JP4470157B2 - 部分放電測定方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、部分放電測定方法及びその装置に係り、特に、絶縁媒体として絶縁ガスを充填した容器内の絶縁異常である部分放電を測定するに好適な部分放電測定方法及びその装置に関する。

ガス遮断器、ガス絶縁開閉装置、ガス絶縁母線など送変電設備に用いられるガス絶縁機器は、絶縁ガスを充填した密閉金属容器内に高電圧導体を収納し、高電圧導体を絶縁支持体で支持する構造となっている。密閉金属容器内に、金属異物などの内部欠陥が存在すると、異物先端において局所的に高電界が形成され、部分放電が発生する。部分放電を放置しておくと、機器内部の機械的劣化を招くだけでなく、最終的には絶縁破壊に至る可能性がある。このような現状に鑑み、ガス絶縁機器の予防保全の観点から、絶縁破壊の前駆現象である部分放電の早期検出が重要視されている。

部分放電を検出するに際しては、部分放電信号をパターン化し、パターンによって欠陥種を特定することが行なわれている。この場合、部分放電信号のパターンは、高電圧導体に印加された系統電圧、例えば、６万〜５０万ボルト（５０／６０Ｈｚ）の交流電圧（運転電圧）の位相に依存しているので、運転電圧と部分放電信号との同期を取ることが行なわれている（特許文献１参照）。

特開平９−８０１１１号公報（第３頁から第６頁、図１、図２、図４）

従来技術においては、信号処理部で交流電圧（運転電圧）をトリガとして部分放電信号を検出するに際して、交流電圧と、この交流電圧に重畳した部分放電信号とを信号検出部で分離しているが、信号検出部を構成する要素によって信号の位相が変化することにつては配慮されておらず、位相の変化した信号がそのまま信号処理部で処理されたときには、交流電圧（運転電圧）をトリガとして部分放電信号を検出しても、正確なパターンを検出することは困難である。

本発明の課題は、部分放電を測定する系に位相のずれがあるときには位相のずれを補正してから部分放電を測定することにある。

前記課題を解決するために、本発明は、入力情報を画面上に表示する測定器を用いて部分放電を測定するに際して、容器内に収納された電圧導体の電圧を検出し、検出された電圧のうち前記電圧導体に印加された運転電圧（交流電圧）の波形を信号変換回路で変換し、前記変換された運転電圧を前記測定器に入力し、前記入力された運転電圧を基に前記測定器の駆動電源の電圧と前記運転電圧との位相差を検出し、前記検出された位相差に従って前記測定器の画面上に表示される時間軸の位相を補正し、前記補正された測定器に、前記検出された電圧をそのまま入力して部分放電に関する情報を前記測定器の画面上に表示するようにしたものである。この場合、前記信号変換回路の入力インピーダンスに伴う電圧位相のずれがあるときには、この電圧位相のずれを考慮して、前記測定器の画面上に表示される時間軸の位相を補正することで、より確実に位相の変化を補正することができる。

本発明によれば、部分放電を正確に測定することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施例を示す部分放電測定装置のブロック構成図、図２は、ガス絶縁機器に部分放電測定装置を設置したときの要部側面断面図である。

図１、図２において、部分放電測定装置１０は、ガス遮断器１２に連結されたガス絶縁母線である高電圧導体１４の一相分を測定対象として、高電圧導体１４と絶縁媒体を収納する金属容器１６の近傍に設置されている。高電圧導体１４の一端側はガス遮断器１２の電極に接続され、他端側はアレスタ１８、ブッシング２０を介して気中に引き出されており、この高電圧導体１４には、例えば、６万〜５０万Ｖの交流電圧が運転電圧として印加されている。また、高電圧導体１４は、円環状の絶縁支持体２２によって支持されており、絶縁支持体２２は、金属容器１６に固定されている。金属容器１６は、筒状に形成されてその軸方向一端側が、ガス遮断器（ガス絶縁開閉器）１２を収納する開閉器収納容器１２ａに連結されている。この金属容器１６内には、絶縁媒体として、例えば、単ガス、あるいは主ガスと、少なくとも１つ以上の副ガスからなる混合ガスが高圧力状態で封入されている。金属容器１６の胴体部にはハンドホール２４が形成されており、このハンドホール２４の下部側には、ハンドホール２４を閉塞して金属容器１６を密封するためのフランジ２６が固定されている。

