JP2005147890A - 絶縁異常診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 絶縁異常の初期段階である微弱な部分放電信号を確実に検出して診断対象の絶縁異常を診断すること。
【解決手段】 受電盤１内で発生する部分放電に伴う超音波を音響センサ５で検出し、音響センサ５の出力信号のうち特定の周波数成分のみをフィルタ回路１２を介して抽出し、抽出した信号を検波回路１３で包絡線検波して、電源周波数の２倍の周波数成分の信号を抽出し、抽出した信号のピーク値をピークホールド回路１５で一定時間毎にホールドし、ホールドされた信号をＡ／Ｄ変換回路１６でデジタル信号に変換し、このデジタル信号を基にＣＰＵ１７において受電盤１の絶縁異常を診断する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、絶縁異常診断装置に係り、特に、高圧電気設備を含む送受配電設備における部分放電に伴う絶縁異常を診断するに好適な絶縁異常診断装置に関する。

一般に、送受配電設備は高圧配電線から分岐して給電し、工場、ビルなどの需要家内の設備に電力を供給するようになっている。これらの設備においては、電力の安定した供給を行うために、設備状態監視に基づく機器診断により、事故を未然に防止する保守・保全技術の確率が強く要請されている。

この中でも高電圧設備の絶縁性能が低下すると、重大な絶縁破壊事故に繋がる可能性があるため、絶縁劣化の初期の段階である部分放電信号を検出して、事前に対策することにより事故を防止することが可能である。部分放電信号は絶縁破壊の前駆現象であるため、この部分放電信号は初期の段階から確実に検出することが重要となる。

従来、この部分放電検地方法として、部分放電の発生に伴う電磁波をアンテナにより検出する方式が提案されている。この電磁波検地方式においては、受信する電磁波の周波数帯は数１０ＭＨｚ〜数１００ＭＨｚとして、外部ノイズとなる通信、放送波周波数帯を避けて検出するようになっている。また、指向性の高い音響式の集音測定装置を検査員が使用することにより、部分放電の発生音を検出する方法がある。

さらに、部分放電の振動と漏れ電流を検出し、放電電荷量と放電部位を推定したりする方法や超音波信号からバンドパスフィルタ、検波回路、商用周波数の２倍の周波数フィルタによりノイズ成分を分離して検出したりする方法が提案されている（特許文献１、２参照）。

特開２００２−９０４１３号公報（第４頁から第７頁、図１参照） 特開２００１−３０５１７８号公報（第３頁から第５頁、図１参照）

従来の電磁波検地方式では、高周波数帯を検出するため、高価な高速測定装置が必要であり、実用上診断装置の経済的な負担が大きいことや、受配電設備が金属ケース内に収容されているため、電磁波の定在波が成立しにくく、検出感度が良くないという課題がある。

一方、超音波検出方式では、指向性を有する検出センサにて集音して高感度検出する方式が採用されているが、検査員により異常場所を探しながら診断する方式が主であり、常時監視により、設置場所を固定されたセンサにより不特定の異常場所を検出することは困難であった。

また、筐体振動から絶縁異常を検出する方法では、盤天井や機器の筐体に音響センサを取り付けて機械振動を検出しているが、機種や材質などによって、放電の周波数帯域や強度が異なるので、固有の周波数帯域での部分放電を１つの音響センサだけで検出することができなかった。さらに２倍の周波数成分を検出する方法では、大きな放電による信号は有効に検出できるが、異常の初期段階における信号の発生頻度が少なく、信号の大きさが小さいため、ノイズに埋もれてしまい、Ｓ／Ｎ良く検出することができなかった。さらに、送受配電設備に対して、検出時の迅速な対応を行うためには、設備内容の異常位置を標定する必要があるが、位置標定は困難であった。

