(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸上に高電圧部を収容するとともに絶縁性のスペーサを介して一体化される複数のタンクから構成される金属容器内で発生する部分放電を検出するＧＩＳ用部分放電検出センサにおいて、
上記スペーサを挟持する一方の上記タンクのフランジの外周端面に先端部が静電結合している第１の電線と該スペーサを挟持する他方の上記タンクのフランジの外周端面に先端部が静電結合している第２の電線とを有し、
上記第１の電線が同軸ケーブルの芯線、上記第２の電線が該同軸ケーブルの外皮導体であり、上記同軸ケーブルが上記中心軸に平行に配置され、
部分放電にともなって発生する電磁波により誘起される上記一方のタンクのフランジと上記他方のタンクのフランジとの間の電位差により誘導される電磁波を検出するとともに上記スペーサから漏洩する上記電磁波を受信することにより部分放電を検出することを特徴とするＧＩＳ用部分放電検出センサ。
【請求項２】
上記第１の電線の先端部に接続され、上記一方のタンクのフランジに静電結合している第１の電極と、
上記第２の電線の先端部に接続され、上記他方のタンクのフランジに静電結合している第２の電極と、
を有することを特徴とする請求項１に記載するＧＩＳ用部分放電検出センサ。
【請求項３】
上記第１の電線の先端部と上記第２の電線の先端部は、ともに上記スペーサを介在しながら上記一方のタンクのフランジと上記他方のタンクのフランジとを締め付ける複数のボルトに掛からない上記中心軸からの法線上に位置することを特徴とする請求項１または２に記載するＧＩＳ用部分放電検出センサ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載するＧＩＳ用部分放電検出センサを使用することを特徴とする絶縁異常監視システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ガス絶縁開閉装置（以下、ＧＩＳと称す。）の絶縁異常により発生する部分放電の電気信号を検出する部分放電検出センサおよびこれを使用する絶縁異常監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＧＩＳ用の部分放電検出装置は、絶縁ガスが封入され、高電圧導体がスペーサによって支持されている金属容器内で発生する部分放電に起因し、スペーサおよびブッシング部から金属容器外部に漏洩する電磁波を、金属容器外部のスペーサ表面に沿って、線状もしくは板状の導電性材質により構成されるダイポールアンテナを備え、ダイポールアンテナの外側にアンテナ受信部とは電気的に絶縁されている導電性カバーを取り付けられている（例えば、特許文献１参照）。
また、金属容器のフランジによりスペーサを挟む位置に電極を設置して放電電流を分流させ、この電極間に接続した検出器に生じる電圧を測定することにより部分放電信号を検出している（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１６２２６３号公報
【特許文献２】特開平１０−１９９６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、このようなＧＩＳの部分放電検出装置において、ダイポールアンテナは１／２波長がアンテナ長さになるような周波数に対して共振して感度が良くなるので、例えば１５０ＭＨｚ以下の周波数領域ではアンテナ長が１メートル以上必要となって実用的ではないという問題がある。
また、金属容器のフランジによりスペーサを挟む位置に電極を設置して放電電流を分流させ、この電極間に接続した検出器に生じる電圧を測定することにより部分放電信号を検出する方法では、ＧＩＳの部分放電信号に特徴的な帯域である１ＧＨｚを超える高周波電流に対してはスペーサのインピーダンスが低くなり、部分放電電流のうち検出器側に流れる分流成分が小さくなるため検出感度が低下するという問題がある。
【０００５】
