JP6246751B2 - 絶縁劣化検出システム、絶縁劣化検出方法および絶縁劣化検出用センサ - Google Patents

Description

本発明は、絶縁劣化検出システム、絶縁劣化検出方法および絶縁劣化検出用センサに関する。

電力変換器や電動モータのような高電圧機器の絶縁体中に空隙（ボイド）やクラックなどの欠陥が存在すると、高電圧機器の運転時にその欠陥へ電界が集中し、その欠陥で部分放電と呼ばれる微弱な放電が発生する。部分放電が発生した状態で高電圧機器の運転を継続すると、ボイドやクラックが進展する。この結果、最終的には絶縁破壊が生じて、高電圧機器およびそれを用いた装置全体の故障に至る。装置全体の故障に至った場合は、運転停止および修理にともなう装置保守運用コストが増大する。従って、装置全体の運用コストを低減するためには、絶縁破壊による故障が高電圧機器に発生する前に対処する保守管理が必要である。そこで、絶縁破壊の予兆現象である絶縁劣化の検出が求められる。

一つの従来技術では、部分放電により高電圧機器の筐体に生じるアコースティックエミッション波（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ：ＡＥ）を、ＡＥセンサにより検出する（特許文献１）。他の従来技術では、光ファイバを用いた振動センサであるファイバーブラッググレーティング（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ：以下ＦＢＧ）を使用して、ＡＥ波を検出する試みがなされている（特許文献２）。

ところでＦＢＧは、周囲温度に応じて熱膨張したり収縮したりするため、回折格子の周期が変化する。ＦＢＧの反射率分布は、ＡＥ波に応じて変化するだけではなく、温度にも応じて変化する。従って、ＦＢＧを用いてＡＥ波を計測する際には、温度補償を行うことが必要である。絶縁劣化や部分放電を検出するためのシステムではないが、周辺技術として、基準波長反射用のＦＢＧと計測用ＦＢＧの２つを被計測部に設け、被計測部のひずみを計測するシステムも知られている（特許文献３）。

特開２００２−０９０４１３号公報 特開２００７−２４０４４７号公報 特開２０１３−８３５５８号公報

特許文献１に記載の従来技術では、光ファイバをＡＥセンサとして使用可能である旨の言及はあるものの、圧電素子を用いてＡＥ波を検出している。しかし、圧電素子は電気センサの一種であるため、高電圧機器へ近接して取り付けることは難しい。従って、高電圧機器を収容する制御盤などの外部に圧電素子を取り付けて、高電圧機器で生じたＡＥ波を間接的に測定する。このため、ＡＥ波が圧電素子に伝搬するまでの間に大きく減衰してしまい、精度良く絶縁劣化を検出するのは難しい。さらに通常、制御盤などには高電圧機器以外の他の機器も多く含まれているため、ＡＥ波の伝搬経路が複雑化し、絶縁劣化が制御盤のどこで発生しているのかを判別するのは難しい。

特許文献２に記載の従来技術では、被検体が欠陥を有するか否かをＦＢＧを用いて検査するため、高電圧機器に近づけて使用することができる。ＦＢＧが設けられる光ファイバはガラス材料から形成されており、絶縁性が高いためである。しかし、ＦＢＧの反射率分布は温度変化によっても変化するため、温度補償が必要である。そこで、特許文献２に記載の従来技術では、ＦＢＧで反射する光のパワーが温度に応じて変化しないように、ＦＢＧへ入射するレーザ光の発振波長を変化させる。しかし、ＦＢＧへ入射する光の波長を可変に調整する構成の場合は、検出システム全体の製造コストが増大する。

なお、特許文献３に記載の周辺技術の場合、ＦＢＧを用いて物体のひずみを検出するものであるため、温度変化の環境が本質的に異なる。高電圧機器の場合は、高い電圧が使用されており、高電圧機器そのものが発熱体である。従って、例えば、パワートランジスタの設置箇所近傍では高温になりやすいなどのように、高電圧機器の表面温度は一様ではなく、場所によって温度は異なる。

これに対し、被計測部のひずみを２つのＦＢＧを用いて検出する特許文献３の技術では、基準波長反射用のＦＢＧと計測用ＦＢＧを離して被計測部へ取り付ける方がよいと考えられる。より大きなひずみとして計測できるためである。さらに、特許文献３では被計測部が発熱体である場合を全く考慮しておらず、被計測部自身の温度変化よりも、ＦＢＧの置かれた環境の温度変化（室温変化）に着目する。換言すれば、特許文献３では、被計測部自身の発熱による温度分布を考慮していないからこそ、２つのＦＢＧを離れた箇所に取り付けて、ひずみを計測できるようになっている。

本発明は上述の課題に鑑みなされたもので、その目的は、電気機器の絶縁劣化を低コストに検出することができる絶縁劣化検出システム、絶縁劣化検出方法および絶縁劣化検出用センサを提供することにある。

上記課題を解決すべく、本発明に従う絶縁劣化検出システムは、電気機器の絶縁劣化を検出する絶縁劣化検出システムであって、弾性波を減衰させるための弾性波減衰部材を介して電気機器に取り付けられる第１の光ファイバ型センサと、第１の光ファイバ型センサに近接して電気機器に取り付けられる第２の光ファイバ型センサとを備えるセンサ部と、センサ部に光学的に接続される光伝達部であって、光源からの光を第１の光ファイバ型センサへ供給し、光源からの光が第１の光ファイバ型センサの内部で反射した光を基準光として第２の光ファイバ型センサへ供給し、基準光が第２の光ファイバ型センサで反射した光を検出光として取り出す光伝達部と、光伝達部により取り出された検出光を解析して電気機器の絶縁劣化を検出する解析部と、を備える。

