雷害と絶縁協調

電力-12　発電・変電・送配電・電気材料

直撃雷
誘導雷
逆フラッシオーバ
アークホーン
避雷器
絶縁協調

はじめに

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「夏の夕立で雷が鳴ると、家の電気が一瞬ふっと消えることがある。あれは、どこかに雷が落ちたから？」

雷が鳴った直後に、照明がまばたきするように一瞬暗くなった経験はないでしょうか。多くの場合、送電線や配電線のどこかが雷の影響を受け、保護装置が働いた跡です。

雷は、自然界でいちばん激しい電気です。電流は数万アンペアに達し、電圧は家庭のコンセントとはけた違いの高さになります。空中に長く張られた送電線は、この雷の通り道になりやすい存在です。

実は、雷を完全に防ぐことはできません。そこで、電力会社は「雷が来ても、被害を小さく、すぐに元に戻せる」ように、送電線から変電所の機器までの守りを、順序立てて組み立てています。

そこで登場するのが、今回の主役 絶縁協調 です。どの設備にどれだけの絶縁の強さを持たせるかを、全体でつり合うように決める考え方です。

前回の記事では、電線のたるみと実長、支持物と支線を学びました。今回の記事では、雷が送電線にもたらす直撃雷と誘導雷、逆フラッシオーバ、それを防ぐアークホーンや避雷器、そして絶縁協調の考え方について解説します。

直撃雷と誘導雷：雷が送電線を襲う2つの形

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はじめに、直撃雷と誘導雷について紹介します。

雷は、雷雲にたまった電荷が、空気の絶縁を破って一気に流れる現象です。雷が送電線に高い電圧をもたらす形は、大きく2つに分かれます。

1つ目は 直撃雷 です。電線や鉄塔、架空地線に、雷が直接落ちるものです。雷の大電流が線路に流れ込むので、非常に高い電圧が生じます。

2つ目は 誘導雷 です。送電線の近くの木や地面に雷が落ちたとき、直接当たっていないのに、電線に高い電圧が生じるものです。

なぜ、当たっていないのに電圧が生じるのでしょうか？雷雲が真上にあるとき、電線には静電誘導で、雷雲と反対の符号の電荷が引き寄せられています。近くに雷が落ちて雷雲の電荷が一気に消えると、引き止められていた電荷が自由になり、電線を左右へ走り出します。これが高い電圧の波（雷サージ）になります。

磁石にくっついていたクリップの山が、磁石を急に取り去ると一斉にばらけるようなイメージです。

【直撃雷と誘導雷の違い】

直撃雷：線路に雷が直接落ちる。電圧が非常に高く、送電線で特に問題になる
誘導雷：近くに落ちた雷で電線に電圧が誘導される。直撃雷より電圧は低いが回数が多く、絶縁の低い配電線で問題になりやすい

送電線を直撃雷から守る第一の守りが、架空送電線路の記事で学んだ 架空地線 です。鉄塔の頂上に張った架空地線が雷を先に受け止め、電線に直接落ちるのを防ぎます。

架空地線と電線を結ぶ線が、鉛直の線となす角を遮へい角と呼びます。傘を真上に差すほど体がぬれにくいように、遮へい角が小さいほど、電線はよく守られます。

試験のポイント：架空地線の遮へい角は「小さいほど」守る効果が大きくなります。架空地線を2本にして、両側から電線を守ることもあります。

このように、雷は線路に直接落ちる直撃雷と、近くに落ちて電圧を誘導する誘導雷の2つの形で送電線を襲い、架空地線がその第一の守りになります。

以上が、直撃雷と誘導雷についてです。

逆フラッシオーバ：鉄塔から電線へ走る放電

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次に、逆フラッシオーバについて紹介します。

架空地線が雷を受け止めれば、それで安心とは限りません。架空地線や鉄塔に落ちた雷の電流は、鉄塔を通って大地へ流れます。このとき、鉄塔の脚と大地の間の抵抗（塔脚接地抵抗）に電流が流れて、鉄塔の電位が大きく上がります。

前に学んだオームの法則を思い出しましょう。雷の電流を $I$ 、塔脚接地抵抗を $R$ とすると、鉄塔の電位はおよそ次のようになります。

V = R I

記号の意味は、 $V$ が鉄塔の電位の上昇［V］、 $R$ が塔脚接地抵抗［Ω］、 $I$ が雷の電流［A］です。

具体的に計算してみましょう。30kA の雷の電流が、塔脚接地抵抗 10Ω の鉄塔を流れると、 $10 \times 30{,}000 = 300{,}000$ V、つまり 300kV も鉄塔の電位が上がります。

ふつう、電線は高い電圧で、鉄塔は大地と同じ 0V です。がいしは、この「電線が高く、鉄塔が低い」差に耐えるように作られています。ところが雷のときは逆で、鉄塔のほうがとても高い電位になります。その差ががいしの耐えられる電圧を超えると、がいしの表面に沿って、鉄塔の側から電線へ 放電が走ります。

