JP4739097B2 - 柱上トランスの診断方法 - Google Patents

Description

本発明は柱上トランスの診断方法に関するものである。

柱上トランスにおいては、雷サージの侵入や度重なる過負荷運転などにより巻線内部の絶縁劣化が進行していくことがある。また、一般的にトランス一次側には避雷装置を施設して雷電流の侵入が防止しているが、二次側には避雷装置が施設されておらず二次側から侵入する雷電流そのものによって巻線が損傷を受けることも多い。
ところで、トランスにおいては、絶縁油を交換して再利用されることが多いが、巻線の交換は行われていない。このため、既に劣化が進行している巻線においては、再利用直後に焼損事故に至ることもあり、かかる事故を防止するために柱上トランスの劣化診断技術の確立が要請されている。

トランスは、電圧変換時の損失をなくするために、できるだけ閉磁路とするように製作されている。
しかしながら、前記の雷電流のように定格電流を遥かに超える異常電流が流れると、その異常電流に基づく過大な電磁力のために巻線やコアが変歪し、磁束が漏洩し、外装が磁化されることを本発明者等は確認している。
而して、柱上トランスの外装の磁化状態を測定し、その測定結果を診断データとすることにより柱上トランスの劣化診断が可能であることを認識した。

本発明の目的は、上述の点に鑑み、柱上トランスの外装の磁化状態を測定することにより柱上トランスを容易に劣化診断することにある。

請求項１に係る柱上トランスの診断方法は、柱上トランスの外装の残留磁気を測定し、その測定結果を診断データとすることを特徴とする。
請求項２に係る柱上トランスの診断方法は、請求項１の柱上トランスの診断方法において、外装の残留磁気の測定を、磁気センサの接触若しくはスキャニングにより行うことを特徴とする。
請求項３に係る柱上トランスの診断方法は、請求項２の柱上トランスの診断方法において、磁気センサに差動式を使用することを特徴とする。
請求項４に係る柱上トランスの診断方法は、請求項２または３の柱上トランスの診断方法において、磁気センサに磁気インピーダンス効果センサを使用することを特徴とする。
磁気インピーダンス効果センサには、磁気インピーダンス効果素子を備え、該素子にバイアス磁界と励磁電流を加えつつ磁気インピーダンス効果素子の出力を増幅器で増幅して検出出力を得るセンサにおいて、増幅器出力のオフセットを入力信号としてそのオフセットを打ち消すための補償用信号を発生させこの補償用信号を前記増幅器に前記オフセットを消去するための入力として加える補正回路を設けたもの、または一対の磁気インピーダンス効果素子を備え、各素子にバイアス磁界と励磁電流を加えつつ両磁気インピーダンス効果素子の出力を差動増幅器で増幅して検出出力を得るセンサにおいて、差動増幅器出力のオフセットを入力信号としてそのオフセットを打ち消すための補償用信号を発生させこの補償用信号を前記増幅器に前記オフセットを消去するための入力として加える補正回路を設けたもの、または一対の磁気インピーダンス効果素子を備え、各素子にバイアス磁界と励磁電流を加えつつ両磁気インピーダンス効果素子の出力を差動増幅器で増幅して検出出力を得るセンサにおいて、差動増幅器の両入力端子間に、差動増幅器出力のオフセットを入力信号としてそのオフセットを打ち消すための補償用信号を発生させこの補償用信号を前記増幅器の両入力端子間に前記オフセットを消去するための入力として加える補正回路を設けたものを使用でき、これらにおいて、補正回路に、増幅器または差動増幅器出力のオフセットが所定値に達したときに補償用出力を発生する手段を付設すること、更に、増幅器または差動増幅器出力のオフセットをｎ倍（ｎ＞１）して補正回路に入力する手段を付設することができる。
請求項５に係る柱上トランスの診断方法は、請求項２または３の柱上トランスの診断方法において、磁気センサにＭＲ型センサ、ホール効果型センサ、フラックスゲートセンサまたはＳＱＵＩＤの何れかを使用することを特徴とする。

トランスの二次側から侵入する雷電流や開閉サージ電流などの巻線内部を流れる大電流により巻線やコアが過大な電磁力により変歪され、コアから磁束が漏れ、柱上トランスの外装が磁化されていると、その磁化の程度から、前記巻線やコアの変歪程度を検知できると共に雷電流等の履歴に基づく巻線の劣化を検知できる。
本発明者等の鋭意試験結果によれば、雷電流や開閉サージ電流などを受けたトランスの外装の残留磁気が２．０Ｏｅ以上であることが明らかとなった。正常なトランスの外装の残留磁気は２．０Ｏｅを充分に下回っており、一つの閾値として残留磁気２．０Ｏｅ以上を不良と診断できる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明において使用する磁気インピーダンス効果センサの一例の回路図を示している。
図１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に信号磁界を作用させると、上記通電による円周方向磁束と信号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）が信号磁界（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、信号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信号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）が信号磁界（信号波）で変調される現象ということができる。

