平成 28 年電気学会電力・エネルギー部門大会 356 GIS PD 検出用面電流センサにおける電界抑制型と 磁界増幅型の特性検討 学生員 山本 諒*a) 村瀬 洋* 正員 Characteristic examination of the electric field restraint type and the magnetic field amplification type in surface current sensor output for PD detection of GIS Plane Planewave wave ,Student Member, Hiroshi MuraseH ,Member IE キーワード：ガス絶縁開閉装置，絶縁診断，部分放電，面電流センサ IH IH IEIE Z2 I H I H Z2 Signal Signal IE Signal Z1 Metal plate Metal plate Z2 IE M SM Co inte Signal Shield Shield Shield(b)平面型の構造 SMAconnector connector SMA SM Shield Plane(b)平面型の構造 wave (b)平面型の構造 (b)平面型の構造 Semirigid Shield Shield Coupling line Coupling line Metal plate coaxial cable Shield Coupling Shield line (c)電界増幅型の構造 Signal H Coupling line Coupling lineIH IH Coupling line Coupling line Signal Signal Coupling line Signal Coupling line Metal plate C Coupling line Z2 IE Signal Coupling line Signal M M imp (d)磁界 Coupling line Magnetic field SMA connector Coupling line Signal Magnetic field interlinkage connector 図1．面電流センサの基本原理と各センサの構造 space ISMA ECoupling Z1 line Z2 Magnetic field SMA connector IE IH space Coupling lineIH Signal interlinkage interlinkage stone space of E the Signal of Fig.1. Structure foundation the current sensor and e SMA connector Metal plateaspect Signal Signal Metal plateSMA connector plate SMAMetal connector SMA connector Metal plate Metal plate Metal plate Shield Metal plate (d)磁界増幅型の構造 (b)平面型の構造 (d)磁界増幅型の構造 (c)電界抑制型の構造 (c)電界増幅型の構造 (d)磁界増幅型の構造 図1．面電流センサの基本原理と各センサの構造 図1．面電流センサの基本原理と各センサの構造 Magnetic field Fig.1. of thestone foundation stone of the aspect current sensor and each sensor 図1．面電流センサの基本原理と各センサの構造 Fig.1. Structure ofStructure the foundation of the aspect current sensor and each sensor Shield Shield line Coupling Fig.1. Structure of the foundation stoneCoupling of the aspect current sensor and eachspace sensor interlinkage line SMA connector SMAconnector connector SMA SMAconnector connector SMA SMAconnector connector SMA Metal plate Metal plate Metal plate Shield (c)電界増幅型の構造 Metal plate (a)面電流センサの基本原理 (c)電界増幅型の構造 Signal E Signal Signal Signal Signal shield Shield shield Shield shield Shield H Coupling Signal line interlinkage space Metal plate plate Metal late Shield (b)平面型の構造 流センサの基本原理 の構造 (d)磁界増幅型の構造 Shield Plane wave Semirigid Matching Shield 図1．面電流センサの基本原理と各センサの構造 Coupling line coaxial cable Coupling line impedance Shield ctureshield of the foundation stone of the aspect Coupling line current Signal sensor and each sensor H shield Shield Signal Signal E IE Signal IE Z1 Signal Plane wave Semirigid coaxial cable Signal H Metal plate SMA connector line line IH Metal Iplate Z2 H connector SMA SMA connector Metal plate SMA connector Magnetic field SMA connector Coupling line interlinkage space Z2 Coupling line IE SMAconnector connector SMA Signal IH Signal IH Coupling line Coupling line ector ector Signal Signal Signal Coupling SMAline connector Magnetic field Coupling line SMA connector line Coupling interlinkage space Matching impedance Metal plate Metal plate Metal plate (c)電界増幅型の構造 (d)磁界増幅型の構造 (d)磁界増幅型の構造 図1．