本発明の課題は、絶縁異常の初期段階である微弱な部分放電信号を確実に検出して診断対象の絶縁異常を診断することにある。

前記課題を解決するために、本発明は、交流系統に接続された診断対象、例えば、送受配電設備の部分放電に伴う超音波を超音波センサにより検出し、超音波センサの検出信号のうち特定の周波数成分を抽出し、抽出された信号を検波し、検波により得られた信号を積分し、または検波により得られた信号のピーク値を保持し、積分された信号またはピーク値を保持した信号を基に交流系統の電源周波数の２倍の周波数成分の信号を抽出し、抽出結果に従って診断対象の異常の有無を診断するようにしたものである。

交流系統に接続された診断対象が異常になって、診断対象から部分放電信号が発生すると、交流系統の電源周波数のレベルがピーク値になるごとに超音波センサの検出出力のレベルが大きくなり、超音波センサの検出信号のうち特定の周波数成分の信号を抽出し、抽出した信号を検波すると、交流系統の電源周波数の２倍の周波数成分の信号を抽出することができる。この抽出された信号は、異常の初期の段階では微弱な信号であって、そのレベルは低いが、この信号を積分したり、あるいはピーク値を保持したりすることで、電源周波数の２倍の周波数成分の信号を多く取り出すことができ、微弱な部分放電信号にノイズ信号が重畳していても、異常の初期段階に発生する微弱な部分放電信号を確実に検出し、検出した信号を基に診断対象の絶縁異常を診断することができる。

本発明によれば、診断対象から異常の初期段階に伴う微弱な部分放電信号が出力されても、この部分放電信号を確実に検出することができ、高感度化を図ることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明を受電盤に適用したときの実施形態を示す絶縁異常監視システムのブロック構成図である。図１において、診断対象としての受電盤１は、交流系統に接続されており、この受電盤１には音響センサ（ＡＥセンサ）５が設けられている。この音響センサ５は、受電盤１内の導体部あるいは開閉部などから絶縁異常に伴う部分放電が発生して盤振動が生じたときに、この部分放電に伴う超音波を検出し、検出信号を絶縁監視装置８に出力するようになっている。

絶縁監視装置８は、プリアンプ１１、フィルタ回路１２、検波回路１３、アンプ１４、ピークホールド回路１５、Ａ／Ｄ変換回路１６、ＣＰＵ１７を備え、音響センサ１とともに絶縁異常診断装置を構成するようになっている。プリアンプ１１は、音響センサ５の検出による部分放電信号を増幅し、増幅した信号をフィルタ回路１２に出力するようになっている。フィルタ回路１２は、プリアンプ１１の出力信号のうち特定の周波数成分の信号を通過させるバンドパスフィルタを備えており、超音波センサ５の出力信号のうち超音波センサの共振周波数に対応した周波数成分のみを通過するようになっている。

すなわち、一般に、受電盤１内の部分放電による信号の周波数はＤＣ〜数１００ｋＨｚであり、音響センサ５としては、数１０ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚの範囲での共振周波数を有するものが使用可能である。部分放電による信号を高感度に検出するためには、音響センサ５としては、広帯域の周波数が検出可能なものよりも、特定の周波数成分のみを検出できるものの方が検出感度が高くなる。そのために、特定の共振周波数を有する音響センサ５が用いられ、音響センサ５の検出信号以外のノイズ信号を除去するために、フィルタ回路１２におけるバンドパスフィルタは音響センサ５の共振周波数と同じ周波数の狭帯域のフィルタが用いられている。

この場合、図２（ａ）に示すように、受電盤１に印加交流電圧として５０Ｈｚの信号が印加されているときに、部分放電が生じると、交流系統の電源周波数である５０Ｈｚの信号成分のうちそのピーク値に対応して、部分放電信号のレベルが大きくなるため、フィルタ回路１２からは、図２（ｂ）に示すように、数１０ｋＨ〜数１００ｋＨｚの信号が出力されることになる。そしてフィルタ回路１２の出力信号を検波回路１３で検波すると、例えば、包絡線検波あるいは全波検波すると、検波回路１３からは、図２（ｃ）に示すように、電源周波数の２倍の周波数成分（１００Ｈｚ）の信号が出力される。すなわち、絶縁異常に伴う部分放電信号は交流印加電圧のピーク値付近で発生するため、この信号を検出した音響センサ５の出力信号をフィルタ回路１２を介して検波回路１３で検波することで、電源周波数の２倍の周波数に同期した信号が出力されることになる。

