JP6322661B2 - 電力機器の劣化診断方法、電力機器の劣化診断システム - Google Patents

Description

本発明は電力機器の劣化診断方法及び劣化診断システムに関する。

変圧器や高圧盤などの受変電設備においては、寿命を予知したり、事故を未然に防止することが大切である。このため、受変電設備で起こる設備の劣化や事故につながる前兆的現象に注目し、事前に対策を行う予測保全がこれまでに提案されている。受変電設備で起こるこのような前兆の一つとして、受変電設備内の絶縁機能が低下した場合に発生する部分放電がある。

電力機器の絶縁体中にボイド等の欠陥が存在すると、部分放電が発生する。詳細には、欠陥における部分的な絶縁破壊のために欠陥に印加される電圧が臨界電圧すなわち火花電圧を越えると部分放電が発生する。この部分放電が繰り返されると最終的には絶縁体全体として絶縁破壊に至り、地絡による停電等の送配電に支障を来す事態が発生するおそれがある。一方、この部分放電の検出のために送配電を停止するのは、極めて煩雑である。

そこで、送配電を停止することなく、すなわち活線状態で絶縁体の部分放電を検出するために、部分放電時に発生する超音波を検出することにより部分放電を検出する方法が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２０１３−４４６１６号公報

図９は、従来行われていた部分放電の検知方法を模式的に示す図面である。検査対象物としての変圧器１０の筐体１１の外壁に、３つの超音波センサ（９１，９２，９３）が取り付けられる。また、変圧器１０の接地線１５には変流器９４が取り付けられている。各超音波センサ（９１，９２，９３）及び変流器９４で検知した信号が、測定器９０に出力される。

変流器９４は、接地線１５に流れる部分放電電流を検出するための検出器に対応する。各超音波センサ（９１，９２，９３）は、変圧器１０の内部で発生する部分放電の発生音を電気信号に変換する機能を有する。測定器９０は、変流器９４からの信号に基づいて変圧器１０内部での放電電荷量を推定し、各超音波センサ（９１，９２，９３）から送られる電気信号の到達時刻の差に基づいて、放電位置を推定する。

超音波センサ（９１，９２，９３）のみで放電電荷量を推定することができれば、変流器９４を測定に用いる必要がないため、簡易な方法で検知することができる。超音波信号は、伝搬距離に応じて減衰する性質を有する。このため、超音波センサのみで放電電荷量を推定するためには、放電箇所を特定する必要がある。上記方法では、複数の超音波センサ（９１，９２，９３）を用いて、各センサにおける超音波信号の受信時刻の差を検知することで、部分放電の発生箇所が推定される。よって、この発生箇所の推定結果と、超音波センサにおける受信信号のレベルから、変圧器１０内部における放電電荷量を算定することができる。

しかし、上記方法では、複数の超音波センサを用いる必要があるため、部分放電がどの程度発生しているかを検知するに際し、工数に時間がかかってしまう。具体的には、図９に示される方法であれば、３つの超音波センサ（９１，９２，９３）を、それぞれ筐体１１の外壁の異なる箇所に取り付ける作業と、各超音波センサ（９１，９２，９３）と測定器９０とを接続する作業が必要となる。

他方、超音波センサ（９１，９２，９３）を用いずに、変流器９４のみで変圧器１０内部で発生している部分放電の電荷量を推定する方法も考えられる。しかし、接地線１５には、部分放電とは別の要因で電流が流れることも想定される。このため、超音波センサ（９１，９２，９３）を用いることなく、変流器９４のみで検知された電流量に基づいて部分放電の電荷量を推定するのは、部分放電が発生していないにもかかわらず、部分放電の電荷量を算定することにもなりかねない。

本発明は、上記の課題に鑑み、簡易な方法で電力機器の劣化を診断する技術を提供することを目的とする。

本発明は、筐体内に配置されている電力機器の劣化診断方法であって、
前記筐体の所定の一箇所に超音波センサを取り付ける工程（ａ）と、
前記超音波センサで受信された超音波信号に基づく電気信号の周波数スペクトルを算出する工程（ｂ）と、
前記周波数スペクトルの主たるピーク値が、所定の閾値周波数以下である場合に前記電力機器が劣化していると判断する工程（ｃ）とを有することを特徴とする。

