(57)【要約】【課題】専用の部品や回路を必要とせず、電圧印加中の電力ケーブルを無停電で診断することができる電力ケーブルの診断方法を提供する。【解決手段】本発明に係る電力ケーブルの診断方法は、電力ケーブルに印加される電圧と、シールド材に流れる接地電流を計測し、電力ケーブルに印加される電圧と、電力ケーブルの静電容量及び抵抗値から容量性電流ｉｃ（ｔ）と抵抗性電流ｉｒ（ｔ）を算出する。接地電流ｉ（ｔ）、容量性電流ｉｃ（ｔ）及び抵抗性電流ｉｒ（ｔ）から、水トリー劣化に由来する電流ｉｔ（ｔ）を算出し、算出された電流ｉｔ（ｔ）と、印加電圧Ｖ（ｔ）に基づいて、電力ケーブルの劣化診断を行う。【選択図】図２
2014044177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の芯線と、前記芯線の外周に設けられた絶縁材と、前記絶縁材の外周に設けられ接地されたシールド材を備えた電力ケーブルの診断方法であって、
前記電力ケーブルに印加される電圧Ｖ（ｔ）と、前記シールド材に流れる接地電流ｉ（ｔ）を計測し、
前記電力ケーブルに印加される前記電圧Ｖ（ｔ）と、前記電力ケーブルの静電容量及び抵抗値から容量性電流ｉｃ（ｔ）と抵抗性電流ｉｒ（ｔ）を算出し、
前記接地電流ｉ（ｔ）、容量性電流ｉｃ（ｔ）及び抵抗性電流ｉｒ（ｔ）から、下式により水トリー劣化に由来する電流ｉｔ（ｔ）を算出し、
算出された前記電流ｉｔ（ｔ）と、前記電力ケーブルに印加される電圧Ｖ（ｔ）に基づいて、電力ケーブルの劣化診断を行う電力ケーブルの診断方法。
【数１】
2014044177.tif 000008
【請求項２】
前記電力ケーブルに印加される前記電圧Ｖ（ｔ）と、前記接地電流ｉ（ｔ）を下式に代入し、前記電流ｉｔ（ｔ）が最小となるように数値最適化手法により前記電力ケーブルの静電容量Ｃ及び抵抗値Ｒを求め、
求められた前記静電容量Ｃ及び抵抗値Ｒを用いて、前記容量性電流ｉｃ（ｔ）と前記抵抗性電流ｉｒ（ｔ）を算出する請求項１に記載の電力ケーブルの診断方法。
【数２】
2014044177.tif 000009
【請求項３】
前記電力ケーブルに電圧を印加した状態で、前記シールド材の終端部と前記接地との間に電流計を接続し、前記電流計によって前記接地電流を計測する請求項１又は２に記載の電力ケーブルの診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力ケーブルの水トリー劣化を診断する診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電力ケーブルの絶縁材の一部に水分が凝集し、電界の方向にトリー状（樹枝状）の絶縁破壊が発生・進行する故障が知られている。この絶縁破壊は、一般的に、水トリー劣化と呼ばれ、電力ケーブルの故障割合の多くを占めている。水トリー劣化の診断技術は、電力ケーブルの保守点検を行う上で重要となっているが、水トリー劣化のメカニズムは完全に解明されておらず、その診断方法は未だ確立されていない。
【０００３】
ここで、水トリー劣化した電力ケーブルの損失電流は、非線形特性を有し、複数の周波数成分を含んでいる。また、電力ケーブルの損失電流には、印加電圧の基本波の周波数の奇数高調波において、水トリー劣化の有無や程度に応じた信号が現れることが知られている。そのため、電力ケーブルの損失電流について高調波成分を観測することにより、水トリー劣化の有無や程度を検出することができる。
【０００４】
特許文献１乃至５には、従来の水トリー劣化の診断方法として、電力ケーブルに流れる電流から、容量性電流を取り除き、損失電流を抽出する方法が提案されている。特許文献１では、交流電源に、絶縁体試料と無損失の標準コンデンサを並列に接続し、標準コンデンサによって、印加電圧よりもπ／２だけ位相の進んだ容量電流ＩＳを生成する。この容量電流ＩＳをｋ倍した電流値によって、絶縁体試料に流れる電流から容量電流を打ち消し、損失電流ＩＲを検出する。
