(57)【要約】【課題】外部ノイズを除外し、部分放電診断の精度を向上する。【解決手段】センサ６から信号を取り込み、バンドパスフイルタ１１の中心周波数を掃引して周波数成分（スペクトルデータ）を抽出する。データ処理部１７はＡ／Ｄ変換器１６を介してスペクトルデータ、掃引周波数、系統印加電圧Ｖを取り込み、スペクトルデータを電圧Ｖのサイクル毎に複数の周波数区分に分割し、区分毎のサイクルパターンを作成する。定常ノイズ領域を除外の後、信号強度がしきい値超過の周波数区分で、掃引繰り返しによって得られる区分毎のサイクルパターン間の類似度を類似度判定部１９により判定し、類似度が所定レベル以上の場合に部分放電異常と判定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス絶縁開閉装置に取り付けられたセンサにより、部分放電に伴う電磁波信号を検出して内部の絶縁異常を診断する方法において、
狭帯域フィルタの中心周波数を掃引しながら前記電磁波信号の周波数スペクトルを取り込むと共に系統印加電圧のサイクル情報を同時に取り込み、前記サイクル情報に基づいて前記電磁波信号のスペクトル帯域を周波数区分し、複数回の掃引により得られる同一周波数区分のスペクトルパターンを複数回生成し、前記スペクトルパターン間の第１の類似度が第１の所定値を超える場合に部分放電と判定することを特徴とするガス絶縁開閉装置の部分放電診断方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記掃引による周波数帯域のうち、定常的に信号が検出される特定の周波数区分である場合、当該周波数区分に該当するスペクトルパターンを診断領域から除外することを特徴とするガス絶縁開閉装置の部分放電診断方法。
【請求項３】
請求項１において、
前記同一周波数区分のスペクトルパターンを所定時間蓄積して合成パターンを作成し、前記合成パターンと予め登録されている異常要因別パターンとの間の第２の類似度が第２の所定値を超える場合に部分放電と判定することを特徴とするガス絶縁開閉装置の部分放電診断方法。
【請求項４】
請求項３において、
前記第２の類似度の第２の所定値を超える部分放電が所定時間持続するか判定し、持続しない場合は部分放電の兆候として報知することを特徴とするガス絶縁開閉装置の部分放電診断方法。
【請求項５】
ガス絶縁開閉装置に取り付けられたセンサから、部分放電に伴う電磁波信号を検出して内部の絶縁異常を診断する部分放電診断装置において、
前記電磁波信号の周波数スペクトルを取り込む狭帯域フィルタと、前記狭帯域フィルタの中心周波数を下限から上限まで繰り替えし掃引する周波数シフターと、前記ガス絶縁開閉装置に印加される電圧のサイクル情報を取り込む参照電圧作成部と、前記周波数スペクトル、前記中心周波数及び前記サイクル情報を同時に取り込んでそれぞれをディジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力による前記サイクル情報に基づいて前記電磁波信号のスペクトル帯域を周波数区分し、複数回の掃引により得られる同一周波数区分のスペクトルパターンを複数回生成し、前記スペクトルパターン間の類似度を求めて部分放電の有無を判定するデータ処理部と、を備えることを特徴とするガス絶縁開閉装置の部分放電診断装置。
【請求項６】
請求項５において、
既知の部分放電によるスペクトルパターンを要因別に格納する診断パターン部を備え、検出した電磁波信号によるスペクトルパターンを前記要因別の診断パターンと比較することを特徴とするガス絶縁開閉装置の部分放電診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス絶縁機器の絶縁特性を部分放電により診断する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
変電所等で使用される高電圧用開閉機器は、接地容器内にＳＦ６等の絶縁特性の優れたガスを圧縮充填し、固体絶縁物により高電圧課電導体部分を機械的に支持する構造のガス絶縁機器が主となっている。
