JP6242588B2

JP6242588B2 - 部分放電センサ

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Publication number: JP6242588B2
Application number: JP2013103879A
Authority: JP
Inventors: 佳之田村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: JP2014224743A

Description

本発明は、ガス絶縁機器等の電力機器の部分放電を検出する部分放電センサに関するものである。

従来、ガス絶縁開閉装置内で発生した部分放電を検出するために、部分放電センサが用いられている。部分放電センサは、一般に、予めタンク内に部分放電検出用の電極が組み込まれた内部電極型と、外部に取り付けて部分放電を検出する外部型の二種類が存在する。外部型の部分放電センサは、ガス絶縁開閉装置の組立後に機器を解体することなく部分放電の検出が可能になるという利点を有している。

また、外部型の部分放電センサでは、絶縁スペーサの近傍にループ状のアンテナを設置し、絶縁スペーサから外部に漏れてくる電磁波を検出するものが一般的である。例えば、特許文献１では、ガス絶縁開閉装置のタンクのフランジ間に絶縁スペーサが挟まれ、ガス絶縁開閉装置の内部で生じる部分放電の検出をする際に、ループ状のアンテナをループ開口部面が絶縁スペーサの外周面に平行になるように取付け、絶縁スペーサから外部に漏れてくる電磁波を検出し、前記ループ状のアンテナのループの両端から引き出された２本の導線を介して、測定器により部分放電に基づく電磁波の有無を計測する方法が記載されている。

特開平１１−１２２７６１号公報（段落「０００３」、図３）

しかしながら、ループ状のアンテナを用いて部分放電を検出する場合は、高感度で検出可能な周波数帯はアンテナの大きさで定まることとなる。すなわち、検出する周波数帯でアンテナの大きさが制限され、高い周波数を検出する場合は、アンテナは小さくても高感度での検出が可能であるが、低い周波数を検出するためには、周波数が低くなるに応じてアンテナを大きくする必要がある。

ところで、部分放電の監視は、一般的には、ＵＨＦ帯の電磁波を検出することで行うことが多いが、絶縁物の診断にはＶＨＦ帯が有効であるとの報告もされてきており、両帯域の電磁波を検出することが望ましい。

したがって、ループ状のアンテナを用いて部分放電を高感度で検出する場合には、ＵＨＦ帯を検出するときには、アンテナの大きさは小さくてもよいが、ＶＨＦ帯を検出するときには、アンテナの大きさを大きくする必要がある。

そのため、従来の部分放電センサでは、一つのループ状のアンテナを用いてＵＨＦ帯およびＶＨＦ帯の両帯域の部分放電を検出するためには、ＶＨＦ帯が検出可能なようにアンテナの大きさを大きくする必要がある。

また、ＵＨＦ帯およびＶＨＦ帯に応じて二つのアンテナを用いる場合は、ＶＨＦ帯を検出するためのアンテナが同様に大きくなるのみならず、一つのアンテナを用いる場合に比べて構成も複雑になる。

一方、アンテナはフランジ間に設置されることから、配置構成上その大きさは制限される。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＵＨＦ帯の部分放電の検出に適した大きさの一つのループ状のアンテナを用いて、ＵＨＦ帯およびＶＨＦ帯の両帯域の部分放電を高感度で検出可能な部分放電センサを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る部分放電センサは、二つのタンクがそれぞれの端部のフランジ間に絶縁スペーサを挟んで締結されたガス絶縁機器の前記絶縁スペーサ上にアンテナが配置され、前記絶縁スペーサから漏れ出る電磁波を前記アンテナで検出することにより前記ガス絶縁機器内で発生した部分放電の検出が可能な部分放電センサであって、前記アンテナは、前記フランジ間にわたって配置されたループ状のループ部と、このループ部と一体に設けられ少なくとも一方のフランジの外周面上に配置された平面電極と、この平面電極の前記フランジ側の面上に取り付けられて前記平面電極と前記フランジとの間に配置された絶縁板とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ＵＨＦ帯の部分放電の検出に適した大きさの一つのループ状のアンテナを用いて、ＵＨＦ帯およびＶＨＦ帯の両帯域の部分放電を高感度で検出可能になる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る部分放電センサのアンテナの配置を示す上面図である。図２は、アンテナの配置を示す側面図であり、図１の矢印Ａの方向からみた図である。図３は、アンテナの構成を示す上面図である。図４は、アンテナの構成を示す側面図であり、図３の矢印Ｂの方向からみた図である。図５は、本実施の形態に係る部分放電センサの構成を示す図である。図６は、アンテナの等価回路を示した模式図である。図７は、アンテナの別の構成例を示す上面図である。図８は、実施の形態２に係る部分放電センサのアンテナの配置を示す上面図である。図９は、アンテナの配置を示す側面図であり、図８の矢印Ａの方向からみた図である。図１０は、アンテナの構成を示す上面図である。図１１は、アンテナの構成を示す側面図であり、図１０の矢印Ｂの方向からみた図である。