【０００５】
特許文献２に開示された方法では、供試コンデンサ（ＣＶケーブルの絶縁体）Ｃｘと、可変抵抗Ｒ３を中点ａを介して直列に接続した第１の回路と、可変コンデンサＣ４および固定抵抗Ｒ４の並列接続回路と標準コンデンサＣｓを中点ｂを介して直列に接続した第２の回路を並列に接続し、シエーリングブリッジ回路を構成する。そして、シエーリングブリッジ回路に交流電圧を印加した状態で、可変抵抗Ｒ３と可変コンデンサＣ４を調整し、交流電圧の基本波成分に対する中点ａおよびｂの電位を等しくした後、可変コンデンサＣ４を零に設定する。これにより、損失電流の波形を検出している。
【０００６】
同様に、特許文献３及び４では、試料と標準コンデンサを並列に接続して電源から電圧を印加する。そして、それぞれの電流をブリッジ回路に入力し、試料に流れる電流から電源電圧よりも位相がπ／２だけ進んだ電流成分を除去する。これにより、試料に流れる電圧と同相の損失電流を検出している。
【０００７】
しかしながら、引用文献１乃至４に開示された方法では、試料（電力ケーブル）にブリッジ回路や、標準コンデンサを接続しており、ブリッジ回路や標準コンデンサを接続するために、測定対象の電力ケーブルの運転を一時的に停止する必要がある。
【０００８】
このような問題に対し、特許文献５では、電力ケーブルの運転を停止せずに、電源ケーブルに流れる損失電流を検出する方法が提案されている。特許文献５では、商用電源線に接続された高電位端Ｈと、試料の芯線に接続された低電位端Ｌの間に検出抵抗を直列接続し、この検出抵抗の両端に生じた電圧を増幅して、検出信号を生成する。また、微分器により、商用電源線による線路に設置された計器用変圧器から、印加電圧の電圧位相情報を取り込み、微分処理して変位電流成分キャンセル信号を生成する。検出信号をキャンセル信号に重畳することにより、損失電流成分を抽出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平７−１５１８１５号公報
【特許文献２】特開２００２−６２３３１号公報
【特許文献３】特開平１０−１９７５９３号公報
【特許文献４】特開平１１−６８５４号公報
【特許文献５】特開２００９−１６８６３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献５に開示された方法でも、予め検出抵抗を、商用電源線に接続された高電位端Ｈと、試料の芯線に接続された低電位端Ｌの間に接続する必要があり、既存の電力ケーブルの水トリー劣化を診断するためには、商用電源での使用を中止して停電させた後に、検出抵抗を試料に直列接続する必要がある。
【００１１】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、専用のブリッジ回路等を必要とせず、電圧印加中の電力ケーブルの水トリー劣化を無停電で診断することができる電力ケーブルの診断方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、このような目的を達成するために、以下のような特徴を有している。
［１］導電性の芯線と、前記芯線の外周に設けられた絶縁材と、前記絶縁材の外周に設けられ接地されたシールド材を備えた電力ケーブルの診断方法であって、
前記電力ケーブルに印加される電圧Ｖ（ｔ）と、前記シールド材に流れる接地電流ｉ（ｔ）を計測し、
前記電力ケーブルに印加される前記電圧Ｖ（ｔ）と、前記電力ケーブルの静電容量及び抵抗値から容量性電流ｉｃ（ｔ）と抵抗性電流ｉｒ（ｔ）を算出し、
前記接地電流ｉ（ｔ）、容量性電流ｉｃ（ｔ）及び抵抗性電流ｉｒ（ｔ）から、下式により水トリー劣化に由来する電流ｉｔ（ｔ）を算出し、
