JP7127625B2 - Partial discharge detector and partial discharge monitoring system - Google Patents
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Description
本発明は、電気設備に設けられる電気絶縁材料に発生する部分放電を、該部分放電に起因する前記電気設備の接地電圧の変化により検出する部分放電検出装置、およびこれを備える部分放電監視システムに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a partial discharge detection device for detecting partial discharge generated in an electrical insulating material provided in an electrical facility by detecting a change in the ground voltage of the electrical facility caused by the partial discharge, and a partial discharge monitoring system provided with the same. .
高圧電気を絶縁する電気絶縁材料中には、経年劣化や損傷による欠陥箇所(欠損やボイド等)に電界が集中して、一時的な微弱な放電、つまり部分的な短絡が発生することがあり、この現象は部分放電と呼ばれる。電気絶縁材料に部分放電が発生すると、上記欠陥箇所の劣化が促進され、絶縁破壊に至ることがある。 In electrical insulating materials that insulate high-voltage electricity, the electric field concentrates on defects (defects, voids, etc.) due to aging or damage, and temporary weak discharges, that is, partial short circuits may occur. , this phenomenon is called partial discharge. When partial discharge occurs in an electrically insulating material, the deterioration of the defective portion is accelerated, which may lead to dielectric breakdown.
そこで、高圧電気を受ける電気設備の保守管理においては、部分放電の発生を、絶縁破壊による電気事故発生の前駆現象として捉え、部分放電の発生を監視して、部分放電の発生時に電気設備の補修や更新等の対応を行うことで、電気事故の発生を未然に防ぐことが行われている。 Therefore, in the maintenance management of electrical equipment that receives high-voltage electricity, the occurrence of partial discharge is regarded as a precursor phenomenon of electrical accidents due to insulation breakdown, and the occurrence of partial discharge is monitored, and the electrical equipment is repaired when partial discharge occurs. The occurrence of electrical accidents is being prevented by taking countermeasures such as refurbishment and renewal.
部分放電の連続監視を可能とすべく、例えば特許文献1には、1GHz以上のサンプリング周波数でサンプリングされる放電検知信号の測定値が所定の閾値を超えたときのみ、放電検知信号の波形データを記録して転送することにより、部分放電の監視に利用するデータ量を低減させる技術が開示されている。
In order to enable continuous monitoring of partial discharge, for example,
しかし、特許文献1に開示される技術では、放電検知信号を高い周波数でサンプリングするため、部分放電が短時間に頻発すると、放電検知信号の波形データの記録および転送も高頻度で発生することとなり、記録および転送されるデータ量も膨大となってしまう。メモリ容量や通信速度には限界があるため、データ量が膨大となると、波形データの記録や転送に支障が生じる。よって、特許文献1に開示される技術では、部分放電の連続監視を可能とするという課題が、必ずしも十分に解決されていなかった。
However, in the technique disclosed in
本発明は、簡単で安価な構成により、電気設備に設けられる電気絶縁材料に発生する部分放電の連続監視を可能とする、部分放電検出装置および部分放電監視システムを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a partial discharge detector and a partial discharge monitoring system that enable continuous monitoring of partial discharges occurring in electrical insulating materials provided in electrical equipment with a simple and inexpensive configuration.
上記課題を解決するため、本発明の部分放電検出装置および部分放電監視システムは、以下の特徴を有する。 In order to solve the above problems, the partial discharge detection device and the partial discharge monitoring system of the present invention have the following features.
[1]電気設備に設けられる電気絶縁材料に発生する部分放電を、該部分放電に起因する前記電気設備の接地電圧の変化により検出する部分放電検出装置であって、前記電気設備の接地電圧を測定するセンサと、前記センサによって測定された前記接地電圧の波形信号の周波数を下げて出力するアナログ電子回路とを備えることを特徴とする部分放電検出装置。 [1] A partial discharge detection device for detecting a partial discharge generated in an electrical insulating material provided in an electrical facility from a change in the ground voltage of the electrical facility caused by the partial discharge, wherein the ground voltage of the electrical facility is A partial discharge detection device comprising: a sensor for measurement; and an analog electronic circuit for outputting a waveform signal of the ground voltage measured by the sensor with a reduced frequency.
