(57)【要約】【課題】簡単な構成によって電磁波信号を検出し、外来ノイズの影響を抑制して部分放電の有無を精度良く判定する。【解決手段】絶縁ガスが封入された金属製で円筒形のタンク１内に絶縁スペーサ２で支持された中心導体３を有するガス絶縁機器を対象とし、タンク１の内部で発生する部分放電の有無を判定する部分放電判定装置において、タンク１内に伝播する電磁波信号を検出する電磁波検出器４と、検出した電磁波信号を受信しガス絶縁機器の形状情報を用いて遮断周波数により算出されるＴＥＭモードのみが伝播可能な周波数帯域の範囲から共振周波数により算出されるＴＥＭモードエネルギーが強い周波数領域の信号を抽出するＴＥＭ検出装置６と、抽出した信号の強度から部分放電の有無を判定する判定装置７とを備えて構成した。【選択図】図１
2006266819.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁ガスが封入された金属製で円筒形のタンクを絶縁スペーサで区画し、中心導体を上記絶縁スペーサで支持して構成したガス絶縁機器を対象とし、上記タンクの内部で発生する部分放電の有無を判定する部分放電判定装置において、
上記タンク内に伝播する電磁波信号を検出する電磁波検出器と、検出した上記電磁波信号を受信し上記ガス絶縁機器の形状情報を用いて、遮断周波数により算出されるＴＥＭモードのみが伝播可能な周波数帯域の範囲から共振周波数により算出されるＴＥＭモードエネルギーが強い周波数領域の信号を抽出するＴＥＭ検出装置と、抽出した上記信号の強度から部分放電の有無を判定する判定装置とを備えたことを特徴とする部分放電判定装置。
【請求項２】
請求項１記載の部分放電判定装置において、上記ＴＥＭ検出装置は、上記タンク及び上記中心導体の径寸法に応じて遮断周波数を算出する遮断周波数計算装置と、測定対象タンクの両端に設けられた絶縁スペーサの間隔に応じて共振周波数を算出する共振周波数計算装置と、上記両計算装置の計算結果に応じてフィルタの周波数を変える複数の中心周波数可変バンドパスフィルタとを備えて構成し、上記遮断周波数計算装置で計算したＴＥ１１モードの遮断周波数以下の範囲から上記共振周波数計算装置で計算した共振周波数及びその整数倍の周波数を選定し、選定した上記周波数を上記複数の中心周波数可変バンドパスフィルタに割り当てて抽出周波数を設定し、設定した上記抽出周波数に応じた信号を抽出するようにしたことを特徴とする部分放電判定装置。
【請求項３】
絶縁ガスが封入された金属製で円筒形のタンクを絶縁スペーサで区画し、中心導体を上記絶縁スペーサで支持して構成したガス絶縁機器を対象とし、上記タンクの内部で発生する部分放電の有無を判定する部分放電判定方法において、
上記タンク内に伝播する電磁波信号を電磁波検出器によって検出し、検出した上記電磁波信号を受け上記ガス絶縁機器の形状情報を用いて、遮断周波数により算出されるＴＥＭモードのみが伝播可能な周波数帯域の範囲から共振周波数により算出されるＴＥＭモードエネルギーが強い周波数領域の信号をＴＥＭ検出装置によって抽出し、抽出した上記信号の強度から部分放電の有無を判定装置によって判定することを特徴とする部分放電判定方法。
【請求項４】
請求項３記載の部分放電判定方法において、上記ＴＥＭ検出装置は、上記タンク及び上記中心導体の径寸法に応じて遮断周波数を算出する遮断周波数計算装置と、測定対象タンクの両端に設けられた絶縁スペーサの間隔に応じて共振周波数を算出する共振周波数計算装置と、上記両計算装置の計算結果に応じてフィルタの周波数を変える複数の中心周波数可変バンドパスフィルタとを備えて構成されたものを使用し、上記遮断周波数計算装置で計算したＴＥ１１モードの遮断周波数以下の範囲から上記共振周波数計算装置で計算した上記共振周波数及びその整数倍の周波数を選定し、選定した上記周波数を上記複数の中心周波数可変バンドパスフィルタに割り当てて抽出周波数を設定し、設定した上記抽出周波数に応じた