JP4286693B2 - 電線の導体欠陥検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、電線の導体欠陥検知方法に関し、通電・活線状態で断線、傷、不導体化並びに応力腐食割れ等の劣化といった不良を検査するのに有用なものである。

断線、傷、不導体化並びに応力腐食割れ等の劣化といった不良（欠陥）を検査する方法の一つとして、実際に流されている負荷電流が欠陥部分で流れの乱れを生じ、それによって発生する磁界の変化を検出する方法が知られている。

電線の撚線導体の何れかの導体素線に欠陥が発生すると、その箇所の導体断面の輪郭が非円形化され、同断面の電流路中心がずれる結果、導体電流に基づく周回路磁界の分布が変化するようになる。
そこで電線試料の撚合導体のある素線に人工的に傷を付け、その電線に沿ってサーチコイルをスキャンし、前記導体断面の電流路中心のずれを検出する実験が行なわれている。（非特許文献１）

野中崇、他２名，「配電線の非破壊磁気探傷に関する基礎的検討」Ｔ，ＩＥＥjapan,Ｖｏｌ，１２１−Ａ，Ｎｏ．３，２００１，ｐ２８２−２８７

すなわち、図８に示すように電流路断面の中心Ｃ1(Cx1,Cy1)が任意座標点ｐ1(x1,y1)及びｐ2(x2,y2)とそれら任意座標点ｐ1(x1,y1)及びｐ2(x2,y2)での磁束密度(Ｂｘ1，Ｂy1)及び(Ｂｘ2，Ｂy2)から次式で与えられることから

任意座標点ｐ1(x1,y1)における磁束密度(Ｂｘ1，Ｂy1)及びｐ2(x2,y2)における磁束密度(Ｂｘ2，Ｂy2)をサーチコイルにより測定し、これらの測定値から電流路断面の中心座標Ｃ1(Cx1,Cy1)を計算し、この中心座標の変位から撚線導体の欠陥を評価しようとしている。

この実験に使用された電線試料は新しい電線であり、撚合導体の素線間の接触抵抗が極めて低い。従って、人工的に付けた傷の箇所で電流路断面の中心がずれても、その傷箇所からある程度離れた箇所の導体には断面一様に電流が流れるものと推測され、この推測のもとでは、サーチコイルの電線に沿ってのスキャンが必要である。

架設された絶縁被覆電線の導体の欠陥は絶縁被覆層内側への雨水侵入下での酸化環境のもとで発生するから、欠陥が生じた時点では撚線導体の導体素線間の接触抵抗が酸化皮膜のために極めて高くなっている。この素線間接触抵抗が素線間の電流導通を完全に遮断し得るものと仮定すれば、欠陥を生じた導体素線の電流が他の健全素線より低い状態が電線全長に及び導電路断面中心のずれが電線全長にわたって発生することとなる。逆に素線間接触抵抗が零と仮定すれば、欠陥箇所の極く近傍だけで導電路断面中心のずれが生じることとなり、前記非特許文献１は後者を前提としている。

而るに、本発明者においては、実際に架設された絶縁被覆電線の欠陥検知の鋭意実験結果により、７本撚り撚線方向の外層素線の１本が断線された欠陥において、その断線箇所から左右数１０ｍまでの範囲で導電路断面中心のずれを確認できた。従って、欠陥を生じた導体素線の電流が他の健全素線より低い状態が欠陥箇所より広範囲に発生して導電路断面中心のずれが広範囲にわたり生じることを前提とすることが妥当である。

本発明の目的は、電線における撚合導体の何れかの導体素線の欠陥を撚合導体の通電電流に基づく周回路磁界の素線欠陥無しのときの周回路磁界に対する分布変化から検知する場合、前記知見に基づき充分に狭い範囲での周回路磁界分布変化からその欠陥を検知して作業の簡易化を図ることにある。
更に、その周回路磁界分布の変化を高感度で検知できる磁気センサを提供することにある。

本発明に係る電線の導体欠陥検知方法は、複数本の導体素線を撚り合わせた電線における撚合導体の何れかの導体素線の欠陥を、前記導体素線の欠陥のある撚合導体の通電電流に基づく周回路磁界の素線欠陥無しのときの周回路磁界に対する分布変化から検知する方法であって、前記電線の周りに１８０°の角度を隔てかつ電線中心から等距離を隔て感磁方向を電線と同心の円周と直角方向とした２箇の磁気インピーダンス効果素子を感磁方向を逆極性とするように直列に接続し、しかもセンサ出力を２Ｈ（ΔＬ／ｒ） ^２ sin２αに近似させた導体欠陥検知用センサを、前記撚合導体の撚りの３〜５ピッチ分スキャンさせて周回路磁界分布の変化を検出することを特徴とする。

