(57)【要約】【課題】モールド変圧器などの電気機器の高電位側に設置される検出部と接地電位側に置かれる受信部との間の信号伝送手段として光ファイバ以外の手段を用い、低コストで信頼性が高く、かつ高い検出感度を有する部分放電測定装置を提供する。【解決手段】検出器１００に内蔵する部分放電検出用の貫通形変流器の２次巻線１２の両端にコンデンサ１０１及び送信アンテナ１０２を直列に接続して共振するように回路を構成し、共振によって強化された磁界を送信アンテナ１０２から放射し、受信アンテナ２０２で受信することによって、高Ｓ／Ｎ比かつ高感度で部分放電測定を行うことができる。送信アンテナ１０２と受信アンテナ２０２との間の空間距離を隔てて信号を送るので、光ファイバを用いずに高電位側の部分放電検出部と接地電位側の部分放電受信部との間で十分な絶縁を確保することができる。【選択図】  図２
2008082904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機器の内部で発生する部分放電を測定する部分放電測定装置において、前記電気機器の備える導体、または、前記電気機器に接続される外部の電路導体のうち、前記部分放電により生じる部分放電電流が流れる導体部を周回する磁性体よりなるリング状コアと、このリング状コアに巻回される２次巻線と、コンデンサと、空芯コイルからなる送信アンテナとを備え、前記２次巻線と前記コンデンサと前記送信アンテナとの直列共振回路を形成してなる部分放電検出部を設けたことを特徴とする部分放電測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の部分放電測定装置において、前記部分放電検出部における前記直列共振回路による共振周波数を４００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲に選定したことを特徴とする部分放電測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の部分放電測定装置において、前記送信アンテナと対向して空間距離を隔てて配設される受信アンテナと、この受信アンテナからの信号を増幅する増幅器とを備えてなる部分放電受信部を設けたことを特徴とする部分放電測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の部分放電測定装置において、前記部分放電受信部における前記増幅器が、前記部分放電検出部における前記直列共振回路による共振周波数に対して１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの帯域幅を持って同調した増幅を行う増幅器であることを特徴とする部分放電測定装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載の部分放電測定装置において、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナをそれぞれ絶縁物で覆ったことを特徴とする部分放電測定装置。
【請求項６】
請求項３ないし５のいずれかの項に記載の部分放電測定装置において、前記送信アンテナは、１回以上の巻数を有するループアンテナであることを特徴とする部分放電測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の部分放電測定装置において、前記受信アンテナは、前記送信アンテナから放射される磁界が貫通するように配設されてなる１回以上の巻数を有するループアンテナであることを特徴とする部分放電測定装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかの項に記載の部分放電測定装置であって、前記電気機器が変圧器であるとともにこの変圧器の巻線がタップ端子を備えているものにおいて、前記タップ端子間を接続するタップ接続導体を設けるとともに、このタップ接続導体を周回するようにして前記リング状コアを設けたことを特徴とする部分放電測定装置。
【請求項９】
請求項１ないし７のいずれかの項に記載の部分放電測定装置であって、前記電気機器が変圧器であり、この変圧器が複数の巻線と、前記巻線間の渡りリードを備えるものにおいて、前記渡りリードを周回するようにして前記リング状コアを設けたことを特徴とする部分放電測定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の部分放電測定装置であって、前記変圧器における前記渡りリードが絶縁物で一体に成形されているものにおいて、前記絶縁物の内部に前記リング状コアと前記２次巻線と前記送信アンテナとを埋め込んだことを特徴とする部分放電測定装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれかの項に記載の部分放電測定装置であって、前記電気機器が、絶縁樹脂でモールドされるとともに高電圧に充電される導体部分を備えたものであることを特徴とする部分放電測定装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の部分放電測定装置であって、前記電気機器が、モールド変圧器であることを特徴とする部分放電測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機器、特に、例えばモールド変圧器のような、巻線導体などの通電部がエポキシ樹脂などでモールドして絶縁されてなる電力機器における部分放電を測定する部分放電測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力機器における部分放電試験は、その機器の信頼性及び安全性を確保する上で重要であり、ＩＥＣ，ＪＩＳおよびＪＥＣなどの規格において部分放電測定法が規定されており、製造工場においてはそれらの試験方法に基いて部分放電試験を実施し、部分放電がないことを確認して出荷している。
例えばモールド変圧器のような通電部がエポキシ樹脂などのモールド樹脂で絶縁されてなる電気機器は、その密閉性が優れているために、湿気や汚損に対して強いという特性を有するため、高電圧の電力機器に広く用いられているが、長時間稼動中に、樹脂部において熱的あるいは化学的作用によって材質の劣化が進行し、機械的には硬化し脆化が進み、また電気的には絶縁抵抗が低下する問題がある。このような要因により、長期間稼動中にモールド樹脂内に出荷時にはなかった樹脂自体のクラックや樹脂とコイルなどの金属部品との接着界面の剥離が発生し、それらが隙間となって部分放電の原因になる。一旦部分放電が発生すると隙間内のガスが放電反応によりラジカルに変化し化学的な樹脂の劣化が加速的に進行するので、早期に部分放電を検出して対策をとることが電力機器の信頼性および安全上極めて重要になる。
【０００３】
上記のような稼動中の部分放電測定は電力機器が設置されている現地で行うことになる。現地試験は工場試験と異なり、製品を分割できない、外部電源や周囲からの電磁気的なノイズなど各種ノイズのレベルが高い、作業空間が狭いなどの制約がある上に、電力機器の作動を止めず、短時間でしかも低コストで行うことが要求される。
部分放電測定に関しては、例えば非特許文献１に示されるように、種々な手法が提案され、実施されてきた。これらは電流、電界、磁界、電磁界、光、音、化学反応を利用した方法である。部分放電測定に関する規格では放電電荷量という電気量が基にされているため、光、音、化学反応を利用した方法では、電荷量との対応性を予め測定によって校正しておく必要があるが、部分放電の性状によっては必ずしも１対１に対応するわけではない。また、電界、磁界、電磁界を利用した方法においても、捉える周波数によっては電荷量との対応が必ずしも１対１になるわけではない。従って、電流を捉える方法が部分放電の定量的な測定法として優れていることになるが、実際にはノイズを最も受けやすい測定法でもある。また、非特許文献１においては、ガス絶縁開閉装置（ＧＩＳ）において、部分放電によって発生する超高周波（ＵＨＦ）電磁波をアンテナで捕捉する方法も記載されている。
【０００４】
電力機器のうち、モールド変圧器においても、上述のような据付現地での部分放電測定が要求される場合に対応するため、これまでに、例えば特許文献１〜８により次のような構成が提案されてきている。
すなわち、特許文献１には、部分放電検出センサとして、タップ端子間を導電接続する接続導体を一次導体とする高周波変流器を設け、この高周波変流器の出力信号を増幅後、電気−光変換して光ファイバで接地電位側に信号伝達する構成の部分放電測定装置が開示されている。
【０００５】
特許文献２には、特許文献１に開示されている部分放電測定装置の改良提案として、高電位側における減衰器の減衰量の調整、および、増幅器などに給電するバッテリ電源の開閉器の開閉制御を、接地電位側より絶縁媒体を伝播する信号を用いて遠隔操作する構成が開示されている。
特許文献３には、特許文献１に開示されている部分放電測定装置の改良提案として、タップ接続導体が貫通する貫通形変流器よりなる検出器と、増幅部を内部の入力側に収納した電気−光変換器との接続をコネクタによる嵌合方式とすることにより、高電位側のタップ端子に検出器をあらかじめ敷設しておくことができ、タップ端子間へのタップ接続導体の脱着作業が不要となるようにした構成が開示されている。
【０００６】
