JP2018151345A - 部分放電検出方法および部分放電検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サンプリング周波数を低く抑え、安価に部分放電を検出する。【解決手段】漏洩電流を計測する漏洩電流計２と、漏洩電流の電流波形から部分放電を検出する解析装置３を備える部分放電検出装置１である。漏洩電流計２は、部分放電検出対象となる電力機器の筐体４から延在する接地線５に設けられるＣＴ６とＣＴ６に流れる電流を測定する電流計７を備える。解析装置３は、漏洩電流計２から漏洩電流をサンプリングして電流波形の時系列データを得る。解析装置３は、電流波形の時系列データをフーリエ変換して、電流波形の周波数分布を得る。この周波数分布において、髭状に突出する周波数成分を複数抽出し、抽出された周波数成分の周波数差が交流電源８の電源周波数の偶数倍に近い間隔となっているか否かによって部分放電の有無を判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、接地線電流により部分放電を検出する技術に関する。

変圧器や回転機などの高電圧の電力機器には、その絶縁性を高めるために種々の絶縁材料が用いられている。そして、使用されている絶縁材料の絶縁劣化によって電力機器の寿命が決まる。したがって、電力機器の突然の故障を防いで安全に使用するためには、その絶縁劣化の初期的な段階（例えば、絶縁状態に応じて発生する部分放電など）を検出する必要がある。

部分放電は、例えば、（１）供試体の主回路に直接カップリングコンデンサ（ＣＣ）を接続し、部分放電発生に伴うパルス電圧を測定する電気的手法（ＣＣ法）、（２）接地線に高周波ＣＴを取り付けて（接地線電流方式）、部分放電の発生に伴い発生するパルス電流を測定する電気的手法（高周波ＣＴ法）、（３）部分放電発生に伴う弾性波振動や放電音を音響的に検出する診断測定方法、（４）部分放電発生に伴い放出される電磁波を測定する（電磁波検出法）などの検出手法により検出される（例えば、特許文献１）。

このうち、（２）の接地線で電流を計測する手法（高周波ＣＴ法）は、（１）の主回路の電圧から直接部分放電を測定する手法（ＣＣ法）に比較して、接地線に高周波ＣＴを取り付けるのみの非常に簡便な手法である。しかし、高周波ＣＴ法は、接地線に混入しているノイズの影響を受けやすく、測定放電電荷量の目安とする校正が困難であり、部分放電検出感度が極端に低下する（例えば、特許文献２）。そこで、フィルタ回路によりセンサからの部分放電の信号の周波数を０．１ＭＨｚ〜２００ＭＨｚに制限してノイズを低下させるとともにレベル調整を行っている。具体的には、電流計測による部分放電検出ではノイズを避けるために１００ｋＨｚ以上、多くの場合には数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚという高い周波数での計測が行われている。

特開２００９−２２９３４７号公報 特開平７−３３５４４５号公報

しかしながら、高周波の計測には、高周波応答に優れたセンサ、高周波サンプリングに耐えられるＡＤ変換器など高価な計測機器が必要になる。また、デジタルデータも短時間で膨大なデータサイズになるため大容量のストレージも必要となる。さらに、解析の際にも多くのデータを扱うため高速ＣＰＵや大容量メモリを積んだ高性能ＰＣなどが必要になり解析装置が高価になる。つまり、低い周波数（例えば、数ｋＨｚ）の計測から部分放電の兆候を検出できれば、サンプリング周波数も低く（例えば、１０ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ）ですみ、計測機器も解析装置も安価に抑えられる。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、サンプリング周波数を低く抑え、安価に部分放電を検出する技術を提供することを目的としている。

