JP2018096919A - 変圧器内部の部分放電検出装置及びそれを備えた変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、変圧器の絶縁設計に影響することなく、また、電磁ノイズの影響を受けにくい高精度な部分放電光を検出し、さらに、部分放電発生位置を判断することができる装置を提供することである。【解決手段】本発明は、タンク（１）及び前記タンク内部に、鉄心（２）と、低圧巻線（３）と、高圧巻線（４）と、タップ切換装置（５）と、絶縁筒（６ａ〜６ｆ）と、を有する変圧器の部分放電検出装置において、前記鉄心と、前記低圧巻線と、前記高圧巻線と、前記タップ切換装置と一番近い絶縁筒の上端部及び下端部のそれぞれに配置される複数の受光素子（７ａ〜８ｆ）と、前記複数の受光素子で検出した信号を送信する複数の光ファイバ（９〜９ｃ）と、前記複数の光ファイバと接続される、前記タンク壁面に取り付けた気密端子（１０）と、前記気密端子と接続されたタンク外部に設置した信号処理部（１１）とを備えたことを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は変圧器内部の放電による異常を監視する変圧器内部の部分放電検出装置及びそれを備えた変圧器に関するものである。

変圧器内部で発生する部分放電の発生原因は、絶縁物の劣化、金属性異物の高圧電極や固体絶縁物への付着、あるいは、金属導体の電気的な接続が不十分な場合などであり、部分放電が発生すると機器の寿命を短くしたり、絶縁破壊を招き停電を引き起こすことになる。特に変圧器の高経年化に伴って、部分放電の検出が重要になっている。そのため、部分放電を速やかに検出し対処する必要がある。一般的に使用されている音響センサ、ＵＨＦセンサ、電流センサはノイズを受けやすいため、部分放電位置の高精度検出は困難である。

特開２０００−１１４０５４号公報（以下、特許文献１と呼ぶ）に記載された変圧器監視装置では、変圧器の絶縁筒の内側・外側に巻き込まれた蛍光ファイバを設置し、部分放電光を蛍光センサで検出し、その蛍光を蛍光ファイバを経由して検出して部分放電を検出する手法が記載されている。

特開２０００−１１４０５４号公報

しかしながら、特許文献１のように絶縁筒の内側・外側にまき込まれると、巻線と絶縁筒間の絶縁が厳しくなり、また流路に支障をきたし、変圧器を大きく設計する必要がある。且つ、既設変圧器に対しては、後付けが困難である。

そこで、本発明は、変圧器の絶縁設計に影響することなく、また、電磁ノイズの影響を受けにくい高精度な部分放電光を検出し、さらに、部分放電発生位置を判断することができる装置を提供することである。

本発明は、タンク及び前記タンク内部に、鉄心と、低圧巻線と、高圧巻線と、タップ切換装置と、絶縁筒と、を有する変圧器の部分放電検出装置において、前記鉄心と、前記低圧巻線と、前記高圧巻線と、前記タップ切換装置と一番近い絶縁筒の上端部及び下端部のそれぞれに配置される複数の受光素子と、前記複数の受光素子で検出した信号を送信する複数の光ファイバと、前記複数の光ファイバと接続される、前記タンク壁面に取り付けた気密端子と、前記気密端子と接続されたタンク外部に設置した信号処理部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、変圧器の絶縁設計に影響することなく、また、電磁ノイズの影響を受けにくい高精度な部分放電光を検出し、さらに、部分放電発生位置を判断することができる装置を提供することができる。

実施例１の部分放電検出装置を備えた変圧器を示す縦断面図である。 実施例１の受光素子８ｃの構造を示す部分拡大縦断面図である。 実施例１の受光素子８ａの構造を示す部分拡大縦断面図である。 実施例１の受光素子を利用して得られた部分放電光を検出した実験結果である。 実施例１における一例である受光素子と受光窓の配置方向を説明する部分拡大縦断面図である。 実施例２の部分放電検出装置を備えた変圧器を示す縦断面図である。

以下、図面を用いて本発明の部分放電検出装置を備えた変圧器を説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同一符号を使用する。

