JP2018136316A - 検出装置及び検出方法、並びに、それを用いた電圧電流検出装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、従来の部分放電の検出技術においては、検出信号にはノイズが含まれており、ノイズの中から部分放電による信号を抽出することが容易ではない。また、電力機器内部に、検出装置を配置することが難しく、電力機器の外部で検出するので、測定環境の影響を排除することが容易ではなく、検出精度が十分でない。
(検出装置の構成)
図2を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る検出装置100は、複数の磁場検出素子102と、磁場検出素子102に照射するレーザー光を生成するレーザー光源104と、マイクロ波を生成するマイクロ波源106と、マイクロ波源106から供給されるマイクロ波を磁場検出素子102に照射するマイクロ波照射部108と、磁場検出素子102から放射される蛍光を検出する受光素子110と、各部を制御する制御部112とを含む。マイクロ波照射部108は、複数の磁場検出素子102のそれぞれに対応させて、同数配置されている。受光素子110も、複数の磁場検出素子102のそれぞれに対応させて、同数配置されている。
以下に、図7を参照して、検出装置100により、電力機器200を構成するトランス210において発生する部分放電を検出する処理に関して説明する。図7のプログラムは、図2に示す制御部112のCPUにより実行される。即ち、以下において、制御部112が実行する処理は、CPUが実行することを意味する。
電力機器内部で部分放電が発生していない状態でも、電力機器が設置されている環境には、種々の原因による磁場が発生しており、電力機器の通常の作動状態で、電力機器自体が発生している磁場も存在する。即ち、部分放電の検出に影響する磁場として、地磁気による常磁場、放送電磁波による磁場、及び、電力機器への商用電力の供給による磁場等がある。したがって、部分放電が原因の磁場の検出においては、それらの磁場(以下、環境磁場という)を取り除くことが好ましい。
上記では、連続的に磁場を検出する場合を説明したが、部分放電は、電力機器に供給される商用電力(例えば、50Hz又は60Hzの交流)の電圧が高くなるときに発生する可能性が高いので、電圧が高くなるタイミングに合わせて、磁場を測定することが効率的である。例えば、外部から電力機器に供給される電圧をモニターし、ピーク付近になったときに、磁場測定(図7のステップ302)を実行することができる。また、電圧の周期は一定(1/60秒又は1/50秒)であるので、最初の磁場測定のタイミングのみを、外部から電力機器に供給される電圧をモニターして決定し、その後はタイマにより経過時間を監視し、1周期のn倍(nは正の整数)毎に、磁場測定を実行してもよい。
図9に示すように、複数のNVセンサを平面上に配置すれば、電力機器に電力を供給するためのケーブル等において発生する部分放電を検出することができる。図9は、4つのNVセンサ502を配置した平板状の検出装置500を示している。検出装置500では、各NVセンサ502の近傍に、図2と同様に、マイクロ波照射部及び受光素子が配置されている。また、図9には図示していないが、図2と同様に、NVセンサにレーザー光を供給するレーザー光源、マイクロ波照射部にマイクロ波を供給するマイクロ波源、及び、それらを制御し、受光素子の出力信号を受信する制御部を備えている。そして、図7と同様の処理を実行することにより、ケーブル504内部での部分放電を検出し、部分放電の位置を特定することができる。
