JP5350976B2 - 部分放電計測装置 - Google Patents

Description

この発明は、部分放電計測装置に関し、特に、小型のモータ巻線等の絶縁性能測定及び評価において、簡便且つ高感度に計測するオールインワンの部分放電計測装置に関するものである。

電気部品の品質管理試験として部分放電試験が行われている。この部分放電試験は、従来から行われている絶縁抵抗試験や耐電圧試験より高感度に絶縁不良を検出する試験方法として用いられている。

近年、耐環境性能の良い電気機器としてインバータ駆動機器が増加してきている。インバータ駆動機器はインバータサージの発生が知られており、このインバータサージに起因する絶縁損傷の可能性を機器の製造段階で検出して製品信頼性を向上するために、モータなどを含むインバータ駆動機器部品の絶縁信頼性検証に部分放電試験が不可欠となっている。

出力電圧値を任意のパターンによりスイープされる正弦波発振部からの正弦波よりパワーアンプ、トランスで所望の正弦波電圧を発生し、供試物に印加する。正弦波電圧の印加により供試物に流れる電流を抵抗Ｒで検出し、積分部で正弦波の周期と同期した期間毎に積分する。この積分値を、サンプルホールド回路で正弦波の周期と同期してサンプルホールドする構成の部分放電計測装置が紹介されている（例えば、特許文献１参照）。この正弦波の周期と同期した期間は印加電圧の１サイクル毎としている。

また、回転機のフレーム内に受信アンテナを設置し、固定子巻線に発生する部分放電に伴って発生する電磁波を検出する。そして、当該受信アンテナを平板状の受信電極と誘電体を介して受信電極と平行に配置された平板状の接地電極とを備えたパッチアンテナで構成し、このパッチアンテナ自体の緒言で決まる受信の中心周波数が１．０〜２．５ＧＨｚの範囲となるように、かつ、帯域幅が部分放電計測に必要な値として中心周波数の５％以下となるように構成した部分放電計測装置が紹介されている（例えば、特許文献２参照）。

本願が対象としている部分放電は、固体絶縁物の表面に発生する沿面放電や、固体絶縁物中のボイド（空隙）で発生する放電、更に絶縁物のクラックや剥離部で発生する放電、あるいは絶縁物表面の汚損によりトラッキングが発生する状態での部分放電、高電圧部と接地電位との近接欠陥部での部分放電など、多岐にわたる。

放電現象は、その発生形態によって電子なだれ走行の時間が異なるなど部分放電により発生する高周波電流や電磁波の周波数が異なることが知られている（例えば、社団法人 電気学会編集 放電ハンドブック）。このため、部分放電を検出するに際してはその放電形態に適した周波数帯域を選定する必要がある。

このように、部分放電はその発生形態により外部で検出する周波数帯域には特徴的な帯域があり、その検出最適周波数帯域については国内外の研究機関においてそれぞれの研究が進められているが、統一的な結果は発表されていない。

また、部分放電を計測するに際しては、放電とノイズの識別が重要である。特に生産現場である工場では、溶接機やブラシ付回転機などの放電に類似した各種の高周波数ノイズ発生源が存在するため、このことは重要な技術課題となる。

特開平１１−２３７４３０号公報（図１、図２、段落番号００１５〜００１７参照） 特開２００６−２５０７７２号公報（図１、段落番号０００６参照）

部分放電は、放電開始電圧以上では多数パルスが発生することが知られている（例えば、電気学会技術報告第５９３号３章（Ｐ１４〜３６）（１９９６年）、あるいは、平成１１年電気学会全国大会３１５（１９９９年））。このように印加電圧１サイクルで発生する部分放電は数個から多い場合は数１０００個に達する。上記文献ではこれらの多数パルスを計測処理するために計算機を用いて部分放電発生位相角−放電電荷量特性（φ−ｑ特性）や部分放電発生位相角−放電電荷量−放電発生頻度特性（φ−ｑ−ｎ特性）を計測している。

一方、特許文献１記載の部分放電計測装置では、正弦波電圧の印加により供試物に流れる電流を抵抗Ｒで検出し、正弦波の周期と同期した期間毎に積分した値をサンプルホールドして計測している。このように、１サイクルに多数個発生する部分放電現象を期間毎に積分すると高分解能が損なわれるという問題点があった。また、電流検出法では検出周波数が低いためノイズの影響が大きく、放電開始電圧の計測感度が悪いという問題点があった。

また、特許文献１記載の部分放電計測装置では、供試物に流れる電流を抵抗Ｒで検出している。特許文献１には電流検出方法の検出周波数については全く触れられていないが、一般的にこのような電流検出方法では検出周波数帯域は数１００ｋＨｚから数ＭＨｚ程度と低いためノイズの影響が大きい。更に、部分放電発生に伴う高周波電流や電磁波は前述したようにその発生形態や放電の種類によって異なるため、特に部分放電が発生し始める時の微弱な放電信号検出が必要となる放電開始電圧の計測では、計測感度が低いという問題点があった。

さらに、特許文献２記載の部分放電計測装置では、回転電機の運転電圧により発生する部分放電を計測するため、装置構成として高電圧発生手段を含んでいない。このため、巻線機器の製造過程における品質管理試験に適用するためには別途高電圧電源が必要となるという問題点があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、計測ウインドウ毎の最大部分放電強度を計測するので、絶縁劣化に有害な強度が大きい部分放電のみを選択的に計測でき、また、部分放電パルスの格納数を少なくでき、データ転送、読み出し、処理時間が短縮でき、計測処理速度が向上するとともに、帯域の異なる部分放電計測回路の信号を比較することで、部分放電とノイズの判定、電磁波強度の弱い部分放電判定の精度（部分放電検出感度）が更に向上し、周波数帯域が異なる複数の部分放電計測回路で同時に計測することで、あらゆる帯域の部分放電を計測できる部分放電計測装置を得ることを目的とする。

