特許 6248740 電力ケーブルのオンライン劣化診断装置及び電力ケーブルのオンライン劣化診断方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6248740

(24)【登録日】2017年12月1日

(45)【発行日】2017年12月20日

(54)【発明の名称】電力ケーブルのオンライン劣化診断装置及び電力ケーブルのオンライン劣化診断方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/12 20060101AFI20171211BHJP

   G01R 31/02 20060101ALI20171211BHJP

【ＦＩ】

   G01R31/12 B

   G01R31/02

【請求項の数】7

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-63468(P2014-63468)

(22)【出願日】2014年3月26日

(65)【公開番号】特開2015-184250(P2015-184250A)

(43)【公開日】2015年10月22日

【審査請求日】2015年10月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001258

【氏名又は名称】ＪＦＥスチール株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126701

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 茂

(74)【代理人】

【識別番号】100130834

【弁理士】

【氏名又は名称】森 和弘

(72)【発明者】

【氏名】末長 清佳

(72)【発明者】

【氏名】藤井 淳起

【審査官】 菅藤 政明

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５７−３５７６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平５−２５６８９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平１−１１８３７７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平２−１２２２８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１−２５７２７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５１−２９１７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平６−３３１６６５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ ３１／１２

Ｇ０１Ｒ ３１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力ケーブルの遮蔽導体の接地線に流れる漏れ電流Ｉｅを検出する電流検出手段と、
基準信号を発生させる基準信号発生手段と、
基準信号の位相θを調整する位相調整手段と、
基準信号発生手段によって発生された基準信号と、電流検出手段で検出された漏れ電流Ｉｅとを入力し、漏れ電流Ｉｅのうち基準信号と同一の周波数成分の電流の絶対値｜Ｉ｜を出力する特定周波数成分抽出手段と、
を有し、
診断対象の電力ケーブルをオンラインの状態としたまま、前記電力ケーブルの絶縁体の水トリーによる絶縁劣化を診断する電力ケーブルのオンライン劣化診断装置。

【請求項2】

充電電流Ｉｃと損失電流Ｉｒからなる漏れ電流Ｉｅから、損失電流Ｉｒを抽出する制御装置を備えた請求項１に記載の電力ケーブルのオンライン劣化診断装置。

【請求項3】

制御装置は、
基準信号発生手段を用いて、基準信号の周波数を、電力ケーブルに流れる電流の基本波成分と同一周波数に設定すると共に、位相調整手段を用いて、基準信号の位相θを、特定周波数成分抽出手段から出力される絶対値｜Ｉ｜が最大｜Ｉｃ｜となる位相θｃに調整し、
基準信号の位相θを、位相θｃから９０°遅れた位相θｒに調整し、このときの特定周波数成分抽出手段から出力される絶対値｜Ｉｒ｜に基づいて電力ケーブルの劣化診断を行う請求項２に記載の電力ケーブルのオンライン劣化診断装置。

【請求項4】

制御装置は、｜Ｉｒ｜と｜Ｉｃ｜の関係に基づいて電力ケーブルの劣化診断を行う請求項３に記載の電力ケーブルのオンライン劣化診断装置。

【請求項5】

電流検出手段は、着脱式貫通型の計測用交流器である請求項１乃至４のうちいずれかに記載の電力ケーブルのオンライン劣化診断装置。

【請求項6】

診断対象の電力ケーブルをオンラインの状態としたまま、前記電力ケーブルの絶縁体の水トリーによる絶縁劣化を診断する電力ケーブルのオンライン劣化診断方法であって、
電力ケーブルの遮蔽導体の接地線に流れる漏れ電流Ｉｅを検出し、
基準信号と、検出された漏れ電流Ｉｅとを入力し、漏れ電流Ｉｅのうち基準信号と同一の周波数成分の電流の絶対値｜Ｉ｜を出力する特定周波数成分抽出手段から出力される絶対値｜Ｉ｜が最大｜Ｉｃ｜となるように、基準信号の位相θを位相θｃに調整し、
基準信号の位相θを、位相θｃから９０°遅れた位相θｒに調整し、このときの特定周波数成分抽出手段から出力される絶対値｜Ｉｒ｜に基づいて電力ケーブルの劣化診断を行う電力ケーブルのオンライン劣化診断方法。

