JP2017227465A - 絶縁劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変圧器の絶縁劣化を診断できる絶縁劣化診断装置を提供する。【解決手段】絶縁劣化診断装置は、サージ電流判定部(３１ａ)がサージ電流ありと判定し、かつ、サージ波形成分の波形データのうち、変圧器ＴＲの一次側と二次側の見做し同一相のサージ電流の波形データが互いに逆位相または逆極性のとき、変圧器ＴＲに絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性ありと判定する第１絶縁劣化判定部(３１ｂ)と、第１絶縁劣化判定部(３１ｂ)が上記予兆現象が発生した可能性ありと判定したとき、かつ、商用周波数成分の波形データのうち、サージ電流判定部(３１ａ)がサージ電流ありと判定した時点から少なくとも半サイクルの期間に、変圧器ＴＲの一相または二相で入出力間の電流比が予め設定された範囲内にないとき、変圧器ＴＲで漏電となる絶縁劣化または部分短絡となる絶縁劣化が発生したと判定する第２絶縁劣化判定部(３１ｃ)を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁劣化診断装置に関し、詳しくは、変電所などに設置された変圧器の絶縁劣化を診断する絶縁劣化診断装置に関する。

変電所などに設置された変圧器の故障を検出する装置には、電流比率継電器などが使われている。この電流比率継電器は、変圧器が一定の電圧比で電圧変換するときに電流値がその逆数の電流比で変換されることを利用し、変圧器内部に地絡電流等が漏れる要因が発生すると、変圧器に流れ込む方向の電流を正として、更にその電流比を加味した電流値の総和(もしくは電流比を加味した変圧器に流れ込む方向の零相電流成分の総和)が零にならなくなることを利用し、変圧器内の対接地間漏れ電流の有無を検出するものである。

しかしながら、上記電流比率継電器は、誤検出を避けるために検出範囲を狭くとってあり、電流値そのものが大きくなると、漏れ電流の有無の判定閾値も比例して大きくなる。また、この電流比率継電器は、商用周波の１サイクル以上継続する漏電事故を検出するものであり、瞬発的に発生する電流サージ波形等による事故予兆現象を検出するものではない。

しかるに事故が起こってしまうと、変圧器の補修や交換には、多大な時間が必要となり、その間停電状態が継続したり、変電所の稼働率が低下したりする。そのため、事故に至る前の事故予兆を検出し、劣化した絶縁オイルの交換など事前に対策を講じることができれば、変圧器の事故を未然に防ぐことも可能である。

最近では、そういった用途に供するため、変圧器等の機器内の絶縁劣化によって生じる放電現象について、その機器の周辺に配置したサージ波形検出用センサ−から得られるサージ波形データを元に、おおよその発生個所を特定したり、絶縁劣化の程度を予測したりすることが行われている。

また、誤検出の元となる不要な外来サージを低減させるためにフィルターを用いたり、線間波を用いたりすることで、外来の磁気誘導等によって生じる同相のノイズによる不要なサージ波形を互いにキャンセルさせることも行われてきた。

特許文献１には、送電線のサージの到達時間差によって、故障箇所を特定する方法が記されている。

また、特許文献１には、事故電圧サージの周波数成分を周波数バンド毎に抽出するサブバンドフィルターを用いて不要なノイズ成分を除去して故障個所を特定する方法が記載されている。

また、特許文献２には、電圧分圧器の二次側回路からコンデンサを経由してサージ電流を得る方法が記載されている。

また、特許文献３には、送電線から入力変換器でパルス波を取り込み、そのパルス波の極性を判定して内部事故か外部事故かを判断する方法が記載されている。

また、特許文献４には、メタリックモ−ド(送電線の電線間モ−ド)の線間波のサージ波形を用いることで、誘導ノイズ等の同相の誤差成分を排除しつつ故障点標定することが記載されている。

特許第３８４４７５７号(請求項１) 特許第４９１４３０６号(請求項１) 特許第４９７１２８５号(請求項１) 特許第４０４４４８９号(請求項１)

ところで、変圧器内部での地絡現象や短絡現象は、巻線数周分の短絡(ターンツーターンショートまたは単にワンターンショートという)では、入出力電流値に相間短絡(レイヤーツーレイヤーショートまたは単にレイヤーショートという)の場合ほどの変化を生じず、また、漏電ではないために電流比率継電器も動作しないことがある。そのような場合、地絡個所や短絡箇所(主に巻線間の部分短絡の場合が多いが)では巻線の抵抗値も小さいので、大電流が流れて発熱し、絶縁部材を急速に劣化させて大事故に進展する可能性が有るので、早急に発見して対処しなければならない。

そのため、変圧器について内部地絡時や部分短絡時に生じる僅かな放電パルスも検出可能とし、かつ、その放電パルスの前後の僅かな電流値の変化も評価でき、電流比率継電器などよりさらに高精度に事故や事故予兆現象を検出できる機能を有する装置が必要となっている。

従来の事故予兆検出装置では、絶縁破壊が起こる瞬間のサージ電流等を捉えて何らかの問題が発生していることを指摘できる機能はあるものの、絶縁破壊によって短絡状態やアーク閃絡状態が継続した場合、その状況を評価できる機能はなく、原因が判らないまま放置され、より大きな事故に繋がっていた。

そこで、本発明の課題は、主に発変電所の変圧器に適用して、変圧器内の絶縁劣化によって生ずる放電現象を外来サージ波形と区別して観測し、放電現象の結果生じる入出力電流値の変化が僅かな場合でも上記変化を高精度に検出し、その原因(内部地絡または巻線間の部分短絡など)を判定することにより、変圧器の絶縁劣化を診断できる絶縁劣化診断装置を提供することにある。

一般に絶縁物の劣化によって生じる放電パルスは、その継続時間が数μｓｅｃのものから数ｍｓｅｃのものまで様々であるが、事故予兆現象をなるべく早期に捉えようとする場合は、継続時間が最も短い数μｓｅｃ程度のものを検出できることが必要である。

