JP4398198B2 - 電線又はケーブルの絶縁劣化領域診断システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気を通ずる電線又はケーブルの絶縁劣化を診断するためのシステム及び方法に係り、特に、電線又はケーブルの絶縁劣化が発生した領域を特定するうえで好適なシステム及び方法に関する。

送電用の電線やケーブルは、絶縁体の経時変化あるいは悪環境のために絶縁劣化が発生することがある。そこで、そのような絶縁劣化による事故を未然に防止すべく、従来より、電線やケーブルの絶縁劣化を判定するため種々の手法が用いられている。例えば、特許文献１及び２に開示される手法では、電線又はケーブルに交流電圧を供給して大地への漏洩電流を測定し、その漏洩電流に基づいて絶縁劣化を判定している。その他、電線やケーブルの絶縁劣化の判定手法としては、絶縁メガーを用いる方法や、残留電荷測定法等がある。
特許第３０３４６５１号公報 特開平０６−１８６２７５公報

ところで、電線やケーブルの補修コストを抑えるうえでは、電線又はケーブルの絶縁劣化が起きた部分のみを修理することが望ましい。そのためには、一本の電線又はケーブルのうち、どの点あるいはどの領域で絶縁劣化が生じているかを特定することが必要である。しかしながら、上述した従来の絶縁劣化判定手法は、何れも、一本の電線またはケーブル全体についての劣化を診断するものであり、絶縁劣化が生じた箇所を特定することはできない。また、長距離の送電線の事故点検出装置としてフォルトロケーターがあるが、数百メートル以下の電線やケーブルへの適用は難しい。

このように、従来は、数百メートル以下の電線やケーブルの絶縁劣化領域を特定する手法が存在しなかったため、絶縁劣化が発生したことが判定された場合には、電線又はケーブル全体を取り替えざるを得ず、多額の費用が必要となっていた。

本発明は、かかる問題点を解決するため創案されたものであり、電気を通ずる電線又はケーブルの絶縁劣化が生じた領域を特定できるようにすることを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載された発明は、
電気を通ずる電線又はケーブルの絶縁劣化領域を診断するためのシステムであって、
停電状態の前記電線又はケーブルの導体と大地との間に設けられた単相の交流電圧供給源と、
前記交流電流供給源を接地する抵抗器と、該抵抗器に生ずる電圧を検出する電圧検出器とを有する交流地絡電流変換器と、
前記電線又はケーブルの漏洩電流を検出する変流器と、該検出された電流信号と前記交流地絡電流変換器により検出された電圧信号との位相差を求める位相判定部と、該求められた位相差と前記検出された電流信号とに基づいて抵抗漏洩電流を求める抵抗漏洩電流判定部と、該求められた抵抗漏洩電流と前記交流電圧供給源の供給電圧とに基づいて前記電線またはケーブルの絶縁抵抗を測定する抵抗判定部とを有する絶縁抵抗測定器と、
前記電線又はケーブルの複数の地点において前記絶縁抵抗測定器により測定された絶縁抵抗値と、各測定点の前記電線又はケーブルの長さ方向に沿った位置との相関関係を求める相関関係判定部と、
前記求めた相関関係における勾配が既定値を越えた領域が存在する場合に、当該領域を絶縁劣化領域と判定する絶縁劣化判定部と、
を備えることを特徴とする

また、請求項２に記載された発明は、請求項１記載の電線又はケーブルの絶縁劣化領域診断システムにおいて、前記交流地絡電流変換器で検出された電圧信号を、有線又は無線により前記絶縁抵抗測定器へ送信し、前記絶縁抵抗測定器の前記位相判定部は、前記送信されてきた電圧信号に基づいて前記位相差を求めることを特徴とする

また、請求項３に記載された発明は、請求項１記載の電線又はケーブルの絶縁劣化領域診断システムにおいて、前記絶縁抵抗測定器及び前記交流供地絡電流変換器の双方が互いに同期した周期信号の発生手段を有し、前記絶縁抵抗測定器の前記位相検出部は、前記周期信号に基づいて前記位相差を求めることを特徴とする。

