JP2742636B2 - 電力ケーブルの絶縁劣化診断法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＣＶケーブル等の水ト
リー劣化等を診断する電力ケーブルの絶縁劣化診断法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、電力ケーブルは布設後の経年変
化により絶縁体の電気絶縁特性が低下する。特に、水分
のある環境下でＣＶケーブル等のゴム・プラスチックケ
ーブルを長期間使用していると、絶縁体内部の局部的な
高電界の部分に水分が集中して微小な水ボイド集団が形
成され、これが電界の方向に成長・進展する所謂水トリ
ー劣化が発生し、この水トリーが絶縁体の絶縁強度を著
しく低下させて絶縁破壊事故の原因となることが知られ
ている。

【０００３】従って、このような劣化を事故発生の未然
に発見し、その劣化の程度を診断することが極めて重要
になっている。このような絶縁劣化診断を行う方法とし
ては、従来から種々の方法が行われており、また近年で
は送電を停止することなく活線状態で診断を行う方法が
幾つか提案されている。例えば、ケーブル絶縁体を流れ
る交流充電電流中の直流成分を検出する直流成分法、或
いはケーブルが使用されている送電電圧に直流低電圧を
重畳させたときの絶縁体に流れる交流充電電流中の直流
成分を検出する直流重畳法、更には送電電圧によって絶
縁体に流れる交流充電電流の誘電正接を検出する tanδ
法などがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来例は何れも絶縁劣化を必ずしも十分に正確に診断し
得る方法ではない。即ち、直流成分法は劣化検出信号の
大きさがナノアンペアオーダと著しく小さく、またケー
ブル布設環境下での大地の迷走電流が直流成分を有して
いるために著しくＳ／Ｎ比が悪く、殆ど絶縁破壊事故の
寸前の状態にまで絶縁劣化が進展している場合でもこれ
を検出できない場合がある。

【０００５】また、直流重畳法は交流送電電圧に直流低
電圧を重畳させた状態での直流分測定になるので、検出
される電流は前述の直流成分法よりも大きくなるが、や
はり大地迷走電流の影響を避け難い場合があり、また、
重畳する直流電圧を大きくすると送電系統の保護リレー
を誤動作させるという重大な問題があるために、この電
圧の大きさは高々数Ｖ〜数１０Ｖ以下に抑えられ、劣化
検出感度を大幅に向上させることができない。

【０００６】tanδ法については、活線診断への適用以
前に古くから行われている実績の豊富な絶縁診断法では
あるが、この方法の最も基本的な問題点として、絶縁破
壊強度の著しい低下を伴わないような絶縁体の老化、例
えば単純な加熱劣化（酸化劣化）等によっても誘電正接
が増大するので、使用可能なケーブルを誤って不良と診
断する可能性がある。従って、劣化の判定基準を十分に
安全側に見積もっておく必要があることから、診断結果
に曖昧さが残る。

【０００７】また、別の観点からの問題点を挙げると、
現在公知の全ての劣化診断法では、活線下或いは運転停
止下の何れの方法を問わず、使用電圧の高い２２kV級以
上のＣＶケーブルの水トリー劣化診断が不可能な状態に
ある。これは、電圧階級が高くなるほど絶縁体の使用電
界が高くなるために、６kV級以下のケーブル線路の場合
には、かろうじて使用可能な著しい劣化状態のものであ
っても、２２kV級以上のケーブル経路の場合には絶縁破
壊を生じてしまうことになり、電圧階級の高いケーブル
線路では絶縁破壊の前の大きな劣化信号を発生するよう
な劣化状態の存在が期待できないという問題によるもの
である。

【０００８】具体的な例を挙げると、前述の直流成分法
と直流重畳法の場合に検出される劣化状態とは、水トリ
ーがケーブルの内部導体と遮蔽導体間を橋絡した場合に
のみ検出されるものであり、このような著しい劣化状態
が運転中の長時間にわたって２２kV級以上のケーブルに
存在することはできず、これらの方法は適用不能とな
る。

【０００９】また、 tanδ法についても、現在の６kV級
ケーブルに適用しているような劣化判定基準では、判定
の基準値自体に前述の曖昧さが含まれるために殆ど無力
となる。