図10に示すように、電力機器に使用されるボルト510の内部に、NVセンサを組込んでもよい。例えば、このボルト510は電力機器の絶縁部を固定するためのものであり、樹脂、セラミック等の非導電性材料で形成されている。ボルト510内部に形成された貫通孔に、NVセンサ512とマイクロ波照射部514とが配置されている。マイクロ波照射部514は、例えば、中空のコイルであり、レーザー光は、貫通孔のボルト頭部側の開口516を介してNVセンサ512に照射され、NVセンサ512から放射される蛍光は、開口516から放出される。レーザー光及び蛍光は、光ファイバを用いて伝送されてもよい。ボルト510を、電力機器の構成部材を固定するボルトの一部に使用すれば、上記と同様に、電力機器内部で発生した部分放電を検出し、放電位置を特定することができる。
電力機器を構成する部材の一部に、NVセンサを組込んでもよい。例えば、図11に示すように、電力機器の壁面等に設けられたのぞき窓520にNVセンサ522を配置してもよい。図11において、のぞき窓520は、環状の枠部528に複数設けられた貫通孔526を介して、ボルト等により電力機器の壁面に取付けられる。NVセンサ522は電力機器内部に配置され、マイクロ波照射部524は電力機器外部に配置される。NVセンサ522へのレーザー光及びマイクロ波の照射、並びに、NVセンサ522から放射される蛍光の観測は、のぞき窓520を介して行なわれる。
スペーサ又はフランジと一体にNVセンサを形成してもよい。図12に、NVセンサ532が配置された環状の絶縁スペーサ530を示す。図12では、絶縁スペーサ530の内壁(内径部分)にNVセンサ532が配置されている。絶縁スペーサ530は、複数設けられた貫通孔536を介して、ボルト等により電力機器を構成する別の部材に取付けられる。絶縁スペーサ530内部には、誘電体スラブ導波路543が埋め込まれている。誘電体スラブ導波路534は、コアをクラッドで挟んだ公知の構造をしており、マイク波を伝搬させることができる。コア及びクラッドの形状は、伝搬させるマイクロ波に応じて適宜設計されていればよい。絶縁スペーサ530の外部のマイクロ波源から出力されたマイクロ波は、誘電体スラブ導波路534により伝搬され(マイクロ波源から絶縁スペーサ530に至るマイクロ波の伝搬経路も誘電体スラブ導波路で構成されている場合を含む)、NVセンサ532に照射される。絶縁スペーサ530内部には、光ファイバ(図示せず)も配置されており、NVセンサ532へのレーザー光の照射、及び、NVセンサ532から放射される蛍光の観測は、光ファイバを介して行なわれる。
電力機器に使用される碍子と一体にNVセンサを形成してもよい。図13を参照して、NVセンサ542は、碍子の内壁(内径部分)に配置されている。碍子540は、複数設けられた貫通孔546を介して、ボルト等により電力機器を構成する別の部材に取付けられる。マイクロ波照射部544は、NVセンサ542の近傍であって、碍子540の外周部に配置されている。碍子540の壁面のうち、NVセンサ542に対向する部分は、レーザー光をNVセンサ542に照射し、NVセンサ542から放射される蛍光を観測できるように、切り欠かれている。
上記では、複数のNVセンサを使用して、部分放電の位置を精度よく特定する場合を説明したが、本発明に係る第2の実施の形態では、NVセンサを使用して、電圧電流の検出を効率よく且つ安全に行なう。
図14を参照して、本実施の形態に係る検出装置600は、NVセンサ602、マイクロ波生成部604、レーザー光生成部606、受光部608、分波フィルタ614、光学素子616、及び励起光反射フィルタ622を含む測定プローブ630と、本体装置634と、それらを相互に接続するケーブル632とを備える。
上記の変形例4〜6では、マイクロ波源をNVセンサから少し離隔して配置する場合を説明した。例えば、図11に示した変形例4では、マイクロ波照射部524から出力されるマイクロ波は、のぞき窓520を介してNVセンサ522に照射される。本発明に係る第3の実施の形態では、マイクロ波源をNVセンサからさらに離隔して配置する。これにより、第2の実施の形態よりも効率よく且つ安全に電圧、電流及び部分放電の検出を行なう。
