JPWO2015049725A1 - 部分放電センサー - Google Patents

Abstract

円板５と金属支柱６からなるトップローディングモノポールアンテナに対して、金属支柱６と蓋部材７を接続する短絡導体１０と、穴８及び金属端子９からなる同軸線路とを設けるように構成する。これにより、円板５に対する高電圧の誘起を抑圧して、測定器に対する悪影響を防ぐことができるとともに、検知対象となる部分放電における周波数帯域において感度が高い部分放電センサーを得ることができる。

Description

この発明は、例えば、ガス絶縁開閉装置や真空遮断器などの電力機器における金属容器の内部で発生する部分放電現象を検知する部分放電センサーに関するものである。

例えば、ガス絶縁開閉装置は、封入された絶縁ガスを密閉している金属容器の内部で高電圧導体（電線）を絶縁しながら支持する電力機器である。
金属容器内の電界分布は、平等電界となるように設計されているが、不平等電界を形成する欠陥（例えば、金属の異物や針状突起など）が混入すると、その欠陥の部分を起点として部分放電が発生する場合がある。
この部分放電を放置すると、絶縁破壊が発生して事故につながることがあるため、部分放電の初期段階を検知して、絶縁破壊を未然に防止することが重要である。

また、真空状態で高い絶縁性を利用する真空遮断器では、真空度が低下すると、絶縁性能が劣化して部分放電を発生することがある。この場合も、部分放電を放置すると、絶縁破壊が発生することがあるため、部分放電の早期発見が重要である。
このように、電力機器の安全性を確保するため、部分放電を検出する部分放電センサーが求められる。

部分放電センサーとして、金属容器内に取り付けられているアンテナが、部分放電から発生される高周波を受信することで、部分放電の発生を検知するものがある。
例えば、以下の特許文献１には、円筒状の枝管内に設置されているトップローディングモノポールアンテナの円板と、その枝管の内径との間隔を調整することで、その枝管の内径が小さい場合でも設置可能な部分放電センサーが開示されている。

なお、金属容器内には、高電圧導体が配置されるため、高電圧導体とトップローディングアンテナの円板との間には浮遊容量が生じており、トップローディングアンテナの円板が金属容器に対して絶縁されていると、トップローディングアンテナの円板に高電圧が誘起される。
誘起された高電圧は、部分放電センサーの測定器に悪影響を及ぼす場合があるため、金属容器内に設置される部分放電センサーでは、高電圧導体に用いられる低周波において、円板と金属容器が導通されていることが望ましい。
上記の特許文献１では、検知対象の部分放電における周波数帯域の特定周波数に対応する波長の１／４の電気長を有するショートスタブによって、トップローディングアンテナの円柱と枝管の蓋部材とを接続している。

ＷＯ２０１２／１３７２５４

従来の部分放電センサーは以上のように構成されているので、例えば、真空遮断器において真空度が低下することで発生する部分放電から放射される高周波信号の周波数は２００〜３００ＭＨｚであり、その周波数に対応する波長の１／４の電気長となるショートスタブの長さは３７５ｍｍにもなる。このため、枝管の内径が小さい場合には、ショートスタブを収納することができず、トップローディングアンテナの円板に誘起される高電圧の悪影響を無くすことが困難である課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、検知対象の部分放電における周波数帯域が低い場合でも、トップローディングアンテナの円板に誘起される高電圧の悪影響を無くすことができる部分放電センサーを得ることを目的とする。

この発明に係る部分放電センサーは、円筒状の金属容器と、一端が金属容器の開口部と接続されている円筒状の枝管と、その枝管の他端を覆う蓋状の金属導体と、その金属容器の内面と同一平面上で、その金属容器と非接触の状態で前記開口部内に配置されている平板状の金属導体と、一端が平板状の金属導体と接続されている状態で、その枝管の内部に配置されている金属支柱と、一端が金属支柱の他端と接続され、蓋状の金属導体の中央部に施されている穴の内部を貫通して、他端が外部に露出されている金属端子と、一端が金属支柱と接続され、他端が蓋状の金属導体と接続されている短絡導体とを備え、その短絡導体の長さを、検知対象の部分放電の周波数に対応する波長の４分の１よりも短くしたものである。

