JP6261843B1 - インパルス電圧試験装置 - Google Patents

Abstract

本発明に係るインパルス試験装置（１）は、第一端子（Ｐ１）と、第二端子（Ｐ２）と、電圧発生回路（１１）と、振動抑制回路（１３）とを備える。振動抑制回路（１３）は、放電スイッチ（１３０）と、コンデンサ（Ｃｇ）とを含む。放電スイッチ（１３０）は、第一電極（１３１）および第二電極（１３２）を有する。第一電極（１３１）は、第一端子（Ｐ１）に接続されている。第二電極（１３２）は、第一電極（１３１）と間隔を空けて配置されている。放電スイッチ（１３０）は、第一電極（１３１）と第二電極（１３２）との間の電圧差が、第一電極（１３１）と第二電極（１３２）との間の間隔に対応する放電電圧よりも大きい場合に導通する。コンデンサは、第二電極（１３２）と第二端子（Ｐ２）との間に接続されている。

Description

この発明は、インパルス電圧試験装置に関する。

従来から、電気機器の耐電圧試験を行なう装置が知られている。たとえば、実開平４−３５６９０号公報（特許文献１）には、遮断器の耐電圧試験に用いられる高電圧発生回路が開示されている。

実開平４−３５６９０号公報

耐電圧試験として、雷インパルス電圧試験のようなインパルス電圧試験が行なわれる場合がある。インパルス電圧試験においては、試験対象の電気機器に印加されたインパルス電圧の波形が、規格化された標準波形の条件を満たす必要がある。インパルス電圧とは、０Ｖから波高値まで急峻に上昇した後、緩やかに低下する電圧である。

試験対象の電気機器が、並列に接続されたと見做せるインダクタンスとキャパシタンスとを含む電気機器（たとえば変圧器）である場合、当該電気機器に印加されたインパルス電圧の波形は、極性の反転が生じる振動性の波形となることがある。

インパルス電圧が振動性の波形となる場合、最初に発生する第一半波が規格化された標準波形の条件を満たせばよく、第一半波の次に発生する第二半波以降の波形の形状は問われない。インパルス電圧試験において第二半波以降のインパルス電圧は不要であるにも関わらず、第二半波以降のインパルス電圧によって、インパルス電圧試験において想定されていない電圧ストレスが試験対象の電気機器に印加される可能性がある。その結果、当該電気機器の耐電圧性能を正確に評価することが困難になり得る。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、インパルス電圧試験による耐電圧性能評価の精度を向上させることである。

本発明に係るインパルス試験装置は、第一および第二端子と、電圧発生回路と、振動抑制回路とを備える。電圧発生回路は、第一および第二端子の間に接続された電気機器にインパルス電圧を印加するように構成されている。振動抑制回路は、第一端子と第二端子との間で、電気機器に対して並列に接続されている。振動抑制回路は、放電スイッチと、コンデンサとを含む。放電スイッチは、第一および第二電極を有する。第一電極は、第一端子に接続されている。第二電極は、第一電極と間隔を空けて配置されている。放電スイッチは、第一電極と第二電極との間の電圧差が、第一電極と第二電極との間の間隔に対応する放電電圧よりも大きい場合に導通する。コンデンサは、第二電極と第二端子との間に接続されている。

本発明に係るインパルス試験装置においては、電気機器に印加されたインパルス電圧の波形が振動性の波形となる場合に、当該波形の極性が第一半波の極性から反転した後、第二半波の波高値に到達するまでに振動抑制回路の放電スイッチを導通させることにより、第一半波と同じ極性に充電されたコンデンサから第一端子に電圧を印加することができる。本発明に係るインパルス試験装置においては、第一半波に影響を与えることなく、第二半波以降のインパルス電圧を抑制することができる。そのため、インパルス電圧試験において想定されていない第二半波以降の電圧ストレスが試験対象の電気機器に印加されることを抑制することができる。

本発明に係るインパルス試験装置によれば、インパルス電圧試験による耐電圧性能評価の精度を向上させることができる。

実施の形態に係る雷インパルス電圧試験装置の回路図である。 本発明の比較例に係る雷インパルス電圧試験装置の回路図である。 図２の雷インパルス電圧試験装置における雷インパルス電圧のタイムチャートである。 図１の雷インパルス電圧試験装置における雷インパルス電圧のタイムチャートである。 実施の形態の変形例に係る雷インパルス電圧試験装置の回路図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則として繰り返さない。

図１は、実施の形態に係る雷インパルス電圧試験装置１の回路図である。図１に示されるように、雷インパルス電圧試験装置１は、端子Ｐ１，Ｐ２と、電圧発生回路１１と、振動抑制回路１３と、制御部１４とを備える。端子Ｐ２は、接地点に接続されている。