欠陥が発生した電線では、導体素線間の接触抵抗が酸化膜のために極めて高くなっており、欠陥箇所の導電路断面中心のずれに基づく周回路磁界分布の変化がその欠陥箇所から相当に離隔した箇所でも顕在しており、本発明ではこの離隔した箇所での周回路磁界分布の変化より導体欠陥を検知している。
前記周回路磁界分布の変化を電線と同心円の周方向に直角方向の磁界成分から検出しており、この検出磁界成分が電線外周近傍の周方向磁界よりも充分に小であって測定限度内であり、電線外周に接近してセンサ素子を配設でき、センサを小型にできる。そして、磁気インピーダンス効果素子の高検出能と、磁気インピーダンス効果素子の１８０°を隔てての対配置による外部ノイズの除去乃至は差動増幅回路または減算回路の使用による内外ノイズの除去等とで高感度検出が可能であり、前記離隔した箇所での周回路磁界分布の変化を高感度で検知できる。
従って、電線全長に沿っての磁気センサのスキャンが不要となり、検知作業の簡易化を図ることができる。

図１は本発明の導体欠陥検知の対象とされる絶縁被覆電線の一例を示し、硬銅線等の導体素線ａを撚合せた撚合導体ｂ上にポリエチレンやポリ塩化ビニル等の合成樹脂ｃを押出し被覆してある。
この電線の撚合導体の何れかの導体素線に欠陥が生じたとする。素線間の接触抵抗が素線間の電流導通を完全に遮断し得る程度に高抵抗であると仮定すれば、欠陥に基づく導電路断面の電流中心のずれは電線全長ににわたって発生し、従って導体電流に基づく周回路磁界分布の変化が電線全長にわたって発生する。
図２において、導電路断面の電流中心のずれが発生していないときの電線中心ｏから距離ｒでの基準周回路磁界の強度Ｈは

Ｈ＝Ｉ／（２πｒ）

で与えられる。
１ａ，１ａ’は電線中心からの距離が共にｒで、かつ電線中心と同心の円上で１８０°隔てられ、軸方向（最大感磁方向）が前記同心円に直角な方向とされた磁気インピーダンス効果素子を示し、前記の基準周回路磁界には感磁しない。磁気インピーダンス効果素子の軸方向とずれの方向とがなす角度をα、ずれ距離をΔＬとすれば、

ｘ^２＝ｒ^２＋（ΔＬ）^２−２ｒ・ΔＬcosα
sinζ/ΔＬ＝sinα/ｘ

が成立し、導電路断面中心ｏ’のもとでの距離ｘでの周回路磁界強さＨ’＝Ｉ／（２πｘ）における磁気インピーダンス効果素子１ａの感磁成分、すなわち最大感磁方向成分ｈａは、

ｈａ＝Ｈ’sinζ

で与えられる。
上記の諸式からｈａを求めると

〔式１〕 ｈａ≒Ｈ（ΔＬ／ｒ）sinα／〔１−２（ΔＬ／ｒ）cosα〕

が成立する。
他方の磁気インピーダンス効果素子１ａ’の感磁成分ｈａ’は、前記ｈａにおいてαを（π＋α）と置き、周回路磁界の方向が逆方向であることを考慮して

〔式２〕 ｈａ’≒Ｈ（ΔＬ／ｒ）sinα／〔１＋２（ΔＬ／ｒ）cosα〕

で与えられる。

本発明は、周回路磁界分布の変化により生じる周回路磁界と直角方向の小さい感磁成分を磁気インピーダンス効果素子の高い検出能で検出し、対をなす磁気インピーダンス効果素子の感磁方向の逆極性化により、または減算乃至は差動増幅での同相打消作用によりノイズを除去して、前記導体欠陥に基づく周回路磁界分布の変化を高感度で検出し、前記撚合導体の欠陥箇所から相当に遠く離隔した箇所でもその周回路磁界の分布変化の検知を可能としている。

