JP5596525B2 - 固体絶縁物内部欠陥検出システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、欠陥検出対象物に対し放射線を照射しながらその固体絶縁物の部分放電を測定することにより当該固体絶縁物内部の欠陥を検出する固体絶縁物内部欠陥検出システムに関する。

モールド変圧器などの樹脂モールドされた高電圧機器では、導体と樹脂との界面での剥離や樹脂内部のボイドといった欠陥の有無を検出するため、固体絶縁物である樹脂に所定の電圧を印加して部分放電を測定することが行われている。このような固体絶縁物内部の欠陥で発生する部分放電は、放電開始電圧以上の電圧が印加されても、実際に放電が発生するまでに数分から数時間にも及ぶ時間遅れが生じる場合があり、放電が観測されないために欠陥がないと誤判定することがあった。

こうした問題点に対して、固体絶縁物にＸ線を照射しながら部分放電を測定することで放電の時間遅れ現象を解消する提案がなされている。部分放電が発生するにはボイド内部に放電の種となる初期電子が必要であり、通常は宇宙線や紫外線のエネルギーにより固体絶縁物周囲の気体が電離して供給されることが多い。しかし、固体絶縁物内部には宇宙線や紫外線が到達しづらく、初期電子が不足している状態にある。Ｘ線を固体絶縁物に照射すると、ボイド内部の気体の電離を促進させて初期電子を供給することができ、ひいては部分放電の発生を促すことができる。

特開平９−１０５７６６号公報 特開平９−１２７１８２号公報 特開２０１０−６０５５９号公報

上述したように、欠陥検出対象物に対しＸ線などの放射線を照射すれば部分放電を促すことができるので、従来に比べて短い時間で部分放電測定作業または絶縁試験作業を終えることが期待されている。しかし、実際の作業では、Ｘ線の照射位置、Ｘ線の線量、部分放電の検出、印加電圧波形など多数の制御要素および検出情報が存在する。

オペレータがこれら多数の要素を適切に制御しながら、部分放電とノイズとを的確に識別し、欠陥の有無や欠陥位置を正確に判定するには、あまりにも煩雑で困難な作業となる。また、Ｘ線を照射するので欠陥検出対象物を放射線遮蔽ボックスの中に設置する必要があるが、オペレータは欠陥検出対象物を含むＸ線照射装置の動作状態を外部から確認できないため、作業性を一層低下させる原因となっている。

そこで、欠陥検出対象物に放射線を照射しながらその固体絶縁物の欠陥を検出する作業を、効率よく且つ誤判定なく容易に実施することが可能な固体絶縁物内部欠陥検出システムを提供する。

実施形態の固体絶縁物内部欠陥検出システムは、欠陥検出対象物に対し放射線を照射しながらその固体絶縁物の部分放電を測定することにより当該固体絶縁物内部の欠陥を検出する。この固体絶縁物内部欠陥検出システムは、欠陥検出対象物の固体絶縁物に放射線を照射する放射線照射手段と、放射線照射手段が照射する放射線量を制御する放射線量制御手段と、放射線照射手段が照射する放射線の欠陥検出対象物における位置を制御する放射線照射位置制御手段と、固体絶縁物内部で発生する部分放電を検出する部分放電検出手段と、固体絶縁物に電圧を印加する電圧印加手段と、マンマシンインターフェース手段とを備える。マンマシンインターフェース手段は、表示手段を有し、放射線量制御手段、放射線照射位置制御手段、部分放電検出手段および電圧印加手段を制御するとともに、欠陥検出対象物の外形、放射線照射位置、部分放電検出信号波形および印加電圧波形を表示手段の同一画面に表示する。

第１の実施形態を示す固体絶縁物内部欠陥検出システムの全体構成図 ディスプレイ装置の画面表示の一例を示す図 ボイドを包含した固体絶縁物試料に対するＸ線量と部分放電開始電圧との関係を示す図 欠陥検出対象物にＸ線ビームを照射した場合のＸ方向から見た図 第２の実施形態を示す図２相当図 第３の実施形態を示す図２相当図

