JP5057230B2 - 雷インパルス電圧試験装置 - Google Patents

Description

この発明は雷インパルス電圧試験装置に関し、特に、試験対象の電気機器の端子に雷インパルス電圧を印加する雷インパルス電圧試験装置に関する。

試験対象の変圧器の巻線の端子間に雷インパルス電圧を印加して、変圧器の雷サージ電圧に対する耐性を試験する場合、試験条件を統一するため、雷インパルス電圧波形の波頭長および波尾長を規定の範囲内に調整する必要がある。このため雷インパルス電圧試験装置には、雷インパルス電圧波形を調整するための抵抗素子やコンデンサが設けられている。

なお、雷インパルス電圧は、０Ｖから波高値まで急峻に上昇した後、緩やかに低下する。雷インパルス電圧波形の波頭長とは、電圧が０Ｖから波高点に至るまでの時間を言う。また、波高値の３０％点と９０％点を通る直線が時間軸と交わる規格原点から、その直線が波高値を示す直線と交わる点までの時間を規格波頭長と言う。以下、波頭長と称する場合は、規格波頭長を意味する。また、雷インパルス電圧波形の波尾長とは、波高点より後の部分の継続時間を言う。また、上記規格原点から、電圧が波高点を経て波高値の５０％まで低下するまでの時間を規約波尾長と言う。以下、波尾長と称する場合は、規約波尾長を意味する。

たとえば、試験対象の変圧器の巻線の静電容量値が大きい場合は、電圧の立ち上がりが遅延して雷インパルス電圧波形の波頭長が長くなるので、制動用抵抗素子の抵抗値を減らして供給電流を増加させる。また、変圧器の巻線のインダクタンスが小さい場合は、大きな電流が流れて雷インパルス電圧波形の波尾長が短くなるので、放電用抵抗素子の抵抗値を増大させたり、充電用コンデンサの静電容量値を増大させて、供給電流を増加させる。

また、変圧器の巻線のインダクタンスが極めて小さい場合は、大きな電流が流れて雷インパルス電圧波形の波尾長が極めて短くなってしまう。この場合は、抵抗素子の抵抗値やコンデンサの静電容量値を調整しても不十分なので、グラニンガ（Glaninger）回路と呼ばれる波尾長補償回路を付加して、波尾長を調整している（たとえば、非特許文献１参照）。
HV Testing,Monitoring and Diagnostics Workshop 2000,paper No.13,Fig.6

しかし、グラニンガ回路を付加した雷インパルス電圧試験装置では、変圧器の巻線のインダクタンスが小さくかつ静電容量値が大きい場合、波頭長を短くするために制動用抵抗素子の抵抗値を減少させると、雷インパルス電圧波形の波頭部に重畳される振動成分の制動が弱まり、波頭部に振動成分が現れる。この結果、電圧波形の波高値が相対的に高くなるため、波尾長が短くなる。したがって、波頭長と波尾長の相互の影響を勘案しながら電圧波形を調整する必要があるので、調整動作が複雑になるという問題があった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、試験対象の変圧器の巻線のインダクタンスが小さくかつ静電容量値が大きい場合でも、波尾長を短くすることなく波頭長を調整することが可能な雷インパルス電圧試験装置を提供することである。

この発明に係る雷インパルス電圧試験装置は、試験対象の変圧器の巻線の一方端子に雷インパルス電圧を印加する雷インパルス電圧試験装置であって、雷インパルス電圧を発生するインパルス電圧発生回路と、雷インパルス電圧の波形を調整する波形調整回路とを備えたものである。変圧器の巻線の他方端子は基準電圧のラインに接続される。インパルス電圧発生回路は、所定のギャップを開けて配置され、それらの間の電圧が放電開始電圧に到達したことに応じて導通する第１および第２の電極を有する放電スイッチと、第１の電極と基準電圧のラインとの間に接続されたコンデンサと、第２の電極と基準電圧のラインとの間に接続された第１の抵抗素子と、第２の電極と変圧器の巻線の一方端子との間に接続される第２の抵抗素子とを含む。波形調整回路は、第２の電極と変圧器の巻線の一方端子との間に接続され、雷インパルス電圧の波尾長を調整するための第１のインダクタと、一方端子が変圧器の巻線の一方端子に接続され、雷インパルス電圧の波頭長を調整するための第２のインダクタと、第２のインダクタの他方端子と基準電圧のラインとの間に接続された第３の抵抗素子とを含む。コンデンサが充電されて第１および第２の電極間の電圧が放電開始電圧に到達したことに応じて雷インパルス電圧が発生する。

