JP2022148040A - 部分放電検出装置及び部分放電検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検出精度を高め、再現性が不安定な部分放電を確実に検出すると共に、部分放電の発生箇所を正確に検出して特定する部分放電検出装置を得る。【解決手段】被試験物１の巻線に正弦波の高圧交流電圧を印加電圧として与える印加装置２と、印加電圧による電流を検出する電流プローブ３と、被試験物１を密閉するカバー４と、カバー４の内部のオゾン濃度を検出するオゾンセンサ５と、被試験物１から放射される電磁波を検出するアンテナ６と、アンテナ６の角度あるいは位置を変化させる駆動部７と、アンテナ６により検出された受信信号をスペクトル解析処理するパワーメータ８と、を備え、少なくとも電流プローブ３とオゾンセンサ５のいずれか一方の検出値により部分放電の検出を行い、アンテナ６の角度あるいは位置を変化させ、パワーメータ８の出力値が最大となる角度あるいは位置を検出して部分放電発生場所を特定する。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機の固定子巻線等の被試験物で発生する部分放電を検出する部分放電検出装置及び部分放電検出方法に関する。

回転電機においては、コイルの巻線間に高い電圧が印加されると、巻線の接触部付近において部分放電が発生する。そして、その部分放電により、コイルの絶縁が劣化して回転電機の故障に繋がる恐れがある。部分放電の発生を防止するためには、回転電機の開発、設計及び製造の各段階において部分放電測定（試験）を実施し、適切な絶縁性能を確保する必要がある。

特許文献１は、回転電機に対してインパルス電圧を印加して部分放電試験を行うこと、部分放電による電磁波の検出をアンテナセンサを用いて行うこと、接地線に流れる電流の検出を電流センサを用いて行うことが記載されている。

また、特許文献２は、回転電機の被試験コイルに高電圧インパルスを連続で印加し、プローブが検出した部分放電信号をスペクトル解析処理を施し、その解析結果に基づいて、被試験コイルの部分放電箇所を表示することが記載されている。

さらに、特許文献３は、回転電機のコイルに流入する空気のオゾン濃度を検出する第１オゾン検出部と、コイルの周辺の空気又はコイルの周辺から流出する空気のオゾン濃度を検出する第２オゾン検出部と、を設け、オゾン濃度とを比較して部分放電発生状況を監視することが記載されている。

さらに、特許文献４は、インパルス電圧及び商用周波数の交流電圧を印加した場合における部分放電開始電圧を求め、それら求めた部分放電開始電圧に基づいて、部分放電の発生箇所を特定することが記載されている。

特開２００５－２７４４４０号公報 特開２０２０－９１１６４号公報 特開２０１８－２００１７９号公報 特開２０１３－１２４９１３号公報

上記従来技術において、部分放電は再現が困難な現象であり、特許文献１、２に記載のものでは、ノイズと分離することが困難であり、検出精度を高めることが要求されている。また、特許文献１ないし３のいずれにおいても、発生箇所を正確に特定することは困難であり、不良個所を修正するなどが困難であり、生産効率が低下する一因であった。また、特許文献４に記載のものは、発生箇所として回転電機の各相コイルのどの巻線間で部分放電の発生があるか特定できるものに過ぎない。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、外乱ノイズの影響を除去し、検出精度を高め、再現性が不安定な部分放電を確実に検出すると共に、部分放電の発生箇所を正確に検出して特定する部分放電検出装置及び部分放電検出方法を提供する。それにより、被試験物の試験効率、回転電機の品質、の向上を図る。

