JP2003240815A - 電力ケーブルの劣化診断における誘導ノイズの除去方法および電力ケーブルの試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力ケーブルの劣化診断において、外部から
進入する商用周波ノイズ及びその高調波ノイズの影響を
回避すること。 【解決手段】 商用周波数とは異なる周波数であって、
商用周波数の整数倍ではなく、かつ、商用周波数の整数
分の１でない、例えば周波数が５１Ｈｚの試験電圧を電
力ケーブル５及び無損失標準コンデンサ６に印加し、両
者に流れる電流を用いて損失電流測定ブリッジ７で試験
電圧より９０°進み位相の容量性電流の平衡をとり、電
力ケーブル５の損失電流を抽出する。得られた波形をデ
ジタルオシロスコープ８で５１Ｈｚを基準に平均化処理
を行った後に、離散数値データとして取り込む。これを
波形解析コンピュータ９でＦＦＴ解析し、基本波成分の
高調波成分ごとの振幅と重畳位相の値を得る。この高調
波成分毎の振幅と重畳位相を評価することで電力ケーブ
ルの水トリー劣化の状態を診断することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力ケーブルの劣
化診断において、測定回路外部から進入する商用周波ノ
イズ及びその高調波ノイズの影響を除去して、ケーブル
の劣化に起因して発生する損失電流中の高調波成分のみ
を得ることができる誘導ノイズの除去方法、および、上
記高調波ノイズの影響を除去して電力ケーブルの劣化診
断を高精度に行うことができる電力ケーブルの試験装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】電力ケーブルとして現在一般的に用いら
れている架橋ポリエチレン絶縁ケーブル（以下、ケーブ
ルと称す) には水トリー劣化と呼ばれる劣化形態が存在
する。水トリーは電界と水分の作用により発生する絶縁
体中の変質部分であり、これが時間とともに電界方向に
成長する結果、ケーブルの絶縁性能が次第に低下してい
く。したがって、これをそのまま放置すると最終的には
運転中の絶縁破壊事故を引き起こし、電力需要者に多大
な損害を与える結果となる。このため、ケーブルの絶縁
破壊事故を未然に防止し、設備の計画的な更新指針を得
ることを目的として、劣化診断技術が種々検討されてい
る。

【０００３】従来技術の一つとして、ケーブルに交流電
圧を印加して、この時に絶縁体を流れる電流中より前記
交流電圧と同位相である損失電流を抽出し、この損失電
流中に含まれる高調波成分を用いてケーブルの劣化を診
断する方法がある。この方法で劣化信号として用いられ
る損失電流中の高調波成分は、水トリーの非線形電気伝
導特性に起因して発生するもので、その高調波成分の発
生状況を評価することでケーブルの水トリー劣化の状態
を診断することができる。具体的には、ケーブル及びそ
れと並列に接続された無損失標準コンデンサに商用周波
数の交流電圧を印加し、標準コンデンサに流れる電流を
用いて、ケーブルに流れる電流中から印加電圧に対して
９０°進み位相の成分（容量性電流）を除去して損失電
流を抽出し、その中の第３高調波成分を劣化信号として
用いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般にケーブルの劣化
診断はケーブル終端部が設置されている変電所に診断用
の機器を搬入して実施される。変電所では多数のケーブ
ルや変圧器等の電力機器が設置されており、測定対象ケ
ーブル以外は通常みな稼働状態である。このため、変電
所では誘導ノイズが大きく、正確な診断を実施すること
が困難な場合が少なくない。これは、誘導ノイズが商用
周波数及びその高調波成分から構成されているため、従
来方法では水トリーから発生する損失電流中の高調波成
分と誘導ノイズ中の高調波成分を分離することができな
いことによっている。

