JP2008151575A - 断線検出方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波パルスの伝搬速度が不均一でも断線位置を正確に推定できる断線検出方法を提供する。
【解決手段】電線ケーブル３に高周波パルスを反射する反射部材１０を取り付け、その電線ケーブル３に高周波パルスを注入して、該電線ケーブル３から戻ってくる反射波の波形を受信し、その反射波の波形から上記反射部材１０による部分波形と上記電線ケーブルの断線による部分波形とを抽出し、上記反射部材１０による部分波形を基準にして上記断線による部分波形を評価することにより、断線位置を推定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、高周波パルスの伝搬速度が不均一でも断線位置を正確に推定できる断線検出方法及びその装置に関する。

電線ケーブルは複数本の素線を撚り合わせて構成される。素線が若干本断線しても電線ケーブルが完全に断線したことにはならず、部分断線という。電線ケーブルの断線検出は、完全な断線はもとより、部分断線（＝素線の断線）も検出できることが望ましい。

従来の断線検出方法として、一般に、電線ケーブルの電気抵抗を測定する方法が用いられている。

このうち、第一の方法は、電線ケーブルの両端間に直流電圧を印加し、電線ケーブルに流れる電流と印加電圧とから直流抵抗を測定し、その直流抵抗が初期値（断線がないときの値）から変化したことで、部分断線が起きたことを検出する。

第二の方法は、特許文献１に記載のもので、電線ケーブルの両端間に交流電圧を印加し、電線ケーブルに流れる電流と印加電圧とから交流抵抗を測定し、その交流抵抗が初期値（断線がないときの値）から変化したことで、部分断線が起きたことを検出する。

特公平７−６９３７５号公報

従来の断線検出方法では、電線ケーブルの両端間に直流電圧又は交流電圧を印加して行うことから、電線ケーブルが活線状態（利用用途上での電圧が印加されている状態）では実施できない。そこで、活線状態でも行うことができる断線検出方法を本出願人は研究している。

すなわち、本出願人の研究によれば、電線ケーブルに高周波パルスを注入して、該電線ケーブルから戻ってくる反射波の波形を受信し、その反射波の波形から該電線ケーブルの断線による部分波形を抽出して断線を検出することができる。この方法は、活線状態でも実施可能であるだけでなく、反射波の全体波形中における断線による部分波形の時間が受信位置から断線位置までの距離に比例しているので、断線位置を推定できる。

しかしながら、この方法は、高周波パルスの伝搬速度が電線ケーブルのどこでも均一であるという前提に立っている。高周波パルスの伝搬速度が電線ケーブルの長手方向に異なっていると、断線位置の推定は不正確になる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高周波パルスの伝搬速度が不均一でも断線位置を正確に推定できる断線検出方法及びその装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の方法は、電線ケーブルに高周波パルスを反射する反射部材を取り付け、その電線ケーブルに高周波パルスを注入して、該電線ケーブルから戻ってくる反射波の波形を受信し、その反射波の波形から上記反射部材による部分波形と上記電線ケーブルの断線による部分波形とを抽出し、上記反射部材による部分波形を基準にして上記断線による部分波形を評価することにより、断線位置を推定するものである。

上記目的を達成するために本発明の装置は、電線ケーブルに取り付けた高周波パルスを反射する反射部材と、その電線ケーブルに高周波パルスを注入する高周波パルス注入手段と、該電線ケーブルから戻ってくる反射波を受信する反射波受信手段と、その反射波の波形から上記反射部材による部分波形と上記電線ケーブルの断線による部分波形とを抽出する部分波形抽出手段と、上記反射部材による部分波形を基準にして上記断線による部分波形を評価することにより、断線位置を推定する断線位置推定手段とを備えたものである。

上記反射部材は、上記電線ケーブルを長手方向に複数の部分ケーブルに分割してこの部分ケーブルを継ぎ合わせて構成し、その継ぎ合わせ部に挿入することで取り付けてもよい。

上記反射部材は、上記部分ケーブル間に直列に挿入したインダクタであってもよい。

上記反射部材は、上記電線ケーブルを並列に複数本設け、これら電線ケーブル間に掛け渡すことで取り付けてもよい。

上記反射部材は、上記複数の電線ケーブル間に挿入したコンデンサであってもよい。

上記反射部材は、上記電線ケーブルの外周を覆うフェライトコアであってもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）高周波パルスの伝搬速度が不均一でも断線位置を正確に推定できる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

