JP2009294129A - インパルス試験用放電計測装置及び放電判別方法 - Google Patents

Abstract

【課題】油絶縁の電力機器内部において発生した油中進展放電の発生を確実に判別することができる放電計測装置を得ることを目的とする。
【解決手段】この発明に係るインパルス試験用放電計測装置は、インパルス試験時に発生した放電信号を検出する放電検出センサ２と、電力機器１にインパルス試験電圧が印加された後の所定期間内に放電検出センサ２で検出されたパルスにより油中進展放電が発生したことを判定する信号判定部５とを備えたものである。この信号判定部５は、パルス列の信号レベル、持続時間、発生頻度が各々所定値以上であり、且つ、パルス発生回数の合計値が所定値以上であるか、又は、パルス列の持続時間の合計が所定値以上である場合に、油中進展放電が発生したと判定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、インパルス試験時において、電力機器内部の絶縁媒体または絶縁物沿面を進展する放電の有無を判別する放電計測装置、及びその放電判別方法に関するものである。

従来の回転電機機器の絶縁不良検査装置においては、インパルス電圧印加試験を行ったときに発生する部分放電を下記の方法によって検出し、不良判定を行っていた。
すなわち、まず被検査品が絶縁不良により部分放電した場合に発生する放電電磁波を電磁波センサによって検出し、同時に、この被検査品から接地線を通じて流れる放電電流を電流センサによって検出する。次にここで測定された放電電磁波信号と放電電流信号をフーリエ変換によりスペクトル解析を行う。
このとき同時に、部分放電が発生していない時と比較して、発生した時のスペクトルが特徴的に増加する帯域を、放電電磁波信号と放電電流信号に対して計測し、これを各々ＦＢ１とＦＢ２とする。
最後に、放電電磁波信号と放電電流信号を各々ＦＢ１とＦＢ２において積分することにより、電磁波スペクトル強度と電流スペクトル強度を求め、これらの双方が所定規格値以上である場合には、部分放電の発生があったものとして不良判定を行う（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２７４４４０号公報（第６−８頁、第１−６図）

従来の方法を試験電圧が数１０ｋＶレベルの油絶縁機器に適用した場合、半導体素子を使用したインパルス試験機では、このインパルス試験機から測定器に直接放射される気中放電信号は全く発生せず、気中ギャップを使用したインパルス試験機でも、この気中放電信号のレベルはそれほど大きくなかった。また、気中放電信号は電機機器の絶縁性能上問題となる油中進展放電信号と異なる周波数にピークを持つ信号強度分布となっていたため、周波数領域において油中進展放電信号を気中放電信号から区別することが可能であった。
ところが、電力用変圧器等の高電圧で使用する油絶縁電力機器に対しては、波高値が数１００ｋＶから数１０００ｋＶのインパルス電圧を印加して試験を行う必要があり、インパルス試験機より放射される気中放電信号のレベルも極めて大きいものとなる。
この場合には、気中放電信号のスペクトルのピークから外れた裾野付近の強度も大きくなり、この領域に存在する油中進展放電信号のスペクトルのピーク値が前記裾野に埋もれてしまうため、周波数領域において油中進展放電信号を気中放電信号から判別できないという問題があった。

本発明は、上記に示したような問題点を解決するためになされたもので、油絶縁の電力機器内部において発生した油中進展放電の発生を確実に判別することができる放電計測装置を得ることを目的とする。

この発明に係るインパルス試験用放電計測装置は、インパルス試験時に発生した放電信号を検出する放電検出センサと、電力機器にインパルス試験電圧が印加された後の所定期間内に放電検出センサで検出されたパルスにより油中進展放電が発生したことを判定する信号判定部とを備えたものである。
この信号判定部は、パルス列の信号レベル、持続時間、発生頻度が各々所定値以上であり、且つ、パルス発生回数の合計値が所定値以上であるか、又は、パルス列の持続時間の合計が所定値以上である場合に、油中進展放電が発生したと判定する。

この発明によれば、インパルス試験用放電計測装置に前記判定部を備えたことにより、電力機器内部において発生した油中進展放電を、インパルス試験機から放射される気中放電から確実に判別することができるという効果がある。