この発明に係る雷インパルス電圧試験装置では、グラニンガ回路を構成する第１のインダクタおよび第３の抵抗素子に加え、第２のインダクタが設けられる。第２のインダクタと第３の抵抗素子は、変圧器の一方端子と基準電圧のラインとの間に直列接続される。したがって、この第２のインダクタのインダクタンスを調整することにより、雷インパルス電圧波形の波尾長を短くすることなく、波頭長を調整することができる。

図１は、この発明の一実施の形態による雷インパルス電圧試験装置の構成を示す回路図である。図１において、この雷インパルス電圧試験装置は、インパルス電圧発生回路１と、グラニンガ回路１０と、波頭調整用インダクタ１３とを備える。

インパルス電圧発生回路１は、放電スイッチ２、充電用コンデンサ５、放電用抵抗素子６、および制動用抵抗素子７を含む。放電スイッチ２は、所定の放電ギャップを介して配置された２つの電極３，４を有する。電極３，４間の電圧が上昇して所定の放電開始電圧に到達すると、電極３，４間で放電が発生し、電極３，４間が導通する。電極３，４間の電圧が下降して所定の放電停止電圧に到達すると、電極３，４間の放電が消え、電極３，４間が非導通になる。

充電用コンデンサ５は、放電スイッチ２の電極３と接地電圧ＧＮＤのラインとの間に接続される。充電用コンデンサ５は、雷インパルス電圧を生成するときに、充電器（図示せず）によって放電開始電圧に充電される。放電用抵抗素子６は、放電スイッチ２の電極４と接地電圧ＧＮＤのラインとの間に接続されている。放電用抵抗素子６は、電極４から接地電圧ＧＮＤのラインに流出する電流を調整するために設けられている。制動用抵抗素子７は、放電スイッチ２の電極４と試験対象の変圧器１５の巻線の一方端子Ａに接続される。制動用抵抗素子７は、電極４から変圧器１５の巻線に流れる電流を調整するために設けられている。

グラニンガ回路１０は、波尾調整用インダクタ１１および抵抗素子１２を含む。波尾調整用インダクタ１１は、放電スイッチ２の電極４と、変圧器１５の巻線の一方端子Ａとの間に接続される。波尾調整用インダクタ１１は、雷インパルス電圧の波尾長を調整するために設けられている。波頭調整用インダクタ１３と抵抗素子１２は、変圧器１５の巻線の一方端子Ａと接地電圧ＧＮＤのラインとの間に直列接続される。波頭調整用インダクタ１３は、雷インパルス電圧の波頭長を調整するために設けられている。

試験対象の変圧器１５の巻線の他方端子Ｂは、接地電圧ＧＮＤのラインに接続される。変圧器１５の巻線は、端子Ａ，Ｂ間に並列接続された抵抗素子１６、コンデンサ１７、およびインダクタ１８と等価になる。

次に、この雷インパルス電圧試験装置の動作について説明する。雷インパルス電圧試験装置と試験対象の変圧器１５とを図１で示したように接続し、充電器（図示せず）をオンして充電用コンデンサ５の充電を開始する。充電用コンデンサ５の端子間電圧が放電開始電圧に到達すると、放電スイッチ２の電極３，４間で放電が生じ、電極３，４間が導通する。これにより、充電用コンデンサ５の端子間電圧が、放電スイッチ２、抵抗素子６，７、グラニンガ回路１０、および波頭調整用インダクタ１３を介して変圧器１５の巻線の端子Ａ，Ｂ間に印加される。充電用コンデンサ５の端子間電圧が低下して放電停止電圧に到達すると、電極３，４間の放電が停止して放電スイッチ２が非導通になり、雷インパルス電圧の印加が停止される。雷インパルス電圧の印加によって変圧器１５が破損したか否かによって、その変圧器１５の雷インパルス電圧に対する耐性の高低が判断される。

