JP5903029B2 - 絶縁検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、部分放電開始電圧の測定により絶縁検査を行う絶縁検査装置に関する。

回転電機のコイル間などの絶縁体に高電圧が加わると、絶縁体内の空間(ボイド)や絶縁体同士が接する隙間の空間で、部分放電と呼ばれる微小な放電が発生する。印加電圧が交流の場合には、電圧の極性が反転する度に発生する部分放電が、絶縁体を継続的に浸食しやがては絶縁破壊に至らしめる。この部分放電は、平行な電極間で火花放電の生じる電圧がガス圧と電極の間隔との積の関数になるというパッシェンの法則に従って、空間の距離と電界強度とが一定条件を満たすと発生することが知られている。このため、機器内で放電の発生が許されない高電圧機器の製造にあたっては、放電発生条件を満たさないように、印加電圧と絶縁体の厚さ・誘電率等を決定するような設計が行われている。また、設計または製造の段階で、絶縁体の厚さがどの程度あるのかを判断する必要があり、一般的に非破壊検査である部分放電の測定が行われている。これは、部分放電が発生し始める時の印加電圧は、膜厚によって変わることを利用するものである。

特許文献１に開示された技術は、上述の部分放電開始電圧を測定するものであって、印加電圧の周波数や極性を予め定めた値で変化させて測定することにより、部分放電の発生個所を判別するものである。

特開昭６４−１６９７１号公報

しかしながら、上述した部分放電開始電圧の測定方法によれば、部分放電開始電圧の測定値には、コイル表面の汚れや環境湿度に基づく大きなばらつきが発生する。また、印加電圧の周波数によっても部分放電開始電圧の変動量は異なる。例えば、本明細書の図６は、湿度環境を変えて同一試料の部分放電開始電圧を所定時間間隔で繰り返し測定した例を示す。この測定結果に示されるように、部分放電開始電圧の測定値にばらつきが存在する場合、コイル皮膜厚の推定精度が悪くなる。その結果、製造ライン検査においては不良品流出が惹起されるのみならず、この問題に対する対策のため、あらかじめ皮膜厚をより厚く設計する必要があるので、回転電機のコスト増加や占積率低下による回転電機の性能低下を招くことになる。この部分放電開始電圧のばらつきは、図６にも示されるように、特に高湿度環境下で大きく現れる傾向がある。このため、測定環境の湿度をコントロールし、高湿環境を避けることによりばらつきの抑制は可能となるが、この場合、湿度をコントロールするための空調機が必要となるため、設備が大掛かりとなりコスト上昇を招く。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、被測定物の表面の汚れや環境湿度によらず部分放電開始電圧を高精度に測定可能な絶縁検査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、被測定物（１３）に印加する交流電圧の周波数を変更可能な交流電源（７）と、前記交流電源（７）より交流電圧を印加することによって前記被測定物（１３）に生じる部分放電を検出する検出部（１０）とを有し、前記検出部（１０）による部分放電開始電圧の検出結果に基づいて前記被測定物（１３）の絶縁不良を検出する絶縁検査装置であって、前記検出部（１０）による部分放電の検出に先立って、前記交流電源（７）より前記被測定物（１３）に印加する交流電圧の周波数を、所定の条件に基づいて決定する測定周波数判定処理部（１）を備え、前記測定周波数判定処理部（１）は、交流電圧の周波数に対する前記被測定物（１３）の静電容量特性を測定する静電容量測定部（３）を備え、前記静電容量測定部（３）によって測定された静電容量特性に基づいて周波数を決定すると共に、前記測定周波数判定処理部（１）によって決定された周波数にて前記検出部（１０）による部分放電の検出を行うことを特徴とする。