図17を参照して、本実施の形態に係る検出装置700は、NVセンサ702と、マイクロ波生成部704、レーザー光生成部706、受光部708及び制御部710を含む本体装置714とを備える。NVセンサ702の近傍には、光学素子712が配置されている。
第4の実施の形態では、1対のNVセンサを使用して量子テレポーテーションにより、第3の実施の形態よりも効率よく且つ安全に電圧、電流及び部分放電の検出を行なう。
図19を参照して、本実施の形態に係る検出装置800は、第1NVセンサ802と、第2NVセンサ804、第1レーザー光生成部806、第2レーザー光生成部808、マイクロ波生成部810、受光部812及び制御部814を含む本体装置816とを備える。
以下に、実験結果を示す。
(センサ用サンプル準備)
まずは、次のような単結晶ダイヤモンドのサンプルA〜Dを準備した。
(1)サンプルA
ダイヤモンド中に含有している置換型窒素が0.1ppm以下の単結晶ダイヤモンドを高温高圧法で作製し、サンプルAとした。作製において、溶媒中に窒素ゲッターの役割の金属を添加することで、窒素の少ないサンプルを得た。
(2)サンプルB
ダイヤモンド中に含有している置換型窒素が60ppmに制御した単結晶ダイヤモンドを高温高圧法で作製し、サンプルBとした。作製において、溶媒中に自然に混入する窒素を排除し、溶媒中に窒化物(FeNなど)を添加する方法で窒素濃度を制御することで、不純物均一性が±25%以内の均一なサンプルを得た。
(3)サンプルC
(1)の単結晶ダイヤモンドのサンプルAを種基板として、CVD法によってエピタキシャル成長によって、含有窒素が20ppb以下で置換型窒素が1ppb以下のCVD単結晶ダイヤモンドを作製し、サンプルCとした。作製において、窒素不純物及びその他の不純物を低減する方法としては、高純度の種基板を使用する他に、酸素原子を適量添加する、ホルダの周り+30mmの範囲内には高純度のダイヤモンド板材を敷き詰めるなどの不純物低減の工夫をした。
(4)サンプルD1及びD2
上記のサンプルA、B及びCは、同位体炭素が天然存在比で含まれるダイヤモンドであるが、13Cの存在比が5%であり、置換型窒素が50ppm及び100ppmの単結晶ダイヤモンドを高温高圧法で作製し、それぞれサンプルD1及びD2とした。不純物均一性は±25%以内の均一なサンプルであった。
102 磁場検出素子
104、412 レーザー光源
106 マイクロ波源
108、514、524、544 マイクロ波照射部
110、414、618 受光素子
112、710、814 制御部
200 電力機器
202 電源
204、206 電力供給ライン
208 碍子
210 トランス
212 筐体
410、446 ダイヤモンド(サンプル)
416 光学レンズ系
418 顕微鏡レンズ
420 三角プリズム
422 反射鏡
424 マイクロ波コイル
426 銅線X
428 銅線Y
430 銅線Z
432 交流電流源
434 パルス電源
436 長焦点レンズ
438 コンデンサ
440 抵抗
442、444 測定系
500 検出装置
502、512、522、532、542、602、702、748、750 NVセンサ
504、632 ケーブル
510 ボルト
516 開口
520 のぞき窓
526、536、546 貫通孔
528 枠部
530 絶縁スペーサ
534 誘電体スラブ導波路
540 碍子
604、704、810 マイクロ波生成部
606、706 レーザー光生成部
608、708、812 受光部
610 発光素子
612、616、620、712 光学素子
614 分波フィルタ
622 励起光反射フィルタ
630、644、646 測定プローブ
634、648、650、714、752、754、816、852、854 本体装置
640、740、824、840、902 高圧送配電線
642、742、842、904 負荷
652、654、656、912、914 鉄心
658 ギャップ
744、746、822、844、846 フェライトコア
802、848、850 第1NVセンサ
