部分放電

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局所的に発生する絶縁破壊(DB) (2 つの導体間の空間を完全に橋渡ししない) のことです。コロナ放電(CD) は通常、空気中の比較的安定したグロー放電またはブラシ放電(BD) によって現れますが、固体絶縁システム内の部分放電は目に見えません。

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内の気泡など、気体の空隙内で発生します。部分放電が長引くと、固体絶縁体が侵食され、最終的には絶縁破壊につながる可能性があります。

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- 誘電体界面、または液体誘電体内の気泡内で始まります。PD は絶縁体の一部のみに限定されるため、放電は電極間の距離を部分的に埋めるだけです。PD は、異なる絶縁材料間の境界に沿って発生することもあります。

絶縁材料内の部分放電は、通常、誘電体内のガスが満た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、空隙を横切る電界は、同等の距離の誘電体を横切る電界よりも大幅に高くなります。空隙を横切る電圧ストレスが空隙内のガスのコロナ開始電圧 (CIV)を超えて増加すると、PD アクティビティが空隙内で開始されます。

PD は、表面の接線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、固体絶縁体の表面に沿って発生することもあります。この現象は、架空送電線の絶縁体、特に湿度の高い日に汚染された絶縁体でよく発生します。架空送電線は、絶縁媒体として空気を使用します。

空洞を組み込んだ誘電体の等価回路は、別のコンデンサと並列に接続された容量性電圧分割器としてモデル化できます。分割器の上部のコンデンサは、空洞と直列に接続された容量の並列組み合わせを表し、下部のコンデンサは空洞の容量を表します。並列コンデンサは、サンプルの残りの空洞化されていない容量を表します。

部分放電が開始されると、高周波の過渡電流パルスが発生し、数ナノ秒から数マイクロ秒持続した後、電圧正弦波がゼロ交差を通過するときに繰り返し消えて再出現します。PD は、正負両方のピーク電圧付近で発生します。PD パルスは、高周波電流トランスデューサ (HFCT) 法を使用して簡単に測定できます。電流トランスデューサは、テスト対象のコンポーネントのケース グラウンドの周囲にクランプされます。PD の重大度は、バーストの終了と次のバーストの開始との間のバースト間隔を測定することで測定されます。絶縁破壊が悪化すると、破壊がより低い電圧で発生するため、バースト間隔が短くなります。このバースト間隔は、重要な 2 ミリ秒のポイントに達するまで短くなり続けます。この 2 ミリ秒のポイントでは、放電はゼロ交差に非常に近くなり、完全な放電と重大な障害が発生します。これらの PD イベントは大きさが小さく、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、テスト対象のコンポーネントが通電され、負荷がかかった状態で実行されます。これは完全に非侵入的です。これらの電流を測定する別の方法は、小さな電流測定抵抗器をサンプルと直列に接続し、マッチングされた同軸ケーブルを介してオシロスコープで生成された電圧を確認することです。

PD、アーク放電、または火花放電が発生すると、電磁波が故障箇所から全方向に伝播し、変圧器タンクに接触して、HFCT が設置されているアース (接地ケーブル) まで伝わり、変圧器、ブレーカー、PT、CT、HV ケーブル、MCSG、LTC、LA、発電機、大型 hv モーターなどの内部にある EMI または EMP を捕捉します。高周波パルスを検出することで、部分放電、アーク放電、または火花放電の存在を特定できます。PD またはアーク放電が検出されたら、次のステップは故障箇所を特定することです。アコースティック エミッション法 (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 ノイズからの干渉を除去します。

部分放電による劣化は、不適切な応力制御や、接地壁絶縁体の空隙や剥離など、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、高電圧機器の絶縁状態を評価し、絶縁体内の電気トリーを検出して位置を特定することができます。部分放電測定により、絶縁システムの損傷部分を特定することができます。

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じケーブルの測定値または工場の品質管理基準と比較されます。これにより、試験中のデバイスの絶縁状態 (新品、著しく劣化、故障) を簡単かつ迅速に分類でき、適切な保守および修理対策を事前に計画および整理できます。

部分放電測定は、ポリエチレンケーブルや紙絶縁鉛被覆（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できます。部分放電測定は、回転機械（モーターや発電機）、変圧器、ガス絶縁開閉装置の絶縁システムの状態を評価するために日常的に行われます。

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ます。

• テスト対象のケーブルまたはその他の物体
• 低インダクタンス設計のカップリングコンデンサ
• バックグラウンドノイズの少ない高電圧電源
• 高電圧接続
• 電源からのバックグラウンドノイズを低減する高電圧フィルター
• 部分放電検出器
• 分析用PCソフトウェア

稼働中の通電電力設備の部分放電検出システム:

• ケーブル、変圧器、またはあらゆるMV/HV電力機器
• 超高周波センサー (UHF) 検出帯域幅 300 MHz-1.5 GHz
• 高周波変流器 (HFCT) 帯域幅 500 kHz-50 MHz
• 中心周波数40kHzの超音波マイク
• 検出帯域幅 20 kHz - 300 kHz の音響接触センサー
• TEVセンサーまたはカップリングコンデンサ3MHz-100MHz
• パルスタイミングとAC周波数を比較する位相分解解析システム

