JP4659431B2 - 光ファイバによる配線の部分放電又はアーク放電の検出 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、航空機配線における欠陥を検出するためのシステム及び方法に関し、更に具体的には、光ファイバによる配線又はケーブルでの部分放電又はアーク放電を検出するためのシステム及び方法に関する。

配線は、航空機、船舶、産業及び家庭での用途で重要なシステムである。航空機配線の完全性及び安全性に関する問題は、Ｓｗｉｓｓａｉｒ１１１及びＴＷＡ８００の事故後、重大であることが認知され、多大な関心を集めてきた。また、産業上の電気による火災は財産損失の大部分を占め、家庭内の電気による火災は、人命をおびやかし財産に損害を与える家庭内で起こる火災のかなりの部分である。

航空機配線の絶縁材は、軽量化のために配線の架設に見られるものよりもはるかに薄い。この薄い絶縁材は、化学組成における変化、飛行中の振動、大きな温度変化、並びにほこり、塩、湿気及びクリーニング用化学物質などの原因物質への暴露に起因して経年劣化する。また、この配線は、保守中に他の機械的ストレスに曝される。前述の影響は絶縁材を劣化させることになり、亀裂及び摩擦を引き起こす。これらの絶縁材の欠陥は、電線間又は周囲の金属間にアーク放電を引き起こす場合もある。塩及びほこりが堆積した湿気は、アーク生成をより発生し易くする可能性がある。

航空機配線欠陥の検出は主に、保守人員による目視検査によって行なわれる。この人手による検査は緩慢なプロセスであり、その信頼性は満足できるものではない。更に、摩擦を視覚的に検査するために配線をねじる必要がある場合には、この目視検査は識別できる問題よりも多くの問題を引き起こすことが多い。

時間領域反射率測定又は周波数領域反射率測定を使用する電気測定法に基づいた電線及びケーブル試験の試験機器が市場に存在する。これらの方法の感度は、通常、全ての絶縁損傷を検出するには十分ではない。

ワシントン レドモンドのＧｅｎｅｒａｌ Ｄｙｎａｍｉｃｓは、最近、特許文献１で開示されたマイクロ・エネルギ誘電（ＭＥＤ）ツールと呼ばれる新しい試験装置を導入した。この装置は、ＤＣ高電圧を使用して、被試験ケーブルバンドルの絶縁欠陥において放電又はアーク放電を発生させる。ケーブルの被試験電線と、印加される最大試験電圧より低い絶縁破壊電圧を有するケーブルの任意の他の接地電線との間に欠陥が存在する場合には、ケーブルに蓄えられた利用可能な電荷の全放電、すなわち部分放電でないものが欠陥において起こることになる。次に放電の位置が、放電が発生する電磁（すなわちＲＦ領域）信号及び音響信号を測定することによって幾つかの方法で特定される。最初に、ＭＥＤツールがケーブルの一方端で放電によって発生した高周波電圧パルスのエッジを測定して放電の位置を特定し、次に、電磁探査ツール（ＥＭＬ）が適切なアンテナを有する受信器により放射された（すなわちケーブルの外側に）電磁信号（電波）を測定して、受信器での信号の到着時間に基づいて放電の位置を算出し、最後に、超音波探査ツール（ＵＬＴ）が放電が発生させる音響雑音（すなわち音波）と電磁エッジとを測定し、２つの信号の到着時間の差を計時することによってアークまでの距離を特定する。
米国特許６，７７７，９５３号公報

従って、目視検査以外の方法で行なうことができ、被試験電線又はケーブルに更なる劣化を引き起こさないような配線又はケーブルの欠陥を検出するための技法に対するニーズが存在する。

部分放電（ＰＤ）試験は、絶縁材料の状態を特徴付けるための感度の高い広く使用される方法である。部分放電のエネルギは非常に低いので、試験中に部分放電によって生じたケーブル絶縁材料の劣化は無視できる。本発明の１つの実施形態では、配線又はケーブルに埋め込まれた蛍光性材料ドープの光ファイバケーブル（又は複数の光ファイバケーブル）が部分放電状態又はアーク放電中に発生した光を検出するのに使用される。蛍光性材料ドープの光ファイバケーブルは、この光を集めて、これを配線に埋め込まれた蛍光性材料ドープの光ファイバケーブルの端部にある光受信器（例えば光電子倍増管）に伝送する。