この発明によれば、検知対象の部分放電における周波数帯域が低い場合でも、トップローディングアンテナの円板に誘起される高電圧の悪影響を無くすことができる効果がある。

この発明の実施の形態１による部分放電センサーを示す断面図である。 図１の矢印Ａから見た上面図である。 蓋部材７の穴８付近を拡大している断面図である。 図３の記号Ｂで示している位置からトップローディングモノポールアンテナを見た場合のインピーダンスを示す等価回路である。 円板５と金属支柱６からなるトップローディングモノポールアンテナの受信電圧特性をシミュレーションによって算出した結果を示す説明図である。 この発明の実施の形態２による部分放電センサーを示す断面図である。 この発明の実施の形態２による他の部分放電センサーを示す断面図である。 この発明の実施の形態３による部分放電センサーを示す断面図である。 この発明の実施の形態４による部分放電センサーを示す断面図である。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による部分放電センサーを示す断面図であり、図２は図１の矢印Ａから見た上面図である。
図１及び図２において、金属容器１は内部に円筒状の密閉空間２を構成するように作られた金属構造物であり、ガス絶縁開閉装置の本体タンクに相当する。
密閉空間２には絶縁性のガスが封入され、高電圧電線（図示しない）が配置される。また、金属容器１の表面はグランド電位に設定されている。
開口部３は金属容器１に形成された穴である。図２では穴の形状が円形である例を示しているが、開口部３の形状は円形に限るものではなく、例えば、方形など、自由に選択することができる。ただし、部分放電センサーの感度に角度特性が生じないように、軸対称な形状を選択することが望ましい。

枝管４は内壁断面が金属容器１の開口部３と同形状となるような金属の筒によって形成され、一端が金属容器１の開口部３に接続されている。
円板５は金属容器１と非接触の状態で、金属容器１の開口部３に配置されている平板状の金属導体であり、円板５の一方の面（図中、上側の面）は、開口部３と略同一の平面上に配置されている。
金属支柱６は枝管４の内部に配置されて、円板５の他方の面に接続された導体であり、円板５が金属容器１や蓋部材７に直接接触しないように円板５を支持している。図２では金属支柱６が円柱である例を示しているが、円柱に限るものではなく、例えば、角柱でもよい。
なお、円板５と金属支柱６からトップローディングモノポールアンテナが構成されている。

蓋部材７は枝管４の他端を覆う蓋状の金属導体であり、枝管４を介して金属容器１と電気的に接続されている。このため、枝管４及び蓋部材７の表面もグランド電位となっている。
穴８は蓋部材７の概ね中心部に設けられている。
穴８の軸に垂直な断面の形状は例えば円形である。ただし、後述するように、穴８と金属端子９で形成される同軸線路が所定の低インピーダンス線路となるように構成（同軸線路の特性インピーダンスが、金属端子９の他端に接続される伝送線路の特性インピーダンスよりも低くなるように構成）されていればよく、任意の形状を選択することができる。

金属端子９は棒状の導体であり、金属端子９の中心軸が穴８の中心軸と概略一致するように配置されて、蓋部材７の穴８の内部を貫通している。
金属端子９の一端は金属支柱６と接続され、他端は外部に露出されている。
短絡導体１０は一端が金属支柱６と接続され、他端が蓋部材７と接続されている導体である。

次に動作について説明する。
ガス絶縁開閉装置は、金属容器１内に収納されている高圧電線（図示しない）を開閉器によって開閉する装置である。このとき、いくつかの要因によって、金属容器１の内部で部分放電が発生する場合がある。
その要因としては、例えば、次のような場合が想定される。
（１）金属容器１の内部に異物が混入することなどによって、局所的に高電界を生じて、部分放電が発生する。
（２）真空遮断器の場合、開閉器を真空容器内に収納して、開閉器のそれぞれの端子間を絶縁させるが、真空容器内の真空度が低下すると、その絶縁性能が低下して、部分放電が発生する。