本発明に係る部分放電計測装置は、所定の高電圧発生パターンを示す高電圧発生指令を出力する試験制御手段と、前記高電圧発生指令に基づき所定の高電圧を連続発生して被試験物に印加するとともに、印加電圧のゼロクロスを検出してゼロクロス信号を出力する高電圧発生手段と、前記高電圧発生手段により発生された電圧を前記被試験物に印加するためのケーブルに、前記被試験物内で発生した部分放電の発生に起因して流れる高周波成分の電流、および前記被試験物に印加される電圧を検出する電圧・電流検出手段と、高電圧印加により被試験物で発生する部分放電に伴って発生する電磁波を受信するパッチアンテナと、前記電圧・電流検出手段により部分放電の発生に起因する高周波成分の電流を検出した時点に、前記電圧・電流検出手段により検出された１００Ｈｚ以下の低周波成分の電圧に基づき、部分放電が発生する電圧を計測する電圧計測回路と、前記パッチアンテナにより受信された電磁波に基づき第１の部分放電強度を計測する第１の部分放電計測回路と、前記電圧・電流検出手段により検出された高周波電流に基づき第２の部分放電強度を計測する第２の部分放電計測回路と、前記電圧・電流検出手段により検出された高周波電圧に基づき第３の部分放電強度を計測する第３の部分放電計測回路と、を備え、前記試験制御手段は、前記ゼロクロス信号に基づき、データを間引くための計測ウインドウを生成して前記電圧計測回路、第１の部分放電計測回路、第２の部分放電計測回路、及び前記第３の部分放電計測回路の計測タイミングを制御するとともに、前記第１の部分放電計測回路により計測ウインドウ毎に計測された第１の最大部分放電強度が第１のしきい値より大きい場合、前記第２の部分放電計測回路により計測ウインドウ毎に計測された第２の最大部分放電強度が第２のしきい値より大きい場合、あるいは前記第３の部分放電計測回路により計測ウインドウ毎に計測された第３の最大部分放電強度が第３のしきい値より大きい場合には部分放電が発生したと判定するものである。

本発明に係る部分放電計測装置によれば、計測ウインドウ毎の最大部分放電強度を計測するので、絶縁劣化に有害な強度が大きい部分放電のみを選択的に計測でき、また、部分放電パルスの格納数を少なくでき、データ転送、読み出し、処理時間が短縮でき、計測処理速度が向上するとともに、帯域の異なる部分放電計測回路の信号を比較することで、部分放電とノイズの判定、電磁波強度の弱い部分放電判定の精度（部分放電検出感度）が更に向上し、周波数帯域が異なる複数の部分放電計測回路で同時に計測することで、あらゆる帯域の部分放電を計測できる。

この発明の実施の形態１に係る部分放電計測装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る部分放電計測装置の概略動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る部分放電計測装置の概略動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る部分放電計測装置の高電圧発生パターンを示す図である。 この発明の実施の形態１に係る部分放電計測装置のゼロクロス検出器及び部分放電計測回路の動作を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態２に係る部分放電計測装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る部分放電計測装置のゼロクロス検出器及び部分放電計測回路の動作を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態２に係る部分放電計測装置のゼロクロス検出器及び部分放電計測回路の動作を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の部分放電計測装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る部分放電計測装置について図１から図５までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る部分放電計測装置の構成を示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この発明の実施の形態１に係る部分放電計測装置１は、測定部２と、試験部３とが設けられている。

測定部２は、電源１０と、試験制御手段２０と、高電圧発生手段３０と、高電圧検出手段４０と、信号検出手段５０とが設けられたオールインワンの装置である。

試験部３は、高電圧検出手段４０に接続された高電圧ケーブル６１及び低電圧ケーブル６２と、高電圧ケーブル６１及び低電圧ケーブル６２の間に置かれた被試験物９１と、被試験物９１に近接設置され電磁波９２を受信するパッチアンテナ７１と、パッチアンテナ７１の受信信号を伝送する同軸ケーブル７２とが設けられている。

試験制御手段２０は、放電判定手段２１ａを含むＣＰＵ２１と、表示器２２と、ＲＡＭ２３と、出力ポート２４と、高電圧制御回路２５とが設けられている。なお、高電圧制御回路２５は、ソフトウエアで構成し、ＣＰＵ２１に搭載してもよい。

ＣＰＵ２１には、放電判定手段２１ａ以外にも、計測、制御、ＰＤ（Partial Discharges：部分放電）結果表示を行うソフトウエア（図示せず）を搭載している。また、表示器２２では、試験条件設定と試験結果表示（ともに図示せず）を行う。

高電圧発生手段３０は、発振器３１と、パワーアンプ３２と、変圧器３３と、ゼロクロス検出器３４とが設けられている。

高電圧検出手段４０は、結合コンデンサ４１と、検出インピーダンス４２と、同軸ケーブル４３とが設けられている。

信号検出手段５０は、電圧計測回路５１と、部分放電計測回路５２とが設けられている。電圧計測回路５１は、電圧検出器５１１と、アナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ）５１２とが設けられている。部分放電計測回路５２は、電磁波検出器５２１と、アナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ）５２２とが設けられている。

電圧検出器５１１は、計測対象周波数が５０／６０Ｈｚなので、１００Ｈｚのローパルフィルタ（図示せず）で構成し、アナログ／デジタル変換器５１２では、時々刻々のアナログ信号をＡ／Ｄ変換する。

電磁波検出回路５２１は、１．８ＧＨｚ±１００ＭＨｚバンドパスフィルタと、ログアンプ（Logarithmic Amplifier）と、包絡線検波器（図示せず）と、ピークホールド回路（図示せず）とが設けられている。