上記目的を達成する本発明の部分放電検出方法の一態様は、部分放電検出対象の接地線から漏洩電流を計測し、計測された漏洩電流の電流波形の周波数分布を求め、当該周波数分布から髭状に突出する周波数成分を複数抽出し、抽出された周波数成分の周波数差と前記部分放電検出対象の電源周波数の比較に基づいて部分放電の有無を判定することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の部分放電検出方法の他の態様は、上記の部分放電検出方法において、前記髭状に突出する周波数成分を、前記周波数分布から周波数成分の大きい順に抽出し、抽出された各周波数成分において、隣り合う他の周波数成分との周波数差を求め、この周波数差と前記部分放電検出対象の電源周波数の２倍を基準とする基準周波数の比較に基づいて部分放電の有無を判定することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の部分放電検出方法の他の態様は、上記の部分放電検出方法において、前記髭状に突出する周波数成分を、前記周波数分布から周辺の周波数成分と比較して大きい周波数成分を大きい順に抽出し、抽出された各周波数成分において、隣り合う他の周波数成分との周波数差を求め、この周波数差と前記部分放電検出対象の電源周波数の２倍を基準とする基準周波数の比較に基づいて部分放電の有無を判定することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の部分放電検出方法の他の態様は、上記の部分放電検出方法において、前記周波数分布に含まれるすべての周波数成分において、それぞれ前後２０Ｈｚ〜５０Ｈｚの範囲に存在する周波数成分の平均値を算出し、この平均値に対する比を求め、求められた比の大きい順に前記比に対応する周波数成分を前記髭状に突出する周波数成分として抽出することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の部分放電検出装置の一態様は、部分放電検出対象の接地線から漏洩電流を計測する漏洩電流計と、計測された漏洩電流の電流波形の周波数分布を求め、当該周波数分布から髭状に突出する周波数成分を複数抽出し、抽出された周波数成分の周波数差と前記部分放電検出対象の電源周波数の比較に基づいて部分放電の有無を判定する解析装置と、を備えることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の部分放電検出装置の他の態様は、上記の部分放電検出装置において、前記解析装置は、前記髭状に突出する周波数成分を、前記周波数分布から周波数成分の大きい順に抽出し、抽出された各周波数成分において、隣り合う他の周波数成分との周波数差を求め、この周波数差と前記部分放電検出対象の電源周波数の２倍を基準とする基準周波数の比較に基づいて部分放電の有無を判定することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の部分放電検出装置の他の態様は、上記の部分放電検出装置において、前記解析装置は、前記髭状に突出する周波数成分を、前記周波数成分から周辺の周波数成分と比較して大きい周波数成分を大きい順に抽出し、抽出された各周波数成分において、隣り合う他の周波数成分との周波数差を求め、この周波数差と前記部分放電検出対象の電源周波数の２倍を基準とする基準周波数の比較に基づいて部分放電の有無を判定することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の部分放電検出装置の他の態様は、上記の部分放電検出装置において、前記解析装置は、前記周波数分布に含まれるすべての周波数成分において、それぞれ前後２０Ｈｚ〜５０Ｈｚの範囲に存在する周波数成分の平均値を算出し、この平均値に対する比を求め、求められた比の大きい順に前記比に対応する周波数成分を前記髭状に突出する周波数成分として抽出することを特徴としている。

以上の発明によれば、サンプリング周波数を低く抑え、安価に部分放電を検出することができる。

本発明の実施形態に係る部分放電検出装置の概略構成図である。 ５０Ｈｚ電源での部分放電に伴う漏洩電流波形を含む電流波形（模擬電流波形）を示す図である。 図２の電流波形（模擬電流波形）の周波数分布を示す図である。 ノイズが混入した部分放電の電流波形を含む電流波形の周波数分布を示す図である。 電流波形に基づく部分放電の検出方法のフローを示す図である。 実施例１の方法により抽出された髭候補の例を示す図であり、（ａ）ベースがフラットな場合、（ｂ）ベースが傾斜している場合の図である。 対象周波数成分と対象周波数成分における平均範囲を示す図である。 実施例２の方法により抽出された髭候補の例を示す図であり、（ａ）ベースがフラットな場合、（ｂ）ベースが傾斜している場合の図である。

本発明の実施形態に係る部分放電検出方法および部分放電検出装置について、図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の実施形態に係る部分放電検出装置は、接地線に漏れ出る電流を、例えば、漏洩電流センサと呼ばれる、高感度だが対象周波数が数ｋＨｚまでと比較的低い漏洩電流計によって、１秒以上の長めの時間で計測する。そして、漏洩電流計により計測された電流データから複数回発生している部分放電の発生周期の特徴を利用して部分放電を検出する。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る部分放電検出装置１は、漏洩電流を計測する漏洩電流計２と、漏洩電流の電流波形から部分放電を検出する解析装置３を備える。

漏洩電流計２は、部分放電検出対象である電力機器の筐体４から延在する接地線５に設けられるＣＴ６とＣＴ６に流れる電流を計測する電流計７を備える。

解析装置３は、漏洩電流計２の計測値から部分放電に伴う漏洩電流波形（以後、部分放電の電流波形という）を抽出して部分放電を検出する。図示省略しているが、解析装置３は、漏洩電流計２の計測データを保存する記憶部と、計測データから部分放電の電流波形を抽出し、部分放電の有無を判定する演算部と、を備える。