【０００３】
これらの機器の絶縁性能の健全性・信頼性を確認するために、機器の内部の絶縁物、金属導体等主回路構造物からの部分放電発生の有無をチェックすることは極めて重要である。そのため、部分放電の計測を通して機器の絶縁診断を行なう各種の方法が提案され実用化されている。
【０００４】
部分放電の計測のためのセンサは大別すると、部分放電に伴う機械的信号を捕らえるものと電気的信号を捕らえるものがある。後者の例として、高電圧機器の容器の壁面等にセンサ（電磁波検出アンテナ）を取り付け、そのセンサの信号により内部の絶縁診断を行なう方法が、高感度に機器内部の異常を検出できる方法として利用されている。
【０００５】
変電所における高電圧機器は、密閉された容器内に０．５ＭＰａ前後のＳＦ６ガスが充填されており、この中に遮断器や断路器等を組み込んだガス絶縁開閉装置（以下ＧＩＳと称す）が主流となっている。容器中のＳＦ６ガスは極めて高い絶縁耐力を持ち、何らかの異常により部分放電が発生する場合は、容器外部で発生する気中コロナに比して急峻なパルスになり、高周波成分の多い電磁波を発生することが知られている。このため、センサにより検出した信号を解析することで、内部異常の有無を診断する方法が有効である。
【０００６】
これを実現する方法として、例えば特許文献１に記載の発明がある。ここでは、センサ（アンテナ等）により検出した部分放電信号を周波数分析装置へ入力する前段に、印加電圧のサイクルに連動した位相制御装置を組み合わせて、信号入力スイッチを制御することによりサイクルパターンを作成している。
【０００７】
この方法を図７により説明する。検出された部分放電信号１は、信号入力スイッチ２を介して周波数分析装置３に入力される。一方、系統電圧は、図示されない変成器等を用いて参照信号５として取り込まれ、信号切り替えスイッチ４で選択される。信号切り替えスイッチ４の出力は、位相制御装置６に接続され、この位相制御装置６により、信号入力スイッチ２と入力信号を短絡するための信号短絡スイッチ７の入り切りが行われる。位相制御装置６における入り切り制御は、信号切り替えスイッチ４の信号を基に、例えば系統電圧のゼロ点から予め設定された遅延時間とパルス幅を持つゲート信号を生成することによって行なわれる。このようにして、系統電圧に対して特定の位相範囲における部分放電信号が周波数分析装置３に入力され、位相制御装置６の設定を変化させることによって、任意の位相の情報と周波数分析の情報を同時に入手することができ、部分放電診断の高度化を図れる。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−２３００６７号公報（段落００１３−００１７、図１，２）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術では、位相制御装置６の回路構成が必要となる。それと共に、部分放電信号１が微弱な高周波信号であるため、ゲート信号でＯＮ−ＯＦＦされる信号入力スイッチ２や信号短絡スイッチ７によるノイズを抑制するための工夫が必要である。特に、系統電圧に同期して検出される外部ノイズがある場合、常にそのノイズを周波数分析装置３に入力することになり、検出機能に影響を及ぼしやすい。
【００１０】
また、全位相にわたって周波数分析装置３の出力を得るためには、遅延時間を制御する必要があり、現在どこの位相を計測しているかを認識する手段が必要になる。
【００１１】
更に、系統電圧の位相に対しランダムに発生するような部分放電に対しては、ゲートのタイミングと部分放電発生のタイミングがずれている場合、部分放電を検出できなくなる。特に、部分放電のレベルが小さい初期の段階では間歇的に生じやすいので、検出感度の向上に影響を及ぼす可能性が有る。これを避けるためには、遅延時間を変えながら比較的長時間の測定を行なって検出漏れを防止する必要がある。
【００１２】