変圧器内で絶縁破壊の結果起こる現象については、通常の保護リレ−(電流比率継電器など)で充分検出可能なほど影響の大きな現象である場合は問題ないが、本発明の課題は、変圧器内の絶縁劣化現象を高精度に捉え、その原因を推定する装置を提供することにある。

そのため、本発明の絶縁劣化診断装置は、高速度サンプリングで検出可能なサージ波形検出機能の他に、サージ波形の検出前後の商用周波の半サイクルから数サイクル分の低速度サンプリングで商用周波電流値の高精度の評価を行って、変圧器内部のワンターンショート現象の検出を行う。

本発明の絶縁劣化診断装置は、
変圧器の一次側および二次側の三相電流波形を検出する電流波形検出手段と、
上記電流波形検出手段により検出された上記三相電流波形のサージ波形成分を高サンプリング周波数でＡ／Ｄ変換する高速Ａ／Ｄ変換部と、
上記電流波形検出手段により検出された上記三相電流波形の商用周波数成分を低サンプリング周波数でＡ／Ｄ変換する低速Ａ／Ｄ変換部と、
上記高速Ａ／Ｄ変換部によりＡ／Ｄ変換された上記サージ波形成分の波形データを記憶する第１波形記憶部と、
上記低速Ａ／Ｄ変換部によりＡ／Ｄ変換された上記商用周波数成分の波形データを記憶する第２波形記憶部と、
上記サージ波形成分の波形データに基づいて、サージ電流の有無を判定するサージ電流判定部と、
上記サージ電流判定部が上記サージ電流ありと判定し、かつ、上記第１波形記憶部に記憶された上記サージ波形成分の波形データのうち、上記変圧器の一次側と二次側の同一相または見做し同一相の上記サージ電流の波形データが逆位相または逆極性のとき、上記変圧器に絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性ありと判定する第１絶縁劣化判定部と、
上記第１絶縁劣化判定部が、上記変圧器に絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性ありと判定したとき、かつ、上記第２波形記憶部に記憶された上記商用周波数成分の波形データにおいて、上記絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性ありと判定した時点から少なくとも半サイクルの期間に、上記変圧器の一相または二相で入出力間の電流比が予め設定された範囲内にないとき、上記変圧器で漏電となる絶縁劣化または部分短絡となる絶縁劣化が発生したと判定する第２絶縁劣化判定部と
を備えたことを特徴とする。

ここで、変圧器の一次側と二次側が共にＹ接続または△接続の同一結線方式であった場合は商用周波において対地間電圧波形または相間電圧波形の位相が同じ相または相間を言い、変圧器の一次側と二次側の一方がＹ接続で他方が△接続である場合は、Ｙ接続側の電流計測用ＣＴ(Current Transformer)の接続を△結線方式として変圧器の他方の△接続と商用周波において線間電圧波形の位相が同じになる相間を「見做し同一相」というものとする。

例えば、図３のように変圧器の一次側がＹ結線で二次側が△結線である場合は、一次側のＣＴ接続を図３のように△接続として一次側のＣＴの二次側の各相とそれに対応する変圧器の二次側の位相が同じとなる相同士が「見做し同一相」となる。

上記構成によれば、高速Ａ／Ｄ変換部によりＡ／Ｄ変換されたサージ波形成分の波形データを第１波形記憶部に記憶すると共に、低速Ａ／Ｄ変換部によりＡ／Ｄ変換された商用周波数成分の波形データを第２波形記憶部に記憶する。また、上記サージ波形成分の波形データに基づいて、サージ電流判定部はサージ電流の有無を判定する。そして、サージ電流判定部がサージ電流ありと判定し、かつ、第１波形記憶部に記憶されたサージ波形成分の波形データのうち、変圧器の一次側と二次側の同一相のサージ電流の波形データが逆位相または逆極性のとき、第１絶縁劣化判定部は、変圧器に絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性ありと判定する。次に、上記第１絶縁劣化判定部が、変圧器に絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性ありと判定したとき、かつ、第２波形記憶部に記憶された商用周波数成分の波形データにおいて、上記絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性ありと判定した時点から少なくとも半サイクルの期間に、変圧器の一相または二相で入出力間の電流比が予め設定された範囲内にないとき、第２絶縁劣化判定部は、変圧器で漏電となる絶縁劣化(または部分短絡となる絶縁劣化)が発生したと判定する。

このようにして、変圧器内部で漏電となる絶縁劣化(または部分短絡となる絶縁劣化)で生じた放電現象によるサージ電流と共に入出力電流値の僅かな変化を捉えて、そのサージ電流の原因(漏電(内部地絡)または巻線間の部分短絡など)を診断することができる。

なお、変電所などの変圧器には、タップ切り替え機能があり、部分短絡でなくても電圧比が変わる場合が有る。タップ切り替えの場合もサージは発生し、電圧比は変わるので、これらは区別するのが難しい。

そこで、本発明者は、変圧器のタップ切り替えの場合は電圧比が三相ともほぼ同時に変化するが、変圧器内部のワンターンショート等の場合は特定相のみ電圧比が変わることを利用して、両者を区別してワンターンショート等を検出する方法を検討した。

すなわち、一実施形態の絶縁劣化診断装置では、
上記第１絶縁劣化判定部により上記変圧器に絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性ありと判定し、かつ、上記第２波形記憶部に記憶された上記商用周波数成分の波形データにおいて、上記絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性ありと判定した時点の前後の上記変圧器の入出力間の上記電流比が三相とも略同時にかつ略同じ電流比で変化したとき、上記変圧器がタップ切り替えされたと判定するタップ切替判定部を備え、
上記第２絶縁劣化判定部は、上記タップ切替判定部により上記変圧器が上記タップ切り替えされたと判定したとき、上記漏電となる絶縁劣化または上記部分短絡となる絶縁劣化について判定しないことを特徴とした。

上記実施形態によれば、第１絶縁劣化判定部により変圧器に絶縁劣化(または絶縁劣化の予兆現象)が発生した可能性ありと判定し、かつ、第２波形記憶部に記憶された商用周波数成分の波形データにおいて、上記絶縁劣化(または絶縁劣化の予兆現象)が発生した可能性ありと判定した時点の前後の変圧器の入出力間の電流比が三相とも略同時にかつ略同じ電流比で変化したとき、タップ切替判定部は、変圧器がタップ切り替えされたと判定する。このとき、第２絶縁劣化判定部では、漏電となる絶縁劣化(または部分短絡となる絶縁劣化)について判定しない。

