JPH1066308A

JPH1066308A - 放電光検出

Info

Publication number: JPH1066308A
Application number: JP8217084A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Ogura; 聰小倉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-08-19
Filing date: 1996-08-19
Publication date: 1998-03-06

Abstract

(57)【要約】【課題】回転機の固定子等のスロット内コイルの部分放
電状況を、発生する放電光から定量的に測定する方法を
提供する。【解決手段】回転機１の固定子等のスロット３とコイル
４の間に存在する空隙に外被ならびにクラッドが光透過
性の光増幅ファイバ６を張り巡らし、部分放電等により
コイルで発生する光を励起光として用い、光増幅ファイ
バ６内を伝搬する光信号１６が増幅される現象を利用し
た、部分放電等を間接的に測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は放電光検出法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば、放電光検出の対象を発電機や電
動機として考える。

【０００３】回転機の固定子等のスロット内に設置され
たコイルでは、固定子等との間の電磁気的相互作用に起
因する熱や外力等により機械的強度の劣化が進行すると
ともに、高電圧印加による電気的絶縁の劣化の原因とな
る部分放電と呼ばれる放電を運転中にスロット内で発生
する。そして部分放電が長時間継続されるようになる
と、これら機械的強度および電気的絶縁の劣化はさらに
加速され、最終的には回転機器の絶縁破壊を引き起こ
す。この場合、回転機器が停止するだけでなく、回転機
器に接続されている電源等にも往々にしてダメージを与
える結果となる。

【０００４】これら回転機コイルの絶縁劣化測定方法
は、tanδ 測定法や部分放電測定法が知られているが、
これらはコイルの電気的特性を測定する事により、電気
的絶縁特性と機械的強度特性を算出しようとするオーバ
オールの測定技術（主な測定対象は電気的絶縁特性）で
ある。さらに、これらの測定時には回転機器を停止しな
ければならないという測定上の制約があり、機器を運転
した状態で自由に測定できない場合が多い。

【０００５】また、光ファイバをコイルに直接埋め込ん
で、その光伝送特性を使い、コイル内で発生する放電光
を外部から検出しようとする従来例（特開平2−307345
号公報）も見られるが、光ファイバの視野は小さい上、
放電によるコイルの絶縁劣化の発生位置を検出するに
は、コイル一本当たりに複数本の光ファイバを設置しな
ければならず、コイル製作時における作業量が今まで以
上に増すという問題点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】回転機器でコイルの余
寿命を的確に推定できるようになれば、回転機器の絶縁
破壊を精度良く防止できる事になる。これらの目的のた
めには、電気的絶縁特性ばかりでなく機械的強度特性も
測定する事が必須条件である。コイルの電気的絶縁特性
は、非破壊測定である部分放電特性やtanδ 法により測
定が可能である。しかし、固定子内のスロット内に設置
されたコイルの機械的強度等に関して詳細な検査を行う
には、一般にコイルがウェッジで押さえられているの
で、コイルをスロットから外す方法（破壊測定）しかな
い。

【０００７】従来の技術では困難であった回転機のスロ
ット内コイルの機械的強度の劣化状況および電気絶縁の
劣化状況を、回転機器製作の作業量を大幅に増やす事な
く、コイルの電気絶縁特性に影響を与えない光ファイバ
を用い、これらの劣化状況を回転機器を停止させずに測
定する事が、本発明で解決しようとする課題である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】一般に放電の発生では、
放電に付随する現象として発光が起こる事が知られてい
る。従って、電動機または発電機等の回転機器でも部分
放電で発生する光を観測できれば、これから部分放電現
象を測定できる。回転機器では一般にコイルが鉄心のス
ロットに納まりウェッジで押さえられる構造となってい
るので、スロット内部は遮蔽されて側面からも直接観測
はできない。しかし、そのために背景光の影響を受け難
く部分放電光を検出するにはかえって好都合の条件にな
っている。

