JP5105841B2

JP5105841B2 - 部分放電検出装置

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Publication number: JP5105841B2
Application number: JP2006327181A
Authority: JP
Inventors: 志郎丸山; 高明榊原; 俊弘星野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2026-12-04
Also published as: JP2008139207A; CN101202425B; GB2444613A; GB2444613B; US20090027062A1; CN101202425A; US7746082B2; GB0723352D0

Description

本発明は、ガス絶縁機器内部に発生した部分放電を検出する部分放電検出装置に係り、特に、部分放電発生に伴う電磁波を感度良く検出可能な部分放電検出装置に関するものである。

一般に、変電所ではガス絶縁開閉装置、ガス絶縁母線、ガス絶縁変圧器等のガス絶縁機器が用いられている。ガス絶縁機器は、絶縁ガスを充填した密閉金属容器内に高電圧導体を収納し、これを絶縁物により支持してなる機器である。このガス絶縁機器において、金属容器内部に接触不良、金属異物混入などの欠陥部が生じると、その欠陥部分から部分放電が発生することが知られている。

ガス絶縁機器内の部分放電を放置しておくと、やがて絶縁破壊に至り、重大な事故発生に進展する危険がある。したがって、部分放電を早期に発見し、欠陥部分を補修するなど何らかの対策を施すことにより、重大事故を未然に防ぐことが重要である。そこでガス絶縁機器の絶縁診断に対する予防保全技術として、ガス絶縁機器内部の部分放電を検出する部分放電検出装置が提案されている。

ガス絶縁機器内部の部分放電の検出方法としては電流、電磁波、音、振動、光などを検出する方法が有る。中でも、部分放電に伴う電磁波信号を検出することで部分放電の有無を判定する装置は、検出感度、Ｓ／Ｎ比の良さ、検出範囲の広さなどが良好であり、注目を集めている。特に、部分放電に伴う電磁波は数十ＭＨｚから数ＧＨｚにわたる信号が含まれているため、ＵＨＦ帯域の電磁波信号（３００ＭＨｚ〜３ＧＨｚ）を検出する手法が主流となりつつある。

ここで図５を用いて部分放電検出装置の従来例につい説明する。図５に示すように、ガス絶縁機器１０はＳＦ_６ガスなどの絶縁ガスが接地電位の密閉金属容器２２内に封入されており、高電圧導体２５が収納されると共に、絶縁物からなる絶縁スペーサ２４によって高電圧導体２５が支持されている。このようなガス絶縁機器１０に組み込まれる部分放電検出装置は、内部検出器２７、整合回路２８、増幅器２９、測定器３０、判定器３１から構成されている。

このうち、内部検出器２７は金属容器２２内部の電磁波３６を検出する電極であって、金属容器２２の電界の低いハンドホール部などのフランジ２６に設置されている。また、整合回路２８はフィルタなどからなり、引き出し部を介して内部検出器２７の検出信号を金属容器２２外部に引き出し、検出信号の周波数帯を特定するようになっている。整合回路２８に増幅器２９、測定器３０、判定器３１が順次接続されている。増幅器２９では整合回路２８にて周波数帯を特定された検出信号の増幅処理を行い、測定器３０にて処理信号を測定して、最終的に判定器３１においてガス絶縁機器１０内部に発生した部分放電の有無を判定するようになっている。

以上のような部分放電検出装置は次のようにして作用する。まず、ガス絶縁機器１０の内部の欠陥部３５で部分放電が発生すると、金属容器２２内部に部分放電による数十ＭＨｚから数十ＧＨｚの電磁波３６が発生する。このとき、密閉された金属容器２２は導波管の理論により電磁波３６が伝搬する。そして、内部検出器２７は金属容器２２内の電磁波３６を検出し、整合回路２８は検出された電磁波３６の周波数帯を特定する。さらに増幅器２９及び測定器３０は特定した周波数に信号処理を行い、判定器３１がガス絶縁機器の異常有無を判定する。

このようにして、部分放電検出装置は内部検出器２７にて電磁波３６を検出することにより、ガス絶縁機器１０内部に発生した欠陥部３５による部分放電を良好な感度で検出することができる。しかも、図５の従来例では内部検出器２７を金属容器２２内部に設置したので、金属容器２２外部からのノイズ信号は減衰し、金属容器２２内部の部分放電信号をＳ／Ｎ良く検出することが可能である。

