JP2020148724A

JP2020148724A - 導体の検査装置及びその検査方法

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Publication number: JP2020148724A
Application number: JP2019048504A
Authority: JP
Inventors: 拓郎藤牧; Takuro Fujimaki; 直人久米; Naoto Kume; 晴夫宮寺; Haruo Miyadera
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2020-09-17
Anticipated expiration: 2039-03-15
Also published as: JP7145795B2

Abstract

【課題】健全性評価の信頼性を高めることができる導体の検査装置を提供する。【解決手段】検査装置１０は、パルス信号２０を発生させる発生器１１と、検査対象１２の一端に接続しパルス信号２０ｂを伝搬させる接続部１５と、発生器１１からパルス信号２０を入力するとともに導体の検査対象１２に対する出力インピーダンスを調整する調整回路１６と、接続部１５と調整回路１６との連結経路１７の途中から延びる分岐経路１８に接続しパルス信号２０ａ，２０ｂを受信する受信器２１と、これらパルス信号２０ａ，２０ｂの受信強度３０及び検出時間３５を出力する波形処理部２２と、受信強度３０に基づいて調整回路１６を第１設定３１から第２設定３２に操作し出力インピーダンスを変更する設定操作部２３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、健全性評価に用いる導体の検査技術に関する。

電気ケーブル等の健全性を評価する技術として、抵抗値を測定する導通テスト、伝送線路の特性インピーダンスの乱れから故障位置・状態を測定するＴＤＲ法（Time Domain Reflectometry)、ケーブルをアンテナに見立ててその共鳴周波数からケーブルの状態を測定する手法等が一般に知られている。これらの技術は、例えば電話回線等の通信路の状態検査に利用されてきたものである。

具体的に、矩形波パルスを入力して反射等の応答を調べる等して通信回線の特性インピーダンスや回線長等を測定する手法が開示されている。また、ステップ波形状の検査信号を用いて、避雷針からの雷電流を大地に還流するためのダウンコンダクタを検査する手法が開示されている。

特開２００２−１２５０４４号公報特開２０１３−２９３５１号公報

上述の先行技術は、検査対象である電線に対し、直流・交流的な閉ループを構成する対となる電線もしくは大地（アース）との静電結合が存在することを前提条件にしている。このためそのような閉ループを持たない「単線のケーブル」もしくは「一本の導体」に対し、上述の先行技術を適用することができなかった。

また上述の先行技術は、矩形波パルスやステップ波に含まれる広帯域な周波数成分が、不要な反射を生じさせ、Ｓ／Ｎ比の悪化をもたらしていた。このため、測定そのものが成立しないか、何らかの高周波伝達経路を用いて測定を可能にしたとしても不要な反射成分が多くＳ／Ｎ比が実用レベルに到達しない課題があった。

この不要な反射成分の発生は、測定装置と測定対象の接続部分におけるインピーダンス不整合が原因である。Ｓ／Ｎ比の悪化は、検査に寄与しない周波数成分と反射信号が混在してしまう事による。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、健全性評価の信頼性を高めることができる導体の検査技術を提供することを目的とする。

実施形態の導体の検査装置において、パルス信号を発生させる発生器と、導体の検査対象の一端に接続し前記パルス信号を伝搬させる接続部と、前記パルス信号を入力するとともに前記検査対象に対する出力インピーダンスを調整する調整回路と、前記接続部と前記調整回路との連結経路の途中から延びる分岐経路に接続し前記パルス信号を受信する受信器と、前記パルス信号の受信強度及び検出時間を出力する波形処理部と、前記受信強度に基づいて前記調整回路を第１設定から第２設定に操作し前記出力インピーダンスを変更する設定操作部と、を備える。

