JP3586322B2 - ガス絶縁電気機器の部分放電検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は円筒形状の金属容器の内部に導体を絶縁支持して絶縁ガスを満たしたガス絶縁電気機器の金属容器の内部で発生する部分放電をガス絶縁電気機器の構造によって決まる共振周波数に基づいて検出する部分放電検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は平成４年電気学会電力・エネルギー部門大会論文集に掲載された第３８７号論文「外部アンテナを用いたＧＩＳの絶縁監視方式における信号検出特性」（木村喬、春浪隆夫、金万直弘、斉藤宗敬）から引用したもので、ガス絶縁電気機器の金属容器の内部における絶縁性能が低下すると部分放電を生じるが、その部分放電に伴なう電磁波に基づいて部分放電を検出する従来の部分放電検出装置の構成図である。このガス絶縁電気機器は金属容器１，３の内部に三相分の導体（図示せず）を金属容器１，３の軸に対称に配置して絶縁スペーサ５で絶縁支持し、絶縁ガスを満たした三相一括型のものであって、金属容器１，３のそれぞれのフランジ１ａ，３ａで絶縁スペーサ５を挟んでスタッドボルト（図示せず）で締め付けている。
【０００３】
金属容器１，３の内部で発生する部分放電に伴なう電磁波は金属容器１，３のシールド効果によりその外部では減衰する。そこで、この電磁波を検出するために電磁波の透過する絶縁スペーサ５の周縁部に密着してスロットアンテナ１０ａを取り付けるとともに、このスロットアンテナ１０ａの近傍で金属容器３を囲繞してノイズを測定するスロットアンテナ１０ｂを取り付ける。そして、スロットアンテナ１０ａ，１０ｂとプリアンプ１１ａ，１１ｂとをそれぞれ同軸ケーブル１９ａ，１９ｂで接続し、金属容器１，３の内部で発生した部分放電による電磁波信号に外部のノイズ信号を含む信号をスロットアンテナ１０で検出し、プリアンプ１１ａで増幅してスペクトラムアナライザ１２でスペクトル分析しパソコン１３で記憶する。また、このときのノイズ信号をスロットアンテナ１０ｂで検出し、同じく、プリアンプ１１ａで増幅、スペクトラムアナライザ１２でスペクトル分析してパソコン１３で記憶し、両者の差分スペクトルを演算して外部のノイズ信号を除去した部分放電のみによる電磁波信号を検出する。
【０００４】
図７（Ａ）は導体４に針状の微小金属異物が存在しない場合の金属容器３の部分を示す断面図、同図（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）はそれぞれ、同図（Ａ）の状態のもとに検出したノイズ信号のスペクトル、金属容器３の内部で部分放電の発生のない正常時の電磁波信号にノイズ信号を含む信号のスペクトル、これら両者の差分スペクトルである。また、図８（Ａ）は導体４に針状の微小金属異物９が存在する場合の金属容器３の部分を示す断面図、同図（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）はそれぞれ同図（Ａ）の状態のもとに検出したノイズ信号のスペクトル、金属容器３の内部で発生した部分放電による電磁波信号にノイズ信号を含む信号のスペクトル、これら両者の差分スペクトルである。なお、図７（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）、図８（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）はいずれも縦軸がスペクトル強度、横軸が周波数を示す。図７（Ｄ）と図８（Ｄ）を比較すると金属容器３の内部で部分放電の発生のない正常時に比べて部分放電の発生による電磁波信号を識別することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のガス絶縁電気機器の部分放電検出装置は金属容器１，３の内部で発生する部分放電による電磁波信号に外部のノイズ信号を含む信号を検出しスペクトル分析してそのスペクトルを記憶し、また、このときのノイズ信号を検出しスペクトル分析してそのスペクトルを記憶してこれら両スペクトルの差分スペクトルを演算することにより部分放電のみによる電磁波信号のスペクトルを得る。