（第１の実施形態）
以下、図１ないし図４を参照しながら第１の実施形態を説明する。図１は、欠陥検出対象物に対して放射線を照射するための構造と電気的なブロック構成とを組み合わせて示す固体絶縁物内部欠陥検出システムの全体構成図である。ここでは、放射線としてＸ線を使用しており、外部から目視不能なＸ線遮蔽ボックスＳＢの内部は透過的に示している。

固体絶縁物内部欠陥検出システム１は、欠陥検出対象物である変圧器２に対しＸ線を照射しながら変圧器２の樹脂モールド部分における部分放電を測定することにより、導体と樹脂２ａ（固体絶縁物）との界面での剥離、樹脂２ａ内部のボイドなどの欠陥を検出するシステムである。この固体絶縁物内部欠陥検出システム１は、電源装置３（電圧印加手段）、部分放電検出装置４（部分放電検出手段）、Ｘ線照射装置５（放射線照射手段）、Ｘ線量制御装置６（放射線量制御手段）、Ｘ線モジュール移動装置７（放射線照射位置制御手段）、パーソナルコンピュータ８（マンマシンインターフェース手段）などを備えて構成されている。

電源装置３は、正弦波電圧を生成する電圧波形制御装置９、その正弦波電圧を増幅するアンプ１０、および正弦波電圧を昇圧して電源線１２に出力する変圧器１１から構成されている。この電源装置３は、Ｘ線遮蔽ボックスＳＢ内に設置された変圧器２の樹脂モールド部分に、パソコン８からの指令に基づいた正弦波交流電源電圧を印加する。

部分放電検出装置４は、検出インピーダンス１３と部分放電信号出力装置１４とから構成され、変圧器２の樹脂２ａ内部の欠陥で発生した部分放電を検出し、その部分放電検出信号をパソコン８に出力する。検出インピーダンス１３は、電源線１２とグランドとの間に結合コンデンサ１５を介して接続されており、放電電流を電圧に変換する。部分放電信号出力装置１４は、変換された微小な電圧信号を増幅し波形整形した後、その部分放電検出信号をパソコン８に送信する。

Ｘ線照射装置５は、Ｘ線管とスリットを備えたＸ線モジュール１６、１７から構成されている。Ｘ線モジュール１６は図１に示す−Ｚ方向にＸ線ビームを照射し、Ｘ線モジュール１７は図１に示す＋Ｙ方向にＸ線ビームを照射する。これらＸ線モジュール１６、１７が照射するＸ線量（放射線量）は、パソコン８からの指令に基づきＸ線量制御装置６により制御される。

Ｘ線モジュール移動装置７は、Ｘ線遮蔽ボックスＳＢ内の天井面に配設されてＸ線モジュール１６をＸＹ平面にて移動させる移動装置７ａと、Ｘ線遮蔽ボックスＳＢ内の側面に配設されてＸ線モジュール１７をＸＺ平面にて移動させる移動装置７ｂと、パソコン８からの指令に基づき後述するモータ１９、２０、２２、２３の回転を制御する照射位置制御装置７ｃとから構成されている。

移動装置７ａは、ボールねじ機構１８により、モータ１９、２０の回転量に応じてＸ線モジュール１６をＸ方向、Ｙ方向に往復動させる。移動装置７ｂは、ボールねじ機構２１により、モータ２２、２３の回転に応じてＸ線モジュール１７をＸ方向、Ｚ方向に往復動させる。この構成により、Ｘ線モジュール１６、１７から照射されるＸ線ビームを、変圧器２の樹脂２ａ内部で交差させることができる。

パソコン８には、マンマシンインターフェース手段として動作するためのマンマシンインターフェースプログラム２４がインストールされている。マンマシンインターフェースプログラム２４は、電源装置３、部分放電検出装置４、Ｘ線量制御装置６およびＸ線モジュール移動装置７を制御するとともに、欠陥検出対象物である変圧器２の外形、Ｘ線照射位置、部分放電検出信号波形および印加電圧波形を含む制御情報および検出情報をディスプレイ装置２５（表示手段）の画面に表示する。