ここで、部分放電信号の１つ１つは数マイクロ秒オーダの現象であるため、それらを全て捕まえることは高速の測定器が必要になり、費用がかかるため実用的ではない。

そこで、本実施形態においては、検波回路１３により検波された信号をアンプ１４で増幅したあと、アンプ１４の出力信号のピーク値をピークホールド回路１５で一定時間毎に保持し、保持された信号をＡ／Ｄ変換回路１６でデジタル信号に変換し、変換されたデジタル信号を基にＣＰＵ１７において、診断対象の絶縁異常を診断することとしている。この場合、Ａ／Ｄ変換回路１６とＣＰＵ１７は解析回路を構成することになる。アンプ１４の出力信号のピーク値をピークホールド回路１５で一定時間毎にホールドすると、ピークホールド回路１５の出力信号は、図２（ｄ）に示すような特性となる。このピークホールド回路１４の出力信号をデジタル信号に変換したあと、ＣＰＵ１７においてフーリエ解析によって周波数変換を行うと、図３に示すような解析結果が得られる。

前述したように、部分放電信号は印加交流電圧のピーク付近で発生するため、電源周波数（商用周波数）の２倍の周期で信号が発生している。このため、例えば、５０Ｈｚの商用周波数の電源の場合は、１００Ｈｚの周期で検波信号が発生していることになり、図３に示すように、１００Ｈｚの周波数帯で大きな信号が観測されることになる。

なお、検波回路１３の出力信号をデジタル信号に変換してフーリエ解析して周波数変換を行うと、図４に示すような結果が得られる。すなわち、図３の特性と図４の特性を比較すると、検波回路１３の出力をそのままフーリエ解析するよりも、検波回路１３の出力を増幅したあとピークホールド回路１５でそのピーク値をホールドし、ホールドされた信号をフーリエ解析して周波数変換した方が、観測すべき商用周波の２倍の周波数の出力レベルが非常に大きくなることが分かる。

ただし、図２に示す波形は、部分放電信号のレベルが高いときの波形を示しており、部分放電信号が十分に発生している状況では、検波回路１３の出力信号をフーリエ解析することでも部分放電の発生を検出することはできる。

しかしながら、異常の初期の段階では、フィルタ１２を通過した信号は、図５（ｂ）に示すような波形となる。この信号を検波回路１３で検波したときの信号は、図５（ｃ）に示すように、時間幅の短い信号となる。検波回路１３の出力信号をデジタル信号に変換してフーリエ解析により周波数変換を行うと、図６に示すような特性となり、信号幅の波形では、商用周波数もしくは商用周波数の２倍の周波数は出力が小さい値を示すことになる。つまり、この場合、商用周波数の２倍の周波数の成分と他の周波数成分との区別が明確にならず、初期の部分放電信号を十分に検出することができない。

これに対して、検波回路１３の出力信号をアンプ１４で増幅したあとそのピーク値をピークホールド回路１５で一定時間毎にホールドすると、図５（ｄ）に示すような信号が得られる。この信号をデジタル信号に変換したあとＣＰＵ１７においてフーリエ解析により周波数変換を行うと、図７に示すような特性が得られる。すなわち、１００Ｈｚの周波数帯で大きな信号が観測されることになり、部分放電発生の初期の段階から、異常信号として大きな信号を検出することができる。そしてＣＰＵ１７においては、フーリエ解析により得られた解析結果を基に診断対象の絶縁異常を診断することができる。例えば、１００Ｈｚの周波数帯における信号成分が設定レベルを超えたときに、受電盤１内に絶縁異常が発生したと診断することができる。

またピークホールド回路１５の代わりに、積分回路を用いることもできる。この場合、図８（ａ）に示すように、積分回路の立下がり時定数としては、例えば、商用周波数の１サイクルの１／４に設定することが望ましい。具体的には、５０Ｈｚの商用周波数のときには、積分回路の立下がり時定数を５ｍｓに設定することが望ましい。