本開示の１つの態様によれば、電気信号を伝送する導体と、部分放電によって発生した光を検出する少なくとも１つの蛍光光ファイバと、該導体を囲む、導体にほぼ平行の少なくとも１つの蛍光光ファイバを支持するための第１透過性層とを含む部分放電を検出するためのケーブルが提供される。

別の態様によれば、部分放電を検出するためのシステムは、電気信号を伝送する導体と部分放電によって発生した光を検出する少なくとも１つの蛍光光ファイバと導体を囲み、導体とほぼ平行の少なくとも１つの蛍光光ファイバを支持する第１絶縁層とを含むケーブルと、部分放電によって光ファイバにより伝送された光を検出するためのケーブルの第１の端部に結合された第１光受信器と、ケーブルで部分放電を誘起する電圧源と、電圧源の動作を制御し且つ第１光受信器が光を検出したかどうかを特定するためのプロセッサとを備える。

本開示の別の態様によれば、電気信号を伝送する導体と部分放電によって発生した光を検出する少なくとも１つの蛍光光ファイバと、導体を囲み、導体にほぼ平行の少なくとも１つの蛍光光ファイバを支持するための第１絶縁層とを含むケーブルにおいて部分放電を検出するための方法が提供される。この方法は、ケーブルに高電圧を印加する段階と、部分放電によって発生した少なくとも１つの蛍光光ファイバ内の光を検出する段階とを含む。

本発明の上記及び他の態様、特徴並びに利点は、以下の詳細な説明に照らして添付図面と共に参照すると更に明らかになるであろう。

本発明の好ましい実施形態を添付の図面を参照しながら以下に説明する。以下の説明では、不必要に本発明を曖昧にしないために周知の機能又は構成については詳細には説明しない。図面全体を通して、同じ参照番号は同じ要素を表す。

電線、ケーブル、又はケーブルバンドルの絶縁状態は、部分放電（ＰＤ）診断法又はアーク放電によって試験することができる。互いに近接している２つの電極又は導体が完全にはブリッジしていない電気放電を部分放電（ＰＤ）と呼ぶ。このようは放電の大きさは通常は小さく、伝送される電荷量は１０〜数百ピコクーロン（ｐＣ）の範囲である。部分放電試験では、適切なＡＣ又はＤＣの高電圧が被試験絶縁材料を囲む導体に印加される。ケーブル診断法では、高電圧は被試験電線（ＷＵＴ）と被試験電線を囲む電線又はシールドとの間に印加される。或いは高電圧は、被試験電線と該被試験電線に接触しているか又は電位的に接触している金属フレーム（例えば接地金属構造体）との間に印加される。或いは、欠陥及び励磁されたシステム特性に応じた通常の電流／電圧動作条件下で放電を検出することができる。

部分放電が起こるときには、放電はケーブルに沿って移動する高周波電気信号、ケーブルからの電磁放射、音波、及び光を発生するようになる。部分放電の位置における気体雰囲気及び圧力に応じて、部分放電によって発生する光のスペクトル分布が変化する。大気圧での空気では、スペクトル範囲は主にＵＶ及び可視領域にある。部分放電は、上述の現象のいずれによっても検出することができる。

ケーブルでは、最も頻繁に使用される部分放電検出方法は、部分放電が発生してケーブルに沿って伝播する高周波電気信号を検出することである。この方法の主な限界は、高周波信号がケーブルに沿って伝幡するときに減衰され、部分放電パルスの大きさ並びにケーブルの長さ及び高周波減衰によっては部分放電パルスの検出がしにくくなることである。またケーブルは環境から高周波電磁雑音を集める可能性があり、この信号は部分放電信号と併合される。減衰された部分放電信号を雑音から分離することは不可能である場合が多く、従って部分放電検出の感度が低下することになる。

