JP5559638B2

JP5559638B2 - 電力ケーブルの劣化判定方法

Info

Publication number: JP5559638B2
Application number: JP2010186213A
Authority: JP
Inventors: 幸香田中; 友章今井; 亮堂本; 則行秋山
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; J Power Systems Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; J Power Systems Corp
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-08-23
Also published as: JP2012042422A

Description

本発明は、電力ケーブルの劣化判定方法に関し、特に、損失電流の高調波成分による電力ケーブルの劣化判定方法に関するものである。

代表的な電力ケーブルである架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブル（以下、ＣＶケーブルという。）の主な劣化形態は、水トリー劣化である。この水トリー劣化は、ＣＶケーブルの絶縁体中に存在する水分と電界の作用により発生する絶縁体中の変質であり、この変質が時間の経過と共に増大することにより、ＣＶケーブルの絶縁性能を低下させて絶縁破壊に至る場合がある。この水トリー劣化を診断するための劣化診断技術が種々検討されている。

従来の劣化診断技術の一つとして、交流電圧をケーブルおよび標準コンデンサに印加し、損失電流測定ブリッジで試験電圧より９０°進み位相の容量性電流の平衡をとり、ケーブルの損失電流を抽出し、この損失電流中に含まれる高調波電流の大きさと高調波電流の基本波電流に対する位相とを求め、高調波電流の大きさおよび位相と閾値との比較によりケーブルの劣化又は未劣化を判定する電力ケーブルの劣化判定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−２７０２８６号公報

しかしながら、従来技術では、電力ケーブルの「劣化又は未劣化」のみの判定であり、電力ケーブルの残存性能を判定することは難しかった。

従って、本発明の課題は、電力ケーブルの残存性能を精度良く判定することができる電力ケーブルの劣化判定方法を提供することである。

本発明は、上記目的を達成するため、以下の電力ケーブルの劣化判定方法を提供する。

［１］電力ケーブルへの課電電圧を変更しながら損失電流を測定し、前記損失電流の前記課電電圧に対する傾きθを求め、前記傾きθと前記課電電圧に対して０．２〜２．０乗の範囲で設定される任意設定値との比較に応じて使い分けされる劣化指標データベースに基づいて、推定破壊電界を求めることにより前記電力ケーブルの劣化判定を行う方法であって、前記劣化指標データベースは、外部遮蔽層の劣化が激しい前記電力ケーブルについて、予め取得した任意電圧での損失電流の高調波成分と破壊電界との関係からなる第１の劣化指標データベースと、外部遮蔽層の劣化が少ないか劣化が無い前記電力ケーブルについて、予め取得した任意電圧での損失電流の高調波成分と破壊電界との関係からなる第２の劣化指標データベースとを含むことを特徴とする電力ケーブルの劣化判定方法。

［２］電力ケーブルへの課電電圧を変更しながら損失電流を測定し、前記損失電流の前記課電電圧に対する傾きθを求め、前記傾きθと前記課電電圧に対して０．２〜２．０乗の範囲で設定される任意設定値との比較に応じて使い分けされる劣化指標データベースに基づいて、推定残存絶縁厚を求めることにより前記電力ケーブルの劣化判定を行う方法であって、前記劣化指標データベースは、外部遮蔽層の劣化が激しい前記電力ケーブルについて、予め取得した任意電圧での損失電流の高調波成分と残存絶縁体厚（絶縁体厚−水トリー長）との関係からなる第１の劣化指標データベースと、外部遮蔽層の劣化が少ないか劣化が無い前記電力ケーブルについて、予め取得した任意電圧での損失電流の高調波成分と残存絶縁体厚（絶縁体厚−水トリー長）との関係からなる第２の劣化指標データベースとを含むことを特徴とする電力ケーブルの劣化判定方法。