ふだんとは逆の向きに起こるので、これを 逆フラッシオーバ と呼びます。フラッシオーバとは、がいしなどの表面に沿って起こる放電のことです。

堤防にたとえると分かりやすいでしょう。ふだんは川（電線）の水位が高く、陸（鉄塔）は低いので、堤防（がいし）は川側からの水を防いでいます。ところが大雨で陸側が水浸しになると、陸の側から川へあふれ出すことがあります。

逆フラッシオーバを防ぐ基本は、塔脚接地抵抗を下げることです。鉄塔の脚から地中へ長い電線を放射状に埋める埋設地線などで、雷の電流を大地へ逃げやすくします。

例題：逆フラッシオーバを防ぐ接地抵抗

鉄塔に 40kA の雷の電流が流れたとします。がいし連は 500kV までの電圧に耐えられるものとし、鉄塔の電位の上昇は塔脚接地抵抗だけで決まるものとします。

（a）塔脚接地抵抗が 15Ω のとき、鉄塔の電位の上昇は何kVで、逆フラッシオーバは起きるでしょうか？

（b）逆フラッシオーバを防ぐには、塔脚接地抵抗を何Ω以下にすればよいでしょうか？

【解き方】

単位をそろえる： 40kA = 40,000A
電位の上昇を求める： $15 \times 40{,}000 = 600{,}000$ V = 600kV
がいしと比べる： 600kV ＞ 500kV なので、逆フラッシオーバが起きる
接地抵抗の上限を求める： $R = 500{,}000 \div 40{,}000 = 12.5$ Ω

答えは、（a）600kV で逆フラッシオーバが起きる、（b）12.5Ω 以下、です。

補足（ここは読み飛ばしてOK）：実際には、鉄塔そのものの長さによるインダクタンスや、電線に加わっている運転中の電圧も効いてきます。ここでは、接地抵抗の効きめをつかむために簡単にしています。

このように、逆フラッシオーバは雷で鉄塔の電位が上がり、鉄塔の側から電線へ放電が走る現象で、塔脚接地抵抗を下げて防ぎます。

以上が、逆フラッシオーバについてです。

アークホーンと避雷器：放電を受け流す装置

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続いて、アークホーンと避雷器について紹介します。

雷によるフラッシオーバを、すべて防ぐことはできません。そこで、「起きても設備を壊さない」ための装置が用意されています。1つずつ見ていきましょう。

1. アークホーン

アークホーン は、がいし連の両端に取り付けた、角のような形の金属の部品です。

フラッシオーバが起きると、がいしの表面に沿って高温のアーク（電気の炎）が走ります。そのままでは、熱でがいしが割れたり、溶けたりしてしまいます。アークホーンがあると、放電はアークホーンどうしの間を走るので、アークががいしから離れます。

避雷針が雷を自分に引き寄せて建物を守るように、アークホーンは放電を自分に引き寄せてがいしを守ります。また、がいし連の各がいしにかかる電圧を均一に近づける働きもあります。

アークが続いている間は、電線が大地とつながった事故の状態です。そこで、保護継電器と保護方式の記事で学んだように、保護継電器が働いて線路を遮断します。アークが消えたら再閉路で送電を再開し、停電を短い時間で終わらせます。

2. 避雷器

雷サージは、電線を伝って変電所へも押し寄せます。変電所の変圧器などの高価な機器を守るのが 避雷器 です。変電所の設備の記事でも登場しました。

避雷器は、電線と大地の間に取り付けます。ふだんの電圧では、ほとんど電流を流さず、絶縁物のようにふるまいます。ところが、雷サージで高い電圧がかかると、急に抵抗が小さくなり、雷の電流を大地へ流して電圧を抑えます。雷サージが去ると、再び電流を流さない状態に戻ります。

ダムの洪水吐きにたとえると分かりやすいでしょう。ふだんは閉じていて水をためていますが、水位が上がりすぎると開いて水を逃がし、ダムがあふれるのを防ぎます。

避雷器が働いているときに、その両端に残る電圧を 制限電圧 と呼びます。制限電圧が低いほど、守られる機器にかかる電圧が低く抑えられます。また、雷の電流に続いて、ふだんの電圧で流れようとする電流（続流）を、すぐに止める働きも大切です。

いまの避雷器の多くは、酸化亜鉛（ZnO）の素子を使っています。酸化亜鉛は、電圧が低いと電流をほとんど流さず、電圧が高いと急に流す性質（非直線の抵抗特性）を持っています。この性質がよいので、放電のためのすき間（直列ギャップ）を持たないギャップレスの構造にできます。

試験のポイント：アークホーンは「がいしをアークから守る」、避雷器は「雷サージの電流を大地へ流し、電圧を制限電圧に抑えて機器を守る」部品です。架空地線（雷を受け止める）との役目の違いがよく問われます。

