JP2020176888A - 計測装置及びその計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数応答解析のための停電作業時間を短縮することが可能な電力用変圧器の計測装置及び計測方法を提供する。【解決手段】第１電気機器３００に接続されている第２電気機器のキャパシタンス成分に対して並列に接続される可変インダクタ１６０と、第１電気機器３００に入力される正弦波信号の第１測定周波数から前記第１測定周波数よりも高い第２測定周波数までの周波数の変化に応じて、可変インダクタ１６０が前記キャパシタンス成分と並列共振するように、可変インダクタ１６０の値を制御する制御装置１７０と、を備え、第１電気機器３００から前記正弦波信号の周波数の変化に応じて出力される出力信号に基づいて、周波数応答波形生成装置が、各測定周波数に対応する伝達関数を算出し、前記伝達関数から第１電気機器３００の周波数応答波形を生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、計測装置及びその計測方法に関する。

電気機器の１つである電力用変圧器の巻線や鉄心の異常を診断する方法として、周波数応答解析（Frequency Response Analysis）を用いる方法が知られている。

上記の方法は、電力用変圧器に入力される正弦波信号（例えば電圧）の周波数（測定周波数）を数十Ｈｚから数ＭＨｚまで掃引させたときに変圧器から出力される出力信号（例えば電流）に基づいて、各測定周波数に対応する伝達関数（例えばインピーダンス）を算出した後、電力用変圧器が健全であることを示す予め用意されている伝達関数と比較することによって、電力用変圧器が健全であるか否かを診断する方法である（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１１−２５３８８５号公報

電力系統において、電力用変圧器には計器用変圧器やサージアブソーバ等のキャパシタンス成分を有する付属設備（電気機器）が配線を介して接続されているため、このままでは、電力用変圧器の他に付属設備を含む周波数応答解析が一度に行われてしまい、電力用変圧器が単体で健全であるか否かを正確に診断することはできない。そこで、電力用変圧器の周波数応答解析を行う場合、電力用変圧器が単体で健全であるか否かを診断することができるように、電力用変圧器と付属設備との間の配線を取り外している。しかし、電力用変圧器と付属設備との間の配線をわざわざ取り外さなければならないため、周波数応答解析のための停電作業時間が長くなる虞があった。

そこで、本発明は、周波数応答解析のための停電作業時間を短縮することが可能な計測装置及びその計測方法を提供することを目的とする。

前述した課題を解決する主たる本発明は、第１電気機器に入力される正弦波信号の周波数を第１測定周波数から前記第１測定周波数よりも高い第２測定周波数まで変化させたときに、前記第１電気機器から前記正弦波信号の周波数の変化に応じて出力される出力信号に基づいて、周波数応答波形生成装置が、前記第１測定周波数から前記第２測定周波数までの各測定周波数に対応する伝達関数を算出し、前記伝達関数から前記第１電気機器の周波数応答波形を生成するように、前記正弦波信号を前記第１電気機器に入力するとともに前記出力信号を前記周波数応答波形生成装置に入力するために用いられる計測装置であって、前記第１電気機器に接続されている第２電気機器のキャパシタンス成分に対して並列に接続される可変インダクタと、前記正弦波信号の前記第１測定周波数から前記第２測定周波数までの周波数の変化に応じて、前記可変インダクタが前記キャパシタンス成分と並列共振するように、前記可変インダクタの値を制御する制御装置と、を備える。

本発明の他の特徴については、添付図面及び本明細書の記載により明らかとなる。

本発明によれば、周波数応答解析のための停電作業時間を短縮することが可能となる。

本実施形態に係る計測装置の一例を示す回路ブロック図である。 本実施形態に係る計測装置が用いられる周波数応答波形生成装置の一例を示すブロック図である。 本実施形態に係る計測装置の動作の一例を示すフローチャートである。

