JP7371976B1

JP7371976B1 - 避雷ワイヤー断線位置測定システム

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Publication number: JP7371976B1
Application number: JP2022175176A
Authority: JP
Inventors: 勇祐鈴木; 弘道村井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-11-01
Filing date: 2022-11-01
Publication date: 2023-10-31
Anticipated expiration: 2042-11-01
Also published as: JP2024066008A; JP2024066465A

Abstract

【課題】高ノイズ環境下であっても、避雷ワイヤーの断線位置を精度よく測定することのできる避雷ワイヤー断線位置測定システムを提供する。【解決手段】避雷ワイヤー断線位置測定システム１は、搬送波信号を出力するとともに、搬送波信号の各ステップに対応する変調フレームにおいて連続的に周波数が変化するノイズ除去用信号を出力する。搬送波信号に含まれる各変調フレームに対してノイズ除去用信号で変調を行って、避雷ワイヤーの断線位置を測定するための測定用信号を生成し、避雷ワイヤーの端部から測定用信号を入力する。避雷ワイヤーからの反射信号を復調して復調信号を生成し、復調信号とノイズ除去用信号との相関を検出し、相関が最小の周波数ｆｍｉｎに基づいて、避雷ワイヤーの端部から断線位置までの距離Ｌｄを算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、避雷ワイヤーの断線位置を測定する機能を備えた避雷ワイヤー断線位置測定システムに関する。

従来から、風力発電機のブレード内に設けられている避雷導線（避雷ワイヤー）に断線が生じているか否かを検査する方法が提案されている。例えば、従来の方法では、ＴＤＲ（Time Domain Reflectometry：時間領域反射率測定）法を用いて避雷ワイヤーの断線の有無を検査することができる（特許文献１参照）。

特開２０１７－１５０３２４号公報

しかしながら、従来の方法では、ＴＤＲ法を用いているため、避雷ワイヤーに誘起する外来電磁波ノイズに対して脆弱であるという問題がある。また、ＴＤＲ法では、原理的に広い周波数帯域を対象とするため、高いノイズフロアとなってしまう。この場合、外来電磁波ノイズで誘起する電圧は外部要因であり、高いノイズフロアは装置の内部要因であるが、これらはともにＳ／Ｎ（シグナルノイズ比）を悪化させるため、計測用信号源（短パルス波）は高い出力を必要とする。ところが、高い出力のパルスを生成する場合には、短パルスを発生させることが難しくなり、測定分解能を低下させる結果となる。

また、風力発電機は、その目的上、周囲に障害物がない山上や海上など、比較的、外来電磁波ノイズ（例えば放送波、レーダー波など）を受けやすい場所に設置される。通常、風車のブレードの長さは３０～８０ｍ程度であり、避雷ワイヤーが健全な場合に効率良く誘起する周波数帯は１～６ＭＨｚであるが、この周波数帯には中波放送や短波放送が割り当てられている。電界強度は、送信局の出力・送信局からの距離・大地導電率などによって変動するが、数ｍＶ／ｍから数百ｍＶ／ｍとなる。

例えば、「送信周波数：１ＭＨｚ、送信電力：３００ｋＷ、送信アンテナ：０．５３λ垂直設置アンテナ、大地比誘電率：１０、大地低効率１００Ω・ｍ、送信局からの距離３０ｋｍ」という条件を仮定して、測定装置の入力端に生じる電圧を算出すると、２．６８Ｖとなる。このように放送波の１つのみを考慮しても、大きな電圧が測定装置に印加される。実際の環境では、さらに多くの人口ノイズ、自然ノイズが加わることが想定されるため、それらを考慮するとＳ／Ｎの良い測定を行うのは困難である。

なお、断線個所までの距離は、ブレード長よりも短いので、影響を受ける周波数は高い方にシフトする。仮に、断線個所までの距離が１０ｍであった場合、１５ＭＨｚ～４０ＭＨｚの周波数帯で影響を強く受ける。また、避雷ワイヤーに誘起する電圧は、断線長に基づく共振周波数以外でも生じる。一般に、避雷ワイヤーはシールド構造にもなっておらず、外来電磁波に常に曝露され、常時、何らかの電圧が誘起しているため、精度の高い測定を行うのは困難である。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、高ノイズ環境下であっても、避雷ワイヤーの断線位置を精度よく測定することのできる避雷ワイヤー断線位置測定システムを提供することを目的とする。