この発明の目的は、部分放電により発生する電磁波の低周波から高周波に亘る成分を感度良く検出するＧＩＳ用部分放電検出センサおよびこれを使用する絶縁異常監視システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係わるＧＩＳ用部分放電検出センサは、中心軸上に高電圧部を収容するとともに絶縁性のスペーサを介して一体化される複数のタンクから構成される金属容器内で発生する部分放電を検出するＧＩＳ用部分放電検出センサにおいて、上記スペーサを挟持する一方の上記タンクのフランジの外周端面に先端部が静電結合している第１の電線と該スペーサを挟持する他方の上記タンクのフランジの外周端面に先端部が静電結合している第２の電線とを有し、上記第１の電線が同軸ケーブルの芯線、上記第２の電線が該同軸ケーブルの外皮導体であり、上記同軸ケーブルが上記中心軸に平行に配置され、部分放電にともなって発生する電磁波により誘起される上記一方のタンクのフランジと上記他方のタンクのフランジとの間の電位差により誘導される電磁波を検出するとともに上記スペーサから漏洩する上記電磁波を受信することにより部分放電を検出する。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係わるＧＩＳ用部分放電検出センサの効果は、部分放電によってスペーサの両側のフランジに生じた電位差を感度良く誘導し、同時にスペーサから放射される電磁波を共振を利用して感度良く検出することができる。さらに、低周波のノイズは第１の電線および第２の電線とタンクとの間の静電結合によりカットされるので、ＳＮ比の良好で高感度のＧＩＳ用部分放電センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
この発明に係わるＧＩＳ用部分放電センサは、ＧＩＳの金属容器の電界変化を検出する金属容器と静電結合されている電極対と、金属容器のフランジにより挟持されているスペーサから漏洩する電磁波を検出するアンテナ部と、から構成されている。すなわち、部分放電に伴って発生する電磁波が導波管と見なせる金属容器内を伝搬するときに金属容器の壁面に発生する電界変化を、金属容器に誘電部材を介して対向するように配設された電極対により検出する。一方、金属容器内を伝搬し、インピーダンス不連続面の開口部であるスペーサから漏洩する電磁波を、スペーサの外周端面に配設されたモノポールアンテナにより検出する。このとき、金属容器と静電結合された電極対では１０ＭＨｚから数１００ＭＨｚの周波数帯域、アンテナ部では数１００ＭＨｚから数ＧＨｚの周波数帯域に対する感度が良好である。この発明に係わるＧＩＳ用部分放電センサは、両者の感度を併せ持った結果、１０ＭＨｚから数ＧＨｚに亘る電磁波帯域の感度が良好である。
以下、具体的にこの発明の実施の形態について説明する。
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わるＧＩＳ用部分放電センサを金属容器に配置した様子を示した図である。図２は、実施の形態１に係わるＧＩＳ用部分放電センサを上方から見た図である。図３は、この発明に係わる絶縁異常監視システムの構成図である。図１は、図２のＡ−Ａ断面線での断面図である。
この発明の実施の形態１に係わるＧＩＳ用部分放電センサが適用されるＧＩＳ１は、図１と図２に示すように、一般的なものであり、接地されている鋼製の金属容器２、その金属容器２内に配置される図示しない高電圧部、高電圧部と金属容器２間の絶縁確保のため、支持用あるいは支持と区画の両方を兼用したスペーサ３を備える。
【００１０】
金属容器２は、筒状の複数のタンク４ａ、４ｂから構成され、タンク４ａ、４ｂの両端に鍔状のフランジ５ａ、５ｂが設けられている。そして、フランジ５ａ、５ｂには、等間隔にボルト７が貫通されるボルト孔８が空けられている。
また、高電圧部は、タンク４ａ、４ｂの中心軸上に配置されている。
また、スペーサ３は、高電圧部を支持するとともに、外周縁部９はフランジ５ａ、５ｂにより挟持され、外周縁部９には、フランジ５ａ、５ｂにより挟持されたときフランジ５ａ、５ｂのボルト孔８に重なる位置にボルト孔１０が空けられている。
そして、フランジ５ａ、５ｂとスペーサ３とを貫通するボルト７とナット１１により締め付けられて固定される。
このようにスペーサ３を介してフランジ５ａ、５ｂが締め付けられることにより、金属容器２内が気密封止され、その中に六弗化硫黄ガス（ＳＦ６）などの絶縁ガスが封入されている。
【００１１】
