(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力ケーブルに交流電圧を印加して、この時に絶縁体を流れる電流中より前記交流電圧と同位相である損失電流を抽出し、この損失電流中に含まれる高調波電流の大きさ及びこの高調波電流の基本波電流に対する位相を求め、
予め、長さの異なる水トリーが発生する高調波電流の大きさ及び位相を求めておき、種々のパターンの水トリー発生状態を想定し、想定した水トリー発生状態において、
上記長さの異なる水トリーが発生する高調波電流の大きさ及び位相を用い、縦軸、横軸を上記高調波成分の大きさ及び位相とした直交平面上に、水トリーのうち長い水トリーを劣化診断で検出すべき水トリーとし、これより短い水トリーの数を変化させた場合の高調波成分の大きさと位相の組み合わせの軌跡を描き、この軌跡を劣化判定のしきい値とし、このしきい値と、前記測定により得られる値を比較することによって劣化を判定する
ことを特徴とする電力ケーブルの劣化判定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電力ケーブルの劣化判定方法において、測定対象のケーブル線路の線路長に応じて異なるパターンの水トリー発生状態を想定し、想定される各水トリー発生状態に対応する高調波成分の大きさ及び位相を導出し、
縦軸、横軸を上記高調波成分の大きさ及び位相とした直交平面上に、上記パターンをパラメータとして変化する高調波成分の大きさと位相の組み合わせの軌跡を描き、この軌跡を劣化判定のしきい値とし、このしきい値と、前記測定により得られる値を比較することによって劣化を判定する
ことを特徴とする電力ケーブルの劣化判定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力ケーブルの劣化診断における劣化判定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在最も一般的に用いられている電力ケーブルである架橋ポリエチレン絶縁ケーブル（以下、ケーブルと称す）には水トリー劣化と呼ばれる劣化形態が存在する。水トリーは電界と水分の作用により発生する絶縁体中の変質部分であり、これが時間とともに電界方向に成長する結果、ケーブルの絶縁性能が次第に低下していく。
したがって、これをそのまま放置すると最終的には運転中の絶縁破壊事故を引き起こし、電力需要者に多大な損害を与える結果となる。このため、ケーブルの絶縁破壊事故を未然に防止し、設備の計画的な更新指針を得ることを目的として、劣化診断技術が種々検討されている。
【０００３】
従来技術の一つとして、ケーブルに交流電圧を印加して、この時に絶縁体を流れる電流中より前記交流電圧と同位相である損失電流を抽出し、この損失電流中に含まれる高調波成分を用いてケーブルの劣化を診断する方法がある。
この方法で劣化信号として用いられる損失電流中の高調波成分は、水トリ一の非線形電気伝導特性に起因して発生するもので、その高調波成分の発生状況を評価することでケーブルの水トリー劣化の状態を診断することができる。
具体的には、ケーブル及びそれと並列に接続された無損失標準コンデンサに商用周波数の交流電圧を印加し、標準コンデンサに流れる電流を用いて、ケーブルに流れる電流中から印加電圧に対して９０°進み位相の成分（容量性電流）を除去して損失電流を抽出し、その中の第３高調波成分の発生状況を決定づける値である、高調波成分の大きさ（振幅）や基本波成分に対する位相差（位相）の値を既知のデータと比較することで劣化程度を評価するというものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に水トリーはケーブル絶縁体の長手方向ならびに径方向における任意の複数箇所で発生するものであり、それぞれの水トリーのサイズも、短いものから長く成長したものまで多種多様である。
一方でケーブルの絶縁性能を決定するのは絶縁体中に発生した水トリーの中でも最も有害性を示す長く成長した水トリーであるため、劣化診断にはこのような有害な水トリーの有無を精度良く検出できることが要求される。
前述の測定により得られる損失電流中の高調波成分は、個々の水トリーから発生する高調波成分の総和であるため、その中には小さい水トリーが発生する信号から長い水トリーが発生する信号まで全ての水トリーからの信号が含まれる。
【０００５】
損失電流中の高調波成分は水トリーの非線形な電気伝導特性に起因して発生するものであり、長い水トリーほどその非線形の程度が大きく、発生する高調波成分の大きさも大きいため、短い水トリーより長い水トリーの方が得られる高調波成分への寄与率は大きい。
したがって、測定により得られる高調波成分は大きな水トリーからの信号をより反映したものであるので、従来においては、これをもって劣化を診断していた。
