JP2010112755A - 回転機固定子巻線の絶縁診断方法および絶縁診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転機固定子巻線のオンライン絶縁診断を実用化する絶縁診断方法、装置を提供する。
【解決手段】 回転機１が持つ最大放電電荷閾値Ｑｍを回転機１の運転停止中に測定した固定子巻線２の静電容量Ｃａで除算した値を放電電圧閾値Ｖｘとし、回転機１の運転中に、固定子巻線２に課電して発生する部分放電による電圧変動Ｖｐｄを測定し、測定した部分放電による電圧変動Ｖｐｄと放電電圧閾値Ｖｘとを比較することにより、固定子巻線の絶縁状態の良否を判定する。最大放電電荷閾値Ｑｍは、予め回転機共通に設定された最大放電電荷量と絶縁耐力の関係から算出された既存値を使用する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発電所の発電機などの回転機の絶縁診断方法および絶縁診断装置で、詳しくは、回転機の固定子巻線における絶縁材の劣化度合いを段階的に判定するための絶縁診断方法および絶縁診断装置に関する。

発電所の水車発電機などの回転機は、回転子巻線と固定子巻線を備える。これらの巻線の絶縁状態は、回転機の性能維持のため特に重要であり、固定子巻線の絶縁状態の診断が定期的或いは任意時に行われている。絶縁材料は絶縁が低下すると、部分放電と呼ぶ絶縁材の一部が放電する状態が発生する。水車発電機は、固定子巻線のコイルエレメント数が多く、絶縁材に部分放電が発生し易いことから、部分放電測定による絶縁診断が劣化度合を判別するために重要視されている。このような回転機固定子巻線の絶縁診断法は、回転機の運転停止中に行うオフライン絶縁診断法と、回転機の運転中に行うオンライン絶縁診断法が知られている。

水車発電機の運転中に行うオンライン診断は、トレンド管理が中心である（例えば、非特許文献１参照）。このオンライン診断は、劣化が定量化できないため、固定子巻線における絶縁の状態を発電機個別に管理している。劣化の程度が不明瞭であることから、オンライン診断は普及が進んでいない。そのため、従来から適用されているオフライン診断が一般に普及している。

発電機のオフライン診断は、オフライン診断による発電機共通の診断基準があるため（例えば、非特許文献２参照）、診断結果が明確である。発電所の水車発電機の固定子巻線では、通常ＥＩＣ（Electro Insulation Chacker）法により絶縁状態の測定と診断が行われる。測定は、発電機の運転を停止したオフライン状態において、固定子巻線の絶縁材での部分放電や直流抵抗、交流抵抗、損失角（ｔａｎδ）等を測定することで行う。例えば固定子巻線の部分放電測定は、運転停止状態の発電機の固定子巻線に対し試験電圧を課電し、また標準電荷を注入して、信号強度を測定することで行う（例えば、特許文献１参照）。
電気評論、Vol.88,No.8,Page.73-77(2003.08.10) 電気学会、電力・エネルギー部門大会論文集、Vol.7th2,Page.852-853(1996.08) 特開２００１−０１３２２５号公報

上記発電機のオフライン診断は、診断対象の発電機の運転を停止させ、固定子巻線の口出し部の絶縁を剥ぎ取り、剥ぎ取った巻線に対し課電することや、電荷注入することにより行われる。そのため、オフライン診断は、多大の作業工数と時間を必要とした。又、オフライン診断のための水車発電機の運転停止は、膨大な溢水の発生となり、貴重な自然エネルギーを未使用のまま放出してしまうことになり、運転停止は数日間連続するため、発電停止による経済的損失額は膨大となる。このようなことから、水車発電機の絶縁診断をオフライン診断からオンライン診断中心に切り換えることが要望されている。

発電機において、オンライン診断がオフライン診断に代わり適用されるためには、診断基準を確立することが必要とされている。また、オンライン診断の診断基準がオフライン診断の診断基準に整合して作成できれば、過去の診断結果とオンライン診断が同一の基準によって評価できるようになることから、発電機を管理する上でメリットが大きい。