ここで、部分放電の電流波形の特徴について説明する。一般に部分放電は、絶縁体内の空隙に一定以上の電圧が掛かったタイミングで放電するため、交流電源８の電源電圧の立ち上がり周期ごと（プラスマイナスとも）に、電源周波数の２倍の間隔でパルス的電流が発生する。このパルス的電流は、（電源電圧の立ち上がり一回ごとに）一定の短い間隔（およそ数千Ｈｚ）で数回発生する。

図２は、５０Ｈｚ電源で発生する部分放電の電流波形およそ一周期分を単純化した模擬電流波形である。この例は、電源電圧の立ち上がり周期（１００Ｈｚ）ごとに、パルス的電流を２５６０Ｈｚ相当の間隔で１０回発生させた電流波形である。このように、一般的な部分放電の電流波形は、電源電圧の立ち上がり周期ごとにパルス的電流が発生する特徴を有している。

この部分放電の電流波形を含む電流波形は、複数電源周期分の時系列サンプリングデータとして収集し、周波数分布に変換すると、電源周波数の２倍差間隔で極大値が生じることとなる。

図３は、図２に示した模擬電流波形を５秒間計測したデータをフーリエ変換して強度軸を対数でグラフ化したものである。図３より、２５６０Ｈｚをピークに前後１００Ｈｚ差間隔で極大値が生じていることが確認できる。このように、部分放電の電流波形を含む電流波形の周波数分布は、電源周波数の２倍差間隔で極大値が生じる特徴を有することとなる。

実際に計測した漏洩電流波形には、外部由来のノイズが混入する。図４に、ノイズが混入した部分放電の電流波形を含む電流波形の周波数分布を示す。図４は、５ｋＨｚまでの周波数成分の強度分布を、強度軸を対数としてグラフ化したものである。このように、部分放電の電流波形の特徴は、ノイズに埋もれてわかりにくくなる。

そこで、本発明の実施形態に係る部分放電検出方法は、接地線に漏れ出る電流を複数電源周波数周期の期間サンプリングして、その時系列データから周波数分布（周波数スペクトル）を得る。そうすることで、繰り返し発生している部分放電成分をより多く捉えることができ、その周波数分布では、前述の極大値はより大きな値となる。これはノイズに埋もれることなく、髭状の突出として表れることとなる。これら髭状の突出が部分放電に基づくものである場合、髭状の突出が電源周波数の偶数倍の周波数間隔で並んでおりノイズとは区別できる。本発明の実施形態に係る部分放電検出方法は、この特徴から部分放電を検出する検出手法である。

図５のフローに基づいて、解析装置３における部分放電兆候抽出のための解析手順についてより詳細に説明する。

まず、漏洩電流計２から漏洩電流を一定間隔繰り返しサンプリングし、電流波形の時系列データを得る（Ｓ１）。サンプリング周波数は、少なくとも後の特徴抽出で使う周波数上限の２倍以上が好ましく、例えば、数十ｋＨｚ程度のサンプリング周波数で行われる。また、サンプリング時間は、少なくとも１秒以上が好ましく、例えば、数秒間サンプリングが行われる。

次に、電流波形の時系列データをフーリエ変換して（Ｓ２）、電流波形の周波数分布（周波数データ）を得る（Ｓ３）。フーリエ変換の計算には、例えば、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）が好適に用いられる。

次に、電流波形の周波数分布から部分放電による波形特徴を判断するための周波数成分を抽出し、抽出された周波数成分の周波数に基づいて電流波形が部分放電の電流波形特徴を有するか否かの判定を行う（Ｓ４）。

部分放電の電流波形の特徴は、電源電圧の立ち上がり周期ごとに発生するパルス的電流であり、この特徴は、周波数分布において髭状に突出する強度（周波数成分）として表れる。よって、部分放電による波形特徴を判断するための周波数成分の抽出は、周波数分布において、強度の大きい順に複数の周波数成分を抽出する、または、周囲の強度と比較して強度が大きい周波数成分を大きい方から順に抽出するなどの方法により行われる。周波数成分の抽出数は、部分放電の特徴を有するか否かの判定が可能な範囲で任意に設定される。

電流波形が部分放電の特徴を有するか否かの判定は、例えば、抽出された周波数成分において隣接する周波数成分の周波数の間隔が、交流電源８の電源周波数の偶数倍に近い間隔となっているか否かにより判定される。電流波形に、部分放電の特徴があると判定された場合は部分放電あり、部分放電の特徴がないと判定された場合は、部分放電なしの結果が得られることとなる（Ｓ５）。

