(57)【要約】【課題】電力ケーブル内の絶縁異常を正確に検出することを可能とする、パルス計測器を提供する。【解決手段】本発明のパルス計測器１００は、Ｎ相交流回路（Ｎは自然数）を構成するＮ本の電力ケーブルＣ１〜ＣＮのうち、所定の１本のケーブルＣ１における所定の位置に取り付ける第一変流器１０１と、残りの（Ｎ−１）本またはこれ以下の本数のケーブルに取り付ける第二変流器１０２と、第一変流器１０１の出力信号と第二変流器１０２の出力信号とを差動増幅して、パルス信号および複数のパルスの到達時間差を計測する第一計測手段１０３と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ相交流回路（Ｎは自然数）を構成するＮ本の電力ケーブルのうち、所定の１本のケーブルにおける所定の位置に取り付ける第一変流器と、
残りの（Ｎ−１）本またはこれ以下の本数のケーブルに取り付ける第二変流器と、
前記第一変流器の出力信号と前記第二変流器の出力信号とを差動増幅して、パルス信号および複数のパルスの到達時間差を計測する第一計測手段と、を備えていることを特徴とするパルス計測器。
【請求項２】
前記第一変流器の出力信号と前記第二変流器の出力信号とを和動増幅して、パルス信号および複数のパルスの到達時間差を計測する第二計測手段を、備えていることを特徴とする請求項１に記載のパルス計測器。
【請求項３】
前記第一変流器、前記第二変流器の一方または両方が、クランプ型あるいは貫通型高周波変流器、ロゴスキーコイル、または面電流センサのいずれかであることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のパルス計測器。
【請求項４】
前記第一計測手段、前記第二計測手段の一方または両方が、
前記第一変流器、前記第二変流器の出力信号を、それぞれ選別する第一フィルタ、第二フィルタと、
選別されて前記第一フィルタを通過した出力信号、前記第二フィルタを通過した出力信号を、それぞれ増幅する増幅器と、
増幅された前記出力信号について信号処理された結果を表示する表示部と、を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のパルス計測器。
【請求項５】
前記第一計測手段、前記第二計測手段の一方または両方が、計測時間の基準としてＧＰＳ（全地球測位システム）信号を受信する、受信手段を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のパルス計測器。
【請求項６】
接地面から絶縁されており、他の計測器との信号伝送を行う光伝送手段を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のパルス計測器。
【請求項７】
前記Ｎ相交流回路は、三相交流回路であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のパルス計測器。
【請求項８】
電磁波、超音波、振動のうち、少なくとも１つの波動を検出する波動検出手段を備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のパルス計測器。
【請求項９】
Ｎ相交流回路（Ｎは自然数）を構成するＮ本の電力ケーブルのうち、所定の１本のケーブルにおける所定の位置で発生する第一出力信号を、前記１本のケーブルに第一変流器を取り付けて計測する工程と、
残りの（Ｎ−１）本またはこれ以下の本数のケーブルで発生する第二出力信号を、前記（Ｎ−１）本またはこれ以下の本数のケーブルに取り付けて計測する工程と、
前記第一出力信号と前記第二出力信号とを差動増幅して、パルス信号および複数のパルスの到達時間差を計測する工程と、を、有することを特徴とするパルス計測法。
【請求項１０】
前記第一出力信号と前記第二出力信号とを和動増幅して、パルス信号および複数のパルスの到達時間差を計測する工程を有することを特徴とする９に記載のパルス計測法。
【請求項１１】