本発明によれば、電気機器の温度が変化した場合、第１の光ファイバ型センサおよび第２の光ファイバ型センサのそれぞれの反射率分布の波長シフト量をほぼ等しくでき、光源から出力する光の波長を制御することなく、温度補償を実現することができる。従って、本発明によれば、比較的安価な光源を用いて電気機器の絶縁劣化を低コストに検出することができる。

第１実施例に係る絶縁劣化検出システムの全体構成図。 光源から出力する光の波長と、光源からの光を第１ＦＢＧで反射した光の波長の関係を示す特性図。 基準光の波長スペクトラムと第２ＦＢＧの反射率分布の関係を示す特性図であり、（ａ）はＡＥ波が発生していない場合を、（ｂ）はＡＥ波の発生により回折格子の周期が縮んで反射率分布が短波長側へシフトした場合を、（ｃ）はＡＥ波の発生により回折格子の周期が伸びて反射率分布が長波長側へシフトした場合を、示す。 第２実施例に係る絶縁劣化検出用センサの構成図。 第３実施例に係る絶縁劣化検出用センサの構成図。 第３実施例の作用効果を説明するための比較図。 第４実施例に係る絶縁劣化検出用センサの構成図。 第５実施例に係る絶縁劣化検出システムの全体構成図。 第６実施例に係る絶縁劣化検出システムの全体構成図。 第７実施例に係る絶縁劣化検出用センサの構成図。 第８実施例に係る絶縁劣化検出用センサの構成図。 第９実施例に係る絶縁劣化検出用センサの構成図。 第１０実施例に係る絶縁劣化検出用センサの構成図。 第１１実施例に係る絶縁劣化検出システムの全体構成図。 一つの第１ＦＢＧと複数の第２ＦＢＧの配置例を示す平面図。 第１２実施例に係る絶縁劣化検出システムで表示する監視画面の作成方法と画面例の説明図。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態に係る絶縁劣化検出システムは、後述のように、電気機器４内の絶縁劣化に起因する部分放電ＤＥを、２つのＦＢＧ１０，１１を有する絶縁劣化検出用センサ１で検出する。以下、ＦＢＧの形成された光ファイバを、ＦＢＧ１０，１１または光ファイバ型センサ１０，１１と呼ぶ。

絶縁劣化検出用センサ１は、光源２１からの光が入力される第１ＦＢＧ１０と、第１ＦＢＧ１０で生成される基準光が入力される第２ＦＢＧ１１とを備える。基準光を生成する第１ＦＢＧ１０は、ＡＥ波減衰部材１２およびセンサ筐体１３を介して高電圧機器４に取り付けられる。検出光を出力する第２ＦＢＧ１１は、センサ筐体１３を介して高電圧機器４に取り付けられる。センサ筐体１３は、高電圧機器４と接する部分に隙間が生じないよう、接着剤などで固定される。

ここで、ＦＢＧ１０，１１は、光ファイバの途中に回折格子が形成された光ファイバ型センサである。回折格子は、屈折率の高い箇所と低い箇所とを、光ファイバの軸方向に周期的に配置することで形成される。ＦＢＧでの反射波長λｒと、ＦＢＧの回折格子の周期Λとは、λｒ＝２ｎΛの関係がある。回折格子の周期Λが変化すると、反射波長λｒが変化する（ｎは光ファイバの屈折率）。

高電圧機器４の絶縁破壊の予兆現象である部分放電ＤＥが発生すると、部分放電ＤＥの発生箇所からＡＥ波Ｗ１，Ｗ２が放出される。ＡＥ波がＦＢＧへ伝搬すると、ＡＥ波によりＦＢＧが振動（伸縮）して、ＦＢＧの回折格子の周期Λが変化する。ＦＢＧで反射する光の波長λｒは、回折格子の周期Λにより変化する。従って、ＦＢＧへＡＥ波が伝搬してＦＢＧの回折格子の周期Λが変化すると、ＦＢＧで反射する光の波長も変化する。このＦＢＧで反射する波長の変化を検出することによって、高電圧機器４の絶縁破壊の予兆現象である部分放電ＤＥを検知することができる。

図１〜図３を用いて第１実施例を説明する。図１は、高電圧機器４で生じる部分放電を絶縁劣化による現象として検出するシステムの全体を示す。

検出システムは、高電圧機器４に取り付けられるセンサ部１と、センサ部１に光源２１の光を供給し、センサ部１からの検出光を処理する回路部２とを備える。「電気機器」としての高電圧機器４は、例えば、電力変換器、電動モータ、変圧器、高圧電線などの、商用電源の電圧よりも高い電圧を使用する機器である。センサ部１の構成を先に説明し、次に回路部２の構成を説明する。

センサ部１は、「第１の光ファイバ型センサ」としての第１ＦＢＧ１０と、「第２の光ファイバ型センサ」としての第２ＦＢＧ１１と、ＡＥ波減衰部材１２と、センサ筐体１３と、接続部１４とを備える。

第１ＦＢＧ１０は、第２ＦＢＧ１１よりも若干短く形成されており、第１ＦＢＧ１０の先端には、ＡＥ波減衰部材１２が設けられている。ＡＥ波減衰部材１２は、例えば金属材料から形成される。ＡＥ波減衰部材１２は、複数の機能を有する。

第１の機能は、高電圧機器４からＦＢＧ１０へ伝わるＡＥ波Ｗ１を減衰させるＡＥ波減衰機能である。本実施例におけるＡＥ波減衰機能は、ＡＥ波減衰部材１２とセンサ筐体１３との協働により実現される。ここで、ＡＥ波減衰部材１２を通過するＡＥ波の速度とＡＥ波減衰部材１２の密度とを掛けた値Ｚ１と、センサ筐体１３を通過するＡＥ波の速度とセンサ筐体１３の密度とを掛けた値Ｚ２との差ΔＺが大きいほど、ＡＥ波を減衰させることができる。

