绝缘诊断装置以及绝缘诊断方法

摘要

一种绝缘诊断装置以及绝缘诊断方法，在利用电磁波检测局部放电的情况下，在包括较多突发噪声、通信波的环境中也能够可靠地检测气体绝缘开关器等电气设备的劣化。本发明进行如下的处理：在所检测到的背景噪声值大于基准BGN值的情况下，判断为还存在较多噪声成分，通过依次增加L的值，再次以相同的过程重复进行从信号电平的最大值起去除L个数据的处理，能够检测到埋没于噪声中的局部放电信号。

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体绝缘设备(GIS(Gas InsulatedSwitchgear：气体绝缘开关设备)、GCB(Gas Circuit Breaker：气体断路器))、电力变压器等电力设备的绝缘诊断方法以及装置。

背景技术

在气体绝缘开关器、电力变压器等电力电气设备中，当绝缘异常时会产生局部放电(PD：Partial Discharge)。通过监视局部放电来检测达到绝缘击穿之前的状态，因此能够检测出潜在的缺陷、制造上的偏差。

在局部放电的检测中，主流是：通过监视由局部放电产生的电磁波来检测局部放电的电磁波检测方法(参照专利文献1、专利文献2)。在利用电磁波的局部放电检测中，利用了如下所示的局部放电特征。如图1所示，在空间频率特性上，在通信波、广播波所存在的频带中，电磁波电平变高。也就是说，如果空间的通信波、广播波较少，则电磁波电平整体上变低。与此相对地，如图2所示，在气体绝缘开关器等中，当产生局部放电时，遍及VHF带或UHF带的宽频带而产生电磁波。已知，这些局部放电由于原因不同而其所产生的方式、电平不同，但是这些局部放电与所施加的电压的频率同步，在电压峰值点附近、零交叉点附近等处产生电磁波(参照非专利文献1)。

为了排除由于外部噪声所引起的错误判断，使用如下的方法。为了将由局部放电引起的电磁波与外部噪声分开来检测局部放电，公开了如下的绝缘诊断装置(参照专利文献1)：具有局部放电检测天线和仅检测外部噪声的噪声天线，通过对来自这两个天线的信号进行差动运算来去除外部噪声，根据该差动运算得到的数据算出周期性的峰值点和商用电源周期的1/4周期点来进行比较，由此检测局部放电。

另外，如图3的(a)所示，即使想要使用示波器(oscilloscope)来在时间上同步地观察图2的产生局部放电的状态，也由于通信波等驻波的影响而难以确认与所施加的电压的频率之间的同步性。为了解决该问题，如图3的(b)所示，需要进行如下处理：利用滤波器等来监视不存在广播波的窄频带的频率，或者屏蔽通信波等的已知频率。

如果能够获取如图3的(b)所示的波形，则能够容易地实现局部放电的判断。使用该图来说明以往的判断方法(后述的图7中的S8)。如前面所叙述的那样，局部放电具有与电压的相位同步地产生的特征。图3的(b)的波形是获取与两个周期相当的数据而得到的，如图4所示那样将该数据的波形分为前一个周期和后一个周期(时间轴上1的位置与51的位置的相位相同)。使图4的前一个周期和后一个周期的相位同步来进行比较，当将同一相位的前一个周期和后一个周期中的电平较低的一方设为代表值来重画波形时，成为如图5所示的检测代表值的波形。此时，如果在前一个周期和后一个周期中存在相位同步的电磁波，则出现如图5所示的高电平。如果在测量局部放电的电平处该高电平大于预先设定的基准放电值，则有可能产生了局部放电。相位不同步的成分、即非局部放电的电平较高的噪声被完全去除。将峰值点附近的代表值(局部放电值)与从峰值点偏移1/4周期的点附近的代表值(BGN值：背景噪声(background noise))进行比较(后述的图7中的S11)，如果两者之间具有大于等于预先设定的值(TH_DEF)的差(后述的图7中的S12)，则判断为产生了局部放电。

作为峰值点附近的代表值的决定方法，使用最高值附近的几个数据的平均值或稍低于最高值的数据值来算出上述峰值点附近的代表值。同样地，从峰值点偏移1/4周期的点附近的代表值也只要使用该点附近的几个数据的平均值或稍低于该点的数据值来算出即可。本以往例中使用与两个周期相当的数据来进行说明，但是当然也可以使用三个周期以上的数据。在这种情况下，代表值既可以设为三个数据值中的最小值，也可以设为中间值。通过利用这种步骤来解析电磁波信号，来确定是否产生了局部放电，以用于电力设备的绝缘诊断。