このように、アークホーンはフラッシオーバのアークからがいしを守り、避雷器は雷サージの電圧を制限電圧に抑えて変電所の機器を守ります。

以上が、アークホーンと避雷器についてです。

絶縁協調：全体で守りを組み立てる

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最後に、絶縁協調について紹介します。

送電線から変電所まで、すべての設備の絶縁を、どんな雷にも耐えるほど強くすれば安心です。しかし、それでは費用がふくらみ、設備も大きくなりすぎます。

そこで、避雷器の働きを前提にして、各設備の絶縁の強さを無理なくそろえる考え方が 絶縁協調 です。言いかえると、「どこで雷サージを受け流し、どこまでの電圧に耐えれば十分か」を、系統全体で順序立てて決めることです。

【絶縁協調の考え方】

避雷器が、雷サージの電圧を制限電圧まで抑える
変圧器などの機器は、制限電圧に余裕を加えた絶縁の強さを持つ
送電線のがいしなどは、さらに高い絶縁の強さを持つ

機器が雷に耐えられる電圧の強さを表す目安として、基準衝撃絶縁強度（BIL）が使われます。絶縁協調では、避雷器の制限電圧を、機器の基準衝撃絶縁強度より十分低くしておきます。

城の守りにたとえると、避雷器は城門の前の見張り、機器は城の本丸です。見張りが敵の勢いを確実に弱めておけば、本丸の壁は、弱められた敵に耐えるだけの厚さで済みます。

例題：避雷器と機器の絶縁の余裕

ある変電所の変圧器の基準衝撃絶縁強度が 350kV、避雷器の制限電圧が 250kV です。変圧器の絶縁の強さは、避雷器の制限電圧に対して何%の余裕があるでしょうか？

【解き方】

差を求める： 350 − 250 = 100kV
制限電圧に対する割合を求める： $100 \div 250 = 0.4$
パーセントに直す： 0.4 × 100 = 40%

答えは40%です。

ここで1つ注意があります。避雷器は、守る機器のできるだけ近くに置きます。避雷器から機器までの電線が長いと、雷サージが行ったり来たりして、機器の所の電圧が制限電圧より高くなることがあるからです。

このように、絶縁協調は、避雷器の制限電圧を基準にして、機器やがいしの絶縁の強さを経済的に、全体としてつり合うように決める考え方です。

以上が、絶縁協調についてです。

今回のまとめ

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それでは、今回の内容を振り返ります。

今回は、雷害と絶縁協調について紹介しました。雷そのものは防げませんが、架空地線で受け止め、接地抵抗を下げて逆フラッシオーバを防ぎ、アークホーンと避雷器で受け流します。その全体の段取りが、絶縁協調です。

今回のポイントを振り返りましょう。

振り返り

直撃雷は線路に直接落ちる雷、誘導雷は近くに落ちた雷で電線に電圧が誘導されるもの。
架空地線は遮へい角が小さいほど、電線をよく守る。
逆フラッシオーバは、雷で鉄塔の電位が上がり、鉄塔から電線へ放電が走る現象。塔脚接地抵抗を下げて防ぐ。
アークホーンはがいしをアークから守る。避雷器は雷サージの電流を大地へ流し、電圧を制限電圧に抑える。
絶縁協調は、避雷器の制限電圧を基準に、機器やがいしの絶縁の強さを経済的に決める考え方。

キーワードのおさらい

直撃雷: 電線・鉄塔・架空地線に雷が直接落ちること
誘導雷: 近くに落ちた雷で、電線に静電誘導による高い電圧が生じること
逆フラッシオーバ: 雷で鉄塔の電位が上がり、鉄塔の側から電線へがいしの表面に沿って放電が走る現象
アークホーン: がいし連の両端に付けた角状の金属。アークをがいしから離して守る
避雷器: 雷サージの電流を大地へ流し、電圧を制限電圧に抑えて機器を守る装置
絶縁協調: 避雷器の保護の働きを基準に、各設備の絶縁の強さを経済的につり合わせる考え方

以上が、今回のまとめです。

さて、雷や風、塩の心配が少ない送電の方法もあります。電線を、地面の下に通してしまうのです。地下の電線には、どんな工夫と課題があるのでしょうか？

次回は、地下にケーブルを通す地中送電線路について紹介します。

それでは、次の記事へ進んでいきましょう。

練習問題5問開いて挑戦する

問1. 逆フラッシオーバの説明として、正しいものはどれか。

問2. 塔脚接地抵抗 12Ω の鉄塔に 25kA の雷の電流が流れた。鉄塔の電位の上昇を塔脚接地抵抗だけで考えるとき、その値として正しいものはどれか。

問3. 雷の電流を 50kA、がいし連が耐えられる電圧を 600kV とする。鉄塔の電位の上昇を塔脚接地抵抗だけで考えるとき、逆フラッシオーバを防ぐための塔脚接地抵抗の上限として正しいものはどれか。

問4. 雷に関する装置の説明として、誤っているものはどれか。

問5. 絶縁協調に関する記述として、正しいものはどれか。

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