［実施例１］
波形特徴を判断するための周波数成分の抽出および部分放電あり／なしの判定手順について、具体的な例を示して詳細に説明する。

まず、部分放電のあり／なしに関係なく表れる電源周波数の数倍までの信号を回避するため、数百Ｈｚ以上、数ｋＨｚ以下の周波数範囲に限定して部分放電による波形特徴を判断するための周波数成分（以後、髭候補と称する）を抽出した。ここでは、周波数範囲を１０００Ｈｚ〜５０００Ｈｚに限定した例を示す。なお、部分放電に伴い発生する周波数は、絶縁材料などの条件により異なるが、対象とする周波数帯である数百Ｈｚ以上、数ｋＨｚ以下（実施例では、１０００Ｈｚ〜５０００Ｈｚ）に一般的な部分放電成分が含まれるものと考えられる。

まず、部分放電による波形特徴として表れる周波数成分（以後、髭と称する）は突出して値が大きい周波数成分なので、１０００Ｈｚ〜５０００Ｈｚの周波数分布から周波数成分の大きい上位１０個を髭候補として抽出した。

次に、この１０個の髭候補の周波数を取り出し、低い周波数から順に並べて隣り合う髭候補の周波数差を計算した。電源周波数の２倍を基準周波数として、上記の周波数差の中に基準周波数の±０．５Ｈｚ以内の周波数差が含まれていれば、この組を髭として抽出した。

同様にして、髭候補の周波数差に、基準周波数の２倍±０．５Ｈｚ以内の周波数差、基準周波数の３倍±０．５Ｈｚ以内の周波数差が含まれていれば、この組も髭として抽出した。

そして、抽出された髭が１つ以上ある場合を部分放電ありと判断した。また、髭が抽出されない場合は、部分放電なしと判断した。なお、部分放電の有無の判定は、髭の組の数に閾値を設定し、その閾値と抽出された髭の組の数との比較に基づいて行うこともできる。

［実施例２］
実施例１では、髭候補を周波数分布において周波数成分が大きい方から１０個としていた。この方法は、図６（ａ）に示すように周波数成分のベースがフラットなら問題ないが、図６（ｂ）に示すようにベースに傾斜などがあると、ベースが高い部分を髭候補として抽出してしまって適切な髭候補を選出できない可能性がある。

そこで、実施例２では、髭候補の抽出にあたり、周波数成分の絶対的な大きさではなく、周辺の周波数成分の中で突出して大きくなっている周波数成分を髭候補として効率的に抽出する。

実施例２の部分放電あり／なしの判定手順について、具体的な例を示して詳細に説明する。実施例１と同様に、実施例２においても周波数範囲を１０００Ｈｚ〜５０００Ｈｚに限定した例を示す。

１０００Ｈｚ〜５０００Ｈｚに含まれるすべての周波数成分について、順番にその成分（対象周波数成分）の大きさと、周辺の周波数成分の平均値の大きさの比を求めた。

図７に示すように、対象周波数成分ごとに、対象周波数成分の周波数を基準として前後の所定の周波数範囲（例えば、２０Ｈｚ〜５０Ｈｚ程度）での周波数成分の平均値を算出し、この周波数成分の平均値を基準とした対象周波数成分の比（以後、髭候補の比と称する）を算出した。なお、周波数成分の平均値は、対象周波数成分およびその前後数個の周波数成分を除外した平均をとることで、対象周波数成分とその前後の平均値の周波数成分の変化を検出しやすくなる。

このようにして、１０００Ｈｚ〜５０００Ｈｚに含まれるすべての周波数成分について周辺の周波数成分との大きさの比（すなわち、髭候補の比）が求められる。

これらの中から髭候補の比が大きい方から１０個を選択し、選択された髭候補の比の対象周波数成分を髭候補として抽出し、実施例１と同様に、髭候補の周波数差に基づいて髭の有無を判定し、部分放電あり／なしの判断を行った。

実施例２の方法では、図８（ａ）に示すように周波数成分のベースがフラットの場合でも、図８（ｂ）に示すようにベースに傾斜などの変動がある場合でも、適切に髭候補を抽出できた。つまり、周波数成分のベースに傾斜がある場合、実施例１の方法では、ベースが高い部分を髭候補として抽出する傾向があったが（図６（ｂ）参照）、実施例２の方法では、ベースが低い部分からも髭候補を抽出可能であり（図８（ｂ）参照）、適切に髭候補を抽出できているものと考えられる。