またピークホールド回路１５としては、図８（ｂ）に示すように、印加交流電圧のピークに応答して検波出力のピーク値のホールドを開始し、その後一定時間、例えば、３ｍｓの間、ピーク値を保持し、その後、ピーク値を解除する構成を採用することができる。

次に、本発明の第２実施形態を図９および図１０にしたがって説明する。本実施形態は、受電盤１に、複数、例えば、２つの音響センサ５ａ、５ｂを設け、絶縁監視装置８に、２つの音響センサ５ａ、５ｂに対応して、プリアンプ１１、フィルタ回路１２、検波回路１３、アンプ１４、ピークホールド回路１５、Ａ／Ｄ変換回路１６を２系統を設け、各系統のＡ／Ｄ変換回路１６の出力信号に従ってＣＰＵ１７で異常診断するようにしたものである。

すなわち、部分放電による送受配電設備の盤振動は、受電盤１の盤を介して伝播して、図１０に示すように、定在波を形成する。このため、盤振動は、場所によっては振動の大きい部分と小さい部分が存在し、盤振動を精度良く検出するためには、盤や筐体部分の振動強度の小さい部分だけで盤振動を検出しないように、複数の音響センサを配置する必要がある。この場合、図１０に示すように、音響センサ５ａ、５ｂの間隔を音響センサ５ａ、５ｂの検出周波数、例えば、数１００ｋＨｚの波長の１／４に設定することで、少なくとも一方の音響センサによって盤振動を確実に検出することができる。例えば、音響センサ５ａが検出周波数のピーク値のところに配置され、音響センサ５ｂが検出周波数の０レベル付近配置されていたときには、音響センサ５ｂによっては盤振動を検出することはできないが、音響センサ５ａによって盤振動の最大値を検出することができる。また音響センサ５ａ、５ｂが検出周波数の最大値とは異なる位置に配置されていたときでも、検出信号の最大値の振幅を１としたときに、各音響センサ５ａ、５ｂの合成出力は１／√２となる。

本実施形態によれば、音響センサ５ａ、５ｂの間隔を検出周波数の波長の１／４とすることで、部分放電に伴う盤振動を精度良く検出することができる。

次に、本発明の第３実施形態を図１１および図１２にしたがって説明する。本実施形態は、音響センサ５ａ、５ｂを受電盤１の任意の位置に配置し、各音響センサ５ａ、５ｂの位相と交流系統の電源周波数の位相とを比較し、この比較結果から部分放電が発生している診断対象の位置を標定する位置標定回路としての機能をＣＰＵ１７に持たせたものであり、他の構成は図９のものと同様である。

例えば、受電盤１の放電源２１が音響センサ５ｂの近傍にあるとしたときには、音響センサ５ｂの検出出力は図１２（ｂ）に示すような波形となり、この音響センサ５ｂの出力を積分した信号は（ｃ）に示すような波形となる。これに対して、音響センサ５ａは、音響センサ５ｂよりも放電源２１から離れているため、音響センサ５ａの出力を積分した波形は、図１２（ｄ）に示すような波形となる。

すなわち、音響センサ５ａが盤振動を検出するまでには時間遅れがあり、音響センサ５ｂの出力を積分した信号と音響センサ５ａの出力を積分した信号との間には位相遅れが発生する。このため、これらの信号を解析することで、放電源２１は、音響センサ５ｂの設置された位置に近く、音響センサ５ａの設置された位置よりも遠方にあることが分かり、両者の解析結果から放電源２１の位置を標定することが可能になる。

次に、本発明の第４実施形態を図１３および図１４にしたがって説明する。本実施形態においては、前記いずれかの実施形態に用いられた絶縁監視装置８の他に、ＣＰＵ１７の演算結果などの情報を記憶するデータベース２１が設けられているとともに、受電盤１の周囲の湿り気を検出する環境センサとして、受電盤１内の湿度を検出する湿度計２が設けられている。湿度計２の出力はデータベース２３に記録されるようになっており、絶縁監視装置８の出力と湿度計２の出力はそれぞれ判定回路２４、２５に入力されている。判定回路２５は、湿度計２の計測による湿度が設定値ＭＳ_ＳＥＴ、例えば、湿度９０％を超えたとき、あるいは湿度が１００％に達して結露が発生したときに、ＡＮＤ回路２６に“１”の信号を出力するようになっている。

