JP2003121404A - 固体絶縁材料の劣化診断方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 絶縁材料の劣化、とくに表面劣化を診断し、
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

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体絶縁材料の劣化
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。

【０００２】

【従来の技術】従来より、エポキシ樹脂、ポリエステ
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。

【０００３】また、近年では、絶縁材料に起因する事故
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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】絶縁材料の絶縁特性
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。

【０００５】従来の診断方法では、特性のばらつきが多
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。

【０００６】固体絶縁材料の劣化診断方法として、たと
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。

【０００７】本発明は、固体絶縁材料の劣化、とくに表
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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第１の発明にかかわる固
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。

【０００９】また、第２の発明にかかわる固体絶縁材料
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。

【００１０】また、第３の発明にかかわる固体絶縁材料
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。

【００１１】さらに第４の発明にかかわる固体絶縁材料
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。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を実施例に基
づいて説明する。

【００１３】実施例１ 表１〜３は第１の発明にかかわる実施例である。

【００１４】表１は電力設備として２５年間使用経過し
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。

【００１５】表２は測定時の相対湿度が１４％であり、
それ以外は表１と同じである。

【００１６】

【表１】

【００１７】

【表２】

【００１８】表３は前記試料表面に生成および付着した
イオン量を測定した結果を示したものである。

【００１９】

【表３】

【００２０】表３からわかるように、新品と劣化品を比
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。

【００２１】たとえば、これらのイオン量を測定するこ
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。

【００２２】たとえば、総イオン量が０．０１ｍｇ／ｃ
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。

【００２３】しかし、現実問題として、たとえば、総イ
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。

【００２４】本発明の特徴は、この劣化診断を容易に行
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。

【００２５】電気的な診断方法として、たとえば直流電
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。

【００２６】この点、本発明にかかわる表面方向の静電
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。

【００２７】すなわち、表１および表２において、新品
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。

【００２８】したがって、本発明においてイオン量と水
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。

【００２９】実施例２ 図１は第２および第３の発明にかかわる実施例である。

【００３０】図１において、ＡおよびＢは前記実施例１
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。

【００３１】図１は測定試料上に同心円状に金電極を真
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。

【００３２】なお、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。

【００３３】図１より明らかなように、前記表１および
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。

【００３４】さらに図１において、図中の矢印ａ部分は
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。

【００３５】

【数１】

【００３６】したがって、前記実施例１においては水の
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。

【００３７】実施例３ 図２は第４の発明にかかわる実施例である。

【００３８】本実施例４は、前記１ＭＨｚ〜１００ＧＨ
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。

【００３９】また、図２は時間領域のデータであり、こ
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。

【００４０】なお、本発明における時間領域反射法は、
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。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したとおり、第１の発明によれ
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。

【００４２】また、第２の発明によれば、１ＭＨｚ〜１
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。

【００４３】また、第３の発明によれば、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。

【００４４】さらに、第４の発明によれば、前記１ＭＨ
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】 劣化品Ａ、Ｂおよび新品Ｃについて、インピ
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。

【図２】 劣化品Ａおよび新品Ｃについて、時間領域反
射法により求めた反射信号波形を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今井 義博 大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電 力株式会社内 Ｆターム(参考） 2G015 AA01 CA20 2G060 AA11 AA20 AC01 AD01 AE29 AF11 EA05 EA08 HA02 HC10

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。