上記の方法によれば、複数の箇所に超音波センサを取り付ける必要がない。そして、超音波センサが受信した信号の周波数スペクトルの主たるピーク値が、所定の閾値周波数以下である場合には、電力機器内部で部分放電が進行していると判断される。よって、電力機器が劣化していると判断することができる。

一例として、前記所定の閾値周波数を１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下とすることができる。より具体的には、前記所定の閾値周波数を５０ｋＨｚとすることができる。また、前記電力機器としては、油入変圧器、ガス絶縁開閉器、キュービクル等を対象とすることができる。

また、前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）の間に、前記電気信号の主たるピーク値の発生周期を検出する工程（ｄ）を有し、
前記発生周期が、商用電圧の周波数に応じた所定の値である場合前記工程（ｂ）及び前記工程（ｃ）を行うものとしても構わない。

上記の方法によれば、部分放電が発生している蓋然性が高い場合に、電力機器の劣化の程度を診断することができる。逆にいえば、例えば、前記発生周期が、商用電圧の周波数に応じた所定の値ではない場合には、前記工程（ｂ）及び（ｃ）を行うことなく、前記電力機器は劣化していないと判断することができる。

本発明は、筐体内に配置されている電力機器の劣化診断システムであって、
前記筐体の所定の一箇所に取り付けられ、前記筐体の内部で発生した超音波信号を受信可能に構成された、一つの超音波センサと、
前記超音波センサで受信された前記超音波信号に基づく電気信号が入力される処理部とを有し、
前記処理部は、前記電気信号の周波数スペクトルを算出するスペクトル算出部を備えたことを特徴とする。

上記の構成によれば、複数の超音波センサを用いることなく、処理部において算出された周波数スペクトルに基づいて、電力機器の内部で部分放電が進行しているか否かを判定することができる。より詳細には、前記周波数スペクトルの主たるピーク値が、所定の閾値周波数以下である場合をもって、電力機器の内部で部分放電が進行していると判定することができる。

前記超音波センサは、受信した超音波信号を増幅させる増幅器を備えるものとしても構わない。また、前記処理部が、入力された信号を増幅させる増幅器を備えるものとしても構わない。

上記構成において、前記処理部は、前記周波数スペクトルの主たるピーク値が、所定の閾値周波数以下である場合に前記電力機器が劣化していると判断する判断部を備えるものとしても構わない。

また、上記構成において、
前記処理部は、前記電気信号の主たるピーク値の発生周期を算定する周期算定部を備え、
前記判断部は、前記発生周期が商用電圧の周波数に応じた所定の値でない場合には前記電力機器内において部分放電が発生していないと判断するものとしても構わない。

本発明によれば、簡易な方法で電力機器の劣化を診断することができる。

本発明の劣化診断システムを模式的に示す図面である。 劣化診断システムが備える処理部の構成を模式的に示したブロック図である。 スペクトル算出部で算定された周波数スペクトルの主たるピーク値を示す周波数と、変圧器内部での放電電荷量との関係を示すグラフである。 スペクトル算出部で算定された周波数スペクトルの主たるピーク値を示す周波数と、部分放電時の放電電流と持続時間との積と、の関係を示すグラフである 劣化診断システムが備える処理部の別の構成を模式的に示したブロック図である。 劣化診断システムが備える処理部の更に別の構成を模式的に示したブロック図である。 変圧器内部で部分放電が生じている場合において、入力受付部で受け付けられた電気信号の波形の一例である。 劣化診断システムが備える処理部の更に別の構成を模式的に示したブロック図である。 従来行われていた部分放電の検知方法を模式的に示す図面である

図１は、本発明の劣化診断システムを模式的に示す図面である。図９と共通の要素については同一の符号を付している。

図１に示される劣化診断システム１は、処理部２と、１つの超音波センサ３とを有する。超音波センサ３は、検査対象物としての電力機器の例である変圧器１０の筐体１１の外壁に取り付けられる。変圧器１０の内部で部分放電が発生していると、この部分放電に由来して発生した超音波が、筐体１１の壁内を伝搬し、超音波センサ３で受信される。超音波センサ３は、例えばピエゾ素子を用いたＡＥ（Acoustic Emission）センサで構成される。

超音波センサ３は、受信した超音波信号を電気信号に変換し、処理部２に出力する。超音波センサ３は、例えば増幅器を内蔵し、変換した電気信号を増幅後に処理部２に出力するものとしても構わない。

