JP7225941B2

JP7225941B2 - オンライン部分放電測定装置及びこれに使用される結合コンデンサ

Info

Publication number: JP7225941B2
Application number: JP2019042852A
Authority: JP
Inventors: 和城大石
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2019-03-08
Filing date: 2019-03-08
Publication date: 2023-02-21
Anticipated expiration: 2039-03-08
Also published as: JP2020144078A

Description

本発明は、オンライン部分放電測定装置及びこれに使用される結合コンデンサに関する。詳しくは、回転機（高圧、低圧）及び静止機器（高圧、低圧）から発生する部分放電を検出する技術であり、特に高圧配線側に取り付けられる結合コンデンサに関連する。

従来のオンライン部分放電測定装置を図３に示す。
図３に示すように、電源ライン１０と発電機等２０との間に、３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の給電線３１，３２，３３が敷設されており、各給電線３１，３２，３３は、高電圧プローブ４１，４２，４３を介して接地され、各高電圧プローブ４１，４２，４３で検出された電源電圧（Ｖ－Ｕ，Ｖ－Ｖ，Ｖ－Ｗ）が計測器５０へ出力される。

各給電線３１，３２，３３は、更に、結合コンデンサＣと検出インピーダンスＺを順に接続して接地され、各検出インピーダンスＺで検出された信号（Ｕ－ｐｕｌｓｅ，Ｖ－ｐｕｌｓｅ，Ｗ－ｐｕｌｓｅ）が計測器５０へ出力される。

計測器５０は、高電圧プローブ４１，４２，４３で検出された電源電圧（Ｖ－Ｕ，Ｖ－Ｖ，Ｖ－Ｗ）及び検出インピーダンスＺで検出された信号（Ｕ－ｐｕｌｓｅ，Ｖ－ｐｕｌｓｅ，Ｗ－ｐｕｌｓｅ）とに基づいて、高周波成分である部分放電波形と低周波成分である電圧波形を分離する。図３において、電圧波形は正弦波として、部分放電波形は縦線として示している。

ここで、部分放電は、発電機等２０において、運転ストレスによって固定子巻線の絶縁層に亀裂や剥離などの劣化が生じた場合に、劣化部に発生するものである。部分放電を検出することにより、絶縁の劣化状態を把握できるが、部分放電は運転に伴う電波雑音（ノイズ）に埋もれているので、部分放電をノイズと識別する必要がある。オンライン部分放電測定装置は、定期点検中ではなく、発電機等２０の稼働中において、部分放電を検出するものである。

結合コンデンサＣと検出インピーダンスＺの組合せを図１に示す。図１に示すように、結合コンデンサＣと検出インピーダンスＺとの直列回路であり、結合コンデンサＣはコンデンサ（容量）のみとする。検出インピーダンスＺは抵抗成分のみとする。
結合コンデンサＣは、その静電容量に応じてハイパスフィルタとなってしまうため、商用周波数程度の交流電圧を遮断してしまう。

等価回路を用いて具体的に計算した例を図２（ａ）に示す。
ここで、一つの例として、結合コンデンサの静電容量（Ｃ１）を１００ｐＦ、検出インピーダンスの抵抗成分（Ｒ２）を１ＫΩ、電源電圧（Ｖ１）を８９８１Ｖｏ－ｐ（６．３５ｋＶｒｍｓ）、部分放電信号（Ｓｕｒｇｅ）を矩形波として１Ｖ、１ｋＨｚ、デューティー比０．０１で与えている。高電圧プローブ４１，４２，４３については考慮していない。なお、Ｖｏ－ｐは０からのピーク電圧、Ｖｒｍｓは実効値での計測を示し、図中「ｅ－１２」は、１０^-12であり、「ｅ３」は１０³である。以下、同様とした。

図２（ｂ）に従来のオンライン部分放電測定装置（高電圧プローブを除く）の信号出力波形を示す。
図２（ｂ）において、０Ｖ付近の等間隔の縦線が高周波成分を示しており、商用周波数程度の低周波成分は０Ｖ付近の横線として僅かに見えるが、現実的には検出したとは言えない。

つまり、計測器５０は、検出インピーダンスＺで検出された信号のみに基づいて、高周波成分は検出できるが、５０Ｈｚの電源電圧を検出することは不可能である。
そのため、従来のオンライン部分放電測定装置は、図３に示すように、電源電圧を計測する手段として高電圧プローブ４１，４２，４３が別に必要となり、配線が複雑となる。

また、特許文献１に示される回転機診断システムおよび回転機診断方法では、回転機に対して電源から電力を供給する給電線に電流センサ、電圧センサを設けて、電流・電圧信号を取得し、データ処理装置で部分放電か否かを判断し、部分放電パターンの形状から劣化部位を判別している。
特許文献１では、電圧センサが必要となり、部品点数が増え、構成が複雑となる。