本発明の実施形態により、健全性評価の信頼性を高めることができる導体の検査技術が提供される。

本発明の第１実施形態に係る導体の検査装置の構成図。（Ａ）調整回路が第１設定である場合、受信器で直接受信されたパルス信号と導体ケーブルの末端で反射してから受信されたパルス信号とを示すグラフ、（Ｂ）第１例として変換回路が第２設定である場合、受信器で直接受信されたパルス信号と導体ケーブルの末端で反射してから受信されたパルス信号とを示すグラフ、（Ｃ）第２例として変換回路が第２設定である場合、受信器で直接受信されたパルス信号と導体ケーブルの末端で反射してから受信されたパルス信号とを示すグラフ。（Ａ）パルス信号を高分解能サンプリングタイムで波形処理したときの説明図、（Ｂ）パルス信号を低分解能サンプリングタイムで波形処理したときの説明図。（Ａ）アナログ信号を直接処理する時間差検出部の回路図、（Ｂ）回路動作を説明するグラフ。パルス信号の検出時間の時間差と導体ケーブル長との関係を示すグラフ。各実施形態に適用されるインピーダンス調整回路の構成図。第２実施形態に係る導体の検査装置の構成図。（Ａ）導体ケーブルが健全状態である場合に受信されたパルス信号を示すグラフ、（Ｂ）導体ケーブルが断線した場合に受信されたパルス信号を示すグラフ、（Ｃ）導体ケーブルが断線直前の健全性が低下した場合に受信されたパルス信号を示すグラフ。第２実施形態において導体ケーブルの経時劣化に伴う調整回路のインピーダンスの操作量の変化を示すテーブル。導体ケーブルの将来的な経時劣化のシミュレーション結果を示すグラフ。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る導体の検査装置１０Ａ（以下、単に「検査装置１０Ａ」という）の構成図である。

このように検査装置１０Ａは、パルス信号２０を発生させる発生器１１と、検査対象（導体ケーブル）１２の一端に接続しパルス信号２０ｂを伝搬させる接続部１５と、発生器１１からパルス信号２０を入力するとともに導体の検査対象１２に対する出力インピーダンスを調整する調整回路１６と、接続部１５と調整回路１６との連結経路１７の途中から延びる分岐経路１８に接続しパルス信号２０ａ，２０ｂを受信する受信器２１と、これらパルス信号２０ａ，２０ｂの受信強度３０及び検出時間３５を出力する波形処理部２２と、受信強度３０に基づいて調整回路１６を第１設定３１から第２設定３２に操作し出力インピーダンスを変更する設定操作部２３と、を備えている。

図２（Ａ）は調整回路１６（図１）が第１設定３１である場合、受信器２１で直接受信されたパルス信号２０ａと導体ケーブル１２の末端で反射してから受信されたパルス信号２０ｂとを示すグラフである。図２（Ｂ）は第１例として調整回路１６が第２設定３２されている場合、受信器２１で直接受信されたパルス信号２０ａと導体ケーブル１２の末端で反射してから受信されたパルス信号２０ｂとを示すグラフである。

このように第１例では、調整回路１６から受信器２１に直接入射するパルス信号２０ａに着目する。図２（Ａ）の第１設定３１で示す第１受信強度３０₁（Ｈ）に対し、図２（Ｂ）の第２設定３２において第２受信強度３０₂の比率Ａが予定値（図示は１／２）となるように、設定操作部２３は調整回路１６を操作する。なお、この予定値は、０より大きく１より小さい値をとることができる。

比率計算部２５（図１）は、第１設定３１にした時に直接受信されたパルス信号２０ａの第１受信強度３０₁と、第２設定３２にした時に直接受信されたパルス信号２０ａの第２受信強度３０₂との比率Ａを計算する。そして、設定操作部２３は、この計算された比率Ａが予定値に一致するように第２設定３２を再調整することを繰り返す。これにより、導体ケーブル１２を伝搬し末端で反射してから受信されるパルス信号２０ｂの検出感度を高くすることができる。

図２（Ｃ）は第２例として調整回路１６が第２設定３２されている場合、受信器２１で直接受信されたパルス信号２０ａと導体ケーブル１２の末端で反射してから受信されたパルス信号２０ｂとを示すグラフである。

このように第２例では、調整回路１６から直接入射するパルス信号２０ａの受信強度３０と導体ケーブル１２の他端で反射するパルス信号２０ｂの受信強度３３との比率Ａが予定値（図示は１）をとるように、設定操作部２３は調整回路１６を操作する。これにより、導体ケーブル１２を伝搬し末端で反射してから受信されるパルス信号２０ｂの検出感度を高くすることができる。なお、第２例における予定値は１に限定されず、任意の正数とすることができる。