本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を克服し、間欠的に外部ノイズの影響を受ける状況下でも、部分放電によるパターンを作成することができ、タイミングずれ等の不具合も解消できるガス絶縁装置の部分放電診断方式を提供することにある。それと共に、回路構成を単純化して、診断装置の小型軽量化、低コスト化を図ることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、ガス絶縁開閉装置に取り付けられたセンサにより、部分放電に伴う電磁波信号を検出して内部の絶縁異常を診断する方法において、狭帯域フィルタの中心周波数を掃引しながら前記電磁波信号の周波数スペクトルを取り込むと共に系統印加電圧のサイクル情報を同時に取り込み、前記サイクル情報に基づいて前記電磁波信号のスペクトル帯域を周波数区分し、複数回の掃引により得られる同一周波数区分のスペクトルパターンを複数回生成し、前記スペクトルパターン間の第１の類似度が第１の所定値を超える場合に部分放電と判定することを特徴とする。
【００１４】
前記掃引による周波数帯域のうち、定常的に信号が検出される特定の周波数区分である場合、当該周波数区分に該当するスペクトルパターンを診断領域から除外することを特徴とする。
【００１５】
さらに、前記同一の周波数区分のスペクトルパターンを所定時間蓄積して合成パターンを作成し、前記合成パターンと予め登録されている異常要因別パターンとの間の第２の類似度が第２の所定値を超える場合に部分放電と判定することを特徴とする。
【００１６】
前記第２の類似度の第２のしきい値を超える部分放電が所定時間持続するかを判定し、持続しない場合は部分放電の兆候として報知する。
【００１７】
本発明によるガス絶縁開閉装置の部分放電診断装置は、前記電磁波信号の周波数スペクトルを取り込む狭帯域フィルタと、前記狭帯域フィルタの中心周波数を下限から上限まで繰り替えし掃引する周波数シフターと、前記ガス絶縁開閉装置に印加される電圧のサイクル情報を取り込む参照電圧作成部と、前記周波数スペクトル、前記中心周波数及び前記サイクル情報を同時に取り込んでそれぞれをディジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力による前記サイクル情報に基づいて前記電磁波信号のスペクトル帯域を周波数区分し、複数回の掃引により得られる同一周波数区分のスペクトルパターンを複数回生成し、前記スペクトルパターン間の類似度を求めて部分放電の有無を判定するデータ処理部と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１〜図６に基づいて説明する。図１はガス絶縁開閉装置の部分放電診断装置の構成図である。高電圧導体３は固体絶縁物で構成される絶縁スペーサ４で支持され、金属製の接地容器１に収納される。絶縁スペーサ４は接地容器１の端部に設けられたフランジ部２により相互に固定されている。また、軸方向への接続を組み合わせることにより開閉装置としての所要形状に構成され、全体として図示されない架台上に設置されている。
【００１９】
接地容器１の各所には、内蔵電極センサ６が設けられている。このセンサは、部分放電に伴ない管路内を伝播する電磁波を高感度に検出できるように設計されたアンテナであり、容器内の電界分布を乱さないような構造で設置される。
【００２０】
なお、接地容器１は外部ノイズに対しては遮蔽効果が有るが、絶縁スペーサ４は遮蔽効果が無く、この部分から気中コロナ、放送・通信波等の電磁波が接地容器１の内部に侵入する。逆に、接地容器１の内部で生じた部分放電に伴う電磁波は、絶縁スペーサ４から外部に漏れてくる。従って、部分放電診断のためのセンサは、内蔵電極センサ６のタイプの他、絶縁スペーサ４の外周表面に設けた外付けアンテナ７とも組み合わせることができる。しかしながら、検出感度面では内蔵電極センサ６が優れている。
【００２１】