図１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流源回路、３は磁気インピーダンス効果素子の軸方向に作用する信号磁界（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検波回路、４は復調波を増幅する増幅回路、５は出力端、６は負帰還用巻線、７はバイアス磁界用巻線である。

磁気インピーダンス効果素子１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信号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らされるために、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、信号磁界の±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の減少度は信号磁界の方向の正負によっては変化されない。従って、信号磁界−出力特性は、図２の（イ）のように信号磁界を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。この信号磁界−出力特性は非線形である。非線形特性では、不安定であり、高感度の測定も困難である。そこで、負帰還用巻線で負帰還をかけて図２の（ロ）に示すように出力特性を直線化している。図２の（ロ）において、Δｗは、負帰還無しのときの利得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、信号磁界の極性判別を行ない得ないので、バイアス用巻線７でバイアス磁界をかけ、図２の（ハ）に示すように極性判別可能としている。すなわち、図２の（ロ）の特性を、図２の（ハ）に示すようにバイアス磁界−Ｈｂによりｘ軸のマイナス方向に移動させ、信号磁界の最大検出範囲を単斜め線領域の範囲内−Ｈmax〜＋Ｈmaxに納めている。

上記磁気インピーダンス効果素子１としては、遷移金属と非金属の合金で非金属が１０〜３０原子％組成のもの、特に遷移金属と非金属との合金で非金属量が１０〜３０原子％を占め、遷移金属がＦｅとＣｏで非金属がＢとＳｉであるかまたは遷移金属がＦｅで非金属がＢとＳｉである組成のものを使用することができ、例えば、組成Ｃｏ_７０．５Ｂ_１５Ｓｉ_１０Ｆｅ_４．５、長さ２０００μｍ〜６０００μｍ、外径３０μｍ〜５０μｍφのものを使用できる。 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。

上記において、高周波励磁電流には、例えば連続正弦波、パルス波、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、ＣＭＯＳ−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。

上記の検波回路としては、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。
また、被変調波（周波数ｆｓ）に同調させた周波数ｆｓの方形波を被変調波に乗算して信号波をサンプリングする同調検波を使用することができる。
上記の実施例では、被変調波の復調によって被検出磁界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信号磁界（信号波）で変調された高周波励磁電流波（搬送波）から信号磁界を検波し得るものであれば、適宜の検波手段を使用できる。

前記負帰還用巻線及びバイアス磁界用巻線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３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巻線及びバイアス磁界用巻線を巻き付けることもできる。 図３の（イ）は鉄芯巻線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３の（ロ）は同じく底面図、図３の（ハ）は図３の（ロ）におけるハ−ハ断面図である。
図３において、１００は基板チップであり、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、磁気インピーダンス効果素子接続用突部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は鉄やフェライト等からなるＣ型鉄芯、６ｘはＣ型鉄芯に巻装した負帰還用巻線、７ｘは同じくバイアス磁界用巻線であり、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。

本発明により、柱上トランスを診断するには、電力供給を継続したままで柱上トランスの外装（ケース、鋼板製）外面に沿って前記の磁気センサを接触若しくはスキャニングさせていく。柱上トランスは、通常内鉄形であり、コアはけい素鋼板の積み重ねにより形成されている。外装は鋼板製である。 過去に前記柱上トランスに雷電流が流れ、劣化しているものとする。
かかる柱上トランスにおいては、落雷時にコアや巻線の変歪と同時に雷電流による発生磁束がコアから漏れて外装が磁化されているから、この磁化に基づく残留磁気を前記接触若しくはスキャニングで測定することにより、柱上トランスの異常を検知できる。
平時の負荷電流によってコアから漏洩する磁束は充分に小さく、残留磁気を検出する支障となることは殆どない。
柱上トランスの近傍の電線等から発生する磁界は、位相の平衡で通常充分に小さく、その磁界の影響をよく排除でき、柱上トランスの異常を充分な精度で検知できる。
前記漏れ磁束は交流（商用周波数）であり、外装の残留磁気は直流であり、検出出力のうち直流分のみを取り出して残留磁気のみを検出してもよい。
実際に落雷に曝された経歴のある柱上トランスの外装の残留磁気は、２．０Ｏｅ以上である。これに対して健全柱上トランスの外装外面の磁界は無視できる程度であり、２．０Ｏｅ以上を不良と診断できる。
なお、磁気緩和の影響から、雷発生直後の方が正常なトランスと劣化したトランスとの残留磁気の大きさの差が大きく、検査しやすい。また、残留磁気の緩和の程度を調べることにより、落雷した時期の予想も可能である。
本発明により、柱上トランスを診断するには、電力供給を停止して柱上トランスの外装（鋼板製）外面に沿って前記の磁気センサを接触若しくはスキャニングさせていくこともできる。