20 世紀後半に PD の重要性が認識されて以来、多くの放電検出方式と部分放電測定方法が発明されてきました。部分放電電流は、持続時間が短く、立ち上がり時間がナノ秒単位になる傾向があります。オシロスコープでは、放電は正弦波のピーク時に発生する等間隔のバースト イベントとして表示されます。ランダム イベントはアーク放電またはスパークです。部分放電の大きさを定量化する通常の方法は、ピコクーロンです。部分放電の強度は、時間に対して表示されます。

部分放電測定中に収集された反射図を、時間領域反射測定法(TDR) と呼ばれる方法を使用して自動的に分析することで、絶縁の不規則性の位置を特定できます。これらは部分放電マッピング形式で表示されます。

部分放電の位相関連の描写は、テスト対象デバイスの評価に役立つ追加情報を提供します。

PD イベントによって発生する実際の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使用されます。PD イベントの見かけの電荷 (q) は、テスト対象デバイスの端子間に注入された場合、端子間の電圧が PD イベントと同等の量だけ変化する電荷です。これは次の式でモデル化できます。

${\displaystyle q=C_{b}\Delta (V_{c})}$

見かけの電荷は、PD サイトで実際に変化する電荷の量と同じではありませんが、直接測定して較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、測定機器に放電される校正ユニットから得られる電圧に対してスパイクの電圧を校正することによって測定されます。校正ユニットの操作は非常に簡単で、サンプル間に接続されたコンデンサと直列に接続された矩形波発生器のみ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可能にします。校正器は通常、放電テスト中は切断されます。

• 広帯域PD検出回路

  広帯域 検出では、インピーダンスは通常、低Q並列共振RLC 回路で構成されます。この回路は励起電圧 (通常 50 ～ 60 Hz ) を減衰させ、放電によって発生した電圧を増幅する傾向があります。

• 同調（狭帯域）検出回路
• 差動放電ブリッジ法
• 音響および超音波法

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、電源も理想から外れたものである可能性があります。そのため、現場での測定はノイズの影響を受けやすく、感度が低くなる可能性があります。^{[2] [3]}

工場品質の PD テストを現場で実施するには、すぐには入手できない機器が必要になるため、標準化された測定ほど感度や精度は高くないものの、はるかに便利な他の方法が現場での測定用に開発されています。MV および HV 資産の所有者や運用者が現場での測定を広く適用するには、必然的に現場での測定は迅速、安全、かつシンプルである必要があります。

過渡地電圧 (TEV)は、周囲の金属構造物の表面に誘導される電圧スパイクです。TEV は、1974 年に EA Technology の John Reeves 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生成され、その結果、導体の周囲の接地金属にも電流スパイクが生成されるために発生します。John Reeves 博士は、TEV 信号は、同じポイントで測定されたすべての同じタイプのスイッチギアの絶縁状態に直接比例することを確立しました。TEV の読み取り値は dBmV で測定されます。TEV パルスには高周波成分が多く含まれているため、接地された金属構造物は地面に対してかなりのインピーダンスを示します。そのため、電圧スパイクが生成されます。これらは周囲の金属構造物の内面 (  100 MHz で軟鋼の場合約 0.5 μmの深さ) に留まり、金属構造物に電気的不連続性がある場所では外面にループします。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 TEV を発生させるという二次的な効果もあります。つまり、周囲の金属構造物がアンテナのように機能します。TEV は、電気接続を行ったりパネルを取り外したりすることなく検出できるため、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、スイッチギアの問題や内部コンポーネントの表面トラッキングを検出するのに役立つ場合がありますが、感度は固体誘電体ケーブル システム内の問題を検出するには十分ではない可能性があります。

超音波測定は、部分放電が音波を放出するという事実に基づいています。放出される周波数は本質的に「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生成されます。検査対象のアイテムの外側に構造伝達型超音波センサーを使用すると、センサーをソースに最も近づけて配置することで、内部の部分放電を検出して位置を特定できます。

HFCT 方式この方式は、バースト間隔測定によって PD の重大度を検出し、判定するのに最適です。バーストが「ゼロ電圧交差」に近づくほど、PD 障害はより深刻で重大です。障害領域の位置は、上記の AE を使用して特定されます。

電磁場検出は、部分放電によって生成された電波を拾います。前述のように、電波は周囲の金属構造物に TEV を生成する可能性があります。内蔵 UHF アンテナまたは周囲の金属構造物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と、特に高電圧でより高感度の測定を実現できます。

方向性結合器検出は、部分放電から発せられる信号を拾います。この方法は、ジョイントや付属品の半導体層上にセンサーを配置するため、ジョイントや付属品に最適です。^[5]

