JP2003232828A - 絶縁診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力機器内における伝搬波形の波形急峻度に
追従することにより、信号処理を施すことなく容易にノ
イズ識別を行って絶縁診断システムの簡素化に寄与でき
る高精度の絶縁診断装置を提供する。 【解決手段】 絶縁診断装置１８では、内部電極７の半
径ｒは金属タンク２の半径をＲｏ、中心導体１の半径を
Ｒｉ、内部電極６の半径をｒとしたとき、８．８５５π
ｒ ^２／（Ｒｏ- Ｒｉ）≦０．４５を満足するように設
定されている。さらに、絶縁診断装置１８に接続される
測定機器１５は、測定機器１５もしくは絶縁診断装置１
８自体の出力信号における振動波形の振動幅が平均１ｎ
ｓ以下であれば部分放電信号と見なし、平均１ｎｓより
大きければノイズ信号と見なしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力機器に使用す
る絶縁診断・監視装置に係り、特に、電力機器内部の絶
縁異常を電気的に検出する絶縁診断装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ガス絶縁開閉装置やガス絶縁
遮断器等のガス絶縁機器には電磁波信号を検出して機器
内部の絶縁異常を診断、監視する装置が設置されてい
る。例えば、特開平１０−３４１５１９号公報及び特開
平０１−２１３５７７号公報に示された発明では、ガス
絶縁機器内部を伝搬する電磁波信号を金属電極によって
検出している。

【０００３】通常、ガス絶縁機器では中心導体−金属タ
ンク間が高電界下に曝されており、機器内部に微小な金
属異物が存在すれば、金属異物から部分放電が発生し始
め、最終的には中心導体−金属タンク間の絶縁が破れて
閃絡を引き起こすおそれがある。そこで、閃絡の前兆で
ある部分放電の段階でガス絶縁機器内部を伝搬してくる
電磁波信号を検出して、部分放電信号か否かを判定する
ことにより、絶縁異常を事前に見極める診断手法が採ら
れている。

【０００４】部分放電信号の検出手法としては図３に示
すような様々な手法が提案されている。すなわち、スペ
ーサ１０の両側に箔１１を貼り付けた箔電極法や、電力
機器の外部に設置したアンテナ１２により受信する外部
アンテナ法等が知られている。また近年では、ＵＨＦ
（Ultra High Frequency）法が絶縁診断の高信頼度化に
対して最も有用視されている。ＵＨＦ法とは電力機器の
金属タンクの内部に金属円盤を設け、静電分圧の原理を
利用して主にＵＨＦ帯域（３００ＭＨｚ〜３ＧＨｚ）の
高周波電磁波を検出する手法である。

【０００５】ここで、ＵＨＦ法を採用した絶縁診断装置
１７について具体的に説明する。図３に示すように電力
機器は中心導体１と金属タンク２とからなり、この金属
タンク２に開口部３が開けられている。開口部３には絶
縁診断装置１７の外輪４が金属ボルト５により金属密閉
して取り付けられている。絶縁診断装置１７には外部電
極１６が設けられており、その内部に先述の金属円盤１
３が金属タンク２と接触させない構成で配置されてい
る。なお、図中の符号８は信号取出口、９は接続ケーブ
ルである。

【０００６】電力機器内を流れる伝搬波形１４には部分
放電信号と外部ノイズ信号の２種類が考えられるが、部
分放電によって発生する伝搬波形１４は非常に微弱であ
るので外部ノイズ信号との識別が困難であり、ＵＨＦ帯
域のような高周波帯域では信号検出自体が困難である。
しかし、絶縁診断装置１７は電力機器の内部に組み込ん
であるため、伝搬波形１４が外部ノイズ信号である確率
は非常に少なく、理想的な状態で微弱な部分放電信号を
検出できる。したがって、図３に示した箔電極法や外部
アンテナ法に比べて、非常に精度の高い診断を行うこと
ができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た絶縁診断装置には次のような問題点があった。すなわ
ち、絶縁診断装置１７は一般的に図４の等価回路で表さ
れ、中心導体１−金属円盤１３における静電容量Ｃ１、
及び金属円盤１３−外部電極１６における静電容量Ｃ２
で静電分圧された出力信号が得られる。すなわち、理想
的な周波数特性を有する場合には、伝搬波形１４に対応
した歪みのない出力信号が信号取出口８から得られる。

