JP2020159957A - 部分放電計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】面電流センサの感度を高めることで微少な部分放電信号を得ることができ、性能の更なる向上を図ることが可能な部分放電診断装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明にかかる部分放電測定装置（測定装置１００）の構成は、金属遮蔽機器の外装面に設置され金属遮蔽機器内の部分放電により励起される電流を検出する面電流センサ１１と、金属遮蔽機器に課電される電圧を検出する電圧検出装置１５と、面電流センサ１１で検出された電流波形と電圧検出装置で検出された電圧波形との同期を取り同一時間軸で表示する表示装置１６とを備え、面電流センサ１１は、複数枚の平面アンテナを積層した導体３１を含むことを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、金属遮蔽機器の内部で発生した部分放電を測定する部分放電計測装置に関する。

電気機器の絶縁劣化診断は、絶縁破壊の前駆現象として発生する部分放電を測定して行われる。電気機器に発生する部分放電を検出するものとして、面電流センサを用いて部分放電を検出するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。これは、外部電磁界の影響を受けることなく外層接地機器の接地層表面に流れる高周波面電流によってのみ励振する検出線を設け、検出線の一端に終端抵抗を接続するとともに他端に測定ケーブルを接続し、検出線を接地層表面と近接した位置に金属筐体で保持して、測定ケーブルにより部分放電を取り出すものである。

しかしながら、特許文献１の部分放電検出装置では、部分放電により発生した機器内部の平面波（電磁波）が非金属箇所から機器外部へ漏れ出し、その漏れ出した機器表面を伝播する平面波を検出するものであることから、機器内部で発生した部分放電による平面波により検出される波形以外に、気中部のコロナ放電や機器動作時のスイッチング等の外部からの影響による平面波も検出してしまい、両者を区別することが非常に難しい。また、面電流センサのみの測定では、部分放電が発生している相を判断することはできない。

そこで発明者らは、特許文献２の部分放電測定装置を開発した。特許文献２の部分放電測定装置では、金属遮蔽機器の外装面に面電流センサを設置して金属遮蔽機器内の部分放電により励起される電流を検出し、電圧検出装置により金属遮蔽機器に課電される電圧を検出する。そして、表示装置に面電流センサで検出された電流波形と電圧検出装置で検出された電圧波形との同期を取り同一時間軸で表示する。

特開平１０−１７０５９１号公報 特開２０１６−１９４４６６号公報

特許文献２の発明によれば、電流波形と電圧波形との位置関係から部分放電が発生しているか否かを容易に判別でき、部分放電が発生している相も容易に判別できる。また、面電流センサで検出された電流波形と電圧検出装置で検出された電圧波形との同期を取り同一時間軸で表示装置に表示するだけなので、装置構成を複雑とすることなく部分放電の検出精度を向上できる。しかしながら、微少な部分放電信号を得るためには、部分放電測定装置のさらなる性能の向上が望まれていた。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、面電流センサの感度を高めることで微少な部分放電信号を得ることができ、性能の更なる向上を図ることが可能な部分放電診断装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明にかかる部分放電測定装置の代表的な構成は、金属遮蔽機器の外装面に設置され金属遮蔽機器内の部分放電により励起される電流を検出する面電流センサと、金属遮蔽機器に課電される電圧を検出する電圧検出装置と、面電流センサで検出された電流波形と電圧検出装置で検出された電圧波形との同期を取り同一時間軸で表示する表示装置とを備え、面電流センサは、複数枚の平面アンテナを積層した導体を含むことを特徴とする。

上記構成によれば、複数枚の平面アンテナを積層して導体を構成することで、装置全体を大型化することなく、導体の面積を増大することができる。したがって、微小な部分放電信号をより効率的に検出することができ、部分放電測定装置の性能を更に向上することが可能となる。

当該部分放電測定装置は、面電流センサと表示装置の間にコモンモードフィルタを備え、コモンモードフィルタは、トロイダルコアに信号線とグランド線をバイファイラ巻きしたチョークコイルを含むとよい。かかる構成によれば、面電流センサによって検出された電流を表示装置に送信する際に生じるノイズを低減することができる。したがって、表示装置において電圧の波形をより鮮明に表示することが可能となる。

