JP2008042130A - 油入電気機器の内部異常診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】変圧器本体絶縁油と切換開閉器室油が隔壁ゴム状膜で区画される油入電気機器の本体内部の異常を簡易な方法で診断することができ、且つアセチレンガスなどの低沸点ガスの発生源を判定することができる油入電気機器の内部異常診断方法を提供すること。
【解決手段】変圧器本体絶縁油と切換開閉器室油とを区画する隔壁ゴム状膜に対するアセチレンガス及びメチルビニルアセチレンガスの透過の有無を判定する工程と、油入電気機器から変圧器本体絶縁油の試料を採取し、該試料油中に溶解した少なくとも炭素数２〜５の炭化水素ガス成分を検出する工程と、該アセチレンガス及びメチルビニルアセチレンガスの透過の有無の判定結果と、該炭化水素ガス成分検出工程におけるアセチレンガス又はメチルビニルアセチレンガスの検出の有無とにより、アセチレンガスの発生源を判定する。
【選択図】なし

Description

本発明は、油入電気機器の内部、特にコンサベータを使用している変圧器本体内の異常診断方法に関するものである。

油入電気機器に使用されているコンサベータは、図１に示すように、変圧器本体上部に設置され、負荷変動により変圧器内の本体絶縁油１１が膨張、収縮する際にコンサベータ１０の内部の隔壁ゴム状膜１２が応動することにより絶縁油の体積増減を吸収し、かつ外気と本体絶縁油１１の接触による劣化を防止する。また、隔壁ゴム状膜１２は、変圧器本体絶縁油１１と切換開閉器室油１３とを区画する隔壁の役割を果たしている。このため、隔壁ゴム状膜１２には、膨張収縮に応動する伸縮性、切換開閉器室油１３からガスの透過を防止して本体絶縁油１１の清浄性を保つガス不透過性及び耐油性に優れる材料のものが使用されている。切換開閉器室油１３はタップ切換時に発生するアーク放電のため、使用中に徐々に汚損して絶縁性が低下すると共に、アセチレンやメチルビニルアセチレンなどのガス成分が増加してくる。一方、変圧器本体絶縁油は、変圧器本体内部において放電又は過熱等の異常が起きた場合、アセチレンやメチルビニルアセチレンなどのガス成分が増加してくる。

油入電気機器の保守管理に関する効果的な一手法として、油中ガス分析による保守管理が電力会社他多数のユーザーで採用され、事故防止に役立っている（例えば、非特許文献１）。油中ガス分析による異常診断は、機器を停止することなく絶縁油を採取し、油中に溶存しているガス成分を抽出、分析してガスの量及び種類から放電や過熱などの異常を早期に発見する技術である。

油入電気機器の内部異常診断は、当初、絶縁油中に溶存しているエチレンガス、アセチレンガスなど数種類の低沸点ガスを、電気協同研究、第５４巻、第５号（１９９９）に報告されている分析方法（以下、電協研法と称する）を用いて行なっていた。近年では、分析技術の進歩に伴い、メチルビニルアセチレン、２−メチル−１，３ブタジエン等多種類の高沸点微量ガスを高感度で分析する新しい油中分析方法（以下、「第２の油中ガス分析方法」と言う。）が提案されている（特許文献１）。この第２の油中ガス分析方法により油入電気機器の内部異常診断を行なえば、各種絶縁材料の損傷に伴い特徴的に検出される成分及び本体絶縁油の放電、過熱分解時に検出される成分を同定し、損傷材料、損傷部位、異常様相の的確な識別、更には運転継続可否の的確な判定をすることができる（例えば、特許文献２）。
電気協同研究、第５４巻、第５号（１９９９） 特開平９−７２８９２号公報 特開２００２−３５０４２６号公報

しかしながら、電協研法による油中ガス分析によりアセチレンガスなどの低沸点ガスを検出し、内部異常の疑いがある場合でも、多面的な追跡調査の結果、機器内部には異常が確認されない場合があった。

従って、本発明の目的は、変圧器本体絶縁油と切換開閉器室油が隔壁ゴム状膜で区画される油入電気機器の本体内部の異常を簡易な方法で診断することができ、且つアセチレンガスなどの低沸点ガスの発生源を判定することができる油入電気機器の内部異常診断方法を提供することにある。