また、請求項４に記載された発明は、電気を通ずる電線又はケーブルの絶縁劣化領域を診断するための方法であって、
停電状態の前記電線又はケーブルの導体と大地との間に、単相の交流電源供給源により交流電圧を供給し、
前記交流電流供給源を抵抗器で接地して、該抵抗器に生ずる電圧を電圧検出器により検出し、
前記電線又はケーブルの漏洩電流を変流器により検出し、
前記検出した漏洩電流と、前記検出した電圧信号との位相差を求め、
該求めた位相差と前記検出された電流信号とに基づいて抵抗漏洩電流を求め、
該求めた抵抗漏洩電流と前記交流電圧供給源の供給電圧とに基づいて前記電線またはケーブルの絶縁抵抗値を測定し、
前記電線又はケーブルの複数の地点において前記絶縁抵抗測定器により測定された絶縁抵抗値と、各測定点の前記電線又はケーブルの長さ方向に沿った位置との相関関係を求め、
前記求めた相関関係における勾配が既定値を越えた領域が存在する場合に、当該領域を絶縁劣化領域と判定することを特徴とする。

本発明によれば、電気を通ずる電線又はケーブルの絶縁劣化が生じた領域を特定することが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。添付図面において、図１は本発明の第１の実施形態を示すシステム全体構成図であり、図２はケーブル長（抵抗測定点）と絶縁抵抗値の相関関係の一例を示す図である。

先ず、本発明の第１の実施形態におけるケーブル絶縁劣化診断の概要を述べる。本実施形態では、送電用のケーブル２の絶縁劣化領域を診断するものとして、ケーブル２の電源端子及び負荷端子を切り離してケーブル２を停電状態にした後、ケーブル２の導体を接地することにより電荷を完全に放電させておく。しかる後に、図１に示すように、ケーブル２の導体の一端に、本発明の電圧供給源としての交流電源装置１を接続すると共に、マンホール等を利用してクランプ型変流器１３及び携帯型の交流電路地絡点検出器４によりケーブル２の抵抗漏洩電流Ｉｒを測定し、その電流値から絶縁抵抗値を測定する。

ケーブルに絶縁劣化が生じていない場合には、図２に破線で示すように、絶縁抵抗測定値Ｒはケーブル長（電圧供給点からのケーブル長）に対してほぼ一様な勾配で変化する。一方、局所的に絶縁劣化が生ずると、図２に実線で示すように、絶縁劣化箇所を含む領域（同図中、ケーブルＡの領域Ｉ、ケーブルＢの領域II）で、絶縁抵抗値の勾配が大きくなる。その理由は、図３に模式的に示すように、電圧供給点Ｐからのケーブル長がＬである測定点Ｑで測定される抵抗漏洩電流Ｉｒは、測定点Ｑからケーブル２の他端Ｒまでの範囲でケーブル２から大地へ流れる電流の総和となり、絶縁抵抗測定値Ｒはケーブル２のＱＲ間全体の絶縁抵抗を表すことになるからである。例えば、図２のケーブルＡのようにＢ点とＣ点との間で絶縁劣化が生じた場合、Ｃ点で測定した絶縁抵抗値にはその絶縁劣化の影響は表れないが、Ｂ点では、ＢＣ間の絶縁劣化（すなわち絶縁抵抗値の低下）した分だけ絶縁抵抗測定値が低下することで、ＢＣ間（領域Ｉ）で勾配が増大している。

そこで、本実施形態では、ケーブル２の絶縁抵抗値を適宜な間隔で複数の点で測定し、その測定点と絶縁抵抗測定値との相関関係を求めて、その勾配の変化から絶縁劣化領域を判定することとする。

本発明の第１の実施形態では、電流供給源として単相の交流電源装置１を用いて、この交流電源装置１からケーブル２への供給電圧Ｖを交流地絡電流変換器３で測定する。こうして測定した電圧信号と漏洩電流Ｉとの位相差θを検出して、抵抗漏洩電流Ｉｒを求め、供給電圧Ｖを抵抗漏洩電流Ｉｒで割ることにより絶縁抵抗Ｒを検出する。

すなわち、図４に示すように、漏洩電流Ｉは、抵抗漏洩電流Ｉｒと静電容量漏洩電流Ｉｃに分解することができ、このうち抵抗漏洩電流Ｉｒと供給電圧Ｖの位相が一致する。したがって、漏洩電流Ｉと供給電圧Ｖの位相差θを用いて、
Ｉｒ＝Ｉ・ｃｏｓθ
により抵抗漏洩電流Ｉｒが求められる。そして、この抵抗漏洩電流Ｉｒを用いて
Ｒ＝Ｖ／Ｉｒ
により絶縁抵抗値Ｒが求められる。

なお、本実施形態では、地中や海底等に設置されるケーブル２について絶縁劣化領域の診断を行うものとして説明するが、地上や空中に設置される電線についても全く同様にして絶縁劣化領域を診断することができる。