【０００５】また、診断対象線路が長尺でありケーブル
の静電容量が大きい場合、そのケーブルに所定の試験電
圧を印加するためには大容量の電源が必要となる。診断
実施現場となる変電所で用意できる電源には限りがあ
り、その場合には診断用の電源として発電機を準備する
ことになる。従来技術ではこの発電機の出力電圧を変圧
器により所定の試験電圧に昇圧してケーブルに印加する
のであるが、発電機の出力は一般的に安定ではなく、周
波数や電圧が変動する上に高調波成分も相当量含まれる
ため、前述したケーブルの劣化診断方法には適さない。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、本発明
の目的は、電力ケーブルの劣化診断において、商用周波
数とは異なる周波数の電圧を発生する機器を用いて、測
定回路外部から進入する商用周波ノイズ及びその高調波
ノイズの影響を回避し、ケーブルの劣化に起因して発生
する損失電流中の高調波成分のみを得ることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、測定対象ケ
ーブルに印加する試験電圧の周波数として、商用周波数
の整数倍ではなく、かつ、商用周波数の整数分の１でな
い周波数を選択し、この交流電圧を電力ケーブルに印加
し、この時に絶縁体を流れる電流中より前記交流電圧と
同位相である損失電流を抽出する。そして、上記印加し
た交流電圧の周波数を基準として損失電流信号を平均化
処理することで、測定回路外部から進入する商用周波ノ
イズ及びその高調波ノイズの影響を回避し、ケーブルの
劣化に起因して発生する損失電流中の高調波成分のみを
得ることを可能にする。また、上記商用周波数とは異な
る周波数の電圧を発生する機器の構成として、本発明で
は図１に示すように、商用周波数とは異なる周波数であ
って、商用周波数の整数倍ではなく、かつ、商用周波数
の整数分の１でない周波数の交流電圧信号を発生可能な
信号波形発生器１と、電力増幅器２と、電力増幅器２か
らの電圧を所定の試験電圧に昇圧し、測定対象となる電
力ケーブル５に印加する試験用変圧器３と、電力ケーブ
ル５の静電容量と並列共振回路を構成する補償リアクト
ル４を用いた構成としている。このような試験電圧電圧
発生機器とすることで、任意の周波数の試験電圧を発生
することが可能になる。さらに、前記機器構成の中の電
力増幅器２では商用電源もしくは発電機の電源から受電
した交流電力を一旦直流に変換し、入力される信号波形
発生器１からの交流信号に応じた交流電圧を生成して出
力するため、商用電源や発電機の電源に一般的に見られ
る周波数変動や電圧変動、また電源中の高調波成分等の
影響を受けずに常に一定の試験電圧を電力ケーブル５に
印加することができるという効果もある。

【０００７】本発明で開示されるように、水トリー劣化
ケーブルに周波数ｆt ＝５１Ｈｚの試験電圧を印加した
場合、その損失電流中には水トリーの非線形電気伝導特
性により３×ｆt ＝１５３Ｈｚ、５×ｆt ＝２５５Ｈ
ｚ、…といった奇数次の高調波成分に劣化信号が発生す
る。一方、周囲の電力機器からの誘導ノイズは商用周波
数ｆ＝５０Ｈｚとその高調波２×ｆ＝１００Ｈｚ、３×
ｆ＝１５０Ｈｚ、…であるため、劣化信号と誘導ノイズ
の周波数を分離することができる。しかし、このときの
損失電流は多数の周波数成分を含む上、近接した周波数
も存在するため、このままでは定量的な評価をするのに
は不適切である。そこで、本発明では、さらにこの損失
電流をデジタルオシロスコープ等の波形観測装置におい
て、試験電圧の基本周波数に同期した平均化処理を行う
ことで、誘導ノイズを除去する。前記例の場合、試験電
圧の周波数５１Ｈｚと同期する周波数成分である５１Ｈ
ｚ、１５３Ｈｚ、２５５Ｈｚ、…は平均化処理の後も不
変であるが、誘導ノイズの周波数成分である５０Ｈｚ、
１００Ｈｚ、１５０Ｈｚ、…は５１Ｈｚとは同期しない
ため平均化処理により除去することができる。上記の効
果は、試験電圧の周波数ｆが５１Ｈｚの場合においての
み発揮されるものではなく、劣化信号として用いる周波
数３×ｆt が誘導ノイズの周波数成分である商用周波数
とその高調波成分に一致しないものを選択すれば、同様
の効果が得られる。以上のように、本発明によれば変電
所等の測定対象ケーブル以外の稼働中電力機器により誘
導ノイズの影響がある場合においても、それらの影響を
排除して真の劣化信号のみを抽出することができ、正確
な劣化診断を実施することが可能となる。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１に本発明の実施例の測定回路
を示す。同図に示すように、商用周波数とは異なる周波
数であって、商用周波数の整数倍ではなく、かつ、商用
周波数の整数分の１でない周波数（例えば４８Ｈｚ，５
１Ｈｚ等）の交流電圧信号を発生する信号波形発生器１
の出力を電力増幅器２に与える。電力増幅器２は、入力
される信号波形発生器１からの交流信号に応じた交流電
圧を生成して出力する。なお、電力増幅器２は、商用電
源もしくは発電機の電源から受電した交流電力を一旦直
流に変換し、この直流により上記交流信号を電力増幅
し、信号波形発生器１の出力に応じた交流電圧を生成す
る。このため、前記したように周波数変動や電圧変動、
また電源中の高調波成分等の影響を受けずに常に一定の
試験電圧をケーブルに印加することができる。電力増幅
器２の出力は、電力増幅器２からの電圧を所定の試験電
圧に昇圧する試験用変圧器３の一次側端子に印加され
る。試験用変圧器３の一次側端子間には補償リアクトル
４が接続されており、この補償リアクトル４のリアクト
ルと電力ケーブル５の静電容量とで並列共振回路を構成
することにより、電力ケーブル５に流れ込む電流を小さ
くし、電源容量を小さくすることができる。