本発明によれば、面電流センサの感度を高めることで微少な部分放電信号を得ることができ、性能の更なる向上を図ることが可能な部分放電診断装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る部分放電測定装置の構成図である。 表示装置に表示される電流波形及び電圧波形の一例の波形図である。 面電流センサの構成図である。 実施例および比較例における面電流センサの出力波形を示す図である。 コモンモードフィルタを示す図である。 実施例の面電流センサにおける外乱の有無による波形の変化を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る部分放電測定装置（以下、測定装置１００と称する）の構成図である。図１に示すように、本実施形態の測定装置１００は、面電流センサ１１、電圧検出装置１５および表示装置１６を含んで構成される。面電流センサ１１は、金属遮蔽機器１２の外装面に設置され、金属遮蔽機器１２内の部分放電により励起される電流を検出する。金属隠蔽機器１２は、例えば、ガス絶縁機器であるガス絶縁開閉装置ＧＩＳである。ガス絶縁開閉装置ＧＩＳは、空気よりも優れた絶縁特性及び消孤能力を持った六フッ化硫黄ＳＦ６ガスを用い、接地された金属製の密閉容器内に、遮断器、断路器、接地開閉器、母線、避雷器、計器用変圧器、変流器等を収納してガス絶縁化したものである。

このような金属隠蔽機器１２の内部で部分放電が発生した場合には、その部分放電により金属隠蔽機器１２の内部で平面波（電磁波）が発生する。発生した平面波は非金属箇所（例えばブッシング）から金属隠蔽機器１２の外部へ漏れ出し、金属隠蔽機器１２の外装面の表面を伝播する。金属隠蔽機器１２の外装面の表面を伝播する平面波により、面電流センサ１１内部の導体が励振され、導体に電流が流れる。その結果、面電流センサ１１内部の導体に電圧が生じることから、この電圧を検出することにより、金属遮蔽機器１２内の部分放電による電流を検出する。

一方、ミニクラッド１３は金属遮蔽機器１２から商用電圧が課電される。ミニクラッド１３は、３相の商用電圧を配電するために必要な主遮断器、計器用変圧器ＰＴ、計器用変流器ＣＴ等を樹脂で固めて、充電部（金属部分）が露出しないようにしたものであり、３相の配電端子部１４ｒ、１４ｓ、１４ｔを有し、この３相の配電端子部１４ｒ、１４ｓ、１４ｔは配電線につながっている。配電端子部１４ｒ、１４ｓ、１４ｔはミニクラッド１３のケーブルヘッドである。図１では、３相の配電端子部１４ｒ、１４ｓ、１４ｔのみを示し、主遮断器、計器用変圧器ＰＴ、計器用変流器ＣＴ等や金属遮蔽機器１２からの接続ケーブルの図示は省略している。

電圧検出装置１５は、金属遮蔽機器１２に課電されている電圧を検出するものである。例えば、商用電圧波形測定用ロゴスキーコイルやクランプＣＴなどであり、３相の配電端子部１４ｒ、１４ｓ、１４ｔのケーブルヘッド周囲に簡易に着脱可能であり、金属遮蔽機器１２に課電されている商用電圧を各相毎に検出する。

面電流センサ１２で検出された電流波形及び電圧検出装置１５で検出された電圧波形は、表示装置１６に入力される。表示装置１６は、面電流センサ１２で検出された電流波形と電圧検出装置１５で検出された電圧波形との同期を取り同一時間軸で表示するものであり、例えば、オシロスコープや液晶表示装置である。

表示装置１６は、電流波形及び電圧波形を表示するにあたり、電流波形と電圧波形との同期を取り同一時間軸で表示する。表示装置１６は時間軸が５ｍｓ/ｄｉｖでサンプリング周波数が５０ＭＳ/ｓ以上の装置を使用する。電流波形及び電圧波形の測定の際には、表示装置１６の時間軸は商用電圧波形が２周期以上入る５ｍｓ/ｄｉｖ程度に設定する。

図２は、表示装置１６に表示される電流波形及び電圧波形の一例の波形図である。図２では商用電圧が５０Ｈｚであり３相交流ＲＳＴのうちＲ相電圧を示している。従って、商用電圧の電圧波形の１周期、すなわち、電圧波形がマイナスからプラスに変化するゼロクロス点である時点ｔ０１から時点ｔ０２までの時間は２０ｍｓである。また、面電流センサ１２で検出された電流波形は、電圧検出装置１５で検出された電圧波形と同期を取り同一時間軸で表示している。

ここで、部分放電波形は、発生する原因にもよるが、商用電圧の電圧波形のピーク付近若しくはゼロクロス点に同期して、周期１０ｍｓ（商用電圧波形５０Ｈｚの場合）で発生する。従って、面電流センサ１１で検出された電流波形と商用電圧の電圧波形との同期を確認することで、検出された波形が金属遮蔽機器１２の内部からの部分放電によるものか否かを判断できる。すなわち、商用電圧の電圧波形のピーク付近若しくはゼロクロス点において、面電流センサ１１で検出された電流波形の電流値が大きいか否かを判断することにより、金属遮蔽機器１２の内部からの部分放電によるものか否かを判断できる。

