JP2011083054A - ガス絶縁電気機器の部分放電検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】管路容器の内部で発生した電磁波を高い検出感度で検出すること。
【解決手段】この検出装置は、高電圧の印加される導体を、その中心に導体保持孔を有する複数の円盤状の絶縁板の保持孔で保持し、絶縁板の周縁部を両面側から複数のフランジ付導体管のフランジ部で挟圧保持して気密容器を構成するとともに内部に絶縁ガスを充填してなる電気機器内の、部分放電に起因する電磁波を検出するガス絶縁電気機器の部分放電検出装置において、電磁波を検出するアンテナをフランジ付導体管のフランジ部から露出する絶縁板上に、電磁波を伝搬可能な弾性部材を介して密接配置することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、高電圧を印加する導体近傍に発生する部分放電を検出する装置に係り、特に、当該導体を絶縁するガス絶縁機器の内部に発生した部分放電を検出する部分放電検出装置に関する。

一般に、変電所など高電圧を取り扱う施設では、高電圧が印加された導体をガスにより絶縁するガス絶縁機器、例えば、ガス絶縁開閉装置、ガス絶縁母線、およびガス絶縁変圧器などが用いられている。ガス絶縁機器は、絶縁ガスを充填した密閉金属容器内に、高電圧が印加された高電圧導体を収納し、この高電圧導体を絶縁物で支持して構成されている。

このようなガス絶縁機器において、金属容器内部に接触不良や金属異物混入などの欠陥部が生じると、その欠陥部から部分放電が発生することが知られている。ガス絶縁機器内の部分放電を放置すると、やがて絶縁破壊に至り、重大な事故発生に進展する可能性がある。したがって、部分放電を早期に発見して欠陥部を補修する等により、重大事故の発生を未然に防ぐことが重要である。ガス絶縁機器の絶縁診断における予防保全技術として、ガス絶縁機器内部の部分放電を検出する検出装置が提案されている。

ガス絶縁機器内部の部分放電を検出する放電検出装置としては、電流、電磁波、音、振動、光などを検知して部分放電を検出するものが知られている。中でも、部分放電に伴って発生する電磁波を検知して部分放電の有無を判定する装置は、検出感度、Ｓ／Ｎ比の良さ、検出範囲の広さなどが良好であり、注目を集めている。部分放電に伴う電磁波は、数十ＭＨｚから数ＧＨｚにわたる広い周波数成分が含まれているため、比較的検出の容易なＵＨＦ帯域の電磁波信号（３００ＭＨｚ〜３ＧＨｚ）を検出する手法が主流となりつつある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に示す放電検出装置（絶縁監視用アンテナ装置）は、管路容器の接合部に存在する絶縁体の部分から漏れた高周波電磁界を検出している。特許文献１に開示された絶縁監視用アンテナ装置は、当該接合部の絶縁体を介して電磁波を検出するため、絶縁体において電磁波が減衰し、高い検出感度を得にくいという問題があった。

特開平３−７８４２９号公報

このように、従来の検出装置では、高い検出感度を得にくいという問題があった。本発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、管路容器の接合部における絶縁体で生ずる電磁波の減衰を抑えて高い検出感度を得ることのできる検出装置を提供することを目的としている。

上記した目的を達成するために、本発明の一つの態様に係るガス絶縁電気機器の部分放電検出装置は、高電圧の印加される導体を、その中心に導体保持孔を有する複数の円盤状の絶縁板の保持孔で保持し、この絶縁板の周縁部を両面側から複数のフランジ付導体管のフランジ部で挟圧保持して気密容器を構成するとともに内部に絶縁ガスを充填してなる電気機器内の、部分放電に起因する電磁波を検出するガス絶縁電気機器の部分放電検出装置において、電磁波を検出するアンテナがフランジ付導体管のフランジ部から露出する絶縁板上に、電磁波を伝搬可能な弾性部材を介して密接配置されたことを特徴とする。