特許文献４には、特許文献１に開示されている部分放電測定装置の改良提案として、高電位側の部分放電センサにおける増幅器や電気−光変換器に給電するバッテリ電源を充電するための電力を、光または流体圧力などを介して供給し、バッテリ電源の充電のための停電作業をなくすようにした構成が開示されている。
特許文献５には、特許文献１に開示されている部分放電測定装置の改良提案として、検出感度の校正を現地で電源を遮断しないで行う方法が開示されている。
【０００７】
特許文献６には、特許文献１に開示されている部分放電測定装置の改良提案として、部分放電検出用の貫通形変流器の鉄心が商用周波数の電流で飽和しないようにするために、鉄心の周回形状に切れ目を加えるように形成された空隙を鉄心に設ける構成や、鉄心を巻回するフィルタ巻線を設けるとともにこのフィルタ巻線の両端に商用周波数帯域を通過させるローパスフィルタを介して商用周波数帯域の電流を流す負荷回路を接続した構成などが開示されている。
【０００８】
特許文献７には、特許文献１に開示されている部分放電測定装置の改良提案として、特定周波数範囲以外の高レベルのノイズ成分を除去するために、部分放電検出用の貫通形変流器の鉄心を巻回するフィルタ巻線を設けるとともにこのフィルタ巻線の両端に特定周波数範囲の信号成分を阻止するフィルタを介して負荷回路を接続した構成などが開示されている。
【０００９】
特許文献８には、スター結線されるとともにその中性点との接続部位が最外周に位置した高圧巻線を備えた３相変圧器巻線の部分放電検出方法において、高圧巻線端部に発生している強い電界の影響を受けないようにするために、中性点近傍にループアンテナを近接させて、高圧巻線に生じた部分放電による高周波電磁波を捕捉するようにした構成、さらには、上記ループアンテナを２つのループ回路を備えたものとし、各ループ回路からの電磁波検出出力に対し差動回路により電界成分の相殺処理および磁界成分の倍増処理を行うようにした構成が開示されている。
【００１０】
また、上述のように、部分放電により流れる電流を捉える測定方式は、放電電荷量との対応性という点で部分放電の定量的な測定法として優れているが、ノイズを受けやすい方式でもある。このため、電流を捉える方式の部分放電測定装置においては、従来より、Ｓ／Ｎ比を向上させるために検出信号の周波数帯域を制限することが行われているが、この点に関して、特許文献９〜１０では、次のような方式が提案されている。
【００１１】
すなわち、特許文献９には、回転電機、変圧器、開閉装置等の高電圧機器の部分放電検出方法に関するものであって、部分放電により発生する高周波パルス電流の周波数成分は数１０ｋＨｚ〜数１００ＭＨｚと非常に広範囲に分布しているが、このような部分放電パルス電流を、高電圧機器の接地線を一次導体とする貫通形高周波変流器により検出するものにおいて、貫通形高周波変流器の検出出力を受けて測定を行う同調形部分放電測定器の同調周波数を１．８ＭＨｚ〜３．８ＭＨｚの範囲、より好ましくは２．８〜３．１ＭＨｚの範囲で選択することにより、サイリスタ等の転流ノイズなどの外来ノイズに対するＳ／Ｎ比を高められるとともに、放送波や通信波ノイズの影響を排除できることが開示されている。
【００１２】
また、特許文献１０には、電気機器の部分放電測定方法および装置に関するものであって、部分放電電流は一般に低周波の成分から高周波の成分まであらゆる帯域の周波数成分を含んでおり、周波数成分が存在する高周波側の限界周波数は、部分放電の形態によって多少異なるものの数十ＭＨzから数百ＭＨzと非常に高いものとなっているが、このような部分放電電流を、変流器を用いた検出部により検出するものにおいて、検出部内の変流器の２次側にコンデンサを並列接続し、このコンデンサと前記変流器のインダクタンス分とで共振回路を形成して、部分放電電流に含まれる特定周波数成分を検出することにより、外来ノイズの影響を受けにくくすることが開示されている。
［従来技術による部分放電測定装置の構成例］
上述の特許文献１〜７に開示されている部分放電測定装置は、いずれも、配電用のモールド変圧器において、部分放電電流の電流通路であるタップ端子間を導電接続するタップ接続導体が貫通するように高周波変流器を設けて部分放電電流を検出する方式であって、部分放電により流れる電流を捉える測定方式であることから、部分放電の放電電荷量と測定信号との対応性の点で優れた方式となっている。
【００１３】
また、特許文献１〜７に開示されているような電流を捉える方式の部分放電測定装置においては、従来より、特許文献９に開示されているような、数ＭＨｚという比較的低周波の周波数帯で同調検出する測定方式が広く用いられており、また、部分放電電流に含まれる特定周波数成分を検出するための構成の１つとして、特許文献１０に開示されているような、変流器の２次側に並列接続されたコンデンサと変流器のインダクタンス分とで共振回路を形成してなる検出部構成が用いられている。
【００１４】
次に、電流を捉える方式の部分放電測定装置に関する上記のような従来の技術を現地に据え付けられた変圧器に適用している従来の部分放電測定装置の構成例を次に示す。
図１２ないし図１５は、従来技術による部分放電測定装置の構成としてモールド変圧器を対象とした構成例を示す。図１２は、３相モールド変圧器の外部構成を示す正面図である。図１２において、３相モールド変圧器は、フレーム３，３ａに挟持された３脚の鉄心２の各主脚に、Δ結線された３相の高圧巻線１がそれぞれ巻回されてなる構成となっている。高圧巻線１は、巻線導体全体を絶縁性の高いエポキシ樹脂でモールドしたものであって、その外形は略円筒形状である。高圧巻線１の内径側に図示されない低圧巻線が配され、この低圧巻線も鉄心２の各主脚にそれぞれ巻回されている。３相の高圧巻線１には、それぞれ、高圧巻線端子４，４ａおよび電圧切替用のタップ端子５，５ａが設けられており、タップ端子５，５ａ間はタップ接続導体７を介して接続され短絡されている。また、高圧巻線端子４，４ａは各相間で高圧相間リード２２を介して接続されている。そして、高圧相間リード２２は一括して樹脂モールドされ、絶縁性の樹脂ブロック構造の高圧相間リード接続部６とされている。また、電路接続端子となる高圧巻線端子４には高圧母線２１が接続されている。
【００１５】
図１３は、従来技術による部分放電測定装置の構成図であって、図１２に示される３相モールド変圧器を対象とした構成例を示すものである。また、図１４は、図１２における部分放電検出部の詳細構成を示す構成図である。さらに、図１５は、図１３の部分放電測定装置と３相モールド変圧器の高圧巻線との接続を示す図である。
図１３に示される部分放電測定装置は、検出器１０と、増幅部を内部の入力側に収納した電気−光変換器２０とからなる部分放電検出部、光ファイバ３０、光−電気変換器４０と主増幅器５０と表示部６０とからなる部分放電受信部から構成されている。そして、光ファイバ３０は、モールド変圧器の高電位側に設置される上記部分放電検出部と接地電位側に設置される上記部分放電受信部とを電気絶縁的に切り離した状態で部分放電検出信号を伝送するものとなっている。
【００１６】
図１４に示されているように、検出器１０は、タップ端子５，５ａ間の接続導体であるタップ接続導体７を周回するリング状コア１１、当該リング状コア１１にトロイダル状に巻かれた２次巻線１２、および２次巻線１２の両端に並列に接続されたコンデンサ１３から構成されており、リング状コア１１および２次巻線１２は、タップ接続導体７を一次導体とした貫通形変流器を形成している。また、電気−光変換器２０は、増幅部２１および電気−光変換部２２から構成されている。
【００１７】
そして、検出器１０では、タップ接続導体７を流れる部分放電電流が上記の貫通形変流器により電圧に変換されるとともに、貫通形変流器の２次巻線１２に並列接続されたコンデンサ１３により特定の周波数に共振させることで周波数帯域が制限された検出信号が検出器１０から出力される。
そして、検出器１０から出力された検出信号が電気−光変換器２０の入力側に内蔵されている増幅部２１に入力され、増幅部２１から出力された電気信号が電気−光変換部２２で光信号に変換されて光ファイバー３０により伝送され、光−電気変換器４０により再変換された電気信号が主増幅器５０により、後段に接続される表示部６０に適合した仕様の電気信号になるように増幅され、得られた信号によりオシロスコープやメータなどの表示部６０での測定を行う。
【００１８】
部分放電の測定は、検出器１０および電気−光変換器２０と光ファイバ３０の一端を高電位側にあるタップ端子５，５ａに取り付け、タップ端子５，５ａ間のタップ接続導体７を流れる部分放電によるパルス電流を、測定者がいる接地電位側において捉えることで実施される。測定者は、オシロスコープやメータなどの表示部６０により、部分放電によるパルス電流を観測する。
【特許文献１】特開平３−２１６５６４号公報
【特許文献２】特開平４−２５９８６４号公報
【特許文献３】特開平５−３２２９６３号公報
【特許文献４】特開平７−１７４８１１号公報
【特許文献５】特開平９−１１９９５９号公報
【特許文献６】特開平９−８０１１２号公報
【特許文献７】特開平９−１５２９３号公報
【特許文献８】特開平３−３７５８０号公報
【特許文献９】特開平２−８５７７１号公報
【特許文献１０】特開平７−１２８８１号公報
【非特許文献１】電気学会編「電気設備の診断技術  改訂版」２００３．１０．１７発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