しかし、オンライン診断とオフライン診断は測定が同時でないため、異なった絶縁状態を診断することがある。例えば、オンライン診断の場合は固定子巻線への課電が片端接地であるのに対し、オフライン診断の場合は巻線に均等に課電が行われるため、オンライン診断時の巻線絶縁状態とオフライン診断時の巻線絶縁状態が異なることがある。そのため、オンライン診断の診断基準作成が難しく、オンライン診断の普及が進まない状況である。

本発明者は、オンライン診断の実用化を目的に、オンライン診断とオフライン診断の関係について実験的な研究を行った。その結果、オンライン診断で計測する部分放電による電圧変動とオフライン診断で計測する最大放電電荷に相関があることを見出し、本発明を成し得た。

上記目的を達成する本発明診断方法は、回転機が持つ最大放電電荷閾値Ｑｍを回転機の運転停止中に測定した回転機の固定子巻線の静電容量Ｃａで除算した値を放電電圧閾値Ｖｘとした上で、回転機固定子巻線の絶縁状態を診断する方法であって、回転機の運転中（オンライン）に、固定子巻線に課電して発生する部分放電による電圧変動Ｖｐｄを測定し、測定した測定値Ｖｐｄと放電電圧閾値Ｖｘとを比較することにより、固定子巻線の絶縁状態の良否を判定することを特徴とする。

ここで、回転機は、発電所の水車発電機や電動機等が適用できる。回転機の固定子巻線は、固定子（ステータ）のスロットに装着された波巻コイル等が適用できる。回転機が持つ最大放電電荷閾値Ｑｍは、固定子巻線の部分放電により測定される最大放電電荷と巻線絶縁耐力の関係から得られた既存の巻線絶縁診断基準の閾値（単位：ｐＣ）である。静電容量Ｃａは、固定子巻線の導体−スロット間の対地静電容量（単位：μＦ）である。静電容量Ｃａは、固定子巻線の吸湿を考慮してオンライン診断前に予めオフライン状態でシェーリングブリッジ等で測定する。この静電容量Ｃａは、予め回転機製造段階等において巻線特性として測定された特性データを使用することもできる。最大放電電荷閾値Ｑｍを回転機の運転停止中（オフライン）に測定した固定子巻線の静電容量Ｃａで除算した除算値Ｑｍ／Ｃａは、オンライン診断するときの部分放電による電圧閾値Ｖｘに相当して、Ｖｘ＝（Ｑｍ／Ｃａ）とすることができる。オンライン診断で測定される部分放電による電圧変動Ｖｐｄは、固定子巻線の絶縁材で発生する部分放電による電圧（単位：ｍＶ）である。オンライン診断で測定した部分放電による電圧変動Ｖｐｄと、予め演算処理して得られた理論値である放電電圧閾値Ｖｘとを比較することにより、固定子巻線の絶縁状態が良好または不良のいずれかである、良好と不良の間の要注意状態であるといった段階的な診断をすることができる。

本発明においては、回転機固定子巻線で発生した部分放電による電圧変動の測定を、固定子巻線に装備された測温用サーチコイルにより行うことができる。また、本発明は、回転機に、波巻固定子巻線を有する水車発電機を適用することができる。

上記測温用サーチコイルは、ＲＴＤやＰｔ１００（白金抵抗体）等と称されている温度センサで、固定子巻線に標準装備されている。このサーチコイルにより部分放電による電圧変動を測定することで、オンライン診断の作業が容易になり、オンライン診断がコスト的に有利に実施できる。

上記目的を達成する本発明装置は、回転機が持つ最大放電電荷閾値Ｑｍを回転機の運転停止中に測定した回転機の固定子巻線の静電容量Ｃａで除算した値を放電電圧閾値Ｖｘとした上で、回転機固定子巻線の絶縁状態を診断する装置であって、回転機の運転停止中に、固定子巻線の電気特性としての静電容量Ｃａを測定する静電容量測定回路と、回転機の運転中に、固定子巻線に課電して発生する部分放電による電圧変動Ｖｐｄを測定する放電電圧測定回路と、放電電圧閾値Ｖｘを静電容量Ｃａで除算する演算処理回路とを具備し、部分放電による電圧変動Ｖｐｄと放電電圧閾値Ｖｘとを比較することにより、固定子巻線の絶縁状態の良否を判定可能とする。

