JP2024010783A - 部分放電検出装置および部分放電検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の運転を停止させずに部分放電を検出することができる部分放電検出装置および部分放電検出方法を提供する。
【解決手段】実施形態によれば部分放電検出装置は、表面電位センサと、低域抽出部と、判定部とを持つ。表面電位センサは、回転電機の接地された筐体に取り付けられ、筐体の表面電位信号を計測する。低域抽出部は、表面電位センサが検出した表面電位信号のうち、回転電機の駆動により生じるノイズが生じる周波数帯より低い周波数帯の低域信号を抽出する。判定部は、低域信号に基づいて、回転電機の部分放電の有無を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は部分放電検出装置および部分放電検出方法に関する。

発電機や高圧モータなどの回転電機では、コイルに電気絶縁材料として樹脂を被覆して固定子コイルを構成している。固定子コイルの電気絶縁材料は、熱的、電気的、機械的、または化学的ストレスで劣化すると、その部分に絶縁破壊が生じて機器の故障に繋がる可能性があるため、回転電機の信頼性を確保するには電気絶縁材料の状態を把握することが重要である。

例えば発電所などの発電機や高圧モータでは、固定子コイルに高電圧が加わる。この高電圧により、固定子コイルの表面の電気絶縁材料の内部にあるボイドや電気絶縁材料表面で部分放電が発生し、樹脂などが放電浸食される。部分放電は絶縁破壊の前兆として知られており、部分放電を適切に検出することが求められている。

回転電機の部分放電の検出方法として、回転電機から引き出された母線３線を貫通するように、端子箱内に高周波ＣＴを常設し、負荷電流に含まれる部分放電の高周波パルスの発生を３相一括で監視する方法が多く用いられている。
しかしながら、高周波ＣＴは母線３線を貫通させる必要があるため、高周波ＣＴを設置するためには、母線３線の盤側との接続を一端切り離し、高周波ＣＴに母線３線を通してから、再度母線３線を盤に接続する必要がある。つまり、高周波ＣＴを設置するためには回転電機の運転を一時停止させる必要がある。

特開２００６－５８１６６号公報 特開２００６－６４４６１号公報

本発明が解決しようとする課題は、回転電機の運転を停止させずに部分放電を検出することができる部分放電検出装置および部分放電検出方法を提供することである。

実施形態の部分放電検出装置は、表面電位センサと、低域抽出部と、判定部とを持つ。表面電位センサは、回転電機の接地された筐体に取り付けられ、筐体の表面電位信号を計測する。低域抽出部は、表面電位センサが検出した表面電位信号のうち、回転電機の駆動により生じるノイズが生じる周波数帯より低い周波数帯の低域信号を抽出する。判定部は、低域信号に基づいて、回転電機の部分放電の有無を判定する。

第１の実施形態に係る部分放電検出装置の構成を示す図。 第１の実施形態に係る検出装置による部分放電の判定方法を示すフローチャート。 第１の実施形態に係る実験における発電機に係る部分放電およびノイズの周波数特性を示す図。 第１の実施形態に係る実験において、金属フレームの電位信号から抽出されたパルス信号をΦ－Ｑマップにプロットしたグラフ。 第１の実施形態に係る実験において、金属フレームの電位信号から抽出されたパルス信号をΦ－Ｑ＋マップにプロットしたグラフ。 少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図。

以下、実施形態の部分放電検出装置および部分放電検出方法を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る部分放電検出装置の構成を示す図である。
第１の実施形態に係る部分放電検出装置１０は、回転電機である発電機３０の部分放電を検出する。発電機３０は、図示しない回転子と、３つの固定子３１と、固定子フレーム３２と、金属フレーム３３と、口出部３４とを備える。回転子は、図示しないロータと共に回転可能に設けられる。３つの固定子３１は、回転子を囲うように設けられ、固定子フレーム３２によって固定される。３つの固定子３１は、それぞれ三相交流電力の各相に対応するコイルである。金属フレーム３３は接地され、固定子フレーム３２を収容する。口出部３４は、金属フレーム３３上に設けられ、３つの固定子３１から伸びる母線Ｂを発電機３０の外へ案内する。口出部３４は、金属で構成され、金属フレーム３３に取り付けられていることから、金属フレーム３３を介して接地している。

