JP7235548B2 - 絶縁状態監視装置 - Google Patents

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Description

本発明は、 電気設備内の電気機器における絶縁状態の劣化を診断する絶縁状態監視装置に係り、特に、電気機器の水平方向および垂直方向における絶縁状態の劣化を診断する装置に関する。
キュービクルや配電盤、工場等の電気設備においては、電気設備内の電気機器に塵埃等が堆積すると、当該電気機器の絶縁状態が劣化し、最悪の場合火災等が生じる恐れがある。そこで、従来は、定期的に電気設備等の清掃やメンテナンス等を行い、電気機器の絶縁性を維持している。
特開２０１５－１６２３２０号公報 特開平８－２１０８９０号公報
しかし、どの程度の期間でどの程度の塵埃が堆積するのか、どの程度の塵埃が堆積するとどの程度の絶縁劣化が生じるのかが不明であるため、メンテナンス性の効率化を図ることができない。
また、場所や季節や風向き等により、電気機器に堆積する塵埃等の量が異なる。定期的に電気設備等の清掃やメンテナンスを行う場合、一般的には、塵埃等が多い状況を想定してメンテナンスのスケジュールを組むため、清掃やメンテナンスの間隔が短くなり、清掃やメンテナンスの回数が多くなる。
また、電気機器には立体的構造のものもあり、塵埃は電気機器の水平方向だけでなく、風向き等の環境により電気機器の垂直方向にも堆積することがある。
以上示したようなことから、絶縁状態監視装置において、電気機器の水平方向および垂直方向における絶縁状態を監視することが課題となる。
本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、水平面電極と、前記水平面電極に対して略直角に設けられた垂直面電極と、前記水平面電極と略平行に所定の距離離して配置された第１電極および前記垂直面電極と略平行に所定の距離離して配置された第２電極を有する共通電極と、前記水平面電極の一端と前記垂直面電極の一端と前記共通電極の一端とを接続した接続点と前記共通電極との間に第１交流電圧を発生させ、絶縁状態に応じて電圧を自動調整できる第１電圧発生手段と、前記水平面電極と前記垂直面電極との間に前記第１交流電圧とは異なる周波数の第２交流電圧を発生させる第２電圧発生手段と、前記第１交流電圧と、前記共通電極と前記接続点間に流れる電流に基づいて、前記水平面電極と前記垂直面電極間の総合インピーダンスＺおよび総合絶縁抵抗および総合静電容量を算出し、前記水平面電極と前記共通電極間の第３電圧、および、前記垂直面電極と前記共通電極間の第４電圧、および、前記第３電圧と前記第４電圧の電圧差、および、前記総合インピーダンスに基づいて、前記水平面電極と前記共通電極間の絶縁抵抗および静電容量、かつ、前記垂直面電極と前記共通電極間の絶縁抵抗および静電容量を求める演算器と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、絶縁状態監視装置において、電気機器の水平方向および垂直方向における絶縁状態を監視することが可能となる。
実施形態における絶縁状態監視装置を示す概略図。 Ｖ１，ＶZの関係を示す等価回路。 Ｖ１，Ｖｒ，ＶZ，Ｉ１の関係を表すベクトル図。 ＶZ，ＩR，Ｉ１，ＩCの関係を表すベクトル図。 Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の関係を表す等価回路。 Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，ΔＶの関係を表すベクトル図。 Ｖ３，Ｉ３，Ｚの関係を表すベクトル図。 Ｖ４，Ｉ４，Ｚの関係を表すベクトル図。