図２は、パソコン８がマンマシンインターフェースプログラム２４を実行することによりディスプレイ装置２５に表示する画面の一例を示している。欠陥検出対象物である変圧器２の外形２６、変圧器２におけるＸ線照射位置２７、部分放電検出信号波形２８および印加電圧波形２９が同一画面に表示されている。画面の右端部には、印加電圧３０、照射線量３１および測定周期３２が表示されている。

部分放電検出信号波形２８は、部分放電信号出力装置１４が出力した信号を示しており、１つのパルスが１回の部分放電に相当する。部分放電検出信号にはノイズが混入し易く、１つのパルスを観測しただけでは放電かノイズかの識別は難しい。そこで、図２では印加電圧の６周期分の部分放電検出信号を測定し表示している。その結果、オペレータは、複数の周期においてパルスが観測できた場合に部分放電が発生したと判定できる。

ディスプレイ装置２５は、タッチパネル形式の入力手段としても機能する。パソコン８は、マンマシンインターフェースプログラム２４に基づいて、画面の印加電圧３０の表示の下に、欠陥検出対象物への課電と停止（停電）を制御するボタン３３を表示する。オペレータがボタン３３の表示部に触れると、パソコン８に入力操作情報が入力され、電源装置３を介して欠陥検出対象物への課電と停止が制御される。また、画面の照射線量３１の表示の下に、Ｘ線照射の開始と停止を制御するボタン３４を表示する。オペレータがボタン３４の表示部に触れると、パソコン８に入力操作情報が入力され、Ｘ線量制御装置６を介してＸ線照射が制御される。

さらに、パソコン８は、マンマシンインターフェースプログラム２４に基づいて、画面の上端部および左端部にＸ線モジュール１６、１７の位置を操作するためのボタン３５〜４０を表示する。ボタン３５、３６はＸ線モジュール１６、１７を図１に示すＸ方向に移動させるボタン、ボタン３７、３８はＸ線モジュール１６をＹ方向に移動させるボタン、ボタン３９、４０はＸ線モジュール１７をＺ方向に移動させるボタンである。

オペレータがボタン３５〜４０の表示部に触れると、パソコン８に入力操作情報が入力される。パソコン８は、その入力操作情報に応じた移動指令信号を照射位置制御装置７ｃに出力する。これにより、対応するモータ１９、２０、２２、２３が正逆回転し、Ｘ線モジュール１６、１７がそれぞれＸ−Ｙ方向、Ｘ−Ｚ方向に移動する。これとともに、パソコン８は、ディスプレイ装置２５の画面上に変圧器２の外形２６に重ねて描画したＸ線照射位置２７を移動指令信号に基づいて該当する位置に移動させる。このようにすれば、オペレータはＸ線遮蔽ボックスＳＢ内にある変圧器２の任意の位置にＸ線を照射することができる。

次に、複数のＸ線ビームを交差させた場合の作用を説明する。図３はボイドを包含した固体絶縁物試料に照射するＸ線量を変化させて、Ｘ線照射中の部分放電開始電圧を実測した結果である。部分放電開始電圧を示す縦軸は、Ｘ線を照射しない場合の部分放電開始電圧を１として規格化している。横軸はＸ線量（放射線量）を示している。実測点間を結ぶ二点鎖線は、実測点の間を補完するための補助線である。Ｘ線量と部分放電開始電圧は反比例し、Ｘ線量が小さくなると部分放電開始電圧が高くなる傾向を有している。

図４は、欠陥検出対象物である変圧器２にＸ線モジュール１６、１７からＸ線ビームを照射した場合のＸ方向から観測した図である。Ｘ線モジュール１６から放射されたＸ線ビーム４１が部分放電を発生させるに十分な線量を有していると、Ｘ線ビーム４１が照射されているＺ方向の線領域のいずれかで部分放電が発生するので、欠陥の位置はＺ方向において不定となる。Ｘ線モジュール１７から放射されたＸ線ビーム４２についても、同様に欠陥の位置はＹ方向において不定となる。