まず、本発明の基礎として本出願人が研究した断線検出方法を説明する。

図１に示されるように、移動する機器１とその機器１に電源を供給する商用周波数電源２との間を繋ぐ移動用ケーブル３を断線検出対象の電線ケーブル３とし、この移動用ケーブル３に高周波パルス注入用コンデンサ４を介して高周波パルス発生器５からの高周波パルスを注入し、移動用ケーブル３から戻ってくる反射波の波形を高周波パルス注入用コンデンサ４を介して高周波ＣＴ６で受信し高周波波形記録測定器７に記録する。移動用ケーブル３には、機器１側の端部と商用周波数電源２側の端部に、それぞれ高周波阻止用インダクタ８を取り付けるので、高周波パルスが機器１や商用周波数電源２にダメージ、誤動作等の悪影響を与えることがなく、商用周波数成分は高周波パルス注入用コンデンサ４で遮断されるので断線検出の障害とならない。

断線検出の原理を簡単に述べると、高周波パルスの注入と反射波の波形の記録を適宜な時間間隔で繰り返すと、毎回、同じ波形が得られるが、もし、電線ケーブル３になんらかの経時変化があれば異なる波形が得られる。部分断線が生じた場合には、その断線箇所からのパルス反射による部分波形が出現するので、前回の波形との差異から部分波形が抽出され、部分断線が生じているという事象が検出できると共に、全体波形中の部分波形の時間的位置から断線位置を推定できる。

詳しく述べると、高周波パルスは、機器１や商用周波数電源２にダメージ、誤動作等の悪影響を与えることがない信号であって、かつ、商用周波数成分からたやすく分離できる信号である必要がある。また、パソコン等のＣＰＵ内蔵機器で構成される部分波形抽出手段、断線位置推定手段や高周波波形記録測定器７などの電子機器が誤動作しないことも高周波パルスの条件である。

高周波パルスは、伝搬路を伝搬する場合には、その伝搬路が持つＬＣのインピーダンスの影響を大きく受ける。このため、高周波パルスを用いた断線検出方法は、直流や商用周波数信号を用いた抵抗Ｒの測定による方法と比較して断線時のＬＣ変化に対する検出感度が向上する。高周波パルスを用いた断線検出方法は、抵抗Ｒを加えた断線時のＬＣＲのインピーダンス変化を検出することになるので、直流や商用周波数信号を用いた抵抗Ｒの変化のみによる断線検出方法より、検出感度が向上する。

一方、ケーブルの屈曲による断線は、素線を集合してなるケーブル導体の最外周部から起こり、高周波信号が表皮効果によりケーブル導体外表面を流れることから、直流や商用周波数信号より高周波パルスの方が断線の検出に好適であり、高周波パルスを用いることにより検出感度が向上する。

さて、図１の構成において、高周波パルス発生器５で発生した高周波パルスは、高周波ＣＴ６を通過し、高周波パルス注入用コンデンサ４を介して移動用ケーブル３に注入される。この高周波パルスは、移動用ケーブル３のケーブル導体を伝搬し、機器１側の端部と商用周波数電源２側の端部において、それぞれ高周波阻止用インダクタ８が挿入されていることによるインピーダンス変化部で反射する。移動用ケーブル３から戻ってくる反射波は、高周波パルス注入用コンデンサ４を介して高周波ＣＴ６で受信される。高周波波形記録測定器７では、それぞれの高周波阻止用インダクタ８から戻ってきた反射波が記録できるよう、十分な時間、記録を続ける。

反射波の波形の記録を一定時間ごとに行い、最初に記録した初期波形（断線がないときの波形であればよい）と、時間が経過した後の波形を比較することにより、波形の変化分が部分波形として抽出できる。有意の部分波形の有無（例えば、あらかじめ決めた基準値より大きい部分波形があれば部分波形有りとする）から部分断線（素線の断線）の発生を判定することができる。さらに、時間軸上で部分波形が存在する位置は、高周波パルスが断線の生じている箇所まで伝搬して反射して戻ってくる時間を表しているので、その時間から断線位置を推定することができる。

なお、初期波形において、移動用ケーブル３が使用済みであったため、部分断線が既に生じている疑いがある場合もある。このときは、同一構造の別の移動用ケーブル３との波形の差違、あるいは図１のように、１本の移動用ケーブル３内に独立した複数本の電線が並列に存在する場合は、２本の電線で得られた反射波の波形の差違から部分断線を判定することができる。