図３は磁気インピーダンス効果素子を使用した磁気センサの基本的構成を示している。
図３において、１は磁気インピーダンス効果素子であり、自発磁化の方向がワイヤ周方向に対し互いに逆方向の磁区が交互に磁壁で隔てられた構成の外殻部を有する、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス合金ワイヤが使用されている。かかる零磁歪乃至は負磁歪のアモルファス磁性ワイヤに高周波励磁電流を流したときに発生するワイヤ両端間出力電圧中のインダクタンス電圧分は、ワイヤの横断面内に生じる円周方向磁束によって上記の円周方向に易磁化性の外殻部が円周方向に磁化されることに起因して発生する。従って、周方向透磁率μ_θは同外殻部の円周方向の磁化に依存する。而るに、この通電中のアモルファスワイヤの軸方向（最大感磁方向）に被検出磁界を作用させると、上記通電による円周方向磁束と被検出磁界磁束との合成により、上記円周方向に易磁化性を有する外殻部に作用する磁束の方向が円周方向からずれ、それだけ円周方向への磁化が生じ難くなり、上記周方向透磁率μ_θが変化し、上記インダクタンス電圧分が変動することになる。この変動現象は磁気インダクタンス効果と称され、これは上記高周波励磁電流（搬送波）が被検出波（信号波）で変調される現象ということができる。更に、上記通電電流の周波数がＭＨｚオ−ダになると、高周波表皮効果が大きく現れ、表皮深さδ＝（２ρ／wμ_θ）^１／２（μ_θは前記した通り円周方向透磁率、ρは電気抵抗率、wは角周波数をそれぞれ示す)がμ_θにより変化し、このμ_θが前記した通り、被検出磁界によって変化するので、ワイヤ両端間出力電圧中の抵抗電圧分も被検出磁界で変動するようになる。この変動現象は磁気インピーダンス効果と称され、これは上記高周波励磁電流（搬送波）が被検出波（信号波）で変調される現象ということができる。

図３において、２は磁気インピーダンス効果素子に高周波励磁電流を加えるための高周波電源、３は磁気インピーダンス効果素子の軸方向に作用する被検出磁界（信号波）で前記高周波励磁電流（搬送波）を変調させた被変調波を復調する復調回路、４は復調波を増幅する増幅回路、５は出力端、６は負帰還用コイル、７はバイアス磁界用コイルである。磁気インピーダンス効果素子１には、零磁歪乃至は負磁歪のアモルファスワイヤの外、アモルファスリボン、アモルファススパッタ膜等も使用できる。

磁気インピーダンス効果素子においては、前記した通り励磁電流に基づく円周方向磁束と被検出磁界による軸方向磁束との合成により、円周方向に易磁化性を有する外殻部に作用する磁束の方向が円周方向からずれされるために、周方向透磁率μ_θが変化し、インダクタンスが変動され、この円周方向透磁率μ_θの高周波表皮効果の表皮深さの変化でインピーダンスが変動される。従って、被検出磁界の±により上記合成磁界による周方向ずれφも±φになるが、周方向の磁界の減少倍率cos(±φ)は変わらず、従ってμ_θの減少度は被検出磁界の方向の正負によっては変化されない。従って、被検出磁界−出力特性は、図４の（イ）のように被検出磁界をｘ軸に、出力をｙ軸にとると、ｙ軸に対してほぼ左右対称となる。この被検出磁界−出力特性は非線形である。非線形特性では、高感度の測定が困難である。そこで、負帰還用コイルで負帰還をかけて図４の（ロ）に示すように特性を直線化している。図４の（ロ）において、Δｗは、負帰還無しのときの利得Ａが非常に大きく帰還率βのみにより利得が定まるリニア範囲である。しかし、この出力特性では、被検出磁界の極性判別を行ない得ないので、バイアス用コイル７でバイアス磁界をかけ、図４の（ハ）に示すように極性判別可能としている。すなわち、図４の（ロ）の特性を、バイアス磁界によりｘ軸のマイナス方向に移動させ、被検出磁界の最大範囲−Ｈmax〜＋Ｈmaxを単斜め線領域の範囲内に納めている。更に、図４の（ニ）に示すように０点調整により原点を通る直線特性としている。従って、図４の（ニ）において被検出磁界を＋Ｈeとすると出力が＋Ｅoとなり、被検出磁界を−Ｈeとすると出力が−Ｅoとなって被検出磁界を極性判別のもとで正確に測定できる。

前記極性判別可能なリニア出力特性を得るのに図５に示すように、出力より反転入力端子に負帰還をかけた演算増幅器(負帰還路挿入インピーダンスＺ_２、入力側挿入インピーダンスＺ_１)を使用することもできる。この場合、負帰還用コイルに挿入した抵抗をＲ、同コイルの巻数をｎ、長さをＬ、復調増幅部Ｂの利得をＡ、被検出磁界をＨex、出力をＥoutとすると、