【請求項7】

｜Ｉｒ｜と｜Ｉｃ｜の関係に基づいて電力ケーブルの劣化診断を行う請求項６に記載の電力ケーブルのオンライン劣化診断方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、絶縁体として架橋ポリエチレンを備えた電力ケーブルの絶縁劣化の状況をオンラインで劣化診断する電力ケーブルのオンライン劣化診断装置及び電力ケーブルのオンライン劣化診断方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、工場やビルなどの水分のある環境に、絶縁体として架橋ポリエチレンを備えた電力ケーブル（ＣＶケーブル、国際的にはＸＬＰＥケーブルとも呼ばれる）が布設されると、電力ケーブルの絶縁体に水トリーと呼ばれる劣化が発生することが知られている。

【0003】

水トリーは、架橋ポリエチレンを備えた電力ケーブルの開発当初、架橋ポリエチレンの製造過程で湿式架橋を行っていた事が主な原因とされ、近年では、乾式架橋を行うことで、水トリーによる劣化は克服されたと言われてきた。しかしながら、乾式架橋で製造された電力ケーブルであっても、使用開始後数十年を経過すると、水トリーによる劣化が始まる事が明らかになった。そのため、水トリーによる絶縁体の劣化を診断する技術が求められている。

【0004】

電力ケーブルの水トリー劣化の診断技術としては、設備を停電させて、電力ケーブルをオフラインとした状態で診断を行う残留電荷法や、逆吸収電流法がある。

【0005】

しかしながら、このような方法では、診断にあたって設備を停電させて、電力ケーブルを電路から離線する工事が必要であり、診断に要する費用と時間が多大なものとなる。また、ＧＩＳ等の設備に接続された電力ケーブルでは、容易に離線することができず、水トリー劣化の診断をすることができない。

【0006】

特許文献１には、診断対象の電力ケーブルの絶縁体の誘電損を測定し、測定された誘電損と正常な電力ケーブルの絶縁体の誘電損とを比較して電力ケーブルの劣化を診断する手法が開示されている。具体的には、特許文献１では、診断対象の電力ケーブルの絶縁体の誘電損を測定する際に、交流電圧を信号源とし、診断対象の電力ケーブルに流れる電流を測定信号として検出し、交流電圧に対して９０°位相が遅れた逆加算信号を発生させて測定信号に加算し、交流電圧を参照信号とした特定周波数成分抽出手段に入力して、特定周波数成分抽出手段の出力が最小になるように逆加算信号の大きさを調整して、その出力の大きさから誘電損を算出している。

【0007】

特許文献２には、少なくとも２種類の電圧値の交流電圧を電力ケーブルに印加し、交流電圧及び交流電圧を電力ケーブルに印加したときに得られる損失電流に含まれる高調波成分の交流電圧基本波成分に対する重畳位相を測定し、少なくとも２種類の交流電圧を印加したときの損失電流に含まれる高調波成分の重畳位相の変化の程度を用いて、電力ケーブルの劣化を診断する手法が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特許第２５３５２９２号公報

【特許文献2】特開平１１−６８５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

特許文献１の手法では、診断対象の電力ケーブルに検出用抵抗を接続し、この検出用抵抗に流れる電流を測定信号として用いている。そのため、診断対象の電力ケーブルに検出用抵抗を接続する際には、電力ケーブルをオフラインとしなければならない。また、特許文献１の手法では、診断対象の電力ケーブルに与えられる交流電圧を参照電圧として特定周波数成分抽出手段に入力している。しかしながら、オンラインの電力ケーブルには、数千ボルトという高電圧が負荷されているため、オンラインの状態の交流電圧を、参照電圧としてそのまま用いることができない。そのため、特許文献１の手法では、診断時にも、電力ケーブルをオフラインとして、診断用の小さな交流電圧を参照電圧として用いる必要があり、電力ケーブルのオンライン診断を行うことができない。

【0010】

特許文献２の手法は、電力ケーブルに少なくとも２種類以上の交流電圧を印加しなければならず、一定電圧が印加されている電力ケーブルのオンライン劣化診断には適用することができない。また、特許文献２の手法では、試料（電力ケーブルの絶縁体）と標準コンデンサに交流電圧を印加し、ブリッジ回路により、試料に流れる電流から電源電圧位相より９０°進んだ成分を除去し、損失電流を検出している。しかしながら、ブリッジ回路では、電流値が大きく異なる電源電圧位相より９０°進んだ成分と損失電流とを精度よく分離することができない。