面電流センサの基本原理と各センサの構造 Fig.1. Structure of the foundation stone of the aspect current sensor and each sensor Shield Shield line Coupling 基本原理 図1. 面電流センサの基本原理と各センサの構造 Fig1. the principle of a surface current sensor and its various constructions Shield (b)平面型の構造 Metal plate Signal Z2 IE E Signal IE H Z1 IH Coupling line Plane wave Semirigid coaxial cable Coupling line Z2 IE Matching impedance Shield 界の誘導を増幅させ、電界の誘導と等しくすることを目指 す。今回、この新方式のセンサの面電流源モデルを用いた 基礎特性の検討を行う。 ３. 電界抑制型の実験構成および実験方法 実験構成を図 2 に示す。右側に円周方向の角度の定義を 示している。GIS の両端には円錐状の同軸線路を設置し、 一方に模擬 PD パルスを注入し、他端には整合抵抗(50Ω) を接続する。模擬 PD パルスの波高値は 50V、半値幅は 1ns である。円周方向の測定は 0 度から 15 度ずつセンサを移 動させる。軸方向の測定は、左側の GIS 母線のブッシュ型 スペーサ側の金属フランジ面を 0 cm とし、その面から円 錐型同軸線路を設置している側の金属フランジ面までの 範囲において、金属フランジに密着した状態(2cm)から軸方 向に 5cm ずつ移動させる。各座標上において面電流センサ を設置し、順方向出力を測定する。 9-3-1 ©2016 IEE Japan IH IH SMA connector 図2．GISモデルを用いた実験構成 Fig.2. Experiment constitution using the GIS model 1 a)Correspondence to: Ryo Yamamoto. E-mail:[email protected] ＊ 愛知工業大学 〒470-0392 愛知県豊田市八草町八千草 1247 Aichi Insutitute of Technology. 1247, Yachigusa, Yakusa-cho, Toyota, Aichi 470-0392, Japan Z1 Coupling line Signal Coupling line IE Z1 Z2 IE Signal Signal IH IH Z11 Z2Z2 IE E ISMA H IIHH IIEE Signal Z IE IH connector Coupling line SMA EE SMAconnector connector HH Magnetic field IE Z1 SMA connector Z2 IE IE IH line Coupling IH interlinkage space CouplingEline SMA connector Coupling line Signal Signal Metal plate Metal plate SMA connector SMA connector SMA connector Shield (b)平面型の構造 Metal plate Metal plate 界増幅型の構造 (d)磁界増幅型の構造 Shield line Coupling 図1．面電流センサの基本原理と各センサの構造 Signal Fig.1. Structure of the foundation stone of the aspect current sensor and each sensor Magnetic field SMA connector line Coupling 磁界増幅型の構造を 図 1(d)に示す。開発目的は電界抑制型と同程度の出力を得 るとともに、センサの高さを低く抑えることである。磁界 増幅型では図 1(d)のように磁界鎖交空間を作ることで、磁 Shield Plane wave Shield Plane wave wave Semirigid Shield Plane Matching Semirigid Semirigid Matching coaxial cableCoupling lineCoupling line Matching impedance shield Shieldcable Coupling line coaxial coaxial cable H Coupling lineimpedance Signal impedance H IE IE IE ZE1 Z1 IH IH SMA M (a)面電流センサの基本原理 Plane Planewave wave (a)面電流センサの基本原理 (a)面電流センサの基本原理 (a)面電流センサの基本原理 ＜2・2＞電界抑制型面電流センサ 電界抑制型の構造を 図 1(c)に示す。開発目的は平面型と比較し、結合線の厚さ を厚くし、高い出力を得ることである。このとき、電界の 誘導が、磁界の誘導より大きくなることが分かった。この 対策として結合線端部にシールドを設置し、電界による誘 導を抑制する方法を考えた。このシールドの高さと結合線 の高さの両方を調節することで、逆方向出力をほぼ 0 に抑 えられるがわかった(1),(2)。今回、より実地に近い条件とし て実 GIS モデルを用い、実際にスペーサより漏れでた PD 電磁波を測定する。そして、本センサの出力特性を確認す る。 E IH (b)平面 Metal plate SMA connector を図 1(a)に、平面型の構造を図 1(b)に示す。平面型の構造 は、基本原理を忠実に具現化したことを特徴とする。本構 成は、結合線を通過する平面波に対して、電界による誘導 と磁界による誘導を受けることで 2 種類(順方向:電界+磁 界、逆方向:電界－磁界)の出力を得る。 E Z1 E Signal ２. 面電流センサ開発の経緯 ＜2・1＞平面型面電流センサ 面電流センサの基本原理 H Signal IE IE Metal plate (d)磁界増幅型の構造 ガス絶縁開閉装置(GIS)の絶縁診断技術として、絶縁破壊 の前駆現象である部分放電により生ずる電磁波の検出が 有効な手段である。本研究は、環境電磁工学の分野で開発 された面電流センサを応用し、高い S/N 比を有する検出技 術の確立を目的としている。我々はこれまで、2 種類の面 電流センサを提案し、その基本的な特性の調査を行ってき た。面電流センサの特徴は、電磁波の伝搬方向にセンサを 置いたとき、逆方向出力を 0 とすることでベクトル的測定 を可能とすることにある。 