JP2006064461A - 回転電機の部分放電検出装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】取付けが容易で検出感度および検出精度を高くして回転電機の部分放電を検出することにある。
【解決手段】回転電機の固定子巻線１に接続された電力線又は中性点引出線２と静電結合を有し、且つ前記電力線又は中性点引出線と非接触な電気伝導素子３と、この電気伝導素子３の他方の端子に入力端子６が電気的に接続され入力インピーダンスが出力インピーダンスより大きいインピーダンス変換器５と、このインピーダンス変換器５の出力端子７から得られる検出信号を処理して部分放電パルス信号を検出する信号処理器１０とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転電機の部分放電検出装置および方法に関する。

高電圧回転電機においては、長期にわたり運用すると、電気的、熱的、機械的及び環境的なストレスにより、機器内部の電気絶縁体の劣化が進行し、最終的に絶縁破壊ひいては機器の故障に至ることがある。

従って、高電圧回転電機にあっては、機器の信頼性向上や運転管理の観点から機器内部の絶縁劣化を監視・診断する必要がある。特に回転電機の固定子巻線は、電気的、熱的および機械的ストレスが大きいことから、固定子巻線の絶縁劣化を監視・診断することは重要である。

ところで、固定子巻線の絶縁体の劣化を検出する方法として、巻線の絶縁劣化に伴い発生するパルス状の部分放電信号を検出する方法があるが、回転電機内部の巻線で発生した部分放電を直接検出することは困難である。

このため、従来では巻線内部や回転電機内部に存するスペースに取付けた検出センサにより、部分放電の発生に伴い回転電機内部を伝搬する電磁波や巻線、巻線接続線および電力線を流れる電気的なパルス信号を検出するようにしたものがある（例えば、特許文献１）。

しかし、この検出方法は、検出感度が高いという利点がある一方で、直接検出センサに電気的な高ストレスが加わるため、センサ自身に高い絶縁性能が要求されるという問題があった。

また、前述したセンサはスロット内部や回転電機フレーム内部に据付ける必要があり、既設の回転電機に対しては据付が困難な場合が多いことから、取付けが容易で絶縁信頼性が高く且つ高電圧充電部に非接触なセンサを回転電機内外部に取付けて部分放電を検出するようにしたものがある（例えば、特許文献２）。
特開平４−２９９０５０号公報 特開２０００−３４６９１６号公報

しかし、一般に高電圧部に非接触なセンサによる部分放電検出方法は、部分放電信号が流れる高電圧部に対して静電的あるいは磁気的な結合が弱いため、カップリングコンデンサなどの高電圧部に接触する方法に比べて部分放電検出の感度が低下し、診断精度が低下するという問題があった。

さらに、部分放電検出に際しては周囲機器や環境から電気的なノイズ信号が混入する場合があり、検出精度が低下するという問題があった。

本発明は、これらの点を鑑みてなされたもので、取付けが容易で検出感度および検出精度が高い回転電機の部分放電検出方法および装置を提供することを目的とする。

本発明は以上の目的を達成するために、次のような手段により回転電機の部分放電を検出するものである。

請求項１に対応する発明は、回転電機の固定子巻線に接続された電力線又は中性点引出線と静電結合を有し、且つ前記電力線又は中性点引出線と非接触な電気伝導素子と、この電気伝導素子の他方の端子に入力端子が電気的に接続され入力インピーダンスが出力インピーダンスより大きいインピーダンス変換器と、このインピーダンス変換器の出力端子から得られる検出信号を処理して部分放電パルス信号を検出する信号処理手段とを備える。

請求項２に対応する発明は、回転電機の固定子巻線に接続された電力線又は中性点引出線に接続されたコンデンサと、このコンデンサの他方の端子に入力端子が接続され、入力インピーダンスが出力インピーダンスより大きいインピーダンス変換器と、このインピーダンス変換器の出力端子から得られる検出信号を処理して部分放電パルス信号を検出する信号処理手段とを備える。

請求項３に対応する発明は、請求項１又は請求項２に対応する発明の回転電機の部分放電検出装置において、前記インピーダンス変換器の出力端子にインピーダンスマッチングするように伝送回路を接続し、この伝送回路の出力端から得られる検出信号を信号処理手段に入力する。

請求項４に対応する発明は、回転電機の固定子巻線に接続された電力線又は中性点引出線と静電結合を有し、電力線又は中性点引出線に非接触で且つ容量が同一又は異なる少なくとも２つの電気伝導素子と、これら各電気伝導素子の他方の端子にそれぞれ対応する入力端子が電気的に接続され、入力インピーダンスが出力インピーダンスより大きく且つそれぞれ異なる入力インピーダンス値を有する少なくとも２つのインピーダンス変換器と、これら各インピーダンス変換器より得られる検出信号が入力され、これらインピーダンス変換器のうち低い入力インピーダンス値をもつインピーダンス変換器より得られるパルス検出信号のピーク検出タイミングと同時に高い入力インピーダンス値をもつインピーダンス変換器より得られるパルス信号を部分放電信号として判定する信号処理手段とを備える。

