避雷針

後にアメリカ合衆国となる地域では、尖った避雷針導体（接地されていない）は、雷吸引装置またはフランクリンロッドとも呼ばれ、ベンジャミン・フランクリンが1749年に電気に関する画期的な研究の一環として考案した。^{[ 3 ]}電気と雷の相関関係を示唆したのはフランクリンが最初ではないが、彼の仮説を検証するための実用的なシステムを提案したのはフランクリンが最初だった。^{[ 4 ]}フランクリンは、尖らせた鉄棒があれば、「電気の火は、雷が落ちるほど近づく前に、雲から静かに引き出されるだろう」と推測した。フランクリンは、凧を使った実験が報告される数年前から避雷針について推測していた。^{[ 5 ]}

19世紀には、避雷針は装飾的なモチーフとなった。避雷針には装飾的なガラス球が取り付けられた^{[ 6 ]} （現在ではコレクターの間で珍重されている）。これらのガラス球の装飾的な魅力は、風見鶏にも利用されている。しかし、これらの球の主な目的は、落雷があった場合に割れたり落ちたりすることで、落雷の証拠を示すことである。嵐の後、球がなくなっていたり壊れていたりする場合は、所有者は建物、避雷針、接地線に損傷がないか確認する必要がある。

固体のガラス球は、船舶やその他の物体への落雷を防ぐ方法として時折用いられた。ガラスは非導体であるため、落雷を受けることはめったにないという考えに基づいていた。したがって、ガラスには落雷をはじく何らかの性質があるに違いない、というのがその理論だった。そのため、木造船への落雷を防ぐ最良の方法は、最も高いマストの先端に小さな固体のガラス球を埋めることだとされた。落雷のランダムな挙動と観察者の確証バイアスが相まって、フランクリンの最初の研究から間もなく船舶用避雷針が開発された後も、この方法はかなりの信憑性を得た。

船に最初に設置された避雷針は、落雷が予想されるときに設置されることになっていましたが、成功率は低かった。1820年、ウィリアム・スノー・ハリスは、当時の木造帆船に避雷設備を設置するための成功したシステムを発明したが、1830年に始まった試験が成功したにもかかわらず、イギリス海軍がこのシステムを採用したのは1842年になってからだった^{[ 7 ]}。その頃には、ロシア帝国海軍はすでにこのシステムを採用していた。

1990年代、ワシントンDCの米国議会議事堂の頂上にある自由の女神像が修復された際、「避雷針」は元の構造に戻されました。 ^{[ 2 ]}この像は、プラチナで先端が覆われた複数の避雷針を備えて設計されています。ワシントン記念塔にも複数の避雷針が設置されており、^{[ 8 ]}ニューヨーク港の自由の女神像は落雷を受けますが、その電流は地面に流れます。

ネビャンスクの斜塔の尖塔の頂上には、棘のついた金メッキの球形の金属製の棒が取り付けられており、避雷針として機能している。^{[ 14 ]}この避雷針は、建物全体を貫通する鉄筋の骨組みを通して接地されている。

ネビャンスク塔は、実業家アキンフィイ・デミドフの命令により、1721年から1745年の間に建設されました。ネビャンスク塔は、ベンジャミン・フランクリンの実験と科学的説明の28年前に建設されました。^{[ 15 ]}しかし、金属製の屋根と鉄筋の真の意図は不明のままです。^{[ 16 ]}

多くのヨーロッパの都市の教会の塔は、通常、都市で最も高い建造物であったため、落雷を受けやすかった。ペーター・アールヴァルツ（「雷と稲妻に関する合理的かつ神学的な考察」、1745年）は、落雷から身を守りたい人は、教会の中や周辺以外の場所に行くようにと助言した。^{[ 17 ]}

プレモントレ修道会の司祭プロコップ・ディヴィシュが1754年6月にモラヴィア（現在のチェコ共和国）のブレンディッツ（現在のズノイモの一部であるプシーメティツェ）に設置した「気象観測装置」が、避雷針の個人発明とみなされるかどうかについては、現在も議論が続いている。ディヴィシュの装置は、彼自身の理論によれば、空気から余分な電気を絶えず取り除くことで雷雨を完全に防ぐことを目的としていた。しかし、この装置は自立したポールに取り付けられており、おそらく当時のフランクリンの避雷針よりも接地がしっかりしていたため、避雷針としての役割を果たした。^{[ 18 ]}地元の抗議を受けて、ディヴィシュは1760年頃に気象実験を中止せざるを得なかった。

