JP2013257172A - 電気試験装置及び電気試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地球温暖化係数が高いＳＦ₆ガスを用いることなく電気試験を行うことができるとともに、試験時間を大幅に短縮することができる電気試験装置を提供する。
【解決手段】高電圧機器の電気特性（商用周波耐電圧、商用周波部分放電、雷インパルス耐電圧等）を試験するために使用される電気試験装置を、試料を収容する容器と、容器に収容された試料に電圧を印加する電圧印加部と、絶縁ガスをイオン化して容器内にイオン化ガスを供給するイオン化ガス供給部と、を備える構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、高電圧機器の電気特性を試験するために使用される電気試験装置及び電気試験方法に関する。

一般に、ケーブル終端接続部等の高電圧電気機器に用いられる電気部品（ブッシング（套管）、エポキシ座等）については、使用前に安全性を確認するために、商用周波耐電圧試験、商用周波部分放電試験、雷インパルス耐電圧試験等の各種電気試験が行われる。このような電気試験を空気中で行うと、課電部や試料の突起、角部又は付着異物から気中放電や表面閃絡が発生するため、一般には、絶縁耐力の高い絶縁ガス雰囲気中に試料を配置した状態で試験が行われる（例えば特許文献１）。

また、ガス絶縁電気装置に生じる部分放電を測定する部分放電測定装置として、絶縁ガスの電離により生じたイオンが電離していない中性分子と衝突することにより生じる絶縁ガスのガス流速を、ガス流速検知素子により検知することで部分放電を測定することができる部分放電測定装置が知られている（例えば特許文献２）。

また、従来の電気試験装置では、絶縁ガスとして主に六フッ化硫黄（ＳＦ₆）が用いられる。ＳＦ₆ガスは、水分を含まない乾燥空気（酸素：約２０％、窒素：約８０％）や窒素（Ｎ₂）ガス等の自然ガスより優れた絶縁耐力を有しており、電気試験用の絶縁ガスとして好適なためである。

特開平７−１４０１９７号公報 特公平６−４６２０９号公報 特開平１０−２３０１２４号公報 特開２００７−１４１６９２号公報 特開２００２−９５７３１号公報

ところで、ＳＦ₆ガスは、地球温暖化係数が二酸化炭素の２３９００倍であり、京都議定書における排出量削減対象の温室効果ガスとして指定されており、電気試験の分野でも使用削減が求められている。そのため、従来の電気試験装置は、試験時（高電圧課電時及び試料交換時）に試験容器からＳＦ₆ガスが極力漏れ出さないように工夫されている。

例えば、特許文献１に記載の電気試験装置では、ＳＦ₆ガスを収容した内容器を試験容器内に上下に移動可能に配置し、高電圧課電時は内容器を上昇させて試料をＳＦ₆ガス雰囲気中に位置させる一方、試料交換時は内容器を降下させるようにしている。ＳＦ₆ガスは、空気よりも重く、試料交換時は試験容器の下部にＳＦ₆ガスが貯留されることとなるので、試験容器の上部開口からＳＦ₆ガスが漏れ出すのを抑制できる。

しかしながら、試料交換時にＳＦ₆ガスが漏れ出すのを完全に防止することは困難であるため、一般には、試料交換時に予め試験容器内のＳＦ₆ガスが回収され、再利用される（例えば特許文献３）。
このように、絶縁ガスとしてＳＦ₆ガスを用いる場合は、試験後にＳＦ₆ガスを回収する回収設備及びＳＦ₆ガスを再利用するための分離設備が必要となり、ガス回収・分離時間も必要となり、ひいては試験サイクル時間が長大化する。また、ＳＦ₆ガスを回収する回収・分離設備を設置するための大きなスペースが必要であった。
そこで、ＳＦ₆ガスの代替ガスが模索されているが、環境適応性（地球温暖化係数が低いこと）や毒性の有無の観点から候補として挙がる代替ガス（乾燥空気や窒素ガス等）は、ＳＦ₆ガスに比較して絶縁耐力が低く、電気試験用の絶縁ガスに要求される特性を、特に課電電圧が高電圧になるほど十分に満足しない場合がある。