Ａ≫Ｚ_１ＲＬ／（Ｚ_２ｎ）

のもとで

Ｅout＝ＲＬＺ_１Ｈex／（ｎＺ_２）＋ＶccＺ_１Ｒ／〔Ｚ_２（Ｚ_２＋Ｒ）〕

が成立し、この出力特性を諸定数（Ｚ_１，Ｚ_２，抵抗Ｒ，コイル巻数ｎ等）の調整によりｘ軸の±方向にシフトさせることができ、その調整により極性判別可能な斜め直線部を最大被検出磁界の範囲±Ｈmax内に位置させることが可能となり、更にｙ軸方向の０点調整により図４の（ニ）に示すような極性判別可能な直線性の出力特性を得ることもできる。

上記高周波励磁電流としては、例えば連続正弦波、パスル波、三角波等の通常の高周波を使用でき、高周波励磁電流源としては、例えばハートレー発振回路、コルピッツ発振回路、コレクタ同調発振回路、ベース同調発振回路のような通常の発振回路の外、水晶発振器の矩形波出力を直流分カットコンデンサを経て積分回路で積分しこの積分出力の三角波を増幅回路で増幅する三角波発生器、ＣＯＭＳ−ＩＣを発振部として使用した三角波発生器等を使用できる。

上記の復調回路としては、例えば被変調波を演算増幅回路で半波整流しこの半波整流波を並列ＲＣ回路またはＲＣローパスフィルターで処理して半波整流波の包絡線出力を得る構成、被変調波をダイオードで半波整流しこの半波整流波を並列ＲＣ回路またはＲＣローパスフィルターで処理して半波整流波の包絡線出力を得る構成等を使用できる。
上記の実施例では、被変調波の復調によって被検出量を取り出しているが、これに限定されず、磁気インピーダンス効果素子に作用する被検出磁界による磁界検出信号から被検出磁界に相当する被検出量を取り出し得るもので適宜の回路構成を使用できる。
前記負帰還用コイル及びバイアス磁界用コイルは磁気インピーダンス効果素子に巻き付けることができる。また、図６に示すように磁気インピーダンス効果素子とループ磁気回路を構成する鉄芯に負帰還用コイル及びバイアス磁界用コイルを巻き付けることもできる。

図６の（イ）は鉄芯付き磁気インピーダンス効果ユニットの一例を示す側面図、図６の（ロ）は同じく底面図、図６の（ハ）は図６の（ロ）におけるハ−ハ断面図である。
図６において、１００は基板チツプであり、例えばセラミックス板を使用できる。１０１は基板片の片面に設けた電極であり、エレメント接続用突部１０２を備えている。この電極は導電ペースト、例えば銀ペーストの印刷・焼付けにより設けることができる。１ｘは電極１０１，１０１の突部１０２，１０２間にはんだ付けや溶接により接続した磁気インピーダンス効果素子であり、前記した通り零磁歪乃至負磁歪のアモルファスワイヤ、アモルファスリボン、スパッタ膜等を使用できる。１０３はＣ型鉄芯、６ｘはＣ型鉄芯に巻装した負帰還用コイル、７ｘは同じくバイアス磁界用コイルであり、磁気インピーダンス効果素子１ｘとＣ型鉄芯１０３とでループ磁気回路を構成するように、Ｃ型鉄芯１０３の両端を基板片１００の他面に接着剤等で固定してある。鉄芯材料としては、残留磁束密度の小さい磁性体であればよく、例えば、パーマロイ、フェライト、鉄、アモルファス磁性合金の他、磁性体粉末混合プラスチック等を挙げることができる。

