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電気工学において、 部分放電（PD）とは、高電圧（HV）ストレス下にある固体または流体 電気絶縁（EI）システムの小さな部分で発生する局所的な誘電破壊（DB）（2つの導体間の空間を完全に橋渡ししない）のことである。コロナ放電（CD）は通常、空気中で比較的安定したグロー放電またはブラシ放電（BD）として現れるが、固体絶縁システム内の部分放電は目に見えない。
部分放電（PD）は、気体、液体、または固体の絶縁媒体で発生する可能性があります。多くの場合、固体エポキシ絶縁体の空隙や変圧器油中の気泡など、ガスの空隙内で発生します。長時間の部分放電は固体絶縁体を侵食し、最終的には絶縁破壊につながる可能性があります。
部分放電（PD）は通常、固体誘電体内の空隙、亀裂、または介在物、固体または液体誘電体内の導体と誘電体の界面、あるいは液体誘電体内の気泡内で発生します。PDは絶縁体の一部に限定されるため、放電は電極間の距離を部分的にしか埋めません。PDは、異なる絶縁材料の境界に沿って発生することもあります。
絶縁材料内部における部分放電は、通常、誘電体内部のガスが充填された空隙内で発生します。空隙の誘電率は周囲の誘電体よりもかなり低いため、空隙にかかる電界は、同等の距離の誘電体にかかる電界よりも著しく高くなります。空隙にかかる電圧が、空隙内のガスに対するコロナ放電開始電圧（CIV）を超えると、空隙内で部分放電が発生します。
固体絶縁材料の表面においても、表面接線方向の電界が絶縁体表面に沿って絶縁破壊を引き起こすほど高い場合、部分放電（PD）が発生することがあります。この現象は、特に湿度が高い日に汚染された絶縁体において、架空送電線の絶縁体でよく見られます。架空送電線は、絶縁媒体として空気を使用しています。
空洞を含む誘電体の等価回路は、別のコンデンサと並列接続された容量性分圧器としてモデル化できる。分圧器の上側のコンデンサは、空洞と直列接続された容量の並列合成を表し、下側のコンデンサは空洞の容量を表す。並列接続されたコンデンサは、試料の空洞のない部分の残りの容量を表す。
部分放電が始まると、高周波の過渡電流パルスが現れ、ナノ秒からマイクロ秒の間持続し、電圧正弦波がゼロクロスを通過するにつれて繰り返し消滅と再出現します。部分放電は、正負両方のピーク電圧付近で発生します。部分放電パルスは、高周波電流トランスデューサ（HFCT）法を使用して容易に測定できます。電流トランスデューサは、試験対象部品のケースグランドにクランプされます。部分放電の深刻度は、バーストの終了から次のバーストの開始までのバースト間隔を測定することによって測定されます。絶縁破壊が悪化するにつれて、より低い電圧で破壊が発生するため、バースト間隔は短くなります。このバースト間隔は、臨界点である2ミリ秒に達するまで短くなり続けます。この2 ミリ秒の時点で、放電はゼロクロスに非常に近くなり、完全な放電と重大な故障を引き起こします。これらの部分放電イベントは振幅が小さく、持続時間が短いため、HFCT法を使用する必要があります。HFCT法は、試験対象部品が通電され、負荷がかかった状態で実行されます。これは全く非侵襲的な方法です。これらの電流を測定する別の方法としては、サンプルと直列に小型の電流測定抵抗器を接続し、整合された同軸ケーブルを介してオシロスコープで発生した電圧を観測する方法があります。