以下に、本発明に係る部分放電センサの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る部分放電センサのアンテナの配置を示す上面図である。図２は、アンテナの配置を示す側面図であり、図１の矢印Ａの方向からみた図である。図３は、アンテナの構成を示す上面図である。図４は、アンテナの構成を示す側面図であり、図３の矢印Ｂの方向からみた図である。図５は、本実施の形態に係る部分放電センサの構成を示す図である。図６は、アンテナの等価回路を示した模式図である。

図１および図２に示すように、本実施の形態に係る部分放電センサのアンテナ１は、ガス絶縁機器６に外付けされている。

まず、ガス絶縁機器６の構成について説明する。ガス絶縁機器６は、連結されるタンク１０ａ，１０ｂおよびタンク１０ａ，１０ｂ間に挟まれた絶縁スペーサ７を備えている。具体的には、タンク１０ａの一端のフランジ８ａとタンク１０ｂの一端のフランジ８ｂとが絶縁スペーサ７を挟んで締結されている。なお、タンク１０ａ，１０ｂは同軸的に連結される。タンク１０ａ，１０ｂは、それぞれ接地された例えば円筒状の金属容器からなり、内部には絶縁ガスが封入されている。タンク１０ａ，１０ｂ内部には通電導体（図示せず）が配置され、この通電導体は絶縁スペーサ７により絶縁支持されている。ガス絶縁機器６は、例えばガス遮断器である。

次に、アンテナ１の構成について説明する。図１〜図４に示すように、アンテナ１はループ状であり、ループ部１ａに一対の平面電極２ａ，２ｂが設けられて成る。ループ部１ａは例えば円形である。ループ部１ａの両端部は平行に引出されて、配線（図示せず）を介して回路部（図５）に接続される。平面電極２ａ，２ｂは例えば方形である。平面電極２ａ，２ｂは、ループ部１ａの開口部面に平行にループ部１ａの同じ側（フランジ８ａ，８ｂ側）に取り付けられている。この場合、平面電極２ａ，２ｂは、ループ部１ａと別体に形成したものを、ループ部１ａに取り付けて一体としたものである。平面電極２ａ，２ｂは、径方向に互いに対向して配置されている。また、平面電極２ａ，２ｂは、その一面（フランジ８ａ，８ｂ側の面）に、例えば同じ大きさの絶縁板３ａ，３ｂがそれぞれ取り付けられている。平面電極２ａ，２ｂは例えばループ部１ａと同じ金属素材で形成される。

次に、ガス絶縁機器６におけるアンテナ１の配置構成について説明する。図１および図２に示すように、アンテナ１は、フランジ８ａ，８ｂおよび絶縁スペーサ７上でフランジ８ａ，８ｂ間にわたって配置されている。また、アンテナ１は、フランジ８ａ，８ｂおよび絶縁スペーサ７の外周面に略平行に配置され、絶縁板３ａを下にするようにして平面電極２ａがフランジ８ａの外周面上に配置されるとともに、絶縁板３ｂを下にするようにして平面電極２ｂがフランジ８ｂの外周面上に配置される。アンテナ１は、絶縁スペーサ７に取り付けられる。

ループ部１ａはフランジ８ａ，８ｂ間にわたって絶縁スペーサ７を跨ぐように配置され、ループ部１ａの両端部は絶縁スペーサ７上で引き出されている。

平面電極２ａは、フランジ８ａの幅方向の幅がフランジ８ａの幅と等しく、全体がフランジ８ａの外周面上に配置されている。また、平面電極２ａは、フランジ８ａの外周面に略平行に配置されている。なお、フランジ８ａの径は平面電極２ａの大きさに比べて十分大きいので、フランジ８ａの外周面における平面電極２ａを設置する部分は略平坦とみなすことができる。このように、平面電極２ａとフランジ８ａとの間に絶縁板３ａを挟んで第１のコンデンサの構造が形成される。

同様に、平面電極２ｂは、フランジ８ｂの幅方向の幅がフランジ８ｂの幅と等しく、全体がフランジ８ｂの外周面上に配置されている。また、平面電極２ｂは、フランジ８ｂの外周面に略平行に配置されている。なお、フランジ８ｂの径は平面電極２ｂの大きさに比べて十分大きいので、フランジ８ｂの外周面における平面電極２ｂを設置する部分は略平坦とみなすことができる。このように、平面電極２ｂとフランジ８ｂとの間に絶縁板３ｂを挟んで第２のコンデンサの構造が形成される。