本発明の検出装置によれば、管路容器の内部で発生した電磁波を高い検出感度で検出することのできる検出装置を提供することができる。

第１の実施形態の放電検出装置の外観を示す図である。 第１の実施形態の放電検出装置の外観を示す図である。 第１の実施形態の放電検出装置の構造を示す図である。 第１の実施形態の放電検出装置の原理構成図を示す図である。 絶縁スペーサ３０の径がフランジ部の周縁端よりも大径の例を示す図である。 フランジ部の径が絶縁スペーサ３０の周縁面より大径の例を示す図である。 第１の実施形態の放電検出装置の特性例を示す図である。 第２の実施形態の放電検出装置の外観を示す図である。 第２の実施形態の放電検出装置の構造を示す図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。図１ないし図４に示すように、第１の実施形態の検出装置６０（部分放電検出装置）は、ガス絶縁機器１の外側に配設される。

この実施形態の検出装置６０が配設されるガス絶縁機器１（ガス絶縁電気機器）は、高電圧が印加される高電圧導体５０を被覆する筒状導体容器を構成する。すなわち、ガス絶縁機器１は、フランジ部１２および２２をそれぞれ有し高電圧導体５０を収容する導体管１０および２０と、フランジ部１２および２２の端面間に介挿され高電圧導体５０を支持する絶縁スペーサ３０とを具備している。

導体管１０および２０は、例えばアルミニウムや鉄などの金属材料により形成される金属管であり、高電圧導体５０を予め決められた間隙を有して被覆する。図１に示すように、フランジ部１２および２２は、絶縁スペーサ３０を介して対向し、組立てボルト４０により一体的に固定される。すなわち、導体管１０および２０は、互いに連結された導体管を構成する。

図３および図４に示すように、絶縁スペーサ３０は、フランジ部１２および２２それぞれの端面と対応し所定の厚さを持つ環状部３０ａと、高電圧導体５０を導体管１０および２０と接触させずに所定距離離間して支持する支持部３０ｂとを有し、フランジ部とほぼ同径とされている。例えば、絶縁スペーサ３０は、高電圧導体５０を保持する導体保持孔を有する円盤状の絶縁板からなり、連結された導体管の所定の長さ毎に複数配設される。すなわち、絶縁スペーサ３０は、導体管１０および２０を連結するためのスペーサ部材として機能するだけでなく、高電圧導体５０を導体管１０および２０の内部で保持する支持部材としても機能する。絶縁スペーサ３０は、高電圧導体５０に印加される高電圧にも耐えうる絶縁性を有した材料により構成される。絶縁スペーサ３０は、例えばアルミナ充填エポキシなどにより形成することができる。フランジ部１２および２２により挟まれた絶縁スペーサ３０の環状部３０ａの外周面には、この実施形態の検出装置６０が、連結された導体管１０および２０と電気的に絶縁されて配設され、この検出装置６０が、導体管１０および２０の内部で発生した部分放電を検出する。

連結された導体管１０および２０は、気密的に密閉され高電圧導体５０を収容した管状導体容器を構成する。連結された導体管１０および２０の内部には、例えばＳＦ_６などの絶縁ガスが充填されており、高電圧が印加される高電圧導体５０と導体管１０および２０と絶縁している。連結された導体管１０および２０は、電気的に接地される。

次に、図２および図３を参照して、この実施形態の検出装置６０の構成、および連結された導体管１０および２０と検出装置６０との位置関係について詳細に説明する。

図２に示すように、この実施形態の検出装置６０は、スロット６４が形成された面状のスロットアンテナ６１と、スロットアンテナ６１が検出した電磁波を出力するコネクタ６２と、スロットアンテナ６１の背面を囲むように形成された筐体６３と、スロット６４を覆うようにスロットアンテナ６１の表面に形成された弾性部材６５とを備えている。