第２の機能は、高電圧機器４の熱をＦＢＧ１０へ伝達する熱伝達機能である。本実施例では、基準光を生成する第１ＦＢＧ１０の反射率分布と検出光を出力する第２ＦＢＧ１１の反射率分布とを、高電圧機器４の温度変化に伴って同様に変化させることで、温度補償を行う。しかし第１ＦＢＧ１０には、第２ＦＢＧ１１に比べてＡＥ波減衰部材１２が追加されているため、ＡＥ波減衰部材１２の分だけ熱が伝わりにくいと考えられる。そこで本実施例のＡＥ波減衰部材１２は、高電圧機器４からの熱が第２ＦＢＧ１１とほぼ同様に伝わるように、熱伝達機能を持つ。

これらのＡＥ波減衰機能および熱伝達機能を実現すべく、本実施例では、ＡＥ波減衰部材１２を例えば金属材料から形成し、センサ筐体１３を例えばプラスチック材料から形成する。しかし、それらの材質は一例に過ぎず、金属材料とプラスチック材料の組合せに限定されない。

センサ筐体１３は、各ＦＢＧ１０，１１の相対的位置関係を決定する「位置決め部材」の例である。センサ筐体１３は、上述のように例えばプラスチック材料から筒状または箱状のように形成される。センサ筐体１３の下面は接着剤などにより高電圧機器４の表面に取り付けられる。

「コネクタ部」の例である接続部１４は、センサ筐体１３の上面に設けられており、各ＦＢＧ１０，１１と回路部２とを光学的に接続する。第１ＦＢＧ１０に対応する接続部１４は、光ファイバ２７Ｂを介して、回路部２内の光サーキュレータ２２と第１ＦＢＧ１０とを光学的に接続する。第２ＦＢＧ１１に対応する接続部１４は、光ファイバ２７Ｃを介して、光サーキュレータ２２と第２ＦＢＧ１１とを光学的に接続する。

回路部２は、センサ部１へ光を供給するとともに、センサ部１からの光を解析して処理するものである。回路部２は、例えば、単一波長広帯域光源２１、光サーキュレータ２２、光−電気変換器２３、増幅器２４、アナログデジタル変換器（以下ＡＤ変換器）２５、信号処理部２６、光ファイバ２７Ａ〜２７Ｄを備えている。

光源２１は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源として構成されており、例えば帯域幅１００ｎｍ程度の単一波長の赤外線を出力する。光サーキュレータ２２は、光を所定方向へ伝達するための光デバイスである。単一波長広帯域光源２１から出力された光（図２の光源光Ｔｉｎ）は、光ファイバ２７Ａ、光サーキュレータ２２、光ファイバ２７Ｂ、接続部１４を順番に伝搬して第１ＦＢＧ１０へ入力される。光源２１からの光Ｔｉｎのうち、一部の波長の光（図２の基準光Ｔｂ）が第１ＦＢＧ１０で反射される。

第１ＦＢＧ１０で反射された反射光Ｔｂは、一方の接続部１４、光ファイバ２７Ｂ、光サーキュレータ２２、光ファイバ２７Ｃ、他方の接続部１４を順番に伝搬して、第２ＦＢＧ１１へ入力される。第２ＦＢＧ１１へ入射した基準光Ｔｂのうち一部の光は第２ＦＢＧ１１で反射され、検出光として回路部２へ送られる。検出光は、他方の接続部１４、光ファイバ２７Ｃ、光サーキュレータ２２、光ファイバ２７Ｄを順番に伝搬して、光−電気変換器２３に入力される。

ここで、光サーキュレータ２２および各光ファイバ２７Ａ〜２７Ｄは、「光伝達部」の一例である。後述する他の実施例においても、光源２１の光を第１ＦＢＧ１０へ供給し、第１ＦＢＧ１０で生成した基準光を第２ＦＢＧ１１へ供給し、第２ＦＢＧ１１で反射した検出光を取り出す機能を有する一連の部材は、「光伝達部」の例である。

光−電気変換器２３は、検出光を電気信号に変換して増幅器２４へ出力する。増幅器２４は、光−電気変換器２３からの電気信号を増幅してＡＤ変換器２５へ出力する。ＡＤ変換器２５は、増幅器２４からの電気信号をデジタル信号に変換して信号処理部２６へ出力する。

「解析部」の例である信号処理部２６は、検出光の出力値（光パワーの値）の時間変化を求め、出力値の時間変化から部分放電の有無を判定する。例えば、信号処理部２６は、ＡＤ変換器２５から入力されるデジタル信号の変化幅が所定閾値以上である場合、「部分放電あり（絶縁劣化あり）」と判定することができる。

なお、デジタル信号の変化幅が所定閾値以上になる回数（つまり、頻度）が、単位時間当たりで所定値以上になった場合に、信号処理部２６によって「部分放電あり（絶縁劣化あり）」と判定するようにしてもよい。

信号処理部２６は、その判定結果をディスプレイやブザー、電子メールなどの報知手段を介して外部へ出力することができる。つまり、信号処理部２６は、報知手段によって、高電圧機器４に部分放電が発生しており、絶縁破壊が起こる可能性が高いことを事前にユーザに報知する。これによって、ユーザは、高電圧機器４で部分放電が発生したことを把握し、絶縁破壊が生じる前に高電圧機器４のメンテナンスを行うことができる。