本発明の避雷ワイヤー断線位置測定システムは、避雷ワイヤーの断線位置を測定する避雷ワイヤー断線位置測定システムであって、所定の計測周期においてステップ状に周波数が遷移する搬送波信号であって、各ステップでは一定の周波数が持続する搬送波信号を出力する搬送波信号出力部と、前記搬送波信号の各ステップに対応する変調フレームにおいて連続的に周波数が変化するノイズ除去用信号を出力するノイズ除去用信号出力部と、前記搬送波信号に含まれる各変調フレームに対して前記ノイズ除去用信号で変調を行って、前記避雷ワイヤーの断線位置を測定するための測定用信号を生成する測定用信号生成部と、前記避雷ワイヤーの端部から前記測定用信号を入力する測定用信号入力部と、前記避雷ワイヤーからの反射信号を取得する反射信号取得部と、前記反射信号を復調して復調信号を生成する復調信号生成部と、前記復調信号と前記ノイズ除去用信号との相関を検出する相関処理を行う相関処理部と、前記相関処理により検出された相関が最小の周波数に基づいて、前記避雷ワイヤーの端部から断線位置までの距離を算出する断線位置算出部と、を備えている。

この構成によれば、避雷ワイヤーからの反射信号に外来電磁波ノイズが混入している場合でも、反射信号を復調した復調信号に対してノイズ除去用信号を用いた相関処理を行うことにより、相関が最小の周波数を検出するときに外来電磁波ノイズの影響を軽減することができる。このように検出された相関が最小の周波数に基づいて、避雷ワイヤーの端部から断線位置までの距離（避雷ワイヤーの断線位置）が算出されるので、高ノイズ環境下（例えば、外来電磁波ノイズを受けやすい場所に設置される風力発電用のブレード内に設けられる避雷ワイヤー）であっても、避雷ワイヤーの断線位置を精度よく測定することが可能になる。

また、本発明の避雷ワイヤー断線位置測定システムでは、前記ノイズ除去用信号は、チャープ信号または疑似ランダム信号であってもよい。

この構成によれば、反射信号を復調した復調信号に対してチャープ信号または疑似ランダム信号を用いた相関処理を行うことにより、相関が最小の周波数を検出するときに外来電磁波ノイズの影響を軽減することができる。

本発明の方法は、避雷ワイヤーの断線位置を測定する避雷ワイヤー断線位置測定システムで実行される方法であって、前記方法は、所定の計測周期においてステップ状に周波数が遷移する搬送波信号であって、各ステップでは一定の周波数が持続する搬送波信号を出力する搬送波信号出力ステップと、前記搬送波信号の各ステップに対応する変調フレームにおいて連続的に周波数が変化するノイズ除去用信号を出力するノイズ除去用信号出力ステップと、前記搬送波信号に含まれる各変調フレームに対して前記ノイズ除去用信号で変調を行って、前記避雷ワイヤーの断線位置を測定するための測定用信号を生成する測定用信号生成ステップと、前記避雷ワイヤーの端部から前記測定用信号を入力する測定用信号入力ステップと、前記避雷ワイヤーからの反射信号を取得する反射信号取得ステップと、前記反射信号を復調して復調信号を生成する復調信号生成ステップと、前記復調信号と前記ノイズ除去用信号との相関を検出する相関処理を行う相関処理ステップと、前記相関処理により検出された相関が最小の周波数に基づいて、前記避雷ワイヤーの端部から断線位置までの距離を算出する断線位置算出ステップと、を含んでいる。

この方法によっても、上記のシステムと同様に、雷ワイヤーからの反射信号に外来電磁波ノイズが混入している場合でも、反射信号を復調した復調信号に対してノイズ除去用信号を用いた相関処理を行うことにより、相関が最小の周波数を検出するときに外来電磁波ノイズの影響を軽減することができる。このように検出された相関が最小の周波数に基づいて、避雷ワイヤーの端部から断線位置までの距離（避雷ワイヤーの断線位置）が算出されるので、高ノイズ環境下（例えば、外来電磁波ノイズを受けやすい場所に設置される風力発電用のブレード内に設けられる避雷ワイヤー）であっても、避雷ワイヤーの断線位置を精度よく測定することが可能になる。