つぎに、この実施の形態１に係る部分放電計測装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図２及び図３は、この発明の実施の形態１に係る部分放電計測装置の概略動作を示すフローチャートである。また、図４は、この発明の実施の形態１に係る部分放電計測装置の高電圧発生パターンを示す図である。さらに、図５は、この発明の実施の形態１に係る部分放電計測装置のゼロクロス検出器及び部分放電計測回路の動作を示すタイミングチャートである。

最初に、表示器２２の表示画面において試験条件を設定する（ステップ１０１）。この試験条件は、高電圧発生パターン、印加電圧波形、印加電圧周波数、試験電圧（ｋＶ）、電圧上昇速度（ｋＶ／ｓ）、電圧下降速度（ｋＶ／ｓ）、試験電圧保持時間（ｓ）、ＰＤ判定しきい値などである。これらの試験条件を表示器２２のタッチパネル及びテンキーによりキーインする。印加電圧波形は正弦波（Sin）、三角波（Triangle）から、印加電圧周波数は５０／６０Ｈｚから選定する。

ＣＰＵ２１は、試験条件に従って試験を開始し、試験波形が選択され、予めプログラムされた条件に従い高電圧発生のための高電圧発生パターンのデジタル信号を生成して、高電圧制御回路２５に送る。高電圧制御回路２５は、高電圧発生パターンを示すアナログ信号の高電圧発生指令を発振器３１に送る（ステップ１０２〜１０３）。ここでは、正弦波、６０Ｈｚを選択した場合について説明する。

発振器３１は、高電圧発生指令に従い指定電圧波形を発振して、パワーアンプ３２に伝送する（ステップ１０４）。高電圧発生パターンは、図４に示す通りである。

図４（ａ）は、台形電圧印加パターンＰＡを示す。この台形電圧印加パターンＰＡは、指定電圧まで連続上昇、指定時間保持、連続下降の台形パターンである。上昇、下降時の速度は０．１〜２ｋＶ／ｓの範囲でキーイン指定する。

図４（ｂ）は、ステップ電圧印加パターンＰＢを示す。このステップ電圧印加パターンＰＢは、指定電圧まで連続上昇、その後指定電圧毎にステップ電圧上昇して指定時間保持する。これを繰り返して指定印加電圧まで印加後連続降圧する。

パワーアンプ３２は、パワー発振し、増幅した電圧信号を変圧器３３の一次側に出力する（ステップ１０５）。

ゼロクロス検出器３４は、変圧器３３の一次側に入力される電圧信号の負から正へのゼロクロスを検出して、毎サイクルのゼロクロスＴＴＬ信号を生成してＣＰＵ２１に伝送する。ＣＰＵ２１は、ゼロクロスを基に計測ウインドウＷを生成し、部分放電（ＰＤ）パルスが入力された時に計測ウインドウＷ毎の最大部分放電強度とともにＲＡＭ２３に格納する（ステップ１１１〜１１３）。なお、発振器３１からの発振信号のゼロクロスを検出してゼロクロスＴＴＬ信号を生成してＣＰＵ２１に伝送しても良い。

ゼロクロス検出器３４は、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、印加電圧波形の負から正へのゼロクロスを検出してゼロクロスＴＴＬ信号を生成する。ＣＰＵ２１は、このゼロクロスＴＴＬ信号を基準に、図５（ｃ）に示すように、データを間引くための計測ウインドウＷを生成して、部分放電の計測をスタートする。この計測ウインドウＷは、例えば、５μ秒である。

変圧器３３は、１次／２次の変圧比に従い高電圧を発生する（ステップ１０６）。変圧器３３は、高電圧発生パターンに従った高電圧を被試験物９１に印加する（ステップ１０７）。

被試験物９１に印加された高電圧が被試験物９１の放電開始電圧以上になると部分放電が発生する。この部分放電発生に伴って電磁波９２が放射される。

被試験物９１に高電圧が印加されている間の部分放電に起因する電磁波９２をパッチアンテナ７１で受信する。このパッチアンテナ７１は、中心周波数１．８ＧＨｚ、帯域幅１００ＭＨｚで狭帯域検出する。１．８ＧＨｚ帯の電磁波を狭帯域検出することで、ノイズを抑制して高感度に計測する。受信した部分放電信号は、同軸ケーブル７２により部分放電計測回路５２に転送される。

部分放電計測回路５２は、電磁波検出器５２１に内蔵したログアンプで信号増幅した後、包絡線検波回路（図示せず）で検波してアナログ／デジタル変換器５２２に伝送する。部分放電現象は、数ナノ秒で完結する高速現象であり、この部分放電に伴う電磁波９２はパルス信号となって発生する。電磁波検出器５２１では、発生する全ての部分放電パルスのうち、計測ウインドウＷ毎に最大部分放電強度を検出する。

電磁波検出器５２１で検出した最大部分放電強度は、アナログ／デジタル変換器５２２でデジタル信号に変換されてＣＰＵ２１に伝送される。このアナログ／デジタル変換器５２２は８ｂｉｔの分解能である。

ここで、図５（ｃ）、（ｄ１）、（ｄ２）、（ｄ３）に示すように、第１計測ウインドウＷａの間に３個の部分放電が発生したとすると、部分放電計測回路５２には、パッチアンテナ７１で検出したＰＤ（部分放電）パルスとして、ＡＰａ、ＡＰｂ、ＡＰｃの３個が入力される。この時、電磁波検出回路５２１のピークホールド回路（図示せず）では、ピークホールド信号が生成される。このピークホールド信号の値は、ＰＤパルスＡＰａの入力時にＡＰＨａのレベルとなりホールドされる。次のＰＤパルスＡＰｂが入力された時はＰＤパルスＡＰａより小さいのでピークホールド信号は変わらず、更に次のＰＤパルスＡＰｃが入力された時に、ＡＰＨｃとしてピークホールドする。このようにして、第１計測ウインドウＷａ間の最大ＰＤパルス値（最大部分放電強度）をピークホールドする。このピークホールド値は、同時に生成されるＡ／ＤＷｒｉｔｅ信号の第１計測ウインドウＷａのＡ／Ｄ値ＡＡＤｃとしてＣＰＵ２１によりＲＡＭ２３に格納される（ステップ１３１〜１３２）。