そこで、パソコン８は、Ｘ線量制御装置６により、単一のＸ線ビーム４１、４２の線量を部分放電が発生する線量を下回る線量とし、Ｘ線モジュール１６から放射されたＸ線ビーム４１にＸ線モジュール１７から放射されたＸ線ビーム４２が加わることで、部分放電が発生する線量に到達するようにＸ線量を制御する。そのため、照射位置制御装置７ｃにより、Ｘ線モジュール１６のＸ座標とＸ線モジュール１７のＸ座標とが一致するように位置を制御し、Ｘ線モジュール１６から放射されたＸ線ビーム４１とＸ線モジュール１７から放射されたＸ線ビーム４２を所望の領域４３で交差させる。

図３を参照しながら説明すると、例えば０．５（規格化値）の電圧を変圧器２の樹脂２ａに印加した場合、線量Ｒ１を持つ単一の放射線ビームが通過する線領域では部分放電を発生させるのに線量が不足するが、線量Ｒ１を持つ２本のＸ線ビームが交差した領域４３では線量がＲ２（＝２×Ｒ１）となるため、部分放電を発生させるのに十分な線量となる。

これを別の見方をすれば、線量Ｒ１を持つ単一のＸ線ビームが通過する線領域では部分放電が発生せず、線量Ｒ１を持つ２本のＸ線ビームが交差した領域４３では部分放電が発生するような電圧例えば０．５（規格化値）の電圧を印加すればよい。これにより、Ｘ線ビーム４１と４２が交差した領域４３では、部分放電が発生するのに十分な線量に達して初期電子が供給され、領域４３でのみ部分放電を発生させることができるので、樹脂２ａ内部の欠陥位置を精度良く検出できるようになる。

以上説明したように、本実施形態の固体絶縁物内部欠陥検出システム１は、欠陥検出対象物である変圧器２に対しＸ線を照射しながら、巻線等をモールドしている樹脂２ａの部分放電を測定する。これにより、ボイドなどの欠陥内部の気体の電離を促進させて初期電子を供給し、より短時間に部分放電を発生させることができ、固体絶縁物内部の欠陥を効率良く検出することができる。

固体絶縁物内部欠陥検出システム１は、マンマシンインターフェース手段として機能するパソコン８を備え、欠陥検出対象物である変圧器２の外形２６、変圧器２におけるＸ線照射位置２７、部分放電検出信号波形２８および印加電圧波形２９をディスプレイ装置２５の同一画面に表示する。部分放電検出信号波形および印加電圧波形は、従来はオシロスコープなどの機器を準備して表示させていたものである。

この一元管理により、オペレータは、外部からは視認できないＸ線遮蔽ボックスＳＢ内にある変圧器２について、ディスプレイ装置２５を見ながらパソコン８を操作してＸ線照射位置を所望の位置に移動できるとともに、変圧器２におけるＸ線照射位置、部分放電検出信号波形および印加電圧波形を同時に確認できる。これにより、部分放電の発生によるパルス信号をノイズと識別し易くなり、効率よく且つ誤判定なく容易に欠陥を検出することができる。例えば、部分放電の発生の判断がつきにくい場合、オペレータは、画面上の部分放電検出信号波形および印加電圧波形を注視しながら、同一画面上に表示されるＸ線照射位置を確認しつつずらすことにより、部分放電によるパルスかノイズかをより正確に判断できる。

パソコン８は、上記画面に印加電圧３０、照射線量３１および測定周期３２を表示し、オペレータは、パソコン８を操作して印加電圧、照射線量および測定周期を変更できる。これにより、オペレータは、部分放電の発生条件である印加電圧と照射線量も同時に設定および確認でき、部分放電信号とノイズとをより確実に識別可能となる。また、パソコン８は、設定された周期分だけ部分放電検出信号波形２８および印加電圧波形２９を画面に表示するので、オペレータは、複数の周期においてパルスが観測できた場合に部分放電が発生したと判定することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について図５を参照しながら説明する。本実施形態の全体構成は第１の実施形態と同様である。画面表示を示す図５において、図２と同一部分には同一符号を付している。パソコン８は、Ｘ線照射の開始と停止を制御するボタン３４を画面に表示し、オペレータのボタン３４へのタッチ操作によりまたは自らの制御に基づいて欠陥検出対象物へのＸ線照射と停止を制御する。

