JP2005237045A

JP2005237045A - モールドクラック発生の検出装置、および検出方法

Info

Publication number: JP2005237045A
Application number: JP2004039393A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamaguchi; 浩史山口; Yoshinaga Kataoka; 良長片岡
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2005-09-02
Anticipated expiration: 2024-02-17
Also published as: JP4561117B2

Abstract

【課題】特殊なセンサを設けることなく、固体絶縁開閉装置自体およびその接続導体にモールドクラックが発生したことを確実、容易に検出する。
【解決手段】検出器４は、モールドクラックの発生または外部地絡事故の発生によって固体絶縁開閉装置３の接地線に流れるＬＣ共振による高周波振動電流を検出し、この検出電流に含まれるモールドクラック特有の周波数帯域をもつ高周波振動電流のみをバンドパスフィルタで抽出し、この高周波振動電流の振幅レベルが一定値以上あり、一定時間内に一定回数以上あるときにモールドクラックの発生と判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧導体を絶縁性樹脂でモールドして電気絶縁を得る固体絶縁方式の開閉装置に係り、特に部分放電検出法によりモールドクラックの発生を検出する装置および方法に関する。

変電所などに多数設備される開閉装置（しゃ断器、断路器、接地開閉器など）は、その開閉部の絶縁手段として、開閉部容器内にＳＦ₆ガスを圧縮充填するガス絶縁方式、または開閉部の電極に接続する導体をエポキシ樹脂などによりモールドする固体絶縁方式が多く採用される。

これら絶縁方式において、いずれも絶縁機能が低下する問題がある。ガス絶縁方式では、ガス中に金属異物が混入することなどによって金属容器内に不平等電界が発生し、装置の運転時に部分放電を起こし、ついには絶縁破壊を起こす。

固体絶縁方式では、図３に開閉部の固体絶縁導体の断面図を示すように、内部導体の外周部をエポキシ樹脂でモールドし、最外周に金属メタリコンによる接地線をもつ構造にされる。この構造において、過渡過電圧および汚損などの原因によりモールド部分にクラックが発生すると、内部導体からクラック部位を通して接地線に部分放電（間欠放電や連続放電）を起こし、このまま放置しておくとモールド自体の焼損や地絡事故へと進展する。

上記の開閉装置などの電力機器の絶縁破壊発生には、その初期に部分放電を伴うことを利用して、部分放電を検出することで事故波及を予防する方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特許文献１の検出方法は、ガス絶縁開閉装置の金属容器内に絶縁スペーサを介して埋設電極を設け、金属容器内の高圧導体と埋設電極間の浮遊容量と、金属容器と埋設電極との間の浮遊容量による分圧回路を構成し、部分放電が発生したことを埋設電極に電気信号として検出する。この検出信号から部分放電で発生する可能性のある複数の部分放電波形の周波数特性データとノイズ波形の周波数特性データより、周波数に対する累積値分布を求め、この累積値分布をニューラルネットワークの学習用データとして用いることで、絶縁性能低下による部分放電とノイズや系統事故などの他の原因による信号を分離抽出する。

特許文献２の検出方法は、ガス絶縁電気機器の金属容器内に部分放電が発生したときの音波をアコースティックエミッションセンサで集音して電気信号に変換し、この電気信号から部分放電がもつ周波数スペクトル部分のみをバンドパスフィルタで抽出し、絶縁性能低下による部分放電と他の原因（話し声や足音）による信号成分を分離抽出する。

なお、音波による部分放電検出に代えて、部分放電時に発生する電磁誘導をアンテナで検出し、フィルタ処理する電磁誘導方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開平０７−２６２８６６号公報特開平０５−４５４０２号公報特公昭６３−４９８４５号公報

電力機器で発生する部分放電波形は、機器の構造や設置環境、および部分放電検出器の接続位置などによって、それに含まれる周波数特性が大きく異なる。さらに、部分放電波形にはノイズが含まれ、また系統事故や雷サージが含まれる場合がある。このため、電力機器の絶縁性能の低下による部分放電を高い判別性能をもって検出するには、検出信号から他の原因による信号成分を的確に取り除く必要がある。

このような事情から、特許文献１の部分放電検出方法では、検出信号の周波数特性の累積値分布を抽出することでそのパターン化を行い、さらにニューラルネットワークによる学習機能を利用してパターン認識しようとするもので、これには複雑で高価な信号処理手段が必要となる。また、開閉装置の開閉部または接続導体に埋設電極を設けることを必要とし、開閉装置の改造や設計変更を必要とする。さらに、確実な検出には複数箇所に埋設電極を設け、それぞれの検出信号を処理する手段が必要となる。