上記目的を達成するため、本発明は、被試験物の部分放電を検出する部分放電検出装置において、前記被試験物の巻線に正弦波の高圧交流電圧を印加電圧として与える印加装置と、前記印加電圧による電流を検出する電流プローブと、前記被試験物を密閉するカバーと、前記カバーの内部に設けられ、前記被試験物を通過する空気のオゾン濃度を検出するオゾンセンサと、前記被試験物から放射される電磁波を検出するアンテナと、前記アンテナの角度あるいは位置を変化させる駆動部と、前記アンテナにより検出された受信信号が入力されてスペクトル解析処理するパワーメータと、前記電流プローブ、前記オゾンセンサ、前記パワーメータの出力が入力され、前記印加装置、前記駆動部を制御する計測制御装置と、を備え、前記計測制御装置は、少なくとも前記電流プローブと前記オゾンセンサのいずれか一方の検出値により前記部分放電の検出を行い、前記駆動部により前記アンテナの前記角度あるいは前記位置を変化させ、前記パワーメータの出力値が最大となる前記角度あるいは前記位置を検出して部分放電発生場所を特定するものである。

上記の部分放電検出装置において、前記印加電圧は、所定のステップで段階的、かつ上昇させて前記巻線に与えられ、前記計測制御装置は、前記部分放電の発生が検出されたステップより１ステップ低い前記印加電圧における前記パワーメータの値をバックグラウンドノイズとして保存し、前記部分放電発生場所を特定する際、前記パワーメータの前記出力値から前記バックグラウンドノイズを減算した値で行うことが望ましい。

さらに、上記の部分放電検出装置において、前記電流プローブの検出値による前記部分放電の検出は、前記印加電圧の最大電圧点を中心に窓範囲Ｍを定め、前記窓範囲Ｍ内で閾値を定めて行うことが望ましい。

さらに、上記の部分放電検出装置において、前記アンテナである複数台の指向性アンテナと、それぞれの前記指向性アンテナの受信信号が入力される複数台の前記パワーメータと、それぞれの前記指向性アンテナの前記角度を変化させる複数台の前記駆動部と、を有し、前記計測制御装置は、それぞれの前記指向性アンテナの前記角度を変化させたときの前記パワーメータの前記出力値が最大となる前記角度から前記部分放電発生場所を特定することが望ましい。

さらに、上記の部分放電検出装置において、前記アンテナである無指向性アンテナと、前記無指向性アンテナの前記位置をＸ及びＹ方向に変化させる前記駆動部と、を有し、前記計測制御装置は、前記パワーメータの前記出力値が最大となる前記位置から前記部分放電発生場所を特定することが望ましい。

さらに、上記の部分放電検出装置において、前記部分放電発生場所の特定は、前記パワーメータの値における周波数帯において、上限、下限の枠を設定して判定することが望ましい。

また、本発明は、被試験物の部分放電を検出する部分放電検出方法であって、前記被試験物の巻線に正弦波の高圧交流電圧を印加電圧として与え、前記印加電圧による電流を電流プローブで検出、及び前記被試験物を密閉するカバーの内部で前記被試験物を通過する空気のオゾン濃度をオゾンセンサで検出、並びに前記被試験物から放射される電磁波をアンテナで検出し、前記アンテナにより検出された受信信号をパワーメータでスペクトル解析処理し、少なくとも前記電流プローブと前記オゾンセンサのいずれか一方の検出値により前記部分放電の検出を行い、前記アンテナの角度あるいは位置を変化させ、前記パワーメータの出力値が最大となる前記角度あるいは前記位置を検出して部分放電発生場所を特定する。

さらに、上記の部分放電検出方法において、前記印加電圧は、所定のステップで段階的、かつ上昇させて前記巻線に与えられ、前記部分放電の発生が検出されたステップより１ステップ低い前記印加電圧における前記パワーメータの出力値をバックグラウンドノイズとして保存し、前記部分放電発生場所を特定する際、前記出力値から前記バックグラウンドノイズを減算した値で行うことが望ましい。