特開２０１８－７２３０４号公報

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、電圧センサ（高電圧プローブ等）を用いることなく、低周波成分の電圧波形と高周波成分の部分放電波形に波形分離することができると共に、部品点数を削減し、構成の簡単なオンライン部分放電測定装置及びこれに使用される結合コンデンサを提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１発明に係るオンライン部分放電測定装置は、電源と測定対象とを結ぶ給電線に対して結合コンデンサ及び検出インピーダンスを順に接続して接地し、前記検出インピーダンスで検出された信号を計測器で低周波成分の電圧波形と高周波成分の部分放電波形に波形分離するオンライン部分放電測定装置において、前記結合コンデンサは、静電容量と抵抗成分を有することを特徴とする。

上記課題を解決する第２発明に係るオンライン部分放電測定装置は、第１発明のオンライン部分放電測定装置において、前記結合コンデンサ内の前記抵抗成分の抵抗値は、前記検出インピーダンス内の抵抗成分の抵抗値に対する比が、９９９～４９９９であることを特徴とする。

上記課題を解決する第３発明に係るオンライン部分放電測定装置は、第１発明のオンライン部分放電測定装置において、前記結合コンデンサは、コンデンサと抵抗の並列回路であることを特徴とする。

上記課題を解決する第４発明に係るオンライン部分放電測定装置は、第１発明のオンライン部分放電測定装置において、前記結合コンデンサは、静電容量と抵抗成分とが共存する絶縁材料又は半導電材料を用いたものであることを特徴とする。

上記課題を解決する第５発明に係る結合コンデンサは、第１発明から第４発明の何れかのオンライン部分放電測定装置に使用されることを特徴とする。

本発明によれば、電圧センサ（高電圧プローブ等）を用いることなく、低周波成分の電圧波形と高周波成分の部分放電波形に波形分離することができると共に、部品点数を削減し、構成を簡単にすることができる。

結合コンデンサ及び検出インピーダンスの組合せを示す回路図である。図２（ａ）は従来のオンライン部分放電測定装置（高電圧プローブを除く）の等価回路図、図２（ｂ）は従来のオンライン部分放電測定装置の信号出力波形を示すグラフである。従来のオンライン部分放電測定装置の概略図である。図４（ａ）は本発明の一実施例に係るオンライン部分放電測定装置の等価回路図、図４（ｂ）は本発明の一実施例に係るオンライン部分放電測定装置の信号出力波形を示すグラフである。本発明の一実施例に係るオンライン部分放電測定装置の概略図である。

本発明について、図面に示す実施例を参照して詳細に説明する。

本発明の一実施例に係るオンライン部分放電測定装置を図５に示す。
図５に示すように、電源ライン１０と発電機等２０との間に、３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の給電線３１，３２，３３が敷設されており、各給電線３１，３２，３３は、結合コンデンサＣと検出インピーダンスＺを順に接続して接地され、各検出インピーダンスＺで検出された信号（Ｕ－ｐｕｌｓｅ，Ｖ－ｐｕｌｓｅ，Ｗ－ｐｕｌｓｅ）が計測器５０へ出力される。つまり、給電線３１，３２，３３、結合コンデンサＣ、検出インピーダンスＺ、接地（アース）の順に接続される。

発電機等２０とは、具体的には、回転機（高圧、低圧）及び静止機器（高圧、低圧）のことであり、本発明における測定対象のことである。結合コンデンサＣと検出インピーダンスＺとは、図１に示すように、直列回路である。

結合コンデンサＣは、一例として図４（ａ）の等価回路に示すように、抵抗（抵抗成分）Ｒ１とコンデンサ（静電容量）Ｃ１の並列回路（並列接続）である。検出インピーダンスＺは抵抗Ｒ２のみとする。
コンデンサＣ１は、その静電容量に応じてハイパスフィルタであるため、商用周波数程度の交流電流を遮断する一方、抵抗Ｒ１は、商用周波数程度の交流電流を通過させる。

従って、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の並列回路である結合コンデンサＣは、高周波成分である部分放電をコンデンサＣ１が通過させると共に低周波成分である交流電流を抵抗Ｒ１が通過させる。
そのため、計測器５０は、検出インピーダンスＺで検出された信号（Ｕ－ｐｕｌｓｅ，Ｖ－ｐｕｌｓｅ，Ｗ－ｐｕｌｓｅ）のみに基づいて、高周波成分である部分放電波形と低周波成分である電圧波形を分離できる。計測器５０は、例えば、低電圧仕様のハイパスフィルタとローパスフィルタを組み合わせた波形分離器で構成できる。