以上のような、本発明の実施形態に係る部分放電検出方法および部分放電検出装置によれば、外部由来のノイズに埋もれることのない特徴（すなわち、電源周波数の偶数倍の周波数差で並ぶ髭状の突出）を把握することによって、繰り返し発生している部分放電を検出することが可能である。このため、従来のように外部由来ノイズを避けるためにＭＨｚ単位の高い周波数でのサンプリングを行う必要がなく、１０ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ程度の低い周波数でのサンプリングで漏洩電流を計測した電流波形データから部分放電を検出できる。これにより、より安価な部分放電検出装置を作製できる。

以上、具体的な実施形態を示して本発明の部分放電検出方法および部分放電検出装置について説明したが、本発明の部分放電検出方法および部分放電検出装置は、実施形態に限定されるものではなく、その特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、設計変更されたものも、本発明の技術的範囲に属する。

１…部分放電検出装置
２…漏洩電流計
３…解析装置
４…筐体
５…接地線
６…ＣＴ
７…電流計
８…交流電源

Claims (8)

1. 部分放電検出対象の接地線から漏洩電流を計測し、
   計測された漏洩電流の電流波形の周波数分布を求め、当該周波数分布から髭状に突出する周波数成分を複数抽出し、
   抽出された周波数成分の周波数差と前記部分放電検出対象の電源周波数の比較に基づいて部分放電の有無を判定する、ことを特徴とする部分放電検出方法。
2. 前記髭状に突出する周波数成分を、前記周波数分布から周波数成分の大きい順に抽出し、
   抽出された各周波数成分において、隣り合う他の周波数成分との周波数差を求め、
   この周波数差と前記部分放電検出対象の電源周波数の２倍を基準とする基準周波数の比較に基づいて部分放電の有無を判定する、ことを特徴とする請求項１に記載の部分放電検出方法。
3. 前記髭状に突出する周波数成分を、前記周波数分布から周辺の周波数成分と比較して大きい周波数成分を大きい順に抽出し、
   抽出された各周波数成分において、隣り合う他の周波数成分との周波数差を求め、
   この周波数差と前記部分放電検出対象の電源周波数の２倍を基準とする基準周波数の比較に基づいて部分放電の有無を判定する、ことを特徴とする請求項１に記載の部分放電検出方法。
4. 前記周波数分布に含まれるすべての周波数成分において、それぞれ前後２０Ｈｚ〜５０Ｈｚの範囲に存在する周波数成分の平均値を算出し、この平均値に対する比を求め、
   求められた比が大きい順に、前記比に対応する周波数成分を前記髭状に突出する周波数成分として抽出する、ことを特徴とする請求項３に記載の部分放電検出方法。
5. 部分放電検出対象の接地線から漏洩電流を計測する漏洩電流計と、
   計測された漏洩電流の電流波形の周波数分布を求め、当該周波数分布から髭状に突出する周波数成分を複数抽出し、抽出された周波数成分の周波数差と前記部分放電検出対象の電源周波数の比較に基づいて部分放電の有無を判定する解析装置と、を備える、ことを特徴とする部分放電検出装置。
6. 前記解析装置は、前記髭状に突出する周波数成分を、前記周波数分布から周波数成分の大きい順に抽出し、抽出された各周波数成分において、隣り合う他の周波数成分との周波数差を求め、この周波数差と前記部分放電検出対象の電源周波数の２倍を基準とする基準周波数の比較に基づいて部分放電の有無を判定する、ことを特徴とする請求項５に記載の部分放電検出装置。
7. 前記解析装置は、前記髭状に突出する周波数成分を、前記周波数成分から周辺の周波数成分と比較して大きい周波数成分を大きい順に抽出し、抽出された各周波数成分において、隣り合う他の周波数成分との周波数差を求め、この周波数差と前記部分放電検出対象の電源周波数の２倍を基準とする基準周波数の比較に基づいて部分放電の有無を判定する、ことを特徴とする請求項５に記載の部分放電検出装置。
8. 前記解析装置は、前記周波数分布に含まれるすべての周波数成分において、それぞれ前後２０Ｈｚ〜５０Ｈｚの範囲に存在する周波数成分の平均値を算出し、この平均値に対する比を求め、
   求められた比の大きい順に前記比に対応する周波数成分を前記髭状に突出する周波数成分として抽出する、ことを特徴とする請求項７に記載の部分放電検出装置。

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