部分放電信号出力装置１４が出力する信号には突発的なノイズが混入しやすく、１つのパルスを観測しただけでは放電かノイズかの識別は難しい。そこで、Ｘ線を照射した変圧器２において部分放電信号出力装置１４が出力する信号にパルスが観測された場合、Ｘ線照射位置はそのままで一旦Ｘ線照射を停止してパルスの消滅を確認し、再びＸ線を照射してパルスが出現するのを確認する。上述したように部分放電はＸ線照射によって励起されるので、Ｘ線照射を停止すると部分放電は発生しなくなる。Ｘ線の照射、停止、照射に対応して部分放電信号出力装置１４の出力信号にパルスが出現、消滅、出現すれば、部分放電が発生したと判断することができる。

パソコン８は、オペレータのボタン３３へのタッチ操作に応じてＸ線の照射と停止を順次繰り返す他、照射モードプログラムに基づいて自ら自動で行うこともできる。その際、ディスプレイ装置２５の同一画面に、Ｘ線の照射時、停止時、再度の照射時における部分放電検出信号波形２８と印加電圧波形２９を並べて表示する。オペレータは、これらの波形を互いに比較することにより、Ｘ線の照射の有無とパルス波形の発生の有無との関連性を容易に確認することできる。部分放電によるパルスは、Ｘ線照射とパルスの出現とが連動するので、本実施形態によれば部分放電とノイズとを精度良く識別できる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について図６を参照しながら説明する。本実施形態の全体構成は第１の実施形態と同様である。画面表示を示す図６において、図２と同一部分には同一符号を付している。パソコン８は、欠陥検出対象物への課電と停止を制御するボタン３３を画面に表示し、オペレータのボタン３３へのタッチ操作によりまたは自らの制御に基づいて欠陥検出対象物への課電と停止を制御する。

Ｘ線を照射した変圧器２において部分放電信号出力装置１４が出力する信号にパルスが観測された場合、一旦課電を停止してパルスの消滅を確認し、再び課電してパルスが出現するのを確認する。部分放電は、欠陥検出対象物にＸ線を照射し且つ課電することによって発生するので、課電を停止すると部分放電は発生しなくなる。課電、停止、課電に対応して部分放電信号出力装置１４の出力信号にパルスが出現、消滅、出現すれば、部分放電が発生したと判断することができる。

パソコン８は、オペレータのボタン３３へのタッチ操作に応じて課電と停止を順次繰り返す他、課電モードプログラムに基づいて自ら自動で行うこともできる。その際、ディスプレイ装置２５の同一画面に、課電時、停止時、再度の課電時における部分放電検出信号波形２８と印加電圧波形２９を並べて表示する。オペレータは、これらの波形を互いに比較することにより、課電の有無とパルス波形の発生の有無との関連性を容易に確認することできる。部分放電によるパルスは、課電とパルスの出現とが連動するので、本実施形態によれば部分放電とノイズとを精度良く識別できる。

（その他の実施形態）
以上説明した複数の実施形態に加えて以下のような構成を採用してもよい。
放射線はＸ線に限られず、例えばγ線であってもよい。また、欠陥検出対象物は変圧器に限られず、その他の電気機器であってもよい。
電源装置３において、アンプ１０により所望の電圧まで増幅できれば、変圧器１１は設けなくてもよい。
部分放電検出装置４は、検出インピーダンス１３に替えてＣＴを用いてもよい。

第１の実施形態では、部分放電検出信号を計測する期間として６周期を設定したが、必ずしも交流電源電圧の６周期分に限ることなく、少なくとも２周期以上とすることが好ましい。
第２の実施形態で、Ｘ線の照射時、停止時、再度の照射時においてそれぞれ複数周期分の部分放電検出信号波形２８と印加電圧波形２９を表示してもよい。また、Ｘ線の照射と停止を３回以上の複数回にわたり順次行ってもよい。

第３の実施形態で、課電時、停止時、再度の課電時においてそれぞれ複数周期分の部分放電検出信号波形２８と印加電圧波形２９を表示してもよい。また、課電と停止を３回以上の複数回にわたり順次行ってもよい。
第２の実施形態と第３の実施形態とを組み合わせてもよい。また、Ｘ線の照射と課電の組み合わせを種々に変えて、それぞれについての部分放電検出信号波形２８と印加電圧波形２９を表示してもよい。

