

また、前記判定手段は、前記高周波電流計で計測された前記２本のダウンコンダクタのそれぞれの前記電流が等しい場合に、前記レセプタへの正常落雷と判定することによって、前記２本のダウンコンダクタのそれぞれの前記電流の差が無いことのみから正常落雷を検出することができる。

また、前記異常落雷判定手段は、前記レセプタの近傍の前記２本のダウンコンダクタ間に応力センサを備え、前記判定手段は、前記高周波電流計で計測された前記電流と前記応力センサで検出された前記２本のダウンコンダクタ間の応力に基づいて前記異常落雷を検出することによって、前記２本のダウンコンダクタに同時に着雷した場合等においても異常落雷を正確に検出することができる。このとき、前記応力センサを光ファイバ応力センサとすることによって、前記応力センサを前記レセプタや前記ダウンコンダクタの付近に配置しても誘雷の可能性を低減することができる。

また、前記レセプタの近傍の前記２本のダウンコンダクタに異なる巻き数、異なる極方向で巻き付けられた電流センサを備え、前記判定手段は、前記高周波電流計で計測された前記電流と前記電流センサで検出された電流センサ電流に基づいて前記異常落雷を検出することによって、前記２本のダウンコンダクタに同時に着雷した場合等においても異常落雷を正確に検出することができる。このとき、前記電流センサを光ファイバ電流センサとすることによって、前記電流センサを前記レセプタや前記ダウンコンダクタの付近に配置しても誘雷の可能性を低減することができる。

また、前記異常落雷判定手段は、前記レセプタの近傍の前記２本のダウンコンダクタに異なる巻き数、異なる極方向で巻き付けられたレセプタ側電流センサと、前記風車ブレードのハブ近傍の前記２本のダウンコンダクタに異なる巻き数、異なる極方向で巻き付けられたハブ側電流センサと、前記レセプタ側電流センサで検出された電流と前記ハブ側電流センサで計測された電流とに基づいて前記異常落雷を検出する判定手段を設けることによって、前記２本のダウンコンダクタに同時に着雷した場合等においても異常落雷を正確に検出することができる。このとき、前記レセプタ側電流センサ及び前記ハブ側電流センサを光ファイバ電流センサとすることによって、前記応力センサを前記レセプタや前記ダウンコンダクタの付近に配置しても誘雷の可能性を低減することができる。

請求項１０に対応した上記ダウンコンダクタシステムに用いられる健全性評価システムによれば、前記風車ブレードの根元部に設けられ、前記落雷が有ったときの前記２本のダウンコンダクタのそれぞれ電流を計測する電流測定手段と、前記２本のダウンコンダクタのうちの１本の前記根元部に高電圧を印加する高電圧印加手段を備えることによって、前記２本のダウンコンダクタの断線等を検知することができ、落雷判定システムの健全性の評価を容易にし、健全性を高めることができる。

また、前記高電圧印加手段による１本のダウンコンダクタへの前記高電圧の印加時に前記電流測定手段により計測された他のダウンコンダクタの前記電流に基づいて、前記２本のダウンコンダクタと前記レセプタの接続部及び前記２本のダウンコンダクタの健全性を評価することによって、落雷判定システムの健全性をより高い精度で確認することができる。

また、前記高電圧の印加を遠隔場所から行うことによって、洋上等の遠隔地に設置された風力発電装置の健全性を容易に確かめることができる。

請求項１３に対応した風力発電装置は、上記ダブルダウンコンダクタシステム用の落雷判定システム、又は上記ダブルダウンコンダクタシステム用の健全性評価システムを備えることによって、正常落雷か異常落雷かをより正確に知ることが可能となる。したがって、風車が落雷を受けた場合、外部雷保護システムが正常に機能して落雷電流が地中まで放電されれば、本来であれば必要であった風力発電装置を停止させる必要がなくなり、風力発電装置の稼働率を向上させることができる。

