JP4812007B2 - 電力ケーブルの故障点検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力ケーブルの故障点検出方法に関し、特に、高精度で故障点検出できる電力ケーブルの故障点検出方法に関するものである。

従来、電力ケーブルの故障点検出方法として、電力ケーブルの故障相に直流高電圧を印加して故障点で放電を発生させ、この放電によるパルスの電力ケーブル内の伝搬時間から故障点を検出する方法がある（例えば、非特許文献１参照）。
具体的には、図７に示すように、この場合の測定方法は、以下のようになる。まず、電力ケーブル５０の故障相５１の導体５１ａの遠端と健全相５２の導体５２ａの遠端を接続し、故障相５１の導体５１ａの測定端にブロッキング抵抗５３を介して直流高電圧を印加し、故障相５１の故障点５１ｘにて放電させる。そして、この放電により発生するパルスが故障相５１の導体５１ａの測定端に到達したときのパルス波形を第１検出器６１で検出し、ＣＨ１のパルス波形とし、前記放電により発生するパルスが健全相５２の導体５２ａの測定端に到達したときのパルス波形を第２検出器６２で検出し、ＣＨ２のパルス波形とする。
図８は前記ＣＨ１のパルス波形およびＣＨ２のパルス波形をオシロスコープ６３で表示した例を示す。そして、前記ＣＨ１のパルス波形およびＣＨ２のパルス波形をオシロスコープ６３で観測し、その時間差ΔＴを目測で求めることができる。
また、検出したパルス波形に反射波が重畳している場合には、ＪＥＣ−１８７に記載の方法で規約原点を求めると、実際の波形の起点と求めた規約原点との間に大きな時間差が生じてしまう不具合があり、これを解決する技術として、検出したパルス波形を微分した波形のピーク点を波形の起点として、この起点を基にして時間差ΔＴの精度をＪＥＣ−１８７に記載の方法に対して向上させる方法もある（例えば、特許文献１参照）。
「電気工学ポケットブック」Ｐ７７５、電気学会編集、株式会社オーム社平成１３年１月２０日第１版第１２刷発行 特開平１０−１７０５８７号公報