以下、本願発明における絶縁状態監視装置の実施形態を図１～図８に基づいて詳述する。
［実施形態］
まず、本実施形態における絶縁状態監視装置の構成を図１の概略図に基づいて説明する。本実施形態における絶縁状態監視装置は、電気設備内に設置されるものとする。図１に示すように、絶縁状態監視装置は、水平面電極１と垂直面電極２と共通電極３と、を備える。
水平面電極１は地面に対して略平行に設けられる。垂直面電極２は水平面電極１に対して約９０°（略直角）の角度差が設けられている。共通電極３は、水平面電極１と略平行に所定の距離離して配置された第１電極３ａと、垂直面電極２と略平行に所定の距離離して配置された第２電極３ｂと、を有する。
図１では、所定の形状の水平面電極１、垂直面電極２、共通電極３を示しているが、水平面電極１と垂直面電極２とが約９０°の角度差を有し、共通電極３が水平面電極１と略平行に所定の距離離して配置された第１電極３ａと、垂直面電極２と略平行に所定の距離離して配置された第２電極３ｂと、を有していれば、その他の形状であってもよい。
本実施形態では、プリント基板上のパターン（銅箔等）により水平面電極１および垂直面電極２および共通電極３を構成するものとするが、その他の材質等によって水平面電極１，垂直面電極２，共通電極３を構成してもよい。
水平面電極１の一端と垂直面電極２の一端は接続点で接続される。本実施形態では、水平面電極１の一端と垂直面電極２の一端とは後述するトランスＴｒの２次側を介して接続される。共通電極３の一端は、第１電圧発生手段４やフィルタ５，増幅回路６、抵抗ｒ、ｒ１を介してトランスＴｒの２次側の中性点に接続される。
共通電極３とトランスＴｒの２次側の中性点（前記接続点）との間には、第１交流電圧Ｖ１を発生させる第１電圧発生手段４が設けられる。なお、第１電圧発生手段４と共通電極３およびトランスＴｒの２次側の中性点との間には、フィルタ５，増幅回路６，抵抗ｒ，ｒ１が設けられる。第１電圧発生手段４は、共通電極３と水平面電極１および垂直面電極２間の絶縁抵抗を計測するため、絶縁状態に応じて電圧を自動調整できるものとする。
水平面電極１と垂直面電極２との間には、トランスＴｒを介して第２交流電圧Ｖ２を発生させる第２電圧発生手段７が設けられる。第２交流電圧Ｖ２は第１交流電圧Ｖ１の周波数ｆ１とは異なる周波数ｆ２とする。また、トランスＴｒの２次側と水平面電極１および垂直面電極２との間には、図１に示すようにヒューズ８ａ，８ｂを設けても良い。
電流検出手段９は、接続点と共通電極３間の電流Ｉ１を検出する。電流Ｉ１は水平面電極１および垂直面電極２と共通電極３間の絶縁状態により値が異なる。電流検出手段９で検出された電流Ｉ１は、フィルタ１０，増幅回路１１，Ａ／Ｄ変換器１２を介して演算器１３に出力される。
第２交流電圧Ｖ２により、水平面電極１と共通電極３との間に第３電圧Ｖ３が印加され、垂直面電極２と共通電極３との間に第４電圧Ｖ４が印加される。電圧検出手段１４は、第３電圧Ｖ３および第４電圧Ｖ４を検出し、第３電圧Ｖ３と第４電圧Ｖ４の電圧差ΔＶを算出する。電圧検出手段１４で検出された第３電圧Ｖ３および第４電圧Ｖ４および電圧差ΔＶは、フィルタ１５，増幅回路１６，Ａ／Ｄ変換器１２を介して演算器１３に出力される。