また、部分放電は光を発生させるので、これにより発生した光を測定することによって部分放電を検出することができる。この方法に関する主な問題は、ケーブルの場合において、部分放電が絶縁材料内で起こり、発生した光がケーブルに吸収されることである。ケーブルが透過性絶縁材料を有し、且つ部分放電パルスによって発生した光がケーブル内又はケーブルの周りの他の何らかの材料によって吸収されない場合でも、光は局所的に発生するので、部分放電発生の位置を直接監視することによって光が検出されなければならない。

ケーブルの全長に沿った部分放電によって発生した光の収集に関する問題を解決するために、その全長に沿って光を収集することのできる蛍光光ファイバの適用が提供される。

通信又は他の光伝送用途に使用される光ファイバでは、光は一方端で光ファイバに結合され、他端で光ファイバを出る。典型的な光ファイバは、周囲を覆うクラッドよりも反射率の高い材料で作られたコアを含む。コアとクラッドは、全反射のプロセスによってコアに送出された光がこの２つの材料の接触する表面に反射してコア内に戻るようにする反射型インターフェースを形成する。しかしながら、これ以下では光を光ファイバに結合することができない、光ファイバの軸から測定された制限角度、例えば受光角がある。このようなファイバは、その長さに沿って光を収集するのに適していない。

図１を参照すると、コア１０２内に蛍光性ドーピング材料を有する光ファイバ１００が示されている。ファイバコア材料１０２に埋め込まれた蛍光性ドーピング材料が、光ファイバを照明する適切な波長を有する光によって励起される場合、蛍光性ドーピング材料から発光される光の一部は光ファイバの受光角の範囲内にあることになり、このような光はファイバに沿って伝幡することができる。入射光波長λ_０が蛍光性材料の吸収スペクトル内にある限り、フォトン１０４はこれよりも長い波長λ_１でコアに吸収されて等方的に再発光し、すなわち蛍光の光は蛍光を誘起する光よりも長い波長を有する。このように、コア１０２の蛍光性材料は、ファイバの側面であっても任意の入射角から来る光線によって照明することができ、その結果、放電に対するファイバ軸の向きはもはや制約とはならなくなる。ファイバに沿って伝幡するときに放出された光を吸収することのない蛍光性ドーピング材料を利用するのが好ましい。これは、発生源から遠く離れた部分放電の検出を可能にする。

例示的な蛍光光ファイバは、フランス Ｌｅｓ Ｕｌｉｓ ＣｅｄｅｘのＯｐｔｅｃｔｒｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓから市販されている。図２はこれらの例示的な光ファイバの光学特性を示す。

部分放電の作用によって発生した光を集めるために、部分放電の位置は蛍光光ファイバによって見えなければならない。これは、部分放電によって放出された光を透過させるために透過性材料（又は部分的に透過性の）で導体電線を囲むことによって実現することができる。次に、蛍光光ファイバが導体電線を囲む材料に埋め込まれる。部分放電からの光を集めることができるためには、蛍光光ファイバの励起波長域が、部分放電によって発生する光の波長域と少なくとも部分的に重なる必要がある。

図３を参照すると、部分放電を検出するためのケーブルが示されている。ケーブル３００は、例えばデータ信号、電力信号などの電気信号を伝送するための導電性電線又は導体３０２を含む。少なくとも１つの蛍光光ファイバ３０４は、ケーブル３００の長さ全体にわたって導体３０２に隣接して配置される。少なくとも１つの蛍光光ファイバ３０４は、導体３０２を囲む透過性又は半透過性層３０８に埋め込まれる。透過性層３０８は絶縁体であって、蛍光光ファイバの励起波長域で透過性又は半透過性であるのが好ましい。透過性層３０８は、部分放電によって発生した光が蛍光光ファイバ３０４に到達できるように蛍光光ファイバの励起波長で透過性又は半透過性でなければならない。任意選択的であるが、付加的な光ファイバ３０６をデータ通信用に透過性層３０８内で支持することもできる。またケーブル３００は、導体３０２と、光ファイバ３０４、３０６を含む透過性材料３０８とを囲む第２絶縁層３１０を含む。第２絶縁層３１０は、絶縁材料から構成され、必要とされる電気的絶縁を提供し且つケーブルを保護する。第２絶縁層３１０の絶縁材料は、ケーブル３００の外側からのどのような光も蛍光光ファイバ３０４に入らないように不透過性であるのが好ましいが、用途によっては、外乱光が蛍光光ファイバ３０４の励起波長域で蛍光光ファイバ３０４に達することが全くできない場合には、透過性の材料を使用してもよい。