本発明の実施の形態における風力発電装置の側面一部断面図である。 本発明の実施の形態における風力発電装置のブレードの構成を示す図である。 本発明の実施の形態におけるダブルダウンコンダクタの構成を示す断面図である。 異常落雷が生じたときの落雷判定処理について説明する図である。 冬季の雷モデルにおける落雷電流の時間変化を示す図である。 冬季の雷モデルを適用した場合のダブルダウンコンダクタに流れる電流の数値解析結果を示す図である。 夏季の雷モデルにおける落雷電流の時間変化を示す図である。 夏季の雷モデルを適用した場合のダブルダウンコンダクタに流れる電流の数値解析結果を示す図である。 断線が生じているときの落雷判定処理について説明する図である。 変形例１における応力センサの配置を示す構成図である。 変形例２における電流センサの配置を示す構成図である。 変形例２における光ファイバ電流センサの構成を示す断面図である。 変形例３における電流センサの配置を示す構成図である。 変形例３における落雷判定処理について説明する図である。 本発明の実施の形態及び変形例に適用した健全性評価システムの構成を示す図である。 本発明におけるパルス電圧源の構成を示す図である。 健全性評価システムによる健全性の評価処理について説明する図である。

＜全体構成＞
本発明の実施の形態における風力発電装置１０は、図１及び図２に示すように、風車１２、変圧器１４、及び制御部１６を含んで構成される。図１は、風力発電装置１０の側面一部断面図を示す。図２は、風力発電装置１０の風車１２の構成図を示す。

風車１２により風力エネルギーが電気エネルギーに変換される。この電気エネルギーは変圧器１４によって電圧変換されて商用電源等の系統に連結される（交流リンク方式）。

また、風車１２が落雷を受けた（受雷または着雷）ときには、レセプタ１８、避雷導線（ダウンコンダクタ）２０、タワー２２、接地線端子盤２４を含む外部雷保護系統に落雷電流が流れる。

＜風力発電装置１０の各構成＞
風車１２は、タワー２２、ナセル３０、主軸３２、ハブ３４、及びブレード３６Ａ〜３６Ｃを含んで構成される。なお、以下では、風車１２として３枚のブレードから構成される３枚羽タイプのものを例示する。

タワー２２は、ナセル３０やブレード３６Ａ〜３６Ｃ等を地上から所定の高さに支持するための架台であって、例えば高さ６０ｍ程度の鋼鉄製の円筒形状から構成される。単一のタワー２２を山の尾根や洋上等に運搬することが困難な場合があり、タワー２２は複数の分割体から構成される。例えば図１ではタワー２２が５つの分割円筒から構成されている。分割体の両端にあるフランジを位置合わせしてボルト留め等により固定して分割体を組み上げる。タワー２２は中空となっており、主回路盤３８や接地線端子盤２４が収容される。

主回路盤３８は発電機４２と変圧器１４とを中継する中継局としての機能を備えており、また、風車１２の運転動作を設計限界以下に保つように保護する保護制御機能も備えている。接地線端子盤２４は、地中に埋設された接地極とダウンコンダクタとを中継するための端子を備えている。また、接地線端子盤２４は、接地抵抗値を測定するための測定用端子を備えていてもよい。

ナセル３０はタワー２２の上部に配置され、主軸３２、増速機４０や発電機４２等を収容する箱体である。主軸３２の回転が増速機４０に伝達され、さらに増速後の回転駆動力が発電機４２に伝達されることで発電が行われる。また、ナセル３０内には、後述する外部雷保護系統において回転系から静止系に落雷電流を伝送するためのブラシ４８を備えている。なお、ブラシに代えてスリップリングを設けるようにしてもよい。

ハブ３４はロータヘッドとも呼ばれ、ブレード３６Ａ〜３６Ｃを主軸３２に固定する。ハブ３４は中空構造である。ブレード３６Ａ〜３６Ｃは例えばガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）等の絶縁体から構成され、また軽量化を図るため中空構造を採っている。ブレード３６Ａ〜３６Ｃの先端（最外径端）にはレセプタ１８Ａ〜１８Ｃが取り付けられている。レセプタ１８Ａ〜１８Ｃはアルミニウム等の導電性材料から構成され、主に雷を受ける部位（受雷部）として機能する。なお、図１に示す例ではブレード３６Ａ〜３６Ｃの先端形状に沿ったいわゆるキャップタイプのレセプタ１８Ａ〜１８Ｃを例示したが、この形態に限らない。例えばディスク形状またはロッド形状のレセプタ１８Ａ〜１８Ｃをブレード３６Ａ〜３６Ｃの先端に収容させてもよい。

また、ブレード３６Ａ〜３６Ｃ内には、破線で示すダウンコンダクタ２０Ａ〜２０Ｃが収容されている。ダウンコンダクタ２０Ａ〜２０Ｃの一端はレセプタ１８Ａ〜１８Ｃに接続され、他端は接続点４６（ノード）でそれぞれ結線される。ダウンコンダクタ２０Ａ〜２０Ｃは、例えば、円柱形の導電性材料とすることが好適である。

