(57)【要約】【課題】大規模な専用の試験電源等からなる試験設備が不要で、定格電圧以上の可変電圧を印加することができる欠陥検出精度が高い電力設備の耐電圧試験方法を提供する。【解決手段】試験用変圧器２１の一次側巻線に信号発生器２３を接続し、二次側巻線にケーブルサンプル２４を接続した課電試験回路において、信号発生器２３からの入力信号の周波数を定格周波数より高くして、一次側巻線の入力電圧及び二次側巻線の出力電圧を定格電圧以上に上昇させる。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電力機器からなる電力系統設備全体の健全性を確認する手段として、その電気機器自体を構成する変圧器を使用する電力設備の耐電圧試験方法において、鉄心に一次側巻線と二次側巻線を巻き付けて形成された変圧器の一次側巻線に、当該変圧器の定格よりも高い周波数の信号を入力させることにより一次側電圧を定格値よりも高め、これより得られた定格よりも高い二次側電圧を電力機器に印加して耐電圧試験を行うことを特徴とする電力設備の耐電圧試験方法。
【請求項２】
前記定格よりも高い周波数は、定格周波数の１．１〜２．０倍であることを特徴とする請求項１記載の電力設備の耐電圧試験方法。
【請求項３】
前記定格よりも高い二次側電圧は、定格出力電圧の１．１〜２．０倍であることを特徴とする請求項１記載の電力設備の耐電圧試験方法。
【請求項４】
前記変圧器に供試試料を接続すると共に、力率改善用のリアクトルを接続し、前記供試試料の静電容量と前記リアクトルのインダクタンスによって定まる共振周波数の信号を変圧器の一次側巻線に入力することを特徴とする請求項１記載の電力設備の耐電圧試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケーブル線路の品質確認のために現地試験として好適に採用することができる電力系統設備を用いた電力設備の耐電圧試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
架橋ポリエチレンケーブル(ＣＶケーブル)は、架橋ポリエチレンを絶縁体としたことにより、ポリエチレンの欠点であった耐熱性を大幅に改善したものであり、優れた電気特性を有することから今では５００ｋＶ系統までの電力ケーブルに採用されている。
【０００３】
このＣＶケーブル本体及びその接続部品は工場において各種の性能試験を実施された後、現地で布設、組立てられ、ＣＶケーブル線路が完成される。この完成された線路を含む電力設備を実線路として稼動運用させることができるかを最終的に確認する作業が竣工試験（現地試験）である。
【０００４】
現地試験は、現地におけるＣＶケーブル、接続部の欠陥検出を主眼とし、特に実運転中の破壊欠陥を未然に検出し、電力系統設備全体の健全性を確認することを目的として行われている。
【０００５】
ＣＶケーブル線路での初期破壊欠陥の主な原因として、異物、外傷によるボイド、絶縁体内のボイド、突起、面圧不足等が挙げられる。これらの欠陥は、現地でのケーブル布設、接続部組立て工程等が加わることにより発生するものである。従って、現地試験によりこれらの欠陥が発生していないことを確認する必要があった。
【０００６】
これらの欠陥を検出する手段として、従来よりＣＶケーブル線路に電圧を印加（課電）して絶縁破壊しない事を確認する耐電圧試験方法が行われている。耐電圧試験方法としては、主として以下の４つが挙げられる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
第１には、「直流耐電圧試験方法」がある。この方法は、直流発生器を供試試料に接続して課電するもので、従来より最も頻繁に行われている試験方法である。ここで、供試試料（試料）とは、変圧器、開閉器、ケーブル線路、発電機、ＧＩＳ（ガス絶縁開閉装置）などの電力設備を構成する電気機器をいう。
【０００８】
第２には、「課電用装置による交流課電試験方法」がある。この方法は、試験用変圧器、リアクトル等の課電用装置を試料端に設置して、その試料に交流を課電する方法である。かかる交流課電試験の場合は、課電電圧操作が容易にできるため、部分放電試験を併用した試験で主に使用される。交流電圧による部分放電測定では欠陥に対し破壊電圧レベル以下で部分放電が発生する。このため、交流耐電圧試験時に部分放電試験を併用すれば、絶縁破壊する前の低い電圧で異常を検知できる可能性が高い。従って、耐電圧試験時に部分放電試験を併用することにより欠陥検出精度を向上させることが期待できる。