【００１０】本発明の目的は、上述の欠点を解消し、微
小な絶縁劣化をも充分に検出できる電力ケーブルの絶縁
劣化診断法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明に係る電力ケーブルの絶縁劣化診断法は、交
流電圧が印加された電力ケーブルの絶縁体に流れる充電
電流中の第３高調波電流を検出して行う電力ケーブルの
絶縁劣化診断法において、電源電圧中に含まれた第３高
調波電圧に基づく容量性の第３高調波電流を低減させる
ために前記絶縁体の充電電流と前記絶縁体に並列に接続
された分圧器に流れる電流との差動平衡を取り、この差
動電流中から劣化の進行によって発生する損失電流の電
圧に対する非線形特性に基づく第３高調波電流を抽出
し、該第３高調波電流の大きさを検出することによっ
て、前記絶縁体の劣化の程度を検知することを特徴とす
る。

【００１２】

【作用】上述の構成を有する電力ケーブルの絶縁劣化診
断法は、分圧器出力とケーブル絶縁体の充電電流検出出
力の差を取ることによって、基本波電流成分の大きさを
減少して第３高調波成分の抽出を容易にすると共に、電
源に含まれる第３高調波電圧による容量性の第３高調波
電流を除き、劣化の進行によって発生する損失電流の電
圧に対する非線形特性に基づく第３高調波電流成分の大
きさから絶縁劣化状態を診断する。

【００１３】

【実施例】周波数がω₁ の交流電圧V₁が印加された場合
に、ケーブル絶縁体に流れる充電電流Ix₁ としては、静
電容量Cxに流れる容量電流成分Ic₁ と抵抗要素Rxに流れ
る損失電流成分Ir₁ がある。即ち、Ix＝Ic₁ ＋Ir₁とな
り、通常の未劣化ＣＶケーブルの場合には、これらの電
流成分Ic₁ 、Ir₁ は電圧V₁に比例して電流が増加する所
謂電流と電圧が線形な関係になる。

【００１４】一方、本発明の出願者らの研究によれば、
水トリー劣化ケーブル絶縁体に流れる充電電流中の損失
電流成分Ir₁ の瞬時値は、交流電圧V₁の瞬時値に対して
非線形に増大する特性を有し、劣化の進行と共にこの非
線形性が著しくなることが確認されている。即ち、絶縁
体の抵抗要素Rxは水トリー劣化の進展に伴って、その抵
抗値が低下すると共に、非線形抵抗的な様相を示すよう
になる。このような非線形要素Rxに周波数がω₁ の交流
電圧V₁が印加されると、充電電流中の損失電流成分Ir₁
には正弦波形からの歪が現れ、交流電圧V₁の瞬時値が零
付近では電流Ir₁ の瞬時値は小さいが、電圧V₁の瞬時値
が波高値に近づくに従って電流Ir₁ が急増する波形とな
る。

【００１５】この歪波形を交流正弦波形に分解すると、
印加電圧V₁と同じ周波数ω₁ の基本波成分Ir₁₁に奇数次
の高調波成分( ３ω₁ 、５ω₁ 、７ω₁ 、・・・ )の電
流Ir₁₃、Ir₁₅、Ir₁₇、・・・が重畳したことと等価にな
る。即ち、 Ir₁ ＝Ir₁₁＋Ir₁₃＋Ir₁₅＋Ir₁₇＋・・・ となり、これらの電流成分の中で最も大きいものは基本
波成分Ir₁₁であるが、高調波電流の中では第３高調波成
分Ir₁₃が最大となり、その位相は電流−電圧特性の非線
形の如何に拘らず、電圧V₁の位相零点を基準点にすると
常にπだけ進み位相となる。即ち、この第３高調波電流
成分Ir₁₃は、印加電圧周波数ω₁ とは異なる周波数成分
であることから、劣化と無関係な容量性電流Ic₁ 等の電
流とは区別し易く、またその大きさは直流成分法で検出
される電流よりもはるかに大きい。また、劣化の進行と
共に増大し、更には基本波成分を基準とした場合の位相
も常に一定していること等の理由により、劣化状態を知
るための信号としては最適である。

【００１６】更には、前述の tanδ法で問題点となる熱
劣化などによって生ずる損失電流成分中には、このよう
な第３高調波電流成分が殆ど認められないことも確認さ
れており、ケーブル充電電流中の損失電流成分の非線形
特性に基づく第３高調波電流Ir₁₃を検出することができ
れば、破壊強度の低下と相関性のある高感度な劣化診断
が可能となる。

