JP7373277B2 - 部分放電検出装置および部分放電検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気設備・機器の内部での部分放電発生を検出する部分放電検出装置および部分放電検出方法に関する。

部分放電は、絶縁破壊の前駆現象であり、運転状態の電気機器（例えば、変圧器や開閉装置等）から発生する部分放電を計測・評価することにより、電気機器の絶縁性能の劣化診断が行われている。

部分放電を検出する方法としては、部分放電に伴う発光・発熱・パルス電流・電磁波・超音波等を感知するセンサを使用する方法がある。例えば、特許文献１には、電気機器を格納する容器の表面を流れる高周波電流を検知するセンサが開示されている。この文献に開示されているセンサは、検出電極をシールド金属容器で覆うことにより、外部からのノイズが侵入し難い構造とし、いわゆる環境ノイズの影響を少なくして、表面電流の検出感度を向上させることが試みられている。

しかしながら、センサの感度を表面電流に特化して向上させたとしても、検出した信号が、部分放電に起因する表面電流であるか、ほかのノイズに起因する表面電流であるか、判断するのが難しいという問題がある。また部分放電検出のための信号が、高い周波数帯に広く分布していた場合、それらの信号を記録し、解析するためには、サンプリングスピードが高速かつ感度の高い高性能の素子や解析のための高速の信号処理のプロセッサーを用いる必要があり、測定装置のコストが高くなってしまうという問題がある。

特開平１０－１７０５９４号公報

本発明は、電気機器を格納する容器の表面を流れる高周波電流を観測し、部分放電に起因する信号を効率的に感度良く検出し、かつ、測定のコストを抑えることが可能となる部分放電検出装置および部分放電検出方法を提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の部分放電検出装置は、物体の表面電流を検知するセンサと、前記センサの出力信号を設定された周波数帯域に制限するフィルタ部と、前記フィルタ部の出力信号のエネルギーを測定しそのエネルギーの強さに対応する信号を出力するＲＦディテクタと、前記ＲＦディテクタの出力信号をサンプリングして記録する記録部と、前記記録部に記録された信号を解析する解析部と、を備え、前記解析部は、定められた閾値以上の信号を抽出するレベル判定部と、定められた周期以外の信号を除去するノイズ除去部と、前記定められた周期の信号の継続性を判定する継続性判定部と、前記継続性判定部の結果を受けて部分放電を判定する部分放電判定部と、を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、表面電流から得られる信号を、ノイズ成分を除去し、部分放電に起因する信号を抽出して解析できるので、部分放電が発生したときの検出感度を向上することができる。

本発明の一態様においては、本発明の部分放電検出装置の前記定められた閾値は、時刻ごとに設定されることを特徴とする。
このような構成によれば、ノイズの時刻による変化に基づいて閾値が設定されるので、信号の誤検出を低減することができる。

本発明の一態様においては、本発明の部分放電検出装置の前記継続性判定部は複数の判定基準を有し、前記部分放電判定部は、前記複数の判定基準の各発生回数により部分放電を判定することを特徴とする。
このような構成によれば、複数の基準に基づいて部分放電が判定されるので、部分放電のいろいろな発生モードに対応して部分放電の発生を判断することができ、部分放電が発生したときの検出感度を向上することができる。

本発明の一態様においては、本発明の部分放電検出装置は、前記センサは面電流センサであることを特徴とする。

また、本発明の部分放電検出方法は、物体の表面電流を検知するセンサにより検出された信号を設定された周波数帯域に制限し、前記設定された周波数帯域に制限された信号のエネルギーを測定し、前記エネルギーの強さに対応する信号をサンプリングして記録し、前記記録された信号を解析し、前記解析は、定められた閾値以上の信号を抽出すること、定められた周期以外の信号を除去すること、前記定められた周期の信号の継続性を判定すること、前記継続性を判定することの結果を受けて部分放電を判定すること、を含むことを特徴とする。
このような構成によれば、表面電流から得られる信号を、ノイズ成分を除去し、部分放電に起因する信号を抽出して解析できるので、部分放電の発生の検出率を向上することができる。

