JP5086119B2 - 電力ケーブルの劣化位置標定方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力ケーブルにおいて、水トリー劣化等に起因する劣化位置を標定するための方法及び装置に関する。

電力用ケーブルとして、架橋ポリエチレン絶縁ケーブル（以下「ＣＶケーブル」という。）が実用化されている。このＣＶケーブルでは、湿潤下における長期使用により水トリーという劣化現象が絶縁体内に発生して、絶縁性能の低下を引き起こす。
この水トリー劣化を検出する方法として、残留電荷法がよく知られている。図４は、残留電荷法の測定回路を示すもので、１は電力系統から切り離されたＣＶケーブル、２は接地線、３はケーブルヘッドで、一方のケーブルヘッド３には、切替スイッチ４によって、直流電源５、接地用抵抗６を備えた接地側、交流電源７が夫々切替接続可能となっている。

この測定回路においては、切替スイッチ４を直流電源５側に切り替えてＣＶケーブル１に最初に直流電圧を印加する。これにより、ＣＶケーブル１の絶縁体内には電荷が蓄積される。その後、切替スイッチ４を接地側に切り替えてＣＶケーブル１を接地させる。この接地により、ＣＶケーブル１の絶縁体の内、健全部に蓄積されていた電荷は全て放出されるが、絶縁体内の水トリー劣化部に蓄積されていた電荷の一部は、水トリー内に残留する。
そして、ＣＶケーブル１の接地を開放した後に、今度は切替スイッチ４を交流電源７側に切り替えて商用周波電圧を印加する。仮に直流電圧が負極性だった場合は、商用周波電圧の正極性の時間領域で水トリー内部に残留している電荷には逆極性の電圧がかかることになり、その結果、残留電荷は水トリー内部から直流電流成分として放出される。この商用周波電圧印加時の直流成分電流をローパスフィルタ８を通して残留電荷測定装置９で検出することにより、ＣＶケーブル１の水トリー劣化の程度を評価することができる。
その他にも、残留電荷法としては特許文献１，２に開示の方法が知られているが、何れも接地開放後には交流電圧を印加している。

特開２００５−１８１２０８号公報 特開２００１−１５３９１３号公報

上記商用周波数電圧を用いる従来の残留電荷法においては、いずれも水トリー劣化の程度を判定することは可能である。しかし、本来、残留電荷放出信号である直流成分電流は、商用周波数電圧のうち、前課電された直流電圧の逆極性の半波のみに流れるはずであるが、ローパスフィルタを通すため、検出される電流波形は半波ごとの電流が積分された緩やかな時定数を持つ電流波形として検出される。従って、従来の残留電荷法では、検出された信号から水トリー劣化した位置情報を得ることができなかった。
この結果、ＣＶケーブルが水トリー劣化と判定された場合には、測定された線路全体を交換するか、あるいは線路の途中でケーブルを一旦切断して、その両方を再度測定することにより、水トリー劣化しているものがどちらかを特定した後、再度同様な方法を繰り返すことにより水トリー劣化の発生位置を特定していく方法しかなかった。いずれの方法においても、ＣＶケーブルの交換や水トリー劣化の発生位置を特定するための測定に多大なコストが必要となる。特に２２ｋＶ級以上の特別高圧電力用ＣＶケーブルにおいては、ケーブルの再接続に時間がかかるために、線路全体の交換しか手段がないのが現状となっている。