【０００９】
第３には、「電力系統設備を用いた試充電試験方法」がある。この方法は、実運用設備である電力系統設備をそのまま用いて、商用運転と同じ周波数・電圧を印加する方法である。数年前に電気設備基準が改正され、商用運転の周波数と電圧を同じくして印加できる方法に変更になったのに伴い、採用されるようになった。試験設備が不要、かつ容易に試験が実施できるため、最近の主流となりつつある。
【００１０】
第４には、「電力系統設備と課電用装置を組合せた課電試験方法」がある。この方法は、第２の方法と第３の方法とを組み合わせたものであるが、ケーブル線路と実運用設備の電力系統設備である分路リアクトルとを並列に配して、共振方式で試験するものである。この課電試験では、ケーブル線路の充電容量を、実運用設備の電力系統設備の分路リアクトルを用いてインピーダンス補償するものであり、商用周波数を用いて実施される。
【非特許文献１】電気協同研究第５１巻第１号「ＣＶケーブルおよび接続部の高電圧試験法」（pp１２７−１３３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
第１の「直流耐電圧試験方法」による欠陥検出法では、その電圧が高ければ検出精度が向上することが知られている（非特許文献１参照）。しかしながら、検出精度の高い直流耐電圧試験を行うには、交流よりもかなり高い試験電圧を必要とするため、「試料の寿命への影響」や、「試料に接続された電力機器が破壊しないよう切離し」を考慮する必要があった。また、欠陥の種類によっては検出精度が低いという欠点がある。
【００１２】
一方、交流電圧を印加する第２の「課電用装置による交流課電試験方法」による欠陥検出法では、実運用設備の他に試験用変圧器、リアクトル等からなる試験設備を準備・組立てする必要があり、購入費用や準備期間が発生することなる。更に、最近の高電圧化・ケーブル線路の長尺化により、試験設備が大型化してきており、長期の準備期間、購入費用が莫大になるという欠点がある。
【００１３】
また、第３の「電力系統設備を用いた試充電試験方法」による欠陥検出法では、実運用設備の電力系統設備を直接接続して使用するため、設備の変更は実質不可能であり、商用周波数または電圧等の変更が出来ないという問題がある。また、万一、ケーブル線路の試料が破壊したときにはその実線路の系統電圧の低下を招き、停電を起こす危険性がある。
【００１４】
第４の「電力系統設備と課電用装置を組合せた課電試験方法」による欠陥検出法では、上記の第２と第３の方法の欠点が補えるものの、依然として少なからず同様の問題が残る。
【００１５】
ところで、交流による耐電圧試験の場合も、試験電圧を上げれば欠陥検出精度が向上することが知られている（非特許文献１参照）。このため、交流電圧を用いる第２〜第４の方法において、例えば、変圧器により定格電圧以上の出力電圧を発生させて欠陥検出精度を上げるためには、変圧器の一次側巻線に定格電圧以上の電圧を印加しなければならない。しかしながら、変圧器の一次側巻線に、定格周波数において定格電圧以上の電圧を入力すると、それに相当する過大な巻線電流が流れてしまい、この過大な巻線電流は変圧器鉄心自体に磁気飽和を起こさせることから定格電圧以上の出力電圧が得られなかった。従って、この方法では、商用周波数による定格電圧以上の出力電圧を得ることは極めて困難であり、実際に、商用の変圧器を用いた試験では、試験電圧がせいぜい１．１倍程度のものであった。このため、商用運転電圧以上の電圧を得るためには、大規模な専用の試験電源セットを準備する必要があった。
【００１６】
従って、本発明の目的は、大規模な専用の試験設備を必要とすることなく、定格電圧以上の電圧を印加することができる欠陥検出精度が高い電力設備の耐電圧試験方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者らは、上記目的を達成すべく、入力信号の周波数を定格周波数以上に高めることにより、変圧器の一次側巻線のインピーダンスを上昇させ、一次側巻線に流れる電流を制限させることにより、変圧器鉄心自体の磁気飽和を抑制できることから、一次側の入力電圧を定格以上に上昇させることができ、出力電圧が高められ欠陥検出精度を向上することができることを見出し、本発明を完成させた。