[2]前記アナログ電子回路は、0.001~0.1μFの静電容量を有する電子素子を有することを特徴とする[1]に記載の部分放電検出装置。 [2] The partial discharge detection device according to [1], wherein the analog electronic circuit has an electronic element having a capacitance of 0.001 to 0.1 μF.
[3]前記電子素子は、コンデンサを含むことを特徴とする[2]に記載の部分放電検出装置。 [3] The partial discharge detection device according to [2], wherein the electronic element includes a capacitor.
[4]前記電子素子は、ダイオードを含むことを特徴とする[2]または[3]に記載の部分放電検出装置。 [4] The partial discharge detection device according to [2] or [3], wherein the electronic element includes a diode.
[5]前記アナログ電子回路によって周波数が下げられた前記波形信号の値を所定の周期で取得し、取得された前記値が所定の閾値を超えた回数をカウントするカウンタをさらに備えることを特徴とする[1]~[4]のいずれかに記載の部分放電検出装置。 [5] Further comprising a counter that acquires the value of the waveform signal whose frequency has been lowered by the analog electronic circuit at a predetermined cycle and counts the number of times the acquired value exceeds a predetermined threshold. The partial discharge detection device according to any one of [1] to [4].
[6]前記カウンタによりカウントされた前記回数の情報を転送する通信部をさらに備えることを特徴とする[5]に記載の部分放電検出装置。 [6] The partial discharge detection device according to [5], further comprising a communication unit that transfers information on the number of times counted by the counter.
[7]前記通信部は、無線通信により前記回数の情報を転送することを特徴とする[6]に記載の部分放電検出装置。 [7] The partial discharge detection device according to [6], wherein the communication unit transfers the information on the number of times by wireless communication.
[8][6]または[7]に記載の部分放電検出装置と、前記部分放電検出装置の前記通信部から転送された前記回数の情報を受信し、該回数の情報に基づいて、前記電気設備の補修または更新が必要であることを示す情報を出力する監視端末とを備えることを特徴とする部分放電監視システム。 [8] receiving the information on the number of times transferred from the partial discharge detection device according to [6] or [7] and the communication unit of the partial discharge detection device; A partial discharge monitoring system, comprising: a monitoring terminal for outputting information indicating that equipment needs to be repaired or updated.
本発明の部分放電検出装置および部分放電監視システムによれば、例えば、0.001~0.1μFの静電容量を有するコンデンサやダイオード等の電子素子を含む簡単な構成を有するアナログ電子回路により、センサにより測定される接地電圧の波形信号の周波数を下げて出力することができる。 According to the partial discharge detection device and the partial discharge monitoring system of the present invention, an analog electronic circuit having a simple configuration including electronic elements such as capacitors and diodes having a capacitance of 0.001 to 0.1 μF, for example, The frequency of the waveform signal of the ground voltage measured by the sensor can be lowered and output.
これにより、高速サンプリングを行わなくても、部分放電に起因する接地電圧の波形の変化をとらえることができるため、高価な高速サンプリング装置を内蔵する必要がなくなり、部分放電検出装置のコストが大幅に抑えられ、多数箇所での部分放電の連続監視を安価に行うことができる。 As a result, changes in the waveform of the ground voltage caused by partial discharge can be captured without performing high-speed sampling, so there is no need to incorporate an expensive high-speed sampling device, and the cost of the partial discharge detection device can be greatly reduced. It is possible to perform continuous monitoring of partial discharge at a large number of locations at a low cost.