請求項５に対応する発明は、回転電機の固定子巻線に接続された電力線又は中性点引出線に接続された容量が同一又は異なる少なくとも２つのコンデンサと、これら各コンデンサの他方の端子にそれぞれ対応する入力端子が電気的に接続され、入力インピーダンスが出力インピーダンスより大きく且つそれぞれ異なる入力インピーダンス値を有する少なくとも２つのインピーダンス変換器と、これら各インピーダンス変換器より得られる検出信号が入力され、これらインピーダンス変換器のうち低い入力インピーダンス値をもつインピーダンス変換器より得られるパルス検出信号のピーク検出タイミングと同時に高い入力インピーダンス値をもつインピーダンス変換器より得られるパルス信号を部分放電信号として判定する信号処理手段とを備える。

請求項６に対応する発明は、請求項１又は請求項４に対応する発明の回転電機の部分放電検出装置において、前記電気伝導素子および前記インピーダンス変換器は、前記電力線又は中性点引出線を中心にその外周に配設された中空状の電機伝導性フレームに有する点検窓に着脱可能に取付けられた絶縁板に支持される。

請求項７に対応する発明は、請求項２又は請求項５記載の回転電機の部分放電検出装置において、前記コンデンサおよび前記インピーダンス変換器は、前記電力線又は中性点引出線を中心にその外周に配設された中空状の電機伝導性フレームに有する点検窓に着脱可能に取付けられた絶縁板に支持される。

請求項８に対応する発明は、請求項１又は請求項４に対応する発明の回転電機の部分放電検出装置において、前記電気伝導素子に対応させて前記電力線又は中性点引出線と磁気結合を有するコイルを設け、前記信号処理手段は前記インピーダンス変換器の出力信号ピークの極性と前記コイルに誘起される出力信号ピークの極性の積が正又は負のいずれであるかにより回転電機側から伝播する信号と回転電機の外部から伝播する信号とを弁別して部分放電信号を検出する。

請求項９に対応する発明は、請求項２又は請求項５に対応する発明の回転電機の部分放電検出装置において、前記コンデンに対応させて前記電力線又は中性点引出線と磁気結合を有するコイルを設け、前記信号処理手段は前記インピーダンス変換器の出力信号ピークの極性と前記コイルに誘起される出力信号ピークの極性の積が正又は負のいずれであるかにより回転電機側から伝播する信号と回転電機の外部から伝播する信号とを弁別して部分放電信号を検出する。

請求項１０に対応する発明は、請求項１乃至請求項９の何れかに対応する発明の部分放電検出装置を備えた回転電機とする。

請求項１１に対応する発明は、回転電機の固定子巻線に接続された電力線又は中性点引出線と１０ｐＦ以下の静電結合を有する電力線又は中性点引出線に非接触な電気伝導素子の出力端子と、入力インピーダンスが５００Ω以上で出力インピーダンスが５０Ω乃至７５Ωのインピーダンス変換器の入力端子とを電気的に接続し、このインピーダンス変換器の出力端子にインピーダンスマッチングするように接続された特性インピーダンスが５０Ω乃至７５Ωの伝送回路の出力端から得られる検出信号を処理して部分放電パルス信号を検出する。

請求項１２に対応する発明は、回転電機の固定子巻線に接続された電力線又は中性点引出線と１０ｐＦ以下の静電結合を有し電力線又は中性点引出線に非接触な２つの電気伝導素子と、入力インピーダンス値が５００Ω以上で出力インピーダンス値が５０Ω乃至７５Ωの第１のインピーダンス変換器および入力インピーダンス値が前記第１のインピーダンス変換器より高く５００００Ω以上で出力インピーダンス値が５０Ω乃至７５Ωの第２のインピーダンス変換器とを備え、一方の前記電気伝導素子と前記第１のインピーダンス変換器の入力端子および他方の前記電気伝導素子と前記第２のインピーダンス変換器の入力端子とを電気的に接続し、前記第１のインピーダンス変換器より出力されるパルス信号のピーク検出タイミングと同時に前記第２のインピーダンス変換器より出力されるパルス信号を部分放電信号として判定する。

請求項１３に対応する発明は、回転電機に接続された電力線又は中性点引出線と静電結合を有する電気伝導素子又はコンデンサと前記電力線又は中性点引出線と磁気結合を有するコイルとを各１つ以上配置し、前記電気伝導素子又は前記コンデンサと接続した抵抗体又はインピーダンス変換器の出力信号ピークの極性と前記コイルに誘起される出力信号ピークの極性の積が正または負のいずれであるかにより回転電機側から伝搬する信号と回転電機の外部から伝搬する信号とを弁別して部分放電信号を検出する。

本発明によれば、回転電機への取付けを簡単且つ容易にして精度の高い部分放電検出および絶縁診断を行うことが可能になり、高電圧回転電機の適正な補修計画の策定および信頼性の向上に大きく貢献できる。

以下本発明の実施の形態について説明する。

図１は本発明の第１の実施形態を示す回転電機の部分放電検出装置の構成図である。

図１において、１は回転電機の固定子巻線で、この固定子巻線１に電力線又は中性点引出線２を接続し、この電力線又は中性点引出線２と静電結合を有する非接触な銅やアルミなどからなる電気伝導素子３を図示しない支持部材に支持させて設ける。

この電気伝導素子３に、少なくとも入力インピーダンスＺｉｎが出力インピーダンスＺｏｕｔより大きいインピーダンス変換器５の入力端子６を電気的にリード線４で接続し、このインピーダンス変換器５の出力端子７にインピーダンスマッチングするように接続された伝送線路８（特性インピーダンスＺ₀）の出力端９から検出信号を信号処理器１０に入力して部分放電パルス信号を検出するものである。

