JP7130918B2

JP7130918B2 - 部分放電を検出するための装置、システムおよび方法

Info

Publication number: JP7130918B2
Application number: JP2017015122A
Authority: JP
Inventors: 系典横畠; 俊浩前川; 光二郎下麥; 次郎池田
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2022-09-06
Anticipated expiration: 2037-01-31
Also published as: JP2018124108A

Description

本発明は、電力設備における部分放電を検出するための装置、システムおよび方法に関するものである。

変圧器等の電力設備では、絶縁劣化や絶縁異常が生じると、部分放電が発生し、この部分放電により広帯域の微弱な電磁波の信号が発生する。この広帯域の信号を計測し、電力設備内の電気機器の絶縁劣化や絶縁異常の有無を検出するため、種々の部分放電検出方法が提案されている。
例えば、特許文献１には、配電機器等の通電状態の電気機器に発生する部分放電の信号をセンサにより計測し、センサの計測信号の周波数分析により、計測信号のうちの部分放電の信号が分布する所定周波数範囲の信号レベルのデータを求め、各データのレベル順の設定範囲のデータの平均値を求め、平均値に基づき、部分放電の有無を判定して検出する方法が提案されている。

特開２００２－３２３５３２号公報

上述した特許文献１では、スペクトラムアナライザが用いられており、また、他の従来技術では、高速なオシロスコープが用いられている。これらの測定器は高価であり、測定者の技術や知識によって判定結果にばらつきが生ずるおそれもある。また、単純なトリガ回路を用いると、雷サージ、開閉サージおよびＬＴＣ（負荷時タップ切換器）の動作から部分放電を区別することができない。
そこで、本発明は、上述した問題点を解消し、高価な測定器を用いることなく、判定結果にばらつきが生ずるおそれがなく、確実に部分放電を検出するための装置、システムおよび方法を提供する。

本発明の要旨は、以下のとおりである。
本発明の部分放電検出装置（１００）は、センサ（２０）に接続されている部分放電検出回路（１０）と、前記部分放電検出回路（１０）に接続されているコンピュータ（１０’）と、を有し、
前記部分放電検出回路（１０）は、
前記センサ（２０）により検出された波形から、電圧の実効値（ＢＧＮ）を検出するＲＭＳ回路（ＲＭＳ）と、
前記センサ（２０）により検出された波形から、電圧の最大値（ＭＡＸ）を検出するピークホールド回路（ＰＥＡＫＨＯＬＤ）と、
前記センサ（２０）により検出されたサージ波形の周波数（ｆ）と設定周波数（ｆｓ）との差分を取得する手段と、
を備え、
前記コンピュータ（１０’）は、前記サージ波形の発生周期（Ｔ）を検出する、
ことを特徴とする。

前記周波数（ｆ）と前記設定周波数（ｆｓ）との差分を取得する前記手段は、
前記設定周波数（ｆｓ）を発生する電圧制御発振器（ＶＣＯ）と、
前記周波数（ｆ）および前記設定周波数（ｆｓ）の和信号（ｆ＋ｆｓ）および差信号（ｆ－ｆｓ）を出力する混合器（１）と、
前記和信号（ｆ＋ｆｓ）を遮断し、前記差信号（ｆ－ｆｓ）を出力するローパスフィルタ（ＬＰＦ）と、
を備える、
ことが好ましい。

