JP2021025881A - 部分放電検出装置および部分放電監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】電気設備に設けられる電気絶縁材料に発生する部分放電の連続監視を、簡単で安価な構成により可能とする、部分放電検出装置および部分放電監視システムを提供する。【解決手段】電気設備に設けられる電気絶縁材料に発生する部分放電を、該部分放電に起因する前記電気設備の接地電圧の変化により検出する部分放電検出装置において、前記電気設備の接地電圧を測定するセンサと、前記センサによって測定された前記接地電圧の波形信号の周波数を下げて出力するアナログ電子回路とを備える。前記アナログ電子回路は、所定の静電容量を有する電子素子を用いて構成する。【選択図】図４

Description

本発明は、電気設備に設けられる電気絶縁材料に発生する部分放電を、該部分放電に起因する前記電気設備の接地電圧の変化により検出する部分放電検出装置、およびこれを備える部分放電監視システムに関する。

高圧電気を絶縁する電気絶縁材料中には、経年劣化や損傷による欠陥箇所（欠損やボイド等）に電界が集中して、一時的な微弱な放電、つまり部分的な短絡が発生することがあり、この現象は部分放電と呼ばれる。電気絶縁材料に部分放電が発生すると、上記欠陥箇所の劣化が促進され、絶縁破壊に至ることがある。

そこで、高圧電気を受ける電気設備の保守管理においては、部分放電の発生を、絶縁破壊による電気事故発生の前駆現象として捉え、部分放電の発生を監視して、部分放電の発生時に電気設備の補修や更新等の対応を行うことで、電気事故の発生を未然に防ぐことが行われている。

部分放電の連続監視を可能とすべく、例えば特許文献１には、１ＧＨｚ以上のサンプリング周波数でサンプリングされる放電検知信号の測定値が所定の閾値を超えたときのみ、放電検知信号の波形データを記録して転送することにより、部分放電の監視に利用するデータ量を低減させる技術が開示されている。

しかし、特許文献１に開示される技術では、放電検知信号を高い周波数でサンプリングするため、部分放電が短時間に頻発すると、放電検知信号の波形データの記録および転送も高頻度で発生することとなり、記録および転送されるデータ量も膨大となってしまう。メモリ容量や通信速度には限界があるため、データ量が膨大となると、波形データの記録や転送に支障が生じる。よって、特許文献１に開示される技術では、部分放電の連続監視を可能とするという課題が、必ずしも十分に解決されていなかった。

特開２０１７−２１９５３７号公報

本発明は、簡単で安価な構成により、電気設備に設けられる電気絶縁材料に発生する部分放電の連続監視を可能とする、部分放電検出装置および部分放電監視システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の部分放電検出装置および部分放電監視システムは、以下の特徴を有する。

［１］電気設備に設けられる電気絶縁材料に発生する部分放電を、該部分放電に起因する前記電気設備の接地電圧の変化により検出する部分放電検出装置であって、前記電気設備の接地電圧を測定するセンサと、前記センサによって測定された前記接地電圧の波形信号の周波数を下げて出力するアナログ電子回路とを備えることを特徴とする部分放電検出装置。

［２］前記アナログ電子回路は、０．００１〜０．１μＦの静電容量を有する電子素子を有することを特徴とする［１］に記載の部分放電検出装置。

［３］前記電子素子は、コンデンサを含むことを特徴とする［２］に記載の部分放電検出装置。

［４］前記電子素子は、ダイオードを含むことを特徴とする［２］または［３］に記載の部分放電検出装置。

［５］前記アナログ電子回路によって周波数が下げられた前記波形信号の値を所定の周期で取得し、取得された前記値が所定の閾値を超えた回数をカウントするカウンタをさらに備えることを特徴とする［１］〜［４］のいずれかに記載の部分放電検出装置。

［６］前記カウンタによりカウントされた前記回数の情報を転送する通信部をさらに備えることを特徴とする［５］に記載の部分放電検出装置。

［７］前記通信部は、無線通信により前記回数の情報を転送することを特徴とする［６］に記載の部分放電検出装置。

［８］［６］または［７］に記載の部分放電検出装置と、前記部分放電検出装置の前記通信部から転送された前記回数の情報を受信し、該回数の情報に基づいて、前記電気設備の補修または更新が必要であることを示す情報を出力する監視端末とを備えることを特徴とする部分放電監視システム。

本発明の部分放電検出装置および部分放電監視システムによれば、例えば、０．００１〜０．１μＦの静電容量を有するコンデンサやダイオード等の電子素子を含む簡単な構成を有するアナログ電子回路により、センサにより測定される接地電圧の波形信号の周波数を下げて出力することができる。