【０００９】試験用変圧器３の２次側に発生する電圧
は、測定対象となる電力ケーブル５と無損失標準コンデ
ンサ６に印加され、両者に流れる電流を用いて損失電流
測定ブリッジ７で試験電圧より９０°進み位相の容量性
電流の平衡をとり、電力ケーブル５の損失電流を抽出す
る。損失電流測定ブリッジ７により得られた損失電流は
デジタルオシロスコープ８に与えられる。デジタルオシ
ロスコープ８は、電力ケーブル５に印加される試験電圧
波形を基準として平均化処理を行った後、その波形を離
散数値データとして取り込む。すなわち、デジタルオシ
ロスコープ８において、上記試験電圧波形に同期させ
て、１サイクル分の損失電流を取り出し、１サイクル分
の電流を数サイクル分加算して、加算した回数で割るこ
とにより損失電流の平均化処理を行い、これを離散数値
データとして取り込む。デジタルオシロスコープ８で平
均化処理された離散数値データは波形解析コンピュータ
９に入力され、波形解析コンピュータ９は、この信号を
フーリエ（ＦＦＴ）解析することで、上記基本波成分
（例えば５１Ｈｚ）と、その高調波成分（例えば１０２
Ｈｚ、１５３Ｈｚ、２０４Ｈｚ、…）毎の振幅と重畳位
相（基本波成分に対する位相差) の値を得る。前記した
ように損失電流中の高調波成分は、水トリーの非線形電
気伝導特性に起因して発生するので、上記のようにして
求めた高調波成分毎の振幅と重畳位相を評価することで
電力ケーブルの水トリー劣化の状態を診断することがで
きる。

【００１０】本発明の効果を検証するため、以下の測定
を行った。用いた試料は電圧階級２２ｋＶ、導体サイズ
１００ｍｍ² 、絶縁厚さ６ｍｍである長さ８ｍのＣＶケ
ーブルである。このケーブルは、本測定後に実施した破
壊試験及び絶縁体の観察調査により、破壊電圧が６０ｋ
Ｖであり、絶縁体中に発生している水トリーの最大長が
３ｍｍであることが確認されている。 （１）従来方法による劣化信号の測定 測定回路は図２に示すものであり、前記図１に示す測定
回路と同様であるが、電源として５０Ｈｚの商用電源を
用いた。測定手順は、商用周波数（５０Ｈｚ）の試験電
圧６ｋＶを測定対象電力ケーブル５及び無損失標準コン
デンサ６に印加し、両者に流れる電流を用いて損失電流
測定ブリッジ７で試験電圧より９０°進み位相の容量性
電流の平衡をとり、測定対象電力ケーブル５の損失電流
を抽出した。得られた損失電流の波形をデジタルオシロ
スコープ８で離散数値データとして取り込み、これを波
形解析コンピュータ９にてＦＦＴ解析することで、損失
電流を基本波成分（５０Ｈｚ）とその高調波成分（１０
０，１５０，２００Ｈｚ，…）毎の振幅と重畳位相（基
本波成分に対する位相差) の値を得た。

