JP5866680B2

JP5866680B2 - 部分放電位置標定方法及び部分放電位置標定装置

Info

Publication number: JP5866680B2
Application number: JP2011182035A
Authority: JP
Inventors: 雅裕小迫; 政幸匹田; 小出　英延; 英延小出
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC; Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC; Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2031-08-23
Also published as: JP2013044616A

Description

本発明は、部分放電位置標定方法及び部分放電位置標定装置に係り、特に変圧器などの巻線を有する静止巻線機器の部分放電位置の標定精度を向上させる技術に関する。

電気機器の絶縁劣化診断は、絶縁破壊の前駆現象として発生する部分放電（ＰＤ：Partial Discharge）を測定することが最も適切である。部分放電の検出は、部分放電が発生する電磁波を検出して部分放電を検出する方法（特許文献１）、あるいは電気機器の電流に重畳して流れる特有の電流に基づいて部分放電を検出する方法（特許文献２）などが提案されている。しかし、特許文献１に記載の電磁波を検出する方法によれば、診断対象機器に予め電磁波を受信するアンテナを組み込む必要がある。したがって、正常時は不要なアンテナを予め設備し、かつ保守しなければならないという問題がある。この点、特許文献２に記載の技術によれば、診断対象機器の電流に重畳して流れる部分放電電流成分は、一般に、クランプ型の電流検出器を診断対象機器の接地線に装着して検出できるから、診断対象機器に格別な設備を設ける必要はない。しかし、同文献の場合は、部分放電が発生した位置を標定することはできないという問題がある。

これに対し、複数の音響センサ（以下、ＡＥセンサという。）を用いて部分放電及びその放電源を特定することが提案されている（特許文献３）。同文献によれば、診断対象である変圧器のタンク外壁に３個以上のＡＥセンサを取り付け、各ＡＥセンサから出力される部分放電音を電気信号に変換した音響信号（以下、ＡＥ信号という。）をウェーブレット変換し、その変換信号に基づいて部分放電の発生及びその放電源の位置を特定することが記載されている。すなわち、変圧器の中性点の接地線に流れる部分放電信号を高周波ＣＴで検知した最初の信号をトリガ信号として、その後に各ＡＥセンサにより検出される部分放電信号を連続して記録する。そして、各ＡＥセンサの部分放電信号にウェーブレット変換を施し、トリガ信号を起点とする経過時間に対応させて、部分放電信号の周波数成分の変化を表す変換信号を生成する。次いで、生成されたウェーブレット変換信号のパターンに基づいて、トリガ信号を起点として放電源からの直達波が各ＡＥセンサに達した到達時間を求め、各ＡＥセンサの到達時間と音波の伝搬速度から放電源と各ＡＥセンサ間の距離を推定し、その距離を半径とする球面の交点を放電源として特定するようにしている。

特開２００９−２５０２０号公報特開平１１−３２６４２９号公報特開２００７−２９２７００号公報

しかしながら、特許文献３に記載の方法では、部分放電音の伝搬速度を一律に設定しているので、放電源と各ＡＥセンサ間に異なる伝搬媒質が存在する構造の場合、距離の推定に誤差が含まれるという問題がある。すなわち、診断対象が巻線機器の場合、一般に、鉄心に巻回された巻線を金属製の容器に収容した構造を有する。この場合、巻線と容器の間の空間には、油、空気、絶縁ガスなどの絶縁材が充填されるから、巻線部に発生した音が放電源から各ＡＥセンサに到達するまでに、部分放電音の伝搬速度が異なる巻線部と絶縁材を通ることになる。したがって、一律に設定した伝搬速度と伝搬時間とに基づいて推定する距離は誤差を含むため、放電源の位置標定の精度が低下することになる。

本発明が解決しようとする第１の課題は、巻線を備えた静止巻線機器の部分放電源の位置が巻線内部か巻線外周面部かを標定できるようにすることにある。
また、本発明が解決しようとする第２の課題は、第１の課題に加えて、部分放電源の位置が巻線内部の場合の部分放電位置標定の精度を向上させることにある。

上記第１の課題を解決するため、本発明の部分放電位置標定方法は、静止巻線機器の外壁に少なくとも１個のＡＥセンサを装着するとともに、前記静止巻線機器の部分放電を検出する部分放電検出器を装着し、前記部分放電検出器の検出信号をトリガとして前記各ＡＥセンサから出力されるＡＥ信号を演算処理装置に入力し、前記ＡＥ信号を記録するとともに、前記ＡＥ信号に基づいて演算処理により前記静止巻線機器の部分放電源の位置を標定する部分放電位置標定方法において、前記静止巻線機器の部分放電源の位置を標定する前記演算処理は、第１と第２と第３の判定処理の少なくとも１つの判定処理を備え、前記放電源が前記静止巻線機器の巻線内部か巻線外周面部に位置するかを判定することを特徴とする。