本実施の形態における風力発電装置１０では、ダウンコンダクタ２０Ａ〜２０Ｃのそれぞれが２本の導線からなるダブルダウンコンダクタの構成とされている。すなわち、レセプタ１８Ａ〜１８Ｃに２本のダウンコンダクタ２０Ａ（２０Ａ−１，２０Ａ−２），２０Ｂ（２０Ｂ−１，２０Ｂ−２），２０Ｃ（２０Ｃ−１，２０Ｃ−２）がそれぞれ接続されて接続点４６まで延設される。

図３は、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の構成を示す断面図である。図３は、ダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の延設方向に対して垂直な断面を示す。ダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２は、絶縁体２８によってモールドされ、互いに電気的に絶縁されるように並べて配置される。このとき、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の半径ｒは略同一とすることが好適である。その効果については後述する。ただし、ダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の半径ｒを異ならせてもよい。また、これに限定されるものではないが、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の間隔Ｄは、ダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の半径ｒよりも小さくすることが好適である。その効果については後述する。なお、ダウンコンダクタ２０Ｂ−１，２０Ｂ−２及びダウンコンダクタ２０Ｃ−１，２０Ｃ−２も同様に構成される。

このように、一つのレセプタ１８に対して２本のダウンコンダクタ２０を設けることによって、片方のダウンコンダクタ２０に断線等の異常が生じたり、レセプタ１８Ａ〜１８Ｃとの接続箇所が腐食し接続不良となった場合であっても他方の片方のダウンコンダクタ２０によって落雷電流を接地極まで導くことができる。
また、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２間に例えば引力、斥力が働いても、２本のダウンコンダクタの位置関係を絶縁体２８により保持できる。

接続点４６から接地までは、接続点４６→ダウンコンダクタ２０Ｄ→ブラシ４８→ダウンコンダクタ２０Ｅ→タワー２２→ダウンコンダクタ２０Ｆ→接地線端子盤２４→接地極の放電経路４９となる。

なお、タワー２２が鋼鉄のように導電性を有する材料からなる場合は本実施の形態における構成でよいが、タワー２２がガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）等の絶縁体からなる場合にはタワー２２内部に導電性のダウンコンダクタを別途設けてもよい。

ダウンコンダクタ２０Ａ〜２０Ｃには、それぞれ高周波電流計２６Ａ〜２６Ｃが設けられる。ダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２にはそれぞれ高周波電流計２６Ａ−１，２６Ａ−２、ダウンコンダクタ２０Ｂ−１，２０Ｂ−２にはそれぞれ高周波電流計２６Ｂ−１，２６Ｂ−２、ダウンコンダクタ２０Ｃ−１，２０Ｃ−２にはそれぞれ高周波電流計２６Ｃ−１，２６Ｃ−２が設けられる。高周波電流計２６Ａ〜２６Ｃは、例えば、ロゴスキーコイル等を備えた計測器とすればよい。

高周波電流計２６Ａ〜２６Ｃで計測された電流値は、送受信機４４により制御部１６に送信される。制御部１６は、高周波電流計２６Ａ〜２６Ｃにより計測された電流値に基づいて異常落雷を含む落雷の状況を判定する。なお、本実施の形態では、制御部１６において落雷の状況を判定するものとしたが、他の外部装置にて高周波電流計２６Ａ〜２６Ｃで計測された電流値を受けて落雷の状況を判定するものとしてもよい。送受信機４４は、ハブ３４やナセル３０内に配置すればよく、風車１２外、例えば制御部１６の近傍に配置してもよい。

風力発電装置１０では、レセプタ１８、避雷導線（ダウンコンダクタ）２０、接地線端子盤２４、高周波電流計２６及び制御部１６を含む監視システムによって正常落雷か異常落雷かが判定される。ここで、正常落雷とは、レセプタ１８への落雷があり、放電経路４９を経由して放電された場合を意味する。また、異常落雷とは、レセプタ１８以外に落雷し、ブレード３６Ａ〜３６Ｃの表面を貫通して内部のダウンコンダクタ２０Ａ〜２０Ｃに電流が流れる貫通落雷が含まれる。また、異常落雷には、ダウンコンダクタ２０Ａ〜２０Ｃの一部が切断した状態でレセプタ１８に落雷を受ける断線落雷が含まれる。貫通落雷や断線落雷が生じた場合、ブレード３６Ａ〜３６Ｃに穿孔が生じたり、ブレード３６Ａ〜３６Ｃ内の水分が気化して内部圧力が高まり部材の剥離が生じたりすることがある。

