(57)【要約】  【課題】振動ノイズと部分放電発生による信号との判別を確実にした。  【解決手段】椀型形状のケース本体３１を伏せた状態にしたそのケース本体３１の頂部を貫通させて、照射光ファイバー３２の先端部をケース本体３１の空間部３３に望ませてから貫通部にてファイバー３２を固着する。ケース本体３１の開口面には、モールド型計器用変圧器のモールド部に密接して取り付ける測定面部材３４を設ける。この測定面部材３４のケース本体３１の空間部３３側に反射光ファイバー３５を密着させて、ファイバー３２の先端部から一定の距離を隔てて配設する。ファイバー３２の端部の光軸にはハーフミラー３６が配設されている。測定面部材３４を、変圧器のモールド部に取り付けると、モールド部内で、ＰＤが発生したことに伴い発生する超音波振動が、空間部３３に伝わり、ファイバー３２からの光線に変化が生じる。この光線の変化の度合いをＰＤとして検出する。  【選択図】図３
2008032587.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口面を有するケース本体と、
このケース本体の開口面を閉塞し、ケース本体内に空間部を形成する測定面部材と、
この測定面部材の空間部側に配設されるとともに、その部材に密着して設けられた反射光ファイバーと、
この反射光ファイバーから一定間隔隔てた位置にケース本体を貫通して固着され、端部が空間部に望まれたハーフミラーを有する照射光ファイバーとからなり、
被計測部位に測定面部材を密接して取り付けられ、被計測部からの部分放電による超音波振動を、測定面部材、反射光ファイバーを介して空間部に伝達させて、その空間を振動させ空間部内の干渉光線の変化を、ハーフミラーを介して照射光ファイバーから取り出すようにしたことを特徴とする干渉型光ファイバーを用いたＡＥセンサ。
【請求項２】
被計測部に取り付けられた干渉型光ファイバーＡＥセンサと、
このＡＥセンサに部分放電検出用の光線を送る発光素子と、
ＡＥセンサが被計測部からの部分放電を干渉光線の変化として抽出し、この抽出光線を電気信号に変換する光−電気信号変換器と、
この光−電気信号変換器の電気信号を増幅し、その信号の中から目的の信号を通過させるフィルタと、
このフィルタを通過した目的信号を処理してディスプレイに表示する処理部とを備えたことを特徴とする干渉型光ファイバーを用いたＡＥセンサによる部分放電計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、モールド型計器用変圧器（変成器）等の電力機器で発生する部分放電を検出する干渉型光ファイバーを用いたＡＥセンサ及びこのＡＥセンサによる部分放電計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モールド型計器用変圧器（変成器）は、モールド絶縁材料で被覆されているので、その絶縁材料内部に微小な空隙状欠陥部（ボイド）や剥離などがあると、運転時にその部分に電界が集中し、部分放電（以下ＰＤと称する）と呼ばれる微弱な放電が発生する。また、モールド絶縁材料表面の汚損の影響によってもＰＤが発生することがある。
【０００３】
特に、後者の場合には、汚損を除去すれば、ＰＤを防止できるけれども、前者の場合のＰＤは、防止ができず、回復性はない。ＰＤが発生した状態で運転を継続すると、ボイドや剥離状態を進展させる恐れがあり、最終的には、絶縁破壊に至る危険性がある。
【０００４】
このため、計器用変圧器（変成器）を使用する前に、事前にＰＤの発生があるかを検出測定しておけば、上記のような不具合を防止することができる。このような検出測定手段として、次のような３つの手法がある。
【０００５】
（ａ）変圧器（供試体）の主回路に直接カップリングコンデンサ（ＣＣ）を接続し、ＰＤ発生に伴う電圧変動からＰＤを検出する電気的手法（ＣＣ法）、
（ｂ）接地線に高周波ＣＴを取り付けて（接地線電流方式）、ＰＤの発生を漏れ電流として測定する電気的手法（高周波ＣＴ法）、
（ｃ）ＰＤ発生に伴う弾性波振動や放電音を音響的に検出する診断測定手法がある。
【０００６】