算出された前記電流ｉｔ（ｔ）と、前記電力ケーブルに印加される電圧Ｖ（ｔ）に基づいて、電力ケーブルの劣化診断を行う電力ケーブルの診断方法。
【００１３】
【数１】
2014044177.tif 000003
【００１４】
［２］前記電力ケーブルに印加される前記電圧Ｖ（ｔ）と、前記接地電流ｉ（ｔ）を下式に代入し、前記電流ｉｔ（ｔ）が最小となるように数値最適化手法により前記電力ケーブルの静電容量Ｃ及び抵抗値Ｒを求め、
求められた前記静電容量Ｃ及び抵抗値Ｒを用いて、前記容量性電流ｉｃ（ｔ）と前記抵抗性電流ｉｒ（ｔ）を算出する請求項１に記載の電力ケーブルの診断方法。
【００１５】
【数２】
2014044177.tif 000004
【００１６】
［３］前記電力ケーブルに電圧を印加した状態で、前記シールド材の終端部と前記接地との間に電流計を接続し、前記電流計によって前記接地電流を計測する請求項１又は２に記載の電力ケーブルの診断方法。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、専用の部品や回路を必要とせず、交流電圧を印加中の電力ケーブルにおける水トリー劣化を無停電で診断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施の形態１を適用する電力ケーブルの構成を示す概略図である。
【図２】電力ケーブルの絶縁材に水トリーが発生している場合の電力ケーブルの等価回路を示す図である。
【図３】実施の形態１に係る水トリーの診断方法を適用した実施例１において、計測された電圧Ｖ（ｔ）から式（２）及び（３）を用いて求めた容量性電流ｉｃや抵抗性電流ｉｒを示す図である。
【図４】図３の容量性電流ｉｃ及び抵抗性電流ｉｒを式（１）に代入することにより求められた水トリー電流ｉｔ（ｔ）を示す図である。
【図５】図４の水トリー電流ｉｔ（ｔ）をフーリエ変換することにより周波数解析を行った図である。
【図６】実施の形態２に係る水トリーの診断方法を適用した実施例２において求められた水トリー電流の周波数解析の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付した図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
［実施の形態１］
図１は、本実施の形態１を適用する電力ケーブルの構成を示す概略図である。芯線１１は、内側から外側に向かって絶縁材１２、シールド材１３、及び被覆材１４によって覆われている。芯線１１は、導電性を有している。絶縁材１２は、架橋ポリエチレンによって構成することができる。シールド材１３は、遮蔽性を有する銅テープにより構成することができる。また、被覆材１４は、ビニールにより構成することができる。
【００２１】
このように構成された電力ケーブル１０では、絶縁材１２の一部に水分が凝集し、トリー状の絶縁破壊が進行する場合がある。この絶縁破壊は、一般的に、水トリーと呼ばれている。
【００２２】
図２は、電力ケーブルに水トリー劣化が発生している場合の電力ケーブルの等価回路を示す図である。芯線１１には、交流による電圧Ｖが印加されている。また、シールド材１３は、接地されている。電圧Ｖが印加される芯線１１と、接地との間には、電力ケーブル１０の抵抗要素、電力ケーブル１０の静電容量要素、及び、水トリーが並列に接続されたものと考えることができる。なお、電力ケーブル１０の抵抗要素は、抵抗値の大きい絶縁材１２の抵抗として考えてもよい。
【００２３】
ここで、電力ケーブル１０の静電容量要素に流れる電流を容量性電流ｉｃ、電力ケーブル１０の抵抗要素に流れる電流を抵抗性電流ｉｒ、水トリー由来の電流を水トリー電流ｉｔとすると、シールド材１３に流れる接地電流ｉは、ｉｃ、ｉｒ、ｉｔを用いて、以下の式（１）によって表すことができる。
【００２４】
【数３】
2014044177.tif 000005
【００２５】