この構成によれば、測定周波数判定処理部（１）が、検出部（１０）による部分放電の検出に先立って、前記交流電源（７）より前記被測定物（１３）に印加する交流電圧の周波数を、交流電圧の周波数に対する被測定物（１３）の静電容量特性に基づいて決定し、その決定された周波数にて前記検出部（１０）による部分放電の検出を行う。よって、被測定物の表面の汚れや環境湿度によらず部分放電開始電圧を高精度に測定し、正確な絶縁検査を行うことができるという優れた効果を奏する。例えば、回転電機のコイル間の絶縁検査に適用した場合は、コイル間の部分放電開始電圧の測定値が変動する条件を予測し、印加電圧の周波数を最適化することができる。それにより、コイル表面の汚れや環境湿度によらず部分放電開始電圧を高精度に測定することができるので、コイル皮膜厚の推定精度が向上して皮膜厚をより薄く設計することができ、回転電機のコスト削減や占積率上昇による回転電機の性能向上が図れるという優れた効果を奏する。

本発明に係る絶縁検査装置の第１実施態様の構成を示すブロック図である。 本発明に係る絶縁検査装置の第２実施態様の構成を示すブロック図である。 本発明に係る絶縁検査装置の第３実施態様の構成を示すブロック図である。 被測定物の静電容量と被測定物に印加する交流電源の周波数との関係を示すグラフである。 被測定物の部分放電開始電圧と被測定物に印加する交流電源の周波数との関係を示すグラフである。 被測定物の部分放電開始電圧と環境湿度との関係を示すグラフである。 本発明に係る絶縁検査装置の第１実施態様の作動を示す流れ図である。 本発明に係る絶縁検査装置の第２実施態様の作動を示す流れ図である。 本発明に係る絶縁検査装置の第３実施態様の作動を示す流れ図である。 本発明に係る絶縁検査装置の第４実施態様の作動を示す流れ図である。

以下、本発明を具体化した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分又は同一機能を有する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。

（第１実施態様）
図１に示すように、第１実施態様の絶縁検査装置は、測定周波数判定処理部１及び部分放電測定部２からなる。部分放電測定部２は、公知の構成を有し、交流電源７、インピーダンス素子８、結合コンデンサ９、検出部１０、出力部１１、リレースイッチ１２及び被測定物１３を備える。

交流電源７の交流電圧は、インピーダンス素子８とリレースイッチ１２を介して被測定物１３に印加される。被測定物１３としての回転電機のコイル導体間には、絶縁体内の空間(ボイド)や絶縁体同士が接する隙間の空間が存在する。その空間には、コイル間の印加電圧による電界が集中するため、部分放電が発生する。部分放電電流は、鋭いパルス状であって高い周波数成分を含むので、そのパルス信号はリレースイッチ１２が閉状態のとき、高周波を遮断するインピーダンス素子８に阻止され、高周波を導通させる結合コンデンサ９を通じて検出部１０に入力される。

検出部１０としては、パルス信号を様々な方式で計測する装置が市販されており、回転電機の絶縁検査に適したものを選択することができる。検出部１０の計測結果は出力部１１で処理され目的に応じた態様で出力される。

測定周波数判定処理部１は、リレースイッチ６を介して被測定物１３に接続される静電容量測定部３と、静電容量測定部３が測定した静電容量値に基づいて測定周波数を判定する測定周波数判定部４と、測定周波数判定部４が判定し決定した周波数情報を受信して交流電源７に電圧と周波数の値を指令する周波数・電圧指令部５とを備える。静電容量測定部３は、被測定物１３に通電する交流電流とその位相角により静電容量を測定するなどの方式のものである。

第１実施態様の絶縁検査装置の作動を図７の流れ図により説明する。リレースイッチ６をＯＮにし、リレースイッチ１２をＯＦＦにする（Ｓ１１）。これにより、部分放電測定部２は無効となり、測定周波数判定処理部１が有効となる。そして、図４に示すような静電容量の周波数特性を測定する（Ｓ１２）。

