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(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】
(24)【登録日】2023-12-04
(45)【発行日】2023-12-12
(54)【発明の名称】部分放電測定装置
(51)【国際特許分類】
G01R 31/12 20200101AFI20231205BHJP
G01R 31/34 20200101ALI20231205BHJP
【ＦＩ】
G01R31/12 A
G01R31/34 D
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2020124889
(22)【出願日】2020-07-22
(65)【公開番号】P2022021382
(43)【公開日】2022-02-03
【審査請求日】2023-02-21
(73)【特許権者】
【識別番号】000006105
【氏名又は名称】株式会社明電舎
(74)【代理人】
【識別番号】100086232
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 博通
(74)【代理人】
【識別番号】100092613
【弁理士】
【氏名又は名称】富岡 潔
(74)【代理人】
【識別番号】100104938
【弁理士】
【氏名又は名称】鵜澤 英久
(74)【代理人】
【識別番号】100210240
【弁理士】
【氏名又は名称】太田 友幸
(72)【発明者】
【氏名】大石 和城
【審査官】田口 孝明
(56)【参考文献】
【文献】特開２００６－０５８１６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－０６４４６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－３４７４２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０７２３０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０５－１４９９９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－１０９３９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－２２４８８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０４０７６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭５５－０５１７８７（ＪＰ，Ｕ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
ＩＰＣ Ｇ０１Ｒ ３１／１２－３１／２０、
３１／３２７－３１／３４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
中空で円筒状に形成され、電源と測定対象とを結ぶケーブルを通した状態で設けられた貫通型の電極と、前記電極に直列接続されたコンデンサと、
前記コンデンサに直列接続され接地された検出インピーダンスと、
前記検出インピーダンスで検出された信号を低周波成分の電圧波形と高周波成分の部分放電波形に波形分離する波形分離器と、
分離された前記電圧波形と前記部分放電波形に基づいて部分放電パターンを得る波形観測演算装置と、を備えたことを特徴とする部分放電測定装置。
【請求項2】
前記電極は、分割可能であることを特徴とする請求項１記載の部分放電測定装置。
【請求項3】
平板状または半円状に形成され、電源と測定対象とを結ぶケーブルに近接させた状態で設けられた電極と、前記電極に直列接続されたコンデンサと、
前記コンデンサに直列接続され接地された検出インピーダンスと、
前記検出インピーダンスで検出された信号を低周波成分の電圧波形と高周波成分の部分放電波形に波形分離する波形分離器と、