図１に、実施例１における部分放電検出装置を備えた変圧器の縦断面図を示す。

該図に示す如く、本実施例の変圧器１００は、タンク１の内部に、鉄心２、低圧巻線３、高圧巻線４、タップ切換装置５、及び前記鉄心２と低圧巻線３の間に流路・絶縁を確保するための絶縁筒６ａ、前記低圧巻線３と高圧巻線４に流路・絶縁を確保するための複数の絶縁筒６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、高圧巻線４とタップ切換装置５間の流路・絶縁を確保するための絶縁筒６ｆを有する。なお、各絶縁板を内側から第１の絶縁筒６ａ、第２の絶縁筒６ｂ、第３の絶縁筒６ｄ、第４の絶縁筒６ｅ、第５の絶縁筒６ｃ、第６の絶縁筒６ｆと呼ぶこととする。

部分放電光を検出するための受光素子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｆ及び８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｆは鉄心２、低圧巻線３、高圧巻線４、タップ切換装置５から一番近い第１の絶縁筒６ａ、第２の絶縁筒６ｂ、第５の絶縁筒６ｃ、第６の絶縁筒６ｆの上端部及び下端部にそれぞれ配置する。

前記受光素子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｆ及び８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｆで得られた信号を光ファイバ９を利用して、タンク１に取りつけられた気密端子１０を通して、タンク１の外部に配置した信号処理部１１に検出した放電光を導き、得られた信号を処理し、部分放電及び部分放電発生部位を検出する。また、光ファイバ９は第１の絶縁筒６ａ、第２の絶縁筒６ｂ、第５の絶縁筒６ｃ、第６の絶縁筒６ｆに接して配置する。

通常の状態ではタンク１の内部では光が発生することがないため、光が検出されれば直ちに内部に異常が発生したと判断できる。このような方法で、鉄心、巻線、タップ切換装置の部分放電をすべて観測することができる。一方、場合によって、ブッシングの部分放電光も検出可能である。

図２に、実施例１における受光素子８ｃの構造を示す部分拡大縦断面図を示す。

受光素子８ｃは受光窓１２、絶縁カバー１３、電磁遮蔽フィルム１４、信号増幅・転送速度変換ユニット１５、光ファイバ９ｃで構成される。電界集中を防ぐために、受光窓１２の材質は絶縁板の誘電率に近い透明な材料、例えば石英ガラス等で構成する。受光素子８ｃの絶縁性能を確保するために、受光窓１２以外の最外周に絶縁カバー１３を設ける。絶縁カバーの材質は絶縁板と同じ材質で構成する。

一方、広い範囲の微弱な光を検出するために、一般的に光電子増倍管を利用することがある。しかし、このような光電子増倍管を利用する場合に、電磁波によるノイズの影響を受けやすい。また、同じ部位で発生した部分放電光を同じ絶縁筒の上端部及び下端部に配置する受光素子の受けた光信号の強度、および信号処理部１１に到達した検出信号の時間の差を利用して、部分放電光発生部位を検出するため、検出信号の時間の差を十分差別化させるために、信号転送速度変換回路を利用する。しかし、信号転送速度変換回路を用いた場合には信号転送速度を変換するために、電気回路を利用することになり、この場合には一般的には、電磁波によるノイズの影響を受けやすい。

上記の影響を避けるために、電磁遮蔽フィルム１４を絶縁カバー１３と信号増幅・転送速度変換ユニット１５（信号転送速度変換回路）の間に設ける。これにより、信号増幅・転送速度変換ユニット１５への電磁波によるノイズの影響を防止できる。なお、電磁遮蔽フィルム１４の材質と厚さは信号増幅・転送速度変換ユニット１５が電磁波によるノイズの影響を受けない程度で良い。

受光窓で検出した部分放電光の信号は信号増幅・転送速度変換ユニット１５で光信号を電気信号に変換し、出力としては再び光信号に変換して、光ファイバ９ｃで信号処理部１１に信号を転送する。光ファイバ９は電磁ノイズの影響を受けにくく、また、絶縁的に良好であるため、高精度に信号を検出することができる。なお、受光素子７ｂ、７ｃ、８ｂは受光素子８ｃと同様の構造である。

図３に、実施例１における受光素子８ａの構造を示す部分拡大縦断面図を示す。図２と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