図４及び図５において、静電容量特性１４は、コイル表面が油脂等で汚染された被測定物１３のものであり、部分放電開始電圧の測定値変動が大きい。一方、静電容量特性１５は、コイル表面が油脂等で汚染されていない被測定物１３のものであり、部分放電開始電圧の測定値変動は小さい。また、周波数Ａは、従来一般的に絶縁検査が実施されている商用周波数（５０ＨＺ）である。図４及び図５から明らかなように、周波数Ａによる測定においては、各被測定物１３によってその静電容量が大きく異なるとともに、部分放電開始電圧の測定値変動が大きい。なお、各被測定物１３によって静電容量が変化するのは、皮膜表面の汚れ状態と湿度条件が変わることで皮膜表面の濡れ性(表面抵抗)が変化し、コイル間表面の電荷移動量が変化するためと考えられる。このとき、低周波ほど静電容量が大きくなるのは、低周波ほど電荷の移動量が多いためと推定される。また、静電容量が大きくなる条件としては湿度が高いほど顕著に発生する傾向がある。このように、部分放電開始電圧が変動するのは、コイル表面の濡れ性が変わることでコイル間の電位差が変動するためと推定される。

図４及び図５において、周波数Ｂは、周波数Ａの周波数からより高い周波数に移行したものである。グラフで示された周波数に対する静電容量の周波数Ｂにおける傾き（変化量）は、グラフで示された周波数に対する静電容量の周波数Ａにおける傾き（変化量）よりも小さくなっている。そして、周波数Ｂによる測定においては、各被測定物１３によってその静電容量の変化は周波数Ａのときより小さくなるとともに、部分放電開始電圧の測定値変動も小さくなる。このように、コイル間静電容量の増加率が急変しない条件にまで印加電圧の周波数を増加させることにより部分放電開始電圧の測定ばらつきを低減させることができる。

測定周波数判定部４は、周波数Ｂにおける静電容量の変化量を周波数決定条件の所定値として格納している。また、部分放電はコイルの皮膜を僅かずつ損傷し、印加電圧の周波数が高いほど時間当たりの放電数が多くなって損傷を拡大させるので、測定時の印加電圧の周波数はできる限り低くする必要がある。それらの兼ね合いを考慮して、測定周波数判定部４は、グラフで示された周波数に対する静電容量の変化量が所定値以下となる周波数Ｂを測定周波数として判定する（Ｓ１３）。

リレースイッチ６をＯＦＦにし、リレースイッチ１２をＯＮにする（Ｓ１４）。そして、Ｓ１３で決定された周波数の電圧を周波数・電圧指令部５から交流電源７に指令して部分放電開始電圧の検査を実施する（Ｓ１５）。部分放電開始電圧の検査結果が出力部１１から出力される（Ｓ１６）。

（第２実施態様）
図２に示すように、第２実施態様の絶縁検査装置は、測定周波数判定処理部１及び部分放電測定部２からなる。部分放電測定部２は、公知の構成を有し、交流電源７、インピーダンス素子８、結合コンデンサ９、検出部１０、出力部１１及び被測定物１３を備える。

交流電源７の交流電圧は、インピーダンス素子８を介して被測定物１３に印加される。被測定物１３としての回転電機のコイル導体間には、絶縁体内の空間(ボイド)や絶縁体同士が接する隙間の空間が存在する。その空間には、コイル間の印加電圧による電界が集中するため、部分放電が発生する。部分放電電流は、鋭いパルス状であって高い周波数成分を含むので、そのパルス信号は高周波を遮断するインピーダンス素子８に阻止され、高周波を導通させる結合コンデンサ９を通じて検出部１０に入力される。

測定周波数判定処理部１は、被測定物１３周辺の環境温度及び環境湿度を検出する温・湿度検出部１６と、温・湿度検出部１６が測定した湿度値に基づいて測定周波数を決定する測定周波数決定部１７と、測定周波数決定部１７が決定した周波数情報を受信して交流電源７に電圧と周波数の値を指令する周波数・電圧指令部５とを備える。