分離された前記電圧波形と前記部分放電波形に基づいて部分放電パターンを得る波形観測演算装置と、を備えたことを特徴とする部分放電測定装置。
【請求項4】
前記波形分離器は、ハイパスフィルタにより高周波成分の前記部分放電波形を抽出し、ローパスフィルタにより低周波成分の前記電圧波形を抽出することを特徴とする請求項１～３のうち何れかに記載の部分放電測定装置。
【請求項5】
前記電極は、三相の前記ケーブルの束に対して一括して設けられたことを特徴とする請求項１～４のうち何れかに記載の部分放電測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、回転機（高圧、低圧）及び静止機器（高圧、低圧）から発生する部分放電を検出する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
従来の部分放電測定装置の一例を図１０（ａ）に示す。図１０（ａ）に示すように、電源ライン１０と発電機等２０との間に、３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）のケーブル（例えば、高圧ケーブル：以下、高圧ケーブルと称する）３１，３２，３３が敷設されている。各高圧ケーブル３１，３２，３３は、高電圧プローブ４１，４２，４３を介して接地される。各高電圧プローブ４１，４２，４３で検出された電源電圧Ｖ－Ｕ，Ｖ－Ｖ，Ｖ－Ｗが計測器５０へ出力される。
【0003】
各高圧ケーブル３１，３２，３３は、さらに、コンデンサＣと検出インピーダンスＺを順に接続して接地され、各検出インピーダンスＺで検出された信号Ｕ－ｐｕｌｓｅ，Ｖ－ｐｕｌｓｅ，Ｗ－ｐｕｌｓｅが計測器５０へ出力される。
【0004】
計測器５０は、高電圧プローブ４１，４２，４３で検出された電源電圧Ｖ－Ｕ，Ｖ－Ｖ，Ｖ－Ｗおよび検出インピーダンスＺで検出された信号Ｕ－ｐｕｌｓｅ，Ｖ－ｐｕｌｓｅ，Ｗ－ｐｕｌｓｅに基づいて、高周波成分である部分放電波形と低周波成分である電圧波形を分離する。図１０（ａ）において、電圧波形は正弦波として、部分放電波形は縦線として示している。
【0005】
また、従来の部分放電測定装置は、図１０（ｂ）に示すように、コンデンサＣと検出インピーダンスＺを備えた部分放電検出手段と、計測器５０と、で構成される場合もある。
【0006】
ここで、部分放電は、発電機等２０において、運転ストレスによって固定子巻線の絶縁層に亀裂や剥離などの劣化が生じた場合、劣化部に発生するものである。部分放電を検出することにより、絶縁の劣化状態を把握できるが、部分放電は運転に伴う電波雑音（ノイズ）に埋もれているので、部分放電をノイズと識別する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開２０１８－７２３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
図１０（ａ），（ｂ）に示すように、特にコンデンサＣは高圧ケーブルに直接接続されて使用される。これは高電圧機器内部で発生する部分放電が主に高圧ケーブルに直接接続されている高電圧側で発生し、かつ部分放電発生箇所から近いため大きな部分放電信号が得られやすいといった理由による。
【0009】
しかし、コンデンサＣは高圧ケーブルの導体に直接接続しなければならず、取付後の絶縁被覆処理など高電圧に長時間耐えうる絶縁処理を施さなければならないといった問題がある。
【0010】
以上示したようなことから、部分放電測定装置において、コンデンサに対して高電圧に長時間耐えうる絶縁処理を施すことを不要にすることが課題となる。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、中空で円筒状に形成され、電源と測定対象とを結ぶケーブルを通した状態で設けられた貫通型の電極と、前記電極に直列接続されたコンデンサと、前記コンデンサに直列接続され接地された検出インピーダンスと、前記検出インピーダンスで検出された信号を低周波成分の電圧波形と高周波成分の部分放電波形に波形分離する波形分離器と、分離された前記電圧波形と前記部分放電波形に基づいて部分放電パターンを得る波形観測演算装置と、を備えたことを特徴とする。