本発明の目的は、地球温暖化係数が高いＳＦ₆ガスを用いることなく電気試験を行うことができるとともに、試験サイクル時間を大幅に短縮することができる電気試験装置及び電気試験方法を提供することである。

本発明に係る電気試験装置は、試料を収容する容器と、
前記容器に収容された前記試料に電圧を印加する電圧印加部と、
絶縁ガスをイオン化して前記容器内にイオン化ガスを供給するイオン化ガス供給部と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る電気試験方法は、容器内に試料を配置する第１の工程と、
絶縁ガスをイオン化して前記容器内にイオン化ガスを導入する第２の工程と、
前記試料に電圧を印加して電気特性を測定する第３の工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、高電圧を印加したときに高電界部分となる試料の周囲がイオン化ガスで覆われるので、気中放電はイオン化ガスに含まれるプラスイオン又はマイナスイオンにより中和（除電）される。したがって、気中放電や表面閃絡が生じるのを効果的に防止することができるので、ＳＦ₆ガスを用いることなく電気試験を行うことができる。また、ＳＦ₆ガスを用いた場合のガス回収作業のような煩雑な作業が不要となるため、試験サイクル時間を大幅に短縮することができる。

第１の実施の形態に係る電気試験装置の概略構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る電気試験装置の変形例を示す図である。 第１の実施の形態に係る電気試験装置の他の変形例を示す図である。 第２の実施の形態に係る電気試験装置の概略構成を示す図である。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、第１の実施の形態に係る電気試験装置の概略構成を示す図である。図１に示す電気試験装置１は、例えば高電圧電極、エポキシ樹脂等からなる絶縁体及び埋込金具を備える既知のブッシング（套管）や、エポキシ樹脂等からなる絶縁体及び埋込金具を備える既知のエポキシ座等の電気部品を試料ＴＳとして、商用周波部分放電試験を行うための設備である。

図１に示すように、電気試験装置１は、試験容器１０、電圧印加部２０、イオン化ガス供給部３０、及び測定装置４０を備える。
試験容器１０は、例えばポリカーボネート製の容器である。試験容器１０は、試料ＴＳを収容する収容部１１と、収容部１１の開口を閉塞する蓋部１２を有する。電気試験を行う際、試験容器１０内は、イオン化ガス供給部３０から供給されたイオン化ガス及びこのイオン化ガスの再結合により生成される絶縁ガスで充填される。

試験容器１０内の所定の湿度を保持することができるように、蓋部１２はゴムパッキン等のシール部材１３を介して収容部１１に載置される。
また、試験容器１０内は絶縁性が確保されていれば、気密である必要はないので、ボルトの締め付け等により収容部１１と蓋部１２を気密に固定しておかなくてもよい。これにより、容易に蓋部１２の開閉を行うことができるので、試料ＴＳの交換作業が容易化され、試験効率が向上する。

試験容器１０の下半部には、接地されたシールド部１４が配置される。シールド部１４は、例えばステンレス製で、有蓋無底の筒状に形成された台座である。このシールド部１４で覆われた空間に、イオン化ガス供給部３０が配置される。イオン化ガス供給部３０の周囲をシールド部１４で覆うことにより、イオン化ガス供給部３０自身（本実施の形態ではイオン発生装置自身）によるノイズの影響を低減することができる。商用周波部分放電試験においては、部分放電による微量な電荷量を検出する必要があるため、ノイズ除去が極めて重要である。
なお、イオン化ガス供給部３０自身がシールド機能を備えている場合は、シールド部１４を設けなくてもよい。

シールド部１４の上面には、板状に形成された、例えばポリアセタール製の絶縁部材１５が配置される。この絶縁部材１５に試料ＴＳが載置される。イオン化ガス供給部３０によるノイズの影響を低減するためには、絶縁部材１５を所定厚さ以上（例えば２０ｍｍ以上）とするのが好ましい。

シールド部１４には貫通穴１４ａが形成されており、この貫通穴１４ａを介してイオン化ガスが試験容器１０内に導入される。図１では、シールド部１４の上面に複数の貫通穴１４ａが形成された場合を示しているが、シールド部１４における貫通穴の形成態様（位置、大きさ、形状、数等）は特に制限されない。