しかしながら、水トリーの発生状況は例えば、(1) 短い水トリーも長い水トリーも少数しか発生していないものや、あるいは(2) 短い水トリーが多数存在するなかで長い水トリーが散発的に発生しているものなど、ＣＶケーブル線路の布設環境などにより千差万別である。
【０００６】
上記(1)(2)の例で、両者とも同じく有害な水トリーが存在していたとしても得られる高調波成分の状況は異なり、例えば前者(1) の場合には水トリーの総数が少ないので得られる高調波成分の大きさは小さく、短い水トリーの数が少ないので位相の値は長い水トリーの信号をより反映した値となる。
一方、後者(2) の場合には水トリーの総数が多いので得られる高調波成分の大きさは大きく、また位相の値は数の多い短い水トリーからの信号の影響を受けて前者(1) の値とは異なったものとなる。
このようにケーブルの絶縁性能を決定する長い水トリーが同じく存在する場合でも、水トリーの発生状況によっては得られる高調波成分の大きさ、位相といった劣化を評価する指標について異なった値が得られてしまうことになり、従来技術のようにそれらの値を既知のデータと比較することによって診断しようとすると誤った診断をしてしまう可能性がある。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、本発明の目的は、ケーブル線路の布設環境などにより生ずる様々な劣化状態にも対応できる判定基準を導出し、この判定基準により劣化程度を精度良く診断することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述のような誤診断の可能性を以下のようにして最大限小さくする。（１）電力ケーブルに交流電圧を印加して、この時に絶縁体を流れる電流中より前記交流電圧と同位相である損失電流を抽出し、この損失電流中に含まれる高調波電流の大きさ及びこの高調波電流の基本波電流に対する位相を求める。
また、判定する際に基本となる高調波電流の大きさ及び位相の組み合わせを少なくとも２種類以上設定し、これらを用いて想定される劣化状態に対応する高調波電流の大きさ及び位相の取り得る値を導出する。
例えば、短い水トリーが発生する高調波成分と長い水トリーが発生する高調波成分等のように、少なくとも長い水トリーを含む少なくとも２種類以上の長さの水トリーの高調波成分について高調波電流の大きさ及び位相の組み合わせを設定する。
そして、上記設定された高調波電流の大きさ及び位相の組み合わせを用いて、想定される劣化状態に対応する高調波電流の大きさ及び位相の取り得る値を導出し、この値をしきい値とし、このしきい値と測定により得られる値を比較することによって劣化を判定する。
（２）また、このうち１種類を固定し、他の値を変化させた場合の高調波電流の大きさ及び位相の取り得る値を導出し、この値をしきい値として、このしきい値と測定により得られる値を比較することによって劣化を判定する。
すなわち、上記と同様、少なくとも２種類以上の長さの水トリーの高調波成分について高調波電流の大きさ及び位相の組み合わせを設定する。
そして、長い水トリーの数をある値に設定して長い水トリーが発生する高調波電流の大きさ及び位相を固定し、他の長さの水トリーの数を変えて各劣化状態における高調波電流の大きさ及び位相を導出し、水トリー劣化パターンをパラメータとした高調波成分の大きさと位相の組み合わせの軌跡を描く。これを劣化判定のしきい値として、この値と測定により得られる値を比較することによって劣化を判定する。
（３）上記（１）（２）において、測定対象のケーブル線路の線路長に応じて異なる劣化状態を想定し、想定される各劣化状態に対応する高調波電流の大きさ及び位相の取り得る値を導出し、該導出された値をしきい値として、このしきい値と、前記測定により得られる値を比較することによって劣化を判定する。
すなわち、一般に、長距離線路の方が、短距離線路の場合より線路長に対する水トリーの発生数が少ない。そこで、測定対象のケーブル線路の線路長に応じて異なる劣化状態を想定し、上記劣化判定のしきい値を測定対象線路の距離に応じて導出し、この導出された値をしきい値として、このしきい値と、前記測定により得られる値を比較することによって劣化を判定する。
【０００８】
具体的には、まず、短い水トリーが発生する高調波成分、長い水トリーが発生する高調波成分、さらに必要に応じてその中間に位置する水トリーが発生する高調波成分を考え、それぞれの大きさおよび位相を設定する。
なお、上記長い水トリー、短い水トリー等の長さの異なる水トリーが発生する高調波電流の大きさ及び位相は、実験等により求めることができ、ここでは事前に分かっているとする。
次いで、現実的なあらゆるパターンの水トリー発生状態を想定し、想定した水トリー発生状態において測定される高調波成分の大きさ及び位相を算出する。
