JP4802302B2

JP4802302B2 - 電力ケーブルの水トリー劣化診断方法

Info

Publication number: JP4802302B2
Application number: JP2005337485A
Authority: JP
Inventors: 和之遠山; 友章今井; 義直村田
Original assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan; J Power Systems Corp
Current assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan; J Power Systems Corp
Priority date: 2005-11-22
Filing date: 2005-11-22
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2025-11-22
Also published as: JP2007139718A

Description

本発明は、電力ケーブルの水トリー（water tree）劣化診断方法に関し、例えば、架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブル（ＣＶ）の水トリー劣化を診断するための電力ケーブルの水トリー劣化診断方法に関する。

架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブル（以下、電力ケーブルという）の絶縁劣化として、例えば、水トリーが原因になるものがある。水トリーは、電力ケーブルが長時間にわたって水と共存する状態で電界にさらされることにより、電力ケーブル絶縁体中に水が樹枝状に凝集する現象をいう。この水トリーが時間の経過と共に増大することによって、水トリー劣化と呼ばれる絶縁性能の低下が電力ケーブルに発生する。水トリー劣化の従来の診断方法として、以下の方法が知られている。

（１）橋絡水トリー劣化電力ケーブルに対しては、水トリー劣化領域の抵抗値の低下を利用して吸収電流を測定する方法。
（２）未橋絡水トリー劣化電力ケーブルに対しては、残留電荷法や、損失電流波形を観測する方法。

電力ケーブルに交流電圧を印加すると、漏れ電流が発生する。漏れ電流中に含まれるとともに、印加電圧と同相成分である損失電流成分は、電力ケーブル内部の水トリー劣化の状態と強い相関関係がある。また、水トリー劣化が生じている電力ケーブルの損失電流は、高調波成分を含むことが知られている。このため、損失電流の高調波成分を高感度に検出することができれば、水トリー劣化の状況を非破壊で診断することができる。

損失電流波形の高調波成分を観測する水トリー劣化診断方法として、特許文献１に示すものがある。特許文献１に示される水トリー劣化診断方法は、以下の工程を有する。

（１）周波数５０Ｈｚの第１の電圧Ｖ１を被診断ケーブルに印加する。このとき、損失電流中の第３高調波電流Ｉ_３ｍ０及び第１の電圧Ｖ１の第３高調波電圧Ｖ_３ｎの振幅と位相を測定する。第３高調波電流Ｉ_３ｍ０は、絶縁体劣化による第３高調波電流Ｉ_３ｒと第３高調波電圧Ｖ_３ｎによる第３高調波電流Ｉ_３ｎを含んでいる。

（２）第１の電圧Ｖ１と周波数１５０Ｈｚの第２の電圧Ｖ２を重畳した第３の電圧Ｖ３を被診断ケーブルに印加する。このとき、損失電流中の第３高調波電流Ｉ_３ｍ１及び第３の電圧Ｖ３の第３高調波電圧Ｖ_３ｍ１の振幅と位相を測定する。第３高調波電流Ｉ_３ｍ１は、絶縁体劣化による第３高調波電流Ｉ_３ｒと第１及び第２の電圧Ｖ１及びＶ２の第３高調波電圧Ｖ_３ｎ及びＶ_３Ｓ１による第３高調波電流Ｉ_３ｎ及びＩ_３Ｓ１を含んでいる。

（３）第１及び第３の電圧Ｖ１及びＶ３の第３高調波電圧Ｖ_３ｎ及びＶ_３ｍ１から第２の電圧Ｖ２の第３高調波電圧Ｖ_３Ｓ１を特定する。

（４）第１及び第３の電圧Ｖ１及びＶ３の第３高調波電流Ｉ_３ｍ０及びＩ_３ｍ１から第２の電圧Ｖ２の第３高調波電圧Ｖ_３Ｓ１による第３高調波電流Ｉ_３Ｓ１を特定する。