804 第2NVセンサ
806 第1レーザー光生成部
808 第2レーザー光生成部
820 光ファイバ
900 計器用変成器
906 変圧器
908 変流器
910 電気計器
Claims (18)
- ダイヤモンド結晶中の炭素原子を置換した原子と、当該原子に隣接していた炭素原子が抜けた空孔との対により構成される置換原子空孔センタを有する素子と、
前記素子に照射するレーザー光を出力するレーザー光源と、
前記素子に照射するマイクロ波を出力するマイクロ波源と、
前記素子から放射される蛍光を検出する受光手段と、
前記レーザー光源及び前記マイクロ波源を制御する制御手段とを含み、
前記素子は、電気設備の内部又は前記電気設備の近傍に配置され、
前記マイクロ波源は、前記素子から所定距離以上離隔し、前記電気設備の外部に配置され、
前記制御手段は、前記素子に対して、前記レーザー光及び前記マイクロ波を照射することにより、当該素子が有する置換原子空孔センタに対して、電子スピン共鳴と基底状態から励起状態への遷移とを生じさせ、前記受光手段により検出される前記蛍光の強度を取得する測定処理を繰返し、
前記受光手段により取得された前記蛍光の強度から、前記電気設備内部における電流の発生又は変化を検出したか否かを判定する判定手段をさらに含むことを特徴とする、検出装置。 - 前記レーザー光源は、前記素子から所定距離以上離隔し、前記電気設備の外部に配置され、
前記レーザー光源から出力されるレーザー光を平行光に形成して空中を伝搬させ、前記素子に照射する光学部材、又は、前記レーザー光源から出力されるレーザー光を、前記素子まで伝搬させる光ファイバをさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の検出装置。 - 前記マイクロ波源から出力されるマイクロ波を、前記素子に照射するための指向性アンテナをさらに含むことを特徴とする、請求項1又は2に記載の検出装置。
- 前記受光手段は、前記素子から所定距離以上離隔し、前記電力設備の外部に配置され、
前記素子から放射される前記蛍光を平行光に形成して空中を伝搬させ、前記受光手段に入力させる光学部材、又は、前記素子から放射される前記蛍光を、前記受光手段まで伝搬させる光ファイバをさらに含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の検出装置。 - 前記素子を第1素子として、ダイヤモンド結晶中の炭素原子を置換した原子と、当該原子に隣接していた炭素原子が抜けた空孔との対により構成される置換原子空孔センタを有し、前記第1素子から所定距離以上離隔して、前記電気設備の外部に配置される第2素子をさらに含み、
前記レーザー光源は、前記第2素子にもレーザー光を照射し、
前記マイクロ波源は、前記第1素子へのマイクロ波の照射に代えて、前記第2素子にマイクロ波を照射し、
前記受光手段は、前記第1素子から放射される蛍光の測定に代えて、前記第2素子から放射される蛍光を測定し、
前記制御手段は、前記測定処理に代えて、
前記第1素子に対して、前記レーザー光を照射することにより、当該第1素子の置換原子空孔センタから蛍光を放射させる第1処理、
前記第1素子の置換原子空孔センタから放射された蛍光を前記第2素子に照射し、量子テレポーテーションにより、前記第1素子の量子情報を前記第2素子に移す第2処理、及び、
前記第2素子に対して、前記レーザー光及び前記マイクロ波を照射することにより、当該第2素子が有する置換原子空孔センタに対して、電子スピン共鳴と基底状態から励起状態への遷移とを生じさせ、前記受光手段により検出される蛍光の強度を取得する第3処理を繰返すことを特徴とする、請求項1又は2に記載の検出装置。 - 前記電流は、部分放電により発生する電流であり、
3つ以上の前記第1素子と、
前記第1素子と同数の前記第2素子とを含み、
前記第1素子と前記第2素子とを1対1に対応させ、