上述の図１２ないし図１５により説明した従来の部分放電測定装置では、測定対象のモールド変圧器に接続されている電路を一旦停電させ、検出器１０、電気−光変換器２０、光ファイバ３０の一端を当該変圧器のタップ端子５，５ａに接続した後、当該変圧器を再び充電し、光ファイバ３０の他端、光−電気変換器４０、主増幅器５０を介して表示部６０により部分放電の測定を行った後、当該変圧器に接続されている電路を再度停電させ、検出器１０、電気−光変換器２０、光ファイバ３０の一端を取り外し、再度、当該変圧器を充電するという作業が必要になる。すなわち、この場合、運用に供されている当該変圧器の部分放電測定を行うにあたり、２回の停電作業が伴うことになる。また、検出器１０、電気−光変換器２０、光ファイバ３０の一端を当該変圧器のタップ端子５，５ａに接続したり、取り外したりする作業は、充電時においては高電位となるタップ端子５，５ａに接触する作業のため、十分に感電防止対策を施した作業が必要である。
【００２０】
このように、図１２ないし図１５により説明した従来の部分放電測定装置では、現地に据え付けられて運用が開始されているモールド変圧器の部分放電測定を実施するためには、２回の停電作業が必要となるが、この点に関して、部分放電測定における作業性などの向上を図った改良提案が上述の特許文献３および特許文献４に開示されている。
すなわち、特許文献３に記載の構成では、タップ接続導体が貫通する貫通形変流器よりなる検出器と、増幅部を内部の入力側に収納した電気−光変換器との接続をコネクタによる嵌合方式とすることにより、高電位側のタップ端子に検出器をあらかじめ敷設しておくことができ、これにより、タップ端子間へのタップ接続導体の脱着作業が不要となり、部分放電測定に必要な準備作業の時間を低減することができる。また、特許文献３に記載の構成によって部分放電測定を実施する場合、特許文献３には記載されていないが、測定対象のモールド変圧器を稼動状態のままとしておいて、把持機構を設けた絶縁棒などを用いて、電気−光変換器を高電位に充電されている検出器にコネクタ接続して部分放電の測定を行い、測定後、上記絶縁棒を用いて、電気−光変換器を検出器から取り外す、という実施方法が考えられ、このような実施方法によれば、部分放電測定を停電作業なしで行うことができる。
【００２１】
また、特許文献４に記載の構成では、部分放電センサとして、増幅器、電気−光変換器およびバッテリ電源を、タップ接続導体が貫通する貫通形変流器よりなる検出器に増幅器を接続した状態で予め高電位側のタップ端子側に敷設しておき、高電位側に例えば光伝送などの絶縁媒体を介した伝送手段によりバッテリ電源を充電するための電力を供給することにより、増幅器および電気−光変換器に給電するバッテリ電源への充電を停電作業なしで行うことができる。
【００２２】
なお、特許文献４に記載の構成は、検出器と増幅器との接続をコネクタによる嵌合方式として自在に脱着できるようにした構成ではないので、部分放電測定を行う場合には、タップ端子間へのタップ接続導体の脱着作業が必要となっているが、このような特許文献４に記載の構成における検出器と増幅器との接続構造として上記特許文献３に記載のコネクタによる嵌合方式を適用すれば、高電位側のタップ端子に検出器をあらかじめ敷設しておくことができ、タップ端子間へのタップ接続導体の脱着作業が不要となり、部分放電測定に必要な準備作業の時間を低減することができるとともに、さらには、絶縁棒などを用いて増幅器などの検出器への接続および検出器からの取り外しを行うようにすれば、部分放電測定を停電作業なしで行うこともできるようになると考えられる。
【００２３】
このように、上記の特許文献３および特許文献４に開示されている構成を用いれば、部分放電測定やバッテリ電源への充電を停電作業なしで行うことが可能になると考えられるが、実用的には、下記のような問題点がある。
まず、特許文献３に記載の構成では、モールド変圧器を稼動状態のままとしておいて絶縁棒などにより電気−光変換器を高電位に充電されている検出器にコネクタ接続する場合、接地電位側にあった電気−光変換器が突然高電位側に印加されるため、嵌合のコネクタ部分でスパーク放電が生じ、それにより、電気−光変換器の内部の入力側に収納されている増幅部に組み込まれている電子回路が破損する可能性がある。
【００２４】
また、特許文献４に記載の構成では、高電位側と接地電位側との間で絶縁された状態でバッテリ電源を充電するための電力を供給する方式であり、ことに光に変換して電力を供給する構成の場合には、例えば数１００ｍＷ程度の電力に相当するエネルギーを光伝送することが可能な光デバイスが必要となり、光デバイスのコストが高くなる問題があり、また、流体圧力などを用いて高電位側で発電する構成の場合には、高電位側での発電機構が複雑となるため、コストが高くなるとともに部分放電測定装置としての信頼性が低いものとなる。
【００２５】
次に、特許文献８で開示されている部分放電測定装置は、上述のように、変圧器の高圧巻線に生じた部分放電による高周波電磁波を近接させたループアンテナにより捕捉する構成であることから、部分放電測定装置の構成として、高電位側と接地電位側との間をケーブル接続する構成ではないため、上述の図１２ないし図１５により説明した従来の部分放電測定装置におけるような、部分放電の測定のために停電作業が必要になる、という問題はない。
【００２６】
また、この特許文献８で開示されている部分放電測定装置は、上述のように、中性点近傍にループアンテナを近接させる構成や差動回路により電界成分を相殺処理する構成により、部分放電による高周波電磁波をループアンテナで捕捉する際に、巻線端部に発生している強い電界の影響を受けないようにすることが図られており、特に差動回路の構成は、周囲のノイズにおける電界成分の影響を低減することにも寄与すると考えられる。
【００２７】
しかしながら、特許文献８で開示されている部分放電測定装置は、高圧巻線に部分放電が発生したときに流れる電流が巻線導体に伝播して巻線導体から放出された高周波電磁波をそのままループアンテナで捕捉する構成であるため、捕捉される電磁波の強度は微弱であり、ループアンテナからの電磁波検出出力も小さいことから、上記のような差動回路による信号処理を行うとしても、周囲のノイズのレベルが高い場合、ノイズの影響に耐えて充分に高い検出感度で部分放電測定を行うことは困難である。
【００２８】
このため、本発明は、電気機器の高電位側に設置される検出部と接地電位側に置かれる受信部との間の電気的絶縁を確保し、しかも信号伝送には光ファイバー以外の手段を用い、低コストで信頼性が高く、高い検出感度を有し、高電位側に常設する検出部においては駆動電源を必要としない部分放電測定装置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】
【００２９】
［従来技術に関する検討に基づく本発明の提示］
高電位側に検出部を設けるとともに接地電位側に受信部を設ける測定装置の構成において、検出部から受信部に検出信号を伝送する手段としては、上述の背景技術で説明したように、光ケーブルを用いる方式が一般的であるが、光ケーブル方式の場合、高電位部において電気信号を光信号に変換するための電源が必要になる。電気信号から光信号への変換については、電気信号自体のエネルギーにより直接的に発光ダイオードなどを発光させることも考えられるが、本発明が対象とする部分放電測定装置の場合には、検出端から出力される部分放電検出信号は微弱な電気信号であるため、適用することができない。このため、部分放電測定装置における高電位側の検出部において電源を不要とするためには、検出部から受信部への検出信号伝送方式として、光ケーブル方式以外の手段が必要であり、具体的には、検出信号を電界、磁界あるいは電磁界の信号形態として絶縁が保たれた状態で伝送する方式が考えられる。
【００３０】
また、部分放電測定装置の検出部における検出方式としては、上述の図１２ないし図１５により説明した従来装置のように、部分放電電流を高周波用変流器で電圧に変換するとともに、この高周波変流器の２次巻線に並列に接続されたコンデンサにより特定の周波数で共振させることにより、検出信号の周波数帯域を制限し、Ｓ／Ｎ比を向上させる方式が従来より広く用いられているが、この検出方式は、高周波変流器を電流−電圧変換器として機能させるものとなっている。
【００３１】
部分放電の発生要因にもよるが、通常、部分放電電流の波形は、立ち上がり時間が約１０ｎｓ程度であるとともに立ち下がり時間が約１００ｎｓ程度であるため、その周波数スペクトルは、直流から数ＭＨｚにかけて（１／ｆ）ｎに比例して減少するものとなっている。ここで、ｎの値は１〜２となる。また、立ち下がり時間に対応する周波数領域よりも高速な周波数領域である数１０ＭＨｚ以上の領域では、そのスペクトルは主として立ち上がり時間のみに支配されるため、検出信号の周波数帯域を数１０ＭＨｚ以上の領域に選定した場合、得られる部分放電測定信号の部分放電電流の積分値の大きさに対する相関が低くなる、という欠点がある。電力機器における部分放電試験に関する規格における周波数帯が１００ｋ〜数ＭＨｚに選定されているのは、主として上記のような電流積分値との対応性を考慮したものである。このため、従来の部分放電測定装置では、検出信号の周波数帯域として数ＭＨｚの領域が選定されていた。そして、本発明においても、上記の電流積分値との対応性を考慮して、検出信号の周波数帯域としては数ＭＨｚの領域を選定することとした。
【００３２】