かかる実情において、本発明者等は鋭意検討を行った結果、（１）変圧器本体絶縁油と切換開閉器室油とを区画する隔壁ゴム状膜は、ガス不透過性であるにも拘わらず、アセチレンガスを透過すること、しかしメチルビニルアセチレンガスは透過しないこと、（２）電協研法による油中ガス分析から本体絶縁油中にアセチレンガスが検出された場合、変圧器本体内部から発生した場合と切換開閉器室油からゴム状膜を透過してくる場合の２通りがあり、一概にその発生源が決定できないものの、これに第２の油中ガス分析方法を適用し、メチルビニルアセチレンガスが未検出であれば、ガス透過性の結果から該アセチレンガスはゴム状膜を透過して混入したものと判定でき、メチルビニルアセチレンガスが検出されれば、該アセチレンガスは変圧器本体内部から発生したものと判定できること、（３）従って、予めゴム膜に対するアセチレンガスとメチルビニルアセチレンガスのガス透過の有無を調べ、更に本体絶縁油のガス分析を電協研法と第２の油中ガス分析法を併用して行なえば、簡易な方法で油入電気機器の本体内部の異常を診断することができ、且つアセチレンガスなどの低沸点ガスの発生源を判定することができるなどを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、変圧器本体絶縁油と切換開閉器室油とを区画する隔壁ゴム状膜に対するアセチレンガス及びメチルビニルアセチレンガスの透過の有無を判定する工程と、油入電気機器から変圧器本体絶縁油の試料を採取し、該試料油中に溶解した少なくとも炭素数２〜５の炭化水素ガス成分を検出する工程と、該アセチレンガス及びメチルビニルアセチレンガスの透過の有無の判定結果と、該炭化水素ガス成分検出工程におけるアセチレンガス又はメチルビニルアセチレンガスの検出の有無とにより、油入電気機器の本体内部の異常又はアセチレンガスの発生源を判定することを特徴とする油入電気機器の内部異常診断方法を提供するものである。

本発明によれば、アセチレンガス及びメチルビニルアセチレンガスの隔壁ゴム状膜に対する透過性の有無を判断し、変圧器本体絶縁油のガス分析を電協研法と第２の油中ガス分析法を併用して行なうため、機器の解体調査を行なうことなく、簡易な方法で変圧器本体絶縁油と切換開閉器室油が隔壁ゴム状膜で区画される油入電気機器の本体内部の異常を診断することができ、且つアセチレンガスなどの低沸点ガスの発生源を判定することができる。

本発明の油入電気機器の内部異常診断方法（以下、単に「異常診断方法」とも言う。）において、油入電気機器とは変圧器本体絶縁油と切換開閉器室油が隔壁ゴム状膜で区画された構造のコンサベータを有するものである。本発明における油入電気機器の一例を図１を参照して説明する。図１は油入電気機器のコンサベータの構造を示す簡略図である。図１中、コンサベータ１０は、変圧器本体上部に設置され、外箱１４内には、変圧器本体絶縁油１１が充填されたゴムセル２２と、負荷時タップ切換器を収容する切換開閉器室油１３が充填された切換開閉器室２３とを有する。変圧器本体絶縁油１１と切換開閉器室油１３は隔壁ゴム状膜（以下、単に「ゴム膜」とも言う。）１２で区画され、変圧器本体とゴムセル２２は連結管１５で連結されている。なお外箱内であって、ゴムセル２２外には、水溜め部１８に溜まった水を抜く水抜き弁１７と、フロート２０の位置から液面を表示するダイヤル油面計１９とを有している。なお、符号２１はブリーザ連結管、１６は仕切り板、２２は空気抜栓である。このようなコンサベータ１０の切換開閉器室油１３は、タップ切換時に発生するアーク放電のため、使用中に徐々に汚損して絶縁性が低下すると共に、アセチレンやメチルビニルアセチレンなどのガス成分が増加してくる。このため、後述するように、切換開閉器室油１３中のガス成分のゴム膜に対するガス透過現象が生じるか否かが問題となる。一方、コンサベータの中でも変圧器本体絶縁油と切換開閉器室油がゴム膜１２で区画されていない構造、すなわち、切換開閉器室と変圧器本体のコンサベータが分離された構造のものは、ガス透過現象が生じないため、本発明の異常診断方法の対象外となる。

