JP2023030379A - 部分放電検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧ケーブルにコンデンサを直接取り付けることなく、部分放電の検出を図る。【解決手段】部分放電検出装置１５は、部分放電検出センサ６０・波形分離器８０・波形観測演算装置９０を備える。このセンサ６０は、高圧ケーブルと非接触に設置される銅製の平板型電極７０と、平板型電極７０に直列接続されたコンデンサＣと、コンデンサＣに直列接続されて接地された検出インピーダンスＺとを備える。波形分離器８０は、検出インピーダンスＺ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とに波形分離するＨＰＦ１００・ＬＰＦ２００を備える。波形観測演算装置９０は、波形分離器８０で分離された電圧波形と部分放電波形とに基づいて部分放電パターンを取得する。【選択図】図２

Description

本発明は、測定対象の回転機（高圧・低圧）／静止機器（高圧・低圧）などの機器から発生する部分放電を検出する技術に関する。

回転機などでは、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るため、運転中の電圧により劣化箇所に部分放電が発生し、かか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している。

図１に基づき従来の部分放電検出装置を説明する。図１（ａ）は、結合コンデンサＣ（以下、コンデンサＣ）を部分放電検出手段に用いる一方、高電圧プローブ４１，４２，４３を電圧検出手段に用いた部分放電検出装置を示している。

ここでは電源ライン１０と測定対象の機器（発電機など）２０との間に３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の給電線（例えば高圧ケーブル：以下、高圧ケーブルとする。）３１，３２，３３が敷設されている。

この各高圧ケーブル３１，３２，３３は、高電圧プローブ４１，４２，４３を介して接地される。また、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。

各高圧ケーブル３１，３２，３３は、コンデンサＣ（結合コンデンサ）と検出インピーダンスＺを順に接地される。この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。

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の部分放電波形と低周波成分の電圧波形とを分離する。図１（ａ）中では、電圧波形を正弦波として示し、部分放電波形を縦線として示している。

このような部分放電検出装置は、電源電圧を計測する手段として高電圧プローブ４１，４２，４３が必要となるため、配線が複雑化するおそれがある。そこで、特許文献１の部分放電検出装置は、コンデンサＣを静電容量と抵抗成分との並列回路で構成し、図１（ｂ）に示すように、高電圧プローブ４１，４２，４３の省略を図っている。

特開２０２０－１４４０７８

図１（ａ）（ｂ）の部分放電検出装置は、コンデンサＣを高圧ケーブル３１，３２，３３に直接接続されて使用されている。これは機器２０の内部で発生する部分放電は、主に高圧ケーブル３１，３２，３３側で発生し、かつ部分放電の発生個所から近く大きな部分放電信号が得られ易いといった理由による。

しかしながら、機器２０の運用開始後に取り付ける場合には運用を停止し、高圧ケーブル３１，３２，３３の絶縁被膜を除去し、その後にコンデンサＣを取り付け直さなければならず、機器２０の運用を妨げるおそれがある。また、コンデンサＣの取付後に高電圧に長時間耐えうる絶縁処理を再度施す必要があるため、作業工程が多く、さらにコスト高騰を生じるおそれもあった。

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされ、高圧ケーブルにコンデンサを直接取り付けることなく、部分放電を検出することを解決課題としている。

（１）本発明は、測定対象の機器から発生する部分放電を検出する装置であって、
前記機器と電源とを結ぶ給電線と非接触の電極と、
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て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とに波形分離する波形分離器と、
前記波形分離器で分離された前記電圧波形と前記部分放電波形とに基づいて部分放電パターンを得る波形観察演算装置と、を備える。

（２）本発明の一態様は、前記電極が銅製の平板型に形成されていることを特徴としている。

（３）本発明の他の態様は、前記電極が前記機器から離れた位置に設置されることを特徴としている。

（４）本発明のさらに他の態様は、前記電極が前記機器のフレームに吸着する磁石を備えることを特徴としている。

（５）本発明のさらに他の態様は、前記波形分離器が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する一方、
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している。

本発明によれば、高圧ケーブルにコンデンサを直接取り付けることなく、部分放電を検出することができる。

（ａ）は従来の部分放電検出装置（高電圧プローブあり）の接続構成図、（ｂ）は同他例（高電圧プローブなし）の接続構成図。 本発明の実施形態に係る部分放電検出装置の構成図。 （ａ）は同部分放電検出センサの側面図、（ｂ）は同底面図。 実施例１の測定状態図。 同 放電計測結果を示すグラフ。 貫通型電極を用いた部分放電検出装置の構成図。 同 測定状態図。 実施例１の部分放電検出センサの設置バリエーションを示す平面図。 実施例２の測定状態図。