同様に、第２計測ウインドウＷｂでは、第２計測ウインドウＷｂ間の最大ＰＤパルスＡＰｅがピークホールド値ＡＰＨｅとして検出されて、Ａ／Ｄ値ＡＡＤｅとしてＲＡＭ１６に格納される。この動作が試験電圧印加の間、繰返し継続される。

ＣＰＵ２１は、被試験物９１に高電圧が印加され、最初に部分放電が発生した時の印加電圧を放電開始電圧としてＲＡＭ２３に記録する。

変圧器３３で高電圧が発生すると、高電圧ケーブル６１に被試験物９１と並列に接続された結合コンデンサ４１に高電圧が印加される。ここで、結合コンデンサ４１と直列に接続された検出インピーダンス４２とで分圧された電圧検出信号が同軸ケーブル４３により電圧計測回路５１の電圧検出器５１１に伝送される。電圧検出器５１１からの信号は、アナログ／デジタル変換器５１２に伝送され、デジタル信号がＣＰＵ２１に伝送されてＲＡＭ２３に格納される（ステップ１２１〜１２２）。

ＣＰＵ２１は、ゼロクロス検出器３４からのゼロクロスＴＴＬ信号を基にゼロクロスから所定の時間の計測ウインドウＷを生成し、この計測ウインドウＷ毎に全ての回路で計測を実行するように制御する。つまり、電圧計測回路５１、及び部分放電計測回路５２の計測タイミングを制御する。その後、部分放電が発生した時に計測ウインドウＷ毎に、部分放電発生時間、部分放電発生電圧、部分放電計測回路５２で計測した最大部分放電強度をＲＡＭ２３に格納する。

そして、上述したように、部分放電計測回路５２からＣＰＵ２１に伝送された部分放電データは、電圧計測回路５１からＣＰＵ２１に伝送された電圧データ、及びゼロクロス検出器３４からＣＰＵ２１に伝送されたゼロクロスＴＴＬ信号を基に計測された時間データ（最大部分放電発生時刻）とともにＲＡＭ２３に格納される。

高電圧発生手段３０は、高電圧発生パターンに従い、試験電圧まで昇圧した後、指定した試験電圧保持時間だけ同電圧が保持される（ステップ１２４〜１２６）。この間に発生する電磁波９２をパッチアンテナ７１で受信し、部分放電計測回路５２で計測してＲＡＭ２３に格納する。

また、高電圧発生手段３０は、指定した電圧下降速度で印加電圧を下げる（ステップ１２７）。この間にも部分放電を部分放電計測回路５２で計測する。被試験物９１に印加されている高電圧を降圧して被試験物９１の放電消滅電圧以下になると部分放電発生が無くなるので、電磁波９２の放射も止む。部分放電の発生が停止した電圧を放電消滅電圧としてＣＰＵ２１はＲＡＭ２３に記録する。

高電圧発生手段３０は、試験電圧を降下し電圧が０Ｖになった時点で電源を停止する（ステップ１２８〜１２９）。

ＣＰＵ２１は、ＰＤ判定しきい値との比較で部分放電発生を判定すると、放電発生判定、放電発生時刻、放電発生電圧、部分放電強度などの試験結果をリアルタイムで表示器２２に表示する（ステップ１４２）。また、ＣＰＵ２１は、要求があれば、ＲＡＭ１６からノイズを含むデータを読み出して、再度ＰＤ判定しきい値との比較で放電発生判定、放電開始電圧、放電消滅電圧、最大部分放電強度、部分放電発生位相特性などの詳細結果を表示器２２に表示する（ステップ１４３〜１４８）。

放電発生判定は、ＣＰＵ２１内に搭載しソフトウエアで構築した放電判定手段２１ａで部分放電発生を判定する（ステップ１３３〜１３７）。具体的には、ＰＤ判定しきい値より大きい部分放電パルス（部分放電強度）を検出した時に部分放電が発生したと判定する。このＰＤ判定しきい値は、被試験物９１を付けない状態で試験電圧を印加した時に部分放電計測回路５２で計測されるパルス強度をノイズレベルと判断してその値とする。

放電開始電圧は、電圧昇圧時にＰＤ判定しきい値より大きい部分放電パルス（部分放電強度）を最初に検出した電圧とし、その時の電圧と部分放電強度を表示する。

放電消滅電圧は、電圧降圧時にＰＤ判定しきい値より大きい部分放電パルス（部分放電強度）の発生が無くなった時の電圧とし、その時の電圧を表示する。

最大放電強度は、電圧保持時に検出された部分放電パルスの最大強度、及び６０ｐｐｓ（６０パルス／秒）の強度を表示する。

部分放電発生位相特性は、試験電圧保持時間に計測し保存したデータを読み出して電圧印加サイクル毎にゼロクロスを基準にして重ねてプロット表示する。このように表示することで放電が印加電圧のどの位相で発生しているかを表示することができる。さらに、従来蓄積したデータに基づき、絶縁劣化の種類を特定することができる。

部分放電を計測する目的には大別して２つある。第１は、電気機器部品等の製造段階における品質管理のための試験である。第２は、計測対象物の絶縁劣化程度を把握するための試験である。第１の場合は、本来部分放電が発生しない設計で製造した対象物を試験する場合が多く、部分放電発生の有無が問題となる。