特許文献２の音波による部分放電検出方法では、放電音検出にアコースティックエミッションセンサなど特殊なマイクロホンを必要とするし、マイクロホンの取付位置によっては検出が困難となる問題があった。また、マイクロホン自体がアンテナになり、電磁誘導が重畳され、部分放電のみを精度よく検出するのが難しかった。

特許文献３の電磁誘導による部分放電検出方法では、クラック放電時に発生するパルス状の波形を電力機器内に設置したアンテナで検出するが、クラック放電による発弧消弧現象がしゃ断器の「切り」操作時に発生する絶縁回復特性に応じた発弧現象（遮断サージ）とレベル、波形が似通っており、フィルタ処理のみでは判別が難しい問題があった。

本発明の目的は、上記の埋設電極やマイクロホン、アンテナなどの特殊なセンサを固体絶縁開閉装置に設けることなく、固体絶縁開閉装置自体およびその接続導体にモールドクラックが発生したことを確実、容易に検出できる検出装置および方法を提供することにある。

固体絶縁開閉装置自体およびその接続導体にモールドクラックが発生した場合、内部導体からクラック部位を通して接地線に間欠的または連続的な放電が起き、接地線に地絡電流が流れる。クラック発生初期にはクラック部位がダメージを受けないため、放電は発弧サージ電流になる。その後、クラックのダメージが進展すると、放電は開閉装置が接続される回路のＬＣ共振による高周波振動電流になる。図４は、振動電流の計測波形の例を示す。この振動電流の周波数帯域は、電力系統などで発生する地絡事故電流に含まれる周波数帯域と異なり、バンドパスフィルタによって分離抽出できることをシミュレーションで検証した。また、モールドクラックにより接地線に流れる高周波振動電流と、外部地絡事故により接地線に流れる高周波振動電流は電流振幅が著しく異なることも見いだした。

そこで、本発明は、モールドクラックの発生または外部地絡事故の発生によって固体絶縁開閉装置の接地線に流れるＬＣ共振による高周波振動電流を検出し、この検出電流に含まれるモールドクラック特有の周波数帯域をもつ高周波振動電流のみをバンドパスフィルタで抽出し、この高周波振動電流の振幅レベルが一定値以上あるときにモールドクラックの発生と判定するようにしたもので、以下の検出装置および検出方法を特徴とする。

（１）高圧導体を絶縁性樹脂でモールドし、その外周部に接地線を設けた固体絶縁開閉装置におけるモールドクラック発生の検出装置であって、
前記モールドクラックの発生または外部地絡事故の発生によって前記接地線に流れるＬＣ共振による高周波振動電流を検出する電流検出回路と、
前記高周波振動電流に含まれるモールドクラック特有の周波数帯域をもつ高周波振動電流のみを抽出するバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタで抽出した高周波振動電流の振幅レベルが一定値以上あるときにモールドクラックの発生と判定する判定回路とを備えたことを特徴とする。

（２）前記判定回路は、一定時間内に、前記高周波振動電流の振幅レベルが一定値以上に一定回数以上あるときにモールドクラックの発生と判定することを特徴とする。

（３）高圧導体を絶縁性樹脂でモールドし、その外周部に接地線を設けた固体絶縁開閉装置におけるモールドクラック発生の検出方法であって、
前記モールドクラックの発生または外部地絡事故の発生によって前記接地線に流れるＬＣ共振による高周波振動電流を検出し、この検出電流に含まれるモールドクラック特有の周波数帯域をもつ高周波振動電流のみをバンドパスフィルタで抽出し、この高周波振動電流の振幅レベルが一定値以上あるときにモールドクラックの発生と判定することを特徴とする。

（４）前記モールドクラック発生の判定は、一定時間内に、前記高周波振動電流の振幅レベルが一定値以上に一定回数以上あるときにモールドクラックの発生と判定することを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、モールドクラックの発生または外部地絡事故の発生によって固体絶縁開閉装置の接地線に流れるＬＣ共振による高周波振動電流を検出し、この検出電流に含まれるモールドクラック特有の周波数帯域をもつ高周波振動電流のみをバンドパスフィルタで抽出し、この高周波振動電流の振幅レベルが一定値以上あるときにモールドクラックの発生と判定するようにしたため、従来の部分放電検出方法における埋設電極やマイクロホン、アンテナなどの特殊なセンサを固体絶縁開閉装置に設けることなく、固体絶縁開閉装置自体およびその接続導体にモールドクラックが発生したことを確実、容易に検出できる。

