JP5140032B2

JP5140032B2 - ガス絶縁電気装置の部分放電診断方法

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Publication number: JP5140032B2
Application number: JP2009121054A
Authority: JP
Inventors: 信宮下; 潔井波; 秀一佐久間
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2009-05-19
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: JP2009180747A

Description

この発明は、ガス絶縁電気装置の部分放電診断方法に関するものである。

従来のガス絶縁電気装置の部分放電診断方法においては、部分放電を検出するスペクトルアナライザにより電圧位相に対して数秒から数百秒間の最大値による分布パターン及び１周期の最大値による分布パターンを同時取得する。そして、２種の電荷量分布パターンを比較することにより内部部分放電と外部放電ノイズとの区別を行う（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２６６４９号公報（第２−３頁、図２）

従来のガス絶縁電気装置の部分放電診断方法では、２種の電荷量分布パターンを比較することにより内部部分放電と外部放電ノイズとの区別をしているため、形態の異なる部分放電の種類を特定することが困難であるという問題点があった。
さらに、部分放電による欠陥の進展度を判定することが困難であるという問題点があった。

この発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、形態の異なる部分放電の種類を特定することができ、また部分放電による欠陥の進展度を判定することができるガス絶縁電気装置の部分放電診断方法を得るものである。

この発明に係るガス絶縁電気装置の部分放電診断方法においては、電気機器が収納されて絶縁ガスが充填された金属容器内の部分放電による異常判定を行うガス絶縁電気装置の部分放電診断方法において、部分放電により検出された部分放電信号の発生時間間隔値を算出し、上記電気機器に印加されている印加電圧の極性別に統計的処理により上記発生時間間隔を使ってワイブル分布を求めて、上記発生時間間隔の５０％確率値が時間と共に小さくなるとき絶縁破壊の可能性があると判断するようにしたものである。

この発明は、部分放電により検出された部分放電信号の発生時間間隔値を算出し、電気機器に印加されている印加電圧の極性別に統計的処理により発生時間間隔を使ってワイブル分布を求め、上記発生時間間隔の５０％確率値が時間と共に小さくなることを検出して部分放電による欠陥の進展度を判定することにより、絶縁破壊の可能性を診断することができる。

この発明の実施の形態１におけるガス絶縁電気装置の部分放電診断方法を実施するための構成図である。この発明の実施の形態１におけるガス絶縁電気装置の部分放電診断方法において、印加電圧と部分放電信号とを示す説明図である。この発明の実施の形態１におけるガス絶縁電気装置の部分放電診断方法において、部分放電診断方法を示す説明図である。図４はＳＦ_６ガス中及び空気中の針先放電において検出された部分放電パルスを示す説明図である。実施の形態１の他の実施例であるガス絶縁電気装置の部分放電診断方法を実施するための構成図である。この発明の実施の形態２における部分放電信号の処理方法を示す説明図である。実施の形態２における部分放電信号の処理方法を示す説明図である。実施の形態２における絶縁スペーサの沿面に付着した金属異物による部分放電メカニズムの説明図である。実施の形態２における部分放電信号の処理方法を示す説明図である。この発明の実施の形態３におけるガス絶縁電気装置の部分放電診断方法の説明図である。この発明の実施の形態４におけるガス絶縁電気装置の部分放電診断方法の説明図である。この発明の実施の形態４におけるガス絶縁電気装置の部分放電診断方法の説明図である。この発明の実施の形態４におけるガス絶縁電気装置の部分放電診断方法の説明図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１におけるガス絶縁電気装置の部分放電診断方法を実施するための構成図である。図１において、絶縁ガスのＳＦ₆ガスが充填された金属容器１、２内に交流の高電圧が印加される高圧導体の電気機器３が収納されている。そして、各金属容器１、２間に挿入された絶縁スペーサ４により電気機器３が支持されている。電気機器３の一端側はブッシング５を介して外部機器（図示せず）と接続されている。金属容器１、２内から絶縁スペーサ４を介して気中へ漏洩する部分放電により発生した電磁波信号を金属容器１、２の外部に配置されたアンテナ６で受信する。アンテナ６で受信された電磁波信号を信号増幅器７で増幅し、続いてＡ／Ｄ変換器８でＡ／Ｄ変換した部分放電信号をコンピュータ９へ送る。
一方、電気機器３に印加される印加電圧を分圧器１０で所定の電圧にして、さらにＡ／Ｄ変換器１１でＡ／Ｄ変換したデジタルデータの印加電圧信号をコンピュータ９へ送る。コンピュータ９で演算処理されたデータは記憶手段１２に記憶される。さらに、コンピュータ９で演算された結果は出力手段（図示せず）へ出力される。