発電機３０の母線Ｂは、発電機３０から離れて設けられた発電機盤４０に接続される。発電機盤４０は、発電機３０を制御するための制御装置である。発電機盤４０は、例えばＡＶＲ（自動電圧調整装置）、継電機、計器などを備えるものであってよい。発電機盤４０は、アース線を介して金属フレーム３３に接続される。

固定子３１に部分放電が生じると、部分放電電流の多くは母線Ｂを流れるが、一部は静電誘導によって金属フレーム３３の接地へ向かって流れる。このとき部分放電電流によって金属フレーム３３の表面電位が変動する。部分放電検出装置１０は、金属フレーム３３に発生する表面電位信号から、部分放電を検出する。

部分放電検出装置１０は、金属フレーム３３に取り付けられた電位センサ１１と、電位センサ１１が計測した信号に基づいて部分放電を検出する演算装置１２とを備える。なお、電位センサ１１は、金属フレーム３３でなく口出部３４に取り付けられてもよい。なお、金属フレーム３３および口出部３４は、いずれも接地された筐体である。

演算装置１２は、パルス抽出部１２１、特徴量抽出部１２２、判定部１２３、および記憶部１２４を備える。電位センサ１１が計測した表面電位の信号は、パルス抽出部１２１に入力される。

パルス抽出部１２１は、入力された信号から、予め定められた閾値を超えるパルス信号を抽出する。パルス抽出部１２１は、抽出したパルス信号を特徴量抽出部１２２に出力する。具体的には、パルス抽出部１２１は、入力された信号から、５ＭＨｚ以下（例えば、４ＭＨｚ±１０％の周波数帯域）の周波数成分（以下、低域信号ともいう。）と、１００ＭＨｚ以上の周波数成分（以下、高域信号ともいう。）とを抽出するパルス抽出部１２１は、高域信号および低域信号の両方において閾値を超える部分をパルス信号として抽出する。なお、後述するが、表面電位信号のウェーブレット表示の観察によって、発電機３０などの回転機械の環境におけるノイズが主に５ＭＨｚから２５ＭＨｚまでの周波数帯域に表れることが分かった。したがって、５ＭＨｚ以下の低域信号と、１００ＭＨｚ以上の高域信号は、部分放電信号のＳＮ比が高い。パルス抽出部１２１は、低域抽出部および高域抽出部の一例である。

特徴量抽出部１２２は、パルス抽出部１２１が抽出したパルス信号の特徴量を抽出する。特徴量の例としては、パルス信号の第１波の波高値および、極性等が挙げられる。第１波とは、パルス信号として切り出された部分信号の最初のピークをいう。なお、発電機３０の環境によるノイズが存在する５ＭＨｚから２５ＭＨｚまでの周波数帯域の成分を除去したとしても、低域信号には第１波が極性を同じくして見られることが確認されている。そのため、特徴量抽出部１２２は、抽出されたパルス信号の第１波の立ち上がりの方向に基づいて、パルス信号の極性を特定する。特徴量抽出部１２２は、低域信号に含まれるパルス信号の第１波の立ち上がり方向に基づいて、パルス信号の極性を特定する極性特定部の一例である。

判定部１２３は、パルス信号の発生タイミングと、特徴量抽出部１２２が抽出したパルス信号の特徴量とに基づいて部分放電の有無を判定する。
判定部１２３は、時間軸（位相軸）に対してパルス信号の極性をプロットし、発電機３０の駆動電圧の周期と同期して正極性のパルス信号と負極性のパルス信号が交互に表れる場合に、当該パルス信号が部分放電に起因するものである可能性が高いと判定する。このとき、判定部１２３は、１２０度ずつずらした駆動電圧の周期のそれぞれについて、同期するパルス信号の有無を判定することで、いくつの固定子３１で部分放電が発生しているかを推定することができる。例えば、判定部１２３は、以下に示す手順でパルス信号の分布を未知の三相交流電力の位相にマッピングする。まず判定部１２３は、発電機３０が出力する三相交流電力から生成された単相交流電力（例えば、現場のコンセントに供給される電力）の電圧信号を取り込み、当該電圧信号に基づいて、位相（Φ）‐符号付き信号強度（Ｑ＋）の空間（Φ－Ｑ＋マップ）を生成する。次に、判定部は、当該電圧信号を１２０度ずつずらすことで三相交流電力を模擬する正弦波を生成し、Φ－Ｑ＋マップにマッピングする。三相交流電力から生成された単相交流電力の位相は、通常三相の何れかの相と一致する。そして、判定部１２３は、パルス信号をΦ－Ｑ＋マップにマッピングする。また、他の実施形態としては、判定部は、駆動電圧の周期に係る正弦波との誤差（例えば二乗誤差）が最小となるように、第１正弦波の位相を決定し、当該正弦波に対して±１２０度ずらした第２正弦波および第３正弦波をさらに配置してもよい。なお、符号付き信号強度の符号は、パルス信号の極性を示す。
その後、判定部１２３は、各パルス信号がいずれの正弦波に対応するかを判定する。そして、判定部１２３は、各正弦波について、対応付けられたパルス信号のうち、当該正弦波の立ち上がりおよび立ち下がりに同期するものの頻度や割合が、所定の閾値を超える場合に、当該正弦波に対応する固定子において部分放電が発生していると判定する。