一方、判定回路２４は、絶縁監視装置８の演算結果として、部分放電信号のレベルが設定値ＡＥ_ＳＥＴを超えたときに、ＡＮＤ回路２６に対して“１”の信号を出力するようになっている。ＡＮＤ回路２６は、判定回路２４、２５の論理積を条件に、すなわち、各判定回路２４、２６の出力レベルが共に“１”になったことを条件に、駆動回路２７に駆動信号を出力するようになっている。駆動回路２７は、ＡＮＤ回路２７から駆動信号が入力されたときに警報を複数回発生するようになっている。すなわち、判定回路２４、２５、ＡＮＤ回路２６、駆動回路２７は湿度計２２の計測値が設定値を超えたときに、ＣＰＵ１７の演算結果が絶縁異常であることを条件に警報を発生する警報発生回路として構成されている。

本実施形態においては、部分放電信号の発生に伴って絶縁異常が発生したときでも、受電盤１内の湿度が設定値を超えたとき、あるいは結露が発生したことを条件として受電盤１内に絶縁異常が発生したとしているため、部分放電に伴う異常診断を高精度に診断することができる。

すなわち、受電盤１内の絶縁碍子は表面が汚損していると、部分放電が発生する。しかしながら、絶縁碍子の表面が汚損しているだけでは絶縁異常に伴う部分放電は発生せずに、湿度が高い場合、例えば、湿度が９０％以上や結露が発生した場合には絶縁異常に伴う部分放電が発生する。このため、湿度が高くなったときあるいは結露が発生したことを条件として絶縁異常を診断することで、誤診断を防止することができ、部分放電に伴う絶縁異常を高精度に診断することが可能になる。

本実施形態によれば、湿度計２２の計測値を基に絶縁異常を診断することで、部分放電に伴う絶縁異常をより高精度に診断することができる。

本発明の第１実施形態を示す絶縁異常監視システムのブロック構成図である。 絶縁異常監視システムの各部の波形図である。 ピークホールド回路の出力をフーリエ解析したときの波形図である。 検波回路の出力をフーリエ解析したときの波形図である。 異常の初期の段階における各部の波形図である。 異常の初期の段階における検波出力をフーリエ解析したときの波形図である。 異常の初期の段階のピークホールド回路の出力をフーリエ解析したときの波形図である。 積分回路の時定数とピークホールド回路のホールド時間を説明するための波形図である。 本発明の第２実施形態を示す絶縁異常監視システムのブロック構成図である。 音響センサの位置と検出周波数との関係を説明するための図である。 本発明の第３実施形態を示す絶縁異常監視システムのブロック構成図である。 第３実施形態における絶縁異常監視システムの各部の波形図である。 本発明の第４実施形態を示す絶縁異常監視システムのブロック構成図である。 湿度計の計測値を判定する判定回路とＣＰＵの演算結果を判定する判定回路の構成を説明するための波形図である。

符号の説明

１ 受電盤
５、５ａ、５ｂ 音響センサ
８ 絶縁監視装置
１１ プリアンプ
１２ フィルタ回路
１３ 検波回路
１４ アンプ
１５ ピークホールド回路
１６ Ａ／Ｄ変換回路
１７ ＣＰＵ

Claims (7)