蛍光光ファイバ３０４は、第１の屈折率ｉ１のコアを含み、該コアは第２屈折率ｉ２のクラッドによって囲まれることを認識すべきである。クラッドの屈折率よりも大きな屈折率を有するコアの光ファイバを構成することによって、光は全反射によってコアを下って伝幡することになる。

図４は部分放電を検出するためのケーブルの別の実施形態を示す。ケーブル４００は、導体４０２、第１の透過性又は半透過性層４０８-１、及び不透過性とすることのできる第１絶縁層４１０-１を含む。これらの層のいずれかは少なくとも１つの通信用光ファイバ４０６を含むことができる。ケーブル４００は更に、少なくとも１つの蛍光光ファイバ４０４を支持するための第２透過性絶縁層４０８-２と、第２不透過性絶縁層４１０-２とを含む。第１絶縁層に亀裂が生じる可能性があり、ある程度までは導電性のほこりなどがその亀裂に堆積することが考えられる。この場合、部分放電は、外側の蛍光光ファイバ４０４を照明する絶縁層間においてだけ形成することができる。

部分放電を検出するためのケーブルの別の実施形態が図５に示される。図５のケーブル５００は、電気信号を伝送するための導電性電線又は導体５０２と、複数の蛍光光ファイバ５０４を支持するための透過性絶縁層５０８とを含む。この実施形態では、透過性絶縁層５０８は、ケーブルに必要とされる電気的絶縁及び機械的保護の全てを提供する。任意選択的であるが、付加的な光ファイバ５０６をデータ通信用に層５０８内で支持することができる。

図６を参照すると、中空の光ファイバ又は導波路６０４を部分放電を検出するためのケーブル６００の別の実施形態として用いることができ、このケーブルでは導電性電線６０２が中空の光ファイバ６０４の内側にある。不透過性絶縁層６１０が中空の光ファイバ６０４を囲むことにより、十分な電気的絶縁と機械的保護とが与えられ、必要であれば、ケーブル６００の外側に発生した光が光ファイバ６０４に入らないようにすることができる。

図７は、部分放電を検出するための図３に示された実施形態に類似するケーブル７００の実施形態を示す。ケーブル７００は、電気信号を伝送するための導電性電線又は導体７０２と、部分放電によって発生する光を検出するための少なくとも１つの蛍光光ファイバ７０４とを含む。しかしながら、蛍光光ファイバ７０４は、光ファイバに光を反射するためのクラッド層を含まない。この実施形態では、絶縁層７０８はクラッド材料で作られる。絶縁層７０８にクラッド材料を用いることによって、光ファイバの製造は、例えばコアだけを製造すればよいので簡素化することができる。更に、ケーブル７００は少なくとも１つの通信光ファイバ７０６を含むことができる。不透過性絶縁材料７１０がケーブルを囲むことにより、十分な電気的絶縁と機械的な保護とが与えられ、必要であれば、ケーブルの外側から発生した光が蛍光光ファイバ７０４に入らないようにすることができる。

種々の実施形態では、蛍光光ファイバは、気体絶縁伝送線、変圧器、開閉装置、或いは部分放電又は他の放電プロセスによって発生した光が分散光の感知を必要とする他のどのような高電圧用途にも使用することができる。

