JP2011237235A - 電力機器の部分放電検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、広い周波数帯域にわたって高感度を有する電力機器の部分放電検出装置を得る。
【解決手段】センサ部１０は、ハンドホール５を気密に塞口する接地電位のフランジ６の内面に配置される誘電体１１と、誘電体１１上に互いに隙間を確保して重ねられた第１および第２分割アンテナ電極１２，１３と、第１および第２分割アンテナ電極１２，１３のそれぞれを誘電体１１を貫通してフランジ６に締着固定する金属製のボルト１４と、から構成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、ガス絶縁開閉装置や変圧器などの電力機器における絶縁破壊の前駆現象である部分放電を検出する部分放電検出装置に関するものである。

ガス絶縁開閉装置などの電力機器は、一般的に、高電圧部位を接地金属容器内に収納し、外部からのアクセスに対して安全性を確保できる構造をとっている。このような電力機器では、高電圧部位と接地部位との間は固体絶縁物や絶縁ガスなどにより絶縁されるが、金属容器内に何らかの原因により金属異物が混入し、あるいは高電圧ストレスにより固体絶縁物の絶縁性が劣化した場合、絶縁性能が低下して絶縁破壊事故に至る恐れがある。このため、電力機器の絶縁破壊を未然に防いで信頼性を高めるために、絶縁性能低下の予兆である部分放電を検出することが重要である。

このような状況に鑑み、金属容器内に設置したアンテナにより部分放電の電磁波を検出する部分放電検出装置が種々提案されている。例えば、従来の部分放電検出装置は、ループアンテナをガス絶縁機器の金属容器内の高電圧導体から離れた電界の弱い場所に設置し、該ループアンテナにより金属容器内で発生した部分放電による電磁波を検出していた（例えば、特許文献１参照）。他の従来の部分放電検出装置は、２枚の半円形の板状の金属電極を隙間をもって対向配置して構成されたダイポールアンテナをハンドホール内の低電界部に設置し、該ダイポールアンテナにより金属容器内で発生した部分放電による電磁波を検出していた（例えば、特許文献２参照）。さらに他の部分放電検出装置は、金属容器の開口部を塞ぐように開口部に気密に固定されたフランジの金属容器側に円盤状の絶縁物と金属電極とを重ねて固定して容量型アンテナを構成し、該容量型アンテナにより金属容器内で発生した部分放電による電磁波を検出していた (例えば、特許文献３参照）。

特許第２７６３１４３号公報 特許第３２９９５４７号公報 特開２００９−１７４８９４号公報

しかしながら、部分放電は、微小な放電を発生するため、放射される電磁波も微弱なことが多く、また電磁波は伝播距離が長くなると減衰する。そこで、アンテナから遠く離れた放電源からの放射電磁波は微弱であり、センサには十分な検出感度を有することが求められる。上述の従来の部分放電検出装置は、基本的に共振型のアンテナを用いており、原理的に共振周波数の数を多く構成することができないので、部分放電の検出感度および検出精度とも必ずしも満足できるものではなく、より高感度化および高精度化が求められている。

また、外部ノイズの影響を受けることも考慮する必要があり、機器を設置する環境によって影響を受ける外部ノイズの周波数が異なることから、特定の周波数成分の使用を避けるためにバンドフィルタを通して除去する場合もある。そして、特定の周波数に強い感度がある狭帯域アンテナを用いると、その特定の周波数とノイズ周波数とが重なって、Ｓ／Ｎ比が悪くなる恐れがある。そこで、０〜数ＧＨｚという広い周波数帯域にわたって感度の良い検出が要求される。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、広い周波数帯域にわたって高感度を有する電力機器の部分放電検出装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電力機器の部分放電検出装置は、絶縁ガスが封入された接地電位の金属容器内に高電圧導体を配設してなる電力機器の部分放電検出装置において、上記金属容器のハンドホール内に設置され、上記電力機器内の部分放電に起因して放射される電磁波を検出するセンサ部と、上記センサ部の検出信号を上記金属容器外に取り出す信号線と、上記信号線を介して取り出された上記センサ部の検出信号に基づいて部分放電の有無を判定する部分放電判定装置と、を備えている。そして、上記センサ部は、上記ハンドホールを気密に塞口する接地電位のフランジの内面に配置される誘電体と、上記誘電体上に互いに隙間を確保して重ねられ、形状および面積の少なくとも一方が異なる複数の分割アンテナ電極と、上記複数の分割アンテナ電極のそれぞれを上記誘電体を貫通して上記フランジに締着固定する金属製のボルトと、から構成されている。

この発明によれば、複数の分割アンテナ電極は形状および面積の少なくとも一方が異なっているので、複数の分割アンテナ電極とフランジとの間のキャパシタが異なる。そこで、異なる値のインダクタ（Ｌ）とキャパシタ（Ｃ）との組み合わせからなるＬＣ並列回路が複数構成され、多数の共振点からなる周波数応答特性を有し、広い周波数帯域にわたってアンテナ感度を高めることができる。