また、部分放電測定装置における高電位側の検出部において電源を不要とするための検出信号伝送方式としては、上述のように、検出信号を電界、磁界あるいは電磁界として絶縁が保たれた状態で伝送する方式が考えられるが、本発明においては、特に、検出信号を磁界として伝送する方式を選定するとともに、従来装置では高周波変流器の２次巻線が電圧発生源として作用していたのに対して、高周波変流器の２次巻線が共振用インダクタンスの一部として作用する方式とし、２次巻線に直列にコンデンサと空芯コイルからなる送信アンテナとを接続する構成として、３つのリアクタンス要素からなる直列共振回路の共振により、送信アンテナを介して外部に強力な磁界を放射することができるようにした。
【００３３】
この点に関し、上述のように、特許文献８や非特許文献１では、部分放電により発生する電界、磁界あるいは電磁界をアンテナにより受信するための様々な方式について提案されているが、これらの方式は、いずれも、アンテナによる受信の対象が、部分放電電流が流れる際に機器の構造に応じて自然に放射される電界、磁界あるいは電磁界であった。
これに対して、本発明による部分放電測定装置は、部分放電電流によって励振される送信部を共振回路とすることにより、送信される磁界の強度が従来装置に比べてはるかに高いものとなっている。
［各請求項に記載された本発明についての説明］
発明者は、上述の検討結果に基づき、本発明を提案するものであり、以下、各請求項に記載された発明について説明する。
【００３４】
上記目的を達成するために、本発明によれば、電気機器の内部で発生する部分放電を測定する部分放電測定装置において、前記電気機器の備える導体、または、前記電気機器に接続される外部の電路導体のうち、前記部分放電により生じる部分放電電流が流れる導体部を周回する磁性体よりなるリング状コアと、このリング状コアに巻回される２次巻線と、コンデンサと、空芯コイルからなる送信アンテナとを備え、前記２次巻線と前記コンデンサと前記送信アンテナとの直列共振回路を形成してなる部分放電検出部を設けたものとする（請求項１の発明）。
【００３５】
上記請求項１の発明によれば、リング状コアと２次巻線とが、導体部を流れる部分放電電流を検出する貫通形変流器として機能し、この貫通形変流器により検出された部分放電電流によって、２次巻線とコンデンサと空芯コイルからなる送信アンテナとの直列共振回路が励振されるので、部分放電検出部から送信アンテナを介して外部に部分放電検出信号としての強力な磁界を放射することができる。また、請求項１の発明によれば、部分放電検出部は、増幅器や電気−光変換器を備える構成ではなく、パッシブな部品のみで構成されているので、駆動電源を必要としない。
【００３６】
次に、請求項１に記載の部分放電測定装置において、前記部分放電検出部における前記直列共振回路による共振周波数を４００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲に選定することが好ましい（請求項２の発明）。
上記請求項２の発明のように、直列共振回路の共振周波数を４００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲に選定することにより、部分放電電流波形のスペクトル解析による電流積分値との対応性を良くすることができる。
【００３７】
次に、請求項１または２に記載の部分放電測定装置において、前記送信アンテナと対向して空間距離を隔てて配設される受信アンテナと、この受信アンテナからの信号を増幅する増幅器とを備えてなる部分放電受信部を設けるとよい（請求項３の発明）。
上記請求項３の発明によれば、送信アンテナと受信アンテナとの空間距離が電気的な絶縁距離となるので、高電位側に設けられた部分放電検出部に対して、部分放電受信部を接地電位側に設けることができる。
【００３８】
次に、請求項３に記載の部分放電測定装置において、前記部分放電受信部における前記増幅器が、前記部分放電検出部における前記直列共振回路による共振周波数に対して１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの帯域幅を持って同調した増幅を行う増幅器であることが好ましい（請求項４の発明）。
上記請求項４の発明によれば、部分放電検出部における共振周波数に対する、部分放電受信部における同調増幅の帯域幅を１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚとすることにより、高いＳ／Ｎ比が得られるとともに、元の部分放電パルスのパルス的な状態を保存した増幅を行うことができる。
【００３９】
次に、請求項３または４に記載の部分放電測定装置において、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナをそれぞれ絶縁物で覆ったものとするとよい（請求項５の発明）。
上記請求項５の発明のように、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナをそれぞれ個別に絶縁物で覆うことにより、両者間の空間距離をより短くすることできるので、送信アンテナから生じる磁界に対する受信アンテナの結合性が高まり、感度とS/N比が向上すると共に、部分放電測定装置全体を小型化することができ、部分放電測定の作業性を高めることができる。
【００４０】
次に、請求項３ないし５のいずれかの項に記載の部分放電測定装置において、前記送信アンテナは、１回以上の巻数を有するループアンテナであることが好ましい（請求項６の発明）。
また、請求項６に記載の部分放電測定装置において、前記受信アンテナは、前記送信アンテナから放射される磁界が貫通するように配設されてなる１回以上の巻数を有するループアンテナであることが好ましい（請求項７の発明）。
【００４１】
上記請求項７の発明のように、受信アンテナも送信アンテナと同じ空心ループ状のアンテナとするとともに、送信アンテナから放射される磁界が貫通するように配置することにより、受信効率を高めることができる。
次に、請求項１ないし７のいずれかの項に記載の部分放電測定装置であって、前記電気機器が変圧器であるとともにこの変圧器の巻線がタップ端子を備えているものにおいて、前記タップ端子間を接続するタップ接続導体を設けるとともに、このタップ接続導体を周回するようにして前記リング状コアを設けるようにするとよい（請求項８の発明）。
【００４２】
上記請求項８の発明によれば、巻線が電圧切替用のタップ端子を備えてなる変圧器を測定対象とする場合には、タップ端子間を接続するタップ接続導体を、リング状コアを周回させる導体部として用いることができる。
次に、請求項１ないし７のいずれかの項に記載の部分放電測定装置であって、前記電気機器が変圧器であり、この変圧器が複数の巻線と、前記巻線間の渡りリードを備えるものにおいて、前記渡りリードを周回するようにして前記リング状コアを設けるとよい（請求項９の発明）。
【００４３】
上記請求項９の発明のように、複数の巻線を備えるとともに巻線間の渡りリードを備えた変圧器を測定対象とする場合には、渡りリードを、リング状コアを周回させる導体部として用いることができる。
次に、請求項９に記載の部分放電測定装置であって、前記変圧器における前記渡りリードが絶縁物で一体に成形されているものにおいて、前記絶縁物の内部に前記リング状コアと前記２次巻線と前記送信アンテナとを埋め込むとよい（請求項１０の発明）。
【００４４】
上記請求項１０の発明によれば、前記請求項5の発明による送信アンテナを絶縁物で覆うという構成が元来ある絶縁部材によりもたらされると共に、送信アンテナが外部に露出するという外観上の問題を回避することができる。
次に、請求項１ないし１０のいずれかの項に記載の部分放電測定装置であって、前記電気機器が、絶縁樹脂でモールドされるとともに高電圧に充電される導体部分を備えたものであるとよい（請求項１１の発明）。
【００４５】
上記請求項１１の発明のように、本発明の部分放電測定装置は、測定対象の電気機器として、絶縁樹脂でモールドされるとともに高電圧に充電される導体部分を備えたものに好適に適用することができる。
次に、請求項１１に記載の部分放電測定装置であって、前記電気機器が、モールド変圧器であるとよい（請求項１２）。
【００４６】
上記請求項１２の発明のように、本発明の部分放電測定装置は、測定対象の電気機器として、特にモールド変圧器に好適に適用することができる。
【発明の効果】
【００４７】
本発明により、部分放電検出部では、リング状コアと２次巻線とが、導体部を流れる部分放電電流を検出する貫通形変流器として機能し、この貫通形変流器により検出された部分放電電流によって、２次巻線とコンデンサと空芯コイルからなる送信アンテナとの直列共振回路が励振されるので、送信アンテナを介して外部に部分放電検出信号としての強力な磁界を放射することができる。そして、部分放電受信部では、送信アンテナと対向して空間距離を隔てて配設した受信アンテナで前記磁界を受信し、受信アンテナからの信号を増幅器で増幅することにより、部分放電測定を行うことができる。
【００４８】
本発明によれば、部分放電検出部から部分放電受信部に伝送される部分放電検出信号として、上記直列共振回路のＬＣ直列共振により強められた強力な磁界を放射することができるので、送信アンテナと受信アンテナとの間の空間距離を、電気機器の高電位側に設置される部分放電検出部と接地電位側に設置される部分放電受信部との電気的絶縁を確保するのに充分な距離とすることができるとともに、周囲のノイズの影響に耐えて、充分に高い検出感度での部分放電測定を行うことができる。
【００４９】
また、本発明によれば、部分放電検出部から部分放電受信部に伝送される部分放電検出信号の信号形態が磁界であることから、電気機器の高電位側に設置される部分放電検出部と接地電位側に設置される部分放電受信部との間をケーブルで接続する必要がないので、従来のような、高電位側の部分放電検出部への嵌合用コネクタなどによるケーブル接続においてスパーク放電が生じて増幅器の電子回路が破損するというような接続時の問題を回避することができる。