これを金属容器１，３の内部で部分放電の発生がない正常時と金属容器１，３の内部で部分放電の発生がある異常時とについて行ない、両差分スペクトルを比較して部分放電を検出する。しかしながら、絶縁スペーサ５の周縁部に密着するスロットアンテナ１０ａとこの近傍で金属容器３を囲繞するスロットアンテナ１０ｂが金属容器１，３の外側にあってその取り付け位置が全く同じでないことから外部のノイズの影響が少なからず考えられ、検出精度は必ずしも高いとは思われない。また、絶縁スペーサ５を透過する微弱な電磁波を検出するので感度もそれほど高いとは云えない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るガス絶縁電気機器の部分放電検出装置は円筒形状の金属容器の内部に一相分、あるいは、三相分の導体を配置し、絶縁スペーサで絶縁支持して絶縁ガスを満たしたガス絶縁電気機器において、可変周波数の電磁波を発生する電磁波発生器、前記金属容器の内側に取り付けて前記電磁波発生器で発生した電磁波を前記金属容器の内部に放射する電磁波放射手段、前記金属容器の内側に取り付けて前記金属容器の内部で発生する電磁波を検出する電磁波検出手段、前記電磁波検出手段で検出した電磁波信号のスペクトル分析を行うスペクトラムアナライザ、前記電磁波発生器で発生する電磁波により検出した電磁波信号をスペクトル分析して得た前記ガス絶縁電気機器の構造によって決まる共振周波数が存在するスペクトルと、前記金属容器の内部で発生する部分放電に伴う電磁波により検出した電磁波信号をスペクトル分析して得たスペクトルとをそれぞれ記憶して比較し、スペクトル強度の大なる周波数と前記共振周波数との一致により前記金属容器の内部で部分放電が発生したと判定するコンピュータを備えたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
ガス絶縁電気機器は円筒形状の金属容器の内部に一相分の導体を同軸にして絶縁支持し、絶縁ガスを満たした相分離型か、あるいは、同様の金属容器の内部に三相分の導体を金属容器の軸を対称にして配置し絶縁支持して絶縁ガスを満たした三相一括型のいずれかであるが、金属容器の内部で電磁波が発生すると、その構造から同軸円筒空洞共振器として働くものと考えることができ、その共振周波数ｆｎはｆｎ＝（Ｃ／２Ｌ）ｎとなる。
ここで、Ｃは光の速度、Ｌは金属容器の内部に配置した導体の長さ、ｎは自然数である。これより導体の長さＬによって決まる等間隔の共振周波数が多数存在し、金属容器の内部で発生する部分放電に伴なう電磁波のスペクトルをとるとこれらの共振周波数でスペクトル強度が大となる。
【００１０】
図１はこの発明の実施の形態１を示す構成図である。図１において、まず、ガス絶縁電気機器の部分について説明すると、２１は円筒形状の金属容器で絶縁ガスを封入する。２１ａは金属容器２１のフランジ、２２は金属容器２１に同軸にして収容した一相分の導体、２３は直交する円筒形状の金属容器で絶縁ガスを封入し、図示は省略するが、導体２２に接続した一相分の導体を同軸にして収容している。２３ａは金属容器２３のフランジ、２４は金属容器２３に取り付けたブッシング、２５は導体２１を絶縁支持する絶縁スペーサでフランジ２１ａとフランジ２３ａで挟み、図示を省略するがスタッドボルトで締め付けている。
【００１１】
次に、部分放電検出装置の部分について説明する。３０ａは金属容器２１の内側に取り付けて電磁波を金属容器２１，２３の内部に放射する電磁波センサ、３０ｂは金属容器２１の内側に取り付けて金属容器２１，２３の内部で発生する電磁波を検出する電磁波センサ、３１は電磁波センサ３０ａで金属容器２１，２３の内部に放射する可変周波数の電磁波を発生する電磁波発生器、３３は電磁波センサ３０ｂで検出し、アンプ３２で増幅した電磁波信号をスペクトル分析するスペクトラムアナライザ、３４は電磁波発生器３１で発生させた電磁波による電磁波信号をスペクトル分析して得たこのガス絶縁電気機器の構造によって決まる共振周波数が存在するスペクトルと、金属容器２１，２３の内部で発生した部分放電に伴う電磁波による電磁波信号をスペクトル分析して得たスペクトルとを比較して、スペクトル強度の大なる周波数と共振周波数との一致を確認して金属容器２１，２３の内部での部分放電の発生を判定するコンピュータである。