ハンドホール２４内には、電圧センサとして、円板型のアンテナ２８が収納されており、このアンテナ２８の中央部には同軸ケーブル３０が接続されている。この同軸ケーブル３０は、フランジ２６に設けられた密封端子３２を介して金属容器１６外部に引き出されている。アンテナ２８は、高電圧導体１４に印加された運転電圧（交流電圧)と、この運転電圧に重畳した部分放電信号を検出するに際して、アンテナ２８と高電圧導体１４との間の浮遊容量Ｃ１と、アンテナ２８とフランジ２６との間に生じる浮遊容量Ｃ２を利用し、浮遊容量Ｃ１、Ｃ２によって静電分圧された電圧を検出し、検出した電圧を同軸ケーブル３０に出力するようになっている。同軸ケーブル３０の軸方向端部は切替スイッチ３４に接続されており、切替スイッチ３４はＡ側またはＢ側に切り替えられるようになっている。切替スイッチ３４のＡ側は同軸ケーブル３６に接続され、切替スイッチ３４のＢ側は同軸ケーブル３７に接続されている。同軸ケーブル３６は信号変換回路３８を介して同軸ケーブル３９に接続されている。同軸ケーブル３９は切替スイッチ４２のＡ側に接続され、切替スイッチ４２のＢ側には同軸ケーブル３８が接続されている。切替スイッチ４２はＡ側またはＢ側に切り替えられ、同軸ケーブル４４を介してスペクトラムアナライザ４６に接続されている。

スペクトラムアナライザ４６は、入力情報を画面上に表示する測定器として構成されており、このスペクトラムアナライザ４６は、周波数領域解析と位相領域解析の機能を備えており、運転電圧の周期（５０／６０Ｈｚ）の整数倍を横軸とする位相領域解析をスペクトラムアナライザ４６で行うことにより、画面上における運転電圧のゼロ点の表示位置を知ることができる。

ところが、スペクトラムアナライザ４６の位相領域解析において、画面上に表示される時間軸は、通常、スペクトラムアナライザ４６の駆動電源（コンセント電源）の位相に同期しているため、高電圧導体１４に印加された運転電圧とスペクトラムアナライザ４６の駆動電源の電圧との間に位相差が生じたときには、運転電圧のゼロ点を精度良く検出できなくなる。

そこで、スペクトラムアナライザ４６を用いて部分放電信号を測定するに先立って、高電圧導体１４の運転電圧とスペクトラムアナライザ４６の駆動電源の電圧との位相差を測定するために、切替スイッチ３４、４２をそれぞれＡ側に切り替え、アンテナ２８によって検出された電圧を同軸ケーブル３０、切替スイッチ３４、同軸ケーブル３６を介して信号変換回路３８に入力することとしている。この信号変換回路３８は、アンテナ２８の検出信号を、運転電圧のゼロ点において急峻で一定の勾配を有する方形波に変換する機能を備えて構成されている。