【００５０】
また、本発明によれば、部分放電検出部から部分放電受信部に伝送される部分放電検出信号としての磁界を生成するために必要なエネルギーは、上記直列共振回路を励振するためのエネルギー、すなわちリング状コアと２次巻線とからなる変流器により検出された部分放電電流自体のエネルギーだけであって、他のエネルギー源は不要であるため、電気機器の高電位側に設置される部分放電検出部において、従来のような増幅器や電気−光変換器などを駆動するための駆動電源が不要になる。これにより、本発明では、部分放電検出部にバッテリ電源を設ける構成や、高電位側の部分放電検出部に接地電位側から、例えは光に変換することなどにより電気的に絶縁された状態でバッテリ電源充電用の電力を供給するための構成が不要となるので、簡素な構成であって信頼性が高く、かつ低コストの部分放電測定装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。同一の構成要素については、同一の符号を付け、重複する説明は省略する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。
［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態による部分放電測定装置の構成図であり、図２は図１における部分放電検出部の構成図であり、図３は図２に示した部分放電検出部の電気回路図である。第１の実施形態による部分放電測定装置は、モールド変圧器を測定対象としたものであり、図１に示すように、モールド変圧器側に配設された検出器１００および送信アンテナ１０２よりなる部分放電検出部と、送信アンテナ１０２と対向して空間距離を隔てて配設される受信アンテナ２０２、整合器２００、伝送ケーブル２１０、前置増幅器２２０、主増幅器２３０および表示部２４０よりなる部分放電受信部とから構成されている。
【００５２】
（部分放電検出部）
図１における部分放電検出部のより詳細な構成を図２に示す。第１の実施形態では、図１２のような、樹脂モールドされた高圧巻線１にタップ端子５，５ａを備えた構成のモールド変圧器を対象としている。モールド変圧器におけるエポキシ樹脂でモールドされた高圧巻線１に電圧切替用のタップ端子５，５ａが埋め込まれており、モールド変圧器の主電流が流れるタップ端子５，５ａ間にはタップ接続導体７が取り付けられている。タップ接続導体７を周回するリング状コア１１が設けられ、当該リング状コア１１に２次巻線１２がトロイダル状に巻回されていることにより、タップ接続導体７、リング状コア１１および２次巻線１２からなる貫通形変流器が形成されており、これにより、タップ接続導体７を流れる部分放電電流を検出することができる。２次巻線１２の両端には、コンデンサ１０１と、空芯コイルであって１巻き以上の空芯ループアンテナからなる送信アンテナ１０２とが直列に接続されており、２次巻線１２とコンデンサ１０１と送信アンテナ１０２とからなる直列共振回路が形成されている。この直列共振回路では、上記貫通形変流器により検出された部分放電電流が励振源となって、主に２次巻線１２、送信アンテナ１０２の各インダクタンス、およびコンデンサ１０１のキャパシタンス（静電容量）に基づいて決まる共振周波数ｆ０でのＬＣ直列共振が起こり、強い磁界が送信アンテナ１０２から放射される。この共振周波数ｆ０は、上述のように、部分放電電流の積分値との相関を高いものとするため、数ＭＨｚの周波数帯から選定することが好ましく、より具体的には４００ｋＨｚから１０ＭＨｚの範囲内で選定することが好ましい。
【００５３】
また、上記のリング状コア１１、２次巻線１２およびコンデンサ１１は、例えば一括して樹脂モールドされた絶縁性の樹脂ブロック構造とすることなどによりタップ接続導体７と一体に設けられた検出器１００を構成しており、検出器１００および送信アンテナ１０２からなる部分放電検出部は、タップ端子５，５ａにボルト等にて接続され、かつ固定される。
【００５４】
なお、リング状コア１１にはフェライトなどの軟磁性特性の優れた材料、すなわちＢ−Ｈ特性の線形性が良く、抵抗率が高い材料を用いるとよい。また、コンデンサ１０１にはマイカコンデンサなどを用いると、非常に高いＱ値を得ることができる。
（部分放電電流により生じる磁束と送信アンテナが作る磁束との関係）
図３は、図２に示した部分放電検出部の電気回路図であって、本発明における部分放電検出部の電気回路の基本構成を示している。図３の回路において、２次巻線１２とコンデンサ１０１と送信アンテナ１０２とからなる直列共振回路の共振周波数ｆ０は式（１）で表される。
【００５５】
【数１】
2008082904.tif 000003
【００５６】
ここで、Ｌ１：２次巻線１２のインダクタンス。
Ｌ２：送信アンテナ１０２のインダクタンス。
Ｃ：コンデンサ１０１のキャパシタンス。
図３の回路において、タップ接続導体７を流れる部分放電電流Ｉ１と、送信アンテナ１０２の空芯コイルが作る磁束φ２との関係は、次に述べる数式の展開により式（７）で表わすことができる。
【００５７】
まず、タップ接続導体７を流れる部分放電電流Ｉ１によりリング状コア１１の磁路に沿って生じる磁束φ１は式（２）で表わされる。
【００５８】
【数２】
2008082904.tif 000004
【００５９】
ここで、ｋ１：リング状コア１１の透磁率、断面積などにより決まる係数。
次に、磁束φ１により２次巻線１２に誘起される電圧ｖは式（３）で表わされる。
【００６０】
【数３】
2008082904.tif 000005
【００６１】
ここで、ｎ１：２次巻線１２の巻数。
一方、上記直列共振回路を流れる電流Ｉ２と上記電圧ｖとの関係は式（４）で表わされる。
【００６２】
【数４】
2008082904.tif 000006
【００６３】
そして、式（３）および式（４）より、式（５）の関係が得られる。
【００６４】
【数５】
2008082904.tif 000007
【００６５】
そして、式（２）および式（５）より、電流Ｉ２は、式（６）で表わされる。
【００６６】
【数６】
2008082904.tif 000008
【００６７】
従って、送信アンテナ１０２の空芯コイルが作る磁束φ２は式（７）で表わされる。
【００６８】
【数７】
2008082904.tif 000009
【００６９】
ここで、Ｉ１：部分放電電流。
Ｉ２：検出器１０内の回路電流。
ｎ１：２次巻線１２の巻数。
ｎ２：送信アンテナ１０２のコイルの巻数。
ｋ１：リング状コア１１の断面積、磁路長、透磁率などにより決まる係数。
【００７０】
ｋ２：送信アンテナ１０２の幾何形状により決まる係数。
Ｌ１：２次巻線１２のインダクタンス。
Ｌ２：送信アンテナ１０２のインダクタンス。
Ｃ：コンデンサ１０１のキャパシタンス。
ω：角周波数（＝２πｆ）
なお、上記の式（７）は、部分放電電流Ｉ１と磁束φ２との関係を原理的に示すものであり、実際には、回路を構成する各リアクタンス素子のＱ値、回路導体の抵抗成分なども考慮する必要がある。
【００７１】
部分放電測定装置の感度を高くするためには、タップ接続導体７などの導体部を流れる元の部分放電電流Ｉ１に対する送信アンテナ１０２の空芯コイルが作る磁束φ２の比を大きくする必要があるが、部分放電電流Ｉ１に対する磁束φ２の比を大きくするには、次のような対策が有効である。
（イ）各リアクタンス素子のＱ値を高くすることが効果的である。
【００７２】
（ロ）２次巻線１２の巻数ｎ１および送信アンテナ１０２のコイルの巻数ｎ２を大きくすることが効果的である。なお、ｎ１およびｎ２を両方とも大きくする場合、２次巻線１２のインダクタンスＬ１および送信アンテナ１０２のインダクタンスＬ２がそれぞれ大きくなり、（Ｌ１＋Ｌ２）が大きくなるので、直列共振回路の共振周波数ｆ０を設定された周波数値とするために、コンデンサ１０１のキャパシタンスＣを小さくすることが必要である。
【００７３】
（ハ）上記（ロ）項の点に関し、共振周波数ｆ０の（１）式におけるＣおよび（Ｌ１＋Ｌ２）をそれぞれ一定値としておくことを設計条件とする場合には、（ｎ１×ｎ２）の積が最大となるように、ｎ１およびｎ２の各値を配分するとよい。
（ニ）ｋ１は部分放電電流Ｉ１に対するリング状コア１１の総磁束に相当するものであり、リング状コア１１の断面積を大きくするか、磁路長を短くすることによりｋ１を大きくすることも有効である。
【００７４】
（部分放電受信部）
図１に示すように、部分放電受信部は、送信アンテナ１０２から放射される磁界が鎖交するように配置した空芯コイルであって１巻き以上の空芯ループアンテナからなる受信アンテナ２０２、受信アンテナ２０２のインピーダンスと伝送ケーブル２１０のインピーダンスとを整合する整合器２００、伝送ケーブル２１０、所定の周波数に制限して増幅を行う前置増幅器２２０、後段に接続される表示部２４０での表示に適した波形とレベルに増幅する主増幅器２３０およびオシロスコープなどの表示部２４０からなる。
【００７５】
受信アンテナ２０２の感度は、コイルの巻数が大きいほど増大し、また、コイルを形成する導線間のキャパシタンスが大きいほど減少する。そして、コイルの巻数が大きすぎると、コイルを形成する導線間のキャパシタンスも大きくなる。このため、受信アンテナ２０２の感度を高くするために、コイルとしての最適な巻数を選定する必要がある。