ところで、導波管内を進行する電磁波は、マックスウェルの電磁方程式と導波路の境界面における境界条件を満足する必要がある。したがって、導波管である金属容器２２中を電磁波が伝搬していくときには、金属面における境界条件、すなわち、電界は金属面に垂直で磁界は平行であることを満足しなければならない。この条件を満足する電磁波としては、以下の進行波がある。

まず、金属容器２２の軸方向を進行方向とする電磁波において、電界も磁界も進行方向の成分を持たない進行波は、電磁的横波（Transverse Electromagnetic wave、TEM波）と呼ばれる。一方、境界条件により、電界の進行方向成分はゼロであるが、磁界の進行方向成分は存在する電気的横波（Transverse Electric wave、TE波）、あるいは磁界の進行方向成分はゼロであるが電界の進行方向成分は存在する磁気的横波（Transverse Magnetic wave、TM波）もある。このようなＴＥ波、ＴＭ波には種々のモードが存在する。

方形導波管では、導波管の形状により決まる遮断周波数が存在し、最も低い周波数であるＴＥ１０モードよりも低い周波数の電磁波は減衰する。このため、遮断周波数以下の周波数の電磁波は減衰が大きく、伝搬しない。例えば、マイクロ波回路等で方形導波管と同軸導波管とを接続する場合に、導波管を伝搬可能である遮断波長以下の電磁波に関してのみ、同軸線路を伝搬する電磁波に変換可能であり、遮断波長以下の電磁波については、同軸線路へは伝搬させることができないということになる。

この点に関して、非特許文献１に記載された同軸・導波管変換器を具体例として説明する（図６及び図７参照）。図６において、４０は金属により構成された方形導波管であり、その一端には金属製の短絡板４１が設けられ、他端には別の導波管と接続するための導波管接続用フランジ４２が設けられている。

また、導波管４０の一面（図中の上面）には同軸ケーブル用コネクタ４３が設けられている。図７には同軸・導波管変換器の断面図を示しており、同軸の特性インピーダンスと方形導波管の同軸変換に対応するインピーダンスは異なる。そこで、両者のインピーダンス差による不整合を緩和するために、図７に示したＬとｄを実験的に調整している。なお、符号４４は電気力線を示している。

次に同軸・導波管変換器の動作について説明する。導波管接続用フランジ４２に接続された導波管（図示せず）から伝搬されてきた電磁波は、同軸内導体４３ａ、同軸外導体４３ｂにより構成された同軸構造線路を伝搬する電磁波に変換される。このとき、図６の同軸・導波管変換器は、導波管内を伝搬可能である遮断波長以上の電磁波だけを同軸線路に伝搬し、遮断波長以下の電磁波については同軸線路へ伝搬させることはできない。

また、ガス絶縁機器に発生した電磁波により部分放電の有無を検出する部分放電検出装置の従来技術としては、スペーサやブッシング等のインピーダンス不連続面の開口部から漏れてくる電磁波を、開口部付近に設置したアンテナにて検出する技術が提案されている。その他、特許文献１に記載の技術のように、スリットアンテナやダイポールアンテナをスペーサフランジ部に沿って配置する方法も知られている。これらの方法によれば、ガス絶縁機器の金属容器内部に検出器を取り付ける必要がないため、簡単な構成で電磁波を検出することができるといった利点がある。
特開平３−７８４２９号公報「マイクロ波工学の基礎」平田仁著、日本理工出版会

上述したように、密閉構造の金属容器２２を有するガス絶縁機器１０では、導波管の理論に基づいて金属容器２２内を電磁波が伝搬するため、内部検出器２７により電磁波を良好な感度で検出可能である。しかし、図５に示した内部検出器２７はガス絶縁機器１０の金属容器２２内部に備え付けになっている。このため、内部検出器２７を予め付けていないガス絶縁機器に関しては内部検出器２７を後付けすることは困難であり、電磁波を検出することが難しかった。

そこで、簡単な構成で電磁波を検出可能な方法として、スペーサやブッシング等のインピーダンス不連続面の開口部から漏れてくる電磁波を検出する試みが実施されており、ガス絶縁機器の外部空間にアンテナを設置する方法、さらにはスリットアンテナやダイポールアンテナをスペーサ外周に沿って配置する方法が提案されている。

しかしながら、これらの方法には次のような課題が指摘されていた。すなわち、スリットアンテナでは金属容器との電気的な接続が不可欠であった。また、インピーダンスが不連続なので、いずれの方法も検出感度が低く、さらに外部ノイズの影響を非常に受け易い。このため、Ｓ／Ｎ比が不十分となることが多く、高い精度で部分放電を検出することができなかった。