【００１８】
即ち、本発明の電力設備の耐電圧試験方法は、複数の電力機器からなる電力系統設備全体の健全性を確認する手段として、その電気機器自体を構成する変圧器を使用する電力設備の耐電圧試験方法において、鉄心に一次側巻線と二次側巻線を巻き付けて形成された変圧器の一次側巻線に、当該変圧器の定格よりも高い周波数の信号を入力させることにより一次側電圧を定格値よりも高め、これより得られた定格よりも高い二次側電圧を電力機器に印加して耐電圧試験を行うことを特徴とする。
【００１９】
前記定格よりも高い周波数は、定格周波数の１．１〜２．０倍とすることができる。
【００２０】
前記定格よりも高い二次側電圧は、定格出力電圧の１．１〜２．０倍とすることができる。
【００２１】
前記変圧器に供試試料を接続すると共に、力率改善用のリアクトルを接続し、前記供試試料の静電容量と前記リアクトルのインダクタンスによって定まる共振周波数の信号を変圧器の一次側巻線に入力することもできる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る電力系統設備を用いた電力設備の耐電圧試験方法によれば、定格電圧以上の可変電圧を電力設備に印加することができるようになるため、電力設備の欠陥検出を高精度で行うことが可能となる。また、実運用の電力系統設備を用いることができるため、高電圧印加のための大規模な専用の試験設備が不要となり、コストを削減でき、安価な耐電圧試験方法を提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本発明に係る電力設備の耐電圧試験方法の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２４】
図１に、本発明の一実施形態として構成される基礎実験回路の概略図を示す。この基礎実験回路では、変圧器１１として、鉄心に一次側巻線（一次巻数Ｎ１）及び二次側巻線（二次巻数Ｎ２）を形成したもので、定格周波数が５０Ｈｚ、一次側定格電圧１５Ｖ、二次側定格電圧１００Ｖのものを用いている。変圧器１１の一次側巻線には、可変電圧及び可変周波数を入力できる信号発生器１３が接続されている。また、オシロスコープ１５が変圧器１１の一次側巻線及び二次側巻線に接続され、信号発生器１３により一次側巻線で発生する入力電圧Ｖ１、周波数ｆ及び、変圧器の二次側巻線で発生する出力電圧Ｖ２を測定できる。
【００２５】
この基礎実験回路では、信号発生器１３から所定の入力電圧Ｖ１及び周波数ｆの信号が変圧器１１の一次側巻線に入力されると、まず一次側巻線に電流が流れる。一次側巻線に電流が流れると、一次側巻線の周囲に磁界が発生し、これにより二次側巻線に出力電圧Ｖ２が発生する。二次側巻線に発生する出力電圧Ｖ２と、一次側巻線で発生する入力電圧Ｖ１との関係は、下式のように、各々の巻数Ｎ１、Ｎ２の比（Ｎ２／Ｎ１＞１）によって定まる。
Ｖ２＝Ｖ１・（Ｎ２／Ｎ１）
【００２６】
本基礎実験回路において、信号発生器１３から電圧Ｖ１、周波数ｆ１の入力信号を入力した時の変圧器の一次側巻線のインピーダンスをＸ１とすると、Ｘ１＝ωＬ＝２πｆ１Ｌ（Ω）［ω：角速度（ｒａｄ／ｓ），Ｌ：インダクタンス（Ｈ）］の関係より、インピーダンスは周波数に比例する。このため、信号発生器１３からの入力信号の周波数を定格周波数より高くすることにより、変圧器１１の一次側巻線のインピーダンスを上昇させて、一次側巻線に流れる電流を制限させることができる。これより、変圧器１１の鉄心が磁気飽和することがないので、一次側巻線の入力電圧Ｖ１を定格電圧以上に上昇させることができるから、上式の巻数と電圧との関係により、二次側巻線に定格電圧以上の出力電圧Ｖ２を発生させることが可能である。
【００２７】
本基礎実験回路においては、変圧器１１の一次側巻線に入力される周波数ｆの下限値は、変圧器の定格周波数と同じとする。これは、上記のインピーダンスと周波数との関係式より、インピーダンスは周波数に比例するため、低周波信号を入力した場合、変圧器の一次側巻線のインピーダンスが周波数に比例して低くなり、それに相当する過大電流が流れてしまい、定格電圧よりも低い電圧であるにもかかわらず、鉄心が磁気飽和してしまうためである。いずれにせよ試料の欠陥検出精度を向上させるためには、入力する信号の周波数の下限値を定格周波数の１．１倍とすることが好ましい。