また、受信アンテナ２０２のコイルの大きさは、送信アンテナ１０２の作る磁界の分布に応じて、送信アンテナ１０２と受信アンテナ２０２との間の距離によって決まる最適値がある。
【００７６】
また、整合器２００は受信アンテナ２０２と伝送ケーブル２１０とのインピーダンスを整合するための回路であり、数ＭＨｚ程度までの周波数では通常トランス型のものが用いられる。なお、伝送ケーブル２１０としては通常同軸ケーブルが用いられる。
また、前置増幅器２２０は、部分放電検出部における共振周波数ｆ０と同じ周波数に対して所定の帯域幅を持って同調した増幅を行う。前置増幅器２２０の回路には、パッシブなバンドパスフィルタを備えた増幅回路が用いられる。バンドパスフィルタの帯域幅が狭い程、Ｑ値が高くなり、感度およびＳ／Ｎ比は向上し、また、バンドパスフィルタの帯域幅が広い程、元の部分放電電流のパルス的な状態が良好に保存される。このため、バンドパスフィルタの帯域幅を選定する際には、上記２つの点を考慮する必要があるが、帯域幅を１０ｋＨｚから５００ｋＨｚの範囲内で選定することにより、充分な感度およびＳ／Ｎ比が得られるとともに元の部分放電電流のパルス的な状態が充分に保存された状態で部分放電測定を行うことができる。
【００７７】
また、主増幅器２３０においては、例えば前置増幅器２２０からの振動減衰波となっている入力信号を検波することで単極性のパルス形状の信号として出力することにより、後段に接続されるオシロスコープなどの表示部２４０における部分放電電流の観測が容易となる。
（検出器及び送信アンテナを介して得られた出力の周波数特性）
図４は送信アンテナから放射される磁界の相対強さと周波数との関係を示す特性図であって、送信アンテナ１０２を介して得られた出力の周波数特性の一例であって、共振周波数ｆ０を３ＭＨｚに設定した場合の測定例を示している。本発明の部分放電放電測定装置における部分放電検出部では、このように共振して強められた磁界が送信アンテナ１０２から放射される。なお、この測定例では、共振周波数ｆ０である３ＭＨｚの前後の周波数では急激に出力が低下している特性が示されているが、この場合のＱ値は約３０程度である。このため、部分放電受信部側の前置増幅器２２０での増幅において周波数帯の制限を行うことにより、高いＳ／Ｎ比が得られる。
【００７８】
なお、上記のような高いＱ値（約３０程度）が得られるのは、次の点に基づくものである。
（イ）リング状コア１１の磁性体材料としてフェライトを用いており、軟磁性特性の優れた材料、すなわちＢ−Ｈ特性の線形性が良く、高い抵抗率を持つ材料を選定していること。なお、フェライトの場合、このような特性の材料は容易に得られる。
【００７９】
（ロ）コンデンサ１０１としてマイカ系の材料を用いており、高いＱ値のものを選定していること。なお、マイカなどの材料では、高いＱ値のものが容易に得られる。
（ハ）送信アンテナ１０２のコイルの導線における表皮効果が導線径に比べて小さいこと。即ち周波数が高いと、自己磁界により銅線の内部には電流が流れにくくなり銅線の実効的な抵抗が上昇しコイルのQ値が低下することを防止する必要がある。
【００８０】
なお、共振周波数ｆ０が低すぎると周囲環境からの電磁ノイズの影響が問題となり、高すぎても上記の表皮効果が大きくなる点から適当ではないことになるので、共振周波数ｆ０は、これらの点を勘案して選定するとよい。
（アンテナ間距離を変えた場合の感度特性）
図５は送信アンテナおよび受信アンテナ間の空間距離を変えた場合の受信磁界の相対強さ、すなわち感度特性の一例を示す特性図である。図５では、横軸に送信アンテナおよび受信アンテナ間の距離（ｄ）を示すとともに、縦軸に受信部で得た信号強さの相対値、すなわち受信感度（gain）を示している。また、図５における１点鎖線は、受信感度（gain）がアンテナ間距離（ｄ）に対して、１／ｄに比例する関係（１／ｄ特性）で低下する場合を示す参照線である。実際の特性では、実線で示されているように、アンテナ間距離（ｄ）が小さい領域では、受信感度（gain）が１／ｄ特性に近い低下割合で低下していくが、ある距離のところから、その低下割合が１／ｄ特性よりも大きくなっている。そして、この測定例における送信アンテナ１０２および受信アンテナ２０２のコイル直径は１００ｍｍであるが、アンテナ間距離（ｄ）が約５０ｍｍを超えたところから受信感度（gain）の低下割合が大きくなっており、アンテナのコイル直径の半分程度の距離が、受信感度（gain）−アンテナ間距離（ｄ）特性の境界領域になっていることが示されている。アンテナ間距離としては、上記の境界領域よりも大きな距離を選定した場合でも、その距離に対応したある程度の受信感度は得られるので、部分放電測定装置として動作させることは可能であるが、高い検出感度を実現するためには、上記の境界領域あるいはそれ以下の距離、すなわち受信感度の低下割合が１／ｄ特性に近い距離範囲に留めることが適当である。このように、アンテナ間距離においては、アンテナのコイル直径との関係で、受信感度の低下割合が１／ｄ特性に近い好適な範囲が限定されるので、定格電圧の高い電気機器を測定対象とした部分放電測定装置において、高電位側と接地電位側との間での充分な電気絶縁を確保するためにアンテナ間距離を大きくする場合にはアンテナのコイル直径を大きくすることが有効である。また、高電位側と接地電位側との間での電気絶縁距離がそれほど必要ではない場合には、アンテナ間距離を小さくできるので、これに対応してアンテナのコイル直径も小さくすることができる。
【００８１】
（受信アンテナのコイルの大きさ及び巻数を変えた場合の感度特性）
図６は受信アンテナのコイルの大きさおよび巻数を変えた時の感度特性を示す特性図であり、受信アンテナのコイルの巻数と部分放電受信部で得た信号強さの相対値、すなわち検出感度の関係の一例を示している。図６では、縦軸に出力電圧の相対値をとっており、横軸では、「レムケ」が大きさ１００×６０ｍｍの矩形の２巻ループアンテナを示し、「φ１００／２Ｔ」が直径１００ｍｍ円形の２回巻ループアンテナを示し、以下「φ１００／５Ｔ」、「φ１００／１０Ｔ」がそれぞれ直径１００ｍｍの５回巻ループアンテナ、直径１００ｍｍの１０回巻ループアンテナを示している。
【００８２】
図６の特性データによれば、コイルの直径を１００mmとした場合において、巻数が５回のとき最大の感度が得られることが示されている。なお、図６の特性データは整合回路２００が入っていない構成において得たものであるため、巻数の依存性はそれほど大きくないが、整合回路２００を挿入した場合には、巻数の依存性が大きくなり、この依存性に基づき最適な巻数を選定することができる。
【００８３】
（部分放電検出部の試験）
リング状コア１１、２次巻線１２、コンデンサ１０１および送信アンテナ１０２からなる部分放電検出部は、対象となるモールド変圧器にその出荷時において取り付け、製造工場において所定の方法で部分放電の検出感度に関する校正試験を行う。また、既に現地で運転されている既存のモールド変圧器の場合は、部分放電検出部を当該モールド変圧器に取り付ける際に、製造工場において実施されている所定の方法で部分放電の検出感度に関する校正試験を行う。
【００８４】
なお、本発明による部分放電測定装置では、上述のように、部分放電検出部における共振周波数ｆ０を４００ｋＨｚから１０ＭＨｚの範囲内で選定するとともに、部分放電受信部での増幅における、上記共振周波数ｆ０に対する帯域幅を１０ｋＨｚから５００ｋＨｚの範囲内で選定する構成とすることにより、部分放電電流の積分値、すなわち部分放電の電荷量の大きさに対する高い相関性をもった測定を行うことができるため、部分放電の大きさを示す電荷量の定量化が可能になる。このため、本発明によれば、部分放電検出部が取り付けられたモールド変圧器の現地での運転が開始された後の部分放電測定においては、上記の校正試験で校正された感度値でもって、その測定値を部分放電のレベルに換算することができる。
［第２の実施形態］
図７は本発明の第２の実施形態による部分放電測定装置の構成図である。第２の実施形態による部分放電測定装置は、図１〜２に示した第１の実施形態による部分放電測定装置に対して、送信アンテナ１０２および受信アンテナ２０２をそれぞれ絶縁物１０３および絶縁物２０３で覆っている点が異なっており、その他の構成は同様である。送信アンテナ１０２と受信アンテナ２０２とはそれぞれ高電位と接地電位との関係にある。両アンテナ間の空間距離が絶縁距離となるが、上述の図５で説明したように、絶縁距離、すなわちアンテナ間距離と検出感度との間にはトレードオフの関係がある。そのため、線路電圧の高い電気機器では絶縁距離を大きくとる必要があるが、部分放電測定装置の全体構成が大型化するため、機器設置スペース上の問題になる。この点で、図７に示すように送信アンテナ１０２および受信アンテナ２０２をそれぞれ絶縁物１０３および絶縁物２０３で覆うことにより、両アンテナ間の絶縁が強化され、両アンテナ間の距離を低減することができ、部分放電測定装置の全体構成が大型化することを抑えることができる。
【００８５】
なお、上記のような線路電圧の高い電気機器においては、通常、機器本体および電路がいずれも大きな寸法を持つ場合が多く、このような場合は、部分放電検出部が大形であっても充分な取り付けスペースを容易に確保することができることから、送信アンテナのコイル直径を大きなものとすることができるので、絶縁距離、すなわちアンテナ間距離が大きくても、充分な検出感度を得ることができ、さらに、第２の実施形態のような、送信アンテナおよび受信アンテナをそれぞれ絶縁物で覆う構成を適用すれば、アンテナ間距離を低減して、より高い検出感度を得ることができるようになる。
［第３の実施形態］
