JP2003121404A - 固体絶縁材料の劣化診断方法 - Google Patents
固体絶縁材料の劣化診断方法Info
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Abstract
絶縁不良となる時期を推定することができる絶縁材料の
劣化診断方法を提供する。 【解決手段】 固体絶縁材料の表面に生成および付着し
たイオン量および水分量を、その表面方向の静電容量お
よび表面方向の誘電損失率を測定することにより見積
る。絶縁材料の表面方向の静電容量および表面方向の誘
電損失率の湿度依存性データさえ、予め求めておくだけ
で、絶縁材料の劣化診断が容易に、しかも確実に行なう
ことができる。
Description
診断に関する。さらに詳しくは、絶縁不良に対する余寿
命の推定を行なう固体絶縁材料の劣化診断方法に関す
る。
ル、フェノール樹脂またはジアリルフタレート樹脂など
の固体絶縁材料は、電気機器の絶縁材料として広く用い
られている。しかし、長年使用するうちに絶縁特性が低
下し、絶縁不良となる。これは、絶縁材料の経年劣化に
よるもので、使用環境としての温度、湿度またはガスな
どが影響している。一般的に絶縁物の劣化の診断につい
ては、外観検査を行なってクラック発生の有無、寸法変
化または変色状態から判断したり、またはサンプル調査
で物性、静的強度または電気特性試験など多くの試験を
実施して判断している。
発生例として、材料表面でのメカニズムでは、たとえ
ば、「汚損の進行」→「吸湿の進行」→「絶縁抵抗低
下」→「トラッキング発生」→「部分放電」→「沿面閃
絡」→「気中放電」→「短絡・地絡」などが問題になっ
てきている。
は、長年使用することによって低下し、耐電圧特性があ
る基準値以下となったときに絶縁不良と判断される。こ
の絶縁不良となる時期は、劣化条件としての使用環境に
よって左右され、劣化の進行速度が早いものは早い時期
に絶縁不良となる。
く、確実に診断することはできない。また、経過年数が
同じであっても劣化の程度が違う場合、または同程度の
劣化の場合の劣化診断や絶縁不良となるまでの余寿命の
推定をすることができなかった。
えば特開平5−249177号公報に示されるように、
絶縁材料の劣化を衝撃疲労強度によって診断する方法が
ある。しかし、この方法では、材料のバルク劣化を診断
する方法として優れているが、前記材料表面の劣化診断
には対応しないこと、また電気特性との相関が取りにく
いという問題がある。
面劣化を診断し、絶縁不良となる時期を推定することが
できる固体絶縁材料の劣化診断方法を提供することを目
的とする。
体絶縁材料の劣化診断方法は、固体絶縁材料の表面に生
成および付着したイオン量および水分量を、その表面方
向の静電容量および表面方向の誘電損失率を測定するこ
とにより見積ることを特徴とする。
の劣化診断方法は、前記表面方向の静電容量および表面
方向の誘電損失率の測定が1MHz〜100GHzの周
波数領域で行なわれる。
の劣化診断方法は、前記1MHz〜100GHzの周波
数領域の表面方向の静電容量および表面方向の誘電損失
率の測定をインピーダンスメータで行なう。
の劣化診断方法は、前記1MHz〜100GHzの周波
数領域の表面方向の静電容量および表面方向の誘電損失
率の測定を時間領域反射法で行なう。
づいて説明する。
た受配電設備に絶縁材料として用いられていた紙フェノ
ール樹脂積層板(PL−PEM)の一部(厚さ3mm×
縦100mm×横100mm)表面について、表面方向
の静電容量と表面方向の誘電損失率(以下、単にtan
δという)の測定周波数依存性を、温度25℃および相
対湿度75%で、該絶縁材料の新品と比較して測定した
結果を示したものである。測定にはLCRメータを用い
た。電極ディメンジョンはW/L=2290であった。
なお、Wは電極幅であり、Lは電極間距離である。
それ以外は表1と同じである。
イオン量を測定した結果を示したものである。
較すると、劣化品では表面に主として硝酸イオン、硫酸
イオンおよびアンモニウムイオンが多量に存在してい
る。これは、機器を長時間運転した結果、空気中からN
OxやSOxが硝酸イオンや硫酸イオンとして固定さ
れ、また、絶縁材料(紙フェノール)が劣化してアンモ
ニウムイオンが生成したものである。
とによって絶縁材料の劣化程度を診断する方法が、電気
学会論文誌(河村達雄ら、Vol.93−B、No.