本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

＝＝＝計測装置＝＝＝
図１は、本実施形態に係る計測装置の一例を示す回路ブロック図である。尚、本実施形態において、計測装置には、配電系統で電圧を降圧した電力を需要家に供給するための常設型又は移動型の電力用変圧器（第１電気機器）が接続され、電力用変圧器には、計器用変圧器やサージアブソーバ等のキャパシタンス成分を有する付属設備（第２電気機器）が配線を介して接続されていることとする。

計測装置１００は、周波数応答波形生成装置２００が電力用変圧器３００単体に対する周波数応答波形を生成することができるように、正弦波信号の周波数を広範囲に亘って変化させながら当該正弦波信号を電力用変圧器３００に入力するとともに、電力用変圧器３００から正弦波信号の周波数の変化に応じて出力される出力信号を周波数応答波形生成装置２００に入力する装置である。

計測装置１００は、上記の機能を実現するための手段として、入力電圧発生器１１０、抵抗１２０、交流回路用の電圧計１３０、１４０、スイッチ１５０、可変インダクタ１６０、制御装置１７０を含んで構成されている。

入力電圧発生器１１０は、入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）（正弦波信号）を発生する発生器であって、入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の周波数を第１測定周波数（例えば数十Ｈｚ）から第２測定周波数（例えば数ＭＨｚ）まで変化させる掃引機能を有している。抵抗１２０は入力電圧発生器１１０に対して直列に接続され、その抵抗値は例えば５０Ωに設定されている。入力電圧発生器１１０及び抵抗１２０からなる直列接続体は、電力用変圧器３００の２次巻線３２０に対して並列に接続されている。電圧計１３０は、入力電圧発生器１１０に対して並列に接続され、第１測定周波数から第２測定周波数まで周波数が連続的に変化する入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）を計測する。電圧計１４０は、抵抗１２０に対して並列に接続され、入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）が２次巻線３２０に供給されたときに抵抗１２０の両端に発生する出力電圧Ｖｏｕｔ（ｊω）（出力信号）を計測する。尚、ｊは虚数単位、ωは角周波数を表している。

スイッチ１５０は、電力用変圧器３００の１次巻線３１０に対して並列に接続されている。電力用変圧器３００の巻線の異常を診断する場合、スイッチ１５０を閉じて１次巻線３１０を短絡させた状態で、入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）及び出力電圧Ｖｏｕｔ（ｊω）を計測する。一方、電力用変圧器３００の鉄心の異常を診断する場合、スイッチ１５０を開いて１次巻線３１０を開放させた状態で、入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）及び出力電圧Ｖｏｕｔ（ｊω）を計測する。

付属設備に含まれるキャパシタンス成分５００は、２次巻線３２０に対して並列に接続されることと等価である。そこで、可変インダクタ１６０は、キャパシタンス成分５００と共振回路４００を形成するように、キャパシタンス成分５００に対して並列に接続されている。

制御装置１７０は、入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の周波数が第１測定周波数から第２測定周波数まで変化している期間、共振回路４００が常に並列共振するように、入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の周波数の変化に応じて可変インダクタ１６０の値を調整する装置である。

制御装置１７０は、上記の機能を実現するための手段として、算出部１７０Ａ、制御部１７０Ｂ、アクチュエータ１７０Ｃを含んで構成されている。尚、算出部１７０Ａ及び制御部１７０Ｂの機能は、マイクロコンピュータのソフトウエア処理によって実現される。

ここで、可変インダクタ１６０を流れる電流Ｉ_Ｌは、可変インダクタ１６０のインダクタンス値をＬ、２次巻線３２０に現れる電圧をＥとすると、以下の式（１）で表される。

又、キャパシタンス成分５００を流れる電流Ｉ_Ｃは、キャパシタンス成分５００のキャパシタンス値をＣとすると、以下の式（２）で表される。

ここで、“ωＬ＝１／ωＣ”を満足するインダクタンス値Ｌを選択すると、“Ｉ_Ｌ＝−Ｉ_Ｃ”となるため、計測装置１００から共振回路４００へ電流が流れなくなって、共振回路４００は並列共振する。このとき、計測装置１００と共振回路４００との間には無限大のインピーダンスが存在することとなるため、キャパシタンス成分５００が２次巻線３２０に接続された状態であっても、電力用変圧器３００単体としての出力電圧Ｖｏｕｔ（ｊω）を得ることが可能となる。