内蔵電極センサ６で検出された部分放電信号は、密封端子３１を介して接地容器１の外部に引き出され、同軸ケーブル８を用いて部分放電診断装置５に入力される。
【００２２】
部分放電診断装置５は、所定の周波数帯域を通過させる広帯域フィルタ９、高周波信号を増幅するアンプ１０、周波数シフター２１により中心周波数（共振周波数）が掃引される狭帯域フィルタ１１を介して部分放電に伴う周波数成分の信号を検出する。中心周波数は狭帯域フィルタ１１の共振周波数である。
【００２３】
検出信号は信号線１５によりＡ／Ｄ変換器１６に入力される。同時に、周波数シフター２１の信号も信号線１３によりＡ／Ｄ変換器１６に取り込まれ、これを基に検出周波数情報を得る。
【００２４】
また、詳細図示を省略している参照電圧作成部１２は、ガス絶縁開閉装置の主回路印加電圧と同位相の参照信号を作成し、参照電圧Ｖは信号線１４によりＡ／Ｄ変換器１６に取り込まれる。Ａ／Ｄ変換部１６の入力信号１３、１４、１５は同時にディジタル変換され、瞬時値データとしてデータ処理装置１７に取り込まれる。
【００２５】
データ処理装置１７のＣＰＵ１８はディジタル化された部分放電信号強度、周波数情報並びに参照電圧を取り込み、所定のプログラムにより編集・加工・判定並びに保存する。検出された部分放電信号強度が予め設定された条件を満たすと、類似度判定部１９が起動してサイクルパターンの比較判定を行なう。サイクルパターンに類似性が有れば、所定時間の蓄積を行い、診断パターン部２０を参照して部分放電の要因判定が行なわれる。
【００２６】
判定結果が部分放電異常となった場合、ＣＰＵ１８からＤＩ／Ｏ部２２に指令が出され、入出力Ｉ／Ｆ部２３を介して外部への警報接点２４が出力される。また、これらの診断情報・検出波形データは、要約した形で表示部２６に表示されるが、必要に応じて通信制御部２５を介して図示されない上位のパソコン（ＰＣ）等に伝送され、診断結果の詳細な表示・保存に供される。
【００２７】
図２に掃引特性と参照電圧の位相、検出信号の関係を示す。周波数シフター２１は周波数下限（ｆＬ）から上限（ｆＵ）の間を所定の時間（ｔ）で繰り返し掃引する。データ処理部１７は狭帯域フィルタ１１を介して対応する周波数における電磁波の信号強度（Ｑ）を測定する。これと同時に、系統の参照電圧（ｖ）も取り込まれる。この参照電圧は狭帯域フィルタの中心周波数の掃引周期ｔにおける位置、つまり位相を示すことになる。信号スペクトルに着目すると、図２の信号強度（Ｑ）の波形が時間（ｔ）毎に観測される。
【００２８】
信号強度（Ｑ）を系統電圧のサイクルに対応させた場合、信号周波数成分ｆｍからｆｎ間のデータが周波数区分Ｆｎのデータとなる。図２では１掃引周期分を示しているが、実際には複数周期分を検出する。
【００２９】
図３は検出信号のサイクルパターンを示す。系統電圧の１サイクル分、例えばＦｎ区分に相当する検出信号を装置の時間分解能を基準にして表示している。信号強度が図３のようなサイクルパターンで表され、このパターンが部分放電の要因に応じた特徴のあるパターンになる。
【００３０】
従来、絶縁診断装置における異常の有無は、測定された信号強度を予め設定されたしきい値と比較し、しきい値を越えた時間の長さにより異常判定を行なっていた。しかし、外部ノイズを検出した場合でも、信号強度が所定のレベル以上であれば部分放電異常と誤判定してしまう。
【００３１】
これを避けるために、本実施例では予め定常ノイズの発生している周波数帯域に対しては異常の判定を行なわない機能を組み込んでいる。しかし、定常ノイズではない一時的、間歇的なノイズが検出された場合に、誤動作に到る可能性が高い。
【００３２】
本実施例では、繰り返し掃引における信号強度のデータを、各周波数区分（Ｆｎ）毎のサイクルパターンとして複数回作成し、当該区分における複数回のサイクルパターン間の類似度を判定する。即ち、センサで検出される信号強度は、ＧＩＳの構造や、部分放電発生場所とセンサまでの距離に影響を受け、検出周波数によって変化する。部分放電が持続して発生している状況下では、部分放電パルスは系統電圧によって対応付けられる掃引周期の位相に依存するので、サイクルパターンは同じ様相を示すことになる。
