JP2013142673A - 部分放電測定装置、部分放電測定方法、および部分放電測定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】部分放電測定装置の試験電源に関して、低ノイズ化し、かつ消費電力を低減する。
【解決手段】パーソナルコンピュータ２００からの制御に応じて、時間の遷移と伴に上昇または降下する交流電圧が電圧コントロール回路１０３から出力され、Ｄ級アンプである増幅器１０４によって増幅され、第１のトランス１０６によって最高実効電圧が商用電源電圧になる昇圧比で昇圧され、第２のトランス１０７によって例えば５ｋＶの測定用交流電圧に昇圧される。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁体に高電圧を印加した際に発生す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。

電気機器、電子部品や、電力ケーブルなどの絶縁体中のボイドや傷、電界の異常集中部などの欠陥で発生した微弱な放電である部分放電は、その絶縁体の劣化を早め、絶縁破壊を引き起こす要因となる。そこで、これらの電気機器等の製造不良や故障を防止するために部分放電測定装置が用いられている。特に近年は、高圧機器に限らず、例えば、家庭用電化製品に使用される低圧モータなどの低圧製品の検査や、太陽電池の背面に設けられるバックシートの絶縁性能試験などにおいても、部分放電測定の重要性が高くなっている。

上記部分放電測定装置としては、例えば、供試体に８００Ｖ〜１１００Ｖの交流電圧を印加したときの放電電荷の増大によってモータの巻線不良を判別する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、発振器が生成した正弦波電圧をアンプで増幅し、変圧器で昇圧した交流電圧を供試体に印加するとともに、上記発振器が生成する正弦波電圧の振幅を電圧制御プログラムによって制御する装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。この装置では、印加電圧の上昇速度を一定に制御することによって、得られるデータの信頼性向上を図っている。

特開平３−２４６４７２号公報 特開２０１１−９９７７５号公報

しかしながら、上記のように発振器が生成した正弦波電圧をアンプで増幅し、変圧器で昇圧する場合、アンプで大きな電力が消費されるという問題点を有していた。この問題点は、アンプの増幅度を大きくするほど、顕著になる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、部分放電測定装置において、測定用交流電圧の電圧値やその変化パターンを柔軟かつ容易に設定できるようにしつつ、消費電力を容易に低減できるようにすることにある。

第１の発明は、
供試体に測定用交流電圧を印加する電源回路と、
上記測定用交流電圧を印加した状態で供試体に発生する部分放電を測定する測定部と、
を備えた部分放電測定装置であって、
上記電源回路は、
電圧指示データに応じた電圧値の交流電圧を発生する発振回路と、
上記交流電圧がパルス幅変調されたパルス幅変調信号を増幅し、ローパスフィルタを介して出力する増幅器と、
上記増幅器の出力を昇圧して測定用交流電圧を出力するトランスと、
を有することを特徴とする。

これにより、電圧指示データによって電圧値を指定することによって、測定用交流電圧の電圧値やその変化パターンを柔軟かつ容易に設定できる。しかも、パルス幅変調信号によって、トランスで昇圧する元となる交流電圧が生成されるので、増幅度を大きくしても消費電力を大幅に低減することができる。

第２の発明は、
第１の発明の部分放電測定装置であって、
上記増幅器は、所定の電圧に制御された交流電圧をパルス幅変調する変調回路と、
パルス幅変調信号を増幅するスイッチング素子と、
を有することを特徴とする。

これにより、上記のような増幅器を容易に構成することができる。

第３の発明は、
第１の発明および第２の発明のうち何れか１つの部分放電測定装置であって、
上記パルス幅変調の搬送波周波数が、上記測定部における測定帯域と異なる周波数に設定されていることを特徴とする。

第４の発明は、
第３の発明の部分放電測定装置であって、
上記測定部における測定帯域が、１５ｋＨｚ以上、１５０ｋＨｚ以下の範囲内であり、上記パルス幅変調の搬送波周波数が、４００ｋＨｚに設定されていることを特徴とする。