前記磁気インピーダンス効果センサには、図４に示すような差動式を用いることもできる。
図４において、１ａ，１ｂは一対の磁気インピーダンス効果素子であり、それぞれ負帰還用巻線６ａ，６ｂ及びバイアス磁界用巻線７ａ，７ｂを備えている。
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流源回路、３ａ，３ｂは各磁気インピーダンス効果素子１ａ，１ｂの軸方向に作用する信号磁界Ｈｅｘ（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検波回路、４は両検波出力を差動増幅して検出出力を得るための演算差動増幅器である。６０は差動増幅器４の出力を各負帰還用巻線６ａ，６ｂに対し負帰還させるための負帰還回路である。５は検出出力端である。

前記巻線やコアの変歪に基づく漏れ磁束には方向性があり、前記外装の磁化に基づく残留磁気の方向や大きさは、外装外面の位置によって異なる。
而して、図４の差動式センサにおいては、各磁気インピーダンス効果素子１ａ、１ｂが所定の間隔で離隔されており、スキャニング時に各磁気インピーダンス効果素子に作用する残留磁気強度が前記方向性のために異なり、その強度をＨ，Ｈ’とすると、Ｈ−Ｈ’が検出される。
この差動式によれば、地磁気等の外部磁界や差動各サイドの温度変化等に起因するノイズ等が差動増幅器に同相で入力されるから、ノイズを良好に排除できる。

前記何れの磁気センサにおいても、スキャニング中、演算増幅器のオフセット調整を行うことが要求され、図５−１〜図５−３に示すように、演算増幅器の出力のオフセット変化を自動的に補償することによってスキャニング中オフセット調整を行うことができる。
図５−１に示す磁気インピーダンス効果センサおいて、４０は出力補正回路を示し、他の構成は図１に同じである。出力補正回路４０は、演算増幅器の出力のオフセットを入力信号としてそのオフセットを打ち消すための補償用信号を発生させこの補償用信号を前記増幅器に前記オフセットを消去するための入力として加えるものである。

図６−１は出力補正回路の一例を示し、演算増幅器の出力と入力とを比較してオフセットを検出し、オフセットが正（負）であると、電子ボリュームのスイッチＳＷ_−１、ＳＷ_−２、……（ＳＷ_＋１、ＳＷ_＋２、……）が制御ＩＣで順次にオン・オフされて負（正）の出力電圧が演算増幅器のオフセット調整端子に送入されて増幅器出力のオフセットが減じられ、そのオフセットが０になると、その時のスイッチ状態が保持される。
演算増幅器の出力のオフセットを所定の範囲、例えば−１ｖ〜＋１ｖの範囲に納めるようにしてもよく、この場合、増幅器出力のオフセットが１ｖを越えると、電子ボリュームが操作される。
更に、ゲインが１以上、例えば２倍のバッファを制御ＩＣに組み込んで増幅器出力のオフセットが±０．５ｖを越えると電子ボリュームが操作されるようにして演算増幅器の出力のオフセットを−０．５ｖ〜＋０．５ｖの範囲に納めるようにすることもできる。

図５−２に示す磁気インピーダンス効果センサにおいて、４０は出力補正回路を示し、他の構成は図４に同じである。出力補正回路４０は、演算増幅器の出力のオフセットを入力信号としてそのオフセットを打ち消すための補償用信号を発生させこの補償用信号を前記増幅器に前記オフセットを消去するための入力として加えるものである。
４０は出力補正回路であり、演算差動増幅器４のオフセットを入力信号としてそのオフセットを打ち消すための補償用信号を発生させこの補償用信号を前記増幅器に前記オフセットを消去するための入力として加えるものである。
この出力補正回路には前記と同様図６−１に示すものを使用でき、演算差動増幅器の出力と入力とを比較してオフセットを検出し、オフセットが正（負）であると、電子ボリュームのスイッチＳＷ_−１、ＳＷ_−２、……（ＳＷ_＋１、ＳＷ_＋２、……）が制御ＩＣで順次にオン・オフされて負（正）の出力信号が演算差動増幅器のオフセット調整端子に送入されて差動増幅器出力のオフセットが減じられ、そのオフセットが０になると、その時のスイッチ状態が保持される。
演算差動増幅器の出力のオフセットを所定の範囲、例えば−１ｖ〜＋１ｖの範囲に納めるようにしてもよく、この場合、差動増幅器出力のオフセットが１ｖを越えると、電子ボリュームが操作される。
更に、ゲインが１以上、例えば２倍のバッファを制御ＩＣに組み込んで差動増幅器出力のオフセットが±０．５ｖを越えると電子ボリュームが操作されるようにして演算差動増幅器の出力のオフセットを−０．５ｖ〜＋０．５ｖの範囲に納めるようにすることもできる。