部分放電、アーク放電、または火花放電が発生すると、電磁波は故障箇所からあらゆる方向に伝播し、変圧器タンクに接触して、HFCTが設置されている大地（接地ケーブル）に到達し、変圧器、遮断器、PT、CT、高圧ケーブル、MCSG、LTC、LA、発電機、大型高圧モーターなどの内部のEMIまたはEMPを捕捉します。高周波パルスの検出により、部分放電、アーク放電、または火花放電の存在が特定されます。部分放電またはアーク放電が検出された後、次のステップは故障箇所を特定することです。音響放射法（AE）を使用して、4つ以上のAEセンサーを変圧器シェルに配置し、AEとHFCTの波形データを同時に収集します。バンドパスフィルタリングを使用して、システムノイズによる干渉を除去します。
部分放電による劣化は、応力制御の不備や、地中壁断熱材の空隙や剥離など、さまざまな要因によって引き起こされる可能性があります。これらの問題は最終的に機械の故障につながる可能性があります。[ 1 ]
部分放電測定により、高電圧機器の誘電状態を評価し、絶縁体内部の電気的な樹状突起を検出・特定することができる。部分放電測定は、絶縁システムの損傷箇所を特定するのに役立つ。
部分放電試験中に収集されたデータは、受入試験中に収集された同一ケーブルの測定値、または工場品質管理基準と比較されます。これにより、試験対象機器の誘電状態（新品、著しい劣化、不良）を簡単かつ迅速に分類することができ、適切な保守・修理措置を事前に計画・実施することが可能になります。
部分放電測定は、ポリエチレンや紙絶縁鉛被覆（PILC）ケーブルなど、さまざまな絶縁材料を使用したケーブルや付属品に適用可能です。部分放電測定は、回転機械（電動機や発電機）、変圧器、ガス絶縁開閉装置などの絶縁システムの状態を評価するために日常的に実施されています。
部分放電測定システムは基本的に以下の要素で構成されています。
稼働中の通電電力機器における部分放電検出システム：
20世紀後半に部分放電（PD）の重要性が認識されて以来、数多くの放電検出方式と部分放電測定方法が開発されてきた。部分放電電流は持続時間が短く、立ち上がり時間はナノ秒単位である傾向がある。オシロスコープ上では、放電は正弦波のピーク時に発生する等間隔のバースト現象として現れる。ランダムな現象としては、アーク放電やスパーク放電がある。部分放電の大きさを定量化する一般的な方法は、ピコクーロン単位を用いる。部分放電の強度は時間に対して表示される。
部分放電測定中に収集された反射図を、時間領域反射率測定法（TDR）と呼ばれる手法を用いて自動的に解析することで、絶縁不良箇所を特定できます。これらの異常箇所は、部分放電マッピング形式で表示されます。
部分放電の位相に関連した描写は、試験対象デバイスの評価に役立つ追加情報を提供する。
部分放電（PD）によって実際に生じる電荷変化は直接測定できないため、代わりに見かけの電荷が用いられます。PDイベントの見かけの電荷（q）とは、被試験デバイスの端子間に注入された場合に、端子間の電圧をPDイベントと同等の量だけ変化させる電荷のことです。これは次の式で表すことができます。
見かけの電荷は、PDサイトにおける実際の電荷変化量とは異なりますが、直接測定および校正することができます。「見かけの電荷」は通常、ピコクーロンで表されます。
これは、測定機器に放電させた校正ユニットから得られる電圧と、スパイクの電圧を照合することによって測定されます。校正ユニットは操作が非常に簡単で、サンプルに接続されたコンデンサと直列に接続された方形波発生器で構成されています。通常、これらは光学的にトリガーされ、危険な高電圧領域に入ることなく校正を行うことができます。校正器は通常、放電試験中は接続が解除されます。
現場での測定ではファラデーケージの使用が不可能であり、電源供給も理想的な状態から逸脱する可能性がある。そのため、現場での測定はノイズの影響を受けやすく、結果として感度が低くなる可能性がある。[ 2 ] [ 3 ]
工場品質のPD試験を現場で実施するには、入手困難な機器が必要となる場合があるため、標準化された測定ほど感度や精度は高くないものの、はるかに簡便な現場測定方法が開発されてきた。中電圧および高電圧設備の所有者や運用者が現場測定を広く活用するためには、迅速、安全、かつ簡便であることが不可欠である。