この発明の実施の形態１に係る電力機器の部分放電検出装置が適用されたガス絶縁開閉装置の要部を示す縦断面図である。 この発明の実施の形態１に係る電力機器の部分放電検出装置の構成を説明する上面図である。 比較例としての電力機器の部分放電検出装置におけるＳパラメータのＳ１１成分の周波数依存性を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電力機器の部分放電検出装置におけるＳパラメータのＳ１１成分の周波数依存性を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る電力機器の部分放電検出装置の構成を説明する上面図である。 この発明の実施の形態３に係る電力機器の部分放電検出装置の構成を説明する上面図である。 この発明の実施の形態４に係る電力機器の部分放電検出装置が適用されたガス絶縁開閉装置の要部を示す縦断面図である。

以下、本発明の電力機器の部分放電検出装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る電力機器の部分放電検出装置が適用されたガス絶縁開閉装置の要部を示す縦断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る電力機器の部分放電検出装置の構成を説明する上面図、図３は比較例としての電力機器の部分放電検出装置におけるＳ１１成分の周波数依存性を示す図、図４はこの発明の実施の形態１に係る電力機器の部分放電検出装置におけるＳ１１成分の周波数依存性を示す図である。

図１および図２において、電力機器としてのガス絶縁開閉装置１は、円筒状に作製された金属容器２と、金属容器２の長さ方向に離反した位置で絶縁支持体４により支持されて金属容器２内に同軸に配置された高電圧導体３と、を備え、両端を塞口された金属容器２内に優れた絶縁性能を有するＳＦ_６ガスなどの絶縁ガスを封入して構成されている。そして、ハンドホール５が金属容器２の胴体部に設けられ、センサ部１０がハンドホール５内に設置されている。金属製のフランジ６が、ハンドホール５を密封するように取り付けられている。なお、金属容器２およびフランジ６は接地されている。

センサ部１０は、裏面をフランジ６の内面に接して配置される円盤状の誘電体１１と、誘電体１１と同等の外径を有するリング平板状に作製され、誘電体１１の表面に接して誘電体１１と同軸に配置される第１分割アンテナ電極１２と、第１分割アンテナ電極１２の内径より僅かに小さい外径を有する円形平板状に作製され、誘電体１１の表面に接して第１分割アンテナ電極１２と同心状に配置される第２分割アンテナ電極１３と、誘電体１１を貫通して第１および第２分割アンテナ電極１２，１３をフランジ６に締着固定する金属製のボルト１４と、を有する。なお、第１および第２分割アンテナ電極１２，１３には、例えば銅、アルミニウム、ステンレススチール、鉄などの良導体が用いられる。誘電体１１には、例えばエポキシ樹脂、プラスチック、テフロン（登録商標）、紙、セラミック、天然ゴム、ＰＺＴ、ＰＬＺＴなどの誘電体が用いられる。

部分放電検出装置２０は、センサ部１０と、第１および第２分割アンテナ電極１２，１３からなるアンテナ電極の背面に電気的に接続され、誘電体１１を貫通して、フランジ６から気密に、かつ電気的に絶縁されて外部に引出される信号線１５と、外部に引出された信号線１５に接続された信号ケーブル１６と、フランジ６の外側で信号ケーブル１６に接続され、信号線１５および信号ケーブル１６を介して取り出された部分放電検出信号を処理し、部分放電の発生の有無を判定する部分放電判定装置としての部分放電検出回路１７と、から構成される。なお、信号線１５および信号ケーブル１６が、センサ部１０の部分放電検出信号を外部に取り出す信号線を構成する。

この部分放電検出装置２０では、第１および第２分割アンテナ電極１２，１３が誘電体１１を貫通するボルト１４によりフランジ６に締着固定されているので、第１および第２分割アンテナ電極１２，１３はフランジ６に電気的に接地される。部分放電のような高周波帯域の信号はボルト１４がインダクタ（以下、Ｌとする）となるため、第１および第２分割アンテナ電極１２，１３は誘電体１１のキャパシタ（以下、Ｃとする）とボルトのＬをもって動作することになる。この場合、ＬとＣは並列回路となり、ＬＣの共振系として共振周波数が生まれる。そこで、部分放電検出装置２０の感度特性は、複数の共振点からなる周波数応答特性を有している。