一般に伝送線路８には、特性インピーダンス５０Ω又は７５Ωの同軸ケーブルを使用するため、Ｚｏｕｔは５０Ω又は７５Ωとなる場合が多い。

次に上記のように構成された回転電機の部分放電検出装置の作用を述べる。

図２は、図１において電力線又は中性点引出線２からみた電気的等価回路を表し、電力線又は中性点引出線２は静電容量Ｃ（キャパシタンス）およびインピーダンス変換器５の入力インピーダンスＺｉに直列接続して接地点１１に接地した状態で表される。そのため、電力線又は中性点引出線２を流れる交流電圧波高値Ｖｉとインピーダンス変換器５の入力端（検出端）６の出力Ｖｏの大きさとの比は、以下の（１）式で表される。

図３はインピーダンス変換器を用いずに特性インピーダンスＺ₀を持つ伝送線路８を直接電気伝導素子３に接続した場合を示す。

また、図４は図３の静電容量ＣおよびインピーダンスＺ₀を直列接続した電気的等価回路を示す。そのため、電力線又は中性点引出線２を流れる交流電圧波高値Ｖｉと検出端１４の出力Ｖoの大きさとの比は、以下の（２）式で表される。

一般に伝送線路８として特性インピーダンス５０Ω又は７５Ωの同軸ケーブルを使用する場合が多い。

図５は、図１および図２に示した入力インピーダンスＺｉｎがＺｏｕｔに比べて大きなインピーダンス変換器を用い、Ｃ＝１ｐＦ、Ｚｉｎ＝５０ｋΩ、Ｚｏｕｔ＝５０Ωとした場合の周波数特性１７（２０＊Ｌｏｇ（Ｖｏ／Ｖｉｎ））および図３および図４に示したインピーダンス変換器を用いずＣ＝１ｐＦ、Ｚ₀＝５０Ωとした場合に得られる検出利得の周波数特性１６を示す。

ここで、静電容量とインピーダンスによりハイパスフィルタを形成する。

図５より明らかなように、図１の電気伝導素子３にインピーダンス変換器５を用いた検出方法は図３に示したインピーダンス変換器を用いない検出方法に比べて出力利得が大きくなることが分かる。

さらに、図６は図１において信号処理器１０からみた電気的等価回路を示し、伝送回路８の両端は特性インピーダンスＺ₀と同じ抵抗値（Ｚ₀）１８によって終端することにより、伝送回路８を伝搬する信号は両端７，９での反射を防ぐことができる。

図７は終端で反射を防ぐ効果を示した図であり、図７（ａ）は伝送線路８の両端７および９を特性インピーダンスＺ₀と同じ終端抵抗（Ｚ₀）１８で終端した場合の端子９から得られる電圧信号波形１９である。

また、図７（ｂ）は伝送線路８の両端の終端抵抗１８を取り去り開放にした場合に端子９から得られる波形２２であり、これは端子７から出発した波形がそのまま入射した波形２０と端子９で全反射し伝送線路８を伝搬、再び端子７で反射および伝送線路８を伝搬した時間Ｔ後に再び端子９に現れる電圧波形２１との和であり、伝送線路８の長さによっては伝搬時間Ｔが短く本来の波形２５と大きく異なる出力波形を発生させることになる。

すなわち、図１に示すインピーダンス変換器５の出力インピーダンスＺｏｕｔ、伝送線路８の特性インピーダンスＺ₀および信号処理器１０の入力インピーダンスを同一（Ｚｏｕｔ＝Ｚ₀）にすることによって、波形を正確に信号処理器１０まで伝送することができる。

図８（ａ）に図１の検出方法を用いて部分放電パルスを観測した例であり、図８（ａ）の２４は電力線を流れる部分放電信号２５を示し、２６は伝送線路端８に出力された信号であり、部分放電パルス波形２７を正確に検出できるのに対して、図８（ｂ）は図３の検出方法を用いて部分放電パルスを観測した例であり、図８（ｂ）の２８は電力線を流れる部分放電信号２９を示し、３０は伝送線路端での出力信号であり、パルスがほとんど現れないことが分かる。

上記実施形態では、回転電機の固定子巻線に接続された電力線又は中性点引出線２と静電結合を有する電気伝導素子を非接触にて設けたが、この電気伝導素子に代えて電力線又は中性点引出線２に接続されたコンデンサを設けるようにしても前述同様に部分放電を検出することができる。

このように上記第1の実施形態による回転電機の部分放電検出装置においては、回転電機の固定子巻線に接続された電力線又は中性点引出線２と静電結合を有する電力線又は中性点引出線２と非接触な電気伝導素子３、又は電力線又は中性点引出線２に接続されたコンデンサの他方の端子と、入力インピーダンスが出力インピーダンスより大きいインピーダンス変換器の入力端子とを電気的に接続し、インピーダンス変換器の出力端子あるいは出力端子にインピーダンスマッチングするように接続された伝送回路の出力端から部分放電パルス信号を検出することによって、検出感度および精度が高い部分放電の検出が可能となる。