本発明のガス透過の有無を判定する工程（以下、「ガス透過判定工程」とも言う。）において用いる隔壁ゴム状膜としては、例えば図１のコンサベータ１０において変圧器本体絶縁油１１と切換開閉器室油１３とを区画するゴム膜１２である。すなわち、本発明で使用するゴム膜は、本発明の異常診断方法が適用されるコンサベータで使用するゴム膜であれば、特に制限されず、例えば、図２に示すように、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）フィルム３４を芯材とし、該芯材から両外側に向けて、接着層３３、ポリアミド繊維３２及びニトリルゴム３１をそれぞれ積層した７層構造の膜が使用できる。また、上記７層構造の膜に対して、芯材と接着層部分をニトリルゴム（ＮＢＲ）で置き換えた５層構造の膜も使用できる。接着層を形成する接着剤としては、エポキシ樹脂系接着剤やフェノール系接着剤が挙げられる。通常、この種のゴム膜１２は、数種類のものが存在するが、何れも図２のような多層構造を有しており、後述するガス透過の有無を判定する方法の結果についても同様の傾向を示す。

本発明のガス透過判定方法としては、図３に示すように、高濃度ガス含有絶縁油４２１が充填される上部タンク４２と新油の絶縁油４３１が充填される下部タンク４３を、前述のゴム膜４４で区画する気密構造の容器４１を使用する。上部タンク４２には開閉弁４５を有する試料油導入兼採取管４６が、下部タンク４３には開閉弁４７を有する試料油導入兼採取管４８をそれぞれ備える。

高濃度ガス含有絶縁油としては、少なくともアセチレン及びメチルビニルアセチレンを含有する絶縁油であれば特に制限されず、例えばＪＩＳ Ｃ２１０１の絶縁破壊電圧試験法に準じて絶縁破壊させた絶縁油を用いることができる。これにより、アセチレン及びメチルビニルアセチレン等の可燃性ガスを絶縁油に飽和近傍まで溶存させることができる。このような気密構造の密閉容器や高濃度ガス含有絶縁油を用いることにより、上部タンク４２は切換開閉器室を模擬でき、また短時間でゴム膜に対するガス透過の有無を判定できる。

ゴム膜に対するガス透過の温度条件としては、常温〜１０５℃の範囲で適宜決定すればよいが、温度５０℃以上で行なうことが、試験時間も短く効率的である。常温未満では試験時間が長くなり過ぎ、１０５℃を越える温度では絶縁油の許容最高温度以上となり実際的ではない。試験時間は１０〜５０日が適当であり、この間、例えば１０日間隔で下部タンク４３から試料油を採取して、ゴム膜透過ガス成分を分析するのが好適である。圧力は常圧でよい。なお、上記ゴム膜に対するガス透過判定工程で用いる密閉容器を備える装置は、異常診断方法の対象となる油入電気機器とは別に、実験室的に製作された装置である。このような実験室的に製作された装置を用いた加速されたガス透過の判定結果は、実機のガス透過の結果と一致しており、実機を模擬している。

下部タンク４３から採取された試料油中のガス成分の分析は、アセチレンガスについては電協研法、メチルビニルアセチレンガスについては第２の油中ガス分析方法にそれぞれ準拠して行なえばよい。電協研法は、電気協同研究、第５４巻、第５号（１９９９）に、第２の分析方法は特開平９−７２８９２号公報に、それぞれ詳細に報告されている。電協研法は当業者の周知の分析方法であるため、その詳細な説明は省略し、公知ではあっても周知とまでは言わない第２の油中ガス分析法について以下に説明する。