具体的には、この信号変換回路３８は、図３(ａ)に示すように、アンテナ２８の検出した運転電圧に応答して、運転電圧の波形を方形波に変換するコンパレータ（図示せず）と、図３(ｂ)に示すように、コンパレータの出力による方形波を半波整流する半波整流回路（図示せず）と、図３(ｃ)に示すように、半波整流回路の出力電圧を運転電圧よりも高い任意の周波数の電圧に変換する発振回路（図示せず）とを備えて構成されている。ここで、上記の任意の周波数は、スペクトラムアナライザ４６で検出可能な周波数成分とし、部分放電電磁波の有する周波数成分とは異なることが望ましい。この信号変換回路３８は、アンテナ２８の検出による運転電圧に応答して、運転電圧のゼロ点で急峻で一定の勾配を有する方形波信号を生成し、この方形波による信号を運転電圧よりも高い周波数の信号に変換して出力することができる。信号変換回路３８の出力信号がスペクトラムアナライザ４６に入力されると、入力された信号に対して、スペクトラムアナライザ４６において位相領域解析が行われる。この場合、信号変換回路３８の発振周波数と同一の周波数に対して位相領域解析が行われる。この位相領域解析が行われると、図３(ｄ)に示すように、運転電圧とスペクトラムアナライザ４６の駆動電源の電圧との位相差θを精度良く検出することができる。

一方、図３(ａ)に示すように、信号変換回路３８のコンパレータの入力インピーダンスが高い（数ＭΩ）ことに伴って、コンパレータの入出力電圧の間には、電圧位相にずれ（位相差）Φが生じる。このため、スペクトラムアナライザ４６の画面上に表示される時間軸を補正するに際しては、コンパレータの入力インピーダンスに伴う電圧位相のずれ（位相差）Φと、運転電圧とスペクトラムアナライザ４６の駆動電源の電圧との位相差θを基にスペクトラムアナライザ４６の画面上に表示される時間軸の位置を、自動補正することとしている。このような補正を行うことで、スペクトラムアナライザ４６の位相領域において、画面上に表示される時間軸をスペクトラムアナライザ４６の駆動電源の電圧の位相に確実に同期させることができる。

位相補正が行われたあとは、部分放電を測定するために、切替スイッチ３４、４２をそれぞれＢ側に切り替え、アンテナ２８の検出による電圧を同軸ケーブル３０、切替スイッチ３４、同軸ケーブル３７、切替スイッチ４２、同軸ケーブル４４を介してスペクトラムアナライザ４６に入力する。アンテナ２８の検出による電圧が信号変換回路３８を介さずに、そのままスペクトラムアナライザ４６に入力されたときに、このスペクトラムアナライザ４６において周波数領域解析が行われると、横軸が周波数、縦軸が信号強度を示す画面が表示され、この画面上には部分放電が発生した領域の周波数がピークを示す画像が表示され、運転電圧と同期した部分放電パターンを検出することができ、このパターンを基に欠陥種を特定することができる。

このように、本実施例においては、スペクトラムアナライザ４６を用いて部分放電を測定するに先立って、測定系に電圧位相のずれ、すなわち、位相差θ、Φがあるときには、これらの位相差が０になるように電圧位相を補正するようにしたので、部分放電を正確に測定することができる。

なお、アンテナ２８に誘起される電圧が微弱であるときには、アンテナ２８の検出信号を増幅器を用いて増幅することが望ましい。また、アンテナ２８としては、ダイポール型のものを用いることもできる。この場合、ダイポール型のうち、例えば、アンテナ長が検出される電磁波の半波長に等しいことを基本原理とする半波長ダイポールアンテナを用いると、部分放電電磁波とアンテナが共振状態、或いは共振に近い状態となり、電磁波を感度良く検出できる。

次に、本発明の第２実施例を図４にしたがって説明する。本実施例は、ハンドホール２４ａ、２４ｂ内にアンテナ２８と同一の機能を有するアンテナ２８ａ、２８ｂを収納し、各アンテナ２８ａ、２８ｂをそれぞれ同軸ケーブル３０ａ、３０ｂを介してスペクトラムアナライザ４６に接続し、同軸ケーブル３０ｂの途中に信号変換回路３８と遅延回路４０を挿入したものである。なお、同軸ケーブル３０ａ、３０ｂを通過する各信号の伝播時間を等しくするために、各同軸ケーブル３０ａ、３０ｂのケーブル長はほぼ等しく設定されている。