【0012】
また、その一態様として、前記電極は、分割可能であることを特徴とする。
【0013】
また、他の態様として、平板状または半円状に形成され、電源と測定対象とを結ぶケーブルに近接または当接させた状態で設けられた電極と、前記電極に直列接続されたコンデンサと、前記コンデンサに直列接続され接地された検出インピーダンスと、前記検出インピーダンスで検出された信号を低周波成分の電圧波形と高周波成分の部分放電波形に波形分離する波形分離器と、分離された前記電圧波形と前記部分放電波形に基づいて部分放電パターンを得る波形観測演算装置と、を備えたことを特徴とする。
【0014】
また、その一態様として、前記波形分離器は、ハイパスフィルタにより高周波成分の前記部分放電波形を抽出し、ローパスフィルタにより低周波成分の前記電圧波形を抽出することを特徴とする。
【0015】
また、その一態様として、前記電極は、三相の前記ケーブルの束に対して一括して設けられたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、部分放電測定装置において、コンデンサに対して高電圧に長時間耐えうる絶縁処理を施すことを不要にすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】実施形態における部分放電測定装置を示す概略図。
【図2】部分放電検出手段の等価回路を示す図。
【図3】計算に用いた部分放電測定装置の等価回路を示す図（ＡＣ５０Ｈｚ、６３５０Ｖ）。
【図4】計算結果を示す図（ＡＣ５０Ｈｚ、６３５０Ｖ）。
【図5】計算に用いた部分放電測定装置の等価回路を示す図（ＤＣ、８９８０Ｖ）。
【図6】計算結果を示す図（ＤＣ、８９８０Ｖ）。
【図7】計算に用いた部分放電測定装置の等価回路を示す図（三相電源、ＡＣ５０Ｈｚ、６３５０Ｖｒｍｓ）。
【図8】計算結果を示す図（三相電源、ＡＣ５０Ｈｚ、６３５０Ｖｒｍｓ）。
【図9】劣化したバーコイルを用いた測定実施例を示す図。
【図10】従来の部分放電測定装置を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【0018】
【0019】
［実施形態］
図１に本実施形態における部分放電測定装置の概略図を示す。本実施形態の部分放電測定装置は、部分放電検出手段６０と、波形分離手段８０と、波形観測演算装置９０と、を備える。本実施形態における部分放電測定装置は、測定対象の停止中（オフライン）のみではなく、測定対象の運転稼働中（オンライン）においても部分放電を測定することを可能としたものである。測定対象は、例えば、回転機（高圧、低圧）や静止機器（高圧、低圧）が挙げられる。
図１に本実施形態における部分放電測定装置の概略図を示す。本実施形態の部分放電測定装置は、部分放電検出手段６０と、波形分離手段８０と、波形観測演算装置９０と、を備える。本実施形態における部分放電測定装置は、測定対象の停止中（オフライン）のみではなく、測定対象の運転稼働中（オンライン）においても部分放電を測定することを可能としたものである。測定対象は、例えば、回転機（高圧、低圧）や静止機器（高圧、低圧）が挙げられる。
【0020】
部分放電検出手段６０は、貫通型電極７０と、コンデンサＣと、検出インピーダンスＺと、を備える。
【0021】
貫通型電極７０は、中空で円筒状に形成され、電源と測定対象とを結ぶ高圧ケーブルを通した状態で設けられる。貫通型電極７０はＵ，Ｖ，Ｗ相の高圧ケーブルを通す形状である。高圧ケーブルに容易に設けるために、貫通型電極７０を分割可能な型でもよい。また、貫通型電極７０に代えて、平板状または湾曲した半円状に形成された電極を用いても良い。この電極の場合は、高圧ケーブルに近接または当接させた状態で設けられる。
【0022】
主な耐電圧性能は高圧ケーブルの絶縁被覆およびコンデンサＣが負担するため、特に貫通型電極７０の耐電圧特性は不要で、高圧ケーブルの絶縁被覆表面に接触しても問題ない。ただし、高圧ケーブルの絶縁被覆損傷を避けるため、高圧ケーブルの絶縁被覆表面から数ｍｍ以上の空間を設けるか、ゴムなどの応力緩衝材で隙間を埋める。また、計器用変流器に関する規格や内線規程に従った空間距離を取ってもよい。