本発明によれば、被試験物の巻線に正弦波の高圧交流電圧を印加電圧として与え、印加電圧による電流を電流プローブで検出、及び被試験物を密閉するカバーの内部で空気のオゾン濃度をオゾンセンサで検出、並びに被試験物から放射される電磁波をアンテナで検出し、少なくとも電流プローブとオゾンセンサのいずれか一方の検出値により部分放電の検出を行い、アンテナの角度あるいは位置を変化させ、部分放電発生場所を特定するので、外乱ノイズの影響を除去し、検出精度を高め、再現性が不安定な部分放電を確実に検出すると共に、部分放電の発生箇所を正確に検出して特定することができる。

本発明の一実施形態による部分放電検出装置を示すブロック図 一実施形態による印加電圧の与え方を示すグラフ 一実施形態による印加電圧と電流プローブによる電流検出の関係を示す図 一実施形態による印加電圧毎のパワーメータの出力値 指向性アンテナを用いた第１実施形態のブロック図 無指向性アンテナを用いた第２実施形態のブロック図 一実施形態によるバックグラウンドノイズの減算を説明する図 一実施形態による部分放電発生場所を特定するパワーメータの周波数帯を示す図

図１は、部分放電検出装置を示すブロック図である。被試験物１は、回転電機の固定子巻線等であり、カバー４で全体が覆われ、密閉されている。オゾンセンサ５は、カバー４の内部に設けられ、被試験物１を通過して周辺から流出する空気のオゾン濃度を検出して外部へ出力する。カバー４は、内部のオゾンの拡散を防いでいる。オゾンセンサ５で検出したオゾン濃度は、被試験物１の部分放電を生じる不良個所を判断する条件の一つとなる。

印加装置２は、被試験物１の巻線に正弦波の高圧交流電圧を印加電圧として与える。図１でＨがプラス側、Ｌがグランド(ＧＮＤ)であり、基準電位側である。印加装置２から被試験物１の巻線に与えられた印加電圧による電流は、電流プローブ３を通過して検出され、ＨからＬへ戻る。電流プローブ３は、例えば、磁気センサが先端に取り付けられた磁界プローブであり、電界成分の検出が非常に少なく、部分放電による微小電流の検出が可能なものが使用される。

アンテナ６は、被試験物１から放射される電磁波を検出する。駆動部７は、アンテナ６位置、方向（角度）等を変化させる。パワーメータ８は、アンテナ６により検出された受信信号が入力されてスペクトル解析処理される。計測制御装置９は、電流プローブ３、オゾンセンサ５、パワーメータ８の出力値が入力され、印加装置２、駆動部７を制御し、部分放電の有無、発生箇所等を判断する。

被試験物１の部分放電測定の概略を説明する。
まず、印加装置２は、計測制御装置９からの指令により、被試験物１に対して、印加電圧を２段階以上のステップアップで与える。部分放電の発生の検出は、電流プローブ３とオゾンセンサ５それぞれの検出値に閾値を設け、両方が閾値を超えたことを持って、確実に判定される。部分放電の発生が検出されたときより１ステップ低い印加電圧が与えられた際のパワーメータ８の出力値は、バックグラウンドノイズ（ＢＧＮ）として保存される。

同時に、被試験物１の近傍に存在する電磁波の検出がアンテナ６、パワーメータ８を用いて行われる。電流プローブ３、オゾンセンサ５、パワーメータ８による測定は、印加装置２から電圧が印加されるときの信号をトリガとして開始される。測定された信号は、一定のサンプリング周期でＡ／Ｄ変換され、計測制御装置９に取り込まれ、デジタル信号に変換される。

なお、電圧を印加する瞬間や、スイッチングノイズ等が混入することが想定される時間帯においては、測定信号の取り込みが行われない。これにより、不要なノイズが測定されることを極力抑えることが可能である。

アンテナ６は、指向性アンテナ６―１、６―２(八木アンテナ、ホーンアンテナ、ログペリオアンテナ等)又は無指向性アンテナ６―３（フィールドプローブ等）の両方が使用できる。アンテナ６の出力はスペクトルアナライザ等で構成されるパワーメータ８に受信信号として入力される。指向性アンテナ６―１、６―２の場合は２台以上用意し、計測制御装置９は、アンテナ角度θ１、θ２を駆動部７で変化させパワーメータ８の出力値が最大となる角度を検出する。