以下、本実施形態のケーブル絶縁劣化領域診断システムについて、より詳細に説明する。

図１に示す如く、交流電源装置１は、交流地絡電流変換器３を介して接地されている。なお、上述のように、予めケーブル２を停電状態にして、ケーブル２の導体を接地することにより電荷を完全に放電させた後、交流電源装置１及び交流地絡電流変換器３を接続するものとする。

交流地絡電流変換器３は、可変抵抗器３１と、可変抵抗器３１に流れる電流を検出して表示する電流計３２と、可変抵抗器３１の両端の電圧を検出してその検出電圧に応じた信号を出力する電圧検出器３３とにより構成されている。作業者は電流計３２の表示に基づいて可変抵抗器３１を操作することにより交流電源装置１から流れる地絡電流を調整することができる。また、電圧検出器３３による検出信号は、交流電源装置１の供給電圧Ｖを表すことになる。

ケーブル２には、クランプ型変流器１３が設けられている。クランプ型変流器１３は、本発明の絶縁抵抗測定器としての交流電路地絡点検出器４に接続されており、ケーブル２から大地側へ流れる漏洩電流Ｉを検出して、この交流電路地絡点検出器４へ供給する。交流電路地絡点検出器４は交流地絡電流変換器３と有線又は無線で接続されており、交流地絡電流変換器３で検出された供給電圧Ｖの検出信号が交流電路地絡点検出器４へ供給されるようになっている。

交流電路地絡点検出器４は、信号増幅器４１、ノイズフィルター４２、位相分析器４３、抵抗測定部４４、抵抗表示部４５等を備えている。信号増幅器４１は、クランプ型変流器１３からの漏洩電流Ｉを増幅し、ノイズフィルター４２は交流電源装置１の供給電源Ｖの周波数以外のノイズ成分を除去する。位相分析器４３は、ノイズ成分が除去された漏洩電流Ｉと、交流地絡電流変換器３から供給された電圧信号Ｖとの間の位相差θを検出し、抵抗測定部４４は、上述したように、位相差θを用いて漏洩電流Ｉから抵抗漏洩電流ＩｒをＩｒ＝Ｉ・ｃｏｓθにより求め、更に、Ｒ＝Ｖ／Ｉｒにより絶縁抵抗値Ｒを求める。こうして測定された絶縁抵抗値Ｒは抵抗表示部４５に表示される。なお、好ましくは、絶縁抵抗値Ｒの測定精度として、例えば、静電容量が１μＦ以上で１００ＫΩ以上の絶縁抵抗を測定できることが望ましい。

以上の説明では、交流地絡電流変換器３で検出された供給電圧Ｖの検出信号が有線又は無線で交流電路地絡点検出器４へ供給されるものとしたが、洞道での使用や、装置の容易な持ち運び等を考慮して、交流電路地絡点検出器４及び交流地絡電流変換器３の双方に互いに正確に同期した周期的なクロック信号を発生する時刻発生器を設けることにより、交流地絡電流変換器３と交流電路地絡点検出器４とを接続することなく、交流電路地絡点検出器４において上記クロック信号に基づいて位相差θを検出できるようにしてもよい。ただし、時刻発生器が発生するクロック信号の周期には誤差があるので、例えば数時間置きに誤差修正を行うことが必要である。なお、２つの装置に互いに同期した周期信号を発生させるための技術については、例えば、特開平５−２７３２９１号公報を参照。

図１に示すように、交流電路地絡点検出器４には、例えば携帯電話機等の送信装置５が接続されており、交流電路地絡点検出器４で測定した絶縁抵抗値Ｒと、測定対象であるケーブル２を特定するためのケーブル特定情報と、ケーブル２の測定点を特定するための測定点特定情報とが、サーバー１２側の受信装置６へ送信される。ここで、絶縁抵抗値Ｒは測定作業者が抵抗表示部４５に表示される抵抗値を手入力するようにしてもよいし、測定値が直接送信されるようにしてもよい。また、測定点特定情報として、例えば、マンホール番号等を測定作業者が入力することができる。なお、絶縁抵抗値Ｒのほか、漏洩電流Ｉ、抵抗漏洩電流Ｉｒ、静電容量漏洩電流Ｉｃ、供給電圧Ｖもサーバー１２へ送信してデータ管理に用いることとしてもよい。