［３］前記課電電圧の周波数は、非商用周波とすることを特徴とする前記［１］又は［２］に記載の電力ケーブルの劣化判定方法。

本発明によれば、損失電流の課電電圧に対する傾きθに応じて劣化指標データベースを使い分けることで、電力ケーブルの残存性能を精度良く判定することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る測定回路の一例を示す図である。図２は、損失電流の課電電圧依存性を示す図である。図３は、任意設定値を課電電圧に対して０．２〜２．０乗の範囲と設定した理由を説明するための図である。図４は、外部遮蔽層の劣化が少ない同一の試料について、課電電圧の周波数を商用周波数と非商用周波数で損失電流の測定を行った場合の、損失電流の課電電圧依存性を示す図である。図５は、本発明の実施の形態に係る電力ケーブルの劣化判定方法の一例を示すフローチャートである。図６は、絶縁破壊に関する劣化指標データベースの一例を示す図である。図７は、残存絶縁体厚に関する劣化指標データベースの一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（測定装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る測定回路の一例を示す図である。同図に示す測定装置１は、ブリッジ回路２を用いたものである。ブリッジ回路２は、可変抵抗Ｒ3および測定対象（試料）の電力ケーブル３が直列接続された回路部分と、抵抗Ｒ4およびコンデンサＣsが直列接続された回路部分とが並列接続されて構成された回路である。コンデンサＣsは、標準コンデンサが用いられる。

また、測定装置１は、可変抵抗Ｒ3と電力ケーブル３との間の中点ａを流れる充電電流（容量性電流＋損失電流）中の「容量性電流」と、抵抗Ｒ4とコンデンサＣsとの間の中点ｂを流れる「容量性電流」の大きさをブリッジ回路２で合わせることにより、損失電流Ｉ_Ｌに比例するａ−ｂ間の電圧を検出し、差動アンプ５で増幅して出力する。また、測定装置１は、交流電源６からの交流電圧をブリッジ回路２に印加する周波数可変トランス１０と、周波数可変トランス１０から課電電圧信号Ｓv、差動アンプ５から損失電流Ｉ_Ｌに比例する電圧を入力して平均化処理を行う平均化処理部８と、損失電流Ｉ_Ｌに比例する電圧に含まれる高調波成分をＦＦＴ解析するＦＦＴ機能付きオシロスオープ９とを備える。

周波数可変トランス１０は、出力周波数を可変できる交流電源６と、高電圧トランス７とで構成される。この高電圧トランス７からの出力波形は、商用電源の周波数（例えば５０Ｈｚ）と異なる周波数を選択することにより、より精度の高い診断が可能となる。この非商用周波数課電の効果については後述する。

平均化処理部８は、非商用周波数の課電電圧信号Ｓvに同期させて差動アンプ５から損失電流Ｉ_Ｌに比例する電圧の平均化処理を行う。

以上の測定装置１によれば、非商用周波数（例えば６０Ｈｚ：東日本５０Ｈｚ地域で測定）で試料に課電し、試料に流れる充電電流（容量性電流＋損失電流）中の容量性電流と、コンデンサＣsに流れる容量性電流のバランスをブリッジでとることにより、損失電流Ｉ_Ｌのみを検出することができる。さらに損失電流Ｉ_Ｌの周波数成分をＦＦＴ解析することにより、基本周波数（課電周波数と同じ）と高調波信号レベルの大きさを測定することができる。

（損失電流の課電電圧依存性）
図２は、損失電流の課電電圧依存性を示す図である。図２中、Ｎｏ．１試料は、外部遮蔽層の劣化が激しいケーブルを示し、Ｎｏ．２試料は、外部遮蔽層の劣化が少ないか劣化が無いケーブルを示す（他の図においても同じ。）。本実施の形態では、損失電流の第３高調波成分に着目した。

Ｎｏ．１試料とＮｏ．２試料の絶縁破壊電界は、後述する図６に示すように、Ｎｏ．１試料が１２ｋＶ／ｍｍ、Ｎｏ．２試料が１５ｋＶ／ｍｍと両者の絶縁破壊電界が近い値になっている。それにもかかわらず、図２に示した損失電流と課電電圧から求まる傾きθは例えば２０ｋＶから５０ｋＶの課電電圧範囲では、Ｎｏ．１試料が０乗、Ｎｏ．２試料が１．４乗と大きく異なった。また、損失電流値は、例えば４５ｋＶ（商用運転電圧）においてＮｏ．１試料が１μA、Ｎｏ．２試料が０．０６μAとＮｏ．１試料のほうが１桁以上大きくなっていた。

そこで、例えば２０ｋＶから５０ｋＶの課電電圧範囲の損失電流の傾きθを求め、この傾きθが任意設定値以上であるか否かに応じて後述する劣化指標データベースを使い分けるようにした。任意設定値は、課電電圧に対して０．２〜２．０乗の範囲で設定する。