共振回路４００が並列共振するときの可変インダクタ１６０のインダクタンス値Ｌは、入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の周波数をｆとすると、式（３）から算出される。

キャパシタンス成分５００の値は、付属設備の種類や仕様に応じて様々な値となり得るため、制御装置１７０が入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の周波数の変化に応じて可変インダクタ１６０の値を制御する前段の作業として、算出部１７０Ａによってキャパシタンス成分５００の値を予め算出しておく必要がある。例えば、キャパシタンス成分５００の値を算出する際に、電圧計１３０と可変インダクタ１６０とを接続する配線１８０上に交流回路用の電流計１９０を一時的に接続し、入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）が所定周波数であるときに電流計１９０の値がゼロとなる可変インダクタ１６０の値を求め、式（３）からキャパシタンス成分５００の値を算出してもよい。尚、キャパシタンス成分５００の値を算出する際に用いる入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の周波数は、キャパシタンス成分５００の値の算出精度を高めるために、第１測定周波数と第２測定周波数との間の一の周波数（例えば１００Ｈｚ）であることが望ましい。又、説明の便宜上、図１には、配線１８０上に電流計１９０を接続したままの状態を記載することとする。

制御部１７０Ｂは、入力電圧発生器１１０から入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の周波数を示す情報を取得し、入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の周波数の値（可変値）とキャパシタンス成分５００の値（固定値）とを式（３）に代入することによって、共振回路４００が並列共振するための可変インダクタ１６０の値を算出する。

可変インダクタ１６０は、円筒型のコイル巻線１６０Ａと、コイル巻線１６０Ａ内に挿通される鉄心１６０Ｂとを含んで構成されている。アクチュエータ１７０Ｃは、鉄心１６０Ｂと機械的に連結され、制御部１７０Ｂによって算出された可変インダクタ１６０の値となるように（共振回路４００が並列共振するように）、コイル巻線１６０Ａの軸線方向に沿って鉄心１６０Ｂを出し入れして磁束密度を変化させることによって、可変インダクタ１６０の値を調整する。

これによって、計測装置１００は、電力用変圧器３００にキャパシタンス成分５００を含む付属設備を接続したままの状態で、電力用変圧器３００単体としての出力電圧Ｖｏｕｔ（ｊω）を得ることが可能となる。

＝＝＝周波数応答波形生成装置＝＝＝
図２は、本実施形態に係る計測装置が用いられる周波数応答波形生成装置の一例を示すブロック図である。

周波数応答波形生成装置２００は、電力用変圧器３００が健全な状態で稼働しているか否かを診断するに際して、電力用変圧器３００と接続された計測装置１００によって測定された入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）及び出力電圧Ｖｏｕｔ（ｊω）から伝達関数を算出し、伝達関数から周波数応答波形を生成する装置である。

周波数応答波形生成装置２００は、上記の機能を実現するための手段として、入力部２１０、伝達関数算出部２２０、周波数応答波形生成部２３０、記憶部２４０、出力部２５０を含んで構成されている。

入力部２１０は、計測装置１００から入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）及び出力電圧Ｖｏｕｔ（ｊω）を示す情報が供給される、計測装置１００と周波数応答波形生成装置２００との間の信号路を接続するインターフェースである。

伝達関数算出部２２０は、入力部２１０から入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）及び出力電圧Ｖｏｕｔ（ｊω）を示す情報が供給されることによって、測定周波数ごとに、例えば以下に示す式（４）で定義される伝達関数Ｈ（ｊω）を算出する。尚、伝達関数Ｈ（ｊω）は、電圧レシオを示す関数として定義されているが、巻線インピーダンスやアドミタンスを示す関数として定義されてもよい。伝達関数Ｈ（ｊω）は、記憶部２４０の記憶領域２４０Ａに記憶される。