そして、アナログ電子回路により周波数が下げられた波形信号の値を、低周波でサンプリングし、取得された波形信号の値が所定の閾値を超える回数をカウントし、この回数の情報を外部に転送して、部分放電の監視に利用する。よって、アナログ電子回路により波形信号の周波数を下げることを行わない場合に比べて、部分放電検出装置から外部に転送されるデータ量が大幅に抑えられ、部分放電の連続監視を安価かつ確実に行うことができる。 Then, the value of the waveform signal whose frequency has been lowered by the analog electronic circuit is sampled at a low frequency, the number of times the acquired value of the waveform signal exceeds a predetermined threshold is counted, and the information on this number of times is transferred to the outside. used to monitor partial discharge. Therefore, compared to the case where the frequency of the waveform signal is not lowered by the analog electronic circuit, the amount of data transferred from the partial discharge detection device to the outside is greatly suppressed, and the continuous monitoring of partial discharge can be performed inexpensively and reliably. be able to.
本発明の部分放電検出装置および部分放電監視システムの実施形態を、図面を参照しつつ、以下に説明する。 Embodiments of the partial discharge detection device and the partial discharge monitoring system of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1に、本実施形態の部分放電検出装置10および部分放電監視システム1の構成を示す。
FIG. 1 shows the configuration of a partial
本実施形態の部分放電検出装置10は、高圧電気が印加される電気設備である変電所の変圧器51および配電盤52に設けられる電気絶縁材料の部分放電を検出するものである。具体的には、変圧器51および配電盤52に設けられる電気絶縁材料に、経年劣化や損傷による欠陥が発生して、この欠陥箇所に高圧電気の電界が集中することで部分放電が発生したとき、この部分放電に起因して変圧器51および配電盤52の接地電圧が変化する。部分放電検出装置10は、この接地電圧を測定し、接地電圧の変化を測定することで、部分放電の発生を検出する。
A partial
図1に示すように、部分放電検出装置10は、変圧器51および配電盤52の接地電圧を測定するTEV(Transient Earth Voltage)センサ(センサ)11と、TEVセンサ11に接続されるアナログ電子回路12と、アナログ電子回路12から出力される信号を処理するマイクロコントローラ(カウンタ)16と、マイクロコントローラ16により処理された信号を無線通信により外部に転送する無線モジュール(通信部)17と、マイクロコントローラ16および無線モジュール17の電源となる電池18とを備える。
As shown in FIG. 1, the partial
また、本実施形態の部分放電監視システム1は、上記部分放電検出装置10と、パーソナルコンピュータ(監視端末)20とを備えて構成され、パーソナルコンピュータ20が、部分放電検出装置10から転送された信号に基づいて、変圧器51および配電盤52の補修または更新が必要であることを示す情報を出力するものである。
Further, the partial
TEVセンサ11は、内蔵される磁石により、変圧器51および配電盤52の筐体に固定される。変圧器51および配電盤52の筐体が接地されていることで、この筐体に固定されるTEVセンサ11により接地電圧を測定できる。TEVセンサ11は、例えば1GHzのサンプリング周波数で、接地電圧を測定する。
The
図2に、部分放電に起因して接地電圧が変化したときに、TEVセンサ11により測定される接地電圧の波形信号の例を示す。図2中の両矢印の幅で示すように、部分放電の発生は、接地電圧の波形信号において、100nsecレベルの短波長(高周波数)の波形として発現する。
FIG. 2 shows an example of a ground voltage waveform signal measured by the
アナログ電子回路12は、TEVセンサ11によって測定された接地電圧の波形信号の周波数を下げて(波形を鈍らせて)出力するものであり、具体的には、上記100nsecレベルの高い周波数の波形を、100μsecレベルの周波数まで下げて出力する。アナログ電子回路12は、図1に示すように、バンドパスフィルタ13、ダイオード14、コンデンサ15を、直列に接続して構成されている。
The analog
まず、バンドパスフィルタ13は、TEVセンサ11によって測定された接地電圧の波形信号のうち、例えば10~33MHzの周波数成分のみを通すことで、波形信号からノイズを除去する。
First, the band-