電力ケーブル１０の抵抗要素の抵抗値をＲ、静電容量要素の静電容量をＣとすると、容量性電流ｉｃと、抵抗性電流ｉｒは、それぞれ静電容量Ｃ、抵抗値Ｒを用いて、式（２）、（３）によって表される。
【００２６】
【数４】
2014044177.tif 000006
【００２７】
電力ケーブル１０の抵抗値Ｒ（若しくは、絶縁材の抵抗値）、静電容量Ｃは、電力ケーブルの規格表等から予め取得することができるため、電圧Ｖ（ｔ）の値が分れば、式（２）及び（３）から容量性電流ｉｃと、抵抗性電流ｉｒを求めることができる。また、接地電流ｉ（ｔ）が分れば、求めた容量性電流ｉｃ及び抵抗性電流ｉｒと、式（１）から水トリー電流ｉｔを求めることができる。
【００２８】
本実施の形態１では、水トリー劣化の診断にあたって、接地電流ｉ（ｔ）と電圧Ｖ（ｔ）を同時に測定する。そして、測定した電圧Ｖ（ｔ）と、静電容量Ｃ及び抵抗値Ｒを式（２）に代入して、容量性電流ｉｃと、抵抗性電流ｉｒを求める。さらに、測定されたｉ（ｔ）と、算出された容量性電流ｉｃと抵抗性電流ｉｒを、式（１）に代入し、水トリー電流ｉｔ（ｔ）を求める。
【００２９】
そして、算出された水トリー電流ｉｔ（ｔ）に基づいて水トリー劣化を診断する。一般的に、水トリー劣化は、交流電圧と同相の電流の奇数高調波（一般的には、第３高調波）を観測することにより検出できることが知られている。そこで、式（１）により算出された水トリー電流ｉｔ（ｔ）の高調波成分を解析することにより、水トリーの発生を検出する。具体的には、水トリー電流ｉｔ（ｔ）についてフーリエ変換を行い、周波数解析における第３高調波を観察する。
【００３０】
そして、この第３高調波に基づいて水トリー劣化を診断する。なお、水トリー電流ｉｔ（ｔ）に基づいて水トリー劣化を診断する方法としては、従来において提案された種々の方法を用いることができる。具体的には、奇数高調波成分（特に、第３高調波）の大きさや、電圧Ｖの基本波に対する高調波成分の位相差に基づいて、水トリー劣化の程度を診断することができる。
【００３１】
ここで、シールド材１３の終端部は、接地されている。そのため、接地電流ｉ（ｔ）の測定にあたっては、シールド材１３の終端部を接地から切り離し、終端部と接地との間に電流計を接続するだけでよい。この電流計により、接地電流ｉ（ｔ）を測定することができる。なお、芯線１１とシールド材１３の間には、絶縁材１２が介されているため、シールド材１３の電圧は、電圧Ｖに比べて小さく、接地電流ｉ（ｔ）も小さい。そのため、シールド材１３の終端部を接地から切り離したり、電流計を接続する作業は、芯線１１に電圧Ｖを印加したまま実施することが可能である。
【００３２】
このように、本実施の形態１に係る水トリーの診断方法では、シールド材１３の電流を計測することにより、電力ケーブルに通常使用時の電圧Ｖを印加したまま、水トリー劣化の診断を実施することが可能となる。また、測定にあたっては、電力ケーブルの電圧Ｖ（ｔ）の測定を行うのと同時に、シールド材１３の終端部と接地との間に接続された電流計で電流ｉ（ｔ）を計測するだけでよい。そのため、特別な回路や装置を必要とせず、簡易な構成により水トリー劣化の診断を行うことができる。
【００３３】
なお、上記の説明では、本発明を水トリー劣化の診断方法に適用した例について説明したが、接地電流ｉ（ｔ）に基づいて、水トリー以外の要因による電力ケーブルの劣化を診断してもよい。
【００３４】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態１では、電力ケーブル１０の静電容量Ｃ及び抵抗値Ｒは既知であるとしたが、絶縁材１２の静電容量Ｃ及び抵抗値Ｒは、規格書などに掲載されていない場合もある。そこで、実施の形態２では、絶縁材１２の静電容量Ｃ及び抵抗値Ｒが未知である場合の診断方法を提案する。
【００３５】