部分放電が発生すると、部分放電の放電源から高周波が放射される。
この実施の形態１では、円板５と金属支柱６からなるトップローディングモノポールアンテナが放電源から放射された高周波を受信し、その高周波の信号（以下、「高周波信号」と称する）を金属端子９を通じて外部に伝送する。
この高周波信号を外部の測定器で検出すれば、その高周波信号の強さや頻度などから金属容器１の内部で部分放電が発生していることを検知することができる。

部分放電から放射される高周波の周波数は、放電が発生する場所等によって異なるが、主にＶＨＦ帯からＵＨＦ帯の高周波が観測される。
外部の測定器で信号レベルが高い高周波信号を得るには、所定の周波数で部分放電センサーの感度を高めることが必要である。
円板５と金属支柱６からなるトップローディングモノポールアンテナは、インピーダンスが所定の周波数で直列共振となる場合に高い性能を有する。したがって、インピーダンスが所定の周波数で直列共振となるように、枝管４の内径に合わせて、円板５の直径及び金属支柱６の長さを設計すればよい。

ここで、高周波信号を外部の測定器に伝送するため、グランド電位である金属容器１、枝管４及び蓋部材７から、円板５、金属支柱６及び金属端子９を絶縁する必要がある。
一方、金属容器１の内部には高圧電線が配置されるため、高圧電線と円板５に高電圧が誘起される。
高圧電線と円板５に誘起された高電圧が金属端子９を介して外部の測定器に出力されてしまうと、測定器の破損などを招いてしまうおそれがある。
そこで、この実施の形態１では、短絡導体１０によって金属支柱６と蓋部材７を接続し、高圧電線と円板５に誘起された高電圧をグランド電位に逃がすようにしている。

また、この実施の形態１では、短絡導体１０の長さが、検知対象の部分放電における周波数帯域の特定周波数に対する波長の１／４よりも短く設定されており、高周波信号に対しては並列のインダクタンスとして動作する。
一方、高圧電線に流れる電流は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用周波数であり、放電源から放射される高周波と比べて遙かに低周波であるため、短絡導体１０を設けることで、高周波信号を短絡させることなく、高電圧の発生を防ぐことができる。

以下、円板５と金属支柱６からなるトップローディングモノポールアンテナのインピーダンス特性を更に詳しく説明する。
図３は蓋部材７の穴８付近を拡大している断面図である。
金属端子９の中心軸は、蓋部材７に施されている穴８の中心軸と概ね一致するように配置されているので、金属端子９を内導体とし、蓋部材７の穴８を外導体とする同軸線路が形成される。
このとき、同軸線路の特性インピーダンスは、蓋部材７の穴８及び金属端子９の断面形状によって決定される。
蓋部材７の穴８及び金属端子９の断面形状が円形である場合、穴８の直径をＤ、金属端子９の直径をｄ（ただし、Ｄ／ｄ＞１）とすると、同軸線路の特性インピーダンスＺ０はｌｏｇ（Ｄ／ｄ）に比例する。

ここで、Ｄ／ｄが１に近くなるように設計すると、同軸線路の特性インピーダンスＺ０は小さい値となる。このとき、穴８と金属端子９により形成される同軸線路は並列のキャパシタンスとして動作する。
以上より、図３において、記号Ｂで示している位置から円板５と金属支柱６からなるトップローディングモノポールアンテナを見た場合のインピーダンスは、図４に示す回路と等価である。
図４において、Ｚａは円板５と金属支柱６からなるトップローディングモノポールアンテナ自身のインピーダンス特性を示す直列共振回路、Ｌは短絡導体１０により形成されるインダクタンス、Ｃは穴８と金属端子９からなる同軸線路により形成されるキャパシタンスである。
図４のように、直列共振回路に対して並列共振回路を接続すると、インピーダンスを広帯域化することができる。この効果を利用することで、この実施の形態１の部分放電センサーでは、検知対象となる部分放電における周波数帯域において不整合損を低減し、平均的に感度を高めることができる。