＜落雷判定処理＞
図４は、風力発電装置１０による落雷の状態判定方法を説明するモデル図である。図４では、レセプタ１８Ａに落雷せずにダウンコンダクタ２０Ａ−１の途中に貫通落雷した例について示している。なお、ダウンコンダクタ２０Ｂ−１，２０Ｂ−２及びダウンコンダクタ２０Ｃ−１，２０Ｃ−２に落雷した場合についても以下の説明は同様となる。

２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の長さをｌ、半径をｒ、距離をｄとする。また、ダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の根元（接続点４６付近）で計測される電流値をそれぞれＩ_１，Ｉ_２とする。また、貫通落雷がレセプタ１８Ａからｌ_ｓｔｒの位置に着雷したものとする。このとき、着雷点の電位がＶであり、接続点４６の電位がＶ_０であるとすると電流Ｉ_１，Ｉ_２及び電圧Ｖ，Ｖ_０は以下の数式（１），（２）で表わされる。

ここで、Ｒ_ｌ（＝Ｒ（ｌ））は長さｌのダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の抵抗値であり、数式（３）で表わされる。

また、Ｌ_ｌ（＝Ｌ（ｌ））は長さｌのダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の自己インダクタンス（ｌ_ｓｔｒ以外の部分）であり、数式（４）で表わされる。

また、Ｌ_ｌ（＝Ｌ（ｌ））は長さｌのダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の自己インダクタンス（ｌ_ｓｔｒの部分）であり、数式（５）で表わされる。

また、Ｍ_ｌ（＝Ｍ（ｌ））は長さｌのダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２間の相互インダクタンスであり、数式（６）で表わされる。

このようなモデルにおいて、落雷の入力電流Ｉの時間変化を設定することによって電流Ｉ_１，Ｉ_２を算出することができる。すなわち、落雷による電流Ｉ（＝Ｉ_１＋Ｉ_２）を与えて、数式（１），（２）を数値解析することにより電流Ｉ_１，Ｉ_２を算出することができる。

図５は、冬季の雷モデルにおける落雷の入力電流Ｉの例を示す。図６は、図５の入力電流Ｉの落雷が生じた場合にダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の半径ｒ＝０．００３９８９ｍ（面積５０ｍｍ^２）、長さｌ＝４０ｍ、距離ｄ＝０．０１ｍ、抵抗率ρ＝１．６８０×１０^−８Ωｍ（銅の抵抗率）、透磁率μ＝１．２５７×１０^−６Ｈ／ｍ（銅の透磁率）として電流Ｉ_１（太実線），Ｉ_２（細実線）及び電流Ｉ_１，Ｉ_２を時間積分した電荷量Ｑ_１（太破線），Ｑ_２（細破線）を数値解析した結果を示す。ただし、落雷の位置ｌ_ｓｔｒ＝３．０ｍとした。

また、図７は、夏季の雷モデルにおける落雷の入力電流Ｉの例を示す。図８は、図７の入力電流Ｉの落雷が生じた場合にダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の半径ｒ＝０．００３９８９ｍ（面積５０ｍｍ^２）、長さｌ＝４０ｍ、距離ｄ＝０．０１ｍ、抵抗率ρ＝１．６８０×１０^−８Ωｍ（銅の抵抗率）、透磁率μ＝１．２５７×１０^−６Ｈ／ｍ（銅の透磁率）として電流Ｉ_１（太実線），Ｉ_２（細実線）及び電流Ｉ_１，Ｉ_２を時間積分した電荷量Ｑ_１（太破線），Ｑ_２（細破線）を数値解析した結果を示す。ただし、落雷の位置ｌ_ｓｔｒ＝３．０ｍとした。

図６及び図８に示すように、ダウンコンダクタ２０Ａ−１の途中に貫通落雷した場合、高周波電流計２６Ａ−１，２６Ａ−２で測定される電流Ｉ_１，Ｉ_２に差が生じる。着雷位置ｌ_ｓｔｒが大きくなるほど電流Ｉ_１，Ｉ_２の差は大きくなる。なお、レセプタ１８Ａに正常落雷した場合、電流Ｉ_１，Ｉ_２に差は生じない。このように、電流Ｉ_１，Ｉ_２の差に基づいて貫通落雷の検知が可能である。