モールド変圧器の通常運転時には、５０ないし６０Ｈｚの商用周波数電流が流れることにより、商用周波数電流の大きさにもよるが、部分放電検出部のリング状コア１１が磁気飽和状態になり検出感度が低下する。リング状コア１１の断面積を、上記商用周波数電流によって磁気飽和しないような大きな断面積値とすればよいが、貫通形変流器自体の体格が大きくなり、製作コストが高くなるとともに、検出器１００、すなわちタップ端子５，５ａ付近の高電位部分が大きくなり、部分放電測定装置の全体構成が大形化して機器設置スペース上の問題にもなる。このため、リング状コア１１が小型であっても商用周波数電流によって磁気飽和しないようにするための対策が必要となる。この点に関して、商用周波数電流が部分放電による高周波電流とは周波数が３桁以上離れていることに着目して、リング状コアに２次巻線と同様にトロイダル状に巻回した補償巻線を設け、この補償巻線に商用周波数成分を打ち消す方向に電流が流れるようにすることにより、リング状コア内の商用周波成分の磁束をキャンセルしてリング状コアが磁気飽和状態になるのを防止することができ、モールド変圧器が通電状態であっても部分放電の測定が可能となる。
【００８６】
上記のような補償巻線を用いた磁気飽和防止対策の具体的な構成の一例として、リング状コアを巻回するフィルタ巻線を設け、このフィルタ巻線の両端に商用周波数帯域を通過させるローパスフィルタの入力端を接続し、このローパスフィルタの出力端に商用周波数域帯の電流を流す負荷回路を接続した構成とすれば、商用周波数成分がローパスフィルタを介して負荷回路に流れるので、フィルタ巻線にはリング状コア内の磁束を打ち消す方向に商用周波数成分の電流が流れ、タップ接続導体などの導体部に商用周波数の大電流が流れても、リング状コア内の磁束は打ち消されリング状コアが磁気飽和しなくなる。
【００８７】
図８は、上記のようなフィルタ巻線を設ける構成を適用してなる、本発明の第３の実施形態による部分放電測定装置における部分放電検出部の説明図であり、図８（ａ）は上記部分放電検出部の構成図である。第３の実施形態による部分放電測定装置は、図１〜２に示した第１の実施形態による部分放電測定装置に対して、部分放電検出部においてフィルタ巻線５１２、ローパスフィルタ５１０および負荷回路５１１を設けた点が異なっており、その他の構成は同様である。検出器１００Ａのリング状コア１１には２次巻線１２に加えて、フィルタ巻線５１２が巻回されており、このフィルタ巻線５１２の両端に商用周波数帯域を通過させるローパスフィルタ５１０の入力端Ｖ１が接続される。このローパスフィルタ５１０の出力端Ｖ２に商用周波数域帯の電流を流す負荷回路５１１が接続される。商用周波数成分がローパスフィルタ５１０を介して負荷回路５１１に流れるので、フィルタ巻線５１２にはリング状コア１１内の磁束を打ち消す方向に商用周波数成分の電流が流れる。したがって、タップ接続導体７に大電流を流しても、リング状コア１１内の磁束は打ち消されリング状コア１１が磁気飽和しなくなる。一方、部分放電の周波数帯である数十キロヘルツ以上の高周波数成分は打ち消されないので、２次巻線１２には高周波数成分が流れる。そのために、部分放電の測定には何の支障も生じない。これによって、検出器１００Ａの体格が小さくなり、その製作費も安く済む。また、タップ端子５，５ａ付近の高電圧部分も小さくなり、部分放電測定装置の全体構成も小型化され、機器設置スペースも狭くて済む。
【００８８】
図８（ｂ）は、図８（ａ）のローパスフィルタ５１０の通過特性を示す特性線図である。横軸に周波数ｆを、縦軸に通過量（入力電圧に対する出力電圧Ｖ２／Ｖ１）を示す。特性は５１５のようになり、遮断周波数ｆｃ以下の周波数成分を通過させる。この場合、遮断周波数ｆｃは商用周波数より大きく、かつ数十キロヘルツより小さく設定される。
図８（ｃ）は、図８（ａ）のローパスフィルタ５１０の構成例を示す回路図である。ローパスフィルタ５１０が、インダクタンス５１８，５１９と抵抗５１７とキャパシタンス５２０とでＴ形に構成され、入力端Ｖ１にフィルタ巻線５１２が、出力端Ｖ２に負荷回路５１１としての抵抗５２１が接続されている。この回路において、遮断周波数をｆｃにしたい場合、抵抗５１７，５２１の抵抗値がともにＲ、キャパシタンス５２０の静電容量が２／（Ｒ・ｆｃ）、インダクタンス５１８，５１９の自己インダクタンスがともにＲ／ｆｃとなるように選べばよい。
［第４の実施形態］
また、上記のような補償巻線を用いた磁気飽和防止対策の具体的な構成の他の一例として、リング状コアを巻回するとともに両端が短絡された短絡巻線が設けた構成としてもよく、短絡巻線自体の有するインダクタンス、導体抵抗、ターン間キャパシタンスがローパスフィルタと負荷回路とを構成するので、短絡巻線にリング状コア内の磁束を打ち消す方向に商用周波数成分の電流が流れ、タップ接続導体などの導体部に商用周波数の大電流が流れても、リング状コア内の磁束は打ち消されリング状コアが磁気飽和しなくなる。
【００８９】
図９は、上記のような短絡巻線を適用してなる、本発明の第４の実施形態による部分放電測定装置における部分放電検出部の構成図である。第４の実施形態による部分放電測定装置は、図１〜２に示した第１の実施形態による部分放電測定装置に対して、部分放電検出部において短絡巻線５１４を設けた点が異なっており、その他の構成は同様である。検出器１００Ｂのリング状コア１１には２次巻線１２に加えて、両端で短絡された短絡巻線５１４が巻回されている。この短絡巻線５１４側の回路は、等価的には図８（ｃ）のローパスフィルタの回路と同等であり、短絡巻線５１４自体の有する自己インダクタンス、導体抵抗、ターン間のキャパシタンス（静電容量）がそれぞれ図８（ｃ）のインダクタンス５１８，５１９、抵抗５１７，５２１、キャパシタンス５２０を構成している。したがって、リング状コア１１を貫通するタップ接続導体７に大電流が流れても、リング状コア１１内の磁束は打ち消され鉄心が磁気飽和しなくなる。一方、部分放電の周波数帯である数十キロヘルツ以上の高周波数成分は打ち消されないので、２次巻線１２には高周波数成分が流れる。そのために、部分放電の測定には何の支障も生じない。これによって、検出器１００Ｂの体格が小さくなり、その製作費も安く済む。また、タップ端子５，５ａ付近の高電圧部分も小さくなり、部分放電測定装置の全体構成も小型化され、機器設置スペースも狭くて済む。
［第５の実施形態］
図１０は本発明の第５の実施形態による部分放電測定装置における部分放電検出部の構成を示す構成図である。第５の実施形態による部分放電測定装置は、図１〜２に示した第１の実施形態による部分放電測定装置に対して、モールド変圧器のタップ端子５，５ａとは異なる、高電圧に充電された導体部９に部分放電検出部を設ける点が異なっており、その他の構成は同様である。図１０において、検出器１００Ｃは、導体部９を周回するリング状コア１１、当該リング状コア１１にトロイダル状に巻かれた２次巻線１２、コンデンサ１１から構成されており、リング状コア１１および２次巻線１２は、導体部９を一次導体とした貫通形変流器を形成している。また、検出器１００Ｃの２次巻線１２およびコンデンサ１１は、空芯コイルであって１巻き以上の空芯ループアンテナからなる送信アンテナ１０２と直列に接続され、２次巻線１２とコンデンサ１０１と送信アンテナ１０２とからなる直列共振回路が形成されている。そして、図１０における導体部９は、電気機器の備える導体、または、電気機器に接続される外部の接続導体のいずれでもよい。
【００９０】
この第５の実施形態の一例として、配電用の変圧器では、線路電圧の変更が不要な場合があり、タップ端子を持たない場合があるが、このような場合、図１２における電路接続端子である高圧巻線端子４に接続される高圧母線２１が高電圧に充電された導体部９となっているので、この高圧母線２１のＡ部（図１２）に、図１０のようにして部分放電検出部を設けることにより、部分放電の測定が可能になる。
【００９１】
また、第５の実施形態の他の一例として、単相用の２巻線、３相用の３巻線のように複数の巻線を有する変圧器においては、各巻線の端子に接続される渡りリードが設けられているが、この渡りリードを導体部９として、渡りリードを貫通するようにリング状コア１１を設けることにより部分放電検出部を設けることも可能である。そして、測定対象が図１２に示されるような３相モールド変圧器の場合、相間リード２２を導体部９として、相間リード２２の例えばＢ部（図１２）に、図１０のようにして部分放電検出部を設けることにより、部分放電の測定が可能となる。また、図１２に示される３相モールド変圧器における絶縁性の樹脂ブロック構造の高圧相間リード接続部６のように、例えば相間リード２２などの渡りリードが絶縁物で一体に成形されている場合、絶縁物の内部にリング状コア１１、２次巻線１２、コンデンサ１０１および送信アンテナ１０２を埋め込むことで、外観的にも見栄えのよいものになる。
［第６の実施形態］
部分放電測定により電気機器内部の欠陥や劣化などの部分放電の原因を識別する詳細な評価を行うためには、対象となる電気機器が交流機器である場合、高電圧の交流位相と部分放電の発生状況との関係を捉える評価方法が有効である。このような評価方法には、例えば上記の非特許文献１に開示されているように、通常、電圧位相パターン（φ−ｑ特性）が用いられ、電圧位相上に放電パルス強度を１個ずつプロットする方法と、放電パルスを特定の時間測定し、その間に得られた最大値を電圧位相上にプロットする方法の２通りがあり、放電源による特有なパターンに着目しニューラルネットワークなどのＡＩ手法を用いて部分放電原因を識別することができる。
