JP2015062009A - 部分放電試験用電源装置、部分放電試験方法及び部分放電試験機能付き巻線機 - Google Patents

Abstract

【課題】試験時間が短くても非破壊的で信頼性が高く確実に部分放電の有無を検出できる部分放電試験用電源装置、部分放電試験方法及び部分放電試験機能付き巻線機を提供すること。
【解決手段】電圧を略一定に保持しながら周波数を連続的に可変でき、電源を入れるタイミングにおいて、正弦波に対する位相制御ができる周波数可変正弦波発振器を具備すること、を特徴とする、供試品の部分放電の有無を検出するために用いる部分放電試験用電源装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、部分放電試験用電源装置、部分放電試験方法及び放電試験機能付き巻線機に関する。より具体的には、本発明は、電気自動車や家電機器等に使用されるモーター巻線や各種電源コイルの部分放電試験に関する技術を提供するものである。

電気自動車や家電製品等にはモーターや発電機などの回転機が多数使用されており、また、インバータや各種電源には電圧・電流の平滑化や制御に必要なコイルが多数使用されている。これらの回転機やコイルには、いずれも被覆を施した銅線、アルミ線又は複合化導線が用いられている。

上記のような銅線等は巻線機により鉄心等に巻かれるが、巻線時にかかる機械的応力により、絶縁被覆の損傷が発生し、電圧印加時には、損傷部分を起点とする部分放電が発生し、最終的にコイル等の絶縁破壊に至るという問題がある。

このため、従来技術では、巻線途中又は巻線終了後にインパルス電圧をコイルに印加し絶縁破壊の有無をチェックする「インパルス試験」が実施されている。また、商用周波数（５０Ｈｚ／６０Ｈｚ）を用いた「交流部分放電試験」も、絶縁被覆電線に限らず高電圧機器の絶縁試験法に広く用いられている。この方法は試験電圧がインパルス試験より低いため部分放電を検出しながら試験を行うことにより、非破壊で異常の有無を検出することができるという大きな利点がある（例えば、特許文献１：特開平５−２２３８８４号公報参照）。

しかしながら、上記「インパルス試験」にあっては、破壊試験であるため、最終製品の良否判定には有効であるが、破壊の原因を特定することは極めて困難となるという問題があり、上記「交流部分放電試験」にあっては、非破壊試験ではあるが、試験時間が長く量産品に対しては適用が難しいという問題があった。即ち、いずれの方法にもそれぞれ一長一短があり、本発明者は、新しい部分放電試験法とその確立が必要と考えた。

特開平５−２２３８８４号公報

以上のような従来技術の問題点に鑑み、本発明の目的は、試験時間が短くても非破壊的で信頼性が高く確実に部分放電の有無を検出できる部分放電試験用電源装置、部分放電試験方法及び部分放電試験機能付き巻線機を提供することにある。

本発明者は上記目的を達成すべく、鋭意検討を重ねた結果、限られた短い試験時間の間であっても、商用周波数から数１０ｋＨｚあるいは数１００ｋＨｚに至る周波数をスィープさせた交流試験を部分放電試験と併用すれば、試験時間が短くても非破壊的で信頼性が高く確実に部分放電の有無を検出できる部分放電試験を実現できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、電圧を略一定に保持しながら周波数を略一定範囲内で連続的に可変でき、電源を入れるタイミングにおいて、正弦波に対する位相制御ができる周波数可変正弦波発振器を具備すること、を特徴とする、供試品（以下、「試験品」ともいう。）の部分放電の有無を検出するために用いる部分放電試験用電源装置、を提供する。

ここで、本発明における「周波数」とは、略一定範囲を有していればよく特に限定されるものではないが、概ね、下限は１ｍＨｚであり、上限は１ＭＨｚである。現実的には、５０〜６０Ｈｚから１００〜２００ｋＨｚの範囲である。

また、本発明における「連続的」とは、例えば、（１）５０Ｈｚから２００ｋＨｚまで周波数を徐々に変化させてスイープする場合、（２）５０Ｈｚ、１ｋＨｚ、２００ｋＨｚと、段階的に変化させる場合、及び、（３）５０Ｈｚ、２００ｋＨｚ、１ｋＨｚ、と段階的に変化させる場合、の全ての場合を含む概念である。即ち、前記周波数が、予め設定された複数の周波数に時間間隔ごとに順番に可変してもよい。

