SF6床タンク回路遮断器における部分放電の検出技術と分析方法に関する研究

床置タンク型遮断器は、変電所や電力システムにおける重要な制御および保護装置です。主に、線路の通常の負荷電流を切断・閉じ・通すため、またシステム障害時の短絡電流を遮断するために使用されます。遮断要素、絶縁ブッシング、ブッシング型電流変換器、消弧室、操作機構、接地ケースなどの構成部品からなり、床置タンク型遮断器の消弧室は接地金属ケース内に収納されています。

SF₆は、タンク型遮断器の絶縁および消弧媒体として機能します。均一な電界では、その絶縁強度は空気の約3倍であり、消弧能力は空気の約100倍です。そのため、SF₆遮断器はコンパクトな構造と小さな占有面積が特徴です。さらに、床置タンク型遮断器は設備の重心が低く、構造が安定しており、耐震性能が優れ、内蔵型電流変換器、汚れに対する強い耐性、メンテナンスが容易などの利点があります。

しかし、タンク型遮断器の製造、組立、輸送、運転中に、加工不良、衝突、衝撃、切り替え操作などの要因により絶縁欠陥が発生することがあります。典型的な絶縁欠陥には、導体またはケース上の突起した金属物体、浮遊電極、自由金属粒子があります。絶縁欠陥に集中する電界強度が試験電圧または定格電圧下での破壊電界強度に達すると、部分放電（PD）が発生します。部分放電は、遮断器の絶縁劣化の主な原因であり、絶縁故障の前兆です。したがって、部分放電信号のオンライン監視は、故障が発生する前に絶縁欠陥を検出する重要な手段であり、床置タンク型遮断器と電力システムの安全かつ安定した動作を確保するためのものです。

放電時に生成される物理信号に基づいて、遮断器の主要な部分放電検出方法には、パルス電流法、超音波法（AE）、一時的な接地電圧法（TEV）、超高周波法（UHF）[2 - 3]があります。本記事では、実験と現場の経験を組み合わせて、SF₆床置タンク型遮断器の各種部分放電検出および分析技術をレビューし、各方法の特性をまとめます。

パルス電流法

部分放電が発生すると、電荷の動きによりパルス電流が生成され、試験回路に接続されたカップリングデバイスまたは電流センサで検出することができます。パルス電流法は、IEC 60270および関連規格で部分放電の定量測定に指定されている唯一の方法です。他の方法は主に部分放電の検出または位置特定に使用されます。パルス電流法は感度が高いですが、現場の電磁干渉に対して非常に敏感であるため、検出された信号から微弱な放電信号を抽出する必要があります。部分放電の大きさを表す物理量は表面電荷qであり、以下の式で求めることができます。

式中、i(t )は部分放電のパルス電流を、Um(t)はパルス電圧を、Rmは検出インピーダンス値を、qは表面電荷を示し、単位はpC（ピコクロン）です。

電流センサに基づくパルス電流法は、オンライン部分放電検出に適しています。高周波電流センサは通常、16 kHzから30 MHzの周波数範囲で動作し、クリップオン構造で設計されており、床置タンク型遮断器の接地端への設置が容易です。

超音波法

部分放電により分子間の激しい衝突が起こり、遮断器内で超音波が発生します。遮断器ケースに取り付けられた超音波センサは、部分放電信号を検出することができます。超音波センサ内の圧電素子は、部分放電によって生成された超音波信号を電圧信号に変換し、それを検出回路に伝送します。超音波法の検出回路は主に、電源信号と超音波信号を分離するデカップラ、信号増幅器、フィルタから構成されています。

床置タンク型遮断器内の部分放電からの超音波の時間領域と周波数領域の信号は図2に示され、周波数範囲は主に50から250 kHzに分布しています。超音波法はコストが低く、設置が簡単で、電磁干渉に対する耐性が強く、部分放電位置特定に適しています。ただし、遮断器の内部絶縁構造は複雑であり、超音波はSF₆ガス中で遅く伝播し、大幅に減衰するため、最適な検出位置を見つける必要があります。

