部分放電音響検出の完全ガイド

はじめに

変圧器の絶縁システムにおける部分放電は、絶縁不良の差し迫った早期警告として最も信頼できるものであり、アコースティックエミッション検出は、配電用CTのアクティブな部分放電を、機器を停止させることなく特定する最も実用的な方法です。内部で活発に放電しているCTは、絶縁媒体とハウジングを伝搬する超音波音響信号を通して、その劣化状態を伝えます。 圧電センサー¹ 機器、適切な方法論で解釈でき、適切なメンテナンス対応で実行可能であり、そのすべてが1分の計画停止もない。.

配電用CTにおける部分放電の音響検知は、超音波圧力波（通常、以下の範囲）を検知することで機能します。 超音波周波数範囲² - この技術は、非侵襲的で、二次回路の切断を必要とせず、通電状態で実施でき、電気的な部分放電測定法では得られない位置情報を提供するため、設置型CTの保守にとって他に類を見ない価値があります。.

配電保守エンジニア、絶縁状態評価専門家、CTフリート管理を担当する信頼性チーム向けに、音響信号発生の物理学からセンサーの選択、測定方法、信号の解釈、保守の意思決定まで、アコースティック・エミッション部分放電検出の完全な技術的枠組みを提供します。.

目次

• CT絶縁システムにおける部分放電とアコースティック・エミッション検出の仕組みとは？
• CT部分放電検出のためのアコースティックエミッションセンサーの選択と配置は？
• 構造化されたCT音響部分放電測定キャンペーンを実施するには？
• アコースティック・エミッション信号をどのように解釈し、CTメンテナンスの決断を下すか？
• 配電用CTの部分放電音響検知に関するFAQ

CT絶縁システムにおける部分放電とアコースティック・エミッション検出の仕組みとは？

部分放電は、導体間の絶縁の一部のみを橋渡しする放電であり、高電圧導体とアース間の完全な絶縁破壊経路を構成するものではありませんが、最終的に完全な絶縁破壊経路が形成されるまで、放電部位を取り囲む絶縁材料を徐々に劣化させます。CT絶縁システム（オイルペーパー、キャスト樹脂エポキシ、SF₆ガスのいずれでも）において、部分放電は、放電強度と絶縁タイプに応じて数ヶ月から数年の時間スケールで絶縁システムを使用可能な状態から故障した状態に変換する主な劣化メカニズムです。.

CT絶縁における部分放電の物理学

部分放電は、鋳造樹脂の空隙、オイルペーパー絶縁体のガス気泡、剥離界面、金属介在物、局所的に電界応力が上昇した領域など、絶縁の弱点となる部位で発生します。このような部位では、局所的な電界が欠陥内の絶縁媒体の絶縁破壊強度を上回ります。典型的には、誘電強度が周囲の固体または液体の絶縁体よりもはるかに低い、気体で満たされた空隙です。.

局所磁場がボイドの絶縁破壊強度を超えると、ボイド内で急速な放電が発生する。この放電は

• 電気的に： 一次側回路に電流パルスを発生させ、二次側回路に対応する誘導パルスを発生させる。
• 熱的に： 放電部位にエネルギーを蓄積し、周囲の断熱材を炭化させ、連続した放電サイクルの間に空隙を拡大する。
• 音響的に： 急速な局所的圧力変化（機械的衝撃）を生じさせ、周囲の絶縁媒体およびCTハウジングを通して音響波として放電部位から外側に伝播させます。

部分放電からの音響放射は、20-500 kHzの超音波周波数範囲に大きなエネルギーを含む広帯域の圧力パルスです。信号はCTの絶縁媒体（オイル、樹脂、ガス）を伝搬し、CTハウジングの壁を通過し、距離とともに減衰し、材料界面で反射しながら、CTの外面に到達し、接触型圧電センサーによって検出されます。.