部分放電は、どのような対象物でも印加電圧を高くすると発生するという物理的現象である。従って、部分放電発生の有無を問う時は、一定電圧（例えば、１０００Ｖ）を印加し、その印加過程で部分放電が発生するか否か。発生した場合にどれだけの強度の放電が何Ｖで発生したかが問われる。例えば、７５０Ｖで１ｐＣの放電が発生し、８３０Ｖで１０ｐＣの放電が発生し、９１０Ｖで５０ｐＣの放電が発生し、１０００Ｖで１２０ｐＣの放電が発生したとする。この時、計測器の検出感度が５０ｐＣであれば、部分放電開始電圧は９１０Ｖ、１０００Ｖでは１２０ｐＣとの測定結果が得られる。もし、計測器の計測器の検出感度が１０ｐＣであれば、部分放電開始電圧は８３０Ｖ、１０００Ｖでは１２０ｐＣとの測定結果となる。更に、計測器の検出感度が１ｐＣであれば、部分放電開始電圧は７５０Ｖ、１０００Ｖでは１２０ｐＣとの測定結果となる。もしも８００Ｖで使用する部品を５０ｐＣの計測感度の装置で計測し８００Ｖでは放電発生無しと判定した場合に、実際は１ｐＣ程度の放電が発生していることとなり問題となる。

このように、部分放電計測装置の計測感度により部分放電開始電圧の測定結果は変わり、より正確な計測を行う為にはどの程度の高感度計測を行うことができるかが問題となる。本実施の形態はこのような問題を解決するためになされたものである。

このように、本実施の形態によれば、電圧印加時間に発生する全ての部分放電パルスを効率よく計測できる効果がある。また、試験条件設定後スタートボタンＯＮで、交流部分放電計測をオールインワン装置で計測できる。

また、１．８ＧＨｚで狭帯域検出するのでノイズを抑制し高感度に検出できる。このことにより、部分放電開始電圧の検出感度が飛躍的に向上する効果がある。更に、ログアンプで増幅するので、部分放電信号強度が４桁変化するダイナミックレンジをレンジ切り換え無しで計測できるので、切り換え回路が不要となる効果がある。

また、包絡線検波回路で検波するので、パルス幅が数ナノ秒となる高速の部分放電信号をサンプリング速度の遅い低価格のＡ／Ｄ変換器で処理することができる効果がある。（計測回路のバンドパスフィルタにより、部分放電による電磁波を狭帯域検出するので、検出信号は振動波形となる。このため包絡線検波により各パルスの波高値検出が容易となる。）更に、包絡線検波により電圧印加時間に発生する全ての部分放電パルスを効率よく計測できる効果がある。

また、部分放電は絶縁の状態により、健全であれば部分放電は発生しないが、表面状態の汚損や絶縁体の劣化により発生する電荷量は数ピコクーロン（ｐＣ）から数１０万ｐＣに達する。この結果、部分放電発生に伴う電磁波９２の強度は測定する被試験物９１により−９０ｄＢｍから−４０ｄＢｍ程度まで５桁ほど異なる可能性がある。このように測定範囲が５桁の部分放電信号を、ログアンプを用いることで１レンジの計測回路で構成することができる。

この実施の形態では、ゼロクロスの検出はパワーアンプ３２の出力から行うことについて説明したが、電圧検出器５１１において検出しても良い。また、上述したように、発振器３１の発振信号のゼロクロスタイミングをＣＰＵ２１に伝送しても同様の効果を奏する。

実施の形態１の変形例を説明する。この変形例は、計測ウインドウＷを使用しないで、全ての部分放電パルスを入力してＲＡＭ２３に格納する。ＣＰＵ２１は、ゼロクロスを基に時間を計測し、部分放電パルスが入力された時に部分放電パルスとともに計測時間をＲＡＭ２３に格納する。部分放電計測回路５２は、ピークホールド回路が無く、入力された部分放電パルスをそのままＡ／Ｄ変換してＣＰＵ２１へ出力する。この変形例によれば、電圧印加時間に発生する全ての部分放電パルスを効率よく計測できる効果がある。また、試験条件設定後スタートボタンＯＮで、交流部分放電計測をオールインワン装置で計測できる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る部分放電計測装置について図６から図８までを参照しながら説明する。図６は、この発明の実施の形態２に係る部分放電計測装置の構成を示す図である。実施の形態１と同じものは、説明を省略する。

図６において、高電圧検出手段４０Ａは、結合コンデンサ４１と、検出インピーダンス４２と、同軸ケーブル４３と、分岐器（作図上点線の外にある）４４と、高周波変流器（ＲＦＣＴ：Radio Frequency Current Transformer）４５と、高周波ケーブル４６とが設けられている。

信号検出手段５０Ａは、電圧計測回路５１と、部分放電計測回路５２と、部分放電計測回路５３と、部分放電計測回路５４と、データバス５５とが設けられている。

部分放電計測回路５３は、１５０ＭＨｚ検出回路５３１と、アナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ）５３２とが設けられている。部分放電計測回路５４は、６００ＭＨｚ検出回路５４１と、アナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ）５４２が設けられている。

１５０ＭＨｚ検出回路５３１は、１５０ＭＨｚ±１００ＭＨｚバンドパスフィルタと、ログアンプと、包絡線検波器と、ピークホールド回路（全て図示せず）とが設けられている。６００ＭＨｚ検出回路５４１は、６００ＭＨｚ±１００ＭＨｚバンドパスフィルタと、ログアンプと、包絡線検波器と、ピークホールド回路（全て図示せず）とが設けられている。なお、ピークホールド回路のピークホールド時間は全て５μ秒である。

高電圧検出手段４０Ａの結合コンデンサ４１と検出インピーダンス４２に部分放電検出機能を付加した。検出インピーダンス４２に接続された同軸ケーブル４３は、分岐器４４を介して分岐し、一方は上記の実施の形態１と同じく電圧計測回路５１に接続し、他方は部分放電計測回路５４に接続されている。

分岐器４４は、ＬＣフィルタを含む分岐回路であり、検出信号を４００ＭＨｚ以上の高周波成分と１００Ｈｚ以下の低周波成分に分岐し、４００ＭＨｚ以上の高周波成分を部分放電計測回路５４に、１００Ｈｚ以下の低周波成分を電圧計測回路５１に出力する。