演算器１３は、第１交流電圧Ｖ１と電流Ｉ１から水平面電極１と垂直面電極２間の総合インピーダンスＺ，総合絶縁抵抗Ｒ，総合静電容量Ｃを演算式Ａによって演算する。また、演算器１３は、第３電圧Ｖ３，第４電圧Ｖ４，電圧差ΔＶ，総合インピーダンスＺに基づいて、水平面電極１と共通電極３間の絶縁抵抗ＲHおよび静電容量ＣH、かつ、垂直面電極２と共通電極３間の絶縁抵抗ＲVおよび静電容量ＣVを演算式Ｂによって演算する。
表示手段１７は、演算器１３において演算式Ｂによって演算された絶縁抵抗ＲHおよび静電容量ＣH、絶縁抵抗ＲVおよび静電容量ＣVを表示する。
警報手段１８は、絶縁抵抗ＲHおよび静電容量ＣH、絶縁抵抗ＲVおよび静電容量ＣVと予め設定された所定の閾値とを比較し、前記各数値が閾値以下となった場合に、表示または音響による警報を行う。
次に、水平面電極１と垂直面電極２間の総合インピーダンスＺ，総合絶縁抵抗Ｒ並びに総合静電容量Ｃを求めるための演算式Ａについて説明する。図２は、第１交流電圧Ｖ１と総合インピーダンスＺにかかる電圧ＶZの関係を示す等価回路である。図２において、水平面電極１と共通電極３間の絶縁抵抗をＲH，静電容量をＣHとし、垂直面電極２と共通電極３間の絶縁抵抗をＲV，静電容量をＣVとする。また、接続点と共通電極３間の抵抗ｒの両端に発生する電圧をＶｒ、電流をＩ１とし、総合インピーダンスＺにかかる電圧をＶZとする。また、第１交流電圧Ｖ１の周波数をｆ１とする。
水平面電極１と垂直面電極２間の総合インピーダンスＺは、図２に示すように、水平面電極１と垂直面電極２の総合絶縁抵抗Ｒと総合静電容量Ｃを並列合成した値である。総合インピーダンスＺにかかる電圧ＶZは、第１交流電圧Ｖ１、総合インピーダンスＺに流れる電流Ｉ１から以下の（１）式となる。
Figure 0007235548000001
総合インピーダンスＺは、第１交流電圧Ｖ１によって総合インピーダンスＺに流れる電流Ｉ１と（１）式から以下の（２）式となる。
Figure 0007235548000002
図３は、第１交流電圧Ｖ１，降下電圧Ｖｒ，総合インピーダンスＺにかかる電圧ＶZ，電流Ｉ１をベクトルとして表した図である。第１交流電圧Ｖ１と降下電圧Ｖｒ間の位相差をθｒ，第１交流電圧Ｖ１と総合インピーダンスＺにかかる電圧ＶZ間の位相差をθｚ，総合インピーダンスＺにかかる電圧ＶZと電流Ｉ１間の位相差をθ１とすると、位相差θ１は以下の（３）式となる。
Figure 0007235548000003
総合インピーダンスＺ、および、上記（３）式により、総合絶縁抵抗Ｒ、総合静電容量Ｃは以下の（４）式となる。
Figure 0007235548000004
図４は、電流Ｉ１，総合絶縁抵抗Ｒに流れる電流ＩR，総合静電容量Ｃに流れる電流ＩC，総合インピーダンスＺにかかる電圧ＶZをベクトルとして表した図である。電流ＩRと電流Ｉ１間の位相差をθ１とすると、電流ＩR，電流ＩCは以下の（５）式となる。
Figure 0007235548000005
電流ＩR、電流ＩCを用いて、総合絶縁抵抗Ｒ，総合静電容量Ｃを以下の（６）式と表すことができる。
Figure 0007235548000006
総合インピーダンスＺは、総合絶縁抵抗Ｒと総合静電容量Ｃを並列合成した値であるため、以下の（７）式となる。
Figure 0007235548000007
次に、水平面電極１と共通電極３間の絶縁抵抗ＲHおよび静電容量ＣH、かつ、垂直面電極２と共通電極３間の絶縁抵抗ＲVおよび静電容量ＣVを求めるための演算式Ｂについて説明する。