上記（ａ）のＣＣ法は、図５に示すＰＤの校正・測定回路図において、供試体ＴＦ中のＰＤによる電荷量Ｑを検出インピーダンスＺに発生する電圧Ｖｄとして捉えるもので、供試体ＴＦで電荷量ＱのＰＤが発生した場合に、検出インピーダンスＺの両端に発生する電圧Ｖｄは、供試体ＴＦの静電容量Ｃａ、結合コンデンサＣｋの静電容量、検出インピーダンスＺとその周波数特性などにより計算では求めることが出来ない。
【０００７】
このため、図５では、既知の電荷量Ｑｃａｌを供試体ＴＦに注入して測定器ＭＩの感度調整（校正）を行うようにしている。なお、図中、Ｃｂは供試体ＴＦの欠陥部に直列に挿入される静電容量、Ｃｃは供試体ＴＦの欠陥部の静電容量である。
【０００８】
また、上記（ｂ）の高周波ＣＴ法は、上述の主回路の電圧から直接部分放電を測定する手法（ａ）に比較して、接地線に高周波ＣＴを取り付けるのみの非常に簡便な手法であるが、測定放電電荷量の目安とする校正が困難なことと、ＰＤ検出感度が極端に低下する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
さらに、上記（ｃ）の代表例としては、一つにＡｃｏｕｓｔｉｃ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ（以下ＡＥ法：音響法）が挙げられる。ＡＥ法は、主に圧電素子によるセンサで、金属表面などに伝わる弾性波を検出し、信号処理を行うことで、ＰＤ発生値を推測する手法である。
【００１０】
この他、圧電素子をセンサとしては、パラボラでＰＤ発生に伴い生じた超音波を直接捉える音響法や光ファイバーを渦巻き形にしたセンサもある。このうち前者の圧電素子をセンサとした手法は、集音した信号を増幅回路や各種フィルタを通してＦＦＴ演算などにより放電音を特定するものであり、後者の光ファイバーを渦巻き形にしたセンサは、ＰＤに伴う音響信号によってセンサ部に生じる伝送光の強度変化を検出するものである（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開平０７−３３５４４５号公報
【特許文献２】特開平０５−２２３８８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記（ａ）のＣＣ法では、測定のためには供試体に直接カップリングコンデンサを接続する必要があるとともに、試験電圧印加用の電源設備を必要とし、測定を行う度に設備や機器の停止が必要となるなどの問題がある。
【００１２】
上記（ｂ）の高周波ＣＴ法でのＰＤ測定は、設備の接地線に高周波ＣＴを取り付けて測定を行う構成であるが、配電盤などに収納されている各機器や部品は、基本的に共通接地されているため、ＰＤが検出された場合、その発生位置の特定が困難である。また、漏れ電流に付加されるパルス電流を測定するため、上述のＣＣ法に比べ、ＰＤ検出感度が悪い問題がある。
【００１３】
上記（ｃ）のＰＤ発生に伴う弾性波振動や放電音を音響的に検出する診断測定手法（ＡＥ法）では、運転中の放電現象による弾性波を直接もしくは間接的に検出するが、配電盤に収納された計器用変圧器（変成器）では間接的検出法として、図６に示す配電盤２１の側面壁２１ａなどにＡＥセンサ２２を取り付けて測定を行う手段がある。なお、２３は計器用変圧器（変成器）ＶＴである。
【００１４】
図６のように側壁面２１ａに取り付けたＡＥセンサ２２を用いれば、配電盤２１の内部の放電現象に伴う弾性波を検出可能である反面、内部のどの部分（あるいはどの相）で放電現象が起きているかの特定が困難である。さらに、雑音（ホワイトノイズ）の影響も大きく、ノイズの中から小さな放電現象に伴う信号を取り出すことも課題である。
【００１５】
特に、計器用変圧器は鉄心を有しており、これを発生源とした騒音が発生しＰＤの検出精度を低下させている。騒音発生源の直接要因としては、鉄心の繋ぎ目および積層間に働く磁気力による振動と、鉄心の磁歪現象による振動が挙げられる。
【００１６】
また、二次的要因としては、フレーム、鉄心締付構造や周囲条件による共振現象と、磁気力および磁歪現象による構造物振動などが挙げられる。これらの騒音が、電源電圧波形に同期して発生するため、同様に電源電圧に同期して発生するＡＥ法による部分放電測定信号に混在し、測定された信号が部分放電によるものか振動ノイズによるものかの分別が困難である。