信号を抽出するようにしたことを特徴とする部分放電判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ガス絶縁機器の内部で発生する部分放電の有無を判定する部分放電判定装置及び部分放電判定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガス絶縁電気機器の内部で発生した絶縁異常の前兆となる部分放電を検出する従来の技術としては、例えば、絶縁性ガスを充填した密閉金属容器内部に高電圧導体を絶縁物により支持してなる絶縁電気装置において、その内部で発生する異常を診断するガス絶縁電気装置の異常診断方法として、密閉金属容器から高周波信号を取り込み、この高周波信号を複数の周波数領域別に分離してそれぞれの周波数領域別の各高周波信号の大きさを比較することにより、ガス絶縁電気装置での異常発生の有無、及び観測点から異常発生点までの距離を判断する技術が開示されている。信号分離手段によって分離される信号は、２導体系を伝播する基本モードのＴＥＭモードに対し高次モードであるＴＥ１１，ＴＥ２１，ＴＭ０１，ＴＭ１２及びＴＥ３１モード等であり、これら高周波信号の絶対強度若しくは相対強度を表示し、かつ必要に応じてこれらの高周波信号の強度を用いて演算を行い、ガス絶縁電気装置の異常の有無、さらに異常と判断した場合には観測点から異常発生点までの距離を判断するものである（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１０２１５９号公報（第２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記に示す従来の異常診断方法では、部分放電による電磁波に含まれる電磁波モードのうち、主としてＴＥ１１モード以上の高次モードを利用している。これらの高次モードの電磁波はガス絶縁機器の円筒状のタンクの円周方向に顕著な強度分布を持つことが知られている。このため、例えば上記特許文献１では、絶縁スペーサの円周に埋め込まれたシールド電極によって電磁波を検出している。埋め込み電極によらずに、タンク外部に設けた電磁波検出器によってタンク周方向に強度分布を有する高次モードの電磁波を確実に検出するには、検出方法が複雑となり、その検出信号の処理も複雑になる。
また、部分放電による電磁波信号を周波数領域のみによって分離して比較判定しているので、測定時に何らかのエネルギーが検出されたときに、それが部分放電に由来する信号か、単なる外来ノイズかの識別は難しく、現場環境ノイズの大きい変電所等における汎用の部分放電診断技術としては、ノイズ対策の面でまだ課題が残されていた。
このように、高次モードの電磁波を検出して部分放電の判定に利用する場合、対象とする高次モードの特徴を捉えて確実に特定できれば有効な判定方法であるが、ノイズを除去して確実に高次モードを特定し抽出するためには、判定装置及び方法が複雑となり、また高度な識別技術を必要とするという問題点があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、簡単な構成によって電磁波信号を検出し、外来ノイズの影響を抑制して部分放電の有無を判定できる信頼性の高い部分放電判定装置及び部分放電判定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】
【０００６】
絶縁ガスが封入された金属製で円筒形のタンクを絶縁スペーサで区画し、中心導体を上記絶縁スペーサで支持して構成したガス絶縁機器を対象とし、タンクの内部で発生する部分放電の有無を判定する部分放電判定装置において、タンク内に伝播する電磁波信号を検出する電磁波検出器と、検出した電磁波信号を受信しガス絶縁機器の形状情報を用いて、遮断周波数により算出されるＴＥＭモードのみが伝播可能な周波数帯域の範囲から共振周波数により算出されるＴＥＭモードエネルギーが強い周波数領域の信号を抽出するＴＥＭ検出装置と、抽出した上記信号の強度から部分放電の有無を判定する判定装置とを備えたものである。
