JP6893911B2 - 絶縁体の絶縁性能の評価方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2016年3月3日付の日本国出願の特願2016−041451に基づく優先権を主張し、前記日本国出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
第一絶縁体に所定の印加条件で直流電圧を印加して、前記直流電圧の印加開始から印加終了後所定時間経過までに前記第一絶縁体を流れる電流の積分値を測定する工程αと、
第二絶縁体に、前記工程αと同一の印加条件で直流電圧を印加して、前記直流電圧の印加開始から印加終了後所定時間経過までに前記第二絶縁体に流れる電流の積分値を測定する工程βと、
前記工程αで得られた経過時間と前記積分値との関係を示す第一グラフと、前記工程βで得られた経過時間と前記積分値との関係を示す第二グラフとを比較することで、前記直流電圧の印加に伴う前記第一絶縁体の絶縁性能と前記第二絶縁体の絶縁性能との相違を評価する工程γと、を備え、
前記各積分値は、前記各絶縁体に直列に接続されるキャパシタと前記キャパシタにかかる電圧を測定する電圧計とを備え、前記電圧計の測定結果に基づいて前記各積分値を測定する電流積分計によって求め、
前記印加条件は、電圧を0kVから所定の最終到達電圧まで昇圧する昇圧操作と、前記最終到達電圧で一定時間保持する電圧保持操作と、電圧の印加を停止して前記キャパシタの放電を行う放電操作と、前記キャパシタを接地する接地操作と、を含む。
近年、高電圧の直流送電が検討されており、その電力ケーブルに備わる絶縁層(絶縁体からなる層)の状態診断の手法が必要になるものと考えられる。また、電力ケーブルだけでなく、種々の電気機器を直流で使用することが検討されている現状に鑑みても、直流電圧下の絶縁体の状態診断の手法が必要になると考えられる。しかし、直流電圧の印加に伴う絶縁体の状態を診断する有効な方法は現在のところ存在しない。
・充電電流(変位電流と呼ばれることもある)…電極で挟まれた絶縁体はちょうどキャパシタと同じ構成となっているため、直流電圧の印加開始により双極子配列の変化を伴う電荷蓄積が起こる。その際に流れる電流が充電電流であり、絶縁体の比誘電率によって変化する。この充電電流は、直流電圧の印加開始から所定時間だけ流れる電流である。
・空間電荷蓄積電流(吸収電流と呼ばれることもある)…絶縁体に直流電圧を印加したときに、絶縁体に空間電荷の生成・移動に伴って発生する電流である。この空間電荷蓄積電流は、充電電流と同様、直流電圧の印加開始から所定時間だけ流れる。
・リーク電流…絶縁体といえども非常に微弱ながら電流が流れる。つまり、絶縁体の電気伝導率に応じて流れる電流がリーク電流である。リーク電流は、直流電圧を印加している間中、流れる。
・部分放電電流…絶縁体の内部に放電空隙があると、その放電空隙で部分放電(コロナ)が発生する。そのとき、瞬間的に流れる電流が部分放電電流である。
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
第一絶縁体に所定の印加条件で直流電圧を印加して、前記直流電圧の印加開始から印加終了後所定時間経過までに前記第一絶縁体を流れる電流の積分値を測定する工程αと、
第二絶縁体に、前記工程αと同一の印加条件で直流電圧を印加して、前記直流電圧の印加開始から印加終了後所定時間経過までに前記第二絶縁体に流れる電流の積分値を測定する工程βと、
前記工程αで得られた経過時間と前記積分値との関係を示す第一グラフと、前記工程βで得られた経過時間と前記積分値との関係を示す第二グラフとを比較することで、前記直流電圧の印加に伴う前記第一絶縁体の絶縁性能と前記第二絶縁体の絶縁性能との相違を評価する工程γと、を備え、
前記各積分値は、前記各絶縁体に直列に接続されるキャパシタと前記キャパシタにかかる電圧を測定する電圧計とを備え、前記電圧計の測定結果に基づいて前記各積分値を測定する電流積分計によって求め、
前記印加条件は、電圧を0kVから所定の最終到達電圧まで昇圧する昇圧操作と、前記最終到達電圧で一定時間保持する電圧保持操作と、電圧の印加を停止して前記キャパシタの放電を行う放電操作と、前記キャパシタを接地する接地操作と、を含む。