図２は、印加電圧と部分放電信号とを示す説明図である。図１及び図２において、電気機器３に印加されている印加電圧波形１３に対してコンピュータ９に取り込まれた部分放電信号１４ａ、１４ｂ、１４ｃが示されている。
Ｔｎは部分放電が発生した時刻、ｑｎは部分放電信号１４ａ〜１４ｃの大きさ（絶対値）、φｎは部分放電が発生した時刻Ｔｎにおける印加電圧の電圧位相、Ｖｎは部分放電が発生したときの印加電圧瞬時値である。Δｔは部分放電の発生時間間隔値で、時刻Ｔｎから時刻Ｔｎ_−１を引いたものである。さらに、部分放電の発生時点から次の発生時点までの印加電圧の差電圧ΔＶｎは時刻Ｔｎにおける印加電圧瞬時値Ｖｎから時刻Ｔｎ_−１における印加電圧瞬時値Ｖｎ_−１を引いたものである。

次に動作について説明する。図３は部分放電診断方法を示す説明図である。図１から図３において、絶縁スペーサ４から漏洩する部分放電により発生した電磁波信号をアンテナ６が受信する。アンテナ６で受信された電磁波信号は信号増幅器７及びＡ／Ｄ変換器８を介してデジタルデータの部分放電信号としてコンピュータ９へ入力される。一方、分圧器１０及びＡ／Ｄ変換器１１を介してデジタルデータの印加電圧信号もコンピュータ９へ入力される。コンピュータ９は入力された部分放電信号及び印加電圧信号をデータの順に１からＮ個までカウントして記憶手段１２に保存する。さらに、コンピュータ９は前段の部分放電信号１４ａと続いて発生した後段の部分放電信号１４ｂとの発生時間間隔値Δｔ（Δｔ＝Ｔｎ−Ｔｎ_−１）、及び部分放電信号１４ｂが発生したときに電気機器３に印加されている印加電圧の電圧位相φｎから演算処理により、図３に示すように部分放電信号の発生時間間隔値Δｔと電気機器３に印加されている印加電圧の電圧位相φとの相関図を作成する。

ここで、接地側で部分放電する場合について説明する。絶縁ガスのＳＦ_６ガス及び空気中の針先放電を比較すると図３に示すように顕著な差異がある。図３（ａ）はＳＦ_６ガス中の針先放電における相関図であり、図３（ｂ）は空気中の針先放電における相関図である。図３から次のことが判る。
（１）針先がマイナス、即ち印加電圧の電圧位相が正極性の場合、ＳＦ_６ガス中での針先放電はある電圧位相φにおける部分放電信号の発生時間間隔値Δｔが１０^−３〜１０^−９秒の広範囲に分布する放電パターンを示す（図３（ａ）参照）。一方、空気中ではΔｔが狭い範囲に集中した放電パターンを示す（図３（ｂ）参照）。
（２）針先がプラス、即ち印加電圧の電圧位相が負極正の場合、ＳＦ_６ガス中での針先放電は発生時間間隔値Δｔが分布１５、１６のように二つの領域に存在する（図３（ａ）参照）。一方、空気中では分布領域が分離した現象が見られない。