【０００７】
また、この発明に係わる部分放電判定方法は、タンク内に伝播する電磁波信号を電磁波検出器によって検出し、検出した電磁波信号を受けガス絶縁機器の形状情報を用いて、遮断周波数により算出されるＴＥＭモードのみが伝播可能な周波数帯域の範囲から共振周波数により算出されるＴＥＭモードエネルギーが強い周波数領域の信号をＴＥＭ検出装置によって抽出し、抽出した信号の強度から部分放電の有無を判定装置によって判定するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の部分放電判定装置又は部分放電判定方法によれば、タンク内に伝播する電磁波信号を検出する電磁波検出器と、ＴＥＭモードのみが伝播する周波数帯域の範囲からＴＥＭモードエネルギーが強い周波数領域の信号を抽出するＴＥＭ検出装置と、抽出した信号の強度から部分放電の有無を判定する判定装置とを備えたので、ガス絶縁機器の円周方向に顕著な強度分布を持たないＴＥＭモードのみを利用することでガス絶縁機器の外部からでも簡単に測定が可能となり、また、ＴＥＭモードエネルギーが強い周波数領域を抽出して判定するようにしたので、外来ノイズの影響を抑制して部分放電の有無を精度良く判定でき、信頼性の高い部分放電判定装置又は部分放電判定方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による部分放電判定装置をガス絶縁機器に配置した状態を示す図である。ガス絶縁機器の一例として、ＧＩＳ（Gas Insulated Switchgear：ガス絶縁開閉装置）を例に説明する。ＧＩＳは、遮断器，断路器等の開閉機器やこれらを保護する電気機器が母線により接続され、各機器の高電圧充電部は絶縁性ガスを充填した金属製のタンク内に収納されて構成されている。図は、このＧＩＳの母線タンク部分に部分放電判定装置を配置した場合である。
図のように、円筒形状をした金属製のタンク１が複数個、絶縁スペーサ２を介し連結され、この絶縁スペーサ２に支持された円筒状の中心導体３がタンク１と同軸に配置されて構成されている。そして、絶縁スペーサ２で区画されたタンク１内には絶縁ガスが封入されている。
【００１０】
次に、部分放電判定装置の構成について説明する。タンク１を連結する絶縁スペーサ２の外周部に、タンク１内に伝播する電磁波信号を検出する電磁波検出器４を配置する。この電磁波検出器４は、電磁波アンテナを主に構成されており、例えば、ループコイル，ダイポールアンテナ，ログペリアンテナ，ホーンアンテナ等が使用される。なお、絶縁スペーサの外周部でなく、絶縁スペーサに内蔵したものや、ガス絶縁機器に最初から内蔵されている部分放電検出器でも、電磁波を検出する方式のものであれば利用可能である。部分放電検出器４からの出力信号は判定部５に送信される。
【００１１】
判定部５は、後述するＴＥＭモードのみが存在する周波数帯域の電磁波信号を抽出するための、例えばフィルタによって構成されたＴＥＭ検出装置６と、その出力信号を受けて異常（部分放電）の有無を判定する判定装置７と、ＴＥＭモードのみが存在する周波数帯域や後述の共振周波数を演算するのに必要なガス絶縁器の形状情報をＴＥＭ検出装置６へ入力する入力部８とを備えている。上記の４〜８で主に本実施の形態の部分放電判定装置を構成する。
なお、部分放電は、タンク１内に例えば部分放電源９のような異物が存在した場合に発生する。
【００１２】
次に、本実施の形態による発明において、部分放電による電磁波信号のうちからＴＥＭモードに着目した理由について説明する。