【００１７】
図７は、ＡＥセンサによる部分放電測定例であり、部分放電が発生していない状態でのＡＥセンサ測定信号であるが、部分放電の発生が無いにもかかわらず、周期性のある信号（部分放電信号と同周期）が検出されている。これは計器用変圧器から発せられる振動ノイズの例である。
【００１８】
また、放電現象を音響により捉える手法では、配電盤に収納されている計器用変圧器へ適用する場合、盤内に配置されたバリアなどにより測定が困難な場合があり、さらに、完全に密閉されている場合は、バリアなどの開放が必要となる。なお、この方式では、気中放電（コロナ放電）は捉えられるが、モールド内部で発生した部分放電の検出は不可能である。ＡＥ法と同様に、ノイズの中から小さな放電音を抽出することも課題である。さらに、測定結果から三相のどの相の変圧器からＰＤが発生しているかを明確に把握することが困難である。
【００１９】
この発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、振動ノイズをほとんど除去して、振動ノイズと部分放電発生による信号との判別を確実にし、しかも相毎の部分放電発生を明確に検出できる干渉型光ファイバーを用いたＡＥセンサ及びこのＡＥセンサによる部分放電計測装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
この発明は、上記の課題を達成するために、第1発明は、開口面を有するケース本体と、このケース本体の開口面を閉塞し、ケース本体内に空間部を形成する測定面部材と、この測定面部材の空間部側に配設されるとともに、その部材に密着して設けられた反射光ファイバーと、この反射光ファイバーから一定間隔隔てた位置にケース本体を貫通して固着され、端部が空間部に望まれたハーフミラーを有する照射光ファイバーとからなり、
被計測部位に測定面部材を密接して取り付けられ、被計測部からの部分放電による超音波振動を、測定面部材、反射光ファイバーを介して空間部に伝達させて、その空間を振動させ空間部内の干渉光線の変化を、ハーフミラーを介して照射光ファイバーから取り出すようにしたことを特徴とする。
【００２１】
第2発明は、被計測部に取り付けられた干渉型光ファイバーＡＥセンサと、このＡＥセンサに部分放電検出用の光線を送る発光素子と、ＡＥセンサが被計測部からの部分放電を干渉光線の変化として抽出し、この抽出光線を電気信号に変換する光−電気信号変換器と、この光−電気信号変換器の電気信号を増幅し、その信号の中から目的の信号を通過させるフィルタと、このフィルタを通過した目的信号を処理してディスプレイに表示する処理部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
以上述べたように、この発明の干渉型光ファイバーを用いたＡＥセンサによれば、センサ自体が無誘導であるため、絶縁性に関して問題はなく、センサ自体の小型化が図れるとともに、広範囲に亘って取り付けが可能となる。
【００２３】
また、このＡＥセンサを用いた部分放電測定装置によれば、モールド型計器用変圧器（変成器）のモールド部へＡＥセンサを直接取り付けてＰＤ測定を行うことで、ＡＥ測定信号に、変圧器自体から発せられる振動ノイズの混入をほとんど除去できるようになり、ＡＥ法によるＰＤ検出が可能となり、計器用変圧器の異常検知と劣化状態の検出精度の向上と異常（劣化）部位の特定ができ、的確な保全（メイテナンス）が行え、電気設備全体の信頼性の向上を図ることができる。
【００２４】
さらに、この発明によれば、モールド部へのＡＥセンサ直接取り付けに加えて、変圧器の設置用鉄枠部へもＡＥセンサを取り付けて同時にＰＤ測定を行うことで、両者の測定結果から信号強度の高い位相を比較し、変圧器自体から発せられる振動ノイズとＰＤ発生による信号の分別を更に明確に行えることが可能となったので、上記と同様に変圧器の異常検知と劣化状態の検出精度の向上と異常部位の特定ができ、的確な保全が行え、電気設備全体の信頼性の向上を図ることができる。
【００２５】