【００１７】しかし、ここで注意すべき点は、実際の電
源波形は無歪ではなく僅かながらも高調波成分が重畳し
ているということで、仮にこの点を考慮せずにただ単純
に充電電流中の第３高調波成分を検出しようとすると、
電源電圧に含まれる第３高調波成分V₃による電流をも検
出することになり、正確な劣化診断を行えなくなる。即
ち、ケーブル絶縁体の充電電流の殆どは静電容量Cxに流
れる容量性電流であることから、電源の第３高調波成分
V₃は僅かであっても、これによる容量性の第３高調波電
流Ic₃ は大きく、劣化判定の信号源となる損失電流の非
線形性に基づく第３高調波電流Ir₁₃のみを検出すること
ができなくなるということである。

【００１８】上述の損失電流の非線形性に基づく、第３
高調波電流Ir₁₃を用いた絶縁劣化診断の目的を達成する
ための本発明に係る電力ーブルの絶縁劣化診断法の実施
例においては、先ずケーブル絶縁体と並列になるように
電源電圧に分圧器を接続し、次にケーブル絶縁体の充電
電流の検出出力Vsと分圧器に流れる電流の検出出力Vdと
の差(Vs −Vd) を取り、その差動出力中の第３高調波成
分(Vs₃−Vd₃)を抽出し、この差動電流中の第３高調波電
流が最小になるように分圧器出力Vdと充電電流出力Vsの
平衡を取り、このときの第３高調波電流の大きさ(Vs₃−
Vd₃)を検出することによって、電力ケーブル絶縁体の劣
化の程度を検出する。

【００１９】図１は絶縁劣化診断を行うための検出回路
の構成図を示し、電圧Ｖの交流電源１に分圧器２をケー
ブル３と並列になるように接続する。分圧器２は高圧側
インピーダンスZ₁と低圧側の電圧検出インピーダンスZ₂
を直列接続したものである。ケーブル３の内部導体は交
流電源１の高圧側に接続し、またその遮蔽導体は電流検
出用のインピーダンスZ₃を介して交流電源１の接地側に
接続する。インピーダンスZ₂の電圧即ち電圧検出出力Vd
を、前置増幅器４を介して位相調整器５に接続し、イン
ピーダンスZ3の電圧即ち電流検出出力Vsを作動増幅器６
の正入力に接続し、位相調整器５の出力を差動増幅器６
の負入力に接続する。差動増幅器６の出力を交流電源１
の基本波と同じ周波数成分を除去する能動フィルタであ
る帯域除去フィルタ７に接続し、帯域除去フィルタ７の
出力を、第３高調波成分を通過させる狭帯域の能動フィ
ルタである帯域フィルタ８に接続し、更に増幅器９を介
して電圧計１０に接続する。

【００２０】なお、交流電源１は試験用電源或いは実際
の送電電圧の何れでもよいが、この電源電圧Ｖには周波
数がω₁ の基本波成分V₁に周波数が３ω₁ の第３高調波
成分V₃が重畳されているものとする。

【００２１】電源電圧Ｖが印加されると、ケーブル３に
は絶縁体の静電容量C_Xによる容量性成分と損失要素Rxに
よる損失性成分から成る充電電流が流れ、これを検出イ
ンピーダンスZ₃で電圧Vsとして検出する。ここで検出さ
れる充電電流中には、電源電圧Ｖの基本波成分V₁と第３
高調波成分V₃による容量性と損失性の基本波電流と第３
高調波電流があり、更に絶縁体が劣化して損失要素Rxに
非線形特性が現れた場合には基本波電圧V₁によって生ず
る第３高調波電流成分が存在する。絶縁劣化診断に必要
な信号は、損失要素Rxの非線形特性に基づく第３高調波
電流である。

【００２２】分圧器２の電圧検出出力Vdには電源電圧Ｖ
中の基本波電圧V₁による基本波成分と電源電圧の第３高
調波電圧V₃による第３高調波成分が存在する。この電圧
検出出力Vd中の第３高調波成分の位相が絶縁体の充電電
流検出出力Vs中の容量性の第３高調波成分と同じ位相に
なるように、分圧器２のインピーダンスZ₁、Z₂を選択す
る。即ち、分圧器２の高圧側インピーダンスZ₁を静電容
量とした場合を例に挙げると、絶縁体の充電電流検出イ
ンピーダンスZ₃を静電容量とした場合には分圧器２の検
出インピーダンスZ₂を静電容量に選択し、絶縁体の充電
電流検出インピーダンスZ₃を抵抗とした場合には分圧器
２の検出インピーダンスZ₂を抵抗として選択する。

【００２３】何れの場合も、それぞれの検出インピーダ
ンスZ₃、Z₂の挿入による電流の位相の変化が無視できる
ようにするために、インピーダンスZ₃、Z₂はそれぞれの
高圧側のインピーダンス、即ちケーブル絶縁体のインピ
ーダンスCx、Rx或いは分圧器２のインピーダンスZ₁に対
して充分小さい値を選択する。