超高周波（UHF）法

部分放電により生成される電流パルスの上昇時間と持続時間はナノ秒オーダーであり、300 MHzから3 GHzの超高周波帯域に相当する電磁波を励起します。現在、市場の多くのUHFセンサの検出周波数範囲は300 MHzから1.5 GHzです。信号が弱く高周波であるため、UHF法では入力信号をフィルタ回路、増幅回路、積分回路を通じて調整し、データ取得カードに送信してその後の分析を行う必要があります。

また、UHF法を使用する際には、通信信号や照明電源信号などのノイズをソフトウェアとハードウェアの両面から排除する必要があります。UHF法は感度が高く、干渉に対する耐性が強く、部分放電位置特定に適しています。フローティング電位での部分放電のUHF信号の位相分解部分放電（PRPD）パターンは図3に示され、放出振幅、位相、発生回数に関する情報が含まれています。

一時的な接地電圧（TEV）法

部分放電により生成された電磁波が床置タンク型遮断器の金属筐体に伝播すると、筐体表面に誘導電流が生成され、接地体の波インピーダンス間に一時的な接地電圧が発生します。TEVセンサの動作原理は、容量分割器と同等です。センサ電極と絶縁層間の等価キャパシタ間の電圧を検出することにより、部分放電の発生を決定します。SF₆遮断器内の部分放電の一時的な接地電圧信号は図4に示され、主な周波数範囲は1〜100 MHzです。TEV法は使いやすく、追加の検出回路が必要ないという特徴があります。

部分放電解析法

部分放電解析法は、放電のリスクレベルを評価し、信号のノイズ除去を行い、障害タイプの分類のために放電特性を抽出するために使用されます。これらの方法には、パルス波形法、位相分解部分放電（PRPD）パターン法、三相振幅関係パターン法、時間-周波数パターン法、時間ベース統計特性法などが含まれます。

パルス波形法は、上昇時間、下降時間、パルス幅、尖度、歪度などのパラメータに基づいて単一の放電波形を分析します。PRPDパターン法は、交流電源周波数電圧下で部分放電信号を蓄積し、放電の位相、振幅、発生回数の分布特性を得ます。したがって、\(\varphi -q -n\)パターン法とも呼ばれます。三相振幅関係パターン法は、三相交流電圧下での部分放電解析に使用されます。

異なる位相電圧下で一貫した放電信号の放電振幅を収集することで、放電分布特性を得ます。時間-周波数パターン法は、放電パルスを収集し、それらの等価時間と等価周波数を計算し、等価時間-等価周波数領域で放電分布パターンをプロットします。時間ベース統計特性法は、高電圧直流下での部分放電解析に適用されます。放出量の大きさと放電パルス間の時間差に基づいて、放電分布特性を統計的に分析します。

SF₆床置タンク型遮断器内部の部分放電の位置特定には、絶対時間差法または相対時間差法が採用できます。絶対時間差法は、放電電流パルス信号または超高周波（UHF）信号を放電開始時間として使用します。超音波信号と放電開始信号との時間差を計算し、放電源を特定します。相対時間差法は、遮断器タンクの異なる位置に設置された複数の超音波センサのみを使用します。各超音波信号と基準超音波信号との時間差を計算して、絶縁欠陥の位置を特定します。

結論

部分放電のオンライン監視は、故障が発生する前にSF₆床置タンク型遮断器の絶縁性能を効果的に評価することができ、それらの安全かつ安定した動作を保証する重要な手段の一つです。本記事では、実験と現場の経験を組み合わせて、床置タンク型遮断器の部分放電検出および解析方法をレビューしました。

現場での応用では、複数の検出手段と解析方法を使用することで、オンライン監視の精度と信頼性を向上させることができます。また、ユビキタス電力インターネット・オブ・シングスの構築要求に応じて、無線非有源センシング、低消費電力無線通信ネットワーク、エッジコンピューティング、ビッグデータなどの主要技術を実装することは、床置タンク型遮断器の部分放電検出の将来の発展動向を示しています。