【0011】

本発明は、このような問題に対してなされたものであり、精度よく電力ケーブルのオンライン劣化診断が可能な電力ケーブルのオンライン劣化診断装置及び電力ケーブルのオンライン劣化診断方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明は、上記のような目的を達成するために、以下のような特徴を有している。
［１］電力ケーブルの遮蔽導体の接地線に流れる漏れ電流Ｉｅを検出する電流検出手段と、
基準信号を発生させる基準信号発生手段と、
基準信号の位相θを調整する位相調整手段と、
基準信号発生手段によって発生された基準信号と、電流検出手段で検出された漏れ電流Ｉｅとを入力し、漏れ電流Ｉｅのうち基準信号と同一の周波数成分の絶対値｜Ｉ｜を出力する特定周波数成分抽出手段と、
を有する電力ケーブルのオンライン劣化診断装置。
［２］充電電流Ｉｃと損失電流Ｉｒからなる漏れ電流Ｉｅから、損失電流Ｉｒを抽出する制御装置を備えた［１］に記載の電力ケーブルのオンライン劣化診断装置。
［３］制御装置は、
基準信号発生手段を用いて、基準信号の周波数を、電力ケーブルに流れる電流の基本波成分と同一周波数に設定すると共に、位相調整手段を用いて、基準信号の位相θを、特定周波数成分抽出手段から出力される絶対値｜Ｉ｜が最大｜Ｉｃ｜となる位相θｃに調整し、
基準信号の位相θを、位相θｃから９０°遅れた位相θｒに調整し、このときの特定周波数成分抽出手段から出力される絶対値｜Ｉｒ｜に基づいて電力ケーブルの劣化診断を行う［２］に記載の電力ケーブルのオンライン劣化診断装置。
［４］制御装置は、｜Ｉｒ｜と｜Ｉｃ｜の関係に基づいて電力ケーブルの劣化診断を行う［３］に記載の電力ケーブルのオンライン劣化診断装置。
［５］電流検出手段は、着脱式貫通型の計測用交流器である［１］乃至［４］のうちいずれかに記載の電力ケーブルのオンライン劣化診断装置。
［６］電力ケーブルの遮蔽導体の接地線に流れる漏れ電流Ｉｅを検出し、
基準信号と、検出された漏れ電流Ｉｅとを入力し、漏れ電流Ｉｅのうち基準信号と同一の周波数成分の電流の絶対値｜Ｉ｜を出力する特定周波数成分抽出手段から出力される絶対値｜Ｉ｜が最大｜Ｉｃ｜となるように、基準信号の位相θを位相θｃに調整し、
基準信号の位相θを、位相θｃから９０°遅れた位相θｒに調整し、このときの特定周波数成分抽出手段から出力される絶対値｜Ｉｒ｜に基づいて電力ケーブルの劣化診断を行う電力ケーブルのオンライン劣化診断方法。
［７］｜Ｉｒ｜と｜Ｉｃ｜の関係に基づいて電力ケーブルの劣化診断を行う［６］に記載の電力ケーブルのオンライン劣化診断方法。

【発明の効果】

【0013】

本発明に係る電力ケーブルの劣化診断装置及び電力ケーブルの劣化診断方法によれば、診断対象の電力ケーブルをオンラインの状態としたまま、水トリーによる絶縁劣化を精度よく診断することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】診断対象となる電力ケーブルの構成を示す図である。

【図2】水トリー劣化が発生するメカニズムを示す図である。

【図3】本発明の実施の形態に係る電力ケーブルのオンライン劣化診断装置の構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、添付した図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。

【0016】

はじめに、本発明の原理について説明する。

【0017】

図１は、診断対象の電力ケーブルの構成を示す図である。導体１の外周には、順に、絶縁体２、遮蔽導体３、被覆材４が設けられている。絶縁体２は、架橋ポリエチレンにより構成されている。絶縁体２には、水トリーによる劣化が発生する。遮蔽導体３は、接地されている。この接地線に流れる電流を、漏れ電流Ｉｅとする。このように構成された電力ケーブルの導体１には、例えば、数千ボルトといった高電圧が負荷される。

【0018】

図２は、水トリー劣化が発生するメカニズムを示す図である。電力ケーブルが地下に埋設されるなど、周囲に水分のある環境に布設されると、絶縁体２に水が浸透する。絶縁体２に水が浸透すると、絶縁体２に数μｍ程度の空洞５が発生する。