図５は、第２交流電圧Ｖ２，第３電圧Ｖ３，第４電圧Ｖ４の関係を示す等価回路である。第２交流電圧Ｖ２は周波数ｆ２であり、トランスＴｒの２次側の中性点でＶ２／２，Ｖ２／２に２分割される。図５のＨｏｒｉｚｏｎは水平面電極１と接続される側を示し、Ｖｅｒｔｉｃａｌは垂直面電極２と接続される側を示している。水平面電極１（Ｈｏｒｉｚｏｎ）と共通電極３（Ｃｏｍｍｏｎ）間の電圧がＶ３であり、垂直面電極２（Ｖｅｒｔｉｃａｌ）と共通電極３（Ｃｏｍｍｏｎ）間の電圧がＶ４である。水平面電極１と共通電極３間のインピーダンスをＺHとし、垂直面電極２と共通電極３間のインピーダンスをＺVとする。水平面電極１と共通電極３間に流れる電流をＩ３とし、垂直面電極２と共通電極３間に流れる電流をＩ４とする。トランスＴｒの２次側中性点（接続点）と共通電極３間の抵抗をｒとし、抵抗ｒに流れる電流をＩｒとする。第３電圧Ｖ３と第４電圧Ｖ４の電圧差をΔＶとする。
等価回路を表す図５に示すように、共通電極３（Ｃｏｍｍｏｎ）に流れ込む電流Ｉｒは以下の（８）式となる。
Figure 0007235548000008
上記（８）式を、Ｉｒ＝ΔＶ／ｒ，Ｉ３＝Ｖ３／ＺH，Ｉ４＝Ｖ４／ＺVを使用して書き替えると以下の（９）式となる。
Figure 0007235548000009
合成インピーダンスは、以下の（１０）式となる。
Figure 0007235548000010
次に、水平面電極１と共通電極３間のインピーダンスＺHと垂直面電極２と共通電極３間のインピーダンスＺVを求める。まず、第２交流電圧Ｖ２，第３電圧Ｖ３，第４電圧Ｖ４の関係は以下の（１１）式となる。
Figure 0007235548000011
電位差ΔＶ＝－Ｖ３＋Ｖ４であるため、Ｖ３＝Ｖ４－ΔＶ、Ｖ４＝Ｖ３＋ΔＶとなる。これを（１１）式に代入すると、以下の（１２）式となる。
Figure 0007235548000012
上記（９）式，（１０）式，（１１）式より、水平面電極１と共通電極３間のインピーダンスＺHと垂直面電極２と共通電極３間のインピーダンスＺVは以下の（１３）式となる。
Figure 0007235548000013
次に、第３電圧Ｖ３の実部Ｖ３ｒｅ，虚部Ｖ３ｉｍ，位相θ３，第４電圧Ｖ４の実部Ｖ４ｒｅ，虚部Ｖ４ｉｍ，位相θ４を求める。図６は第２交流電圧Ｖ２，第３電圧Ｖ３，第４電圧Ｖ４，電圧差ΔＶの関係を示すベクトル図である。第２交流電圧Ｖ２と第３電圧Ｖ３間の位相差をθ３、第２交流電圧Ｖ２と第４電圧Ｖ４間の位相差をθ４、第２交流電圧Ｖ２と電圧差ΔＶ間の位相差をΔθとする。第３電圧Ｖ３の実部Ｖ３ｒｅ，虚部Ｖ３ｉｍ，位相差θ３，第４電圧Ｖ４の実部Ｖ４ｒｅ，虚部Ｖ４ｉｍ，位相差θ４は以下の（１４）式となる。なお、添字のｒｅはベクトル実部の大きさを示し、ｉｍは虚部の大きさを示す。図６において横軸をｒｅ，縦軸をｉｍとする。
Figure 0007235548000014
図７は、第３電圧Ｖ３と電流Ｉ３と総合インピーダンスＺを表すベクトル図である。第３電圧Ｖ３の位相をθ３、総合インピーダンスＺの位相をθｚ、電流Ｉ３の位相をθI3とする。
図８は、第４電圧Ｖ４と電流Ｉ４と総合インピーダンスＺを表すベクトル図である。第４電圧Ｖ４の位相をθ４、総合インピーダンスＺの位相をθｚ、電流Ｉ４の位相をθI4とする。
ＺV＝０と仮定すると、電流Ｉ３は以下の（１５）式となる。
Figure 0007235548000015
（１５）式から位相θI3は以下の（１６）式となる。
Figure 0007235548000016
そして、電流Ｉ３のうち絶縁抵抗成分に流れる電流Ｉ３R，電流Ｉ３のうち静電容量成分に流れる電流Ｉ３Cは以下の（１７）式となる。