【０００９】このスロット内部で発生する部分放電光を
検出するには、まず通常の光ファイバの利用が考えられ
る。しかし、鉄心のスロット内コイルに沿って通常の光
ファイバ線を張り巡らせ、ある場所で発生した部分放電
光を光ファイバに入射させ、回転機器の外に取り出す事
は不可能に近い。理由は、以下の二つが挙げられる。す
なわち、光ファイバの周囲から光ファイバのコア内に光
が入射し伝搬できるような構造にすると、光ファイバの
コア内を伝搬する光はその構造の所からファイバ外に放
出されてしまう光伝搬の可逆性がある。また、光ファイ
バの端面からコア内に入射した光は確かに光ファイバ内
を伝搬できるが、この方法では放電光検出の対象の数だ
け光ファイバが必要となるので、ファイバ単体では細い
といえ光ファイバの束が必要となり、実用性が薄れてし
まう。以上から、通常の光ファイバを用いた部分放電光
検出方法では、本来必要などのコイルの、どの部分で、
どの程度の部分放電光が（従って、どの程度の部分放電
電荷Ｑ_PDが）発生しているかを検出する事が困難であ
る。

【００１０】光ファイバを用いる部分放電光の測定にお
けるこれらの問題点の解決策は、ただ一つで、光ファイ
バの周囲で発生する光（放電光）は光ファイバのコア内
へ進入しコア内を伝搬するが、光ファイバ外へはコア端
面から以外出射しない不可逆性の構造を実現する事であ
る。この構造として本発明で考案したのが、光ファイバ
のコアが光増幅媒質からなる光増幅ファイバの応用であ
る。すなわち、光増幅ファイバの外被とクラッド部分を
励起光（赤外光，可視光，紫外光）が透過できる構造と
する事である。光ファイバの光増幅媒質からなるコアは
部分放電光により励起され、コア内を光ファイバの軸方
向に伝搬する信号光（キャリア光）はこの励起部分で増
幅されるので、伝搬光の光量変化（増幅）を測定する事
で、部分放電を間接的に測定できる事になる。また、予
め部分放電測定用の信号光を入射させなくとも、部分放
電光で励起された部分からの自然放出光の光量測定から
も部分放電状態が測定できる。

【００１１】コアが光増幅媒質でクラッドおよび外被が
励起光（赤外光，可視光，紫外光）に対して透過性を有
する光増幅ファイバを、例えば部分放電が発生する可能
性のある回転機鉄心スロット内コイルの外周辺部（スロ
ットの四隅等）に張り巡らせておく。部分放電がコイル
で発生すれば、同時に発生する放電光がコイル周辺の光
ファイバのコアの光増幅媒質を励起し、コア内を伝搬す
る光信号(キャリア光)を増幅（放電→放電光→光増幅）
する。従って、光増幅ファイバへの入射光量と出射光量
を比較する事により、「出射光が増幅されているか否
か」から部分放電の有無が分かり、増幅されている場合
は「どの程度の増幅量か」から部分放電電荷量Ｑ_ADを推
定できる。すなわち、光増幅量→放電光量→を逆算する
事により部分放電を定量的に把握するのである。

【００１２】光増幅ファイバの張り巡らし方は、例え
ば、一本のコイルに一本の光ファイバを配置する、コイ
ルを各相毎にまとめて一本の光ファイバを張り巡らす、
鉄心スロット内のコイル全体を一本の光ファイバで張り
巡らす、等いろいろの方法が考えられる。さらに、光増
幅ファイバ内を伝搬させる信号光（キャリア光）を連続
光とすれば、光増幅ファイバの配置された場所全体の部
分放電量を求める事ができるし、信号光をパルス光とす
れば、電圧位相に対するキャリア光の入射時刻を変更
（位相走査）する事により、光ファイバ内の光伝搬速度
から特定の場所の部分放電が測定できる。