前記制御手段は、前記第1素子及び前記第2素子の各対に対して、前記第1処理、前記第2処理及び前記第3処理を繰返し、
前記制御手段は、
前記蛍光の強度を用いて、前記第1素子の各々の位置における磁場ベクトルを算出する演算手段と、
前記磁場ベクトルから、前記電気設備内部における前記部分放電の発生を検出したか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記部分放電の発生が検出されたと判定されたことを受けて、前記磁場ベクトルから前記部分放電の位置を特定する位置特定手段とを含むことを特徴とする、請求項5に記載の検出装置。 - ダイヤモンド結晶中の炭素原子を置換した原子と、当該原子に隣接していた炭素原子が抜けた空孔との対により構成される置換原子空孔センタを有する3つ以上の素子と、
前記素子に照射するレーザー光を出力するレーザー光源と、
前記素子に照射するマイクロ波を出力するマイクロ波源と、
前記素子から放射される蛍光を検出する受光手段と、
前記レーザー光源及び前記マイクロ波源を制御する制御手段とを含み、
前記制御手段は、3つ以上の前記素子の各々に対して、前記レーザー光及び前記マイクロ波を照射することにより、当該素子が有する置換原子空孔センタに対して、電子スピン共鳴と基底状態から励起状態への遷移とを生じさせ、前記受光手段により検出される前記蛍光の強度を取得する測定処理を繰返し、
3つ以上の前記素子の各々は、電力機器の内部又は前記電力機器の近傍に配置され、
前記制御手段は、
前記蛍光の強度を用いて、3つ以上の前記素子の各々の位置における磁場ベクトルを算出する演算手段と、
前記磁場ベクトルから、前記電力機器内部における部分放電の発生を検出したか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記部分放電の発生が検出されたと判定されたことを受けて、前記磁場ベクトルから前記部分放電の位置を特定する位置特定手段とを含むことを特徴とする、検出装置。 - 前記位置特定手段により特定された前記部分放電の位置を用いて、前記素子の位置における磁場強度をシミュレーションにより算出し、前記素子を用いた測定により得られた磁場ベクトルの確度を評価する評価手段を、さらに含むことを特徴とする請求項7に記載の検出装置。
- 部分放電が発生していない状態において、3つ以上の前記素子の何れかを用いた前記測定処理により環境磁場ベクトルを算出し、
前記演算手段は、前記蛍光の強度を用いて算出した磁場ベクトルを、前記環境磁場ベクトルにより補正し、
前記位置特定手段は、補正後の前記磁場ベクトルを用いて、前記部分放電の位置を特定することを特徴とする、請求項7又は8に記載の検出装置。 - 直交して配置されたアンテナをさらに含み、
部分放電が発生していない状態において、前記アンテナにより環境磁場ベクトルを算出し、
前記演算手段は、前記蛍光の強度を用いて算出した磁場ベクトルを、前記環境磁場ベクトルにより補正し、
前記位置特定手段は、補正後の前記磁場ベクトルを用いて、前記部分放電の位置を特定することを特徴とする、請求項7から9の何れか1項に記載の検出装置。 - 前記電力機器に供給される交流電流を測定する電流測定手段をさらに含み、
部分放電が発生していない状態において、所定値の前記交流電流により発生する磁場ベクトルを算出して基準磁場ベクトルとし、
前記測定処理を行なうときに前記電流測定手段により測定された電流値と前記所定値とを考慮して、前記基準磁場ベクトルから、前記測定処理時の環境磁場ベクトルを求め、
前記演算手段は、前記蛍光の強度を用いて算出した磁場ベクトルを、前記環境磁場ベクトルにより補正し、
前記位置特定手段は、補正後の前記磁場ベクトルを用いて、前記部分放電の位置を特定することを特徴とする、請求項7から10の何れか1項に記載の検出装置。 - 部分放電が発生していない状態において、3つ以上の前記素子が配置された領域の磁場をキャンセルするための磁場キャンセル手段をさらに含み、