しかし、上述の非特許文献１の方法では、図８に示すように、電力ケーブル５０内を伝搬する際のパルスの減衰により、パルス波形の立ち上がり部分の高周波成分が喪失するため、目測により前記時間差ΔＴを測定する際に誤差が生じやすいという問題があった。また、上述の特許文献１の方法においても、ＪＥＣ−１８７に規定の方法に比べれば、測定誤差を少なくできるものの、パルス波形の高周波成分が喪失した波形に対しては、非特許文献１の方法に比べ測定精度の向上が期待できないと考えられる。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、電力ケーブルの故障点の検出精度を従来よりも向上させることである。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、電力ケーブルの一端の導体に直流電圧を加え、前記電力ケーブルの故障点において前記導体と前記電力ケーブルの遮蔽層との間で放電させたときのその放電により発生するパルスが前記電力ケーブルを伝搬する場合に、前記電力ケーブルの前記一端に伝搬したパルスを第１パルス波とし、前記第１パルス波を第１ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）を通過させて、さらに、第１窓関数により前記第１パルス波の立ち上がり部分を切り出し、前記第１パルス波の切り出した部分をフーリエ変換処理をしたものを第１信号波形とし、さらに、前記電力ケーブルの他端の導体に伝搬したパルスを第２パルス波とし、この第２パルス波を第２ＢＰＦを通過させて、さらに、第２窓関数により前記第２パルスの立ち上がり部分を切り出し、前記第２パルス波の切り出した部分をフーリエ変換処理をして第２信号波形とし、前記第１信号波形と第２信号波形の周波数ごとの位相差を求め、求めた位相差に基づいて前記故障点を検出することを特徴とする電力ケーブルの故障点検出方法である。
これにより、前記電力ケーブルの一端の導体における第１パルス波を第１ＢＰＦを通過させることにより、高周波ノイズ成分およびパルス波形の検出に不要な低周波部分をカットして波形整形し、さらに、第１窓関数により第１パルス波の立ち上がり部分を強調して、フーリエ変換処理により、フーリエ級数に変換して第１信号波形とし、前記電力ケーブルの他端の導体における第２パルス波を第２ＢＰＦを通過させることにより、高周波ノイズ成分およびパルス波形の検出に不要な低周波部分をカットして波形整形し、さらに、第２窓関数により第２パルス波の立ち上がり部分を強調して、フーリエ変換処理により、フーリエ級数に変換して第２信号波形としている。このため、第１信号波形および第２信号波形はともに離散的な周波数成分を有しているので、同じ周波数の成分同士を比較してその位相差を求めることができる。そして、求めた位相差が前記電力ケーブルにおける故障点から前記一端までのパルスの伝搬距離と前記故障点と前記他端までのパルスの伝搬距離の差を示すので、この位相差から電力ケーブルの故障点を検出することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の電力ケーブルの故障点検出方法において、前記第１パルス波の時刻に同期した第１インパルスを発生させ、この第１インパルスをフーリエ変換処理をして前記第１信号波形に加えて第１合成波形とし、前記第２パルス波の時刻に同期した第２インパルスを発生させ、この第２インパルスをフーリエ変換処理をして前記第２信号波形に加えて第２合成波形とし、前記第１合成波形と第２合成波形の周波数ごとの位相差を求め、求めた位相差に基づいて前記故障点を検出することを特徴とする電力ケーブルの故障点検出方法である。
これにより、第１パルス波の時刻に同期した第１インパルスをフーリエ変換処理をして前記第１信号波形に加えた第１合成波形は、元になる第１パルス波の低周波成分がＢＰＦにより除去されていても、元になる第１パルス波の低周波成分を精度よく表している。同様に、第２パルス波の時刻に同期した第２インパルスをフーリエ変換処理をして前記第２信号波形に加えた第２合成波形は、元になる第２パルス波の低周波成分がＢＰＦにより除去されていても、元になる第２パルス波の低周波成分を精度よく表している。
このため、前記第１合成波形と第２合成波形の周波数ごとの位相差は、元になる第１パルス波と第２パルス波の位相差を精度よく表している。これにより、前記故障点を精度よく検出することができる。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の電力ケーブルの故障点検出方法において、前記求めた位相差を時間差に変換し、求めた時間差と前記パルスの前記電力ケーブルにおける伝搬速度とから前記故障点を検出することを特徴とする電力ケーブルの故障点検出方法である。
これにより、前記求めた位相差を時間差に変換し、この時間差と予め測定した前記電力ケーブルにおけるパルスの伝搬速度との積を求めることにより、故障点の位置を検出することができる。

請求項１記載の発明によれば、検出したパルス波形の同一の周波数成分毎に位相差を求めるようにしたため、電力ケーブルの故障点を従来よりも精度よく検出することができる。
さらに、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果とともに、低周波成分を合成することでさらに精度よく電力ケーブルの故障点を検出することができる。
さらに、請求項３記載の発明によっても、電力ケーブルの故障点を従来よりも精度よく検出することができる。

以下、本発明における実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る測定装置を示し、図２は図１の測定装置で測定したパルス波を処理する手段を示し、図３は図１の測定装置で測定したパルス波を示し、図４は図３のパルス波を処理した状態を示し、図５は処理した波形をフーリエ変換したときの位相差を示し、図６は前記位相差をアンラップ（ｕｎｗｒａｐ）した状態を示す。

本発明に係る電力ケーブルの故障点検出方法は、以下のとおりである。
すなわち、図１に示すように、電力ケーブル１０の故障相１１の導体１１ａの遠端と健全相１２の導体１２ａの遠端を接続する。そして、電力ケーブル１０の一端の導体となる故障相１１の導体１１ａの測定端に直流電圧を加え、電力ケーブル１０の故障点１１ｘにおいて導体１１ａと故障相１１の導電性の遮蔽層１１ｂとの間で放電させたときのその放電により発生するパルス波が故障相１１および健全相１２を伝搬するようにする。

具体的には、電力ケーブル１０は三相交流のＣＶケーブルであり、その故障相１１では故障相１１の導体１１ａの外側には絶縁層１１ｃが形成され、絶縁層１１ｃの外側には導電性の遮蔽層１１ｂが同軸円筒状に形成されている。健全相１２も同様に、その導体１２ａの外側には絶縁層１２ｃが形成され、絶縁層１２ｃの外側には導電性の遮蔽層１２ｂが同軸円筒状に形成されている。ここで、導体１１ａの遠端と導体１２ａの遠端は接続され、各遮蔽層１１ｂ、１２ｂは接地されている。そして、直流電源１３のプラス電極を接地し、直流電源１３のマイナス電極をブロッキング抵抗１４を介して導体１１ａの測定端に接続して、導体１１ａの測定端に直流電圧を加えている。