また、本発明装置においては、放電電圧測定回路は、固定子巻線に装備された測温用サーチコイルに誘起する電圧変動を異なる周波数帯の複数の測定系で同時に測定し、複数の測定系それぞれの測定電圧の差に基づいてノイズと部分放電による信号を分離し、部分放電による電圧変動Ｖｐｄのみを測定することができる。

ここでの測定系は、例えば１０ＭＨｚと２０ＭＨｚの異なる周波数帯域の２つが使用できる。この場合、１０ＭＨｚを基本信号とし、２０ＭＨｚをノイズ識別用参照信号とすることができる。部分放電で発生する電圧変動は、異なる周波数帯それぞれでの測定値にあまり差が生じないことと、ノイズは異なる周波数帯それぞれでの測定値に大なる差を生じることから、１０ＭＨｚ周波数帯で測定した電圧と２０ＭＨｚ周波数帯で測定した電圧の差を評定することで、外部ノイズを分離し部分放電による電圧変動Ｖｐｄのみを正確に測定できる。

本発明の絶縁診断方法によれば、回転機運転中の固定子巻線の部分放電による電圧変動を測定して、測定した放電電圧が予め設定された放電電圧閾値と比較することで、高い精度で回転機のオンライン診断ができ、発電所の水車発電機等のオンライン診断の実用化が実現できるという優れた効果を奏する。

また、本発明の絶縁診断装置によれば、放電電圧測定回路や静電容量測定回路に既存回路が適用でき、設備投資的に有利な回転機固定子巻線オンライン診断の絶縁診断装置が提供できる。

図１に水車発電機である回転機１に適用した絶縁診断装置１０の概要を示す。水車発電機１の固定子巻線２は、図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すような波巻コイルである。固定子巻線２は、導体２ａを絶縁材２ｂで被覆したもので、固定子（ステータ）３のスロット４に嵌挿した上コイル２ｃと下コイル２ｄを有する。上コイル２ｃと下コイル２ｄの間にスペーサ２ｅが装着され、スペーサ２ｃの一部に図１に示す測温用サーチコイル５が設置される。

絶縁診断装置１０は、回転機１の運転中（オンライン）に固定子巻線２に課電して発生する部分放電による電圧変動Ｖｐｄを測定する放電電圧測定回路１１と、後述する絶縁診断基準の最大放電電荷閾値Ｑｍと固定子巻線２の対地静電容量Ｃａの数値データを演算処理する演算処理回路１２を具備する。図１の絶縁診断装置１０は、回転機１の運転停止中（オフライン）に固定子巻線２の電気特性としての静電容量Ｃａを測定する静電容量測定回路１３を備える。静電容量Ｃａは、固定子巻線２の絶縁材２ｂの対地静電容量である。

放電電圧測定回路１１は、周波数帯域の異なる複数、例えば１０ＭＨｚと２０ＭＨｚの２つの測定系１１ａ、１１ｂを備え、固定子巻線２の測温用サーチコイル５で発生する部分放電による電圧変動Ｖｐｄを測定する。１０ＭＨｚの測定系１１ａは基本信号、２０ＭＨｚの測定系１１ｂはノイズ識別用参照信号として電圧を計測し、６０ｐｐｓ（pulse per second）の部分放電による電圧変動Ｖｐｄを計測結果とする。

演算処理回路１２は、予め設定された水車発電機共通の最大放電電荷閾値Ｑｍを静電容量Ｃａで除算して、放電電圧閾値Ｖｘを算出する。演算処理回路１２で算出された放電電圧閾値Ｖｘと、放電電圧測定回路１１で測定した部分放電による電圧変動Ｖｐｄを比較して、固定子巻線２の絶縁状態を段階的に診断する。最大放電電荷閾値Ｑｍと放電電圧閾値Ｖｘの相関関係とそれぞれの算出方法を、以下の実験データに基づき説明する。