前記第二絶縁体は、絶縁性能の変化を起こした前記第一絶縁体であり、
前記工程αと前記工程βにおける測定環境の条件が同じである形態を挙げることができる。
前記第二絶縁体は、前記第一絶縁体とは異なる材料で構成され、
前記工程αと前記工程βにおける測定環境の条件が同じである形態を挙げることができる。
前記第二絶縁体は、前記第一絶縁体と同じ材料で構成され、
前記工程αと前記工程βにおける測定環境の条件が異なる形態を挙げることができる。
前記第一絶縁体に、前記工程αとは前記最終到達電圧のみが異なる印加条件で直流電圧を印加して、その直流電圧の印加開始から印加終了後所定時間経過までに前記第一絶縁体を流れる電流の積分値を測定する工程δと、
前記第二絶縁体に、前記工程δと同一の印加条件で直流電圧を印加し、その直流電圧の印加開始から印加終了後所定時間経過までに前記第二絶縁体に流れる電流の積分値を測定する工程εと、を備え、
前記工程γにおいて、前記工程δと前記工程εの測定結果を含めて前記第一絶縁体の絶縁性能と前記第二絶縁体の絶縁性能との相違を評価する形態を挙げることができる。
前記各絶縁性能は、前記各絶縁体の比誘電率であり、
前記比誘電率は、前記第一グラフまたは前記第二グラフにおける前記各絶縁体に蓄積される充電電流が関与する部分であって、前記直流電圧の印加開始から所定時間までの部分の前記積分値から求める形態を挙げることができる。
前記各絶縁性能は、前記各絶縁体の電気伝導率であり、
前記電気伝導率は、前記第一グラフまたは前記第二グラフにおける前記各絶縁体に流れるリーク電流が関与する部分であって、前記直流電圧の印加開始から所定時間経過後の前記積分値の傾きから求める形態を挙げることができる。
前記各絶縁性能は、前記各絶縁体の内部の放電空隙の存在状態であり、
前記放電空隙の存在状態は、前記第一グラフまたは前記第二グラフにおける前記各絶縁体に流れる部分放電電流が関与する部分を特定することで求める形態を挙げることができる。
前記工程αおよび前記工程βにおいて、部分放電時に発生する高周波パルスを検知するセンサによって部分放電の発生のタイミングを検知し、前記第一グラフおよび前記第二グラフにおける前記部分放電電流を特定する形態を挙げることができる。
前記各絶縁性能は、前記各絶縁体における空間電荷の蓄積挙動であり、
前記空間電荷の蓄積挙動の影響は、前記第一グラフまたは前記第二グラフにおけるQA/Q0を比較することにより求める形態を挙げることができる。
ここで、前記Q0は、前記直流電圧の印加開始から所定時間経過後に前記各絶縁体に蓄積される充電電流が無視できるレベルにまで下がった時間T0における前記積分値であり、前記QAは、前記時間T0から所定時間経過後の時間TAにおける前記積分値である。
前記工程αおよび前記工程βにおいて、前記空間電荷の蓄積挙動をPEA法(Pulsed Electro−Acoustic Method;パルス静電応力法)によって検知し、前記第一グラフおよび前記第二グラフにおける前記空間電荷の蓄積挙動を特定する形態を挙げることができる。
前記各絶縁体の接地側に前記電流積分計を配置して前記積分値を測定する形態を挙げることができる。
前記各絶縁体の高電圧側に前記電流積分計を配置して前記積分値を測定する形態を挙げることができる。
以下、実施形態に係る絶縁体の絶縁性能の評価方法の実施形態を説明する。なお、本願発明は実施形態に示される構成に限定されるわけではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内の全ての変更が含まれることを意図する。
実施形態1では、図1に示す電流積分計1を用いて、直流電圧の印加に伴って絶縁体9に流れる電流の積分値を測定し、絶縁体9の絶縁性能の変化を評価する。測定に使用する絶縁体9は、ポリブテンを含浸した厚さ0.1mmのクラフト紙を二枚重ねたものである。
(1)昇圧速度;133V/sec、最終到達電圧;2kV、印加時間;2kVに到達後600sec、印加停止後の保持時間;180sec