前記部分放電検出回路（１０）は、前記周波数（ｆ）について、前記サージ波形の電圧を所定の閾値電圧と比較する比較器（２）をさらに備える、
ことが好ましい。

本発明の部分放電検出システム（２００）は、上述した部分放電検出装置（１００）と、前記部分放電検出装置（１００）に接続されているセンサ（２０）と、を備える。

本発明の部分放電検出システム（２００）は、コンピュータ（４００）に部分放電の有無に関する情報を送信する、
ことが好ましい。

本発明の部分放電を検出するための方法は、
センサ（２０）により検出された波形から、電圧の実効値（ＢＧＮ）を検出するステップ（Ｓ１）と、
前記センサ（２０）により検出された波形から、電圧の最大値（ＭＡＸ）を検出するステップ（Ｓ２）と、
前記実効値（ＢＧＮ）と前記最大値（ＭＡＸ）とを比較するステップ（Ｓ３）と、
前記実効値（ＢＧＮ）の所定倍より前記最大値（ＭＡＸ）が大きい場合、前記センサ（２０）により検出されたサージ波形の周波数（ｆ）を検出するステップ（Ｓ４）と、
前記周波数（ｆ）と設定周波数（ｆｓ）と比較するステップ（Ｓ５）と、
前記周波数（ｆ）と前記設定周波数（ｆｓ）とが略一致する場合、前記サージ波形の発生周期（Ｔ）を検出するステップ（Ｓ６）と、
前記発生周期（Ｔ）と電源電圧の周期（Ｔｐ）とを比較するステップ（Ｓ７）と、
前記発生周期（Ｔ）と前記周期（Ｔｐ）の半分とが略一致する場合、部分放電ありと判定するステップ（Ｓ８）と、
を含むことを特徴とする。

部分放電波形について説明するための図である。本発明の部分放電検出装置を示すブロック図である。本発明の部分放電検出方法を示すフローチャートである。本発明の適用事例を示す図である。本発明の適用事例を示す図である。

図１を参照して、部分放電波形について説明する。
図１（ａ）には、減衰波形である部分放電波形ＡがバッググラウンドノイズＢＧＮとともに現れている状態を示す。部分放電波形Ａの振幅Ｖａは、バッググラウンドノイズＢＧＮの振幅Ｖｂに対して有意差を有する大きさである（例えば、振幅Ｖａは振幅Ｖｂの所定倍より大きい）。
図１（ｂ）に示すように、部分放電波形Ａの発生周期（Ｔ）は、電源電圧波形の周期に同期している。図示例のように、例えば、電源電圧波形が５０Ｈｚの場合、部分放電波形Ａの発生周期（Ｔ）は１０ｍｓである。なお、電源電圧波形は、５０Ｈｚに限定されるものではなく、例えば６０Ｈｚにも適用可能である。
図１（ｃ）に示すように、部分放電波形Ａの周波数（ｆ）は、高周波、例えば１０ＭＨｚ以上である。なお、部分放電が発生する箇所の絶縁物により、発生する部分放電波形Ａの周波数が異なることが知られており、例えば、変圧器の場合、以下の通りである。
乾式変圧器（絶縁物：空気）数１０ＭＨｚ
油入絶縁変圧器（絶縁物：シリコーン油、鉱油）数１０ＭＨｚ～２００ＭＨｚ
ガス絶縁変圧器（絶縁物：六フッ化硫黄）数１００ＭＨｚ
以下、変圧器における部分放電波形を検出するための装置、システムおよび方法について説明するが、本発明は、変圧器だけでなく、遮断器等のさまざまな電力設備に適用可能である。

図２は、本発明の部分放電検出装置および部分放電検出システムを示すブロック図である。
本発明の部分放電検出装置１００は、センサ２０に接続されている部分放電検出回路１０と、部分放電検出回路１０に接続されているコンピュータ１０’と、を有する。部分放電検出装置１００およびセンサ２０は、部分放電検出システム２００を構成する。
センサ２０は、図１に示すサージ波形およびバックグラウンドノイズを検出し、このサージ波形が部分放電波形か否かは、部分放電検出装置１００によって判定される。
センサ２０により検出されたサージ波形の周波数（ｆ）は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）により発生した設定周波数（ｆｓ）とともに混合器１に入力される。混合器１では、ヘテロダインの原理により、入力されたサージ波形の周波数（ｆ）および設定周波数（ｆｓ）の和信号（ｆ＋ｆｓ）および差信号（ｆ－ｆｓ）が求められる。次に、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）により和信号である高周波成分（ｆ＋ｆｓ）が遮断され、差信号である低周波成分（ｆ－ｆｓ）が出力される。すなわち、電圧制御発振器（ＶＣＯ）、混合器１およびローパスフィルタ（ＬＰＦ）は、センサ２０により検出されたサージ波形の周波数（ｆ）と設定周波数（ｆｓ）との差分を取得する手段を構成する。
次に、比較器２では、狙った周波数成分であるサージ波形の周波数（ｆ）について、サージ波形の電圧が所定の閾値電圧（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）と比較される。サージ波形の電圧が所定の閾値電圧（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）より高い場合、当該サージ波形の頻度（周期）がコンピュータ１０’において監視（検出）される。図示例では、頻度（周期）が１０ｍｓでなければ、当該サージ波形が部分放電波形ではないと判定される。一方、頻度（周期）が１０ｍｓであれば、当該サージ波形が部分放電波形の可能性があるとしてさらなる判定が行われる（図３において詳述する）。