【００２８】
また、入力信号の周波数の上限値は定格周波数の１０倍、好ましくは、４．０倍、最も好ましくは２．０倍とする。これは、かかる上限値を超えると、変圧器１１の一次側巻線と並列接続されることになる試料の浮遊静電容量が無視できなくなり、一次側巻線が純粋なリアクトルと考えられなくなるため、周波数を高くしても巻線のインピーダンスの上昇が期待できなくなるからである。
【００２９】
更に、コンデンサ負荷となる供試試料（試験線路）を高い周波数ｆ３で課電する場合、供試試料に流れる充電電流ＩＣは下式のように、周波数ｆ３に比例して大きくなる。このため課電周波数が高くなるほど、変圧器１１の一次側に並列挿入される補償リアクトルの容量を大きくして、インピーダンスを増加させる必要があり、経済的負担となる。このため、課電周波数の上限値は、定格の２倍程度（図１の基礎実験回路では１００Ｈｚ）が最適と考えられる。
ＩＣ＝Ｖ２／Ｘ３＝Ｖ２／（１／（２πｆ３Ｃ））＝Ｖ２・２πｆ３Ｃ
【００３０】
出力電圧Ｖ２は、下式のように周波数ｆ２に比例するものの、出力電圧Ｖ２の制限値は実際的には変圧器１１の２次側の耐電圧値で定まることになる。このため、上限値を定格出力の２．０倍とすることが好ましい。
Ｖ２＝Ｉ２・Ｘ２＝Ｉ２・２πｆ２Ｌ［Ｘ２：変圧器の二次側巻線のインピーダンス成分（Ω），Ｌ：インダクタンス（Ｈ）］
【００３１】
図２に、図１の基礎実験回路を用いて、信号発生器１３の周波数を３０Ｈｚ〜１００Ｈｚとした場合の、変圧器１１の入力・出力電圧特性を示す。この図によれば、例えば信号発生器１３より５０Ｈｚの商用周波数を発生させた場合は、入力電圧Ｖ１が約２０Ｖ以上で出力電圧Ｖ２が約１５０Ｖ以上になると、入力・出力の関係が比例関係から徐々に外れていくようになることが分かる。また、７０Ｈｚの周波数を発生させた場合は、入力電圧Ｖ１が約４０Ｖで出力電圧Ｖ２が約２７０Ｖになるまで、１００Ｈｚの周波数を発生させた場合は、入力電圧Ｖ１が約５０Ｖで出力電圧Ｖ２が約３５０Ｖになっても、入力・出力の関係で比例関係が維持されていることが分かる。
【００３２】
図３に、商用周波数５０Ｈｚを用いて比例関係から外れた時（入力電圧Ｖ１＝２４Ｖ、出力電圧Ｖ２＝１７０Ｖ）の入出力電圧波形を示す。この図によれば、入力信号波形に対して、出力信号波形は歪んでいる事がわかる。これは変圧器１１の鉄心の磁気飽和による影響を受けたためである。この磁気飽和する電圧は、図２により、周波数に比例しており、低い周波数を入力した場合は飽和電圧も低下し、周波数が高くなると飽和電圧も上昇することが明らかである。
【００３３】
図４は、変圧器１１の入力電圧Ｖ１を一定とし、周波数ｆを変化させたときの出力電圧Ｖ２の関係を示したものである。この結果より、入力電圧が１５Ｖ以上の場合は、定格（５０Ｈｚ）よりも高い周波数の信号を入力すれば、定格電圧（この場合１００Ｖ）以上の電圧を発生させることが確かめられた。
【００３４】
次に、図５に示すように、商用周波数が５０Ｈｚ、一次側電圧２００Ｖ、二次側電圧１００ｋＶの試験用変圧器２１を用い、その一次側巻線に信号発生器２３を接続し、二次側巻線にコンデンサとしての機能を持っているケーブルサンプル２４を接続して課電試験回路を構築した。また、試験用変圧器２１の一次側巻線と信号発生器２３との間には補償用リアクトル２２を並列に挿入した。補償用リアクトル２２により力率を改善させる事により信号発生器２３からの出力電流を抑えることができる。更に、試験用変圧器２１の二次側巻線とケーブルサンプル２４との間には分圧器２６を並列に挿入し、信号発生器２３に接続されたコントローラ２５と接続している。
【００３５】
図６は、この回路において信号発生器２３の周波数を３０Ｈｚ，５０Ｈｚ，１００Ｈｚとして、試験用変圧器２１の入力電圧を変化させ、その時の出力電圧及び入力電流を記録した結果を示すものである。３０Ｈｚの低周波信号を入力した場合、定格出力電圧（１００ｋＶ）よりも低い電圧(約６０ｋＶ)で鉄心の磁気飽和が生じた。これに対して、定格周波数の２倍の周波数にあたる１００Ｈｚを入力した場合、１２５ｋＶ（定格電圧の１２５％）の電圧まで、磁気飽和せずに動作することが確認できた。今回の実験では試験用変圧器２１の二次側における耐電圧値の都合上、これ以上の昇圧は行わなかった。