なお、耐電圧試験の場合はノイズ除去の必要がないため、シールド部１４及び絶縁部材１５はあっても無くてもよい。但し、商用周波部分放電試験と耐電圧試験は通常続けて行われるため、試験サイクル時間を考慮すると、シールド部１４及び絶縁部材１５はある方が好ましい。ここで、試験サイクル時間とは、１つ又は複数の試料について必要な電気試験を行うために電気試験の準備〜後片付けまでにかかる時間であって、課電時間や試料交換等の作業時間を含む時間である。

イオン化ガス供給部３０は、絶縁ガスをイオン化して、試験容器１０内に所定の流量でイオン化ガスを供給する。イオン化ガス供給部３０は、例えば放電により絶縁ガスを電離させて、プラスイオン又はマイナスイオンを含むイオン化ガスを生成する。イオン化ガス供給部３０としては、公知のイオン発生装置を適用できる（例えば特許文献４、５）。

イオン化ガス供給部３０は、気中放電や表面閃絡が発生しうる試料ＴＳの表面近傍に、イオン化した状態のままイオン化ガスが供給されるように配置される。具体的には、イオン化ガス供給部３０のガス供給口（図示略）と試料ＴＳは、できるだけ近接させて配置される。イオン化ガスが試験容器１０内に導入された後、経時的に再結合して絶縁ガスに戻ってしまうと、気中放電や表面閃絡の発生を抑制する効果が低下するためである。

また、イオン化ガス供給部３０を試験容器１０内に配置することにより、イオン化ガスを試料ＴＳの周囲に効率よく供給することができるとともに、試験設備周りの簡素化を図ることができる。

イオン化ガス供給部３０には、絶縁ガス供給部３１が接続される。絶縁ガス供給部３１は、イオン化ガス供給部３０に絶縁ガスを供給するガスボンベである。絶縁ガスとしては、例えば水分を含まない乾燥空気（窒素：約８０％、酸素：約２０％）、又は窒素等の絶縁ガス（ＳＦ₆ガスを除く）を適用できる。特に、乾燥空気は水分を含まず、大気中の空気よりも絶縁性が高く、ガス絶縁開閉装置（ＧＩＳ）等の高電圧電気機器にも適用されているので、絶縁ガスとして好適である。

絶縁ガス供給部３１は、例えば収容部１１の側面に形成された貫通孔に挿通された配管３２を介して、絶縁ガスをイオン化ガス供給部３０に供給する。配管３２には流量計３３が設けられており、絶縁ガス供給部３１からイオン化ガス供給部３０に、所定の流量で絶縁ガスが供給されるようになっている。

収容部１１の側面上部には、排気口１１ａが形成される。イオン化ガス供給部３０により試験容器１０内にイオン化ガスが供給される一方で、排気口１１ａからイオン化ガス又はイオン化ガスの再結合により生成された絶縁ガスが排気される。試験容器１０内の圧力はほぼ一定に保持される（上昇しすぎない）ので、試料ＴＳの周囲に効率よくイオン化ガスを供給することができる。
供給されたイオン化ガスがそのまま排気されると、気中放電や表面閃絡の発生を抑制する効果が低下するため、イオン化ガス供給部３０のガス供給口と排気口１１ａは、できるだけ離して配置される。

なお、第１の実施の形態において、絶縁ガスとして、水分量が一定に調整されていない大気中の空気を用いることもできる。具体的には、図２に示す電気試験装置１Ａのように、イオン化ガス供給部３０の吸気口（図示略）から空気が取り込まれるようにすればよく、絶縁ガス供給部３１を設ける必要はない。また、蓋部１２を省略して、試験容器１０の上部を開放してもよい。