そこで、本発明は、コストや手間の掛からないより簡単な構成で、水トリー等による劣化位置を正確に標定することができる電力ケーブルの劣化位置標定方法及びその装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、電力ケーブルに第１の電圧を印加した後に接地し、その後第２の電圧を印加することで、前記第１の電圧の印加によって蓄積された電荷を放出させ、測定された出力信号に基づいて前記電力ケーブルの劣化位置を標定する方法であって、前記第２の電圧を、前記第１の電圧と逆極性でパルス幅が２μｓ以下のパルス電圧として、当該パルス電圧を印加してからパルス幅が２μｓ以下の電流波形が測定されるまでの時間遅れに基づいて前記劣化位置を標定することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記第１の電圧をパルス電圧としたことを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、電力ケーブルに第１の電圧を印加する第１電圧印加手段と、その第１電圧印加手段による電圧印加後に前記電力ケーブルを接地する接地手段と、その接地手段による接地後に前記電力ケーブルに第２の電圧を印加する第２電圧印加手段と、その第２電圧印加手段による電圧印加後に前記電力ケーブルからの出力信号を測定する測定手段と、その測定手段の測定結果に基づいて前記電力ケーブルの劣化位置を標定する標定手段とを備えた電力ケーブルの劣化位置標定装置であって、前記第２電圧印加手段を、第２の電圧として前記第１の電圧と逆極性でパルス幅が２μｓ以下のパルス電圧を印加するものとし、前記標定手段は、前記パルス電圧を印加してからパルス幅が２μｓ以下の電流波形が測定されるまでの時間遅れに基づいて前記劣化位置を標定することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３の構成において、前記第１電圧印加手段は、第１の電圧としてパルス電圧を印加することを特徴とする。

このように、本発明では、残留電荷法の残留電荷放出波形として商用周波数電圧の代わりに、パルス幅が２μｓ以下のパルス電圧を用いて、水トリー等の劣化位置から電荷を放出させるようにしているので、信号測定にローパスフィルタを用いる必要がなく、原波形をそのままオシロスコープ等で測定することができる。このように原波形の電流をそのまま測定すれば、パルス幅が２μｓ以下の電流波形が観察されることになる。こうしてパルス電圧を印加してから、パルス幅が２μｓ以下の電流波形が観察されるまでの時間遅れを測定することにより、電荷が放出された位置、つまり水トリー等による劣化位置を標定することができる。劣化位置が複数であっても標定可能となる。

また、本発明で印加パルス電圧のパルス幅を２μｓ以下に限定したのは、以下の理由による。
電力ケーブルとして代表的なＣＶケーブル内の伝搬速度が概ね１５０〜１８０ｍ／μｓのため、２μｓのパルス幅は３００〜３６０ｍの距離に相当することとなる。つまり、本発明での水トリー劣化位置標定分解能は最大３００〜３６０ｍとなる。一般的に、管路内に布設されているＣＶケーブルの接続部間の距離（スパン長）は３００ｍ以下のものが多いため、分解能がこれ以下になると水トリーが発生していると判定されるスパンが複数に亘ることになり、実際には水トリーが発生していなくても交換する設備が出て不経済になる。従って、パルス幅を２μｓ以下に限定すれば、スパン長が３００ｍだった場合、交換するスパンは最大２スパンですむことになる。こうした実用的な見地から、この程度のスパン交換に抑えるために、パルス幅は２μｓ以下と限定したものである。もちろん、パルス幅が狭くなるほど、位置標定精度は高くなる。

本発明によれば、電力ケーブル内に存在する複数の劣化位置を簡単且つ正確に特定することができる。よって、従来のような線路全体の交換から、交換箇所を制限することができ、交換に要するコストの低減を図ることができる。特に、残留電荷放出波形として商用周波電圧の代わりにパルス電圧を用いることにより、商用周波課電設備が不要となり、装置全体の大幅な縮小化とそれに伴う輸送費用の削減等の測定費用の低減が期待できるとともに、１回当たりの測定時間を短縮させることが可能となり、全体の測定時間の短縮も期待できる。
また、請求項２，４に記載の発明によれば、上記効果に加えて、電荷蓄積用の第１の電圧もパルス電圧とすることにより、１台のパルス発生器で残留電荷法を実施することが可能となる。よって、装置全体の小型化が図れる上、１回当たりの測定時間が大幅に短縮されて繰り返しの測定が可能となり、測定結果の平均化による標定精度の向上が期待できる。特に、直流印加時のようにＧＩＳ内部に発生する微小金属物の帯電による絶縁性能の低下を危惧する必要がないため、直流電圧を印加できない経年ＧＩＳ（ガス絶縁開閉装置）に接続されたＣＶケーブル線路に対しても、ＧＩＳ内部の清掃を行わずに残留電荷法を実施することができ、標定に係るコストや時間の低減に繋がる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の劣化位置標定方法を実施する劣化位置標定装置の一例を示すもので、図４と同じ構成部には同じ符号を付している。
この劣化位置標定装置においては、残留電荷放出波形としてパルス電圧を用いるのに加えて、残留電荷の電荷蓄積波形としてもパルス電圧を用いる。よって、切替スイッチ４は、ＣＶケーブル１の一方のケーブルヘッド３を、パルス発生器１０及び信号検出用抵抗１１を備えた電圧印加側と、接地用抵抗６を備えた接地側とに切替可能となっている。この切替スイッチ４及び電圧印加側が本発明の第１電圧印加手段及び第２電圧印加手段となり、切替スイッチ４及び接地側が本発明の接地手段となる。また、電圧印加側には測定手段及び標定手段となるオシロスコープ１２が接続されている。

