WO2015029151A1 - 部分放電計測法およびそれを用いて検査した高電圧機器 - Google Patents

Abstract

本発明では部分放電欠陥信号とノイズを分離し部分放電欠陥位置検出するとともに、検出した部分放電欠陥のリスク診断を行う部分放電計測法を提供する。また、この方法によって、信頼性の高い高電圧機器を提供する。 試料で発生した電磁波を複数のセンサで同時に計測し、計測した信号の空間強度分布と予め測定しておいた部分放電発生時の信号空間強度分布を比較することで部分放電とノイズを分離するとともにピーク位置から欠陥位置を検出し、さらに同時計測した電荷量信号を基に当該欠陥部位のリスク診断をする。

Description

部分放電計測法およびそれを用いて検査した高電圧機器

　本発明は高電圧機器、特に高電圧回転機（発電機、電動機）の部分放電計測法に関する。

　近年の機器稼働率の向上とともに、高電圧電力機器の信頼性に対する要求がこれまで以上に高まっている。このような高電圧電力機器の信頼性を脅かす不具合の主要な要因として、絶縁劣化、破壊現象が知られている。この絶縁劣化、破壊の起点となる絶縁欠陥の検知手段として、現在、部分放電計測が広く用いられている。また、部分放電欠陥の有無だけでなく、位置を特定する部分放電計測方法も考案されている。このような部分放電欠陥位置検出手段には、例えば、下記の先行技術文献がある。この先行技術では、回転機の固定子巻線の表面に沿わせながら、部分放電計測センサを周方向に掃引し、計測信号強度が最大になる位置を検出して部分放電欠陥位置を特定している。あるいは、複数のセンサで測定した信号到達時刻の差が最大になる位置を検出し、部分放電欠陥の位置を特定している。このような方法は、部分放電欠陥が極めて少なく、かつ、試料の大きさが小さいためシールドルームなど周囲ノイズが少ない環境で容易に測定できる低電圧回転機では有効であった。しかし、部分放電欠陥が絶縁層中に多数存在する高電圧発電機や電動機に代表される高電圧機器では、複数箇所で部分放電が発生するため信号強度や信号到達時刻の差が最大になる部分が明確に現れず、部分放電欠陥位置を検知することは困難であった。また、一般に高電圧機器は大容量大型機器であることから、シールドルーム内に運び込んで試験することが困難であり、周囲ノイズが多い環境で部分放電を計測しなければならないことが多い。このような環境下では、センサを掃引中にノイズが測定データに入り込み、正しい部分放電信号強度分布が測定できない問題があった。さらに、仮に部分放電欠陥位置が特定できたとしても、電界方向に伸びた欠陥と電界と垂直方向に伸びた欠陥ではリスクに違いがあるため、必ずしも部分放電電荷量が大きい部位がリスクの高い欠陥位置とは限らず、部分放電信号の強度分布だけでは必ずしもリスク診断ができない問題があった。

　このようなリスク診断の問題に対し、近年、部分放電の電圧位相－部分放電電荷量－部分放電発生数（以下，φ-q-nと略す）パターンを測定して欠陥のリスクを診断する方法が試みられている。しかし、このような方法でも、部分放電欠陥が多数存在する高電圧回転電機では、複数の部分放電信号が重畳したφ-q-nパターンとなり、正しく製品の欠陥検出とリスク診断をすることができない問題があった。

特開2005-69745号公報

　本発明は、部分放電欠陥信号とノイズを分離し部分放電欠陥位置を検出するとともに、検出した部分放電欠陥のリスク診断を行う部分放電計測法を提供することを目的とする。また、この方法を用いた信頼性の高い高電圧機器を提供することを目的とする。

　本発明の目的は以下の方法によって実現できる。始めに（望ましくは３個以上の）複数の電磁波センサを組合せ、その相対位置関係（距離、角度）を保持した部分放電センサを作成する。次に、部分放電が発生した際の電磁波信号の空間強度分布をこのセンサで同時測定する。部分放電センサを構成する各電磁波センサで計測した信号の強度の相対関係と、予め測定しておいた部分放電発生時の空間強度分布を比較することで部分放電とノイズを分離する、また、予め測定しておいた信号強度分布と測定信号分布を比較することでピーク位置を求め、欠陥位置を特定する。最後に、特定した欠陥位置における部分放電信号のφ-q-nパターンや電流信号波形、ＦＦＴ波形を分析しリスク診断をすることで実現できる。