実施の形態１．
本実施の形態における油入電力機器のインパルス放電計測装置を図１に示す。内部が絶縁油で満たされている電力機器１のタンクフランジ面に、放電電磁波を検出するための電磁波センサ２を設置する。電磁波センサ２で検出された信号を、ハイパスフィルタ３を介し、ログアンプ４に入力する。ここでログアンプ４を使用するのは、放電信号のパルス波高値のダイナミックレンジが広いため、これに対応できる仕様を有するログアンプ４を用意して放電信号の検出漏れを防ぐためである。
ログアンプ４で対数変換された出力信号を、信号判定部５に入力する。また、前記信号判定部５には、インパルス電源６の出力電圧を計測する分圧器等で構成される電圧測定部７からの信号も入力する。信号判定部５では、ログアンプ４からの出力信号である放電電磁波信号と、電圧測定部７からの出力信号であるインパルス信号の波形の特徴に基づき、電力機器内部で発生した放電信号の有無、及び態様を判別し、表示装置８で判定結果を表示する。

インパルス試験時に絶縁油中で観測される放電態様には、図２に模式的に示すように大きく分けて２種類ある。一つが図２（ａ）のように、電界集中部にのみ局所的に放電が発生する態様（局所放電）、もう一つが図２（ｂ）のように、電界集中部で発生した放電が、雷のように油中または絶縁バリア１０の沿面中を進展した放電態様（進展放電）である。インパルス試験時に絶縁破壊の危険のある機器内部での放電は、図２（ｂ）のような進展放電であり、局所放電はインパルス試験のような単発試験では問題にならない。
放電計測装置の電磁波センサ２には、上記油中進展放電信号、油中局所放電信号、及びインパルス電源６の空気ギャップ９で発生する気中放電信号が入力されることになるが、当該電力機器１の絶縁性能検証という本放電計測装置の目的を達するためには、信号判定部５において油中進展放電信号をそれ以外の信号から判別できればよいこととなる。

次に、絶縁油中における要素モデル試験結果に基づき、電力機器内部で発生した油中進展放電信号を、油中局所放電信号、及び気中放電信号、並びにその他の外来ノイズから判別する方法について説明する。
絶縁油中に棒−平板電極系の要素モデルをセットし、この両電極間に高電圧電源６から出力されるインパルス電圧を印加し、図１に示される放電計測装置を用いて、電圧測定部７、及びログアンプ４の出力を計測した測定例を図３に示す。また、図３には示さないが、本試験では写真による放電発光の態様撮影、および光センサによる放電発光信号の時間計測も同時に行っており、写真および光センサの計測により、油中放電の発生有無、並びに、進展放電と局所放電の判別を行うことができる。

図３（ａ）は電圧測定部７からの出力であるインパルス電圧波形を、図３（ｂ）〜（ｅ）はログアンプ４からの出力を各々示しており、ログアンプ４からの出力信号と電圧波形とのタイミングがわかるように、横軸（時間軸）は（ａ）〜（ｅ）でそろえてプロットしている。
図３（ｂ）（ｃ）は、写真や光センサで放電の発生が観測されていない場合の例であり、図３（ｂ）では、ログアンプ４からの出力にはインパルス電圧印加直後のノイズを除いて信号が検出されていないが、図３（ｃ）では、インパルス電圧印加直後のノイズ以外にもインパルス立下りの期間において気中放電信号が単発的に検出されている。
また、図３（ｄ）（ｅ）は、写真や光センサで油中放電が観測された場合の例であり、図３（ｄ）では、インパルス電圧印加直後以外にもインパルス立下りの期間で単発的に発生する気中放電信号および油中放電信号が検出されているのみであるが、図３（ｅ）では、継続した期間で多頻度に信号が検出されたものが含まれている点において、図３（ｄ）と異なっている。

従って、図３（ｄ）（ｅ）に示される油中放電が発生したときの信号のパターンは、次の２種類に分類することができる。第一のパターンは、図３（ｄ）のように信号パルスが単発的に検出されるパターンである。第二のパターンは、図３（ｅ）のように、概ね５μs以上にわたり多頻度で信号パルスが検出され、このような多頻度で信号パルスが検出される期間が間欠的に発生する場合である。第一のパターンのような単発的なパルス信号が検出されたときの放電の態様は、写真撮影や光センサによる観測の結果局所放電であり、進展放電は皆無であった。一方、第二のパターンのような一定時間以上継続する多頻度のパルス信号が間欠的に検出されたときには、放電の様態は局所放電と進展放電の両者の場合があった。