第１判定処理は、前記ＡＥ信号の直達波の立ち上り時間αを計測し、前記立ち上り時間αが設定値α*以上か否かを比較して前記放電源が前記静止巻線機器の巻線内部か巻線外周面部に位置するかを判定する。ここで、立ち上り時間αとは、ＡＥ信号の直達波の第1波のゼロクロス点からピークまでの時間をいう。したがって、第1波が低周波成分のときはαが長く、第1波が高周波成分を含むときはαが短くなる。
第２判定処理は、前記ＡＥ信号の直達波の到達後の低周波成分と高周波成分を識別し、前記低周波成分の到達時間に対する前記高周波成分の到達時間遅れ（以下、高周波成分の到達時間遅れ又は単に到達時間遅れと略称する。）Δｔを計測し、前記到達時間遅れΔｔが設定値Δｔｓ以上か否かに基づいて、前記放電源が前記静止巻線機器の巻線内部か巻線外周面部に位置するかを判定する。
第３判定処理は、前記ＡＥ信号をウェーブレット変換して得られる変換波形データに基づいて、前記到達時間遅れΔｔを求め、前記到達時間遅れΔｔが設定値Δｔｓ以上か否かに基づいて、前記放電源が前記静止巻線機器の巻線内部か巻線外周面部に位置するかを判定する。

このようにして、１個のＡＥセンサによりＡＥ信号を検出して前記第１乃至第３判定処理の少なくとも１つを実行することにより、前記放電源の位置が巻線内部か巻線外周面部かの判定を行うことができる。そして、判定結果に基づいて、前記部分放電検出器の検出信号が入力されてから前記ＡＥ信号の直達波が前記各ＡＥセンサに到達するまでの到達時間Ｔと、前記巻線内の設定音速と、前記巻線と前記外壁との間に設けられた絶縁材の設定音速とに基づいて、前記各ＡＥセンサから前記放電源までの距離を演算して前記放電源の位置を標定する。なお、放電源の位置を標定する場合は、静止巻線機器の外壁に少なくとも３個のＡＥセンサを装着する必要がある。

上述したように、静止巻線機器の部分放電は、巻線内部で起こる部分放電と、巻線の外周表面又はそれに近い巻線内部（以下、巻線の外周表面部と総称する。）で起こる場合に大きく分けることができる。巻線の外周表面部で発生する部分放電音は、巻線の外周に充填されている油、空気、絶縁ガスなどの絶縁材だけを伝搬してＡＥセンサに到達するから、その到達時間と絶縁材の音速とにより、誤差なく放電源の位置を標定することができる。

しかし、巻線内部で発生した部分放電音は、巻線内部を伝搬して巻線の外周表面部に達し、さらに絶縁材を伝搬してＡＥセンサに到達する。本発明者らの研究によると、音速（伝搬速度）は、伝搬媒質及び周波数によって異なることが判明した。したがって、単に、巻線内部で発生した部分放電音の到達時間を計測しても、部分放電音の伝搬経路中の伝搬媒質が異なれば、放電源の位置を精度よく標定することはできない。

そこで、油入変圧器の部分放電の伝搬をシミュレーションにより解析したところ、部分放電発生音の巻線内部の音速は周波数によって大きな違いがあり、低周波（例えば３０ｋＨｚ）は、高周波（例えば３００ｋＨｚ）に比べて巻線内部の音速が速いことを知見した。つまり、部分放電発生後、ＡＥセンサに到達する直達波は低周波成分が多く、高周波成分は遅れて到達する。この高周波成分の到達時間遅れΔｔは、部分放電発生音の巻線内部の伝搬距離に相関する。したがって、ＡＥ信号の周波数成分を識別して高周波成分の到達時間遅れΔｔを計測し、巻線内部中の音速データを周波数成分に対応して解析し、予めデータテーブルなどに設定しておくことにより、放電源から巻線外周表面までの伝搬距離Ｌｃを推定することができる。

また、トリガ信号を起点としてＡＥセンサに到達する直達波の低周波成分の第１波の到達時間Ｔは、放電源からＡＥセンサまでの伝搬距離Ｌに相関し、伝搬距離Ｌは巻線内部の伝搬距離Ｌｃと絶縁材である油中の伝搬距離Ｌｏの和になる。なお、解析結果によれば、低周波成分の音速Ｖ_Ｌは巻線部と絶縁材でほぼ同じであり、かつ絶縁材中の高周波成分の音速Ｖ_ＨＯと大差がないことが分かった。そこで、後述する解析データに基づいて、低周波成分の音速Ｖ_Ｌを設定音速Ｖ_ＬＳ＝Ｖ_ＨＯ（例えば１４００ｍ／ｓ）としても誤差は少ない。つまり、巻線部と絶縁材中の低周波成分の設定音速Ｖ_ＬＳを予めデータテーブルなどに設定しておき、到達時間Ｔと設定音速Ｖ_ＬＳから、放電源からＡＥセンサまでの伝搬距離Ｌを推定できる。そして、先に求めた放電源から巻線外周表面までの伝搬距離Ｌｃを引くことにより、絶縁材中の伝搬距離Ｌｏを分離して求めることができる。

ここで、第１判定処理の具体的態様は、前記直達波の立ち上り時間αが前記設定値α*以上のとき前記放電源が前記静止巻線機器の巻線内部に位置し、前記直達波の立ち上り時間αが設定値α*未満のとき前記放電源が前記静止巻線機器の巻線の外周面部に位置するものと判定することができる。また、第２又は第３判定処理の具体的態様は、前記到達時間遅れΔｔが設定値Δｔｓ以下のとき前記放電源が前記静止巻線機器の巻線の外周面部に位置し、前記到達時間遅れΔｔが前記設定値Δｔｓを越えたとき前記放電源が前記静止巻線機器の巻線内部に位置するものと判定することができる。