CT音響部分放電検出を定義する主な技術パラメータ：

• アコースティック・エミッションの周波数範囲： 内部CT PDの場合は20～300 kHz；ピークエネルギーは通常、オイルペーパーCT絶縁の場合は80～150 kHz；鋳造樹脂CT絶縁の場合は100～250 kHz
• 信号の伝搬速度： 変圧器オイル中1,400～1,500m/s、エポキシ樹脂キャスト中2,500～3,500m/s、スチールハウジング中5,100m/s - 速度差により、到達時間法による発生源の特定が可能。
• 信号の減衰： 減衰は周波数によって増加する - 低周波成分は放電源からさらに伝搬する。
• 検出しきい値： 検出可能なPD電荷の最小値は、CTハウジング上の接触型圧電センサーの場合、約100～500 pC。電気的PD測定はより高感度（5～10 pC）だが、二次回路へのアクセスが必要。
• センサーの周波数応答： 広帯域圧電センサー：20-300 kHzフラットレスポンス; 共振型圧電センサー: 150 kHzでピーク感度±20%; 共振型センサーは、設計周波数でより高い感度を提供しますが、共振帯域外の信号を見逃します。
• 適用規格： IEC 60270³ (電気的 PD 測定-参照法）、IEC 62478（高電圧試験技術-アコースティック・エミッション）、IEC 60599（溶存ガス分析-補完的診断法）

アコースティック・エミッションの検出は、フィールド・メンテナンス・アプリケーションにおいて、電気的PD測定よりも優れている：

IEC 60270 に基づく電気的 PD 測定は PD 定量の参照方法であり、ピコクーロン単位で校正された電荷測定値を提供し、工場の受入試験に使用される方法です。しかし、現場での電気的 PD 測定には、CT 二次回路へのアクセス、校正済みカップリングコンデンサ、ノイズのない測定環境が必要です。アコースティックエミッションの検出には、CTハウジング表面への物理的なアクセスのみが必要です。CTが完全に通電され、負荷がかかっている状態で、二次回路を変更することなく、電磁ノイズ環境が存在する状態で、現場での電気的PD測定を非現実的なものにすることなく実施することができます。.

CT部分放電検出のためのアコースティックエミッションセンサーの選択と配置は？

センサーの選択と位置決めは、音響PDの検出品質において最も影響力のある2つの変数である。正しく選択されたセンサーが間違った位置にあると内部PD信号を見逃し、正しく位置決めされたセンサーが間違った周波数特性を持つと、内部放電ではなく外部干渉を検出することになる。.

CT音響PD検出のためのセンサー選択

圧電接触センサー（一次方式）：
接触型ピエゾ式センサーはCTのハウジング表面に押し付けられ、ハウジング壁を透過した音響波を検出します。内部PD検出の感度が最も高く、CTの音響PD調査の標準的な方法です。.

選考基準

• 周波数範囲： 油浸CTの場合は50～200kHz、鋳造樹脂CTの場合は80～300kHz - 樹脂の減衰が大きいため、放電源からの信号がノイズフロアまで減衰する前に検出するために、より高い周波数感度が必要。
• 感度： 最小-65 dB ref 1 V/μbarで、オイルを通して300 mmまでの距離でPDソースを確実に検出；鋳造樹脂アプリケーションでは最小-55 dB
• ハウジングの互換性： 強磁性CTハウジング用マグネットマウントベース - トレンド監視のために安定したカップリング力と再現性のあるセンサー位置決めを提供；非強磁性ハウジング用粘着カップリング

空中超音波センサー（補足法）：
非接触超音波センサーは、表面コロナと外部PDソースからの空中音響放射を検出します。このセンサは、強い空中信号を発生するが接触信号が弱い外部コロナと、強い接触信号を発生するが空中信号が弱い内部PDを区別するために使用される。.