本発明によれば、高ノイズ環境下であっても、避雷ワイヤーの断線位置を精度よく測定することができる。

本発明の実施の形態における避雷ワイヤー断線位置測定システムのブロック図である。本発明の実施の形態における搬送波信号とノイズ除去用信号（チャープ信号）の説明図である。本発明の実施の形態におけるノイズ除去用信号（チャープ信号）の一例を示す図である。本発明の実施の形態における測定用信号の一例を示す図である。本発明の実施の形態における反射信号（外来電磁波ノイズがない場合）の一例を示す図である。本発明の実施の形態における相関処理の結果（外来電磁波ノイズがない場合）の一例を示す図である。本発明の実施の形態における反射信号（外来電磁波ノイズがある場合）の一例を示す図である。本発明の実施の形態における相関処理の結果（外来電磁波ノイズがある場合）の一例を示す図である。本発明の実施の形態における避雷ワイヤーの端部から断線位置までの距離の説明図である。

以下、本発明の実施の形態の避雷ワイヤー断線位置測定システムについて、図面を用いて説明する。本実施の形態では、風力発電機のメンテナンスシステム等に用いられる避雷ワイヤー断線位置測定システムの場合を例示する。

本発明の実施の形態の避雷ワイヤー断線位置測定システムの構成を、図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の避雷ワイヤー断線位置測定システムの構成を示すブロック図である。この避雷ワイヤー断線位置測定システムは、風力発電機のブレード内に設けられている避雷ワイヤーの断線位置を測定する機能を備えている。

図１に示すように、避雷ワイヤー断線位置測定システム１は、基準タイミング信号を生成する基準タイミング生成部２と、計測周期を生成する計測周期生成部３と、変調フレームタイミングを生成する変調フレームタイミング生成部４を備えている。図２に示すように、基準タイミングは、計測周期と変調フレームの同期のためのクロック信号として用いられる基準タイミング信号（例えば１０Ｈｚのパルス信号）を生成する。計測周期生成部３は、基準タイミング生成部２から出力される基準タイミング信号に基づいて、所定の計測周期のタイミング（例えば、搬送波信号が１～６００ＭＨｚの１ＭＨｚステップを０．１秒の持続時間で出力する場合には、計測周期が６０秒となる）を生成する。変調フレームタイミング生成部４は、基準タイミング生成部２から出力される基準タイミング信号に基づいて、各変調フレームのタイミング（各１ＭＨｚステップで変調信号（１～１００ＫＨｚ）を出力する場合には、０．１秒毎のタイミングとなる）を生成する。

避雷ワイヤー断線位置測定システム１は、計測周期生成部３から出力される計測周期に基づいて搬送波信号を発振する掃引発振器５と、変調フレームタイミング生成部４から出力される変調フレームのタイミングに基づいて、ノイズ除去用信号としてのチャープ信号を生成するチャープ信号を発振するチャープ信号発振器６を備えている。搬送波信号は、図２に示すように、計測周期においてステップ状に周波数が遷移し、各ステップでは一定の周波数が持続する信号である。また、チャープ信号は、図２および図３に示すように、搬送波信号の各ステップに対応する変調フレームにおいて、連続的に周波数が変化する信号である。ここでは、掃引発振器５が、本発明の搬送波信号出力部に相当し、チャープ信号発振器６が、本発明のノイズ除去用信号出力部に相当する。なお、掃引発振器５は、周波数をステップ状に掃引するものに限られず、周波数を連続的に掃引してもよい。また、ノイズ除去用信号は、チャープ信号に限られず、疑似ランダム信号が用いられてもよい。

また、避雷ワイヤー断線位置測定システム１は、搬送波信号に含まれる各変調フレームに対してノイズ除去用信号で変調を行って、避雷ワイヤーの断線位置を測定するための測定用信号を生成する変調器７を備えている。図４には、このようにして生成された測定用信号の一例が示されている。ここでは、変調器７が、本発明の測定用信号生成部に相当する。なお、変調器７は、測定用信号として、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave：周波数連続変調波）を生成するように構成されていてもよい。