この実施の形態２では、ＣＰＵ２１に内蔵された計測処理のためのソフトウエアに変更を加えている。

つぎに、この実施の形態２に係る部分放電計測装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図７及び図８は、この発明の実施の形態２に係る部分放電計測装置のゼロクロス検出器及び部分放電計測回路の動作を示すタイミングチャートである。

３つのＰＤ判定しきい値ＳＡ、ＳＢ、ＳＣは、実施の形態１と同様に、被試験物９１を付けない状態で試験電圧を印加した時に、部分放電計測回路５２、部分放電計測回路５３、部分放電計測回路５４で計測されるパルス強度をノイズレベルと判断してそれらの値とする。

ＣＰＵ２１は、電圧計測回路５１、部分放電計測回路５２、部分放電計測回路５３、及び部分放電計測回路５４の計測タイミングを制御し、ゼロクロス検出器３４からのゼロクロスＴＴＬ信号を基にゼロクロスから所定の時間の計測ウインドウＷを生成する。この計測ウインドウＷ毎に全ての回路で計測を実行する。つまり、部分放電が発生した時に計測ウインドウＷ毎に、部分放電発生時間、部分放電発生電圧、部分放電計測回路５２で計測した部分放電強度、部分放電計測回路５３で計測した部分放電強度、部分放電計測回路５４で計測した部分放電強度をＲＡＭ２３に格納する。

ここで、計測ウインドウＷは５μ秒から５０μ秒の範囲で可変でき、試験条件設定時に決定する。ここでは、計測ウインドウＷを５μ秒とした時の例で説明する。

上記の実施の形態１の変形例では、発生する部分放電の全パルスを計測し格納している。一方、部分放電は、１秒間に数百個から数千個発生する。部分放電を計測して絶縁状態を評価する上で重要なことは、絶縁の状態を反映している部分放電を計測することである。この観点から重要なことは、（１）放電発生の有無を計測する。（２）部分放電が発生する被試験物では部分放電の大きさが絶縁欠陥の大きさや進行度合いを反映していることから、部分放電強度が大きいものを選択的に計測することである。これを実現する装置が本実施の形態２である。

計測動作において、試験条件を設定し、高電圧を発生して被試験物９１に印加するまでの過程は、上記の実施の形態１と同じである。

被試験物９１で部分放電が発生すると、低電圧ケーブル６２、検出インピーダンス４２、結合コンデンサ４１、高電圧ケーブル６１の回路に高周波電流が流れる。この高周波電流を高周波変流器（ＲＦＣＴ）４５で検出して高周波ケーブル４６を介して部分放電計測回路５３に伝送する。

さらに、この高周波電流を検出インピーダンス４２で検出する。検出インピーダンス４２から同軸ケーブル４３を介して伝送される検出信号は、分岐器４４で４００ＭＨｚ以上の高周波成分と１００Ｈｚ以下の低周波成分に分岐される。１００Ｈｚ以下の信号は、電圧計測回路５１に導かれて印加電圧値が計測される。一方、４００ＭＨｚ以上の高周波信号は、部分放電計測回路５４に導かれて部分放電が計測される。同時に、パッチアンテナ７１で電磁波９２を検出して部分放電計測回路５２に伝送する。

ここで、電圧計測回路５１、部分放電計測回路５２、部分放電計測回路５３、部分放電計測回路５４は、計測タイミングがＣＰＵ２１で制御されており、ゼロクロス検出器３４からのゼロクロスＴＴＬ信号を基にゼロクロスから５μ秒毎の計測ウインドウＷが生成され、この計測ウインドウＷ毎に計測する。つまり、部分放電が発生した時に計測ウインドウＷ毎に、部分放電発生時間、部分放電発生電圧、部分放電計測回路５２で計測した部分放電強度、部分放電計測回路５３で計測した部分放電強度、部分放電計測回路５４で計測した部分放電強度を計測しＲＡＭ２３に格納する。

計測した電圧は時々刻々変化しているが、５μ秒毎の計測ウインドウＷの最後の時刻の電圧が記録される。ここで、計測ウインドウＷでの各部分放電計測回路５２、５３、５４の部分放電計測タイミングと、各部分放電パルスのピークホールド回路でのピークホールド値と、部分放電格納Ａ／Ｄタイミングと、Ａ／Ｄ値との関係を図７に示す。

図７を基に各部分放電計測回路５２、５３、５４での計測動作を説明する。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、ゼロクロス検出器３４で印加電圧波形の負から正へのゼロクロスを検出してゼロクロスＴＴＬ信号を生成する。部分放電の計測は、このゼロクロスＴＴＬ信号を基準に計測ウインドウＷを生成してスタートする。計測ウインドウＷは、前述したように５μ秒である。

今、第１計測ウインドウＷａの間に３個の部分放電が発生したとすると、部分放電計測回路５２において、パッチアンテナ７１で検出した部分放電（ＰＤ）パルスとして、ＡＰａ、ＡＰｂ、ＡＰｃの３個が入力される。

この時、電磁波検出回路５２１のピークホールド回路では、ピークホールド信号（Ｐ／Ｈ）が生成される。このピークホールド信号の値は、部分放電パルスＡＰａの入力時にＡＰＨａのレベルとなりホールドされる。次の部分放電パルスＡＰｂが入力された時はＡＰａより小さいのでピークホールド信号は変わらず、更に次の部分放電パルスＡＰｃが入力された時に、ＡＰＨｃとしてピークホールドする。このようにして、第１計測ウインドウＷａ間の最大部分放電パルス値をピークホールドする。このピークホールド値は、同時に生成されるＡ／ＤＷｒｉｔｅ信号の第１計測ウインドウＷａのＡ／Ｄ値ＡＡＤｃとしてＲＡＭ２３に格納される。