【0023】
貫通型電極７０の材質は電気伝導性の良い材料であればよく、例えば銅とする。表面は塗装や絶縁材巻き付けなど絶縁性、耐腐食性を付与する。
【0024】
コンデンサＣは貫通型電極７０に直列接続され、高電圧に対する耐電圧を確保できる仕様とする。また、静電容量は１０～１０００ｐＦのいずれでもよいが、貫通型電極７０と高圧ケーブルとの間の静電容量を考慮して設定する。
【0025】
検出インピーダンスＺは、コンデンサＣに直列接続され、接地される。検出インピーダンスＺは抵抗と並列にアレスタ（サージアブソーバー）を組み合わせた構成とする。抵抗値はローパスフィルタＬＰＦを介して入力した信号が波形観測演算装置９０で判別できる値にする（例えば１０ｋΩ～５００ｋΩ）。
【0026】
波形分離手段８０は、ハイパスフィルタＨＰＦとローパスフィルタＬＰＦから成る。
【0027】
ハイパスフィルタＨＰＦによって部分放電波形のみを取り出す。カットオフ周波数は周囲のノイズ環境によって調整する（例えば、カットオフ周波数５ＭＨｚ以上）。
【0028】
ローパスフィルタＬＰＦによって電圧信号（電圧波形）のみを取り出す。カットオフ周波数は周囲のノイズ環境によって調整する（例えば、カットオフ周波数５ＭＨｚ以下）。
【0029】
波形観測演算装置９０は、分離した２波形を観測して合成し、部分放電パターンを得る。カットオフ周波数５ＭＨｚは周辺機器から伝搬してくる立ち上がり時間５０ｎｓ／立下り時間５０ｎｓのインバータサージ電圧が繰り返し印加されると仮定した場合、その波形の周波数は５ＭＨｚであることから、この周波数帯域をノイズとして取り除くために決めた値である。
【0030】
部分放電検出手段６０については図２の等価回路を用いて説明する。貫通型電極７０とＵ，Ｖ，Ｗ相の高圧ケーブルとの間の静電容量をＣａｉｒ、絶縁抵抗をＲａｉｒ、コンデンサＣの静電容量をＣｖｃ、絶縁抵抗をＲｖｃ、検出インピーダンスＺの抵抗をＲｄｅｔｅｃｔ、高圧ケーブルの対地間電圧をＶ、検出インピーダンスＺの出力電圧をＶｏｕｔとする。また、貫通型電極７０とコンデンサＣの合成抵抗をＲ、合成静電容量をＣ、商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の時のインピーダンスをＺとする。
【0031】
合成抵抗Ｒ、合成静電容量Ｃ、インピーダンスＺは以下の式で計算できる。
【0032】
【数1】
【0033】
出力電圧Ｖｏｕｔは商用周波数の場合はインピーダンスＺと検出インピーダンスの抵抗Ｒｄｅｔｅｃｔの比で決まる電圧波形、高圧ケーブルが直流の場合は合成抵抗Ｒと検出インピーダンスの抵抗Ｒｄｅｔｅｃｔの比で決まる電圧波形と、貫通型電極７０を介して伝搬される部分放電波形と、が重ね合わされた波形として出力される。
【0034】
出力電圧Ｖｏｕｔの電圧波形はハイパスフィルタＨＰＦとローパスフィルタＬＰＦを介して部分放電波形と電圧波形とに分離され、波形観測演算装置９０に入力し、部分放電パターンを得る。
【0035】
具体的な動作例として、表１に示す値を用いてシミュレーションを行った。ここで使用したソフトウェアはＰＳＩＭ Ｄｅｍｏ Ｖｅｒｓｉｏｎ １１．０.２ （Ｐｏｗｅｒｓｉｍ Ｉｎｃ）である。
【0036】
【表1】
【0037】
単相電源に適用した計算例を図３～図６に示す。図３は、電源電圧Ｖを、ＡＣ５０Ｈｚ、６３５０Ｖとした場合の等価回路である。貫通型電極７０の絶縁抵抗Ｒａｉｒ、静電容量Ｃａｉｒ、コンデンサＣの絶縁抵抗Ｒｖｃ、静電容量Ｃｖｃ、検出インピーダンスＺの抵抗Ｒｄｅｔｅｃｔ、ハイパスフィルタＨＰＦ、ローパスフィルタＬＰＦは表１の条件としている。部分放電波形Ｓｕｒｇｅは、表１の模擬ＰＤ信号の条件としている。なお、図３中の「ｅ３」，「ｅ６」，「ｅ－１２」はそれぞれ１０3，１０6，１０-12とする。
【0038】
波形観測演算装置９０は、入力Ａに高圧ケーブルに対地間電圧Ｖ、入力Ｂに出力電圧Ｖｏｕｔ、入力ＣにハイパスフィルタＨＰＦを介した部分放電信号、入力ＤにローパスフィルタＬＰＦを介した電圧信号が入力される。