(2)昇圧速度;133V/sec、最終到達電圧;5kV、印加時間;5kVに到達後600sec、印加停止後の保持時間;180sec
(3)昇圧速度;133V/sec、最終到達電圧;8kV、印加時間;8kVに到達後600sec、印加停止後の保持時間;180sec
実施形態2では、図1の電流積分計1において、絶縁油(ポリブテン)を含浸した絶縁体9を気中に配置した状態で電流の積分値Qを測定した。その結果を図5に示す。直流電圧の印加条件は、実施形態1と同様である。
実施形態3では、空間電荷測定装置を併設した電流積分計10を図7に基づいて説明する。図7の構成のうち、図1と同一の構成については、図1と同一の符号を付してその説明を省略する。
実施形態4では、図1に示す電流積分計1を用いて、直流電圧の印加時における三つの絶縁材料の絶縁性能の評価を行なった。
一つ目の絶縁材料は、低密度ポリエチレン(low density polyethylene:LDPE)である。LDPEの絶縁体9の厚さは約0.2mm、電極2Aの直径は73mm、電極2Bの直径は54mmであった。測定環境は常温で、絶縁体9と電極2A,2Bの界面には油の塗布を行なわなかった。
(1)0.5kV(極太破線)
(2)1kV(太実線)
(3)2kV(太点線)
(4)4kV(太破線)
(5)7kV(細実線)
(6)10kV(細点線)
(7)15kV(細破線)
(8)20kV(極太実線)
二つ目の絶縁材料は、高密度ポリエチレン(high density polyethylene:HDPE)である。HDPEの絶縁体9について、LDPEの絶縁体9と同様にして、電流の積分値Q、電流値I、およびQ300/Q0を求めた。電流の積分値Qの結果を図11に、電流値Iの結果を図12に、Q300/Q0の結果を図13に示す。
三つ目の絶縁材料は、ポリスチレン(polystyrene:PS)である。PSの絶縁体9について、LDPEの絶縁体9と同様にして、電流の積分値Q、電流値I、およびQ300/Q0を求めた。電流の積分値Qの結果を図14に、電流値Iの結果を図15に、Q300/Q0の結果を図16に示す。
電流の積分値Qに係る図8,11,14を比較することで、最終到達電圧が2kV以下程度という低い値のうちは、各素材における電荷の蓄積量(電流の積分値Q)にあまり差はないが、印加電圧が高くなるほど、LDPEの電荷の蓄積量がHDPEおよびPSに比べて大幅に大きくなることが分かった。特に、測定開始10秒前後から600秒前後までの空間電荷蓄積電流とリーク電流が支配的な時間で、LDPEの電荷の蓄積量は10−5レベルに上昇するのに対して、HDPEおよびPSの電荷の蓄積量は10−6レベルに留まっている。
実施形態5では、実施形態4とは異なる測定温度で実施形態4の三つの絶縁材料について積分値Qを測定し、実施形態4の測定結果と比較を行った。
LDPEの積分値Q、電流値I、およびQ300/Q0をそれぞれ、図17,18,19に示す。
HDPEの積分値Q、電流値I、およびQ300/Q0をそれぞれ、図20,21,22に示す。
PSの積分値Q、電流値I、およびQ300/Q0をそれぞれ、図23,24,25に示す。
実施形態に係る絶縁体の絶縁性能の評価方法は、経時的な絶縁体の絶縁性能の変化を評価することに好適に利用することができる。将来的には、実施形態の絶縁体の絶縁性能の評価方法は、直流送電を行なう電力ケーブル、例えば超電導ケーブルの絶縁層の劣化診断や、油浸絶縁ケーブルの絶縁層(絶縁体)の劣化診断、固体絶縁ケーブルの固体絶縁体の劣化診断に利用できると期待される。また、電力ケーブル以外の直流電圧を印加して使用する電気機器、例えばキャパシタや電池などに備わる絶縁体の劣化診断にも利用できると期待される。さらに、交流で使用される電気機器であっても、その電気機器に備わる絶縁体の状態変化、例えば水トリー劣化や高温、放射線照射による絶縁体の劣化などが、本発明の監視方法にて捉えられるものであれば、交流での絶縁体の状態変化の追跡手法として本発明の監視方法を利用する手立てがあるものと考えられる。
2A,2B 電極 3 直流電源 4 コンデンサ 5 アンプ
6 電圧計 7 リレー 8 高周波カレントトランス
9 絶縁体