図２に、単一波長広帯域光源２１から第１ＦＢＧ１０へ出力する光Ｔｉｎの波長スペクトラムと、第１ＦＢＧ１０で反射する基準光Ｔｂの波長スペクトラムとを示す。単一波長広帯域光源２１から出力する光Ｔｉｎの帯域幅は、例えば１００ｎｍ程度である。第１ＦＢＧ１０は、入力された光Ｔｉｎのうち、１００ｐｍ程度と比較的狭い帯域を基準光Ｔｂとして反射する。

図３は、第２ＦＢＧ１１へ入力される基準光Ｔｂの波長スペクトラムと、第２ＦＢＧ１１の反射率分布Ｒとの関係を示す。

第１ＦＢＧ１０が反射した基準光Ｔｂは、光サーキュレータ２２等を介して第２ＦＢＧ１１へ入力される。図３（ａ）に示すように、高電圧機器４に絶縁劣化が生じていない場合は部分放電が発生しないため、ＡＥ波がセンサ部１に伝搬しない。この正常状態の場合に、第２ＦＢＧ１１が反射する光の光パワー値をＰ１とする。

高電圧機器４に絶縁劣化が生じて部分放電が発生すると、部分放電時に発生したＡＥ波が第２ＦＢＧ１１へ伝搬する。第１ＦＢＧ１０にもＡＥ波が伝搬するが、ＡＥ波減衰部材１２およびセンサ筐体１３により、第１ＦＢＧ１０へ伝搬するＡＥ波は第２ＦＢＧ１１へ伝搬するＡＥ波に比べて大きく減衰する。部分放電が発生してＡＥ波が第２ＦＢＧ１１へ伝搬すると、ＡＥ波の振動に応じて第２ＦＢＧ１１の回折格子の周期Λが伸縮するため、第２ＦＢＧ１１の反射率分布Ｒが波長シフトする。

図３（ｂ）に示すように、ＡＥ波により回折格子の周期Λが縮むと、第２ＦＢＧ１１の反射率分布Ｒは短波長側へシフトする。このため、図３（ｂ）の例では、第２ＦＢＧ１１の反射する光の光パワー値Ｐ２は、正常状態の場合の値Ｐ１よりも大きくなる。図３（ｃ）に示すように、ＡＥ波による回折格子の周期Λが伸びると、第２ＦＢＧ１１の反射率分布Ｒは長波長側へシフトする。このため、図３（ｃ）の例では、第２ＦＢＧ１１から反射される光の光パワー値Ｐ３は、正常状態の場合の値Ｐ１よりも小さくなる。

このように、高電圧機器４の絶縁劣化により部分放電が発生すると、この部分放電にともなってＡＥ波が各ＦＢＧ１０，１１へ伝搬する。ＡＥ波が伝搬することで、第２ＦＢＧ１１から反射される光（検出光）のパワー値が変化する。従って、検出光の光パワー値の変化を検出することで、部分放電の有無、ひいては絶縁劣化の有無を判定できる。なお、上述のように、第１ＦＢＧ１０と高電圧機器４との間にはＡＥ波減衰部材１２が設けられているため、ＡＥ波に対する第１ＦＢＧ１０の反応は小さい。従って、第１ＦＢＧ１０から反射される基準光Ｔｂの、ＡＥ波伝搬により生じる波長シフトの量は小さい。

ところで、ＦＢＧは伸縮により、回折格子の周期Λが変化する。従って、ＦＢＧの反射率分布Ｒは、ＡＥ波に対してだけでなく、温度変化に対しても波長シフトする。そこで、ＦＢＧを用いてＡＥ波を計測する場合は、温度変化を補償する必要がある。

本実施例では、基準光を生成する第１ＦＢＧ１０と、検出光を出力する第２ＦＢＧ１１とは同じガラス材料から形成されているため、第１ＦＢＧ１０は第２ＦＢＧ１１と同様に熱膨張したり収縮したりする。従って、温度変化による基準光Ｔｂの波長シフト量と、温度変化による第２ＦＢＧ１１の反射率分布Ｒの波長シフト量とは、ほぼ同じになる。

さらに、本実施例では、各ＦＢＧ１０，１１は近接して配置されているため、発熱体である高電圧機器４から受ける熱量もほぼ等しい。従って、本実施例では、高電圧機器４に生じる温度変化に対する補償を自動的に行うことができる。本実施例では、温度補償のために高価な波長可変レーザを用いる必要がなく、安価な単一波長光源２１を用いて、低コストに高電圧機器４の絶縁劣化を検出することができる。

図４を用いて第２実施例を説明する。本実施例を含む以下の各実施例は、第１実施例の変形例に相当するため、第１実施例との差異を中心に説明する。本実施例のセンサ部１Ａでは、接続部１４に光ファイバ２７Ｂ，２７Ｃを着脱可能に取り付けている。

その基端側が光サーキュレータ２２に接続されている光ファイバ２７Ｂ，２７Ｃの先端側には、接続部１４と光学的に接続するための光プラグ１５が取り付けられている。本実施例では、接続部１４と光プラグ１５の対が「コネクタ部」に該当する。光ファイバ２７Ｂの光プラグ１５を第１ＦＢＧ１０の接続部１４に装着すると、第１ＦＢＧ１０は光ファイバ２７Ｂ、接続部１４、光プラグ１５を介して、光サーキュレータ２２に接続される。同様に、光ファイバ２７Ｃの光プラグ１５を第２ＦＢＧ１１の接続部１４に装着すると、第２ＦＢＧ１１は光ファイバ２７Ｃ、接続部１４、光プラグ１５を介して、光サーキュレータ２２へ接続される。

光プラグ１５を接続部１４から引き抜くことで、センサ部１と回路部２とを分離することができる。これとは逆に、光プラグ１５を接続部１４へ装着するだけで、センサ部１を回路部２へ接続することができる。