例えば、変電所の変圧器には、タップ切り替え機能があり、部分短絡でなくても電圧比が変わるタップ切り替えの場合に、サージ電流が発生して電圧比が変わるので、絶縁劣化によるサージ電流とタップ切り替えによるサージ電流を区別するのは難しい。

上記実施形態では、このような変圧器のタップ切り替えが行われたことをタップ切替判定部により判定したときは、第２絶縁劣化判定部は、漏電となる絶縁劣化(または部分短絡となる絶縁劣化)について判定しないので、タップ切り替えによる誤判定を防止できる。

また、一実施形態の絶縁劣化診断装置では、
上記変圧器の一次側または二次側の少なくとも一方の三相電流波形の零相成分を検出する零相成分検出手段を備え、
上記第２絶縁劣化判定部は、上記第１絶縁劣化判定部により上記変圧器に絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性ありと判定したとき、かつ、上記零相成分検出手段により検出された上記零相成分が予め設定された閾値を越えたとき、対接地間漏電と判定する。

上記実施形態によれば、第１絶縁劣化判定部により変圧器に絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性ありと判定したとき、かつ、零相成分検出手段により検出された三相電流波形の零相成分が予め設定された閾値を越えたとき、第２絶縁劣化判定部は対接地間漏電と判定する。これにより、変圧器の巻線と接地との間で漏電が生じていることが容易に分かる。

また、一実施形態の絶縁劣化診断装置では、
上記変圧器の一次側が中性点接地されたＹ結線であり、
上記零相成分検出手段は、上記変圧器の一次側の中性点接地電流を検出する。

上記実施形態によれば、零相成分検出手段により検出された変圧器の一次側の中性点接地電流に基づいて、対接地間漏電を確実に判定できる。

また、一実施形態の絶縁劣化診断装置では、
上記変圧器の一次側または二次側の少なくとも一方の三相電流波形の逆相成分を検出する逆相成分検出手段を備え、
上記第２絶縁劣化判定部は、上記第１絶縁劣化判定部により上記変圧器に絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性ありと判定したとき、かつ、上記逆相成分検出手段により検出された上記三相電流波形の逆相成分が予め設定された閾値を越えたとき、上記部分短絡が発生したと判定する。

上記実施形態によれば、第１絶縁劣化判定部により変圧器に絶縁劣化(または絶縁劣化の予兆現象)が発生した可能性ありと判定したとき、かつ、逆相成分検出手段により検出された三相電流波形の逆相成分が予め設定された閾値を越えたとき、第２絶縁劣化判定部は、部分短絡が発生したと判定する。これにより、変圧器内の巻線間で短絡現象が生じていることが容易に分かる。

以上より明らかなように、本発明の絶縁劣化診断装置では、高速サンプリング機能によるサージ波形検出機能と低速サンプリング機能による商用周波波形観測機能とを有しており、サージ波形検出によって何らかの事故予兆現象を検出した場合、それの発生個所が監視対象とする変圧器の内部かそれ以外の部分かをサージ波形の方向から判定した後、低速サンプリング機能によって収集した交流波形の半サイクル分のデータからその電流比を算出し、変圧器内部で部分短絡や地絡が発生しているか否かを判定することができる。

変圧器では、ワンターンショートという現象が有り、隣接巻線間で１巻線分のショートを起こしやすいが、これによる電圧変化は少ないため検出が容易でない。しかし、このようなワンターンショートという現象を放置すると、その部分が過熱して、変圧器火災や爆発事故に進展することがある。

本発明の絶縁劣化診断装置では、高速サンプリング機能によるサージ波形検出機能によって隣接巻線間でのワンターンショート現象を捉え、また低速サンプリング機能による商用周波波形観測機能によって電流実効値の変化を精密に測定することによって、僅かな電流比の変化も捉えるので、変圧器内部の部分短絡現象を確実に検出することが可能になる。

ところで、変電所の変圧器では、タップ切り替えによってもサージが発生して電圧比が変化するが、本発明の絶縁劣化診断装置では、電圧比の変化が三相同時である場合は、タップ切り替えによるものと判断する機能を備えることによって、誤検出を防ぐことができる。

また、変圧器内部で事故予兆として発生する地絡現象および短絡現象は、商用周波の半サイクルで終了することが多い。これは半サイクル内で電圧が零となり、アーク閃絡などが途絶え、電圧が零の間に辛うじて絶縁機能が復活することが多いからである。通常の継電器は、半サイクルの事故や故障では動作しないが、本発明の絶縁劣化診断装置では、商用周波の半サイクルで終了する地絡現象および短絡現象を検出し、かつ、その地絡現象および短絡現象が地絡事故予兆であるか短絡事故予兆であるかを識別することができる。

図１は本発明の実施の一形態の絶縁劣化診断装置を用いた絶縁劣化診断システムの構成を示す図である。 図２は上記絶縁劣化診断装置の診断対象機器の一例としての変圧器の(一次側Ｙ結線、二次側△結線)の結線図である。 図３は変圧器の一次側のＣＴ接続を△結線にして測定波形の位相を合わせた場合の結線図である。 図４は上記絶縁劣化診断装置の高速サンプリング波形の例を示す図である。 図５は図４の要部の拡大図である。 図６は上記絶縁劣化診断装置の高速サンプリング波形の例を示す図である。 図７は図６の要部の拡大図である。 図８はワンターンショートの模擬した変圧器ターンを示す模式図である。 図９は電流比率継電器の動作領域とワンターンショート時の電流増加量との関係を示す図である。 図１０はタップ切替器を有する変圧器の例を示す図である。