部分放電は絶縁材料のどのような劣化（例えば絶縁材料の摩擦、亀裂）によっても発生し得るが、部分放電が動作条件下の配線に生じる電圧レベルで常に発生するとは限らない。この場合、ケーブルの周りの光ファイバを用いて絶縁の完全性を監視することができる。この場合、通常の動作では、光がファイバ（又は複数のファイバ）の一方端で１つ又はそれ以上のファイバに結合される。光度は適切な光検出器（又は複数の光検出器）によりファイバ（又は複数のファイバ）の他端で測定される。損傷が生じる場合には、１つ又はそれ以上の光ファイバからの導通された光度の減衰の増大又は全減衰が生じることになる。この減衰の増大により電線に対する機械的な損傷を識別することができる。

蛍光光ファイバを用いてドーピング材料が吸収しない波長域の光を導通することができるので、ケーブルの蛍光光ファイバはまた、非蛍光光ファイバに広く使用されている情報伝送において使用することができる。蛍光光ファイバの吸収及び蛍光波長域は、通信信号波長（又は複数の通信信号波長）と重ならないように選択する必要がある（逆の場合も同様）。このようにして、通信信号と検出される放電作用によって発生した光との間のどのような干渉も排除することができる。この場合、部分放電信号と通信信号は、ファイバ（又は複数のファイバ）の端部において異なる波長で現れることになり、通信波長又は蛍光波長の一方にそれぞれ感応する各検出器によって検出することができる。

図８及び図９を参照し、光ファイバによってケーブルの部分放電を検出するための例示的なシステム及び方法を説明する。

システム８４０は、電気信号を伝送するための導体８０２と部分放電を検出するための少なくとも１つの光ファイバ８０４とを更に含むケーブル８００を含む。例えば光電子倍増管、フォトダイオードである光受信器８２０は、ケーブル８００の少なくとも一方端に結合され、部分放電から光ファイバ８０４を介して伝送された光を検出する。任意選択的であるが、第２光受信器８２４は、光ファイバ８０４の他端に結合され、以下に説明される部分放電を検出するための幾つかの方法に用いられる。光受信器８２０、８２４は、部分放電の存在、及び幾つかの実施形態では部分放電の位置を特定するプロセッサ８２２に結合される。更にこのシステムは、試験条件下で導体８０２と隣接する導体８０８とに高電圧を印加して部分放電を誘起する電圧源８２６を含む。他の実施例では、通常の動作モードでの被試験電線が、絶縁不良の場合に部分放電を誘起する環境に比べて適切な電位差を有することになるので、電圧源は必要ではない。更にシステム８００は、部分放電が起こったかどうか及び部分放電の位置を表示するためのディスプレイ８２４と、システム８００を制御するための入出力インターフェース８３０とを含む。

初めに、システム８００は部分放電を誘起するために導体８０２、８０８に高電圧を印加することになる（ステップ９０２）。高電圧が印加されている間、少なくとも１つの光受信器８２０は、プロセッサによって起動され、光ファイバ８０４において発生するどのような光も検出することになる（ステップ９０４）。この方法の１つの実施形態では、少なくとも１つの光検出器８２０が、部分放電の位置を示すことなくケーブル８００に起こった、例えば短い光パルスである部分放電を検出することになる（ステップ９０６）。

しかしながら、部分放電の位置は、図１０（ａ）に示されるように算出することができ、ここでｘは欠陥までの距離、Ｌは電線の長さ、ｔ１はファイバの端部におけるパルスの到着時間である。

部分放電を検出する方法の別の実施形態では、光受信器８２０が部分放電を示す光パルスを検出し、プロセッサ８２２によってパルスの時間を記録することになる（ステップ９０８）。同様に、光受信器８２４が部分放電を示す光パルスを検出し、プロセッサ８２２によってパルスの時間を記録することになる（ステップ９１０）。光パルスがケーブルの両端で検出されると、プロセッサ８２２は光パルスの発生源の正確な位置を特定することができる（ステップ９１２）。この位置特定においては、ケーブルの２つの端部に対する同じ光パルスの到着の時間差を図１０（ｂ）に示すように測定する必要がある。位置を算出するために、光ファイバでの光の伝播速度と該ファイバの長さとが既知でなければならない。次に、図１０（ｂ）に示される式が位置を算出するために用いられ、ここでｘは欠陥までの距離、Ｌは電線（及びファイバ）の長さ、ｖは光ファイバの光の伝播速度、ｔ１、ｔ２はファイバ端部までのパルスの到着時間であり、ｔ１、ｔ２は、これらの差だけが位置算出のために使用されるので任意の開始の瞬間から測定される。