【００１１】上記測定では、まず、誘導ノイズのない測
定環境においてデータを取得した後、誘導ノイズのある
測定環境においてデータを取得した。誘導ノイズは測定
回路の付近に設置した実験用ケーブル線路に３０００Ａ
の電流を通電することによって実現した。測定データよ
り得た、劣化信号として着目すべき損失電流中の第３高
調波成分の振幅Ｉ３及び重畳位相θ３を表１に示す。

【００１２】

【表１】

【００１３】表１より、誘導ノイズありの条件では、ノ
イズなしの条件のものと比べて第３高調波成分（１５０
Ｈｚ）の振幅Ｉ３が１０倍以上の値となり、重畳位相θ
３の値も大きく異なるものとなっていることが確認でき
る。すなわち、誘導ノイズありの条件では、真の劣化信
号（水トリーから発せられる第３高調波成分）と誘導ノ
イズ中の第３高調波成分の和を測定してしまうため、正
確な診断が不可能なことを意味している。

【００１４】（２）本発明による測定 測定回路としては前記図１に示すものを用い、周波数が
５１Ｈｚの試験電圧６ｋＶを電力ケーブル５及び無損失
標準コンデンサ６に印加し、両者に流れる電流を用いて
損失電流測定ブリッジ７で試験電圧より９０°進み位相
の容量性電流の平衡をとり、電力ケーブル５の損失電流
を抽出した。得られた損失電流の波形をデジタルオシロ
スコープ８で５１Ｈｚの試験電圧波形を基準に平均化処
理を行った後に、離散数値データとして取り込み、これ
を波形解析コンピュータ９でＦＦＴ解析した。ＦＦＴ解
析では、基本波成分を５１Ｈｚとし、その高調波成分
（１０２，１５３，２０４Ｈｚ，…）ごとの振幅と重畳
位相の値を得た。この場合も従来方法と同様に、まず、
誘導ノイズのない測定環境においてデータを取得した
後、誘導ノイズのある測定環境においてデータを取得し
た。測定により得た、劣化信号として着目すべき損失電
流中の第３高調波成分（１５１Ｈｚ）の振幅Ｉ３及び重
畳位相θ３を表２に示す。

【００１５】

【表２】

【００１６】誘導ノイズなしの場合においては、表２に
示した通り第３高調波成分の振振幅Ｉ３及び重畳位相θ
３とも、従来方法の結果とほぼ同じ値となっており、誘
導ノイズの影響がなければ従来方法及び本発明とも当然
ながら真の劣化信号を測定できていることがわかる。さ
らに、本発明による方法では、誘導ノイズありの場合に
おいても、表２に示した通り、得られた第３高調波成分
の振振幅Ｉ３及び重畳位相θ３の値が、誘導ノイズなし
の場合の結果とほぼ一致している。すなわち、試験電圧
の周波数を商用周波数とは異なる周波数にし、それを基
準に損失電流波形の平均化処理を行うことで、誘導ノイ
ズの影響を除去し得ることが確認された。

