JP6753841B2 - 電力機器の絶縁診断装置および絶縁診断方法 - Google Patents
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Description
部分放電は、放電に伴って発生する電磁波(放電信号)を測定することによって、検出できる。しかし、測定される電磁波は、空中を伝播する意図しない電磁波(ノイズ)をも含むため、ノイズを放電信号と誤って検出する可能性がある。一般に、放電信号は微弱であり、ノイズに埋もれ易く、その確実な検出は容易ではない。
図1は、実施形態に係る電力機器の絶縁診断装置の構成を示す。絶縁診断装置は、電力機器7の絶縁性を診断する装置である。
電力機器7は、例えば、スイッチギヤであり、所定の周波数(商用周波数、例えば、50または60Hz)の交流電圧が印加される。スイッチギヤは、主に高圧負荷や高圧配電に用いられ、箱体1中に収納される真空遮断器、断路器、変成器、および絶縁母線を有する。
絶縁劣化が著しければ、部分放電の発生頻度は高く、かつ発生する放電信号の強度も大きくなるので、部分放電の検出は容易となる。しかし、絶縁性の劣化が進む前は、部分放電の発生は散発的であり(発生頻度少)、放電信号の強度も比較的小さいので、その検出は容易ではない。絶縁診断装置は、絶縁性の劣化の初期段階の比較的微弱で、かつ頻度の小さい放電信号を検出できる。
電磁波センサ2は、スイッチギヤの箱体1内に配置されるアンテナから構成され、電力機器からの放電信号を含む、電磁波の信号を受信する。
さらに、ループアンテナは、ある程度の指向性を有している。このため、ループアンテナを電力機器7(さらには、電力機器7中、特に、部分放電が生じ易い箇所)に向けることで、電力機器7外(あるいは、電力機器7中、特に、部分放電が生じ難い箇所)からのノイズ成分を低減できる(高S/N比での測定が容易)。
信号処理装置3は、順に接続されるフィルタ4、アンプ5、および解析装置6を有する。
真空放電、ボイド放電、気中放電の何れも検出可能とするためには、フィルタ4が、35kHz〜180MHzの周波数帯域を有することが好ましい。但し、検出したい放電信号の種別等を考慮して、フィルタ4の周波数帯域を適宜に設定しても良い。
なお、アンプ5で増幅された電磁波の信号は、必要に応じて、A/D変換器によってA/D変換された後、解析装置6に入力される。
放電信号抽出部6aは、アンプ5で増幅された電磁波の信号から放電信号を抽出する。このとき、後述の波形合成のために、電力機器7に印加される交流電圧の複数周期に亘る、複数の放電信号が抽出される。
この放電信号は、互いに極性が異なる波W1、W2を組み合わせた減衰する振動の波形である。
ベース幅tb(tb1,tb2)は、信号強度ゼロにおける信号の時間幅である。
閾値幅tt(tt1,tt2)は、閾強度Vthにおける信号の時間幅である。なお、閾値幅ttは、信号強度の絶対値が閾強度Vthを越える時間としても定義できる。
A.ピーク強度V
閾強度Vthを越えるピーク強度Vを有する信号を放電信号として抽出する。この条件は、信号が、ホワイトノイズ等のノイズレベルを越えることを要求するものである。すなわち、ホワイトノイズを除去するために、次の式(1)が用いられる。
V>Vth …… 式(1)
閾時間tthを越える時間幅tを有する信号を放電信号として抽出する。放電信号は、一般に、ある程度の持続時間を有することから、放電信号と比べて持続時間の短い信号をノイズとして除去する。この条件は、次の式(2)で表される。
t> tth …… 式(2)
tth<t<tth2 …… 式(2−1)
このようにすると、スイッチングなどに起因する時間幅の大きな信号をノイズとして除去できる。
条件Cおよび次の条件Dは、振動の条件である。放電信号は、一般に、振動する信号であり、単一のパルス等では表されない。すなわち、放電信号は、極性が交互に変化する連続する複数の波として表される。
極性が交互に変化する条件は、次の式(3)で表すことができる。
P1*P2<0 …… 式(3)
式(3)は、波W1の極性P1と波W2の極性P2の積が負であること、すなわち、連続する波W1,W2の極性の正負が異なることを意味する。