図９は本発明の第２の実施形態を示す回転電機の部分放電検出装置の構成図である。

図９において、回転電機の固定子巻線１に接続された電力線又は中性点引出線２と異なるあるいは同一容量の静電結合を有し、電力線又は中性点引出線２に非接触な少なくとも２つの電気伝導素子３，３８と、少なくとも入力インピーダンスが出力インピーダンスより大きい２つのインピーダンス変換器５，３２でそれぞれ値の異なる入力インピーダンスを有する入力端子６，３３とをそれぞれ電気的に接続し、これらインピーダンス変換器５，３２の出力端子７，３４にインピーダンスマッチングするように接続された伝送線路８，３５の出力端９，３６から検出信号を信号処理器３７に入力して部分放電パルス信号を検出するものである。

ここで、信号処理器３７は、図１０に示すように低入力インピーダンス値をもつインピーダンス変換器５の出力端子７より出力されたパルス信号のピーク検出タイミングと同時に高入力インピーダンス値を有するインピーダンス変換器３２の出力端子３４より出力されたパルス信号を部分放電信号として判定する機能を有している。

図１１は部分放電検出時にノイズの要因として考えられるインバータノイズおよび回転電機における部分放電波形の発生周波数帯域を示す。一般にインバータノイズは数ＭＨｚまでの周波数を含むのに対して、部分放電は数ＭＨｚ以上の周波数を含んでいる。

図９のインピーダンス変換器５の入力インピーダンスＺｉｎと静電結合Ｃによって図５に示すように信号の高周波成分のみを通過させるハイパスフィルタを形成し、そのカットオフ周波数ｆｃは（３）式のように示される。

図１１に示すように、部分放電のみが存在する少なくとも１０ＭＨｚ以上の帯域にカットオフ周波数Ｉが存在するようにインピーダンス変換器５の入力インピーダンス値を選択することによって、図９のインピーダンス変換器５の出力端子７から部分放電パルスのみが出力される。

しかし、図１１に示すように部分放電は１パルスで幅広い周波数成分を持つ場合もあることから、インピーダンス変換器５に出力されたすべての波形が電力線を流れる正確な放電波形を再現することができない。そのため、図１１に示すようにノイズが存在する帯域までカットオフ周波数を低く設定することによって（カットオフ周波数II）、部分放電の正確な波形を検出できるようになる。

図１２に、図９の電力線に流れる部分放電信号３９と部分放電のみの発生帯域にカットオフ周波数Iが存在するようにインピーダンスを選定したインピーダンス変換器５の伝送線路８の出力端子９に現れる波形４１およびノイズも含む低周波数帯域にカットオフ周波数IIが存在するインピーダンス変換器３２の伝送線路の出力端子３６に現れる波形４３を示す。

図１２から明らかなように、インピーダンス変換器５の出力端子７では部分放電の高周波側成分のみを出力するのに対して、インピーダンス変換器３２の出力端子３４には部分放電波形４３が正確に出力されることが分かる。

しかしながら、図１１に示すように周波数の低い領域ではインバータノイズが混入する可能性が高いことから、ノイズの誤検出が発生する。

そこで、信号処理器３７では、図１０に示すように部分放電の周波数帯域のみを検出するカットオフ周波数をもつインピーダンス変換器５で検出された部分放電波形の発生をトリガとして、低カットオフ周波数をもつインピーダンス変換器３２で検出された波形を取り込むことによって、ノイズ除去を行い、かつ部分放電の波形を正確に取り込むことが可能になる。

上記実施形態では、回転電機の固定子巻線に接続された電力線又は中性点引出線２と静電結合を有する２つの電気伝導素子５，３２を非接触にて設けたが、これら電気伝導素子５，３２に代えて電力線又は中性点引出線２に接続されたコンデンサを設けるようにしても前述同様にノイズ除去を行い、かつ部分放電の波形を正確に取り込むことが可能になる。

このように本発明の第２の実施形態では、回転電機の固定子巻線に接続された電力線又は中性点引出線と異なるあるいは同一容量の静電結合を有し、電力線又は中性点引出線に非接触な少なくとも２つの電気伝導素子、又は電力線又は中性点引出線に接続した少なくとも２つのコンデンサの他方の端子と、入力インピーダンスが出力インピーダンスより大きい２つのインピーダンス変換器でそれぞれ異なる入力インピーダンス値を有する入力端子とを電気的に接続し、２つのインピーダンス変換器のうち低い入力インピーダンス値をもつインピーダンス変換器の出力端子でのパルス信号のピーク検出タイミングと同時に高い入力インピーダンス値をもつインピーダンス変換器の出力端子で発生したパルス信号を部分放電信号として判定するようにしたので、検出感度および精度の高い部分放電の検出が可能となる。

図１３は、本発明の第３の実施形態を示す回転電機の部分放電検出装置の構成図である。

図１３において、回転電機の固定子巻線１に接続された電力線又は中性点引出線２を中心にその外周に直方体あるいは円筒状の電気伝導フレーム５１を配置する。

この電気伝導フレーム５１は点検窓４２を有し、この点検窓４２に平面形状あるいは円弧状の絶縁板４４が固定され、この絶縁板４４の表面又は裏面に電力線又は中性点引出線２と静電的に結合し、且つ電力線又は中性点引出線２と非接触な電気伝導素子４５と、少なくとも入力インピーダンスが出力インピーダンスより大きなインピーダンス変換器４７を支持させ、さらにこのインピーダンス変換器４７を信号処理器５０に伝送線路４８を介して接続する。