避雷器とは、基本的に電線と接地線の間に空気の隙間を設ける装置で、電力系統や通信系統において、システムの絶縁体や導体を落雷による損傷から保護するために使用されます。一般的な避雷器は、高電圧端子と接地端子を備えています。

電信や電話において、避雷器は電線が建物に入る場所に設置され、建物内の電子機器の損傷を防ぎ、建物付近の人々の安全を確保する装置です。避雷器の小型版であるサージプロテクタは、電力システムや通信システムの各電気導体と接地線の間に接続される装置です。これらは、通常の電力電流や信号電流が接地線に流れるのを防ぎますが、高電圧の雷電流が接続機器を迂回して流れる経路を提供します。避雷器は、通信線や電力線が落雷を受けた場合、または落雷の近くにある場合に、電圧の上昇を制限するために使用されます。

架空送電システムでは、送電網への送電に直接使用されない鉄塔、電柱、またはタワーの頂上に、1本または2本の細い接地線が設置されることがあります。これらの導体は、「静電気線」、「パイロット線」、「シールド線」などと呼ばれ、高電圧線自体ではなく、雷の終端点となるように設計されています。これらの導体は、主要な送電線を落雷から保護することを目的としています。

これらの導体は、電柱や鉄塔の金属構造物、または送電線に沿って一定間隔で設置された追加の接地電極によって大地に接地されています。一般的に、50kV未満の電圧の架空送電線には「接地」導体はありませんが、50kVを超えるほとんどの送電線には接地導体があります。接地導体ケーブルは、データ伝送用の光ファイバーケーブルを支える役割も果たします。

古い送電線には、導線を大地との直接的な接触から絶縁する避雷器が使用されている場合があり、低電圧通信線として使用されることもあります。雷が導線に落ち込むなど、電圧が一定の閾値を超えると、絶縁体を飛び越えて大地に流れます。

変電所の保護方法は避雷針の種類と同じくらい多種多様であり、多くの場合、電力会社独自の技術である。

無線マストの放射素子は、基部にスパークギャップを設けて接地から絶縁されている場合があります。雷がマストに落ちると、このギャップを飛び越えます。マストと同調ユニット間の給電線（通常は1巻線）のわずかなインダクタンスが電圧上昇を制限し、送信機を危険な高電圧から保護します。送信機には、アンテナの電気的特性を監視する装置を装備する必要があります。これは、落雷後に電荷が残存し、ギャップや絶縁体を損傷する可能性があるため、非常に重要です。

監視装置は、アンテナが異常な動作（例えば、不要な電荷の発生など）を示した場合、送信機の電源を切ります。送信機の電源が切れると、これらの電荷は消散します。監視装置は、電源を再投入するために複数回試行します。複数回の試行後もアンテナが異常な動作を示し続ける場合（構造的な損傷などが原因である可能性あり）、送信機の電源は切れたままになります。

理想的には、アセンブリの地下部分は、高い接地導電率のエリアに設置する必要があります。地下ケーブルが腐食に強い場合は、塩で覆うことで、地面との電気的接続を改善できます。避雷針のエアターミナルと大地間の電気抵抗は非常に重要ですが、導体の誘導リアクタンスの方がより重要になる場合があります。このため、ダウン導体の経路は短くし、カーブの半径は大きくします。これらの対策を講じないと、雷電流は導体内で遭遇する抵抗性またはリアクタンスのある障害物を越えてアーク放電を起こす可能性があります。少なくとも、アーク電流は避雷針を損傷し、建物の配線や配管など、別の導電経路を容易に見つけて、火災やその他の災害を引き起こす可能性があります。接地抵抗が低いシステムでなくても、構造物を雷による損傷から保護するのに効果的です。地盤の導電率が低い場合、非常に浅い場合、または地盤が存在しない場合は、接地棒、カウンターポイズ（接地リング）導体、建物から突き出たケーブルラジアルを追加することで接地システムを強化できます。また、コンクリート建物の鉄筋を接地導体として使用することもできます（Ufer接地）。これらの追加は、場合によってはシステムの抵抗を低下させませんが、構造物に損傷を与えることなく雷を大地に分散させることができます。^{[ 20 ]}