（５）上記（３）で特定された第３高調波電圧Ｖ_３Ｓ１と上記（４）で特定された第３高調波電流Ｉ_３Ｓ１の対応関係から第１の電圧Ｖ１の第３高調波電圧Ｖ_３ｎによる第３高調波電流Ｉ_３ｎを特定する。

（６）上記（１）で測定した第３高調波電流Ｉ_３ｍ０と上記（５）で特定した第１の電圧Ｖ１の第３高調波電圧Ｖ_３ｎによる第３高調波電流Ｉ_３ｎから、絶縁体劣化による第３高調波電流Ｉ_３ｒを以下のように算出する。
Ｉ_３ｒ＝Ｉ_３ｍ０−Ｉ_３ｎ
特開２００４−３５４０９３号公報

しかし、従来の水トリー劣化診断方法によると、絶縁体が健全な状態であっても、印加する電圧が高くなれば損失電流波形は非線形な特性を示す。このため、絶縁体の劣化状態を損失電流波形、またはそれからＦＦＴ解析（高速フーリエ解析）により得られるスペクトル分布からの情報のみで判断するのは、信頼性が低下するおそれがある。このため、より精度の高い診断方法の開発が望まれている。

例えば、特高クラスの電力ケーブルにおいては、未橋絡水トリーが、絶縁破壊を引き起こすことがあり、この未橋絡水トリーを正確に検出する方法の確立が急がれている。未橋絡水トリーが電力ケーブルの絶縁体に存在する場合、損失電流波形が非線形な波形となり、特に、第３高調波が大きくなるといわれている。しかし、健全な電力ケーブルにおいても、前述したように、印加電圧が高くなると第３高調波が現れるため、これをより正確に判断する基準を設ける必要が生じている。

従って、本発明の目的は、損失電流波形が非線形特性を示す場合でも、それが水トリー劣化によるものか否かの判別を簡単かつ高精度に行うことが可能な電力ケーブルの水トリー劣化診断方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、導体の外周に高分子材料から形成された絶縁体を有する電力ケーブルの所定位置に、磁場を付与する第１の状態と、前記磁場を付与しない第２の状態と、を提供する第１のステップと、
前記電力ケーブルの導体に所定の交流電圧を印加して、前記第１のステップにて提供された前記第１及び第２の状態において発生した損失電流を測定する第２のステップとを備え、
前記第２のステップにおいて測定した前記第１及び第２の状態における損失電流の波形を比較して前記電力ケーブルの前記絶縁体の水トリー劣化の診断を行うことを特徴とする電力ケーブルの水トリー劣化診断方法を提供する。

本発明の電力ケーブルの水トリー劣化診断方法によれば、損失電流波形が非線形特性を示す場合、それが水トリー劣化によるものか否かの判別を簡単かつ高精度に行うことができる。

（電力ケーブル及び診断装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る水トリー劣化診断方法が適用される電力ケーブル及び診断装置の構成を示す。この水トリー劣化診断方法は、電力ケーブル（例えば、架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブル）１に測定装置２を取り付けることにより行われる。

電力ケーブル１は、銅撚線等による導体１１と、導体１１の外周面を被覆する内部半導電層１２と、内部半導電層１２の外表面に形成された架橋ポリエチレン絶縁体１３と、架橋ポリエチレン絶縁体１３の外表面を被覆する外部半導電層１４と、外部半導電層１４の外表面を被覆する金属遮蔽層１５と、金属遮蔽層１５の外表面を被覆する絶縁シース１６と、を備える。なお、高分子材料としての架橋ポリエチレン絶縁体１３は、架橋ポリエチレンのほか、ポリエチレン、ポリプロピレン等の無極性高分子材料も含まれる。