この発明に係わる絶縁異常監視システムは、図３に示すように、金属容器２内で発生した部分放電に伴う電磁波を金属容器２に誘起される高周波電界の電界強度と、タンク４ａ、４ｂの隙間から漏洩する電磁波の強度として検出するＧＩＳ用部分放電センサ１３、ＧＩＳ用部分放電センサ１３の電気信号を光信号に変換する電気光変換器１４、電気光変換器１４から光ファイバケーブル１５を介して伝送されてきた光信号から得られる部分放電の強度、頻度、周波数特性、ヒストグラムに基づいて状態監視を行い、これらの監視項目が所定の特性を示したときに絶縁異常が発生していると判定する絶縁異常監視装置１６を備える。
【００１２】
次に、このＧＩＳ１に配置されるＧＩＳ用部分放電センサ１３について説明する。
ＧＩＳ用部分放電センサ１３は、図１と図２に示すように、同軸状に内側から第１の電線としての芯線２１、絶縁体２２、第２の電線としての外皮導体２３、絶縁被覆２４から構成される同軸ケーブル２５と、フランジ５ａ、５ｂの外周端面２７と露出した芯線２１および露出した外皮導体２３との間にそれぞれ配設された誘電体板３０ａ、３０ｂと、を備える。同軸ケーブル２５は、芯線２１が最も長く、順次絶縁体２２、外皮導体２３、絶縁被覆２４の順に加工されている。
そして、同軸ケーブル２０は、金属容器２の中心軸に平行し、タンク４ａ、４ｂの外側面に隣接して配置されている。
露出する芯線２１と露出する外皮導体２３は、それぞれ誘電体板３０ａ、３０ｂを介してフランジ５ａ、５ｂの外周端面２７に固定されている。
【００１３】
次に、タンク４ａ、４ｂ内の高電圧部で部分放電が発生したときの電磁波の伝搬の様子を説明する。
タンク４ａ、４ｂ内において、例えば、高電圧部への異物の付着や固体絶縁物のクラックが発生して絶縁上の問題が発生した場合、その部位で部分放電が発生し電磁波を放射する。この部分放電は非常に高速の現象であるため、放射される電磁波は周波数が１ＧＨｚを超える帯域まで拡がった広帯域の信号である。
この電磁波に対してタンク４ａ、４ｂは導波管の機能を果たすので、電磁波はタンク４ａ、４ｂ内で共振しながら多くのモードを発生して遠方まで伝播する。このとき、電磁波の伝播の途中にスペーサ３を挟持しているフランジ５ａ、５ｂ間でインピーダンスが大きく変化するので、フランジ５ａ、５ｂの外周長、フランジ５ａ、５ｂとスペーサ３とを固定するボルト７のピッチおよびスペーサ３の厚みにより決定される周波数の高周波電界がスペーサ３部位で一方のフランジ５ａから他方のフランジ５ｂに向かう金属容器２の中心軸方向に生じ、電磁波が放射される。
【００１４】
次に、このＧＩＳ用部分放電センサ１３による高周波電界を検出する原理を説明する。
同軸ケーブル２５の芯線２１と外皮導体２３とは、誘電体板３０ａ、３０ｂを介してタンク４ａ、４ｂと静電結合しているので、タンク４ａ、４ｂの電位変動が芯線２１と外皮導体２３とに誘導される。このようにして部分放電による高周波電界が同軸ケーブル２５に誘導される。
【００１５】
また、同軸ケーブル２５は、いわゆるモノポールアンテナの基本構造と同じように、芯線２１が外皮導体２３から飛び出した構造のアンテナであるので、１／４波長が芯線２１の長さとなる電磁波を受信する。ここで言う芯線２１の長さは、外皮導体２３から飛び出している芯線２１の長さであるので、フランジ５ｂの厚さとスペーサ３の厚さの和であるが、同軸ケーブル２５がフランジ５ｂに近接している本構成では実質的にスペーサ３の厚さがアンテナとして機能する長さである。
【００１６】
このとき、金属容器２と静電結合された芯線２１と外皮導体２３では１０ＭＨｚから数１００ＭＨｚの周波数帯域に、芯線２１が飛び出したアンテナ部では数１００ＭＨｚから数ＧＨｚの周波数帯域に対する感度が良好であり、このようにして２つの周波数帯域の電磁波を検出するので、部分放電による広い周波数帯域の高周波電界を検出することが出来る。
一方、主として低い周波数帯域に分布するノイズ成分は、フランジ５ａ、５ｂと芯線２１および外皮導体２３との間に配設されている誘電体板３０ａ、３０ｂによって減衰される。
【００１７】
次に、ＧＩＳ１の金属容器２内に部分放電模擬パルスを注入したときに実施の形態１に係わるＧＩＳ用部分放電センサ１３により検出された信号について説明する。なお、比較例として特許文献１に示されているダイポールアンテナにより検出された信号についても説明する。図４は、ダイポールアンテナと実施の形態１に係わるＧＩＳ用部分放電センサ１３とによる時間の経過にともなって変化する検出された信号を示す。また、図５は、図４に示す実施の形態１に係わるＧＩＳ用部分放電センサ１３により検出された信号の周波数スペクトルを示す。図６は、図４に示すダイポールアンテナにより検出された信号の周波数スペクトルを示す。