Figure 0007235548000017
ＺH＝０と仮定すると、電流Ｉ４は以下の（１８）式となる。
Figure 0007235548000018
（１８）式から位相θI4は以下の（１９）式となる。
Figure 0007235548000019
そして、電流Ｉ４のうち絶縁抵抗成分に流れる電流Ｉ４R，電流Ｉ４のうち静電容量成分に流れる電流Ｉ４Cは以下の（２０）式となる。
Figure 0007235548000020
第２交流電圧Ｖ２および上記のＩ３R，Ｉ３C，Ｉ４R，Ｉ４Cに基づいて、水平面電極１と共通電極３間の絶縁抵抗ＲHおよび静電容量ＣH、かつ、垂直面電極２と共通電極３間の絶縁抵抗ＲVおよび静電容量ＣVを、以下の（２１）式により求める。
Figure 0007235548000021
以上示したように、本実施形態における絶縁状態監視装置によれば、電気機器の絶縁状態を検出することが可能となる。また、水平面電極１と共通電極３間の絶縁抵抗ＲHおよび静電容量ＣH、かつ、垂直面電極２と共通電極３間の絶縁抵抗ＲVおよび静電容量ＣVを演算し、電気機器の水平方向および垂直方向の汚染状態に応じた各電極の絶縁状態をそれぞれ監視することが可能となる。電気機器には、立体的構造のものもあり、塵埃等は電気機器の水平方向だけでなく、風向き等の環境により電気機器の垂直方向にも堆積することがある。そのため、電気機器の水平方向と垂直方向の絶縁状態を同時に監視することにより、電気機器全体の絶縁状況を正確に把握することが可能となる。また、電気機器の水平方向および垂直方向それぞれに絶縁状態監視装置を設ける必要がなく、一つの絶縁状態監視装置でよい。
なお、実施形態では塵埃が電気機器に堆積した場合について説明したが、本願発明は、塵埃の堆積に限らず、電気機器に何らかの物質が付着して絶縁状態が劣化した場合も絶縁状態を監視することが可能である。
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
１：水平面電極
２：垂直面電極
３：共通電極
４：第１電圧発生手段
５，１０，１５：フィルタ
６，１１，１６：増幅回路
７：第２電圧発生手段
８ａ，８ｂ：ヒューズ
９：電流検出手段
１２：Ａ／Ｄ変換器
１３：演算器
１４：電圧検出手段
１７：表示手段
１８：警報手段

Claims (3)

  1. 水平面電極と、
    前記水平面電極に対して略直角に設けられた垂直面電極と、
    前記水平面電極と略平行に所定の距離離して配置された第１電極および前記垂直面電極と略平行に所定の距離離して配置された第２電極を有する共通電極と、
    前記水平面電極の一端と前記垂直面電極の一端とを接続した接続点と前記共通電極との間に第１交流電圧を発生させ、絶縁状態に応じて電圧を自動調整できる第１電圧発生手段と、
    前記水平面電極と前記垂直面電極との間に前記第１交流電圧とは異なる周波数の第２交流電圧を発生させる第２電圧発生手段と、
    前記第１交流電圧と、前記共通電極と前記接続点間に流れる電流に基づいて、前記水平面電極と前記垂直面電極間の総合インピーダンスおよび総合絶縁抵抗および総合静電容量を算出し、前記水平面電極と前記共通電極間の第３電圧、および、前記垂直面電極と前記共通電極間の第４電圧、および、前記第３電圧と前記第４電圧の電圧差、および、前記総合インピーダンスに基づいて、前記水平面電極と前記共通電極間の絶縁抵抗および静電容量、かつ、前記垂直面電極と前記共通電極間の絶縁抵抗および静電容量を求める演算器と、