このように構成される本実施例も第１実施例と同様に、絶縁劣化の結果として生じる部分放電を安価な光源２１を用いて検出することができる。さらに、本実施例では、センサ部１と回路部２との接続を容易にしたため、センサ部１を高電圧機器４の所望の場所に取り付けた後で、そのセンサ部１を回路部２へ容易に接続することができ、取付作業や保守作業の作業性が向上する。

図５，図６を用いて第３実施例を説明する。本実施例のセンサ部１Ｂでは、各ＦＢＧ１０，１１は、それぞれに対応する接続部１４と所定の空間１６を介して光学的に接続されている。つまり、光ファイバ２７Ｂ，２７ＣとＦＢＧ１０，１１とは、離間している。本実施例では、光ファイバ２７Ｂ，２７ＣとＦＢＧ１０，１１との間で、光は空間１６を介して伝播するようになっている。

ＦＢＧ１０，１１は、その基端側（図５中の下側）がセンサ筐体１３の内壁に片持ちで固定されている。ＦＢＧ４の自由端側（図５中の上側）と接続部１４との間では、空間１６を介して光が通過する。

本実施例では、センサ筐体１３の変位がＦＢＧ１０，１１に与える影響を低減するために、各ＦＢＧ１０，１１をセンサ筐体１３の内壁へ片持ちで固定する。図６は、本実施例の作用効果を理解するために用意された比較例であり、従来技術ではない。図６に示すように、センサ筐体１３の内壁面へＦＢＧ１０，１１を両端固定した場合を検討する。図６中に白抜き矢印で示すように振動や熱によりセンサ筐体１３が変位すると、ＦＢＧ１０，１１も図６中に矢印で示すようにセンサ筐体１３に引っ張られて変位する。

ＦＢＧ１０，１１が変位すると、ＦＢＧ１０，１１の回折格子の周期Λが変化するため、ＦＢＧ１０，１１で反射する光の波長も変化する。その場合、ＦＢＧ１０，１１で反射する波長の変化が、部分放電時のＡＥ波に起因するのか、それとも、センサ筐体１３に引っ張られことによるＦＢＧ１０，１１の変位に起因するのか、その判別は困難になる。そこで、本実施例では、ＦＢＧ１０，１１をセンサ筐体１３の内壁面に片持ちで固定し、センサ筐体１３の機械的変位の影響がＦＢＧ１０，１１に及ぶのを抑制する。

このように構成される本実施例も第１実施例と同様の作用効果を奏する。さらに本実施例では、センサ筐体１３の変位がＦＢＧ１０，１１へ影響するのを抑制できるため、より正確に絶縁劣化（部分放電）を検出することができる。空間１６の大きさ、つまり接続部１４とＦＢＧ１０，１１との間の隙間の長さは、センサ筐体１３の変位がＦＢＧ１０，１１へ及ぶのを抑制できる程度の値として設定される。不必要に大きくすると、光が空間１６を伝搬する際に減衰してしまうためである。

図７を用いて第４実施例を説明する。本実施例のセンサ部１Ｃでは、ミラー部材１７および空間１６を介して、接続部１４ＣとＦＢＧ１０，１１とを光学的に接続する。本実施例では、ＦＢＧ１０，１１の中間に位置してセンサ筐体１３の上部内壁面に、ミラー部材１７が取り付けられている。ミラー部材１７は、入射した光を直角に反射する。センサ筐体１３上部の対向する一対の側壁には、接続部１４Ｃが取り付けられている。ＦＢＧ１０，１１に対応する接続部１４Ｃは、ミラー部材１７および空間１６を介して、ＦＢＧ１０，１１との間で光を伝達する。

このように構成される本実施例も第１実施例と同様の作用効果を奏する。さらに本実施例では、ミラー部材１７をセンサ筐体１３内に設けて光路を直角に折り曲げるため、センサ筐体１３の高さ寸法を小さくすることができる。この結果、センサ部１Ｃを小型化することができ、高電圧機器４内で高さ方向の制限がある設置空間にセンサ部１Ｃを取り付けることができ、使い勝手が向上する。

図８を用いて第５実施例を説明する。本実施例では、高電圧機器４に複数のセンサ部１（１）〜１（ｎ）を取り付けて、高電圧機器４の複数箇所で部分放電を検出する。

各センサ部１（１）〜１（ｎ）は、それぞれに対応する光ファイバの対２７Ｂ（１）〜２７Ｂ（ｎ），２７Ｃ（１）〜２７Ｃ（ｎ）を介して、それぞれに対応する光サーキュレータ２２（１）〜２２（ｎ）に光学的に接続されている。各光サーキュレータ２２（１）〜２２（ｎ）は、それぞれに対応する光ファイバ２７Ａ（１）〜２７Ａ（ｎ）と一つの光カプラ２８とを介して、共通の光源２１に光学的に接続されている。

さらに、各光サーキュレータ２２（１）〜２２（ｎ）は、それぞれに対応する光ファイバ２７Ｄ（１）〜２７（ｎ）を介して、光−電気変換器２３（１）〜２３（ｎ）、増幅器２４（１）〜２４（ｎ）、ＡＤ変換器２５（１）〜２５（ｎ）に接続されている。各ＡＤ変換器２５（１）〜２５（ｎ）は、共通の信号処理部２６に接続されている。信号処理部２６での解析結果は、例えば監視室５内に設けられるユーザインターフェース部５１に出力することができる。