測定装置２は、電力ケーブル１の外周を少なくとも１周するようにして絶縁シース１６の表面に装着された磁場発生装置２１と、磁場発生装置２１に所定の直流電流Ｉ_ＤＣを給電する直流電源部２２と、導体１１と接地間に所定の高電圧を課電圧として印加する高電圧発生部２３と、充電電流除去用信号（−Ｖｃ）を出力する充電電流除去用信号発生部２４と、金属遮蔽層１５と接地間に接続された検出抵抗２５と、充電電流除去用信号発生部２４と検出抵抗２５の間に接続されるシャント抵抗２６と、シャント抵抗２６と検出抵抗２５の接続点に接続された増幅器２７と、を備える。

磁場発生装置２１は、フェライトコア２８ａと、このフェライトコア２８ａにコイル２８ｂを巻いて構成された複数（例えば８個）の電磁石２８を電気的に直列接続したものであり、電力ケーブル１の端部、中央部等に設置される。電磁石２８は直列接続され、両端に直流電源部２２の出力電流が給電される。あるいは、電磁石２８に代えて永久磁石を用いた構成の磁場発生装置２１にしてもよい。

なお、磁場発生装置２１が発生する磁場は、交流励磁による磁場（交流磁場）ではなく、直流励磁による磁場（直流磁場）とする方が好ましい。その理由は、電力ケーブル１に交流磁場を付与すると、電力ケーブル１の導体部に電磁誘導が生じ、この影響で損失電流波形の測定が困難になるためである。

また、磁場をかける領域（面積）が広いほど、損失電流波形の磁場の有無に基づく影響の検出感度が高くなる。そこで、磁場発生装置２１の直列接続された電磁石２８は、電力ケーブル１を１周させるのみの配置よりは、電力ケーブル１の外径に応じて電磁石２８のサイズを変えるとともに使用個数を増やし、螺旋状に複数回巻き付けて磁場を広くするのが好ましい。この場合、１周当たり８個程度にすると、良好な結果が得られる。また、電磁石２８を１周のみにした場合でも、磁場電流を大にして発生磁場を大きくすると所定の精度の診断ができる。さらに、磁場発生装置２１は、粘着テープ、専用の固定具等によって、それぞれの電磁石２８を絶縁シース１６の外表面に密着状態に固定し、磁場が効率良く架橋ポリエチレン絶縁体１３に付与されるようにする。

（水トリー劣化の診断方法）
オペレータにより、図１のように、電力ケーブル１の金属遮蔽層１５に検出抵抗２５およびシャント抵抗２６を接続する。検出抵抗２５とシャント抵抗２６の接続点には増幅器２７の入力端子を接続し、増幅器２７の出力端子には図示しない波形観測器を接続する。さらに、オペレータは、導体１１に高電圧発生部２３を接続するほか、磁場発生装置２１を電力ケーブル１に装着する。また、オペレータは、磁場発生装置２１に直流電源部２２を接続する。

次に、オペレータは、高電圧発生部２３を動作させ、所定の正弦波形の高電圧を導体１１に印加する。この電圧印加により、検出抵抗２５には損失電流波形に応じた電圧が生じる。検出抵抗２５の端子電圧は、増幅器２７によって増幅され、その増幅出力は、波形観測器の表示部に表示される。このとき、オペレータは、充電電流除去用信号発生部２４を動作させて、充電電流除去用信号（−Ｖｃ）を出力し、この信号をシャント抵抗２６を介して検出抵抗２５に印加し、架橋ポリエチレン絶縁体１３の静電容量に起因して生じる充電電流分（＋Ｖｃ）を相殺する。

オペレータによる損失電流波形の観測は、増幅器２７の出力電圧の波形を波形観測器のディスプレイでモニタすることにより行われる。具体的には、測定対象ケーブルに磁場を与えた時に得られる損失電流波形または損失電流波形のＦＦＴ解析により得られるスペクトル分布と、磁場がないときに得られる損失電流波形または損失電流波形のスペクトル分布に違いが現れることを利用して、水トリー劣化の有無の診断と水トリー劣化位置（場所と分布）の特定を行う。

