特許 7523061 モールド変圧器の絶縁劣化診断方法

(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】

(24)【登録日】2024-07-18

(45)【発行日】2024-07-26

(54)【発明の名称】モールド変圧器の絶縁劣化診断方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/12 20200101AFI20240719BHJP

   G01R 31/62 20200101ALI20240719BHJP

   G01R 31/00 20060101ALI20240719BHJP

【ＦＩ】

G01R31/12 A

G01R31/62

G01R31/00

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2020140127

(22)【出願日】2020-08-21

(65)【公開番号】P2022035651

(43)【公開日】2022-03-04

【審査請求日】2023-08-04

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和元年 電気学会 電力・エネルギー部門大会「講演予稿集」 ３１１頁 発行日：令和１年８月２３日

(73)【特許権者】

【識別番号】513296958

【氏名又は名称】東芝産業機器システム株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504174135

【氏名又は名称】国立大学法人九州工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000567

【氏名又は名称】弁理士法人サトー

(72)【発明者】

【氏名】中前 哲夫

(72)【発明者】

【氏名】前田 照彦

(72)【発明者】

【氏名】尾崎 多文

(72)【発明者】

【氏名】大山 公治

(72)【発明者】

【氏名】匹田 政幸

(72)【発明者】

【氏名】小迫 雅裕

(72)【発明者】

【氏名】藤村 公大

【審査官】青木 洋平

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－２２２５３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－０９９８７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２７４４４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－０２１８４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－０９３９６６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ ３１／１２

Ｇ０１Ｒ ３１／６２

Ｇ０１Ｒ ３１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流電源と、カップリングコンデンサと、高周波測定器と、ループセンサと、オシロスコープと、切替スイッチとを含む部分放電の測定回路を用い、モールド変圧器で発生した部分放電を、前記高周波測定器及び前記ループセンサを用いて前記オシロスコープにより測定し、前記モールド変圧器を４端子回路とした場合の散乱パラメータとして、一次側巻線と二次側巻線との間の信号透過特性及び信号反射特性を測定し、前記モールド変圧器で発生した部分放電電流により誘起された電磁波の周波数成分を、前記散乱パラメータの周波数依存性におけるピーク信号に与える周波数と比較して周波数分析し、前記部分放電電流の周波数特性が前記ピーク信号に与える周波数と一致すれば、モールド変圧器の部分放電により発生した電磁波であると識別し、一致しなければ、ノイズを含む電磁波であると識別するモールド変圧器の絶縁劣化診断方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、モールド変圧器の絶縁劣化診断方法に関する。

【背景技術】

【0002】

モールド変圧器では、巻線と樹脂との界面での剥離や樹脂内部のボイド等の欠陥の有無を検出するため、固体絶縁物である樹脂に所定電圧を印加して部分放電を測定することが行われている（例えば特許文献１参照）。部分放電を測定して機器内部の欠陥の有無を非接触で検出する手法は、モールド変圧器の運転停止を必要とせず、絶縁劣化の早期発見や欠陥の位置評定を可能にする重要な手法の一つである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－１２７６８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、これまでの電磁波を測定する手法においては、ノイズを含む電磁波を捕捉していたので、モールド変圧器の部分放電により発生した電磁波であるかノイズを含む電磁波であるかを適切に識別することが困難であった。

【0005】

そこで、モールド変圧器の部分放電により発生した電磁波であるかノイズを含む電磁波であるかを適切に識別し、モールド変圧器の絶縁劣化診断を適切に行うことができるモールド変圧器の絶縁劣化診断方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態のモールド変圧器の絶縁劣化診断方法は、交流電源と、カップリングコンデンサと、高周波測定器と、ループセンサと、オシロスコープと、切替スイッチとを含む部分放電の測定回路を用い、モールド変圧器で発生した部分放電を、前記高周波測定器及び前記ループセンサを用いて前記オシロスコープにより測定し、前記モールド変圧器を４端子回路とした場合の散乱パラメータとして、一次側巻線と二次側巻線との間の信号透過特性及び信号反射特性を測定し、前記モールド変圧器で発生した部分放電電流により誘起された電磁波の周波数成分を、前記散乱パラメータの周波数依存性におけるピーク信号に与える周波数と比較して周波数分析し、前記部分放電電流の周波数特性が前記ピーク信号に与える周波数と一致すれば、モールド変圧器の部分放電により発生した電磁波であると識別し、一致しなければ、ノイズを含む電磁波であると識別する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】一実施形態を示す部分放電の測定回路を示す図

【図2】球ボイド試料の部分放電波形の周波数スペクトルを示す図

【図3】ボイド欠陥を有するモールド変圧器の部分放電波形の周波数スペクトルを示す図

【図4】モールド変圧器の電圧印加時の結線を示す図

【図5】インピーダンス周波数特性の測定時の結線を示す図

【図6】部分放電電流の周波数スペクトルを示す図

【図7】６．６ｋＶ計器用モールド変圧器における部分放電電流の周波数スペクトル、一次側巻線と二次側巻線との間の信号透過特性、信号反射特性を示す図

【図8】３３ｋＶ計器用モールド変圧器における部分放電電流の周波数スペクトル、一次側巻線と二次側巻線との間の信号透過特性、信号反射特性を示す図

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、部分放電の測定回路を示している。部分放電の測定回路１は、交流電源２と、カップリングコンデンサ３と、高周波測定器４と、ループセンサ５と、オシロスコープ（ＯＳＣ）６と、切替スイッチ７，８とを図示態様に接続して構成されている。