【０００８】ところが、完全に静電分圧された場合には
出力信号の利得が大幅に低下するため、部分放電信号と
ＵＨＦセンサの検出信号の相関関係が得にくくなり、放
電電荷量の校正に支障をきたす。また、外部ノイズ信号
は伝搬波形１４に含まれないとは完全に保証できず、そ
のため信号取出口８からの出力信号から外部ノイズ信号
と部分放電信号を識別することは難しくなる。このよう
に、理想的な周波数特性を追求しても、かえってその意
義が薄れることになる。

【０００９】しかも、現状の絶縁診断装置１７では大き
な金属円盤１３を使用している都合上、図４に示したＣ
１、Ｃ２の静電分圧が完全に行われるわけではない。例
えば、金属円盤１３−外部電極１６や金属円盤１３−開
口部３にも静電容量Ｃ２が現れてしまう。また、中心導
体１−開口部３や中心導体１−外部電極１６にも静電容
量Ｃ１が現れてしまう。その結果、信号取出口８からの
出力信号は目的・用途に見合った周波数特性から大きく
外れることが予想される。

【００１０】以上述べたように、従来の絶縁診断装置１
７ではノイズ識別に見合った出力信号を得ているとは言
い難く、出力信号自身は得られても、その出力信号が外
部ノイズ信号であるか、あるいは部分放電信号であるか
が識別しにくくなっているのが実情である。このため従
来では、フィルタや信号処理手法が不可欠となってお
り、絶縁診断システムの複雑化を招いていた。

【００１１】本発明は、上述したような従来技術の問題
点を解決するために提案されたものであり、その目的
は、金属円盤−外部電極に形成される静電容量を排除
し、電力機器内における伝搬波形の波形急峻度に追従す
ることで、信号処理を施すことなく容易にノイズ識別を
行い、絶縁診断システムの簡素化に寄与できる高精度の
絶縁診断装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、測定対象となる電力機器の金属容器の外
被に形成された開口部に気密に対向配置して取り付けら
れ、前記開口部の開口面と対向して同心的に一側端部開
口面を配置すると共に、他側端部開口面までの直径比を
同一にしてなる同軸形状の内部電極及び外部電極を備え
てなるとともに、前記容器内に発生される電磁波信号を
検出し、部分放電信号か否かを判定する所定の測定機器
を接続し、前記外部電極と内部電極の直径比が、前記一
側端部開口面から前記他側端部開口面まで所定の特定イ
ンピーダンスＺとなるように構成した絶縁診断装置にお
いて、次のような特徴を有している。

【００１３】請求項１の発明は、前記金属タンクの半径
をＲｏ［ｍ］、前記中心導体の半径をＲｉ［ｍ］、前記
内部電極の半径をｒ［ｍ］としたとき、

【数１】 ８．８５５πｒ ^２／（Ｒｏ- Ｒｉ）≦０．４５ の関係式を満足するように構成したことを特徴とする。
このような請求項１の発明によれば、当該診断装置と金
属タンクの中心導体との間の静電容量が０．４５ｐＦ以
下となるように内部電極の半径を決定している。このた
め、部分放電信号のような急峻な信号であっても完全に
追従した波形を得ることができる。したがって、フィル
タや信号処理手法を必要とすることなく、波形急峻度に
基づいて部分放電信号と外部ノイズ信号を容易に識別す
ることが可能となる。

【００１４】請求項２の発明は、請求項１に記載の絶縁
診断装置において、前記測定機器は、前記検出した電磁
波信号の振動波形の振動幅が平均１ｎｓ以下であれば部
分放電信号と見なし、平均１ｎｓより大きければノイズ
信号と見なす信号識別手段を備えたことを特徴とする。
このような請求項２の発明によれば、振動波形の振動幅
平均１ｎｓを基準として測定機器の信号識別手段が部分
放電信号とノイズ信号を時間軸波形から直接判定するの
で、信号処理を加えない生の出力信号から簡単にリアル
タイムでノイズ識別を実現することができる。

【００１５】請求項３の発明は、請求項１または２に記
載の絶縁診断装置において、前記他側端部開口面より前
記外部電極と前記内部電極の直径比を有し前記所定の特
定インピーダンスＺと同一の特性インピーダンスを有す
るコネクタを介して前記測定機器と接続したことを特徴
とする。このような請求項３の発明によれば、所定の特
定インピーダンスＺと同一の特性インピーダンスを有す
るコネクタを介して測定機器と接続したことにより、信
号取出口にて当該診断装置と測定機器とを容易に接続可
能であり、インピーダンス整合を簡単に維持することが
できる。したがって、ノイズ識別に必要不可欠な高周波
電磁波信号を最大効率で取り出すことが可能となる。