上記のような構成を有する本発明の部分放電試験用電源装置によれば、対地絶縁又は層間絶縁等の絶縁状態の有無（即ち、異常）を検知することができる。より具体的には、過渡現象を制御でき、例えば電圧が最大となる９０度の位相でスイッチを入れると、過渡現象が起こり、これをインパルス試験とみなすことが可能であり、その後は交流波形による試験となる。

即ち、本発明によれば、インパルス試験のように絶縁破壊には至らない電圧とすることにより、非破壊で被覆電線の欠陥を検出でき（低減電圧による非破壊試験）、また、電源周波数を連続的に可変とすることにより、限られた短い試験時間の中で、周波数に応じた対地間及びレア間の巻線に対して効率良く巻線に電圧を印加でき、これにより漏れなく欠陥部を見つけることができる（試験品質の向上）。さらに試験品の周波数特性、すなわち伝達関数における利得や位相特性から、異常の有無を判定できる。

上記の本発明の部分放電試験用電源装置は、前記発振器で設定された正弦波を電力増幅する電力増幅器並びに変圧器を具備すること、が好ましい。その理由は、高電圧交流が得られるためである。

また、上記の本発明の部分放電試験用電源装置においては、前記電力増幅器がＦＥＴやＩＧＢＴ等を用いたインバータ方式であること、が好ましい。その理由は、滑らかな出力波形が得られるからである（特にＦＥＴ）。

上記の本発明の部分放電試験用電源装置においては、前記周波数可変正弦波発振器が、電源を入れる又は切るタイミングにおいて、正弦波に対する位相制御を行って電源投入による過渡現象を発生、或いは電流裁断によるサージ電圧又はインパルス電圧を印加できること、が好ましい。この理由は、従来から実施されているインパルス試験を含むことができ、より信頼性の高い絶縁試験を実施できるためである。

また、上記の本発明の部分放電試験用電源装置は、出力電圧をフィードバックすることにより試験電圧を制御する帰還回路を具備すること、が好ましい。この理由は、出力電圧をほぼ一定に保つことが可能となり、より信頼性の高い絶縁試験を実施できるためである。

また、上記の本発明の部分放電試験用電源装置は、前記電圧を発生させるタイミングを外部トリガーにより制御する手段を具備すること、が好ましい。このような構成によれば、コイル等の供試品の製造工場や製造ラインにおいて、より好適に使用することができる。

また、上記の本発明の部分放電試験用電源装置は、出力の出口にサージ吸収素子を具備すること、が好ましい。この理由は、試験品の絶縁破壊時に生じる過渡現象により過電圧が発生することがあるが、この過電圧による試験装置の損傷を未然に防止できるためである。

また、上記の本発明の部分放電試験用電源装置は、アモルファス磁性材料又はフェライトコアからなる鉄心を具備した変圧器を有すること、が好ましい。周波数の範囲によって変圧器の鉄心を使い分ける必要があるからである。この点、異なる材質の鉄心を複数種組み合わせて用いることや、異なる材質からなる鉄心複数種が一体化した複合鉄心（ハイブリッド鉄心）を用いることも考えられる。

また、上記の本発明の部分放電試験用電源装置は、部分放電検出手段を具備すること、が好ましい。この理由は、供試品の絶縁破壊の前兆である部分放電を検出することにより良否判定が可能となるためである。

また、上記の本発明の部分放電試験用電源装置は、前記供試品の低圧側に部分放電検出回路を具備すること、が好ましい。この理由は、部分放電権出回路に接続される種々の電子計測器の接続が容易となるためである。

また、上記の本発明の部分放電試験用電源装置は、部分放電を判定する部分放電検出センサを具備すること、が好ましい。この理由は、専用の部分放電検出センサを一体化することにより、よりコンパクトで高性能な絶縁性能評価装置を提供できるためである。

また、上記の本発明の部分放電試験用電源装置は、部分放電信号に対する信号処理装置及び判定回路を具備すること、が好ましい。この理由は、微弱な部分放電信号に対して信号処理を施すことによりＳＮ比の改善が可能となり、自動判定が容易となるためである。