【0019】

空洞５は、時間の経過とともに樹枝状に成長する。この樹枝状の空洞は、水トリー６と呼ばれる。この劣化が進むと、例えば使用開始後約３０年で絶縁破壊に至る。

【0020】

本発明では、このように発生する水トリーによる劣化の程度を、電力ケーブルに高電圧を負荷したままオンラインで診断することができる、電力ケーブルのオンライン劣化診断装置及びオンライン劣化診断方法を提案する。

【0021】

遮蔽導体３に流れる漏れ電流Ｉｅは、静電容量成分から漏れた電流Ｉｃ（以下、充電電流Ｉｃ）と抵抗成分から漏れた電流Ｉｒ（以下、損失電流Ｉｒ）の合成電流として表すことができる。充電電流Ｉｃは、導体１の電圧に対して９０°位相が進んで流れ、損失電流Ｉｒは、導体１の電圧と同位相で流れる。

【0022】

Ｉｅ＝Ｉｃ＋Ｉｒ
導体１と遮蔽導体３との間には、絶縁体２が挟まれており、導体１、遮蔽導体３及び絶縁体２によって、一種のコンデンサが形成されていると考えることができる。導体１の電圧によって、このコンデンサを介して充電電流Ｉｃが流れる。そのため、漏れ電流Ｉｅの主な成分は充電電流Ｉｃである。

【0023】

電力ケーブルの絶縁体２が水トリーにより劣化すると、損失電流Ｉｒが大きくなることが知られている。この損失電流Ｉｒは、非線形性を有している。そのため、接地線に流れる漏れ電流Ｉｅから、損失電流Ｉｒの成分を抽出することで、電力ケーブルの劣化診断を行うことができる。しかしながら、損失電流Ｉｒの大きさは、充電電流Ｉｃの１００分の１以下であり、漏れ電流Ｉｅから、損失電流Ｉｒを精度よく抽出しなければならない。

【0024】

本発明に係る実施の形態では、以下のような装置を用いて、漏れ電流Ｉｅから、主な成分である充電電流Ｉｃを取り除き、微小な損失電流Ｉｒを抽出している。

【0025】

図３は、本発明の実施の形態に係る電力ケーブルのオンライン劣化診断装置の構成を示す図である。

【0026】

電力ケーブルのオンライン劣化診断装置は、電流検出手段１１、特定周波数成分抽出手段１２、基準信号発生手段１３、位相調整手段１４を備えている。なお、図３では、電力ケーブルを構成する導体１を実線で、遮蔽導体３を点線で示している。

【0027】

電流検出手段１１は、診断対象となる電力ケーブルの接地線に取り付けられ、漏れ電流Ｉｅを検出する。電流検出手段１１は、着脱式貫通型の交流用変流器を使用することができる。

【0028】

特定周波数成分抽出手段１２は、電流検出手段１１によって検出された漏れ電流Ｉｅと、基準信号発生手段１３から基準信号を入力する。特定周波数成分抽出手段１２は、入力した漏れ電流Ｉｅに含まれる、基準信号の周波数と同一周波数成分の電流の絶対値｜Ｉ｜を出力する。特定周波数成分抽出手段１２としては、ロックインアンプを用いることができる。

【0029】

基準信号発生手段１３は、任意の周波数の基準信号を発生させる。基準信号発生手段１３には、位相調整手段１４が接続されている。位相調整手段１４は、基準信号の位相θを調整する。

【0030】

次に、このように構成された装置を用いた電力ケーブルのオンライン劣化診断方法について説明する。

【0031】

診断対象となる電力ケーブルの接地線に電流検出手段１１を取り付け、図３の装置を電力ケーブルにセットする。

【0032】

基準信号発生手段１３により、出力する基準信号の周波数を、診断対象の電力ケーブルが接続されている電力系統の周波数と同じ周波数に設定する（ステップ１）。例えば、診断対象の電力ケーブルが接続されている電力系統の周波数が６０Ｈｚであれば、基準信号の周波数を６０Ｈｚに調整する。