これらにより、ノイズ等が測定精度に及ぼす影響を小さく押さえることが容易にできる。

また、第５の発明は、
第１の発明から第４の発明のうち何れか１つの部分放電測定装置であって、
上記トランスは、
上記増幅器の出力を昇圧して最高実効電圧が商用電源電圧の交流電圧を出力する第１のトランスと、
上記第１のトランスの出力を昇圧して測定用交流電圧を出力する第２のトランスと、
を有することを特徴とする。

これにより、測定用交流電圧への昇圧が２つのトランスによって行われるので、それぞれのトランスの昇圧比を小さく設定することができる。また、第２のトランスとして、商用電源電圧を測定用交流電圧に昇圧し得るものを用いることができるので、汎用のトランスなどを適用することが容易にできる。

第６の発明は、
第１の発明から第５の発明のうち何れか１つの部分放電測定装置であって、さらに、
上記測定用交流電圧の変化パターンを設定する設定部を備えたことを特徴とする。

第７の発明は、
第６の発明の部分放電測定装置であって、
上記設定部は、電圧の変化ステップごとに、変化後電圧、変化後電圧への到達時間、および変化後電圧の保持時間を指定し得るように構成されていることを特徴とする。

第８の発明は、
第７の発明の部分放電測定装置であって、
上記設定部は、さらに、各ステップを行うかスキップするかを指定し得るように構成されていることを特徴とする。

これらにより、設定部によって、一層、測定用交流電圧の電圧値やその変化パターンを柔軟かつ容易に設定できる。

本発明では、部分放電測定装置において、測定用交流電圧の電圧値やその変化パターンを柔軟かつ容易に設定できるようにしつつ、消費電力を容易に低減できる。

本発明の実施形態の部分放電測定装置１００の構成を示すブロック図である。 部分放電測定装置１００の電圧コントロール回路１０３の具体的な構成を示すブロック図である。 部分放電測定装置１００の増幅器１０４の具体的な構成を示すブロック図である。 増幅器１０４のコンパレータ１０４ａの入出力信号の例を示すグラフである。 パーソナルコンピュータ２００で行われる処理を示すフローチャートである。 供試体３００に印加する電圧の設定操作画面の例を示す説明図である。 供試体３００に印加する電圧の例を示すグラフである。 供試体３００への印加電圧と放電電荷との関係の例を示すグラフである。 供試体３００に印加するステップ電圧の設定操作画面の例を示す説明図である。 供試体３００に印加するステップ電圧の例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本実施形態の部分放電測定装置１００は、図１に示すように、例えばパーソナルコンピュータ２００と組み合わせることによって、供試体３００に測定用交流電圧を印加したときの部分放電を測定するようになっている。

上記供試体３００は、部分放電を検査する対象であり、具体的には、例えば、太陽電池の背面に設けられるバックシート等の樹脂フィルムや積層体、パワーモジュール集積回路、ＩＧＢＴ（Insulated gate bipolar transistor）、または小型モータ等の、絶縁体、または絶縁体を含む素子、装置などである。

また、上記パーソナルコンピュータ２００は、供試体３００に印加する電圧の時間的遷移を制御するとともに、部分放電測定装置１００による測定結果に基づいて、部分放電の有無判定などの処理を行うようになっている。なお、上記のようにパーソナルコンピュータ２００が独立して用いられるのに限らず、その機能の一部または全部が部分放電測定装置１００に設けられたりしてもよい。

以下、上記部分放電測定装置１００の構成について詳しく説明する。

ディジタル入出力回路１０１は、パーソナルコンピュータ２００との間で入出力される信号を送受するインターフェイスとして機能するものである。具体的には、例えば、パーソナルコンピュータ２００から送られた電圧制御信号に基づいて、０〜４０９５までの４０９６段階の値をとる１２ビットの電圧値信号を出力するようになっている。