一般的に、鉄心２と低圧巻線３間の第１の絶縁筒６ａのみに配置するため、図３に示すように、第１の受光窓１２ａと第２の受光窓１２ｂを２個配置する。第１の受光窓１２ａは鉄心２に面して、鉄心２から発生する部分放電光を検出する。第２の受光窓１２ｂは低圧巻線３に面して、低圧巻線３の左側から発生する部分放電光を検出する。

このような構造で、１つの受光素子で、鉄心２と低圧巻線３から発生する部分放電光を共に検出することができる。また、低圧巻線３の部分放電光を２個の受光素子８ａと８ｂで共に検出できるため、これにより検出精度を向上できる。

図４に、上記の構成で電磁ノイズの影響を確認した実験結果を示す。上記の受光素子を２個利用して、電磁ノイズの影響を確認した。一つの受光素子は部分放電光を検出し、検出された信号は光信号と記載する。もう一つ受光素子は受光窓を遮蔽して、電磁ノイズの影響を確認するため設け、検出信号はノイズ信号と記載する。図４に示すように、ノイズ信号は殆ど検出されなかった。以上の結果より、このような構造で部分放電光が正しく検出できることが分かった。

図５に、実施例１における一例である受光素子と受光窓の配置方向を説明する部分拡大縦断面図を示す。他の受光素子と受光窓の配置は同じように実施する。受光素子７ｃと８ｃは第３の絶縁筒６ｃの上端部及び下端部に配置し、受光窓１２は高圧巻線４に面し、高圧巻線４から発生する部分放電光を検出する。
変圧器内部の構造が複雑なため、受光素子の配置位置により、部分放電光が遮蔽され検出されない場合があるが、高圧巻線４と一番近い第３の絶縁筒６ｃの間には、油しか入らないため、受光窓１２を高圧巻線４に面すれば、部分放電光が遮蔽無く確実に検出されることができる。

部分放電光発生部位を検出するための信号処理手法としては、部分放電発生から受光素子で信号検出所用時間ｔと部分放電発生部位から受光素子の距離ｄとの関係ｄ＝Ｆ１（ｔ）及び部分放電光発光強度Ｉと距離ｄの関係Ｉ＝Ｆ２（ｄ）を事前に取得し、信号処理部１１に保存する。そして、受光素子７ｃと受光素子８ｃで部分放電光を検出した場合、受光素子７ｃと受光素子８ｃで検出した光信号の時間差Δｔおよび強度Ｉ１とＩ２をそれぞれ利用して、信号処理部１１で保存された前記強度、距離、時間の関係を呼び出して、信号を処理し、部分放電発生部位と部分放電の相対強度を判断する。

本実施例によれば、部分放電検出装置を変圧器内部に設置するに際して変圧器の絶縁設計に影響することなく、また、電磁ノイズの影響を受けにくい高精度な部分放電光を検出し、さらに、部分放電発生位置を判断することができる。また、このような配置する方法では、既設変圧器にも簡単に設置することができる。例えば、変圧器のオーバーホール時に、絶縁筒の端部に設置すれば良い。

図６に、実施例２における部分放電検出装置を備えた変圧器の縦断面図を示す。なお、本実施例では、実施例１と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

本実施例では、部分放電検出装置の受光素子を絶縁筒の下端部のみ配置する。（上端部のみ配置することでも良い。）それと共に、中性点設置線に流れる部分放電電流信号を測定する測定装置１６を有し、光信号と電気信号との時間の差、及び強度の比較により、部分放電発生部位を検出する。このような場合、部分放電電流信号へ電磁波によるノイズを除去するための手段を利用する。

部分放電光発生部位を検出するための信号処理手法としては、下記のようにする。

ＳＴＥＰ１としては、受光素子は部分放電光発生位置から距離０、ｄ１、ｄ２、…に配置する場合、検出された光信号と電気信号との時間の差Δｔ０、Δｔ１、Δｔ２、…を得る。ｔと距離ｄの関係Δｔ＝ｆ（ｄ）を求める。

ＳＴＥＰ２としては、受光素子は部分放電光発生位置から０、ｄ１、ｄ２、…にそれぞれの距離に配置する場合、部分放電光発光強度Ｉ１と電気信号強度Ｅ１の関係Ｉ１＝ｆ（Ｅ１）ｆ（ｄ）を求める。