さらに、方形導波管では、導波管の形状によって遮断周波数が決まっており、導波管の長辺寸法により伝搬される電磁波の波長が制約されてしまい、導波管の長辺寸法が小さければ、遮断波長の短い電磁波は伝搬不能となる。具体的には、ＵＨＦ帯域の電磁波信号（３００ＭＨｚ〜３ＧＨｚ）を伝搬するためには、長辺が５００ｍｍ以上の方形導波管とする必要がある。したがって、図６及び図７に示した同軸・導波管変換器は形状が大きくなり、これを部分放電検出装置に組み込むとなると、装置の大型化という不具合を招いた。

本発明は、上記のような従来技術の有する問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、簡素な構成により、広帯域で且つＳ／Ｎ良く、部分放電に伴う電磁波を検出することができ、使い勝手の良く、コンパクトで高性能な部分放電検出装置を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、絶縁ガスを充填した密閉金属容器内に高電圧導体を絶縁物によって支持してなるガス絶縁機器に組み込まれる装置であって、該ガス絶縁機器内部の部分放電を検出する部分放電検出装置において、前記絶縁物から漏洩する電磁波を受信する受信手段と、前記受信手段で受信した電磁波を信号処理する信号処理手段と、前記信号処理手段にて信号処理した信号の値より前記ガス絶縁機器内部に発生した部分放電に起因する電磁波を受信したか否かを判定する信号処理判定手段を備え、前記受信手段は、導波管部と、前記導波管部に取り付けられた同軸ケーブル用コネクタとからなり、前記導波管部は一端に金属製の短絡板を有し、他端に前記絶縁物に対向して開口部を形成し、前記同軸ケーブル用コネクタ位置と前記導波管部の開口部との距離を前記導波管部における遮断波長の４分の１以下に設定し、前記同軸ケーブル用コネクタに計測用の同軸ケーブルを取り付け、該同軸ケーブルに前記信号処理手段を接続したことを特徴とするものである。

このような構成を有する本発明では、部分放電に伴って発生する電磁波は密閉金属容器の中を伝搬すると、受信手段は絶縁物から漏洩する電磁波を受信する。このとき、受信手段の導波管部開口部は絶縁物に向かって開いているので、外部ノイズの影響を抑えることができ、導波管部自体が電磁波検出用アンテナとして作用して、電磁波を受信可能である。

したがって、同軸ケーブル用コネクタに取り付けた同軸ケーブルを用いて、検出した電磁波を信号処理手段に送り出すことができ、信号処理手段にて電磁波の信号処理を行った上で、信号処理判定手段は部分放電の有無を判定することができる。また、本発明の部分放電検出装置では、導波管部を電磁波の受信手段として使用しているので、簡単な構造のアンテナを構成することができる。このため、受信手段を金属容器外部に取り付けることが容易であって、装置構造の単純化が可能である。

本発明によれば、導波管部及び同軸ケーブル用コネクタからなる受信手段を電磁波検出用のアンテナとして用いることによって、広帯域で且つＳ／Ｎ良く、部分放電に伴う電磁波を検出することができ、使い勝手の良く、コンパクトで高性能な部分放電検出装置を提供することができる。

以下、本発明に係る代表的な実施形態について、図１〜図３を参照して具体的に説明する。本実施形態は、図５に示した従来技術と同じく、ガス絶縁機器内に発生した電磁波を判定することで部分放電を検出する部分放電検出装置である。

（１）本実施形態の構成
図１は本実施形態を適用したガス絶縁機器の斜視図を含む構成図であって、図２は本実施形態に係る受信手段の斜視図である。ガス絶縁機器１は、絶縁ガスを充填した密閉金属容器２、３内に高電圧導体５が挿入されており、高電圧導体５は絶縁物である絶縁スペーサ４によって支持されている。絶縁スペーサ４は、その周辺部が金属容器２，３のフランジ部２ａ、３ａで挟持され、組立ボルト６をフランジ部２ａ、３ａ及び絶縁スペーサ４の縁に通すことで一体に連結されている。

絶縁スペーサ４の外周面には本実施形態の受信手段である導波管アンテナ７が取り付けられている。導波管アンテナ７は絶縁スペーサ４から漏洩する電磁波を受信する部分であって、導波管部７ａと、導波管部７ａに設置された同軸ケーブル用コネクタ７ｂとから構成されている。

このうち、導波管部７ａは一端に金属製の短絡板７ｃが設けられ、該短絡板７ｃと向かい合う他端には開口部７ｄが形成されている。導波管アンテナ７の開口部７ｄは、長辺ａ、短辺ｂの方形導波管を切断して形成されており、その長辺が金属容器２、３のフランジ部２ａ、３ａの端面と平行になり、且つ開口部７ｄは絶縁スペーサ４の外周面の一部を覆うように配置されている。