また、電流Ｉ_１，Ｉ_２をそれぞれ時間積分した電荷量Ｑ_１，Ｑ_２によっても同様に貫通落雷の検知が可能である。実際には、雷電流は多くのノイズを含むと想定されるので、高周波電流計２６Ａ−１，２６Ａ−２で測定される電流Ｉ_１，Ｉ_２よりも時間積分された電荷量Ｑ_１，Ｑ_２を用いることによって正常落雷と貫通落雷をより正確に判定することができる。

なお、高周波電流計２６Ａ−１，２６Ａ−２で測定された電流Ｉ_１，Ｉ_２の時間変化を数式（１）〜（６）に当て嵌めて解析することによって着雷位置ｌ_ｓｔｒを求めることもできる。

図９は、ダウンコンダクタ２０Ａ−１の一部に断線が発生していた場合にレセプタ１８Ａに断線落雷した例について示している。この場合、断線箇所にアーク放電が生じ、アーク間電圧降下Ｖ_ａｒｃが生じると想定される。すなわち、断線落雷の場合には、アーク間電圧降下Ｖ_ａｒｃによって電流Ｉ_１，Ｉ_２及び電荷量Ｑ_１，Ｑ_２に差が生ずる。したがって、電流Ｉ_１，Ｉ_２又は電荷量Ｑ_１，Ｑ_２の差から正常落雷か断線落雷かを判定することができる。

このように、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２を流れる電流Ｉ_１，Ｉ_２に基づいて正常落雷と異常落雷の判定や落雷位置の判定が可能である。正常落雷と判定された場合には風力発電装置１０の運転を継続し、異常落雷と判定された場合には管理者等に通報したり、風力発電装置１０の運転を停止させたりするようにしてもよい。なお、ダウンコンダクタ２０Ｂ−１，２０Ｂ−２及びダウンコンダクタ２０Ｃ−１，２０Ｃ−２についても同様である。

なお、本実施の形態では、ダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の半径ｒが同一である場合について説明したが、異なる半径を有していてもよい。この場合、数式（３）〜（６）について異なる半径を有する導体線における自己インダクタンス及び相互インダクタンスの式を適用すればよい。

＜変形例１＞
貫通落雷が２本のダウンコンダクタに同時に着雷する場合、上記落雷判定処理では正常落雷か異常落雷かを判定することができない。すなわち、２本のダウンコンダクタにおいてレセプタ１８からほぼ同時に貫通落雷が着雷した場合、接続点４６付近に設けられた高周波電流計２６によって測定される電流Ｉ_１，Ｉ_２に差が生じないために正常落雷か異常落雷かを判定することが困難となる。

そこで、本変形例では、図１０に示すように、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２間に生ずる応力を検出する応力センサ５０を設ける。なお、図１０には、レセプタ１８Ａ付近の断面図及びレセプタ１８Ａから離れた部分における断面図も併せて示した。また、図１０ではダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２を例に示したが、ダウンコンダクタ２０Ｂ−１，２０Ｂ−２及びダウンコンダクタ２０Ｃ−１，２０Ｃ−２であっても同様である。

応力センサ５０は、レセプタ１８Ａの付近における２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の間の応力を検出できるものであればよい。応力センサ５０からの出力は、送受信機４４を介して電気信号として制御部１６に入力される。応力センサ５０は、例えば、光ファイバ応力センサとしてダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の間に設置
することが好適である。光ファイバ応力センサは絶縁体であるので、レセプタ１８Ａやダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の付近に配置しても誘雷の可能性を低減することができる。

応力センサ５０によって２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２に生じる応力が引力として検出されれば、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２に流れる電流は同方向であるので、高周波電流計２６Ａ−１，２６Ａ−２に流れる電流Ｉ_１，Ｉ_２に差が無い場合であってもレセプタ１８Ａに着雷したと判定することができる。一方、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２に生じる応力が斥力として検出されれば、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２に流れる電流は逆方向であるので、高周波電流計２６Ａ−１，２６Ａ−２に流れる電流Ｉ_１，Ｉ_２に差が無い場合であっても２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２に同時に着雷したと判定することができる。また、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の一方に着雷し、瞬時に他方と溶着を起こした場合も、同時に着雷した場合と同様に判定することができる。

また、応力を所定の値以上に確保する点からも、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の間隔Ｄは、ダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の直径よりも小さくすることが好ましく、絶縁が確保できる範囲で半径ｒよりも小さくすることがより好ましい。