つぎに、ガス絶縁開閉装置１における部分放電の検出動作について説明する。
高電圧導体３と接地電位である金属容器２との間の絶縁部分で何らかの異常が起こった場合、部分放電が発生し、電磁波が放射される。そして、電磁波が金属容器２内を伝搬してセンサ部１０に到達すると、第１および第２分割アンテナ電極１２，１３に電圧が誘起される。この誘起電圧が信号線１５および信号ケーブル１６を介して部分放電検出回路１７に取り出される。そして、部分放電検出回路１７は、取り出された誘起電圧に基づいて金属容器２内で部分放電が発生したか否かを判定する。このとき、共振周波数に一致する周波数の電磁波が、高感度に検出される。

この実施の形態１では、センサ部１０が低電界部であるハンドホール５内に設置され、かつ外部とはシールドされているので、外部のノイズの影響を受けることなく、Ｓ／Ｎ比のよい測定が可能となる。さらに、センサ部１０が低電界部であるハンドホール５内に設置され、かつ円形の外形形状に構成されているので、高電圧導体３と金属容器２との間の電界を乱すことがなく、ガス絶縁開閉装置１の絶縁耐力を損なうことがないとともに、ハンドホール５の口径を大きくすることなく、所定のアンテナ電極面積のセンサ部１０を設置できる。

ここで、第１および第２分割アンテナ電極１２，１３を電気的に浮遊させた場合、第１および第２分割アンテナ電極１２，１３は誘電体１１のＣによって電位を検出できるセンサとして動作する。しかし、雷インパルス試験のような過電圧試験をする際、高電圧導体３と第１および第２分割アンテナ電極１２，１３との間のＣと第１および第２分割アンテナ電極１２，１３とフランジ６との間のＣとの直列回路によって、第１および第２分割アンテナ電極１２，１３に電圧が発生し、第１および第２分割アンテナ電極１２，１３に接続されている信号ケーブル１６の絶縁、あるいは部分放電検出回路１７に対して絶縁破壊を起こさせる恐れがある。

この実施の形態１では、第１および第２分割アンテナ電極１２，１３が誘電体１１を貫通するボルト１４によりフランジ６に締着固定されているので、第１および第２分割アンテナ電極１２，１３はフランジ６に電気的に接地される。そこで、第１および第２分割アンテナ電極１２，１３を電気的に浮遊させることに起因する信号ケーブル１６や部分放電検出回路１７の絶縁破壊を回避できる。

つぎに、アンテナ電極を第１および第２分割アンテナ電極１２，１３に分割構成することによる効果について説明する。なお、アンテナ電極として第１分割アンテナ電極１２と同等の外径の円形平板電極を用いた比較例において、センサの共振特性にあたるＳパラメータのＳ１１成分の周波数依存性を測定した結果を図３に示した。また、実施の形態１において、センサの共振特性にあたるＳパラメータのＳ１１成分の周波数依存性を測定した結果を図４に示した。

図３および図４から分かるように、センサ部１０は、約４００ＭＨｚと約１４５０ＭＨｚとの２箇所に、新たな共振点が発生していることが分かる。比較例では、アンテナ電極として単一の円形平板電極を用いているので、ボルト１４のＬを変えても、共振周波数が変わるだけで、共振周波数の個数を増やすことはできない。一方、実施の形態１では、アンテナ電極を形状および面積の異なる２つの第１および第２分割アンテナ電極１２，１３により構成し、かつ第１および第２分割アンテナ電極１２，１３を誘電体１１を挟んでフランジ６にボルト１４により締着固定しているので、第１および第２分割アンテナ電極１２，１３で異なる値のＣが構成され、ＬＣ並列回路としては複数の共振周波数が発生することになる。このように、アンテナ電極を形状および面積の異なる２つの第１および第２分割アンテナ電極１２，１３により構成することで、共振周波数の個数を増やすことができた。

このように、部分放電検出装置２０では、アンテナ電極を形状および面積の異なる２つの第１および第２分割アンテナ電極１２，１３により構成しているので、第１および第２分割アンテナ電極１２，１３で異なる値のＣが構成され、異なる共振周波数を有するＬＣ並列回路が複数構成される。そこで、部分放電検出装置２０は、多数の共振点からなる周波数応答特性を有し、アンテナ感度の高い広帯域センサを実現できる。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２に係る電力機器の部分放電検出装置の構成を説明する上面図である。

図５において、センサ部１０Ａは、第１および第２分割アンテナ電極１２，１３がそれぞれ誘電体１１を挟んで２本の鉄製のボルト１４ａと２本のアルミ製のボルト１４ｂとによりフランジ６に締着固定されて構成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態２によれば、鉄製のボルト１４ａとアルミ製のボルト１４ｂとの透磁率が異なることから、異なる値のＬが形成されるので、値の異なる複数のＬとＣとの組が構成される。そこで、異なる共振周波数を有するＬＣ並列回路が複数構成され、アンテナ感度の高い広帯域センサを実現できる。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３に係る電力機器の部分放電検出装置の構成を説明する上面図である。