【００１３】また、複数の光増幅ファイバとの組合わせ
により、これまで困難であった部分放電の発生場所と発
生電荷量を高精度で特定できる特徴がある。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図を用い
て説明する。図１は、回転機における固定子内スロット
に納まるコイルで発生する放電光測定を対象とし、信号
光に連続光を用いた本発明の第一の実施例を示す説明図
である。図１の右側は、測定対象である回転機１の固定
子コア２のスロット３にコイル４がウェッジ５で押さえ
られて納まっており、コイル４（上コイル４−１／下コ
イル４−２）の各四隅に一本の光増幅ファイバ６が張り
巡らされている事を示す断面図であり、中央部に回転子
７と出力を取り出す回転軸８がある。また左側は光送信
器９と光増幅度計算器１０と表示器１１および電圧位相
検出器１２からなる光増幅度測定装置１３である。光送
信器９と光増幅ファイバ６および光増幅度計算器１０と
光増幅ファイバ６は光結合器１４と光ファイバ１５を介
してそれぞれ接続され、光送信器９から送信された光信
号１６（入射光１６−１）は、固定子コア２のスロット
３内の各四隅に張り巡らされた光増幅ファイバ６を透過
光１６−２として伝搬した後に、やはり光結合器１４を
介して光増幅度測定装置１３の光増幅度計算器１０に伝
送される。一方、光送信器９は光増幅度計算器１０と信
号線１７を介して接続されており、光送信器９の出力光
強度信号１８を光増幅度計算器１０に伝達する。光強度
比計算器１０は、光送信器９からの出力光強度信号（光
増幅ファイバ６への入射光１６−１の強度信号）１８と
固定子コア２のスロット３内の各四隅に配線された光増
幅ファイバ６を透過してきた出射光１６−２を光強度信
号（出射光強度信号）に変えて光増幅度を求め、信号線
１７を介して光増幅度信号１９を表示器１１に送信す
る。表示器１１には、電源位相を検出する電圧位相検出
器１２と信号線１７で接続されており、電圧位相検出器
１２からの電圧位相信号２０と光増幅度計算器１０から
の光増幅度信号１９の値をＸＹ表示のようにして表示す
る。以上述べたような動作により、光増幅度測定装置１
３は、入射光１６−１と透過光１６−２の光強度比をモ
ニタして置き、この比が電源電圧の位相に対して変化
（増加）する事からコイル４における部分放電（部分放
電光量または放電電荷量）を推定するものである。

【００１５】図２は、図１で示した回転機１のスロット
３内の光増幅ファイバ６の配線場所を表わす断面図であ
る。図２では、上側が回転子７（図２では描いていな
い）が存在する空間であり、固定子コア２のスロット３
の中にコイル４（上コイル４−１と下コイル４−２）が
配置され、その上にウェッジ５があり、コイル４を押さ
えていて、固定子コア２とコイル４との間にできた四隅
の空間２１に光増幅ファイバ６が配置されている事を示
している。図２（ａ）は、上コイル４−１と下コイル４
−２のコイル毎の四隅の空間２１に光増幅ファイバ６を
配した例であり、図２（ｂ）は、上コイル４−１と下コ
イル４−２との間に共通に一本の光増幅ファイバ６を配
した簡易配線の例である。

【００１６】さらに図３（ａ)，(ｂ）および（ｃ）は、
本発明における光増幅ファイバ６をコイル４の放電光セ
ンサとして用いる本発明の基本原理を表わすための断面
図および側面図である。図３（ａ）に示すように一般に
コイル４は、内部に導電性金属２２を複数本束ねてその
外側に絶縁層２３をつくる構成になっている。この絶縁
層２３の製作には絶縁テープを使用するので必然的にコ
イル４の角部は丸みを帯びてしまう。本実施例では、以
下この丸みを絶縁層２３のＲ部２４と呼ぶ事にする。こ
のＲ部２４では構造的に他の絶縁層２３の直線部２５と
比べて矢印で示したように絶縁層２３が薄い上に導電性
金属２２の角部でもあるため、図３(ｂ)で示すように電
界が集中して部分放電２６が発生しやすくなっている。
そこで、図３（ｂ）および（ｃ）で示したように、この
場所に光増幅ファイバ６を張り巡らしておけば、コイル
４の電気的機械的劣化が進むにつれ、その部分放電２６
の量も大きくなり、隣接する光増幅ファイバ６もより大
きな部分放電２６による放電光２７を受ける。その結
果、光増幅ファイバ６の中を伝送する光信号１６が増幅
されて、透過光１６−２の強度が変化（増加）する。ま
た、図３（ｂ）には光増幅ファイバ６の断面図を示す。
一番外側の光増幅ファイバの外被２８と光増幅ファイバ
のクラッド２９は、放電光２７を透過でき、光増幅特性
を有する光増幅ファイバのコア３０を照射（励起）でき
る構造である。図３（ｃ）は光増幅ファイバ６がコイル
４で発生した放電光２７により増幅されている事を光信
号１６を表わす矢印の太さ（光量大→矢印太）で示して
いる。