【0009】

交流電源２と接続点９との間の配線長さは約２０ｃｍ、接続点９と切替スイッチ７との間の配線長さは約１５ｃｍ、交流電源２と接続点１０との間の配線長さは約２０ｃｍ、接続点１０と切替スイッチ８との間の配線長さは約３０ｃｍ、接続点９とカップリングコンデンサ３との間の配線長さは約０ｃｍ、接続点１０とカップリングコンデンサ３との間の配線長さは約１５ｃｍとしており、部分放電の検出波形に対する試料の影響を明確にするために配線長さを極力短くしている。試料は、直径０．６５ｍｍの球ボイド試料と、ボイド欠陥を有するモールド変圧器とを採用した。

【0010】

切替スイッチ７の可動接点７ａと固定接点７ｂとを接続すると共に切替スイッチ８の可動接点８ａと固定接点８ｂとを接続し、電極１１ａと電極１１ｂとの間に球ボイド試料１３を配置し、Ｘ線照射装置１２からＸ線を照射させることで、球ボイド試料１３について測定を行う。又、切替スイッチ７の可動接点７ａと固定接点７ｃとを接続すると共に切替スイッチ８の可動接点８ａと固定接点８ｃとを接続し、固定接点７ｃ，８ｃをモールド変圧器１４に接続し、Ｘ線照射装置１２からＸ線を照射させることで、モールド変圧器１４について測定を行う。この場合、固定接点７ｃをモールド変圧器１４の一次側端子及び二次側端子に接続し、固定接点８ｃをモールド変圧器１４の接地端子に接続する。交流電源２からの印加電圧をそれぞれ８ｋＶ、５ｋＶとし、何れも印加電圧でもＸ線照射により部分放電の発生を促進している。部分放電は、高周波測定器４及びループセンサ５を用いてオシロスコープ６により測定した。ループセンサ５は、直径が１０ｍｍである。

【0011】

図２は、球ボイド試料の部分放電波形の周波数スペクトルを示し、図３は、モールド変圧器の部分放電波形の周波数スペクトルを示している。図２及び図３において、ＣＴは高周波測定器４による周波数スペクトルを示し、ＬＳはループセンサ５による周波数スペクトルを示している。図２から、球ボイド試料では、高周波測定器４及びループセンサ５による測定において８０ＭＨｚ付近に大きな成分を有し、更にループセンサ５による測定において２００ＭＨｚ以上でも成分を有する結果が得られている。球ボイド試料では、高周波測定器４による周波数スペクトルとループセンサ５による周波数スペクトルとで成分を検知した周波数が概ね一致する結果が得られており、高周波測定器４による周波数特性とループセンサ５による周波数特性とが概ね一致する結果が得られている。一方、図３から、モールド変圧器でも、高周波測定器４による周波数スペクトルとループセンサ５による周波数スペクトルとで成分を検知した周波数が概ね一致する結果が得られており、高周波測定器４による周波数特性とループセンサ５による周波数特性とが概ね一致する結果が得られている。

【0012】

球ボイド試料と、モールド変圧器では、大きな強度を示す周波数成分が異なっており、これは試料のインダクタンス及びキャパシタンスの影響によるものと考えられている。以上により、部分放電により放射される電磁波には、測定回路と試料自体のインピーダンスの影響を受けた数十ＭＨｚ帯域の低周波信号と、ボイド欠陥から直接放射される数百ＭＨｚ帯域の高周波信号との２種類が存在する結果が得られている。

【0013】

次に、モールド変圧器の内部結線のインピーダンス周波数特性が部分放電に及ぼす影響について説明する。試料は、球ボイド試料、６．６ｋＶ計器用モールド変圧器、３３ｋＶ計器用モールド変圧器を採用した。それぞれ上記と同様の試験系で印加電圧を印加し、二次側の接地線に配置した高周波測定器により部分放電を検出し、モールド変圧器のインピーダンス周波数特性をネットワークアナライザにより測定した。図４は、モールド変圧器の電圧印加時の結線を示し、図５は、インピーダンス周波数特性の測定時の結線を示す。ネットワークアナライザでは電圧印加時と同様な結線方法でモールド変圧器を４端子回路とした際の散乱パラメータを測定した。又、接地を介した巻線間の相互の影響を最小限にするため、各測定ポートにカプラを接続した。

【0014】

測定回路の配線長（Ｌ）を１５０ｍｍから５０００ｍｍに変化させて高周波測定器により部分放電を測定した。図６は、測定回路の配線長（Ｌ）を変化させたときの球ボイド試料及び６．６ｋＶ計器用モールド変圧器における部分放電電流の周波数スペクトルを示す。球ボイド試料では、配線長（Ｌ）の増加に伴い、ピーク強度を示す周波数ｆ_ｐが７８ＭＨｚ（ｆ_ｐ－１）付近から６４ＭＨｚ（ｆ_ｐ－２）付近へと低周波側に移動している。これらの周波数ｆ_ｐは、線路の集中回路定数インピーダンスから計算される共振周波数ｆ_ｒにより説明される。