周波数応答波形生成部２３０は、記憶部２４０の記憶領域２４０Ａから読み出される伝達関数Ｈ（ｊω）を繋ぎ合わせて周波数応答波形を生成する。周波数応答波形を示す情報は、記憶部２４０の記憶領域２４０Ｂに記憶される。

記憶部２４０は、上記の記憶領域２４０Ａ、２４０Ｂを有する。尚、記憶部２４０は、１つの記憶領域を２つの記憶領域２４０Ａ、２４０Ｂに分割する１つの記憶部であってもよいし、２つの記憶領域２４０Ａ、２４０Ｂを個別に有する２つの記憶部であってもよい。

出力部２５０は、記憶部２４０の記憶領域２４０Ｂから読み出された周波数応答波形を示す情報を後段の診断装置（不図示）に出力する。

診断装置は、例えば、出力部２５０から供給された電力用変圧器３００の現在の周波数応答波形を、電力用変圧器３００が健全であることを示す予め用意されている周波数応答波形と比較し、両波形の乖離の度合に応じて、電力用変圧器３００が健全な状態で稼働しているか否かを診断する。

＝＝＝計測装置の動作＝＝＝
図３は、本実施形態に係る計測装置の動作の一例を示すフローチャートである。尚、図３における動作の主体は、制御部１７０Ｂである。

先ず、制御部１７０Ｂは、入力電圧発生器１１０から発生する入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の周波数を第１測定周波数と第２測定周波数との間の一の周波数（例えば１００Ｈｚ）に固定し、アクチュエータ１７０Ｃを制御することによって、鉄心１６０Ｂをコイル巻線１６０Ａの軸線方向に沿って移動させて可変インダクタ１６０の値を調整する。そして、制御部１７０Ｂは、電流計１９０の値がゼロとなるときの、即ち共振回路４００が並列共振するときの可変インダクタ１６０の値を取得し、式（３）からキャパシタンス成分５００の値を算出する（ステップＳ１）。

次に、制御部１７０Ｂは、入力電圧発生器１１０から発生する入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の周波数が第１測定周波数から第２測定周波数まで連続的に変化するように、入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の掃引を開始する（ステップＳ２）。

次に、制御部１７０Ｂは、ステップＳ１で算出されたキャパシタンス成分５００の値と入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の周波数の値とを式（３）に代入することによって、共振回路４００が並列共振することとなる可変インダクタ１６０の値を算出する（ステップＳ３）。

次に、制御部１７０Ｂは、アクチュエータ１７０Ｃを制御することによって、鉄心１６０Ｂをコイル巻線１６０Ａの軸線方向に沿って移動させ、共振回路４００が並列共振するように可変インダクタ１６０の値を調整する（ステップＳ４）。

次に、制御部１７０Ｂは、入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の周波数が第２測定周波数であるか否かを判別する（ステップＳ５）。入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の周波数が第２測定周波数ではない場合（ステップＳ５：ＮＯ）、ステップＳ３以降の処理を再度実行する。一方、入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の周波数が第２測定周波数である場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、一連の処理を終了する。

これによって、共振回路４００を並列共振させることによって計測装置１００とキャパシタンス成分５００との間のインピーダンスを無限大とできるため、電力用変圧器３００にキャパシタンス成分５００を含む付属設備を接続したままの状態で、電力用変圧器３００単体としての出力電圧Ｖｏｕｔ（ｊω）を得ることが可能となる。