以下、本発明の実施形態に係る部分放電検出装置を説明する。この部分放電検出装置は、測定対象となる機器の停止中（オフライン）だけでなく、同機器の運転稼働中（オンライン）にも部分放電を検出可能なオンライン部分放電検出装置として構成されている。なお、測定対象となる機器としては、例えば回転機（高圧・低圧）や静止機器（高圧・低圧）などが該当する。

≪構成例≫
図２および図３に基づき前記部分放電検出装置の構成を説明する。ここでは図１（ａ）（ｂ）と同じ構成は、同一の符号を用いて説明する。図２中の１５は前記部分放電検出装置を示し、部分放電検出センサ６０・波形分離器８０・波形観測演算装置９０を備えている。

部分放電検出センサ６０は、図３（ａ）（ｂ）に示すように、機器２０・電源間を結ぶ高圧ケーブル３１，３２，３３と非接触に設置される平板型電極７０と、コンデンサ（真空コンデンサ）Ｃとを備え、コンデンサＣには検出インピーダンスＺが直列接続されて接地されている。

平板型電極７０は、図３（ｂ）に示すように、長方形状の平板に形成された電極本体７２と、電極本体７２の四隅に固定された磁石７３とを備えている。この電極本体７２は、「Ｌ（長辺：長手方向の長さ）＝３００ｍｍ×Ｗ（短辺：幅方向の長さ）＝１００ｍｍ×ｔ（高さ：厚さ）＝１．６ｍｍ」のサイズに形成されている。なお、電極本体７２の寸法は、設置場所のスペースに鑑みて任意に設計してよいが、少なくともコンデンサＣの取付寸法よりも大きくする。

電極本体７２の材質は、電気伝導性の良い金属であればよく、特に銅製が好ましい。また、電極本体７２の表面には、例えば絶縁ワニスコートなどの塗装や絶縁材巻き付けなどで絶縁性・耐腐食性が付与されている。なお、前記各磁石７３は、それぞれコンデンサＣと反対側の表面に配置・固定されている。

コンデンサＣは、平板型電極７１に直列接続され、高電圧に対する耐電圧を確保可能な仕様となっている。また、静電容量は、１０～１０００ｐＦのいずれでもよいが、平板型電極７１と高圧ケーブル３１～３３との間の静電容量を考慮して設定されるものとする。

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）を組み合わせたアレスタ付きの構成とする。抵抗値は、後述のローパスフィルタ（ＬＰＦ）２００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）。

波形分離器８０は、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１００と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２００とを備える。ＨＰＦ１００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）。

また、ＬＰＦ２００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、同様に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）。

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。前述のカットオフ周波数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。

図４および図５に基づき前記部分放電検出装置１５の実施例１を説明する。本実施例は、部分放電検出センサ６０を用いた発電機２０ａの部分放電の検出実験を示している。

具体的には、図４に示すように、発電機２０ａのロータＲ側（直結側Ｄ）と反対の反直結側Ｄ´に支持台３００を設置し、支持台３００上に平板型電極７０およびコンデンサＣを載置した。

ここでは平板型電極７０を反直結側Ｄ´のフレームＦから「約２００ｍｍ」の距離をおいて配置した。発電機２０ａは、あらかじめＷ相・Ｖ相の第一コイル（固定子コイル）でスロット放電が発生するように欠陥を作りこんでいる。この発電機２０ａを常規対地電圧にて運転し、オンラインにて部分放電を観測した（この時の放電電荷量はＶ相５００ｐＣ・Ｗ相２０００ｐＣである。）。

その結果、発電機２０ａの固定子で発生した部分放電信号と電圧波形は、平板型電極７０を介して伝搬され、ＨＰＦ１００とＬＰＦ２００とを介して部分放電信号と電圧波形に分離されて波形観測演算装置９０に入力され、図５の部分放電パターンが得られた。

図５の部分放電パターンでは、電圧は確認できないが、Ｖ相・Ｗ相の放電パターンを確認することができる。したがって、出力側の高圧部Ｈ（高圧ケーブル３１，３２，３３）と非接触の平板型電極７０を用いて発電機２０ａの部分放電を検出でき、これにより以下の効果が得られる。