さらに、位置標定処理の具体的な態様は、前記放電源が前記静止巻線機器の巻線外周面部に位置する場合は、前記到達時間Ｔと、前記巻線と前記静止巻線機器の外壁との間に設けられた絶縁材の設定音速に基づいて前記各ＡＥセンサから前記放電源までの距離を演算して前記放電源の位置を標定することができる。
また、前記放電源が前記静止巻線機器の巻線内部に位置する場合は、上述したように、ＡＥ信号の高周波成分の到達時間遅れΔｔを計測し、予めデータテーブルなどに設定された巻線内部の低周波成分の設定音速Ｖ_ＬＳを乗算することにより、放電源から巻線外周表面までの伝搬距離Ｌｃを推定する。また、トリガ信号を起点としてＡＥセンサに到達する直達波の低周波成分の第１波の到達時間Ｔは、放電源からＡＥセンサまでの伝搬距離Ｌ（＝Ｌｃ＋Ｌｏ）に相関する。そこで、到達時間Ｔをデータテーブルなどに設定された低周波成分の設定音速Ｖ_ＬＳを乗算することにより、放電源からＡＥセンサまでの伝搬距離Ｌを推定する。そして、先に求めた放電源から巻線外周表面までの伝搬距離Ｌｃを引いて、絶縁材中の伝搬距離Ｌoを求める。

このようにして求めた絶縁材中の伝搬距離Ｌｏを各ＡＥセンサを中心として巻線外周表面の位置を求める。この位置は、巻線外周表面が円筒状であることから、長円形になる。ここで、部分放電音の伝搬経路は直線であるから、放電源の位置は各ＡＥセンサと巻線外周表面に描いた長円を結んで形成される長円錐の延長線上にあることになる。そこで、この長円錐の延長線上に伝搬距離Ｌｃを延長した長円形を描き、各ＡＥセンサの長円形の交点が求める放電源の位置となる。

なお、前記位置標定処理において、前記放電源が前記静止巻線機器の巻線外周面部に位置する場合には、さらにスネルの法則を適用して前記放電源の位置の合理性を確認することができる。ここで、合理性とは、標定された放電源の位置と前記ＡＥセンサとを結ぶ油中の伝搬経路と、前記ＡＥセンサが取り付けられた外壁内面とのなす音波の入射角が予め設定された範囲内でないときは、前記ＡＥセンサの取り付け位置が不適切であるから、位置を変更して再度標定をやり直す。

以上、本発明を油入変圧器を例に説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、ガス絶縁変圧器にも適用でき、さらに巻線を備えたリアクトルや分路リアクトル等の静止巻線機器の部分放電の位置標定に適用できることは言うまでもない。また、本発明の部分放電位置標定方法を実施する部分放電位置標定装置は、着脱式のＡＥセンサと、着脱式の部分放電検出器と、可搬式のパソコンなどを用いて構成することができる。したがって、本発明の部分放電位置標定装置を診断対象の静止巻線機器に常時設置しておく必要はなく、必要な時に装着して部分放電診断及び部分放電位置標定を簡便に、かつ精度よく行うことができる。

本発明によれば、巻線を備えた静止巻線機器の部分放電源の位置をＡＥセンサを用いて標定するとともに、その標定精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態の部分放電位置標定方法の手順を示すフローチャートである。本発明の部分放電位置標定方法を適用した一実施形態の部分放電位置標定装置のブロック構成図である。本発明の一実施形態の部分放電位置標定方法を適用する一例の油入変圧器の断面構成を示す図である。油入変圧器の巻線最外周表面部（タップ巻線外側）すなわち油中側で部分放電が発生した場合のＡＥ信号の波形図及びウェーブレット変換信号の波形図を示す図である。油入変圧器の１次巻線の外周表面部で部分放電が発生した場合のＡＥ信号の波形図及びウェーブレット変換信号の波形図を示す図である。油入変圧器の２次巻線の外周表面部で部分放電が発生した場合のＡＥ信号の波形図及びウェーブレット変換信号の波形図を示す図である。油入変圧器の３次巻線の外周表面部で部分放電が発生した場合のＡＥ信号の波形図及びウェーブレット変換信号の波形図を示す図である。油入変圧器の３次巻線の内面部（鉄心側）で部分放電が発生した場合のＡＥ信号の波形図及びウェーブレット変換信号の波形図を示す図である。油入変圧器のタンク壁から垂直距離にある放電源の音がＡＥセンサに到達する到達時間との解析結果を示す線図である。部分放電位置標定の一例を説明する図である。部分放電位置標定の一例を説明する図である。スメルの法則を適用して標定の妥当性を評価する一例を説明する図である。

以下、本発明の部分放電位置標定方法の一実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態の部分放電位置標定方法を油入変圧器の部分放電位置標定に適用した場合のフローチャートであり、図２は図１の一実施形態の部分放電位置標定方法を実施する装置の全体構成図である。図２に示すように、本実施形態の部分放電位置標定装置は、静止巻線機器である油入変圧器１の外壁であるタンク壁２に着脱自在に装着可能な少なくとも３個のＡＥセンサ１１Ａ，Ｂ，Ｃを備えている。また、油入変圧器１の中性点接地線３に着脱自在にクランプされた高周波変流器１２を備えている。高周波変流器１２は、接地線３に流れる部分放電電流を検出する部分放電検出器である。ＡＥセンサ１１Ａ，Ｂ，Ｃは、油入変圧器１の内部で発生する部分放電の発生音を電気信号のＡＥ信号に変換する。ＡＥセンサ１１Ａ，Ｂ，Ｃから出力されるＡＥ信号は、それぞれアンプ１３によって増幅処理されて演算処理装置を構成するパソコン１５に入力されている。また、高周波変流器１２の出力である部分放電検出信号は、部分放電位置標定方法を開始するトリガ信号としてパソコン１５に入力されている。また、パソコン１５は、周知のように、中央演算処理装置であるＣＰＵ、記憶装置、液晶表示装置、キーボードやマウスなどの入力装置を備えて構成されている。