異なるCTタイプのセンサー位置決め

油浸CT（磁器または複合ブッシング）：

• 一次センサーの位置：タンク下部壁面、タンク底面から50～100mm上 - 内部PDソースからのオイル伝搬音響信号は下方に伝搬し、タンク底面に集中する。
• 二次センサーの位置：一次センサーに対して90°の角度でタンク壁面中央に設置 - 到達時間の比較による二次元的なソース位置の特定が可能
• 避ける：ブッシング表面 - ブッシング表面の外部コロナが強い音響信号を発生し、センサーがブッシング上に配置されている場合、内部PD信号をマスクする。

キャストレジンCT（エポキシ封止）：

• 一次センサーの位置：鋳造樹脂はオイルよりも音響減衰が大きいため、予想されるPD発生源（通常は高電圧導体界面またはコアと樹脂の界面）のできるだけ近くにセンサーを配置する必要がある。
• 二次センサー位置CT本体外周に120°間隔で配置 - 樹脂封止CTの3点ソースロケーションが可能
• カップリング媒体：鋳造樹脂には音響カップリングゲルが必須 - エポキシの表面粗さは、カップリングゲルなしでは高周波信号を著しく減衰させる空隙を作る

カップリング品質検証

PD測定を記録する前に、音響カップリングの品質を確認する：

$SNR_{coupling} = 20 ￤log_{10}left(￤frac{V_{signal}}{V_{noise}})￤geq 6 ￤text{ dB}$

センサから 100～200 mm 離れた CT ハウジング表面に鉛筆の芯の折れ（Hsu-Nielsen ソース）を当てます。これにより広帯域の音響インパルスが発生し、センサが正しく結合され、信号経路が無傷であることを確認します。正しく結合されたセンサは、SNRがバックグラウンドノイズフロアより6dB以上高いクリーンなインパルス応答を示します。.

構造化されたCT音響部分放電測定キャンペーンを実施するには？

配電用 CT 群の構造化された音響 PD 測定キャンペーンには、CT 間、測定期間間、および被検査 CT と既知の健全な基準との比較を可能にする定義された測定プロトコルが必要です。.

ステップ1：ベースライン測定の確立

アコースティックPD検出が劣化したCTを特定する前に、既知の健全な条件下でフリート内の各CTのベースライン測定値を確立する必要がある：

• 試運転時のベースラインまたは最後に確認された健康な状態を記録する： 各 CT の音響信号レベル、周波数スペクトル、および位相分解パターンを、試運転時または健全な絶縁が確認された直後に測定し、文書化すること。
• 測定条件を記録する： 一次電圧、一次電流、周囲温度、天候を記録する - 音響PD信号レベルは電圧（PDの開始電圧）と温度（絶縁体の粘度が油中の信号伝播に影響）によって変化する。
• フリートのリファレンスを確立する： CTフリート全体の音響信号レベルの統計的分布を特定する-フリート中央値より6dB以上信号レベルが高いCTは、絶対レベルに関係なく調査が必要

ステップ2：測定シーケンスと頻度の定義

• 15歳以上のCTを対象とした年次調査： 絶縁劣化はCTの耐用年数の後半に加速する。年1回の音響PD調査は、劣化が致命的なレベルに達する前に検知するのに十分な時間分解能を提供する。
• 絶縁に関する懸念のあるCTを対象に、6ヶ月に1度調査を行う： 前回の調査で音響レベルが上昇したCT、異常のあったCT 溶存ガス分析⁴ の結果、および熱過負荷が発生したCT
• 障害発生後、直ちに調査： 定格短時間電流の 50% を超えるスルー故障電流にさらされた CT は、30 日以内に音響による PD 評価が必要です。故障電流の熱ストレスは、故障発生から数週間以内に PD として現れる絶縁劣化を開始する可能性があります。