発振回路１０２は、例えば、抵抗同調発振回路によって、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数で所定の電圧の交流電圧（アナログ信号である正弦波）を出力するものである。

電圧コントロール回路１０３は、発振回路１０２が発生する交流電圧に基づいて、ディジタル入出力回路１０１から出力される電圧値信号に応じた、例えば０〜１２．５Ｖｒｍｓの交流電圧を出力するものである。具体的には、例えば図２に示すように、ディジタル入出力回路１０１から出力される電圧値信号をＤ／Ａ変換して、例えば０〜５Ｖのアナログ電圧を出力するＤ／Ａ変換回路１０３ａと、上記アナログ電圧と発振回路１０２から出力される交流電圧とを乗算する乗算回路１０３ｂと、乗算された電圧を増幅する増幅器１０３ｃと、ＣＲフィルタ１０３ｄとを備えて構成されている。

増幅器１０４は、いわゆるＤ級アンプであり、電圧コントロール回路１０３から出力される交流電圧を増幅して、例えば最高実効電圧が２４Ｖの増幅交流電圧を出力する低ノイズの増幅器である。具体的には、例えば図３に示すように、コンパレータ１０４ａと、ＭＯＳＦＥＴ１０４ｂ（metal oxide semiconductor field-effect transistor）と、ローパスフィルタ１０４ｃとを備えて構成されている。さらに、増幅器１０４には、電圧コントロール回路１０３から出力される交流電圧をパルス幅変調するための例えば４００ｋＨｚの（すなわち測定帯域である１５ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下の周波数帯域と異なる）三角波（搬送波）を出力する三角波発生回路（不図示）も設けられている。コンパレータ１０４ａは、電圧コントロール回路１０３から出力される交流電圧と三角波との大小関係に基づいて、図４に示すようにパルス幅変調（ＰＷＭ）されたＰＷＭ信号を出力する変調回路である。ＭＯＳＦＥＴ１０４ｂは、上記ＰＷＭ信号を電源電圧のオン、オフによって増幅するスイッチング素子である。ローパスフィルタ１０４ｃは、増幅されたＰＷＭ信号に基づいて交流電圧を出力するようになっている。

増幅器用電源回路１０５は、上記増幅器１０４に電源電圧を供給するもので、例えば、商用電源電圧を降圧するトロイダルトランス等の電源トランス１０５ａと、ブリッジ整流回路１０５ｂと、平滑コンデンサ１０５ｃとを備えて構成されている。

また、第１のトランス１０６は、増幅器１０４から出力される交流電圧を最高実効電圧が商用電源電圧になる昇圧比で昇圧するものである。

第２のトランス１０７は、上記第１のトランス１０６によって昇圧された交流電圧をさらに昇圧して、例えば５０００Ｖの測定用交流電圧を出力するものである。

ノイズ除去コンデンサ１０８は、第１のトランス１０６から第２のトランス１０７に伝播するノイズを除去するものである。

ブロッキングコイル１０９は、供試体３００からの部分放電パルスの流出を阻止するものである。なお、上記のようなノイズ除去コンデンサ１０８、およびブロッキングコイル１０９に限らず、第１および第２のトランス１０６・１０７の入出力側にＬＣフィルタ、ノイズ除去コンデンサ、および／またはブロッキングコイルなどが接続されるようにしてもよい。

印加電圧測定用コンデンサ１１０・１１１は、供試体３００に実際に印加される電圧を測定するためのものである。

校正用パルス発生回路１１２は、例えば、直角波電圧を発生する回路と、コンデンサとが直列に接続されて構成され、既知の電荷の校正用パルスを発生する回路であり、上記コンデンサは、校正時における直角波電圧を通過させて校正用パルスを供試体３００に印加する一方、部分放電の測定時における第２のトランス１０７からの測定用交流電圧に耐えられる定格に設定されている。