このように電気伝導フレーム５１の点検窓４２に固定された絶縁板４４の表面あるいは裏面に電力線又は中性点引出線２と静電結合を有する電気伝導素子４５に検出周波数帯域の選定に応じてインピーダンス変換器４７を接続し、図２および図４に示すように電気的等価回路で示されるハイパスフィルタを形成することによって部分放電パルスを検出することができる。

図１４は、部分放電検出装置の取付けにかかる手順および時間を示したものであり、従来型センサの一つであるカップリングコンデンサは部分放電検出センサをフレーム内部に設置する場合が多く、運転中の回転電機に取付けるためには、回転電機の運転停止、取付け周辺フレームの取外し、センサ・回路の取付け、取付け周辺フレームの取付け等の手順を経なければならなかった。

しかし、図１３に示す構成では、電気伝導素子４５およびインピーダンス変換器が支持された絶縁板４４を点検窓の開口部に嵌め込まれているので、回転電機の停止、点検窓からの絶縁板４４の取外し、点検窓の開口部への取付けの手順で作業が終了することから、従来の方法に比べて手順の簡略化および取付時間の短縮を図ることができる。

このように本発明の第３の実施形態では、回転電機の固定子巻線の外周に点検窓を有する直方体あるいは円筒状の電気伝導フレーム５１を配設し、この電気伝導フレーム５１の点検窓の開口部に電力線又は中性点引出線２と非接触な電気伝導素子４５と、この電気伝導素子４５に接続した入力インピーダンスが出力インピーダンスより大きなインピーダンス変換器４７とを固定した絶縁板４４を着脱可能に支持するようにしたので、部分放電検出部を簡単且つ容易に短時間で取付けることができる。

第３の実施形態では、図１３に示すように電力線又は中性点引出線２の周囲に電気伝導フレーム５１を配設したが、発電機などの電力線又は中性点引出線２および接地されたフレーム構造を持つ場合においては、電力線ないしは中性点引出線２を覆うフレーム内に検出用電気伝導性素子４５を設けることは絶縁性能の低下を招く恐れがあることから、フレームの点検窓４２上に電気伝導素子４３を設置する方法が考えられる。

この場合、電気伝導素子４５と電力線又は中性点引出線２の距離は機器にもよるが寸法上数１０ｃｍ程度あり、点検窓４２の大きさは数１０ｃｍ×数１０ｃｍであることから、静電容量Ｃは（誘電率８．８５ｐＦ／ｍ×電気伝導素子の電力線に配向する面の見積もり面積０．１×０．１ｍ²／電気伝導素子と電力線の距離０．１ｍ）よりおよそ１ｐＦ程度となる。

この静電結合を持つ電気伝導素子４５と接続したインピーダンス変換器４７の入力インピーダンスＺｉｎを５００００Ω以上とすれば、（３）式よりカットオフ周波数が３ＭＨｚ程度となることから、図１１に示すようにインバータノイズの減少する数ＭＨｚの周波数帯域以上の検出帯域をもち、ノイズの影響が少ない高精度な部分放電検出が可能となる。

なお、図１３に示す部分放電検出方法においては、点検窓４２のサイズが大きい場合や電気伝導性素子４５と電力線２の距離が短くなる場合もあるため、静電結合は１０ｐＦまでと想定すれば、カットオフ周波数が３ＭＨｚ程度とするためにはインピーダンス変換器４７の入力インピーダンスは５０００Ω以上とすればよい。

また、伝送線路４８の特性インピーダンスは５０Ω又は７５Ωの同軸ケーブルを使用する場合が多いことから、その場合インピーダンス整合をとるためインピーダンス変換器４７の出力インピーダンスは５０Ω又は７５Ωとすればよい。

このように回転電機の固定子巻線に接続された電力線又は中性点引出線２と１０ｐＦ以下の静電結合を有する電力線又は中性点引出線に非接触な電気伝導素子と、インピーダンス変換器で入力インピーダンスが５０００Ω以上の入力端子とを電気的に接続し、インピーダンス変換器の出力インピーダンスが５０Ω又は７５Ωの出力端子あるいは出力端子にインピーダンスマッチングするように接続された特性インピーダンスが５０Ω又は７５Ωの伝送回路の出力端から部分放電パルス信号を検出することによって、検出感度および精度の高い部分放電の検出が可能となる。

上記実施形態においても、電気伝導素子４５に代えてコンデンサを設けるようにしても前述同様にノイズ除去を行い、かつ部分放電の波形を正確に取り込むことが可能になる。

図１５は本発明の第４の実施形態を示す回転電機の部分放電検出装置の構成図である。

図１５に示すように発電機などの電力線又は中性点引出線２および接地された電気伝導性のフレーム５１を持つ場合においては、電力線又は中性点引出線２を覆うフレーム５１内に複数の検出用電気伝導素子５２，５３を設けることは絶縁性能の低下を招く恐れがあることから、フレームの点検窓４２上に複数の電気伝導素子５２，５３を設置する方法が考えられる。