前記第一変流器、前記第二変流器の取り付け位置を変更しながら、前記１本のケーブル、前記（Ｎ−１）本のケーブルのそれぞれにおいて、複数の位置で発生する、パルス信号および複数のパルスの到達時間差を計測することを特徴とする請求項９または１０のいずれかに記載のパルス計測法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス計測器およびパルス計測法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、鉄鋼、石油などの生産設備や、電力設備などにおいて多数の電気機器が使用されている。電気機器の使用により、効率的な電力輸送や様々な製品を大量かつ効率的に生産することが可能となり、豊かな世の中が築かれている。
【０００３】
その一方で、これらの電気機器の信頼性向上に対する要求は、ますます高度なものになっており、事故を未然に防止するなどの目的で、様々な手段が構築されている。例えば、電気機器内で発生した部分放電を検出する、部分放電測定などの手段が広く利用されている。
【０００４】
「部分放電」は、電気機器内の絶縁体中に空隙（ボイド）や異物の混入などが存在すると、電圧をかけた際に、その空隙部分あるいは異物を起点として発生する局所的な放電である。部分放電が繰り返し発生すると、絶縁破壊が引き起こされることが知られている。「部分放電測定」は、絶縁破壊が引き起こされる前に、電気機器内で部分放電が発生していることを検出するための有効な手段である。
【０００５】
部分放電は、例えば、測定対象の電気機器の接地線に高周波変流器（ＣＴ）などを接続して、測定される電流や電圧などのパルス信号（電気信号）から検出することができる。部分放電は、パルス信号をマッピングした測定波中に含まれる不規則なピークとして検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−２３０２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の部分放電の検出は、測定対象の電力ケーブルの端部に、高周波変流器を取り付け、パルス信号および複数のパルスの到達時間差を測定して行われる（特許文献１参照）。ところが、このように測定した場合、測定感度が低いため、実際に発生している信号の数％〜数十％程度の信号しか検出できず、検出された信号は、ノイズとの区別がつきにくい。したがって、電力ケーブル内の部分放電を感度良く正確に検出することは難しい。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、電力ケーブル内の部分放電を感度良く正確に検出することを可能とする、パルス計測器およびパルス計測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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
【００１０】
（１）本発明の一態様に係るパルス計測器は、Ｎ相交流回路（Ｎは自然数）を構成するＮ本の電力ケーブルのうち、所定の１本のケーブルにおける所定の位置に取り付ける第一変流器と、残りの（Ｎ−１）本またはこれ以下の本数のケーブルに取り付ける第二変流器と、前記第一変流器の出力信号と前記第二変流器の出力信号とを差動増幅して、パルス信号および複数のパルスの到達時間差を計測する第一計測手段と、を備えている。
【００１１】
（２）上記（１）に記載のパルス計測器において、前記第一変流器の出力信号と前記第二変流器の出力信号とを和動増幅して、パルス信号および複数のパルスの到達時間差を計測する第二計測手段を、備えていることが好ましい。
【００１２】
（３）上記（１）または（２）のいずれかに記載のパルス計測器において、前記第一変流器、前記第二変流器の一方または両方が、クランプ型あるいは貫通型高周波変流器、ロゴスキーコイル、または面電流センサのいずれかであってもよい。
【００１３】