図３に、油入変圧器１の内部構造の断面図を示す。同図は、１相の巻線部の軸方向中央部の軸心からタンク壁２までの断面構造を示している。図示のように、巻線部の中心側から鉄心３１，３次巻線３２，２次巻線３３，１次巻線３４、タップ巻線３５が、それぞれ絶縁油層３６を介して配置されている。タップ巻線３５の外周表面からタンク壁２の内表面の間には、絶縁油３７が充填されている。また、タンク壁２の外表面にＡＥセンサ１１が取り付けられている。また、説明の都合上、図中○印により、放電源３８の位置を仮定している。

このように構成される実施形態の部分放電位置標定装置を用いて部分放電の位置を標定する手順について、図１に示したフローチャートに沿って説明する。まず、図２のように、部分放電位置標定装置を設置してパソコン１５を立ち上げて部分放電の位置標定処理を開始する。
（ステップＳ１）
高周波変流器１２からトリガ信号が入力されるとステップＳ２以降の処理が行われる。
（ステップＳ２、Ｓ３）
各ＡＥセンサ１１（Ａ〜Ｃ）からＡＥ信号を取得する。ＡＥ信号が取得されない場合、又は信号強度が不十分な場合は、十分な強度のＡＥ信号が取得されるまで、各ＡＥセンサ１１（Ａ〜Ｃ）の取り付け位置を変更する。

（ステップＳ４）
設定された閾値を超える強度のＡＥ信号が取得されたら、パソコン１５内のメモリに、例えば、図４の上部に示すようなＡＥ信号の波形を記録する。なお、この波形データはディジタル変換された波形データである。
（ステップＳ５）
ここで、静止巻線機器である油入変圧器１の部分放電は、巻線内部で起こる部分放電と、巻線の外周表面部で起こる場合に大きく分けることができる。そこで、ステップＳ５では、取得したＡＥ信号の波形データに基づいて、部分放電の放電源３８がタップ巻線３５よりも内部か、タップ巻線３５よりも外部かを判断する。この判定は、ＡＥ信号の直達波の第１波の立ち上り時間αを計測して行う（第１判定処理）。すなわち、本発明の原理は、巻線内部で部分放電が発生した場合は、ＡＥ信号の高周波成分が遅れて伝搬されることに基づいている。したがって、直達波の第１波の立ち上り時間αを計測すると、第１波に高周波成分が含まれていれば、立ち上り時間αは短くなる。一方、第１波に高周波成分が含まれていなければ、立ち上り時間αは長くなる。そこで、立ち上り時間の設定値α*（例えば、６μｓｅｃ）を設定しておき、α≧α*であれば低周波成分が多いことから、放電源３８が巻線内部に位置することになる。一方、α＜α*であれば放電源３８はタップ巻線３５の外周表面部に位置すると推定できる。

ちなみに、図４のＡＥ信号波形は、放電源３８がタップ巻線３５の外周表面部に位置する例である。また、図５は１次巻線３４の外周表面部に位置する例、図６は２次巻線３３の外周表面部に位置する例、図７は３次巻線３２の外周表面部に位置する例、図８は鉄心３１の表面部に位置する例を、それぞれ示している。ステップＳ５の判定は、第１判定処理により、ＡＥ信号の直達波の第１波の立ち上り時間αの大小で放電源３８が、巻線内部に位置するか、あるいはタップ巻線３５の外周表面部（油中）に位置するかを識別した。これに代えて、第２判定処理により、図４〜図８に示したＡＥ信号の波形図に基づいて、同様な判断をすることができる。

第２判定処理は、ＡＥ信号の直達波の到達後の低周波成分と高周波成分を識別し、到達時間遅れΔｔを計測する。すなわち、図４〜図８に示すように、トリガ信号が入力された時刻Ｔ＝０から、ＡＥ信号の直達波の第１波が到達する到達時間をＴとする。そして、第１波の立ち上りの時間範囲Ａを経て時間範囲Ｂに移行し、さらに時間範囲Ｃに移る。特に、時間範囲ＡとＢを対比すると、図４の場合はそれほど顕著ではないが、他の図５〜図８の例では時間範囲Ａでは低周波成分が多く高周波成分は殆ど識別できない。このことは、時間範囲Ａでは高周波成分の伝搬が遅れていることを示している。この到達時間遅れΔｔは、高周波成分が巻線部において伝搬が遅れることを示しているから、到達時間遅れΔｔは巻線部の伝搬距離に相関する。そこで、到達時間遅れΔｔが予め設定した設定値Δｔｓ以上か否かに基づいて、放電源３８が巻線内部かタップ巻線の外周面部に位置するかを判定することができる。

なお、第１判定処理又は第２判定処理に代えて、後述するウェーブレット変換処理をした変換波形図に基づいて判定する第３判定処理を用いることができる。さらに、第１乃至第３判定処理の２つ又は３つを行って判定することにより、放電源３８が巻線内部か油中かの判別の信頼性を向上することができる。