今回我々は、これまで使用してきた電界抑制型 (1),(2)の実 GIS モデル上における出力特性について検討を行うととも に、新たに磁界増幅型を提案し、その基礎特性の検討を行 ったので報告する。 H Cou H Z2 IH IH (a)面電流センサの基本原理 Plane Planewave wave Plane wave Plane wave Plane wave Plane wave １. まえがき Co Signal Keywords：Gas insulated switchgear, Insulation diagnosis, Partial discharge, Surface current detector ＜2・3＞磁界増幅型面電流センサ Z1 E S Plane wave Semirigid coaxial cable * サの基本原理と各センサの構造 stone of the aspect current sensor and each sensor Ryo Yamamoto *a) 平成 28 年電気学会電力・エネルギー部門大会 ４. 実験結果 ＜4・1＞円周方向の実験結果 測定波形の一例を図 3 に 示す。この波形の p-p 値をその角度における出力としてプ ロットし、各方位における出力の分布図を図 4 に示す。こ の結果より、全方位においてほぼ出力の変動がなく測定で きていることを確認した。また 15 度から 30 度刻みの角度 において、GIS 母線同士を接続するためのボルトが存在し ているが、これらの角度においても問題なく出力が得られ ている。 ＜4・2＞軸方向の実験結果 円周方向の実験結果と同様 に、軸方向の各距離における波形の p-p 値をその距離にお ける出力としてプロットし、その分布図を図 5 に示す。こ の結果から、金属フランジからの距離が大きくなるほど順 当に出力が小さくなっていく結果となった。また金属フラ ンジに密着させたときよりも 5cm 程度距離を取ったほう が大きな出力になることが確認できた。 ７. 実験結果 順方向および逆方向の比較を図 7 に、端子 位置 90°における電界による誘導のみの出力比較を図 8 に 示す。図 7 より磁界増幅型は磁界による誘導を増加したた め、順方向出力が大きくなり、逆方向出力が小さくなって いることが分かる。また、図 8 より、電界のみの出力はほ ぼ同値であることも見て取れる。 ８. 考察 の値よりも、図 7 に示す順方向出力は小さくなっている。 これらのことから、今回の磁界増幅量は十分ではなく、ま だ電界による誘導の方が大きいことが分かる。今後はこの 状況を改善するとともに、結合線の最適な高さを調査する 必要がある。 Digital OSC PD imitation signal generator ５. 考察 結果より円周方向の各方位における出力は、全方位にお いてほぼ出力の変動なく測定でき、軸方向の出力は、金属 フランジから距離をとるほど小さくなっていく結果とな った。これらは、平面型の面電流センサを使用した実験に とほぼ同等の結果となった。また、本稿には示していない が、本センサにより平面型に対して約 10 倍の出力が得ら れることが分かった。 EMWintensity [V] 逆方向 0.5 0 1 12 2 14 3 16 4 18 5 20 6 22 7 24 8 26 9 28 図7.順方向および逆方向出力の比較 Fig7. Comparison of order direction and the opposite direction output 1.6 1.4 0° 1.2 1 磁界増幅型 0.8 電界抑制型 0.6 0.4 0 60° 90° Voltage [mV/p-p] 30° 180° 図4．円周方向の出力分布 Fig.4. Output distributionin the circumference direction 1 2 12 3 14 4 16 5 18 6 20 7 22 8 24 9 26 28 結合線の高さ(mm) 図8.電界による誘導のみの出力比較(90°方向設置) Fig8. Comparison of the electro-static induction 0.4 文献 0.3 (1) 0.2 0.1 0 150° 0 10 120° 210° シールドを除去した 電界抑制型 1 結合線の高さ(mm) 0.5 240° 1.5 10 EMWintensity [V] EMWintensity [V] 270° 順方向 0.2 0° 300° 磁界増幅型 2 0 図3．測定波形の一例 Fig.3. Typical example of a measured waveform 0.5 0.4 0.3 [V/p-p] 0.2 0.1 0 1000mm 図6.実験構成 Fig6.Experimental set up . 2.5 Time[5ns/div] 330° 200mm Surface current Sensor 4240mm を図 6 に示す。面電流源モデルとして、アルミ平板上 200mm の高さに直径 40mm、長さ 4240mm のアルミパイプ を架設した線路を用いる。面電流センサは、信号源側の線 路端部から 600mm の位置に設置する。信号源には、部分 放電模擬パルス信号発生器を用い、デジタルオシロスコー プ（1GHz、10GS/s）にて面電流センサの順方向および逆方 向の出力を測定する。厚さ 2mm の絶縁スペーサを用い、 結合線の高さを 12~26mm に変更させる。この測定結果を 電界抑制型のシールドを取り去った状態の出力と比較す る。また、端子位置を 90°に変更し電界の誘導のみの出力 を比較する。 p-p 440mm φ40mm 600mm ６. 磁界増幅型の実験構成および実験方法 実験構成 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 -0.05 -0.1 -0.15 -0.2 -0.25 図 7 に示す磁界増幅型の逆方向出力は 0 となっ ていない。また、図 8 に示す電界の誘導のみの出力の 2 倍 0 30 60 Distance from metal flange [cm] 90 (2) 図5．軸方向の出力分布 Fig.5. Output distribution in the axial direction 9-3-2 下原 裕樹、山本 諒、村瀬 洋： 「GIS モデルにおける PD 検 出用面電流センサの出力特性調査」、平成 27 年電気学会電 力・エネルギー部門大会、No.286、(2015) 下原 裕樹、山本 諒、村瀬 洋： 「GIS モデルにおける面電流 センサの最適特性条件の調査」、平成 27 年度 電気関係学会 東海支部連合大会，No.J2-1（2015） ©2016 IEE Japan
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