JP6679566B2 - ガス絶縁高電圧設備からの部分放電を検出する装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス絶縁高電圧設備からの部分放電を検出する装置、および当該部分放電検出装置が装着されたガス絶縁高電圧変電設備に関連する。

現在のところ、ガス絶縁高電圧設備からの部分放電を検出する装置は、当該設備の内側か外側に配置されたモノポールアンテナかダイポールアンテナを使用している。

内側に配置される場合、当該アンテナは、高電圧設備の筐体内に締結される。外側に配置される場合、当該アンテナは、断路器を視覚的に検査するための窓か、当該設備の高電圧バスバーを保持するための電気的に絶縁された部品の外面に固定される。

設備の内側に配置される場合、モノポールアンテナあるいはダイポールアンテナは、当該設備内で生じる部分放電を検出するのに十分な感度を有することが一般的である。例えば、特許文献１は、広周波数帯域（１００ＭＨｚから２ＧＨｚ程度）の電場センサを形成するためのモノポールコニカルアンテナを開示している。

設備の外側に配置される場合、部分放電の電位源からの距離が大きくなるために、モノポールアンテナあるいはダイポールアンテナの感度が不十分になることが多い。ナショナルグリッド社の「Technical Guidance Note TGN(T) 121」において「ＵＨＦ部分放電監視用の容量結合」と表題で規定される推奨感度の保証は、良好な条件下でも困難である。

この問題は現実的である。例えば、既存の設備内にアンテナを配置できず、外部アンテナの使用のみが可能である場合、部分放電検出装置の性能は悪くなる。

仏国特許出願公開第２９４７０５３号公報

本発明の目的は、上述した問題を解決することにある。

具体的には、本発明は、ガス絶縁高電圧設備からの部分放電を検出する装置を提供する。当該装置は、
前記ガス絶縁高電圧設備の窓に対向するように当該ガス絶縁高電圧設備の外側に配置された少なくとも一つのアンテナと、
前記ガス絶縁高電圧設備の金属壁と電気的に接触し、当該金属壁とともにファラデーケージの形成に寄与する金属フランジと、
を備えており、
前記ファラデーケージは、前記アンテナを前記ガス絶縁高電圧設備の外部から絶縁し、
前記金属フランジは、前記窓に対向する凹壁を有している。

金属フランジの凹壁を有している側は、アンテナと金属フランジの間の高さが変化する。この高さの変化は、ファラデーケージを構成する反射チャンバを有利に最適化する。これにより、検出帯域において生じうる共鳴現象が回避され、利用帯域全体にわたって検出感度を均一にすることが可能である。

本発明の変形例において、前記アンテナは、モノポール、ダイポール、スパイラル、あるいはフラクタルなど、いずれの種別でもよい。

上述のように共鳴現象の発現回避と検出感度の均一化に寄与するために、本発明に係る特定の実施形態においては、前記アンテナは、前記フランジの前記凹壁に対向する凹面または凸面を有する。

また、本発明は、ガス絶縁高電圧設備からの部分放電を検出する装置を提供する。当該装置は、前記ガス絶縁高電圧設備の外側に配置されたフラクタルアンテナを備えている。前記フラクタルアンテナは、高電圧バスバーを前記ガス絶縁高電圧設備の内側に保持する電気的絶縁部の外面に対向するように配置されている。前記アンテナを包囲する金属構造は、前記アンテナを前記ガス絶縁高電圧設備の外部から絶縁するファラデーケージの形成に寄与している。

また、本発明は、ガス絶縁高電圧設備からの部分放電を検出する装置を提供する。当該装置は、フラクタルアンテナを備えている。前記フラクタルアンテナは、前記ガス絶縁高電圧設備の内側に配置されている。前記ガス絶縁高電圧設備の金属筐体に形成された開口を閉塞するようにフランジが当該金属筐体に固定されている。前記フラクタルアンテナに接続された電気コネクタが、前記フランジに固定されている。