結合コンデンサ１１３は、低圧側に信号増幅回路１１４を接続し、供試体３００に部分放電が発生する場合に生じる微小な電圧変化を検出するものである。

信号増幅回路１１４は、上記結合コンデンサ１１３を介して低圧側に接続された図示しない検出インピーダンスによって検出される電圧変化を１５ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの測定帯域で増幅するとともに、印加電圧測定用コンデンサ１１０・１１１の接続点の電圧を全波整流して直流に変換するものである。

Ａ／Ｄ変換回路１１５は、信号増幅回路１１４によって増幅された信号のレベルをディジタル信号に変換して、パーソナルコンピュータ２００に出力するものである。

次に、上記のように構成された部分放電測定装置１００の動作について、例えば図５に示すようにパーソナルコンピュータ２００で行われる処理に対応付けて説明する。

（Ｓ１０１） まず、パーソナルコンピュータ２００の表示画面に、例えば図６に示すような試験電圧パターン設定画面が表示される。

（Ｓ１０２） 続いてユーザの入力操作が受け付けられ、上記設定画面に対してユーザが所望の値を入力することによって、例えば図７に示すように変化する試験電圧パターンを指示することができる。同図では、測定用交流電圧が、５秒で０〜５ｋＶまで上昇し、２０秒間だけ５ｋＶに維持され、１５秒で５〜０ｋＶまで降下する例を示している。

（Ｓ１０３） 次に、入力操作が完了したかどうか、すなわち、例えば図６の画面中のＯＫボタンが押されたかどうかの判定が繰り返され、押されれば、（Ｓ１０４）の処理に移行する。

（Ｓ１０４） 図示しない測定開始指示画面による測定の開始指示がなされたかどうかの判定が繰り返され、指示されると、（Ｓ１０５）の処理に移行して測定動作が開始される。

（Ｓ１０５、Ｓ１０６） パーソナルコンピュータ２００から部分放電測定装置１００に、測定用交流電圧を１０秒間で０〜５ｋＶまで上昇させる電圧制御信号が出力される。具体的には、例えば、１０／４０９５秒ごとに、値が０〜４０９５まで１ずつ増加するデータが出力される（Ｓ１０５）。また、ユーザによって指定された昇圧時間が経過したかどうかが判定され（Ｓ１０６）、経過するまで上記電圧制御信号の出力が繰り返される。

部分放電測定装置１００は、上記電圧制御信号に応じて、１０／４０９５秒ごとに５／４０９５ｋＶずつ上昇する測定用交流電圧を発生して供試体３００に印加する。

より詳しくは、電圧コントロール回路１０３は、上記パーソナルコンピュータ２００から出力されるデータに応じて、徐々に上昇する交流電圧を出力する。

電圧コントロール回路１０３から出力された交流電圧は、増幅器１０４のコンパレータ１０４ａによってパルス幅変調されて、ＭＯＳＦＥＴ１０４ｂにより増幅され、ローパスフィルタ１０４ｃを介して、増幅された交流電圧が出力される。

増幅器１０４から出力された交流電圧は、第１のトランス１０６によって１００／２４倍に昇圧され、さらに、第２のトランス１０７によって５０００／１００倍に昇圧されて、測定用交流電圧として供試体３００に印加される。

上記測定用交流電圧の供試体３００への印加により結合コンデンサ１１３を介して検出される放電電荷は信号増幅回路１１４で増幅されるとともに、印加電圧測定用コンデンサ１１０・１１１の接続点の電圧は、同じく信号増幅回路１１４で全波整流され、Ａ／Ｄ変換回路１１５でＡ／Ｄ変換されて、パーソナルコンピュータ２００に出力される。