この場合、故障点１１ｘから故障相１１の前記測定端の導体１１ａに伝搬したパルスを第１パルス波とする。さらに、故障相１１の遠端を通過し健全相１２の測定端の導体１２ａ（電力ケーブル１０の他端の導体となる）に伝搬したパルスを第２パルス波とする。
具体的には、故障相１１の測定端（ＣＨ１）のパルス波を第１コンデンサ（Ｃ１）２１と第２コンデンサ（Ｃ２）２２で分圧し、第２コンデンサ２２の両端の波形を第１パルス波とし、健全相１２の測定端（ＣＨ２）のパルス波を第３コンデンサ（Ｃ３）２３と第４コンデンサ（Ｃ４）２４で分圧し、第４コンデンサ２４の両端の波形を第２パルス波とする。そして、前記第１パルス波および第２パルス波をオシロスコープ２５で観測する。図３はこの場合の前記第１パルス波および第２パルス波の例を示す。

そして、図２に示す第１波形処理部３０において、前記第１パルス波を第１ＢＰＦ３１を通過させて、さらに、第１窓関数部３２により前記第１パルス波の立ち上がり部分を切り出し、前記第１パルス波の切り出した部分を第１ＦＦＴ（高速フーリエ変換）部３３によりフーリエ変換処理をしたものを第１信号波形とする。
さらに、図２に示す第２波形処理部４０において、前記第２パルス波を第２ＢＰＦ４１を通過させて、さらに、第２窓関数部４２により前記第２パルス波の立ち上がり部分を切り出し、前記第２パルス波の切り出した部分を第３ＦＦＴ部４３によりフーリエ変換処理をして第２信号波形とする。
ここで、第１および第２ＢＰＦ３１、４１は、故障点の放電によるパルスが電力ケーブル１０（図１参照）を伝搬中に喪失し、ほぼノイズだけとなっている５ＭＨｚ以上の高周波領域と、第１パルス波および第２パルス波の立ち上がり部分を検出するために必要のない１ＭＨｚ以下の低周波領域とをカットするバンドパスフィルタである。また、第１および第２窓関数部３２、４２は、第１および第２パルス波の立ち上がり点近傍を強調し、その波尾信号をカットするため、窓関数として例えばガウス関数を用いる。
図４はこの場合の波形処理の例を示す。図４に示すように、各ＢＰＦ３１、４１通過後では第１および第２パルス波の低周波成分および高周波成分が除かれ、さらに、各窓関数部３２、４２により第１および第２パルス波の立ち上がり部分が強調されている。

つぎに、図２に示すように、位相差計算部４７により前記第１信号波形と第２信号波形の周波数ごとの位相差を求め、求めた位相差に基づいて故障点１１ｘ（図１参照）を検出する。
具体的には、位相差は+π〜−πで計算されるが、実際の「周波数」対「位相差」は比例関係となる。図５はこの場合の位相差の例を示している。図５（ａ）では、ｎＭＨｚと３ｎＭＨｚの場合の一例を示している。この場合、ＣＨ１とＣＨ２のｎＭＨｚと３ｎＭＨｚの到達時間差Δｔは同じであるが、ｎＭＨｚでは計算位相差α（実位相差と等しい）がπ／２となるが、３ｎＭＨｚでは計算位相差βは−π／２、実位相差γは３π／２となる。図５（ｂ）のグラフは図５（ａ）の結果により、周波数と計算位相差の関係を示している。なお、図５（ｂ）にてｕ点は計算位相差π／２の点を示し、ｖ点は計算位相差−π／２の点を示している。この結果、低周波成分ほど伝搬速度が遅くなるため、単純比例ではないが、周波数が倍になれば位相差はほぼ倍になる。