図２は、本実施形態の劣化診断システム１が備える処理部２の構成を模式的に示したブロック図である。処理部２は、入力受付部２１とスペクトル算出部２３とを備える。入力受付部２１は、超音波センサ３と電気的に接続されており、超音波センサ３から出力された電気信号の入力を受け付ける。スペクトル算出部２３は、入力受付部２１で入力が受け付けられた電気信号に基づいて、周波数スペクトルを算出する。入力受付部２１で受け付けられた電気信号は、超音波センサ３で受信された超音波信号に基づく信号であるため、この周波数スペクトルは超音波信号の周波数スペクトルに対応する。

作業者は、スペクトル算出部２３で算出された周波数スペクトルから、主たるピーク値を示す周波数を抽出し、所定の閾値周波数以下である場合には変圧器１０が劣化していると判定する。

図３は、スペクトル算出部２３で算定された周波数スペクトルの主たるピーク値を示す周波数と、変圧器１０内部での放電電荷量との関係を示すグラフである。図３において、横軸は周波数であり、縦軸は放電電荷量の相対値である。図３によれば、スペクトル算出部２３によって算出された周波数スペクトルの主たるピーク値が低いほど、変圧器１０内部での放電電荷量が多いことが理解される。

また、図４は、スペクトル算出部２３で算定された周波数スペクトルの主たるピーク値を示す周波数と、部分放電時の放電電流と持続時間との積と、の関係を示すグラフである。横軸は周波数であり、縦軸は前記積の値の相対値である。図２によれば、スペクトル算出部２３によって算出された周波数スペクトルの主たるピーク値が低いほど、変圧器１０内部での放電量が多いことが理解される。

図３及び図４によれば、スペクトル算出部２３によって算出された周波数スペクトルの主たるピーク値が低いほど、変圧器１０の劣化が進行していることが理解される。つまり、スペクトル算出部２３によって算出された周波数スペクトルの主たるピーク値が、所定の閾値周波数以下である場合には、変圧器１０が劣化していると判断することができる。一例として、周波数スペクトルの主たるピーク値が５０ｋＨｚ以下である場合には、変圧器１０の劣化が進行していると判断することができる。

変圧器１０の内部で部分放電が進行すると、超音波センサ３が受信した超音波信号の周波数が低くなる理由につき、本発明者は次のように考えている。放電電荷量が増加すると、放電発生時の熱エネルギーも増加することになる。この熱エネルギーが超音波の伝搬媒体を膨張させるが、エネルギーが大きいほど膨張する体積も増加する。媒体の膨張と収縮によって音波が生じるが、熱による膨張が大きいほど媒体の変動に要する時間も長くなる。そのため放電電荷量の増加に伴って、超音波の周波数も低くなる。

この方法によれば、超音波センサ３を一つ設置することで、複数の超音波センサ３を用いることなく、変圧器１０の劣化程度を診断することができる。スペクトル算出部２３は、例えばオシロスコープ装置の機能を利用して実現するものとしても構わない。

図５は、劣化診断システム１が備える処理部２の別の構成を示すブロック図である。図５に示す処理部２は、判断部２５を更に備えている。判断部２５は、スペクトル算出部２３で算定された周波数スペクトルに関する情報が入力される。判断部２５は、この周波数スペクトルに関する情報に基づき、周波数スペクトルの主たるピーク値が、所定の閾値周波数以下である場合に、変圧器１０が劣化していると判断する。この構成によれば、変圧器１０が劣化しているか否かの判断処理についても自動的に行うことができる。判断部２５は、演算機能を有するソフトウェア又はハードウェアで実現することができる。

図６は、劣化診断システム１が備える処理部２の更に別の構成を示すブロック図である。図６に示す劣化診断システム１では、処理部２が更に周期算定部２７を備えている。周期算定部２７は、入力受付部２１で受け付けられた電気信号の主たるピーク値の発生周期を算定する。周期算定部２７は、例えばオシロスコープ装置の機能を利用して実現するものとしても構わない。

図７は、変圧器１０内部で部分放電が生じている場合において、入力受付部２１で受け付けられた電気信号の波形の一例である。図７によれば、所定の周期で主たるピーク値が発生していることが分かる。変圧器１０の内部で部分放電が生じている場合、部分放電の特性上、超音波信号は商用電圧の周波数に同期して発生する。つまり、変圧器１０の内部で部分放電が生じている場合には、入力受付部２１で受け付けられた電気信号の主たるピーク値が、所定の周期で発生する。