11 AC/DCコンバータ 12 近距離無線通信機 13 アンテナ
14 パルス発生器 15 圧電素子 16 オシロスコープ
Claims (17)
- 第一絶縁体に所定の印加条件で直流電圧を印加して、前記直流電圧の印加開始から印加終了後所定時間経過までに前記第一絶縁体を流れる電流の積分値を測定する工程αと、
第二絶縁体に、前記工程αと同一の印加条件で直流電圧を印加して、前記直流電圧の印加開始から印加終了後所定時間経過までに前記第二絶縁体に流れる電流の積分値を測定する工程βと、
前記工程αで得られた経過時間と前記積分値との関係を示す第一グラフと、前記工程βで得られた経過時間と前記積分値との関係を示す第二グラフとを比較することで、前記直流電圧の印加に伴う前記第一絶縁体の絶縁性能と前記第二絶縁体の絶縁性能との相違を評価する工程γと、を備え、
前記各積分値は、前記各絶縁体に直列に接続されるキャパシタと前記キャパシタにかかる電圧を測定する電圧計とを備え、前記電圧計の測定結果に基づいて前記各積分値を測定する電流積分計によって求め、
前記印加条件は、電圧を0kVから所定の最終到達電圧まで昇圧する昇圧操作と、前記最終到達電圧で一定時間保持する電圧保持操作と、電圧の印加を停止して前記キャパシタの放電を行う放電操作と、前記キャパシタを接地する接地操作と、を含み、
前記各絶縁性能は、前記各絶縁体の比誘電率であり、
前記比誘電率は、前記第一グラフまたは前記第二グラフにおける前記各絶縁体に蓄積される充電電流が関与する部分であって、前記直流電圧の印加開始から所定時間までの部分の前記積分値から求める、
絶縁体の絶縁性能の評価方法。 - 前記各絶縁性能は、前記各絶縁体の電気伝導率であり、
前記電気伝導率は、前記第一グラフまたは前記第二グラフにおける前記各絶縁体に流れるリーク電流が関与する部分であって、前記直流電圧の印加開始から所定時間経過後の前記積分値の傾きから求める請求項1に記載の絶縁体の絶縁性能の評価方法。 - 前記各絶縁性能は、前記各絶縁体の内部の放電空隙の存在状態であり、
前記放電空隙の存在状態は、前記第一グラフまたは前記第二グラフにおける前記各絶縁体に流れる部分放電電流が関与する部分を特定することで求める請求項1又は請求項2に記載の絶縁体の絶縁性能の評価方法。 - 前記工程αおよび前記工程βにおいて、部分放電時に発生する高周波パルスを検知するセンサによって部分放電の発生のタイミングを検知し、前記第一グラフおよび前記第二グラフにおける前記部分放電電流を特定する請求項3に記載の絶縁体の絶縁性能の評価方法。
- 前記各絶縁性能は、前記各絶縁体における空間電荷の蓄積挙動であり、
前記空間電荷の蓄積挙動の影響は、前記第一グラフまたは前記第二グラフにおけるQA/Q0を比較することにより求める請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の絶縁体の絶縁性能の評価方法。
ここで、前記Q0は、前記直流電圧の印加開始から所定時間経過後に前記各絶縁体に蓄積される充電電流が無視できるレベルにまで下がった時間T0における前記積分値であり、前記QAは、前記時間T0から所定時間経過後の時間TAにおける前記積分値である。 - 前記工程αおよび前記工程βにおいて、前記空間電荷の蓄積挙動をPEA法によって検知し、前記第一グラフおよび前記第二グラフにおける前記空間電荷の蓄積挙動を特定する請求項5に記載の絶縁体の絶縁性能の評価方法。
- 第一絶縁体に所定の印加条件で直流電圧を印加して、前記直流電圧の印加開始から印加終了後所定時間経過までに前記第一絶縁体を流れる電流の積分値を測定する工程αと、
第二絶縁体に、前記工程αと同一の印加条件で直流電圧を印加して、前記直流電圧の印加開始から印加終了後所定時間経過までに前記第二絶縁体に流れる電流の積分値を測定する工程βと、
前記工程αで得られた経過時間と前記積分値との関係を示す第一グラフと、前記工程βで得られた経過時間と前記積分値との関係を示す第二グラフとを比較することで、前記直流電圧の印加に伴う前記第一絶縁体の絶縁性能と前記第二絶縁体の絶縁性能との相違を評価する工程γと、を備え、