電磁波センサ３０ａは、電磁波を放射する機能および電磁波を検出する機能を合わせ持つものであり、電磁波を金属容器２１，２３の内部に放射する電磁波放射手段を構成する。また、電磁波センサ３０ｂは、金属容器２１，２３の内部で発生する電磁波を検出する電磁波検出手段を構成する。
【００１２】
次に、機能について説明する。電磁波発生器３１で０〜１ＧＨｚの電磁波を発生させて電磁波センサ３０ａにより金属容器２１，２３の内部に放射する。この電磁波を電磁波センサ３０ｂで検出し、その電磁波信号をアンプ３２で増幅してスペクトラムアナライザ３３でスペクトル分析し、そのスペクトルをコンピュータ３４に記憶する。そのスペクトルを図２（Ａ）に示すが、ガス絶縁電気機器の構造によって決まる共振周波数が２０〜３０ＭＨｚの間隔で存在し、５３８ＭＨｚの付近で最大のスペクトル強度になっている。これらの共振周波数から金属容器２１，２３の内部に配置した導体の長さＬを計算すると５ｍないし７．５ｍとなり、実際の導体の長さ（約６ｍ）とほぼ一致する。
【００１３】
ついで、金属容器２１の内部の導体２２に針状の微小金属異物（０．２ｍｍ径、１０ｍｍ長さ）を立てて付着させ、針先放電させたときと、金属容器２１の内部で針状の微小金属異物（０．２ｍｍ径、３ｍｍ長さ）をファイアフライ状態にしたときの２つの部分放電についてその電磁波を電磁波センサ３０ｂで検出し、その電磁波信号をアンプ３２で増幅してスペクトラムアナライザ３３でスペクトル分析を行ない、その各スペクトルをコンピュータ３４に記憶した。このときの針先放電とファイアフライ状態の各スペクトルをそれぞれ図２（Ｂ）と図２（Ｃ）に示す。図２（Ａ）と図２（Ｂ）（Ｃ）とをコンピュータ３４で比較し、図２（Ｂ）（Ｃ）のスペクトル強度の大なる周波数が図２（Ａ）の共振周波数とほぼ一致すること、とくに、図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）のいずれでも５３８ＭＨｚ付近でスペクトル強度が最大になっていることを確認して金属容器２１，２３の内部での部分放電の発生を判定する。
このように、この発明では、電磁波発生器３１で発生する０〜１ＧＨｚの可変周波数の電磁波を電磁波センサ３０ｂからなる電磁波放射手段により検出した電磁波信号をスペクトラムアナライザ３１でスペクトル分析して得たガス絶縁電気機器の構造によって決まる共振周波数が存在するスペクトルと、金属容器２１，２３の内部で発生する部分放電に伴う電磁波電磁波センサ３０ｂからなる電磁波放射手段により検出した電磁波信号をスペクトラムアナライザ３１でスペクトル分析して得たスペクトルとをそれぞれ記憶して比較し、スペクトル強度の大なる周波数と前記共振周波数との一致により金属容器２１，２３の内部での部分放電の発生を判定するコンピュータ３４を備えたものである。
このコンピュータ３４は、ガス絶縁電気機器の構造によって決まる共振周波数が２０〜３０ＭＨｚの間隔で存在し、５３８ＭＨｚ付近で最大のスペクトル強度になっているスペクトルと、金属容器２１，２３の内部で発生する部分放電に伴う電磁波信号をスペクトラムアナライザ３１でスペクトル分析して得たスペクトルとをそれぞれ記憶して比較し、スペクトル強度の大なる周波数と前記共振周波数との一致すること、とくに前記スペクトルのいずれでも５３８ＭＨｚ付近でスペクトル強度が最大になっていることにより金属容器２１，２３の内部で部分放電が発生したと判定する。
なお、参考のためにこのガス絶縁電気機器とは別に平行平板電極の一方の電極に針状の金属突起物（０．２ｍｍ径、１０ｍｍ長さ）を設けて針先放電を生じさせたときに発生する電磁波のスペクトルを図２（Ｄ）に示す。これによれば、スペクトルが全周波数帯域に存在して図２（Ｂ）（Ｃ）との差異は明らかである。
【００１４】
以上は相分離型のガス絶縁電気機器について説明したが、三相一括型のガス絶縁電気機器であっても、この発明を実施することができる。