更に別の実施形態では、光受信器８２０が光パルスを検出し、これを到着の時間として記録する（ステップ９１４）。次に光受信器８２０は光ファイバの他端から反射され戻る光パルスを検出し、反射されたパルスが到着する時間を測定する（ステップ９１６）。次いで、プロセッサ８２２が、図１０（ｃ）に示されるように、パルスの到着時間、ケーブルの長さ、及び光ファイバの光の伝播速度を使用して位置を特定する（ステップ９１８）。

本開示の実施形態を利用して、電気信号と光信号の両方の伝送能力並びに電線／ケーブル欠陥を検出し診断する能力を備える配線を構築することができる。この配線は、改良された配線欠陥診断法を備える航空機配線から家庭用配線に及ぶ用途に対する信号伝送能力の向上をもたらすことができる。

本発明を典型的な実施形態で図示し説明してきたが、本発明の精神からどのようにも逸脱することなく種々の修正及び置き換えを行なうことができるので、図示された細部に限定されるものではない。請求項に示された参照番号は、本発明の範囲を限定するものではなく、これらを理解し易くすることを意図するものである。

入射光が光ファイバの末端で吸収され弱められる蛍光光ファイバの図。 例示的な蛍光光ファイバの光特性を示す図。 部分放電を検出するケーブルの実施形態を示す図。 部分放電を検出するケーブルの別の実施形態を示す図。 部分放電を検出するケーブルの更に別の実施形態を示す図。 部分放電を検出するケーブルの別の実施形態を示す図。 部分放電を検出するケーブルの更に別の実施形態を示す図。 部分放電を検出する例示的なシステムの図。 光ファイバによってケーブルの部分放電を検出するための方法を示すフローチャート。 部分放電の位置を特定するための幾つかの方法を示す図。

符号の説明

３００ ケーブル
３０２ 導電性電線又は導体
３０４ 蛍光光ファイバ
３０６ 付加的な光ファイバ
３０８ 透過性層
３１０ 第２絶縁層

Claims (5)

1. 電気信号を伝送する導体（７０２）と、
   部分放電によって発生した光を検出する少なくとも１つの蛍光光ファイバ（７０４）と、
   前記導体を囲む、前記導体にほぼ平行の前記少なくとも１つの蛍光光ファイバを支持するための第１透過性層（７０８）と、
   を含み、
   前記少なくとも１つの蛍光光ファイバ（７０４）は、第１屈折率を有するコアを含み、前記第１透過性層が第２屈折率を有するクラッド材料を含むことを特徴とする、部分放電を検出するためのケーブル（７００）。
2. 電気的に絶縁し前記ケーブルを保護するための第１絶縁層（７１０）を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のケーブル。
3. 前記第１絶縁層（７１０）は不透過性であることを特徴とする請求項２に記載のケーブル。
4. データ信号を伝送するための少なくとも１つの通信光ファイバ（７０６）を更に含み、前記少なくとも１つの通信光ファイバが、前記導体にほぼ平行の前記第１透過性層によって支持されることを特徴とする請求項１に記載のケーブル。
5. 請求項４に記載のケーブルと、
   部分放電によって前記光ファイバにより伝送された光を検出するための前記ケーブルの第１の端部に結合された第１光受信器（８２０）と、
   前記ケーブルで前記部分放電を誘起する電圧源（８２６）と、
   前記電圧源（８２６）の動作を制御し、且つ前記第１光受信器（８２０）が光を検出したかどうか特定するためのプロセッサ（８２２）と、
   を備えることを特徴とする、部分放電を検出するためのシステム（８４０）。