＝＝＝まとめ＝＝＝
以上説明したように、電力用変圧器３００に入力される入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の周波数を第１測定周波数（数十Ｈｚ）から第２測定周波数（数ＭＨｚ）まで変化させたときに、電力用変圧器３００から入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の周波数の変化に応じて出力される出力電圧Ｖｏｕｔ（ｊω）に基づいて、周波数応答波形生成装置２００が、第１測定周波数から第２測定周波数までの各測定周波数に対応する伝達関数Ｈ（ｊω）を算出し、伝達関数Ｈ（ｊω）から電力用変圧器３００の周波数応答波形を生成するように、電力用変圧器３００に入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）を入力するとともに電力用変圧器３００から出力される出力電圧Ｖｏｕｔ（ｊω）を周波数応答波形生成装置２００に入力するために用いられる計測装置１００であって、電力用変圧器３００に接続されている付属設備（計器用変圧器やサージアブソーバ等）に含まれるキャパシタンス成分５００に対して並列に接続される可変インダクタ１６０と、入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の第１測定周波数から第２測定周波数までの周波数の変化に応じて、可変インダクタ１６０がキャパシタンス成分５００と並列共振するように、可変インダクタ１６０の値を制御する制御装置１７０と、を備える。これによって、計測装置１００とキャパシタンス成分５００との間のインピーダンスを無限大とできるため、電力用変圧器３００にキャパシタンス成分５００を含む付属設備を接続したままの状態で、電力用変圧器３００単体としての出力電圧Ｖｏｕｔ（ｊω）を得ることが可能となる。つまり、電力用変圧器３００の周波数応答解析を行う際の停電作業時間を短縮することが可能となる。

又、制御装置１７０は、入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の周波数を所定値（例えば１００Ｈｚ）に固定したときにキャパシタンス成分５００と並列共振する可変インダクタ１６０の値を求めることによって、キャパシタンス成分５００の値を算出する算出部１７０Ａと、算出部１７０Ａによって算出されたキャパシタンス成分５００の値と、第１測定周波数から第２測定周波数まで変化する入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の周波数の値とに基づいて、可変インダクタ１６０がキャパシタンス成分５００と並列共振するように、可変インダクタ１６０の値を制御する制御部１７０Ｂと、を含んで構成される。

又、可変インダクタ１６０は、円筒型のコイル巻線１６０Ａと、コイル巻線１６０内に挿通される鉄心１６０Ｂとを含み、制御部１７０Ｂは、可変インダクタ１６０の値がキャパシタンス成分５００と並列共振する値となるように、コイル巻線１６０Ａに対して鉄心１６０Ｂを出し入れするアクチュエータ１７０Ｃを含んで構成される。

又、キャパシタンス成分５００の値を算出する際の入力電圧Ｖｉｎ（ｊω）の周波数は、第１測定周波数と前記第２測定周波数との間の１つの周波数である。

尚、上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

１００ 計測装置
１１０ 入力電圧発生器
１２０ 抵抗
１３０、１４０ 電圧計
１５０ スイッチ
１６０ 可変インダクタ
１６０Ａ コイル巻線
１６０Ｂ 鉄心
１７０ 制御装置
１７０Ａ 算出部
１７０Ｂ 制御部
１７０Ｃ アクチュエータ
１８０ 配線
１９０ 電流計
２００ 周波数応答波形生成装置
２１０ 入力部
２２０ 伝達関数算出部
２３０ 周波数応答波形生成部
２４０ 記憶部
２４０Ａ、２４０Ｂ 記憶領域
２５０ 出力部
３００ 電力用変圧器
３１０ １次巻線
３２０ ２次巻線
４００ 共振回路
５００ キャパシタンス成分

Claims (8)