図５は円板５と金属支柱６からなるトップローディングモノポールアンテナの受信電圧特性をシミュレーションによって算出した結果を示す説明図である。
図５において、実線は、この実施の形態１でのトップローディングモノポールアンテナの受信電圧特性を示している。また、発明の効果を明確にするために、破線は短絡導体１０と金属端子９がない場合のトップローディングモノポールアンテナの受信電圧特性を示している。
図５より、この実施の形態１では、検知対象となる部分放電における周波数帯域で受信電圧が高くなっており、感度が高い部分放電センサーが得られることが分かる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、円板５と金属支柱６からなるトップローディングモノポールアンテナに対して、金属支柱６と蓋部材７を接続する短絡導体１０と、穴８及び金属端子９からなる同軸線路とを設けるように構成したので、円板５に対する高電圧の誘起を抑圧して、測定器に対する悪影響を防ぐことができるとともに、検知対象となる部分放電における周波数帯域において感度が高い部分放電センサーを得ることができる効果を奏する。
また、この実施の形態１によれば、短絡導体１０の長さが、検知対象となる部分放電における周波数帯域の特定周波数に対応する波長の１／４よりも短く設定されているため、枝管４の内径が波長と比べて小さい場合でも、短絡導体１０を配置することができ、小形の部分放電センサーを構築することができる効果を奏する。

実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２による部分放電センサーを示す断面図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
樹脂材１１は例えばエポキシ樹脂等の硬化性樹脂材料からなり、金属端子９が貫通されている蓋部材７の中央部における穴を覆うように、蓋部材７に固着させている誘電体である。例えば、蓋部材７は、ネジ等を用いて、蓋部材７に固定されている。

この実施の形態２では、樹脂材１１が、蓋部材７の穴８を覆うように蓋部材７に固定されているので、金属容器１内の密閉空間２が維持され、密閉空間２内の絶縁性のガスが外部に漏えいすることを防ぐことができる。また、金属端子９が蓋部材７に接触しないように金属端子９を固定することができる。

なお、図６では、樹脂材１１が穴８に侵入しないように構成しているが、図７に示すように、樹脂材１１が穴８に充填されていてもよい。
この場合、樹脂材１１の比誘電率を考慮して、金属端子９と穴８の断面形状を設計すればよい。
樹脂材１１としてエポキシ系樹脂を用いた場合、比誘電率が４程度の値になるため、穴８と金属端子９からなる同軸線路の特性インピーダンスが、樹脂材１１を充填しない場合と比べて低くなる。
上記実施の形態１で述べたように、同軸線路のインピーダンスＺ０を低く設定するので、樹脂材１１を充填することによる不都合は生じない。

実施の形態３．
図８はこの発明の実施の形態３による部分放電センサーを示す断面図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
円筒状の金属部材１２は金属端子９を内挿する穴１３がほぼ中央部に施されており、底面が蓋部材７と電気的に接続されている状態で、枝管４の内部に配置されている。
この実施の形態３では、短絡導体１０は、金属部材１２の上面に接続されることで、金属部材１２を介して蓋部材７と電気的に接続されている。

この実施の形態３では、金属部材１２が枝管４の内部に配置されている点で、上記実施の形態１と相違している。
上記実施の形態１でも述べたように、円板５と金属支柱６からなるモノポールアンテナの共振周波数は、枝管４の直径に応じて、円板５の直径と金属支柱６の長さを設計することで調整することができる。
しかし、枝管４の長さが金属支柱６より長くなる場合、上記実施の形態１の構成では、円板５の位置が金属容器１の開口部３よりも低くなってしまう。
ここで、検知対象となる部分放電における周波数帯域の下限周波数に対応する波長の約１／２よりも枝管４の内径が小さい場合、枝管４の内部は、カットオフ導波管として動作するため、放電源から発生した高周波が枝管４内では急激に減少し、部分放電センサーの受信感度が低下する。