構造物上または構造物内の導電性物体と避雷システムとの間の側方放電を防ぐために、追加の予防措置を講じる必要があります。避雷導体を流れる雷電流のサージは、避雷導体と近くにある導電性物体との間に電圧差を生じさせます。この電圧差は、特に可燃性または爆発性物質を収容する構造物において、重大な損傷を引き起こす可能性のある危険な側方放電（火花）を引き起こすのに十分な大きさになる可能性があります。この潜在的な損傷を防ぐ最も効果的な方法は、避雷システムと側方放電の影響を受けやすい物体との間の電気的連続性を確保することです。効果的なボンディングにより、2つの物体の電位が同時に上昇および下降し、側方放電のリスクが排除されます。^{[ 21 ]}

避雷システムを構成するにはかなりの材料が使用されるため、避雷針が最大の保護を提供する場所を慎重に検討することが賢明です。ベン・フランクリンの発言から、雷に関する歴史的な理解では、各避雷針は45度の円錐を保護すると想定されていました。^{[ 22 ]}これは、雷が建物の側面に落ちる可能性があるため、より高い構造物を保護するには不十分であることがわかりました。

雷の終端ターゲットの理解を深めたモデリングシステムであるローリングスフィア法は、ティボール・ホルヴァート博士によって開発されました。これは、従来のフランクリンロッドシステムを設置する際の標準となっています。これを理解するには、雷がどのように「移動する」かを知る必要があります。雷のステップリーダーが地面に向かってジャンプすると、その経路に最も近い接地された物体に向かってステップします。各ステップが移動できる最大距離は臨界距離 と呼ばれ、電流に比例します。物体がこの臨界距離よりもリーダーに近い場合、落雷を受ける可能性が高くなります。地面付近では、球の半径を46mと近似するのが標準的な方法です。 ^{[ 23 ]}

臨界距離外の物体は、臨界距離内にしっかりと接地された物体がある場合、リーダーが落雷する可能性は低い。落雷から安全と考えられる場所は、リーダーの潜在的な経路を雲から地面まで移動する球体として想像することで決定できる。落雷保護の場合、潜在的な落雷点に接触するすべての球体を考慮するだけで十分である。落雷点を決定するには、地形上を転がる球体を考える。各点で、潜在的なリーダーの位置がシミュレートされる。球体が地面に接触する場所に落雷する可能性が最も高い。球体が転がって接触できない場所は、落雷から最も安全である。避雷器は、球体が構造物に接触しないように設置する必要がある。ただし、ほとんどの落雷迂回システムの弱点は、避雷針から地面に捕捉された放電を輸送することにある。^{[ 24 ]}避雷針は通常、平屋根の周囲、または傾斜屋根の頂上に、避雷針の高さに応じて 6.1 m または 7.6 m の間隔で設置されます。^{[ 25 ]}平屋根の寸法が 15  m × 15  m を超える場合は、屋根の中央に 15  m 以下の間隔で長方形の格子状に追加の避雷針が設置されます。^{[ 26 ]}

避雷針の先端の最適な形状については、18世紀以来議論が続いてきた。イギリスとアメリカ植民地の政治的対立の時代、イギリスの科学者は避雷針の先端は球状であるべきだと主張し、アメリカの科学者は尖った形状であるべきだと主張した。2003年現在論争は完全には解決されていません。^{[ 27 ]} 適切な制御実験はほぼ不可能であるため、論争を解決することは困難ですが、 2000 年にCharles B. Mooreらが行った研究^{[ 28 ]}は、適度に丸みを帯びた、または鈍い先端の避雷針がわずかに優れた落雷受容器として機能することを発見し、この問題にいくらか光を当てました。その結果、米国のほとんどの新しいシステムには丸い先端の避雷針が設置されていますが、既存のシステムのほとんどはまだ尖った避雷針を使用しています。研究によると、