この場合、電気伝導素子５２，５３と電力線又は中性点引出線２との距離は機器にもよるが数１０ｃｍ程度で点検窓４２の大きさは数１０ｃｍ×数１０ｃｍ程度となり、静電容量Ｃは（誘電率８．８５ｐＦ／ｍ×電気伝導素子の電力線に配向する面の見積もり面積０．１×０．１ｍ²／電気伝導素子と電力線の距離０．１ｍ）よりおよそ１ｐＦ程度となる。

電気伝導素子５２と接続したインピーダンス変換器５４の入力インピーダンスＺｉｎを５００００Ω以上とすれば、（３）式よりカットオフ周波数が３ＭＨｚ程度となることから、図１１に示すようにインバータノイズの減少する数ＭＨｚの周波数帯域以上の検出帯域を持つノイズの影響が少ない部分放電検出が可能となる。

しかし、部分放電の１パルスはノイズが発生する数ＭＨｚ以下の周波数成分を持つ場合があることから、電力線２を流れる部分放電パルスを変換器で完全には再現することできない場合がある。

そのため、図１１に示すようにカットオフ周波数をノイズが存在する帯域まで低く設定することによって（カットオフ周波数II）、部分放電の正確な波形を検出できるようになる。もう一つの電気伝導素子５３と接続したインピーダンス変換器５５の入力インピーダンスＺｉｎを５０００００Ωとすれば、カットオフ周波数が３０ｋＨｚとなり、インピーダンス変換器５５において部分放電波形全体を正確に出力することができる。

なお、図１３の方法においては、点検窓４２のサイズが大きい場合や電気伝導性素子５２，５３と電力線２の距離が短くなる場合もあるため、静電結合は１０ｐＦまでと想定すれば、カットオフ周波数が３ＭＨｚ程度とするためにはインピーダンス変換器５４の入力インピーダンスは５０００Ω以上、インピーダンス変換器５５の入力インピーダンスは５００００Ω以上とすればよい。

また、伝送線路６７，６８は特性インピーダンス５０Ω又は７５Ωの同軸ケーブルを使用する場合が多いことから、その場合インピーダンス整合をとるためインピーダンス変換器５４，５５の出力インピーダンスは５０Ω又は７５Ωとすればよい。

このように本発明の第４の実施形態では、回転電機の固定子巻線に接続された電力線又は中性点引出線と１０ｐＦ以下の静電結合を有し電力線又は中性点引出線に非接触な２つの電気伝導素子５２，５３と入力インピーダンス値が５０００Ω以上で出力インピーダンス値が５０Ω又は７５Ωであるインピーダンス変換器５４および入力インピーダンス値がインピーダンス変換器５４より高く５００００Ω以上でおよび出力インピーダンス値が５０Ω又は７５Ωであるインピーダンス変換器５５からなり、電気伝導素子５２とインピーダンス変換器５４の入力端子およびもう一方の電気伝導素子５３とインピーダンス変換器５５を電気的に接続し、インピーダンス変換器５４の出力端子でのパルス信号のピーク検出タイミングと同時にインピーダンス変換器５５の出力端子で発生したパルス信号を部分放電信号として判定することによって、検出感度および精度の高い部分放電の検出が可能となる。

上記実施形態においても、電気伝導素子５２，５３に代えて２つのコンデンサを設けるようにしても前述同様にノイズ除去を行い、かつ部分放電の波形を正確に取り込むことが可能になる。

図１６は本発明の第５の実施形態を示す回転電機の部分放電検出装置の構成図である。

図１６において、回転電機の固定子巻線１に接続された電力線又は中性点引出線２と静電結合を有する電気伝導素子３を配設すると共に、この電気伝導素子３に図１と同様にインピーダンス変換器５の入力端子６を電気的にリード線４で接続し、このインピーダンス変換器５の出力端子７にインピーダンスマッチングするように接続された伝送線路８の出力端９から部分放電パルス信号を信号処理器６０に入力する。

また、電力線又は中性点引出線２と磁気結合を有するコイル５７を配設し、このコイル５７に抵抗体などの電流検出器５８を接続すると共に、この電流検出器５８の出力端を信号処理器６０の入力端子５９に伝送経路を介して接続する。

上記信号処理器６０は、図１７に示すように電気伝導素子３と接続したインピーダンス変換器５のパルス信号ピーク（１）の極性とコイル５７に誘起される出力パルス信号ピーク（２）の極性の積が正または負であることにより回転電機側から伝搬する信号と回転電機と反対側から伝搬する信号とを弁別する機能を有している。

図１８（ａ）は図１６に示す電力線２に回転電機の固定子巻線側から外部へ流れる部分放電信号のパルス電圧波形６１、インピーダンス変換器５の出力パルス電圧波形（Ｐ１）６２およびコイル５７の電流検出器５８に誘起されるパルス電圧波形（Ｐ２）６３を示す。

この場合、コイル５７に誘起される波形６３は電力線２の波形６１を微分した波形になるため、そのパルスピークの極性は第１波の極性とし、コイル５７の向きは回転電機から正のパルス信号が外部に向かって流れたときにパルスピークの極性が正になるように配置する。

図１８（ｂ）は図１６に示す電力線２に回転電機の外部から固定子巻線に向かって流れる部分放電信号のパルス電圧波形６４、インピーダンス変換器５の出力パルス電圧波形（Ｐ１）６５およびコイル５７の電流検出器５８に誘起されるパルス電圧波形（Ｐ２）６６を示す。