【００３６】
以上、説明したように、図１に説明した基礎実験回路、図５に説明した課電試験回路を用いて、信号発生器からの入力信号の周波数を定格周波数より高くすることにより、変圧器の一次側巻線のインピーダンスを上昇させて、一次側巻線に流れる電流を制限させることができる。これより、変圧器の鉄心が磁気飽和することがないので、一次側巻線の入力電圧Ｖ１を定格電圧以上に上昇させることが可能となり、二次側巻線に定格電圧以上の出力電圧Ｖ２を発生させることができる。このため、具体的に、以下の効果を奏することができる。
（１）実運用の電力機器である変圧器を用いても従来法よりも高い課電電圧を容易に得ることができ、安価な高電圧試験設備を提供できる。
（２）入力電流を低く抑えることができるので、鉄心及び巻線の発熱量が抑えられ、長時間にわたり高電圧を発生させることができる。
（３）高電圧を印加できることにより、電力設備の欠陥検出精度を向上させることができる。
（４）課電周波数を高めることにより、絶縁材料の加速劣化を促進できるので、課電試験時間の短縮化が図れる。
（５）従来は、部分放電試験を併用する場合、架空配電線などから商用電源に同期したノイズ（気中コロナ）などが測定系に侵入し、部分放電信号として誤判断する可能性があったが、本方法による課電を行った場合、商用周波と課電周波が非同期になるため、課電周波に同期した信号と、ケーブル線路などの試料周辺からの商用周波に同期したノイズとの判別が容易にできるため、判別精度が飛躍的に向上する。
（６）本方法による課電方法と、ケーブル線路の損失電流測定を組合せた場合、高周波課電のため、劣化ケーブルから顕著に検出される高調波成分もまた、課電周波数に比例して高くなる。ケーブル健全層(コンデンサ)部のインピーダンスは周波数に反比例するため、課電周波数が高くなるにつれて、電流が大きくなる。このため従来法よりも高感度に損失電流が測定できることになる。
【００３７】
なお、本発明の他の実施形態として、図５の課電試験回路におけるコンデンサとしての機能を持っているケーブルサンプル２４の静電容量Ｃとし、補償用リアクトル２２のインダクタンスＬとした場合、静電容量ＣとインダクタンスＬによって定まる共振周波数ｆ０を入力信号として試験用変圧器２１の一次側巻線に入力することができる。この場合の共振周波数ｆ０は、ｆ０＝１／（２π√ＬＣ）［Ｈｚ］となる。この共振周波数ｆ０を用いることにより、供試試料のインピーダンスを最大値にすることができ、電流Ｉを最小限とすることができる。このため、試験用変圧器２１の鉄心が磁気飽和しにくくなり、信号発生器２３を小型化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態として構成される基礎実験回路の概略図である。
【図２】図１の基礎実験回路を用いて、信号発生器の周波数を３０Ｈｚ〜１００Ｈｚとした場合の、変圧器の入力・出力電圧特性を示すグラフである。
【図３】商用周波数５０Ｈｚ、入力電圧２４Ｖ、出力電圧１７０Ｖの時の入出力電圧波形を示す概略図である。
【図４】図１の基礎実験回路を用いて、変圧器の入力電圧を一定とし、周波数を変化させたときの出力電圧の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態として構成される課電試験回路の概略図である。
【図６】図５の課電試験回路を用いて、信号発生器の周波数を３０Ｈｚ，５０Ｈｚ，１００Ｈｚとした場合の、変圧器の入力・出力電圧特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１１  変圧器
１３  信号発生器
１５  オシロスコープ
２１  試験用変圧器
２２  補償用リアクトル
２３  信号発生器
２４  ケーブルサンプル
２５  コントローラ
２６  分圧器
【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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