これにより、高速サンプリングを行わなくても、部分放電に起因する接地電圧の波形の変化をとらえることができるため、高価な高速サンプリング装置を内蔵する必要がなくなり、部分放電検出装置のコストが大幅に抑えられ、多数箇所での部分放電の連続監視を安価に行うことができる。

そして、アナログ電子回路により周波数が下げられた波形信号の値を、低周波でサンプリングし、取得された波形信号の値が所定の閾値を超える回数をカウントし、この回数の情報を外部に転送して、部分放電の監視に利用する。よって、アナログ電子回路により波形信号の周波数を下げることを行わない場合に比べて、部分放電検出装置から外部に転送されるデータ量が大幅に抑えられ、部分放電の連続監視を安価かつ確実に行うことができる。

本発明の部分放電検出装置および部分放電監視システムの一例の構成を示すブロック図である。 電気設備に設けられる電気絶縁材料に発生する部分放電に起因する、電気設備の接地電圧の過渡的な変化の例を示すグラフである。 本発明の部分放電検出装置により処理される前と後の接地電圧の波形信号を示すグラフである。 本発明の部分放電検出装置により処理される接地電圧の波形信号およびこの波形信号が所定の閾値を超える回数のカウントの例を示すグラフである。

本発明の部分放電検出装置および部分放電監視システムの実施形態を、図面を参照しつつ、以下に説明する。

図１に、本実施形態の部分放電検出装置１０および部分放電監視システム１の構成を示す。

本実施形態の部分放電検出装置１０は、高圧電気が印加される電気設備である変電所の変圧器５１および配電盤５２に設けられる電気絶縁材料の部分放電を検出するものである。具体的には、変圧器５１および配電盤５２に設けられる電気絶縁材料に、経年劣化や損傷による欠陥が発生して、この欠陥箇所に高圧電気の電界が集中することで部分放電が発生したとき、この部分放電に起因して変圧器５１および配電盤５２の接地電圧が変化する。部分放電検出装置１０は、この接地電圧を測定し、接地電圧の変化を測定することで、部分放電の発生を検出する。

図１に示すように、部分放電検出装置１０は、変圧器５１および配電盤５２の接地電圧を測定するＴＥＶ（Transient Earth Voltage）センサ（センサ）１１と、ＴＥＶセンサ１１に接続されるアナログ電子回路１２と、アナログ電子回路１２から出力される信号を処理するマイクロコントローラ（カウンタ）１６と、マイクロコントローラ１６により処理された信号を無線通信により外部に転送する無線モジュール（通信部）１７と、マイクロコントローラ１６および無線モジュール１７の電源となる電池１８とを備える。

また、本実施形態の部分放電監視システム１は、上記部分放電検出装置１０と、パーソナルコンピュータ（監視端末）２０とを備えて構成され、パーソナルコンピュータ２０が、部分放電検出装置１０から転送された信号に基づいて、変圧器５１および配電盤５２の補修または更新が必要であることを示す情報を出力するものである。

ＴＥＶセンサ１１は、内蔵される磁石により、変圧器５１および配電盤５２の筐体に固定される。変圧器５１および配電盤５２の筐体が接地されていることで、この筐体に固定されるＴＥＶセンサ１１により接地電圧を測定できる。ＴＥＶセンサ１１は、例えば１ＧＨｚのサンプリング周波数で、接地電圧を測定する。

図２に、部分放電に起因して接地電圧が変化したときに、ＴＥＶセンサ１１により測定される接地電圧の波形信号の例を示す。図２中の両矢印の幅で示すように、部分放電の発生は、接地電圧の波形信号において、１００ｎｓｅｃレベルの短波長（高周波数）の波形として発現する。

アナログ電子回路１２は、ＴＥＶセンサ１１によって測定された接地電圧の波形信号の周波数を下げて（波形を鈍らせて）出力するものであり、具体的には、上記１００ｎｓｅｃレベルの高い周波数の波形を、１００μｓｅｃレベルの周波数まで下げて出力する。アナログ電子回路１２は、図１に示すように、バンドパスフィルタ１３、ダイオード１４、コンデンサ１５を、直列に接続して構成されている。

まず、バンドパスフィルタ１３は、ＴＥＶセンサ１１によって測定された接地電圧の波形信号のうち、例えば１０〜３３ＭＨｚの周波数成分のみを通すことで、波形信号からノイズを除去する。

バンドパスフィルタ１３によりノイズが除去された波形信号は、ダイオード１４を通過して半波整流される。部分放電は、交流電源周期（例えば６０Ｈｚまたは５０Ｈｚ）の上下ピークで発生するが、部分放電に起因する接地電圧の変化の発生頻度は、ダイオード１４により波形信号が半波整流されることで、約２分の１に抑えられる。