ここで、結合コンデンサＣ内における、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の並列回路は、単純に従来のコンデンサと抵抗を並行に取り付ける方法でも良いし、並列回路に代えて、抵抗とコンデンサが共存する絶縁材料又は半導電材料を用いたペレット状のものでも構わない。
更に、結合コンデンサＣとしては、静電容量と抵抗成分を有するものを広く採用することができる。
また、結合コンデンサＣ内における抵抗Ｒ１の抵抗値は、検出インピーダンスＺの抵抗Ｒ２の抵抗値に対する比が、９９９～４９９９になるようにした。つまり、９９９≦（Ｒ１／Ｒ２）≦４９９９である。言い換えると、結合コンデンサの二次側（接地される図中下側）の電圧が一次側（給電線に接続する図中上側）の電圧の１／９９９～１／４９９９となるようにした。

ここで、抵抗Ｒ１の抵抗値が抵抗Ｒ２の抵抗値に対して、（Ｒ１：Ｒ２）＝１０００：１を下回ると、結合コンデンサＣ及び検出インピーダンスＺの抵抗で消費される消費電力（Ｐ＝Ｖ（Ｖｒｍｓ）²／（Ｒ１＋Ｒ２））が極端に大きくなるところ、９９９：１とすれば、抵抗Ｒ２に負荷する電圧が抵抗Ｒ１に負荷する電圧の１／１０００となり、利便性が良いので、下限値を９９９：１とした。
また、抵抗Ｒ１の抵抗値が抵抗Ｒ２の抵抗値に対して、（Ｒ１：Ｒ２）＝２０００：１以上であれば、消費電力は殆ど変わらなくなるが、結合コンデンサＣ又は検出インピーダンスＺを流れる電流（Ｉ＝Ｖ（Ｖｒｍｓ）／（Ｒ１＋Ｒ２））が流れにくくなるので、信号処理の面で小信号用の高価な増幅器が必要となり、利便性も考慮し、上限値としては、５０００：１、正確には、４９９９：１とした。

一例として、結合コンデンサＣ内の抵抗値を９９９ｋΩ、検出インピーダンスＺの抵抗値を１ｋΩとした。その他は、図２の計算条件と同じである。検出される商用電圧は、Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）×８９８１Ｖｏ－ｐ＝８．９８１Ｖｏ－ｐの電圧として検出される。
図４（ａ）に等価回路を示すと共に図４（ｂ）に出力波形を示す。

図４（ｂ）においては、低周波成分である電圧波形が正弦波として明瞭に観察されると共に高周波成分である部分放電波形は上記正弦波に一定間隔で重ねられた縦線として明瞭に観察される。

以上、具体的に説明した通り、本実施例によれば、結合コンデンサＣを、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の並列回路としたので、高周波成分である部分放電をコンデンサＣ１が通過すると共に低周波成分である交流電流を抵抗Ｒ１が通過し、そのため、計測器５０は、検出インピーダンスＺで検出された信号のみに基づいて、高周波成分である部分放電波形と低周波成分である電圧波形を分離できる。つまり、電源電圧を測定しつつ、部分放電に起因する高周波信号を同時に検出できるのであり、電圧センサ（高電圧プローブ）を用いないので、部品点数を削減し、構成を簡単にすることができる。

本発明は、オンライン部分放電測定装置及びこれに使用される結合コンデンサとして広く産業上利用可能なものである。

１０電源ライン
２０発電機等
３１，３２，３３給電線
４１，４２，４３高電圧プローブ
５０計測器
Ｃ結合コンデンサ
Ｃ１コンデンサ（静電容量）
Ｒ１，Ｒ２抵抗（抵抗成分）
Ｚ検出インピーダンス

Claims

電源と測定対象とを結ぶ給電線に対して結合コンデンサ及び検出インピーダンスを順に接続して接地し、前記検出インピーダンスで検出された信号を計測器で低周波成分の電圧波形と高周波成分の部分放電波形に波形分離するオンライン部分放電測定装置において、前記結合コンデンサは、静電容量と抵抗成分を有し、
前記結合コンデンサ内の前記抵抗成分の抵抗値は、前記検出インピーダンス内の抵抗成分の抵抗値に対する比が９９９～４９９９であり、
前記結合コンデンサは、コンデンサと抵抗の並列回路により構成され、前記高周波成分である部分放電を前記コンデンサが通過させるとともに、前記低周波成分である交流電流を前記抵抗が通過させる
ことを特徴とするオンライン部分放電測定装置。
請求項１記載のオンライン部分放電測定装置において、前記結合コンデンサは、静電容量と抵抗成分とが共存する絶縁材料又は半導電材料をもちいたものであることを特徴とするオンライン部分放電測定装置。