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載のパルス計測器において、前記第一計測手段、前記第二計測手段の一方または両方が、前記第一変流器、前記第二変流器の出力信号を、それぞれ選別する第一フィルタ、第二フィルタと、選別されて前記第一フィルタを通過した出力信号、前記第二フィルタを通過した出力信号を、それぞれ増幅する増幅器と、増幅された前記出力信号について信号処理された結果を表示する表示部と、を備えていてもよい。
【００１４】
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載のパルス計測器において、前記第一計測手段、前記第二計測手段の一方または両方が、計測時間の基準としてＧＰＳ（全地球測位システム）信号を受信する、受信手段を備えていてもよい。
【００１５】
（６）上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載のパルス計測器において、接地面から絶縁されており、他の計測器との信号伝送を行う光伝送手段を備えていてもよい。
【００１６】
（７）上記（１）〜（６）のいずれか一つに記載のパルス計測器において、Ｎ相交流回路は、三相交流回路であってもよい。
【００１７】
（８）上記（１）〜（７）のいずれか一つに記載のパルス計測器において、電磁波、超音波、振動のうち、少なくとも１つの波動を検出する波動検出手段を備えていてもよい。
【００１８】
（９）本発明の一態様に係るパルス計測法は、Ｎ相交流回路（Ｎは自然数）を構成するＮ本の電力ケーブルのうち、所定の１本のケーブルにおける所定の位置で発生する第一出力信号を、前記１本のケーブルに第一変流器を取り付けて計測する工程と、残りの（Ｎ−１）本またはこれ以下の本数のケーブルで発生する第二出力信号を、前記（Ｎ−１）本またはこれ以下の本数のケーブルに取り付けて計測する工程と、前記第一出力信号と前記第二出力信号とを差動増幅して、パルス信号および複数のパルスの到達時間差を計測する工程と、を、有する。
【００１９】
（１０）上記（９）に記載のパルス計測法において、前記第一出力信号と前記第二出力信号とを和動増幅して、パルス信号および複数のパルスの到達時間差を計測する工程を有することが好ましい。
【００２０】
（１１）上記（９）または（１０）のいずれかに記載のパルス計測法において、前記第一変流器、前記第二変流器の取り付け位置を変更しながら、前記１本のケーブル、前記（Ｎ−１）本のケーブルのそれぞれにおいて、複数の位置で発生する、パルス信号および複数のパルスの到達時間差を計測してもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のパルス計測は、Ｎ相交流回路を構成するＮ本の電力ケーブルのうち１本の電力ケーブルにおいて、部分放電が予想される所定の箇所に変流器を取り付け、さらに、他の電力ケーブルに別の変流器を取り付けて行う。本発明のパルス計測によれば、これらの２つの変流器で計測された信号出力を差動増幅することにより、部分放電に起因した信号を、判別するのに十分な大きさで出力することができる。そうして得られた信号出力に基づいて、電力ケーブル内の部分放電を正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係るパルス計測器の構成を模式的に示す図である。
【図２】図１に示す１本の電力ケーブルにおける、部分放電の高周波パルスの伝搬経路を示す図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）本発明の実施例１における、関数発生器を用いたパルス計測の結果を示すグラフである。
【図４】（ａ）、（ｂ）本発明の実施例１における、部分放電パルス校正器を用いたパルス計測の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を適用した実施形態に係るパルス計測器およびパルス計測法について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００２４】