無指向性アンテナ６―３の場合は、被試験物１に沿わせてパワーメータ８による受信信号の値が最大となる位置を検出する。計測制御装置９は、パワーメータ８による出力値が最大となる角度θ１、θ２、あるいは位置から部分放電発生場所を特定して表示する。この際、計測制御装置９は、パワーメータ８の出力値からバックグラウンドノイズを減算した値にて判定を行う。

図２は、印加電圧の与え方を示すグラフである。印加電圧は、図２でステップ１、ステップ２、…ステップＮで示すように所定の電圧幅（ステップ）で段階的、かつ徐々に上昇させて試験を行う。最終的には、印加電圧は、ステップＮとして被試験物１の巻線の絶縁破壊電圧、あるいはそれをやや超える値まで上昇する。ステップの数は、少なくとも２段階以上とする。計測制御装置９は、電流プローブ３とオゾンセンサ５それぞれの信号が閾値を超えたことで部分放電が発生したと判定する。

図３は、印加電圧と電流プローブ３による電流検出の関係を示す図である。図３（ａ）は、印加電圧の波形であり、縦軸が印加電圧、図３（ｂ）は、電流プローブ３によって検出された電流であり、横軸はいずれも時間である。電流プローブ３の電流は、印加電圧が絶縁耐圧を超えたタイミングで間欠的に流れる。そこで、電流プローブ３によって検出された電流により部分放電が発生したとの判定、つまり、電流プローブ３の検出値による部分放電の検出は、印加電圧の最大電圧点を中心に窓範囲Ｍを定め、窓範囲Ｍ内で最大電圧に対する閾値を定める。

窓範囲Ｍは、印加電圧の半波長内とする。窓範囲Ｍを定めることは、電流プローブ３とオゾンセンサ５を用いて部分放電が発生したと判定すること、と合わせて外乱ノイズの影響を除去し、再現性が不安定な部分放電を確実に検出することに寄与する。なお、電流プローブ３とオゾンセンサ５の信号に対する閾値は、条件次第でいずれかをゼロに設定すれば、一方も機能させないことも可能となる。

図４は、印加電圧毎のパワーメータ８の出力値（スペクトルアナライザ）である。横軸は周波数、縦軸は１ｍＷに対する電力比（ｄＢｍ）である。印加電圧の与え方とパワーメータ８の出力値からバックグラウンドノイズを減算する方法を説明する。

印加電圧は、図４（ａ）のように、所定のステップで上昇させ、ステップＮで初めて部分放電が検出されたとする。このとき、ステップ１のパワーメータ８の出力値が図４（ｂ）、ステップＮ―１が図４（ｃ）、ステップＮが図４（ｄ）である。バックグラウンドノイズは、ステップＮ―１の図４（ｃ）、つまり、部分放電の発生が検出されたステップＮより１ステップ低い印加電圧におけるパワーメータ８の出力値をバックグラウンドノイズとして計測制御装置９に保存される。

図５は、指向性アンテナ６―１、６―２を用いた第１実施形態のブロック図である。被試験物１からの電磁波の検出は、アンテナ６として、複数台、図５では２台の指向性アンテナ６―１、６―２を用いる。そして、第１実施形態は、指向性アンテナ６―１、６―２の受信信号を検出する２台のパワーメータ８―１、８―２及びそれぞれの角度θ１、θ２を変化させる２台の駆動部７―１、７―２を用いる。

駆動部７―１は、指向性アンテナ６―１の角度θ１を変化させ、駆動部７―２は、指向性アンテナ６―２の角度θ２を変化させる。なお、第１実施形態は、指向性アンテナ６―１、６―２を複数台として、それに合わせてパワーメータ８―１、８―２、駆動部７―１、７―２を複数台とすれば良い。