実施の形態１に係わるＧＩＳ用部分放電センサ１３は、図４乃至６から分かるように、ダイポールアンテナに対比して検出された信号の強度が大きく、且つ、広い周波数領域において検出された信号の強度が大きい。
【００１８】
このような実施の形態１に係わるＧＩＳ用部分放電センサ１３を用いることにより、微弱な部分放電電磁波を広い周波数範囲に渡って高感度に検出できると共に、低い周波数のノイズ成分は減衰されるため、ＳＮ比に優れた部分放電検出が可能となる。
【００１９】
また、このようなＧＩＳ用部分放電検出センサ１３を使用する絶縁異常監視システムは、光ファイバケーブル１５によりＧＩＳ用部分放電センサ１３と絶縁異常監視装置１６とを結んでいるので、ＧＩＳ１の開閉などに伴うサージ電圧等が絶縁異常監視装置１６に移行することを防止でき、信頼性の高い絶縁異常監視システムが実現できる。
【００２０】
実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２に係わるＧＩＳ用部分放電センサを金属容器に配置した様子を示した図である。図８は、実施の形態２に係わるＧＩＳ用部分放電センサを上方から見た図である。図７は、図８のＢ−Ｂ断面線での断面図である。
この発明の実施の形態２に係わるＧＩＳ用部分放電センサ１３Ｂは、実施の形態１に係わるＧＩＳ用部分放電センサ１３にタンク４ａ、４ｂとの間の静電容量を大きくするとともに均一化する電極３５ａ、３５ｂが追加されており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態２に係わる電極３５ａ、３５ｂは、図７と図８に示すように、露出している芯線２１が配置されるフランジ５ｂの外周端面２７上に設置される第１の電極３５ｂと露出している外皮導体２３が配置されるフランジ５ａの外周端面２７上に設置される第２の電極３５ａとから構成されている。
この第１の電極３５ｂと第２の電極３５ａは、それぞれ露出している芯線２１と外皮導体２３の長さと等しい辺からなる四角形板である。
【００２１】
このように芯線２１に第１の電極３５ｂを接続し、第１の電極３５ｂを誘電体板３０ｂを介してフランジ５ｂの外周端面に対向するように配置されているので、芯線２１とタンク４ｂとの間の静電容量は誘電体板３０ｂの厚さ、誘電体板３０ｂの誘電率および第１の電極３５ｂの面積により決められるので、実施の形態１のように芯線２１だけが誘電体板３０ｂを介してタンク４ｂと対向することにより決められる静電容量に比べて、値の制御が容易である。
また、外皮導体２３に第２の電極３５ａを接続し、第２の電極３５ａを誘電体板３０ａを介してフランジ５ａの外周端面２７に対向するように配置されているので、外皮導体２３とタンク４ａとの間の静電容量は誘電体板３０ａの厚さ、誘電体板３０ａの誘電率および第２の電極３５ａの面積により決められるので、実施の形態１のように外皮導体２３だけが誘電体板３０ａを介してタンク４ａと対向することにより決められる静電容量に比べて、値の制御が容易である。
【００２２】
このようなＧＩＳ用部分放電センサ１３Ｂは、精度よく制御された静電容量により芯線２１および外皮導体２３とタンク４ａ、４ｂとが静電結合されているので、フランジ５ａ、５ｂ間に誘起される電界強度を検出する感度の機種間変動が小さくなる。
また、平面でフランジ５ａ、５ｂの外周端面と対向しているので、必ずしも第１の電極３５ｂおよび第２の電極３５ａと誘電体板３０ａ、３０ｂとが密着していなくても所定の静電容量が得られる。
【００２３】
なお、第１の電極３５ｂおよび第２の電極３５ａを空間的にフランジ５ａ、５ｂの外周端面２７から所定の間隔だけ離間することにより所定の静電容量が得られるので、誘電体板３０ａ、３０ｂを省略してもよい。このように誘電体板３０ａ、３０ｂを省略すると、例えば、可搬型の部分放電検出器に適用した場合、ＧＩＳ用部分放電センサ１３Ｂとフランジ５ａ、５ｂの外周端面２７との密着性に神経質になることなく容易に感度の良い部分放電検出が可能となる。
【００２４】
実施の形態３．
実施の形態３に係わるＧＩＳ用部分放電センサは、実施の形態１に係わるＧＩＳ用部分放電センサ１３をボルト７から離れたフランジ５ａ、５ｂの外周端面２７に対向するように配置した場合であり、ＧＩＳ用部分放電センサ１３自体は同様であるので同様な部分に同じ符号を付記して説明を省略する。