前記各積分値は、前記各絶縁体に直列に接続されるキャパシタと前記キャパシタにかかる電圧を測定する電圧計とを備え、前記電圧計の測定結果に基づいて前記各積分値を測定する電流積分計によって求め、
前記印加条件は、電圧を0kVから所定の最終到達電圧まで昇圧する昇圧操作と、前記最終到達電圧で一定時間保持する電圧保持操作と、電圧の印加を停止して前記キャパシタの放電を行う放電操作と、前記キャパシタを接地する接地操作と、を含み、
前記各絶縁性能は、前記各絶縁体における空間電荷の蓄積挙動であり、
前記空間電荷の蓄積挙動の影響は、前記第一グラフまたは前記第二グラフにおけるQ A /Q 0 を比較することにより求める、
絶縁体の絶縁性能の評価方法。
ここで、前記Q 0 は、前記直流電圧の印加開始から所定時間経過後に前記各絶縁体に蓄積される充電電流が無視できるレベルにまで下がった時間T 0 における前記積分値であり、前記Q A は、前記時間T 0 から所定時間経過後の時間T A における前記積分値である。 - 前記工程αおよび前記工程βにおいて、前記空間電荷の蓄積挙動をPEA法によって検知し、前記第一グラフおよび前記第二グラフにおける前記空間電荷の蓄積挙動を特定する請求項7に記載の絶縁体の絶縁性能の評価方法。
- 前記各絶縁性能は、前記各絶縁体の電気伝導率であり、
前記電気伝導率は、前記第一グラフまたは前記第二グラフにおける前記各絶縁体に流れるリーク電流が関与する部分であって、前記直流電圧の印加開始から所定時間経過後の前記積分値の傾きから求める請求項7又は請求項8に記載の絶縁体の絶縁性能の評価方法。 - 前記各絶縁性能は、前記各絶縁体の内部の放電空隙の存在状態であり、
前記放電空隙の存在状態は、前記第一グラフまたは前記第二グラフにおける前記各絶縁体に流れる部分放電電流が関与する部分を特定することで求める請求項7から請求項9のいずれか1項に記載の絶縁体の絶縁性能の評価方法。 - 前記工程αおよび前記工程βにおいて、部分放電時に発生する高周波パルスを検知するセンサによって部分放電の発生のタイミングを検知し、前記第一グラフおよび前記第二グラフにおける前記部分放電電流を特定する請求項10に記載の絶縁体の絶縁性能の評価方法。
- 前記第二絶縁体は、絶縁性能の変化を起こした前記第一絶縁体であり、
前記工程αと前記工程βにおける測定環境の条件が同じである請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の絶縁体の絶縁性能の評価方法。 - 前記第二絶縁体は、前記第一絶縁体とは異なる材料で構成され、
前記工程αと前記工程βにおける測定環境の条件が同じである請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の絶縁体の絶縁性能の評価方法。 - 前記第二絶縁体は、前記第一絶縁体と同じ材料で構成され、
前記工程αと前記工程βにおける測定環境の条件が異なる請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の絶縁体の絶縁性能の評価方法。 - 前記第一絶縁体に、前記工程αとは前記最終到達電圧のみが異なる印加条件で直流電圧を印加して、その直流電圧の印加開始から印加終了後所定時間経過までに前記第一絶縁体を流れる電流の積分値を測定する工程δと、
前記第二絶縁体に、前記工程δと同一の印加条件で直流電圧を印加し、その直流電圧の印加開始から印加終了後所定時間経過までに前記第二絶縁体に流れる電流の積分値を測定する工程εと、を備え、
前記工程γにおいて、前記工程δと前記工程εの測定結果を含めて前記第一絶縁体の絶縁性能と前記第二絶縁体の絶縁性能との相違を評価する請求項1から請求項14のいずれか1項に記載の絶縁体の絶縁性能の評価方法。 - 前記各絶縁体の接地側に前記電流積分計を配置して前記積分値を測定する請求項1から請求項15のいずれか1項に記載の絶縁体の絶縁性能の評価方法。
- 前記各絶縁体の高電圧側に前記電流積分計を配置して前記積分値を測定する請求項1から請求項16のいずれか1項に記載の絶縁体の絶縁性能の評価方法。
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