ＳＴＥＰ３としては、前記得られた光信号と電気信号との時間の差Δｔ及び強度Ｉ、Ｅと距離ｄの関係を信号処理部１１に保存する。

ＳＴＥＰ４としては、受光素子で８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｆで得られた部分放電光の時間及び強度の信号と電気信号を前記信号処理部に保存した関係を利用して、部分放電光発生部位を検出する。このような構成では、実施例１より少ないセンサで部分放電光を検出し、部分放電発生部位を検出することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施例は本発明を分かりやすく説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

１…タンク
２…鉄心
３…低圧巻線
４…高圧巻線
５…タップ切換装置
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ…絶縁筒
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｆ…受光素子
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｆ…受光素子
９、９ａ、９ｃ…光ファイバ
1０…気密端子
１１…信号処理部
１２、１２ａ、１２ｂ…受光窓
１３…絶縁カバー
１４…電磁遮蔽フィルム
１５…信号増幅・転送速度変換ユニット
１６…測定装置
１００…変圧器

Claims (6)

1. タンク及び前記タンク内部に、鉄心と、低圧巻線と、高圧巻線と、タップ切換装置と、絶縁筒と、を有する変圧器の部分放電検出装置において、
   前記鉄心と、前記低圧巻線と、前記高圧巻線と、前記タップ切換装置と一番近い絶縁筒の上端部及び下端部のそれぞれに配置される複数の受光素子と、
   前記複数の受光素子で検出した信号を送信する複数の光ファイバと、
   前記複数の光ファイバと接続される、前記タンク壁面に取り付けた気密端子と、
   前記気密端子と接続されたタンク外部に設置した信号処理部とを備えた部分放電検出装置。
2. 請求項１に記載の部分放電検出装置において、
   前記受光素子は、受光窓を有し、最外周に、絶縁カバーを備え、内部に検出感度および検出時間の差を拡大する信号増幅・転送速度変換ユニットを有し、前記絶縁カバーと前記信号増幅・転送速度変換ユニットの間に電磁遮蔽フィルムを有し、前記信号増幅・転送速度変換ユニットが、検出された部分放電光を電気信号に変換し、前記変換後に再び光信号に変換し、前記ファイバが前記信号処理部に信号を転送することを特徴とする部分放電検出装置。
3. 請求項２に記載の部分放電検出装置において、
   前記受光素子のうち、前記鉄心と、前記低圧巻線と一番近い絶縁筒上に配置される受光素子及び前記高圧巻線と、前記タップ切換装置との間であって絶縁筒上に配置される受光素子は受光窓を２個有し、前記受光窓はそれぞれ前記鉄心と、前記低圧巻線、及び前記高圧巻線と、前記タップ切換装置にそれぞれ面して配置されることを特徴とする部分放電検出装置。
4. 請求項２に記載の部分放電検出装置において、
   前記受光素子のうち、前記低圧巻線と、前記高圧巻線との間であって、前記低圧巻線と前記高圧巻線と一番近い絶縁筒の上端部及び下端部に配置される受光素子は受光窓を１個有し、それぞれ、前記低圧巻線と前記高圧巻線に面することを特徴とする部分放電検出装置。
5. タンク及び前記タンク内部に、鉄心と、低圧巻線と、高圧巻線と、タップ切換装置と、絶縁筒と、を有する変圧器の部分放電検出装置において、
   前記鉄心と、前記低圧巻線と、前記高圧巻線と、前記タップ切換装置と一番近い絶縁筒の上端あるいは下端部のそれぞれに配置される複数の受光素子と、
   変圧器の中性点設置線に流れる部分放電電流信号を測定する測定装置と、
   前記受光素子で検出した信号を送信する光ファイバと、
   前記光ファイバと接続される、前記タンク壁面に取り付けた気密端子と、
   前記気密端子と接続されたタンク外部に設置した信号処理部とを備えた部分放電検出装置。
6. タンク及び前記タンク内部に、鉄心と、低圧巻線と、高圧巻線と、タップ切換装置と、絶縁筒と、を有する変圧器において、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の部分放電検出装置を備えたことを特徴とする変圧器。

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