この算出にあたっては、設定する複数の水トリーに対する損失電流中の高調波成分はそれぞれ交流の信号であるため、単純に大きさの和と位相の和を計算するのではなく、まずそれらをベクトルと考え、その合成信号としてベクトル和を得て、その合成信号の大きさと位相を導出する必要がある。
【０００９】
例えば、水トリーが、短い水トリーと長い水トリーの２種類であるとし、短い水トリーが発生する高調波電流の大きさ及び位相が図２（ａ）のベクトルで表され、また、長い水トリーが発生する高調波電流の大きさ及び位相が図２（ｂ）のベクトルで表されるとする。
ここで、短い水トリーの数が３本あるとすると、３本の短い水トリーが発生する高調波電流及び位相は図２（ｃ）のベクトルで表される。
また、長い水トリーの数が１本であるとすると、長い水トリーが発生する高調波電流の大きさ及び位相は図２（ｂ）のベクトルで表されるから、その合成信号は図２（ｄ）のベクトルで表されることとなる。
【００１０】
ところで、上記のようにして算出される高調波電流の大きさ及び位相は想定した水トリー劣化パターンをパラメーターとして変化するものであり、例えば横軸を高調波成分の位相、縦軸を高調波成分の大きさとした直交平面を考えると、その平面上には水トリー劣化パターンをパラメータとして変化する高調波成分の大きさと位相の組み合わせの軌跡が描かれる。
ここで設定する水トリーのうち長い水トリーを劣化診断で検出すべき水トリー、すなわち絶縁性能に有害な水トリーとし、これより短い水トリーの数を変化させた場合に描かれる軌跡は、有害水トリーを含んだ水トリー発生状況で現実的に考えられるあらゆるパターンに対応した劣化判定のしきい値（判定ライン）となる。
【００１１】
すなわち図３に示すように水トリーの発生状況を考え、水トリーの長さと発生密度の関係を図中の(1) から(6) まで変化させた場合に対応する高調波成分の大きさと位相の値は図３に示された平面上の軌跡として得られる。
実際の測定において測定された損失電流中の高調波成分の大きさ及び位相を前記直交平面上に打点し、描かれた軌跡と比較することで有害な水トリーの有無を判別することができる。
具体的には図４に示したように、横軸を高調波成分の位相、縦軸を高調波成分の大きさとした直交平面に描かれた軌跡の左側の領域は有害水トリーがない場合にしか取り得ない領域であるので、測定結果の打点位置がこの軌跡の左側にある場合は良判定となり、右側にある場合には不良判定として診断できる。
【００１２】
ところで、測定対象線路の距離が長くなるほど、その線路中には水トリー劣化の発生しにくい環境に布設された部分が存在する確率や使用年数が浅く水トリー劣化がそれほど進行していない部分が含まれる確率が大きくなる。
このような場合、長距離線路の場合には短距離線路の場合に比べて線路長に対する水トリーの発生数が少ないことになるので、短距離線路の場合と同じ判定ラインを用いると、検出すべき有害水トリーの存在を見落とす診断を行う恐れがある。したがって、算出すべき判定ラインは測定対象線路の距離に応じて導出する必要がある。
すなわち、図５に示すように、長距離線路の場合には長い水トリーの発生密度を短距離線路の場合よりも少なく設定して判定ラインを導出することで、より適切な診断が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、具体的な実施例を用いて本発明の効果を説明する。
各種６６ｋＶＣＶケーブル線路において劣化診断測定を行った後に現地より線路を撤去して交流破壊試験を実施することで、診断測定データと破壊性能のデータを取得した。
測定及び破壊試験に供試した６６ｋＶＣＶケーブル線路の長さは短いものでは７０ｍの短距離線路から長いものでは４ｋｍの長距離線路にいたるものである。測定においては、試験電圧として１８ｋＶの商用周波（５０Ｈｚ）交流電圧を用い、図１に示すように、商用周波交流電圧１ａを変圧器１ｂを介してケーブル線路２及び無損失標準コンデンサ３に印加し、両者に流れる電流を用いて損失電流測定ブリッジ４で試験電圧より９０°進み位相の容量性電流の平衡をとり、ケーブル２の損失電流を抽出した。
得られた損失電流の波形をデジタルオシロスコープ５で離散数値データとして取り込み、これをコンピュータ６にてＦＦＴ解析することで、損失電流中に含まれるを第３高調波成分（１５０Ｈｚ）の大きさと位相（基本波成分に対する位相差）の値を得た。
【００１４】
また、線路の破壊電圧の求め方は、測定後の線路を現地より撤去して、工場内にてこれに破壊試験要端末を施工した後に破壊試験用変圧器を用いて４０ｋＶ／１０分を開始電圧とし、５ｋＶ／１０分ステップで段階的に電圧を昇圧して線路の絶縁破壊電圧を求めた。
ただし、長距離線路の場合には線路全長を一度に破壊試験に供試できないので、線路全長をいくつかに分割して、それぞれについて破壊電圧を求め、そのうち最も低い値をその線路の破壊電圧とした。