【００９２】
上記のような部分放電原因を識別する評価を行うために必要となる高電圧の交流波形の測定データが容易に得られない場合には、本発明による部分放電測定装置に上記交流波形の検出手段を付加すればよい。
図１１は、本発明の第６の実施形態による部分放電測定装置の構成を示す構成図である。第６の実施形態による部分放電測定装置は、上記のような交流波形検出手段を付加した構成であって、図１〜２に示した第１の実施形態による部分放電測定装置の構成に対して、さらに、電気機器における部分放電により生じる部分放電電流が流れる導体部の電位を検出する導体部電位検出部と、部分放電受信部からの部分放電測定信号と前記導体部電位検出部からの導体部電位検出信号とを受けて部分放電の発生状況と導体部電位の交流位相との相関データを求めるデータ処理部とを設けたものであり、その他の構成は同様である。図１１において、部分放電受信部の受信アンテナ２０２の近傍に、検出器１００内の導体部であるタップ端子５，５ａと静電的に結合を有するようにして配設された導体部電位検出電極３０１と、タップ端子５，５ａの電位Ｖ１によって導体部電位検出電極３０１に静電誘導される電位Ｖ２を増幅する導体部電位用増幅器３０２とからなり、タップ端子５，５ａの電位Ｖ１の検出信号を出力する導体部電位検出部を設けるとともに、部分放電受信部の主増幅器２３０からの部分放電測定信号と前記導体部電位検出部の導体部電位用増幅器３０２からの導体部電位検出信号とを受けて、部分放電の発生状況と導体部電位の交流位相との相関データを求めるデータ処理部３０３とを設けている。この構成により、導体部電位検出部から出力される検出信号により、導体部電位、すなわちタップ端子５，５ａの電位をモニターすることができるとともに、例えば上述の電圧位相パターン（φ−ｑ特性）を用いる手法などにより部分放電の発生状況と導体部電位の交流位相との相関データを求めることにより、部分放電の原因となる欠陥や劣化などを同定することができる。また、図１１におけるデータ処理部３０３の機能を表示部２４０の中に組み込み、導体部電位用増幅器３０２からの導体部電位検出信号も表示部２４０に入力する構成としてもよい。
【００９３】
なお、図１１における導体部電位検出部の検出動作において、導体部電位検出電極３０１とタップ端子５，５ａとの間の漂遊キャパシタンス（漂遊静電容量）がＣ１であり、導体部電位検出電極３０１と大地との間の漂遊キャパシタンス（漂遊静電容量）がＣ２である場合、タップ端子５，５ａの電位Ｖ１によって導体部電位検出電極３０１に静電誘導される電位Ｖ２は、Ｖ２＝Ｖ１×Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）となり、この電位Ｖ２を増幅することにより、タップ端子５，５ａの電位Ｖ１の検出信号を得ることができる。
【００９４】
また、測定対象となる電気機器における導体部に印加されている例えば商用周波数の高電圧の交流波形が、例えば当該電気機器が備えている電圧計測器の外部出力信号を用いることなどにより容易に得られる場合は、上記の図１１の構成における導体部電位検出部を設ける代わりに、当該電気機器の電圧計測器などから得られる電圧計測信号を上記データ処理部３０３に入力する構成とすればよく、これにより、図１１の構成と同様に、導体部に印加されている電圧をモニターし、部分放電の発生状況と導体部電位の交流位相との相関データを求めることにより、部分放電の原因となる欠陥や劣化などを同定することができる。
［タップ端子を持たない変圧器が測定対象である場合の部分放電測定装置の異なる構成例］
本発明による部分放電測定装置においては、測定対象となる電気機器がタップ端子を持たない配電用の変圧器である場合、上述の第５の実施形態のような、変圧器の電路接続端子に接続される高圧母線に部分放電検出部を設ける構成に限定されるものではなく、変圧器の電路接続端子となる高圧巻線端子（図１２の４）に、第１の実施形態におけるタップ接続導体７と同様な、リング状コア１１を周回させることができる構造の接続導体を、この接続導体に高圧巻線の通電電流が流れるようにして取り付け、この接続導体にリング状コア１１を周回させる構成の部分放電検出部を設けるようにしてもよく、このような構成でも、部分放電の測定が可能になる。
［３相変圧器が測定対象である場合の部分放電測定システムの構成例］
本発明によれば、高電位側の部分放電検出部と接地電位側の部分放電受信部との間でのコネクタなどによるケーブル接続作業が不要であり、電気機器の高電位側に設置された部分放電検出部の送信アンテナに対して空間距離を隔てて部分放電受信部の受信アンテナを対向配置するだけで、部分放電測定が可能となる。このため、本発明では、測定対象となる電気機器が３相の巻線を備えた変圧器である場合、３セットの部分放電検出部と１セットの部分放電受信部を用意して、３相の各巻線に部分放電検出部をそれぞれ取り付けておき、共通の部分放電受信部を用いて、例えばＵ相→Ｖ相→Ｗ相というように、３相の各巻線の部分放電検出部に順次対向させて、各相ごとでの部分放電測定を行う構成の部分放電測定システムを採用することができ、このような構成では、部分放電受信部として共通の１セットだけ用意すればよいことから、部分放電測定システム全体のコストを低減することができる。
［３相変圧器が測定対象である場合の部分放電測定システムの異なる構成例］
本発明では、測定対象となる電気機器が３相の巻線を備えた変圧器である場合、部分放電検出部および部分放電受信部を３セットずつ用意して、３相の各巻線に部分放電検出部をそれぞれ設けるとともに、３相の各部分放電検出部に対応してそれぞれ部分放電受信部を設ける構成の部分放電測定システムを採用してもよく、このような構成では、３相分の部分放電を一括して測定することができるので、測定時間が短縮されるとともに、３相分の測定信号同士の比較を行うことで、部分放電かノイズかの弁別、さらには、部分放電の発生している巻線の同定を行うことができる。
［本発明による部分放電測定装置の適用対象］
上述の第１〜第６の各実施形態では、主に、電気機器のうち変圧器、特にモールド変圧器を測定対象とした場合について説明したが、本発明による部分放電測定装置は、その測定対象として、変圧器以外の例えば計器用変圧器（ＰＴ）や計器用変流器（ＣＴ）などの電磁誘導巻線を持つ誘導電器にも好適に適用することができるとともに、さらには、高電圧に充電された導体部分を備える開閉器など全ての電気機器に広く適用することができ、部分放電により生じる部分放電電流が流れる導体部に、当該導体部を周回する磁性体よりなるリング状コアと、このリング状コアに巻回される２次巻線と、コンデンサと、空芯コイルからなる送信アンテナとを備え、前記２次巻線と前記コンデンサと前記送信アンテナとの直列共振回路を形成してなる構成の部分放電検出部を設け、この部分放電検出部の送信アンテナに、部分放電受信部の受信アンテナを、電気絶縁のために必要な空間距離を隔てて近接させることにより部分放電測定を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明は、モールド変圧器をはじめ、絶縁樹脂でモールドされた、計器用変成器及び開閉器などに最適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の第１の実施形態による部分放電測定装置の構成図
【図２】図１における部分放電検出部の構成図
【図３】図２に示した部分放電検出部の電気回路図
【図４】送信アンテナから放出される磁界の相対強さと周波数との関係を示す特性図
【図５】送信アンテナ・受信アンテナ間の空間距離と受信部で得た磁界の相対強さとの関係を示す特性図
【図６】受信アンテナのループ巻数と受信部で得た磁界の相対強さとの関係を示す特性図
【図７】本発明の第２の実施形態による部分放電測定装置の構成図
【図８】本発明の第３の実施形態による部分放電測定装置における部分放電検出部の構成図
【図９】本発明の第４の実施形態による部分放電測定装置における部分放電検出部の構成図
【図１０】本発明の第５の実施形態による部分放電測定装置における部分放電検出部の構成図
【図１１】本発明の第６の実施形態による部分放電測定装置の構成図
【図１２】３相モールド変圧器の外部構成を示す正面図
【図１３】従来技術による部分放電測定装置の構成図
【図１４】図１３における部分放電検出部の構成図
【図１５】図１３の部分放電測定装置と３相モールド変圧器の高圧巻線との接続を示す図
【符号の説明】
【００９７】
１・・・高圧巻線、２・・・鉄心、３，３ａ・・・フレーム、４，４ａ・・・高圧巻線端子、５，５ａ・・・タップ端子、６・・・高圧相間リード接続部、７・・・タップ接続導体、１０・・・検出器、１１・・・リング状コア、１２・・・２次巻線、１３・・・コンデンサ、２０・・・電気−光変換器、２１・・・増幅部、２２・・・電気−光変換部、３０・・・光ファイバ、４０・・・光−電気変換器、５０・・・主増幅器、６０・・・表示部、１００・・・検出器、１０１・・・コンデンサ、１０２・・・送信アンテナ、１０３・・・アンテナ絶縁物、２００・・・整合器、２０２・・・受信アンテナ、２０３・・・アンテナ絶縁物、２１０・・・伝送ケーブル、２２０・・・前置増幅器、２３０・・・主増幅器、２４０・・・表示部、３０１・・・導体部電位検出電極、３０２・・・導体部電位用増幅器、３０３・・・データ処理部
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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