第２の油中ガス分析方法で用いる装置の構成を図４に示す。図４において、５１は試料油を収納する試料油容器、５２は試料油容器５１の注入口、５３は試料油容器５１の排出口、５４は排出バルブ、５５は試料油、５６は不活性ガスをキャリアガスとしてバブリングするキャリアガス給気管、５７は試料油を加熱するためのヒータ、５８はキャリアガスを注入するキャリアガス注入管、５９はキャリアガスの流量調節弁、６０は二方コック、６１はキャリアガス送気管、６２はバブリングにより抽出された抽出ガスを取出すガス抽出管、６３は抽出ガスをキャリアガスとともに通気する抽出ガス通気管、６４は三方コック、６５はコールドトラップ容器、６５ａ、６５ｂはコールドトラップ容器６５の液体窒素等の冷却媒体の供給口および排出口、６６は−１３０℃程度に冷却することにより分解成分を凝縮捕獲するコールドトラップ、６７はコールドトラップ６６を加熱するヒータ、６８は三方コック、６９はキャリアガスを供給するガス給気管、７０はヘリウムガス等のキャリアガスが充填されたガスボンベ、７１は流量調節弁、７２は三方コック、７３はガスクロマトグラフ分析器であり、カラム７３ａと検出器７３ｂとで構成されている。２７は冷却媒体容器、７５は冷却媒体、７６は冷却媒体７５を供給するために冷却媒体容器７４に圧力を加える加圧管、７７は冷却媒体供給管、７８は流量調節弁である。

次ぎに、この分析装置５０を用いた油中ガス分析方法ついて説明する。先ず、二方コック６０及び排出バルブ５４を開き、キャリアガス送気管６１からキャリアガスを流量調節弁５９により流量調節して試料油容器５１側の流路に流して当該流路の空気をブローアウトする。次ぎに三方コック６４及び７２をガスクロマトグラフ分析器７３側に開いてコールドトラップ６６及びガスクロマトグラフ分析器７３の部分の空気をブローアウトする。冷却媒体容器７４の加圧管７６から圧力を加えて冷却媒体（液体窒素）７５をコールドトラップ容器６５に導き約−１３０℃に冷却する。注射器等により試料油を数ミリリットル採取し、試料油容器５１の注入口５２より試料油容器５１内に注入する。三方コック６４を試料油容器５１側に切換え、試料油容器５１をヒータ５７により、蒸気圧が５３Ｐａになる温度で加熱し、二方コック６０を開いて圧力調節弁５９により流量調節し、バブリング管５６にキャリアガスを供給し、数分間バブリングして試料油中に溶解しているガス成分を抽出する。抽出されたガス成分をキャリアガスとともにコールドトラップ容器６５内のコールドトラップ６６の内径部に導入し、ガス成分をコールドトラップ６６に凝縮捕獲する。コールドトラップ６６をヒータ６７により２００℃以上に急速加熱し、凝縮捕獲したガス成分を気化させてキャリアガスを流しながらガスクロマトグラフ分析器７３ｂに導入して分析する。

油入電気機器から採取した試料油を上記の分析法で分析すると、抽出されたガス成分はコールドトラップ６６で凝縮して捕獲され、２００℃以上に急速加熱することにより、蒸発して瞬時にガスクロマトグラフ分析器７３に導入されるため、精度よく分析できる。

上記ゴム膜に対するガス透過判定方法の一例を示す。５０℃×５０日間、１０日間隔での試料油採取の試験条件においては、試験後３０日でアセチレンが電協研法で要注意と判定される濃度が検出された。一方、試験後５０日で、メチルビニルアセチレンは第２の油中ガス分析方法において検出されなかった。また、７０℃×５０日間、１０日間隔での試料油採取の試験条件においては、試験後１０日で、アセチレンが電協研法で要注意と判定される濃度が検出され、試験後５０日で、異常と判定される濃度が検出された。一方、試験後５０日で、メチルビニルアセチレンは第２の油中ガス分析方法において検出されなかった。

上記ガス透過判定方法の結果から、変圧器本体絶縁油と切換開閉器室油とを区画するゴム膜は、一般的にはガス不透過性であることが知られているが、実際にはアセチレンガスを透過すること、しかしメチルビニルアセチレンは透過しないことが判明した。すなわち、油入電気機器において、切換開閉器室油に溶存するアセチレンは、使用期間中、ゴム膜を透過して変圧器本体絶縁油側へ移動すると思われる。従来、アセチレンガスのゴム膜透過現象については明確になっておらずこのため、変圧器本体絶縁油中にアセチレンが検出された場合、要注意あるいは異常と診断され、更に多面的な追跡調査を行う必要があった。本発明によれば、このガス透過の判定結果と後述する診断の対象となる油入電気機器の変圧器本体絶縁油のガス分析結果とで、容易に機器内部の異常の有無が診断できる。