波形観測器により損失電流波形を観測するとき、オペレータは、直流電源部２２を動作させ、その直流出力を磁場発生装置２１に給電して、電力ケーブル１に磁界（磁場）を付与する。電力ケーブル１が、架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの場合、電力ケーブル１の各構成材の比透磁率は「１」であるため、磁場発生装置２１による磁場は、減磁されることなく架橋ポリエチレン絶縁体１３に効率よく付与される。

本発明では、高電圧化によって生じる損失電流波形の非線形性は、磁場の有無によって影響されることが少ないが、水トリー劣化によって生じる損失電流波形の非線形性は、磁場有無によって影響されることを利用し、この磁場の有無により判別精度の高い診断を可能にする。また、診断対象サンプルである電力ケーブル１に課電する周波数を高くすれば、比較的低い電界から損失電流波形の非線形性が現れるため、高周波課電（例えば、２００Ｈｚ以上）下で電力ケーブル１に磁場を与えれば、より低い電界で診断することが可能になり、実用的である。

水トリー劣化した電力ケーブル１の損失電流波形が磁場の有無によって変化するメカニズムは明らかではないが、水トリーが発生すると、架橋ポリエチレン絶縁体１３内の水トリーの先端部分に空間電荷が蓄積すると考えられ、交流高電界下で、これらの空問電荷が架橋ポリエチレン絶縁体１３内を絶えず動いているものと考えられる。そして、この電荷の挙動に、外乱としての磁場が加わることにより、空間電荷の挙動が変化し、損失電流波形に違いが現れると考えられる。
本発明者らの検討によれば、磁場による外乱を加えることにより、外乱無しのときよりも損失電流の歪（すなわち高調波成分）が大きくなることが判明した。この磁場の付与と、従来の測定技術とを組み合わせることにより、判別精度の高い水トリー劣化診断が可能になる。また、この方法は、磁場をかけている領域の損失電流波形にのみ影響を与えるため、磁場の位置を変えることにより、電力ケーブル１の劣化位置の特定が可能になる。
また、診断対象の電力ケーブル１に課電して劣化信号を検出した状態において、磁場発生装置２１により磁場を付与する領域を変化（磁場発生装置２１のケーブル長手方向への移動、または電磁石２８や永久磁石の使用個数の増加による磁場範囲の拡大）させることにより、磁場の変化に伴う劣化信号の変化から、欠陥の有無の検出及び欠陥位置の特定が可能になる。

（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（イ）健全な電力ケーブルの場合、磁場の有無にかかわらず、信号に顕著な変化が現れないことから、損失電流波形が非線形性を示しても、それが高電界誘電特性によるものか、水トリー劣化によるものかの判断を簡単に行うことができる。
（ロ）電力ケーブルの導体部分及び絶縁体部分は、いずれも比透磁率が１であり、外部から磁場をかけても影響を受けないので、劣化診断を非破壊で行うことができる。
（ハ）磁場による外乱の有無に対する波形の変化を判断基準に加えることにより、より判別精度の高い劣化診断が可能になる。
（ニ）磁場発生装置２１と直流電源部２２を従来の構成に追加するのみでよいため、小型、軽量、及び安価に診断システムを構築できるとともに、現場等への運搬を容易にすることができる。

図２は、水トリー劣化が生じた電力ケーブルを試料として用い、電力ケーブル１に磁場を付与した場合と付与しない場合の正弦波１周期の位相角（０°〜３６０°）に対する損失電流Ｉｘ（μＡ）の特性を示す。具体的には、印加電圧３．４ｋＶｒｍｓ、周波数２００Ｈｚにおける損失電流波形を比較したものであり、図中、特性ａは磁場無し、特性ｂ及びｃはケーブル端部付近でイン方向とアウト方向に磁場を付与し、特性ｄ及びｅはケーブル中央部付近でイン方向とアウト方向に磁場を付与した場合である。ここで、イン方向とは、図１において示した直流電源部２２の矢印方向に電流を供給する場合を言い、アウト方向とはその逆方向に電流を供給する場合を言う。