図１は、配電変電所のトランス１とフィーダおよび負荷２間に固体絶縁開閉装置３を接続した場合の等価回路を示す。

配電変電所系統の場合、非接地系のため、対地との電気的結合は健全相では静電容量になり、図１のＣ₀はトランスよりの引き込みケーブル容量（例えば、ＭＡＸ４００００ｐＦ）、Ｃ₁は固体絶縁開閉装置の容量（例えば、８０００ｐＦ）、Ｃ₂はフィーダ容量（例えば、５〜１５μＦ／相）を示す。なお、Ｌはトランスのトランスインピーダンス、Ｒ₁は固体絶縁開閉装置の接地線インピーダンス、Ｒ₂は固体絶縁開閉装置の漏れ接地インピーダンスとする。

図１において、固体絶縁開閉装置３内のＡ点にモールドクラックにより地絡電流が発生すると、トランス１と固体絶縁開閉装置３と、フィーダおよび負荷２の各健全相の静電容量で吸い上げられた地絡電流ｉ_0A（ｉ_0A0またはｉ_0A1）がＡ点に流れ込む。

一方、フィーダ２側のＢ点に外部地絡が発生したとき、トランス１と固体絶縁開閉装置３と、フィーダおよび負荷２の各健全相の静電容量で吸い上げられた地絡電流ｉ_0Bが流れるが、この電流ｉ_0Bは電流経路に介在するＡ点の固体絶縁開閉装置３の静電容量Ｃ₁で分流する。

したがって、地絡電流ｉ_0Aはその殆どが固体絶縁開閉装置に流れ、外部地絡電流ｉ_0Bはその一部が固体絶縁開閉装置に流れる。これら電流は、固体絶縁開閉装置の接地線にはインピーダンスＲ₁とＲ₂の比で流れる。この接地線に流れる電流ｉ_EA，ｉ_EBは下記の表１に示す関係になり、固体絶縁開閉装置のモールドクラックによる地絡電流と外部地絡電流とは同じ電流レベルでも容量比Ｃ₁／Ｃ₂によって大きく異なる。なお、ｉ₀はＡ点地絡あるいはＢ点地絡が発生したときの全地絡電流、Ｃ₂は２つの健全相から吸い上げられる地絡電流（ｉ_0B／２）の容量に相当する。

実際には、Ａ点地絡事故とＢ点地絡事故により接地線に流れる地絡電流は、標準的な系統（フィーダ容量Ｃ₂＝８μＦ／相）では上記の表による計算式から、Ａ点地絡事故時の方が約１０００倍大きくなる。

また、モールドクラックによる地絡電流ｉ_0Aに含まれる高周波振動電流の周波数成分と、外部事故による地絡電流ｉ_0Bに含まれる周波数成分は、図５に固体絶縁開閉装置を異なる系統に設置した場合で示すように互いに異なる。

この理由を説明する。モールドクラックにより固体絶縁開閉装置の地絡事故に進展した場合、電源になるトランスから見た回路構成は、フィーダ容量Ｃ₂を短絡したものと等価になり、電源インピーダンスＬと浮遊容量Ｃ₁の値が接地線に流れる高周波振動電流の周波数成分を決定する。一方、外部地絡事故により接地線に流れる高周波電流は、固体絶縁開閉装置３の静電容量Ｃ₁を短絡したものと等価になり、事故点までのフィーダのインピーダンスＬ_Fが周波数成分を決定する。

以上のことから、本実施形態では、固体絶縁開閉装置３の接地線に流れる電流を変流器ＣＴを通して検出器４に取り込み、検出器４ではモールドクラック特有の高周波振動電流をバンドパスフィルタで抽出して外部事故により接地線に流れる高周波振動電流の周波数成分を除去し、さらに接地線に流れる高周波振動電流のレベルの違いからモールドクラック発生時と外部地絡事故発生時との違いを比較器で識別することで、外部地絡事故とは的確に区別してモールドクラック発生を検出する。

図２は、検出器４の機能ブロック図を示す。補助変流器で構成する入力回路１１は、変流器ＣＴの変成電流を２芯ケーブルで取り込み、１Ａ／０.５ｍＡの変成比で変成した二次電流（高周波振動電流）を数ボルトの電圧波形に変換する。バッファ１２は、入力回路１１の出力を高インピーダンスで受け、低インピーダンス出力で高周波振動電流の電圧波形を得る。これら変流器ＣＴと入力回路１１およびバッファ１２は、接地線に流れるＬＣ共振による高周波振動電流を検出する高周波電流検出回路になる。