また、第１の実施の形態において、試験容器１０内に予め絶縁ガスを充填するようにしてもよい。具体的には、図３に示す電気試験装置１Ｂのように、収容部１１と蓋部１２を気密に固定して絶縁ガスが漏れ出さないようにする。そして、絶縁ガス供給部３１により絶縁ガス（例えば乾燥空気）を導入しながら、排気口１１ａから空気を排気し、試験容器１０内に絶縁ガスを充填する。絶縁ガスの充填が完了した後は、バルブ１７、１８を締めて試験容器１０を密閉する。この場合、絶縁ガス供給部３１を取り外すこともできる。イオン化ガス供給部３０は、試験容器１０に充填されている絶縁ガスを循環的に吸気して、これをイオン化してイオン化ガスを供給することになる。

電圧印加部２０は、印加電圧を調整可能な試験用トランスで構成される。電圧印加部２０から試験用リード線ＴＬが引き出され、この試験用リード線ＴＬが試料ＴＳの高電圧電極の一端に接続される。試料ＴＳの他端（フランジ部）には測定装置４０が接続される。
エポキシ座のように高電圧電極が無い試料ＴＳの場合は、シールド電極１６が試料ＴＳに取り付けられる。この場合、試験用リード線ＴＬはシールド電極１６に接続される。電圧印加部２０は、試験用リード線ＴＬを介して試料ＴＳに電圧を印加する。

また、試験容器１０内には湿度計５０が配置されており、試験容器１０内の湿度を測定できるようになっている。電気試験を行う場合、湿度計５０による測定値が所定の湿度以下となったときに開始するのが好ましい。試験容器１０内の湿度が高いと、試験時に気中放電や表面閃絡が発生しやすくなるからである。
そのため、例えば図１の電気試験装置１のように絶縁ガス供給部３１（ガスボンベ等）がイオン化ガス供給部３０に配管３２により接続されている電気試験装置１の場合は、湿度計５０の検出結果（測定湿度）に応じて、イオン化ガス供給部３０がイオン化ガスの供給量を調整するのが好ましい。具体的には、イオン化ガス供給部３０は、湿度計５０の検出結果が基準値（例えば湿度３％）よりも高い場合にイオン化ガスの供給量を増加させる。これにより、試験容器１０内の湿度を電気試験に適した湿度にコントロールすることができる。

図２、図３の電気試験装置１Ａ、１Ｂのように絶縁ガス供給部３１（ガスボンベ等）がイオン化ガス供給部３０に接続されていない場合は、図１の電気試験装置１のように湿度コントロールはできないものの、湿度計５０（湿度検出部）によって湿度を管理することができるため、湿度計５０の検出結果が基準値（例えば湿度３％）よりも低ければ、電気試験を行うことが可能である。特に図３の場合は、乾燥空気等の絶縁ガスを試験容器１０内に充填して気密に固定するため、図２の場合に比べて試験容器１０内の湿度は安定する。

電気試験装置１を用いて商用周波部分放電試験を行う場合、イオン化ガス供給部３０、シールド部１４、絶縁部材１５を配置しておいた試験容器１０内に試料ＴＳを配置する（第１の工程）。そして、試料ＴＳの一端（シールド電極１６）に試験用リード線ＴＬを接続し、他端（フランジ部）に測定装置４０を接続し、試験容器１０の蓋部１２を閉める。このとき、試験容器１０内は空気で充填されている。

次に、絶縁ガス供給部３１のバルブを開けてイオン化ガス供給部３０に絶縁ガスを供給させつつ、イオン化ガス供給部３０を作動させてイオン化ガスを発生させる（第２の工程）。試験容器１０内にはイオン化ガスが充填され、その一部は経時的に再結合して絶縁ガスとなる。

試験容器１０内にイオン化ガスが充填されるに従って、試験容器１０内に当初充填されていた空気は排気口１１ａから排気される。水分量が空気以下に調整された絶縁ガスを用いた場合、絶縁ガスの充填率に応じて試験容器１０内の湿度は低下する。湿度計５０による測定値が所定の湿度以下（例えば３％以下）となるまで待機する。

そして、試験容器１０内の湿度が所定の湿度以下となった後、電圧印加部２０により試料ＴＳに電圧を印加して、電気特性（一例としてここでは商用周波部分放電電圧）を測定する（第３の工程）。試験時には、試料ＴＳの周囲にイオン化ガスが供給されるので、気中放電や表面閃絡が発生することなく、電気試験を安定して行うことができる。