　本発明において、部分放電欠陥信号とノイズを分離し部分放電欠陥位置を検出するとともに、検出した部分放電欠陥のリスク診断を行うことを特徴とする部分放電計測法を提供できる。また、本方法を使用した回転電機の部分放電計測法を提供することで、信頼性の高い高電圧機器を提供できる。

本発明の部分放電計測システムの構成図である。 回転電機の断面図である。 回転電機の固定子巻線の断面図である。 本発明の部分放電計測システムを用いた回転電機巻線の部分放電計測方法の模式図である。 本発明の部分放電計測システムを用いた単独コイルの部分放電計測方法の模式図である。 従来の部分放電検出法と本発明の部分放電検出、リスク診断方法の比較図である。 本発明のアイデアの原理検証試験モデル図である。 図７の試験で得られたデータ表の一例である。 図7の試験で得られた部分放電とノイズの電磁波信号の空間分布の一例である。

　本発明の実施形態を、以下、図面を用いて説明する。図１に本発明の部分放電計測システムの構成を示す。ここで１は高電圧試験電源、２は試料、３は試料中の部分放電欠陥、４は電磁波センサ、５は電磁波信号の測定器、６は信号空間強度分布比較装置、７は部分放電／ノイズ判別、欠陥位置特定、リスク診断装置である。本計測システムでは、高電圧試験電源１でＡＣ，インパルス、直流などの高電圧を試料２に印加する。この際、試料２から放射される信号は、互いの相対位置を固定した電磁波センサ＃１、＃２、＃３で構成される部分放電検出センサで検出され、電磁波信号の測定器５で各電磁波センサの信号強度が測定される。この際、測定される信号には、部分放電欠陥３で発生した電磁波信号と電源側から侵入した電磁波信号の少なくとも２種類が存在し、それぞれの信号パターンが計測される。これを８に図示する。信号空間強度分布比較装置６では、この少なくとも２種類の信号と、シミュレーションあるいは測定で予め得た部分放電の電磁波空間信号強度分布９と比較し、電磁波センサ＃１，＃２、＃３の信号強度のプロットが部分放電の電磁波空間信号強度分布９にマッチングするかどうか比較する。あるいは部分放電の電磁波空間信号強度分布９の関数から求められる、センサ＃１、＃２、＃３の相対信号強度比に一致するかを比較する。次に、部分放電／ノイズ判別、欠陥位置特定、リスク診断装置７に信号が伝送され、部分放電の電磁波空間信号強度分布とマッチングした信号の場合には、予め得られている部分放電の電磁波空間信号強度分布９のピーク強度位置を基に部分放電発生位置を特定する。さらに、以上の電磁波信号計測と同時に部分放電電荷量検出器１０で測定した信号とデータを組み合わせて、部分放電発生位置におけるφ-q-nパターンを作成し、検出した部分放電欠陥のリスクを診断する。

　なお、図１の部分放電計測システムにおいて、電磁波信号の測定器、信号空間強度分布比較装置、部分放電／ノイズ判別、欠陥位置特定、リスク診断装置の信号接続部の少なくとも１箇所に電気－光変換、光－電気変換を用いることで、電磁波センサが高電圧で充電された場合の測定者の感電を防止することができる。

　回転電機（発電機、電動機）を図１の試料２に用いた場合の測定方法を、図２～４を用いて説明する。図２は回転電機の断面図である。２３は回転電機、２４は固定子、２５は固定子巻線、２６は回転子、２７はフレーム、２８は２次巻線あるいは界磁巻線あるいは永久磁石である。誘導電動機や同期電動機では固定子２４に挿入した固定子巻線２５に交流を印加することで回転磁界を発生させ、回転子２６を回転させる。回転子２６には、誘導電動機の場合には２次巻線が、同期電動機の場合には界磁巻線あるいは永久磁石が２８に配置され、回転磁界に応じた速度で回転する。