以上の如く構成された劣化位置標定装置では、図２に示すように、まず切替スイッチ４を電圧印加側に切り替えて、第１の電圧となる前課電パルス電圧１３をＣＶケーブル１に印加した後、切替スイッチ４を接地側に切り替えてＣＶケーブル１を接地（短絡）させる（符号１４）。その後、再び切替スイッチ４を電圧印加側に切り替えて、前課電パルス電圧と逆極性で、且つパルス幅が２μｓ以下の残留電荷放出用パルス電圧１５（第２の電圧）を印加して残留電荷を放出させるもので、これにより、パルス幅が２μｓ以下の出力電流波形１６，１６・・が測定可能となる。

ＣＶケーブルでは、パルス幅が２μｓ程度のパルス電圧の伝搬速度は、ケーブルサイズや周波数によって変わるが、概ね１５０〜１８０ｍ／μｓ程度であるため、ここでは１５０ｍ／μｓと仮定する。例えば、ＣＶケーブルの線路が１０ｋｍに亘る場合、片側から注入されたパルス電圧が反対側で反射して帰ってくるまでの時間は、約１３３μｓ後となる。線路内に点在する水トリーから放出される電荷に起因する電流は、水トリーが発生している箇所に印加されたパルス電圧が到達した後に流れ始め、パルス電圧が通過すると流れ終わるために、流れる時間幅はパルス幅である２μｓ以下となる。この電流は電源側に向かって流れて接地線を通って電源に帰ろうとするから、例えば５ｋｍと８ｋｍの位置に水トリー劣化位置が存在したとすると、図３に示すように、パルスを印加した時間の６６．７μｓ後と１０６．７μｓ後にパルス幅２μｓ以下の電流波形が電源の接地線で測定されることになる。
この時間遅れとＣＶケーブル内のパルス伝搬速度とに基づいて電荷が放出された位置を算出すれば、水トリーの存在位置を標定することができる。

水トリー劣化させた通信ケーブル１ｍを、新品の通信ケーブル２００ｍの遠方端に接続したものを試料として上記劣化位置標定装置にセットした。通信ケーブル内のパルス伝搬速度は２００ｍ／μｓである。
最初に、標定用の信号として用いるために、前課電としての負極性パルス電圧を印加せずに、正極性の波高値８ｋＶ、パルス幅０．５μｓのパルス電圧を試料に１６回印加してアベレージング処理を施した。この測定で得られた信号は、接続点等からの反射で得られるもので、水トリーから得られる信号ではない。

次に、実際の残留電荷測定を実施した。最初に、電荷蓄積波形として、負極性の波高値−１０ｋＶ、パルス幅０．５μｓのパルス電圧を１０回繰り返し印加して、通信ケーブルの絶縁体内に電荷を蓄積させた後に、接地を実施した。接地後に、残留電荷放出波形として、正極性の波高値８ｋＶ、パルス幅０．５μｓのパルス電圧を１６回印加してアベレージング処理を施した。このアベレージング処理により、得られる信号の波高値は低くなる傾向はあるが、Ｓ／Ｎ比は向上する。本測定で得られた信号と先ほどの標定用信号との差分を取ったものを、最終の測定結果とした。
その結果、残留電荷放出用のパルス電圧印加時間を０とすると、波高値１０μＡ、パルス幅０．５μｓ程度の波形を２μｓ後の辺りに観測することができた。この波形の時間遅れから、水トリー発生位置を電圧印加端から２００ｍと標定でき、試料における実際の劣化位置との一致が確認できた。