センサ２０により検出された波形（バックグラウンドノイズ＋サージ波形）から、ＲＭＳ回路（ＲＭＳ）により電圧の実効値（ＢＧＮ）が検出され、実効値（ＢＧＮ）はコンピュータ１０’に入力される。なお、この実効値（ＢＧＮ）は、バックグラウンドノイズの平均値とみなされる。
センサ２０により検出された波形（バックグラウンドノイズ＋サージ波形）から、ピークホールド回路（ＰＥＡＫＨＯＬＤ）により電圧の最大値（ＭＡＸ）が検出され、最大値（ＭＡＸ）はコンピュータ１０’に入力される。センサ２０によりサージ波形が検出されない場合、最大値（ＭＡＸ）はバックグラウンドノイズの最大値となり、センサ２０によりサージ波形が検出される場合、最大値（ＭＡＸ）はサージ波形の最大値となる。
コンピュータ１０’において、実効値（ＢＧＮ）と最大値（ＭＡＸ）とが比較され、当該サージ波形が部分放電波形の可能性があるか否かが判定される（図３において詳述する）。
コンピュータ１０’からはリセット信号（Ｒｅｓｅｔ）がピークホールド回路（ＰＥＡＫＨＯＬＤ）に供給される。

図３は、本発明の部分放電検出方法を示すフローチャートである。
ステップＳ１において、センサ２０により検出された波形から、電圧の実効値（ＢＧＮ）を検出する。
ステップＳ２において、センサ２０により検出された波形から、電圧の最大値（ＭＡＸ）を検出する。
ステップＳ３において、実効値（ＢＧＮ）と最大値（ＭＡＸ）とを比較する。例えば、実効値（ＢＧＮ）の２倍と最大値（ＭＡＸ）とを比較する。なお、「２倍」は単なる一例であり、部分放電波形の振幅が、バッググラウンドノイズの振幅に対して有意差を有する大きさに適宜設定可能である。
ステップＳ３において、「はい」の場合、すなわち、実効値（ＢＧＮ）の２倍より最大値（ＭＡＸ）が大きい場合、ステップＳ４において、サージ波形の周波数（ｆ）を検出する。
ステップＳ５において、サージ波形の周波数（ｆ）と設定周波数（ｆｓ）とを比較する。設定周波数（ｆｓ）は、上述したとおり絶縁物の種類（空気、油、ガス）によって異なる。
ステップＳ５において、「はい」の場合、すなわち、サージ波形の周波数（ｆ）と設定周波数（ｆｓ）とが略一致する場合、ステップＳ６において、サージ波形の発生周期（Ｔ）を検出する。
ステップＳ７において、サージ波形の発生周期（Ｔ）と電源電圧の周期（Ｔｐ）とを比較する。
ステップＳ７において、「はい」の場合、すなわち、サージ波形の発生周期（Ｔ）と電源電圧の周期（Ｔｐ）の半分とが略一致する場合、ステップＳ８において、部分放電ありと判定する。
一方、ステップＳ３、Ｓ５、Ｓ７のいずれかにおいて、「いいえ」の場合、ステップＳ９において、部分放電なしと判定する。
なお、ステップＳ１～Ｓ７はこの順に限定されるものではない。例えば、サージ波形の発生周期（Ｔ）の検出をサージ波形の周波数（ｆ）検出より前に行ってもよい。また、図示を省略するが、サージ波形が減衰波形であるか否かを判定するステップを設けることもできる。
また、「略一致する」とは、正確に一致する場合だけではなく、ある程度の範囲を持って一致する場合を含めるための表現であり、範囲は本発明が利用される場合に応じて適宜設定可能である。