図２に示すように、時点ｔ１１における商用電圧の電圧波形のピーク付近（マイナス側にピーク付近）Ｙ１で面電流センサ１１で検出された電流値Ｘ２が大きくなっており、また、時点ｔ１２における商用電圧の電圧波形のピーク付近（プラス側にピーク付近）Ｙ２で面電流センサ１１で検出された電流値Ｘ３が大きくなっている。さらには、時点ｔ１における商用電圧の電圧波形のゼロクロス点Ｚで面電流センサ１１で検出された電流値Ｘ１が大きくなっている。このことから、商用電圧の電圧波形（Ｒ相）において、そのピーク値前およびゼロクロス付近で部分放電の電流波形が検出されていることになり、部分放電が発生している相はＲ相と判断できる。

このように、面電流センサ１１で検出された電流波形と商用電圧の電圧波形との同期を確認すること、すなわち、商用電圧の電圧波形のピーク付近若しくはゼロクロス点における面電流センサ１１で検出された電流波形の電流値の大きさを確認することで、検出された波形が金属遮蔽機器１２の内部からの部分放電によるものか否かを判断できる。また、部分放電の電流波形と各相の商用電圧の電圧波形との同期を比較することで、部分放電が発生している相を判断することができる。さらに、部分放電の電流値のピーク値を測定することで、金属遮蔽機器１２の異常進展度合いを把握できる。

次に、面電流センサ１１について説明する。図３は、面電流センサの構成図である。面電流センサ１１は、絶縁基材１７上に配置された導体３１と、導体３１を電磁シールドするシールド部１９と、導体３１の一端に形成され導体３１に励起された電流を検出する検出端子２０と、導体３１の他端に形成され導体３１に励起された電流の反射を防ぐための終端抵抗２１とから構成される。

導体３１は、例えば一定の幅を有した銅箔であり絶縁基材１７上に配置される。シールド部１９は、導体３１が外部電磁界の影響を受けることなく金属遮蔽機器の外装面の表面に流れる部分放電による電流によってのみ励振するように、導体３１を電磁シールドするものであり、例えば金属筐体で形成される。導体３１の一端には導体３１に励起された電流を検出する検出端子２０が接続され、導体３１の他端には導体３１に励起された電流の反射を防ぐための終端抵抗２１が接続される。検出端子２０及び終端抵抗２１は、金属筐体であるシールド部１９に取り付けられる。そして、導体３１を流れる部分放電による電流は、検出端子２０で検出され表示装置１６に入力される。

本実施形態の測定装置１００の特徴として、面電流センサ１１の導体３１は、複数枚（本実施形態では３枚を例示）の平面アンテナ３１ａ・３１ｂ・３１ｃを積層して形成されている。３枚の平面アンテナ３１ａ・３１ｂ・３１ｃは、図３に示すように接続線３２によって先端と末端が結線され、直列に接続されている。このように複数枚の平面アンテナ３１ａ−３１ｃを積層して導体３１を構成することで、装置全体を大型化することなく、導体３１の面積を増大することができる。したがって、微小な部分放電信号をより効率的に検出することができ、測定装置１００の性能を更に向上することが可能となる。

なお、図示はしていないが、平面アンテナ３１ａ・３１ｂ・３１ｃの間には絶縁体が配置される。これにより、平面アンテナ３１ａ・３１ｂ・３１ｃそれぞれを１つのアンテナとして使用することが可能となる。換言すれば、３枚の平面アンテナ３１ａ・３１ｂ・３１ｃが１つのアンテナとして機能することを防ぐことが可能となる。

ここで、例えば面積が大きい平面アンテナを３つ折りにすれば、同じように導体３１の面積を拡大することができる。しかしながら、平面アンテナを折り曲げた場合、磁場によって発生した電流は折り目部分において逆向きとなって打ち消されてしまうため、面電流センサの性能を十分に高めることが難しい。これに対し、本実施形態のように複数の平面アンテナ３１ａ−３１ｃを積層した構成とすれば、磁場によって発生した全ての電流が順方向となって打ち消されることがないため、面電流センサ１１の性能を十分に向上させることが可能となる。

図４は、実施例および比較例における面電流センサ１１の出力波形を示す図である。図４（ａ）は、実施例として３枚の平面アンテナ３１ａ−３１ｃを積層した導体３１を備える面電流センサ１１の出力波形であり、図４（ｂ）は、比較例として１枚の平面アンテナからなる導体３１を備える面電流センサの出力波形である。