図２は発明者らの研究によって明らかにされた実験検証データ例で、図１のようなガス絶縁機器のタンク１内部において部分放電が生じている場合の、タンク１の壁面における外周方向の電磁波の分布状況を示す図である。このデータは中心導体の長さが約２ｍのタンク内部で部分放電を発生させたものである。縦軸は、部分放電源を基点（０°）としタンク外周の円周方向の位置を角度で示し、横軸は、周波数（ＭＨｚ）を示している。図において、色の濃い部分が電磁波信号の強い部分である。図の上部には、ＴＥＭモード，ＴＥ１１モード，及びＴＥ２１モードの電磁波信号が伝播する周波数帯域をそれぞれ横棒グラフで示している。なお、図は検証データによるものであるが、説明のために視覚的に分かりやすいように作図し、濃淡を誇張して表現している。
【００１３】
電磁波のモードにはＴＥＭモード、ＴＥ（ｍ１）モード（但し、ｍは１，２，３・・・）以外にＴＭモード等があり、それぞれのモードは電磁波の異なる伝播形態を表しており、進行方向に対し、電界や磁界のベクトルの有無で区別されている。各モードのうち、ＴＥＭモードはタンク円周方向にピーク分布を持たない静電界と同じ電界分布である。これに対し、ＴＥ１１以上の高次モードは円周方向にピーク分布を持つ電界分布を示す。
【００１４】
図２上部棒グラフに示したように、ＴＥ１１モード、ＴＥ２１モードはそれぞれのモードごとに特定の周波数以上の領域に限定して存在している。この周波数は遮断周波数と呼ばれ、中心導体径やタンク径などの構成部品の形状や寸法によって（すなわちガス絶縁機器の形状や寸法に応じて）変化する値である。例えば、タンクの半径をａ、中心導体の半径をｂ、光速をｃとすると、ＴＥ１１モードの遮断周波数ｆは、次のように表すことができる。
ｆ＝ｃ／π〔（ａ＋ｂ）〕・・・・・・・・（１）
図２の例では、ＴＥ１１モードの遮断周波数ｆは２９０ＭＨｚである。
【００１５】
一方、ＴＥＭモードの電磁波は、遮断周波数は存在せず、横棒グラフに示すように全周波数帯域にわたって伝播する。従って、グラフからもわかるように、ＴＥ１１モードの遮断周波数以下（実験データの例では２９０ＭＨｚ以下）ではＴＥＭモードのみが存在し得る周波数帯域となる。
【００１６】
上記のように、ＴＥＭモードは全周波数帯域にわたって存在するが、実際にＧＩＳタンクを模擬して実験した検証データによると、全周波数帯域にわたって均等に存在するのではなく、ある周波数領域に多く存在するという特徴が見られた。例えば、図２おいて、２９０ＭＨｚ以下のＴＥＭモードのみが存在し得る周波数帯域をみると、部分放電信号が特徴的に存在している周波数が限定されていることが明らかである。
発明者らの研究によって、この部分放電信号が特定の周波数に局在するのはガス絶縁機器のタンク寸法（タンク長）、すなわち、絶縁スペーサ間距離（＝中心導体長さ）による共振現象であり、局在する周波数は導体長さから特定できることが明らかになった。具体的には、導体の両端の絶縁スペーサによる短絡端が存在することで、導体長さを１／２波長とする共振現象となる。
【００１７】
図２の例で実際に計算をすると、共振周波数は８０ＭＨｚを基本としてその整数倍の高調波である１６０ＭＨｚ，２４０ＭＨｚに存在することが予測され、図２で部分放電による強いエネルギーが存在している周波数領域（ＴＥＭモードとして丸印で表示した領域）に一致している。
【００１８】
従って、部分放電による電磁波の中でＴＥＭモードのみが存在し得る周波数帯域、すなわち、ＴＥ１１モードの遮断周波数以下の周波数帯域の範囲内で、ガス絶縁機器の絶縁スペーサ間の距離から計算される共振周波数を選択することで、有効にＴＥＭモードエネルギーを抽出することが可能となり、機器設置現場の環境ノイズの影響を大幅に低減できることになる。
【００１９】
そこで、本実施の形態による発明では、電磁波検出器４からの検出信号を受けて、ＴＥＭ検出装置６では、入力部８から入力されたタンク半径ａと中心導体半径ｂの値により式１からＴＥ１１モードの遮断周波数を計算し、また、絶縁スペーサ間隔Ｌから共振周波数を計算し、ＴＥ１１モードの遮断周波数以下の周波数帯域のなかから共振周波数をもとにＴＥＭモードのエネルギーが強く存在する周波数領域を選択して抽出する。この抽出した信号を受けて、判定装置７では、周波数領域に含まれる信号がＴＥＭモードの信号であるかどうかを判定し、所定の強度の信号が検知されたときに部分放電と判定するものである。この判定処理は、部分放電診断に開発されている公知の各種信号処理技術を用いて、パーソナルコンピュータ等で処理することにより実現できる。