電圧発生回路１１は、端子Ｐ１とＰ２との間に接続された電気機器１２に雷インパルス電圧を印加する。電気機器１２は、雷インパルス試験対象の電気機器である。電気機器１２は、端子Ｐ１とＰ２との間で並列に接続されたキャパシタンスＣｔ，抵抗Ｒｔ，インダクタンスＬｔを含む。電気機器１２は、たとえば変圧器である。

電圧発生回路１１は、放電スイッチ１１０と、充電器１１３と、コンデンサＣ０と、抵抗Ｒｓ，Ｒｐとを含む。放電スイッチ１１０は、電極１１１，１１２を含む。電極１１１と１１２とは、間隔を空けて配置されている。放電スイッチ１１０は、電極１１１と１１２との間の電圧差に応じた間隔で火花放電を発生して導通する。コンデンサＣ０は、電極１１１と接地点との間に接続されている。充電器１１３は、電極１１１と接地点との間でコンデンサＣ０に対して並列に接続されている。充電器１１３は、コンデンサＣ０を充電する。抵抗Ｒｓは、電極１１２と端子Ｐ１との間に接続されている。抵抗Ｒｐは、電極１１２と接地点との間に接続されている。抵抗Ｒｓは、コンデンサＣ０から放電スイッチ１１０を介して機器のキャパシタンスＣｔに流れる電流を調整するために配置されてインパルス電圧の立ち上がり時間を制御する。抵抗Ｒｐは、コンデンサＣ０とキャパシタンスＣｔから接地点に流出する電流を調整するために配置されてインパルス電圧の立ち下がり時間を制御する。

振動抑制回路１３は、放電スイッチ１３０と、コンデンサＣｇと、抵抗Ｒｇと、充電器１３３とを含む。放電スイッチ１３０は、電極１３１，１３２を含む。電極１３１は、端子Ｐ１に接続されている。電極１３１と１３２とは、予め定められた電圧差を超えた時に、放電して導通するよう間隔を空けて配置されている。抵抗ＲｇとコンデンサＣｇとは、電極１３２と端子Ｐ２との間の電流経路において電極１３２から端子Ｐ２に向かってこの順に直列に接続されている。充電器１３３は、電極１３２と端子Ｐ２との間でコンデンサＣｇに対して並列に接続されている。充電器１３３は、コンデンサＣｇを充電する。抵抗ＲｇとコンデンサＣｇとは、電極１３２と端子Ｐ２との間で直列に接続されていればよく、図５に示される雷インパルス電圧試験装置１Ａのように、電極１３２と端子Ｐ２との間の電流経路において、電極１３２から端子Ｐ２に向かってコンデンサＣｇ，抵抗Ｒｇの順に接続されていてもよい。あるいは、抵抗Ｒｇは、端子Ｐ１と電極１３１との間に配置されてもよい。抵抗Ｒｇは、放電スイッチ１３０動作後の過渡振動を抑制する。

再び図１を参照して、制御部１４は、電圧発生回路１１と振動抑制回路１３とを制御する。ただし、制御部１４は電圧発生回路１１と振動抑制回路１３とに対して各々独立した制御をする構成でもよい。制御部１４は、充電器１３３を制御してコンデンサＣｇを電圧発生回路１1のコンデンサＣ０に充電する電圧と同極性に充電する。制御部１４は、雷インパルス電圧を発生させる前に、コンデンサＣｇを充電して、端子Ｐ２に対する電極１３２の電圧を、予め定めされた電極間寸法に調整された放電スイッチ１３０の放電電圧より小さい基準電圧（充電電圧）とする。制御部１４は、インパルス電圧の第一半波のピーク値が、予め定められた試験電圧となるようコンデンサＣ０を充電する。その後、放電スイッチ１１０の火花放電を始動させ、インパルス電圧を発生させる。制御部１４を介さずに、電圧発生回路１１と振動抑制回路１３とをユーザが直接操作して、コンデンサＣｇを充電するとともに、雷インパルス電圧を発生させてもよい。

図２は、本発明の比較例に係る雷インパルス電圧試験装置１０の回路図である。雷インパルス電圧試験装置１０の構成は、図１に示される雷インパルス電圧試験装置１の構成から振動抑制回路１３が除かれるとともに、制御部１４が制御部１４０に置き換えられた構成である。電圧発生回路１１および電気機器１２は、雷インパルス電圧試験装置１と同様であるため、説明を繰り返さない。制御部１４０は、インパルス電圧の第一半波のピーク値が、予め定められた試験電圧となるようコンデンサＣ０充電する。その後、放電スイッチ１１０の火花放電を始動させ、インパルス電圧を発生させる。