さらに、図２に示すように、第１波形処理部３０の第１インパルス発生部３４により前記第１パルス波の時刻に同期した第１インパルスを発生させ、この第１インパルスを第２ＦＦＴ部３５にてフーリエ変換処理をして前記第１信号波形に加えて第１合成波形とする。そして、第２波形処理部４０の第２インパルス発生部４４により前記第２パルス波の時刻に同期した第２インパルスを発生させ、第４ＦＦＴ部４５により前記第２インパルスをフーリエ変換処理をして前記第２信号波形に加えて第２合成波形とする。さらに、位相差計算部４７により前記第１合成波形と第２合成波形の周波数ごとの位相差を求め、求めた位相差に基づいて故障点１１ｘを検出することができる。

具体的には、「周波数」対「計算位相差」の関係を「周波数」対「実位相差」の関係に変換する処理すなわち位相アンラップ（ｕｎｗｒａｐ）を行う。
上述のように、立ち上がり部分の検出に必要のない第１および第２パルス波（原波形）の低周波成分（１ＭＨｚ以下）をカットしていることから、別途事前に、上述の純粋な第１および第２インパルスから、立ち上がり点の情報（時間・大きさ）をもとに生成した低周波成分の信号を加えておくことでアンラップの失敗を防ぐことができる。
図６（ａ）に示すように、測定データは１ＭＨｚ〜５ＭＨｚの周波数成分を有している。すなわち、低周波成分をカットしているので、基準となる初めの位相差が実際と違うことがある。図６（ｂ）に示すように、補正データは１ＭＨｚ以下の成分であり、純粋なインパルス波形により生成した低周波成分による「周波数」対「位相差」の関係を基準にする。そして、図６（ａ）のＡの部分と図６（ｂ）のＢの部分がつながる。このため、図６（ｃ）に示す補正後のデータは、５ＭＨｚ以下の周波数成分になり、低周波成分の補正後にアンラップさせることで「周波数」対「実位相差」の関係を得ることができる。なお、図６（ｂ）および（ｃ）におけるＰの周波数範囲は補正データの範囲であり、図６（ｃ）におけるＱの周波数範囲は故障点１１ｘの検出に使用する周波数範囲である。

さらに、図２に示すように、時間差変換部４８により前記求めた実位相差を時間差に変換し、求めた時間差とパルスの電力ケーブル１０（図１参照）における伝搬速度とから故障点算出部４９により故障点１１ｘを検出することができる。なお、電力ケーブル１０におけるパルスの伝搬速度は事前の測定により算出する必要がある。

上記構成の電力ケーブルの故障点検出方法は、以下の作用効果がある。
図１に示すように、電力ケーブル１０の一端の導体１１ａにおける第１パルス波を第１ＢＰＦ３１を通過させることにより、高周波ノイズ成分およびパルス波形の検出に不要な低周波部分をカットして波形整形する。さらに、第１窓関数部３２により第１パルス波の立ち上がり部分を強調して、フーリエ変換処理により、フーリエ級数に変換して第１信号波形とする。
一方、電力ケーブル１０の他端の導体１２ａにおける第２パルス波を第２ＢＰＦ４１を通過させることにより、高周波ノイズ成分およびパルス波形の検出に不要な低周波部分をカットして波形整形し、さらに、第２窓関数部４２により第２パルス波の立ち上がり部分を強調して、フーリエ変換処理により、フーリエ級数に変換して第２信号波形としている。
このため、第１信号波形および第２信号波形はともに離散的な周波数成分を有しているので、同じ周波数の成分同士を比較してその位相差を求めすることができる。そして、求めた位相差が電力ケーブル１０における故障点１１ｘから前記一端（導体１１ａの測定端）までのパルス波の伝搬距離と故障点１１ｘと前記他端（導体１２ａの測定端）までのパルスの伝搬距離の差を示すので、この位相差から電力ケーブル１０の故障点１１ｘを検出することができる。

さらに、第１パルス波の時刻に同期した第１インパルスをフーリエ変換処理をして前記第１信号波形に加えた第１合成波形は、元になる第１パルス波の低周波成分が第１ＢＰＦ３１により除去されていても、元になる第１パルス波の低周波成分を精度よく表している。同様に、第２パルス波の時刻に同期した第２インパルスをフーリエ変換処理をして前記第２信号波形に加えた第２合成波形は、元になる第２パルス波の低周波成分が第２ＢＰＦ４１により除去されていても、元になる第２パルス波の低周波成分を精度よく表している。
このため、前記第１合成波形と第２合成波形の周波数ごとの位相差は、元になる第１パルス波と第２パルス波の位相差を精度よく表している。これにより、前記故障点を精度よく検出することができる。
さらに、前記求めた位相差を時間差に変換し、この時間差と予め測定した電力ケーブル１０におけるパルスの伝搬速度との積を求めることにより、故障点１１ｘの位置を検出することができる。