図５−３に示す磁気インピーダンス効果センサにおいて、４０は出力補正回路を示し、他の構成は図４に同じである。出力補正回路４０は、演算増幅器の出力のオフセットを入力信号としてそのオフセットを打ち消すための補償用信号を発生させこの補償用信号を前記増幅器に前記オフセットを消去するための入力として加えるものである。
４０は演算差動増幅器４の両入力端子間に接続した出力補正回路であり、差動増幅器出力のオフセットを入力信号としてそのオフセットを打ち消すための補償用信号を発生させこの補償用信号を前記増幅器に前記オフセットを消去するための入力として加えるものである。

図６−２の（イ）はその出力補正回路の一例を示し、差動増幅器の出力と差動増幅器の差出力とを比較して差動増幅器の出力のオフセットを検出し、そのオフセットを図６−２の（ロ）に示すボリューム操作により０にすることを、オフセットを入力信号として制御ＩＣで電子ボリュームのスイッチＳＷ_０、ＳＷ_−１、ＳＷ_−２、……、ＳＷ_０、ＳＷ_＋１、ＳＷ_＋２、……を操作させることにより行うものである。
前記と同様に演算差動増幅器の出力のオフセットを所定の範囲、例えば−１ｖ〜＋１ｖの範囲に納めるようにしてもよく、この場合は、演算差動増幅器の出力のオフセットが−１ｖまたは＋１ｖを越えると、電子ボリュームが操作される。この場合、ゲインが１以上、例えば２倍のバッファを制御ＩＣに組み込んで±０．５ｖを越えると電子ボリュームが操作されるようにして演算差動増幅器の出力のオフセットを−０．５ｖ〜＋０．５ｖの範囲に納めるようにすることもできる。

本発明において、柱上トランスの外装外面の残留磁気の測定は、可撓性基板に多数箇の各磁気インピーダンス効果素子ユニットを配設し、各磁気インピーダンス効果素子ユニットに対して、検波回路−検出端を設けた多ヘッドセンサを使用し、この多ヘッドセンサを外装の底面や側面に当てがうようにして非スキャニング方式で行うこともできる。

上記磁気インピーダンス効果センサに代え、磁気抵抗センサ（ＭＲ型センサ）、ホール効果型センサ、フラックスゲートセンサまたはＳＱＵＩＤ等を使用することもできる。

上記において、センサの検出端にリード線を介して計測計を接続し、地上で計測を行うことができる。また、センサの検知出力を所定周波数の搬送波で変調し、この変調波を地上で受波・復調して検出出力を計測する方式を使用することもできる。

本発明において使用する磁気インピーダンス効果センサの一例を示す回路図である。 磁気インピーダンス効果素子の検出特性を示す図面である。 前記磁気インピーダンス効果センサにおいて使用される鉄芯巻線付き磁気インピーダンス効果ユニットを示す図面である。 本発明において使用する差動式磁気インピーダンス効果センサの一例を示す回路図である。 本発明において使用する磁気インピーダンス効果センサの上記とは別の例を示す回路図である。 本発明において使用する磁気インピーダンス効果センサの上記とは別の例を示す回路図である。 本発明において使用する磁気インピーダンス効果センサの上記とは別の例を示す回路図である。 図５−１及び図５−２における検出出力補正回路４０の一例を示す図面である。 図５−３における検出出力補正回路４０の一例を示す図面である。

符号の説明

１ 磁気インピーダンス効果素子
２ 高周波電流源回路
３ 検波回路
４ 増幅回路
５ 検出出力端
６ 負帰還用巻線
7 バイアス磁界用巻線

Claims (5)

1. 柱上トランスの外装の残留磁気を測定し、その測定結果を診断データとすることを特徴とする柱上トランスの診断方法。
2. 外装の残留磁気の測定を、外装への磁気センサの接触若しくはスキャニングにより行うことを特徴とする請求項１記載の柱上トランスの診断方法。
3. 磁気センサに差動式を使用することを特徴とする請求項２記載の柱上トランスの診断方法。
4. 磁気センサに磁気インピーダンス効果センサを使用することを特徴とする請求項２または３記載の柱上トランスの診断方法。
5. 磁気センサにＭＲ型センサ、ホール効果型センサ、フラックスゲートセンサまたはＳＱＵＩＤの何れかを使用することを特徴とする請求項２または３記載の柱上トランスの診断方法。

Images