（１）すなわち、前記部分放電検出装置１５によれば、従来のようにコンデンサＣを高圧ケーブル３１，３２，３３に直接接続することなく、部分放電を測定することができる。

したがって、発電機２０ａの運用開始後に取り付ける場合に高圧ケーブル３１，３２，３３の絶縁被膜を除去する必要がなく、またコンデンサＣの取付後の絶縁処理も不要となる。これにより従来の取付作業を簡素化でき、コストの抑制を図ることができる。

（２）図６および図７は、特願２０２０－１２４８８９号の部分放電検出装置を示している。この装置１６は、部分検出センサ６１の貫通型電極７１内に高圧ケーブル３１，３２，３３の導体を挿通することで前記絶縁被膜の除去およびコンデンサＣの取付後の絶縁処理を不要としている。

しかしながら、貫通型電極７１内に前記導体を挿通する必要があるため、従来と同様に発電機２０ａの運用開始後に取り付ける際には、その運用を停止なければならない。

これに対して前記部分放電検出装置１５は、高圧ケーブル３１，３２，３３と非接触の平板型電極７０を用いるため、フレームＦと離して設置できる。そのため、発電機２０ａの運用停止を伴わずに部分放電を検出でき、この点で発電機２０ａの運用を妨げることなく、簡便に検出可能な利点がある。

（３）平板型電極７０は、フレームＦと「約２００ｍｍ」以内に設置すればよいので、図８中の矢印Ｐ１～Ｐ５に示すように、フレームＦの周囲の任意位置に配置することができる（Ｐ１は図４の位置）。

したがって、前記部分放電検出装置１５によれば、平板型電極７０の配置位置が限られた環境下でも発電機２０ａの部分放電を検出することが可能となる。

図９に基づき前記部分放電検出装置１５の実施例２を説明する。ここでは部分放電検出センサ６０の平板型電極７０は、磁石７３の吸着により発電機２０ａの側面フレームＦ１の表面に着脱自在に取り付けられている。

したがって、平板型電極７０を実施例１よりも発電機２０ａの近傍に設置でき、検出感度を向上させることが可能となる。また、平板型電極７０は、フレームＦに直接取り付けられるため、支持台３００などの支えが不要となる。この点で必要資材を簡素化でき、また設置作業の労力を軽減する効果も得られる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載された範囲内で変形して実施することができる。例えば、実施例１の支持台３００を用いる場合には平板型電極７０の構成に磁石を設けなくともよい。

また、実施例２の磁石７３だけでなく、両面テープなどの他の手段を用いて側面フレームＦ１に平板型電極７０を直接取り付けてもよい。さらに部分放電検出センサ６０の電極は、高圧ケーブル３１，３２，３３と非接触であればよく、平板型電極７０に限定されないものとする。

１５…部分放電検出装置
２０ａ…発電機
３１，３２，３３…高圧ケーブル（給電線）
６０…部分放電検出センサ
７０…平板型電極
７２…電極本体
７３…磁石
８０…波形分離器
８０…波形観測演算装置
１００…ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）
２００…ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
３００…支持台
Ｃ…コンデンサ
Ｄ…直結側
Ｄ´…反直結側
Ｆ…フレーム
Ｆ１…側面フレーム
Ｒ…ロータ（回転子）
Ｓ…ステータ（固定子）
Ｚ…検出インピーダンス（アレスタ付き）

Claims (5)

1. 測定対象の機器から発生する部分放電を検出する装置であって、
   前記機器と電源とを結ぶ給電線と非接触の電極と、
   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て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とに波形分離する波形分離器と、
   前記波形分離器で分離された前記電圧波形と前記部分放電波形とに基づいて部分放電パターンを得る波形観察演算装置と、
   を備えることを特徴とする部分放電検出装置。
2. 前記電極は、銅製の平板型に形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の部分放電検出装置。
3. 前記電極は、前記機器から離れた位置に設置される
   ことを特徴とする請求項１または２記載の部分放電検出装置。
4. 前記電極は、前記機器のフレームに吸着する磁石を備える
   ことを特徴とする請求項１または２記載の部分放電検出装置。
5. 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する一方、
   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１～４のいずれか記載の部分放電検出装置。

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