次に、本実施の形態に係る部分放電センサの構成について説明する。図５に示すように、本実施の形態に係る部分放電センサは、アンテナ１の後段に、高周波アンプ２０、検波回路２１、ピークホールド回路２２、Ａ／Ｄ変換器２３、比較用電圧出力回路２４、およびコンパレータ回路２５等を備えている。

アンテナ１の出力は、高周波アンプ２０で増幅された後、検波回路２１で検波される。検波回路２１の出力は、ピークホールド回路２２で信号のピークが保持される。ピークホールド回路２２の出力は、Ａ／Ｄ変換器２３でＡ／Ｄ変換された後、後段の処理にて放電の大きさが判定される。

また、検波回路２１の出力と比較用電圧出力回路２４の出力とがコンパレータ回路２５で比較される。ここで、比較用電圧出力回路２４は、部分放電のない比較用電圧を出力する。コンパレータ回路２５の出力により、後段の処理にて放電の数が判定される。

次に、本実施の形態の動作について説明する。ガス絶縁機器６の内部で部分放電が発生した場合、ガス絶縁機器６の内部を数ＭＨｚ〜数ＧＨｚまでの様々な周波数成分を持った電磁波が伝播する。この電磁波の一部は絶縁物である絶縁スペーサ７から漏洩する。

ＵＨＦ帯（３００ＭＨｚ〜３ＧＨｚ）の検出は、アンテナ１の大きさをＵＨＦ帯に応じて設定することで可能である。すなわち、ＵＨＦ帯を検出する場合は、アンテナ１は、ループアンテナとして動作する。例えば、アンテナ１の半径が５ｃｍの場合、ループ１周の長さは約０．３ｍとなり、アンテナ１を用いることにより、この波長相当の１ＧＨｚ近傍の電磁波を感度良く検出できる。

一方、ガス絶縁機器６の内部で部分放電が発生した場合、タンク１０ａ，１０ｂの表面にも高周波電流が流れる。そこで、ＶＨＦ帯（３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ）を検出する場合には、このタンク１０ａ，１０ｂの表面に流れる高周波電流を検出する。

詳細には、ＶＨＦ帯を検出する場合は、アンテナ１は、平面電極２ａとフランジ８ａと絶縁板３ａとで構成されるコンデンサ３１ａと、平面電極２ｂとフランジ８ｂと絶縁板３ｂとで構成されるコンデンサ３１ｂと、ループ部１ａの三つの湾曲部でそれぞれ構成されるインダクタンス３０ａ〜３０ｃによる共振回路として動作する（図６）。ここで、ループ部１ａの三つの湾曲部は、ループ部１ａの一端と平面電極２ａとの間の部分、平面電極２ａ，２ｂ間の部分、およびループ部１ａの他端と平面電極２ｂとの間の部分である。アンテナ１は、上記のように共振回路としても機能するので、コンデンサ容量Ｃとインダクタンス値Ｌとで決まる共振周波数ｆ〜１／√（ＬＣ）がＶＨＦ帯に含まれるようにコンデンサ容量Ｃを調整することで、部分放電に伴うＶＨＦ帯の信号を高感度で検出することができる。

コンデンサ容量Ｃは、平面電極２ａ，２ｂの面積および絶縁板３ａ，３ｂの厚さにより調整することができる。例えば、平面電極２ａ，２ｂの面積を１０ｃｍ^２とし、ベークライトから成る絶縁板３ａ，３ｂの厚さを１ｍｍとした場合は、コンデンサ容量Ｃは数十ｐＦとなる。また、アンテナ１の半径が５ｃｍの場合は、インダクタンス値Ｌは数十ｎＨとなる。例えば、コンデンサ容量Ｃを４０ｐＦ、インダクタンス値Ｌを５０ｎＨに設定した場合（図６より、コンデンサと共振するインダクタンス値はループ部１ａの全体のインダクタンス値の１／４である１２．５ｎＨ）、共振周波数ｆは約２２５ＭＨｚとなり、ＶＨＦ帯が検出可能となる。

以上説明したように、アンテナ１は、ＵＨＦ帯を検出する場合は、本来のループアンテナとして動作することにより、部分放電に伴うＶＨＦ帯の信号を検出でき、ＶＨＦ帯を検出する場合は、ループ部１ａに設けた平面電極２ａ，２ｂとフランジ８ａ，８ｂと絶縁板３ａ，３ｂとから成る一対のコンデンサと、ループ部１ａの湾曲部から成るインダクタンス成分とによる共振回路として動作することにより、部分放電に伴うＶＨＦ帯の信号を検出することができる。