バンドパスフィルタ１３は、入力電圧波形からモールドクラックによる周波数成分のみを出力する。このバンドパスフィルタ１３の通過帯域は、図５の周波数帯域を基にして設定され、例えば、２５０Ｈｚ〜２ｋＨｚにすることで、外部地絡事故による高周波成分を除去する。

整流回路１４は、バンドパスフィルタ１３から得る高周波振動電圧波形を整流および平滑して直流化する。レベル判定回路１５は、整流回路１４の直流出力が設定レベルを越えたか否かを判定し、設定レベルを越えた期間とそうでない期間に対応する幅のパルス出力を得る。これら回路１４、１５はバンドパスフィルタで抽出した高周波振動電流の振幅レベルが一定値以上あるときにモールドクラック発生と判定する判定回路になる。

サンプル周期タイマー１６は、レベル判定回路１５にパルス出力が得られたときに起動し、一定時間（例えば、４０ｍｓ）幅のパルス出力を得る。カウンタ１７は、サンプル周期タイマー１６のパルス出力期間（４０ｍｓ）に、レベル判定回路１５のパルス出力を計数し、この計数値が一定値（例えば、４パルス）を越えたときにモールドクラック発生の判定出力（論理出力）を得る。リレードライブ回路１８は、カウンタ１７にモールドクラック発生の判定出力が得られたときに、補助リレー１９をドライブする。補助リレー１９は、そのドライブでモールドクラック発生の表示器２０を点滅または連続点灯させる。これら回路１６〜２０はバンドパスフィルタで抽出した高周波振動電流の振幅レベルが一定値以上あり、かつ一定時間内に一定回数以上あることで誤判定を防止してモールドクラック発生を判定する。

以上の構成とする検出器４は、その回路構成を適宜設計変更して同等の作用効果を得ることができる。例えば、表示器２０による表示に代えて、または表示に並行して、モールドクラック発生の判定出力を変電所の保護継電装置に異常発生信号伝送や監視室に通知することもできる。

なお、本実施形態では、配電変電所のトランスとフィーダとの間に設ける固体絶縁開閉装置のモールドクラックを検出する場合を示すが、変電所内の回線切換開閉器に適用して、また発電所や電力連系用電気所などに設けられる各種の固体絶縁開閉装置に適用して同等の作用効果を得ることができる。

本発明の実施形態を説明するための等価回路。実施形態における検出器の機能ブロック図。固体絶縁導体の断面図。振動電流の計測波形例。クラック放電と外部地絡での周波数帯域。

符号の説明

１配電変電所のトランス
２フィーダ及び負荷
３固体絶縁開閉装置
４モールドクラック検出器
１１入力回路
１２バッファ
１３バンドパスフィルタ
１４整流回路
１５レベル判定回路
１６サンプル周期タイマー
１７カウンター
１８リレードライブ回路
１９補助リレー
２０表示器

Claims

高圧導体を絶縁性樹脂でモールドし、その外周部に接地線を設けた固体絶縁開閉装置におけるモールドクラック発生の検出装置であって、
前記モールドクラックの発生または外部地絡事故の発生によって前記接地線に流れるＬＣ共振による高周波振動電流を検出する電流検出回路と、
前記高周波振動電流に含まれるモールドクラック特有の周波数帯域をもつ高周波振動電流のみを抽出するバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタで抽出した高周波振動電流の振幅レベルが一定値以上あるときにモールドクラックの発生と判定する判定回路とを備えたことを特徴とするモールドクラック発生の検出装置。
前記判定回路は、一定時間内に、前記高周波振動電流の振幅レベルが一定値以上に一定回数以上あるときにモールドクラックの発生と判定することを特徴とする請求項１に記載のモールドクラック発生の検出装置。
高圧導体を絶縁性樹脂でモールドし、その外周部に接地線を設けた固体絶縁開閉装置におけるモールドクラック発生の検出方法であって、
前記モールドクラックの発生または外部地絡事故の発生によって前記接地線に流れるＬＣ共振による高周波振動電流を検出し、この検出電流に含まれるモールドクラック特有の周波数帯域をもつ高周波振動電流のみをバンドパスフィルタで抽出し、この高周波振動電流の振幅レベルが一定値以上あるときにモールドクラックの発生と判定することを特徴とするモールドクラック発生の検出方法。
前記モールドクラック発生の判定は、一定時間内に、前記高周波振動電流の振幅レベルが一定値以上に一定回数以上あるときにモールドクラックの発生と判定することを特徴とする請求項３に記載のモールドクラック発生の検出方法。