专利文献1：日本特开2001-249156号公报

专利文献2：日本特开2008-45977号公报

非专利文献1：電協研44巻第2号P54～55「ガス絶縁機器の信頼性向上対策」(昭和63年10月15日発行)

发明内容

发明要解决的问题

然而，这种由局部放电引起的电磁波的电平根据检测天线的灵敏度和频率特性、方向或局部放电产生情形而不同，因此为了高可靠性地诊断局部放电，需要使用大量的频率进行诊断。

另外，在一般的测量环境下，有时会产生具有影响局部放电测量的电平的连续或突发的生活噪声。在这种状况下难以确认局部放电。图6的(a)表示产生这种噪声并且产生了局部放电的情况。图6的(b)表示产生了这种噪声但是未产生局部放电的情况。从这些图中还明显可知：根据噪声的产生状况来确认局部放电是非常困难的。因此，寻求一种无论噪声的种类、产生状况、诊断状况如何都能够无错误地进行诊断且在产生局部放电时可靠地捕捉其产生状况的技术。

用于解决问题的方案

为了解决上述问题，本发明中提供一种绝缘诊断装置，其具备：传感器，其检测电磁波；取入单元，其以预定的采样频率，按监视频带中的每个频率对来自上述传感器的与商用电源的至少两个周期相当的电磁波进行采样，来取入规定的电磁波数据，其中，在上述监视频带中的各频率下的采样开始相位相同；排列单元，其将由上述取入单元取入的规定的电磁波数据排列在以采样时间、频率、信号电平为坐标轴的三维空间中；重新排列单元，其按每个采样时间，将排列在上述三维空间中的电磁波数据按信号电平的从大到小的顺序重新排列；提取单元，其按每个采样时间，提取上述重新排列后的电磁波数据中的、从信号电平的最大值起的第L个位次上的电磁波数据，其中，该L为规定的自然数；显示单元，其在以采样时间、信号电平为坐标轴的二维空间中显示上述提取出的电磁波数据；一个周期数据制作单元，其使上述显示单元所显示的电磁波数据的各个周期数据的相位同步，将每个周期数据中同一相位处规定位次的电平设为代表值，来制作一个周期的数据；以及运算单元，其运算出上述一个周期的数据的峰值点附近的测量放电电平的代表值和从上述峰值点偏移1/4周期的点附近的背景噪声的代表值，其中，在上述运算单元所运算出的背景噪声的代表值大于基准背景噪声值的情况下，判断为仍存在较多的噪声成分，将上述L的值增加1，之后重复进行上述提取、显示、制作以及运算处理，直到背景噪声的代表值小于基准背景噪声值为止，由此去除噪声成分；在上述背景噪声的代表值小于基准背景噪声值的情况下，如果上述峰值点附近的测量放电电平的代表值大于预先设定的基准放电值、并且从上述峰值点附近的测量放电电平的代表值中减去上述背景噪声的代表值得到的值大于预先设定的基准值，则判断为产生了局部放电。

另外，在本发明中提供一种绝缘诊断方法，其具备以下步骤：检测步骤，检测电磁波；取入步骤，以预定的采样频率，按监视频带中的每个频率对通过上述检测步骤检测出的与商用电源的至少两个周期相当的电磁波进行采样，来取入规定的电磁波数据，其中，在上述监视频带中的各频率下的采样开始相位相同；排列步骤，将通过上述取入步骤取入的规定的电磁波数据排列在以采样时间、频率、信号电平为坐标轴的三维空间中；重新排列步骤，按每个采样时间，将排列在上述三维空间中的电磁波数据按信号电平的从大到小的顺序重新排列；提取步骤，按每个采样时间，提取上述重新排列后的电磁波数据中的、从信号电平的最大值起的第L个位次上的电磁波数据，其中，该L为规定的自然数；显示步骤，在以采样时间、信号电平为坐标轴的二维空间中显示上述提取出的电磁波数据；一个周期数据制作步骤，使通过上述显示步骤所显示的电磁波数据的各个周期数据的相位同步，将每个周期数据中同一相位处规定位次的电平设为代表值，来制作一个周期的数据；以及运算步骤，运算出上述一个周期的数据的峰值点附近的测量放电电平的代表值和从上述峰值点偏移1/4周期的点附近的背景噪声的代表值，其中，在通过上述运算步骤运算出的背景噪声的代表值大于基准背景噪声值的情况下，判断为仍存在较多的噪声成分，将上述L的值增加1，之后重复进行上述提取、显示、制作以及运算处理，直到背景噪声的代表值小于基准背景噪声值为止，由此去除噪声成分；在上述背景噪声的代表值小于基准背景噪声值的情况下，如果上述峰值点附近的测量放电电平的代表值大于预先设定的基准放电值、并且从上述峰值点附近的测量放电电平的代表值中减去上述背景噪声的代表值得到的值大于预先设定的基准值，则判断为产生了局部放电。