図６において、センサ部１０Ｂは、第１および第２分割アンテナ電極１２，１３がそれぞれ誘電体１１を挟んで２本の大径の鉄製のボルト１４ｃと２本の小径の鉄製のボルト１４ｄとによりフランジ６に締着固定されて構成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態３によれば、鉄製のボルト１４ｃ，１４ｄの径が異なることから、異なる値のＬが形成されるので、値の異なる複数のＬとＣとの組が構成される。そこで、異なる共振周波数を有するＬＣ並列回路が複数構成され、アンテナ感度の高い広帯域センサを実現できる。

なお、上記実施の形態３では、径が異なるボルトを同じ材質で作製するものとしているが、径が異なるボルトを異なる材質で作製してもよい。この場合、異なる値のＬをより多く形成でき、共振周波数の個数をより多く発生できる。

実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態１に係る電力機器の部分放電検出装置が適用されたガス絶縁開閉装置の要部を示す縦断面図である。

図７において、センサ部１０Ｃは、誘電体１１Ａが、第１分割アンテナ電極１２と同等の外形形状に作製された第１分割誘電体１８と、第２分割アンテナ電極１３と同等の外形形状に作製された第２分割誘電体１９と、に分割構成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この部分放電検出装置２０Ａでは、誘電体１１Ａが、形状および面積の異なる第１および第２分割誘電体１８，１９により構成されているので、異なる値のＣが形成され、値の異なる複数のＬとＣとの組が構成される。そこで、異なる共振周波数を有するＬＣ並列回路が複数構成され、アンテナ感度の高い広帯域センサを実現できる。

なお、上記各実施の形態では、第１および第２分割アンテナ電極が４本ずつのボルトによりフランジに締着固定されているものとしているが、第１および第２分割アンテナ電極をフランジに締着固定するボルトの本数は４本に限定されない。
また、上記各実施の形態では、アンテナ電極が平面形状および面積の異なる第１および第２分割アンテナ電極に分割構成されているものとしているが、分割された第１および第２分割アンテナ電極は平面形状および面積の少なくとも一方が異なっていればよく、アンテナ電極の分割数も２に限定されない。

また、上記各実施の形態では、金属容器内に高電圧導体を配置したガス絶縁開閉装置について説明しているが、この発明は、他の電力機器、例えばガス絶縁変圧器に適用しても、同様の効果を奏する。
また、上記各実施の形態では、ボルトによりアンテナ電極を誘電体を挟んでフランジに直接締着固定してセンサ部をハンドホール内に設置するものとしているが、ボルトによりアンテナ電極を誘電体を挟んで金属電極板に締着固定してセンサ部を構成し、該金属電極板をフランジに電気的に接続状態に取り付けて、センサ部をハンドホール内に設置してもよい。このセンサ部の構造も、ボルトによりアンテナ電極を誘電体を挟んでフランジに締着固定する構造と等価である。

１ ガス絶縁開閉装置（電力機器）、２ 金属容器、３ 高電圧導体、５ ハンドホール、６ フランジ、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ センサ部、１１，１１Ａ 誘電体、１２ 第１分割アンテナ電極、１３ 第２分割アンテナ電極、１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ ボルト、１５ 信号線、１６ 信号ケーブル（信号線）、１７ 部分放電検出回路（部分放電判定装置）、１８ 第１分割誘電体、１９ 第２分割誘電体、２０ 部分放電検出装置。

Claims (4)

1. 絶縁ガスが封入された接地電位の金属容器内に高電圧導体を配設してなる電力機器の部分放電検出装置において、
   上記金属容器のハンドホール内に設置され、上記電力機器内の部分放電に起因して放射される電磁波を検出するセンサ部と、上記センサ部の検出信号を上記金属容器外に取り出す信号線と、上記信号線を介して取り出された上記センサ部の検出信号に基づいて部分放電の有無を判定する部分放電判定装置と、を備え、
   上記センサ部は、上記ハンドホールを気密に塞口する接地電位のフランジの内面に配置される誘電体と、上記誘電体上に互いに隙間を確保して重ねられ、形状および面積の少なくとも一方が異なる複数の分割アンテナ電極と、上記複数の分割アンテナ電極のそれぞれを上記誘電体を貫通して上記フランジに締着固定する金属製のボルトと、から構成されていることを特徴とする電力機器の部分放電検出装置。
2. 上記誘電体は、それぞれ、重ねられる上記分割アンテナ電極と同一形状に形成された複数の分割誘電体から構成されていることを特徴とする請求項１記載の電力機器の部分放電検出装置。
3. 上記複数の分割アンテナ電極のそれぞれは、透磁率の異なる複数種類の上記ボルトにより上記フランジに締着固定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電力機器の部分放電検出装置。
4. 上記複数の分割アンテナ電極のそれぞれは、直径の異なる複数種類の上記ボルトにより上記フランジに締着固定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電力機器の部分放電検出装置。

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