（任意設定値を課電電圧に対して０．２〜２．０乗の範囲と設定した理由）
図３は、複数の試料（外部遮蔽層の劣化が激しいケーブルと外部遮蔽層の劣化が少ないケーブル若しくは劣化が無いケーブル）で取得した損失電流の課電電圧依存性を示す。同図より、例えば２０ｋＶから５０ｋＶ課電電圧範囲では外部遮蔽層の劣化が激しいケーブルの課電電圧に対する損失電流の傾きθは、０〜０．２乗である。これに対して外部遮蔽層の劣化が少ないケーブル若しくは劣化が無いケーブルの課電電圧に対する損失電流の傾きθは１．４〜２．０乗である。このため、劣化指標データベースを選択する際の任意設定値を課電電圧に対して０．２〜２．０乗の範囲と設定した。

（損失電流の課電電圧）
図４は、外部遮蔽層の劣化が少ない同一の試料について、課電電圧の周波数を商用周波数と非商用周波数で損失電流の測定を行った場合の、損失電流の課電電圧依存性を示す図である。同図中、○印は非商用周波数の電圧を課電した場合の損失電流を示し、×印は商用周波数の電圧を課電した場合を示す。

図４より、商用周波数課電データと非商用周波数課電データを比較する。例えば２０ｋＶから５０ｋＶ課電電圧範囲の損失電流の傾きθを求めると、非商用周波数課電時は課電電圧に対して２．７乗であり、任意設定値（今回は１．０乗と設定）より大きくなっている。これに対して、商用周波数課電時は課電電圧に対して０．２乗であり、任意設定値（今回は１．０乗と設定）より小さくなる。この原因は、供試料の周辺の商用電源で動作する機器で発生する損失電流高調波の影響を受け、小さな電流（今回の場合３×１０^−７Ａ以下）が正確に検出できなかったためである。この商用周波数課電データの場合、外部遮蔽層の劣化が少ないケーブルにも関わらず「外部遮蔽層の劣化が激しいケーブル」と誤判断し、第１の劣化指標データベースを選択してしまう。これにより、推定破壊電界若しくは推定残存絶縁厚が大きく逸脱する危険がある。これに対して非商用周波数課電では、これら周辺機器からのノイズの影響を受けないため、精度の高い損失電流第３高調波の課電電圧依存性の傾きθが得られ、劣化指標データベースの選択ミスを防ぐことができる。

（電力ケーブルの劣化判定方法）
図５は、本発明の実施の形態に係る電力ケーブルの劣化判定方法の一例を示すフローチャートである。

（１）使用する劣化指標データベースの決定
まず、課電電圧を変更しながら損失電流を測定し（Ｓ１）、損失電流の課電電圧依存性を求める（Ｓ２）。損失電流の課電電圧依存性は、課電電圧に対する損失電流の傾きθを算出することで求める。課電電圧に対する損失電流の傾きθは、例えば、得られたデータを累乗近似し、その近似線から傾きθを求める。また、所定の課電電圧を中心として一定の範囲の課電電圧について直線の傾きθを求めてもよい。

次に、上記ステップＳ２で求めた損失電流の傾きθが任意設定値以上か否かを判断する（Ｓ３）。損失電流の傾きθが任意設定値以上であれば（Ｓ３：Ｙｅｓ）、任意設定値以上のデータでまとめた第２の劣化指標データベースに基づいて推定破壊電界若しくは推定残存絶縁厚を求める（Ｓ４）。任意設定値以下であれば（Ｓ３：Ｎｏ）、任意設定値以上のデータでまとめた第１の劣化指標データベースに基づいて推定破壊電界若しくは推定残存絶縁厚を求める（Ｓ５）。推定した破壊電界若しくは残存絶縁厚と劣化判定基準を比較して劣化判定を行う（Ｓ６）。劣化判定基準例を表１に示す。

（２）絶縁破壊電界の推定
図６は、絶縁破壊に関する劣化指標データベースの一例を示す図である。図６中の○印は複数の外部遮蔽層の劣化が激しいケーブルで予め取得した任意電圧での損失電流の高調波成分と破壊電界との関係を測定した結果であり、これを第１の劣化指標データベースとする。図６中の×印は同様に複数の外部遮蔽層の劣化が少ないケーブル若しくは劣化が無いケーブルで予め取得した任意電圧での損失電流の高調波成分と破壊電界との関係を測定した結果であり、これを第２の劣化指標データベースとする。