    を備えたことを特徴とする絶縁状態監視装置。
  2. 前記第１交流電圧と、前記共通電極と前記接続点間に流れる電流に基づいて、以下の（１）式～（４）式により、前記水平面電極と前記垂直面電極間の前記総合絶縁抵抗および前記総合静電容量を算出することを特徴とする請求項１記載の絶縁状態監視装置。
    Figure 0007235548000022
    Figure 0007235548000023
    Figure 0007235548000024
    Figure 0007235548000025
    ただし、ｒ：接続点と共通電極間の抵抗
    ＶＺ：総合インピーダンスＺの電圧
    Ｖ１：第１交流電圧
    Ｖｒ：抵抗ｒの両端に発生する電圧
    Ｉ１：共通電極と接続点間に流れる電流
    θ１：ＶｚとＩ１の位相差
    θｒ：Ｖ１とＶｒの位相差
    θｚ：Ｖ１とＶｚの位相差
    Ｒ：総合絶縁抵抗
    Ｃ：総合静電容量
    ｆ１：第１交流電圧の周波数
    Ｚ：総合インピーダンス
  3. 前記水平面電極と前記共通電極間の第３電圧、および、前記垂直面電極と前記共通電極間の第４電圧、および、前記第３電圧と前記第４電圧の電圧差、および、前記総合インピーダンスに基づいて、以下の（１１）式，（１２）式，（１５）式～（２１）式により、前記水平面電極と前記共通電極間の絶縁抵抗および静電容量、かつ、前記垂直面電極と前記共通電極間の絶縁抵抗および静電容量を求めることを特徴とする請求項１または２記載の絶縁状態監視装置。
    Figure 0007235548000026
    Figure 0007235548000027
    ＺＶ＝０と仮定すると、
    Figure 0007235548000028
    Figure 0007235548000029
    Figure 0007235548000030
    ＺＨ＝０と仮定すると、
    Figure 0007235548000031
    Figure 0007235548000032
    Figure 0007235548000033
    Figure 0007235548000034
    ただし、Ｉ３：水平面電極と共通電極間に流れる電流
    Ｉ４：垂直面電極と共通電極間に流れる電流
    Ｖ２：第２交流電圧
    Ｖ３：水平面電極と共通電極間の電圧
    Ｖ４：垂直面電極と共通電極間の電圧
    ΔＶ：Ｖ３とＶ４の電圧差
    ｒ：接続点と共通電極間の抵抗
    ＺＨ：水平面電極と共通電極間のインピーダンス
    ＺＶ：垂直面電極と共通電極間のインピーダンス
    Ｚ：総合インピーダンス
    θ３：Ｖ３の位相
    θ４：Ｖ４の位相
    θＩ３：Ｉ３の位相
    θＺ：Ｚの位相
    Ｉ３Ｒ＝Ｉ３のうち絶縁抵抗成分に流れる電流
    Ｉ３Ｃ＝Ｉ３のうち静電容量成分に流れる電流
    θＩ４：Ｉ４の位相
    Ｉ４Ｒ＝Ｉ４のうち絶縁抵抗成分に流れる電流
    Ｉ４Ｃ＝Ｉ４のうち静電容量成分に流れる電流
    ＲＨ：水平面電極と共通電極間の絶縁抵抗
    ＣＨ：水平面電極と共通電極間の静電容量
    ＲＶ：垂直面電極と共通電極間の絶縁抵抗
    ＣＶ：垂直面電極と共通電極間の静電容量
    ｆ２：第２交流電圧の周波数
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