发明的效果

根据本发明，对于突发噪声、通信波等驻波型噪声，能够不区分其种类而有效地去除。另外，由于不需要对每个区域分别设定不需要的频率，因此具有使处理简单的效果。

附图说明

图1是表示空间频率特性的图(300MHz～800MHz)。

图2是表示产生局部放电时的频率特性的图(300MHz～800MHz)。

图3是表示(对商用电源的两个周期采样100次的情况下的)时域特性的图，(a)是表示监视频带为300MHz～800MHz的情况的图，(b)是表示监视频带为320MHz～400MHz的情况的图。

图4是表示图3的(b)的两个周期的图，(a)表示前一周期，(b)表示后一周期。

图5是表示根据图4求出的检测代表值的波形的图。

图6是产生噪声时的频率特性(300MHz～800MHz)的图，(a)是表示存在噪声并存在局部放电的情况的图，(b)是表示存在噪声但不存在局部放电的情况的图。

图7是示意性地表示本发明的绝缘诊断装置的内部结构的图。

图8是表示本发明的处理的一例的流程图。

图9是用于说明数据获取中的频率变更的图。

图10是用于说明对所获取到的数据进行保存的排列方式的图。

图11是表示时间-频率-电平(电场强度)的三维波形的图。

图12是按每个时间轴将图11的时间轴T(N)上的所有频率数据按电场强度的从大到小的顺序来排序而得到的图。

图13是时间轴T(N)上的各频率的电磁波电平的排序位次图，(a)表示N＝15的情况，(b)表示N＝35的情况。

图14是表示从图12的排序得到的图中切取第L个位次的数据的图。

图15是以二维图表示被切取的面的图。

图16是表示在产生局部放电而未产生过大噪声的情况下基于L提取数据的例子的图。

图17是用于说明将所得到的二维图的数据分割并叠加为一个周期的图。

图18的(a)是表示没有自动去除通信波等的情况(不存在局部放电的情况)的图，图18的(b)是表示自动去除通信波等的情况(不存在局部放电的情况)的图。

图19是时间轴T(N)上的各频率的电磁波电平的排序位次图，(a)表示N＝15的情况，(b)表示N＝41的情况。

图20是表示良好地进行了通信波等的自动去除(存在局部放电的情况)的图，(a)表示没有自动去除通信波的情况，(b)表示自动去除通信波的情况，示出良好地进行了自动去除的情况。

图21是表示产生过大生活噪声时的时间-频率特性的图。

图22是时间轴T(N)上的各频率的电磁波电平的排序位次图。(a)表示N＝5的情况，(b)表示N＝19的情况。

图23是表示自动去除通信波等(存在局部放电)的情况的图，其中L＝10，(a)表示没有自动去除通信波的情况，(b)表示在自动去除通信波的情况下没有良好地发挥自动去除功能。

图24是表示自动去除通信波等(存在局部放电)的情况的图，其中L＝25，(a)表示没有自动去除通信波的情况，(b)表示在自动去除通信波的情况，示出良好地发挥了自动去除功能的图。

图25～图30是表示通过变更L从过大噪声波形中提取部分放电波形的提取例的图。

具体实施方式

在下面所示的方法中，即使产生了具有按每个区域而不同的频率、电平的通信波或突发的过大噪声，也能够不设定频率、阈值等而以一种判断方法高可靠性地诊断局部放电的产生状况。