このようにして、電力ケーブル１０を伝搬することにより、減衰し鈍った第１および第２パルス波の立ち上がりをデジタル処理により明瞭にするとともに、電力ケーブル１０の故障点１１ｘの検出を自動化することで、測定者によるオシロスコープ２５の読み取りによる誤差をなくすことができる。

なお、上記実施の形態において、第１波形処理部３０、第２波形処理部４０、位相差計算部４７、時間差変換部４８および故障点算出部４９は、パソコンにインストールされたプログラムで構築可能である。
また、図２に示すように、第１インパルスをフーリエ変換したものを第１ＬＰＦ（ローパスフィルタ）３６を通過させて不要な高周波成分を除去し、同様に第２インパルスをフーリエ変換したものを第２ＬＰＦ４６を通過させて不要な高周波成分を除去しているが、これらの第１および第２ＬＰＦ３６、４６はなくてもよい。

本発明の実施の形態に係る測定装置の説明図である。 図１の測定装置で測定したパルス波を処理する手段を示すブロック図である。 図１の測定装置で測定したパルス波を示す説明図である。 図３のパルス波形を処理した状態を示す説明図である。 処理した波形をフーリエ変換したときの位相差を示す説明図である。 位相差をアンラップした状態を示すグラフである。 従来例の測定方法を示す説明図である。 図７の方法で測定したパルス波を示す説明図である。

符号の説明

１０ 電力ケーブル
１１ 故障相
１１ａ 導体
１１ｂ 遮蔽層
１１ｘ 故障点
１２ 健全相
１２ａ 導体
１３ 直流電源
３０ 第１波形処理部
３１ 第１ＢＰＦ
３２ 第１窓関数部
３３ 第１ＦＦＴ部
３４ 第１インパルス発生部
３５ 第２ＦＦＴ部
４０ 第２波形処理部
４１ 第２ＢＰＦ
４２ 第２窓関数部
４３ 第３ＦＦＴ部
４４ 第２インパルス発生部
４５ 第４ＦＦＴ部
４７ 位相差計算部
４８ 時間差変換部
４９ 故障点算出部

Claims (3)

1. 電力ケーブルの一端の導体に直流電圧を加え、前記電力ケーブルの故障点において前記導体と前記電力ケーブルの遮蔽層との間で放電させたときのその放電により発生するパルスが前記電力ケーブルを伝搬する場合に、
   前記電力ケーブルの前記一端に伝搬したパルスを第１パルス波とし、この第１パルス波を第１バンドパスフィルタを通過させて、さらに、第１窓関数により前記第１パルス波の立ち上がり部分を切り出し、前記第１パルス波の切り出した部分をフーリエ変換処理をしたものを第１信号波形とし、
   さらに、前記電力ケーブルの他端の導体に伝搬したパルスを第２パルス波とし、この第２パルス波を第２バンドパスフィルタを通過させて、さらに、第２窓関数により前記第２パルス波の立ち上がり部分を切り出し、前記第２パルス波の切り出した部分をさらに、フーリエ変換処理をして第２信号波形とし、
   前記第１信号波形と第２信号波形の周波数ごとの位相差を求め、求めた位相差に基づいて前記故障点を検出することを特徴とする電力ケーブルの故障点検出方法。
2. 請求項１記載の電力ケーブルの故障点検出方法において、
   前記第１パルス波の時刻に同期した第１インパルスを発生させ、この第１インパルスをフーリエ変換処理をして前記第１信号波形に加えて第１合成波形とし、
   前記第２パルス波の時刻に同期した第２インパルスを発生させ、この第２インパルスをフーリエ変換処理をして前記第２信号波形に加えて第２合成波形とし、
   前記第１合成波形と第２合成波形の周波数ごとの位相差を求め、求めた位相差に基づいて前記故障点を検出することを特徴とする電力ケーブルの故障点検出方法。
3. 請求項１または２記載の電力ケーブルの故障点検出方法において、
   前記求めた位相差を時間差に変換し、求めた時間差と前記パルスの前記電力ケーブルにおける伝搬速度とから前記故障点を検出することを特徴とする電力ケーブルの故障点検出方法。