例えば商用電圧の周波数が６０Ｈｚの地域においては、入力受付部２１で受け付けられた電気信号のピーク値が、１／６０＝１６．６ｍｓ間隔、もしくはその半分の８．３ｍｓ間隔で検出される。なお、商用電圧の周期の半分の間隔で電気信号のピーク値が確認されるのは、商用電圧の正極性のピーク時と負極性のピーク時の双方で放電が発生する場合があるためである。

判断部２５は、周期算定部２７で算定された電気信号の主たるピーク値の発生周期が所定の値である場合には、変圧器１０の内部で部分放電が発生していると判断する。そして、上述したように、スペクトル算出部２３で算定された周波数スペクトルに関する情報に基づいて、変圧器１０の劣化程度を判断する。一方、判断部２５は、周期算定部２７で算定された電気信号の主たるピーク値の発生周期が前記所定の値でない場合には、変圧器１０の内部で部分放電が発生しておらず、劣化が進行していないと判断する。

なお、図８に示すように、制御部２が、判断部２５を備えずに、周期算定部２７を備える構成としても構わない。

この場合、作業員が周期算定部２７で算定された電気信号の主たるピーク値の発生周期を確認し、この値が前記所定の値でない場合には、変圧器１０の内部で部分放電が発生しておらず、劣化が進行していないと判断することができる。この場合、作業員は、例えばスペクトル算出部２３によって算出された周波数スペクトルの主たるピーク値を確認することなく、変圧器１０の劣化は進行していないと判断しても構わない。

一方、作業員が周期算定部２７で算定された電気信号の主たるピーク値の発生周期を確認し、この値が前記所定の値に一致している場合には、変圧器１０の内部で部分放電が発生していると判断することができる。この場合には、上述したように、作業員は、周波数スペクトルの主たるピーク値を確認して変圧器１０の劣化の進行程度を判断するものとして構わない。

１ ： 劣化診断システム
２ ： 処理部
３ ： 超音波センサ
１０ ： 変圧器
１１ ： 筐体
１５ ： 接地線
２１ ： 入力受付部
２３ ： スペクトル算出部
２５ ： 判断部
２７ ： 周期算定部
９０ ： 測定器
９１，９２，９３ ： 超音波センサ
９４ ： 変流器

Claims (6)

1. 筐体内に配置されている電力機器の劣化診断方法であって、
   前記筐体の所定の一箇所に超音波センサを取り付ける工程（ａ）と、
   前記超音波センサで受信された超音波信号に基づく電気信号の周波数スペクトルを算出する工程（ｂ）と、
   前記周波数スペクトルの主たるピーク値が、５０ｋＨｚ以下である場合に前記電力機器が劣化していると判断する工程（ｃ）とを有することを特徴とする電力機器の劣化診断方法。
2. 前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）の間に、前記電気信号の主たるピーク値の発生周期を検出する工程（ｄ）を有し、
   前記発生周期が、商用電圧の周波数に応じた所定の値である場合に前記工程（ｂ）及び前記工程（ｃ）を行うことを特徴とする請求項１に記載の電力機器の劣化診断方法。
3. 前記電力機器は、油入変圧器、ガス絶縁開閉器、又はキュービクルであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力機器の劣化診断方法。
4. 筐体内に配置されている電力機器の劣化診断システムであって、
   前記筐体の所定の一箇所に取り付けられ、前記筐体の内部で発生した超音波信号を受信可能に構成された、一つの超音波センサと、
   前記超音波センサで受信された前記超音波信号に基づく電気信号が入力される処理部とを有し、
   前記処理部は、前記電気信号の周波数スペクトルを算出するスペクトル算出部を備え、
   前記処理部は、前記周波数スペクトルの主たるピーク値が、５０ｋＨｚ以下である場合に前記電力機器が劣化していると判断する判断部を備えたことを特徴とする電力機器の劣化診断システム。
5. 前記処理部は、前記電気信号の主たるピーク値の発生周期を算定する周期算定部を備え、
   前記判断部は、前記発生周期が商用電圧の周波数に応じた所定の値でない場合には前記電力機器内において部分放電が発生していないと判断することを特徴とする請求項４に記載の電力機器の劣化診断システム。
6. 前記電力機器は、油入変圧器、ガス絶縁開閉器、又はキュービクルであることを特徴とする請求項４又は５に記載の電力機器の劣化診断システム。

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