图7是示意性地表示本发明的绝缘诊断装置的内部结构的图。在图7中，传感器1检测电磁波，取入部2对由传感器1检测得到的电磁波进行采样，来取入规定的电磁波数据。排列部3将由取入部2取入的电磁波数据排列在以采样时间、频率、信号电平为坐标轴的三维空间中，排序部4将由排列部3排列后的数据按信号电平的从大到小的顺序进行排序。提取部5提取由排序部4排序后的电磁波数据中的、从信号电平的最大值起的规定位次上的数据，显示部6将由提取部5提取出的电磁波数据以时间为基准显示在二维空间中。一个周期数据制作部7根据多个周期的数据制作与一个周期相当的数据，运算部8对由一个周期数据制作部7制作出的与一个周期相当的数据中的局部放电值的代表值和背景噪声的代表值进行运算，判断部9进行用于确定局部放电的各种判断。上述各部分通过总线10相连接。

下面，参照图8的流程图来说明本发明的处理的一例。

①数据获取

首先，例如，将与商用电源的两个周期相当的电磁波数据分割成100份来对电磁波进行采样，在各频率下同步地进行该采样(S1～S4)。下面，具体示出数据获取算法。

条件：

  FRQ       ：50Hz地区  可变设定  ：  50或60Hz  RF_DIV    ：100       可变设定  ：  将指定的频带分割成100份  TIM_DIV   ：100       可变设定  ：  将与商用电源的两个周期相当的                                      数据分割成10份

其中，FRQ表示商用电源的频率，RF_DIV是频带的分割数，TIM_DIV是获取周期的分割数。

如下获取数据：在100个频率(将任意的频带分割成100份)下，将与商用电源的两个周期相当的电磁波数据分割成100份来获取数据。即，以100个数据×100个频率来获取10000个数据。(关于数据排列，在下面详细说明。)

图9是用于说明数据获取中的频率变更的图。在步骤S4的频率变更中，由于需要在每个频率下以与商用电源同步的定时获取数据，因此将从开始获取频率f1的数据起到获取频率f2的数据为止的时间设为1/FRQ的M倍、即商用电源的M倍周期。M是任意的自然数。在下述的例子中，设为获取与商用电源的两个周期相当的数据而对频率变更设定一个周期的时间，但是如果获取与商用电源的M个周期相当的数据(例如三个周期以上的数据)，则也可以对频率变更设定两个周期以上的时间。

关于同步，既可以以电压的零交叉点为基准进行同步，也可以以任意的相位进行同步。重要的是，只要各频率的采样开始相位相同即可。即，频率f(n)的时间轴T(k)的数据与频率f(n+1)的时间轴T(k)的数据的施加电压相位是相同的。

此外，获取周期数只要为最少两个周期即可，但是当然也可以是三个周期以上。增加获取周期数可以增加可靠性。另外，与商用电源的两个周期相当的数据的分割数和频带的分割数也可以是100以外的数字。分割数越小，可靠性越低，分割数越大，则可靠性越高。

②数据排序

将这样检测出的电磁波获取数据排列在以采样时间、频率、信号电平为坐标轴的三维空间中(S5)。

具体地说，首先将上述获取的100个数据×100个频率的10000个数据以如图10所示的排列来保存数据。

接着，如图11所示，将上述保存的数据排列在以采样时间、频率、信号电平(电场强度)为坐标轴的三维空间中。

然后，如图12所示，按每个时间轴将图11的时间轴T(N)上的所有的电磁波数据按电场强度的从大到小的顺序依次进行排序。此时，影响局部放电的判断的作为驻波的通信波位于排序位次较高的一方。在所有时间轴T(N)(N＝1～100)上进行这种排序(S6)。在本实施例中，N＝1～100，图13的(a)表示N＝15的情况，图13的(b)表示N＝35的情况。

如图14所示，在排序得到的三维图中切取(提取)第L个位次上的数据。如果将所切取(提取)的面表示为二维图则成为图15。通过提取第L个位次上的数据并以时间为基准来表示，能够自动地去除局部放电判断中不需要的高电平的通信波(S7)。

图16是表示在产生局部放电而未产生过大噪声的情况下基于L提取数据的例子的图。将排列在三维空间中的数据(如图16的(a)所示)按所有时间轴中的每个时间轴进行排序(如图16的(b)所示)，从排序得到的信号群中，从各T(x)中提取由L指定的位次的信号。若L＝10，则成为图16的(c)所示的二维图，若L＝25，则成为图16的(d)所示的二维图，若L＝45，则成为图16的(e)所示的二维图。

