JP2010276365A - 電力機器の絶縁診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス絶縁開閉器等の電気機器の劣化を、電磁波による部分放電の検出面において、突発ノイズや、通信波を多く含む環境においても、確実に検出する。
【解決手段】本発明は、検出した値（ＢＧＮ：バック・グランド・ノイズ）の値が基準ＢＧＮ値よりも大きい場合は、ノイズ成分がまだ多く存在していると判断させ、信号レベルの最大値からソート順位Ｌ個まで除去していた処理を、Ｌの値を順次増やして、再度同じ手順を繰り返し行うことで、ノイズに埋もれている部分放電信号を検出することが出来るようにしている。
【選択図】図１６

Description

本発明は、ガス絶縁機器（ＧＩＳ、ＧＣＢ）や電力用トランスなどの電力用機器の絶縁診断方法及び装置に関するものである。

ガス絶縁開閉器や電力用トランスなどの電力用電気機器においては、絶縁異常時に部分放電が発生する。部分放電を監視することにより、絶縁破壊に至る前の状態を検出するので、潜在的な不良や、製造上のバラツキを検出することが可能になる。

部分放電（ＰＤ：Partial Discharge）の検出は、部分放電によって発生する電磁波を監視することによって行う電磁波検出方法が主流である。（特許文献１、特許文献２）。電磁波による部分放電検出は、以下に示す部分放電の特徴を利用する。図１に示すように、空間の周波数特性では、通信波や放送波が存在している帯域においては電磁波レベルが高くなる。つまり、空間の通信波や放送波が少なければ、全体的に電磁波レベルは低くなる。それに対し、図２に示すようにガス絶縁開閉器などで部分放電が発生するとVHF帯あるいはUHF帯の広帯域に渡って電磁波が発生する。これらの部分放電は要因により発生の仕方やレベルは異なるが、印加電圧周波数に同期し、電圧ピーク付近、ゼロクロス付近、などに電磁波が発生することが知られている。（非特許文献１）。

この外部ノイズによる誤判定を排除するために次のような手法を用いる。部分放電による電磁波と外部ノイズとを分けて部分放電を検出するために、部分放電検出アンテナと、外部ノイズのみを検出するノイズアンテナを有し、その２つのアンテナからの信号を差動演算することで外部ノイズを除去し、この差動演算したデータから周期的ピーク点と、商用電圧の周期の１／４サイクル点を算出し比較することにより部分放電を検出する絶縁診断装置が開示されている（特許文献１）。

また、図３ａに示すように、図２の部分放電発生状態について、オシロスコープを用いて時間同期で見ようとしても、通信波などの定在波の影響で、印加電圧周波数との同期性を確認することは困難である。これを解決するためには、図３ｂに示すように、フィルタ等で放送波の存在しない狭帯域の周波数を監視するか、通信波等の既知の周波数をマスクする処理を行う必要がある。

図３（ｂ）に示すような波形が取得できれば、部分放電の判定は容易に実現できる。この図を用いて、従来の判定方法（手順１：Ｓ８）について説明する。先に述べたように、部分放電は電圧の位相に同期して発生するという特徴がある。図３（ｂ）、の波形は、２サイクル分のデータを取得しており、このデータの波形を図４に示すように、前半１サイクルと、後半１サイクルに分ける。（時間軸１のポジションと51のポジションは同位相となる）図４の前半１サイクルと後半１サイクルを位相同期させて比較し、同一位相における両者のレベルの小さい方を代表値として、波形を書き直すと、図５に示すような、検出代表値の波形になる。このとき、前半１サイクルと後半１サイクルで位相同期している電磁波が存在していれば、図５に示すような、大きなレベルが現れる。この大きなレベルが、測定部分放電レベルで、予め設定した基準放電値より大きい場合は、部分放電の可能性がある。位相同期していない成分、すなわち部分放電ではないレベルの高いノイズに関しては、完全に除去される。このピーク付近の代表値（部分放電値）と１／４サイクルずれた付近の代表値（ＢＧＮ値：バック・グランド・ノイズ）を比較して（Ｓ１１）、予め設定された値（ＴＨ＿ＤＥＦ）以上の差（Ｓ１２）があれば、部分放電が発生していると判断している。

ピーク付近の代表値の決め方としては、上位幾つかのデータの平均値、あるいは上位から何番目のデータ値を用いて算出する。同様に１／４サイクル付近の代表値も、幾つかのデータの平均値、あるいは周辺データの何番目かのデータ値を用いて算出すればよい。本従来例は、２サイクル分のデータを用いて説明したが、もちろん３サイクル以上のデータを用いても良い。その場合は、代表値を３つの最小値としても、中間値としてもよい。このような手順で電磁波信号を解析することにより部分放電の発生有無を特定して、電力機器の絶縁診断に利用している。