本実施例では、共通の光源２１からの光は、光カプラ２８によりセンサ部１の数だけ分岐されて、各センサ部１（１）〜１（ｎ）へ入力される。各センサ部１（１）〜１（ｎ）からの検出光は、光サーキュレータ２２（１）〜２２（ｎ）から光−電気変換器２３（１）〜２３（ｎ）に送られて電気信号に変換される。最終的に、各センサ部１（１）〜１（ｎ）で検出される検出光の光パワー値は、共通の信号処理部２６へ並列入力される。信号処理部２６は、各センサ部１（１）〜１（ｎ）からの検出光の光パワー値の変化を解析し、その解析結果をユーザインターフェース部５１へ出力する。信号処理部２６は、複数のセンサ部１（１）〜１（ｎ）からの信号を同時に解析できるため、高電圧機器４に複数の部分放電が略同時に発生した場合でもそれらの部分放電を検出することができる。さらに、一つの部分放電に由来するＡＥ波を複数のセンサ部１（１）〜１（ｎ）で受信することができるため、同一の部分放電を発生源とするＡＥ波が各センサ部１（１）〜１（ｎ）に到達するまでの伝搬時間の差を計算することで、部分放電の発生箇所を特定することもできる。

このように構成される本実施例も第１実施例と同様の作用効果を奏する。さらに本実施例では、複数のセンサ部１（１）〜１（ｎ）を高電圧機器４に取り付けて解析することができるため、部分放電の発生箇所を特定することもできる。このため、保守作業時の作業時および使い勝手が向上する。

図９を用いて第６実施例を説明する。本実施例では、第５実施例と同様に、複数のセンサ部１（１）〜１（ｎ）を高電圧機器４に取り付けて、高電圧機器４の複数箇所で部分放電を検出する。第５実施例と異なる点は、各センサ部１（１）〜１（ｎ）からの検出光を、一つの光ファイバを使用して回路部側へ送信する点である。

光源２１の光は光ファイバ２７Ｅを介して光カプラ２８に入力され、光カプラ２８によりセンサ部１（１）〜１（ｎ）の数だけ分岐する。分岐した光源光は、光ファイバ２７Ａ（１）〜２７Ａ（ｎ）から光サーキュレータ２２（１）〜２２（ｎ）、光ファイバ２７Ｂ（１）〜２７Ｂ（ｎ）等を介して、センサ部１（１）〜１（ｎ）の各第１ＦＢＧ１０へ入射する。

センサ部１（１）〜１（ｎ）の各第１ＦＢＧ１０で反射した光（基準光）は、光ファイバ２７Ｂ（１）〜２７Ｂ（ｎ）、光サーキュレータ２２（１）〜２２（ｎ）、光ファイバ２７Ｃ（１）〜２７Ｃ（ｎ）等を介して、センサ部１（１）〜１（ｎ）の各第２ＦＢＧ１１へ入射する。

光ファイバ２７Ｆの横に示すように、センサ部１（１）〜１（ｎ）の各第２ＦＢＧ１１は、それぞれ異なる波長λ１〜λｎで基準光を反射する。センサ部１（１）〜１（ｎ）の各第２ＦＢＧ１１で反射した光（検出光）は、光ファイバ２７Ｃ（１）〜２７Ｃ（ｎ）、光サーキュレータ２２（１）〜２２（ｎ）等を介して光合波器３０へ入射する。

光合波器３０は、各センサ部１（１）〜１（ｎ）からの検出光を１本の光ファイバ２７Ｆを用いて、光分波器２９へ伝達する。光分波器２９は、光ファイバ２７Ｆから入力された光を、波長λ１〜λｎの光に分波する。

それぞれの波長λ１〜λｎに分波された検出光は、光−電気変換器２３（１）〜２３（ｎ）で電気信号へ変換される。光−電気変換器２３（１）〜２３（ｎ）から出力された電気信号は、増幅器２４（１）〜２４（ｎ）で増幅された後、ＡＤ変換器２５（１）〜２５（ｎ）へ入力される。ＡＤ変換器２５（１）〜２５（ｎ）から出力されたデジタル信号は信号処理部２６で信号処理される。信号処理部２６は、解析結果をユーザインターフェース部５１に出力する。

このように構成される本実施例も第５実施例と同様の作用効果を奏する。さらに本実施例では、センサ部１（１）〜１（ｎ）と電源２１および回路部（２３，２４，２５，２６）との間を１本の光ファイバ２７Ｅ，２７Ｆで接続する。従って、監視室５と高電圧機器４とが離れている場合でも、接続に要する光ファイバの数を少なくすることができ、第５実施例に比べてコストを低減することができる。

図１０を用いて第７実施例を説明する。本実施例のセンサ部１Ｄでは、センサ筐体１３Ｄを平板状に形成する。

プラスチック材料などから平板状に形成されるセンサ筐体１３Ｄは、高電圧機器４に接着剤等を用いて固定される。第１ＦＢＧ１０は、ＡＥ波減衰部材１２を介してセンサ筐体１３Ｄの上面に取り付けられている。第２ＦＢＧ１１は、センサ筐体１３Ｄの上面に直接的に取り付けられている。

このように構成される本実施例も第１実施例と同様の作用効果を奏する。本実施例では、センサ筐体１３Ｄを平板状に形成するため、コストを低減できる。

図１１を用いて第８実施例を説明する。本実施例のセンサ部１Ｅでは、センサ筐体１３ＥをＦＢＧ１０，１１ごとに分割する。従って、センサ筐体１３Ｅは、ＦＢＧ１０，１１の相対的位置関係を規定する機能は有さないが、高電圧機器４の表面が曲面である場合にも、各ＦＢＧ１０，１１を曲面に密着させることができる。

このように構成される本実施例も第１実施例とほぼ同様の作用効果を奏する。さらに本実施例では、ＦＢＧ１０，１１を別々に形成したため、高電圧機器４に別々に取り付けることができ、曲面などにも対応でき、使い勝手が向上する。

図１２を用いて第９実施例を説明する。本実施例のセンサ部１Ｆでは、第１ＦＢＧ１０のみをＡＥ波減衰部材１２および平板状のセンサ筐体１３Ｆを介して高電圧機器４に取り付け、第２ＦＢＧ１１は高電圧機器４に直接的に取り付ける。