ここで、図３に示す部分放電信号の発生時間間隔値Δｔの分布について説明する。図４はＳＦ_６ガス中及び空気中の針先放電において検出された部分放電パルスを示す説明図である。図４（ａ）に示すようにＳＦ_６ガス中では部分放電パルスが密集して発生するが、発生時間間隔値Δｔが一定ではなく、ばらついている。一方、空気中では針先が負極正の場合、部分放電パルスを「トリチェリパルス」と呼称し、図１に示す電気機器３の印加電圧に依存して発生時間間隔が規則的に発生する特徴がある。このように空気中ではＳＦ_６ガス中とは物理現象が異なるので、ＳＦ_６ガス中の針先放電と空気中の針先放電とを区別することができる。

従って、電気機器３の加工時におけるバリや付着したごみ等の突起物（導体固定）による部分放電か、金属容器１、２側のバリや付着したごみ等の突起物（タンク固定）による部分放電かの識別は図３の相関図により可能である。即ち、図１及び図３において、電気機器３に印加されている印加電圧の電圧位相が１８０度から３６０度の範囲に分布１５，１６のように時間領域が発生すれば、コンピュータ９は「タンク固定の突起物による部分放電である」と判別する。一方、電圧位相が０度から１８０度の範囲に分布１５、１６の時間領域が発生すれば、コンピュータ９は「導体固定の突起物による部分放電である」と判別する。

以上のように、部分放電信号の発生時間間隔値と部分放電信号が検出されたときに電気機器３に印加されている印加電圧の電圧位相との相関図を作成し、相関図上の放電パターンにより金属容器１、２内で発生した部分放電を検出するようにしたことにより、絶縁ガス中の部分放電か空気中の部分放電かを判別できると共に、電気機器３側の部分放電か金属容器１，２側の部分放電かを判別することができる。
実施の形態１において、アンテナ６を金属容器１、２の外部に配置したものについて説明したが、図５のガス絶縁電気装置の部分放電診断方法を実施するための構成図に示すように、例えば金属容器１内に配置した内部電極型センサで部分放電信号を受信するようにしてもよい。これにより、他相で発生した空気中での部分放電信号を受信するのを防止できるので、部分放電型センサが受信した部分放電信号は部分放電型センサが配置された相で発生した部分放電のものと特定することができる。

実施の形態２．
図６は実施の形態２における部分放電信号の処理方法を示す説明図である。
まず、ガス絶縁電気装置における浮き電極の放電について説明する。浮き電極とは、金属容器１、２や電気機器３から絶縁された金属であり、例えばガス絶縁電気装置を構成する金属部品の一つが、ボルトの締め付け不良等で電気的に接触不良の状態にある場合に締め付け不良の金属製部品を浮き電極と呼ぶ。
浮き電極の放電は、金属容器１、２や電気機器等との接触不良で発生、あるいは絶縁スペーサ４等との微少ギャップで発生し、部分放電の発生時点から次の発生時点までの印加電圧の差電圧ΔＶｎがほぼ一定の値となる特徴がある。さらに、部分放電は図２に示すようにΔＶ＝Ｖｎ−Ｖｎ_−１のようにΔＶがプラス（＋）になる場合と、ΔＶｎ_＋１＝Ｖｎ_＋１−ＶｎのようにΔＶがマイナス（−）になる場合とがあり、極性効果によりそれぞれの大きさが多少ばらつくことがある。

図６は図１に示す金属容器１、２内で発生した部分放電による部分放電信号が検出されたときに電気機器３に印加されていた印加電圧の印加電圧瞬時値Ｖｎと、続いて発生した部分放電による部分放電信号が検出されたときに電気機器３に印加されていた印加電圧の印加電圧瞬時値Ｖｎ_＋１とのデータを連続的にプロットして作成した相関図である。図６は横軸が時刻Ｔｎにおける印加電圧瞬時値Ｖｎ、縦軸が次に部分放電が発生したときの時刻Ｔｎ_＋１における印加電圧瞬時値Ｖｎ_＋１であり、コンピュータ９により各データを１からＮ個までプロットして、リターンプロットを作成する。なお、図６においては電気機器３に印加される印加電圧の波高値を基準値１ｐ．ｕ．（ｐｅｒｕｎｉｔの略）として示してある。