同様に、第２計測ウインドウＷｂでは、第２計測ウインドウＷｂ間の最大部分放電パルスＡＰｅがピークホールド値ＡＰＨｅとして検出されて、Ａ／Ｄ値ＡＡＤｅとしてＲＡＭ２３に格納される。この動作が試験電圧印加の間、繰返し継続される。ＣＰＵ２１は、実施の形態１と同様に、放電判定手段２１ａにより、ＰＤ判定しきい値ＳＡより大きいＡ／Ｄ値（部分放電強度）を検出した時に部分放電が発生したと判定し、放電発生判定、放電発生時刻、放電発生電圧、部分放電強度などの試験結果をリアルタイムで表示器２２に表示する。なお、上述したように、ＰＤ判定しきい値ＳＡ以下のノイズを含む全ての発生パルスはＲＡＭ２３に格納される。

部分放電計測回路５３では、高周波変流器４５で検出した部分放電パルスが入力されて、同様の計測動作を行い、第１計測ウインドウＷａではＡ／Ｄ値ＲＡＤｃが、第２計測ウインドウではＡ／Ｄ値ＲＡＤｅがＲＡＭ２３に格納される。ＣＰＵ２１は、実施の形態１と同様に、放電判定手段２１ａにより、ＰＤ判定しきい値ＳＢより大きいＡ／Ｄ値（部分放電強度）を検出した時に部分放電が発生したと判定し、放電発生判定、放電発生時刻、放電発生電圧、部分放電強度などの試験結果をリアルタイムで表示器２２に表示する。なお、上述したように、ＰＤ判定しきい値ＳＢ以下のノイズを含む全ての発生パルスはＲＡＭ２３に格納される。

部分放電計測回路５４では、結合コンデンサ４１と検出インピーダンス４２で検出した部分放電パルスが入力されて、同様の計測動作を行い、第１計測ウインドウではＡ／Ｄ値ＣＡＤｃが、第２計測ウインドウではＡ／Ｄ値ＣＡＤｅがＲＡＭ２３に格納される。ＣＰＵ２１は、実施の形態１と同様に、放電判定手段２１ａにより、ＰＤ判定しきい値ＳＣより大きいＡ／Ｄ値（部分放電強度）を検出した時に部分放電が発生したと判定し、放電発生判定、放電発生時刻、放電発生電圧、部分放電強度などの試験結果をリアルタイムで表示器２２に表示する。なお、上述したように、ＰＤ判定しきい値ＳＣ以下のノイズを含む全ての発生パルスはＲＡＭ２３に格納される。

このようにして、同一計測ウインドウＷ内に複数の部分放電計測回路５２、５３、５４での計測結果が格納される。

電圧保持、電圧下降時の部分放電計測とデータ格納、表示は、上記の実施の形態１と基本的には同じである。

この実施の形態２の図７では、部分放電計測回路５２、５３，５４に入力される同一部分放電パルスの強度は、部分放電計測回路５２が最も大きい例で図示して説明したが、前述したように部分放電の種類によっては異なる周波数帯域で検出する部分放電計測回路５３、あるいは部分放電計測回路５４の方が大きく計測される場合がある。この場合は最も大きく検出する計測回路が放電開始電圧を感度よく計測する結果となる。

図８は、計測ウインドウＷの計測時間を長くした時のピークホールド信号の動作を示す。図８に示すように、例えば、計測ウインドウＷの計測時間を５０μ秒とすると、５０μ秒間の最大強度のみを検出する。このようにすることで、放電強度の大きい有害な放電を選択的に計測することができる。この場合でも、上記したＰＤ判定しきい値ＳＡ、ＳＢ、ＳＣを小さくしておくと、放電開始電圧は高感度に計測することができる。部分放電開始電圧は高感度に計測し、強度が大きい有害部分放電は選択的に計測することができる。

このように、本実施の形態によれば、計測ウインドウＷ毎の最大部分放電強度を計測するので、絶縁劣化に有害な強度が大きい部分放電のみを選択的に計測できる効果がある。また、計測ウインドウＷ毎の最大部分放電強度を計測するので、部分放電パルスの格納数を少なくでき、データ転送、読み出し、処理時間が短縮でき、計測処理速度が向上する効果がある。

さらに、本実施の形態によれば、計測ウインドウＷの時間幅を可変することで、絶縁劣化に有害な強度が大きい部分放電の選択的計測量を制御することができる効果がある。また、より少ない部分放電パルス格納量を用いて、帯域の異なる部分放電計測回路５２、５３、５４の信号を比較することで部分放電とノイズの判定、電磁波強度の弱い部分放電判定の精度（部分放電検出感度）が更に向上する効果がある。

さらに、より少ない部分放電パルス格納量を用いて、ボイド放電や沿面放電などの周波数特性の異なる放電の種類を特定できるとともに放電の判定精度が更に向上する効果がある。

また、部分放電はその発生形態（発生する機構、放電の種類、例えば絶縁体内部）により、放電に伴って発生する高周波電流や電磁波の周波数特性が異なることが知られている。このため、周波数帯域が異なる複数の部分放電計測回路５２、５３、５４で同時に計測することで、あらゆる帯域の部分放電を計測できる効果がある。

さらに、周波数帯域が異なる複数の部分放電計測回路５２、５３、５４で同時に計測することで、１つの部分放電計測回路で計測する場合に比較して、部分放電開始電圧をより高感度に計測でき、放電判定の信頼性が飛躍的に向上する効果がある。

