令和3年度 電験2種 2次試験 電力・管理 問5の過去問解説(送配電・変電・管理:地中送電線の水トリー劣化診断と事故点測定法の論説問題)

地中送電線の絶縁劣化診断法と事故点測定法について、次の問に答えよ。

(1)表1は、CVケーブルの絶縁劣化である水トリーに関する絶縁劣化診断法についての記述である。表中の(A)~(D)に当てはまる適切な語句についてそれぞれ答えよ。

(2)表2は、地中送電線の事故点測定法である「マーレーループ法」と「パルスレーダー法(送信形パルス法)」の原理並びにそれぞれの長所及び短所についての記述である。表中の(E)~(I)に当てはまる適切な語句についてそれぞれ答えよ。

表1

劣化診断法 原理
損失電流法 水トリー劣化ケーブルの充電電流の中に、課電電圧と同位相の損失電流成分が含まれることから、この損失分を測定し劣化の状況を把握する手法である。劣化したケーブルの測定波形には$\fbox{$\ \ \ \left({\rm A}\right)\ \ \ $}$歪が観測される。
$\fbox{$\ \ \ \left({\rm B}\right)\ \ \ $}$電荷法 最初に$\fbox{$\ \ \ \left({\rm C}\right)\ \ \ $}$課電によって水トリー部に電荷を蓄積させ、次に$\fbox{$\ \ \ \left({\rm D}\right)\ \ \ $}$課電で蓄積した電荷を放出させる、$\fbox{$\ \ \ \left({\rm C}\right)\ \ \ $}$課電と$\fbox{$\ \ \ \left({\rm D}\right)\ \ \ $}$課電を組み合わせた手法である。検出された電荷の量は、水トリーの数や長さによって変化するため水トリーの発生状況を検知することができる。

表2

事故点測定法 原理 長所 短所
マーレーループ法 $\fbox{$\ \ \ \left({\rm E}\right)\ \ \ $}$の原理により、事故点までの抵抗値を高精度に測定する方法である。 ・導体抵抗を利用した$\fbox{$\ \ \ \left({\rm E}\right)\ \ \ $}$法のため、測定精度が高く、誤差は1%程度以下である。
・ケーブル事故の多くが$\fbox{$\ \ \ \left({\rm F}\right)\ \ \ $}$地絡であるため、適用範囲、使用実績が最も多い。
・$\fbox{$\ \ \ \left({\rm G}\right)\ \ \ $}$事故に適用できない。
・$\fbox{$\ \ \ \left({\rm H}\right)\ \ \ $}$同時地絡事故のように並行健全相がない場合、測定は困難である。
パルスレーダー法(送信形パルス法) 事故ケーブルにパルス電圧を加え、健全相と異なるサージインピーダンスをもつ事故点からの$\fbox{$\ \ \ \left({\rm I}\right)\ \ \ $}$パルスの伝搬時間を測定し、事故点までの距離を求める方法である。 ・並行健全相が不要であるので、$\fbox{$\ \ \ \left({\rm H}\right)\ \ \ $}$同時地絡事故の測定に適している。
・線路こう長がはっきりしていない場合でも測定できる。
・測定操作、パルス波形の判読に熟練を必要とする。
・測定精度が若干低い。(誤差は一般的に2~5%)

解答・解説

小問(1):CVケーブルの水トリー絶縁劣化診断法

試験センター 標準解答

(A):高調波

(B):残留

(C):直流

(D):交流

出展:令和3年度 第2種電気主任技術者二次試験 標準解答

代表的な水トリー測定法

代表的なCVケーブルの水トリー測定法は、
①損失電流法
②直流漏れ電流測定
③残留電荷法
があります。

損失電流法

解図1に示すように、正弦波電圧を印加すれば、90°の進み電流と、印加電圧の同相の電流が流れます。流れる電流の中から90°進み電流のみを除去し、印加電圧と同相となる電流を抜き出します。

解図1

抜き出した同相成分について電流波形を見たとき、水トリーが進展していれば、解図2に示すように3次高調波分が多く含まれるため、ここから劣化診断を行います。

解図2

おそらく試験では出題されませんが、第3高調波からどうやって水トリーの進行具合を判定するかですが、研究成果として水トリーが進行するほどI_3が大きくなり、$\theta_3$が変化していく様子が確認できているそうです。

興味があれば、

あたりを参考にしてみてください。

2個目の資料は後述の残留電荷法の説明もあり、わかりやすいです。

直流漏れ電流測定法

ケーブル絶縁体(導体-シース間)に直流高電圧を印加し、漏れ電流を測定します。

本来絶縁体は絶縁されていてコンデンサとして機能するので、静電容量いっぱいに充電されればそれ以上の電流は流れません。

しかし、水トリーがあれば漏れ電流が流れ続け、解図3に示すような電流波形になります。

ポイントとして、
①電流が大きい
②電流キック現象がある
③電流は時間とともに増加する
といったところが判定のポイントです。

解図3

残留電荷法

残留電荷法は、(a)直流電圧を印加してケーブルを充電し、(b)電源を切り離した後ケーブルを接地し、水トリーのみに電荷が残った状態にします。その後、(c)交流電圧を印加することで、水トリーに残留していた電荷を回収し、劣化診断を行います。


(a)直流電圧の印加

(b)ケーブルの接地

(c)交流電圧の印加

解図4

小問(2):地中送電線の事故点測定法

試験センター 標準解答

(E):ホイートストンブリッジ
(F):1線
(G):断線
(H):三相
(I):反射

出展:令和3年度 第2種電気主任技術者二次試験 標準解答

マーレーループ法:地絡故障点の測定法

マーレーループ法は、地絡故障時に地絡故障点の位置を誤差1%程度の精度で測定する手法です。

可変抵抗を用いてホイートストンブリッジと同じ原理で地絡故障点を算出します。

解図5に示すように、1線地絡が生じたとき、健全なケーブルと地絡しているケーブルを短絡線で結び、可変抵抗を通して直流電源を接続した場合を考えます。

この時、解図5のa~dは解図6のa~dに対応することになり、まさにホイートストンブリッジになります。

解図5

解図6

ここである可変抵抗の目盛が$\alpha\left[{\rm Ω}\right]$のときに平衡した(検流計の値が$0\left[{\rm A}\right]$)になったとき、対角成分の抵抗の積が等しくなるので、

$$\left(1000-\alpha\right)R×L_FR_C=\alpha R×\left(L+L-L_F\right)R_C$$

$$L_F=\frac{2\alpha L}{1000}\left[{\rm m}\right]$$

となって、地絡故障点を算出できます。

マーレーループ法では、断線故障には対応できません。

また、健全相との間でループを形成することが前提にあるので、三相全てが地絡し、健全相が存在しない場合も、同様に適用することができません。

パルスレーダー法:断線故障点の測定法

主に断線故障に適用されます。

ケーブルに対してパルスの伝搬速度が既知であるため、パルス信号を与え、断線個所で反射し戻ってくるまでの時間を測定することで、断線個所を測定します。

測定精度は2%~5%程度で、パルスの観測には熟練した経験が必要です。

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