図２に、記録された波形の一例を示す。この図には、健全品（部分断線がない一方の電線）から得られた波形２１と部分断線品（部分断線が生じた他方の電線）から得られた波形２２が描かれている。これらの波形の関係は、同一電線における初期波形と経時変化（断線）後の波形の関係と同等に見なせる。２つの波形２１，２２はほとんど同じのため、大部分で１つのように重なっているが、両者に差異のある部分波形２３が表れているのが分かる。

この部分波形２３は、断線箇所のインピーダンス変化によって生じたものである。高周波パルスがそのインピーダンス変化箇所、つまり断線箇所で反射して戻ってきたことにより、健全品の波形にはなかった部分波形２３が生じたのである。時間５０ｎｓ近傍から時間１００ｎｓ近傍の部分波形２３までの横軸に、高周波ＣＴ６から断線箇所までの往復伝搬時間ｔＸが表れている。一方、時間５０ｎｓ近傍から時間１３０ｎｓ近傍までの横軸に、高周波ＣＴ６から機器１側の高周波阻止用インダクタ８までの往復伝搬時間ｔＹが表れている。この往復伝搬時間ｔＹと移動用ケーブル３の長さ（高周波パルスが伝搬した距離のこと）とから高周波パルスの伝搬速度が得られるので、往復伝搬時間ｔＸから断線箇所の位置が推定できる。高周波ＣＴ６からの距離計算式は、伝搬速度×往復伝搬時間ｔＸ／２である。

ところで、上記の位置推定は、移動用ケーブル３等の被検出電線ケーブル３が該電線ケーブル長手方向に高周波パルスの伝搬速度が均一であるという前提に立っている。高周波パルスの伝搬速度が電線ケーブル長手方向で異なっていると、位置推定に誤差が生じる。このように伝搬速度が長手方向で異なる例として、互いに構造が異なる複数種類の電線を直列接続して電線ケーブルが構成されている場合や、構造が長手方向に均一の電線ケーブルであっても長手方向に温度差がある場合などがある。また、初期波形と経時変化後の波形を比較する際に、両波形を記録したときの電線ケーブル温度に差がある場合は、同一電線ケーブルでも伝搬速度が異なる。

図３に示した電線ケーブル３１は、左の入射端３２からｎ本の電線を直列に繋いだもので、入射端３２から順に、電線３３ａ、中継部３４ａ、電線３３ｂ、…、電線３３ｍ、中継部３４ｍ、電線３３ｎが並び、右が終端３５となっている。中継部３４ａ〜３４ｍにおいて、電線３３ａ〜３３ｎ同士がインピーダンス整合していないとき、反射波が生じる。インピーダンスが整合している中継部からは反射波が生じない。

ここで、電線３３ｎにおいて中継部３４ｍ近傍に部分断線３６が生じたとし、そのとき記録される反射波波形のタイムチャートを図４に示す。この図には、時間０に入射端３２へ注入した高周波パルス４１が実線で示されるほかに、参考までに、中継部３４ａ，３４ｍからの反射波による部分波形４２ａ，４２ｍ、終端３５からの反射波による部分波形４３が時間ｔａ，ｔｍ，ｔｎに破線で示されている。これに加え、部分断線３６からの反射波による部分波形４４が時間ｔｘに示されている。

実際には、中継部３４ａ〜３４ｍでインピーダンスが整合され、終端３５で終端整合されているときは破線の部分波形は存在せず、時間計測の基準としての時間ｔａ，ｔｍ，ｔｎが定義されるだけである。このとき、時間ｔｘは時間ｔｍよりも時間的に後ろにあるので部分断線３６は中継部３４ｍより遠いところ、すなわち電線３３ｎに生じたと判断される。

次に、電線３３ａ〜３３ｍの周囲温度が電線３３ｎの周囲温度と極端に異なってきたために、電線３３ａ〜３３ｍにおける高周波パルスの伝搬速度が変化した場合を考える。そのとき記録される反射波波形のタイムチャートを図５に示す。破線で示した部分波形４２ａ，４２ｍ，４３は図４に示したのと同じ周囲温度が長手方向に均一なときのもので、時間計測の基準としての時間ｔａ，ｔｍ，ｔｎを定義するものである。一方、縦棒で区切って示した時間は、上記周囲温度の相違時に仮想的に中継部３４ａ，３４ｍ及び終端３５から反射波が戻ったとしたときの部分波形（図示せず）の時間（例えば、時間ｔｍα）である。