波W1、W2の連続性(波W1、W2が結合していること)は、次の式(4)に示すように、ピーク間隔tppによって判定できる。
tb1・α≦tpp≦tb1・β …… 式(4)
ここで、0<α<β<1
条件Eは、減衰の条件である。部分放電は、一般に、一時的(瞬時的)な現象であるから、放電信号は、減衰していく振動となる。減衰の条件は、次の式(5)で表すことができる。
V2/V1 ≦ γ …… 式(5)
ここで、0<γ<1
(a)閾強度Vthを越えるピーク強度Vを有する信号
(b)閾強度Vthを越えるピーク強度と、閾時間tthを越える時間幅tと、を有する信号
(c)極性P1を有する波W1と、この波W1と結合し、かつ極性P1と逆の極性P2を有する波W2と、を含む信号
既述のように、波W1、W2の結合の有無は、時間幅tに基づいて、波W1、W2の間隔(例えば、ピーク間隔tpp)の上限を設定することで判定できる。
時間−周波数変換とは、時間(位相)および周波数に対する波形の強度分布を求めることであり、ウェーブレット変換(連続ウェーブレット変換、離散ウェーブレット変換)、短時間フーリエ変換を用いることができる。
なお、ウェーブレット係数(Wψf)(b,a)は、数学上の行列で表現できる。
(Wψf)(b,a)=(Wψf1)(b,a)+(Wψf2)(b,a)…式(11)
(Wψf)(b,a)=(Wψf1)(b,a)+(Wψf3)(b,a)…式(12)
この場合、不要な放電信号を除去する際に、位相上重なる放電信号の個数および重なる位相の範囲を求めておく。例えば、N個の放電信号が、位相θ1〜θ2(パラメータb1〜b2)の範囲で重なったとする。この場合、N個の放電信号中、(N−1)個の放電信号が除外され、1個の放電信号のみが信号合成の対象となる。合成された信号波形f1(t)のウェーブレット係数(Wψf1)(b,a)が算出される。
(Wψf)(b,a)=N*(Wψf1)(b,a) …式(13)
b=b1〜b2
この整数Nは、他の放電信号と位相上重なる第2の放電信号に対応する値である。
(Wψf)(b,a)=(Wψf1)(b,a) …式(14)
b<b1、b>b2
(Wψf)(b,a)=ΣiAi*(Wψfi)(b−Δbi,a) …式(15)
S=Σa、b(Wψf)(b,a) …式(16)
ここで、パラメータaは、基準周波数fr1〜fr2の範囲に対応するパラメータa1〜a2の範囲とする。
図6は、実施形態に係る電力機器の絶縁診断方法を示す。以下、図6を参照して、絶縁診断方法を説明する。
電力機器7への交流電圧の印加に伴って、部分放電が発生する。電磁波センサ2が、この部分放電に伴う放電信号を受信する。
放電信号抽出部6aが、電力機器7に印加される交流電圧の複数周期に亘る、複数の放電信号を抽出する。このとき、連続して発生した放電信号を交流電圧の複数周期の周期(サイクル)毎に区分して抽出できる。図4の(a)〜(c)は、3周期に亘って発生した放電信号を示す。
既述のように、放電信号抽出部6aは、例えば、式(1)〜(5)を用いて、図3に示すような減衰振動の波形を有する放電信号を抽出できる。
波形除去部6bは、不要放電信号(位相上重なる放電信号のいずれか、例えば、より強度の小さい放電信号)を除去する。
既述のように、複数の放電信号の位相上の重なりの有無は、ある周期での放電信号(波)のベース幅tbxと、他の周期での放電信号のベース幅tbyが、位相の上で全部または一部が重なるか否かに基づいて、判定できる。
波形合成部6cは、複数周期(複数サイクル)に亘る、複数の放電信号を1周期(1サイクル)に対応する波形に合成する。
波形解析部6dは、波形合成部6cの出力側に接続され、合成された放電信号を時間−周波数解析して、係数(例えば、ウェーブレット係数)を算出する。
波形解析部6dは、必要に応じて、例えば、式(11)〜(16)に基づいて、除去された放電信号を加味した係数を算出する。
積算・比較部6eは、係数(例えば、ウェーブレット係数)を基準周波数範囲内で加算し、基準値Sthと比較することによって、絶縁不良を診断できる。
以下、変形例に係る絶縁診断装置を説明する。