更に本発明は、上記のような本発明の部分放電試験用電源装置を用い、電源周波数との相関関係を記録しながら供試品の周波数応答特性を測定し、前記周波数応答特性のパターンから、前記供試品の異常の有無を判定すること、を特徴とする部分放電試験方法を提供する。

上記のような構成を有する本発明の部分放電試験方法によれば、いわゆる周波数応答解析ＦＲＡ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ａｎｙａｌｙｓｉｓ）により、対地絶縁又は層間絶縁等の異常の有無をより確実に検知することができる。

更にまた、本発明は、上記の本発明の部分放電試験用電源装置を具備すること、を特徴とする部分放電試験機能付き巻線機をも提供する。このような一体構造型の巻線機によれば、巻線機により製造したコイル等の異常を判定するために、外付けの部分放電試験用電源装置を取り付ける必要がなく、製造工業や製造ライン等において便利である。

ここで、部分放電試験機能付き巻線機に、供試品が絶縁破壊した場合に部分放電試験用電源装置を保護するための電源保護回路を備えていることが好ましい。このような巻線機によれば万が一試験中に試料が絶縁破壊した場合に部分放電試験用電源装置に与える影響を低減することが可能になる。

また、本発明の部分放電試験用電源装置又は部分放電試験機能付き巻線機は、遠隔操作により制御可能な通信手段を有していてもよい。このような通信手段としては、従来公知の技術を用いることができ、例えば、ＧＰＩＢを使用したＬＡＮ及びＰＣを用いることができる。例えば、電源電圧、周波数、周波数バターンの設定、電圧、電流及び電力それぞれの波形の同時モニターなどを遠隔操作できるものとする。これにより同時に多数の試験を遠隔操作により集中して実施可能となる。

本発明によれば、試験時間が短くても非破壊的で信頼性が高く確実に部分放電の有無を検出できる部分放電試験用電源装置、部分放電試験方法及び部分放電試験機能付き巻線機を提供することができる。

本発明の部分放電試験用電源装置（主要回路）の一実施形態を示す概略構成図である。 本発明の部分放電試験用電源装置１の変形例を示す概略構成図である。 本発明の部分放電試験用電源装置１における周波数の変化のさせ方の一例を示すグラフである。 本発明の部分放電試験用電源装置１において、交流電圧の位相制御によるサージ電圧の発生を利用したインパルス及び交流重畳試験の様子を示すグラフである。 本発明の部分放電試験用電源装置１において、周波数を変化させるパターンの一例を示すグラフである。

以下において、図面を参照しながら、本発明の部分放電試験用電源装置及びそれを用いた部分放電試験方法の代表的な実施形態について説明する。ただし、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々の設計変更が可能であり、これら設計変更した態様は当然に本発明に含まれる。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。

図１に示す部分放電試験用電源装置（主要回路）１は、周波数可変正弦波発振器２、インバータ電力増幅器４、変圧器６、帰還回路８及び部分放電（ＰＤ）検出回路１０を具備しており、周波数可変正弦波発振器２は、電圧を略一定に保持しながら周波数を連続的に可変でき、電源を入れるタイミングにおいて、正弦波に対する位相制御ができるものであり、試験品１２の部分放電を試験するものである。

この部分放電試験用電源装置１では、周波数可変周波数発信器２を用いて試験周波数の上限及び下限並びに周波数の変化のパターンを設定し、この出力をインバータ電力増幅器４に入力し、電力増幅を行う。ここで、インバータ電力増幅器４としては波形歪みの少ないものを使用し、具体的にはＭＯＳＦＥＴによる電力増幅器とする。

インバータ電力増幅器４の出力は変圧器６に入力され、二次側には高電圧が発生する。二次側出力は変圧器６の二次側に接続された容量分圧器である帰還回路８によりモニターされ、インバータ電力増幅器４側にフィードバックされる。これにより出力電圧を一定に保つことができる。

また、変圧器６としては、例えば電磁鋼板を鉄心材料として用いた試験用変圧器を使用することができるが、なかでも周波数特性の改善ならびに鉄損の低減という理由から、アモルファスまたはフェライトを鉄心材料として使用するのが好ましい。

帰還回路８としては、例えば図１に示すように抵抗やコンデンサを直並列に接続させた分圧器を使用することができ、なかでもコンデンサを縦に接続させた分圧器はジュール損失が少ないので、これを使用するのが好ましい。