図１は、本発明の一実施形態に係るパルス計測器１００の構成を模式的に示す図である。パルス計測器１００は、Ｎ相交流回路を構成するＮ本の電力ケーブルＣ１〜ＣＮ（Ｎは自然数）のうち、所定の１本の電力ケーブルＣ１における所定の位置に取り付ける第一変流器１０１と、残りの（Ｎ−１）本またはこれ以下の本数の電力ケーブルＣ２〜ＣＮに取り付ける第二変流器１０２と、第一変流器１０１の出力信号と第二変流器１０２の出力信号とを差動増幅して、パルス信号および複数のパルスの到達時間差を計測する第一計測手段１０３と、を備えている。
【００２５】
電力ケーブルＣ１〜ＣＮは、同軸ケーブルであって、それぞれ、高圧導体Ｈ１〜ＨＮを中心軸として、その周りに絶縁層、半導体層等を挟んで金属のシースＬ１〜ＬＮが巻かれてなる。電力ケーブルＣ１〜ＣＮのそれぞれの高圧導体Ｈ１〜ＨＮは、一端が電源Ｅに接続され、他端がそれぞれ負荷Ｒ１〜ＲＮに接続されている。シースＬ１〜ＬＮは接地されている。ここでの電力ケーブルＣ１〜ＣＮには、洞道等の様々な場所に付設されるものが含まれる。
【００２６】
ここでは、１本の電力ケーブルＣ１の絶縁層において部分放電（絶縁異常）が発生しており、他の電力ケーブルＣ２〜ＣＮでは部分放電が発生していないとする。電力ケーブルＣ１の部分放電が発生していると推定される箇所（発生点）Ｐにおいて、その周りを囲むように第一変流器１０１が取り付けられている。さらに、電力ケーブルＣ１を除いた（Ｎ−１）本の電力ケーブルＣ２〜ＣＮに対し、それらを一つに束ねて囲むように第二変流器１０２が取り付けられている。
【００２７】
第二変流器１０２は、電力ケーブルＣ１以外の電力ケーブルのうち、少なくとも１本を囲むように取り付けられていればよいが、囲む本数が多いほど好ましく、図１に示すように、（Ｎ−１）本全部を囲むことにより、最大の効果が得られる。
【００２８】
図１では、電力ケーブルＣ１が、並んだＮ本の電力ケーブルの中で端に配置ある場合を例示しているが、電力ケーブルＣ１は、他の電力ケーブルで挟まれる位置にあってもよい。この場合にも、第二変流器１０２は、電力ケーブルＣ１を除いた他の電力ケーブルＣ２〜ＣＮを囲むように取り付けられている。
【００２９】
第一変流器１０１、第二変流器１０２としては、公知の高周波変流器（ＨＦＣＴ）を用いることができ、それらの一方または両方が、貫通型あるいはクランプ型高周波変流器、ロゴスキーコイル、または面電流センサのいずれかであってもよい。
【００３０】
図２は、電力ケーブルＣ１における、部分放電による約１０ｋＨｚ〜１０ＧＨｚの高周波パルスの伝搬経路を示す図である。高圧導体Ｈ１を流れるパルス電流Ｉのうち、一部はシースＬ１を経由して接地面に流れ、他の一部はシースＬ１を伝って流れる。さらに、高圧導体Ｈ１を流れるパルス電流は、その周囲に磁界を発生させ、相互誘導により、電力ケーブルＣ１の近傍にある他の電力ケーブルの高圧導体、シース等に電流を発生させる。
【００３１】
部分放電の高周波パルスは、発生点Ｐから電源Ｅ側および負荷Ｒ１側に、電荷保存則を満足しながら分離し、分布定数回路である高圧導体Ｈ１に沿って伝搬する。伝搬する高周波パルスのうち、一部はシースＬ１に伝搬し、残りは電力ケーブルＣ１の端部に到達し、そこで透過と反射を起こす。透過した高周波パルスは、電力ケーブル端末に接続された電源や負荷Ｒ１〜ＲＮを経由してグラウンドＧに至る。この高周波パルスは、シースＬ１とグラウンドＧとの結合を介して、シースＬ１を通り、部分放電の発生点Ｐに戻る。
【００３２】
第一計測手段１０３は、電力ケーブルＣ１〜ＣＮの全てに高周波電流を流したときに、第一変流器１０１において得られる出力信号と、第二変流器１０２において得られる出力信号とを差動増幅して、パルス信号および複数のパルスの到達時間差を計測する。ここで計測されるパルスの到達時間差は、部分放電による信号に相当するものである。これが正の値（ゼロでない値）を示す場合に、部分放電が起きていると推定される箇所（発生点Ｐ）において、実際に部分放電が発生していると判断することができ、反対にゼロである場合には、当該箇所Ｐにおいて部分放電が発生していないと判断することができる。
【００３３】