1. 交流系統に接続された診断対象の部分放電に伴う超音波を検出する超音波センサと、前記超音波センサの検出信号のうち特定の周波数成分の信号を通過させるフィルタ回路と、前記フィルタ回路の出力信号を検波する検波回路と、前記検波回路の出力信号を積分する積分回路と、前記積分回路の出力信号から前記交流系統の電源周波数の２倍の周波数成分の信号を抽出し、この抽出結果を基に前記診断対象の絶縁異常を診断する解析回路とを備えてなる絶縁異常診断装置。
2. 交流系統に接続された診断対象の部分放電に伴う超音波を検出する超音波センサと、前記超音波センサの検出信号のうち特定の周波数成分の信号を通過させるフィルタ回路と、前記フィルタ回路の出力信号を検波する検波回路と、前記検波回路の出力信号のピーク値を保持するピークホールド回路と、前記ピークホールド路の出力信号から前記交流系統の電源周波数の２倍の周波数成分の信号を抽出し、この抽出結果を基に前記診断対象の絶縁異常を診断する解析回路とを備えてなる絶縁異常診断装置。
3. 交流系統に接続された診断対象の部分放電に伴う超音波を検出する複数の超音波センサと、前記各超音波センサの検出信号のうち特定の周波数成分の信号を通過させる複数のフィルタ回路と、前記各フィルタ回路の出力信号を検波する複数の検波回路と、前記各検波回路の出力信号を積分する複数の積分回路と、前記各積分回路の出力信号から前記交流系統の電源周波数の２倍の周波数成分の信号を抽出し、この抽出結果を基に前記診断対象の絶縁異常を診断する解析回路とを備え、前記複数の超音波センサの間隔は、前記検出信号のうち特定の検出周波数の１／４波長の長さに設定されてなる絶縁異常診断装置。
4. 交流系統に接続された診断対象の部分放電に伴う超音波を検出する複数の超音波センサと、前記各超音波センサの検出信号のうち特定の周波数成分の信号を通過させる複数のフィルタ回路と、前記各フィルタ回路の出力信号を検波する複数の検波回路と、前記各検波回路の出力信号のピーク値を保持する複数のピークホールド回路と、前記各ピークホールド路の出力信号から前記交流系統の電源周波数の２倍の周波数成分の信号を抽出し、この抽出結果を基に前記診断対象の絶縁異常を診断する解析回路とを備え、前記複数の超音波センサの間隔は、前記検出信号のうち特定の検出周波数の１／４波長の長さに設定されてなる絶縁異常診断装置。
5. 交流系統に接続された診断対象の部分放電に伴う超音波を検出する複数の超音波センサと、前記各超音波センサの検出信号のうち特定の周波数成分の信号を通過させる複数のフィルタ回路と、前記各フィルタ回路の出力信号を検波する複数の検波回路と、前記各検波回路の出力信号を積分する複数の積分回路と、前記各積分回路の出力信号から前記交流系統の電源周波数の２倍の周波数成分の信号を抽出し、この抽出結果を基に前記診断対象の絶縁異常を診断する解析回路と、前記各超音波センサの検出信号の位相と前記交流系統の電源周波数の位相とを比較し、この比較結果から部分放電が発生している診断対象の位置を標定する位置標定回路とを備えてなる絶縁異常診断装置。
6. 交流系統に接続された診断対象の部分放電に伴う超音波を検出する複数の超音波センサと、前記各超音波センサの検出信号のうち特定の周波数成分の信号を通過させる複数のフィルタ回路と、前記各フィルタ回路の出力信号を検波する複数の検波回路と、前記各検波回路の出力信号のピーク値を保持する複数のピークホールド回路と、前記各ピークホールド路の出力信号から前記交流系統の電源周波数の２倍の周波数成分の信号を抽出し、この抽出結果を基に前記診断対象の絶縁異常を診断する解析回路と、前記各超音波センサの検出信号の位相と前記交流系統の電源周波数の位相とを比較し、この比較結果から部分放電が発生している診断対象の位置を標定する位置標定回路とを備えてなる絶縁異常診断装置。
7. 請求項１から６のうちいずれか1項に記載の絶縁異常診断装置において、前記診断対象の周囲の湿り気を検出する環境センサと、前記環境センサの検出出力が設定値を超えたときに、前記解析回路の診断結果が絶縁異常であることを条件に警報を発生する警報回路とを備えてなることを特徴とする絶縁異常診断装置。

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