【００１７】以上では、信号光１６として連続波を用い
て説明したため、信号光１６の光量変化（増加）から光
増幅ファイバ６が張り巡らしてある所の部分放電光の発
生総量が求められる場合である。

【００１８】次に信号光としてパルス光を用いる事によ
り、放電光量ばかりでなくその発生位置をも求められる
本発明の第二の実施例の構成図を図４に示す。

【００１９】図４の右側の部分は、第一の実施例（図
１）で示したものと同じなのでここでの説明は省略す
る。図５の左側は光送信器９と光増幅度計算器１０と表
示器１１および電圧位相検出器１２からなる光増幅度測
定装置１３である。第二の実施例では、電圧位相検出器
１２からの電圧位相信号２０を基準に光送信器９はパル
ス光１６′を走査送信する機能を有する。パルス光１
６′の走査送信とは電源電圧の位相信号２０を基準とし
て送信のタイミングをΔｔだけずらしながら送信する事
である。第二の実施例では、電源電圧の位相を検出する
電圧位相検出器１２が光増幅度測定装置１３内の光送信
器９と光増幅度計算器１０のタイミングを制御する事が
特徴である。

【００２０】まず、放電光２７の発生位置を求める原理
について図５を用いて述べる。パルス光信号１６′は光
増幅ファイバ６の左側から入射して右側に出射する。上
から順にパルス光信号１６′の放電光２７の発生時刻
（ｔ＝ｔ０）に対して入射タイミングが早くなってい
る。（ａ）と（ｂ）の二つは、放電光２７の発生した時
刻に発生場所にまだ到達していない場合であり、（ｄ）
と（ｅ）の二つは、すでに発生場所を通過してしまって
いる場合である。これら四つの場合には、パルス光信号
１６′は増幅作用を受けない。これらに対し、（ｃ）は
放電光２７が発生した時に発生場所にさしかかり、放電
光２７による増幅作用を受けてそのパルス光１６′が増
幅されて通過している。放電光２７の発生は電圧に依存
するので、電源電圧の位相を検出しておき、この電源電
圧の位相に対して、そのパルス光信号１６′の入射タイ
ミングを走査する事により、どの電圧位相の時にどこで
どれだけの放電光２７が発生しているかが求められる。
もちろん、光増幅ファイバ６と測定対象を結ぶ光ファイ
バ１５の光伝送速度は予め知っておかねばならない。

【００２１】次に実際の応用例として、光増幅ファイバ
６の固定子コア２のスロット３内における配線方法を示
す。図６は、一本の光増幅ファイバ６を全てのスロット
３内に張り巡らせた場合の展開図であり、上側が回転軸
８から半径方向に見た固定子コア２の展開上面図であ
り、下側が軸方向から見た展開正面図である。簡単のた
め、図２（ｂ）で示した簡易配線法で示している。

【００２２】また、図７は、同相のコイル４−３のみを
測定対象とした時の配線例であり、これも簡単のため、
図２（ｂ）で示した簡易配線法で示している。図８は、
一つのコイル４のみを測定対象としてコイル４の四つの
角部に光増幅ファイバ６を配した時の配線例である。

【００２３】以上図６から図８に示した光増幅ファイバ
６の配線法は、図２（ａ）で示した基本的配線方法にも
適用できる事、および複数本の光増幅ファイバ６を使用
する場合には、切替えのできる光結合器１４′を使用す
る。

【００２４】ついでに、一本のダイヤモンドコイル３１
に光増幅ファイバ６を張り巡らせた例を図９に示す。図
９では、簡単のために本来コイル４の上面と下面に張り
巡らすべき光増幅ファイバ６を一方の面だけで表示して
いる。ダイヤモンドコイル３１の四つの角部に光増幅フ
ァイバ６が位置するように途中で光増幅ファイバ６がコ
イルエンド部３２で交差した構造となっている。