【0039】
図４は、図３の等価回路の時の計算結果であり、波形観測演算装置９０の入力Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに入力された信号を示している。電源電圧６３５０Ｖに対し、Ｒｄｅｔｅｃｔ／Ｚ≒１／２０００だけ低い電圧が出力電圧Ｖｏｕｔとして出力される。この信号をハイパスフィルタＨＰＦ、ローパスフィルタＬＰＦに通すことによって部分放電波形と電圧波形とに分離できる。
【0040】
【0041】
図６は、図５の等価回路の時の計算結果である。直流電源電圧８９８０Ｖに対し、Ｒｄｅｔｅｃｔ／Ｒ≒１／９０００だけ低い電圧が出力電圧Ｖｏｕｔとして出力される。この信号をハイパスフィルタＨＰＦ、ローパスフィルタＬＰＦに通すことによって部分放電波形と直流電圧波形とに分離できる。
【0042】
【0043】
部分放電信号波形Ｓｕｒｇｅ＿Ｕは１Ｖ、５００Ｈｚ、デューティ比０．０２、部分放電波形Ｓｕｒｇｅ＿Ｖは２Ｖ、１ｋＨｚ、デューティ比０．０１、部分放電波形Ｓｕｒｇｅ＿Ｗは３Ｖ、２ｋＨｚ、デューティ比０．０１で与えている。
【0044】
貫通型電極７０に三相交流の電線を通す場合、貫通型電極７０の等価回路はＵ，Ｖ，Ｗの３分割となる。分割された１つ１つの貫通型電極７０部分の絶縁抵抗は１７４０ＭΩ、静電容量は５．３３ｐＦとなる。３回路を合成すると表１の値と同じになる。その他は、図３、図５と同様である。
【0045】
図８は、図７の等価回路の時の計算結果である。三相交流の場合は平衡状態であればＵ，Ｖ，Ｗの電圧を合成すると０Ｖとなる。従って、出力電圧Ｖｏｕｔには部分放電波形のみが観測される。これをハイパスフィルタＨＰＦに通すと部分放電波形が、ローパスフィルタＬＰＦを通すと三相交流電源の中性点電位（０Ｖ）が得られる。
【0046】
図９で示すように、劣化させた１１ｋＶ級固定子絶縁のバーコイル３本に高電圧の三相電圧（線間１１ｋＶ、対地間６．３５ｋＶ）を供給し、電源側の高圧ケーブルＵ，Ｖ，Ｗを束にして一括して貫通型電極７０に通した状態での部分放電を測定した。この時、Ｕ，Ｖ，Ｗの高圧ケーブルと、貫通型電極７０とコンデンサＣとの間の絶縁抵抗Ｒは１４３６ＭΩ、静電容量Ｃは１９ｐＦ、ＡＣ５０Ｈｚでのインピーダンスは１６７ＭΩである。
【0047】
電圧は観測できないが、電源の相順がＵ→Ｗ→Ｖであり、かつＵ相を基準に測定しているため、最初の部分放電パターンはＵ相、２つ目の部分放電パターンはＷ相、３つ目の部分放電パターンはＶ相と判断でき、かつ各相で部分放電パターンが異なっていることが判断できる。
【0048】
なお、図９の位相－放電量のパターンは基準となるＵ相における１サイクル分（位相：０～３６０°）の測定データを５０回重ね書きしたものであり、測定装置としてＳＰＡＲＫＳ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ社のＰａｒｔｉａｌ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ａｎａｌｙｚｅｒ（型式：ＴＭＳ－６１４１）を使い、ハイパスフィルタ：５ＭＨｚ、ローパスフィルタ：８００ｋＨｚに設定した時のデータである。
【0049】
以上示したように、本実施形態によれば、ケーブルには貫通型電極７０が設けられるため、コンデンサＣはケーブルの導体に直接接続する必要がなく、取付後の絶縁被覆処理など高電圧に長時間耐えうる絶縁処理を施すことが不要となる。
【0050】
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
【符号の説明】
【0051】
Ｃ…コンデンサ
Ｚ…検出インピーダンス
６０…部分放電検出手段
７０…貫通型電極
ＨＰＦ…ハイパスフィルタ
ＬＰＦ…ローパスフィルタ
８０…波形分離器
９０…波形観測演算装置
Ｚ…検出インピーダンス
６０…部分放電検出手段
７０…貫通型電極
ＨＰＦ…ハイパスフィルタ
ＬＰＦ…ローパスフィルタ
８０…波形分離器
９０…波形観測演算装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】