以下、本発明の絶縁劣化診断装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は本発明の実施の一形態の絶縁劣化診断装置１０を用いた絶縁劣化診断システムの構成を示している。なお、この絶縁劣化診断システムでは、一例として、受電線または母線より供給された三相電源が、送電線Ｌを介して変電所内の変圧器ＴＲの一次側に接続され、絶縁劣化診断装置１０によって変圧器ＴＲの絶縁劣化を診断する。

この実施の形態の絶縁劣化診断システムは、図１に示すように、変圧器ＴＲの一次側の各相の電流を電圧に変換する電流変換器１と、変圧器ＴＲの二次側の各相の電流を電圧に変換する電流変換器２と、上記電流変換器１,２からの信号を受けて、変圧器ＴＲの絶縁劣化を診断する絶縁劣化診断装置１０と、絶縁劣化診断装置１０からの判定結果を通信ネットワーク４０を介して受けるデータサーバー装置４１と、絶縁劣化診断装置１０からの判定結果を通信ネットワーク４０を介して受けて表示するモニター装置４２とを備えている。

上記絶縁劣化診断装置１０は、電流変換器１,２により変換された変圧器ＴＲの一次側,二次側の電流を計測用電圧信号に変換する計測用の電流電圧変換器３と、電流電圧変換器３により変換された計測用電圧信号から所定周波数以下の周波数成分をカットするハイパスフィルター１１と、ハイパスフィルター１１からの信号を高サンプリング周波数(この実施形態では１０ＭＨz)でＡ／Ｄ変換する高速Ａ／Ｄ変換器１２と、高速Ａ／Ｄ変換器１２によりデジタルデータに変換された波形データを所定サンプル数遅延させる遅延メモリー１３と、遅延メモリー１３からの波形データを記憶する主メモリー１４と、電流電圧変換器３により変換された計測用電圧信号から所定周波数以上の周波数成分をカットするアンチエリアジングフィルター２１と、アンチエリアジングフィルター２１からの信号を低サンプリング周波数(この実施形態では３．２ｋＨz)でＡ／Ｄ変換する低速Ａ／Ｄ変換器２２と、低速Ａ／Ｄ変換器２２によりデジタルデータに変換された波形データを所定サンプル数遅延させる遅延メモリー２３と、遅延メモリー２３からの波形データを記憶する主メモリー２４と、主メモリー１４,２４に記憶された波形データに基づいて、変圧器ＴＲを診断する診断部３１と、診断部３１からの判定結果を通信ネットワーク４０を介してデータサーバー装置４１とモニター装置４２に伝送する伝送部３２と、診断部３１の判定結果を表示する表示部３４とを備えている。

上記電流電圧変換器３は、電流波形検出手段の一例である。

高速サンプリング側の遅延メモリー１３の遅延時間は、サージ波形の一波程度であればよく、実際には更に余裕を見て数ｍｓｅｃの遅延時間になっている。また、低速サンプリング側の遅延メモリー２３の遅延時間は、交流波形の１サイクル程度であればよく、実際には更に余裕を見て数百ｍｓｅｃの遅延時間になっている。なお、高速サンプリング側の遅延メモリー１３と低速サンプリング側の遅延メモリー２３の波形データには、先頭に時刻コードデータが付随しているので、時間軸上の整合性は容易に得られる。

上記ハイパスフィルター１１と高速Ａ／Ｄ変換器１２で高速Ａ／Ｄ変換部の一例としてのサージ波形入力部１０１を構成し、遅延メモリー１３と主メモリー１４で第１波形記憶部の一例としてのサージ波形記録部１０２を構成している。また、上記アンチエリアジングフィルター２１と低速Ａ／Ｄ変換器２２で高速Ａ／Ｄ変換部の一例としての商用周波波形入力部２０１を構成し、遅延メモリー２３と主メモリー２４で第２波形記憶部の一例としての商用周波波形記録部２０２を構成している。

また、上記診断部３１は、サージ波形成分の波形データに基づいて、サージ電流の有無を判定するサージ電流判定部３１ａと、変圧器ＴＲに絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性の有無を判定する第１絶縁劣化判定部３１ｂと、変圧器ＴＲで漏電となる絶縁劣化(または部分短絡となる絶縁劣化)が発生しているか否かを判定する第２絶縁劣化判定部３１ｃと、変圧器ＴＲのタップ切り替えを判定するタップ切替判定部３１ｄとを有する。なお、変圧器ＴＲにタップ切り替え機能を有しない場合は、タップ切替判定部３１ｄは無くてもよい。

上記絶縁劣化診断システムにおいて、変圧器ＴＲの一次側の各相および二次側の各相の電流を電流変換器１,２により検出し、電流変換器１,２の二次側の電流信号を絶縁劣化診断装置１０内の電流電圧変換器３に入力する。そして、電流電圧変換器３で変換された電圧信号を、ハイパスフィルター１１を介して高速Ａ／Ｄ変換器１２に入力すると共に、アンチエリアジングフィルター２１を介して低速Ａ／Ｄ変換器２２に入力する。

このようにして、上記三相電流波形のサージ波形成分を高サンプリング周波数で高速Ａ／Ｄ変換器１２によりＡ／Ｄ変換すると共に、上記三相電流波形の商用周波数成分を低サンプリング周波数で低速Ａ／Ｄ変換器２２によりＡ／Ｄ変換する。

なお、高速Ａ／Ｄ変換器１２のサンプリング周波数は、数ＭＨz〜数十ＭＨzであればよく、低速Ａ／Ｄ変換器２２のサンプリング周波数は、数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚであればよい。

ここで、診断部３１のサージ電流判定部３１ａは、高速Ａ／Ｄ変換器１２からのサージ波形成分の波形データに基づいて、サージ電流の有無を判定する。例えば、サージ波形成分の波形データが所定サンプリング数分連続して判定値を超えたとき、サージ電流ありと判定する。なお、サージ電流の判定は、これに限らず、サージ波形成分の波形データについて所定サンプリング数の移動平均を演算し、その演算結果に基づいてサージ電流の判定を行ってもよい。

次に、診断部３１のサージ電流判定部３１ａがサージ電流ありと判定すると、高速Ａ／Ｄ変換器１２により１０ＭＨzでサンプリングした波形データをサージ波形記録部１０２に記録する。このとき、遅延メモリー１３により所定時間遅延した波形データが、主メモリー１４に一定サンプリング数記録される。すなわち、サージ電流ありと判定した時点前後のサージ波形成分の波形データが主メモリー１４に記録される。