【００３３】
従って、同一位相における複数回のサイクルパターン間の類似度を求め、類似度が所定レベル以上であれば部分放電異常と判定できる。さらに、そのパターンが予め蓄積されている部分放電要因別サイクルパターンのデータベースに近似している場合は、その放電要因を特定することができる。
【００３４】
図４に部分放電診断処理の流れを示す。ＳＴ（ステップ）１では、バンドパスフイルタ１１の中心周波数を掃引することにより信号のスペクトルパターンが得られる。ＳＴ２では、スペクトルパターンが同時に取り込まれる参照電圧を基に複数の周波数区分に分割され、周波数区分毎に信号強度のピーク点を含むサイクルパターンが作られる。
【００３５】
近年、携帯電話、トランシーバ、航空無線などからの電波は部分放電異常判定レベルを超えるスペクトル強度を有し、特に携帯電話の搬送周波数信号は、通話の有無にかかわらず定常的に検出される。この信号は既知の周波数帯域で発生し、時間幅の面からも特徴のあるパターンとなるため、予め判定除外領域にセットできる。しかし、航空無線などのように、航空機の飛来に応じて検出されるため、予め判定除外にセットできないものもある。
【００３６】
そこでＳＴ３では、検出レベルを超え、かつ所定時間継続する信号の周波数領域では、サイクルパターンの信号時間幅が予め登録されている既知のノイズパターンに近似する場合に、この周波数領域を定常ノイズ領域として判定から除外している。
【００３７】
次に、ＳＴ４において、定常ノイズ領域以外の信号の強度を予め設定された異常判定レベルと比較する。ＳＴ５で信号強度しきい値と比較し、信号強度しきい値超過の場合、ＳＴ６においてサイクルパターンの第１の類似度判定を行う。
【００３８】
図５にサイクルパターンの類似度判定の説明図を示す。部分放電は幅広いスペクトルを有する電磁波となるため、一般に複数の周波数で大小のピークを有するスペクトルパターンになる。ここに現れるパターンは既知のノイズ領域以外であるから、部分放電に伴う信号である可能性がある。
【００３９】
周波数区分Ｆ１、Ｆ２、・・・、Ｆｎ、・・・毎に、その間のピーク信号強度におけるサイクルパターンが逐次（ａ）、（ｂ）、（ｃ）・・・のように作成される。ここで、ピーク信号強度が信号強度しきい値を超過した区分（Ｆｎ）では、当該区分におけるサイクルパターンの類似度を判定する。異常の程度によっては、しきい値を超過する周波数区分（Ｆｎ）が多数存在する可能性もある。このため、例えば信号強度が最大の区分から上位５区分を選ぶなどの制約を設けることも可能である。
【００４０】
掃引繰り返しで得られる複数回の同じ周波数区分（Ｆｎ）におけるサイクルパターンの類似度（これを第一の類似度と称す）、即ち（ａ）Ｆ１区分、（ｂ）Ｆ２区分、（ｃ）Ｆ３区分、・・・・の各グループにおけるサイクルパターンの中には、互いに高い類似度を示すものが存在することになる。
【００４１】
図５の例では、（ａ）グループ：類似度低、（ｂ）グループ：類似高、（ｃ）グループ：類似度低・・・となる。逆に、サイクルパターンの類似度があまり高くない場合は、別の要因による無関係な信号を検出していることになり、これは間歇性の外部ノイズ等によるものと見なされる。なお、サイクルパターンの類似度の判定は、波形の面積差分法とパルス数カウントなどを組み合わせることで、実用的な精度による判定結果が得られる。
【００４２】
ＳＴ７で第１類似度が第１設定値以上である場合、部分放電異常として警報を発生するようにしてもよい。本実施例では、さらにＳＴ８に移行し、合成サイクルパターンの生成と第２類似度の判定を行なう。
【００４３】
部分放電は、絶縁異常に伴い確率的に発生する現象であるため、所定時間に亘るデータを蓄積して各サイクルパターンを合成することにより、より特徴を捉えることができる。合成サイクルパターンは、通常所定回数の掃引繰り返しにおける各サイクルパターンの最大値を用いたパターンで代表される。部分放電が持続している場合は、その要因に応じた特徴的なサイクルパターンが認められる。本実施例では、予め要因が既知の部分放電毎に定型の診断パターンとして診断パターン部２０に登録してある。