スロットアンテナ６１は、絶縁スペーサ３０から漏洩する電磁波を検出する。スロットアンテナ６１は、例えば矩形の板状導体、例えば銅からなり、絶縁スペーサ３０の環状部３０ａの外周面（露出部）に合わせた曲面状に形成され、略中央部に長辺ａ、短辺ｂのスロット６４が形成されている。スロット６４は、主に検出する電磁波の周波数に応じた形状および大きさに形成される。ここで、スロット６４の長辺の長さａは、絶縁スペーサ３０の比誘電率をε_３３、検出中心周波数をλ_Ｃとし、スロットアンテナ６１の表面に絶縁スペーサ３０が直接接しているものとすると、以下の式にて求めることができる。

例えば、絶縁スペーサ３０の比誘電率を３．３、スロットの長辺の長さａを１５０［ｍｍ］とした場合、その検出中心周波数はおよそ０．５５［ＧＨｚ］となる。スロットアンテナ６１は、スロット６４の長辺が導体管１０および２０のフランジ部１２および２２の端面と平行になるように、フランジ部１２および２２に跨って配設される。ただし、フランジ部１２および２２は電気的に接地されているので、スロットアンテナ６１は、フランジ部１２および２２と電気的に絶縁されて配設される。具体的には、図３に示すように、フランジ部１２および２２の周縁端に絶縁層１２ａおよび２２ａを形成しておき、スロットアンテナ６１自体が接地されないようにする。なお、スロットアンテナ６１は、平面構造を持つアンテナであれば他の形式のものであっても構わない。

コネクタ６２は、スロット６４の出力端（対応する対をなす長辺の一部や同じく短辺の一部）と同軸ケーブルなどを介して接続され、スロットアンテナ６１が検出した電磁波を出力する。コネクタ６２には、検出した電磁波の高周波信号を伝送する同軸ケーブル７０の一端が接続され、同軸ケーブル７０の他端には、信号処理部８０が接続されている。

筐体６３は、導体材料からなりスロットアンテナ６１の背面に共振空洞（キャビティ）を形成する。筐体６３は、検出装置６０の外部から受けるノイズを低減するとともに、スロットアンテナ６１の指向性を高めて絶縁スペーサ３０から漏洩する電磁波の検出感度を高める作用をする。筐体６３の形および大きさは、検出する電磁波の主な周波数に応じて設計され、銅などの導体材料により形成される。例えば、筐体６３の幅は、電磁波の検出中心波長をλとしたとき、スロットの短辺方向の幅ｔがλ／２で表される幅とする。筐体６３は、導体板により完全な密閉空間を形成するものであってもよいし、網状導体により電磁的な密閉空間を形成するものであってもよい。

弾性部材６５は、弾性をもつ誘電体材料からなり、絶縁スペーサ３０とスロットアンテナ６１との間に介挿される。弾性部材６５は、絶縁スペーサ３０およびスロットアンテナ６１の間の隙間を埋めて、通過する電磁波の減衰を抑える作用をする。弾性部材６５は、スロット６４を覆う大きさの例えば矩形形状を有しており、絶縁スペーサ３０の外周面の幅ｅ（絶縁スペーサ３０の環状部３０ａの厚さ）よりも小さい幅ｃを有している。

ここで、図３を参照して、フランジ部１２および２２の連結部分の構成と検出装置６０の位置関係について説明する。

図３に示すように、フランジ部１２および２２は、絶縁スペーサ３０の環状部３０ａを挟み込んで固定しているが、フランジ部１２および２２の周縁端（図中Ｓ_１面）と絶縁スペーサ３０の周縁面（同Ｓ_２面）とは、必ずしも同一面上に位置しない。図３に示す例では、絶縁スペーサ３０の周縁面Ｓ_２よりもフランジ部１２および２２の周縁端Ｓ_１の方が大径とされている。そのため、検出装置６０のスロットアンテナ６１を、フランジ部１２および２２の周縁端Ｓ_１に合わせて配設すると、フランジ部１２および２２の端面間、絶縁スペーサ３０の周縁面Ｓ_２、および、スロットアンテナ６１の表面の間に隙間（空間）が生じてしまう。これは、絶縁スペーサ３０から漏洩する電磁波を弱めてしまうことになる。