本発明によれば、電気機器を格納する容器の表面を流れる高周波電流を観測し、部分放電に起因する信号を効率的に感度良く検出し、かつ、測定のコストを抑えることが可能となる部分放電検出装置および部分放電検出方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る部分放電検出装置の構成を示す機能ブロック図である。 図１の解析部の構成を示す機能ブロック図である。 部分放電発生時の表面電流を観測して得られる信号を示す図である。 本発明の実施形態に係る部分放電検出装置のＲＦディテクタの出力信号を示す図である。 表面電流を観測して得られる信号を、周波数と周波数成分強度に変換したスペクトル解析図であって、環境ノイズと部分放電発生時の波形が示されている。 本発明の実施形態に係る部分放電検出装置の記録部に記録された信号を示す図である。 本発明の実施形態に係る部分放電検出装置の記録部に記録された信号を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る部分放電検出装置の構成を示す機能ブロック図を図１に、図１の解析部の機能ブロック図を図２に示す。
部分放電検出装置１０は、図１に示されるように、センサ１１、帯域フィルタ１２、増幅器１３、ＲＦディテクタ２０、Ａ／Ｄ変換器１４、記録部１５、解析部１６、表示部１７、および、記録部１５と解析部１６にそれぞれ付属するメモリ１８とメモリ１９を備えている。解析部１６は、図２に示されるように、レベル判定部５０、ノイズ除去部５１、継続性判定部５２、部分放電判定部５３を備えている。

センサ１１は、部分放電を検出するために、電気機器（例えば、変圧器や開閉装置等）を格納する容器等の表面に取り付けられて容器の表面を流れる電流を感知し、その電流強度に対応した信号を出力する。センサ１１から出力された信号は、帯域フィルタ１２に入力される。帯域フィルタ１２は、予め定められた周波数帯域に信号をフィルタリングし増幅器１３に出力する。増幅器１３に入力された信号は増幅されて、ＲＦディテクタ２０に入力される。ＲＦディテクタ２０は入力されたＲＦ信号のエネルギーを測定し、そのエネルギー強度に応じた出力レベルの信号をＡ／Ｄ変換器１４に出力する。Ａ／Ｄ変換器１４は、入力された信号強度をデジタル信号解析が可能となるように、アナログ量からデジタル量に変換し、そのデータを記録部１５に送信する。

記録部１５に送信されたデータは、時系列でメモリ１８に記録される。このときメモリ１８に記録されるデータは、図示しない制御部によって予め指定されたサンプリング日時、サンプリング期間等、解析部１６の解析に必要な情報とともに紐付けられて記録される。解析部１６は、記録部１５を通してメモリ１８のデータを呼び出し、後述する解析手順に従って部分放電の有無を解析する。解析された結果は、表示部１７に表示される。

ここで、ＲＦディテクタの動作について説明する。図３は、部分放電が生じている際の、センサ１１の出力ａ（実線）と電気機器に印可される５０Ｈｚの電源電圧ｂ（点線）を示す図であり、横軸に時間（ｍｓｅｃ）、縦軸に信号強度を表している。図４は、図３におけるセンサ出力ａを入力されたＲＦディテクタ１３の出力ｃ（実線）が示されている。部分放電に起因する信号が０ｍｓｅｃから６０ｍｓｅｃまで１０ｍｓｅｃおきに生じているが、ＲＦディテクタは、図３のセンサ出力ａのような、ひとかたまりの振幅信号のＲＦエネルギーを測定し、図４に示すようなワンショットのパルス信号を出力する。

このように、ＲＦディテクタを使用することにより、高周波信号の振幅の集団をひとかたまりのグループとして扱うことができ、部分放電検出のためのサンプリングクロックや解析のための信号プロセッサーのクロックに比較的低速のものを使用することができる。すなわち、高級なＩＣチップを使用する必要が少なくなるため、従来の解析装置と比較してコストを抑えることができる。またサンプリングクロックが低速であることによって、信号を記録するためのメモリー空間を節約することが可能になるという好適な効果も奏する。

さらに図３、図４を参照して、部分放電検出装置１０を詳細に説明する。
図３に示されるように、０ｍｓｅｃ、２０ｍｓｅｃ、４０ｍｓｅｃ、および、６０ｍｓｅｃのところに比較的大きいセンサ出力が、１０ｍｓｅｃ、３０ｍｓｅｃ、５０ｍｓｅｃのところに小さいセンサ出力が生じている。図３、図４からわかるように、部分放電は、電源電圧の立ち上がりと立ち下がりで生じる傾向にある。従って、電源周波数と同じサイクルで生じるセンサ出力信号が部分放電と関係性が深いことが考察される。この性質は後述する解析部１６において、ノイズを除去する際に考慮されている。すなわち電源周波数と同じサイクルで発生していない信号は、部分放電とは関係ない信号として除去することができる。

図５は、横軸に周波数（ＭＨｚ）、縦軸に周波数成分強度を表すグラフで、図３に示したセンサ出力信号ａを周波数と周波数成分強度に変換したスペクトル解析図である。図５には、実線で描かれた部分放電が発生していない環境ノイズ波形ｃと２重線で描かれた部分放電発生時の波形ｄが示されている。図５からわかるように、１０～３０ＭＨｚ、４０ＭＨｚ、５５ＭＨｚ、７０～９０ＭＨｚ近傍の領域では、部分放電発生時の信号が環境ノイズよりも充分大きくなっていることがわかる。すなわち周波数帯によってＳ／Ｎ比のよい領域があることが図５より考察される。