アンテナ２８ａは部分放電を検出するための電圧センサとして構成されており、アンテナ２８ｂは高電圧導体１４に印加された運転電圧を検出するための電圧センサとして構成されている。そしてアンテナ２８ｂの検出による運転電圧信号は信号変換回路３８で波形成形されたあと、遅延回路４０において、信号変換回路３８のコンパレータの入力インピーダンスに伴う電圧位相のずれ（位相差）Φだけ遅延されたあとスペクトラムアナライザ４６に入力されている。この運転電圧信号は、外部トリガ信号としてスペクトラムアナライザ４６に入力され、外部トリガ信号に応答して、アンテナ２８ａの検出による部分放電信号がスペクトラムアナライザ４６に順次入力され、スペクトラムアナライザ４６において運転電圧位相に同期して部分放電信号がスキャニングされる。そしてスペクトラムアナライザ４６において部分放電信号を検出するために、位相領域解析を実行することで、運転電圧位相に対する部分放電パターンを高精度に検出することができる。

本実施例においては、運転電圧信号をスペクトラムアナライザ４６に入力する過程で電圧位相が位相差Φだけずれても、運転電圧信号の位相が位相差Φだけ遅延されるため、運転電圧位相に対する部分放電パターンを高精度に検出することができる。

次に、本発明の第３実施例を図５にしたがって説明する。本実施例は、電圧センサとして、アンテナ２８ｂを用いる代わりに、絶縁支持体２２の周囲に配置されて高電圧導体１４に印加された運転電圧を検出する電磁波センサ５０を用い、スペクトラムアナライザ４６の代わりに、オシロスコープ５２を用いたものであり、他の構成は図４にものと同様である。本実施例においては、入力情報を画面上に表示する測定器としてオシロスコープ５２を用いているため、同軸ケーブル３０ａはオシロスコープ５２の測定信号入力端子に接続され、同軸ケーブル３０ｂはオシロスコープ５２のトリガ信号入力端子に接続されている。

本実施例においては、電磁波センサ５０の検出による運転電圧信号がトリガとして、アンテナ２８ａの検出による部分放電信号がオシロスコープ５２の画面上に順次表示される。この場合、運転電圧信号は遅延回路４０で位相のずれ（位相差）Φだけ遅延されるため、運転電圧のゼロ点をトリガ位置として部分放電信号を検出することができ、運転電圧と部分放電信号の同期を取ることができる。

本実施例においても、位相差Φを遅延回路４０によって補正するようにしているため、運転電圧と部分放電信号の同期を取ることができ、部分放電信号を高精度に測定することができる。

次に、本発明の第４実施例を図６にしたがって説明する。本実施例は、アンテナ２８に接続された同軸ケーブル３０をそのままスペクトラムアナライザ４６に接続し、スペクトラムアナライザ４６において、アンテナ２８の検出による部分放電信号を測定するようにしたものであり、他の構成は図１のものと同様である。

本実施例においては、図７に示すように、例えば、オシロスコープ５２を用いて、スペクトラムアナライザ４６の駆動電源の電圧と高電圧導体１４に印加された運転電圧信号との位相差θを測定し、測定された位相差θを基に、スペクトラムアナライザ４６の画面上に示される時間軸の位置を、位相差θが０になるように補正し、この補正が行われたあと、アンテナ２８の検出による電圧をスペクトラムアナライザ４６に入力し、入力された電圧を基に部分放電に関する情報を画面上に表示する。これにより部分放電を正確に測定することができる。

なお、図７において、運転電圧信号を検出するに際しては、例えば、ＶＴ(Ｖｏｌｔａｇｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ)を用いて測定することができる。またスペクトラムアナライザ４６の駆動電源の電圧を測定するに際しては、オシロスコープ５２をスペクトラムアナライザ４６の駆動電源（コンセント電源）と同一の電源に接続することで、駆動電源の電圧位相を測定することができる。