そこで、この実施形態の検出装置６０では、弾性部材６５を絶縁スペーサ３０およびスロットアンテナ６１の間に介挿し、かかる隙間を弾性部材６５で埋めている。そのため、弾性部材６５は、フランジ部１２および２２の周縁端Ｓ_１と絶縁スペーサ３０の周縁面Ｓ_２の間の距離と同等またはそれ以上の厚さを有することが望ましい。また、弾性部材６５の幅は、フランジ部１２および２２の端面間の距離と同等またはそれ以下の幅として、締め付け代を取っておくことが望ましい。また、弾性部材６５は、絶縁スペーサ３０の比誘電率と略同一またはできるだけ近い値の比誘電率を有する誘電体材料により形成されることが望ましい。絶縁スペーサ３０および弾性部材６５の間の界面において、絶縁スペーサ３０から漏洩する電磁波が減衰することを防ぐためである。弾性部材６５としては、ソルボ（ポリウレタン）や合成ゴム（クロロプレンゴム）など、弾性に富み、比誘電率が絶縁スペーサ３０の比誘電率と同等または近い値のものを用いることができる。ここで、絶縁スペーサ３０およびスロットアンテナ６１の間に弾性部材６５を介挿した場合のスロット６４の長辺の長さａは、弾性部材６５の比誘電率をε_６５、検出中心周波数をλ_Ｃとすると、以下の式にて求めることができる。

続いて、図４を参照して、検出装置６０における信号処理部８０の構成を説明する。

図４に示すように、信号処理部８０は、整合部８１、増幅部８２、測定部８３および判定部８４を有している。整合部８１は、スロットアンテナ６１と信号処理部８０との整合を取るマッチング回路を備える。整合部８１は、例えばバンドパスフィルタなどのフィルタ回路を備えてもよい。増幅部８２は、整合部８１を介して受けたスロットアンテナ６１からの高周波信号を増幅する。測定部８３は、増幅部８２が増幅した高周波信号を検波して受けた電磁波の信号レベル（信号強度）や信号パターン（周波数特性）などを測定する。判定部８４は、測定部８３の測定結果に基づき、スロットアンテナ６１が受けた電磁波が部分放電に起因するものか否か、すなわち部分放電の有無を、例えば過去部分放電から蓄積されたデータや予め実験等で求められたデータと比較することにより、判定する。

（動作）
図４に示すように、ガス絶縁機器１の内部の欠陥部Ｘで部分放電が発生すると、導体管１０および２０の内部に数十ＭＨｚから数十ＧＨｚの電磁波が発生する（図中破線）。このとき、導体管１０および２０は、互いに気密的に連結されているから、発生した電磁波は、導体管１０および２０の内部を導波管と同様に伝搬する。

部分放電により発生した電磁波の一部は、絶縁スペーサ３０に入射して絶縁スペーサ３０の周縁面Ｓ_２を通過し、弾性部材６５を経てスロットアンテナ６１のスロット６４に到達する。スロット６４に電磁波が到達すると、スロットアンテナ６１は、コネクタ６２から高周波信号を出力する。コネクタ６２から出力された高周波信号は、整合部８１、増幅部８２を経て測定部８３に送られる。測定部８３は、受けた高周波信号のレベルおよび周波数特性を測定して測定結果を判定部８４に送る。判定部８４は、測定結果に基づいて部分放電の有無を判定し、判定結果に応じてユーザに報知する。