図１に戻って説明を続ける。発生器１１は、正弦波や三角波等の任意の周波数の単発もしくは複数回のパルス信号２０を出力可能とする。この発生器１１は、図示を省略するが、外部からのトリガー入力もしくは周期的動作によりパルス信号２０を生成することができる。具体的には、発生器１１として、周波数、振幅、パルス形状を設定することで任意の周波数、振幅、パルス形状のパルス信号２０を出力することができるファンクションジェネレータ等を適用することができる。

ただしステップ波や矩形波等の広帯域な周波数成分を含む信号を使用する場合は、すでに述べたようにＳ／Ｎ比が悪化するため、周波数帯域の制限されたパルス信号２０を使用することが望ましい。例えば、正弦波などを適用することでその要件が満たされる。なお発生器１１の信号発生原理は、特に限定されず、ＤＤＳやＲＣ発振器とトライアックの組み合わせ、矩形もしくは三角波ジェネレータと低域通過フィルタの組み合わせ等を採用することもできる。

導体の検査対象１２は、直流もしくは交流的な閉ループを形成しない単線ケーブル等である。そして、接続部１５は、インピーダンス調整回路１６が出力したパルス信号２０を導体の検査対象１２に伝搬させるための電気的な接続手段である。具体的には、圧着、ボルト締め、クランプ等が挙げられ、安定的な電気的接触が提供されれば、接続は一時的か永続的であるかを問わず採用される。

受信器２１は、接続部１５と調整回路１６との連結経路１７の途中から延びる分岐経路１８に接続し、アナログ形式のパルス信号２０ａ，２０ｂを受信する。そして、Ａ／Ｄコンバータ等で、所定のサンプリング間隔のデジタル信号に変換し、波形処理部２２に出力する。

波形処理部２２は、これらパルス信号２０ａ，２０ｂの受信強度３０及び検出時間３５を出力する。なおパルス信号２０ａ，２０ｂの受信強度３０は、サンプリングした信号のうち波高値で表すこともできるし、サンプリングした信号値の積分値で表すこともできる。またパルス信号２０ａ，２０ｂの検出時間３５は、サンプリング間隔とデータの順番情報とに基づいて得ることができる。もしくは、関数をフィッティングして受信強度３０及び検出時間３５を求めることもできる。なお波形処理部２２は、アナログ形式のパルス信号２０ａ，２０ｂに対して、ピークホールド回路、コンパレータ等で構成することもできる。

図３（Ａ）はパルス信号２０ａ，２０ｂを高分解能サンプリングで波形処理したときの説明図である。（Ｂ）パルス信号を低分解能サンプリングで波形処理したときの説明図である。このように低分解能サンプリングでは、パルス信号２０ａ，２０ｂの受信強度を波高値３６で表すと、実際よりも低めに計測される場合があるが、サンプリング値と発生器１１の出力波形情報から関数フィッティングを行い実際に近づけることができる。

図６は各実施形態に適用されるインピーダンス調整回路１６の構成図である。この調整回路１６は、可変抵抗器１４を調節することにより、自身のインピーダンスを変化させて検査装置１０Ａの出力インピーダンスを調整することができる。

設定操作部２３（図１）は、調整回路１６それ自身のインピーダンスを設定するもので、図６に示す場合では、可変抵抗器１４を操作するものである。具体的には、第１設定３１ではこの可変抵抗器１４をゼロ設定とし、第２設定３２は比率計算部２５で計算された比率Ａが予定値に一致するように設定される。そのような操作が可能な可変抵抗器１４としては、着脱可能な抵抗器、ポテンショメータ、電子的に制御可能な抵抗素子例えばデジタルポテンショメータ等が挙げられる。

なお設定操作部２３の構成に限定は無く、受信強度３０に基づいて調整回路１６を第１設定３１から第２設定３２に操作し、出力インピーダンスを変更することができるものであれば適宜採用される。設定操作部２３の操作は、オペレータによる手動操作による場合の他に、ＦＰＧＡもしくはＣＰＵを用いた自動操作による場合もある。