特開２００１−２４９１５６号公報 特開２００８−４５９７７号公報

電協研４４巻第２号 Ｐ５４〜５５「ガス絶縁機器の信頼性向上対策」（昭和63年10月15日発行）

しかしながら、この部分放電による電磁波のレベルは、検出アンテナの感度・周波数特性や方向、あるいは部分放電発生様相によって異なるため、信頼性高く部分放電を診断するためには、多くの周波数で診断することが必要である。

また、一般の測定環境においては部分放電測定に支障をきたすレベルの連続的または突発的な生活ノイズが発生している場合がある。このような状況では部分放電を確認することが難しい。図６（ａ）は、このようなノイズが発生し、さらに、部分放電が発生している場合を示している。図６（ｂ）は、このようなノイズが発生しているが、部分放電は、発生していない場合を示している。これらの図からも明らかなように、ノイズの発生状況によっては、部分放電を確認することは、非常に難しいことが分かる。このため、ノイズの種別、発生状況、診断状況に関わらず、誤診断なく、部分放電発生時には、その発生状況を確実に捉える技術が求められている。

上記課題を解決するために、本発明は、検出した値（ＢＧＮ：バック・グランド・ノイズ）が判定基準値（ＴＨ＿ＢＧＮ）よりも大きい場合は、ノイズ成分がまだ多く存在していると判定し、ソート順位のＬの値を増やして、高い信号レベルのデータを除いたあと、同じ手順を繰り返し行うことで、ノイズに埋もれている部分放電信号を検出することが出来るようにしている。

本発明により、突発ノイズや通信波などの定常的ノイズについて、その種類を区別することなく、効率的に除去することができる。また、地域ごとに個別に不要周波数の設定を行う必要がなくなる為、取り扱いが簡単になるという効果を有する。

図１は、空間の周波数特性を表す図である(300MHz〜800MHz)。 図２は、部分放電発生時の周波数特性を表す図である（300MHz〜800MHz）。 図３は、時間領域特性（商用２サイクルを１００回サンプリング）。 （ａ）は、監視帯域：300MHz〜800MHzの場合。（ｂ）は、監視帯域：320MHz〜400MHz場合を表す図である。 図４は、図３（ｂ）の２サイクル分 （ａ）：前半サイクル、（ｂ）：後半サイクルを表す図である。 図５は、図４から求めた、検出代表値の波形 図６は、ノイズ発生時の周波数特性(300MHz〜800MHz)の図で、（a）は、ノイズあり、部分放電ありの場合。（ｂ）は、ノイズあり、部分放電なしの場合の図である。 図７は、時間−周波数特性（部分放電無しの場合）の図である。 図８は、時間軸Ｔ（N）における各周波数の電磁波レベルのソートグラフ。（ａ）は、Ｎ＝１５の場合、（ｂ）は、Ｎ＝３５の場合の図である。 図９（ａ）は、通信波等の自動除去がない場合（部分放電なしの場合）。（ｂ）は、通信波等の自動除去がある場合（部分放電なしの場合）の図である。 図１０は、時間軸Ｔ（N）における各周波数の電磁波レベルのソートグラフ。（ａ）は、Ｎ＝１５の場合、（ｂ）は、Ｎ＝４１の場合の図である。 図１１は、通信波等の自動除去（部分放電ありの場合）が上手く働いている図を表す。（ａ）は、通信波自動除去なしの場合、（ｂ）は、通信波自動除去ありの場合の図で自動除去が上手く働いていることを示している。 図１２は、過大な生活ノイズ発生時の、時間−周波数特性を表す図である。 図１３は、時間軸Ｔ（N）における各周波数の電磁波レベルのソートグラフ。（ａ）は、Ｎ＝５の場合、（ｂ）は、Ｎ＝１９の場合の図である。 図１４は、通信波等の自動除去（部分放電あり） Ｌ＝１０の場合。（ａ）は、通信波自動除去無しの場合、（ｂ）は、通信波自動除去ありの場合で、自動除去機能が上手く機能していない図である。 図１５は、通信波等の自動除去（部分放電あり） Ｌ＝２５の場合。（ａ）は、通信波自動除去無しの場合、（ｂ）は、通信波自動除去ありの場合の図で、自動除去が上手く機能した図である。 図１６は、本発明の処理の一例を示すフローチャートである。

次に示す方法で、地域ごとに異なる周波数やレベルの通信波や、突発的な過大ノイズが発生していても、周波数や閾値等を設定することなく１つの判定方法で部分放電の発生状況を信頼性高く診断できる。

まず、図７を用いて、部分放電なしの場合について説明する。例えば商用２サイクルに対して１００分割で電磁波をサンプリングし、これを各周波数で同期させて行う（Ｓ１〜Ｓ４）。同期は電圧のゼロクロス基準としても良いし、任意の位相としても良い。大切なことは、各周波数のサンプリング開始位相が同じであれば良い。つまり周波数ｆ（ｎ）の時間軸Ｔ（ｋ）のデータと周波数ｆ（ｎ+１）の時間軸Ｔ（ｋ）のデータは印加電圧位相で同じになる。このようにして、検出した電磁波取得データを時間軸−周波数の配列に並べる（Ｓ５）。