この実施形態の検出装置６０によれば、部分放電に起因する電磁波を導く絶縁スペーサ３０と、当該電磁波を検出するスロットアンテナ６１との間に、所定の誘電率を有する弾性部材６５を配設したので、電磁波の伝搬ロスを低減することができる。すなわち、検出装置６０の検出感度を向上することができる。また、この実施形態の検出装置６０では、スロットアンテナ６１の背面にキャビティを構成する筐体６３を配設したので、絶縁スペーサ３０を経て受け取る電磁波の検出感度を高めるとともに、外来ノイズを抑えてＳ／Ｎを向上することができる。そして、部分放電の有無を判定する精度を高めることができる。

（実施例）
以下、図１ないし図４に示す検出装置６０の実施例について説明する。スロットアンテナ６１のスロット６４の長辺ａを１５０［ｍｍ］とし、弾性部材６５としてシリコンゴムシート、合成ゴムシート、ソルボシートを用いた場合の部分放電の検出感度特性を調べた。なお、比較例として、図５Ａに示すように、絶縁スペーサ３０がフランジ部１２および２２の周縁端から飛び出しており、スロットアンテナ６１の表面を弾性部材６５を介さず絶縁スペーサ３０に直接接触させた場合と、図５Ｂに示すように絶縁スペーサ３０がフランジ部１２および２２の周縁端よりも奥に位置しており、絶縁スペーサ３０とスロットアンテナ６１との間に隙間が生じている場合（弾性部材６５を設けない場合）についても併せて特性を調べた。得られた測定結果を図６に示す。

図６において、実線９１は、図５Ａに示すようにスロットアンテナ６１の表面を直接絶縁スペーサ３０に接触させた場合の特性例である。一点鎖線９２は、図３において弾性部材６５としてシリコンゴムシートを用いた場合、二点鎖線９３は、図３において弾性部材６５として合成ゴムシートを用いた場合、破線９４は、図３において弾性部材６５としてソルボシートを用いた場合の特性例である。点線９５は、図５Ｂに示すようにスロットアンテナ６１と絶縁スペーサ３０との間に隙間が生じている場合の特性例である。

図６に示すように、スロットアンテナ６１と絶縁スペーサ３０とを接触させた場合（図中実線９１）は、通常用いられるスロットアンテナ（前述のとおり長辺が１５０［ｍｍ］程度の大きさ）で最も高い検出感度が得られる０．５ＧＨｚ近辺において、−１９［ｄＢｍ］程度の出力が得られているが、スロットアンテナ６１と絶縁スペーサ３０との間に隙間が存在する場合（図中点線９５）は、−２５［ｄＢｍ］程度に検出出力が低下している。しかし、スロットアンテナ６１と絶縁スペーサ３０との間に弾性部材６５を介挿した場合（図中一点鎖線９２、二点鎖線９３、破線９４）は、比較的受信出力の低下が抑えられ、−２０［ｄＢｍ］程度の検出出力を得ることができた。また、弾性部材６５の種類によらず略同様な特性を得ることができた。

これらの結果から、図１に示すガス絶縁機器１において、絶縁スペーサ３０の周縁面の位置が、フランジ部１２および２２の周縁端の位置よりも奥まった場所にある場合には、実施形態に係る検出装置６０のように弾性部材６５を備えることで、良好な受信感度を得られることがわかる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る検出装置について詳細に説明する。図６に示す測定結果から、ガス絶縁機器１の絶縁スペーサ３０と検出装置６０のスロットアンテナ６１の表面とを直接接触させると最も良好な結果が得られることがわかる。この実施形態の検出装置１６０は、導体管の連結部におけるフランジ間の距離が比較的大きい場合に、弾性部材を介さず直接スロットアンテナを絶縁スペーサに接触させる構成を取ることを特徴とする。