ステップ3：測定プロトコルの実行

1. 測定環境を整える： センサをCTハウジングに結合し、信号源を切り離した状態で周囲のノイズレベルを記録する。
2. 決められた位置にセンサーを当てる： センサーの選択セクションのステップ1で定義したCTタイプ別のポジショニングを使用する。
3. 時間波形を記録する： 各センサー位置で最低10秒間の連続音響信号を取得 - 複数の電源周波数サイクルを観測し、位相相関のあるPD活動を特定するのに十分な時間
4. 周波数スペクトルを記録する： 捕捉した波形をFFT分析し、ピーク周波数成分を同定し、ベースラインスペクトルと比較する。
5. 記録 位相分解pdパターン⁵: 基準電圧信号を使用して音響測定を電源周波数電圧位相と同期させ、音響イベントの振幅を位相角に対してプロットします。
6. マルチセンサー到着時間分析を適用する： 2つ以上のセンサーが同時に配置されている場合、センサー位置間の音響信号の到達時間差（TDOA）を記録する。

ステップ4：ソース位置の計算

CTハウジングの既知の位置にある2つのセンサーの場合：

$\デルタ d = v_{oil}\t$

どこで $\デルタt$ は測定された到着時間差であり $v_{oil}$ は油中の音響伝搬速度（1,450 m/s）である。音源は、定経路長差 $\デルタd$ - 3つ以上のセンサーを使用する場合、複数の双曲線の交点が点音源の位置となる。.

内部形状が既知のCTの場合、3つのセンサーと慎重なTDOA測定により、±20-50mmの線源位置精度が達成可能である。これは、高電圧導体界面（最も重大）、コア-絶縁界面（中程度の重大）、タンク壁面（最も低い重大）のPD線源を区別するのに十分である。.

アプリケーション・シナリオ

• 配電変電所年次CTフリート調査： タンク下部壁面の接触型圧電センサー、単一センサーの振幅とスペクトル調査、フリートベースラインとの比較、ベースラインから6dB以上増加したCTに旗を立て、フォローアップのマルチセンサー調査を実施。
• 老朽化したCT断熱材の状態評価（耐用年数20年以上）： PRPD分析によるマルチセンサー展開、TDOAによる発生源の特定、溶存ガス分析結果との相関、音響と化学的証拠の組み合わせによるメンテナンスの決定
• 故障後のCT絶縁評価： 故障発生から30日以内にシングルセンサによる即時調査、故障前のベースラインとの比較、信号レベルの上昇をトリガとしたモニタリングプログラムの迅速化
• 新しいCTコミッショニング・ベースライン 試運転時の完全なマルチセンサー調査；基準としてPRPDパターンを記録；周波数スペクトルを文書化；結果を生涯ベースラインとしてCT資産管理記録に保存

アコースティック・エミッション信号をどのように解釈し、CTメンテナンスの決断を下すか？

信号解釈の枠組み

音響PD信号の解釈には、振幅範囲は重複するが、周波数スペクトル、位相分解パターン、メンテナンスの意味合いが明確に異なる4つの信号カテゴリーを区別する必要がある：

カテゴリー1：内部ボイド排出（最もクリティカル）

• 音響特性： 2×電源周波数繰り返し率での繰り返しインパルス（1電圧サイクルにつき2回の放電イベント-正の半サイクルで1回、負の半サイクルで1回）；ピーク周波数80～150kHz；空気センサーより接触センサーの方が信号が強い。
• PRPDパターン： 45°と225°の位相位置に対称的なクラスター（正と負の電圧ピーク）；各クラスター内の振幅分布はガウス分布に従う。
• メンテナンスの意味合い： 積極的な内部断熱材の劣化 - 次回の計画停電内に交換を予定；交換までの監視頻度を月1回に増やす

カテゴリー2：表面追跡排出（深刻度が高い）

• 音響特性： 不規則なインパルスパターン；パワー周波数相関はあるが非対称；ピーク周波数50～100kHz；接触型および空中センサーの両方で検出可能な信号
• PRPDパターン： 非対称クラスター-一方の半サイクルが他方の半サイクルより強く、不規則な振幅分布は不規則な放電挙動を示す。
• メンテナンスの意味合い： 表面絶縁劣化 - 通常、ブッシングとフランジの界面またはコアと樹脂の界面。

