$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
現代の電力システムにおける電力供給の信頼性と安全性への需要が高まる中、ケーブルは都市配電網で広く採用されています。その中でも、著者の卓越した利点により架橋ポリエチレン(XLPE)ケーブルが広く利用されています。配電ケーブルは通常、過酷な運用環境の地下に設置されます。サービス時間が長くなり、負荷の変動や過負荷が重なると、ケーブルの劣化がより顕著になります。その結果、水木、電気木、部分的な放電、断熱湿気などの局所的な欠陥が徐々に発生することがあります。これらの欠陥が遅れて対処されなければ、深刻な故障に発展し、最終的にはグリッド3,4の停電につながる可能性があります。したがって、配電ケーブルの欠陥の特定と故障位置特定は、電力網の運用と保守において不可欠な要素となっています。
配電ケーブルの故障位置特定方法は大きく分けてオンライン方式とオフライン方式の2種類に分類できます。オンライン方式は主に移動波位置特定法、部分放電(PD)監視法、共通モード漏れ電流法に代表されます。移動波位置測定は、断層で発生する過渡的な移動波を解析することで断層の位置を特定します。しかし、波面の正確な抽出の困難さ、非線形分布の断層特徴の重ね合い、設置の不便さなど、いくつかの課題に直面しています。さらに重要なのは、この方法は加齢に伴う欠陥の特定には適用できないことです。PDベースのオンライン監視はケーブル内で発生する欠陥信号を検出し、動作条件のリアルタイム評価を可能にします。それでもなお、老化の欠陥の認識や長期的なモニタリングにおいて技術的なボトルネックに直面しています。信号干渉、ノイズ抑制、複雑なデータ解析などの問題は、実用的な応用においてしばしば誤判を招く6,7,8。共通モード漏れ電流法は、ケーブル端子における共通モード漏れ電流の変動を測定することで、劣化欠陥の位置と重症度を決定します。この技術は高感度で非侵襲的な検出を提供します。しかし、その干渉防止能力は比較的弱く、可変周波数機器の動作時に発生する高周波差動モード電流は測定精度を大幅に低下させる可能性があります。さらに、通電ケーブルのオンライン監視は高電圧環境での信号絶縁にも対応しなければならず、これにより機器コストや保守の複雑さが増加します。
オフライン手法としては、時間領域反射測定(TDR)12、周波数領域反射測定(FDR)13、時間-周波数領域反射測定(TFDR)14など、いくつかのアプローチが提案されています。これらの中でも、TDRは注入されたパルス信号の高周波成分にエネルギーが低く、ケーブルの減衰やノイズ干渉に非常に敏感で、位置精度が限られ、初期の欠陥検出能力も低いですケーブル故障の初期段階では15。TFDRはガウスチープパルスを注入することで、TDR16における高周波成分の不足を緩和します。しかし、TFDRは複雑な信号変調回路と抽出アルゴリズムを必要とし、高周波変調信号は急速に減衰するため、長距離ケーブルでの欠陥検出が困難です。一方、FDRはスイープ周波数信号に等しい出力分布で注入します。最も豊富な高周波成分を含み、より高い位置精度を実現し、TDRと比較して感度も高いため、急速な開発が進められています。取得信号の種類に応じて、FDRはさらに広帯域インピーダンススペクトラム(BIS)法18,19,20と反射係数(RCS)法21,22,23,24に分類されます。
2003年、あるグループがケーブル25の入力反射係数スペクトルに基づくケーブル局所欠陥局在法を初めて提案しました。しかし、このアプローチは分散パラメータの頻度依存効果を考慮しておらず、誤判断につながる可能性があります。後に逆高速フーリエ変換(IFFT)を用いてケーブル入力の反射係数スペクトルから情報を抽出し、熱老化、放射老化、押出変形などの局所欠陥の効果的な局在化が可能になりました。また、スイープ信号の高周波数が高いほど、周波数領域反射率(FDR)の空間分解能も高くなることが観察されました。しかし、長いケーブルに適用すると、スイープ信号の上位周波数が大幅に低下し、定位精度が低下します。
FDR法の核心は、獲得した反射信号に対してFFTを実施することにあります。しかし、FFTに固有のスペクトル漏れ問題があるため、研究者たちはいくつかの改良案を提案しています。ある研究では、離散フーリエ変換(DFT)における距離ウィンドウとカイザーウィンドウ関数を組み合わせて、反射係数スペクトルの実部から欠陥成分を抽出し、ケーブル27の緩んだ銅シールド欠陥の位置特定を可能にしました。カイザーウィンドウベースのDFT28 は入力反射係数スペクトルの実数部分に適用され、オープンサーキット、ショートサーキット、高抵抗、低抵抗条件下の故障タイプ識別を実現しました。ある研究では、中間接合部の水分検出と局在化のために、ケーブル入力インピーダンスの虚部にブラックマンウィンドウベースのDFTを適用することが提案されました。DFTのハニング自己畳み込みウィンドウを用いた補間アルゴリズムが導入され、反射係数スペクトル30の実部における周期成分の周波数と位相を推定し、ケーブルインピーダンス異常の極性決定が可能となりました。その後、ナタルウィンドウ、4次3項ナタルウィンドウ、2次ナタル自己畳み込みウィンドウ、3点補間DFTアルゴリズム31の導入により改良が達成されました。全体として、既存の研究は主にウィンドウ関数設計や補間アルゴリズムの精緻化に焦点を当てており、これらは一定程度で欠陥局在精度の向上に寄与しています。
FFTの原理の観点から、周波数領域反射率(FDR)では、注入された信号の周波数が高いほど測定精度が向上します。理論的には、注入周波数が無限大に近づくと、ケーブルの欠陥を完璧な精度で特定できます。しかし、ケーブルを通じた超高周波信号の伝送は深刻な減衰を経験し、中長・長距離ケーブルには適していません32,33。したがって、FDRにおける最大注入周波数と達成可能な欠陥位置精度との間には本質的なトレードオフが存在します。この問題に対処するため、本論文では最大エントロピースペクトル法に基づくケーブル欠陥局在技術を提案します。この手法は、測定された低周波データから最大エントロピー基準に従って反射係数スペクトルの高周波部分を予測し、その後反射係数の最大エントロピースペクトル(MES)を計算して欠陥位置を特定します。特に長距離ケーブル用途でスペクトルリーケージや分解能の制約に制約される従来のFFTベースのFDR法と比較して、提案された最大エントロピースペクトル法は、限られた測定データから高周波情報を効果的に外挿することで、より高いスペクトル分解能を提供します。ウィンドウ関数ベースの改良が主にサイドローブを抑制し、解像度を根本的に向上させるのとは異なり、MESアプローチはピークシャープネスと位置特定精度の両方を向上させます。さらに、補間法やパラメトリックスペクトル推定法と比較して、MES法は解像度と堅牢性のバランスが優れており、長い配電ケーブルの初期欠陥検出に特に適しています。このアプローチにより、局在精度が向上し、従来の手法では相対誤差が0.55%から0.25%に低減され、欠陥ピークの特定を容易にする滑らかな局在曲線が得られます。
(1)のように計算します。
(2)を用います。
サイクルあたり少なくとも200ポイントのサンプリングポイントを確保するように設定してください。
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
: 位相定数、 D: 欠陥距離。
(9)
(10)
(11)
(12)が使われます。
(13)のように計算します。