この実施の形態３では、蓋部材７と電気的に接続されている金属部材１２を設けているので、グランド電位の位置を高くすることができ、枝管４が長い場合でも、円板５の位置を開口部３と概ね同一の平面上に合わせることができる。これにより、部分放電センサーの受信感度低下を防ぐことができる。

金属部材１２の中央部に施されている穴１３の直径は、穴８の直径と同じとしてもよいが、図８に示すように、異なる直径としてもよい。
金属部材１２の高さは、枝管４の長さと金属支柱６の長さによって決定されるため、円板５と金属支柱６からなるトップローディングモノポールアンテナのインピーダンスを最適化するための設計パラメータとすることはできない。
しかし、穴８と金属端子９からなる同軸線路の特性インピーダンスと、穴１３と金属端子９からなる同軸線路の特性インピーダンスをそれぞれ選定することができるので、設計の自由度が増して、アンテナのインピーダンスを広帯域化するように設計することができる。

以上で明らかなように、この実施の形態３によれば、金属端子９を内挿する穴１３がほぼ中央部に施されており、底面が蓋部材７と電気的に接続されている状態で、枝管４の内部に配置されている金属部材１２を備えるように構成したので、枝管４の長さが金属支柱６よりも長い場合であっても、受信感度が高い部分放電センサーを得ることができる効果を奏する。

実施の形態４．
図９はこの発明の実施の形態４による部分放電センサーを示す断面図であり、図において、図８と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
短絡導体１４は一端が金属部材１２の上端付近と接続され、他端が枝管４の内面と接続されている接続導体である。

この実施の形態４では、金属部材１２と枝管４を接続する短絡導体１４を設けている点で、上記実施の形態３と相違している。
金属部材１２は、その底面において、蓋部材７と電気的に接続されているため、金属部材１２の上面から蓋部材７を見た構造はチョーク構造となる。
したがって、金属部材１２の高さが（１／４＋ｎ／２）λ（λは波長、ｎは０以上の整数）となる周波数において、金属部材１２の上面から蓋部材７を見たインピーダンスは、理論上無限大の非常に高い値となる。この結果、金属部材１２と金属容器１との間で電流が遮断されるため、部分放電センサーの感度が大きく低下してしまうことになる。

この実施の形態４では、短絡導体１４によって金属部材１２の上端付近と枝管４の内面とを接続することで、上記の特定周波数においても、金属部材１２と金属容器１との間に電流が流れるようにしている。したがって、部分放電センサーの感度低下を防止することができる。
なお、短絡導体１４の構成は、金属部材１２の上端付近と枝管４の内面を電気的に接続する構造であればよく、例えば、ばねや導電性のガスケットなどを利用することが可能である。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明は、金属容器の内部で発生する部分放電現象を検知する必要がある電力機器（例えば、ガス絶縁開閉装置、真空遮断器など）に適用することができる。

１ 金属容器、２ 密閉空間、３ 開口部、４ 枝管、５ 円板（平板状の金属導体）、６ 金属支柱、７ 蓋部材（蓋状の金属導体）、８ 穴、９ 金属端子、１０ 短絡導体、１１ 樹脂材（誘電体）、１２ 金属部材、１３ 穴、１４ 短絡導体。