次に、試験対象の変圧器１５の巻線のインダクタンスが低く、かつ巻線の静電容量値が大きい場合に、雷インパルス電圧波形を調整する方法について説明する。まず、放電用抵抗素子６の抵抗値、制動用抵抗素子７の抵抗値、波尾調整用インダクタ１１のインダクタンス、および抵抗素子１２の抵抗値を調整して、雷インパルス電圧波形の波尾長を所望の範囲（たとえば、４０〜６０μsec）に調整する。この段階では、波頭調整用インダクタ１３のインダクタンスを最小値に設定しておく。

図２（ａ）（ｂ）は、波尾長の調整が終了したときの雷インパルス電圧（変圧器１５の巻線の端子Ａ，Ｂ間の電圧ＶＡＢ）の波形を例示するタイムチャートである。図２（ａ）（ｂ）では、波尾長Ｔ２は所望の範囲内になったが、波頭長Ｔ１は所望の範囲（たとえば０．８４〜１．５６μsec）よりも長過ぎる状態が示されている。なお、ここでは調整の簡単化および迅速化のため、電圧ＶＡＢが０Ｖから上昇し、波高値を経て波高値の５０％まで低下するのに必要な時間を波尾長Ｔ２とした。また、波高値の３０％点と９０％点を通る直線が時間軸と交わる規格原点から、その直線が波高値を示す直線と交わる点までの時間を波頭長Ｔ１とした。

図３（ａ）（ｂ）は、波頭調整用インダクタ１３の端子Ｃ，Ｄ間の電圧ＶＣＤの波形を示すタイムチャートである。図３（ａ）（ｂ）から、インダクタ１３を設けることにより急峻な電圧成分ＶＣＤが発生し、この電圧ＶＣＤを調整することにより、雷インパルス電圧ＶＡＢの立ち上がり峻度を調整可能であることが分かる。

次に、波頭調整用インダクタ１３を調整して波頭長Ｔ１を短くする。すなわち、波頭調整用インダクタ１３のインダクタンスを順次大きくし、その都度、雷インパルス電圧ＶＡＢの波形を観察する。波頭長Ｔ１が所望の範囲内になるまで、繰り返し調整を行なう。図４（ａ）（ｂ）は、波頭調整が完了したときの雷インパルス電圧ＶＡＣの波形を例示するタイムチャートである。図４（ａ）（ｂ）では、波頭長Ｔ１を所望の範囲内（たとえば０．８４〜１．５６μsec）まで短くすることができ、かつ、波尾長Ｔ２も所望の範囲内（たとえば、４０〜６０μsec）である状態が示されている。

波頭調整用インダクタ１３のインダクタンスの調整は、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、複数（たとえば３つ）のインダクタ２０〜２２を直列または並列に接続することにより行なえばよい。インダクタ２０〜２２のインダクタンスは、それぞれ１０μＨ、２０μＨ、および３０μＨである。

図５（ａ）は、３つのインダクタ２０〜２２を並列接続して合成インダクタンスを最小化した場合を示しており、インダクタ２０〜２２の合成インダクタンスは５．５μＨとなる。図５（ｂ）は、インダクタ２０，２１を並列接続し、それにインダクタ２２を直列接続した場合を示しており、インダクタ２０〜２２の合成インダクタンスは３７μＨとなる。図５（ｃ）は、３つのインダクタ２０〜２２を直列接続して合成インダクタンスを最大化した場合を示しており、インダクタ２０〜２２の合成インダクタンスは６０μＨとなる。また、３つのインダクタ２０〜２２のうちのいずれか１つを単独で使用してもよいし、それらのうちのいずれか２つを直列または並列接続して使用してもよい。