部分放電校正器により実施例の面電流センサ１１および比較例の面電流センサに同じ信号を与えたとき、信号の強度は、図４（ｂ）に示す比較例よりも図４（ａ）に示す実施例の方が強く、ピークも鮮明に検出されている。１枚のアンテナである比較例に対して、３枚のアンテナを積層した実施例では、約３倍の信号強度が得られている。したがって、実施例のように面電流センサ１１の導体３１を複数枚積層した平面アンテナ３１ａ−３１ｃとすることにより、微小な部分放電信号をより効率的に検出することができ、部分放電測定装置の性能を更に向上可能であることが理解できる。

図５は、コモンモードフィルタ１１０を示す図である。図１に示すように、本実施形態の測定装置１００では、面電流センサ１１と表示装置１６の間にコモンモードフィルタ１１０が配置される。図５に示すように、コモンモードフィルタ１１０は、筐体１１２の内部に配置されるチョークコイル１１４を含んで構成される。

チョークコイル１１４では、信号線１２２およびグランド線１２４がトロイダルコア１２０にバイファイラ巻きされている。信号線１２２は面電流センサ１１および表示装置１６に接続されていて、グランド線１２４はグランド（不図示）に接続されている。また信号線１２２とグランド線１２４の間にはバイパスコンデンサ１３０が接続されている。

面電流センサ１１からの電流が信号線１２２に流れるとき、グランド線１２４には逆向きの電流が流れる。信号線１２２とグランド線１２４で互いの電流の向きが逆であるため、電流に起因する磁束は打ち消される。

これに対し、外乱によるノイズは信号線１２２およびグランド線１２４において同じ方向に流れる。このため、トロイダルコア１２０ではノイズによる磁束が発生し、その磁束によって信号線１２２およびグランド線１２４において起電力が発生する。この起電力によってノイズの電流が打ち消されるため、ＳＮ比（シグナル／ノイズ比）を高めることができる。したがって、表示装置１６において電圧の波形をより鮮明に表示することが可能となる。

図６は、実施例の面電流センサ１１における外乱の有無による波形の変化を説明する図である。図６（ａ）は、コモンモードフィルタ１１０を備えない状態、且つ外乱が発生していない際の面電流センサ１１の出力波形を示す図である。図６（ｂ）は、コモンモードフィルタ１１０を備えない状態、且つ外乱が発生している際の面電流センサ１１の出力波形を示す図である。図６（ｃ）は、コモンモードフィルタ１１０を備える状態、且つ外乱が発生している際の１１の出力波形を示す図である。

外乱が発生していない場合には、図６（ａ）に示すように電圧の波形ではピークが良好に検出される。コモンモードフィルタ１１０を備えない状態において外乱を意図的に発生させると、図６（ｂ）に示すように外乱によるノイズが発生し、ピークを検出しづらくなる。このように外乱を発生させた状態であってもコモンモードフィルタ１１０を備えることにより、図６（ｃ）に示すようにノイズが大幅に軽減され、ピークが好適に検出される。したがって、測定装置１００においてコモンモードフィルタ１１０を備えることにより、表示装置１６において電圧の波形をより鮮明に表示可能となることが理解できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、金属遮蔽機器の内部で発生した部分放電を測定する部分放電計測装置に利用することができる。

１１…面電流センサ、１２…金属遮蔽機器、１３…ミニクラッド、１４ｒ…配電端子部、１４ｓ…配電端子部、１４ｔ…配電端子部、１５…電圧検出装置、１６…表示装置、１７…絶縁基材、１９…シールド部、２０…検出端子、２１…終端抵抗、３１…導体、３１ａ…平面アンテナ、３１ｂ…平面アンテナ、３１ｃ…平面アンテナ、３２…接続線、１００…測定装置、１１０…コモンモードフィルタ、１１２…筐体、１１４…チョークコイル、１２０…トロイダルコア、１２２…信号線、１２４…グランド線、１３０…バイパスコンデンサ

Claims (2)

1. 金属遮蔽機器の外装面に設置され前記金属遮蔽機器内の部分放電により励起される電流を検出する面電流センサと、
   前記金属遮蔽機器に課電される電圧を検出する電圧検出装置と、
   前記面電流センサで検出された電流波形と前記電圧検出装置で検出された電圧波形との同期を取り同一時間軸で表示する表示装置とを備え、
   前記面電流センサは、複数枚の平面アンテナを積層した導体を含むことを特徴とする部分放電測定装置。
2. 当該部分放電測定装置は、前記面電流センサと前記表示装置の間にコモンモードフィルタを備え、
   前記コモンモードフィルタは、トロイダルコアに信号線とグランド線をバイファイラ巻きしたチョークコイルを含むことを特徴とする請求項１に記載の部分放電測定装置。