このように、本実施の形態によれば、ＵＨＦ帯の部分放電の検出に適した大きさの一つのループ状のアンテナ１を用いて、ＵＨＦ帯およびＶＨＦ帯の両帯域の部分放電を高感度で検出可能となる。

なお、本実施の形態では、アンテナ１の形状を略円形としたが、これに限定されず、その他の形状としてもよい。図７では、アンテナ１の形状を方形とした場合の構成例を示している。すなわち、アンテナ１は、方形状のループ部１ｂに一対の平面電極２ａ，２ｂが設けられて成る。平面電極２ａ，２ｂは、ループ部１ｂの対向する二辺にそれぞれ設けられている。平面電極２ａ，２ｂについては図１〜図４と同様であり、平面電極２ａ，２ｂには絶縁板３ａ，３ｂが取り付けられている。その他も、図１〜図６と同様である。

この場合、アンテナ１は、角を伴った方形状のループ部１ｂを備えることにより、円形状のループ部１ａを備えた場合に比べて、インダクタンス値Ｌが大きくなる。したがって、コンデンサ容量Ｃを調整することにより目的の検出周波数帯が得られない場合は、アンテナ１の形状を方形に変更することにより、共振周波数ｆがより小さくなり、目的の検出周波数帯が得られる場合がある。また、アンテナ１を方形ではなく、多角形型に変更することでも、インダクタンス値Ｌを変更することができる。

また、本実施の形態では、平面電極２ａ，２ｂの形状を方形状としたが、これに限定されず、その他の形状（例えば円形、長円形状等）としてもよい。

また、本実施の形態では、平面電極を２箇所に設けたが、１箇所に設ける構成も可能である。例えば、平面電極２ａ，２ｂのうち、いずれか一方を設ける構成も可能である。ただし、２箇所に設けることにより、検出感度も向上し、また、コンデンサ容量Ｃをより大きくすることができるので、より広い帯域が検出可能となる。

また、本実施の形態では、平面電極２ａ，２ｂの幅をフランジ８ｂの幅と同じになるようにしたが、平面電極２ａ，２ｂの幅をフランジ８ｂの幅よりも小さくしてもよい。ただし、平面電極２ａ，２ｂの幅をフランジ８ｂの幅と同じにすることにより、コンデンサ容量Ｃをより大きくすることができるので、より広い帯域が検出可能となる。なお、平面電極２ａ，２ｂの幅をフランジ８ｂの幅よりも大きくすることもできる。

また、本実施の形態では、絶縁板３ａ，３ｂを平面電極２ａ，２ｂと同じ大きさ（同形同大）としたが、平面電極２ａ，２ｂよりも小さくし、あるいは、大きくしてもよい。ただし、コンデンサ容量Ｃをより大きくするためには、絶縁板３ａ，３ｂを平面電極２ａ，２ｂと同じ大きさ以上とすることが好ましい。

実施の形態２．
図８は、本実施の形態に係る部分放電センサのアンテナの配置を示す上面図である。図９は、アンテナの配置を示す側面図であり、図８の矢印Ａの方向からみた図である。図１０は、アンテナの構成を示す上面図である。図１１は、アンテナの構成を示す側面図であり、図１０の矢印Ｂの方向からみた図である。

図８および図９に示すように、本実施の形態に係る部分放電センサのアンテナ１は、ガス絶縁機器６に外付けされている。ガス絶縁機器６の構成は実施の形態１と同様である。

図８〜図１１に示すように、本実施の形態では、アンテナ１はプリント基板４上に形成されている。すなわち、一面に銅箔が形成され他面にエポキシからなる絶縁板３が貼着されたプリント基板４の銅箔を加工してアンテナ１が形成されている。ここで、アンテナ１はループ状であり、ループ部１ａに一対の平面電極２ａ，２ｂが設けられて成る。ループ部１ａは例えば円形である。

この場合、平面電極２ａ，２ｂは初めからループ部１ａと一体に形成されている。また、絶縁板３は、プリント基板４を介して平面電極２ａ，２ｂに取り付けられた形になっており、平面電極２ａ，２ｂに対して一枚となっている。なお、本実施の形態のその他の構成および動作は実施の形態１と同様である。

本実施の形態によれば、ループ部１ａおよび平面電極２ａ，２ｂが銅箔パターンで形成されるので、品質のばらつきの少ないアンテナ１を生産することができる。また、図示例のように、ループ部１ａは、幅の広いパターンを採用することで、検出周波数帯域を広げることができる。本実施の形態のその他の効果は実施の形態１と同様である。