9、p426−433(1973))に記載されてい
る。
m2に達したときときを、絶縁材料および搭載機器が
「寿命に到達した」という一つの目安に考えることがで
きる。したがって、総イオン量の増加率と機器使用時間
との関係から、絶縁材料および機器の余寿命の推定を行
なうことができる。
オン量を測定するためには絶縁材料を機器から取り外
し、その表面に生成および付着したイオンを水に溶かし
出してその水溶液のイオンクロマトグラフィーによっ
て、すべてのイオンについて測定するという、かなり面
倒な分析が必要であり、この方法は現実には劣化診断に
は適用できない。
なうために、これを電気的に行なったことにある。すな
わち、これらのイオンは水溶性であるため、高湿度下に
おいては電解質的な挙動を示すことに注目したのであ
る。
圧の印加によるメグ測定や表面電気抵抗率の測定法など
がよく知られているが、この方法では測定値が測定環
境、とくに湿度に大きく左右されてしまい、必ずしも常
に正しい診断が行なえるというものではない。
容量と表面方向のtanδの測定では、イオンの寄与分
と水(自由水と結合水を含む)の寄与分を分離すること
ができるので、従来法とは全く異った優れた診断方法を
提供するものである。
と劣化品を比較してわかるように、イオン量の増加(表
3参照)が、いずれの周波数においても表面方向の静電
容量と表面方向のtanδとともに増加し、そのあいだ
に相関性があることがわかる。また、表1と表2を比較
すると、表1の高湿度下での増加量が遥かに大きいこと
もわかる。これは、水の存在によるイオンの解離量を反
映しているものである。
分量(湿度依存性)について表面方向の静電容量と表面
方向のtanδを測定し、その相関性さえ求めておけ
ば、絶縁材料の劣化度や余寿命の推定などを高精度で診
断できる。
における劣化品、Cは新品についての1MHz〜100
GHzの周波数fの領域における誘電損失εの相対値で
ある(なお、誘電損失=静電容量×tanδ)。また前
記実施例1と同様に、AおよびCは温度25℃および相
対湿度75%での測定値、Bは相対湿度が14%での測
定値である。
空蒸着法で設け、そのあいだ(表面方向)のインピーダ
ンスをインピーダンスメータを用いて測定し、表面方向
の静電容量と表面方向のtanδを計算して求めた。
域における絶縁材料の表面方向の静電容量と表面方向の
tanδ値に対しては、各測定法の中でインピーダンス
メータが最も簡便で、かつ精度よく測定できた。
表2の結果を完全に反映した結果が得られることがわか
り、前記と同様に絶縁材料の劣化度や余寿命の推定など
を高精度で診断できる。
自由水の双極子モーメントによる分散であり、30GH
z付近に誘電損失ピークが、矢印b部分は結合水による
ものであって、100MHz付近に誘電損失ピークが出
現することが知られている。また、矢印c部分はイオン
と水の複合効果によるものであり、それより低い周波数
領域で誘電損失が立ち上がってくることが知られてい
る。そして、それぞれの効果は、たとえば、A.Kra
szewski Edt.,”Microwave A
quametry”(IEEE PRESS,199
6)などに記載されている式(1)〜(3)によって記
述できる。
影響(湿度)を考慮する必要があったが、1MHz〜1
00GHzの周波数領域のデータからは、式(1)〜
(3)を用いて、矢印c部分から矢印a部分とb部分の
寄与を差し引けば伝導に寄与するイオンの量をストレー
トに求めることができ、本発明はさらに診断を簡便にす
ることができる。
zの周波数領域における絶縁材料の表面方向の静電容量
と表面方向のtanδ値を時間領域反射(TDR:Time
Domain Reflectometory)法によって求めたものであ
り、測定には広帯域ディジタイジングオシロスコープに
プラグインモジュールを挿入したものを用い、立ち上が
り時間40psecの信号を、特性インピーダンス50
Ωのプローブを介して試料に当てて測定を行なった。測
定試料および測定環境は前記実施例2と同様である。図
2はその反射信号波形を示したものである。図中のA、
Cはそれぞれ前記実施例2の図1のA、Cに対応する。
れを周波数領域のデータに変換するのに、たとえば、
R.H.Coleら、J.Appl.Phys.,Vo
l.66、No.2、p793−802(1989)に
示されるフーリエ変換法を用いたところ、それぞれ前記
実施例2の図1のA、Cとまったく同じ結果を得た。こ
のことから、本時間領域反射法も固体絶縁材料の劣化診
断方法に有効なものであることが確認された。
とくに1MHz〜100GHzの周波数領域における絶
縁材料の表面方向の静電容量と表面方向のtanδ値の
測定のために、被測定物の表面に電極を設ける必要がな
いため、使用中の該絶縁材料を搭載した機器のまま診断
が可能であり、実用的観点からも極めて優れた方法であ
る。
ば、絶縁材料の表面方向の静電容量および表面方向のt
anδの湿度依存性データさえ、予め求めておくだけ
で、絶縁材料の劣化診断が容易に、しかも確実に行なう
ことができる。
00GHzの周波数領域の表面方向の静電容量および表
面方向のtanδを測定するだけで、前記湿度依存性デ
ータも不要となり、計算によって劣化診断が行なえるの
で、該診断をさらに容易にすることができる。
〜100GHzの周波数領域の表面方向の静電容量およ
び表面方向のtanδの測定が最も高精度で行なえるの
で、前記診断が高精度なものとなる。
z〜100GHzの周波数領域の表面方向の静電容量お
よび表面方向のtanδの測定が電極不要となるので、
絶縁材料を機器に搭載したままで診断でき、最も実用的
なものとなる。
ーダンスメータを用いて測定した表面方向の静電容量と
表面方向のtanδから計算される誘電損失を示す図で
ある。
射法により求めた反射信号波形を示す図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 固体絶縁材料の表面に生成および付着し
たイオン量および水分量を、その表面方向の静電容量お
よび表面方向の誘電損失率を測定することにより見積る
ことを特徴とする固体絶縁材料の劣化診断方法。 - 【請求項2】 前記表面方向の静電容量および表面方向
の誘電損失率の測定が1MHz〜100GHzの周波数
領域で行なわれる請求項1記載の固体絶縁材料の劣化診
断方法。 - 【請求項3】 前記1MHz〜100GHzの周波数領
域の表面方向の静電容量および表面方向の誘電損失率の
測定をインピーダンスメータで行なう請求項2記載の固
体絶縁材料の劣化診断方法。 - 【請求項4】 前記1MHz〜100GHzの周波数領
域の表面方向の静電容量および表面方向の誘電損失率の
測定を時間領域反射法で行なう請求項2記載の固体絶縁
材料の劣化診断方法。
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- 2001-10-18 JP JP2001320431A patent/JP3720291B2/ja not_active Expired - Fee Related
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