＜変形例２＞
本変形例では、図１１に示すように、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の上部（レセプタ１８Ａ付近）に電流センサ５２を設ける。電流センサ５２は、ダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２に流れる電流Ｉ_１，Ｉ_２の向きが同方向であるか逆方向であるかを判定できるものであればよい。

電流センサ５２は、例えば、光ファイバ電流センサとすることが好適である。光ファイバ電流センサは、ダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２に流れる電流によって生ずる磁界の強さに応じて電流を測位する。光ファイバ電流センサは、絶縁体であるため、レセプタ１８Ａの付近に配置しても誘雷の可能性が小さい。また、光ファイバ電流センサは、従来の高周波電流計に比べて雷サージノイズに強く、ダイナミックレンジが広く、測定精度が高いという特徴を有する。

電流センサ５２として光ファイバ電流センサを用いる場合、図１２の断面図に示すように、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の周囲をクロスさせるように周回させることが好適である。このとき、片方のダウンコンダクタ２０Ａ−１と他方のダウンコンダクタ２０Ａ−２に対する周回数を異ならせる。例えば、片方のダウンコンダクタ２０Ａ−１には光ファイバ電流センサを１回周回させ、他方のダウンコンダクタ２０Ａ−２には光ファイバ電流センサを２回周回させる。

このような構成によれば、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２を流れる電流Ｉ_１，Ｉ_２の向きが異なる場合、電流Ｉ_１，Ｉ_２によって生ずる磁界の方向も異なるため、クロスして異なる周回数で巻かれた電流センサ５２では重畳される成分が生じ、電流センサ５２では重畳された大きな信号が検出される。これに対して、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２を流れる電流Ｉ_１，Ｉ_２の向きが同じ場合、電流Ｉ_１，Ｉ_２によって生ずる磁界の方向も同じになるため、クロスして異なる周回数で巻かれた電流センサ５２では打ち消し合う成分が生じ、電流センサ５２では相殺された小さな信号が検出される。

したがって、電流センサ５２によって測定される信号により電流Ｉ_１，Ｉ_２の向きを特定し、高周波電流計２６Ａ−１，２６Ａ−２による計測結果と併せることによって、多様な貫通落雷を検知し、落雷位置を求めることができる。

例えば、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２に同時に貫通落雷が生じた場合（ただし、着雷位置はレセプタ１８Ａ付近であり、電流センサ５２の設置位置より下方であるとする）、電流センサ５２では電流が検出されないが、下部の高周波電流計２６Ａ−１，２６Ａ−２では同程度の電流Ｉ_１，Ｉ_２が検出される。このように、電流センサ５２の信号によってレセプタ１８Ａに着雷していないことが明確に検出できるので、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２に同時に貫通落雷が生じたことを検知することができる。

＜変形例３＞
本変形例では、図１３に示すように、高周波電流計２６Ａ−１，２６Ａ−２に代えて、ダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の下部においても光ファイバ電流センサ５４を適用する。光ファイバ電流センサ５４の構成は、上記変形例２における電流センサ５２と同様とすればよい。例えば、光ファイバ電流センサ５４を２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の周囲をクロスさせるように周回させることが好適である。このとき、片方のダウンコンダクタ２０Ａ−１と他方のダウンコンダクタ２０Ａ−２に対する周回数を異ならせる。例えば、片方のダウンコンダクタ２０Ａ−１には光ファイバ電流センサ５４を１回周回させ、他方のダウンコンダクタ２０Ａ−２には光ファイバ電流センサ５４を２回周回させる。

本変形例の構成では、レセプタ１８Ａに着雷する正常落雷の場合、図１４（ａ）に示すように、光ファイバ電流センサ５２及び光ファイバ電流センサ５４の双方において同程度の信号が検出される。２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の一方に貫通落雷した場合、図１４（ｂ）に示すように、レセプタ１８Ａ付近、すなわちレセプタ１８Ａと落雷位置との間である上方に設置された光ファイバ電流センサ５２での信号は落雷位置よりも下方に配置された光ファイバ電流センサ５４よりも大きくなる。また、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の両方に略同時に貫通落雷した場合、図１４（ｃ）に示すように、光ファイバ電流センサ５２では信号が検出されず、光ファイバ電流センサ５４では正常落雷と同程度の信号が検出される。

このように、高周波電流計２６Ａ−１，２６Ａ−２に代えて、ダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の下部においても光ファイバ電流センサ５４を適用することによっても落雷の状態を正確に区別して判定することができる。