避雷ワイヤー断線位置測定システム１は、変調器７から出力された測定用信号を増幅するための広帯域アンプ８と、広帯域アンプ８で増幅された測定用信号が入力される方向性結合器９と、方向性結合器９から出力される測定用信号を避雷ワイヤーの端部に入力するためのプローブ１０を備えている。プローブ１０から避雷ワイヤーに測定用信号を入力すると、避雷ワイヤーから反射信号（反射波）が返ってくる。このとき、例えば、図９に示すように、ブレードＢの内部に設けられる避雷ワイヤーＷのある位置Ｑで断線が発生している場合には、避雷ワイヤーＷの端部Ｐからプローブ１０を介して測定用信号が入力されると、断線位置Ｑに応じた反射信号が反射波として得られ、方向性結合器９に入力される。図５には、外来電磁波ノイズがない場合の反射信号の例が示される。ここでは、プローブ１０が、本発明の測定用信号入力部に相当し、方向性結合器９が、本発明の反射信号取得部に相当する。

避雷ワイヤー断線位置測定システム１は、方向性結合器９から出力された反射信号を増幅するための広帯域アンプ１１と、広帯域アンプ１１で増幅された反射信号が入力される復調器１２を備えている。復調器１２は、反射信号を復調して復調信号を生成する。ここでは、復調器１２が、本発明の復調信号生成部に相当する。なお、変調器７が、測定用信号としてＦＭＣＷを生成するように構成されている場合には、復調器１２は、ＦＭＣＷを復調するように構成することができる。

避雷ワイヤー断線位置測定システム１は、復調器１２から出力される復調信号とチャープ信号発振器６から出力されるチャープ信号との相関を検出する相関処理を行う相関処理器１３と、相関処理により検出された相関が最小の周波数ｆ_mimに基づいて、避雷ワイヤーの端部から断線位置までの距離Ｌｄを算出する計測処理器１４を備えている。図６には、外来電磁波ノイズがない場合の反射信号の例が示される。図６の例では、相関が最小の周波数ｆ_mimが１．５ＭＨｚである。この場合、避雷ワイヤーの端部から断線位置までの距離Ｌｄは、４０ｍと算出される。また、相関が最小の周波数ｆ_mimが５ＭＨｚの場合には、避雷ワイヤーの端部から断線位置までの距離Ｌｄは、１２ｍと算出される。ここでは、相関処理器１３が、本発明の相関処理部に相当し、計測処理部が、本発明の断線位置算出部に相当する。

このような本実施の形態の避雷ワイヤー断線位置測定システム１によれば、避雷ワイヤーからの反射信号に外来電磁波ノイズが混入している場合でも、反射信号を復調した復調信号に対してノイズ除去用信号を用いた相関処理を行うことにより、相関が最小の周波数を検出するときに外来電磁波ノイズの影響を軽減することができる。このように検出された相関が最小の周波数に基づいて、避雷ワイヤーの端部から断線位置までの距離（避雷ワイヤーの断線位置）が算出されるので、高ノイズ環境下（例えば、外来電磁波ノイズを受けやすい場所に設置される風力発電用のブレード内に設けられる避雷ワイヤー）であっても、避雷ワイヤーの断線位置を精度よく測定することが可能になる。

例えば、図７には、外来電磁波ノイズがある場合の反射信号の例が示される。このような外来電磁波ノイズがある場合であっても、反射信号を復調した復調信号に対してノイズ除去用信号を用いた相関処理を行うことにより、図８に示すように、相関が最小の周波数ｆ_mimを検出するときに外来電磁波ノイズの影響を軽減することができ、避雷ワイヤーの端部から断線位置までの距離Ｌｄ（避雷ワイヤーの断線位置）を精度よく測定することができる。

本実施の形態では、反射信号を復調した復調信号に対してチャープ信号（または疑似ランダム信号）を用いた相関処理を行うことにより、相関が最小の周波数を検出するときに外来電磁波ノイズの影響を軽減することができる。

従来のようにＴＤＲ法を用いた測定方法は、原理的に広帯域信号処理系を有する必要があり、より種々のノイズの影響を受けやすくなるだけでなく、広帯域信号処理系自体のノイズフロアが高いのでＳ／Ｎの良い計測を行うことは困難である。これに対し、本実施の形態では、変調フレーム（図２参照）分の狭い帯域幅の信号処理系でよいため、ノイズフロアは大幅に低くなる。例えば、ＴＤＲ法を用いた測定方法で必要とされる帯域幅が１ＧＨｚであるとすると、本実施の形態で必要とされる帯域幅は１ＭＨｚ程度でよいので、約３０ｄＢの大幅な改善（ノイズ除去効果）が見込まれる。そのうえ、チャープ信号（または疑似ランダム信号）により処理利得が約１０ｄＢ得られるので、全体として約４０ｄＢのノイズ除去効果が得られる。