計測制御装置９は、角度θ１を変化させたときのパワーメータ８―１の出力値が最大になる角度、角度θ２を変化させたときのパワーメータ８―２の出力値が最大になる角度及びそのときの受信信号をそれぞれ検出して記憶する。そして、計測制御装置９は、パワーメータ８―１、８―２の出力値が最大となる角度θ１、角度θ２から部分放電発生場所を特定して表示する。また、パワーメータ８―１、８―２のそれぞれにおける出力値は、直接の値からバックグラウンドノイズを減算して最大となる値を判定する。

図６は、無指向性アンテナ６―３を用いた第２実施形態のブロック図である。被試験物１からの電磁波の検出は、アンテナ６として１台の無指向性アンテナ６―３を用いる。そして、第２実施形態は、無指向性アンテナ６―３の受信信号を検出するパワーメータ８及びそれぞれの位置を変化させる駆動部７を用いる。駆動部７は、無指向性アンテナ６―３の位置をＸ及びＹ方向に変化させる。

計測制御装置９は、無指向性アンテナ６―３の位置を変化させたときのパワーメータ８の値が最大になる位置及びそのときの受信信号をそれぞれ検出して記憶する。そして、計測制御装置９は、パワーメータ８の出力値が最大となる位置（ＸＹ）から部分放電発生場所を特定して表示する。また、この際、パワーメータ８の出力値は、直接の値からバックグラウンドノイズを減算して最大となる値を判定する。

図７は、バックグラウンドノイズの減算を説明するパワーメータ８の出力値（スペクトル解析処理）を示す図である。横軸は周波数、縦軸は１ｍＷに対する電力比（ｄＢｍ）である。図７（ａ）は、パワーメータ８の直接の値であり、図に示すようにノイズがはっきり出ている。図７（ｂ）は、印加電圧を与えたとき、計測制御装置９に保存されたバックグラウンドノイズである。バックグラウンドノイズは、部分放電の発生が検出されたステップＮより１ステップ低い印加電圧におけるパワーメータ８の値として計測制御装置９に記憶されている。

図７（ｃ）は、図７（ａ）のパワーメータ８の直接の値から図７（ｂ）で示したバックグラウンドノイズを減算したものである。部分放電発生場所は、図７（ｃ）で示したバックグラウンドノイズを減算したものから特定される。なお、パワーメータ８の値として説明したが、第１実施形態は、２台の指向性アンテナ６―１、６―２、パワーメータ８―１、８―２を用いるので、パワーメータ８―１、８―２のそれぞれで同様に行う。

図８は、部分放電発生場所を特定するパワーメータ８の周波数帯を示す図である。横軸は周波数、縦軸は１ｍＷに対する電力比（ｄＢｍ）である。部分放電発生場所の特定は、周波数が高い方で行うことが高精度にする上で有利である。つまり、部分放電発生場所を特定する分解能は、周波数が高いほど細かくできる。

また、アンテナ６は、周波数が高いほど小さくでき、省スペース化、低コスト化できる。さらに、実験より、部分放電による電磁波は、特定の周波数にピークを持たず、広い帯域にわたって放出される。このため、部分放電発生場所の特定は、図８で図示するパワーメータ８の出力値における周波数帯において、上限、下限の枠を設定し、その中の面積（斜線部）で比較、判定して行うことが高精度化する上で望ましい。

１…被試験物
２…印加装置
３…電流プローブ
４…カバー
５…オゾンセンサ
６…アンテナ
６―１…指向性アンテナ
６―２…指向性アンテナ
６―３…無指向性アンテナ
７、７―１、７―２…駆動部
８、８―１、８―２…パワーメータ
９…計測制御装置

Claims (8)