第１ＦＢＧ１０の温度と第２ＦＢＧ１１の温度とが略等しくなるように、センサ筐体１３ＦおよびＡＥ波減衰部材１２は、熱伝導率の高い材料から形成される。このように構成される本実施例も第１実施例とほぼ同様の作用効果を奏する。

図１３を用いて第１０実施例を説明する。本実施例のセンサ部１Ｇは、センサ筐体１３Ｇを平板状に形成し、ＦＢＧ１０，１１の途中に取り付けられている。センサ筐体１３Ｇは、ＦＢＧ１０，１１の相対的位置関係を規定する。

図１４および図１５を用いて第１１実施例を説明する。本実施例のセンサ部１Ｈは、一つの第１ＦＢＧ１０の周囲に複数の第２ＦＢＧ１１（１）〜１（ｎ）を配置することで構成されている。

図１４は、検出システムの全体構成を示す。光源２１は、光ファイバ２７Ａを介して光源用の光サーキュレータ２２Ｓに接続されている。光源用の光サーキュレータ２２Ｓは、光ファイバ２７Ｂを介してセンサ筐体１３Ｈ内の第１ＦＢＧ１０に接続されている。

第１ＦＢＧ１０で反射された光（基準光）は、光ファイバ２７Ｂを介して第１の光サーキュレータ２２Ｓへ入射する。基準光は、第１の光サーキュレータ２２Ｓから分配器３１へ入力される。分配器３１は、入力された基準光を、光サーキュレータ２２（１）〜２２（ｎ）および光ファイバ２７Ｃ（１）〜２７Ｃ（ｎ）等を介して、各第２ＦＢＧ１１（１）〜１１（ｎ）に分配する。

各第２ＦＢＧ１１（１）〜１１（ｎ）は、入射された基準光を反射する。各第２ＦＢＧ１１（１）〜１１（ｎ）で反射された光（検出光）は、光ファイバ２７Ｃ（１）〜２７Ｃ（ｎ）を介して光サーキュレータ２２（１）〜２２（ｎ）に入射する。各検出光は、光サーキュレータ２２（１）〜２２（ｎ）から光ファイバ２７Ｄ（１）〜２７Ｄ（ｎ）を介して、光−電気変換器２３（１）〜２３（ｎ）に入力され、電気信号に変換される。

光−電気変換器２３（１）〜２３（ｎ）から出力される電気信号は、増幅器２４（１）〜２４（ｎ）で増幅され、ＡＤ変換器２５（１）〜２５（ｎ）によりデジタル信号に変換される。信号処理部２６は、ＡＤ変換器２５（１）〜２５（ｎ）からのデジタル信号を解析することで、絶縁破壊の予兆である部分放電の発生の有無、発生箇所を特定する。

図１５は、センサ部１ＨにおけるＦＢＧ１０，１１の配置例を示す。センサ筐体１３Ｈの中央部に第１ＦＢＧ１０を配置し、第１ＦＢＧ１０の周囲に複数の（例えば３個の）第２ＦＢＧ１１を等間隔で配置する。なお、第２ＦＢＧ１１は、三角形状に沿って配置する場合に限らず、四角形状、多角形状、円形状、楕円形状などの形状に沿って配置することもできる。

信号処理部２６は、各第２ＦＢＧ１１（１）〜１１（３）の信号の平均値を用いて、部分放電の有無を判定してもよいし、各第２ＦＢＧ１１（１）〜１１（３）の信号から部分放電の発生箇所を推定してもよい。このように構成される本実施例も第１実施例と同様の作用効果を奏する。

図１６を用いて第１２実施例を説明する。本実施例では、信号処理部２６からの解析結果を表示するための部分放電監視画面Ｇ１０の構成例と生成方法の例を説明する。

ユーザは、高電圧機器４の所望の箇所にセンサ部１を取り付けることができる。信号処理部２６では、センサ部１の取付位置を特定する必要がある。そこで、ユーザは、センサ部１を高電圧機器４に取り付けた後で、その取り付け状況をデジタルカメラなどで撮影する（Ｓ１１）。

信号処理部２６は、取付状況の画像を解析することで、センサ部１が高電圧機器４のどこに設置されたかを特定し（Ｓ１３）、センサ部１からの信号を処理して（Ｓ１４）、部分放電監視画面Ｇ１０を生成する（Ｓ１５）。部分放電監視画面Ｇ１０は、ユーザインターフェース部５１に表示される。

または、高電圧機器４の設計情報を使用可能な場合、ユーザは、高電圧機器４の設計画面上でセンサ部１の取付位置を指定する（Ｓ１２）。そして、信号処理部２６は、前記同様に、センサ部１の取付位置を特定し（Ｓ１３）、センサ部１からの信号を処理して（Ｓ１４）、部分放電監視画面Ｇ１０を生成する（Ｓ１５）。この画面Ｇ１０は、ユーザインターフェース部５１に表示される。

部分放電監視画面Ｇ１０は、例えば、高電圧機器４を象徴する機器アイコンＧＰ１１と、センサ部１を象徴するセンサアイコンＧＰ１２と、部分放電を象徴する放電アイコンＧＰ１３と、部分放電の有無に関するメッセージＧＰ１４と、ボタン類Ｂ１１〜Ｂ１３を含んでいる。

機器アイコンＧＰ１１とセンサアイコンＧＰ１２の位置関係は、ステップＳ１３で特定される。部分放電の発生箇所はステップＳ１４で特定される。なお、部分放電の強さを放電アイコンの大きさや色などで表現してもよい。