図１８に示すように、部分放電信号が流れる向きによってコイルに誘起される電圧の極性が反転する。

また、負のパルス信号が電力線を流れる場合には、コイルに誘起される信号の極性は正のパルス信号が電力線を流れる場合と逆極性になる。すなわち、図１７および図１８に示すように、インピーダンス変換器５の出力パルス電圧波形（Ｐ１）６２または６５の極性とコイル５７の電流検出器５８に誘起されるパルス電圧波形（Ｐ２）６３あるいは６６の極性の積が正になれば、電力線を流れる部分放電信号は回転電機から外部へ向かって流れたと推定できる。発電機外部から内部へ流れる信号はノイズであると判定できるので、図１７の方法によって外部ノイズを除去した検出が可能になる。

このように本発明の第５の実施形態では、固定子巻線１に接続された電力線又は中性点引出線２と静電結合を有する電気伝導素子と電力線又は中性点引出線と磁気結合を有するコイルを少なくとも各１つ以上配設し、電気伝導素子と接続したインピーダンス変換器の出力信号ピークの極性とコイルに誘起される出力信号ピークの極性の積が正または負であることにより回転電機側から伝搬する信号と回転電機の外部から伝搬する信号とを弁別するようにしたので、検出精度の高い部分放電の検出が可能となる。

なお、上記実施形態において、電気伝導素子５に代えてコンデンサを設けるようにしてもよい。また、インピーダンス変換器５に代えて抵抗体を設けてもよい。

本発明の第１の実施形態を示す回転電機の部分放電検出装置の構成図。 同実施形態の部分放電検出装置を電力線又は中性点引出線からみた電気的等価回路図。 インピーダンス変換器を用いずに特性インピーダンスを持つ伝送線路を直接電気伝導素子に接続した部分放電検出装置の構成図。 図３の静電容量およびインピーダンスを直列接続した電気的等価回路図。 同実施形態と図３の構成とを比較して示す検出利得の周波数特性図。 同実施形態において、信号処理器からみた電気的等価回路。 同実施形態において、終端で反射を防ぐ効果を説明するための電圧波系図。 同実施形態の検出方法を用いて部分放電パルスを観測した例を示す波形図。 本発明の第２の実施形態を示す回転電機の部分放電検出装置の構成図。 同実施形態における２つのインピーダンス変換器での検知機能を示す図。 部分放電検出時にノイズの要因として考えられるインバータノイズおよび回転電機における部分放電波形の発生周波数帯域を示す図。 同実施形態において、電力線、２つのインピーダンス変換器の伝送経路の出力端に現れる信号波系図。 本発明の第３の実施形態を示す回転電機の部分放電検出装置の構成図。 同実施形態において、部分放電検出装置の取付けにかかる手順および時間を示す図。 本発明の第４の実施形態を示す回転電機の部分放電検出装置の構成図。 本発明の第５の実施形態を示す回転電機の部分放電検出装置の構成図。 同実施形態において、信号処理器に持たせたパルスの伝播方向を弁別するための機能説明図。 同実施形態において、回転電機の固定子巻線側から外部および回転電機の外部から固定子巻線に向かって流れる部分放電信号に対する各部の電圧波形図。

符号の説明

１…回転電機の固定子巻線、２…電力線又は中性点引出線、３，３８，４５，５２，５３…電気伝導素子、４，４０，４６…リード線、５，３２，４７，５４，５５…インピーダンス変換器、６，３３…入力端子、７，３４…出力端子、８，３５，４８…伝送線路、９，３６，４９，５９…入力端子、１０，３７，５０，５６，６０…信号処理器、１１…接地点、１２…静電容量、１３…インピーダンス、４２…点検窓、４４…絶縁板、５１…電気伝導性フレーム、５７…検出コイル、５８…電流検出器

Claims (13)