一方、図３（ｂ）（ｃ）に示される油中放電が発生しないときの信号のパターンについても、次の２つに分類することができる。第一のパターンは、図３（ｂ）〜（ｅ）に共通して検出されており、インパルス電圧の立上り直後５〜１０μｓに渡って信号が発生しているパターンである。この信号は、インパルス電圧を発生させるときに生じる空気ギャップ９での気中放電信号であり、インパルス電源６の電圧発生原理上、数１００ｋＶ以上のインパルス試験時には必ず発生する。第二のパターンは、図３（ｃ）のように、インパルスの立下り時に信号パルスが単発的に検出されるパターンである。
図３に示す実験結果から得られた知見をまとめると、表１のように整理することができる。

以上から、単発的に発生するパルスについては気中放電によるもの、あるいは油中局所放電であるとして除外してよく、図３（ｅ）に示される油中進展放電をとらえるためには、一定時間以上継続する多頻度なパルスが含まれるパルス列のみを対象とすればよい。このようなパルス列が含まれる放電波形をさらに詳細に分析を行った結果、下記の条件を備えることが必要であることがわかった。
（１）このパルス列に含まれるパルスの信号レベル（Ｌｐ）はノイズレベル（Ｌ１）以上であること。
（２）一群のパルス列は、所定値（Ｔ１）以上の持続時間（Ｔｐ）を有すること。上記実験結果からはこの所定値Ｔ１を５μｓとすれば判別できることがわかった。
（３）一群のパルス列内におけるパルスの発生頻度（Ｆｐ）は所定値（Ｆ１）以上であること。上記実験結果からこの所定値Ｆ１を４００ｋＨｚとすれば判別できることがわかった。
尚、上記３つの特徴を備えたパルス列であっても、尚局所放電のものも含まれるために、さらに以下に述べるように、条件の絞込みを行う必要がある。

インパルス印加後の所定期間内に発生した前記３条件を備えた複数のパルス列を対象として、これらのパルス列に含まれるパルスが発生した回数の合計（ｓｕｍ（Ｃｐ））を横軸に、これらのパルス列の持続時間の合計（ｓｕｍ（Ｔｐ））を縦軸に取って、各放電結果についてプロットし、写真撮影、又は光センサによる計測結果に基づいて、油中進展放電と気中放電又は油中局所放電とを判別した結果を図４に示す。ここで、インパルス印加後の所定期間とは、インパルスの減衰するまでに期間をいうが、本実施の形態ではＪＥＣ（社団法人電気学会電気企画調査会企画）０３０１「静止誘導器インパルス耐電圧試験」の規定から、電圧がほぼ零になる時間であるといえる４００μｓとしている。
この結果から、油中進展放電と油中局所放電及び気中放電とは、明らかに分布が異なる。従って、上記（１）〜（３）の条件に加えて、下記（４）又は（５）の条件の少なくとも一方を満たすものが、油中進展放電として確実に判別できることがわかる。
（４）インパルス印加後の所定期間内で、パルス発生回数の合計（ｓｕｍ（Ｃｐ））が所定値（Ｃ２）以上であること。図４における分析結果では、この所定値Ｃ２は２０回である。
（５）インパルス印加後の所定期間内で、パルス列の持続時間の合計（ｓｕｍ（Ｔｐ））が所定値（Ｔ２）以上であること。図４における分析結果では、この所定値Ｔ２は２０μｓである。

上記の放電判別方法は、下記のような考え方により説明できる。油中進展放電は、印加電圧があるしきい値を越えた状況下において、確率的に発生するものと考えられる。ここでインパルスの印加電圧を上げると、インパルスの減衰期間（本実施の形態では４００μｓ）中において前記のしきい値を超えて電圧が印加される時間が長くなる。従って、インパルスの減衰期間中でのパルス発生回数が増えるし、このパルス列の持続時間の合計も長くなることとなる。すなわち、機器の耐電圧性能は、インパルス試験におけるパルス発生回数やパルス列の持続時間と密接な関連があるということである。
上記のような基本的な考え方を用いれば、種々の絶縁油を用いた電力機器、形状の異なる電力機器に対して、Ｌ１、Ｔ１、Ｆ１、Ｃ２、Ｔ２の各しきい値を実験的に求めることにより、油中進展放電の判別を行うことが可能となる。