まず、式（２）及び（３）を、式（１）に代入したものを、式（４）として示す。
【００３６】
【数５】
2014044177.tif 000007
【００３７】
ここで、水トリー電流ｉｔ（ｔ）は、容量性電流ｉｃや抵抗性電流ｉｒに比べ、非常に小さな値をとる。そこで、数値最適化手法を用い、水トリー電流の２乗（ｉｔ（ｔ））２が最小となるような静電容量Ｃ及び抵抗値Ｒを求める。そして、この静電容量Ｃ及び抵抗値Ｒを用いて、実施の形態１と同様の計測を行う。
【００３８】
このように、実施の形態２では、電力ケーブル１０の静電容量Ｃ及び抵抗値Ｒが未知の場合であっても、数値最適化手法を用いることにより実施の形態１と同様に水トリー劣化の診断を行うことができる。
【００３９】
なお、本発明は、上記の実施の形態１及び２に限定されるものではなく、種々の設計変更を実施することができる。
【実施例１】
【００４０】
実施例１として、本実施の形態１に係る水トリーの診断方法について評価実験を行った。評価実験では、水トリー劣化が発生していることが予め判っている電力ケーブルを用い、この電力ケーブルに実施の形態１に係る水トリー劣化の診断方法を実施した。実施の形態１に従って、オシロスコープを用い、１ｍｓｅｃ刻みで１０２４ｍｓｅｃ間、接地電流ｉ（ｔ）と電圧Ｖ（ｔ）を同時に測定した。
【００４１】
図３は、計測された電圧Ｖ（ｔ）から式（２）及び（３）を用いて求めた容量性電流ｉｃと抵抗性電流ｉｒを示す図である。このとき、ＲとＣの値は、電力ケーブルのカタログに掲載されていた値Ｒ＝１５００ＭΩ、Ｃ＝０．４９μＦを用いた。また、図４は、図３の容量性電流ｉｃ及び抵抗性電流ｉｒを式（１）に代入することにより求められた水トリー電流ｉｔ（ｔ）を示す図である。さらに、図５は、図４の水トリー電流ｉｔ（ｔ）をフーリエ変換することにより周波数解析を行った図である。
【００４２】
なお、電力ケーブルに印加された交流の電圧Ｖの周波数は６０Ｈｚである。図５を参照すれば、第３高調波である１８０Ｈｚ付近に、大きな水トリー電流ｉｔ（ｔ）が現れていることを確認することができる。これにより、実施の形態１に係る水トリーの診断方法によって、水トリー劣化を適切に検出することができることが分った。
【実施例２】
【００４３】
次に、実施例１におけるＲとＣが既知の電力ケーブルについて測定されたＶ（ｔ）とｉ（ｔ）を用いて、実施の形態２の方法でＲとＣを計算により求めた。具体的には、１ｍｓｅｃ毎に求められたｉｔに基づき、１０２４ｓｅｃ間におけるΣ（ｉｔ）２を評価関数とし、評価関数が最小になるＲとＣを表計算ソフトのソルバー機能を用いて求めた。
【００４４】
その結果、R＝２０MΩ、C＝０．０５９μFという値が得られた。得られた値と、カタログに掲載されていた値（Ｒ＝１５００ＭΩ、Ｃ＝０．４９μＦ）との差は、水トリーが発生していることによる影響と考えられる。
【００４５】
評価関数により求められたＲとＣの値を用いて、実施の形態１の方法と同様に、水トリー電流ｉｔ（ｔ）を算出し、さらにフーリエ変換によって水トリー電流ｉｔ（ｔ）の周波数解析を行った。図６は、実施の形態２を用いて求められた水トリー電流の周波数解析の結果を示す図である。図６から明らかなように、第３高調波成分において高い応答が確認された。
【００４６】
以上より、実施の形態２の方法を用いても、第３高調波成分が検出され、水トリー劣化を適切に検出できることが分った。
【符号の説明】
【００４７】
１０  電力ケーブル
１１  芯線
１２  絶縁材
１３  シールド材
１４  被覆材
【図１】
2014044177.tif 000010
【図２】
2014044177.tif 000011
【図３】
2014044177.tif 000012
【図４】
2014044177.tif 000013
【図５】
2014044177.tif 000014
【図６】
2014044177.tif 000015