次ぎに、油入電気機器から変圧器本体絶縁油の試料を採取し、該試料油中に溶解した少なくとも炭素数２〜５の炭化水素ガス成分を検出する工程（以下、「ガス成分検出工程」と言う。）を行なう。

油入電気機器から変圧器本体絶縁油の試料を採取する方法は、従来と同様の方法で行えばよい。試料油中に溶解した少なくとも炭素数２〜５の炭化水素ガス成分の検出は、アセチレンの検出が可能なガス分析方法とメチルビニルアセチレンの検出が可能なガス分析方法を併用して行う。アセチレンの検出が可能なガス分析方法は、電協研法であり、メチルビニルアセチレンの検出が可能なガス分析方法は、前述の第２の油中ガス分析方法である。電協研法と第２の油中ガス分析方法を併用すれば、炭素数２〜５の炭化水素ガス成分の検出が可能であり、炭素数２〜５の炭化水素ガス成分のうち、アセチレンとメチルビニルアセチレンの検出を行えばよい。アセチレンは油中でのアーク放電により、あるいは絶縁油の５００℃以上の過熱により油中に検出されるガス成分であること、メチルビニルアセチレンはアーク放電により、あるいは絶縁油中の７００℃以上の過熱により油中に検出されるガス成分であることは公知であり、共に変圧器内部の異常を診断する上で有効な指標となるものである。

ガス成分検出工程において、アセチレン及びメチルビニルアセチレンが共に未検出の場合、油入電気機器の本体内部は正常と判定される。

ガス成分検出工程において、アセチレンが検出され、メチルビニルアセチレンが未検出の場合、アセチレンは切換開閉器室油から隔壁を透過して混入したものであり、油入電気機器の本体内部に異常はないと判定される。電協研法のみによる油中ガス分析では、本体絶縁油中にアセチレンが検出された場合、変圧器本体内部から発生した場合と切換開閉器室油からゴム膜を透過してくる場合の２通りがあると判断され、一概にその発生源が決定できない。しかし、第２の油中ガス分析方法からメチルビニルアセチレンが検出されない場合、変圧器本体内部に放電や過熱などの異常が起きていないと判断でき、更に上記ガス透過性の結果から該アセチレンはゴム膜を透過して混入したものと判断できる。

ガス成分検出工程において、アセチレン及びメチルビニルアセチレンが共に検出された場合、油入電気機器の本体内部に異常があると判定される。すなわち、メチルビニルアセチレンが検出された場合、変圧器本体内部に放電や過熱などの異常が起きていると判断でき、アセチレンも変圧器本体内部から発生したものと判定できる。なお、この場合、アセチレンは切換開閉器室油から隔壁を透過して混入したものも含まれる可能が大であるが、本発明においては、「油入電気機器の本体内部に異常がある」と判断されれば、本工程における判定としては十分である。

次ぎに、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限するものではない。

（ガス透過判定工程）
図３に示す気密構造の容器を作製し、下記試験条件下でアセチレンとメチルビニルアセチレンのゴム膜透過の有無を調べた。

＜試験油；上部タンクに充填される高濃度ガス含有絶縁油＞
７５０ｍｌの高濃度ガス含有試験油を得るために、ＪＩＳ Ｃ２１０１の絶縁破壊電圧試験法に準じて絶縁破壊させた絶縁油を用いた。この試験油中のアセチレン濃度を電協研法で、メチルビニルアセチレン濃度を第２の油中ガス分析方法で測定した。その結果、アセチレン濃度は８,９８９ｐｐｍ、メチルビニルアセチレン濃度は１７７,０１２カウント（ピーク面積値）であった。

＜試験条件＞
・ 試験温度；５０℃、試験日数；５０日
・ 試料採取間隔；１０日毎
・ 最小検出感度；アセチレン０．１ｐｐｍ、メチルビニルアセチレン１００カウント
・ ゴム膜；図２に示すＰＶＡフィルムを芯材とする７層構造のゴム膜（実際に変圧器に使用されているゴム膜）