第２実施態様の絶縁検査装置の作動を図８の流れ図により説明する。温・湿度検出部１６は、被測定物１３周辺の環境湿度を検出してその情報を測定周波数決定部１７へ送信する（Ｓ２１）。測定周波数決定部１７は、予め湿度と部分放電開始電圧との関係を記録して示す図６のようなグラフや、予め湿度を関数とし周波数と部分放電開始電圧との関係を記録して示す図５のようなグラフのデータに基づいて作成したマップデータによって、検出した湿度において部分放電開始電圧のばらつきが少なくなる最適な測定周波数を決定する（Ｓ２２）。そして、Ｓ２２で決定された周波数の電圧を周波数・電圧指令部５から交流電源７に指令して部分放電開始電圧の検査を実施する（Ｓ２３）。部分放電開始電圧の検査結果が出力部１１から出力される（Ｓ２４）。

（第３実施態様）
図３に示すように、第３実施態様の絶縁検査装置は、測定周波数判定処理部１及び部分放電測定部２からなる。部分放電測定部２は、公知の構成を有し、交流電源７、インピーダンス素子８、結合コンデンサ９、検出部１０及び被測定物１３を備える。部分放電測定部２の作用は、第２実施態様のものと同一であるから重複を避けるため、その記載を省略する。

測定周波数判定処理部１は、検出部１０からの部分放電検出信号を受信して部分放電開始電圧が安定する周波数を判定する部分放電開始電圧判定部１８と、部分放電開始電圧判定部１８が判定した周波数情報を受信して交流電源７に電圧と周波数の値を指令する周波数・電圧指令部５と、部分放電開始電圧判定部１８が検出部１０から受信した部分放電検出信号に基づいて適宜な処理を行って絶縁検査結果を出力する出力部１１とを備える。

第３実施態様の絶縁検査装置の作動を図９の流れ図により説明する。周波数・電圧指令部５は、商用周波数からそれ以上の周波数まで所定のステップで周波数を上げた電圧が被測定物１３に印加されるよう、交流電源７に指令を出力する（Ｓ３１）。部分放電測定部２は、周波数毎による部分放電開始電圧の測定を所定の全周波数について行う（Ｓ３２、Ｓ３３）。部分放電開始電圧判定部１８は、部分放電開始電圧の測定値が安定したか否かを判定する（Ｓ３４）。部分放電開始電圧の検査結果が出力部１１から出力される（Ｓ３５）。

（第４実施態様）
第４実施態様の絶縁検査装置の作動を図１０の流れ図により説明する。第４実施態様は、第１実施態様における警報機能に関するものである。したがって、第４実施態様の絶縁検査装置の構成は図１に示される。

リレースイッチ６をＯＮにし、リレースイッチ１２をＯＦＦにする（Ｓ４１）。これにより、部分放電測定部２は無効となり、測定周波数判定処理部１が有効となる。そして、図４に示すような静電容量の周波数特性を測定する（Ｓ４２）。測定周波数判定部４は、グラフで示された周波数に対する静電容量の変化量が所定値以下となる周波数Ｂを測定周波数として判定する（Ｓ４３）。判定された周波数が所定の上限周波数より大きいか否かが判断される（Ｓ４４）。上限周波数は、交流電源７の仕様能力が周波数の高域まで達していないときや、静電容量の周波数特性がグラフ上での周波数に対する静電容量の大きな変化を周波数の高域まで有する劣等なものであるときに、ばらつきのあるデータの取得を未然に防止するため設けられる。

判定された周波数が所定の上限周波数より大きいときには、警告を出力する（Ｓ４５）。判定された周波数が所定の上限周波数より大きくないときには、リレースイッチ６をＯＦＦにし、リレースイッチ１２をＯＮにする（Ｓ４６）。そして、Ｓ４３で決定された周波数の電圧を周波数・電圧指令部５から交流電源７に指令して部分放電開始電圧の検査を実施する（Ｓ４７）。部分放電開始電圧の検査結果が出力部１１から出力される（Ｓ４８）。