ダイオード１４により半波整流された波形信号は、さらにコンデンサ１５を通過する。コンデンサ１５は、０．００１〜０．１μＦの範囲内の静電容量を有しており、この静電容量により、上記１００ｎｓｅｃレベルの短波長（高周波数）の波形が、１００μｓｅｃレベルまで、周波数が下げられる。

図３に、ダイオード１４およびコンデンサ１５を通過する前と後の波形信号の例を、それぞれ細線と太線で示す。図３に示すように、波形信号がダイオード１４およびコンデンサ１５を通過すると、上記１００ｎｓｅｃレベルの短波長（高周波数）の針状の波形が、ピークが抑えられた１００μｓｅｃレベルの波長を有する三角形状の波形に変換されることがわかる。

なお、アナログ電子回路１２が全体として０．００１〜０．１μＦの範囲内の静電容量を有すれば、上記１００ｎｓｅｃレベルの高い周波数の波形を、１００μｓｅｃレベルの周波数の波形に変換できるので、アナログ電子回路１２に必ずしもコンデンサ１５を設けなくてもよい。

例えば、ダイオードは一定の静電容量を有するが、その静電容量が０．００１〜０．１μＦの範囲内であれば、ダイオードにコンデンサの機能を兼ねさせ、コンデンサを省略することができる。測定された接地電圧の波形信号の周波数を下げて出力する作用を有するダイオードとしては、例えば０．０１μＦのシリコンダイオード等を好適に使用できる。

また、アナログ電子回路１２が０．００１〜０．１μＦの範囲内の静電容量を有すれば、整流を行うダイオードをアナログ電子回路１２に必ずしも設けなくてもよい。

ダイオード１４およびコンデンサ１５によって１００μｓｅｃレベルまで周波数が下げられた波形信号は、アナログ電子回路１２に接続されたマイクロコントローラ１６に入力される。マイクロコントローラ１６は、１００μｓｅｃ（＝１０ｋＨｚ）の倍の２０ｋＨｚのサンプリング周波数で波形信号の値を取得し、取得した値が所定の閾値を超える回数をカウントする。この回数の情報は、マイクロコントローラ１６に接続された無線モジュール１７から、変電所内に設置されるパーソナルコンピュータ２０に、無線通信で転送される。

図４（ａ）〜（ｃ）に、ＴＥＶセンサ１１で測定された接地電圧の波形、アナログ電子回路１２で周波数が下げられた接地電圧の波形、マイクロコントローラ１６による上記回数のカウント数を、それぞれ概略的に示す。図４（ａ）から図４（ｃ）へと進むにしたがって、データ量が大幅に抑えられていくことがわかる。

マイクロコントローラ１６および無線モジュール１７は、無線通信機能が搭載された汎用マイクロコントローラをプログラミング言語で動作設定することにより、極めて安価に構成することができる。上記２０ｋＨｚ程度のサンプリング周波数であれば、汎用マイクロコントローラの有する機能を用いて測定を実施できるため、高価な高速サンプリング装置を部分放電検出装置１０に内蔵する必要がない。

無線通信機能が搭載された汎用マイクロコントローラとしては、例えばスイッチサイエンス社「ＥＳＰ−ＷＲＯＯＭ−０２開発ボード」を利用できる。また、プログラミング言語としては、例えば「Ａｒｄｕｉｎｏスケッチ」（「Ａｒｄｕｉｎｏ」は登録商標）を利用できる。

本実施形態では、マイクロコントローラ１６は、４時間おきに起動して、１回起動すると５分間波形信号の測定を行い、測定時以外はスリープ状態になるように、プログラム制御されている。これにより、マイクロコントローラ１６および無線モジュール１７の動作時間は、一日あたり３０分間に抑えられるため、電池１８の持ちが長くなり、部分放電検出装置１０の電池１８の交換頻度を少なくすることができる。

そして、パーソナルコンピュータ２０は、部分放電検出装置１０の無線モジュール１７から転送された、上記回数の情報を受信し、この回数の情報に基づいて、変圧器５１および配電盤５２の補修または更新の必要性を判定する。そして、変圧器５１および配電盤５２の補修または更新が必要と判定した場合には、画面表示や警報音発報などの形式で、補修または更新が必要であることを示す情報を出力する。

本実施形態の部分放電検出装置１０および部分放電監視システム１によれば、下記のように、大きなコスト削減効果が得られる。

まず、変電所に、３バンク＋予備１バンクの計４バンクの変圧器５１が設けられ、各変圧器５１に７台の配電盤５２が接続される場合を想定する。各変圧器５１には２個、各配電盤には２個の部分放電検出装置１０が取り付けられるものとすると、１変電所あたり、計６４個の部分放電検出装置１０が取り付けられることになる。
検出装置では、１ＧＨｚ（１０^９／ｓｅｃ）のサンプリング周波数で波形信号の値を取得し、取得される各値のサイズを２バイト（６５５３６段階の信号レベル）とすると、１変電所内の計６４個の部分放電検出装置からパーソナルコンピュータに１秒間に転送されるデータ量は、次のように計算される。