【００２０】
なお、上記説明では、タンク半径ａ，中心導体半径ｂ、及びスペーサ間隔Ｌを入力部から入力したが、測定対象のガス絶縁機器が特定されているような場合は、これらの数値をプリセットしておいても良く、また、予め計算された遮断周波数や共振周波数を直接用いて、検波するフィルタの値を設定しておいても良い。
更に、上記の説明では共振周波数の計算に絶縁スペーサ間隔を用いたが、対象タンクのタンク長又は中心導体長を用いても同様であるのは言うまでもない。
【００２１】
以上のように、本実施の形態の発明によれば、タンク内に伝播する電磁波信号を検出する電磁波検出器と、ＴＥＭモードのみが伝播する周波数帯域の範囲からＴＥＭモードエネルギーが強い周波数領域の信号を抽出するＴＥＭ検出装置と、抽出した信号の強度から部分放電の有無を判定する判定装置とを備えたので、ガス絶縁機器の円周方向に顕著な強度分布を持たないＴＥＭモードのみを利用することでガス絶縁機器の外部からの測定が簡単となり、また、ＴＥＭモードエネルギーが強い周波数領域を抽出して判定するようにしたため、外来ノイズの影響を抑制して部分放電の有無を精度良く判定でき、信頼性の高い部分放電判定装置又は部分放電判定方法を提供できる。
【００２２】
実施の形態２．
図３は実施の形態２による部分放電判定装置の判定部５を示すブロック図である。部分放電判定装置全体の構成やガス絶縁機器に配置された状態は、実施の形態１で説明した図１と同等なので、詳細な説明は省略し、相違点を中心に説明する。相違点は、実施の形態１の判定部５のなかのＴＥＭ検出装置６に替えて、具体的に内部構成を示したＴＥＭ検出装置１５としたところである。図中で図１と同一符号は同一部分を示す。
【００２３】
本実施の形態の部分放電判定装置の判定部５は、タンク１及び中心導体３の半径と測定対象タンク１の両側に設けられた絶縁スペーサ２の間隔とを入力する入力部８と、入力された径情報をもとに遮断周波数を算出する遮断周波数計算装置１０と、入力された絶縁スペーサ２の間隔情報をもとに共振周波数を計算する共振周波数計算装置１１と、電磁波検出器４からの電磁波信号と遮断周波数計算装置１０及び共振周波数計算装置１１で計算した周波数情報とを受けて特定の周波数を通過させる中心周波数可変形バンドパスフィルタ１２ａ〜１２ｃと、各バンドパスフィルタ１２ａ〜１２ｃの出力信号から部分放電かどうかを判定する判定装置７とで構成されている。なお、上記の遮断周波数計算装置１０，共振周波数計算装置１１，及びバンドパスフィルタ１２ａ〜１２ｃでＴＥＭ検出装置１３の主要部を構成する。
【００２４】
次に動作について説明する。図３において、タンク１の半径ａと中心導体３の半径ｂがインプットされた遮断周波数計算装置１０は式１に従ってＴＥ１１モードの遮断周波数を算出する。一方、共振周波数計算装置１１は測定対象タンク１の両側に設けた絶縁スペーサ２の距離Ｌをもとに、Ｌを１／２波長とする電磁波の共振周波数を計算する。共振周波数計算装置１１は、上記の遮断周波数を上限として、共振周波数とその整数倍の高調波周波数を抽出周波数として周波数ごとに中心周波数可変形バンドパスフィルタ１２ａ〜１２ｃへ割り当てて出力する。各中心周波数可変形バンドパスフィルタ１２ａ〜１２ｃは共振周波数計算装置１１から割り当てられた抽出周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタを構成するように動作条件を変更する。
なお、図３では中心周波数可変形バンドパスフィルタとして３個示しているが、ガス絶縁機器の形状寸法から、上記の遮断周波数以内で共振周波数とその整数倍の高調波周波数が存在する個数は予測できるので、実際にはその数以上の中心周波数可変形バンドパスフィルタを用意しておく。