判定部１２３は、部分放電の有無、および部分放電の発生数を、外部に出力する。例えば、判定部１２３は、部分放電の発生を報知するアラームを鳴らしてもよいし、警告灯を点灯させてもよいし、ネットワークを介して管理者に通知してもよい。

図２は、第１の実施形態に係る演算装置１２による部分放電の判定方法を示すフローチャートである。
演算装置１２は、以下の手順で部分放電の有無を判定してよい。まず、パルス抽出部１２１は、電位センサ１１から入力される信号から、５ＭＨｚ以下の低域信号と、１００ＭＨｚ以上の高域信号を抽出する（ステップＳ１）。パルス抽出部１２１は、低域信号と高域信号とにおいてほぼ同じ時刻に閾値を超える波高値が検出されている部分を、パルス信号として抽出する（ステップＳ２）。次に、特徴量抽出部１２２は、抽出されたパルス信号それぞれの特徴量を抽出する（ステップＳ３）。判定部１２３は、発電機３０の駆動電圧の周期に基づくΦ－Ｑ＋マップに特定されたパルス信号をマッピングする（ステップＳ４）。次に、判定部１２３は、１２０度ずつずらした３つの正弦波をΦ－Ｑ＋マップにマッピングし、複数のパルス信号それぞれを、３つの正弦波のいずれかに対応付ける（ステップＳ５）。

次に、判定部１２３は、各正弦波について、以下のステップＳ６からステップＳ９の処理を行う（ステップＳ６）。
判定部１２３は、正弦波の立ち上がりから所定時間内に発生する正極性のパルス信号の数と、立ち下がりから所定時間内に発生する負極性のパルス信号の数とをカウントする（ステップＳ７）。判定部１２３は、正極性のパルスの数と、負極性のパルスの数の両方が、所定の閾値を超えるか否かを判定する（ステップＳ８）。正極性のパルスの数と負極性のパルスの数の両方が、閾値を超える場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）、判定部１２３は、部分放電が発生していると判定する（ステップＳ９）。他方、正極性のパルスの数および負極性のパルスの数の少なくとも何れか一方が、閾値を超えない場合（ステップＳ８：ＮＯ）、判定部１２３は、部分放電が発生していないと判定する（ステップＳ１０）。

判定部１２３は、少なくとも１つの正弦波において、部分放電が発生していると判定したか否かを判定する（ステップＳ１１）。少なくとも１つの正弦波において、部分放電が発生していると判定した場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、判定部１２３は、部分放電が発生したこと、および部分放電が発生した固定子３１の数を示す情報を出力する（ステップＳ１２）。他方、いずれの正弦波においても、部分放電が発生していると判定しなかった場合（ステップＳ１１：ＮＯ）、判定部１２３は特段の出力を行わなくてよい。

このように、第１の実施形態に係る部分放電検出装置１０は、金属フレーム３３に取り付けられた電位センサ１１によって計測される表面電位に基づいて、部分放電を検出することができる。つまり、母線Ｂと発電機盤４０との接続を一端切り離す必要のある高周波ＣＴを用いる必要がない。つまり、第１の実施形態に係る部分放電検出装置１０は、回転電機の運転を停止させることなく、部分放電を検出することができる。