＜健全性評価システム＞
上記変形例３の構成において、図１５に示すように、パルス電圧源６０を設けることによって風力発電装置１０の落雷判定システムの健全性を評価することができる。なお、以下の説明では、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２に対する健全性評価について説明するが、ダウンコンダクタ２０Ｂ−１，２０Ｂ−２及びダウンコンダクタ２０Ｃ−１，２０Ｃ−２のそれぞれにおいても同様に適用できる。

パルス電圧源６０は、高周波電流計２６Ａ−２のハブ側からパルス電圧を印加できるように設けられる。具体的には、ダウンコンダクタのハブ側端から上方に１〜５ｍ程度の位置にパルス電圧の印加点を設ければよい。パルス電圧は、これに限定されるものではないが、パルス幅１０μｓｅｃ〜１ｍｓｅｃ程度で電圧１ｋＶ〜１０ｋＶとすることが好適である。

パルス電圧源６０は、図１６に示すように、ギャップ６２を介してダウンコンダクタ２０Ａ−２にパルス電圧を印加できるように接続される。このように、ギャップ６２を介してパルス電圧を印加することによって、ダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２に落雷が生じたときのパルス電圧源６０への影響を避けることができる。ギャップ６２は、例えば、１ｍｍ〜１０ｍｍ程度とすることが好適である。

ダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の健全性を評価する場合、パルス電圧源６０からダウンコンダクタ２０Ａ−２へパルス電圧を印加する。ダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２が健全である（断線していない）場合、図１７（ａ）に示すように、上下の光ファイバ電流センサ５２及び光ファイバ電流センサ５４の双方において同程度の信号が検出される。２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の一方が断線している場合、図１７（ｂ）に示すように、上下の光ファイバ電流センサ５２及び光ファイバ電流センサ５４のいずれにおいても信号は検出されない。また、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の一方が断線し、さらに互いに融着している場合、図１７（ｃ）に示すように、光ファイバ電流センサ５２では信号が検出されず、光ファイバ電流センサ５４では正常落雷と同程度の信号が検出される。

以上のように、パルス電圧源６０を設けることによって、風力発電装置１０の落雷判定システムの健全性を、落雷判定システムの異常落雷判定手段を利用して評価することができる。

なお、パルス電圧源６０からのパルス電源の印加を遠隔操作できるように構成することも好適である。これにより、風力発電装置１０を洋上等に建設した場合にも、その場所に赴くことなく遠隔から風力発電装置１０の落雷判定システムの健全性を評価することが可能となる。

また、上記実施の形態及び変形例において、応力センサ５０、電流センサ５２，５４は、２本のダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２の間に配線することが好適である。これにより、応力センサ５０や電流センサ５２，５４がダウンコンダクタ２０Ａ−１，２０Ａ−２により電気的にシールドされ、応力センサ５０や電流センサ５２，５４に雷が直撃する可能性を低減することができる。

本発明は、現地での点検作業負担が大きい洋上風力発電装置のみならず陸上の風力発電装置、また一般の外部雷保護を必要とする風車に適用可能である。

１０ 風力発電装置、１２ 風車、１６ 制御部、１８（１８Ａ-１８Ｃ） レセプタ、２０（２０Ａ-２０Ｆ） 避雷導線（ダウンコンダクタ）、２６（２６Ａ-２６Ｃ） 高周波電流計、２８ 絶縁体、３６（３６Ａ-３６Ｃ） ブレード、４４ 送受信機、４６ 接続点、５０ 応力センサ（光ファイバ応力センサ）、５２ 電流センサ（光ファイバ電流センサ）、５４ 光ファイバ電流センサ、６０ パルス電圧源、６２ ギャップ。

Claims (13)