図３は、図２の雷インパルス電圧試験装置１０における雷インパルス電圧のタイムチャートである。試験対象の電気機器１２が、並列に接続されたキャパシタンスＣｔとインダクタンスＬｔとを含んでいるため、コンデンサＣ０と電気機器１２のキャパシタンスＣｔとインダクタンスＬｔとの間で振動現象が生じ、電気機器１２に印加された雷インパルス電圧の波形が、図３に示されるような極性の反転が生じる振動性の波形Ｗ１０となる場合がある。波形Ｗ１０で表される雷インパルス電圧は、時刻ｔ１０に発生している。時刻ｔ１０〜ｔ１２（ｔ１０＜ｔ１２）において、図３の場合は、正極性の第一半波が生じる。第一半波は、時刻ｔ１１（ｔ１０＜ｔ１１＜ｔ１２）において、波高値Ｖ１（＞０）に達する。波形Ｗ１０は、時刻ｔ１２で０となり、時刻がｔ１２を超えると極性が反転する。時刻ｔ１２〜ｔ１６（ｔ１２＜ｔ１６）において負極性の第二半波が発生する。第二半波は、時刻ｔ１４（ｔ１２＜ｔ１４＜ｔ１６）において波高値Ｖ２（＜０）に達する。

雷インパルス電圧が振動性の波形となる場合でも、最初に発生する第一半波が規格化された標準波形の条件を満たせばよく、第一半波の次に発生する第二半波以降の波形の形状は問われない。雷インパルス電圧試験において第二半波以降のインパルス電圧は不要であるにも関わらず、第二半波以降のインパルス電圧によって、雷インパルス電圧試験において不要な電圧ストレスが試験対象の電気機器１２に印加される可能性がある。

そこで、実施の形態においては、端子Ｐ２に対する電極１３２の電圧が、放電スイッチ１３０の放電電圧より小さい基準電圧（充電電圧）とした後に、予め定められた雷インパルス電圧を発生させる。端子Ｐ２に対する電極１３２の電圧は、予め定められた雷インパルス電圧と同極性である。

図４は、図１の雷インパルス電圧試験装置１における雷インパルス電圧のタイムチャートである。図４において、雷インパルス電圧は、波形Ｗ１として示されている。波形Ｗ１は、端子Ｐ１の電圧の変化を表している。電極１３１は端子Ｐ１に接続されているから、波形Ｗ１は電極１３１の電圧の変化も表している。電圧ＶＧは、放電スイッチ１３０の放電電圧を示している。曲線ＷＤは、電極１３２の電圧から電極１３１の電圧を引いた電圧差を示している。曲線ＷＤの絶対値が放電スイッチ１３０の放電電圧を超えた場合に、放電スイッチ１３０が導通する。図４においては、実施の形態の効果を強調するため、図３の波形Ｗ１０も示されている。図３および図４とも雷インパルス電圧の第一半波は正極性である。

図１および図４を併せて参照して、雷インパルス電圧の発生に先立って、コンデンサＣｇは、基準電圧Ｖ３（０＜Ｖ３＜ＶＧ）に予め充電される。雷インパルス電圧の発生前の電極１３２の電圧は基準電圧Ｖ３であり、電極１３１の電圧は０（接地電位）である。電極１３２から電極１３１を引いた電圧差（−Ｖ３）の絶対値Ｖ３は、放電スイッチ１３０の放電電圧ＶＧより小さい。そのため、放電スイッチ１３０は、雷インパルス電圧の発生時刻ｔ０において非導通である。

時刻ｔ０からｔ２までは、正極性の第一半波が発生する。第一半波は、時刻ｔ１（ｔ０＜ｔ１＜ｔ２）において波高値Ｖ１（＞０）に達する。曲線ＭＤは、時刻ｔ１において極小値（Ｖ３−Ｖ１）となる。第一半波が発生する時刻ｔ０からｔ２までの電極１３２と電極１３１との電圧差の絶対値は、時刻ｔ１において最大値（Ｖ１−Ｖ３）に達する。当該最大値（Ｖ１−Ｖ３）は、放電電圧ＶＧより小さい。そのため、第一半波が発生している間、放電スイッチ１３０は、非導通である。すなわち、振動抑制回路１３は、第一半波に影響を与えない。その結果、図４の第一半波（時刻ｔ０〜ｔ２の波形）の形状は、図３の第一半波（時刻ｔ１０〜ｔ１２の波形）の形状とほぼ同じである。雷インパルス試験においては、時刻ｔ０〜ｔ２において発生している第一半波が、規格化された標準波形の条件を満たせばよい。