ここで、例えば差電圧ΔＶが一定であり、部分放電のばらつきがない場合は、データのプロットは２個所に集中する。しかし、実際には部分放電のばらつきがあるためにデータのプロットがばらついて、図６に示すようにほぼΔＶの間隔を保って直線上に並んでプロットされる。電気機器３に印加される印加電圧が変化すると差電圧ΔＶの値も相対的に変化するため、図６におけるプロットの軌跡も印加電圧の値に合わせて変化するが、放電形態が変わらない限り直線上にプロットされて図７に示すような放電パターン１８ａ、１８ｂが得られる。

一方、絶縁スペーサ４の沿面に付着した沿面付着異物による部分放電は図８に示すように２種類がある。図８は絶縁スペーサ４の沿面に付着した金属異物による部分放電メカニズムの説明図である。図８において、電気機器３を支持している絶縁スペーサ４の沿面上に金属異物１９が静電力により付着している。
ここで、金属異物１９から放電形態２０、２１の部分放電が発生している。放電形態２０の部分放電は金属異物１９と絶縁スペーサ４との間で形成される一般にトリプルジャンクションと呼ばれるギャップ間で発生し、浮き電極と同様のメカニズムで発生する。従って、放電形態２０における部分放電による差電圧ΔＶのプロットは図９に示すように、浮き電極の場合（図７参照）と同様に直線上にプロットされた放電パターン２２ａ、２２ｂが得られる。なお、図９は部分放電信号の処理方法を示す説明図である。

次に、放電形態２１の部分放電は金属異物１９から金属容器１、２内の絶縁ガス空間に向かって発生する部分放電であり、電極に固定された針と同様のメカニズムで放電する。従って、絶縁スペーサ４の沿面に付着した金属異物１９の部分放電については、部分放電により発生した部分放電信号が検出されたときに電気機器３に印加されていた印加電圧の印加電圧瞬時値と、続いて発生した部分放電信号が検出されたときに電気機器３に印加されていた印加電圧の印加電圧瞬時値との相関図を作成して図９の放電パターン２２ａ、２２ｂを得ることにより、浮き電極による放電形態２０の部分放電を検出することができる。さらに、実施の形態１と同様に部分放電信号の発生時間間隔値と部分放電信号が検出されたときに電気機器３に印加されている印加電圧の電圧位相との相関図を作成して図９に示す放電パターン２３ａ、２３ｂを得ることにより、針先放電による放電形態２１の部分放電を検出することができる。

また、図６から部分放電開始電圧と部分放電消滅電圧を推測することができる。部分放電開始電圧とは、電気機器３に印加する印加電圧を零から徐々に上昇させていくときに、部分放電が始まる最小の印加電圧である。また、部分放電消滅電圧とは、部分放電が発生している状態から印加電圧を徐々に下降させていき、完全に部分放電がなくなるときの最小の印加電圧である。
一般的な部分放電では、部分放電開始電圧より部分放電消滅電圧の方が低くなる。浮き電極の場合は帯電等の現象を除けば、最初に放電が開始し得る印加電圧は印加電圧のピーク値がΔＶに達したときである。一方、放電が消滅するのはΔＶが印加電圧のピーク値の１／２倍の値に達したときである。例えば、印加電圧１００ｋＶ_０−ｐで、ΔＶが図６の相関図により９０ｋＶ_０−ｐと求められた場合、部分放電開始電圧は９０ｋＶ_０−ｐ、部分放電消滅電圧は４５ｋＶ_０−ｐとなる。