この実施の形態では、試験対象の変圧器１５の巻線が低インダクタンスかつ大静電容量である場合、その巻線の端子Ａ，Ｂ間に波頭調整用インダクタ１３とグラニンガ回路１０の抵抗素子１２とを直列接続し、制動用抵抗素子７の抵抗値を変化させずに、インダクタ１３のインダクタンスを調整して波頭長Ｔ１を調整する。したがって、波尾長Ｔ２に影響することなく波頭長Ｔ１を調整することができ、雷インパルス電圧波形を簡便に調整することができる。

なお、この実施の形態では、波頭調整用インダクタ１３のインダクタンスを調整するだけで波頭長Ｔ１を調整したが、波頭長Ｔ１を微調整するために、波尾長Ｔ２に影響しない範囲内で制動用抵抗素子７の抵抗値を調整してもよい。

また、波頭調整用インダクタ１３のインダクタンスの調整は、複数のインダクタ２０〜２２の接続方法を変更することによって実施したが、インダクタ１３を構成するコイルに鉄心を挿入したり、そのコイルの巻数を変更することによって実施してもよい。

また、雷インパルス電圧試験装置の試験対象として変圧器１５を使用したが、図１に示したように、等価回路が抵抗素子１６とコンデンサ１７とインダクタ１８の並列接続体で示される電気機器を試験対象として使用可能であることは言うまでもない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の一実施の形態による雷インパルス電圧試験装置の構成を示す回路図である。 図１に示した雷インパルス電圧試験装置の動作を説明するためのタイムチャートである。 図１に示した雷インパルス電圧試験装置の動作を説明するための他のタイムチャートである。 図１に示した雷インパルス電圧試験装置の動作を説明するためのさらに他のタイムチャートである。 図１に示した波頭調整用インダクタのインダクタンス調整方法を示す回路図である。

符号の説明

１ インパルス電圧発生回路、２ 放電スイッチ、３，４ 電極、５ 充電用コンデンサ、６ 放電用抵抗素子、７ 制動用抵抗素子、１０ グラニンガ回路、１１ 波尾調整用インダクタ、１２ 抵抗素子、１３ 波頭調整用インダクタ、１５ 変圧器、１６ 抵抗素子、１７ コンデンサ、１８,２０〜２２ インダクタ、Ａ,Ｂ,Ｃ,Ｄ 端子。

Claims (2)

1. 試験対象の変圧器の巻線の一方端子に雷インパルス電圧を印加する雷インパルス電圧試験装置であって、
   前記雷インパルス電圧を発生するインパルス電圧発生回路と、
   前記雷インパルス電圧の波形を調整する波形調整回路とを備え、
   前記変圧器の巻線の他方端子は基準電圧のラインに接続され、
   前記インパルス電圧発生回路は、
   所定のギャップを開けて配置され、それらの間の電圧が放電開始電圧に到達したことに応じて導通する第１および第２の電極を有する放電スイッチと、
   前記第１の電極と前記基準電圧のラインとの間に接続されたコンデンサと、
   前記第２の電極と前記基準電圧のラインとの間に接続された第１の抵抗素子と、
   前記第２の電極と前記変圧器の巻線の一方端子との間に接続される第２の抵抗素子とを含み、
   前記波形調整回路は、
   前記第２の電極と前記変圧器の巻線の一方端子との間に接続され、前記雷インパルス電圧の波尾長を調整するための第１のインダクタと、
   一方端子が前記変圧器の巻線の一方端子に接続され、前記雷インパルス電圧の波頭長を調整するための第２のインダクタと、
   前記第２のインダクタの他方端子と前記基準電圧のラインとの間に接続された第３の抵抗素子とを含み、
   前記コンデンサが充電されて前記第１および第２の電極間の電圧が前記放電開始電圧に到達したことに応じて前記雷インパルス電圧が発生する、雷インパルス電圧試験装置。
2. 前記第２のインダクタのインダクタンスは調整可能になっている、請求項１に記載の雷インパルス電圧試験装置。

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