また、低速Ａ／Ｄ変換器２２により３．２ｋＨｚでサンプリングした波形データを商用周波波形記録部２０２で記録する。このとき、遅延メモリー２３により所定時間遅延した波形データが、主メモリー２４に一定サンプリング数記録される。すなわち、サージ電流ありと判定した時点前後の商用周波数成分の波形データが主メモリー２４に記録される。

次に、サージ波形記録部１０２に記憶されたサージ波形成分の波形データのうち、変圧器ＴＲの一次側と二次側の同一相のサージ電流の波形データが逆位相(または逆極性)のとき、第１絶縁劣化判定部３１ｂは、変圧器ＴＲに絶縁劣化(または絶縁劣化の予兆現象)が発生した可能性ありと判定する。

次に、上記第１絶縁劣化判定部３１ｂが、変圧器ＴＲに絶縁劣化(または絶縁劣化の予兆現象)が発生した可能性ありと判定したとき、かつ、商用周波波形記録部２０２に記憶された商用周波数成分の波形データにおいて、上記絶縁劣化(または絶縁劣化の予兆現象)が発生した可能性ありと判定した時点から少なくとも半サイクルの期間に、変圧器ＴＲの一相または二相で入出力間の電流比が予め設定された範囲内にないとき、第２絶縁劣化判定部３１ｃは、変圧器ＴＲで漏電となる絶縁劣化(または部分短絡となる絶縁劣化)が発生したと判定する。

このようにして、上記絶縁劣化診断装置１０は、変圧器ＴＲ内部で漏電となる絶縁劣化(または部分短絡となる絶縁劣化)で生じた放電現象によるサージ電流と共に入出力電流値の僅かな変化を捉えて、そのサージ電流の原因(漏電(内部地絡)または巻線間の部分短絡など)を診断することができる。

＜変圧器の巻線の構成＞
ところで、変圧器ＴＲの巻線の構成は、図１のような「一次側も二次側も△結線」の場合以外にも「一次側も二次側もＹ結線」、「一次側Ｙ結線−二次側△結線」などのような場合が有る。

一次側,二次側とも同一結線方式ならば各相の電流波形は各々位相が一致する。しかしながら、一次側Ｙ結線−二次側△結線の場合のように、一次側と二次側とで同名称の相でも位相差が生じるので、電流比の測定には工夫が必要である。

例えば、図２に示すように、一次側がＹ結線、二次側が△結線の場合、一次側と二次側とでは各相の電流波形の位相は３０°異なる。これを合わせるためには、一次側の電流変換器１(図１に示す)のＣＴ接続を図３に示すように△結線にして、一次側でも各相の差電流が検出できるようにすれば良い。

図２において、一次側の電流ＩＡを検出する電流変換器ＣＴ11と、一次側の電流ＩＢを検出する電流変換器ＣＴ12と、一次側の電流ＩＣを検出する電流変換器ＣＴ13で電流変換器１(図１に示す)を構成している。図２の「○」印は、電流測定ポイントＰ11, Ｐ12, Ｐ13, Ｐ0, Ｐ21, Ｐ22, Ｐ23である(図３も同様)。また、ＩＡ_Ｐ,ＩＢ_Ｐ,ＩＣ_Ｐは一次側の相電流、ＩＡ_Ｓ,ＩＢ_Ｓ,ＩＣ_Ｓは二次側の線間電流である。例えば、図２の右下側に示すように、二次側の電流Ｉａは、
Ｉａ＝ＩＡ_Ｓ−ＩＣ_Ｓ
で表される。

また、図２において、二次側の電流Ｉａを検出する電流変換器ＣＴ21と、二次側の電流Ｉｂを検出する電流変換器ＣＴ22と、二次側の電流Ｉｃを検出する電流変換器ＣＴ23で電流変換器２(図１に示す)を構成している。

このように、変圧器ＴＲの一次二次間の結線方法が異なる場合は、ＣＴの結線方法で調整して観測波形の位相を一致させる。なお、このようなＣＴの結線方法は、既存の電流比率継電器にも用いられている従来から既存の手法である。

一般には、変電所の取り扱う電圧は高電圧であるため、絶縁材料のコストを削減するため、各相の対地電圧が低くなるように中性点を接地するのが普通である。その場合は、一次側も二次側もＹ結線となり、各相の位相を合わせる必要は生じない。

図３の結線方式の場合、一次側の零相電流成分は、電流変換器ＣＴ11, ＣＴ12, ＣＴ13の△結線回路内を循環するため、各相の観測波形データ内には表れてこない。そのため、零相電流成分は、変圧器ＴＲ一次側の中性点接地回路上の電流変換器ＣＴ0から検出する必要が有る。

図３の一次側の電流変換器ＣＴ11, ＣＴ12, ＣＴ13の接続方法では、各相の測定データに零相成分が含まれなくなるので、３相とも同相成分となる波形は観測できなくなる点に注意が必要である。

次に、図４に高速サンプリング波形の例を示し、図５に図４の要部の拡大波形を示している。図５の上側から下側に向かって順に、７７ｋＶ二次側の電流Ｉａ、７７ｋＶ二次側の電流Ｉｂ、７７ｋＶ二次側の電流Ｉｃ、２７５ｋＶ一次側の電流(Ｉａ−Ｉｃ)、２７５ｋＶ一次側の電流(Ｉｂ−Ｉａ)、２７５ｋＶ一次側の電流(Ｉｃ−Ｉｂ)を示している。

この波形はいわゆるＣ相地絡の例であるが、高速サンプリングデータでは、三相ともほぼ同じ波形データとなっており、変圧器ＴＲ内部の漏電やワンターンショート等ではない場合の波形例である。