検出部２６（図１）は、調整回路１６から直接入射するパルス信号２０ａの検出時間ｔ₁と導体ケーブル１２の他端で反射するパルス信号２０ｂの検出時間ｔ₂との時間差ΔＴを検出するものである。評価部２７ａは、検出された時間差ΔＴに基づいて導体ケーブル１２の断線位置を評価するものである。

図４（Ａ）はアナログ信号を直接処理する時間差検出部２６の回路図である。図４（Ｂ）は回路動作を説明するグラフである。例示される時間差検出部２６は時間電圧変換回路（Time to Amplitude Converter：TAC）の代表的な回路例である。図４に示す時間差検出部２６では、アナログのパルス信号２０ａが入力すると、基底状態の電圧がランプ状に変化し、次のパルス信号２０ｂが入力すると、電圧がホールドされる。このような電圧変化の開始の検出時間ｔ₁と終了の検出時間ｔ₂とから時間差ΔＴを検出することもできる。

図５はパルス信号の検出時間の時間差と導体ケーブル長との関係を示すグラフである。このようにパルス信号２０ａ，２０ｂの時間差ΔＴと導体ケーブル長との間には、線形関係がある事が観測される。これにより、この時間差ΔＴを検出することにより、導体ケーブル１２においてパルス信号２０ｂが反射する位置が判る。そして、この反射位置がケーブルの設計値や予め測定しておいたケーブル長さよりも短い位置にある場合は、この反射位置を断線箇所と推定することができる。

第１実施形態の検査装置１０Ａによれば、導体ケーブル１２の他端で反射するパルス信号２０ｂの受信強度３３のＳ／Ｎ比を向上させることができるので、この反射位置の計測精度や再現性を向上させることができ、導体ケーブル１２の健全性評価の信頼性向上に貢献する。

（第２実施形態）
次に図７から図１０を参照して本発明における第２実施形態について説明する。図７は、第２実施形態に係る導体の検査装置１０Ｂ（以下、単に「検査装置１０Ｂ」という）の構成図である。なお、図７において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

このように検査装置１０Ｂは、パルス信号２０を発生させる発生器１１と、検査対象（導体ケーブル）１２の一端に接続しパルス信号２０ｂを伝搬させる接続部１５と、発生器１１からパルス信号２０を入力するとともに導体の検査対象１２に対する出力インピーダンスを調整する調整回路１６と、接続部１５と調整回路１６との連結経路１７の途中から延びる分岐経路１８に接続し少なくともパルス信号２０ａを受信する受信器２１と、このパルス信号２０ａの受信強度３０を出力する波形処理部２２と、この受信強度３０に基づいて調整回路１６を第１設定３１から第２設定３２に操作し出力インピーダンスを変更する設定操作部２３と、を備えている。

そして、この設定操作部２３は、第１実施形態で図２を参照して説明したように、パルス信号２０ａ及び／又はパルス信号２０ｂの受信強度の比率Ａが予定値となるように、第２設定３２を操作して、調整回路１６のインピーダンスを変更する。このような予定値をとるように操作された調整回路１６の設定状態（第２設定３２）は、導体ケーブル１２の特性インピーダンスを反映している。

図８（Ａ）は導体ケーブルが健全状態である場合に受信されたパルス信号を示すグラフである。図８（Ｂ）は導体ケーブルが断線した場合に受信されたパルス信号を示すグラフである。図８（Ｃ）は導体ケーブルが断線直前の健全性が低下した場合に受信されたパルス信号を示すグラフである。

図８（Ｂ）に示すように、導体ケーブル１２の断線は、直接入射パルスの検出時間ｔ₁と反射パルスの検出時間ｔ₂との時間差ΔＴｂが、健全状態の時間差ΔＴａと異なることから認識することができる。一方において図８（Ｃ）に示すように、導体ケーブル１２の断線前の健全性が低下している状態の時間差ΔＴａは、健全状態と変わらない。しかし、導体ケーブル１２の健全性の劣化が進行するのに従って、第１受信強度３０₁（Ｈ，Ｈ´）の相違は拡大し、これに伴い、第２受信強度３０₂の比率Ａを予定値にするための第２設定３２（図７）の相違も拡大する。