各実施形態では、２本のＸ線ビームを異なった方向に照射するため、２つのＸ線モジュール１６、１７と移動装置７ａ、７ｂを備えたが、３本以上のＸ線ビームを異なった方向に照射するため、３つ以上のＸ線モジュールと移動装置を備えてもよい。この場合も、複数の放射線ビームが交差した領域が部分放電の発生に十分な放射線量となり、単一の放射線ビームが通過する領域が部分放電の発生に不足する放射線量となるように放射線量を制御する。
欠陥検出対象物の線領域の何れかで部分放電が生じていることを検出できれば十分である場合には、１つのＸ線モジュールと移動装置を備えて１本のＸ線ビームとしてもよい。

以上説明した実施形態によれば、欠陥検出対象物に対しＸ線を照射しながら固体絶縁物の部分放電を測定するので、より短時間に部分放電を発生させることができ、固体絶縁物内部の欠陥を効率良く検出することができる。また、固体絶縁物内部欠陥検出システムは、マンマシンインターフェース手段を備え、欠陥検出対象物の外形、Ｘ線照射位置、部分放電検出信号波形および印加電圧波形を同一画面に表示するので、部分放電の発生によるパルス信号をノイズと識別し易くなり、効率よく且つ誤判定なく容易に欠陥を検出することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

図面中、１は固体絶縁物内部欠陥検出システム、２は変圧器（欠陥検出対象物）、２ａは樹脂（固体絶縁物）、３は電源装置（電圧印加手段）、４は部分放電検出装置（部分放電検出手段）、５はＸ線照射装置（放射線照射手段）、６はＸ線量制御装置（放射線量制御手段）、７はＸ線モジュール移動装置（放射線照射位置制御手段）、８はパーソナルコンピュータ（マンマシンインターフェース手段）、２５はディスプレイ装置（表示手段）である。

Claims (4)

1. 欠陥検出対象物に対し放射線を照射しながらその固体絶縁物の部分放電を測定することにより当該固体絶縁物内部の欠陥を検出する固体絶縁物内部欠陥検出システムであって、
   前記欠陥検出対象物の固体絶縁物に放射線を照射する放射線照射手段と、
   前記放射線照射手段が照射する放射線量を制御する放射線量制御手段と、
   前記放射線照射手段が照射する放射線の前記欠陥検出対象物における位置を制御する放射線照射位置制御手段と、
   前記固体絶縁物内部で発生する部分放電を検出する部分放電検出手段と、
   前記固体絶縁物に電圧を印加する電圧印加手段と、
   表示手段を有し、前記放射線量制御手段、放射線照射位置制御手段、部分放電検出手段および電圧印加手段を制御するとともに、前記欠陥検出対象物の外形、放射線照射位置、部分放電検出信号波形および印加電圧波形を前記表示手段の同一画面に表示するマンマシンインターフェース手段とを備えたことを特徴とする固体絶縁物内部欠陥検出システム。
2. 前記放射線照射手段は、前記固体絶縁物に複数の放射線ビームを照射可能に構成され、
   前記放射線照射位置制御手段は、前記複数の放射線ビームのそれぞれについて前記欠陥検出対象物における照射位置を制御可能に構成され、
   前記マンマシンインターフェース手段は、前記放射線量制御手段により、前記複数の放射線ビームが交差した領域が部分放電の発生に十分な放射線量となり、単一の放射線ビームが通過する領域が部分放電の発生に不足する放射線量となるように放射線量を制御することを特徴とする請求項１記載の固体絶縁物内部欠陥検出システム。
3. 前記マンマシンインターフェース手段は、前記放射線照射手段を制御して、前記欠陥検出対象物に対する放射線の照射と停止を複数回にわたり順次行うことを特徴とする請求項１または２記載の固体絶縁物内部欠陥検出システム。
4. 前記マンマシンインターフェース手段は、前記電圧印加手段を制御して、前記欠陥検出対象物に対する課電と停止を複数回にわたり順次行うことを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の固体絶縁物内部欠陥検出システム。

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