＜試験結果＞
試験後５０日で電協研法で要注意と判定されるアセチレン濃度が検出された。一方、試験後５０日でメチルビニルアセチレンは第２の油中ガス分析方法において検出されなかった。

（ガス成分検出工程）
変圧器本体絶縁油と切換開閉器室油がゴム膜で区画された構造のコンサベータを有する稼動中の変圧器７００台以上について、変圧器本体絶縁油の試料を採取した。次いで、電協研法により試料油中のアセチレンの溶存の有無を調べた。その結果、上記診断の対象となった変圧器の中、アセチレンが検出され、且つ電気的試験を実施した上で「変圧器内部異常なし」と判定された変圧器１４台について、第２の油中ガス分析方法を実施した。その結果、全ての変圧器において、メチルビニルアセチレンが検出されなかった。以上のことから、本体絶縁油中のアセチレンはゴム膜を透過して混入したものであることが判明した。

参考例
（ガス透過判定工程）
アセチレン濃度８,９８９ｐｐｍ、メチルビニルアセチレン濃度１７７,０１２カウント（ピーク面積値）に代えて、アセチレン濃度１３,８８３ｐｐｍ、メチルビニルアセチレン濃度３２,８８５,５７２カウント（ピーク面積値）の試験油を使用したこと、及び試験温度５０℃に代えて７０℃としたこと以外は、実施例１と同様の方法で行った。その結果、試験後１０日で、アセチレンが電協研法で要注意と判定される濃度が検出され、試験後５０日で、異常と判定される濃度が検出された。一方、試験後５０日で、メチルビニルアセチレンは第２の油中ガス分析方法において検出されなかった。

油入電気機器のコンサベータの構造を示す簡略図である。 変圧器本体絶縁油と切換開閉器室油を区画する隔壁ゴム状膜の構造を示す模式的断面図である。 ガス透過判定工程で使用する気密構造の試験容器の模式図である。 第２のガス分析方法で使用する分析装置のフロー図である。

符号の説明

１０ コンサベータ
１１ 変圧器本体絶縁油
１２ 隔壁ゴム状膜
１３ 切換開閉器室油
１４ 外箱
１５ 連結管
１６ 仕切り板
１７ 水抜き弁
１８ 水溜め部
１９ ダイヤル油面計
２０ フロート
２１ ブリーザ連結管
２２ 空気抜栓
３１ ニトリルゴム
３２ ポリアミド繊維
３３ 接着層
３４ ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）フィルム

Claims (5)

1. 変圧器本体絶縁油と切換開閉器室油とを区画する隔壁ゴム状膜に対するアセチレンガス及びメチルビニルアセチレンガスの透過の有無を判定する工程と、
   油入電気機器から変圧器本体絶縁油の試料を採取し、該試料油中に溶解した少なくとも炭素数２〜５の炭化水素ガス成分を検出する工程と、
   該アセチレンガス及びメチルビニルアセチレンガスの透過の有無の判定結果と、該炭化水素ガス成分検出工程におけるアセチレンガス又はメチルビニルアセチレンガスの検出の有無とにより、油入電気機器の本体内部の異常又はアセチレンガスの発生源を判定することを特徴とする油入電気機器の内部異常診断方法。
2. 試料油中に溶解した少なくとも炭素数２〜５の炭化水素ガス成分の検出は、アセチレンガスの検出が可能なガス分析方法とメチルビニルアセチレンガスの検出が可能なガス分析方法を併用して行うことを特徴とする請求項１記載の油入電気機器の内部異常診断方法。
3. アセチレンガス及びメチルビニルアセチレンガスが共に未検出の場合、油入電気機器の本体内部は正常と判定されることを特徴とする請求項１又は２記載の油入電気機器の内部異常診断方法。
4. アセチレンガスが検出され、メチルビニルアセチレンガスが未検出の場合、アセチレンガスは切換開閉器室油から隔壁を透過して混入したものであり、油入電気機器の本体内部に異常はないと判定されることを特徴とする請求項１又は２記載の油入電気機器の内部異常診断方法。
5. アセチレンガス及びメチルビニルアセチレンガスが共に検出された場合、油入電気機器の本体内部に異常があると判定されることを特徴とする請求項１又は２記載の油入電気機器の内部異常診断方法。

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