この他、モールド型計器用変圧器の各相のモールド部へＡＥセンサを個別に取り付けて同時にＰＤ測定を行うことで、どの相でＰＤが発生しているかを明確に分離することが可能となるとともに、上記と同様な作用効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下この発明の実施の形態を図面に基づいて説明するにあたり、まず、下記ＡＥセンサをモールド型計器用変圧器（変成器）のモールド部に直接取り付けてＰＤ検出法の検討を行ったところ、下記のような結果を得た。この結果を踏まえてＰＤ検出測定手段の実用性を考慮し、実フィールド実機への適用を試み見た。
【００２７】
上記モールド型計器用変圧器のＰＤ検出法として、活線状態で診断を行うことができるＡＥ法の採用とＡＥセンサの取り付け位置について検討した図を図１に示す。図１に示すように、ＡＥセンサ１１ａをモールド型計器用変圧器１２のモールド部１２ａへ取り付けて実験を行った結果、下記結果１〜３が有効であることが判明した。
【００２８】
但し、これらに共通する課題として、ＡＥセンサ１１ａの取り付け場所が、ＡＥセンサのサイズや、測定面への密着などの問題から制限されてしまう点と、ＰＺＥ素子を使用した汎用のＡＥセンサでは、センサの外装が金属であることや、測定信号の伝達に銅線を使用していることなどから、実フィールドで使用する際の絶縁性が課題となる。
【００２９】
［結果１］
モールド型計器用変圧器１２のモールド部１２ａへＡＥセンサ１１ａを直接取り付けてＰＤ測定を実施することで、ＡＥ測定信号に、変圧器自体から発せられる振動ノイズが、ほとんど除去でき、これまで困難であったモールド型計器用変圧器のＡＥ法によるＰＤ検出が可能となった。図２にＡＥセンサによるモールド型計器用変圧器のＰＤ測定データの一例を示す。この図２の測定データからＡＥセンサ１１ａと同時に測定したカップリングコンデンサ法による測定結果に同期した信号（ＰＤ）を検出できていることが確認できる。
【００３０】
［結果２］
モールド型計器用変圧器１２のモールド部１２ａへのＡＥセンサ１１ａを直接取り付けたことに加え、変圧器１２の設置用鉄枠部１２ｂ（鉄心部１３と連結している部分）へもＡＥセンサ１１ｂを取り付けて同時にＰＤの測定を行うことで、両者の測定結果から信号強度の高い位相を比較し、変圧器自体から発せられる振動ノイズとＰＤ発生による信号の分別を更に明確に行えることを可能にした。
【００３１】
［結果３］
モールド型計器用変圧器の各相（３相の場合は３個、若しくは変圧器２台の場合は２個）のモールド部１２ａへのＡＥセンサ１１ａを個別に取り付けて同時にＰＤ測定をおこなうことで、どの相（どの変圧器）でＰＤが発生しているかを明確に分離することを可能にした。
【００３２】
上記のようなことに鑑みて、この発明の実施の形態では、モールド型計器用変圧器のＰＤ検出手段として、活線状態で診断を行うことができるＡＥ法について、干渉型光ファイバーＡＥセンサを採用した。
【００３３】
この干渉型光ファイバーＡＥセンサは、検出周波数が数十ｋＨｚから数百ｋＨｚとし、診断対象機種により共振周波数が変更できるようにした。
【００３４】
図３は、干渉型光ファイバーＡＥセンサの基本構造を示すもので、図３において、樹脂製で椀型形状のケース本体３１を伏せた状態にしたそのケース本体３１の頂部を貫通させて、照射光ファイバー３２の先端部をケース本体３１の空間部３３に望ませてから前記貫通部にて照射光ファイバー３２を固着する。
【００３５】
一方、椀型形状のケース本体３１の開口面には、例えば、モールド型計器用変圧器のモールド部に密接して取り付ける測定面部材３４を設けて、その開口面を閉塞する。この測定面部材３４のケース本体３１の空間部３３側には、反射光ファイバー３５を密着配置させ、その反射光ファイバー３５は、空間部３３に望ませた照射光ファイバー３２の先端部から一定の間隔を隔てて配置される。なお、照射光ファイバー３２の端部の光軸には、ハーフミラー３６が配設されている。
【００３６】
このように構成した干渉型光ファイバーＡＥセンサのケース本体３１を、モールド型計器用変圧器のモールド部に取り付ける際に、測定面部材３４を変圧器のモールド部に密接して取り付けることにより、そのモールド部内で、ＰＤが発生したことに伴い発生する超音波(弾性波）による超音波振動が、測定面部材３４、反射光ファイバー３５を介して、ケース本体３１の空間部３３に伝達されて空間が振動し、照射光ファイバー３２からの光線に干渉の変化が生じる。この変化の度合いをＰＤとして検出する。