【００２５】
ＴＥＭ検出装置１３の内部がこのように動作することで、電磁波検出器４の出力は中心周波数可変形バンドパスフィルタ１２ａ〜１２ｃに並列入力され、ＴＥＭモードエネルギーの強い信号のみがフィルタを通過して、判定装置７に入力される。もし、タンク１内に部分放電源９が存在した場合、各バンドパスフィルタ１２ａ〜１２ｃを通過してきた信号には、当該タンク特有のＴＥＭモードエネルギーを選択して抽出することになる。従って、判定装置７によって、各バンドパスフィルタ１２ａ〜１２ｃからの信号の強度を判定し、部分放電かどうかの判定を行う。このようにして、ＴＥＭモードエネルギーを有効に利用した、ノイズに強い部分放電判定が可能となる。なお、部分放電判定のロジックは従来から沢山ある公知の技術を適用できる。
【００２６】
上記の遮断周波数計算装置１０や共振周波数計算装置１１は専用の演算式を組み込んだマイクロコンピュータや市販のパーソナルコンピュータ等の演算機能を持つ汎用装置を適用できる。また、中心周波数可変形バンドパスフィルタ１２ａ〜１２ｃは指定周波数に対応して静電容量を変える可変フィルタ，波形信号をディジタル変換し特定の周波数成分のみを抽出して逆変換するディジタル形のアダプティブフィルタ，特定の共振周波数を保有するセラミックス等の固体共振フィルタを複数配置して最適なフィルタを選定する固体共振フィルタ等、公知の各種可変フィルタ技術が利用可能である。
【００２７】
以上のように、本実施の形態の発明によれば、部分放電判定装置のＴＥＭ検出装置を、タンク及び中心導体の径寸法に応じて遮断周波数を算出する遮断周波数計算装置と、測定対象タンクの両端に設けられた絶縁スペーサの間隔に応じて共振周波数を算出する共振周波数計算装置と、両計算装置の計算結果に応じてフィルタの周波数を変える複数の中心周波数可変バンドパスフィルタとを備えて構成し、遮断周波数計算装置で計算した遮断周波数以下の範囲から共振周波数計算装置で計算した共振周波数及びその整数倍の周波数を選択して中心周波数可変バンドパスフィルタにより抽出するようにしたので、実施の形態１の発明の効果に加えて、ガス絶縁機器の規模によって異なる種々のタンクの形状に対しても、その形状に適した条件で信号を抽出できるため、汎用性の高い部分放電判定装置又は部分放電判定方法を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
ガス絶縁開閉装置のような、円筒状の金属タンク内に中心導体が配置された電気機器の内部で発生する部分放電を検出し判定する部分放電判定装置及び判定方法に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の実施の形態１によるガス絶縁診断装置を示す図である。
【図２】金属タンク内で部分放電が生じている場合の電磁波強度の分布の一例を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態２によるガス絶縁診断装置の判定部を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  タンク                          ２  絶縁スペーサ
３  中心導体                        ４  電磁波検出器
５  判定部                          ６，１３  ＴＥＭ検出装置
７  判定装置                      １０  遮断周波数計算装置
１１  共振周波数計算装置
１２ａ〜１２ｃ  中心周波数可変形バンドパスフィルタ。
【図１】
2006266819.tif 000003
【図２】
2006266819.tif 000004
【図３】
2006266819.tif 000005