損失電流第３高調波成分の課電電圧に対する傾きθと、損失電流第３高調波の大きさが分かれば、図６より電力ケーブルの絶縁破壊電界を精度良く推定することができる。

（３）残存絶縁厚の推定
図７は、残存絶縁体厚に関する劣化指標データベースの一例を示す図である。図７中の○印は複数の外部遮蔽層の劣化が激しいケーブルで予め取得した任意電圧での損失電流の高調波成分と残存絶縁体厚（絶縁体厚−水トリー長）との関係を測定した結果であり、これを第１の劣化指標データベースとする。図７中の×印は同様に複数の外部遮蔽層の劣化が少ないケーブル若しくは外部遮蔽層の劣化が無いケーブルで予め取得した任意電圧での損失電流の高調波成分と残存絶縁体厚（絶縁体厚−水トリー長）との関係を測定した結果であり、これを第２の劣化指標データベースとする。

損失電流第３高調波成分の課電電圧に対する傾きθと、損失電流第３高調波の大きさが分かれば、図７より電力ケーブルの残存絶縁体厚を精度良く推定することができる。

（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（ア）損失電流の課電電圧に対する傾きθに応じた劣化指標データベースを使って電力ケーブルの劣化判定を行うことで、絶縁破壊電界や残存絶縁体厚等の劣化判定を精度良く行うことができる。
（イ）非商用周波数で課電することで、供試料の周辺の商用電源で動作する機器で発生する損失電流高調波の影響を避けることができる。これにより、損失電流の課電電圧に対する傾きθの誤差が小さくなるため、劣化指標データベースの選択ミスの可能性が低減することから、更なる判定精度の向上が図られる。
（ウ）非商用周波数の課電電圧信号に同期させて平均化処理を行えば、さらにノイズレベルの低い高感度で損失電流高調波の検出が可能となる。これにより、損失電流の課電電圧に対する傾きθの誤差が小さくなるため、更なる判定精度の向上が図れる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々な変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、損失電流の傾きθに応じて２つの劣化指標データベースを使い分けたが、３つ以上の劣化指標データベースを使い分けてもよい。

１…測定装置、２…ブリッジ回路、３…電力ケーブル、５…差動アンプ、６…交流電源、７…高電圧トランス、８…平均化処理部、９…ＦＦＴ機能付きオシロスオープ、１０…周波数可変トランス

Claims

電力ケーブルへの課電電圧を変更しながら損失電流を測定し、前記損失電流の前記課電電圧に対する傾きθを求め、
前記傾きθと前記課電電圧に対して０．２〜２．０乗の範囲で設定される任意設定値との比較に応じて使い分けされる劣化指標データベースに基づいて、推定破壊電界を求めることにより前記電力ケーブルの劣化判定を行う方法であって、
前記劣化指標データベースは、外部遮蔽層の劣化が激しい前記電力ケーブルについて、予め取得した任意電圧での損失電流の高調波成分と破壊電界との関係からなる第１の劣化指標データベースと、外部遮蔽層の劣化が少ないか劣化が無い前記電力ケーブルについて、予め取得した任意電圧での損失電流の高調波成分と破壊電界との関係からなる第２の劣化指標データベースとを含むことを特徴とする電力ケーブルの劣化判定方法。
電力ケーブルへの課電電圧を変更しながら損失電流を測定し、前記損失電流の前記課電電圧に対する傾きθを求め、
前記傾きθと前記課電電圧に対して０．２〜２．０乗の範囲で設定される任意設定値との比較に応じて使い分けされる劣化指標データベースに基づいて、推定残存絶縁厚を求めることにより前記電力ケーブルの劣化判定を行う方法であって、
前記劣化指標データベースは、外部遮蔽層の劣化が激しい前記電力ケーブルについて、予め取得した任意電圧での損失電流の高調波成分と残存絶縁体厚（絶縁体厚−水トリー長）との関係からなる第１の劣化指標データベースと、外部遮蔽層の劣化が少ないか劣化が無い前記電力ケーブルについて、予め取得した任意電圧での損失電流の高調波成分と残存絶縁体厚（絶縁体厚−水トリー長）との関係からなる第２の劣化指標データベースとを含むことを特徴とする電力ケーブルの劣化判定方法。
前記課電電圧の周波数は、非商用周波とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力ケーブルの劣化判定方法。