前記磁場キャンセル手段を作動させた状態で、前記測定処理を実行することを特徴とする、請求項7から11の何れか1項に記載の電検出装置。 - 前記電力機器に供給される電圧の変化を検出する電圧検出手段をさらに含み、
前記制御手段は、前記検出手段により検出された電圧が所定値以上であれば、前記測定処理を実行することを特徴とする、請求項7から12の何れか1項に記載の検出装置。 - 3つ以上の前記素子のそれぞれは、1つの平面上において三角形の頂点の位置に配置され、
前記位置特定手段は、3つ以上の前記素子のそれぞれに対応させて算出された前記磁場ベクトルの前記平面内の成分ベクトルのうち、2つの前記成分ベクトルのそれぞれに直交する直線の交点として、前記部分放電の位置に対応する、前記平面内の位置を特定することを特徴とする、請求項7から13の何れか1項に記載に検出装置。 - 3つ以上の前記素子の各々の近傍に配置された磁場生成手段を含み、
前記磁場生成手段は、部分放電が発生していない状態において、当該磁場生成手段に対応する前記素子が配置された位置での磁場がゼロになるように設定され、
前記磁場生成手段の前記設定が維持された状態で、前記測定処理を実行することを特徴とする、請求項7〜14の何れか1項に記載の検出装置。 - 請求項1〜5に記載の検出装置を含み、
前記電気設備は、変成器であり、
前記素子は、前記電気設備に接続された送配電線に並列又は直列に接続されたコイルの近傍又は前記コイルの内部に配置され、
前記判定手段は、前記受光手段により取得された前記蛍光の強度から、前記電気設備内部における電流の発生又は変化を検出したか否かを判定することに代えて、
前記コイルが前記送配電線に並列に接続されている場合、前記蛍光の強度の変化から、前記送配電線の電圧及び前記電圧の位相情報を取得し、
前記コイルが前記送配電線に直列に接続されている場合、前記蛍光の強度の変化から、前記送配電線の電流及び前記電流の位相情報を取得することを特徴とする、電圧電流検出装置。 - 請求項1〜5に記載の検出装置を含み、
前記電気設備は、変成器であり、
前記電気設備に接続された送配電線の周り又は前記送配電線に並列に接続された導電線の周りに配置された磁性材料を含む部材をさらに含み、
前記素子は、前記部材に形成されたギャップに配置され、
前記判定手段は、前記受光手段により取得された前記蛍光の強度から、前記電気設備内部における電流の発生又は変化を検出したか否かを判定することに代えて、
前記部材が前記導電線の周りに配置されている場合、前記蛍光の強度の変化から、前記送配電線の電圧及び前記電圧の位相情報を取得し、
前記部材が前記送配電線の周りに配置されている場合、前記蛍光の強度の変化から、前記送配電線の電流及び前記電流の位相情報を取得することを特徴とする、電圧電流検出装置。 - ダイヤモンド結晶中の炭素原子を置換した原子と、当該原子に隣接していた炭素原子が抜けた空孔との対により構成される置換原子空孔センタを有する3つ以上の素子を用いて電流を検出する方法であって、
3つ以上の前記素子の各々は、前記電気設備の内部又は前記電気設備の近傍に配置され、
レーザー光を前記素子に照射して、前記置換原子空孔センタを基底状態から励起状態に遷移させるレーザー光照射ステップと、
マイクロ波を前記素子に照射して、前記置換原子空孔センタのスピンに電子スピン共鳴を生じさせるマイクロ波照射ステップと、
前記素子から放射される蛍光を検出する受光ステップと、
前記レーザー光照射ステップ、前記マイクロ波照射ステップ及び前記受光ステップを繰返す繰返しステップと、
前記繰返しステップにより得られた前記蛍光の強度を用いて、3つ以上の前記素子の各々の位置における磁場ベクトルを算出する演算ステップと、
前記磁場ベクトルから、前記電気設備内部における電流の発生又は変化を検出したか否かを判定する判定ステップとを含むことを特徴とする、検出方法。
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