1. 被試験物の部分放電を検出する部分放電検出装置において、
   前記被試験物の巻線に正弦波の高圧交流電圧を印加電圧として与える印加装置と、
   前記印加電圧による電流を検出する電流プローブと、
   前記被試験物を密閉するカバーと、
   前記カバーの内部に設けられ、前記被試験物を通過する空気のオゾン濃度を検出するオゾンセンサと、
   前記被試験物から放射される電磁波を検出するアンテナと、
   前記アンテナの角度あるいは位置を変化させる駆動部と、
   前記アンテナにより検出された受信信号が入力されてスペクトル解析処理するパワーメータと、
   前記電流プローブ、前記オゾンセンサ、前記パワーメータの出力が入力され、前記印加装置、前記駆動部を制御する計測制御装置と、
   を備え、前記計測制御装置は、少なくとも前記電流プローブと前記オゾンセンサのいずれか一方の検出値により前記部分放電の検出を行い、前記駆動部により前記アンテナの前記角度あるいは前記位置を変化させ、前記パワーメータの出力値が最大となる前記角度あるいは前記位置を検出して部分放電発生場所を特定することを特徴とする部分放電検出装置。
2. 前記印加電圧は、所定のステップで段階的、かつ上昇させて前記巻線に与えられ、前記計測制御装置は、前記部分放電の発生が検出されたステップより１ステップ低い前記印加電圧における前記パワーメータの値をバックグラウンドノイズとして保存し、前記部分放電発生場所を特定する際、前記パワーメータの前記出力値から前記バックグラウンドノイズを減算した値で行う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. 前記電流プローブの検出値による前記部分放電の検出は、前記印加電圧の最大電圧点を中心に窓範囲Ｍを定め、前記窓範囲Ｍ内で閾値を定めて行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の部分放電検出装置。
4. 前記アンテナである複数台の指向性アンテナと、
   それぞれの前記指向性アンテナの受信信号が入力される複数台の前記パワーメータと、
   それぞれの前記指向性アンテナの前記角度を変化させる複数台の前記駆動部と、
   を有し、前記計測制御装置は、それぞれの前記指向性アンテナの前記角度を変化させたときの前記パワーメータの前記出力値が最大となる前記角度から前記部分放電発生場所を特定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の部分放電検出装置。
5. 前記アンテナである無指向性アンテナと、
   前記無指向性アンテナの前記位置をＸ及びＹ方向に変化させる前記駆動部と、
   を有し、前記計測制御装置は、前記パワーメータの前記出力値が最大となる前記位置から前記部分放電発生場所を特定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の部分放電検出装置。
6. 前記部分放電発生場所の特定は、前記パワーメータの値における周波数帯において、上限、下限の枠を設定して判定することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の部分放電検出装置。
7. 被試験物の部分放電を検出する部分放電検出方法であって、
   前記被試験物の巻線に正弦波の高圧交流電圧を印加電圧として与え、前記印加電圧による電流を電流プローブで検出、及び前記被試験物を密閉するカバーの内部で前記被試験物を通過する空気のオゾン濃度をオゾンセンサで検出、並びに前記被試験物から放射される電磁波をアンテナで検出し、
   前記アンテナにより検出された受信信号をパワーメータでスペクトル解析処理し、
   少なくとも前記電流プローブと前記オゾンセンサのいずれか一方の検出値により前記部分放電の検出を行い、前記アンテナの角度あるいは位置を変化させ、前記パワーメータの出力値が最大となる前記角度あるいは前記位置を検出して部分放電発生場所を特定することを特徴とする部分放電検出方法。
8. 前記印加電圧は、所定のステップで段階的、かつ上昇させて前記巻線に与えられ、前記部分放電の発生が検出されたステップより１ステップ低い前記印加電圧における前記パワーメータの前記出力値をバックグラウンドノイズとして保存し、前記部分放電発生場所を特定する際、前記出力値から前記バックグラウンドノイズを減算した値で行うことを特徴とする請求項７に記載の部分放電検出方法。

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