図8は、変形例に係る電力機器の絶縁診断装置の構成を示す。図8に示すように、変形例に係る電力機器は、複数の電磁波センサ2a,2bをスイッチギヤの箱体1内の異なる箇所に設置している。
電磁波センサの個数を3つ以上として、放電発生源の存在範囲をさらに限定してもよい。
Claims (12)
- 交流電圧が印加される電力機器からの放電信号を含む、電磁波の信号を受信する電磁波センサと、
前記電磁波の信号から、前記交流電圧の複数周期に亘る、複数の放電信号を抽出する抽出部と、
前記複数の放電信号のうち、他の放電信号と位相上重なる第2の放電信号を、前記複数の放電信号から除去する除去部と、
前記第2の放電信号が除去された前記複数の放電信号を、前記交流電圧の一周期に対応する波形に合成する合成部と、
前記波形を時間−周波数解析して、周波数および位相と信号強度との関係を表す複数の係数を算出する解析部と、
を具備する電力機器の絶縁診断装置。 - 前記抽出部は、閾強度を越えるピーク強度を有する信号を、放電信号として抽出する、請求項1記載の電力機器の絶縁診断装置。
- 前記抽出部は、前記閾強度を越えるピーク強度と、閾時間を越える時間幅と、を有する信号を、放電信号として抽出する、
請求項2記載の電力機器の絶縁診断装置。 - 前記抽出部は、第1の極性を有する第1の波と、この第1の波と結合し、かつ前記第1の極性と逆の第2の極性を有する第2の波と、を含む信号を、放電信号として抽出する、
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電力機器の絶縁診断装置。 - 前記抽出部は、前記第2の波のピーク強度が、前記第1の波のピーク強度より小さい、前記信号を、放電信号として抽出する、
請求項4記載の電力機器の絶縁診断装置。 - 前記第2の放電信号のピーク強度が、前記他の放電信号のピーク強度より小さい、
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電力機器の絶縁診断装置。 - 前記解析部が、前記第2の放電信号に対応する値を、前記複数の係数のうち前記第2の放電信号に対応する位相の係数に乗じる、
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の電力機器の絶縁診断装置。 - 前記解析部が、前記第2の放電信号を時間−周波数解析して、複数の第2の係数を算出し、前記複数の係数にそれぞれ加算して、複数の第3の係数を算出する、
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の電力機器の絶縁診断装置。 - 前記複数の係数を基準周波数範囲内で加算する加算部をさらに具備する
請求項1乃至7のいずれか1項に記載の電力機器の絶縁診断装置。 - 前記電磁波の信号中の35kHz〜180MHzの周波数帯域の信号を通過させるバンドパスフィルタをさらに具備し、
前記抽出部は、前記バンドパスフィルタを通過した電磁波の信号から、前記複数の放電信号を抽出する
請求項1乃至9のいずれか1項に記載の電力機器の絶縁診断装置。 - 前記電磁波の信号を受信する第2の電磁波センサと、
前記第2の電磁波センサが受信した電磁波の信号から、前記交流電圧の複数周期に亘る、複数の第2の放電信号を抽出する第2の抽出部と、
前記複数の放電信号と前記複数の第2の放電信号の間の時間差を算出し、前記電力機器の放電箇所を特定する特定部と、
を具備する請求項1乃至10のいずれか1項に記載の電力機器の絶縁診断装置。 - 交流電圧が印加される電力機器からの放電信号を含む、電磁波の信号を受信する工程と、
前記電磁波の信号から、前記交流電圧の複数周期に亘る、複数の放電信号を抽出する工程と、
前記複数の放電信号のうち、他の放電信号と位相上重なる第2の放電信号を、前記複数の放電信号から除去する工程と、
前記第2の放電信号が除去された前記複数の放電信号を、前記交流電圧の一周期に対応する波形に合成する工程と、
前記波形を時間−周波数解析して、周波数および位相と信号強度との関係を表す複数の係数を算出する工程と、
を具備する電力機器の絶縁診断方法。
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