【００１７】以上のように、本実施例においては、商用
周波数とは周波数が異なる５１Ｈｚの試験電圧を用い、
該試験電圧波形と同期をとって平均化処理を行っている
ので、商用周波数により生ずる誘導ノイズを消去するこ
とができ、誘導ノイズに影響されることなく損失電流の
第３高調波成分の振幅、位相を得ることができた。な
お、上記実施例では周波数が５１Ｈｚの試験電圧のみを
電力ケーブルに印加して測定を行う場合について説明し
たが、例えば、５１Ｈｚの周波数の試験電圧と、その２
倍の周波数である１０２Ｈｚの周波数の試験電圧を重畳
して電力ケーブルに印加するように構成してもよい。周
波数が５１Ｈｚの試験電圧と、周波数が１０２Ｈｚの試
験電圧を電力ケーブルに重畳印加するには、周波数が５
１Ｈｚと１０２Ｈｚの２つの電源を用いて行うことも可
能であるが、例えば、信号波形発生器１内で５１Ｈｚの
信号と１０２Ｈｚの信号を合成して重畳信号を得たり、
あるいは５１Ｈｚと１０２Ｈｚの周波数の信号を合成し
た波形を出力する関数発生器を用いて、５１Ｈｚの信号
と１０２Ｈｚの信号を合成した波形を得て、これを電力
増幅器２で電力増幅して、電力ケーブルに印加するよう
にしてもよい。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、電力ケーブルに印加する試験電圧の周波数として、
商用周波数ではない周波数を選択し、この時に絶縁体を
流れる電流中より前記交流電圧と同位相である損失電流
を抽出し、上記試験電圧波形を基準として損失電流信号
を平均化処理しているので、測定回路外部から進入する
誘導ノイズ（商用周波ノイズ及びその高調波ノイズ）を
除去することができる。その結果、従来方法では誘導ノ
イズの影響により正確な診断が行えなかったような測定
環境においても、精度の高い劣化診断方法を実現するこ
とが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の測定回路の構成を示す図であ
る。

【図２】従来方法における測定回路の構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 信号波形発生器 ２ 電力増幅器 ３ 試験用変圧器 ４ 補償リアクトル ５ 測定対象電力ケーブル ６ 無損失標準コンデンサ ７ 損失電流測定ブリッジ ８ デジタルオシロスコープ ９ 波形解析コンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 秀郎 東京都千代田区丸の内二丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内 (72)発明者 中出 雅彦 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東 京電力株式会社内 (72)発明者 井上 大輔 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東 京電力株式会社内 Ｆターム(参考） 2G015 AA27 BA06 CA20

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電力ケーブルに交流電圧を印加して、こ
   の時に絶縁体を流れる電流中より前記交流電圧と同位相
   である損失電流を抽出し、この損失電流中に含まれる高
   調波成分を用いて劣化診断を行う電力ケーブルの劣化診
   断における誘導ノイズの除去方法であって、 商用周波数とは異なる周波数であって、商用周波数の整
   数倍ではなく、かつ、商用周波数の整数分の１でない周
   波数を持つ交流電圧を電力ケーブルに印加し、 その際測定された損失電流信号に対して、前記交流電圧
   の周波数に同期した平均化処理を行って、上記損失電流
   中に含まれる誘導ノイズ分を除去することを特徴とする
   電力ケーブルの劣化診断における誘導ノイズの除去方
   法。
2. 【請求項２】 電力ケーブルに交流電圧を印加して、こ
   の時に絶縁体を流れる電流中より前記交流電圧と同位相
   である損失電流を抽出し、この損失電流中に含まれる高
   調波成分を用いて電力ケーブルの劣化診断を行う電力ケ
   ーブル試験装置であって、 商用周波数とは異なる周波数であって、商用周波数の整
   数倍ではなく、かつ、商用周波数の整数分の１でない周
   波数の交流電圧信号を発生可能な信号波形発生器と、 その信号を基準に電力を増幅する電力増幅器と、 上記電力増幅器からの電圧を所定の試験電圧に昇圧し、
   試験対象となる電力ケーブルに印加する試験用変圧器
   と、 電力ケーブルの静電容量と並列共振回路を構成する上記
   試験用変圧器の端子間に接続された補償リアクトルと、 電力ケーブルの絶縁体を流れる電流中より前記交流電圧
   と同位相である損失電流を抽出する損失電流測定ブリッ
   ジと、 損失電流ブリッジにより測定された損失電流を前記交流
   電圧の周波数に同期した平均化処理を行う手段と、損失
   電流中に含まれる高調波成分を抽出する手段とを備えた
   ことを特徴とする電力ケーブルの試験装置。