【００２４】ケーブル絶縁体の充電電流検出出力Vsは差
動増幅器６の正入力に入力される。分圧器２の電圧検出
出力Vdは増幅度が可変の前置増幅器４によってＫ倍に増
幅された後に差動増幅器６の負入力に入力される。前置
増幅器４と差動増幅器６の負入力との間には、必要に応
じて位相調整器５を挿入する。これは、前置増幅器４を
通過した後の電圧信号Ｋ・Vdの位相のずれ、或いは分圧
器２の特性による電圧検出出力Vdの位相のずれを予め補
正しておくものである。

【００２５】差動増幅器６を通過した後の信号出力Vs−
Ｋ・Vdには基本波成分と高調波成分が含まれており、こ
れを基本波成分の除去フィルタ７と第３高調波成分を通
過させる帯域フィルタ８とを通すことによって、第３高
調波成分Vs₃ −Ｋ・Vd₃ のみを抽出する。抽出された信
号Vs₃ −Ｋ・Vd₃ は増幅器９によって、電圧計１０で測
定可能な大きさまでに増幅され電圧計１０で表示され
る。検出された第３高調波信号Vs₃ −Ｋ・Vd₃ には、電
源に含まれる第３高調波電圧V₃による成分と絶縁体の劣
化によって発生した損失電流の非線形特性による成分が
含まれている。

【００２６】この信号Vs₃ −Ｋ・Vd₃ の大きさが最小に
なるように前置増幅器４の増幅度Ｋを調整すると、電源
の第３高調波電圧V₃による絶縁体の容量性電流成分が消
去され、信号Vs₃ −Ｋ・Vd₃ には損失要素Rxの非線形特
性に基づく第３高調波電流と電源の第３高調波電圧成分
V₃による損失性電流のみが存在することになる。

【００２７】一般の送配電系統に含まれる第３高調波電
圧の大きさは基本波形電圧に対して約１％未満であり、
従って電源の第３高調波電圧成分による絶縁体の損失性
電流の大きさは基本波電圧による損失電流の大きさの約
１％未満程度となる。一方、損失要素Rxの非線形特性に
基づく第３高調波電流は、水トリー劣化の進展によって
増大し、劣化が著しくなると基本波電圧による損失性電
流の約１０％以上程度の大きさにもなる。従って、上記
の平衡条件下で得られた信号Vs₃ −Ｋ・Vd₃ は近似的に
損失要素Rxの非線形特性に基づく第３高調波電流を検出
していることになり、これによってケーブル絶縁体の劣
化状態を判定できるようになる。

【００２８】なお、分圧器２のインピーダンス Z₁ 、Z₂
とケーブルの充電電流検出インピーダンスZ₃のみによっ
ても前述の平衡を取ることもでき、この場合には前置増
幅器４と位相調整器５を省略してもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る電力ケ
ーブルの絶縁劣化診断法は、第３高調波電流のうちから
劣化の進行によって発生する損失電流の電圧に対する非
線形特性に基づく第３高調波電流を検出することによ
り、活線状態においても実行可能で、別個に直流電源を
用意する必要もなく簡素に診断を行うことができる。ま
た、従来では橋絡水トリーのような劣化の激しいものし
か検出できなかったのに対し、未橋絡状態の水トリー劣
化をも検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】測定のための回路構成図である。

【符号の説明】

１ 交流電源 ２ 分圧器 ３ ケーブル ４ 前置増幅器 ５ 位相調整器 ６ 差動増幅器 ７ 基本波成分除去フィルタ ８ 第３高調波検出用帯域フィルタ ９ 増幅器 １０ 電圧計 Cx ケーブル絶縁体の静電容量 Rx ケーブル絶縁体の抵抗要素

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電圧が印加された電力ケーブルの絶
   縁体に流れる充電電流中の第３高調波電流を検出して行
   う電力ケーブルの絶縁劣化診断法において、電源電圧中
   に含まれた第３高調波電圧に基づく容量性の第３高調波
   電流を低減させるために前記絶縁体の充電電流と前記絶
   縁体に並列に接続された分圧器に流れる電流との差動平
   衡を取り、この差動電流中から劣化の進行によって発生
   する損失電流の電圧に対する非線形特性に基づく第３高
   調波電流を抽出し、該第３高調波電流の大きさを検出す
   ることによって、前記絶縁体の劣化の程度を検知するこ
   とを特徴とする電力ケーブルの絶縁劣化診断法。