このように、本発明では、単純なアナログ回路である部分放電検出回路１０を用いているため、高価な測定器が不要である。また、サージ波形の電圧値、周波数および周期により部分放電の有無を判定しているため、判定結果にばらつきが生じるおそれはなく、雷サージ、開閉サージおよびＬＴＣの動作から部分放電を確実に区別して、検出することができる。

図４は、本発明の適用事例を示す図である。
図４は、センサ一体型据置器の例を示す。変圧器３００に部分放電検出システム２００が取り付けられている。なお、上述したように、部分放電検出システム２００は、部分放電検出回路１０、コンピュータ１０’およびセンサ２０を含む。部分放電検出システム２００は、コンピュータ４００と通信するための通信手段も含む。変圧器３００において内部不具合が発生すると、部分放電検出システム２００は、図３のフローチャートに従って、部分放電の有無を判定する。部分放電有りと判定すると、部分放電検出システム２００は、コンピュータ４００に部分放電有りという情報を送信する。図示例では、部分放電検出システム２００は、コンピュータ４００に無線で接続されるが、有線で接続されてもよい。

図５は、本発明の適用事例を示す図である。
図５（ａ）は、センサ取替式の部分放電検出装置の一例を示す。変圧器３００にセンサ２０が取り付けられている。センサ２０は、例えば面電流センサであり、部分放電検出装置１００に有線で接続され、測定信号を、部分放電検出装置１００に送信する。なお、上述したように、部分放電検出装置１００は、部分放電検出回路１０およびコンピュータ１０’を含む。部分放電検出装置１００には、受信した測定信号にサージ波形が含まれているか否かを表示するためのｓｕｒｇｅランプ１０１と、当該サージ波形が電源電圧に同期しているか否かを表示するためのｓｙｎｃランプ１０２と、検出電圧を表示する画面１０３と、ピークホールド回路をリセットするためのＲＥＳＥＴボタン１０４と、が設けられている。部分放電検出装置１００を用いて、図３のフローチャートに従って、部分放電の有無を判定する。
図５（ｂ）は、センサ取替式の部分放電検出装置の他の例を示す。部分放電検出装置１００にはアンテナが取り付けられ、当該アンテナがセンサの役割を果たす。図５（ｂ）の構成では、アンテナが変圧器３００から信号を受信する以外、図５（ａ）の構成と同様であるのでその説明を省略する。

１混合器
２比較器
１０部分放電検出回路
１０’ コンピュータ
２０センサ
１００部分放電検出装置
１０１ｓｕｒｇｅランプ
１０２ｓｙｎｃランプ
１０３画面
１０４ＲＥＳＥＴボタン
２００部分放電検出システム
３００変圧器
４００コンピュータ