1. 風車ブレードの先端部に設けた導電性のレセプタと、
   前記レセプタに接続され、落雷により一時的に発生する落雷電流を接地部に導く２本のダウンコンダクタと、
   前記２本のダウンコンダクタを互いに絶縁すると共に一体的にモールドする絶縁体を含む絶縁手段とを備えたことを特徴とするダブルダウンコンダクタシステム。
2. 請求項１に記載のダブルダウンコンダクタシステムを用いた落雷判定システムであって、
   前記レセプタ以外の部分への異常落雷を検出する異常落雷判定手段を備えたことを特徴とするダブルダウンコンダクタシステム用の落雷判定システム。
3. 請求項２に記載のダブルダウンコンダクタシステム用の落雷判定システムであって、
   前記異常落雷判定手段は、
   前記風車ブレードの根元部に設けられ、前記落雷が有ったときの前記２本のダウンコンダクタのそれぞれの電流を計測する高周波電流計と、
   前記高周波電流計で計測された前記２本のダウンコンダクタの前記電流に基づいて異常落雷を判定する判定手段を設けたことを特徴とするダブルダウンコンダクタシステム用の落雷判定システム。
4. 請求項３に記載のダブルダウンコンダクタシステム用の落雷判定システムであって、
   前記２本のダブルダウンコンダクタは、略同一の断面積を有し、
   前記判定手段は、前記高周波電流計で計測される前記２本のダウンコンダクタのそれぞれの前記電流が異なる場合に、前記風車ブレードへの異常落雷と判定することを特徴とするダブルダウンコンダクタシステム用の落雷判定システム。
5. 請求項３に記載のダブルダウンコンダクタシステム用の落雷判定システムであって、
   前記判定手段は、前記２本のダウンコンダクタの前記電流に基づいて前記風車ブレードに対する前記異常落雷の落雷位置を算出することを特徴とするダブルダウンコンダクタシステム用の落雷判定システム。
6. 請求項３から５のいずれか１項に記載のダブルダウンコンダクタシステム用の落雷判定システムであって、
   前記判定手段は、前記高周波電流計で計測された前記２本のダウンコンダクタのそれぞれの前記電流が等しい場合に、前記レセプタへの正常落雷と判定することを特徴とするダブルダウンコンダクタシステム用の落雷判定システム。
7. 請求項３から６のいずれか１項に記載のダブルダウンコンダクタシステム用の落雷判定システムであって、
   前記異常落雷判定手段は、前記レセプタの近傍の前記２本のダウンコンダクタ間に応力センサを備え、
   前記判定手段は、前記高周波電流計で計測された前記電流と前記応力センサで検出された前記２本のダウンコンダクタ間の応力に基づいて前記異常落雷を検出することを特徴とするダブルダウンコンダクタシステム用の落雷判定システム。
8. 請求項３から６のいずれか１項に記載のダブルダウンコンダクタシステム用の落雷判定システムであって、
   前記レセプタの近傍の前記２本のダウンコンダクタに異なる巻き数、異なる極方向で巻き付けられた電流センサを備え、
   前記判定手段は、前記高周波電流計で計測された前記電流と前記電流センサで検出された電流センサ電流に基づいて前記異常落雷を検出することを特徴とするダブルダウンコンダクタシステム用の落雷判定システム。
9. 請求項２に記載のダブルダウンコンダクタシステム用の落雷判定システムであって、
   前記異常落雷判定手段は、前記レセプタの近傍の前記２本のダウンコンダクタに異なる巻き数、異なる極方向で巻き付けられたレセプタ側電流センサと、
   前記風車ブレードのハブ近傍の前記２本のダウンコンダクタに異なる巻き数、異なる極方向で巻き付けられたハブ側電流センサと、
   前記レセプタ側電流センサで検出された電流と前記ハブ側電流センサで計測された電流とに基づいて前記異常落雷を検出する判定手段を設けたことを特徴とするダブルダウンコンダクタシステム用の落雷判定システム。
10. 請求項１に記載のダブルダウンコンダクタシステムに用いられる健全性評価システムであって、
    前記風車ブレードの根元部に設けられ、前記落雷が有ったときの前記２本のダウンコンダクタのそれぞれ電流を計測する電流測定手段と、
    前記２本のダウンコンダクタのうちの１本の前記根元部に高電圧を印加する高電圧印加手段を備えたことを特徴とするダブルダウンコンダクタシステム用の健全性評価システム。
11. 請求項１０に記載のダブルダウンコンダクタシステム用の健全性評価システムであって、
    前記高電圧印加手段による１本のダウンコンダクタへの前記高電圧の印加時に前記電流測定手段により計測された他のダウンコンダクタの前記電流に基づいて、前記２本のダウンコンダクタと前記レセプタの接続部の健全性を評価することを特徴とするダブルダウンコンダクタシステム用の健全性評価システム。
12. 請求項１０又は１１に記載のダブルダウンコンダクタシステム用の健全性評価システムであって、
    前記高電圧の印加を遠隔場所から行うことを特徴とするダブルダウンコンダクタシステム用の健全性評価システム。
13. 請求項１から９のいずれか１項に記載のダブルダウンコンダクタシステム用の落雷判定システム、又は請求項１０から１２のいずれか１項に記載のダブルダウンコンダクタシステム用の健全性評価システムを備えたことを特徴とする風力発電装置。

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