パーソナルコンピュータ２００は、部分放電測定装置１００から入力される上記測定値に基づいて、部分放電と印加電圧の連続測定、ならびに放電開始電圧、放電消滅電圧、および最大放電電荷の判定等を行う。具体的には、例えば、供試体３００に印加される電圧の上昇に伴って、部分放電が生じない場合には例えば放電電荷は、図８（ａ）に示すように、電圧の上昇時（破線）も下降時（実線）もノイズレベルから増加することがないのに対して、部分放電が生じる場合には、図８（ｂ）に示すように、電圧を上昇させていく過程（破線）でＶ１から放電電荷が増加し始め、電圧を下降させる過程（実線）でＶ２から放電電荷がノイズレベルまで低下する。そこで、放電電荷が増加し始める時の印加電圧Ｖ１を放電開始電圧、放電電荷が減少しきる時の印加電圧Ｖ２を放電消滅電圧として判定される。

（Ｓ１０７） 上記（Ｓ１０６）で、ユーザによって指定された昇圧時間が経過したと判定されると、次に印加電圧の保持時間（２０秒）が経過したかどうかの判定が繰り返され、経過すると、（Ｓ１０８）の処理に移行する。

（Ｓ１０８、Ｓ１０９） 上記（Ｓ１０５、Ｓ１０６）と同様に、パーソナルコンピュータ２００から部分放電測定装置１００に電圧制御信号が出力されて、供試体３００に印加される測定用交流電圧が、１５秒間で５〜０ｋＶまで降下されるとともに、上記と同様の放電電荷の測定が行われる。

なお、試験電圧パターンは、上記のように電圧の上昇と下降が１回だけ行われるのに限らず、種々変化するように設定されてもよい。具体的には、例えば、パーソナルコンピュータ２００に表示される図９に示すような設定画面によって、変化後の試験電圧、到達時間、および保持時間を設定し、図１０に示すように変化する試験電圧パターンを指示できるようにしてもよい。また、図９に併せて示すように、例えば設定操作の便宜のために、各ステップを行うかスキップするかの実施可否を指示するチェックボックスを設けるなどしてもよい。また、変化後の試験電圧に代えて、またはこれと伴に電圧変化率を指示できるようにしたり、保持時間を省略したりしてもよい。また、例えば、信号増幅回路１１４で検出される印加電圧や部分放電による電圧変化に基づいた条件判断などに応じた印加電圧の制御も指示できるようにしてもよい。このように、複数のステップ電圧を印加する複雑な試験パターンを任意に制御できるようにすることによって、電気機器の様々な規格試験に対応することなどが容易に可能になる。

上記のように、ＰＷＭ信号を増幅する増幅器１０４を用いた増幅によって、第１および第２のトランス１０６・１０７で昇圧する元となる交流電圧を生成するので、消費電力を大幅に低減しつつ、増幅度を大きくして、第１および第２のトランス１０６・１０７の昇圧比を小さく抑えることができる。しかも、上記増幅器１０４で生成された交流電圧を、一旦、第１のトランス１０６によって最高実効電圧が商用電源電圧になる昇圧比で昇圧した後に、さらに第２のトランス１０７により昇圧して測定用交流電圧を生成するので、それぞれの第１および第２のトランス１０６・１０７の昇圧比をさらに小さく設定することができ、設計、製造や耐ノイズ性の向上等が容易になる。しかも、第２のトランス１０７として、商用電源電圧を測定用交流電圧に昇圧し得るものを用いることができるので、汎用のトランスなどを適用することが容易にでき、特性の向上やコストの低減などを図ることも容易にできる。

また、従来は、発振器およびアンプを使用した場合、ノイズが発生し、これを試験電源として用いると、測定すべき微小な部分放電信号がノイズに埋もれてしまい、測定ができなくなりがちであったのに対し、低ノイズな試験電圧を印加することができる試験電源装置を実現することが容易にできる。