上述したステップＳ５の判定によって、放電源３８が巻線内部に位置するか、あるいはタップ巻線３５の外周表面部（油中）に位置するかを識別できる。この識別の結果に合わせて、複合絶縁放電位置の標定処理開始Ｓ１０か、油中放電位置の標定処理開始Ｓ２０に移行する。

［放電源の位置が巻線部内部に位置する場合］
（ステップＳ１１）
ここで、放電源３８の位置が、巻線部の軸方向の巻線部中心部か、巻線上下部かを判別する。この判別は、ＡＥ信号の強度及び周波数成分の違いに基づいて行う。ＡＥ信号の強度は、複数の巻線を経由する多重複合絶縁を伝搬すると減衰が大であるから、ＡＥ信号の強度の低下がみられるときは、多重複合絶縁経由と判別する。一方、軸方向の油中を伝搬の場合は減衰が小である。また、巻線部を伝搬しないで巻線の上部又は下部を伝搬する場合は、少数の複合絶縁を伝搬することになり、この場合は減衰が小である。したがって、多重複合絶縁を伝搬した場合は、ＡＥ信号の周波数特性を観察すると、線間ギャップによるピーク周波数成分がＡＥ信号の周波数特性に表れるから、多重複合絶縁経由であると判別でき、放電源３８が巻線の中心部に位置すると判別する。これに対して、少数の複合絶縁を伝搬した場合は、ブロードな周波数特性が表れるから、少数複合絶縁経由であると判別でき、放電源３８の位置が巻線の上部又は下部に位置すると判別する。ステップＳ１１の判定で、放電源３８の位置が巻線部中心であると判別された場合はステップＳ１２に移行し、巻線上下部と判別された場合はステップＳ１５に移行する。

［放電源の位置が巻線中心部に位置する場合］
（ステップＳ１２）
ここでは、ＡＥ信号に周知のウェーブレット変換を施す。ウェーブレット変換して得られる変換波形データは、図４〜図８の下部に示したものになる。すなわち、ウェーブレット変換で得られる変換波形データは、経過時間軸と、周波数分布と、ＡＥ信号強度の情報を備えた波形データである。図４〜図８の下部の波形データにおいて、横軸は経過時間、縦軸は周波数成分、ＡＥ信号強度は濃淡で表される。例えば、図５〜図８において長円４１で囲った部分は、高周波成分（例えば、１００ｋＨｚ以上）がＡＥセンサに到達していない時間帯であることが分かる。この点は、それらの図の上部に示したＡＥ信号の波形図と対応している。

（ステップＳ１３）
ステップＳ１２でウェーブレット変換して得られる変換波形データに基づいて、ＡＥ信号の高周波成分の到達時間遅れΔｔを求める。なお、到達時間遅れΔｔを求めれば、上述したようにステップＳ５の判定に適用できる。つまり、到達時間遅れΔｔが設定値Δｔｓ以上か否かに基づいて、放電源３８が巻線内部か巻線外周面部に位置するかを判定することができる。

（ステップＳ１４）
ここでは、ステップＳ１３で求めた高周波成分の到達時間遅れΔｔに基づいて放電源３８の位置標定をする。まず、トリガ信号が入力されてからＡＥ信号の直達波が各ＡＥセンサ１１Ａ〜１１Ｃに到達するまでの到達時間Ｔを計測する。次に、巻線内の設定音速と、絶縁材である油中の設定音速とに基づいて、各ＡＥセンサ１１Ａ〜１１Ｃから放電源３８までの距離を演算して放電源の位置を標定する。

図９に、油入変圧器１の部分放電の伝搬をシミュレーションにより解析して得られた音速データを示す。同図は、横軸がタンク壁２から油入変圧器１の中心部に至る垂直距離を示し、縦軸が放電源３８からの放電音の到達時間（Ｔ）を示している。図において、◇印は低周波（３０ｋＨｚ）の実測値であり、□印は高周波（３００ｋＨｚ）の実測値である。図中の線５２は放電音の油中及び巻線中の音速データ（ほぼ１４００ｍ／ｓ）である。図中の線５３は、放電音の低周波の巻線中における音速データであり、図中の線５４は、放電音の高周波の巻線中における音速データである。このように、部分放電発生音の巻線内部の音速は周波数によって大きな違いがある。この音速の違いを利用して、到達時間遅れΔｔは、部分放電発生音の巻線内部の伝搬距離に相関することになる。そこで、図９に示すように、巻線内部中の音速データを周波数成分に対応して解析し、予めデータテーブルなどに設定しておくことにより、放電源から巻線外周表面までの伝搬距離Ｌｗを推定することができる。