【0015】

一方、６．６ｋＶ計器用モールド変圧器では、配線長（Ｌ）に依存せず、部分放電電流は３０ＭＨｚ付近に主成分を持ち、その第３次高調波として９０ＭＨｚ（ｆ_{ｈ－３ｒｄ}）付近、第５次高調波として１５０ＭＨｚ（ｆ_{ｈ－５ｔｈ}）付近にも周波数成分ｆ_ｈを持つことがわかる。

【0016】

以下、モールド変圧器固有の部分放電電流の周波数成分と考えられる３０ＭＨｚ帯域の起源解明について説明する。６．６ｋＶ計器用モールド変圧器について、インピーダンス周波数特性が部分放電電流の周波数成分に及ぼす影響について検討した。散乱パラメータとして、一次側巻線と二次側巻線との間の信号透過特性（ＩＬ：Insertion Loss）及び信号反射特性（ＲＬ：Return Loss）を測定した。

【0017】

図７は、６．６ｋＶ計器用モールド変圧器における部分放電電流の周波数スペクトル、一次側巻線と二次側巻線との間の信号透過特性Ｓ２１、信号反射特性Ｓ１１を示す。信号透過特性及び信号反射特性は、それぞれ以下の式で表される。ここで、ｖは図５の各信号強度を示している。
信号透過特性（ＩＬ）＝２０ｌｏｇ（ｖｔ／ｖｉ）
信号反射特性（ＲＬ）＝２０ｌｏｇ（ｖｒ／ｖｉ）

【0018】

図７から、部分放電電流、信号透過特性、信号反射特性のピークを示す周波数が３０ＭＨｚ帯域（図７中、破線Ａにて示す周波数帯域）で一致している結果が得られた。この結果は、部分放電電流及び散乱パラメータの何れも３０ＭＨｚ帯域において、信号がモールド変圧器の一次側巻線と二次側巻線との間を伝搬し易いことを示している。換言すれば、モールド変圧器のインピーダンス周波数特性が部分放電電流の主な周波数成分を決定することを示している。一方、信号透過特性及び信号反射特性は他の周波数帯においても極大及び極小を示す。この理由としては、６．６ｋＶ計器用モールド変圧器のＵ相とＷ相が鉄心を介して近いため、高周波帯域で端子間の静電結合の影響を受けたと解釈することができる。

【0019】

更に、単相構造の３３ｋＶ計器用モールド変圧器についても同様に、インピーダンス周波数特性が部分放電電流の周波数成分に及ぼす影響について検討した。図８は、３３ｋＶ計器用モールド変圧器における部分放電電流の周波数スペクトル、一次側巻線と二次側巻線との間の信号透過特性Ｓ２１、信号反射特性Ｓ１１を示す。信号反射特性は、モールド変圧器単体（Ｓ１１）及び試験回路接続時（with circuit）により測定した。図８から、部分放電電流、信号透過特性、信号反射特性のピークを示す周波数が２７ＭＨｚ付近で一致している結果が得られた。この結果から、３３ｋＶ計器用モールド変圧器においてもインピーダンス周波数特性が部分放電電流の主な周波数成分を決定することを示している。又、部分放電電流の周波数スペクトルの９ＭＨｚ付近のピークは、信号反射特性の測定結果の比較から、試験用変圧器等の試験系に起因する結果が得られた。

【0020】

以上により、モールド変圧器では、部分放電電流の周波数成分が数十ＭＨｚ帯域に主要なスペクトル強度のピークがあること、その周波数がモールド変圧器の散乱パラメータの極大及び極小を与える周波数と概ね一致する結果が得られた。したがって、部分放電電流の周波数特性が、モールド変圧器を４端子回路とした場合の散乱パラメータの周波数依存性におけるピーク信号に与える周波数と概ね一致することから、周波数分析をすることで部分放電に起因する電磁波を識別することが可能となる。即ち、散乱パラメータの周波数依存性におけるピーク信号に与える周波数と一致すれば、モールド変圧器の部分放電により発生した電磁波であると識別することができ、一方、一致しなければ、ノイズを含む電磁波であると識別することができる。

【0021】

以上に説明したように本実施形態によれば、以下に示す作用効果を得ることができる。モールド変圧器で発生した部分放電電流により誘起された電磁波の周波数成分を、モールド変圧器を４端子回路とした場合の散乱パラメータの周波数依存性におけるピーク信号に与える周波数と比較して周波数分析し、部分放電により発生した電磁波であるかノイズを含む電磁波であるかを識別するようにした。モールド変圧器の部分放電により発生した電磁波であるかノイズを含む電磁波であるかを適切に識別することができ、モールド変圧器の絶縁劣化診断を適切に行うことができる。

【0022】

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0023】

図面中、１は部分放電の測定回路である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】