（１０^９／ｓｅｃ）×２Ｂｙｔｅ×６４＝１２８ＧＢ／ｓｅｃ
これに対し、本実施形態の部分放電検出装置１０では、マイクロコントローラ１６は、２０ｋＨｚ（２０×１０^３／ｓｅｃ）のサンプリング周波数で波形信号の値を取得し、また、波形信号はアナログ電子回路１２によりピークが抑えられるため、取得される各値のサイズも１バイト（２５６段階の信号レベル）に抑えられるとすると、１変電所内の計６４個の部分放電検出装置からパーソナルコンピュータ２０に１秒間に転送されるデータ量は、次のように計算される。

（２０×１０^３／ｓｅｃ）×１Ｂｙｔｅ×６４＝１．２８ＭＢ／ｓｅｃ
このように、本発明の部分放電検出装置１０および部分放電監視システム１によれば、従来の部分放電検出装置に比べて、単位時間に処理および転送されるデータ量が１０万分の１程度になり、データ量が大幅に抑えられるので、データの記録や転送に支障を生じることなく、部分放電の連続監視を確実に行うことができることがわかる。

また、従来の部分放電検出装置は、１ＧＨｚの高いサンプリング周波数で放電信号を取得するため、高価なサンプリング装置を内蔵しており、高価（例えば、部分放電検出装置１０個あたり３０〜１００万円程度）であった。

これに対し、本発明の部分放電検出装置１０は、測定された接地電圧の波形信号の周波数を、簡単な構成を有するアナログ電子回路１２によって予め下げてから、低いサンプリング周波数で放電信号の値を取得するので、上記のとおり、簡単な電子素子と汎用マイクロコントローラを組み合わせて、安価に（例えば、部分放電検出装置１０個あたり１．５〜２万円程度で）構成できる。

このように、本発明の部分放電検出装置１０は、従来の部分放電検出装置に比べ、装置のコストが１０分の１以下に抑えられる。

製鉄所等のプラントにおいて、構内に８０か所の変電所が設けられる場合を想定すると、構内全体で必要となる部分放電検出装置１０の個数は６４個×８０＝約５０００個となる。このような多数の部分放電検出装置１０にかかるコストが１０分の１に抑えられるので、多数箇所での部分放電の連続監視を行う上で、大幅なコスト削減効果が得られることがわかる。

１ 部分放電監視システム
１０ 部分放電検出装置
１１ センサ（ＴＥＶセンサ）
１２ アナログ電子回路
１３ バンドパスフィルタ
１４ 電子素子（ダイオード）
１５ 電子素子（コンデンサ）
１６ カウンタ（マイクロコントローラ）
１７ 通信部（無線モジュール）
１８ 電池
２０ 監視端末（パーソナルコンピュータ）
５１ 電気設備（変圧器）
５２ 電気設備（配電盤）

Claims (8)

1. 電気設備に設けられる電気絶縁材料に発生する部分放電を、該部分放電に起因する前記電気設備の接地電圧の変化により検出する部分放電検出装置であって、
   前記電気設備の接地電圧を測定するセンサと、
   前記センサによって測定された前記接地電圧の波形信号の周波数を下げて出力するアナログ電子回路と
   を備えることを特徴とする部分放電検出装置。
2. 前記アナログ電子回路は、０．００１〜０．１μＦの静電容量を有する電子素子を有すること
   を特徴とする請求項１に記載の部分放電検出装置。
3. 前記電子素子は、コンデンサを含むこと
   を特徴とする請求項２に記載の部分放電検出装置。
4. 前記電子素子は、ダイオードを含むこと
   を特徴とする請求項２または３に記載の部分放電検出装置。
5. 前記アナログ電子回路によって周波数が下げられた前記波形信号の値を所定の周期で取得し、取得された前記値が所定の閾値を超えた回数をカウントするカウンタをさらに備えること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の部分放電検出装置。
6. 前記カウンタによりカウントされた前記回数の情報を転送する通信部をさらに備えること
   を特徴とする請求項５に記載の部分放電検出装置。
7. 前記通信部は、無線通信により前記回数の情報を転送すること
   を特徴とする請求項６に記載の部分放電検出装置。
8. 請求項６または７に記載の部分放電検出装置と、
   前記部分放電検出装置の前記通信部から転送された前記回数の情報を受信し、該回数の情報に基づいて、前記電気設備の補修または更新が必要であることを示す情報を出力する監視端末と
   を備えることを特徴とする部分放電監視システム。