雷と避雷器：電気システムにおける主な違い

雷は曇天や嵐の際に発生する自然現象です。雷は膨大な光を生むだけでなく、巨大な電位勾配（10kV/cm）と10kA〜90kAの電流を伴います。技術的には「雲と地面、雲同士、または同一雲内の電荷中心間での放電現象を雷と呼ぶ」と定義されます。

雲が地面や隣の雲に対して高い電位勾配まで帯電し、媒質の絶縁強度が破壊されると、雲間に巨大な火花が生じます。雷については多くの理論がありますが、最も一般的な理論を説明します。暖かい空気が上昇すると、空気と微細な水滴の摩擦で電荷が蓄積されます。水滴が形成される際、大きな水滴は正に、小さな水滴は負に帯電します。

これらの水滴が雲に蓄積されるため、雲は正または負の電荷を帯びます。雲の電荷量が大きくなると、別の雲や地面へ放電し、これを雷と呼びます。

雷放電のメカニズム

雷放電がどのように起こるか解説します。帯電した雲が地面を通過すると、地面には等量の逆極性電荷が誘導されます。電位勾配が5〜10kV/cmに達して周囲の空気が絶縁破壊されると、雷放電が始まります。

1. 雲によって空気が絶縁破壊されると、リーダーストリーマーと呼ばれる流れが雲から地面に向かって電荷を運びながら伸びます。電位勾配が維持されない場合、リーダーストリーマーは停止し、完全な放電経路を形成せずに電荷が消散します（図a）。
2. 多くの場合、リーダーストリーマーは地面や地上物に到達するまで伸び続けます。リーダーストリーマーは十分な発光性を持ち、最初の可視放電を生じます（図b）。
3. リーダーストリーマーの経路は電離経路となるため、完全な絶縁破壊が起こります。下向きリーダーは負電荷を持ち、地面に接触すると正電荷を持つリターンストロークが同じ経路を上向きに進みます。この中和過程で突然の火花、つまり雷が発生します（図c）。

避雷器の種類と役割を理解する：

接地シールドや架空地線は直撃雷に対して十分な保護を提供しますが、伝播サージ（進行波）に対しては不十分な場合があります。避雷器（サージダイバータ）は、これらのサージから機器を保護します。

上図はサージアレスタの基本構造です。スパークギャップと非線形抵抗が直列に接続されています。一方の端子は保護対象機器に、もう一方は接地されます。正常時はオフラインで電流を流しませんが、雷サージ発生時にはスパークギャップ間の空気絶縁が電離し、大電流を地面へ逃がします。

避雷器の種類：

• ロッドギャップ形： 最もシンプルな避雷器です。1.5cmのロッド2本を直角に曲げ、間にギャップを設けます。一方を電力線、他方を接地に接続します。ギャップ長の1/3以上を絶縁物から離す必要があります。

• ホーンギャップ形： ホーン形状の金属極A、Bを小さな空気ギャップで隔てた構造です。ホーン間距離は上部に向かって徐々に広がります。磁器絶縁体上に取り付け、一方を直列抵抗RとチョークコイルLを介して電力線に、他方を確実に接地します。

• マルチギャップ形： 互いに絶縁された複数の金属シリンダーを小さな空気ギャップで直列に配置します。最初のシリンダーAを電力線に、最後のシリンダーを直列抵抗を介して接地します。ギャップを抵抗で接地することで進行波の影響を軽減します。系電圧33kV以下で設置可能です。

• 放出形： 系電圧33kVまでのシステムで一般的です。「保護管」とも呼ばれます。ロッドギャップと繊維管内の第2ギャップを直列に配置し、管内ギャップは2つの電極で形成されます。上部電極はロッドキャップに、下部は接地に接続されます。動作ごとに繊維材料が消耗するため、動作回数に限りがあります。

• バルブ形： 最も重要で効果的な避雷器です。直列スパークギャップと非線形抵抗ディスク（チリットやメトロシル製）を直列に組み合わせ、密閉磁器容器内に収納します。

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