図５に示されるように、上記周囲温度の相違時に入射端２２に高周波パルス４１を注入してから中継部３４ｍによる部分波形が戻るまでに実際にかかるであろう時間ｔｍαが当初想定された時間ｔｍよりも時間軸の左に移動し、部分断線３６からの反射波による部分波形５４の時間ｔｘもそれに伴い左に移動し、このとき時間ｔｘは時間計測の基準である時間ｔｍよりも左にあるため電線３３ｎでなく電線３３ｍに部分断線が生じたと誤検出してしまう。

そこで、本発明に係る断線検出方法においては、図６に示されるように、電線ケーブル３に高周波パルスを反射する反射部材１０を取り付け、その反射部材１０による部分波形を基準にして部分断線による部分波形を評価することにより、断線位置を推定するようにした。反射部材１０は、高周波ＣＴ６で受信し高周波波形記録測定器７に記録した反射波の波形中に、有意の部分波形が得られる程度の反射能力があれば、どのような部材でもよく、具体例は後述する。

なお、図６において図１と符号の同じものは同一の部材であるから、説明は省略する。

部分波形抽出手段及び断線位置推定手段（図示せず）は、高周波波形記録測定器７に接続されたパソコン、専用のコンピュータ等で構成することができる。本発明では、基本的には図２で説明した方法で断線位置を推定するが、部分波形抽出手段が反射波の波形から反射部材１０による部分波形と電線ケーブルの断線による部分波形とを抽出し、断線位置推定手段は、反射部材１０による部分波形を基準にして断線による部分波形を評価することにより、断線位置を推定する。

反射部材１０は、電線ケーブル３の長手方向任意の位置に、１個だけ設けてもよいし、２個以上を分散して設けてもよい。そこで、図３に示した電線ケーブル３１に複数の反射部材を取り付けた形態を図７により説明する。

図７に示されるように、中継部３４ａの直近（ほぼ同じ位置という意味；直前でも直後でも全く同じ位置でも構わない）に反射部材３７ａを取り付け、中継部３４ｍの直近に反射部材３７ｍを取り付け、終端３５の直近に反射部材３８を取り付けた。

この電線ケーブル３１において、電線３３ａ〜３３ｍの周囲温度が電線３３ｎの周囲温度と極端に異なってきたために、電線３３ａ〜３３ｍにおける高周波パルスの伝搬速度が変化した場合を考える。そのとき記録される反射波波形のタイムチャートを図８に示す。図８には、図５と同様に、周囲温度が長手方向に均一なときの部分波形を破線で示し、時間ｔａ，ｔｍ，ｔｎを付記してある。

図８に示されるように、周囲温度の相違時には、入射端３２に高周波パルス８１を注入してから中継部３４ｍによる部分波形が戻るまでに実際にかかるであろう時間ｔｍαが当初想定された時間ｔｍよりも時間軸の左に移動し、部分断線３６からの反射波による部分波形８４の時間ｔｘもそれに伴い左に移動する。しかし、このとき、実線で示したように、反射部材３７ａ，３７ｍ，３８からの部分波形８２ａ，８２ｍ，８３が得られている。これらの部分波形は、図５や図４の破線の部分波形のように仮想的なものでなく、実際に得られたものである。

図８のように、周囲温度の相違時には、中継部３４ｍ（反射部材３７ｍ）による部分波形の時間ｔｍαは、周囲温度が長手方向に均一なときの時間ｔｍよりも時間軸の左に移動している。

部分断線３６による部分波形８４と反射部材３７ｍによる部分波形８２ｍの時間を比較すると、時間ｔｘは時間ｔｍαよりも右にある、つまり、部分断線３６は反射部材３７ｍより遠い位置にあることが分かり、電線３３ｎに部分断線が生じたことが正しく判定できる。

図９に示した電線ケーブル９１は、長手方向に複数の部分ケーブル９１ａ，９１ｂ，…（以下は図示せず）に分割してこの部分ケーブル９１ａ，９１ｂ，…を直列に継ぎ合わせて構成したものである。この継ぎ合わせ部９２に反射部材９３を挿入して取り付ける。反射部材９３はインダクタで構成し、部分ケーブル９１ａ，９１ｂの導体間に直列に挿入する。このように直列に接続されたインダクタからなる反射部材９３が部分ケーブル９１ａ，９１ｂ，…とインピーダンスが異なるため、高周波パルスを反射することができる。反射部材９３は、高周波パルスをよく反射し、商用周波数成分やその他の信号成分は透過させるものが好ましい。