図４の波形例では、変圧器ＴＲは図３の接続方式である。波形の位相は同極性であれば商用周波においては、二次側のＩ_ｂと一次側の(Ｉ_ｂ−Ｉ_ａ)とが一致するが、図５より、高速サンプリング波形においても同様であることが判る。この波形例では、上記二次側のＩ_ｂと一次側の(Ｉ_ｂ−Ｉ_ａ)とが一致しているので、両者の波形は同極性と判定できる。したがって、図４の波形例では、変圧器ＴＲ内部で発生したサージ波形でない。

一方、図６および図７のように逆極性となる場合もある。図７の上側から下側に向かって順に、７７ｋＶ二次側の電流Ｉａ、７７ｋＶ二次側の電流Ｉｂ、７７ｋＶ二次側の電流Ｉｃ、２７５ｋＶ一次側の電流(Ｉａ−Ｉｃ)、２７５ｋＶ一次側の電流(Ｉｂ−Ｉａ)、２７５ｋＶ一次側の電流(Ｉｃ−Ｉｂ)を示している。

ただし、商用周波の場合とは異なり、サージ波形は変圧器ＴＲの一次側と二次側とでは波形の形そのものがかなり変わっていて相似形ではないので、波形の立ち上がりの方向や立ち上がり後の初回のピ−ク点周辺のサンプリング値の比較によって判定する。

図６,図７の波形例では、一次側と二次側の波形の先頭部分の極性が逆になっているので、変圧器ＴＲ内部で発生したサージ波形である可能性が大きいことが判る。

そのような場合には、サージ波形が検出された時点前後の低速サンプリング波形から商用周波電流成分の実効値を求め、その比較から変圧器ＴＲの電流比を求める。

その結果、特定の相のみが他の相に比して電流比が異なっている場合は、その相の巻線において、ワンターンショート等が生じていると判定できる。

＜ワンターンショート＞
ここで、公知の内容であるが、ワンターンショートについて簡単に説明する。

変圧器は、コアの周囲に一次巻線、二次巻線等を積層して巻いてあり、コアと巻線の間、一次と二次の巻線間の間、巻線の各層の間にはセパレ−タ(絶縁体)があって絶縁されている。

小型の変圧器では、巻線自身にも絶縁用のエナメル等が塗ってあるが、これは耐電圧性能が乏しく絶縁破壊しやすい。大型変圧器でも巻線にはオイルを含浸させた絶縁紙などが巻いてあるが、各層間のセパレ−タ程の耐電圧性能は無い。

同相間では、セパレ−タもなく巻線同士が密接して巻いてあるので、絶縁紙等が劣化してくると、隣接する巻線間でアーク放電を起こしやすくなる。

今、コアにＮ回巻かれたコイルの１回分が短絡したとすると、これは通常の(Ｎ−１)回巻のコイルと１回巻のコイルからなる変圧器と考えられるので、(Ｎ−１)回巻のコイルに印加された交流電圧Ｖin[Ｖ]の１／(Ｎ−１)が短絡した１回巻のコイル部分に誘起されることになる。一方、１回巻のコイル部分に流れる電流は(Ｎ−１)回巻のコイル部分に流れる電流の(Ｎ−１)倍になる。

変圧器には、以下の(式１-1), (式１-2)が成り立つ。
交流では、
ただし、

ところで、変圧器には、必ず漏れ磁束が存在する。変圧器の一次側および二次側の漏れ磁束による漏れインダクタンスをそれぞれＬ_ＳＣ１、Ｌ_ＳＣ２、変圧に寄与するインダクタンスをそれぞれＬ_ｍ１、Ｌ_ｍ２とすると、一次側および二次側のインダクタンスＬ_１およびＬ_２はそれぞれ、
Ｌ_１＝Ｌ_ｍ１＋Ｌ_ＳＣ１
および、
Ｌ２＝Ｌ_ｍ２＋Ｌ_ＳＣ２
となる。また、相互インダクタンスＭは、
である。

図８はワンターンショートの模擬した変圧器ターンを示す模式図である。図８において、ｖ_１は一次側巻線に印加される電圧、ｖ_２は二次側巻線の電圧である。

ここで、一次側巻線に印加される電圧ｖ_１は、
である。

変圧器の一次側巻線に起こるワンターンショートは、図８に示す変圧器ターンで二次側の巻線を１ターンにして短絡させ、その短絡部分を一次側巻線の間に割り込ませた場合と等価である。

上記の(式１-1),(式１-2)より、二次側短絡を模擬するため、ｖ_２＝０とおいて、
の二行目の式から、二次側の複素電流実効値は、
で表され、この二次側の複素電流実効値を一行目の式に代入すると、一次側の複素電圧実効値は、
となる。この(式２)で更に漏れ磁束を考慮すると、次の(式３)となる。

ここで、比透磁率が数千のコアの中を通る磁束に対して、比透磁率１の気中に漏れる磁束は少ないので、
と近似できる。

上記(式４)の右辺を上記(式３)の右辺に代入すると、
となる。

一次側の変圧に寄与するインダクタンスＬ_ｍ１と二次側の変圧に寄与するインダクタンスＬ_ｍ２は、巻線数の二乗に比例するので、その比(Ｌ_ｍ１／Ｌ_ｍ２)は巻線数の二乗比になる。この場合、(Ｎ−１)対１なので、
(Ｌ_ｍ１／Ｌ_ｍ２)＝(Ｎ−１)^２
になる。

一方、１回巻の部分の漏れ磁束は(Ｎ−１)回巻の部分の漏れ磁束の１／(Ｎ−１)であると近似できるので、一次側の漏れインダクタンスＬ_ＳＣ１と一次側の漏れインダクタンスＬ_ＳＣ２との関係は、
Ｌ_ＳＣ２＝Ｌ_ＳＣ１／(Ｎ−１)
で表される。この関係を考慮すると、上記(式５)は
となり、ワンターンショートによる一次側回路の短絡電流は、次の(式７)のようになる。