また、試験品１２の接地側には部分放電検出回路１０を設ける。かかる部分放電検出回路１０としては、例えば高周波変流器、又は抵抗、コンデンサ、インダクタンス、又は変圧器を用いた電子回路を使用することができる。なかでもＳＮ比の改善という理由から、これらの電子回路を平衡回路として使用するのが好ましい。さらには部分放電から生じる電磁波を捕らえるアンテナを用いることも可能である。この場合アンテナの設置場所については試験回路から離れた位置とすることが可能である。

本実施形態の部分放電試験用電源装置１は、可搬型とすることも可能でありまた、部分放電検出に信号処理装置を取り付けることにより部分放電試験の自動化が可能となる。特に、
ノイズ除去にはウェーブレット変換やフーリエ変換などの周波数解析が有効である。さらに、ウェーブレット変換であれば、ウェーブレット関数やハール関数を基底関数に用いる方法よりも奇関数を基底関数に用いる方法がより有効的にノイズを除去することが可能になる。

上記のような本実施形態の部分放電試験用電源装置１を用いれば、電源周波数との相関関係を記録しながら供試品の周波数応答特性を測定し、前記周波数応答特性のパターンから、前記供試品の異常の有無を判定することができる（本実施形態の部分放電試験方法）。例えば、正常な供試品（コイル）と異常のある供試品（コイル）の周波数応答特性（閾値を含む。）をデータベース化して、測定値と比較して、供試品の部分放電の有無を判定する。

＜変形例＞
図２は、図１に示す部分放電試験用電源装置１の変形例を示しており、変圧器６の三次巻線１４を帰還回路８として利用する場合の回路構成図である。このように、三次巻線を帰還回路８として利用することにより、二次側容量が周波数の影響を受けないというメリットがある。

ここで、図３に、本実施形態の部分放電試験用電源装置１における周波数の変化のさせ方の一例を示すグラフである。このように、次第に周波数を経時的に増大させてもよいが、逆に、経時的に減少させてもよい。また、比例的に増大又は減少させてもよく、最初はゆっくりと次第に増大させたり、最初から増大させておき次第に減少させたりしてもよい。

また、図４は、交流電圧の位相制御によるサージ電圧の発生を利用したインパルス及び交流重畳試験の様子を示すグラフである。このように、本実施形態の部分放電試験用電源装置１ではインパルス及び交流重畳試験が可能であり、インパルス試験では電圧の立ち上り部分に起因する充電電流成分が重畳され、交流電圧に置き換えることにより、部分放電信号との区別をより容易に行うことができ、伝達関数の周波数依存性の変化をパターンとして検出することも可能である。

更に、図５は、周波数を変化させる態様の一例の様子を示すグラフである。このように、周波数を、予め設定した複数の周波数ｆ₁、ｆ₂及びｆ₃に、所定の時間間隔ごとに順番に変化させてもよい。

このような態様によれば、全周波数範囲を試験する場合に比べて時間を短縮することができ、また、連続的に周波数を変化させながら電圧を印加する場合と異なり、回路の共振周波数の通過を回避するように、本発明の部分放電試験用電源装置１を設計することができる。したがって、共振周波数を避けた複数の代表的な周波数を予め設定し、この周波数を順番に切り替えながら試験を実施するのが好ましい。なお、低電圧印加による試験では、最小と最大の周波数範囲で、伝達関数の確認を行ない共振特性の把握ならびに試験品の電気的異常の有無を判定するのが好ましい。

以上のように、本実施形態の部分放電試験用電源装置１及びこれを用いた部分放電試験方法においては、変圧器６の電圧は、予め試験品１２の部分放電を発生されることができるが、インパルス試験のように絶縁破壊には至らない電圧とすることにより、非破壊で被覆電線の欠陥を検出できる（低減電圧による非破壊試験）。

また、出力電圧は帰還回路８を通して電源側にフィードバックされるので、試験電圧を一定に保つことができる。

また、電源周波数は商用周波数から高周波に連続的に可変とすることにより、限られた短い試験時間の中で、周波数に応じた対地間及びレア間の巻線に対して効率よく巻線に電圧を印加できる。これにより漏れなく欠陥部を見つけることができる（試験品質の向上）。