本実施例においては、スペクトラムアナライザ４６で部分放電を測定するに先立って、オシロスコープ５２を用いて、スペクトラムアナライザ４６の駆動電源の電圧と高電圧導体１４に印加された運転電圧信号との位相差θを測定し、測定された位相差θを基に、スペクトラムアナライザ４６の画面上に示される時間軸の位置を、位相差θが０になるように補正し、この補正が行われたことを条件に、アンテナ２８の検出による電圧をスペクトラムアナライザ４６に入力し、入力された電圧を基に部分放電に関する情報を画面上に表示するようにしたため、部分放電を正確に測定することができる。

本発明の第１実施例を示す部分放電測定装置のブロック構成図である。 ガス絶縁機器に部分放電測定装置を設置したときの要部側面断面図である。 信号変換回路の各部の波形とスペクトラムアナライザの表示画面を示す図である。 本発明の第２実施例を示す部分放電測定装置のブロック構成図である。 本発明の第３実施例を示す部分放電測定装置のブロック構成図である。 本発明の第４実施例を示す部分放電測定装置のブロック構成図である。 オシロスコープを用いて位相差を求めるときの構成説明図である。

符号の説明

１０ 部分放電測定装置
１２ ガス遮断器
１４ 高電圧導体
１６ 金属容器
２４ ハンドホール
２６ フランジ
２８、２８ａ、２８ｂ アンテナ
３８ 信号変換回路
４０ 遅延回路
４６ スペクトラムアナライザ
５２ オシロスコープ

Claims (6)