なお、上記説明では、部分放電センサの用途としてガス絶縁機器６の場合を例に説明したが、本発明は、絶縁物と金属とで構成された密封容器を備えた電気機器の密封容器内の電磁波検出にも利用できる。

本発明は、ガス絶縁開閉装置における部分放電の検出に有用である。

１アンテナ、１ａ，１ｂループ部、２ａ，２ｂ平面電極、３，３ａ，３ｂ絶縁板、４プリント基板、６ガス絶縁機器、７絶縁スペーサ、８ａ，８ｂフランジ、１０ａ，１０ｂタンク、２０高周波アンプ、２１検波回路、２２ピークホールド回路、２３Ａ／Ｄ変換器、２４比較用電圧出力回路、２５コンパレータ回路、３０ａ〜３０ｃインダクタンス、３１ａ，３１ｂコンデンサ。

Claims

二つのタンクがそれぞれの端部のフランジ間に絶縁スペーサを挟んで締結されたガス絶縁機器の前記絶縁スペーサ上にアンテナが配置され、前記絶縁スペーサから漏れ出る電磁波を前記アンテナで検出することにより前記ガス絶縁機器内で発生した部分放電の検出が可能な部分放電センサであって、
前記アンテナは、前記フランジ間にわたって配置されたループ状のループ部と、このループ部と一体に設けられ少なくとも一方のフランジの外周面上に配置された平面電極と、この平面電極の前記フランジ側の面上に取り付けられて前記平面電極と前記フランジとの間に配置された絶縁板とを備え、
前記平面電極は、一方のフランジの外周面上に配置された第１の平面電極と、他方のフランジの外周面上に配置された第２の平面電極とから成り、
前記絶縁板は、前記第１の平面電極の前記一方のフランジ側の面上に取り付けられるとともに前記第１の平面電極と同じ大きさの第１の絶縁板と、前記第２の平面電極の前記他方のフランジ側の面上に取り付けられるとともに前記第２の平面電極と同じ大きさの第２の絶縁板とから成り、
前記ループ部の大きさはＵＨＦ帯の電磁波の波長に応じて設定され、
前記第１および第２の平面電極の面積は、前記第１の平面電極と前記第１の絶縁板と前記一方のフランジとで構成されるコンデンサおよび前記第２の平面電極と前記第２の絶縁板と前記他方のフランジとで構成されるコンデンサによるコンデンサ容量、ならびに前記ループ部のリアクタンス成分により決まる共振周波数がＶＨＦ帯域内となるように設定されていることを特徴とする部分放電センサ。
二つのタンクがそれぞれの端部のフランジ間に絶縁スペーサを挟んで締結されたガス絶縁機器の前記絶縁スペーサ上にアンテナが配置され、前記絶縁スペーサから漏れ出る電磁波を前記アンテナで検出することにより前記ガス絶縁機器内で発生した部分放電の検出が可能な部分放電センサであって、
前記アンテナは、前記フランジ間にわたって配置されたループ状のループ部と、このループ部と一体に設けられ少なくとも一方のフランジの外周面上に配置された平面電極と、この平面電極の前記フランジ側の面上に取り付けられて前記平面電極と前記フランジとの間に配置された絶縁板とを備え、
前記アンテナは、プリント基板の銅箔パターンとして形成され、
前記絶縁板は、前記プリント基板の前記アンテナが形成されていない側の面に貼着され、
前記平面電極は、一方のフランジの外周面上に配置された第１の平面電極と、他方のフランジの外周面上に配置された第２の平面電極とから成り、
前記ループ部の大きさはＵＨＦ帯の電磁波の波長に応じて設定され、
前記第１および第２の平面電極の面積は、前記第１の平面電極と前記第１の絶縁板と前記一方のフランジとで構成されるコンデンサおよび前記第２の平面電極と前記第２の絶縁板と前記他方のフランジとで構成されるコンデンサによるコンデンサ容量、ならびに前記ループ部のリアクタンス成分により決まる共振周波数がＶＨＦ帯域内となるように設定されていることを特徴とする部分放電センサ。
前記ループ部の形状は円形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の部分放電センサ。
前記ループ部の形状は方形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の部分放電センサ。
前記第１および第２の平面電極の形状は方形状であり、
前記第１の平面電極の全体が前記一方のフランジの外周面上に配置され、
前記第２の平面電極の全体が前記他方のフランジの外周面上に配置され、
前記第１の平面電極の幅は前記一方のフランジの幅に等しく、
前記第２の平面電極の幅は前記他方のフランジの幅に等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の部分放電センサ。