［実験例］回転機のオンライン診断とオフライン診断の関係を調べるため、通常実施時期が異なる２つの診断方法を同時に実施する実験を行った。実験対象の回転機は、表１のＵｎｉｔ欄に示す８台の水車発電機である。オンライン診断は、図１と同様な部分放電診断装置で部分放電による電圧変動Ｖｐｄを計測した。オフライン診断は、固定子巻線を相別に切り離して１相ずつ固定子巻線の静電容量Ｃａを計測した。また、オフライン診断の実施時にオンライン診断の測定装置で同時に測定した。オンライン診断時の固定子巻線２への課電は、運転電圧であるＥ／√３（Ｅ：定格電圧）を中心に行った。８台の水車発電機に対して行った実験結果を表１に示す。

次に、表１の測定から得られた関係を整理し、部分放電の発生原理と部分放電の伝搬モードを考察する。さらに、放電電荷と絶縁耐力の関係から、オフライン診断の基準とオンライン診断の整合性を考察する。

図３は、固定子巻線２の絶縁材２ｂ中のボイド６による部分放電を等価回路図により表示している。導体２ａとスロット４の間の絶縁材２ｂ中にボイド６があると想定する。絶縁材２ｂは静電容量Ｃａを持つ。ボイド６は、静電容量Ｃｇを持ち、ボイド内部で放電が発生する。絶縁材２ｂは、ボイド以外の絶縁物中に静電容量Ｃｂを持つ。この固定子巻線に試験電圧Ｖｔを課電したときにボイド放電によりボイドを横切る真の電荷ｑ_ｒは、次の式（１）で表される。ただし、Ｖｓはボイドに加わる電圧、Ｖｒは部分放電後にボイドに加わる電圧である。

ここで、ＣｇはＣｂより十分大きいと仮定すると、部分放電により誘起された電圧変動により外部で測定される電圧変動ΔＶは、次の式（２）で表される。ただし、Ｑａｐｐは測定される放電電荷である。

式（２）の見かけの部分放電電荷Ｑａｐｐに、予め設定された回転機共通の放電電圧閾値Ｖｘを代入する。例えば、非特許文献２に開示されている水車発電機固定子巻線の劣化診断基準の最大放電電荷閾値Ｑｍの10,000ｐＣを代入し、巻線の静電容量Ｃａに変数ＸμＦを代入すると、式（２）は次の式（３）に整理される。

式（３）は、巻線の静電容量Ｘを変数とする部分放電による電圧変動Ｖｐｄの理論値を表示している。式（３）をグラフにしたものが図４である。図４で丸で表示した点が、表１に示した８台の発電機の測定結果である。図４から、８台の発電機全ての測定結果と式（３）が極めてよく一致していることが分かる。その結果、図３と式（２）による部分放電モデルが水車発電機固定子巻線のオンライン診断へ適用できることが分かる。

また、前述した最大放電電荷閾値Ｑｍは、次のように設定される。水車発電機固定子巻線のオフライン劣化診断手法で固定子巻線の部分放電から最大放電電荷Ｑｍａｘを測定する。固定子巻線の絶縁耐力試験を実施したデータから、５０％の破壊確率のときに運転に必要な絶縁耐力を下限として、最大放電電荷量から絶縁耐力を推定する。この場合、固定子巻線の吸湿を考慮した絶縁耐力の推定式と、吸湿を考慮しない推定式がある。常時運転している発電機は、洪水による水没がない限り乾燥状態であることから、吸湿を考慮しない推定式を使用すればよい。このような推定式をグラフ化したものが図５である。

図５は、オフライン診断による最大放電電荷Ｑｍａｘと絶縁耐力Ｖ_ＢＤ／Ｅの関係を示す。図５において、放電電荷Ｑが10,000ｐＣ未満のときは絶縁耐力が良好な範囲にあり、10,000ｐＣ〜30,000ｐＣでは要注意、30,000ｐＣ以上は不良である。このような絶縁診断基準となる放電電荷量10,000ｐＣと放電電荷量30,000ｐＣを、上述した最大放電電荷閾値Ｑｍとして適用する。

図１の診断装置１０の静電容量測定回路１３で測定された静電容量Ｃａ、放電電圧測定回路１０で測定された部分放電による電圧変動Ｖｐｄが式（１）、式（２）の関係にある前提で、演算処理回路１２で除算値Ｑｍ／Ｃａと部分放電による電圧変動Ｖｐｄを比較して、固定子巻線の絶縁状態を段階的に評価する。最大放電電荷閾値Ｑｍに上述の放電電荷量10,000ｐＣと放電電荷量30,000ｐＣを代入して、次の式（４）の放電電圧閾値Ｖｘ１と式（５）の放電電圧閾値Ｖｘ２を得る。