部分放電検出装置１０は、帯域フィルタ１２の通過帯域を部分放電発生時の信号が環境ノイズよりも大きくなっている周波数帯域に設定する、換言すると、Ｓ／Ｎ比のよい周波数帯域に設定するので、部分放電信号を感度よく検知することが可能となる。さらに、本実施形態においては、記録される信号は、センサ１１からの高周波信号を受け、そのエネルギーに基づいた信号を出力するＲＦディテクタの出力であるので、ＲＦディテクタのエネルギー測定可能な周波数帯域、例えば、数ＭＨｚから数ＧＨｚまでの広い帯域の信号を変換して解析のため記録することができる。したがって、帯域フィルタ１２に設定される周波数帯域は、サンプリングのための内部クロックスピードを変更することなく、部分放電発生時の信号のＳ／Ｎ比のよい部分に任意に設定可能であるので、装置コストをおさえ充分な検出感度を有する部分放電検出装置が提供できる。

次に図６と図７を参照して、解析部１６の動作を説明する。図６、図７は、横軸に時間（ｍｓｅｃ）、縦軸に信号強度を示すグラフで、それぞれ違う場面での部分放電発生時のＲＦディテクタ２０の出力を表している。図６、図７に示されたデータは、サンプリング期間が、電源周波数が５０Ｈｚの場合の５周期分、１００ｍｓｅｃの期間のデータを示している。

図１、図２に示される解析部１６は、まず、記録部１５を通してメモリ１８に記録された、図６、図７に示すようなデータを読み込む。次に解析部１６のレベル判定部５０は、図６、図７に点線で描かれた閾値Ｔ以上のレベルの信号を、解析の対象として抽出する。
信号の解析対象の判定に使われる閾値Ｔは、メモリ１９に予め設定されている。レベル判定部５０は、メモリ１９の閾値Ｔの値を参照して信号を抽出する。ここにおいて閾値Ｔは、一定の値であってよいし、時刻ごとに異なった値を設定してよい。たとえば、深夜や早朝で、環境ノイズのレベルが比較的低い状態にある場合は、低めの閾値を設定してよい。一方、日中で、環境ノイズのレベルが比較的高い状態にある場合は、高めの閾値を設定してよい。このように、部分放電を観測する対象の環境ノイズの、時刻ごとの変化に対応して閾値Ｔを変更することによって、誤検出を防ぎ、部分放電の検出感度を向上させることができる。

次に解析部１６のノイズ除去部５１は、レベル判定部５０で抽出した、信号についてそれぞれ、電源周波数に対応する２０ｍｓｅｃごとの発生があるかどうかをチェックする。図６にＡ、Ｂで示されたそれぞれのグループが２０ｍｓｅｃごとに発生があると判断された信号グループである。このとき、２０ｍｓｅｃごとの発生を確認する場合、きっかり２０ｍｓｅｃで判断するのではなくある範囲の値のゆらぎを考慮する。例えば、２０ｍｓｅｃ＋－０．５ｍｓｅｃであれば、電源周期２０ｍｓｅｃに適合して発生していると判断する。図６において、Ｃで示された信号群は、２０ｍｓｅｃの周期では発生していないので、ノイズ除去部５１によって、ノイズと判定されて解析対象から除外される。すなわち図６においては、グループＡとグループＢの信号群が解析対象になる。
このように電源周期と連動して発生する信号以外はノイズとして除去して解析が行われるので、部分放電に関係する信号を効率よく抽出し、誤検出を防ぎ、部分放電の検出感度を向上することができる。

次に、解析部１６の継続性判定部５２は、２０ｍｓｅｃの周期で発生している信号群がサンプリング期間中どれくらいの頻度で発生しているかを調べる。図６に示したグループＡとグループＢの信号群は、５周期中５回発生しているので、どちらも発生頻度５／５と判定される。図７に示されたグループＤの場合は、５周期中３回の発生なので、３／５と判定される。
継続性判定部５２は、５０Ｈｚの電源周期５周期分の１００ｍｓｅｃの期間のデータを１セットとして、連続的に取得される複数セットのデータを順次解析する。ここで１セットのデータの電源周波数５サイクル中５回の周期データが観測されれば、５／５の事象が発生したと判断する。それぞれ５／５、４／５、３／５、２／５、と表現する、部分放電発生事象の判定がなされる都度に、各事象ごとに設けられたカウンタを１増加させて、各事象の発生回数をメモリ１９に記録する。ここにおいて示された、ｎ／５（ｎ＝２～５）で表された事象の意味は、５周期中ｎ回２０ｍｓｅｃの周期に適合する信号が観測されたことを示している。