また、本発明は、ガス絶縁高電圧設備からの部分放電を検出する装置を提供する。当該装置は、前記ガス絶縁高電圧設備の外側に配置されたフラクタルアンテナを備えている。前記フラクタルアンテナは、フラクタルパターンが設けられた可撓性の金属ストリップによって形成されている。前記フラクタルパターンは、誘電材料からなる可撓性ストリップの第一の面に固定されている。前記可撓性ストリップの第二の面は、導電ストリップにより被覆されている。前記可撓性の金属ストリップは、前記ガス絶縁高電圧設備内に高電圧バスバーを保持する電気的絶縁部の外面に固定されている。

当業者には周知の通り、フラクタルアンテナは、同一パターンからなる複数の小アンテナによって構成される。

本発明においては、フラクタルアンテナは、高電圧設備の外側あるいは内側に配置される。

有利な点として、フラクタルアンテナは小さい。これにより、部分放電検出装置を非常にコンパクトにできる。したがって、限られた空間に部分放電検出装置を提供でき、天候に依らず設備の内側や外側にアンテナを配置できる点において有利である。

アンテナが高電圧設備の外側に配置される場合、フラクタルアンテナは、その高い感度ゆえに優れた検出性能を保証する。

本発明は、部分放電を検出する上記装置が装着されたガス絶縁高電圧設備も提供する。

本発明に係る他の特徴や利点は、下記の添付図面を参照しつつなされる好適な実施形態の説明を読むことによって明らかになる。

本発明に係る部分放電検出装置の第一実施形態を示している。 本発明に係る部分放電検出装置の第一実施形態の改善例を示している。 本発明に係る部分放電検出装置の第二実施形態がとりうる一態様を示している。 本発明に係る部分放電検出装置の第二実施形態がとりうる別態様を示している。 本発明に係る部分放電検出装置の第三実施形態がとりうる一態様を示している。 本発明に係る部分放電検出装置の第三実施形態がとりうる別態様を示している。 図２の改善例を任意のアンテナ種について一般化した例を示している。 図５の改善例を最適化するのに適した検出装置の第一の例を示している。 図５の改善例を最適化するのに適した検出装置の第二の例を示している。 図５の改善例を最適化するのに適した検出装置の第三の例を示している。 アンテナを保持する弾性手段の第一の例をその一部に備えた本発明に係る部分放電検出装置を示している。 アンテナを保持する弾性手段の第二の例をその一部に備えた本発明に係る部分放電検出装置を示している。 アンテナを保持する弾性手段の第三の例をその一部に備えた本発明に係る部分放電検出装置を示している。 アンテナを保持する弾性手段の第三の例をその一部に備えた本発明に係る部分放電検出装置を示している。

全図を通じて、同様の要素には同一の参照番号が付与されている。

図１は、本発明に係る部分放電検出装置の第一実施形態を示している。

第一実施形態においては、部分放電検出装置は、検査窓に搭載されている。

ガス絶縁高電圧設備Ｓは、気体ｇ内に配置された高電圧バスバーＨＴを備えている。窓Ｈは、保持部１ａ、１ｂに搭載されている。部分放電検出装置は、窓Ｈに対向するように配置されたフラクタルアンテナＡを備えている。アンテナＡは、はんだ付けやプラギングによって同軸コネクタＣのコアＲの端部と電気的に接続されている。また、アンテナＡは、接着剤などによってコネクタＣのベースに固定されている。フランジＢは、窓Ｈの上方においてコネクタＣとアンテナＡを保持している。アンテナＡは、窓Ｈのできるだけ近く（例えば距離２ｍｍ）に配置されることが好ましい。

保持部１ａ、１ｂとフランジＢは、導電性であり、ガス絶縁高電圧設備の導電部とともにファラデーケージを構成する。ファラデーケージは、高電圧設備の外部から到来しうる電磁的外乱からアンテナＡを絶縁する。