一旦始まると、PD は絶縁材料の進行性の劣化を引き起こし、最終的には電気的な破壊につながります。高電圧ケーブルや機器内での 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。固体誘電体内の部分放電の累積的な影響として、多数の分岐した部分的に導電性のある放電チャネルが形成され、このプロセスはツリー化と呼ばれます。放電が繰り返されると、絶縁材料の不可逆的な機械的および化学的劣化が発生します。損傷は、高エネルギー電子またはイオンによって消散したエネルギー、放電からの紫外線、空隙壁を攻撃するオゾン、および化学破壊プロセスで高圧のガスが解放されるときに発生する亀裂によって引き起こされます。誘電体の化学変化により、空隙を囲む誘電体材料の電気伝導性も増加する傾向があります。これにより、（これまでは）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大幅に高くなっています。

紙絶縁高電圧ケーブルでは、部分放電は、電気導体または外部シースに隣接する紙巻線を貫通する小さなピンホールから始まります。 PD 活動が進行するにつれて、反復放電により、影響を受けた紙層と含浸誘電液内で最終的に永久的な化学変化が発生します。 時間が経つにつれて、部分的に導電性のある炭化ツリーが形成されます。 これにより、残りの絶縁体にさらに大きなストレスがかかり、損傷領域がさらに成長し、ツリーに沿って抵抗加熱が発生し、さらに炭化します (トラッキングと呼ばれることもあります)。 これは最終的にケーブルの完全な絶縁破壊に至り、通常は電気爆発を引き起こします。

部分放電は、熱、音、光の形でエネルギーを消散させます。PD による局所的な加熱は、絶縁体の熱劣化を引き起こす可能性があります。PD 加熱のレベルは、DC および電力線周波数では通常低いですが、高電圧高周波機器内での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完全性は、機器の寿命を通じて発生する PD 活動を監視することで確認できます。供給の信頼性と長期的な運用の持続可能性を確保するには、高電圧電気機器の PD を、検査と保守のための早期警告信号で綿密に監視する必要があります。

PD は通常、慎重な設計と材料の選択によって防止できます。重要な高電圧機器では、製造段階および機器の耐用年数を通じて定期的に PD 検出装置を使用して絶縁の完全性が確認されます。PD の防止と検出は、電力会社が使用する高電圧機器の信頼性のある長期運用を保証するために不可欠です。

UHF カプラとセンサーを利用して、部分放電信号が検出され、マスター コントロール ユニットに送られます。マスター コントロール ユニットでは、干渉を排除するためのフィルタリング プロセスが適用されます。UHF 部分放電パルスの振幅と周波数はデジタル化され、分析および処理されて、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。システムのプロバイダーに応じて、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 Web ベースのビューアを介してアクセスできます。

さまざまな種類の部分放電（PD）を区別し、正確に位置を特定する能力は、効果的なPDテストと監視に不可欠です。この機能により、計画停止中に是正修理を行うことができ、高額な停止やそれに伴うダウンタイムや生産損失につながることが多い故障を防ぐことができます。^[6]

• IEC 60060-2 : 1989 高電圧試験技術 - パート2：測定システム
• IEC 60270:2000/ BS EN 60270:2001「高電圧試験技術 - 部分放電測定」
• IEC 61934:2006「電気絶縁材料およびシステム - 短い立ち上がり時間および反復電圧インパルス下でのPDの電気測定」
• IEC 60664-4:2007「低電圧システム内の機器の絶縁調整 - パート4：高周波電圧ストレスの考慮」
• IEC 60034-27:2007「回転電気機械 - 回転電気機械の固定子巻線絶縁におけるオフライン部分放電測定」
• IEEE Std 436™-1991 (R2007)「電子変圧器のコロナ (部分放電) 測定に関する IEEE ガイド」
• IEEE 1434–2000「回転機械における部分放電の測定に関する IEEE 試行ガイド」
• IEEE 400-2001「シールド電力ケーブルシステムの絶縁の現場試験および評価に関する IEEE ガイド」
• PD IEC /TS 62478:2016「高電圧試験技術 - 電磁気的および音響的方法による部分放電の測定」

• 状態基準メンテナンス
• 状態監視
• 溶存ガス分析
• 発電機
• 電動モーター
• 電力供給
• 電力伝送
• 変電所
• 電気ツリー
• スイッチギア
• トランス
• 静電気放電
• 電気測定

• 高電圧工学の基礎、E.Kuffel、WS Zaengl、Pergamon Press 出版。初版、1992 年ISBN 0-08-024213-8 
• エンジニアリング誘電体、第IIA巻、固体絶縁材料の電気的特性：分子構造と電気的挙動、R. Bartnikas、R. M Eichhorn、ASTM特別技術出版物783、ASTM、1982
• エンジニアリング誘電体、第 1 巻、コロナ測定と解釈、R. Bartnikas、EJ McMahon、ASTM 特別技術出版物 669、ASTM、1979、ISBN 0-8031-0332-8 
• Electricity Today、2009年5月、28～29ページ
• Pommerenke D.、Strehl T.、Heinrich R.、Kalkner W.、Schmidt F.、Weißenberg W.: 高電圧ケーブルシステムにおける方向性結合センサーを使用した内部 PD とその他のパルスの識別、IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation、Vol.6、No 6、1999 年 12 月、pp. 814–824

• 部分放電とは何ですか?
• 部分放電（PD）とは何ですか？
• GIS の典型的な欠陥における部分放電の測定と分析
• 部分放電に関する論文とリソース