過渡接地電圧 (TEV)は、周囲の金属構造物の表面に誘起される電圧スパイクです。TEV は、1974 年にEA Technologyのジョン・リーブス博士[ 4 ]によって初めて発見されました。TEV は、部分放電によって導体に電流スパイクが発生し、その結果、導体を囲む接地された金属にも電流スパイクが発生するために発生します。ジョン・リーブス博士は、TEV 信号は、同じタイプのすべての開閉装置を同じ地点で測定した場合、絶縁の状態に正比例することを確立しました。TEV 信号は mV で測定され、通常は dBmV で表示されます。TEV パルスには高周波成分が満載されているため、接地された金属構造物は接地に対してかなりのインピーダンスを示します。したがって、電圧スパイクが発生します。これらのスパイクは、周囲の金属構造物の内面 ( 100 MHz の軟鋼では約 0.5 μmの深さまで) にとどまり、金属構造物に電気的不連続がある場所では外面までループします。部分放電によって発生した電磁波が周囲の金属構造物にもTEV（熱起電力）を発生させるという二次的な効果があります。周囲の金属構造物はアンテナのように機能します。TEVは、電気接続やパネルの取り外しを必要とせずに検出できるため、部分放電の測定と検出に非常に便利な現象です。この方法は、開閉装置や内部部品の表面トラッキングにおけるいくつかの問題を検出するのに役立つ可能性がありますが、固体誘電体ケーブルシステム内の問題を検出するには感度が不十分であると考えられます。
超音波測定は、部分放電が音波を発するという事実に基づいています。音波の周波数は本質的に「ホワイトノイズ」であるため、固体または液体で満たされた電気部品を通して超音波構造波が発生します。検査対象物の外側に構造伝播型超音波センサーを使用することで、センサーを放電源に最も近い位置に配置すると、内部の部分放電を検出および特定できます。
HFCT法 この方法は、バースト間隔測定によって部分放電（PD）を検出し、その深刻度を判断するのに最適です。バースト間隔が「ゼロ電圧交差」に近づくほど、PD障害はより深刻で重大なものとなります。障害箇所の特定は、上述のAE（アコースティックエミッション）を用いて行います。
電磁界検出は、部分放電によって発生する電波を検出します。前述のように、電波は周囲の金属構造物にTEV（熱起電力）を発生させる可能性があります。より高電圧での高感度測定は、内蔵UHFアンテナ、または周囲の金属構造物内の絶縁スペーサーに取り付けられた外部アンテナを使用することで実現できます。
方向性結合器検出は、部分放電から発せられる信号を検出します。この方法は、ジョイントやアクセサリに最適で、センサはジョイントまたはアクセサリの半導体層に配置されます。[ 5 ]
部分放電（PD）は、一度始まると絶縁材料の漸進的な劣化を引き起こし、最終的には電気的破壊に至ります。高電圧ケーブルや機器におけるPDの影響は非常に深刻で、最終的には完全な故障につながる可能性があります。固体誘電体における部分放電の累積効果は、多数の枝分かれした部分導電性放電チャネルの形成であり、これはツリーイングと呼ばれるプロセスです。繰り返しの放電イベントは、絶縁材料の不可逆的な機械的および化学的劣化を引き起こします。損傷は、高エネルギー電子またはイオンによって散逸されるエネルギー、放電からの紫外線、空隙壁を攻撃するオゾン、および化学的破壊プロセスによって高圧ガスが放出されることによる亀裂によって引き起こされます。誘電体の化学的変化は、空隙を囲む誘電体材料の電気伝導率を増加させる傾向があります。これにより、（これまで）影響を受けていないギャップ領域の電気的ストレスが増加し、破壊プロセスが加速されます。ガラス、磁器、雲母などの多くの無機誘電体は、有機誘電体やポリマー誘電体よりもPD損傷に対する耐性が著しく高くなっています。