　高電圧を印加される固定子巻線２５の断面図を図３に示す。３１はスロット上コイル、３２はスロット底コイルである。さらに図３の右側にコイルの絶縁層３３の拡大図を示す。３３は絶縁層、３４は高電圧導体、３５は接地電位層である。高圧回転電機コイルの絶縁層３３には○で示したボイドが多数存在する。また、ボイドとは別に、高圧電極３４から接地電位層３５への電界方向に伸びた欠陥３７も存在する。このように、高電圧回転電機では複数の絶縁欠陥が絶縁層中に存在するため、電界方向に伸びたリスクの高い欠陥を本発明で見つける。

　図４に、本発明のセンサの移動方法を示す。回転電機の固定子では、周方向に互いの相対距離を保持した電磁波センサ４３、４４、４５で構成した部分放電検出センサを固定子巻線のコアから飛び出たエンド部に配置し、周方向の電磁波信号空間強度分布を測定する。また、固定子巻線の内径側には軸方向に互いの相対距離を保持した電磁波センサ４０、４１、４２で構成した部分放電検出センサを配置し、軸方向の電磁波信号空間強度分布を測定する。

　以上は回転電機の固定子巻線が試料の場合を例に説明したが、本発明の部分放電計測システムの試料２に回転電機の単一コイルを使用した場合を図５に示す。５１、５２、５３は電磁波センサ。５４は図１の電磁波信号の測定器５、信号空間強度分布比較装置６、部分放電／ノイズ判別、欠陥位置特定、リスク診断装置７を１つの箱に収めたものである。電磁波センサ５１、５２、５３の３つのセンサは単一コイルの軸方向の相対距離が保持されている。これらの３つセンサの信号強度分布を測定し、空間信号強度分布を分析することで、単一コイルの部分放電欠陥検出が行える。

　図６に、本発明と、従来の部分放電欠陥検出法を比較説明した図を示す。図６上図の実線は、高電圧機器を対象に、例えば特開2005-69745号公報のように、センサを挿引しながら最大信号強度を測定した場合の測定信号強度を示す。横軸は固定子周方向角度θあるいはコイルの軸方向位置ｄを示す。低圧回転電機と異なり、高電圧機器では多数の部分放電欠陥が存在する。また、寸法が大きいためシールドルーム内での測定が困難であると同時に、測定時間が長くなるため、周囲ノイズが混在し、ブロードな信号分布となる。特に図のようにノイズ（太い波線）が大きい場合には、ピーク強度を基にリスク診断する従来の方法では、そのリスク診断方法自体もできない可能性がある。これに対し、本発明では、センサ配置位置の部分放電と、ノイズあるいはセンサから遠方で発生した部分放電信号を分離計測することができる。このため、周方向あるいは軸方向の各位置で発生している部分放電電荷量、言い換えれば各位置における部分放電欠陥を判別計測することができる。次に、この部分放電信号判別計測に、図１の１０で示す部分放電電荷量検出器を用いた信号計測を組み合わせることで、各位置（各部分放電欠陥）のφ－ｑ－ｎ特性を得ることができる。この結果、各部位の欠陥種別を正確に把握することができ、特に電界方向に伸びたトリーやクラックなどの欠陥のφ－ｑ－ｎ特性が現れた部位については、他の部位よりも優先監視することで高リスク部位の破壊予兆検知をし、従来よりも信頼性の高い高電圧機器を提供することができるようになる。これに対し、従来のφ－ｑ－ｎ特性計測では、さまざまな部位のφ－ｑ－ｎパターンが重なったφ－ｑ－ｎパターンとなる。このため、大多数のリスクが低い欠陥のφ－ｑ－ｎパターンにより、リスクの高い欠陥の存在がマスクされてしまい、十分なリスク診断ができない問題があった。本発明では、以上のように部分放電欠陥の位置とその部位の放電特性を分析することで従来よりも高精度なリスク診断と高い信頼性の高電圧機器を提供することができる。なお、図示していないが、別途測定した機器内部の電圧分布（負荷分布）を掛け合わせて定義した寿命の消費確率を新たなパラメータとし、この数値の変動を監視することで、日ごとに負荷変動する機器などのリスク診断をすることもできる。