電線ケーブル９１は、互いに絶縁された複数本の電線９４を束にしたものであってもよい。そのうちの適宜な電線９４の継ぎ合わせ部９２に反射部材９３を挿入する。この場合、反射部材９３からの反射波の部分波形を時間基準とすることで、当該電線９４のみならず、反射部材９３を挿入しない他の電線９４の断線検出にも利用することができる。

図１０に示した電線ケーブル９１は、図９のものと同様に、長手方向に複数の部分ケーブル９１ａ，９１ｂに分割して直列に継ぎ合わせたものであり、かつ、互いに絶縁された並列な複数本の電線９４を束にしたものである。そのうちの適宜な２本の電線９４間に反射部材１０３を掛け渡して取り付ける。反射部材１０３はコンデンサで構成し、一方の電線９４における部分ケーブル９１ａ，９１ｂの導体同士の接続箇所と他方の電線９４における部分ケーブル９１ａ，９１ｂの導体同士の接続箇所との間に挿入する。このように電線９４間に挟み込まれた反射部材１０３と部分ケーブル９１ａ，９１ｂとのインピーダンスが異なるため、高周波パルスを反射することができる。

図１１に示した電線ケーブル１１１は、特に長手方向に分割したものではないが、反射部材１１３を境界に部分ケーブル１１１ａ，１１１ｂと見なす。反射部材１１３は、電線ケーブル１１１の外周を覆うフェライトコアで構成する。この場合、電線ケーブル１１１を長手方向に分割する必要がないという利点がある。

本発明の基礎となる断線検出方法を実施するための装置構成図である。 図１の装置によって記録された波形のグラフであり、横軸は時間、縦軸は電流の大きさを示す。 断線検出対象とする電線ケーブルの長手方向構成図である。 高周波パルスの伝搬速度が所定のとき、図３の電線ケーブルから得られる反射波の部分波形のタイムチャートである。 高周波パルスの伝搬速度が変化したとき、図３の電線ケーブルから得られる反射波の部分波形のタイムチャートである。 本発明の断線検出方法を実施するための装置構成図である。 本発明における断線検出対象とする電線ケーブルの長手方向構成図である。 高周波パルスの伝搬速度が変化したとき、図７の電線ケーブルから得られる反射波の部分波形のタイムチャートである。 本発明に用いる反射部材の実施形態を示す実体回路図である。 本発明に用いる反射部材の実施形態を示す実体回路図である。 本発明に用いる反射部材の実施形態を示す実体回路図である。

符号の説明

３ 電線ケーブル
５ 高周波パルス発生器
７ 高周波波形記録測定器
１０ 反射部材

Claims (7)

1. 電線ケーブルに高周波パルスを反射する反射部材を取り付け、その電線ケーブルに高周波パルスを注入して、該電線ケーブルから戻ってくる反射波の波形を受信し、その反射波の波形から上記反射部材による部分波形と上記電線ケーブルの断線による部分波形とを抽出し、上記反射部材による部分波形を基準にして上記断線による部分波形を評価することにより、断線位置を推定することを特徴とする断線検出方法。
2. 電線ケーブルに取り付けた高周波パルスを反射する反射部材と、その電線ケーブルに高周波パルスを注入する高周波パルス注入手段と、該電線ケーブルから戻ってくる反射波を受信する反射波受信手段と、その反射波の波形から上記反射部材による部分波形と上記電線ケーブルの断線による部分波形とを抽出する部分波形抽出手段と、上記反射部材による部分波形を基準にして上記断線による部分波形を評価することにより、断線位置を推定する断線位置推定手段とを備えたことを特徴とする断線検出装置。
3. 上記反射部材は、上記電線ケーブルを長手方向に複数の部分ケーブルに分割してこの部分ケーブルを継ぎ合わせて構成し、その継ぎ合わせ部に挿入することで取り付けることを特徴とする請求項２記載の断線検出装置。
4. 上記反射部材は、上記部分ケーブル間に直列に挿入したインダクタであることを特徴とする請求項３記載の断線検出装置。
5. 上記反射部材は、上記電線ケーブルを並列に複数本設け、これら電線ケーブル間に掛け渡すことで取り付けることを特徴とする請求項２記載の断線検出装置。
6. 上記反射部材は、上記複数の電線ケーブル間に挿入したコンデンサであることを特徴とする請求項５記載の断線検出装置。
7. 上記反射部材は、上記電線ケーブルの外周を覆うフェライトコアであることを特徴とする請求項２記載の断線検出装置。

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