同様に露出させた鋭利な棒と鈍い棒の上方の電界の相対的な強さの計算によると、放電が発生する前は鋭利な棒の先端で電界がはるかに強いものの、距離とともに急速に減少することがわかっています。その結果、直径20mmの鈍い棒の先端から数センチメートル上の電界の強さは、同じ高さの、それ以外は同様の鋭利な棒の上方よりも強くなります。鋭利な棒の先端での電界の強さは、周囲の空気中でイオンが容易に生成されることで制限される傾向があるため、鈍い棒の上方の電界の強さは、鋭利な棒から1cm以上離れた場所の電界の強さよりもはるかに強くなる可能性があります 。この研究の結果は、適度に鈍い金属棒（先端の高さと先端の曲率半径の比が約680:1）は、鋭利な棒や非常に鈍い棒よりも落雷の受容体として優れていることを示唆しています。

さらに、避雷器の高さと構造物、そして地球自体との高さも影響を及ぼします。^{[ 29 ] [ 30 ]}

電荷移動理論によれば、保護された構造物と雷雲の間の電位を下げることで、保護された構造物への落雷を防ぐことができる。これは、電荷を移動させることによって行われる（近くの地球から空へ、またはその逆）。^{[ 31 ] [ 32 ]}地球から空へ電荷を移動させるには、構造物の上に多数の点から構成される人工製品を設置する。尖った物体は実際に周囲の大気に電荷を移動させることが指摘されており^{[ 33 ] [ 34 ]}、雷雲が頭上にあるときのように電場が存在する場所で電離が起こると、導体を通してかなりの電流が測定される。

米国では、全米防火協会（NFPA）は現在、落雷を防止または軽減できる装置を推奨していません。NFPA規格評議会は、放散アレイ[tm]システムおよび電荷転送システムに関するプロジェクトを要請した後、そのような技術に関する規格の策定を開始する要請を却下しました（ただし、評議会は、基本技術と科学の妥当性を示す信頼できる情報源が提出された後の将来の規格開発を排除しませんでした）。^{[ 35 ]}

初期ストリーマー放出理論では、避雷針の先端付近に電離を生成する機構があれば、雷の捕捉面積が大幅に増加するとされています。当初、1930年から1980年の間には、少量の放射性同位体（ラジウム226またはアメリシウム241）が電離源として使用されていましたが^{[ 36 ]}、後にさまざまな電気および電子機器に置き換えられました。初期の特許によると、ほとんどの避雷器の接地電位は高くなっているため、電源から高い接地点までの経路距離が短くなり、より強い電界（単位距離あたりのボルトで測定）が生成され、その構造は電離と破壊を起こしやすくなります。^{[ 37 ]}

フランスの国家標準化機関であるAFNORは、この技術を網羅する規格NF C 17-102:2011を発行しました。NFPAもこの件を調査し、米国で同様の規格を発行する提案がありました。当初、NFPAの独立した第三者パネルは、「[早期ストリーマー放出]避雷技術は技術的に健全であると思われる」とし、「[早期ストリーマー放出]避雷端子の概念と設計には、物理​​的な観点から十分な理論的根拠がある」と述べました。^{[ 38 ]} ) 同じパネルはまた、「推奨されている[NFPA 781規格]避雷システムは、科学的にも技術的にも検証されたことがなく、フランクリンロッド避雷端子は雷雨条件下での現場試験で検証されていない」と結論付けました。

これに対し、米国地球物理学連合は、「ブライアン委員会は、従来の避雷システムの有効性と科学的根拠に関する研究や文献を実質的に一切検討しておらず、規格の根拠がないという結論は誤りである」と結論付けた。AGUは、報告書の中で、従来のシステムに対する提案された変更の有効性を評価しようとはしなかった。^{[ 39 ]} NFPAは、従来の避雷針よりも早期ストリーマー放出に基づく保護システムの有効性が向上したという証拠がないため、規格781の提案された草案版を撤回した。

国際雷保護会議（ICLP）の科学委員会のメンバーは、早期ストリーマー放出技術に反対する共同声明を発表した。^{[ 40 ]} ICLPは2016年までESEおよび関連技術に関する情報を掲載したウェブページを維持していた。 ^{[ 41 ] [ 42 ]}