このように、電気試験装置１は、試料ＴＳを収容する試験容器１０と、試験容器１０に収容された試料ＴＳに電圧を印加する電圧印加部２０と、絶縁ガスをイオン化して試験容器１０内にイオン化ガスを供給するイオン化ガス供給部３０と、を備える。

また、電気試験装置１を用いた電気試験方法は、試験容器１０内に試料ＴＳを配置する第１の工程と、絶縁ガスをイオン化して試験容器１０内にイオン化ガスを導入する第２の工程と、試料ＴＳに電圧を印加して電気特性を測定する第３の工程と、を備える。

電気試験装置１及びこれを用いた電気試験方法によれば、高電圧課電による電気試験を行う際、試料ＴＳの周囲はイオン化ガスに覆われてプラズマ空間となるので、気中放電は、イオン化ガスに含まれるプラスイオン又はマイナスイオンにより中和（除電）される。
すなわち、電気試験装置１及びこれを用いた電気試験方法によれば、気中放電発生電圧や表面閃絡電圧が向上するので、地球温暖化係数が高いＳＦ₆ガスを用いることなく、高電圧課電による電気試験を行うことができる。
また、ＳＦ₆ガスの場合のガス回収作業のような煩雑な作業が不要となるため、試験時間を大幅に短縮することができる。

［第２の実施の形態］
図４は、第２の実施の形態に係る電気試験装置２の概略構成を示す図である。図４において、第１の実施の形態と同一又は対応する構成要素については、同一の符号を付して示し、詳細な説明については省略する。

図４に示すように、電気試験装置２においては、イオン化ガス供給部３０が試験容器１０の外部に設置されている。イオン化ガス供給部３０で生成されたイオン化ガスは、非金属配管３４を介して試験容器１０内に導入される。非金属配管３４を金属材料で構成するとイオンが消滅してしまうため、非金属配管３４は非金属の材料で構成される。
これにより、第１の実施の形態におけるシールド部１４、絶縁部材１５を設ける必要がなく、試験容器１０自体を小型化、簡素化することができる。また、イオン化ガス供給部３０が試験容器１０の外部に設置されることにより、イオン化ガス供給部３０のメンテナンス作業が容易化される。

また、第１の実施の形態と同様に、電気試験装置２によれば、気中放電発生電圧や表面閃絡電圧が向上するので、地球温暖化係数が高いＳＦ₆ガスを用いることなく、高電圧課電による電気試験を行うことができる。
また、ＳＦ₆ガスの場合のガス回収作業のような煩雑な作業が不要となるため、試験サイクル時間を大幅に短縮することができる。
また、図１と同様に、絶縁ガス供給部３１（ガスボンベ等）がイオン化ガス供給部３０に配管３２により接続されている図４の電気試験装置２によれば、イオン化ガス供給部３０は、湿度計５０の検出結果が基準値（例えば湿度３％）よりも高い場合にイオン化ガスの供給量を増加させることができる。これにより、試験容器１０内の湿度を電気試験に適した湿度にコントロールすることができる。

［実施例］
実施例では、第１の実施の形態に係る電気試験装置１において、ブッシングを試料ＴＳとし、１００ｋＶまで昇圧して、気中放電電圧又は表面閃絡電圧を測定した。絶縁ガスとしては、大気中の空気、または乾燥空気を用いた。空気をイオン化して試験容器１０内に供給した場合を実施例１、乾燥空気をイオン化して試験容器１０内に供給した場合を実施例２とする。

その結果、実施例１、２のいずれの場合も、気中放電又は表面閃絡が発生することなく１００ｋＶまで良好に課電することができた。
さらに、１００ｋＶ以上に昇圧したところ、実施例１では１２０ｋＶで気中放電又は表面閃絡が発生したのに対して、実施例２では１２０ｋＶでも気中放電又は表面閃絡は発生しなかった。