これまで説明してきた要素試験結果により得られた油中進展放電の判別基準に基づいて、図５に示す判定フローに従って、放電波形の判別を行うことができる。
ステップ１では、まず一つのパルス列内におけるパルスが上記に述べた（１）〜（３）に述べた必要条件を満たしているかどうかを確認する。尚、インパルス電圧立上り時には、インパルス電源６の空気ギャップ９の閃落により発生した放電信号のレベルは極めて大きく、いかに周波数フィルタリングしてもこの信号のレベルを低減することは困難であり、油中進展放電信号の計測はできない。したがって、インパルス立上り直後の所定期間（典型的には、５〜１０μｓ）は、ログアンプ４からの信号をマスクして波形監視対象外とする。このマスク期間以外の期間で上記（１）〜（３）の全てを満たすパルス列が検出された場合ステップ２に進み、それ以外の場合には油中進展放電はないと判断する。
ステップ２では、ステップ１で選別されたパルス列が油中進展放電信号と油中局所放電信号の両方を含む可能性があるため、更に上記（４）、あるいは（５）の条件により絞り込んで、油中進展放電のみを抽出する。図４のグラフからわかるとおり、判別は条件（４）、（５）のどちらか一方によっても構わないし、両方の条件を利用してもよい。

以上において、基本的な放電波形の判別基準とそのフローを説明してきたが、以下においては、外来ノイズ低減やセンサ感度向上等、更に判別精度を高めるための諸施策について説明する。
図６は電磁波センサ２の取り付け箇所および取り付け方法を説明するための図である。電磁波センサ２は、一般的には図６（ａ）のように、電力機器のタンク１１のフランジ部に設けられた、アクリル等の絶縁物からなるフタ板１２の外部表面部に取り付けてある。ここで図６（ａ）においては電磁波センサ２が外部とシールドされていないので、耐ノイズ性能の向上のために、図６（ｂ）のように、電磁波センサ２を金属ケース１３等でシールドするほうが好ましい。この場合、十分なシールド効果を得るために、金属ケース１３は、電力機器のタンク１１と電気的に導通するほうがよい。また、図６（ｃ）のように、電磁波センサ２を、タンクと絶縁を保つように例えば絶縁板１４を設けてタンク内に設置し、金属のフタ板１５を取り付けてもよい。なお、図６（ｃ）のような構造にする場合には、電力機器１の内部に電磁波センサ２を設置するので、電磁波センサ２が高電圧部位と近接して配置されることにより放電を引き起こすことがないように、留意しなければならない。

電磁波センサ２の出力とログアンプ４の入力との間に挿入されたハイパスフィルタ３は、電磁波センサ２とログアンプ４を接続する計測線で拾った外来ノイズであって、特に電磁波センサ２の帯域以外の低周波のものを除外するために設けている。このハイパスフィルタ３のカットオフ周波数は、電磁波センサ２の低周波側のカットオフ周波数以上にすることが望ましい。また、電磁波センサ２は、仕様検出帯域以外の範囲でもある程度の検出感度をもっているので、この帯域のノイズについてもハイパスフィルタ３により除外することもできる。なお、十分なフィルタ効果を得るためには、ハイパスフィルタ３はログアンプ４の入力端子の直前に接続されることが望ましい。

図７に、気中放電信号と油中放電信号をフーリエ変換した周波数スペクトラムを示すが、油中放電信号の方が気中放電信号よりも高周波帯域においてより高強度の信号成分を含んでいることがわかる。従って、このような高周波帯域に特に感度を有する電磁波センサ２を用いることにより、広帯域のものを使用する場合と比較して、気中放電信号と比べて油中放電信号に対して感度を上げることができ、油中放電信号判別の精度を向上させることが可能となる。油中放電信号は、気中放電信号に比べて、概ね２００ＭＨｚ以上、特に７００ＭＨｚ以上の帯域において高強度となるので、電磁波センサ２の検出帯域としても、概ね２００ＭＨｚ以上、より望ましくは７００ＭＨｚ以上を選定するのがよい。

上述の方法では、電磁波センサ２自体の検出帯域が油中放電信号の強い帯域に適合したものを選定することにより検出する周波数帯域を制限したが、電磁波センサ２としては広帯域のセンサを使用し、電磁波センサ２とログアンプ４の間に挿入されたハイパスフィルタ３により、周波数帯域を制限することも可能である。この場合には、ハイパスフィルタ３のカットオフ周波数は同様に、概ね２００ＭＨｚ以上、より望ましくは７００ＭＨｚ以上とするのがよい。

以上のように本実施の形態における放電計測装置によれば、上記にて説明した判別基準、フローによる放電波形の判別を行う信号判定部５を備えるため、写真撮影や光センサによる観測が困難な場合においても、電力機器１の内部において発生した油中進展放電信号を、インパルス電源６から放射される気中放電信号、および油中局所放電信号から確実に判別することができる。