実施の形態３．
図１０は、この発明の実施の形態３におけるガス絶縁電気装置の部分放電診断方法の説明図である。図１、図２及び図１０において、電気機器３に印加されている印加電圧の電圧位相φｎ_−１における前段の部分放電が発生したときの印加電圧瞬時値Ｖｎ_−１と、電圧位相φｎにおける後段の部分放電が発生したときの印加電圧瞬時値Ｖｎとの差電圧ΔＶｎをコンピュータ９により算出する。さらに、部分放電信号の大きさｑが分圧器１０及びＡ／Ｄ変換器１１を介してコンピュータ９に入力される。コンピュータ９は図１０に示すように、部分放電信号の大きさｑに差電圧ΔＶを乗じたｑ×ΔＶと、電気機器３に印加されている印加電圧の電圧位相φとの関係を順次プロットした放電パターン２４ａ、２４ｂ，２４ｃとなる相関図を作成する。部分放電信号の大きさｑと差電圧ΔＶは、それぞれ浮き電極に蓄積された電荷と、例えば浮き電極と金属容器１、２等の対向電極とのギャップ間にかかる電圧との比例関係にあると考えられる。従って、ｑ×ΔＶは浮き電極をコンデンサと仮定した場合のエネルギーに比例していると考えられるので、部分放電の性質を表すパラメータとなり得る。

ここで、浮き電極の部分放電信号の大きさｑは差電圧ΔＶに依存する性質を有する。また、絶縁ガス中の浮き電極は基本的に差電圧ΔＶが一定であると共に部分放電信号の大きさｑも一定である性質を有する。従って、ｑ×ΔＶの値は印加電圧の電圧位相φに依存せずに一定値となるので、浮き電極の判断が可能となる。
実施の形態３において、ｑ×ΔＶと電圧位相φとの相関図を作成して浮き電極の判断をするものについて説明したが、差電圧ΔＶ及び部分放電信号の大きさｑが共に一定であるので、電圧位相φと差電圧ΔＶとの相関図、又は電圧位相φと部分放電信号の大きさｑとの相関図を作成することでも浮き電極の判断をすることができる。
また、浮き電極をコンデンサと考えると、ｑ／ΔＶの値は浮き電極の容量に比例した値となる。絶縁ガス中の浮き電極は容量が一定値であるため、電圧位相φに依存することなく一定値となるため、ｑ／ΔＶと電圧位相φとの相関図を作成することでも浮き電極の判断をすることができる。

実施の形態４．
図１１から図１３は実施の形態４におけるガス絶縁電気装置の部分放電診断方法の説明図である。図１１は電気機器へ印加される印加電圧と部分放電の発生状況を示す説明図である。図１２はワイブル分布を使用した統計的処置を示す。図１３は電気機器へ印加される印加電圧と部分放電信号の発生時間間隔値との相関図である。
図１において、絶縁ガスが封入された金属容器１中で針先放電が発生するように設置して、電気機器３の印加電圧を上昇させて図１１の部分放電信号を観測する。印加電圧を０Ｖから上昇させると、図１１（ａ）に示すように１００μｓｅｃオーダーの範囲の発生時間間隔値Δｔでパルス状の部分放電信号が発生する。続いて、印加電圧を上昇させると、図１１（ｂ）に示すように１０μｓｅｃオーダーの範囲の発生時間間隔値Δｔで部分放電信号が発生する。さらに、印加電圧を上昇させると、図１１（ｃ）に示すように１μｓｅｃオーダーの範囲の発生時間間隔値Δｔで部分放電信号が発生する。そして、印加電圧の上昇を続けると、針先放電は遂に電気的な破壊をして電気機器３と金属容器１間で短絡する。