この実施の形態１によれば、電磁波を検出する電磁波センサ３０ｂを金属容器の内側に取り付けるとともに、ガス絶縁電気機器の構造によって決まる共振周波数のスペクトルを予め記憶し、金属容器２１，２３の内部で発生する部分放電に伴なう電磁波のスペクトルも記憶して両者を比較し、電磁波のスペクトル強度の大なる周波数が共振周波数と一致することを確認して金属容器２１，２３の内部での部分放電の発生を判定するので、外部のノイズの影響を受けることが少なく、また、検出精度が高く、感度も高くなる。
【００１５】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２を示す構成図である。図３において、２１，２１ａ，２２，２３，２３ａ，２４，２５，３０ａ，３０ｂ，３１〜３４は実施の形態１で図１について説明したものと同じものである。３５は０〜４００ＭＨｚのノイズを除去するフィルタである。また、図４は金属容器２１，２３の内部で発生した部分放電に伴う電磁波に絶縁スペーサ２５、ブッシング２４から内部に侵入した外部のノイズを含む信号のスペクトルである。図４によれば、０〜４００ＭＨｚのかなり大きいノイズを含んでいるので、フィルタ３５で除去すれば、外部のノイズの影響を避けることができ、実施の形態１と同じ効果を得ることができる。
【００１６】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３を示す構成図である。外部のノイズは絶縁スペーサ２５、ブッシング２４から内部に侵入するので、絶縁スペーサ２５の周縁部を電磁シールド２９で覆って遮蔽すれば、ノイズを減少させることができ、実施の形態２よりも良い効果を期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１を示す構成図である。
【図２】ガス絶縁電気機器の共振周波数の存在するスペクトル（Ａ）、針先放電の場合のスペクトル（Ｂ）、ファイアフライ状態の場合のスペクトル（Ｃ）、平行平板電極に針状の金属突起物のある針先放電の場合のスペクトル（Ｄ）である。
【図３】この発明の実施の形態２を示す構成図である。
【図４】部分放電に伴う電磁波に外部のノイズを含む信号のスペクトルである。
【図５】この発明の実施の形態３を示す構成図である。
【図６】従来のガス絶縁電気機器の部分放電検出装置を示す構成図である。
【図７】微小金属異物が存在しない場合の金属容器の部分の断面図（Ａ）、ノイズ信号のスペクトル（Ｂ）、部分放電の発生のない正常時の電磁波信号にノイズ信号を含む信号のスペクトル（Ｃ）、（Ｂ）と（Ｃ）との差分スペクトル（Ｄ）である。
【図８】微小金属異物が存在する場合の金属容器の部分の断面図（Ａ）、ノイズ信号のスペクトル（Ｂ）、部分放電の発生がある異常時の電磁波信号にノイズ信号を含む信号のスペクトル（Ｃ）、（Ｂ）と（Ｃ）との差分スペクトル（Ｄ）である。
【符号の説明】
２１ 金属容器 ３０ａ 電磁波センサ
２１ａ フランジ ３０ｂ 電磁波センサ
２２ 導体 ３１ 電磁波発生器
２３ 金属容器 ３３ スペクトラムアナライザ
２３ａ フランジ ３４ コンピュータ
２５ 絶縁スペーサ ３５ フィルタ
２９ 電磁シールド

Claims (1)

1. 円筒形状の金属容器の内部に一相分、あるいは、三相分の導体を配置し、絶縁スペーサで絶縁支持して絶縁ガスを満たしたガス絶縁電気機器において、可変周波数の電磁波を発生する電磁波発生器、前記金属容器の内側に取り付けて前記電磁波発生器で発生した電磁波を前記金属容器の内部に放射する電磁波放射手段、前記金属容器の内側に取り付けて前記金属容器の内部で発生する電磁波を検出する電磁波検出手段、前記電磁波検出手段で検出した電磁波信号のスペクトル分析を行うスペクトラムアナライザ、前記電磁波発生器で発生する電磁波により検出した電磁波信号をスペクトル分析して得た前記ガス絶縁電気機器の構造によって決まる共振周波数が存在するスペクトルと、前記金属容器の内部で発生する部分放電に伴う電磁波により検出した電磁波信号をスペクトル分析して得たスペクトルとをそれぞれ記憶して比較し、スペクトル強度の大なる周波数と前記共振周波数との一致により前記金属容器の内部で部分放電が発生したと判定するコンピュータを備えたことを特徴とするガス絶縁電気機器の部分放電検出装置。

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