なお、取得サイクル数は最低２サイクルあればいいが、もちろん３以上としてもよい。取得サイクル数を増やすことで信頼性は増していく。また、分割数Ｎも１００以外でも構わない。信頼性は１００より小さくなれば低下し、１００以上にすれば向上する。

図７の時間軸 Ｔ（N）における全周波数データを大きい順にソートしたものを図８に示す。実施例では、Ｎ＝１〜１００で、図８（ａ）は、Ｎ＝１５、図８（ｂ）は、Ｎ＝３５の場合を示している。このとき、部分放電判定に影響を及ぼす定在的な通信波はソート順位の高い方に位置される。これを全ての時間軸Ｔ（N）（Ｎ＝１〜１００）で行い（Ｓ６）、ソート順位の上位Ｌ個をカットして、時間基準で表すことで、部分放電判定に不必要な大きなレベルの通信波を自動的に除去できる（Ｓ７、Ｓ８）。

たとえば、図８（ｂ）においては、横軸のソート順位の１０個目までのレベルが大きくなっている。部分方電が発生していない場合の、通信波の自動除去の例を図９（ｂ）に示す。図９（ｂ）は、同一時間軸の測定周波数を商用２サイクルに対して１００分割したとき、Ｌの値を１０として、全ての時間軸Ｔ（Ｎ＝１〜１００）について、部分放電判定に不必要なソート順位上位のレベルをカットしたあと、時間基準で表示した図である。図９（ａ）は、通信波の自動除去がない場合である。

図９は、図１に示す部分放電なしの状態に対しての適用結果であり、図２に示す部分放電ありの状態に適用すると、図１０、図１１のような結果が得られる（商用２サイクル対して１００分割、Ｌ＝１０）。これらの図９（ｂ）、図１１（ｂ）からもわかるように、本発明によって通信波等のノイズの自動除去が適切におこなわれていることが分かる。

しかしながら、図１２〜図１４に示すように部分放電発生状態でも、過大な生活ノイズが多く発生している場合はノイズ除去機能が良好に動作しない場合がある。図１４に顕著にあらわれているように、まだまだノイズレベルが大きいことが分かる。

そこで、ノイズレベルがまだ大きい場合（Ｓ９）、すなわち、ＢＧＮ＞基準ＢＧＮ値（ＴＨ＿ＢＧＮ）の場合には、ノイズ成分がまだ多く存在していると判定して、Ｌの値を増やし部分放電を判定する基準値を変更した後（Ｓ１０）、再度同じ処理（Ｓ８）を繰り返すことで、図１５（ｂ）に示すように、ノイズに埋もれている部分放電信号を検出することが出来るようになる。

Ｌの値を変更した場合、最終的に部分放電を判断する基準値（ＴＨ＿ＤＥＦ）の値を修正する必要がある。この修正値（ｚ）は、固定値でもいいし、予め図１０ｂのようなソート特性より演算した結果を用いて、可変としてもよい（Ｓ１０）。

この発明は、たとえば、ガス絶縁開閉器などの、部分放電を監視する電力機器の診断装置に適応できる。

Claims (1)

1. 電磁波を取り込むセンサと、前記センサからの信号を少なくとも商用電源の２サイクル分のデータをＮ分割でサンプリングし、商用電圧の位相に同期させて、周波数を変更し所定の電磁波データ分を取り込む受信部と、前記受信部で受信した複数の所定の電磁波データを時間軸−周波数の配列に並べる手段と、各々の時間軸ごとにおける全周波数データを信号レベルの大きい順に並び変える手段と、信号レベルの最大値から所定の値のＬ個までのデータを除去する手段と、
   （Ａ）除去したあとのデータ２サイクル分をサンプリング時間軸で表示する手段と、サイクルデータを前半と後半を位相同期させて、同一位相の小さい方のレベルを代表値とした１サイクルデータ作成手段とを備え、
   前記１サイクルデータのピーク付近の代表値と、ピークから１／４サイクルずれた点付近の代表値（ＢＧＮ値）を求め、
   （Ｂ）ＢＧＮ値が基準ＢＧＮ値より小さい場合は、測定放電レベルが予め設定した基準放電値より大きく、且つ測定放電レベルからＢＧＮ値を引いた値が、予め設定した基準値より大きい場合は、部分放電が発生していると判断することを特徴とする絶縁診断装置において、
   （C）ＢＧＮ値が、基準ＢＧＮ値より大きい場合は、ノイズ成分がまだ多く存在していると判定して、除去するデータの値Ｌを１個増やした後、ＢＧＮ値が基準ＢＧＮ値より小さくなるまで繰り返し行うことで、ノイズ成分を除去することを特徴とする絶縁診断装置。

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