【００１６】請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれ
か１項に記載の絶縁診断装置において、前記測定機器
は、前記検出した電磁波信号がノイズ信号か否かを表示
する信号表示手段を備えたことを特徴とする。このよう
な請求項４の発明によれば、測定機器の表示手段が出力
信号をノイズ信号か否かを表示するため、部分放電識別
の可視化が容易になり、部分放電信号とノイズ信号の特
微量を同時に把握することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る絶縁診断装置
における代表的な実施の形態について、図１及び図２を
参照して具体的に説明する。本実施の形態は請求項１〜
４を包含するものであり、図１は本実施の形態による絶
縁診断装置の構成図、図２は本実施の形態における等価
回路図を示している。なお、本実施の形態は図３に示し
た従来例と同じくＵＨＦ法を採用した絶縁診断装置であ
り、図３の従来例と同一の部材に関しては同一の符号を
付して説明は省略する。

【００１８】（１）構成 図１に示すように、金属タンク２の開口部３には絶縁診
断装置１８の外輪４が金属ボルト５により金属密閉して
取り付けられている。絶縁診断装置１８には外部電極６
及び内部電極７が設けられている。外部電極６及び内部
電極７はこれらの直径比が一定であるように構成されて
いる。そのため、信号取出口８まではどの断面において
も特性インピーダンスＺは一定となっている。また、外
部電極６と内部電極７との間に特定の静電容量を設けな
いように外部電極６と内部電極７の平面は揃えられてい
る。

【００１９】本実施の形態において構成上の特徴は次の
点にある。すなわち、内部電極７の半径ｒ［ｍ］は金属
タンク２の半径をＲｏ［ｍ］、中心導体１の半径をＲｉ
［ｍ］、内部電極７の半径をｒ［ｍ］としたとき、下記
の関係式、

【数２】 ８．８５５πｒ ^２／（Ｒｏ- Ｒｉ）≦０．４５ を満足するように設定されている。

【００２０】さらに、信号取出口８は、外部電極６およ
び内部電極７の直径比で与えられる特性インピーダンス
Ｚと同一の特性インピーダンスを有するコネクタから構
成され、接続ケーブル９が接続可能となるように設けら
れている。信号取出口８に用いるコネクタは、円筒同軸
型の構造であり、中心コンタクトとシェルカップリング
（外部導体）の直径比が当該絶縁診断装置の特性インピ
ーダンスＺを満足するように設計されている。

【００２１】例として、ＪＩＳＣ５４１０「高周波同軸
コネクタ通則」にて規定されるコネクタを適用すること
が挙げられる。接続ケーブル９に接続する信号取出口８
のコンタクト形状にはプラグ型、ジャック型のいずれか
を用い、内部電極７に接続するコネクタ形状には中心コ
ンタクトのみ露出している接栓型を用いることが考えら
れる。このようにして、絶縁診断装置１８の内部電極７
に接栓型のコネクタ側を差し込むことで導通が確保され
る。

【００２２】一方、絶縁診断装置１８の外部電極６と、
信号取出口８つまりコネクタのシェルカップリングと
は、ねじ止めなどで導通が確保される。こうすること
で、外部電極６、内部電極７から信号取出口８、接続ケ
ーブル９および測定機器１５までを全て同一の直径比、
すなわち同一特性インピーダンスＺで維持することがで
きる。例えば、ＪＩＳＣ５４１１「高周波同軸Ｃ０１型
コネクタ」やＪＩＳＣ５４１２「高周波同軸Ｃ０２型コ
ネクタ」では公称特性インピーダンス：５０Ω、定格電
流：５００Ｖで、定格周波数がそれぞれ１０ＧＨｚ以
下、４ＧＨｚ以下と規定されている。したがって、これ
らのコネクタを使用すれば、インピーダンス整合と周波
数特性を十分に満足することができる。

【００２３】また、信号取出口８には接続ケーブル９を
介して測定機器１５が接続されている。測定機器１５は
オシロスコープのような波形解析装置から構成されてい
る。この測定機器１５は請求項４でいうところの信号表
示手段に対応した表示部１９を備えている。表示部１９
は図形、記号、色、線、文字、数字の違い、あるいは表
示そのものの有無の違いを施すことにより、測定機器１
５もしくは絶縁診断装置１８の出力信号がノイズ信号か
否かを表示するようになっている。