また、図２に示すように、導波管アンテナ７において、同軸ケーブル用コネクタ７ｂの位置と開口部７ｄとの距離Ｌ２は、導波管部７ａの遮断波長λcの４分の１以下に設定されている。例えば、導波管アンテナ７の長辺ａ、短辺ｂをそれぞれ、ａ＝１１０ｍｍ、ｂ＝５５ｍｍとした場合、その遮断周波数ｆｃは、約１．３６ＧＨｚである。

さらに、同軸ケーブル用コネクタ７ｂの中心導体は前記高電圧導体５の軸方向と平行となるように配置されている。また、同軸ケーブル用コネクタ７ｂには計測用の同軸ケーブル８が取り付けられており、この同軸ケーブル８を介して同軸ケーブル用コネクタ７ｂは信号処理手段９に接続されている。

信号処理装置９は、バンドパスフィルタ、増幅部、検波部等より構成される。また、信号処理装置９には信号処理判定部が組み込まれており、受信した電磁波のレベルやパターンに基づいて、部分放電に起因する電磁波を受信したか否か、つまり部分放電の有無を検出するようになっている。

（２）本実施形態の作用
続いて、本実施形態の作用について説明する。ガス絶縁機器１の内部で部分放電が発生すると、金属容器２、３等の内部に部分放電による数十ＭＨｚから数十ＧＨｚの電磁波が発生し、この電磁波は、金属容器２、３から構成される導波管の中を伝搬する。さらに、金属容器２、３内を伝搬した電磁波はフランジ部２ａ、３ａに伝わり、絶縁スペーサ４周辺部に対向するように設けた導波管アンテナ７の開口部７ｄに伝搬する。

前述したように、導波管アンテナ７の長辺ａ、短辺ｂをそれぞれ、ａ＝１１０ｍｍ、ｂ＝５５ｍｍとした場合、その遮断周波数ｆｃは約１．３６ＧＨｚなので、通常、これ以下の周波数の電磁波は減衰が大きく伝搬しない。ただし、本実施形態では、図２に示した導波管センサ７において、開口部７ｄと同軸ケーブル用コネクタ７ｂ間の長さＬ２を遮断波長λcの１／４以下に設定したので、導波管部７ａ中を伝搬できない遮断周波数以下の電磁波成分も導波管部７ａ内部に存在することが可能となっている。このため、導波管アンテナ７は遮断周波数以下の電磁波信号であっても、つまり遮断周波数ｆｃが遮断周波数１．３６ＧＨｚであっても、これ以下の信号を検出することができる。

また、図１に示した導波管アンテナ７は、開口部７ｄを絶縁スペーサ４の外周面に対向するように配置されており、その他の方向からの信号に対しては、導波管部７ａ、短絡板７ｃにより構成されて、外部ノイズからシールドされている。このため、ガス絶縁機器１内部で発生する部分放電に伴う電磁波信号に対し、Ｓ／Ｎの良いアンテナを構成することができる。

ここで、本実施形態による金属容器３内部の部分放電信号の測定例を図３に示す。図３の特性図から明らかなように、遮断周波数が１．３６ＧＨｚである導波管アンテナ７であっても、１．３６ＧＨｚ以下の周波数帯域にわたる広い帯域の信号を検出することが可能である。このため、長辺ａ、短辺ｂがａ＝１１０ｍｍ、ｂ＝５５ｍｍといった大きさの小型の導波管アンテナ７でも、部分放電信号の大半の周波数帯域をカバーできる。

導波管アンテナ７が電磁波信号を検出すると、同軸コネクタ用コネクタ７ｂはこれを同軸ケーブル８間の電圧信号に変換し、同軸ケーブル８を介して信号処理手段９がこれを受け取る。そして、信号処理装置９は、受信した電磁波のレベルやパターンに基づき、部分放電に起因する電磁波を受信したか否かを判定し、部分放電の有無を検出する。

（３）本実施形態の効果
以上述べたように、本実施の形態では、部分放電に伴う電磁波を導波管アンテナ７により直接検出しているため、部分放電信号をＳ／Ｎ良く高感度に検出することが可能である。また、開口部７ｄと同軸ケーブル用コネクタ７ｂ間の長さＬｌ２を遮断波長λcの１／４以下としているため、長辺ａ、短辺ｂがａ＝１１０ｍｍ、ｂ＝５５ｍｍ程度の大きさの導波管アンテナ７であっても、１．３６ＧＨｚ以下の周波数帯域の電磁波を検出することができる。これにより、比較的小さなサイズの導波管アンテナ７によりＵＨＦ帯域の部分放電信号を検出可能な部分放電検出装置を実現することができる。