此外，在上述的例子中，在整个频带中进行排序，但是也可以将频带分割成X个(X为任意的自然数)，对分割得到的各频带进行排序、提取。在这种情况下，分别算出X个PD值(局部放电值)和BGN值，因此既可以根据PD值和BGN值的各数据的最大值判断局部放电，也可以总体地设定判断规则来进行判断。

下面，使用这样导出的二维图来进行判断。

③判断

在进行判断时，将得到的二维图的数据分割并叠加为一个周期(S8)。下面，参照图17来具体说明。图17的(a)的波形是获取与两个周期相当的数据而得到的，将该数据的波形如图17的(b)所示那样分为前一个周期和后一个周期。当将图17的(b)的前一个周期和后一个周期叠加时成为如图17的(c)所示的波形。在提取前一个周期和后一个周期中同一相位的两者的电平的较小值时，成为如图17的(d)所示的检测代表值的波形。

在获取三个周期以上的数据的情况下，也同样分割并叠加为一个周期的数据。

在上述说明中，在制作成一个周期的数据时提取最小值，但是在获取三个周期以上的数据的情况下，也可以不是最小值而是稍低于最大值的数据值。

将利用上述方法得到的一个周期的数据的最大值或稍低于最大值的数据值设为PD值(局部放电值)。

将最大值的时间序列DD_**(其中，**表示时间序列点)设为DP，求出从DP前后偏移1/4周期的时间序列点，从中算出BGN值。

例如，在图17的(d)的情况下作为最大值的峰值点的时间序列是DD_35，从该峰值点前后偏移1/4周期的点是DD_22和DD_48，在这种情况下，既可以利用对上述情况下的DD_22和DD_48进行比较得到的最小值来算出BGN值，也可以利用DD_22和DD_48的前后P个数据的中间值或第P个值来算出BGN值(P是任意的自然数)。

下面，说明当噪声电平较大的情况下的噪声去除。图18是对图1所示的没有产生局部放电的状态应用上述方法的结果(将与商用电源的两个周期相当的数据分割成100份，L＝10)，图18的(a)表示没有自动去除通信波的情况，图18的(b)表示自动去除通信波的情况。

当将上述方法应用于图2所示的产生局部放电的状态时，能够得到图19、图20的结果(将与商用电源的两个周期相当的数据分割成100份，L＝10)。从这些图18的(b)、图20的(b)也可知：通过本发明，适当地自动去除了通信波等噪声。

然而，如图21～图23所示，在产生局部放电的状态下，如果产生大量的过大的生活噪声，则也存在噪声去除功能没有良好地发挥功能的情况。从图23明显可知噪声电平仍较高。

噪声去除以及部分放电判断

因此，在噪声电平仍较高的情况下(S9)、即BGN＞基准BGN值(TH_BGN)的情况下，判断为仍存在大量的噪声成分，增加L的值，并变更用于判断局部放电的基准值(S10)，之后从上述数据切取(提取)作业开始再次实施，由此如图24的(b)所示那样能够检测出埋没于噪声中的局部放电信号。

下面，示出通过变更L来从过大噪声波形中提取局部放电波形的提取例。

图25表示对在产生了大量的过大噪声的情况下获取的数据进行排列得到的结果。图26是表示将图25所示的数据排序得到的结果的图。图27是表示将L设为15来切取的结果的图。将切取(提取)的面表示为二维图时成为图28。在图28中，BGN＝-79dBm，PD＝-78dBm。

当设为TH_BGN＝-85时，关于L，重复进行步骤S10、S7、S8，直到从TH_BGN＜BGN变为TH_BGN＞BGN为止。

如图29所示，当将L设为25来切取时，得到图30所示的二维图。在图30中，BGN＝-87dBm，PD＝-81dBm。此时，满足TH_BGN＞BGN，能够判断局部放电。

当BGN小于预先设定的TH_BGN时，将DEF值与预先设定的TH_DEF相比较，来判断是否发生了局部放电(S11～S12)。

此外，在变更L的值的情况下，有时需要修改用于最终判断局部放电的基准值(TH_DEF)的值。该修改值既可以是固定值，也可以通过使用预先基于如图18的(b)那样的排序特性运算得到的结果来设为可变(S10)。在这种情况下，使L的值递增并对TH_BGN进行加权，再次从上述②的数据切取(提取)作业起开始实施。

产业上的可利用性

本发明例如能够应用于气体绝缘开关器等的监视局部放电的电力设备的诊断装置。