２０年間使用されている全長９ｋｍの３３ｋＶ電力用ＣＶケーブル線路に上記劣化位置標定装置をセットした。
最初に標定用信号として、正極性の波高値３０ｋＶ、パルス幅１μｓのパルス電圧を１６回印加してアベレージング処理を施した。
次に、実際の残留電荷測定として、最初に、電荷蓄積波形として、負極性の波高値−４０ｋＶ、パルス幅１μｓのパルス電圧を１０回繰り返し印加した後に、接地を実施した。接地後に、残留電荷放出波形として、正極性の波高値３０ｋＶ、パルス幅１μｓのパルス電圧を１６回印加してアベレージング処理を施した。本測定で得られた信号と先ほどの標定用信号との差分を取ったものを、最終の測定結果とした。
その結果、蓄積電荷放出用のパルス電圧印加時間を０とすると、パルス幅１μｓ程度の波形を２０μｓ、８５μｓ、８８μｓ後の辺りに観測することができた。それぞれの電流波高値は、約１０μＡ、約３μＡ、約２０μＡであった。当該ＣＶケーブル内のパルス幅１μｓのパルス伝搬速度を、反射波の伝搬より求めたところ、１８０ｍ／μｓであったので、観測された波形の時間遅れから、水トリー発生位置は、電圧印加端から１８００〜１９８０ｍ程度、７６５０〜７８３０ｍ程度、７９２０〜８１００ｍ程度の位置と標定できた。

そして、商用周波高電圧を課電して、試験に供したＣＶケーブルの絶縁破壊試験を行ったところ、３０ｋＶで絶縁破壊が生じた。絶縁破壊した位置を調査したところ、パルス電圧印加端側から約８０００ｍの位置であった。破壊点近傍５０ｍｍのＣＶケーブル絶縁体について、水トリーの発生状況を確認したところ、絶縁体厚さ８ｍｍの半分を超える水トリーが７個発見された。最大長は６．５ｍｍであった。
また、試験に供したＣＶケーブル線路のうち、パルス電圧印加端側から１８００〜２０００ｍの範囲および７６５０〜７８５０ｍの範囲のケーブルを撤去して、前駆遮断試験を行ったところ、前駆遮断点はそれぞれ１８１０ｍ、７８５０ｍの位置となり、前駆遮断電圧はそれぞれ５０ｋＶ、８０ｋＶであった。
さらに、前駆遮断点近傍５０ｍｍのケーブル絶縁体について、水トリーの発生状況を確認したところ、それぞれ最大長５．５ｍｍと２．５ｍｍの水トリーから前駆破壊が生じていた。
以上のことより、パルス電圧波形を用いた劣化位置標定方法により、複数箇所の水トリー劣化の発生位置についても標定できることが判明した。

このように、上記劣化位置標定方法及びその装置によれば、残留電荷放出用の第２の電圧を、パルス幅が２μｓ以下のパルス電圧として、当該パルス電圧を印加してからパルス幅が２μｓ以下の出力信号が測定されるまでの時間遅れに基づいて劣化位置を標定するようにしたことで、ＣＶケーブル内に存在する複数の劣化位置を簡単且つ正確に特定することができる。よって、従来のような線路全体の交換から、交換箇所を制限することができ、交換に要するコストの低減を図ることができる。特に、商用周波電圧の代わりにパルス電圧を用いることにより、商用周波課電設備が不要となり、装置全体の大幅な縮小化とそれに伴う輸送費用の削減等の測定費用の低減が期待できるとともに、１回当たりの測定時間を短縮させることが可能となり、全体の測定時間の短縮も期待できる。