図７の(イ)は本発明において使用する絶縁被覆電線の導体欠陥検知用センサの一実施例を示す図面、図７の(ロ)は同センサの回路図である。
図７において、８は絶縁被覆電線である。９はセンサ基板であり、電線挿入用スロツト９１を有し、２箇の磁気インピーダンス効果素子１，１’が電線８の周りに１８０°の角度を隔て、かつ電線中心から等距離を隔て、感磁方向を電線と同心の円周と直角方するように配設されている。
これらの磁気インピーダンス効果素子１，１’が感磁方向を逆極性とするように直列に接続され、この直列接続磁気インピーダンス効果素子の出力端に復調回路３が接続され、この復調回路に増幅器４が接続され、負帰還用コイル６を介しての負帰還とバイアス磁界用コイル７による磁界シフトにより出力特性が極性判別可能なリニア特性とされている。
前記した周回路磁界分布の変化により一方の磁気インピーダンス効果素子１が感磁する磁界成分をｈａ、地磁気等の外部ノイズに対する感磁成分をＮａとすると、この磁気インピーダンス効果素子１が感磁する磁界強さＨａは、Ｈａ＝ｈａ＋Ｎａである。
これに対し、他方の磁気インピーダンス効果素子１’が感磁する磁界強さＨａ’は、感磁する磁界成分をｈａ’とすると、両素子の感磁方向を逆極性としてあるから、Ｈａ’＝−（ｈａ’＋Ｎａ）である。
従って、直列接続された磁気インピーダンス効果素子が感磁する磁界強さ（Ｈａ＋Ｈａ’）は、（Ｈａ＋Ｈａ’）＝（ｈａ−ｈａ’）であり、前記逆極性のために外部ノイズを排除でき、その磁界強さ（Ｈａ＋Ｈａ’）は、式（１）と（２）から

（ｈａ−ｈａ’）≒４Ｈ（ΔＬ／ｒ）^２sinαcosα＝２Ｈ（ΔＬ／ｒ）^２sin２α

で与えられる。
この感磁量（ｈａ−ｈａ’）は、ΔＬ≪ｒのために小であり、センサを小型にできる。被検出量（ｈａ−ｈａ’）が小さくても、磁気インピーダンス効果素子の高検出分解能のために高精度の検出が可能である。
従って、絶縁被覆電線の欠陥箇所から遠くなって導体の導電路断面の電流中心のずれΔＬが小さくなっても、高感度検出能のために検出可能であり、導体欠陥箇所から数１０ｍ離隔した箇所の磁界検知でも、欠陥の検知が可能となる。

本発明に係る絶縁被覆電線の導体欠陥検知用センサにおいては、感磁強さがsin２α（またはsinα）の波形で変化し、αが０、９０°及び１８０°（または０、１８０°及び３６０°）で０となる。
而るに、撚合導体には撚りがかけられており、半ピッチの間にαが０から１８０°に変化し、αが０、９０°及び１８０°（またはαが０、１８０°及び３６０°）となる箇所では前記検知を満足に行ない得ないから、線の撚合導体の数ピッチ分、このましくは３〜５ピッチ分だけセンサをスキャンさせている。

絶縁被覆電線を示す断面図である。 本発明における１８０°隔てられた磁気インピーダンス効果素子の感磁成分を示す図面である。 磁界インピーダンス効果素子を用いた磁界検出の基本的回路を示す図面である。 磁界インピーダンス効果素子を用いた磁界検出の出力特性を示す図面である。 磁界インピーダンス効果素子を用いた磁界検出の基本的回路の別例を示す図面である。 Ｃ型鉄心付き磁界インピーダンス効果素子を示す図面である。 本発明において使用するセンサの一実施例を示す図面である。 非特許文献１の内容を示す図面である。

１，１’ １８０°隔てられた磁気インピーダンス効果素子
１ａ，１ａ’ １８０°隔てられた磁気インピーダンス効果素子
１ｂ，１ｂ’ １８０°隔てられた磁気インピーダンス効果素子
Ｄm 差動増幅器
Ａd 加算若しくは重畳回路
８ 絶縁被覆電線

Claims (1)

1. 複数本の導体素線を撚り合わせた電線における撚合導体の何れかの導体素線の欠陥を、前記導体素線の欠陥のある撚合導体の通電電流に基づく周回路磁界の素線欠陥無しのときの周回路磁界に対する分布変化から検知する方法であって、前記電線の周りに１８０°の角度を隔てかつ電線中心から等距離を隔て感磁方向を電線と同心の円周と直角方向とした２箇の磁気インピーダンス効果素子を感磁方向を逆極性とするように直列に接続し、しかもセンサ出力を２Ｈ（ΔＬ／ｒ） ^２ sin２αに近似させた導体欠陥検知用センサを、前記撚合導体の撚りの３〜５ピッチ分スキャンさせて周回路磁界分布の変化を検出することを特徴とする電線の導体欠陥検知方法。
   ただし、ΔＬは欠陥に基づく導体断面の電流中心のずれ距離、ｒは導体中心から各磁気インピーダンス効果素子の中心までの距離、Ｈは導体中心から距離ｒの位置の周回路磁界、αは導体中心とずれの方向とのなす角度である。

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