【００２４】より詳しくは、測定機器１５もしくは絶縁
診断装置１８自体の出力信号における振動波形の振動幅
が平均１ｎｓ以下であれば部分放電信号と見なし、平均
１ｎｓより大きければノイズ信号と見なすように構成さ
れている。つまり、測定機器１５は請求項２で記載した
信号識別手段を備えていることになる。なお、測定機器
１５における典型的な表示画面としては縦軸に放電電荷
量、横軸に商用周波数位相等がある。

【００２５】（２）作用効果 以上の構成を有する本実施の形態の作用効果は次の通り
である。一般的に、部分放電信号の立ち上がり・立ち下
がり時間は５００ｐｓ〜１ｎｓと急峻なのが一般的であ
る（匹田他：「部分放電特性のコンピュータ計測と周波
数依存性」、電気学会論文誌B, Vol.115-B, No.10, pp.
1215-1220, 1995 ）。ただし、立ち上がり・立ち下がり
の間にも部分放電信号の急峻度は時々刻々と変化するた
め、絶縁診断装置１８がこの部分放電信号に完全に追従
するためには、２００ｐｓ以下の急峻度に追従すること
が求められる。この２００ｐｓという値は、電力機器に
おける伝搬波形１４から部分放電信号であると識別する
のに最低限必要となる応答時間である。このためには、
静電容量Ｃ１を０．４５ｐＦ以下に制限すること、すな
わちＣ１≦０．４５ｐＦを満足することが必要である。

【００２６】本実施の形態に係る絶縁診断装置１８で
は、金属タンク２の中心導体１との間の静電容量Ｃ１が
０．４５ｐＦ以下となるように内部電極７の半径を決定
しているので、伝搬波形１４の立ち上がり・立ち下がり
が５００ｐｓ〜１ｎｓと急峻であっても、完全に追従し
た出力波形を得ることができる。したがって、信号処理
を加えない生の出力信号から部分放電信号と外部ノイズ
信号を容易に識別することが可能である。これにより、
フィルタや信号処理手法を省くことができ、シンプルな
絶縁診断システムを実現することができる。

【００２７】ところで、部分放電のようなＳＦ６ガス中
での放電現象では、その電子なだれの進展スピードが空
気中と比較して速く、ガス圧力にも依存するが、５００
ｐｓ〜１ｎｓの範囲内におさまる（匹田他：「部分放電
特性のコンピュータ計測と周波数依存性」、電気学会論
文誌B, Vol.115-B, No.10, pp.1215-1220, 1995 ）。こ
の場合、測定機器１５あるいは絶縁診断装置１８にて得
られる出力信号における立ち上がり・立ち下がりに要す
る時間は１ｎｓ以上には長くならない。つまり、伝搬波
形１４が部分放電信号である場合の出力信号は１ｎｓ以
下の振動波になることが考えられる。そこで、まず出力
信号における振動波の振動幅を算出する。振動幅の定義
はゼロクロス（オシロスコープの時間軸と振動波形の交
点）から次のゼロクロス迄の時間幅とする。この方法で
振動幅を算出した場合、先述の理由から部分放電信号で
あれば振動幅が平均１ｎｓ以下となる。一方、空気中ノ
イズ等であれば振動幅は平均１ｎｓより大きくなる。

【００２８】本実施の形態に係る絶縁診断装置１８にお
いては、測定機器１５もしくは絶縁診断装置１８の出力
信号における振動波形の振動幅が平均１ｎｓ以下であれ
ば部分放電信号と見なし、平均１ｎｓより大きければノ
イズ信号と見なしている。そのため、ノイズ環境の劣悪
な状況においてもリアルタイムにノイズ識別を行うこと
が可能となる。このような本実施の形態によれば信号処
理を加えない生の出力信号から容易にノイズ識別を実現
することができる。

【００２９】高周波信号が伝搬する際には、各接続点に
おける特性インピーダンスの整合が重要な課題となる。
仮に不整合点がある場合、その点を機転として所定の信
号とは異なる反射波と透過波が同時に発生する。これら
は不整合点のある限り繰り返し発生するので、結果的に
は所定とは全く異なった多重反射により、余計な周波数
成分を生み出す原因にもなる。したがって、外部電極
６、内部電極７から信号取出口８、接続ケーブル９まで
は完全にインピーダンスが整合している必要がある。そ
こで、本実施の形態では、信号取出口８を上記コネクタ
にしたことで、外部電極６および内部電極７で検出した
信号を反射することなく、接続ケーブルに導くことがで
きる。このため、外部電極６および内部電極７にて誘起
された信号をそのまま外部へ取出すことが可能となる。
このような本実施の形態によれば、高周波信号を最大効
率で取出すことが可能である。