以上の結果から、部分放電信号の発生時間間隔値Δｔは針先放電による破壊を予測することができる。
部分放電信号の発生時間間隔値Δｔは、図３に示すように１０^−３〜１０^−９秒の広範囲に分布している。そこで、図１２に示すように発生時間間隔値Δｔについてデータの１個目からＮ個目まで、電気機器３に印加される印加電圧の極性別にワイブル分布を使って統計的に処理する。図１２（ａ）は針先が負極性の放電であり、図１２（ｂ）は針先が正極性の放電についてのワイブル分布である。図１２（ａ）より、負極性放電のΔｔ分布は、印加電圧を上昇させると、傾きを同じくしてΔｔが小さくなる傾向を示す。一方、図１２（ｂ）より、正極性放電のΔｔ分布は、印加電圧の上昇に伴って負極性放電と同様にΔｔの低い方へ移行する傾向を示すものの、複雑な混合ワイブル分布となる。

ここで、図１２に示すワイブル分布から、例えば発生時間間隔値Δｔの５０％確率値の分布を数値化して、図１３に示すように印加電圧との関係を整理する。
図１２の縦軸は、一般的によく知られているワイブルプロット確率紙に使われている関数であり、Ｆ（Δｔ）は累積確率分布関数として示される。通常、ワイブルプロットの５０％確率値とは、Ｆ（Δｔ）＝０．５のことであり、具体的な計算値で示すと、縦軸（Ｙ）の値ｌｎｌｎ（１／（１−Ｆ（Δｔ）））＝ｌｎｌｎ（１／（１−０．５））＝―０．３６６５１・・となる。図１２の負極性放電で印加電圧が３６ＫＶの条件のとき、５０％値つまりＹ軸の値が―０．３６６５１となる時のΔｔ_５０％値は、０．０３５ｍｓｅｃとなる。このΔｔ_５０％値＝０．０３５ｍｓｅｃと印加電圧値＝３６ＫＶ（０．３６ｐ．ｕ）の交点を図１３にプロットする。以下、同様にΔｔの５０％値と印加電圧との関係をプロットしたものが図１３となる。なお、図１３において、横軸の印加電圧は破壊電圧の波高値を基準値１ｐ．ｕ．とする。
針先放電は針の長さ、設定場所、ガス絶縁電気装置の構造等によって針先端の電界が変わるので、放電開始電圧や破壊電圧が変化するため、破壊電圧や部分放電の進展状態を印加電圧から推測するのは困難であった。しかし、ガス絶縁電気装置において針先放電による部分放電信号が検出されたときに図１３（ａ）（ｂ）のいずれかの分布により、部分放電が発生する印加電圧が破壊電圧に対して何％に相当するかを推定することができる。これにより針先放電の進展度（破壊電圧までのマージン）を検出することができる。
例えば、図１３の分布（ａ）から負極性Δｔ_５０％＝０．１５ｍｓｅｃとなるときの印加電圧は０．２７ｐ．ｕとなり、破壊電圧までのマージンは１−０．２７＝０．７３ｐ．ｕとなり、破壊電圧まで７３％のマージンがあると推定することができる。また、図１３の分布（ａ）から負極性Δｔ _５０％＝０．００６ｍｓｅｃとなるときの印加電圧は０．６ｐ．ｕとなり、破壊電圧までのマージンは１−０．６＝０．４ｐ．ｕとなり、破壊電圧まで４０％のマージンがあると推定することができる。
実施の形態４において、針先放電の進展度を検出するものについて説明したが、図８に示す絶縁スペーサ４の沿面に付着した金属異物１９のように針先放電の形態を含む複合的な部分放電に対しても同様の効果を期待することができる。

１，２金属容器、３電気機器。

Claims

電気機器が収納されて絶縁ガスが充填された金属容器内の部分放電による異常判定を行うガス絶縁電気装置の部分放電診断方法において、部分放電により検出された部分放電信号の発生時間間隔値を算出し、上記電気機器に印加されている印加電圧の極性別に統計的処理により上記発生時間間隔を使ってワイブル分布を求めて、上記発生時間間隔の５０％確率値が時間と共に小さくなるとき絶縁破壊の可能性があると判断するガス絶縁電気装置の部分放電診断方法。