図３は、実験における発電機３０に係る部分放電およびノイズの周波数特性を示す図である。
発明者は、発電機３０の運転時および停止時における金属フレーム３３の電位の変化を観察した。観察の対象の発電機３０は、運転中に部分放電が発生していることをあらかじめ確認したものである。発明者は、発電機３０を対象として、停止中と運転中のそれぞれの表面電位信号（図３において上段）とそのウェーブレット表示（図３において下段）を観察した。図３下段に示すウェーブレット表示より、発電機３０が停止中であるか運転中であるかにかかわらず、５ＭＨｚから２５ＭＨｚまでの周波数帯に環境ノイズが含まれていることがわかった。これは、発電機３０を駆動するためのモータを起因とするノイズ、および、発電機３０の持つインピーダンス（Ｌ，Ｃ成分）がローパスフィルタやハイパスフィルタとして振る舞う結果発生したノイズであると考えられる。

一方、電力機器において、５ＭＨｚ以下の帯域は、接地線を介して発電機盤４０などの他の機器からのノイズが流入することが多いことが知られており、通常、部分放電の検出に用いない。しかしながら、観察の結果、金属フレームで観測される環境ノイズは、回転電機の駆動ノイズが支配的であることがわかった。これは、発電機盤４０は発電機３０から十分離れており、また発電機３０の金属フレーム３３はＡ種接地のような低抵抗でないために、接地を介したノイズの回り込みが小さいためであると考えられる。また、図２に示すように、実際に部分放電に係るパルスが発生したときに、５ＭＨｚ以下の帯域において強い信号が検出された。

したがって、発電機３０で発生する部分放電信号を高感度に検出するには、電力機器の部分放電の検出においては通常用いられない５ＭＨｚ以下の振動成分を抽出することが有効であることが分かった。また、１００ＭＨｚ以上の帯域は環境ノイズが比較的小さいため、高域信号の抽出によっても、部分放電信号を高感度に検出することが可能である。

図４は、実験において、金属フレーム３３の電位信号から抽出されたパルス信号をΦ－Ｑマップにプロットしたグラフである。Φは運転電圧に対する位相、Ｑは信号強度である。回転電機では３相のいずれにおいても部分放電が発生する可能性がある。しかしながら、パルス信号をΦ－Ｑマップにプロットすると、図４に示すように、各相の切り分けができず、部分放電としての特徴が表れているか否かを見出すことが困難であることが分かる。

そこで、第１の実施形態に係る部分放電検出装置１０は、パルス信号の第１波の極性の情報を取得することによって、各相の切り分けを可能とする。図５は、実験において、金属フレーム３３の電位信号から抽出されたパルス信号をΦ－Ｑ＋マップにプロットしたグラフである。Φは運転電圧に対する位相、Ｑ＋は符号付き信号強度である。部分放電検出装置１０は、パルス信号の信号強度に極性の情報を含めることで、図５に示すように、異なる相において発生した部分放電信号のパルス信号どうしを切り分けることができる。図５を参照すると、破線で示す負の極性を有するパルス信号の群と、一点鎖線で示す正の極性を有するパルス信号の群とが明確に切り分けられていることがわかる。これにより、部分放電検出装置１０は、精度よくパルス信号が部分放電に係るものであるか否かを判定することができ、また部分放電がいくつの固定子３１において発生しているかを判定することができる。例えば、図５からは、２つの固定子３１において部分放電が発生していることがわかる。

なお、第１の実施形態に係る部分放電検出装置１０は、発電機３０の部分放電を検出するが、他の実施形態ではこれに限られない。例えば、他の実施形態においては、部分放電検出装置１０は、回転電機である高圧モータの部分放電を検出するものであってもよい。

また、第１の実施形態に係る部分放電検出装置１０は、低域信号および高域信号の両方を用いて部分放電の判定を行うが、これに限られない。例えば他の実施形態においては、部分放電検出装置１０は、低域信号または高域信号のみを用いて、部分放電の判定を行ってもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、部分放電検出装置は、表面電位センサと、低域抽出部と、判定部とを持つ。表面電位センサは、回転電機の接地された筐体に取り付けられ、筐体の表面電位信号を計測する。低域抽出部は、表面電位センサが検出した表面電位信号のうち、回転電機の駆動により生じるノイズが生じる周波数帯より低い周波数帯の低域信号を抽出する。判定部は、低域信号に基づいて、回転電機の部分放電の有無を判定する。これにより、部分放電検出装置は、回転電機の運転を停止させることなく、部分放電を検出することができる。