バンドパスフィルタ13によりノイズが除去された波形信号は、ダイオード14を通過して半波整流される。部分放電は、交流電源周期(例えば60Hzまたは50Hz)の上下ピークで発生するが、部分放電に起因する接地電圧の変化の発生頻度は、ダイオード14により波形信号が半波整流されることで、約2分の1に抑えられる。
The waveform signal from which noise has been removed by the
ダイオード14により半波整流された波形信号は、さらにコンデンサ15を通過する。コンデンサ15は、0.001~0.1μFの範囲内の静電容量を有しており、この静電容量により、上記100nsecレベルの短波長(高周波数)の波形が、100μsecレベルまで、周波数が下げられる。
The waveform signal half-wave rectified by
図3に、ダイオード14およびコンデンサ15を通過する前と後の波形信号の例を、それぞれ細線と太線で示す。図3に示すように、波形信号がダイオード14およびコンデンサ15を通過すると、上記100nsecレベルの短波長(高周波数)の針状の波形が、ピークが抑えられた100μsecレベルの波長を有する三角形状の波形に変換されることがわかる。
In FIG. 3, examples of waveform signals before and after passing through
なお、アナログ電子回路12が全体として0.001~0.1μFの範囲内の静電容量を有すれば、上記100nsecレベルの高い周波数の波形を、100μsecレベルの周波数の波形に変換できるので、アナログ電子回路12に必ずしもコンデンサ15を設けなくてもよい。
If the analog
例えば、ダイオードは一定の静電容量を有するが、その静電容量が0.001~0.1μFの範囲内であれば、ダイオードにコンデンサの機能を兼ねさせ、コンデンサを省略することができる。測定された接地電圧の波形信号の周波数を下げて出力する作用を有するダイオードとしては、例えば0.01μFのシリコンダイオード等を好適に使用できる。 For example, a diode has a certain capacitance, but if the capacitance is within the range of 0.001 to 0.1 μF, the diode can also function as a capacitor and the capacitor can be omitted. For example, a 0.01 μF silicon diode or the like can be suitably used as the diode having the function of lowering the frequency of the waveform signal of the measured ground voltage and outputting it.
また、アナログ電子回路12が0.001~0.1μFの範囲内の静電容量を有すれば、整流を行うダイオードをアナログ電子回路12に必ずしも設けなくてもよい。
Also, if the analog
ダイオード14およびコンデンサ15によって100μsecレベルまで周波数が下げられた波形信号は、アナログ電子回路12に接続されたマイクロコントローラ16に入力される。マイクロコントローラ16は、100μsec(=10kHz)の倍の20kHzのサンプリング周波数で波形信号の値を取得し、取得した値が所定の閾値を超える回数をカウントする。この回数の情報は、マイクロコントローラ16に接続された無線モジュール17から、変電所内に設置されるパーソナルコンピュータ20に、無線通信で転送される。
The waveform signal, whose frequency has been reduced to the 100 μsec level by
図4(a)~(c)に、TEVセンサ11で測定された接地電圧の波形、アナログ電子回路12で周波数が下げられた接地電圧の波形、マイクロコントローラ16による上記回数のカウント数を、それぞれ概略的に示す。図4(a)から図4(c)へと進むにしたがって、データ量が大幅に抑えられていくことがわかる。
4(a) to 4(c) show the waveform of the ground voltage measured by the
マイクロコントローラ16および無線モジュール17は、無線通信機能が搭載された汎用マイクロコントローラをプログラミング言語で動作設定することにより、極めて安価に構成することができる。上記20kHz程度のサンプリング周波数であれば、汎用マイクロコントローラの有する機能を用いて測定を実施できるため、高価な高速サンプリング装置を部分放電検出装置10に内蔵する必要がない。
The
無線通信機能が搭載された汎用マイクロコントローラとしては、例えばスイッチサイエンス社「ESP-WROOM-02開発ボード」を利用できる。また、プログラミング言語としては、例えば「Arduinoスケッチ」(「Arduino」は登録商標)を利用できる。 As a general-purpose microcontroller equipped with a wireless communication function, for example, switch science company "ESP-WROOM-02 development board" can be used. As a programming language, for example, "Arduino Sketch" ("Arduino" is a registered trademark) can be used.