以下、具体的に説明する。トリガ信号を起点としてＡＥセンサ１１Ａ〜１１Ｃに到達する直達波の低周波成分の第１波の到達時間Ｔは、放電源からＡＥセンサ１１Ａ〜１１Ｃまでの伝搬距離Ｌ（＝Ｌｃ＋Ｌｏ）に相関する。ここで、Ｌｃは巻線内部の伝搬距離、Ｌｏは油中の伝搬距離である。また、図９の音速データによれば、低周波成分の音速は、巻線内部と油中でほぼ同一値（例えば１４００ｍ／ｓ）である。低周波成分の音速を設定音速Ｖ_ＬＳとすると、放電源３８からＡＥセンサ１１Ａ〜１１Ｃまでの伝搬距離Ｌを下式（１）により推定できる。
Ｌ＝Ｌｃ＋Ｌｏ＝Ｔ×Ｖ_ＬＳ（１）
ところで、巻線内部の伝搬距離Ｌｃは、到達時間遅れΔｔに相関する。そこで、伝搬距離Ｌｃは低周波の設定音速Ｖ_ＬＳにより、次式（２）で求めることができる。
Ｌｃ＝Δｔ×Ｖ_ＬＳ（２）
式（１）と（２）から、油中の伝搬距離Ｌｏは、次式（３）で求まる。
Ｌｏ＝Ｌ−Ｌｃ＝Ｔ×Ｖｃ−Δｔ×Ｖ_ＬＳ（３）

このようにして、各ＡＥセンサ１１Ａ〜１１Ｃについて、油中の伝搬距離Ｌｏ_Ａ〜Ｌｏ_Ｃを求め、ＡＥセンサ１１Ａ〜１１Ｃを中心としてタップ巻線の外周表面までの距離Ｌｏ_Ａ〜Ｌｏ_Ｃの位置を求める。図１０、図１１に示すように、タップ巻線の外周表面は円筒状であるから、各距離Ｌｏ_Ａ〜Ｌｏ_Ｃの位置はそれぞれ長円５６Ａ，５６Ｂ・・・の上に位置することになる。ここで、図１０はＡＥセンサ１１Ａ，Ｂから放電源までのＡＥ信号の伝搬経路を油入変圧器１の側面から見た模式図である。また、図１１の左図は、図１０においてＡＥセンサ１１Ａ，Ｂ側から見た放電源の標定位置の候補を示す模式図であり、右図はＡＥセンサ１１Ａ，Ｂから放電源までのＡＥ信号の伝搬経路を油入変圧器１の巻線の上面から見た模式図である。

ところで、部分放電音の伝搬経路は直線であるから、放電源３８の位置は各ＡＥセンサ１１Ａ〜１１Ｃと巻線外周表面に描いた長円５６Ａ，５６Ｂ・・・を結んで形成される長円錐の延長線上にある。そこで、この長円錐の延長線上に伝搬距離ＬｃＡ，ＬｃＢ・・・を延長した長円５７Ａ，５７Ｂ・・・を描き、各ＡＥセンサ１１Ａ〜１１Ｃ同士の長円５７Ａ，５７Ｂ・・・の交点を求める。少なくとも３個のＡＥセンサ１１Ａ〜１１Ｃの長円５７Ａ，５７Ｂ、５７Ｃの交点５８を求めれば、その交点５８が巻線内部の放電源３８の位置として標定することができる。このようにして、巻線内部の放電源３８の位置を標定して処理を終了する。

［放電源の位置が巻線部の上又は下部に位置する場合］
（ステップＳ１５）
ステップＳ１１の判断で、放電源３８の位置が巻線部の上又は下部に位置すると判断された場合は、ステップＳ１５において、ＡＥ信号の強度及び到達時間Ｔを確認する。
（ステップＳ１６）
ステップＳ１５の判断を支援するために、放電源３８が巻線部の上又は下部に位置する場合は、ステップＳ３に戻り、巻線部の上又は下部から十分な強度のＡＥ信号が得られるように、ＡＥセンサ１１Ａ〜１１Ｃの位置を変更し、ステップＳ２〜S１１の処理を繰り返す。
（ステップＳ１７）
ここにおいて、ＡＥ信号の強度及び到達時間遅れΔｔを求めて、巻線単位すなわち３次巻線３２、２次巻線３３、１次巻線３４、タップ巻線３５のどの部位で部分放電が発生したかを判別する。
（ステップＳ１８）
巻線単位でどの巻線の上下部で部分放電が発生したかを判別した結果に基づいて、上記の式（１）〜（３）に基づいて、同様の処理により巻線上下部の位置標定を行って放電源３８の位置を標定して、終了する。

［放電源が巻線の外周面部（油中）に位置する場合］
ステップＳ５の判別で、タップ巻線３５の巻線外周表面部に放電源３８が位置すると判別した場合は、ステップ２０に進んで、ステップＳ２１〜Ｓ２３の処理を行って油中放電源位置標定を行う。
（ステップＳ２１）
ここで、ＡＥ信号にウェーブレット変換を施してウェーブレット変換波形信号を生成する。
（ステップＳ２２）
そして、ウェーブレット変換波形信号に基づいて、トリガ信号が入力されてから放電音が各ＡＥセンサ１１Ａ〜１１Ｃに達する到達時間Ｔを計測する。
（ステップＳ２３）
到達時間Ｔは、発生源３８から油中のみを伝搬して各ＡＥセンサ１１Ａ〜１１Ｃの到達した時間であるから、油中の設定音速Ｖｏ（＝Ｖ_ＬＳ）に基づいて、次式（４）により各ＡＥセンサ１１Ａ〜１１Ｃから放電源３８までの伝搬距離Ｌｏ（ＬｏＡ〜ＬｏＣ）をそれぞれ求める。
Ｌｏ＝Ｔ×Ｖｏ（４）
そして、求めた伝搬距離Ｌｏ（ＬｏＡ〜ＬｏＣ）に基づいて、図１０で説明した手順で、タップ巻線３５の巻線外周表面部の放電源３８の位置を標定して終了する。