以上詳述したことから明らかなように、本実施形態に係る絶縁検査装置は、被測定物１３に印加する交流電圧の周波数を変更可能な交流電源７と、交流電源７より交流電圧を印加することによって被測定物１３に生じる部分放電を検出する検出部１０とを有し、検出部１０による部分放電開始電圧の検出結果に基づいて被測定物１３の絶縁不良を検出するものであって、検出部１０による部分放電の検出に先立って、交流電源７より被測定物１３に印加する交流電圧の周波数を、所定の条件に基づいて決定する測定周波数判定処理部１を備え、測定周波数判定処理部１によって決定された周波数にて検出部１０による部分放電の検出を行う。これにより、コイル間の部分放電開始電圧の測定値が変動する条件が予測でき、印加電圧の周波数を最適化することができるので、部分放電開始電圧を高精度に測定することができる。そのため、コイル皮膜厚の推定精度が向上して皮膜厚をより薄く設計することができ、回転電機のコスト削減や占積率上昇による回転電機の性能向上が図れるという優れた効果を奏する。

また、測定周波数判定処理部１は、被測定物１３の交流電圧の周波数に対する静電容量特性を測定する静電容量測定部３によって測定された静電容量特性に基づいて周波数を決定し、被測定物１３に印加する交流電圧の周波数の変化量に対する被測定物１３の静電容量の変化量が所定値以下となる条件で周波数を決定するので、部分放電開始電圧を測定する交流電源７の周波数を的確かつ容易に判定することができる。

また、測定周波数判定処理部１にて決定された周波数が所定の上限周波数を超えたとき警告を出力するので、ばらつきのあるデータの取得を未然に防止することができ、高効率に絶縁検査を行うことができる。

また、測定周波数判定処理部１は、被測定物１３の環境湿度と、部分放電開始電圧との関係に基づいて周波数を決定するので、部分放電開始電圧を測定する交流電源７の周波数を的確かつ容易に判定することができる。

また、測定周波数判定処理部１は、被測定物１３における部分放電開始電圧の安定度合に基づいて周波数を決定するので、静電容量や湿度の測定を要せず、部分放電開始電圧を測定する交流電源７の周波数を的確かつ容易に判定することができる。

なお、本発明は、当業者の知識に基づいて様々な変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものを含む。また、前記変更等を加えた実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りいずれも本発明の範囲内に含まれるものであることは言うまでもない。

１ 測定周波数判定処理部
２ 部分放電測定部
４ 測定周波数判定部
５ 周波数・電圧指令部
７ 交流電源
１０ 検出部
１３ 被測定物
１４、１５ 静電容量特性

Claims (3)

1. 被測定物（１３）に印加する交流電圧の周波数を変更可能な交流電源（７）と、前記交流電源（７）より交流電圧を印加することによって前記被測定物（１３）に生じる部分放電を検出する検出部（１０）とを有し、前記検出部（１０）による部分放電開始電圧の検出結果に基づいて前記被測定物（１３）の絶縁不良を検出する絶縁検査装置であって、
   前記検出部（１０）による部分放電の検出に先立って、前記交流電源（７）より前記被測定物（１３）に印加する交流電圧の周波数を、所定の条件に基づいて決定する測定周波数判定処理部（１）を備え、
   前記測定周波数判定処理部（１）は、交流電圧の周波数に対する前記被測定物（１３）の静電容量特性を測定する静電容量測定部（３）を備え、前記静電容量測定部（３）によって測定された静電容量特性に基づいて周波数を決定すると共に、
   前記測定周波数判定処理部（１）によって決定された周波数にて前記検出部（１０）による部分放電の検出を行うことを特徴とする絶縁検査装置。
2. 前記測定周波数判定処理部（１）は、前記被測定物（１３）に印加する交流電圧の周波数の変化量に対する前記被測定物（１３）の静電容量の変化量が所定値以下となる条件で周波数を決定することを特徴とする請求項１に記載の絶縁検査装置。
3. 前記測定周波数判定処理部（１）にて決定された周波数が所定の上限周波数を超えたとき警告を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の絶縁検査装置。

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