漏れインダクタンスは、変圧に寄与するインダクタンスの数％以下なので、仮に巻線数がＮ＝１０００としても、通常時の電流の数十分の一が増加して流れることになる。

また、二次側で短絡している一回巻コイルの部分の電流は、(式７)の(Ｎ−１)倍であり、次の(式８)で表される。

一方、電流比率継電器は、変圧器の入力電流と電圧比の逆数となる一次二次間の電流比を考慮した一次二次間の電流差を求め、これが有る閾値を越えた場合に異常を検出するものであるが、数％程度の電流比の変化は変圧器のタップ変更時にも発生するので、それによって停止しても困るので、電流比率継電器では動作領域を狭く採ってある。また、電流値が大きい場合には、図９に示すように、更に動作領域が狭くなっている。

図９は電流比率継電器の動作領域とワンターンショート時の電流増加量との関係を示している。図９の横軸は入出力電流のスカラー和を表し、縦軸は電流比を考慮した入出力電流のベクトル和を表している。

ここで、一次側の巻線数をＮ_１、二次側の巻線数をＮ_２、一次側の複素電流Ｉ_１、二次側の複素電流Ｉ_２とすると、入出力電流のスカラー和は、
で表される。また、入出力電流のベクトル和は、
で表される。

図９に示すように、電流比率継電器では動作領域を狭く採ってあり、電流値が大きい場合には、更に動作領域が狭くなっている。ワンターンショート時の電流増加は、入出力電流のスカラー和に関わらず、電流比率継電器の最小検出誤差許容範囲の上限よりも小さい。

そのため、ワンターンショートを発見するには、本発明の絶縁劣化診断装置のように、より精度の高い検出方法が必要となってくる。

＜タップ切替器を有する変圧器＞
図１０はタップ切替器を有する変圧器の例を示している。なお、図１０では、変圧器の一相のみを示している。

変電所の大型変圧器には、一次側にタップ切替器があり、これを切り替えて二次側の出力電圧を調整する。このタップ位置情報は変電所制御室の制御卓には表示されているが、絶縁劣化診断装置で取り込んでいる低速サンプリングデータによる電流比を観測すれば簡単に得られる値である。

図１０の例では、一次側の巻線数をＮ_ＩＮＸ、二次側の巻線数をＮ_ＯＵＴとすると、電圧比は、
で表され、その逆数である電流比は、
である。

したがって、一次側の電流に電流比を掛けたものから二次側の電流を差し引けば零になるはずである。一次側も二次側も変圧器に電流が流れ込む方向を正にとれば、上記電流の差(ベクトル和)が零になる。その値をＩ_ｄとおき、交流理論における複素電流ベクトルで表現すれば、Ｉ_ｄは次の(式９)のようになる。

ここで、電流比をＣ_ｐとおけば、
である。変圧器のタップは当初中央のタップ位置に置かれる。その場合の中央のタップ位置での一次側の巻線数をＮ_ＩＮ０、電流比をＣ_ｐとすると、
である。

変圧器のタップが切り替わる場合はサージ電流が発生するので、絶縁劣化診断装置１０において、そのサージ電流の前後において低速サンプリングされた波形データを取り込み、サージ電流の前後数サイクル分の波形データから入出力電流のベクトル量を求め、この電流比の変化を調べる。電流比が三相とも略同タイミングで同様に変化している場合は、変圧器のタップ切り替えが行われたと判断して電流比Ｃ_ｐの値を更新する。この電流比は３相とも常に同一値であり、複数の変圧器が並列運転されている場合も、そのすべての変圧器において同一の値になるよう制御されている。

一方、ワンターンショートが発生している場合は、一相のみで上記(式９)のＩ_ｄの値が大きくなる。ワンターンショートは、一度発生すると商用周波の半サイクル相当時間程度継続して終了する場合が多い。これは、交流電圧の零クロス時点でアーク閃絡が途絶えるためである。一方、変圧器のタップ切り替えの場合は三相ほぼ同時であり、また次に切り替わるまで同一状態が継続するので、その判別は容易である。

このように、第１絶縁劣化判定部３１ｂにより変圧器ＴＲに絶縁劣化(または絶縁劣化の予兆現象)が発生した可能性ありと判定し、かつ、商用周波波形記録部２０２(第２波形記憶部)に記憶された商用周波数成分の波形データにおいて、上記絶縁劣化(または絶縁劣化の予兆現象)が発生した可能性ありの前後の変圧器の入出力間の電流比が三相とも略同時にかつ略同じ電流比で変化したとき、タップ切替判定部３１ｄは、変圧器がタップ切り替えされたと判定する。このとき、第２絶縁劣化判定部３１ｃでは、漏電となる絶縁劣化(または部分短絡となる絶縁劣化)について判定しない。

例えば、変電所のタップ切り替え機能を有する変圧器において、部分短絡でなくても電圧比が変わるタップ切り替えを行った場合に、サージ電流が発生して電圧比が変わるので、これらを区別するのは難しい。

上記実施形態では、このような変圧器のタップ切り替えが行われたことをタップ切替判定部３１ｄにより判定したときは、第２絶縁劣化判定部３１ｃは、漏電となる絶縁劣化(または部分短絡となる絶縁劣化)について判定しないので、タップ切り替えによる誤判定を防止できる。

なお、上記絶縁劣化診断装置１０において、変圧器ＴＲの一次側または二次側の少なくとも一方の三相電流波形の零相成分を検出する零相成分検出手段を備えてもよい。

この場合、零相成分検出手段により検出された三相電流波形の零相成分を、アンチエリアジングフィルター２１を介して低速Ａ／Ｄ変換器２２に入力する。そして、上記三相電流波形の零相成分を低サンプリング周波数で低速Ａ／Ｄ変換器２２によりＡ／Ｄ変換する。

次に、第２絶縁劣化判定部３１ｃは、第１絶縁劣化判定部３１ｂにより変圧器ＴＲに絶縁劣化(または絶縁劣化の予兆現象)が発生した可能性ありと判定したとき、かつ、零相成分検出手段により検出された零相成分が予め設定された閾値を越えたとき、対接地間漏電と判定する。これにより、変圧器ＴＲの巻線と接地との間で漏電が生じていることが容易に分かる。

ここで、上記変圧器ＴＲの一次側が中性点接地されたＹ結線とすることによって、零相成分検出手段により検出された変圧器ＴＲの一次側の中性点接地電流に基づいて、対接地間漏電を確実に判定できる。