１ 部分放電計測装置、２ 測定部、３ 試験部、１０ 電源、２０ 試験制御手段、２１ ＣＰＵ、２１ａ 放電判定手段、２２ 表示器、２４ 出力ポート、２５ 高電圧制御回路、３０ 高電圧発生手段、３１ 発振器、３２ パワーアンプ、３３ 変圧器、３４ ゼロクロス検出器、４０ 高電圧検出手段、４０Ａ 高電圧検出手段、４１ 結合コンデンサ、４２ 検出インピーダンス、４３ 同軸ケーブル、４４ 分岐器、４５ 高周波変流器、４６ 高周波ケーブル、５０ 信号検出手段、５０Ａ 信号検出手段、５１ 電圧計測回路、５２ 部分放電計測回路、５３ 部分放電計測回路、５４ 部分放電計測回路、５５ データバス、６１ 高電圧ケーブル、６２ 低電圧ケーブル、７１ パッチアンテナ、７２ 同軸ケーブル、９１ 被試験物、９２ 電磁波。

Claims (4)

1. 所定の高電圧発生パターンを示す高電圧発生指令を出力する試験制御手段と、
   前記高電圧発生指令に基づき所定の高電圧を連続発生して被試験物に印加するとともに、印加電圧のゼロクロスを検出してゼロクロス信号を出力する高電圧発生手段と、
   前記高電圧発生手段により発生された電圧を前記被試験物に印加するためのケーブルに、前記被試験物内で発生した部分放電の発生に起因して流れる高周波成分の電流、および前記被試験物に印加される電圧を検出する電圧・電流検出手段と、
   高電圧印加により被試験物で発生する部分放電に伴って発生する電磁波を受信するパッチアンテナと、
   前記電圧・電流検出手段により部分放電の発生に起因する高周波成分の電流を検出した時点に、前記電圧・電流検出手段により検出された１００Ｈｚ以下の低周波成分の電圧に基づき、部分放電が発生する電圧を計測する電圧計測回路と、
   前記パッチアンテナにより受信された電磁波に基づき第１の部分放電強度を計測する第１の部分放電計測回路と、
   前記電圧・電流検出手段により検出された高周波電流に基づき第２の部分放電強度を計測する第２の部分放電計測回路と、
   前記電圧・電流検出手段により検出された高周波電圧に基づき第３の部分放電強度を計測する第３の部分放電計測回路と、を備え、
   前記試験制御手段は、前記ゼロクロス信号に基づき、データを間引くための計測ウインドウを生成して前記電圧計測回路、第１の部分放電計測回路、第２の部分放電計測回路、及び前記第３の部分放電計測回路の計測タイミングを制御するとともに、前記第１の部分放電計測回路により計測ウインドウ毎に計測された第１の最大部分放電強度が第１のしきい値より大きい場合、前記第２の部分放電計測回路により計測ウインドウ毎に計測された第２の最大部分放電強度が第２のしきい値より大きい場合、あるいは前記第３の部分放電計測回路により計測ウインドウ毎に計測された第３の最大部分放電強度が第３のしきい値より大きい場合には部分放電が発生したと判定する
   ことを特徴とする部分放電計測装置。
2. 前記電圧・電流検出手段は、
   前記被試験物に電圧を印加するための高電圧及び低電圧ケーブル間に接続された結合コンデンサ及び検出インピーダンスと、
   前記検出インピーダンスの出力を分岐する分岐器と、
   高電圧又は低電圧ケーブルに接続された高周波変流器とを含み、
   前記検出インピーダンスにより検出され前記分岐器により分岐された１００Ｈｚ以下の低周波成分、前記高周波変流器により検出された１５０ＭＨｚ±１００ＭＨｚの高周波成分、及び前記検出インピーダンスにより検出され前記分岐器により分岐された４００ＭＨｚ以上の高周波成分をそれぞれ出力する
   ことを特徴とする請求項１記載の部分放電計測装置。
3. 前記電圧計測回路は、前記電圧・電流検出手段から出力された１００Ｈｚ以下の低周波成分を部分放電発生電圧とし、
   前記第１の部分放電計測回路は、前記パッチアンテナにより受信された１．８ＧＨｚ±１００ＭＨｚの信号に基づき第１の部分放電強度を計測し、
   前記第２の部分放電計測回路は、前記電圧・電流検出手段から出力された１５０ＭＨｚ±１００ＭＨｚの高周波成分に基づき第２の部分放電強度を計測し、
   前記第３の部分放電計測回路は、前記電圧・電流検出手段から出力された６００ＭＨｚ±１００ＭＨｚの高周波成分に基づき第３の部分放電強度を計測する
   ことを特徴とする請求項２記載の部分放電計測装置。
4. 被試験物に高電圧を印加して絶縁性能を測定するオールインワンの部分放電計測装置であって、
   所定の高電圧発生パターンを示す高電圧発生指令を出力する試験制御手段と、
   前記高電圧発生指令に基づき所定の高電圧を連続発生して被試験物に印加するとともに、印加電圧のゼロクロスを検出してゼロクロス信号を出力する高電圧発生手段と、
   前記高電圧発生手段により発生された電圧を検出する電圧検出手段と、
   高電圧印加により被試験物で発生する部分放電に伴って発生する電磁波を受信するパッチアンテナと、
   前記電圧検出手段により検出された電圧に基づき部分放電発生電圧を計測するとともに、前記パッチアンテナにより受信された受信信号に基づき部分放電強度を計測する信号検出手段とを備え、
   前記試験制御手段、前記高電圧発生手段、前記電圧検出手段、及び前記信号検出手段がオールインワンであり、
   前記試験制御手段は、前記ゼロクロス信号に基づき、データを間引くための計測ウインドウを生成して前記信号検出手段の計測タイミングを制御するとともに、前記信号検出手段により計測ウインドウ毎に計測された最大部分放電強度が所定のしきい値より大きい場合には部分放電が発生したと判定し、
   前記信号検出手段は、
   前記電圧検出手段により検出された１００Ｈｚ以下の電圧に基づき部分放電発生電圧を計測する電圧計測回路と、
   前記パッチアンテナにより受信された１．８ＧＨｚ±１００ＭＨｚの受信信号に基づき部分放電強度を計測する部分放電計測回路とを含む
   ことを特徴とする部分放電計測装置。

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