このようにして得られたデータを用いて従来方法及び本発明による方法にて劣化判定を行い、本発明の効果を確認した。
【００１５】
従来方法は測定対象線路の距離によらず、測定された高調波成分の大きさあるいは位相の値を比較して劣化程度を判定するものである。
図６および図７はそれぞれ測定された高調波成分の大きさ及び位相の値と破壊電圧の関係を示したものである。
両図ともデータのばらつきが大きく、劣化を判定するには不十分であることがわかる。例えば、破壊電圧１００ｋＶをしきい値として劣化判定を行おうとしても、まだ十分破壊性能を有した線路まで劣化ありとして診断してしまうことになる。
このように高調波成分の大きさあるいは位相と破壊電圧の関係のデータが相関の良い傾向を示さないのは、測定対象の線路ごとに水トリー発生状況がさまざまであることに起因している。すなわち、高調波成分の大きさまたは位相それぞれの値単独では、ケーブルの破壊性能を決定づける有害水トリ一からの情報がうまく反映されないことを示している。
【００１６】
これと同じデータを本発明にしたがって整理したものが図８、図９、図１０である。
ここでは、測定対象線路の長さに応じて、１００ｍ以下、１００ｍ以上１ｋｍ以下、１ｋｍ以上５ｋｍ以下の３種類の線路長でデータ分類した。
図中の曲線は本発明にしたがって、長い水トリー、短い水トリー、及びその中間の長さの水トリーが発生する高調波成分の大きさと位相の値をそれぞれ設定し、長い水トリーの想定発生数を固定して、短い水トリーと中間の長さの水トリーの想定発生数を水トリーの発生密度分布（Ｎ−Ｌ分布）が右下がりの直線となるように変化させた場合において導出された合成信号の高調波成分の大きさと位相の値の軌跡である。また、線路長が長くなるにしたがって長い水トリーの長さあたりの発生数は少なく設定している。
【００１７】
図８、図９、図１０には破壊電圧が１００ｋＶを下回るデータを黒塗りの打点で示しているが、図を見て明らかなように、どの場合も黒塗りの打点は図中の判定ライン曲線の右側に位置しており、それ以外のものは判定ライン曲線の左側に位置している。すなわち、本発明による劣化判定方法によれば、線路ごとに水トリーの発生状況が異なっていても、それを考慮に入れた判定基準を設定することができ、精度良く劣化の程度を診断できる。
なお、ここでは判定の基本となる高調波成分の大きさと位相の組み合わせとして長さの異なる３種類の水トリーを想定したが、これは２種類以上であれば、同様に平面上に判定ラインを引くことができる。ただし、多くの種類の水トリーを想定した方がより現実に近づくため、判定ラインの精度は向上する。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、損失電流中に含まれる高調波成分を用いて電力ケーブルの劣化を診断する方法において、判定する際に基本となる高調波電流の大きさ及び位相の組み合わせを少なくとも２種類以上設定して、これらを用いて想定される劣化状態に対応する高調波電流の大きさ及び位相の取り得る値を導出し、この値と測定により得られる値を比較することによって劣化を判定するようにしたので、従来方法では精度良く診断できなかったものが、精度良く劣化程度を診断できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における測定回路の構成を示す図である。
【図２】想定した水トリー発生状態における高調波成分の大きさ及び位相の算出方法を説明する図である。
【図３】本発明で想定する水トリー発生状況を示す図である。
【図４】図３のごとく水トリーの発生状況が変化した際の合成高調波成分の大きさと位相の軌跡を示す図である。
【図５】異なる線路長で想定する水トリー発生状況とその際の合成高調波成分の大きさと位相の軌跡を示す図である。
【図６】従来方法における高調波成分の大きさと破壊電圧の関係を示すデータ例である。
【図７】従来方法における高調波成分の位相と破壊電圧の関係を示すデータ例である。
【図８】本発明による判定方法を示すデータ例（線路長１００ｍ以下）を示す図である。
【図９】本発明による判定方法を示すデータ例（線路長１００ｍ以上１ｋｍ以下）を示す図である。
【図１０】  本発明による判定方法を示すデータ例（線路長１ｋｍ以上５ｋｍ以下）を示す図である。
【符号の説明】
１ａ  商用周波交流電圧
１ｂ  変圧器
２    ケーブル線路
３    無損失標準コンデンサ
４    損失電流測定ブリッジ
５    デジタルオシロスコープ
６    コンピュータ
【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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