本実施形態では、マイクロコントローラ16は、4時間おきに起動して、1回起動すると5分間波形信号の測定を行い、測定時以外はスリープ状態になるように、プログラム制御されている。これにより、マイクロコントローラ16および無線モジュール17の動作時間は、一日あたり30分間に抑えられるため、電池18の持ちが長くなり、部分放電検出装置10の電池18の交換頻度を少なくすることができる。
In this embodiment, the
そして、パーソナルコンピュータ20は、部分放電検出装置10の無線モジュール17から転送された、上記回数の情報を受信し、この回数の情報に基づいて、変圧器51および配電盤52の補修または更新の必要性を判定する。そして、変圧器51および配電盤52の補修または更新が必要と判定した場合には、画面表示や警報音発報などの形式で、補修または更新が必要であることを示す情報を出力する。
Then, the
本実施形態の部分放電検出装置10および部分放電監視システム1によれば、下記のように、大きなコスト削減効果が得られる。
According to the partial
まず、変電所に、3バンク+予備1バンクの計4バンクの変圧器51が設けられ、各変圧器51に7台の配電盤52が接続される場合を想定する。各変圧器51には2個、各配電盤には2個の部分放電検出装置10が取り付けられるものとすると、1変電所あたり、計64個の部分放電検出装置10が取り付けられることになる。
検出装置では、1GHz(109/sec)のサンプリング周波数で波形信号の値を取得し、取得される各値のサイズを2バイト(65536段階の信号レベル)とすると、1変電所内の計64個の部分放電検出装置からパーソナルコンピュータに1秒間に転送されるデータ量は、次のように計算される。
First, it is assumed that a substation is provided with a total of four banks of transformers 51 (three banks plus one spare bank), and seven switchboards 52 are connected to each transformer 51 . Assuming that each transformer 51 is equipped with two partial
In the detection device, the value of the waveform signal is acquired at a sampling frequency of 1 GHz (10 9 /sec), and if the size of each acquired value is 2 bytes (65536 signal levels), a total of 64 The amount of data transferred from the partial discharge detector to the personal computer per second is calculated as follows.
(109/sec)×2Byte×64=128GB/sec
これに対し、本実施形態の部分放電検出装置10では、マイクロコントローラ16は、20kHz(20×103/sec)のサンプリング周波数で波形信号の値を取得し、また、波形信号はアナログ電子回路12によりピークが抑えられるため、取得される各値のサイズも1バイト(256段階の信号レベル)に抑えられるとすると、1変電所内の計64個の部分放電検出装置からパーソナルコンピュータ20に1秒間に転送されるデータ量は、次のように計算される。
(10 9 /sec) x 2 bytes x 64 = 128 GB/sec
On the other hand, in the partial
(20×103/sec)×1Byte×64=1.28MB/sec
このように、本発明の部分放電検出装置10および部分放電監視システム1によれば、従来の部分放電検出装置に比べて、単位時間に処理および転送されるデータ量が10万分の1程度になり、データ量が大幅に抑えられるので、データの記録や転送に支障を生じることなく、部分放電の連続監視を確実に行うことができることがわかる。
(20×10 3 /sec)×1Byte×64=1.28MB/sec
Thus, according to the partial
また、従来の部分放電検出装置は、1GHzの高いサンプリング周波数で放電信号を取得するため、高価なサンプリング装置を内蔵しており、高価(例えば、部分放電検出装置10個あたり30~100万円程度)であった。 In addition, since the conventional partial discharge detection device acquires discharge signals at a high sampling frequency of 1 GHz, it incorporates an expensive sampling device, which is expensive (for example, about 300,000 to 1,000,000 yen per 10 partial discharge detection devices). )Met.