【0033】

これにより、特定周波数成分抽出手段１２からは、漏れ電流Ｉｅに含まれる、電力ケーブルの基本波成分の周波数と同一の周波数成分の電流の絶対値｜Ｉ｜が出力される。

【0034】

この状態で、特定周波数成分抽出手段１２から出力される絶対値｜Ｉ｜が、最大になるように位相調整手段１４の位相θを調整する。上述のように、漏れ電流Ｉｅの主な成分は、充電電流Ｉｃであるため、絶対値｜Ｉ｜が最大となるように位相θを調整することで、充電電流Ｉｃの位相と、特定周波数成分抽出手段１２から出力される信号の位相を一致させる（ステップ２）。位相を調整した後の、特定周波数成分抽出手段１２から出力される周波数成分の絶対値｜Ｉ｜と、そのときの位相調整手段１４の位相θを、絶対値｜Ｉｃ｜、位相θｃとする。

【0035】

位相調整手段１４を操作し、位相θｃから９０°遅れた位相に、基準信号の位相θを調整する（ステップ３）。このときに特定周波数成分抽出手段１２から出力される絶対値｜Ｉ｜と、そのときの位相調整手段１４の位相θを、絶対値｜Ｉｒ｜と位相θｒとする。この絶対値｜Ｉｒ｜と位相θｒは、損失電流Ｉｒに相当する。そして、絶対値｜Ｉｒ｜に基づいて、電力ケーブルの劣化診断を行う（ステップ４）。

【0036】

例えば、ステップ４においては、｜Ｉｒ｜／｜Ｉｃ｜を算出する。そして、｜Ｉｒ｜／｜Ｉｃ｜を予め設定したしきい値と比較し、｜Ｉｒ｜／｜Ｉｃ｜がこのしきい値よりも大きい場合には、診断対象の電力ケーブルの絶縁体２に、水トリーによる劣化が生じていると判断する。

【0037】

具体的には、ＩＥＥＥ Ｓｔｄ ４００−２００１によると｜Ｉｒ｜／｜Ｉｃ｜が０．４％以上で要注意、１．０％で水トリーによる異常が発生していると判断することができるとされている。

【0038】

このような電力ケーブルの計測及び判断を３相のケーブルそれぞれに対して実施し、電力ケーブルの診断を行う。

【0039】

なお、上記の説明では、算出した｜Ｉｒ｜／｜Ｉｃ｜に基づいて水トリーによる劣化を判断したが、診断にあたっては、｜Ｉｃ｜を用いなくてもよい。例えば、絶対値｜Ｉｒ｜と電力ケーブルに流れる電流値によって定めたしきい値とを比較して水トリーによる劣化を判断してもよい。また、診断にあたって｜Ｉｃ｜を用いる場合であっても、｜Ｉｒ｜と｜Ｉｃ｜との関係に基づいていれば、どのような値を用いて電力ケーブルの診断を行ってもよい。

【0040】

このように、本実施の形態では、特定周波数成分抽出手段１２を用いることで、漏れ電流Ｉｅのうち充電電流Ｉｃを精度よく抽出し、その結果、損失電流Ｉｒを精度よく検出することができる。そのため、電力ケーブルがオンラインの状態において損失電流Ｉｒに重畳するノイズ（充電電流Ｉｃ）の影響を、精度よく除去することができる。

【0041】

また、漏れ電流Ｉｅのうち、最も大きな電流成分である充電電流Ｉｃを基準として、その充電電流Ｉｃに対して９０°位相が遅れて流れる損失電流Ｉｒを計測するため、電力ケーブルの導体１に流れる電圧信号を計測することなく、接地線に流れる漏れ電流Ｉｅを計測するだけで、電力ケーブルの劣化診断を行うことができる。そのため、電力ケーブルを停電させる必要がなく、オンラインとした状態で電力ケーブルの診断を行うことができる。

【0042】

また、本実施の形態では、電流検出手段１１として着脱式貫通型の計測用変流器を用いることにより、回路を開放することなく、安全に診断を行うことができる。

【0043】

なお、ステップ１〜ステップ４の処理は、人為的に行うように構成してもよく、オンライン劣化診断装置にコンピュータ（制御装置）を設け、ステップ１〜ステップ５のうちの任意の処理をコンピュータにより自動的に行うように構成してもよい。

【0044】

また、上記の説明では、電力ケーブルのオンライン劣化診断装置及び劣化診断方法として説明したが、電力ケーブルのオンライン劣化診断方法をコンピュータにより実行させるプログラムとして構成してもよい。

【符号の説明】

【0045】

１ 導体
２ 絶縁体
３ 遮蔽導体
４ 被覆材
５ 空洞
６ 水トリー
１１ 電流検出手段
１２ 特定周波数成分抽出手段
１３ 基準信号発生手段
１４ 位相調整手段

【図1】

【図2】

【図3】