実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２による電力機器のインパルス放電計測装置を示す図である。実施の形態１においては放電検出センサとして電磁波センサ２を使用していたが、本実施の形態では電流センサ２１を使用する点が異なっている。この電流センサ２１は電力機器１の接地線に設置し、放電が発生したときの高周波放電電流を検出する。その他の機器の構成、動作については、実施の形態１と同じであるため記載を省略する。
電流センサ２１を用いた場合には、各パルスの立ち上がり速度が電磁波センサと比較して少し遅いものの、パルス繰り返し周波数やパルス持続時間についてはほぼ同等であるため、上記に述べた放電波形判別基準の（１）〜（５）はそのまま適用することが可能である。したがって、図５に示される放電波形判別フローにしたがって、判定することができる。

電流センサ２１も、電磁波センサ２と同様に、油中放電信号が気中放電信号と比べて高強度である周波数帯域に検出感度を有するセンサを使用するほうが好ましいが、一般的な電流センサ２１は、電磁波センサ２のような狭帯域のセンサを作るのは困難である。したがって、この実施の形態においては、電流センサ２１とログアンプ５の間には、周波数帯域を制限するハイパスフィルタ３を接続して、低周波領域の信号を除去することが望ましい。カットオフ周波数については、実施の形態１と同様である。

以上のように本実施の形態における放電計測装置によれば、実施の形態１にて説明したのと同様の判別基準、フローによる放電波形の判別を行う信号判定部５を備えるため、写真撮影や光センサによる観測が困難な場合においても、電力機器内部において発生した油中進展放電信号を、インパルス電源６から放射される気中放電信号、及び油中局所放電信号から確実に判別することができる。
更に、本実施の形態においては、実施の形態１のように空間伝搬する電磁波を計測するのと異なり、電流センサ２１を用いて、局限されたアース線のみを計測対象としているため、電磁シールド等の対策を施さなくても比較的外部ノイズの影響を受けにくいという利点を有する。更に、電力機器１の接地線をクランプするのみで計測可能であるため、予め電力機器１に組み込んでおく必要がなく手軽に計測できるという利点もある。

この発明の実施の形態１のインパルス放電計測装置の構成を示す図である。 インパルス試験時の油中放電の２態様を説明する図である。 インパルス試験時の印加電圧波形、ログアンプ出力波形の測定例を示す図である。 油中進展放電を判別するために、パルス発生回数の合計とパルス列の持続時間の合計についてプロットした図である。 放電波形の判別フローを示す図である。 この発明の実施の形態１で使用する電磁波センサの設置方法を示す図である。 インパルス試験時の気中放電信号と油中放電信号をフーリエ変換した周波数スペクトラムを示す図である。 この発明の実施の形態２のインパルス放電計測装置の構成を示した図である。

符号の説明

１ 電力機器
２ 電磁波センサ
３ ハイパスフィルタ
５ 信号判定部
２１ 電流センサ

Claims (6)

1. 放電検出センサと、
   電力機器にインパルス試験電圧が印加された後の所定期間内に前記放電検出センサで検出されたパルスにより油中進展放電が発生したことを判定する信号判定部と、
   を備えたインパルス試験用放電計測装置において、
   信号判定部は、パルス列の信号レベル、持続時間、発生頻度が各々所定値以上であり、且つ、パルス発生回数の合計値が所定値以上であるか、又は、パルス列の持続時間の合計が所定値以上である場合に、油中進展放電が発生したと判定する
   インパルス試験用放電計測装置。
2. 放電検出センサは、気中放電信号よりも油中放電信号のレベルが大きい周波数領域に検出感度を有することを特徴とする
   請求項１に記載のインパルス試験用放電計測装置。
3. 気中放電信号よりも油中放電信号のレベルが大きい周波数領域に通過域を有するフィルタを放電検出センサの出力側に備えることを特徴とする
   請求項１又は２に記載のインパルス試験用放電計測装置。
4. 放電検出センサは、電磁波センサであることを特徴とする
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載のインパルス試験用放電計測装置。
5. 放電検出センサは、電流センサであることを特徴とする
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載のインパルス試験用放電計測装置。
6. 電力機器にインパルス試験電圧が印加された後の所定期間内に放電検出センサにより検出されたパルス列の信号レベル、持続時間、発生頻度が各々所定値以上であり、且つ、パルス発生回数の合計値が所定値以上であるか、又は、パルス列の持続時間の合計が所定値以上である場合に、油中進展放電が発生したと判定する放電判別方法。

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