以上説明したように、本発明は、絶縁体に高電圧を印加した際に発生する部分放電を測定する部分放電測定装置等として有用である。

１００ 部分放電測定装置
１０１ ディジタル入出力回路
１０２ 発振回路
１０３ 電圧コントロール回路
１０３ａ Ｄ／Ａ変換回路
１０３ｂ 乗算回路
１０３ｃ 増幅器
１０３ｄ ＣＲフィルタ
１０４ 増幅器
１０４ａ コンパレータ
１０４ｂ ＭＯＳＦＥＴ
１０４ｃ ローパスフィルタ
１０５ 増幅器用電源回路
１０５ａ 電源トランス
１０５ｂ ブリッジ整流回路
１０５ｃ 平滑コンデンサ
１０６ 第１のトランス
１０７ 第２のトランス
１０８ ノイズ除去コンデンサ
１０９ ブロッキングコイル
１１０・１１１ 印加電圧測定用コンデンサ
１１２ 校正用パルス発生回路
１１３ 結合コンデンサ
１１４ 信号増幅回路
１１５ Ａ／Ｄ変換回路
２００ パーソナルコンピュータ
３００ 供試体

Claims (10)

1. 供試体に測定用交流電圧を印加する電源回路と、
   上記測定用交流電圧を印加した状態で供試体に発生する部分放電を測定する測定部と、
   を備えた部分放電測定装置であって、
   上記電源回路は、
   電圧指示データに応じた電圧値の交流電圧を発生する発振回路と、
   上記交流電圧がパルス幅変調されたパルス幅変調信号を増幅し、ローパスフィルタを介して出力する増幅器と、
   上記増幅器の出力を昇圧して測定用交流電圧を出力するトランスと、
   を有することを特徴とする部分放電測定装置。
2. 請求項１の部分放電測定装置であって、
   上記増幅器は、所定の電圧に制御された交流電圧をパルス幅変調する変調回路と、
   パルス幅変調信号を増幅するスイッチング素子と、
   を有することを特徴とする部分放電測定装置。
3. 請求項１および請求項２のうち何れか１項の部分放電測定装置であって、
   上記パルス幅変調の搬送波周波数が、上記測定部における測定帯域と異なる周波数に設定されていることを特徴とする部分放電測定装置。
4. 請求項３の部分放電測定装置であって、
   上記測定部における測定帯域が、１５ｋＨｚ以上、１５０ｋＨｚ以下の範囲内であり、上記パルス幅変調の搬送波周波数が、４００ｋＨｚに設定されていることを特徴とする部分放電測定装置。
5. 請求項１から請求項４のうち何れか１項の部分放電測定装置であって、
   上記トランスは、
   上記増幅器の出力を昇圧して最高実効電圧が商用電源電圧の交流電圧を出力する第１のトランスと、
   上記第１のトランスの出力を昇圧して測定用交流電圧を出力する第２のトランスと、
   を有することを特徴とする部分放電測定装置。
6. 請求項１から請求項５のうち何れか１項の部分放電測定装置であって、さらに、
   上記測定用交流電圧の変化パターンを設定する設定部を備えたことを特徴とする部分放電測定装置。
7. 請求項６の部分放電測定装置であって、
   上記設定部は、電圧の変化ステップごとに、変化後電圧、変化後電圧への到達時間、および変化後電圧の保持時間を指定し得るように構成されていることを特徴とする部分放電測定装置。
8. 請求項７の部分放電測定装置であって、
   上記設定部は、さらに、各ステップを行うかスキップするかを指定し得るように構成されていることを特徴とする部分放電測定装置。
9. 請求項１から請求項８のうち何れか１項の部分放電測定装置を用いる部分放電測定方法であって、
   上記測定用交流電圧の変化パターンの設定を受け付ける受け付けステップと、
   受け付けた設定に応じて、上記電圧指示データを生成するステップと、
   を有することを特徴とする部分放電測定方法。
10. 請求項１から請求項８のうち何れか１項の部分放電測定装置を用いて部分放電を測定する部分放電測定プログラムであって、
    上記測定用交流電圧の変化パターンの設定を受け付ける受け付けステップと、
    受け付けた設定に応じて、上記電圧指示データを生成するステップと、
    をコンピュータに実行させることを特徴とする部分放電測定プログラム。

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