ユーザは、部分放電について確認すると、確認ボタンＢ１１を押して画面Ｇ１０を終了させることができる。またはユーザは、取消ボタンＢ１２を押すことで画面Ｇ１０を終了させることもできる。さらにユーザは、保守サービスへの連絡ボタンＢ１３を押すことで、高電圧機器４の保守を行う部署に連絡することもできる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例を含むことができる。例えば、上記実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。さらに、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。なお、本実施形態に含まれる技術的特徴は、特許請求の範囲に記載した組合せ以外にも組み合わせることができる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ，１Ｈ：センサ部、２：回路部、４：高電圧機器、５：監視室、１０：第１ＦＢＧ、１１：第２ＦＢＧ、１２：ＡＥ波減衰部材、１３：センサ筐体、１４：接続部、２１：光源、２２：光サーキュレータ、２７Ａ〜２７Ｆ：光ファイバ

Claims (15)

1. 電気機器の絶縁劣化を検出する絶縁劣化検出システムであって、
   弾性波を減衰させるための弾性波減衰部材を介して前記電気機器に取り付けられる第１の光ファイバ型センサと、前記第１の光ファイバ型センサに近接して前記電気機器に取り付けられる第２の光ファイバ型センサとを備えるセンサ部と、
   前記センサ部に光学的に接続される光伝達部であって、光源からの光を前記第１の光ファイバ型センサへ供給し、前記光源からの光が前記第１の光ファイバ型センサの内部で反射した光を基準光として前記第２の光ファイバ型センサへ供給し、前記基準光が前記第２の光ファイバ型センサで反射した光を検出光として取り出す光伝達部と、
   前記光伝達部により取り出された前記検出光を解析して前記電気機器の絶縁劣化を検出する解析部と、
   を備える絶縁劣化検出システム。
2. 前記第１の光ファイバ型センサと前記第２の光ファイバ型センサは、互いの相対的位置関係を決定するための位置決め部材に取り付けられている、
   請求項１に記載の絶縁劣化検出システム。
3. 前記第１の光ファイバ型センサは、その先端側が前記弾性波減衰部材および前記位置決め部材を介して前記電気機器に取り付けられており、
   前記第２の光ファイバ型センサは、その先端側が前記位置決め部材を介して前記電気機器に取り付けられている、
   請求項２に記載の絶縁劣化検出システム。
4. 前記位置決め部材は、前記第１の光ファイバ型センサおよび前記第２の光ファイバ型センサを収容するセンサ筐体として構成されている、
   請求項３に記載の絶縁劣化検出システム。
5. 前記第１の光ファイバ型センサおよび前記第２の光ファイバ型センサは、着脱可能なコネクタ部を介して前記光伝達部に接続される、
   請求項１〜４のいずれかに記載の絶縁劣化検出システム。
6. 前記第１の光ファイバ型センサおよび前記第２の光ファイバ型センサは、所定の空間を介して前記コネクタ部と光学的に接続されている、
   請求項５に記載の絶縁劣化検出システム。
7. 前記第１の光ファイバ型センサおよび前記第２の光ファイバ型センサは、前記所定の空間に配置されるミラー部材を介して前記コネクタ部と光学的に接続されている、
   請求項６に記載の絶縁劣化検出システム。
8. 前記センサ部は前記電気機器に複数取り付けられており、
   前記解析部は、前記各センサ部からの検出光をそれぞれ解析する、
   請求項５に記載の絶縁劣化検出システム。
9. 前記センサ部は、１つの前記第１の光ファイバ型センサと、複数の前記第２の光ファイバ型センサとを備えており、
   前記解析部は、前記各第２の光ファイバ型センサの検出光をそれぞれ解析する、
   請求項５に記載の絶縁劣化検出システム。
10. 前記光源は、単一波長の光を出力する、
    請求項１に記載の絶縁劣化検出システム。
11. 前記電気機器は、絶縁劣化により部分放電現象の発生する可能性を有する高電圧機器である、
    請求項１に記載の絶縁劣化検出システム。
12. 前記第１の光ファイバ型センサおよび前記第２の光ファイバ型センサは、ファイバブラッググレーティングセンサである、
    請求項１に記載の絶縁劣化検出システム。
13. 前記弾性波減衰部材は、光ファイバよりも前記弾性波を減衰させる減衰度が高く、かつ、空気よりも熱伝導率の高い材質から形成される、
    請求項１に記載の絶縁劣化検出システム。
14. 電気機器の絶縁劣化を検出する絶縁劣化検出方法であって、
    第１の光ファイバ型センサを、弾性波を減衰させるための弾性波減衰部材を介して前記電気機器に取り付け、
    第２の光ファイバ型センサを、前記第１の光ファイバ型センサに近接して前記電気機器に取り付け、
    光源からの光を前記第１の光ファイバ型センサへ供給し、
    前記光源からの光が前記第１の光ファイバ型センサの内部で反射した光を基準光として前記第２の光ファイバ型センサへ供給し、
    前記基準光が前記第２の光ファイバ型センサで反射した光を検出光として解析し、
    解析結果を出力する、
    絶縁劣化検出方法。
15. 電気機器の絶縁劣化を検出する絶縁劣化検出システムで使用する絶縁劣化検出用のセンサであって、
    弾性波を減衰させるための弾性波減衰部材を介して前記電気機器に取り付けられる第１の光ファイバ型センサと、
    前記第１の光ファイバ型センサに近接して前記電気機器に取り付けられる第２の光ファイバ型センサと、
    を有し、
    前記第１の光ファイバ型センサは、光源から入射する光を反射することで基準光を生成し、前記第２の光ファイバ型センサは、前記第１の光ファイバ型センサから入射する前記基準光を反射することで検出光を生成し、前記検出光を解析することで前記電気機器の絶縁劣化を検出する
    絶縁劣化検出用センサ。

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