図１に示すように、パルス計測器１００は、さらに、第一変流器１０１の出力信号と第二変流器１０２の出力信号とを和動増幅して、パルス信号および複数のパルスの到達時間差を計測する、第二計測手段１０４を備えていることが好ましい。第二計測手段１０４で計測されるパルスの到達時間差は、外部から入ってくるノイズに相当するものである。この計測値を、第一計測手段１０３での計測値から差し引くことによって、部分放電のみによる信号を正確に検出することができる。第二計測手段１０４は、第一計測手段１０３と一体であってもよいし、別体であってもよい。
【００３４】
また、パルス計測器１００は、グラウンドＧから絶縁されていることが好ましく、他の計測器との信号伝送を行う光伝送手段を備えていてもよい。
【００３５】
また、パルス計測器１００は、電磁波、超音波、振動等の波動のうち、少なくとも１つの波動を検出する波動検出手段を備えていることが好ましい。第一計測手段１０３、第二計測手段１０４で得られたパルス信号について、波動検出手段で検出された波動による信号と、相互比較を行いながら評価することによって、パルス発生源の特定の正確性を高めることができる。
【００３６】
第一計測手段１０３、第二計測手段１０４の一方または両方が、第一変流器１０１、第二変流器１０２の出力信号を、それぞれ選別する第一フィルタ、第二フィルタと、選別されて第一フィルタを通過した出力信号、第二フィルタを通過した出力信号を、それぞれ増幅する増幅器と、増幅された出力信号について信号処理された結果を表示する表示部と、を備えていることが好ましい。
【００３７】
第一計測手段１０３、第二計測手段１０４の一方または両方が、計測時間の基準としてＧＰＳ（Global Positioning System、全地球測位システム）信号を受信する、受信手段を備えていてもよい。
【００３８】
本実施形態に係るパルス計測は、上述した構成を有するパルス計測器１００を用い、主に、次の工程Ａ〜Ｃを経て行うことができる。
【００３９】
（工程Ａ）
Ｎ相交流回路（Ｎは自然数）を構成するＮ本の電力ケーブルのうち、所定の１本のケーブルにおける所定の位置で発生する第一出力信号を、１本のケーブルに第一変流器１０１を取り付けて計測する。
【００４０】
（工程Ｂ）
残りの（Ｎ−１）本またはこれ以下の本数のケーブルで発生する第二出力信号を、（Ｎ−１）本またはこれ以下の本数のケーブルに第二変流器１０２を取り付けて計測する。
【００４１】
（工程Ｃ）
第一計測手段１０３を用いて第一出力信号と第二出力信号とを差動増幅して、パルス信号および複数のパルスの到達時間差を計測する。
【００４２】
なお、工程Ｃの前、後あるいは工程Ｃと同時に、工程Ｄとして、第二変流器１０４を用いて第一出力信号と第二出力信号とを和動増幅し、パルス信号および複数のパルスの到達時間差を計測してもよい。
【００４３】
これらの工程を経ることによって、電力ケーブル内の部分放電（絶縁異常）を正確に検出することができる。
【００４４】
本実施形態のパルス計測法では、第一変流器１０１、第二変流器１０２の取り付け位置を変更しながら、１本のケーブル、（Ｎ−１）本またはこれ以下の本数のケーブルのそれぞれにおいて、複数の位置で発生する、パルス信号および複数のパルスの到達時間差を計測することができる。したがって、部分放電について、その発生位置によらず、電力ケーブルの端部で計測を行う従来の計測法に比べて、高い出力の信号を得ることができ、高精度の計測を行うことができる。
【００４５】
以上のように、本実施形態に係るパルス計測は、Ｎ相交流回路を構成するＮ本の電力ケーブルのうち１本の電力ケーブルにおいて、部分放電が予想される所定の箇所に変流器を取り付け、さらに、他の電力ケーブルに別の変流器を取り付けて行う。本実施形態のパルス計測によれば、これらの２つの変流器で計測された信号出力を差動増幅することにより、部分放電に起因した信号を、判別するのに十分な大きさで出力することができる。さらに、２つの変流器で計測された信号出力を和動増幅することにより、外部から入ってくるノイズを除去した信号出力が得られる。そうして得られた信号出力に基づいて、電力ケーブル内の絶縁異常を正確に検出することができる。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例により、本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