1. 回転電機の固定子巻線に接続された電力線又は中性点引出線と静電結合を有し、且つ前記電力線又は中性点引出線と非接触な電気伝導素子と、この電気伝導素子の他方の端子に入力端子が電気的に接続され入力インピーダンスが出力インピーダンスより大きいインピーダンス変換器と、このインピーダンス変換器の出力端子から得られる検出信号を処理して部分放電パルス信号を検出する信号処理手段とを備えたことを特徴とする回転電機の部分放電検出装置。
2. 回転電機の固定子巻線に接続された電力線又は中性点引出線に接続されたコンデンサと、このコンデンサの他方の端子に入力端子が接続され、入力インピーダンスが出力インピーダンスより大きいインピーダンス変換器と、このインピーダンス変換器の出力端子から得られる検出信号を処理して部分放電パルス信号を検出する信号処理手段とを備えたことを特徴とする回転電機の部分放電検出装置。
3. 請求項１又は請求項２記載の回転電機の部分放電検出装置において、前記インピーダンス変換器の出力端子にインピーダンスマッチングするように伝送回路を接続し、この伝送回路の出力端から得られる検出信号を信号処理手段に入力するようにしたことを特徴とする回転電機の部分放電検出装置。
4. 回転電機の固定子巻線に接続された電力線又は中性点引出線と静電結合を有し、電力線又は中性点引出線に非接触で且つ容量が同一又は異なる少なくとも２つの電気伝導素子と、これら各電気伝導素子の他方の端子にそれぞれ対応する入力端子が電気的に接続され、入力インピーダンスが出力インピーダンスより大きく且つそれぞれ異なる入力インピーダンス値を有する少なくとも２つのインピーダンス変換器と、これら各インピーダンス変換器より得られる検出信号が入力され、これらインピーダンス変換器のうち低い入力インピーダンス値をもつインピーダンス変換器より得られるパルス検出信号のピーク検出タイミングと同時に高い入力インピーダンス値をもつインピーダンス変換器より得られるパルス信号を部分放電信号として判定する信号処理手段とを備えたことを特徴とする回転電機の部分放電検出装置。
5. 回転電機の固定子巻線に接続された電力線又は中性点引出線に接続された容量が同一又は異なる少なくとも２つのコンデンサと、これら各コンデンサの他方の端子にそれぞれ対応する入力端子が電気的に接続され、入力インピーダンスが出力インピーダンスより大きく且つそれぞれ異なる入力インピーダンス値を有する少なくとも２つのインピーダンス変換器と、これら各インピーダンス変換器より得られる検出信号が入力され、これらインピーダンス変換器のうち低い入力インピーダンス値をもつインピーダンス変換器より得られるパルス検出信号のピーク検出タイミングと同時に高い入力インピーダンス値をもつインピーダンス変換器より得られるパルス信号を部分放電信号として判定する信号処理手段とを備えたことを特徴とする回転電機の部分放電検出装置。
6. 請求項１又は請求項４記載の回転電機の部分放電検出装置において、前記電気伝導素子および前記インピーダンス変換器は、前記電力線又は中性点引出線を中心にその外周に配設された中空状の電機伝導性フレームに有する点検窓に着脱可能に取付けられた絶縁板に支持されることを特徴とする回転電機の部分放電検出装置。
7. 請求項２又は請求項５記載の回転電機の部分放電検出装置において、前記コンデンサおよび前記インピーダンス変換器は、前記電力線又は中性点引出線を中心にその外周に配設された中空状の電機伝導性フレームに有する点検窓に着脱可能に取付けられた絶縁板に支持されることを特徴とする回転電機の部分放電検出装置。
8. 請求項１又は請求項４記載の回転電機の部分放電検出装置において、前記電気伝導素子に対応させて前記電力線又は中性点引出線と磁気結合を有するコイルを設け、前記信号処理手段は前記インピーダンス変換器の出力信号ピークの極性と前記コイルに誘起される出力信号ピークの極性の積が正又は負のいずれであるかにより回転電機側から伝播する信号と回転電機の外部から伝播する信号とを弁別して部分放電信号を検出することを特徴とする回転電機の部分放電検出装置。
9. 請求項２又は請求項５記載の回転電機の部分放電検出装置において、前記コンデンに対応させて前記電力線又は中性点引出線と磁気結合を有するコイルを設け、前記信号処理手段は前記インピーダンス変換器の出力信号ピークの極性と前記コイルに誘起される出力信号ピークの極性の積が正又は負のいずれであるかにより回転電機側から伝播する信号と回転電機の外部から伝播する信号とを弁別して部分放電信号を検出することを特徴とする回転電機の部分放電検出装置。
10. 請求項１乃至請求項９の何れかに記載の部分放電検出装置を備えた回転電機。
11. 回転電機の固定子巻線に接続された電力線又は中性点引出線と１０ｐＦ以下の静電結合を有する電力線又は中性点引出線に非接触な電気伝導素子の出力端子と、入力インピーダンスが５００Ω以上で出力インピーダンスが５０Ω乃至７５Ωのインピーダンス変換器の入力端子とを電気的に接続し、このインピーダンス変換器の出力端子にインピーダンスマッチングするように接続された特性インピーダンスが５０Ω乃至７５Ωの伝送回路の出力端から得られる検出信号を処理して部分放電パルス信号を検出する回転電機の部分放電検出方法。
12. 回転電機の固定子巻線に接続された電力線又は中性点引出線と１０ｐＦ以下の静電結合を有し電力線又は中性点引出線に非接触な２つの電気伝導素子と、入力インピーダンス値が５００Ω以上で出力インピーダンス値が５０Ω乃至７５Ωの第１のインピーダンス変換器および入力インピーダンス値が前記第１のインピーダンス変換器より高く５００００Ω以上で出力インピーダンス値が５０Ω乃至７５Ωの第２のインピーダンス変換器とを備え、一方の前記電気伝導素子と前記第１のインピーダンス変換器の入力端子および他方の前記電気伝導素子と前記第２のインピーダンス変換器の入力端子とを電気的に接続し、前記第１のインピーダンス変換器より出力されるパルス信号のピーク検出タイミングと同時に前記第２のインピーダンス変換器より出力されるパルス信号を部分放電信号として判定することを特徴とする回転電機の部分放電検出方法。
13. 回転電機に接続された電力線又は中性点引出線と静電結合を有する電気伝導素子又はコンデンサと前記電力線又は中性点引出線と磁気結合を有するコイルとを各１つ以上配置し、前記電気伝導素子又は前記コンデンサと接続した抵抗体又はインピーダンス変換器の出力信号ピークの極性と前記コイルに誘起される出力信号ピークの極性の積が正または負のいずれであるかにより回転電機側から伝搬する信号と回転電機の外部から伝搬する信号とを弁別して部分放電信号を検出することを特徴とする回転電機の部分放電検出方法。

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