波形Ｗ１は、時刻ｔ２において０となる。時刻ｔ０において電極１３１の電圧は０であり、電極１３２の電圧はＶ３であるから、時刻ｔ０において曲線ＭＤは電圧Ｖ３となる。時刻ｔ２を超えると、波形Ｗ１の極性が反転する。電極１３１の電圧が負極性となると、電極１３２の電圧から電極１３１の電圧を引いた電圧差は、電極１３２の電圧Ｖ３に電極１３１の電圧の絶対値を足した値となる。すなわち、曲線ＭＤは、時刻がｔ２を超えると電圧Ｖ３より増加する。曲線ＭＤは、時刻ｔ３において放電スイッチ１３０の放電電圧ＶＧを超える。放電スイッチ１３０は、時刻ｔ３において導通する。その結果、負極性の電圧となっている端子Ｐ１、電極１３１を介して正極性の電圧Ｖ３に充電されたコンデンサから電圧が印加される。その結果、時刻ｔ２以降の雷インパルス電圧が抑制される。たとえば、時刻ｔ４における波形Ｗ１の波高値Ｖ４（＜０）の絶対値は、波形Ｗ１０の第二半波の波高値Ｖ２の絶対値よりも小さい。

実施の形態においては、第一半波が正極性の雷インパルス電圧について説明した。第一半波が負極性の場合でも、放電電圧ＶＧ、基準電圧(コンデンサＣｇの充電電圧)Ｖ３、差電圧(Ｖ１−Ｖ３)の絶対値の大小により、第一半波が正極性の場合と同様の効果がえられる。

実施の形態に係るインパルス電圧試験装置によれば、インパルス電圧試験において必要な第一半波の波形形状に影響を与えないとともに、インパルス電圧試験において不要な第二半波以降のインパルス電圧を抑制することができる。そのため、インパルス電圧試験において想定されていない電圧ストレスが試験対象の電気機器に印加されることを抑制することができる。その結果、インパルス電圧試験による耐電圧性能評価の精度を向上させることができる。実施の形態に係るインパルス電圧試験装置によれば、電気機器に不要な絶縁裕度をもたせない適正設計とすることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ，１０ 雷インパルス電圧試験装置、１１ 電圧発生回路、１２ 電気機器、１３ 振動抑制回路、１４，１４０ 制御部、１１０，１３０ 放電スイッチ、１１１，１１２，１３１，１３２ 電極、１１３，１３３ 充電器、Ｃ０，Ｃｇ コンデンサ、Ｃｔ キャパシタンス、Ｌｔ インダクタンス、Ｐ１，Ｐ２ 端子、Ｒｇ，Ｒｐ，Ｒｓ，Ｒｔ 抵抗。

Claims (4)

1. 第一および第二端子と、
   前記第一および第二端子の間に接続された電気機器にインパルス電圧を印加するように構成された電圧発生回路と、
   前記第一端子と前記第二端子との間で、前記電気機器に対して並列に接続された振動抑制回路とを備え、
   前記振動抑制回路は、放電スイッチと、コンデンサとを含み、
   前記放電スイッチは、前記第一端子に接続された第一電極と、前記第一電極と間隔を空けて配置された第二電極とを有し、前記第一電極と前記第二電極との間の電圧差が、前記間隔に対応する放電電圧よりも大きい場合に導通し、
   前記コンデンサは、前記第二電極と前記第二端子との間に接続されている、インパルス電圧試験装置。
2. 前記振動抑制回路は、前記コンデンサを充電するように構成された充電部をさらに含み、
   前記インパルス電圧試験装置は、前記電圧発生回路および前記振動抑制回路を制御するように構成された制御部をさらに備え、
   前記制御部は、前記電圧発生回路が発生するインパルス電圧と同じ極性に前記コンデンサを充電して、前記第二端子に対する前記第二電極の電圧が、前記放電電圧より小さい基準電圧とした後に、前記インパルス電圧を発生させるように構成され、
   前記インパルス電圧の波高値と前記基準電圧との電圧差は、前記放電電圧より小さい、請求項１に記載のインパルス電圧試験装置。
3. 前記放電スイッチは、前記第二端子に対する前記第一端子の電圧の極性が、前記基準電圧とは逆の極性となった場合に導通する、請求項２に記載のインパルス電圧試験装置。
4. 前記第二電極と前記第二端子との間で前記コンデンサと直列に接続された抵抗をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載のインパルス電圧試験装置。

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