フラクタルアンテナＡは、通常は１００ＭＨｚから３０００ＭＨｚの周波数帯の少なくとも一部に感度を有する二次元（平面）アンテナまたは三次元（立体）アンテナである。好ましくは、当該周波数帯の全てをカバーするために、アンテナＡは、各々が１００ＭＨｚから３０００ＭＨｚの周波数帯の一部をカバーする複数の独立したアンテナから構成される。

アンテナＡは、少なくとも一つの市販されているフラクタルアンテナによって構成されうる。アンテナＡは、既知の手段によって構成された少なくとも一つのフラクタルアンテナでありうる。例えば、アンテナＡは、プリント回路上に形成された、あるいはフレキシブル基板上に導電性インクで印刷された二次元フラクタルアンテナでありうる。また、アンテナＡは、電気絶縁材料のマトリクス内に積層法あるいは３Ｄプリンタによって形成された立体フラクタルアンテナでありうる。

フラクタルアンテナは非常に小さい。非限定的な一例として、三次元アンテナは、各辺が５ｍｍの立方体形状でありうる。本発明に係る部分放電検知装置の利点は、非常にコンパクトな点にある。

図２は、図１に示される部分放電検知装置の改良例を示している。

図２に示される変形例においては、ファラデーケージがアンテナＡによる波の検出を最適化する反射チャンバＥを構成している。

反射チャンバの形状と当該反射チャンバ内におけるアンテナＡの位置は、アンテナＡに向かう波の反射を最適化するように計算されている。本構成においては、導電線や導電フラクタル素子などの送電部材Ｔが、コネクタＣのコアＲの一端とアンテナＡを接続している。この場合、送電部材Ｔの第一端は、はんだ付けやプラギングなどによってコアＲの一端に接続される。送電部材Ｔの第二端は、はんだ付けやプラギングなどによってアンテナＡに接続される。送電部材Ｔの長さは、アンテナが最適位置に配置されるように選択されることが好ましい。

好ましくは、アンテナＡと送電部材Ｔによって構成されるアセンブリは、フォームＭによってフランジＢに固定される。しかしながら、他の固定法も採用されうる。

フォームによる固定の場合、当該フォームは、１に比較的近い誘電率を有しており、フランジＢ上に吹き付けによって堆積されている。例えば、フォームＭは、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）である。フォームＭは、フランジＢと窓Ｈの間の空間全体に存在してもよいし、図２に示されるように、アンテナＡが固定される部分のみに存在してもよい。いずれの場合においても、フォームＭは、衝撃や振動に対してアンテナＡを堅固に固定可能にする点において有利である。フォームＭがフランジＢと窓Ｈの間の空間全体に存在する場合、当該フォームＭは、湿気や粒子などによる汚染領域の存在を排除可能にする点において有利である。

図３Ａと図３Ｂは、本発明に係る部分放電検出装置の第二実施形態がとりうる二態様を示している。

第二実施形態においては、アンテナＡは、高電圧バスバーを保持するための電気絶縁ホルダの外面に配置されている。

図３Ａは、本発明に係る第二実施形態がとりうる第一の例を示しており、アンテナＡは空間内に配置されている。当該空間は、電気絶縁部の外面ＥＸＴの表面フラクション４、外面ＥＸＴに固定された円筒状の中空金属部２ａ、２ｂ、および中空金属部２ａ、２ｂの表面フラクション４に対向する部分を閉塞するフランジＢによって区画されている。フランジＢは、表面フラクション４の上方でアンテナＡおよびコネクタＣを保持している。コネクタＣは、アンテナＡに接続されている。上述のように、アンテナＡは、コネクタＣのコアＲに接続されている。アンテナＡは、接着剤などによってコネクタＣのベースに固定されている。

中空金属部２ａ、２ｂとフランジＢは、電気絶縁部の外面ＥＸＴの近傍に位置する高電圧設備の金属部とともにファラデーケージを構成する。ファラデーケージは、高電圧設備の外部から到来しうる電磁的外乱からアンテナＡを絶縁する。特定の実施形態においては、アンテナＡが配置される空間は、反射チャンバを構成する。反射チャンバは、アンテナによる波の検出を最適化する。上述のように、アンテナＡは、送電部材ＴによってコネクタＣのコアＲに接続されることが好ましい。この場合、アンテナＡと送電部材Ｔは、フォームＭによってフランジＢに固定される。