（ステップＳ２４）
ステップＳ２４は、適宜選択する付加的な処理であり、ステップＳ２３の放電源３８の位置標定が妥当か否かを、スメルの法則を利用して判断する処理である。すなわち、図１２に示すように、油中の伝搬距離Ｌｏが求まると、ＡＥセンサ１１の位置との関係から、タップ巻線の外周表面の放電源の位置が決まり、これにより放電音の伝搬経路Ｒが決まる。この伝搬経路ＲとＡＥセンサ１１が取り付けられたタンク壁２の内面とがなす立体角である音波の入射角θｉが決まる。この入射角θｉがタンク壁２の材質（鉄）により決まる透過率Ｔにより、全反射する場合は、放電音がＡＥセンサ１１に入射しない。したがって、ＡＥセンサ１１の位置を入射角θｉが予め設定された範囲θｉ*内に収まる位置に変更して、再度、放電源の位置標定を実施する。つまり、図１２において、伝搬経路Ｒ_１の場合は透過角θｔで透過率Ｔにより放電音の一部がタンク壁２を透過してＡＥセンサ１１に入射する。しかし、伝搬経路Ｒ_２の場合は放電音がタンク壁２の内面で全反射し、タンク壁２を透過しないから、ＡＥセンサ１１には放電音が入射しない。

以上、本発明の一実施形態の部分放電位置標定方法を説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、図１の実施形態では、ウェーブレット変換波形に基づいて、到達時間Ｔ、到達時間遅れΔｔを計測する例を示したが、これに代えて、第２の判定処理で説明したＡＥ信号の波形から直接、到達時間Ｔ、到達時間遅れΔｔを計測できる。したがって、ステップＳ１２のウェーブレット変換を省略し、ステップＳ１３でＡＥ信号の波形から到達時間Ｔ、到達時間遅れΔｔを求めて、ステップＳ１４の標定処理を行うことができる。

また、上記実施形態では、本発明を油入変圧器に適用した例に基づいて説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、ガス絶縁変圧器にも適用できる。さらに、巻線を備えたリアクトルなどの静止巻線機器の部分放電の位置標定に適用できることは言うまでもない。

また、上記実施形態の部分放電位置標定装置は、着脱式のＡＥセンサと、着脱式の部分放電検出器と、可搬式のパソコンなどを用いて構成することができるから、診断対象の静止巻線機器に常時装着しておく必要はなく、必要な時に装着して部分放電診断及び部分放電位置標定を簡便に行うことができる。