式（４）と式（５）から、図１の診断装置で測定された部分放電による電圧変動Ｖｐｄが式（４）のＶｘ１未満であれば絶縁良好と診断できる。また、測定された部分放電による電圧変動ＶｐｄがＶｘ１以上でＶｘ２未満であれば絶縁状態が要注意と診断でき、Ｖｘ２以上であれば絶縁不良と判定することができる。

以上の実験では、最大放電電荷閾値Ｑｍを放電電荷量10,000ｐＣと放電電荷量30,000ｐＣの２つを使用したが、絶縁診断を良好、不良の２段階のみで行う場合は基準となる１つを使用すればよい。また、最大放電電荷閾値Ｑｍを３以上設定して、絶縁診断を４段階以上に行うようにしてもよい。

なお、以上の実施形態は、発電所の水車発電機の波巻固定子巻線の絶縁診断方法および絶縁診断装置である。本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、重巻固定子巻線の絶縁診断にも適用できる。

本発明の実施形態を示す絶縁診断装置のブロック図である。 （Ａ）は固定子部分の平面図、（Ｂ）は固定子巻線部分の拡大断面図、（Ｃ）は巻線部分の概要を示す斜視図である。 固定子巻線のボイド入り絶縁材部分の等価回路図である。 発電機固定子巻線の放電電荷と部分放電による電圧変動の理論式と実験データの関係を表すグラフである。 オフライン診断による最大放電電荷と絶縁耐力の関係を表すグラフである。

符号の説明

１ 回転機、水車発電機
２ 固定子巻線
２ａ 導体
２ｂ 絶縁材
３ 固定子
４ スロット
５ サーチコイル
６ ボイド
１０ 絶縁診断装置
１１ 放電電圧測定回路
１２ 演算処理回路
１３ 静電容量測定回路

Claims (5)

1. 回転機が持つ最大放電電荷閾値を前記回転機の運転停止中に測定した前記回転機の固定子巻線の静電容量で除算した値を放電電圧閾値とした上で、回転機固定子巻線の絶縁状態を診断する方法であって、
   前記回転機の運転中に、前記固定子巻線に課電して発生する部分放電による電圧変動を測定し、その部分放電による電圧変動の測定値と前記放電電圧閾値とを比較することにより、前記固定子巻線の絶縁状態の良否を判定することを特徴とする回転機固定子巻線の絶縁診断方法。
2. 前記部分放電による電圧変動の測定を、前記固定子巻線に装備された測温用サーチコイルより行うことを特徴とする請求項１に記載の回転機固定子巻線の絶縁診断方法。
3. 前記回転機が、波巻固定子巻線を有する水車発電機であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転機固定子巻線の絶縁診断方法。
4. 回転機が持つ最大放電電荷閾値を前記回転機の運転停止中に測定した前記回転機の固定子巻線の静電容量で除算した値を放電電圧閾値とした上で、回転機固定子巻線の絶縁状態を診断する装置であって、
   前記回転機の運転停止中に、前記固定子巻線の電気特性としての静電容量を測定する静電容量測定回路と、前記回転機の運転中に、前記固定子巻線に課電して発生する部分放電による電圧変動を測定する放電電圧測定回路と、前記放電電圧閾値を前記静電容量で除算する演算処理回路とを具備し、前記部分放電による電圧変動の測定値と前記放電電圧閾値とを比較することにより、前記固定子巻線の絶縁状態の良否を判定可能としたことを特徴とする回転機固定子巻線の絶縁診断装置。
5. 前記放電電圧測定回路は、前記固定子巻線に課電し、又、前記固定子巻線に装備された測温用サーチコイルに誘起する電圧を異なる周波数帯の複数の測定系で同時に測定し、複数の前記測定系それぞれの測定電圧の差に基づいて部分放電による電圧変動を測定することを特徴とする請求項４に記載の回転機固定子巻線の絶縁診断装置。

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