これに対し、本発明の部分放電検出装置10は、測定された接地電圧の波形信号の周波数を、簡単な構成を有するアナログ電子回路12によって予め下げてから、低いサンプリング周波数で放電信号の値を取得するので、上記のとおり、簡単な電子素子と汎用マイクロコントローラを組み合わせて、安価に(例えば、部分放電検出装置10個あたり1.5~2万円程度で)構成できる。
In contrast, the
このように、本発明の部分放電検出装置10は、従来の部分放電検出装置に比べ、装置のコストが10分の1以下に抑えられる。
Thus, the partial
製鉄所等のプラントにおいて、構内に80か所の変電所が設けられる場合を想定すると、構内全体で必要となる部分放電検出装置10の個数は64個×80=約5000個となる。このような多数の部分放電検出装置10にかかるコストが10分の1に抑えられるので、多数箇所での部分放電の連続監視を行う上で、大幅なコスト削減効果が得られることがわかる。
Assuming that a plant such as an ironworks has 80 substations in the premises, the number of partial
1 部分放電監視システム
10 部分放電検出装置
11 センサ(TEVセンサ)
12 アナログ電子回路
13 バンドパスフィルタ
14 電子素子(ダイオード)
15 電子素子(コンデンサ)
16 カウンタ(マイクロコントローラ)
17 通信部(無線モジュール)
18 電池
20 監視端末(パーソナルコンピュータ)
51 電気設備(変圧器)
52 電気設備(配電盤)
1 partial
12 analog
15 electronic device (capacitor)
16 counter (microcontroller)
17 communication unit (wireless module)
18
51 Electrical equipment (transformers)
52 Electrical equipment (distribution board)
Claims (6)
前記電気設備の接地された筐体に固定され前記電気設備の接地電圧を測定するセンサと、
前記センサによって測定された前記接地電圧の波形信号が入力され、回路全体として0.001~0.1μFの静電容量を有し、前記接地電圧の波形信号の周波数を前記静電容量により下げて出力するアナログ電子回路と、
前記アナログ電子回路によって周波数が下げられた前記波形信号の値を、下げられた前記周波数の倍の周期で取得し、取得された前記値が所定の閾値を超えた回数をカウントするカウンタと
を備えることを特徴とする部分放電検出装置。 A partial discharge detection device for detecting a partial discharge generated in an electrical insulating material provided in an electrical facility from a change in the ground voltage of the electrical facility caused by the partial discharge,
a sensor fixed to a grounded enclosure of the electrical equipment and measuring the ground voltage of the electrical equipment;
The waveform signal of the ground voltage measured by the sensor is input, the circuit as a whole has a capacitance of 0.001 to 0.1 μF, and the frequency of the waveform signal of the ground voltage is lowered by the capacitance . an analog electronic circuit for output;
a counter that acquires the value of the waveform signal whose frequency has been lowered by the analog electronic circuit at a cycle that is twice the lowered frequency, and counts the number of times that the acquired value exceeds a predetermined threshold. A partial discharge detection device characterized by:
を特徴とする請求項1に記載の部分放電検出装置。 2. The partial discharge detection device of claim 1 , wherein the analog electronic circuitry includes a capacitor.
を特徴とする請求項1または2に記載の部分放電検出装置。 3. A partial discharge detection device according to claim 1 or 2 , wherein the analog electronic circuit comprises a diode.
を特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の部分放電検出装置。 4. The partial discharge detection device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a communication unit that transfers information on the number of times counted by the counter.
を特徴とする請求項4に記載の部分放電検出装置。 5. The partial discharge detection device according to claim 4 , wherein the communication unit transfers the information on the number of times by wireless communication.
前記部分放電検出装置の前記通信部から転送された前記回数の情報を受信し、該回数の情報に基づいて、前記電気設備の補修または更新が必要であることを示す情報を出力する監視端末と
を備えることを特徴とする部分放電監視システム。 a partial discharge detection device according to claim 4 or 5 ;
a monitoring terminal that receives the information on the number of times transferred from the communication unit of the partial discharge detection device, and outputs information indicating that the electrical equipment needs to be repaired or updated based on the information on the number of times; A partial discharge monitoring system comprising:
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