【００４４】
図６に診断パターンを示す。高電圧導体上の突起やスペーサ沿面異物による診断パターンが、部分放電の要因別合成サイクルパターンとして構成され、診断パターン部２０に格納されている。
【００４５】
ＳＴ９では、ＳＴ８で生成した合成サイクルパターンと診断用の合成サイクルパターンとの類似性（これを第２類似度と称す）が第２設定値以上か判定し、第２類似度が設定値以上であれば、ＳＴ１０でしきい値超過の持続性判定を行なう。一方、第２の類似度が設定値未満の場合には、部分放電異常ではなくノイズと見なし、ＳＴ１１でノイズパターンとして登録を行なうにしてもよい。
【００４６】
第２の類似度判定には、第１の類似度判定と同じ方法や、階層化ニューロ判定などの手法が適用できる。これにより、第２類似度が設定値以上と判定された場合、その登録サイクルパターンの要因によって、検出した部分放電の要因をガイダンスすることができる。
【００４７】
また、第１、第２の類似度が高くても、その発生に持続性がない場合には、直ちに異常とは断定できない場合がある。このため、ＳＴ１０、１２において当該サイクルパターンの持続性の有無を判定し、信号の持続性が小さい場合には、ＳＴ１４において運転員に継続監視を促す意味での部分放電徴候発生の報知を行う。持続性が認められる場合は、ＳＴ１３において部分放電異常と判断され、外部への警報とともに、データの蓄積・保存処理を行なう。
【００４８】
本実施例によれば第１、第２の類似度判定を組み合わせることにより、外部ノイズによる誤動作を確実に防止し、かつ部分放電の要因を判定することができるので、信頼性の高い部分放電の診断が可能になる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の信号処理により、周波数掃引周期の位相に対応付けられたセンサ信号の周波数成分毎のサイクルパターンを取得し、同一位相のサイクルパターン間の類似性によって部分放電を判定するので、間歇的、単発的な部分放電に対しても、確実にサイクルパターンを取得でき、異常の初期兆候を検出できる効果がある。また、第１、第２の類似度を判定することにより、外部ノイズの多い環境でも部分放電の判定精度が高まると共に要因判定も確実になる効果がる。さらに、周波数分析装置を不要とするハードの簡素化に伴い、低コストの診断装置を提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるガス絶縁開閉器の部分放電診断装置を示す構成図。
【図２】周波数掃引と検出信号及び系統参照電圧の関係を示す説明図。
【図３】検出信号のサイクルパターンを示す説明図。
【図４】部分放電診断装置の異常判定の処理を示すフローチャート。
【図５】サイクルパターンの組み合わせを示す説明図。
【図６】診断パターンの一例を示す説明図。
【図７】従来の部分放電診断装置の概略を示す構成図。
【符号の説明】
１…接地容器、２…フランジ部、３…高電圧導体、４…絶縁スペーサ、５…部分放電診断装置、６…内蔵型電極（センサ）、７…外付けアンテナ（センサ）、８…同軸ケーブル、９…広帯域フィルタ、１０…高周波増幅器、１１…狭帯域フィルタ、１２…参照電圧作成部、１３…周波数成分信号、１４…参照電圧信号、１５…部分放電スペクトル強度信号、１６…Ａ／Ｄ変換器、１７…データ処理部、１８…ＣＰＵ、１９…類似度判定部、２０…診断パターン部、２１…周波数シフター、２２…ＤＩ／Ｏ部、２３…入出力Ｉ／Ｆ部、２４…外部出力接点、２５…通信制御部、２６…表示部、３１…密封端子。
【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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