【００２５】光増幅ファイバ６の上記のような配線は、
例えば、一本のコイル４の一つの角部に一本の光増幅フ
ァイバ６を担当させる配線にも拡張できる。

【００２６】

【発明の効果】従来は困難であった回転機の固定子等の
スロット内に納められたコイルの劣化状況を非破壊で検
出できる事により、回転機の絶縁破壊事故を未然に防げ
るようになる。さらに、従来より用いられている電気的
特性測定（tanδ 法や部分放電測定法）のデータに、本
測定のデータを加える事によって、コイルの寿命を今ま
で以上の精度で推定できるので、回転機のコイル巻換え
時期の具体的判断も可能となり、回転機の効率的運用に
も寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示す説明図。

【図２】固定子スロット内の光ファイバの配置位置を示
す断面図。

【図３】本発明の基本原理を表わす説明図。

【図４】本発明の第二の実施例を示す説明図。

【図５】放電光発生位置検出の原理の説明図。

【図６】一本の光ファイバで全てのコイルの劣化を検出
する場合の説明図。

【図７】一本の光ファイバで同位相のコイルの劣化を検
出する場合の説明図。

【図８】一本の光ファイバで一つのコイルの劣化を検出
する場合の説明図。

【図９】一本の光ファイバで一つのダイヤモンドコイル
の劣化を検出する場合の説明図。

【符号の説明】

１…回転機、２…固定子コア、３…スロット、４…コイ
ル、５…ウェッジ、６…光増幅ファイバ、７…回転子、
８…回転軸、９…光送信器、１０…光強度比計算器、１
１…表示器、１２…電圧位相検出器、１３…光増幅度測
定装置、１４…光結合器、１５…光ファイバ、１６…光
信号、１６−１…入射光、１６−２…出射光、１７…信
号線、１８…出力光強度信号、１９…光増幅度信号、２
０…電圧位相信号。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外被およびクラッドが光を透過し、かつ信
号光を伝搬させるコアが光増幅媒質で構成された光増幅
特性のある光ファイバ線を使用し、上記光ファイバ線の
近くで発生する光を測定に用いる信号光の増幅用光源と
して使い、上記光ファイバ線内を伝搬する信号光の光量
増幅特性から上記光ファイバの近くで発生する放電光を
検出する事を特徴とする放電光検出法。
【請求項２】外被およびクラッドが光を透過し、かつ信
号光を伝搬させるコアが光増幅媒質で構成された光増幅
特性のある光ファイバ線を使用し、上記光ファイバ線の
近くで発生する光を測定に用いる信号光の増幅用光源と
して使い、上記光ファイバ線内を伝搬する信号光の速度
と入出射における信号光の時間増幅特性から上記光ファ
イバの近くで発生する放電光の位置を検出する事を特徴
とする放電光検出法。
【請求項３】外被およびクラッドが光を透過し、かつ信
号光を伝搬させるコアが光増幅媒質で構成された光増幅
特性のある光ファイバ線を使用し、上記光ファイバ線内
で発生する自然放出光の増幅用光源として上記光ファイ
バ線の近くで発生する光を使い、その増幅特性から上記
光ファイバの近くで発生する放電光量を検出する事を特
徴とする放電光検出法。
【請求項４】請求項１または２において、上記入射信号
光を連続光またはパルス光として部分放電光の光量また
は部分放電の発生位置を求めるのに使う放電光検出法。
【請求項５】請求項１，２，３または４において、測定
対象を回転機の固定子または回転子コイルの納まるスロ
ット内で発生する部分放電光とし、上記コイルが納まる
上記スロット内に上記光ファイバ線を敷設した放電光検
出法。
【請求項６】請求項５において、上記スロット内に敷設
する上記光ファイバ線を一本または複数本とした放電光
検出法。
【請求項７】請求項６において、部分放電発生量と放電
光量の関係を用いて、検出放電光量から部分放電量を求
める放電光検出法。
【請求項８】請求項１，２，３，４または５において、
部分放電検出用の上記入力信号光に上記コイルに印加さ
れる電圧信号または通電される電流信号に同期して時間
シフト（Δｔ）可能のパルス光を用い、上記光ファイバ
の光増幅特性と時間依存の出力信号（時間依存増幅率Ａ
（Δｔ）＝出射光量（Δｔ）／入射光量）から部分放電
光の発生量と発生位置を算出する放電光検出法。