図３Ｂは、本発明に係る第二実施形態がとりうる第二の例を示しており、フラクタルアンテナＡがプリント回路ストリップＩの内面に形成されている。プリント回路ストリップＩは、連続的な導電路である外面を有している。この場合、プリント回路ストリップＩの内面は、電気絶縁部の外面ＥＸＴに固定される。プリント回路ストリップＩの外面は、高電圧設備の外側に向けられる。プリント回路ストリップＩの外面は、高電圧設備の金属部とともにファラデーケージを構成する。ファラデーケージは、外乱からアンテナＡを絶縁する。コネクタＣは、アンテナＡと装置の外部との間で電気的接続を形成する。プリント回路ストリップＩは薄く、例えば厚さ０．５ｍｍである。これにより、プリント回路ストリップＩは柔軟性を保ち、電気絶縁部の外側を包囲できる。

出願人は、連続的な導電路を外面ＥＸＴから離間することによって検出感度をかなりの度合いで（例えば３倍程度）向上できることを見出した。フラクタルアンテナＡは、気泡フォームストリップの内面に金属めっきでフラクタル構造を積層することにより形成される。気泡フォームストリップは、数ｍｍ（例えば５ｍｍ）の厚さと、アルミニウムなどの均一な金属被覆で覆われた外面を有している。例えば、気泡フォームは、エチレンプロピレンジエンモノマーである。

連続的な導電路を外面ＥＸＴから離間させることに関し、出願人は、アンテナのパターンがどのように形成されるかに依らず（パターンがフラクタルであるか否かに依らず）有利であることを見出した。

図４Ａと図４Ｂは、本発明に係る部分放電検出装置の第三実施形態がとりうる二態様を示している。本発明の第三実施形態においては、フラクタルアンテナＡが高電圧設備の内部、具体的には当該設備の金属筐体ＥＶ内に形成された中空部Ｐに配置されている。

金属筐体ＥＶに固定されたフランジＢは、アンテナＡが配置される中空部Ｐを閉塞している。アンテナＡに接続されたコネクタＣは、フランジＢ内に固定されている。フランジＢは、高電圧筐体の本体とともにファラデーケージを構成する。ファラデーケージは、高電圧設備の外部から到来しうる電磁的外乱からアンテナＡを絶縁する。アンテナＡは、気体ｇ内に配置されている。

本発明の第三実施形態がとりうる第一の例においては、アンテナＡは、フランジＢにおける電場密度が低い領域（ポテンシャル井戸）に接着されている。本例においては、アンテナを電気的に保護する手段が特に設けられていない。アンテナＡを包囲する電場の密度が低いからである（図４Ａ参照）。

本発明の第三実施形態がとりうる第二の例においては、アンテナＡは、フランジＢにおける強い電磁活動を有しうる領域から離間している。この場合、導電材料からなる保護要素３は、コネクタＣに固定されており、アンテナＡを包囲している。保護要素３は、アンテナＡに電場集中効果（チップ効果）が生じないようにする機能を有している。保護要素３は、円錐形状を有することが好ましい。当該形状における最も幅が狭い部分がコネクタＣに固定されており、最も幅が広い部分がコネクタＣから最も離れている。

上述のように、アンテナＡは、二次元あるいは三次元アンテナであり、１００ＭＨｚから２０００ＭＨｚの周波数帯の少なくとも一部をカバーする少なくとも一つのアンテナからなりうる。

図５は、図２に示した改良例を一般化して示している。

具体的には、図５は、窓上に配置された検出装置を示している。当該装置において、アンテナＡは、モノポールアンテナ、ダイポールアンテナ、フラクタルアンテナ、スパイラルアンテナなどでありうる。アンテナＡは、その種別に依らず、二次元アンテナでもよいし、三次元アンテナでもよい。