【００４７】
（実施例１）
三相交流回路を構成する３本の電力ケーブルに対し、１本の電力ケーブルで部分放電を発生させた状態で、上記実施形態に係るパルス計測を行った。その具体的な手順について説明する。
【００４８】
まず、３本の電力ケーブルのうち、１本の電力ケーブルにおいて部分放電を発生させ、発生位置を囲むように、第一変流器を取り付け、残りの２本の電力ケーブルに対し、それらを束ねるように第二変流器を取り付けた。
【００４９】
次に、３本の電力ケーブルのそれぞれの高圧導体に対し、５０Ωの負荷を接続した状態で、関数発生器を用いて１０Ｖ、立ち上がり時間２００ｋＨｚの高周波電圧の矩形波を印加した。第一変流器、第二変流器のそれぞれにおいて出力信号を計測し、第一計測手段において２つの出力信号を差動増幅した。
【００５０】
図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、掃引時間を１μｓ／ｄｉｖ、４０ｎｓ／ｄｉｖとしたときの結果を示すグラフである。グラフの横軸は計測時間［ｓ］を示し、グラフの縦軸は出力電圧［Ｖ］を示している。第一変流器における出力信号を実線で示し、第二変流器における出力信号を破線で示し、それらを差動増幅した信号を一点鎖線で示している。比較のため、３つの波形を、互いに重ならないようにグラフの縦軸方向にずらして示している。図３（ａ）のグラフに比べて、掃引時間を短くした図３（ｂ）のグラフでは、パルスをより鮮明に検出できている。第一変流器における出力信号の波形はほぼフラットに見えるが、差動増幅した信号の波形は、部分放電による信号を強調したものとなっている。
【００５１】
次に、同じ３本の電力ケーブルのそれぞれの高圧導体に対し、５０Ωの負荷を接続した状態で、部分放電パルス校正器を用いて１０Ｖ、立ち上がり時間２００ｋＨｚの高周波電圧の部分放電模擬パルスを印加した。第一変流器、第二変流器のそれぞれにおいて出力信号を計測し、第一計測手段において２つの出力信号を差動増幅した。
【００５２】
図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、掃引時間を１μｓ／ｄｉｖ、４０ｎｓ／ｄｉｖとしたときの結果を示すグラフである。グラフの横軸は計測時間［ｓ］を示し、グラフの縦軸は出力電圧［Ｖ］を示している。第一変流器における出力信号を実線で示し、第二変流器における出力信号を破線で示し、それらを差動増幅した信号を一点鎖線で示している。比較のため、３つの波形を、互いに重ならないようにグラフの縦軸方向にずらして示している。図４（ａ）のグラフに比べて、掃引時間を短くした図４（ｂ）のグラフでは、パルスをより鮮明に検出できている。第一変流器における出力信号の波形はほぼフラットに見えるが、差動増幅した信号の波形は、部分放電による信号を強調したものとなっている。
【００５３】
次に、図３、４の差動増幅した信号の波形に対してフーリエ変換を行い、信号の周波数依存性を示すフーリエ係数を算出した。続いて、部分放電の発生箇所において、このフーリエ係数に対してフーリエ逆変換を行い、分布定数としての周波数を算出した。この周波数は高いものであることから、第一変流器において計測された出力信号が、部分放電の影響によって発生したものであると推定することができる。すなわち、上記手順によって、電力ケーブルの所定の位置の周波数を計測することにより、その位置で部分放電が発生しているかどうかの判定を行うことができる。
【符号の説明】
【００５４】
１００・・・パルス計測器
１０１・・・第一変流器
１０２・・・第二変流器
１０３・・・第一計測手段
１０４・・・第二計測手段
Ｃ１〜ＣＮ・・・電力ケーブル
Ｅ・・・電源
Ｇ・・・グラウンド
Ｈ１〜ＨＮ・・・高圧導体
Ｌ１〜ＬＮ・・・金属シース
Ｐ・・・部分放電の発生点
Ｒ１〜ＲＮ・・・負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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