更に、試験品１２の接地側には部分放電検出回路１０を設けることにより、欠陥部からの部分放電を直接検出することが可能となる。この場合、インパルス試験では電圧の立ち上り部分に起因する充電電流成分が重畳され、部分放電信号との区別に困難を伴っていたが、交流電圧に置き換えることにより、このような問題を原理的に回避できるとともに、伝達関数の周波数依存性の変化をパターンとして検出することも可能である。また、試験の自動化が可能である。

１・・・部分放電試験用電源装置（主要回路）
２・・・周波数可変正弦波発振器
４・・・インバータ電力増幅器
６・・・変圧器
８・・・帰還回路
１０・・・部分放電（ＰＤ）検出回路
１２・・・試験品
１４・・・三次回路。

Claims (18)

1. 電圧を略一定に保持しながら周波数を略一定範囲内で連続的に可変でき、電源を入れるタイミングにおいて、正弦波に対する位相制御ができる周波数可変正弦波発振器を具備すること、
   を特徴とする、供試品の部分放電の有無を検出するために用いる部分放電試験用電源装置。
2. 前記周波数が、予め設定された複数の周波数に時間間隔ごとに順番に可変すること、
   を特徴とする請求項１に記載の部分放電試験用電源装置。
3. 前記発振器で設定された正弦波を電力増幅する電力増幅器を具備すること、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の部分放電試験用電源装置。
4. 前記電力増幅器がインバータ方式であること、
   を特徴とする請求項３に記載の部分放電試験用電源装置。
5. 前記周波数可変正弦波発振器が、電源を切るタイミングにおいて、正弦波に対する位相制御を行って電流裁断によるサージ電圧又はインパルス電圧を印加できること、
   を特徴とする請求項１〜４のうちのいずれかに記載の部分放電試験用電源装置。
6. 出力電圧をフィードバックすることにより試験電圧を制御する帰還回路を具備すること、
   を特徴とする請求項１〜５のうちのいずれかに記載の部分放電試験用電源装置。
7. 前記電圧を発生させるタイミングを外部トリガーにより制御する手段を具備すること、
   を特徴とする請求項１〜６のうちのいずれかに記載の部分放電試験用電源装置。
8. 出力の出口にサージ吸収素子を具備すること、
   を特徴とする請求項１〜７のうちのいずれかに記載の部分放電試験用電源装置。
9. アモルファス磁性材料又はフェライトコアからなる鉄心を具備した変圧器を有すること、
   を特徴とする請求項１〜８のうちのいずれかに記載の部分放電試験用電源装置。
10. 部分放電検出手段を具備すること、
    を特徴とする請求項１〜９のうちのいずれかに記載の部分放電試験用電源装置。
11. 前記供試品の低圧側に部分放電検出回路を具備すること、
    を特徴とする請求項１〜１０のうちのいずれかに記載の部分放電試験用電源装置。
12. 部分放電を判定する部分放電検出センサを具備すること、
    を特徴とする請求項１〜１１のうちのいずれかに記載の部分放電試験用電源装置。
13. 部分放電信号に対する信号処理装置及び判定回路を具備すること、
    を特徴とする請求項１〜１２のうちのいずれかに記載の部分放電試験用電源装置。
14. 電圧、電流及び電力それぞれの波形を同時にモニターすること、
    を特徴とする請求項１〜１３のうちのいずれかに記載の部分放電試験機用電源装置。
15. 遠隔操作により制御可能な通信手段を有すること、
    を特徴とする請求項１〜１４のうちのいずれかに記載の部分放電試験機用電源装置。
16. 請求項１〜１５のうちのいずれかに記載の部分放電試験用電源装置を用い、電源周波数との相関関係を記録しながら供試品の周波数応答特性を測定し、前記周波数応答特性のパターンから、前記供試品の異常の有無を判定すること、
    を特徴とする部分放電試験方法。
17. 請求項１〜１５のうちのいずれかに記載の部分放電試験用電源装置を具備すること、
    を特徴とする部分放電試験機能付き巻線機。
18. 前記供試品が絶縁破壊した場合の電源保護回路を具備していること、
    を特徴とする請求項１７に記載の部分放電試験機能付き巻線機。