図７および図８に示すように、この実施形態の検出装置１６０は、スロット１６４が形成された面状のスロットアンテナ１６１と、スロットアンテナ１６１が検出した電磁波を出力するコネクタ１６２と、スロットアンテナ１６１の背面を囲むように形成された筐体１６３とを備えている。すなわち、この実施形態の検出装置１６０は、図１ないし図３に示す第１の実施形態の検出装置６０から、弾性部材６５を省略し、スロットアンテナ６１の導体管の管路方向の幅を、検出装置を配設するフランジ間の距離ｅ（絶縁スペーサ３０の環状部３０ａの幅）よりも小さくしたものである。かかる構成により、弾性部材がなくとも常にスロットアンテナと絶縁スペーサとを直接接触させることができ、絶縁スペーサを介して漏洩する電磁波の減衰を防ぐことが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明は、大電力絶縁機器に適用することができる。

１…ガス絶縁機器、１０…導体管、１２…フランジ部、２０…導体管、２２…フランジ部、３０…絶縁スペーサ、４０…組立てボルト、５０…高電圧導体、６０…検出装置、６１…スロットアンテナ、６２…コネクタ、６３…筐体、６４…スロット、６５…弾性部材、７０…同軸ケーブル、８０…信号処理部。

Claims (9)

1. 高電圧の印加される導体を、その中心に導体保持孔を有する複数の円盤状の絶縁板の前記保持孔で保持し、前記絶縁板の周縁部を両面側から複数のフランジ付導体管のフランジ部で挟圧保持して気密容器を構成するとともに内部に絶縁ガスを充填してなる電気機器内の、部分放電に起因する電磁波を検出するガス絶縁電気機器の部分放電検出装置において、前記電磁波を検出するアンテナが、前記フランジ付導体管のフランジ部から露出する前記絶縁板上に、前記電磁波を伝搬可能な弾性部材を介して密接配置されたことを特徴とするガス絶縁電気機器の部分放電検出装置。
2. 前記アンテナは、前記絶縁体の露出部よりも小さい幅で略中央部の長手方向にスロットが形成された板状導体からなるスロットアンテナからなることを特徴とする請求項１記載のガス絶縁電気機器の部分放電検出装置。
3. 前記弾性部材は、前記スロットを覆って配設されていることを特徴とする請求項２記載のガス絶縁電気機器の部分放電検出装置。
4. 前記弾性部材は、前記絶縁体と略等しい誘電率の絶縁材料からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガス絶縁電気機器の部分放電検出装置。
5. 前記アンテナの背面側に配置され共振空洞を形成する筐体を具備することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のガス絶縁電気機器の部分放電検出装置。
6. 前記スロットは、前記電磁波の検出中心波長をλ、前記弾性部材の比誘電率εとしたとき、以下の数式
   

   

   で表される長さＬを有することを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１項に記載のガス絶縁電気機器の部分放電検出装置。
7. 前記筐体は、前記電磁波の検出中心波長をλとしたとき、前記スロットの短辺方向の幅ｔがλ／２で表される幅を有することを特徴とする請求項２ないし６のいずれか１項に記載のガス絶縁電気機器の部分放電検出装置。
8. 前記アンテナが検出した電磁波の強度または周波数特性を測定する測定部と、
   前記測定部が測定した前記電磁波の強度または周波数特性に基づき前記電磁波の有無を判定する判定部と
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のガス絶縁電気機器の部分放電検出装置。
9. 高電圧の印加される導体を、その中心に導体保持孔を有する複数の円盤状の絶縁板の前記保持孔で保持し、前記絶縁板の周縁部を両面側から複数のフランジ付導体管のフランジ部で挟圧保持して気密容器を構成するとともに内部に絶縁ガスを充填してなる電気機器内の部分放電に起因する電磁波を検出するガス絶縁電気機器の部分放電検出装置において、
   前記電磁波を検出するアンテナが、前記フランジ付導体管のフランジ部から露出する前記絶縁板の周縁部に沿って、前記絶縁板の厚さと等幅で円弧状であることを特徴とするガス絶縁電気機器の部分放電検出装置。

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