［比較例］
比較例では、従来の電気試験装置（イオン化ガスの供給なし）において、実施例と同様にブッシングを試料とし、１００ｋＶまで昇圧して、気中放電電圧又は表面閃絡電圧を測定した。絶縁ガスとしては、乾燥空気、ＳＦ₆ガスを用いた。試験容器内に乾燥空気を充填した場合を比較例１、試験容器内にＳＦ₆ガスを充填した場合を比較例２とする。

その結果、比較例１では６１ｋＶで気中放電又は表面閃絡が発生した。比較例２では、気中放電又は表面閃絡が発生することなく、１００ｋＶまで良好に課電することができた。

このように、第１の実施の形態に係る電気試験装置１では、ＳＦ₆ガスを使用することなく必要な絶縁性能を確保することができた。また、乾燥空気を用いた実施例２の方が、空気を用いた実施例１に比較して絶縁耐力が向上するので、絶縁ガスとしては乾燥空気を用いるのが好ましいといえる。
また、説明を省略するが、第２の実施の形態に係る電気試験装置２を用いた場合も実施例と同様の結果が得られている。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、第１の実施の形態に係る電気試験装置１、第２の実施の形態に係る電気試験装置２において、排気口１１ａから排気される絶縁ガスを循環させて、イオン化ガス供給部３０に供給するようにしてもよい。
また、イオン化ガス供給部３０にノズルを接続して、気中放電や表面閃絡が発生しやすい部位にイオン化ガスを噴出させるようにしてもよい。

また、イオン化ガス供給部３０を複数設置するようにしてもよい。これにより、イオン化ガスを試験容器１０内に効率良く供給することができる。
また、試験用リード線ＴＬに複数の試料ＴＳを接続して、複数の試料ＴＳについて同時に電気試験を行うことができるようにしてもよい。

本発明は、実施の形態で示した商用周波部分放電試験の他、商用周波耐電圧試験、雷インパルス耐電圧試験等の各種電気特性を測定するための電気試験に適用することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１、２ 電気試験装置
１０ 試験容器
１１ 収容部
１２ 蓋部
１３ シール部材
１４ シールド部
１５ 絶縁部材
１６ シールド電極
２０ 電圧印加部
３０ イオン化ガス供給部
３１ 絶縁ガス供給部
３２ 配管
３３ 流量計
３４ 非金属配管
４０ 測定装置
５０ 湿度計（湿度検出部）
ＴＬ 試験用リード線
ＴＳ 試料

Claims (11)

1. 試料を収容する容器と、
   前記容器に収容された前記試料に電圧を印加する電圧印加部と、
   絶縁ガスをイオン化して前記容器内にイオン化ガスを供給するイオン化ガス供給部と、を備え、
   前記電圧印加部により前記試料に高電圧を印加して電気試験を行うことを特徴とする電気試験装置。
2. 前記容器内の湿度を検出する湿度検出部を備えることを特徴とする請求項１に記載の電気試験装置。
3. 前記イオン化ガス供給部が、前記試料の近傍に前記イオン化ガスを供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の電気試験装置。
4. 前記イオン化ガス供給部には絶縁ガス供給部が配管により接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電気試験装置。
5. 前記絶縁ガスが乾燥空気であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電気試験装置。
6. 前記イオン化ガス供給部が、前記容器内に配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電気試験装置。
7. 前記イオン化ガス供給部が、接地されたシールド部で覆われていることを特徴とする請求項６に記載の電気試験装置。
8. 前記イオン化ガス供給部が、前記容器外に配置され、非金属配管を介して前記容器内に前記イオン化ガスを供給することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電気試験装置。
9. 容器内に試料を配置する第１の工程と、
   絶縁ガスをイオン化して前記容器内にイオン化ガスを導入する第２の工程と、
   前記試料に電圧を印加して電気特性を測定する第３の工程と、を備えることを特徴とする電気試験方法。
10. 前記第２の工程において、前記容器内の湿度を測定し、
    前記容器内の湿度が所定の湿度以下となった後、前記第３の工程を開始することを特徴とする請求項９に記載の電気試験方法。
11. 前記絶縁ガスとして、乾燥空気を用いることを特徴とする請求項９又は１０に記載の電気試験方法。

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