紙絶縁高電圧ケーブルでは、部分放電は、電気導体または外被に隣接する紙巻線に小さなピンホールが開くことから始まります。部分放電が進行すると、繰り返される放電によって、影響を受けた紙層と浸透している絶縁液に永久的な化学変化が生じます。時間が経つにつれて、部分的に導電性を持つ炭化した樹状構造が形成されます。これにより、残りの絶縁体に大きな負荷がかかり、損傷領域のさらなる拡大、樹状構造に沿った抵抗加熱、そしてさらなる炭化（トラッキングと呼ばれることもあります）が起こります。最終的には、ケーブルの完全な絶縁破壊、そして通常は電気爆発へと至ります。
部分放電は、熱、音、光の形でエネルギーを放出します。部分放電による局所的な発熱は、絶縁体の熱劣化を引き起こす可能性があります。直流および電力線周波数では部分放電による発熱レベルは一般的に低いものの、高電圧高周波機器では故障を加速させる可能性があります。高電圧機器の絶縁体の健全性は、機器の寿命を通して発生する部分放電活動を監視することで確認できます。電源供給の信頼性と長期的な運用安定性を確保するためには、高電圧電気機器における部分放電を綿密に監視し、早期警告信号に基づいて点検・保守を行う必要があります。
部分放電（PD）は、慎重な設計と材料選定によって通常は防止できます。重要な高電圧機器においては、製造段階だけでなく、機器の耐用期間中も定期的に部分放電検出装置を用いて絶縁の健全性が確認されます。電力会社が使用する高電圧機器の信頼性の高い長期運用を確保するためには、部分放電の防止と検出が不可欠です。
UHFカプラとセンサーを用いて部分放電信号を検出し、マスター制御ユニットに伝送します。マスター制御ユニットでは、干渉を除去するためのフィルタリング処理が適用されます。UHF部分放電パルスの振幅と周波数はデジタル化、解析、処理され、適切な部分放電データ出力、監視制御およびデータ収集（SCADA）アラームが生成されます。システム提供元によっては、部分放電出力はローカルエリアネットワーク、モデム、またはウェブベースのビューアを介してアクセスできます。
さまざまなタイプの部分放電（PD）を区別し、それらを正確に特定する能力は、効果的なPDテストと監視にとって非常に重要です。この機能により、計画停止中に是正修理を実施することができ、高額な停止やそれに伴うダウンタイムまたは生産損失につながる故障を防ぐことができます。[ 6 ]
絶縁システムは回転機械の性能と耐久性に不可欠であり、モーターや発電機の耐用年数に影響を与える可能性があります。部分放電が発生する場合は、絶縁劣化や絶縁破壊の可能性を示す兆候です。
ステータ巻線の絶縁体内部の空隙は、製造上のばらつき、熱膨張、または機械的応力につながる可能性があります。これらの空隙は電界を増幅し、部分放電活動を引き起こします。[ 7 ]
部分放電信号を早期に検出することで、壊滅的な故障に発展する前に是正措置を講じることができます。[ 8 ]部分放電活動を積極的に監視することで、計画外の停止を最小限に抑え、資産寿命を延ばし、システム全体の信頼性を向上させることができます。
オフライン部分放電試験は、機器の電源が切断された状態で、外部の高電圧電源を使用して各巻線を個別に通電して実施されます。これは、部分放電活動を監視しながら、電圧を段階的に耐電圧試験レベルまで徐々に上げて部分放電源を隔離するための制御された環境を提供するため、計画メンテナンス中の詳細な分析に最適です。[ 9 ]
オンライン部分放電試験は、モーター、発電機、ケーブル、開閉装置、変圧器などの高電圧機器に適用できます。HFCTなどのセンサーを使用することで、機器を停止させることなく試験を実施できます。