また、上記絶縁劣化診断装置において、変圧器ＴＲの一次側または二次側の少なくとも一方の三相電流波形の逆相成分を検出する逆相成分検出手段を備えてもよい。

この場合、第１絶縁劣化判定部３１ｂにより変圧器ＴＲに絶縁劣化(または絶縁劣化の予兆現象)が発生した可能性ありと判定したとき、かつ、逆相成分検出手段により検出された三相電流波形の逆相成分が予め設定された閾値を越えたとき、第２絶縁劣化判定部３１ｃは、部分短絡が発生したと判定する。これにより、変圧器ＴＲ内の巻線間で短絡現象が生じていることが容易に分かる。

なお、上記三相電流波形の零相成分と逆相成分は、変圧器の一次側および二次側の三相電流波形を検出する電流波形検出手段の回路構成により零相成分と逆相成分とを分離してもよいし、あるいは、三相電流波形をＡ／Ｄ変換した後の各相間の波形データの瞬時値の加算や差分演算によって、零相成分と逆相成分とを分離してもよい。

上記実施の形態では、変電所内の変圧器ＴＲの絶縁劣化を診断する絶縁劣化診断装置１０について説明したが、発電所内の変圧器やその他の変圧器の絶縁劣化を診断してもよい。

本発明の具体的な実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々変更して実施することができる。

１…電流変換器
２…電流変換器
３…電流電圧変換器
１０…絶縁劣化診断装置
１１…ハイパスフィルター
１２…高速Ａ／Ｄ変換器
１３…遅延メモリー
１４…主メモリー
２１…アンチエリアジングフィルター
２２…低速Ａ／Ｄ変換器
２３…遅延メモリー
２４…主メモリー
３１…診断部
３１ａ…サージ電流判定部
３１ｂ…第１絶縁劣化判定部
３１ｃ…第２絶縁劣化判定部
３１ｄ…タップ切替判定部
３２…伝送部
３４…表示部
４０…通信ネットワーク
４１…データサーバー装置
４２…モニター装置
１０１…サージ波形入力部
１０２…サージ波形記録部
２０１…商用周波波形入力部
２０２…商用周波波形記録部

Claims (5)

1. 変圧器の一次側および二次側の三相電流波形を検出する電流波形検出手段と、
   上記電流波形検出手段により検出された上記三相電流波形のサージ波形成分を高サンプリング周波数でＡ／Ｄ変換する高速Ａ／Ｄ変換部と、
   上記電流波形検出手段により検出された上記三相電流波形の商用周波数成分を低サンプリング周波数でＡ／Ｄ変換する低速Ａ／Ｄ変換部と、
   上記高速Ａ／Ｄ変換部によりＡ／Ｄ変換された上記サージ波形成分の波形データを記憶する第１波形記憶部と、
   上記低速Ａ／Ｄ変換部によりＡ／Ｄ変換された上記商用周波数成分の波形データを記憶する第２波形記憶部と、
   上記サージ波形成分の波形データに基づいて、サージ電流の有無を判定するサージ電流判定部と、
   上記サージ電流判定部が上記サージ電流ありと判定し、かつ、上記第１波形記憶部に記憶された上記サージ波形成分の波形データのうち、上記変圧器の一次側と二次側の同一相または見做し同一相の上記サージ電流の波形データが逆位相または逆極性のとき、上記変圧器が絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性ありと判定する第１絶縁劣化判定部と、
   上記第１絶縁劣化判定部が、上記変圧器に絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性ありと判定したとき、かつ、上記第２波形記憶部に記憶された上記商用周波数成分の波形データにおいて、上記絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性ありと判定した時点から少なくとも半サイクルの期間に、上記変圧器の一相または二相で入出力間の電流比が予め設定された範囲内にないとき、上記変圧器で漏電となる絶縁劣化または部分短絡となる絶縁劣化が発生したと判定する第２絶縁劣化判定部と
   を備えたことを特徴とする絶縁劣化診断装置。
2. 請求項１に記載の絶縁劣化診断装置において、
   上記第１絶縁劣化判定部により上記変圧器に絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性ありと判定し、かつ、上記第２波形記憶部に記憶された上記商用周波数成分の波形データにおいて、上記絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性ありと判定した時点の前後の上記変圧器の入出力間の上記電流比が三相とも略同時にかつ略同じ電流比で変化したとき、上記変圧器がタップ切り替えされたと判定するタップ切替判定部を備え、
   上記第２絶縁劣化判定部は、上記タップ切替判定部により上記変圧器が上記タップ切り替えされたと判定したとき、上記漏電となる絶縁劣化または上記部分短絡となる絶縁劣化について判定しないことを特徴とする絶縁劣化診断装置。
3. 請求項１または２に記載の絶縁劣化診断装置において、
   上記変圧器の一次側または二次側の少なくとも一方の三相電流波形の零相成分を検出する零相成分検出手段を備え、
   上記第２絶縁劣化判定部は、上記第１絶縁劣化判定部により上記変圧器に絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性ありと判定したとき、かつ、上記零相成分検出手段により検出された上記零相成分が予め設定された閾値を越えたとき、対接地間漏電と判定することを特徴とする絶縁劣化診断装置。
4. 請求項３に記載の絶縁劣化診断装置において、
   上記変圧器の一次側が中性点接地されたＹ結線であり、
   上記零相成分検出手段は、上記変圧器の一次側の中性点接地電流を検出することを特徴とする絶縁劣化診断装置。
5. 請求項１から４までのいずれか１つに記載の絶縁劣化診断装置において、
   上記変圧器の一次側または二次側の少なくとも一方の三相電流波形の逆相成分を検出する逆相成分検出手段を備え、
   上記第２絶縁劣化判定部は、上記第１絶縁劣化判定部により上記変圧器に絶縁劣化または絶縁劣化の予兆現象が発生した可能性ありと判定したとき、かつ、上記逆相成分検出手段により検出された上記三相電流波形の逆相成分が予め設定された閾値を越えたとき、上記部分短絡が発生したと判定することを特徴とする絶縁劣化診断装置。