1. 第１電気機器に入力される正弦波信号の周波数を第１測定周波数から前記第１測定周波数よりも高い第２測定周波数まで変化させたときに、前記第１電気機器から前記正弦波信号の周波数の変化に応じて出力される出力信号に基づいて、周波数応答波形生成装置が、前記第１測定周波数から前記第２測定周波数までの各測定周波数に対応する伝達関数を算出し、前記伝達関数から前記第１電気機器の周波数応答波形を生成するように、前記第１電気機器に前記正弦波信号を入力するとともに前記第１電気機器から出力される前記出力信号を前記周波数応答波形生成装置に入力するために用いられる計測装置であって、
   前記第１電気機器に接続されている第２電気機器のキャパシタンス成分に対して並列に接続される可変インダクタと、
   前記正弦波信号の前記第１測定周波数から前記第２測定周波数までの周波数の変化に応じて、前記可変インダクタが前記キャパシタンス成分と並列共振するように、前記可変インダクタの値を制御する制御装置と、
   を備えたことを特徴とする計測装置。
2. 前記制御装置は、
   前記正弦波信号の周波数を所定値に設定したときに前記キャパシタンス成分と並列共振する前記可変インダクタの値を求めることによって、前記キャパシタンス成分の値を算出する算出部と、
   前記算出部によって算出された前記キャパシタンス成分の値と、前記第１測定周波数から前記第２測定周波数まで変化する前記正弦波信号の周波数の値とに基づいて、前記可変インダクタが前記キャパシタンス成分と並列共振するように、前記可変インダクタの値を制御する制御部と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記可変インダクタは、円筒型のコイル巻線と、前記コイル巻線内に挿通される鉄心とを含み、
   前記制御部は、前記可変インダクタの値が前記キャパシタンス成分と並列共振する値となるように、前記コイル巻線に対して前記鉄心を出し入れするアクチュエータを含む
   ことを特徴とする請求項２に記載の計測装置。
4. 前記キャパシタンス成分の値を算出する際の前記正弦波信号の周波数は、前記第１測定周波数と前記第２測定周波数との間の１つの周波数である
   ことを特徴とする請求項２に記載の計測装置。
5. 前記第１電気機器は、電力用変圧器であり、
   前記第２電気機器は、計器用変圧器又はサージアブソーバである
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の計測装置。
6. 第１電気機器に入力される正弦波信号の周波数を第１測定周波数から前記第１測定周波数よりも高い第２測定周波数まで変化させたときに、前記第１電気機器から前記正弦波信号の周波数の変化に応じて出力される出力信号に基づいて、周波数応答波形生成装置が、前記第１測定周波数から前記第２測定周波数までの各測定周波数に対応する伝達関数を算出し、前記伝達関数から前記第１電気機器の周波数応答波形を生成するように、前記第１電気機器に前記正弦波信号を入力するとともに前記第１電気機器から出力される前記出力信号を前記周波数応答波形生成装置に入力するために用いられる計測装置の計測方法であって、
   前記第１電気機器に接続されている第２電気機器のキャパシタンス成分に対して可変インダクタを並列に接続する第１ステップと、
   前記正弦波信号の前記第１測定周波数から前記第２測定周波数までの周波数の変化に応じて、前記可変インダクタが前記キャパシタンス成分と並列共振するように、前記可変インダクタの値を制御する第２ステップと、
   を含むことを特徴とする計測方法。
7. 前記第２ステップは、
   前記正弦波信号の周波数を所定値に設定したときに前記キャパシタンス成分と並列共振する前記可変インダクタの値を求めることによって、前記キャパシタンス成分の値を算出する第３ステップと、
   前記第３ステップによって算出された前記キャパシタンス成分の値と、前記第１測定周波数から前記第２測定周波数まで変化する前記正弦波信号の周波数の値とに基づいて、前記可変インダクタが前記キャパシタンス成分と並列共振するように、前記可変インダクタの値を制御する第４ステップと、
   を含むことを特徴とする請求項６に記載の計測方法。
8. 前記可変インダクタは、円筒型のコイル巻線と、前記コイル巻線内に挿通される鉄心とを含み、
   前記第４ステップは、前記可変インダクタの値が前記キャパシタンス成分と並列共振する値となるように、アクチュエータによって前記コイル巻線に対して前記鉄心を出し入れする第５ステップを含む
   ことを特徴とする請求項７に記載の計測方法。

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