換算部２８（図７）は、このような予定値をとるように操作した調整回路１６の設定状態Ｂ（第２設定３２）を物理換算量にするものである。この物理換算量として、調整回路１６のインピーダンスＺ_out、導体ケーブル１２の仮想的な線径減少量等が挙げられる。

図９は、導体ケーブル１２の経時劣化に伴う調整回路１６のインピーダンスＺ_outの操作量の変化を示すテーブルである。図１０は導体ケーブル１２の将来的な経時劣化のシミュレーション結果を示すグラフである。

評価部２７ｂ（図１）は、このような物理換算量（調整回路１６のインピーダンスＺ_out）の限界値Ｙを設定し、時系列変化を外挿することにより、導体ケーブル１２の健全性を評価（寿命Ｘを推定）することができる。

第２実施形態の検査装置１０Ｂによれば、断線に至らないまでも劣化の進行状態を見極めることができ、導体ケーブル１２の健全性評価の信頼性向上に貢献する。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の導体の検査装置によれば、設定操作することができる出力インピーダンスの調整回路を介してパルス信号の発生器と導体の検査対象とを接続することで、健全性評価の信頼性を高めることが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０（１０Ａ，１０Ｂ）…導体の検査装置、１１…発生器、１２…検査対象（導体ケーブル）、１４…可変抵抗器、１５…接続部、１６…調整回路、１７…連結経路、１８…分岐経路、２０（２０ａ，２０ｂ）…パルス信号、２１…受信器、２２…波形処理部、２３…設定操作部、２５…比率計算部、２６…検出部、２７（２７ａ，２７ｂ）…評価部、２８…換算部、３０₁（３０）…第１受信強度、３０₂（３０）…第２受信強度、３１…第１設定、３２…第２設定、３５…検出時間、３６…波高値、３７…積分値。

Claims

パルス信号を発生させる発生器と、
導体の検査対象の一端に接続し前記パルス信号を伝搬させる接続部と、
前記発生器から前記パルス信号を入力するとともに前記検査対象に対する出力インピーダンスを調整する調整回路と、
前記接続部と前記調整回路との連結経路の途中から延びる分岐経路に接続し前記パルス信号を受信する受信器と、
前記パルス信号の受信強度及び検出時間を出力する波形処理部と、
前記受信強度に基づいて前記調整回路を第１設定から第２設定に操作し、前記出力インピーダンスを変更する設定操作部と、を備える導体の検査装置。
請求項１に記載の導体の検査装置において、
前記調整回路から前記受信器に直接入射する前記パルス信号に着目し、
前記設定操作部は、前記第１設定で示す第１受信強度に対し、前記第２設定において第２受信強度の比率が予定値となるように前記調整回路を操作する導体の検査装置。
請求項１に記載の導体の検査装置において、
前記設定操作部は、前記調整回路から直接入射する前記パルス信号の受信強度と前記検査対象の他端で反射する前記パルス信号の受信強度との比率が予定値をとるように前記調整回路を操作する導体の検査装置。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の導体の検査装置において、
前記調整回路から直接入射する前記パルス信号の前記検出時間と前記検査対象の他端で反射する前記パルス信号の前記検出時間との時間差を検出する検出部を備える導体の検査装置。
請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の導体の検査装置において、
前記予定値をとるように操作した前記調整回路の設定状態を物理換算量にする換算部を備える導体の検査装置。
請求項４又は請求項５に記載の導体の検査装置において、
前記時間差及び前記物理換算量の少なくとも一方の時系列に基づいて、前記検査対象の健全性を評価する評価部を備える導体の検査装置。
パルス信号を発生させる発生器と、
導体の検査対象の一端に接続し前記パルス信号を伝搬させる接続部と、
前記発生器から前記パルス信号を入力するとともに前記検査対象に対する出力インピーダンスを調整する調整回路と、
前記接続部と前記調整回路との連結経路の途中から延びる分岐経路に接続し前記パルス信号を受信する受信器と、
前記パルス信号の受信強度及び検出時間を出力する波形処理部と、を備える導体の検査装置を用い、
前記受信強度に基づいて前記調整回路を第１設定から第２設定に操作し、前記出力インピーダンスを変更する導体の検査装方法。