保持部１ａ、１ｂ、フランジＢ、および高電圧設備の金属部によって形成されるファラデーケージは、その種別に依らずアンテナＡによる波の検出を最適化する反射チャンバＥを構成している。フランジＢは、窓Ｈに対向する凹壁を有している。フランジＢの凹壁は、反射チャンバＥの高部を構成している。円形ドーム状のこの壁は、コネクタＣのコアＲの軸と一致する垂直子午軸を有している。フランジＢの凹壁の高さ変化とアンテナＡは、検出周波数帯における部分放電の検出を最適化するように機能する。この高さ変化は、検出スペクトルにおいて発生する傾向にある共鳴現象を回避可能にする。これにより、検出感度が利用スペクトル全体に亘って均一になる。反射チャンバＥによって検出感度が向上することにより、センサの数、ひいては部分放電検出装置のコストを抑制できるようになる点において有利である。

非常に有利な点として、出願人は、本例の構成によれば、アンテナの種別に依らず、ナショナルグリッド社の「Technical Guidance Note TGN(T) 121」において「ＵＨＦ部分放電監視用の容量結合」と表題で規定される推奨感度を満足することを見出した。

上述のように、アンテナＡは、エチレンプロピレンジエンモノマーフォームなどのフォームＭによって固定されることが好ましい。

また、出願人は、ガス絶縁高電圧設備からの部分放電を検出する装置を提案する。当該装置は、当該ガス絶縁高電圧設備の外側に配置された少なくとも１つのアンテナを備えていることを特徴とする。当該アンテナは、当該ガス絶縁高電圧設備の窓に対向している。当該アンテナを包囲している金属構造は、当該アンテナを当該ガス絶縁高電圧設備の外部から電気的に絶縁するファラデーケージを形成するのに寄与している。当該ファラデーケージは、当該アンテナによる波の検出を最適化する反射チャンバを形成している。当該アンテナは、上述したアンテナのいずれかでありうる。

図６は、図５に示された改良例を最適化するのに適した検出装置の第一変形例を示している。この第一変形例においては、反射チャンバＥの上部を構成する凹壁は、コネクタＣのコアＲの軸と一致する垂直子午軸を有する円形ドーム形状ではない。

当該凹壁は、計算によって最適化され、部分放電の検出感度を周波数帯にわたって均一にするのに適した形状を呈している。様々な凹形状が考えられうる。図６の例においては、コネクタＣのコアＲの軸に対して非対称の凹部形状が示されている。

図７は、図５に示された改良例を最適化するのに適した検出装置の第二変形例を示している。この第二変形例においては、アンテナＡは、フランジＢの凹壁に対向する凹面を有している。アンテナＡの凹形状については、本発明の範囲内において様々な形状が考えられうる。フランジＢの凹壁とアンテナＡの凹面の間の距離の変化は、部分放電の検出感度を周波数帯にわたって最適化可能とするように機能する。例えば、フランジＢの凹壁は、図５や図６に示されたものと同一とされうる。

図８は、図５に示された改良例を最適化するのに適した検出装置の第三変形例を示している。この第三変形例においては、アンテナＡは、フランジＢの凹壁に対向する凸面を有している。フランジＢの凹壁とアンテナＡの凸面の間の距離の変化もまた、部分放電の検出感度を周波数帯にわたって最適化可能とするように機能する。例えば、フランジＢの凹壁は、図５や図６に示されたものと同一とされうる。

図９に示される本発明に係る部分放電検出装置は、第一の例に係る弾性手段を備えている。当該弾性手段は、当該検出装置の一部をなすアンテナを保持するためのものである。

アンテナＡを固定するためのフォームＭは、反射チャンバＥの空間全体に存在している。フォームＭは、アンテナＡを窓Ｈに対して固定しつつ寸法偏差を埋め合わせるのに適した弾性手段を構成している。