〈コンピュータ構成〉
図６は、少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
コンピュータ９０は、プロセッサ９１、メインメモリ９２、ストレージ９３、インタフェース９４を備える。
上述の演算装置１２の一部または全部は、コンピュータ９０に実装されてよい。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でストレージ９３に記憶されている。プロセッサ９１は、プログラムをストレージ９３から読み出してメインメモリ９２に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、プロセッサ９１は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域をメインメモリ９２に確保する。プロセッサ９１の例としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphic Processing Unit）、マイクロプロセッサなどが挙げられる。

プログラムは、コンピュータ９０に発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージに既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、コンピュータ９０は、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤ（Programmable Logic Device）などのカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を備えてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ(Programmable Array Logic)、ＧＡＬ(Generic Array Logic)、ＣＰＬＤ(Complex Programmable Logic Device)、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。この場合、プロセッサ９１によって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。このような集積回路も、プロセッサの一例に含まれる。

ストレージ９３の例としては、磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ９３は、コンピュータ９０のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース９４または通信回線を介してコンピュータ９０に接続される外部メディアであってもよい。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ９０に配信される場合、配信を受けたコンピュータ９０が当該プログラムをメインメモリ９２に展開し、上記処理を実行してもよい。少なくとも１つの実施形態において、ストレージ９３は、一時的でない有形の記憶媒体である。

また、当該プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、当該プログラムは、前述した機能をストレージ９３に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせで実現するもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

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…部分放電検出装置 １１…電位センサ １２…演算装置 １２１…パルス抽出部 １２２…特徴量抽出部 １２３…判定部 １２４…記憶部 ３０…発電機 ３１…固定子 ３２…固定子フレーム ３３…金属フレーム ３４…口出部 ４０…発電機盤 ９０…コンピュータ ９１…プロセッサ ９２…メインメモリ ９３…ストレージ ９４…インタフェース Ｂ…母線

Claims (7)

1. 回転電機の接地された筐体に取り付けられ、前記筐体の表面電位信号を計測する表面電位センサと、
   前記表面電位センサが検出した前記表面電位信号のうち、前記回転電機の駆動により生じるノイズが生じる周波数帯より低い周波数帯の低域信号を抽出する低域抽出部と、
   前記低域信号に基づいて、前記回転電機の部分放電の有無を判定する判定部と
   を備える部分放電検出装置。
2. 前記低域信号は、前記表面電位信号のうち５ＭＨｚ以下の周波数帯の信号である
   請求項１に記載の部分放電検出装置。
3. 前記表面電位センサが検出した前記表面電位信号のうち、前記回転電機の駆動により生じるノイズが生じる周波数帯より高く、かつ部分放電が表れる周波数帯の高域信号を抽出する高域抽出部を備え、
   前記判定部は、前記低域信号と前記高域信号とに基づいて、前記回転電機の部分放電の有無を判定する
   請求項１または請求項２に記載の部分放電検出装置。
4. 前記低域信号に含まれるパルス信号の第１波の立ち上がり方向に基づいて、前記パルス信号の極性を特定する極性特定部を備え、
   前記判定部は、前記パルス信号の極性に基づいて前記回転電機の部分放電の有無を判定する
   請求項１または請求項２に記載の部分放電検出装置。
5. 前記判定部は、前記パルス信号の極性と、前記回転電機の運転電圧の周期とに基づいて、前記回転電機の部分放電の有無を判定する
   請求項４に記載の部分放電検出装置。
6. 前記回転電機は、三相交流電圧の各相に対応する３つの固定子を備え、
   前記判定部は、前記パルス信号の極性と、前記回転電機の運転電圧の周期とに基づいて、前記３つの固定子のうち部分放電が生じたものの数を判定する
   請求項４に記載の部分放電検出装置。
7. 回転電機の接地された筐体に取り付けられ、前記筐体の表面電位信号を計測する表面電位センサが検出した前記表面電位信号のうち、前記回転電機の駆動により生じるノイズが生じる周波数帯より低い周波数帯の低域信号を抽出するステップと、
   前記低域信号に基づいて、前記回転電機の部分放電の有無を判定するステップと
   を備える部分放電検出方法。

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