この発明に係る部分放電センサーは、円筒状の金属容器と、一端が金属容器の開口部と接続されている円筒状の枝管と、その枝管の他端を覆う蓋状の金属導体と、その金属容器の内面と同一平面上で、その金属容器と非接触の状態で前記開口部内に配置されている平板状の金属導体と、一端が平板状の金属導体と接続されている状態で、その枝管の内部に配置されている金属支柱と、一端が金属支柱の他端と接続され、蓋状の金属導体の中央部に施されている穴の内部を貫通して、他端が外部に露出されている金属端子と、一端が金属支柱と接続され、他端が蓋状の金属導体と接続されている短絡導体とを備え、金属端子を内導体とし、蓋状の金属導体を外導体とする同軸線路を形成し、この同軸線路と短絡導体により並列共振回路を構成しているものである。

この発明に係る部分放電センサーは、円筒状の金属容器と、一端が金属容器の開口部と接続されている円筒状の枝管と、その枝管の他端を覆う蓋状の金属導体と、その金属容器の内面と同一平面上で、その金属容器と非接触の状態で前記開口部内に配置されている平板状の金属導体と、一端が平板状の金属導体と接続されている状態で、その枝管の内部に配置されている金属支柱と、一端が金属支柱の他端と接続され、蓋状の金属導体の中央部に施されている穴の内部を貫通して、他端が外部に露出されている金属端子と、一端が金属支柱と接続され、他端が蓋状の金属導体と接続されている短絡導体とを備え、金属端子を内導体とし、蓋状の金属導体を外導体とする同軸線路を形成し、短絡導体の長さは、検知対象の部分放電の周波数帯域における特定周波数の波長の１／４よりも短く設定され、同軸線路が並列キャパシタンスとして動作するとともに短絡導体が並列インダクタンスとして動作する並列共振回路を構成しているものである。

実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２による部分放電センサーを示す断面図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
樹脂材１１は例えばエポキシ樹脂等の硬化性樹脂材料からなり、金属端子９が貫通されている蓋部材７の中央部における穴を覆うように、蓋部材７に固着させている誘電体である。例えば、樹脂材１１は、ネジ等を用いて、蓋部材７に固定されている。

Claims (7)

1. 円筒状の金属容器と、
   一端が前記金属容器の開口部と接続されている円筒状の枝管と、
   前記枝管の他端を覆う蓋状の金属導体と、
   前記金属容器の内面と同一平面上で、前記金属容器と非接触の状態で前記開口部内に配置されている平板状の金属導体と、
   一端が前記平板状の金属導体と接続されている状態で、前記枝管の内部に配置されている金属支柱と、
   一端が前記金属支柱の他端と接続され、前記蓋状の金属導体の中央部に施されている穴の内部を貫通して、他端が外部に露出されている金属端子と、
   一端が前記金属支柱と接続され、他端が前記蓋状の金属導体と接続されている短絡導体とを備え、
   前記短絡導体の長さが、検知対象の部分放電の周波数に対応する波長の４分の１よりも短いことを特徴とする部分放電センサー。
2. 前記金属端子を内導体とし、前記蓋状の金属導体の中央部に施されている穴を外導体として構成される同軸線路の特性インピーダンスが、前記金属端子の他端に接続される伝送線路の特性インピーダンスよりも低いことを特徴とする請求項１記載の部分放電センサー。
3. 前記金属端子が貫通されている前記蓋状の金属導体の中央部における穴を覆うように、前記蓋状の金属導体に固定されている誘電体を備えたことを特徴とする請求項１記載の部分放電センサー。
4. 前記誘電体の一部は、前記穴に充填されていることを特徴とする請求項３記載の部分放電センサー。
5. 前記金属端子を内挿する穴が中央部に施されており、一端が前記蓋状の金属導体と接続されている状態で、前記枝管の内部に配置されている金属部材を備え、
   前記短絡導体の他端が前記金属部材を介して前記蓋状の金属導体と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の部分放電センサー。
6. 前記金属部材の高さは、前記枝管の長さから前記金属支柱の長さを差し引いた長さと等しいことを特徴とする請求項５記載の部分放電センサー。
7. 一端が前記金属部材の他端と接続され、他端が前記枝管の内面と接続されている短絡導体を備えたことを特徴とする請求項５記載の部分放電センサー。

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