1. 絶縁ガスを充填した容器内に収納されて絶縁支持された高電圧導体の運転電圧を検出し、測定器により前記運転電圧の検出信号に含まれる部分放電信号の周波数−信号強度を示す部分放電のパターンを求め、該求めたパターンを前記運転電圧とは異なる交流電源により駆動される前記測定器の駆動電圧の位相に同期した時間軸に基づいて画面上に表示し、該表示された前記パターンに基づいて部分放電に係る欠陥種を特定する部分放電測定方法において、
   前記運転電圧の検出信号を該検出信号の基本波周波数に同期し、かつ、半波整流した方形波に変換して、該方形波を前記部分放電の周波数成分とは異なる周波数の信号に変換する信号変換回路を介して前記測定器に入力し、
   前記測定器は、前記信号変換回路の入力インピーダンスに起因して位相がずれる前記運転電圧の検出信号と前記運転電圧との第１の位相差と、前記運転電圧の検出信号と前記測定器の駆動電圧との第２の位相差を求め、求めた第１と第２の位相差に基づいて前記運転電圧と前記部分放電パターンの位相を同期させるように、前記測定器の画面上に表示される前記パターンの位相に相当する時間軸を補正した後、前記信号変換回路を介さずに前記運転電圧の検出信号を入力して前記パターンを求めて前記画面上に表示することを特徴とする部分放電測定方法。
2. 請求項１に記載に部分放電測定方法において、
   前記測定器は、前記第１の位相差を前記信号変換回路の入力インピーダンスに基づいて求め、前記第２の位相差を前記信号変換回路の出力信号に位相領域解析を行なって求めることを特徴とする部分放電測定方法。
3. 請求項１に記載に部分放電測定方法において、
   前記測定器は、スペクトラムアナライザであり、
   前記運転電圧の検出信号をスペクトラムアナライザに入力して前記部分放電信号の周波数−信号強度を示す前記パターンを求め、
   前記運転電圧と前記スペクトラムアナライザの駆動電圧との前記第２の位相差を前記スペクトラムアナライザと同一の電源で駆動されるオシロスコープによって求めることを特徴とする部分放電測定方法。
4. 絶縁ガスを充填した容器内に収納されて絶縁支持された高電圧導体の運転電圧を検出し、測定器により前記運転電圧の検出信号に含まれる部分放電信号の周波数−信号強度を示す部分放電のパターンを求め、該求めたパターンを前記運転電圧とは異なる交流電源により駆動される測定器の駆動電圧の位相に同期した時間軸に基づいて画面上に表示し、該表示された前記パターンに基づいて部分放電に係る欠陥種を特定する部分放電測定方法において、
   前記運転電圧を第１の電圧センサと第２の電圧センサにより検出し、
   前記第１の電圧センサから出力される前記運転電圧の検出信号を信号変換回路に入力して波形成形して運転電圧信号を形成し、
   該運転電圧信号を遅延させて、前記信号変換回路の入力回路のインピーダンスに起因する前記運転電圧信号の位相ずれを零に補正し、
   前記遅延された前記運転電圧信号を前記測定器のトリガ信号として、前記第２の電圧センサから出力される前記運転電圧の検出信号を入力し、該検出信号に含まれる部分放電のパターンを求めて、該求めたパターンを前記運転電圧の検出信号に同期して前記画面上に表示することを特徴とする部分放電測定方法。
5. 絶縁ガスを充填した容器内に収納されて絶縁支持された高電圧導体の運転電圧を電圧センサにより検出し、測定器により前記運転電圧の検出信号に含まれる部分放電信号の周波数−信号強度を示す部分放電のパターンを求め、該求めたパターンを前記運転電圧とは異なる交流電源により駆動される測定器の駆動電圧の位相に同期した時間軸に基づいて画面上に表示し、該表示された前記パターンに基づいて部分放電に係る欠陥種を特定可能に構成された部分放電測定装置において、
   前記電圧センサから出力される前記運転電圧の検出信号を入力し、該運転電圧の検出信号を該検出信号の基本波周波数に同期し、かつ半波整流した方形波を形成し、該方形波を前記部分放電の周波数成分とは異なる周波数の信号に変換して前記測定器に入力する信号変換回路を設け、
   前記測定器は、前記信号変換回路の入力回路のインピーダンスに起因して位相がずれる前記運転電圧の検出信号と前記運転電圧との第１の位相差を求め、前記運転電圧の検出信号と前記測定器の駆動電圧との第２の位相差を求めるとともに、求めた第１と第２の位相差に基づいて前記運転電圧と前記部分放電パターンの位相を同期させるように、前記測定器の画面上に表示される前記パターンの位相に相当する時間軸を補正した後、前記信号変換回路を介さずに前記運転電圧の検出信号を入力して前記パターンを求めて前記画面上に表示することを特徴とする部分放電測定装置。
6. 絶縁ガスを充填した容器内に収納されて絶縁支持された高電圧導体の運転電圧を電圧センサにより検出し、測定器により前記運転電圧の検出信号に含まれる部分放電信号の周波数−信号強度を示す部分放電のパターンを求め、該パターンを前記運転電圧とは異なる交流電源により駆動される前記測定器の駆動電圧の位相に同期した時間軸に基づいて画面上に表示し、該表示された前記パターンに基づいて部分放電に係る欠陥種を特定可能に構成された部分放電測定装置において、
   前記電圧センサは、第１の電圧センサと第２の電圧センサとを備えてなり、
   前記第１の電圧センサから出力される前記運転電圧の検出信号を入力し、該運転電圧の検出信号を波形成形して運転電圧信号を生成する信号変換回路と、
   該信号変換回路の入力インピーダンスに起因する前記運転電圧信号の位相ずれを零に補正する遅延回路を該信号変換回路の出力側に設け、
   前記測定器は、前記遅延回路から出力される前記運転電圧信号をトリガ信号として、前記第２の電圧センサから出力される前記運転電圧の検出信号を入力し、該検出信号に含まれる部分放電のパターンを求め、該パターンを前記運転電圧の検出信号に同期して前記画面上に表示することを特徴とする部分放電測定装置。
   

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