解析部１６の部分放電判定部５３は、継続性判定部５２で計数された各事象ごとのカウンタの値を監視し、各事象ごとに予め定められた回数以上の発生が確認されると部分放電の発生が生じたと判定する。例えば、各事象５／５、４／５、３／５、２／５、についてそれぞれ、１００回、１００回、５００回、１０００回の値以上で部分放電発生と判定する。
部分放電検出装置１０は、このような手段によって、部分放電に起因する信号を部分放電発生の性質を利用して効率よく抽出し、誤検出を少なくし、かつ、部分放電の検出感度を向上させることができる。

部分放電検出装置において、電気機器を格納する容器等の表面に取り付けられて容器の表面を流れる電流を感知するセンサ１１は、物理的にはキャパシタンスであれば表面電流を感知することが可能であるが、面電流センサとして特化されているセンサを使用してもよい。また本実施形態では電源周波数として５０Ｈｚの場合を述べているが、電源周波数が６０Ｈｚの場合も周期性判定を２０ｍｓｅｃから１６．６ｍｓｅｃに変更することによって実施可能である。この周期性判定サイクルは観測環境に適合させて任意に変更可能である。また１セットのサンプリング期間も、本実施形態では電源周波数５サイクル（電源周波数５０Ｈｚの場合１００ｍｓｅｃ）の例を述べているが、これに限定されるものではなく、観測対象の部分放電発生環境を考慮して適切なサンプリング期間を設定してよい。その際、各部分放電発生事象ごとに、部分放電判定のカウント数も適切な値を設定してよい。

本実施形態においては、電気機器を格納する容器等の表面に取り付けられて容器の表面を流れる電流を感知するセンサ１１を使用し、電源周波数に依存する信号のみを解析対象として選別しているので、３相交流電源に係る機器のいずれかに部分放電が発生すると、部分放電が３相交流のいずれの位相の電源を起因として生じたかに関わらず、部分放電に起因すると予想される信号を１個のセンサで感度よく検知できる。そしてその感知した信号について、継続性判定解析をおこない、３相のいずれかで部分放電が発生しているか否かを判断することができる。

１０ 部分放電検出装置
１１ センサ
１２ 帯域フィルタ
１５ 記録部
１６ 解析部
Ｔ 閾値
２０ ＲＦディテクタ
５０ レベル判定部
５１ ノイズ除去部
５２ 継続性判定部
５３ 部分放電判定部

Claims (5)

1. 電気機器を格納する容器の表面電流を検知するセンサと、
   前記センサの出力信号を設定された周波数帯域に制限するフィルタ部と、
   前記フィルタ部の出力信号のエネルギーを測定しそのエネルギーの強さに対応する信号を出力するＲＦディテクタと、
   前記ＲＦディテクタの出力信号をサンプリングして記録する記録部と、
   前記記録部に記録された時系列の信号をデータとして読み出し解析する解析部と、を備え、
   前記解析部は、
   定められた閾値以上の信号を抽出するレベル判定部と、
   電源周期と連動して発生する信号以外の信号を除去するノイズ除去部と、
   前記電源周期と連動して発生する信号の発生頻度を判定する継続性判定部と、
   前記判定の結果を受けて各発生頻度に対応する事象の発生回数が、あらかじめ定められた回数以上となることにより部分放電の発生を判定する部分放電判定部と、を備える
   ことを特徴とする部分放電検出装置。
2. 前記定められた閾値は、時刻ごとに設定されることを特徴とする請求項１に記載の部分放電検出装置。
3. 前記継続性判定部はサンプリング期間中の信号群ごとの発生頻度の判定を行い、
   前記部分放電判定部は、各発生頻度に対応する事象の発生回数が、あらかじめ定められた回数以上となることにより部分放電の発生を判定すること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。
4. 前記センサは面電流センサであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の部分放電検出装置。
5. 電気機器を格納する容器の表面電流を検知するセンサにより検出された信号を設定された周波数帯域に制限し、
   前記設定された周波数帯域に制限された信号のエネルギーを測定し、
   前記エネルギーの強さに対応する信号をサンプリングして記録し、
   前記記録された時系列の信号を解析し、
   前記解析は、
   定められた閾値以上の信号を抽出すること、
   電源周期と連動して発生する信号以外の信号を除去すること、
   前記電源周期と連動して発生する信号の発生頻度を判定すること、
   前記判定の結果を受けて各発生頻度に対応する事象の発生回数が、あらかじめ定められた回数以上となることにより部分放電の発生を判定すること、
   を含むことを特徴とする部分放電検出方法。

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