Claims

センサ（２０）に接続されている部分放電検出回路（１０）と、前記部分放電検出回路（１０）に接続されているコンピュータ（１０’）と、を有し、電力設備における部分放電を検出するための部分放電検出装置（１００）において、
前記部分放電検出回路（１０）は、
前記センサ（２０）により検出された波形から、電圧の実効値（ＢＧＮ）を検出するＲＭＳ回路（ＲＭＳ）と、
前記センサ（２０）により検出された波形から、電圧の最大値（ＭＡＸ）を検出するピークホールド回路（ＰＥＡＫＨＯＬＤ）と、
前記実効値（ＢＧＮ）の所定倍より前記最大値（ＭＡＸ）が大きい場合、前記センサ（２０）により検出された波形に含まれるサージ波形の周波数（ｆ）と設定周波数（ｆｓ）との差分を取得する手段と、
前記周波数（ｆ）と前記設定周波数（ｆｓ）との差信号（ｆ－ｆｓ）の電圧を、所定の閾値電圧と比較する比較器（２）と、
を備え、
前記ＲＭＳ回路（ＲＭＳ）と、前記ピークホールド回路（ＰＥＡＫＨＯＬＤ）と、前記差分を取得する手段と、は互いに電気的に並列に接続されており、
前記コンピュータ（１０’）は、前記周波数（ｆ）と前記設定周波数（ｆｓ）とが略一致する場合、前記サージ波形の発生周期（Ｔ）を検出し、前記発生周期（Ｔ）と前記電力設備の電源電圧の周期（Ｔｐ）とを比較し、前記発生周期（Ｔ）と前記周期（Ｔｐ）の半分とが略一致する場合、部分放電ありと判定する、
部分放電検出装置（１００）。
前記周波数（ｆ）と前記設定周波数（ｆｓ）との差分を取得する前記手段は、
前記設定周波数（ｆｓ）を発生する電圧制御発振器（ＶＣＯ）と、
前記周波数（ｆ）および前記設定周波数（ｆｓ）の和信号（ｆ＋ｆｓ）および差信号（ｆ－ｆｓ）を出力する混合器（１）と、
前記和信号（ｆ＋ｆｓ）を遮断し、前記差信号（ｆ－ｆｓ）を出力するローパスフィルタ（ＬＰＦ）と、
を備える、
請求項１に記載の部分放電検出装置（１００）。
請求項１または２に記載の部分放電検出装置（１００）と、前記部分放電検出装置（１００）に接続されているセンサ（２０）と、を備える部分放電検出システム（２００）。
前記部分放電検出システム（２００）は、コンピュータ（４００）に部分放電の有無に関する情報を送信する、
請求項３に記載の部分放電検出システム（２００）。
センサ（２０）に接続されている部分放電検出回路（１０）と、前記部分放電検出回路（１０）に接続されているコンピュータ（１０’）と、を有する部分放電検出装置（１００）を用いて電力設備における部分放電を検出するための方法において、
前記コンピュータ（１０’）が、前記センサ（２０）により検出された波形から、電圧の実効値（ＢＧＮ）を検出するステップ（Ｓ１）と、
前記コンピュータ（１０’）が、前記センサ（２０）により検出された波形から、電圧の最大値（ＭＡＸ）を検出するステップ（Ｓ２）と、
前記コンピュータ（１０’）が、前記実効値（ＢＧＮ）と前記最大値（ＭＡＸ）とを比較するステップ（Ｓ３）と、
前記実効値（ＢＧＮ）の所定倍より前記最大値（ＭＡＸ）が大きい場合、前記コンピュータ（１０’）が、設定周波数（ｆｓ）を発生させるステップと、
前記部分放電検出回路（１０）が、前記センサ（２０）により検出された波形に含まれるサージ波形の周波数（ｆ）と前記設定周波数（ｆｓ）と比較するステップ（Ｓ５）と、
前記部分放電検出回路（１０）が、前記周波数（ｆ）と前記設定周波数（ｆｓ）との差信号（ｆ－ｆｓ）の電圧を、所定の閾値電圧と比較するステップと、
前記周波数（ｆ）と前記設定周波数（ｆｓ）とが略一致する場合、前記コンピュータ（１０’）が、前記サージ波形の発生周期（Ｔ）を検出するステップ（Ｓ６）と、
前記コンピュータ（１０’）が、前記発生周期（Ｔ）と前記電力設備の電源電圧の周期（Ｔｐ）とを比較するステップ（Ｓ７）と、
前記発生周期（Ｔ）と前記周期（Ｔｐ）の半分とが略一致する場合、前記コンピュータ（１０’）が、部分放電ありと判定するステップ（Ｓ８）と、
を含む方法。