　図７～９に、以上の発明の原理検証試験結果を示す。図７には部分放電源から放射される電磁波とノイズの電磁波信号空間強度分布の計測試験回路を示す。図８には部分放電信号とノイズ信号の電磁波信号計測波形データの一例を示す。なお、部分放電信号は部分放電開始電圧以上の電圧を印加することで、一方、ノイズは放電源の部分放電開始電圧未満の電圧を印加して計測した。放電源の真正面位置をX=0ｍｍとし、左右方向の距離をXとした。部分放電信号の場合、距離Xが増加するとともに急激に信号のピークが低下している。これに対し、ノイズ信号の場合には距離Xに関わらずほぼ一定の大きさの信号が観測されている。部分放電信号強度に関しては，図１の部分放電電荷量検出器１０で同時に測定された信号強度に対する比率を，ノイズ信号強度に関しては，測定されたノイズ信号強度を，それぞれ距離Xを横軸にして，図９に示す。ここで，測定された部分放電信号強度とノイズ信号強度の大きさ（エネルギー）の空間強度分布を相対比較するため，規格化して図示した。さらに，図９では，部分放電信号強度／電荷量信号強度のピーク値，測定されたノイズ信号強度のピーク値を，それぞれ１となるように規格化して表示した（左右の縦軸に示した）。この結果、部分放電信号の場合には、ピーク強度は大きいが、左右方向位置では強度が低下する。これに対し、ノイズの場合、ピーク強度は全体的に小さいが、広範囲に信号が放射されている。以上のことから、本発明の部分放電、ノイズ分離の原理が妥当であることが示された。

１　高電圧試験電源、
２　試料、
３　試料中の部分放電欠陥、
４　電磁波センサ、
５　電磁波信号の測定器、
６　信号空間強度分布比較装置、
７　部分放電／ノイズ判別、欠陥位置特定、リスク診断装置、
９　部分放電の電磁波空間信号強度分布、
１０　部分放電電荷量検出器、
２３　回転電機、
２４　固定子、
２５　固定子巻線、
２６　回転子、
２７　フレーム、
３４　高圧電極、
３３　絶縁層、
３５　接地電位層、
４０－４５，５１－５３　電磁波センサー、
５５　回転電機の単一コイル、
５６　高電圧試験電源

Claims (8)

1. 試料で発生した電磁波を複数の電磁波センサで同時に計測し、計測した信号の空間強度分布と予め測定しておいた部分放電発生時の信号空間強度分布を比較することで部分放電とノイズを分離するとともにピーク位置から欠陥位置を検出し、さらに同時計測した電荷量信号を基に当該欠陥部位のリスク診断をする部分放電計測法
2. 複数の電磁波センサの相対位置を固定したことを特徴とする請求項１の部分放電計測法
3. 前記相対位置を固定した複数の電磁波センサを可動させて、機器内部の高リスク欠陥位置を検出することを特徴とする請求項2の部分放電計測法
4. 回転電機のコアから突出したコイルエンド部あるいはスロット開口部に請求項２の電磁波センサを挿引させて欠陥検出することを特徴とする請求項１の部分放電計測法
5. 単一コイルの軸方向に沿って請求項２の電磁波センサを挿引させて欠陥検出することを特徴とする請求項１の部分放電計測法
6. 試料で発生した電磁波を複数の電磁波センサで同時に計測し、計測した信号の空間強度分布と予め測定しておいた部分放電発生時の信号空間強度分布を比較することで部分放電とノイズを分離するとともにピーク位置から欠陥位置を検出し、さらに同時計測した電荷量信号を基に当該欠陥部位のリスク診断をし、これを継続監視することで高リスク部位の故障予兆診断をすることを特徴とする，高電圧が印加されるコイル導体とその周囲に配置された絶縁部材を備えた高電圧機器
7. 試料で発生した電磁波を複数の電磁波センサで同時に計測し、計測した信号の空間強度分布と予め測定しておいた部分放電発生時の信号空間強度分布を比較することで部分放電とノイズを分離するとともにピーク位置から欠陥位置を検出し、さらに同時計測した電荷量信号を基に当該欠陥部位のリスク診断をする部分放電計測システム
8. 電磁波信号の測定器、信号空間強度分布比較装置、部分放電／ノイズ判別、欠陥位置特定、リスク診断装置の信号接続部の少なくとも１箇所に電気－光変換、光－電気変換を用いたことを特徴とする請求項７の部分放電計測システム

Images