スペーサ３を挟持するフランジ５ａ、５ｂとボルト７は、スロットアンテナのように機能し、スペーサ３の外周端面上の電界強度は、１／２波長がボルトピッチの１／ｎ（ｎは正の整数）の電磁波の場合、ボルト７の部分が節を示し、ボルト７の間に幾つかの腹を示す。そこで、節であるボルト７上を避けて、中間にＧＩＳ用部分放電センサ１３を配置すると、感度良く検出することができる。例えば、ボルトピッチが検出する電磁波の１／２波長の場合、ボルト７の中間が最も電界強度が強いので、ＧＩＳ用部分放電センサ１３をその位置に配置することにより最も感度良く検出することができる。
なお、フランジ５ａ、５ｂとボルト７とから構成されているスロットアンテナのインピーダンスと同軸ケーブル２５の特性インピーダンスが一致していない場合にはＧＩＳ用部分放電センサ１３を配置する位置をシミュレーションにより最も感度が良いとして得られた位置から多少ずらした方が感度は高くなる場合がある。
このようにＧＩＳ用部分放電センサ１３を配置する位置としてボルト７上を避けることにより、部分放電を高感度で検出できる。
【００２５】
実施の形態４．
図９は、この発明の実施の形態４に係わるＧＩＳ用部分放電センサを金属容器に配置した様子を示した図である。
実施の形態４に係わるＧＩＳ用部分放電センサ１３Ｄは、実施の形態２に係わるＧＩＳ用部分放電センサ１３Ｂの同軸ケーブル２５の代わりにツイストペアケーブル３７が用いられていることが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態４に係わるツイストペアケーブル３７は、第１の電極３５ｂに接続される第１の電線としての第１の導体３８ａと第２の電極３５ａに接続される第２の電線としての第２の導体３８ｂとが撚られて構成されている。
【００２６】
このようなＧＩＳ用部分放電センサ１３Ｄは、実施の形態２に係わるＧＩＳ用部分放電センサ１３Ｂと同様に感度良く部分放電による電磁波を検出することができる。
また、ツイストペアケーブル３７は高周波伝送線としても優れているため、効率良く絶縁異常監視装置１６に直接信号伝送することもできる。
なお、ツイストペアケーブル３７の代わりに図１０に示すように、平衡フィーダ線３９を使用しても、同様に部分放電により電磁波を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の実施の形態１に係わるＧＩＳ用部分放電センサを金属容器に配置した様子を示した図である。
【図２】実施の形態１に係わるＧＩＳ用部分放電センサを上方から見た図である。
【図３】この発明に係わる絶縁異常監視システムの構成図である。
【図４】ダイポールアンテナと実施の形態１に係わるＧＩＳ用部分放電センサとによる時間の経過にともなって変化する検出された信号を示す。
【図５】図４に示す実施の形態１に係わるＧＩＳ用部分放電センサにより検出された信号の周波数スペクトルを示す。
【図６】図４に示すダイポールアンテナにより検出された信号の周波数スペクトルを示す。
【図７】この発明の実施の形態２に係わるＧＩＳ用部分放電センサを金属容器に配置した様子を示した図である。
【図８】実施の形態２に係わるＧＩＳ用部分放電センサを上方から見た図である。
【図９】この発明の実施の形態４に係わるＧＩＳ用部分放電センサを金属容器に配置した様子を示した図である。
【図１０】この発明の実施の形態４に係わる他のＧＩＳ用部分放電センサを上方から見た図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  ガス絶縁開閉装置（ＧＩＳ）、２  金属容器、３  スペーサ、４ａ、４ｂ  タンク、５ａ、５ｂ  フランジ、７  ボルト、８、１０  ボルト孔、９  （スペーサの）外周縁部、１１  ナット、１３、１３Ｂ、１３Ｄ  ＧＩＳ用部分放電センサ、１４  電気光変換器、１５  光ファイバケーブル、１６  絶縁異常監視装置、２０  同軸ケーブル、２１  芯線、２２  絶縁体、２３  外皮導体、２４  絶縁被覆、２５  同軸ケーブル、２７  （フランジの）外周端面、３０ａ、３０ｂ  誘電体板、３５ａ  外皮導体用電極、３５ｂ  芯線用電極、３７  ツイストペアケーブル、３８ａ、３８ｂ  導体、３９  平衡フィーダ線。
【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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