以上、本発明の実施の形態を例示により説明したが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではなく、請求項に記載された範囲内において目的に応じて変更・変形することが可能である。

例えば、本発明の避雷ワイヤー断線位置測定システム１は、１つの装置として構成することも可能であるが、複数の装置に分割して構成されてもよい。例えば、避雷ワイヤー断線位置測定システム１の一部の機能をドローンに搭載し、避雷ワイヤー断線位置測定システム１の残りの機能を地上装置に搭載してもよい。

以上のように、本発明にかかる避雷ワイヤー断線位置測定システムは、高ノイズ環境下であっても、避雷ワイヤーの断線位置を精度よく測定することができるという効果を有し、風力発電機のメンテナンスシステム等に適用され、有用である。

１避雷ワイヤー断線位置測定システム
２基準タイミング生成部
３計測周期生成部
４変調フレームタイミング生成部
５掃引発振器（搬送波信号出力部）
６チャープ信号発振器（ノイズ除去用信号出力部）
７変調器（測定用信号生成部）
８広帯域アンプ
９方向性結合器（反射信号取得部）
１０プローブ（測定用信号入力部）
１１広帯域アンプ
１２復調器（復調信号生成部）
１３相関処理器（相関処理部）
１４計測処理器（断線位置算出部）

Claims

避雷ワイヤーの断線位置を測定する避雷ワイヤー断線位置測定システムであって、
所定の計測周期においてステップ状に周波数が遷移する搬送波信号であって、各ステップでは一定の周波数が持続する搬送波信号を出力する搬送波信号出力部と、
前記搬送波信号の各ステップに対応する変調フレームにおいて連続的に周波数が変化するノイズ除去用信号を出力するノイズ除去用信号出力部と、
前記搬送波信号に含まれる各変調フレームに対して前記ノイズ除去用信号で変調を行って、前記避雷ワイヤーの断線位置を測定するための測定用信号を生成する測定用信号生成部と、
前記避雷ワイヤーの端部から前記測定用信号を入力する測定用信号入力部と、
前記避雷ワイヤーからの反射信号を取得する反射信号取得部と、
前記反射信号を復調して復調信号を生成する復調信号生成部と、
前記復調信号と前記ノイズ除去用信号との相関を検出する相関処理を行う相関処理部と、
前記相関処理により検出された相関が最小の周波数に基づいて、前記避雷ワイヤーの端部から断線位置までの距離を算出する断線位置算出部と、
を備える、避雷ワイヤー断線位置測定システム。
前記ノイズ除去用信号は、チャープ信号または疑似ランダム信号である、請求項１に記載の避雷ワイヤー断線位置測定システム。
避雷ワイヤーの断線位置を測定する避雷ワイヤー断線位置測定システムで実行される方法であって、
前記方法は、
所定の計測周期においてステップ状に周波数が遷移する搬送波信号であって、各ステップでは一定の周波数が持続する搬送波信号を出力する搬送波信号出力ステップと、
前記搬送波信号の各ステップに対応する変調フレームにおいて連続的に周波数が変化するノイズ除去用信号を出力するノイズ除去用信号出力ステップと、
前記搬送波信号に含まれる各変調フレームに対して前記ノイズ除去用信号で変調を行って、前記避雷ワイヤーの断線位置を測定するための測定用信号を生成する測定用信号生成ステップと、
前記避雷ワイヤーの端部から前記測定用信号を入力する測定用信号入力ステップと、
前記避雷ワイヤーからの反射信号を取得する反射信号取得ステップと、
前記反射信号を復調して復調信号を生成する復調信号生成ステップと、
前記復調信号と前記ノイズ除去用信号との相関を検出する相関処理を行う相関処理ステップと、
前記相関処理により検出された相関が最小の周波数に基づいて、前記避雷ワイヤーの端部から断線位置までの距離を算出する断線位置算出ステップと、
を含む、方法。