【００３０】また、本実施の形態においては、外部電極
６および内部電極７により絶縁診断装置１８と接続ケー
ブル９を接続しているため、絶縁診断装置１８で検出し
た信号を反射させることなく接続ケーブル９に導くこと
ができ、両者のインピーダンス整合を簡単に維持するこ
とができる。したがって、ノイズ識別に必要不可欠な高
周波電磁波信号を最大効率で取り出すことが可能とな
る。

【００３１】さらに、本実施の形態においては、測定機
器１５に設けた表示部１９が、測定機器１５もしくは絶
縁診断装置１８からの出力信号をノイズ信号か否かを表
示している。したがって、ノイズ環境下における部分放
電信号の発生位相−放電電荷量特性が一目瞭然となる。
特に、発生位相−放電電荷量−時間特性を３次元で表し
た絶縁診断システムにノイズの有無を導入すれば、リア
ルタイムの絶縁診断の可視化に大きな威力を発揮するこ
とができ、部分放電信号とノイズ信号の特徴量を同時に
把握することが可能である。

【００３２】（３）他の実施の形態 なお、本発明は以上の実施の形態に限定されるものでは
なく、各部材の構成は適宜変更可能であり、例えば、測
定機器としては波形解析装置ではなく、周波数解析装置
であっても良い。また、ノイズ信号か否かを表示する表
示手段における表示手法も組合わせは自由である。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、絶
縁診断装置における外部電極及び内部電極の直径比が信
号取出口のそれと一致し、且つ直径比を信号取出口まで
維持する絶縁診断装置において、金属タンクの半径をＲ
ｏ［ｍ］、前記中心導体の半径をＲｉ［ｍ］、前記内部
電極の半径をｒ［ｍ］としたとき、

【数３】 ８．８５５πｒ ^２／（Ｒｏ- Ｒｉ）≦０．４５ の関係式を満足するといった簡単な構成により、金属円
盤−外部電極に形成される静電容量を排除でき、電力機
器内における伝搬波形の波形急峻度に追従することが可
能となり、信号処理を施すことなく容易にノイズ識別を
行って絶縁診断システムの簡素化に寄与できる高精度の
絶縁診断装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る代表的な実施の形態の構成を示す
断面図。

【図２】図１に示した本実施の形態の等価回路図。

【図３】従来の絶縁診断装置の構成を示す断面図。

【図４】図３に示した絶縁診断装置の等価回路図。

【符号の説明】

１…中心導体 ２…金属タンク ３…開口部 ４…外輪 ５…金属ボルト ６，１６…外部電極 ７…内部電極 ８…信号取出口 ９…接続ケーブル １０…スペーサ １１…箔電極 １２…アンテナ １３…金属円盤 １４…伝搬波形 １５…測定機器 １７，１８…絶縁診断装置 １９…表示部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象となる電力機器の金属容器の外
   被に形成された開口部に気密に対向配置して取り付けら
   れ、前記開口部の開口面と対向して同心的に一側端部開
   口面を配置すると共に、他側端部開口面までの直径比を
   同一にしてなる同軸形状の内部電極及び外部電極を備え
   てなるとともに、前記容器内に発生される電磁波信号を
   検出し、部分放電信号か否かを判定する所定の測定機器
   を接続し、前記外部電極と内部電極の直径比が、前記一
   側端部開口面から前記他側端部開口面まで所定の特定イ
   ンピーダンスＺとなるように構成した絶縁診断装置にお
   いて、 前記金属タンクの半径をＲｏ［ｍ］、前記中心導体の半
   径をＲｉ［ｍ］、前記内部電極の半径をｒ［ｍ］とした
   とき、 ８．８５５πｒ ^２／（Ｒｏ- Ｒｉ）≦０．４５の関係
   式を満足するように構成したことを特徴とする絶縁診断
   装置。
2. 【請求項２】 前記測定機器は、前記検出した電磁波信
   号の振動波形の振動幅が平均１ｎｓ以下であれば部分放
   電信号と見なし、平均１ｎｓより大きければノイズ信号
   と見なす信号識別手段を備えたことを特徴とする請求項
   １に記載の絶縁診断装置。
3. 【請求項３】 前記他側端部開口面より前記外部電極と
   前記内部電極の直径比を有し前記所定の特定インピーダ
   ンスＺと同一の特性インピーダンスを有するコネクタを
   介して前記測定機器と接続したことを特徴とする請求項
   １または２に記載の絶縁診断装置。
4. 【請求項４】 前記測定機器は、前記検出した電磁波信
   号がノイズ信号か否かを表示する信号表示手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の
   絶縁診断装置。