また、ここでは、電荷蓄積用の第１の電圧もパルス電圧としているので、１台のパルス発生器１０で残留電荷法を実施することが可能となる。よって、装置全体の小型化が図れる上、１回当たりの測定時間が大幅に短縮されて繰り返しの測定が可能となり、測定結果の平均化による標定精度の向上が期待できる。特に、直流電圧を印加できない経年ＧＩＳ（ガス絶縁開閉装置）に接続されたＣＶケーブル線路に対しても、ＧＩＳ内部の清掃を行わずに残留電荷法を実施することができ、標定に係るコストや時間の低減に繋がる。
なお、当該パルス電圧は、立ち上がり周波数が２００ｋＨｚ以上、パルス幅が１００μｓ以下の波形とすれば、標準雷インパルス波形と同程度の立ち上がり周波数、パルス幅となって商用周波数よりも高い電圧をＣＶケーブルに印加することが可能となる。よって、より信号が検出されやすくなり、標定精度の一層の向上に繋がる。

一方、残留電荷放出用のパルス電圧は、２μｓ以下であればパルス幅は上記形態や実施例の数値に限定されず、適宜変更可能である。また、上記実施例では、電荷蓄積及び電荷放出時のパルス電圧を複数回印加してアベレージング処理を行っているが、この数の増減は勿論可能であるし、アベレージング処理を行わない場合も本発明は含む。
さらに、上記形態では、電荷蓄積用の第１の電圧もパルス電圧としているが、従来の直流電圧に代えてもよい。
その他、測定手段及び標定手段としては、オシロスコープに代えて、差動増幅器やパーソナルコンピュータ等の他の機器を利用して構成することも可能である。

劣化位置標定装置の説明図である。 パルス電圧の印加形態を示す説明図である。 印加パルス電圧と水トリーに起因する出力パルス電流との関係を示す説明図である。 従来の残留電荷法の測定回路を示す説明図である。

符号の説明

１・・ＣＶケーブル、２・・接地端、３・・ケーブルヘッド、４・・切替スイッチ、５・・直流電源、６・・接地用抵抗、７・・交流電源、８・・ローパスフィルタ、９・・残留電荷測定装置、１０・・パルス発生器、１１・・信号検出用抵抗、１２・・オシロスコープ、１３・・前課電パルス電圧、１４・・接地、１５・・残留電荷放出用パルス電圧、１６・・出力電流波形。

Claims (4)

1. 電力ケーブルに第１の電圧を印加した後に接地し、その後第２の電圧を印加することで、前記第１の電圧の印加によって蓄積された電荷を放出させ、測定された出力信号に基づいて前記電力ケーブルの劣化位置を標定する方法であって、
   前記第２の電圧を、前記第１の電圧と逆極性でパルス幅が２μｓ以下のパルス電圧として、当該パルス電圧を印加してからパルス幅が２μｓ以下の電流波形が測定されるまでの時間遅れに基づいて前記劣化位置を標定することを特徴とする電力ケーブルの劣化位置標定方法。
2. 前記第１の電圧をパルス電圧としたことを特徴とする請求項１に記載の電力ケーブルの劣化位置標定方法。
3. 電力ケーブルに第１の電圧を印加する第１電圧印加手段と、その第１電圧印加手段による電圧印加後に前記電力ケーブルを接地する接地手段と、その接地手段による接地後に前記電力ケーブルに第２の電圧を印加する第２電圧印加手段と、その第２電圧印加手段による電圧印加後に前記電力ケーブルからの出力信号を測定する測定手段と、その測定手段の測定結果に基づいて前記電力ケーブルの劣化位置を標定する標定手段とを備えた電力ケーブルの劣化位置標定装置であって、
   前記第２電圧印加手段を、第２の電圧として前記第１の電圧と逆極性でパルス幅が２μｓ以下のパルス電圧を印加するものとし、前記標定手段は、前記パルス電圧を印加してからパルス幅が２μｓ以下の電流波形が測定されるまでの時間遅れに基づいて前記劣化位置を標定することを特徴とする電力ケーブルの劣化位置標定装置。
4. 前記第１電圧印加手段は、第１の電圧としてパルス電圧を印加することを特徴とする請求項３に記載の電力ケーブルの劣化位置標定装置。

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