【００３７】
部分放電（ＰＤ）の同定：ＰＤは、基本的に電圧上昇時に発生する（ＰＤはパルスであり群集で発生）ため、電源電圧１周期で正負極の２回の放電（群）が発生することになる。すなわち、ＰＤ（群）は、電源周波数の２倍周期の周波数成分を持つことになる。よって、測定したＡＥ信号の包絡線検波処理後の信号をＦＦＴ変換し、電源周波数の２倍成分があるか否か、もしくはその強度によりＰＤを検出している。
［実施形態１］
モールド型計器用変圧器のモールド部へ図３に示す干渉型光ファイバーＡＥセンサを直接取り付けて、ＰＤ測定を実施することで、一般的な圧電型ＡＥセンサ同様に、ＡＥ測定信号に変圧器自体から発せられる振動ノイズの混入をほとんど除去できるからである。これは、モールド部と鉄心部とで固有インピーダンスの差が異なるため、鉄心部表面で反射し、モールド部に伝わって来ないためである。このため、これまで困難であったモールド型計器用変圧器のＡＥ法によるＰＤ検出が可能となった。
［実施形態２］
モールド型計器用変圧器のモールド部へ図３に示す干渉型光ファイバーＡＥセンサを直接取り付けに加えて、変圧器の設置用鉄枠部（鉄心部と連結している部分）へも干渉型光ファイバーＡＥセンサを取り付けて同時に測定を行うことで、一般的な圧電型のＡＥセンサ同様に、両者の測定結果から信号強度の高い位相を比較し、変圧器自体から発せられる振動ノイズとＰＤ発生による信号の分別を更に明確に行えることを可能にした。
［実施形態３］
モールド型計器用変圧器の各相（三相の場合は３個、もしくは変圧器２台の場合は２個）のモールド部あるいは鉄心部へ図３に示す干渉型光ファイバーＡＥセンサを個別に取り付けて同時にＰＤ測定を行うことで、どの相（どの変圧器）でＰＤが発生しているかを明確に分離判別することが可能になった。この干渉型光ファイバーＡＥセンサを使用したＰＤ計測システム構成図を図４に示す。
【００３８】
図４において、４１ａ，４１ｂ，４１ｃは、図３に示す干渉型光ファイバーＡＥセンサ４２ａ，４２ｂ，４２ｃにカプラー４３ａ，４３ｂ，４３ｃを介してＰＤ検出用光線を送る発光ダイオードである。ＡＥセンサ４２ａ，４２ｂ，４２ｃは、安全性を考慮してモールド型計器用変圧器の変圧器鉄心部から下の部位に取り付けられる。ＡＥセンサ４２ａ，４２ｂ，４２ｃがＰＤを検出すると、この検出ＰＤは、カプラー４３ａ，４３ｂ，４３ｃを介してホトダイオード４４ａ，４４ｂ，４４ｃに供給される。
【００３９】
ホトダイオード４４ａ，４４ｂ，４４ｃは、検出したＰＤを電気信号に変換してアンプ４５ａ，４５ｂ，４５ｃにより所定の値まで増幅し、バンドパスフィルタ４６ａ，４６ｂ，４６ｃで目的の信号を通過させた後、Ａ／Ｄ変換器４７にてデジタル信号に変換してパソコン等の処理装置４８にて処理し、ディスプレイにＰＤの状態を表示する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】モールド型計器用変圧器のＰＤ検出法として、活線状態で診断を行うことができるＡＥ法の採用とＡＥセンサの取り付け位置について検討した説明図。
【図２】上記ＡＥセンサの取り付け位置におけるＰＤ測定データ。
【図３】この発明の干渉型光ファイバーＡＥセンサの実施の形態を示す断面図。
【図４】この発明の干渉型光ファイバーＡＥセンサ計測システムを示すブロック構成図。
【図５】ＰＤの校正・測定回路図。
【図６】ＡＥセンサによるＰＤ測定構成図。
【図７】ＡＥセンサによるＰＤ測定データ。
【符号の説明】
【００４１】
３１…椀型形状のケース本体
３２…照射光ファイバー
３３…空間部
３４…測定面部材
３５…反射光ファイバー
３６…ハーフミラー
４１ａ〜４１ｃ…発光ダイオード
４２ａ〜４２ｃ…ＡＥセンサ
４３ａ〜４３ｃ…カプラー
４４ａ〜４４ｂ…ホトダイオード
４５ａ〜４５ｂ…アンプ
４６ａ〜４６ｂ…バンドパスフィルタ
４７…Ａ／Ｄ変換器
４８…処理装置
【図１】
2008032587.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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