なお、ここで用いた磁場発生装置２１は、直径１０ｍｍ×高さ５．４ｍｍのフェライトコア２８ａに外径０．５６ｍｍのエナメル線を巻いてコイル２８ｂとした形状の電磁石２８を８個用いて構成している。この８個の電磁石２８を直列接続して電力ケーブル１の外周面に巻き付け、始端の電磁石２８に直流電源部２２の出力を接続し、終端の電磁石２８を接地して直流電流を給電した。これにより発生する各電磁石２８の磁界の大きさは、電力ケーブル１との接触面で４７．０（ＡＴ／ｍ）であった。

図２より明らかなように、磁場なしの曲線（ａ）の損失電流は、磁場有りの曲線（ｂ）〜（ｅ）の損失電流よりも位相角９０°の近傍で大になっているが、位相角２７０°の近傍で小になっている。これは、損失電流波形の磁場の有無の影響であり、これによって水トリー劣化の状況を診断することができる。なお、本実施例においては、それぞれの電磁石２８の磁界の大きさは、上記したように４７．０（ＡＴ／ｍ）であったが、この磁界をさらに大きくすれば、２２０〜２４０°の位相範囲における損失電流の相違は、より顕著になると考えられる。

なお、磁場発生装置２１による磁界の強さを変化させて劣化信号を診断すると、水トリー劣化が大きい重劣化サンプルは小さい磁界で損失電流波形に変化が見られ、水トリー劣化が小さい軽劣化サンプルは大きな磁界を与えなければ損失電流波形に変化が生じない。このため、磁界の大きさを変化させることにより、劣化の程度を把握することが可能になる。

また、電荷の動きを変えられるので、部分放電の挙動を変化させることも可能と考えられる。従って、本発明は、部分放電試験や部分放電発生位置の標定にも応用できる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。例えば、水トリーの先端部にある空問電荷の空聞電荷の動きを変えるような外乱、例えば、超音波等により振動を加える等の方法も可能である。

本発明の実施の形態に係る水トリー劣化診断方法が適用される電力ケーブル及び診断装置の構成を示す構成図である。水トリー劣化した電力ケーブルに対する磁場の有無による損失電流と位相の関係を示す特性図である。

符号の説明

１電力ケーブル
２測定装置
１１導体
１２内部半導電層
１３架橋ポリエチレン絶縁体
１４外部半導電層
１５金属遮蔽層
１６絶縁シース
２１磁場発生装置
２２直流電源部
２３高電圧発生部
２４充電電流除去用信号発生部
２５検出抵抗
２６シャント抵抗
２７増幅器
２８電磁石
２８ａフェライトコア
２８ｂコイル

Claims

導体の外周に高分子材料から形成された絶縁体を有する電力ケーブルの所定位置に、磁場を付与する第１の状態と、前記磁場を付与しない第２の状態と、を提供する第１のステップと、
前記電力ケーブルの導体に所定の交流電圧を印加して、前記第１のステップにて提供された前記第１及び第２の状態において発生した損失電流を測定する第２のステップとを備え、
前記第２のステップにおいて測定した前記第１及び第２の状態における損失電流の波形を比較して前記電力ケーブルの前記絶縁体の水トリー劣化の診断を行うことを特徴とする電力ケーブルの水トリー劣化診断方法。
前記第１のステップは、直流で励磁される電磁石または永久磁石により前記磁場を形成することを特徴とする請求項１記載の電力ケーブルの水トリー劣化診断方法。
前記第１のステップは、複数個からなる前記電磁石または永久磁石を前記電力ケーブルの外表面に少なくとも１周するように装着することを特徴とする請求項２記載の電力ケーブルの水トリー劣化診断方法。
前記第１のステップは、前記電磁石または永久磁石を前記電力ケーブルの中央あるいは端部に装着することを特徴とする請求項２または３記載の電力ケーブルの水トリー劣化診断方法。