図１０、図１１Ａ、および図１１Ｂは、アンテナを保持するための弾性手段の二つの別例を示している。これら二つの別例においては、送電部材が弾性を有している。

図１０において、送電部材は、導電ばねＲＳである。導電ばねＲＳの一端は、コネクタＣのコアＲにはんだ付けされている。導電ばねＲＳの他端は、アンテナＡにはんだ付けされている。本例において、アンテナＡをフランジＢに固定するフォームＭは、反射チャンバＥの空間全体を充填してもよい。

図１１Ａと図１１Ｂにおいて、送電部材は、スライド接続である。スライド接続は、コネクタＣのコアＲの端部が挿入されるブッシングｂを備えている。コアＲの端部とブッシングｂの中空部の端部の間には空隙ｚが存在する。これにより、ブッシングｂの中空部内におけるコアＲの摺動が可能とされている。このスライドシステムは、アンテナＡの初期位置への戻り力を発生するのに適した弾性手段を構成する。

Claims (13)

1. ガス絶縁高電圧設備からの部分放電を検出する装置であって、
   前記ガス絶縁高電圧設備の窓（Ｈ）に対向するように当該ガス絶縁高電圧設備の外側に配置された少なくとも一つのアンテナ（Ａ）と、
   前記ガス絶縁高電圧設備の金属壁（１ａ、１ｂ）と電気的に接触し、当該金属壁とともにファラデーケージの形成に寄与する金属フランジ（Ｂ）と、
   を備えており、
   前記ファラデーケージは、前記アンテナを前記ガス絶縁高電圧設備の外部から絶縁し、
   前記金属フランジは、前記窓に対向する凹壁を有し、
   前記アンテナは、モノポールアンテナ、またはダイポールアンテナ、またはスパイラルアンテナ、またはフラクタルアンテナであり、
   前記アンテナは、前記金属フランジの前記凹壁に対向する凹面を有している、
   装置。
2. ガス絶縁高電圧設備からの部分放電を検出する装置であって、
   前記ガス絶縁高電圧設備の窓（Ｈ）に対向するように当該ガス絶縁高電圧設備の外側に配置された少なくとも一つのアンテナ（Ａ）と、
   前記ガス絶縁高電圧設備の金属壁（１ａ、１ｂ）と電気的に接触し、当該金属壁とともにファラデーケージの形成に寄与する金属フランジ（Ｂ）と、
   を備えており、
   前記ファラデーケージは、前記アンテナを前記ガス絶縁高電圧設備の外部から絶縁し、
   前記金属フランジは、前記窓に対向する凹壁を有し、
   前記アンテナは、モノポールアンテナ、またはダイポールアンテナ、またはスパイラルアンテナ、またはフラクタルアンテナであ、
   前記アンテナは、前記金属フランジの前記凹壁に対向する凸面を有している、
   装置。
3. 前記アンテナに接続された電気コネクタ（Ｃ）が前記金属フランジに固定されている、
   請求項１または２に記載の装置。
4. 送電部材（Ｔ）が前記電気コネクタのコア（Ｒ）を前記アンテナに接続している、
   請求項３に記載の装置。
5. 前記送電部材は、導電線である、
   請求項４に記載の装置。
6. 前記導電線は、導電ばね（ＲＳ）である、
   請求項５に記載の装置。
7. 前記送電部材は、スライド接続（ｄ）を備えている、
   請求項４に記載の装置。
8. 前記ファラデーケージにフォーム（Ｍ）が充填されている、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記アンテナは、フラクタルアンテナである、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記ファラデーケージは、前記窓に対向する凹壁を有する反射チャンバ（Ｅ）を形成している、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 導電保護要素（３）が前記フラクタルアンテナを包囲し、当該フラクタルアンテナへの電場集中効果を防止している、
    請求項９に記載の装置。
12. 前記フラクタルアンテナは、少なくとも一つの二次元アンテナと少なくとも一つの三次元アンテナの少なくとも一方を備えている、
    請求項９または１１に記載の装置。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の部分放電を検出する装置が装着されたガス絶縁高電圧設備。

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