（４）他の実施の形態
本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、例えば図４に示すように、導波管アンテナ７における同軸ケーブル用コネクタ７ｂの位置と開口部７ｄとの距離Ｌ２を連続的に変化させるよう、開口部７ｄの端面を円弧状とすることも可能である。このような実施形態によれば、導波管部７ａ中に進入できる電磁波信号帯域を広げることが可能となると共に、導波管部７ａが円周上の絶縁スペーサ４外周部に隙間無く接触することが可能となる。したがって、外部からのノイズ信号の侵入をより効果的に抑えることができる。これにより、部分放電発生に伴う電磁波をさらに感度良く検出することが可能となる。

また、導波管アンテナ７の導波管部７ａをスライド式の２重導波管で構成し、同軸ケーブル用コネクタ７ｂの位置と開口部７ｄとの距離Ｌ２を変更できるようにしても、遮断周波数以下の信号減衰を可変とすることが可能である。この実施形態によれば、導波管アンテナ７からの出力信号が最も大きくなるように前記Ｌ２を調整することにより、電磁波の発生状況に合わせて、最適な感度で効率よく電磁波を検出することが可能となる。

本発明の代表的な実施の形態による部分放電検出装置を組み込んだガス絶縁開閉機器の斜視図を含む本実施形態の構成図。本実施形態による部分放電検出装置の受信手段の詳細図。本実施形態による周波数スペクトラムの実測例を示す特性図。本発明に係る他の実施形態の受信手段の詳細図。従来の部分放電検出装置を取り付けたガス絶縁開閉機器の断面図。従来の同軸・導波管変換器の概略図。従来の同軸・導波管変換器の断面図。

符号の説明

１、１０…ガス絶縁開閉機器
２、３、２２…金属容器
２ａ、３ａ、２６…フランジ部
４、２４…絶縁スペーサ
５、２５…高電圧導体
６…組立ボルト
７…導波管アンテナ
７ａ…導波管部
７ｂ、４３…同軸ケーブル用コネクタ
７ｃ、４１…短絡板
７ｄ…開口部
８…同軸ケーブル
９…信号処理装置
２７…内部検出器
２８…整合回路
２９…増幅器
３０…測定器
３１…判定器
３５…欠陥部
３６…電磁波
４０…方形導波管
４２…導波管接続用フランジ
４３ａ…同軸内導体
４３ｂ…同軸外導体
４４…電気力線

Claims

絶縁ガスを充填した密閉金属容器内に高電圧導体を絶縁物によって支持してなるガス絶縁機器に用いる装置であって、該ガス絶縁機器内部の部分放電を検出する部分放電検出装置において、
前記絶縁物から漏洩する電磁波を受信する受信手段と、
前記受信手段で受信した電磁波を信号処理する信号処理手段と、
前記信号処理手段にて信号処理した信号の値より前記ガス絶縁機器内部に発生した部分放電に起因する電磁波を受信したか否かを判定する信号処理判定手段を備え、
前記受信手段は、導波管部と、前記導波管部に取り付けられた同軸ケーブル用コネクタとからなり、
前記導波管部は、一端に金属製の短絡板を有し、他端に前記絶縁物に対向して開口部を形成し、
前記同軸ケーブル用コネクタ位置と前記導波管部の開口部との距離を前記導波管部における遮断波長の４分の１以下に設定し、
前記同軸ケーブル用コネクタに計測用の同軸ケーブルを取り付け、該同軸ケーブルに前記信号処理手段を接続したことを特徴とする部分放電検出装置。
前記導波管部の開口部を前記絶縁物の外周部に接触させたことを特徴とする請求項１に記載の部分放電検出装置。
前記受信手段は、前記同軸ケーブル用コネクタの位置と前記導波管部の開口部との距離を可変構造としたことを特徴とする請求項１または２に記載の部分放電検出装置。
前記受信手段における前記同軸ケーブル用コネクタの導体を、前記ガス絶縁機器内の前記高電圧導体と平行に配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の部分放電検出装置。
前記受信手段は、前記導波管部をスライド式の多重構造としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の部分放電検出装置。
前記受信手段は、前記導波管部の開口部の切断形状を円弧状としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の部分放電検出装置。