サーバー１２は相関関係判定部１２１を備えており、この相関関係判定部１２１により、絶縁抵抗値Ｒの測定点（具体的には、交流電源装置１から電圧を供給した側の端部からのケーブル長）と絶縁抵抗の測定値との相関関係を作成し、上記図２に示すようなグラフとして表示したり、また、相関関係を表す情報をデータベース７に記録したりする。なお、測定地点特定情報として、例えばマンホール番号を用いる場合には、各ケーブルについてマンホール番号と測定ケーブル長との関係を示すテーブルをサーバー１２上に保持しておき、このテーブルを参照して測定点のケーブル長を求めるものとする。

なお、ケーブルの絶縁抵抗値は、気温、湿度、電線、ケーブルの材質、型式等の影響を受ける。そこで、本実施形態では、データベース７に各種ケーブルについて様々な条件での絶縁抵抗値のデータを蓄積すると共に、サーバー１２にデータ解析部１２２を設け、このデータ解析部１２２によりデータマイニング等の数学処理に基づくクラスタリングを行なって、絶縁抵抗の測定値を気温、温度等に応じて補正することにより、絶縁劣化領域の特定の精度を向上させることができる。

また、本実施形態では、サーバー１２に送信装置９を設け、相関関係判定部１２１が作成した上記相関関係を表す情報を管理者１１側の受信装置１０へ送信している。そして、受信装置１０において上記相関関係を例えば上記図２に示すようにグラフ表示することで、管理者１１は、表示されたグラフを観察して、上記図２におけるケーブルＡの区間ＩやケーブルＢの区間IIのように勾配が大きくなった区間に絶縁劣化が生じていると判断できる。本実施形態では、サーバー１２から管理者１１側の受信装置１０へデータを送信することにより、管理者１１はケーブル２の絶縁劣化領域を速やかに判定することができる。したがって、例えば、管理者１１が作業者に対して即座に絶縁劣化が発生した領域内をより細かく測定すべきことを指示するなどして、絶縁劣化の発生箇所をより正確に特定することが可能であり、また、ケーブル交換作業の指示を即座に出すこともできるなど、作業者と管理者との間の相互判断を迅速に行うことができる。

なお、上記の説明では、サーバー１２の相関関係判定部１２１が、抵抗測定点と絶縁抵抗値Ｒとの相関関係を作成して、この相関関係から人が絶縁劣化の発生箇所を判断するものとしたが、これに限らず、相関関係判定部１２１が上記相関関係の勾配の変化度合いから絶縁劣化の発生箇所を自動判定するようにしてもよい。この場合、絶縁劣化が判定された場合に、その領域を示す警報信号を送信装置９から受信装置１０へ送信することにより、管理者に対して絶縁劣化の発生領域をより速やかに報知することができる。

また、上記の説明では、携帯型の交流電路地絡点検出器４を作業者が携帯してマンホール等を利用してケーブルの各点での絶縁抵抗を測定するものとしたが、これに限らず、複数の交流電路地絡点検出器４を常設し、それら複数の交流電路地絡点検出器４で検出した絶縁抵抗値に基づいて絶縁劣化の発生箇所を特定できるようにしてもよい。この構成は、例えば、海底ケーブルのように日常的な測定作業が困難な場合に好適である。また、近い将来に絶縁劣化の発生が予想される領域がある場合には、その領域を挟む地点に交流電路地絡点検出器４を常設して、絶縁劣化の発生を常時判定できるようにしてもよい。変流器をケーブルの新設時から常設する場合には、クランプ型に限らず、他の形式の変流器を用いることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態を示す全体構成図である。なお、図５において上記第１実施形態の図１と同様の構成部分には同一の符号を付している。図５に示すように、本実施形態では、上記第１の実施形態の交流電源装置１に代えて直流電源装置１００を設け、クランプ型変流器１３に代えてクランプ型直流変流器１３０を設け、交流電路地絡点検出器４に代えて直流電路地絡点検出器４００を設けている。また、直流電源装置１００の正極はケーブル２の導体に接続し、負極は直接、大地に接続している。なお、本実施形態でも、ケーブル２の診断に先だって、ケーブル２を停電状態にして、ケーブル２の電荷を完全に放電させた後に直流電源装置１００をケーブル２に接続するものとする。

クランプ型直流変流器１３０は、ケーブル２の直流の抵抗漏洩電流Ｉｄを検出する機能を有する変流器である。したがって、本実施形態では、絶縁抵抗値Ｒの測定にあたり供給電圧Ｖとの位相差を求めることは不要であり、直流電路地絡点検出器４００の抵抗測定部４０４は、Ｒ＝Ｖ／Ｉｄの関係式を用いて、漏洩電流Ｉｄから直接、絶縁抵抗値Ｒを測定することができる。絶縁抵抗値Ｒの測定精度として、例えば１００ＫΩ以上の絶縁抵抗を測定できることが好ましい。なお、送信装置５、サーバー１２、送信装置９、受信装置１０の構成及び機能は上記第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