１油入変圧器
２タンク壁
３中性点接地線
１１（１１Ａ〜１１Ｃ）ＡＥセンサ
１２高周波変流器
１３アンプ
１５パソコン

Claims

静止巻線機器の外壁に少なくとも１個の音響センサを装着するとともに、前記静止巻線機器の部分放電を検出する部分放電検出器を装着し、前記部分放電検出器の検出信号をトリガとして前記各音響センサから出力される音響信号を演算処理装置に入力し、前記音響信号を記録するとともに、前記音響信号に基づいて演算処理により前記静止巻線機器の部分放電源の位置を標定する部分放電位置標定方法において、
前記静止巻線機器の部分放電源の位置を標定する前記演算処理は、
前記音響信号の直達波の立ち上り時間αを計測し、前記立ち上り時間αが設定値α*以上か否かを比較して前記放電源が前記静止巻線機器の巻線内部か巻線外周面部に位置するかを判定する第１判定処理と、
前記音響信号の直達波の到達後の低周波成分と高周波成分を識別し、前記低周波成分の到達時間に対する前記高周波成分の到達時間遅れΔｔを計測し、前記到達時間遅れΔｔが設定値Δｔｓ以上か否かに基づいて、前記放電源が前記静止巻線機器の巻線内部か巻線外周面部に位置するかを判定する第２判定処理と、
前記音響信号をウェーブレット変換して得られる変換波形データに基づいて、前記音響信号の低周波成分の到達時間に対する高周波成分の到達時間遅れΔｔを求め、前記到達時間遅れΔｔが設定値Δｔｓ以上か否かに基づいて、前記放電源が前記静止巻線機器の巻線内部か巻線外周面部に位置するかを判定する第３判定処理の少なくとも１つの判定処理を備えてなることを特徴とする部分放電位置標定方法。
前記第１乃至第３判定処理の少なくとも１つを実行して得られる前記放電源の位置が巻線内部か巻線外周面部かの判定結果に基づいて、前記静止巻線機器の外壁に少なくとも３個の前記音響センサを装着し、前記部分放電検出器の検出信号が入力されてから前記各音響センサから出力される前記各音響信号の直達波が前記各音響センサに到達するまでのそれぞれの到達時間Ｔと、前記巻線内の設定音速と、前記巻線と前記外壁との間に設けられた絶縁材の設定音速とに基づいて、前記各音響センサから前記放電源までの距離を演算して前記放電源の位置を標定する位置標定処理を備えることを特徴とする請求項１に記載の部分放電位置標定方法。
前記第１判定処理は、前記立ち上り時間αが前記設定値α*以上のとき前記放電源が前記静止巻線機器の巻線内部に位置し、前記立ち上り時間αが設定値α*未満のとき前記放電源が前記静止巻線機器の巻線の外周面部に位置するものと判定し、
前記第２又は第３判定処理は、前記到達時間遅れΔｔが設定値Δｔｓ以下のとき前記放電源が前記静止巻線機器の巻線の外周面部に位置し、前記到達時間遅れΔｔが前記設定値Δｔｓを越えたとき前記放電源が前記静止巻線機器の巻線内部に位置するものと判定し、
前記位置標定処理は、前記放電源が前記静止巻線機器の巻線外周面部に位置する場合は、前記各到達時間Ｔと、前記巻線と前記静止巻線機器の外壁との間に設けられた絶縁材の設定音速に基づいて前記各音響センサから前記放電源までの距離を演算して前記放電源の位置を標定し、
前記放電源が前記静止巻線機器の巻線内部に位置する場合は、前記各到達時間遅れΔｔと、巻線内部中の設定音速Ｖ_ＬＳとから、前記放電源から巻線外周表面までの各伝搬距離Ｌｃを推定し、前記各到達時間Ｔと設定音速Ｖ_ＬＳから前記放電源から前記各音響センサまでのそれぞれの伝搬距離Ｌを推定し、前記各伝搬距離Ｌから前記各伝搬距離Ｌｃを差し引いて絶縁材中の各伝搬距離Ｌｏを分離して求め、前記各伝搬距離ＬｏとＬｃに基づいて、前記放電源の位置を標定することを特徴とする請求項２に記載の部分放電位置標定方法。
前記位置標定処理は、前記放電源が前記静止巻線機器の巻線外周面部に位置する場合、さらにスネルの法則を適用して前記放電源の位置の合理性を確認することを特徴とする請求項３に記載の部分放電位置標定方法。
静止巻線機器の外壁に装着される少なくとも３個の音響センサと、前記静止巻線機器の中性点の接地線にクランプされる部分放電を検出する高周波変流器と、前記各音響センサから出力される音響信号と前記高周波変流器の出力信号がトリガ信号として入力される演算処理装置とを備え、前記演算処理装置は前記トリガ信号に基づいて前記音響信号を記憶部に記録するとともに、前記トリガ信号と前記音響信号に基づいて前記静止巻線機器の部分放電源の位置を標定する演算処理部を有してなる部分放電位置標定装置において、
前記演算処理装置は、前記音響信号の直達波の立ち上り時間αを計測し、前記立ち上り時間αが設定値α*以上か否かを比較して前記放電源が前記静止巻線機器の巻線内部か巻線外周面部に位置するかを判定する第１処理部と、
前記音響信号の直達波の到達後の低周波成分と高周波成分を識別し、前記低周波成分の到達時間に対する前記高周波成分の到達時間遅れΔｔを計測し、前記到達時間遅れΔｔが設定値Δｔｓ以上か否かに基づいて、前記放電源が前記静止巻線機器の巻線内部か巻線外周面部に位置するかを判定する第２処理部と、
前記音響信号をウェーブレット変換して得られる変換波形データに基づいて、前記音響信号の低周波成分の到達時間に対する高周波成分の到達時間遅れΔｔを求め、前記到達時間遅れΔｔが設定値Δｔｓ以上か否かに基づいて、前記放電源が前記静止巻線機器の巻線内部か巻線外周面部に位置するかを判定する第３処理部の少なくとも１つの処理部を備え、
前記第１乃至第３処理部の少なくとも１つを実行して得られる前記放電源の位置が巻線内部か巻線外周面部かの判定結果に基づいて、前記トリガ信号が入力されてから前記音響信号の直達波が前記各音響センサに到達するまでの到達時間Ｔと、前記巻線内の設定音速と、前記巻線と前記外壁との間に設けられた絶縁材の設定音速とに基づいて、前記各音響センサから前記放電源までの距離を演算して前記放電源の位置を標定する位置標定処理部を備えることを特徴とする部分放電位置標定装置。
前記第１判定処理は、前記立ち上り時間αが前記設定値α*以上のとき前記放電源が前記静止巻線機器の巻線内部に位置し、前記立ち上り時間αが設定値α*未満のとき前記放電源が前記静止巻線機器の巻線の外周面部に位置するものと判定し、
前記第２又は第３判定処理は、前記到達時間遅れΔｔが設定値Δｔｓ以下のとき前記放電源が前記静止巻線機器の巻線の外周面部に位置し、前記到達時間遅れΔｔが前記設定値Δｔｓを越えたとき前記放電源が前記静止巻線機器の巻線内部に位置するものと判定し、
前記位置標定処理部は、前記放電源が前記静止巻線機器の巻線外周面部に位置する場合は、前記到達時間Ｔと、前記巻線と前記静止巻線機器の外壁との間に設けられた絶縁材の設定音速に基づいて前記各音響センサから前記放電源までの距離を演算して前記放電源の位置を標定し、
前記放電源が前記静止巻線機器の巻線内部に位置する場合は、前記到達時間遅れΔｔと、巻線内部中の設定音速Ｖ_ＬＳとから、前記放電源から巻線外周表面までの伝搬距離Ｌｃを推定し、前記到達時間Ｔと設定音速Ｖ_ＬＳから前記放電源から前記音響センサまでの伝搬距離Ｌを推定し、前記伝搬距離Ｌから前記伝搬距離Ｌｃを差し引いて絶縁材中の伝搬距離Ｌｏを分離して求め、前記伝搬距離ＬｏとＬｃに基づいて、前記放電源の位置を標定することを特徴とする請求項５に記載の部分放電位置標定装置。