カテゴリー3：外部コロナ（CT重要度低）

• 音響特性： 個別のインパルスではなく連続的なヒス；強い空中信号；弱いまたは接触信号なし；ピーク周波数20～50 kHz
• PRPDパターン： 電圧のゼロクロス点（90°と270°）に集中し、振幅分布は非常に安定している。
• メンテナンスの意味合い： 隣接する導体、絶縁体、またはハードウェアからの外部コロナ - CT絶縁劣化なし；外部コロナ源を調査し修正する；CT交換不要

カテゴリー4機械的振動と干渉（PDなし）

• 音響特性： 電源周波数および高調波（50 Hz、100 Hz、150 Hz）の連続信号、電圧位相との相関なし。
• PRPDパターン： すべての位相角で均一な分布 - 位相相関なし
• メンテナンスの意味合い： 磁歪、部品の緩み、または外部の機械的な原因による機械的な振動 - PD信号ではない。

メンテナンス決定フローチャート

補完的診断法との相関性

アコースティックPD検出は最も実用的な現場診断を提供するが、その結論は補完的な方法との相関関係によって強化される：

• 溶存ガス分析（DGA）： 油浸CTの水素(H₂)およびメタン(CH₄)発生は活発なPDを確認；アセチレン(C₂H₂)は高エネルギーアーク放電を示す；音響信号レベル上昇とDGAガス発生率の相関は内部放電源を確認
• 赤外線サーマルカメラ： CTハウジング表面のホットスポットは、トラッキング放電経路による抵抗加熱を示す。
• 電気的PD測定（IEC 60270）： pC単位で較正された電荷測定を提供 - 確実な重大度評価に必要；計画停電中、CTを非通電にし、二次回路にアクセス可能な状態で実施

よくある解釈の間違い

• 音響信号の上昇はすべて内部PDによるものである： 配電用変電所では、隣接するハードウェアからの外部コロナが、音響PDの誤検出の最も一般的な原因である。
• 単一測定振幅のみに基づいて交換を決定すること： PRPDパターン分析、周波数スペクトル比較、ベースライン相関を行わない単一の振幅上昇の測定値は、交換を決定するには不十分な証拠となる。
• アラームしきい値」以下の音響信号を無視する： 絶縁劣化が進行すると、数カ月から数年かけて音響信号レベルが徐々に上昇する。現在ベースラインより3dB高く、次の調査では4dB高くなる信号は、ベースラインより6dB高いが安定している信号よりも懸念すべきものである。
• 電圧過渡現象またはスイッチング事象の直後に音響PD調査を行うこと： スイッチング操作により、油浸CTでは数分間持続する音響信号が発生する。

結論

アコースティックエミッションによる部分放電検出は、配電用CTに利用可能な最も実用的な状態監視技術であり、停電や二次回路へのアクセス、特殊な変電インフラ、CTやその接続回路への変更を必要としません。この技術の価値は、ある瞬間のPDを検出することではありません。それは、フリート内の各CTのベースラインを確立し、連続した測定キャンペーンにわたって音響信号レベルをトレンド化し、位相分解パターンと周波数スペクトルを使用して、緊急交換が必要な内部ボイド放電とCTの介入が不要な外部コロナを区別することです。. 配電用CTのフリート管理において、アコースティック・エミッション部分放電検出は、予期せぬ絶縁破壊後の緊急交換という消極的なCT故障対応を、計画的な資産管理に転換するメンテナンス投資である。そこでは、劣化したCTが故障の数ヶ月前に特定され、計画外のCT故障の安全リスク、保護機能停止、緊急調達コストを伴わずに、計画停電中に交換される。.

配電用CTの部分放電音響検知に関するFAQ

1. 高周波音響モニタリングに使用される圧電センサーの基礎技術を理解する。. ↩

2. 放電現象によって生じる特定の超音波周波数特性を探る。. ↩

3. 従来の電気部分放電測定の公式規格IEC 60270にアクセスしてください。. ↩

4. 溶存ガス分析が油中の化学的指標から絶縁劣化を特定する方法をご覧ください。. ↩

5. 診断目的のための位相分解部分放電パターンの解釈方法に関する詳細ガイド。. ↩