上述のように、本発明の第２実施形態では、クランプ型直流変流器１３０を用いて漏洩電流を検出することにより、供給電圧Ｖとの位相差を求めることが不要となるので、装置構成を簡単にできる。

本発明の第１の実施形態を示す全体構成図である。 ケーブル長と絶縁抵抗値との相関関係の一例を示す図である。 ケーブルの漏洩電流測定位置と絶縁抵抗測定値の関係を説明するための模式図である。 漏洩電流Ｉと、抵抗漏洩電流Ｉｒ及び静電容量漏洩電流Ｉｃとの関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す全体構成図である。

符号の説明

１ 交流電源装置
２ ケーブル
３ 交流地絡電流変換器
４，４００ 交流電路地絡点検出器
４３ 位相分析部
４４，４０５ 抵抗測定部
５，９ 送信装置
６，１０ 受信装置
７ 記録データベース
１１ 管理者
１２ サーバー
１２１ 相関関係判定部
１２２ データ解析部
１００ 直流電源装置
１３ クランプ型変流器
１３０ クランプ型直流変流器

Claims (4)

1. 電気を通ずる電線又はケーブルの絶縁劣化領域を診断するためのシステムであって、
   停電状態の前記電線又はケーブルの導体と大地との間に設けられた単相の交流電圧供給源と、
   前記交流電流供給源を接地する抵抗器と、該抵抗器に生ずる電圧を検出する電圧検出器とを有する交流地絡電流変換器と、
   前記電線又はケーブルの漏洩電流を検出する変流器と、該検出された電流信号と前記交流地絡電流変換器により検出された電圧信号との位相差を求める位相判定部と、該求められた位相差と前記検出された電流信号とに基づいて抵抗漏洩電流を求める抵抗漏洩電流判定部と、該求められた抵抗漏洩電流と前記交流電圧供給源の供給電圧とに基づいて前記電線またはケーブルの絶縁抵抗を測定する抵抗判定部とを有する絶縁抵抗測定器と、
   前記電線又はケーブルの複数の地点において前記絶縁抵抗測定器により測定された絶縁抵抗値と、各測定点の前記電線又はケーブルの長さ方向に沿った位置との相関関係を求める相関関係判定部と、
   前記求めた相関関係における勾配が既定値を越えた領域が存在する場合に、当該領域を絶縁劣化領域と判定する絶縁劣化判定部と、
   を備えることを特徴とする電線又はケーブルの絶縁劣化領域診断システム。
2. 前記交流地絡電流変換器で検出された電圧信号を、有線又は無線により前記絶縁抵抗測定器へ送信し、前記絶縁抵抗測定器の前記位相判定部は、前記送信されてきた電圧信号に基づいて前記位相差を求めることを特徴とする請求項１記載の電線又はケーブルの絶縁劣化領域診断システム。
3. 前記絶縁抵抗測定器及び前記交流供地絡電流変換器の双方が互いに同期した周期信号の発生手段を有し、前記絶縁抵抗測定器の前記位相検出部は、前記周期信号に基づいて前記位相差を求めることを特徴とする請求項１記載の電線又はケーブルの絶縁劣化領域診断システム。
4. 電気を通ずる電線又はケーブルの絶縁劣化領域を診断するための方法であって、
   停電状態の前記電線又はケーブルの導体と大地との間に、単相の交流電源供給源により交流電圧を供給し、
   前記交流電流供給源を抵抗器で接地して、該抵抗器に生ずる電圧を電圧検出器により検出し、
   前記電線又はケーブルの漏洩電流を変流器により検出し、
   前記検出した漏洩電流と、前記検出した電圧信号との位相差を求め、
   該求めた位相差と前記検出された電流信号とに基づいて抵抗漏洩電流を求め、
   該求めた抵抗漏洩電流と前記交流電圧供給源の供給電圧とに基づいて前記電線またはケーブルの絶縁抵抗値を測定し、
   前記電線又はケーブルの複数の地点において前記絶縁抵抗測定器により測定された絶縁抵抗値と、各測定点の前記電線又はケーブルの長さ方向に沿った位置との相関関係を求め、
   前記求めた相関関係における勾配が既定値を越えた領域が存在する場合に、当該領域を絶縁劣化領域と判定することを特徴とする電線又はケーブルの絶縁劣化領域診断方法。

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