JP2013024669A - 回転電機の絶縁診断法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、部分放電電荷量の変化に着目し、マイカ層をレジンで固着した固定子コイルの絶縁システムに対して精度よく劣化程度や余寿命を評価できる絶縁診断法を提供する。
【解決手段】回転電機の固定子コイルに印加した電圧を連続的に昇圧または降圧し、印加電圧に対する部分放電電荷量のパターン情報を取得し、部分放電電荷量が急増または急減する電圧や程度またその回数から絶縁劣化状態を評価できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば誘導電動機や発電機などのマイカ層をレジンで固着した固定子コイルの絶縁診断技術に関する。

従来の回転電機の固定子コイルの絶縁システムに使われているマイカ片は比較的大きな薄板状であるため、最大部分放電電荷量（常規電圧での印加電圧１サイクルに１回程度の発生頻度で発生する部分放電電荷量の値）や誘電正接に代表される特性の絶対値の経年変化を監視することで絶縁余寿命を推定することが知られている。例えば、特許文献１に運転中の電気機械の絶縁監視の方法が示されその評価指標として最大放電電荷量、総合電荷量、平均放電電流、放電発生位相−電荷量−発生頻度特性を用いることにより絶縁物内の異常を精度よく評価できることが記載されている。また、非特許文献１ではΔ２（２ｋＶの誘電正接と定格電圧の誘電正接の差）が評価指標の１つとして示され、相対的なボイド放電の量を表すと記載されている。

特開２０００−２０６２１３号公報

電気学会技術報告第７５２号

上記従来技術では、絶縁システムの多様化に伴い、特にマイカ層をレジンで固着させた絶縁システムにおいては、マイカ片が細かいので、欠陥が進展する際に、その進展方向をこれらのマイカ片が阻害するため、進展方向が電界方向と必ずしも一致しない。このため最大部分放電電荷量と欠陥の進展の程度に相関が現れにくく、欠陥の状態を精度よく評価することが困難であるという問題があった。

本発明の目的は、部分放電電荷量の変化に着目し、マイカ層をレジンで固着した固定子コイルの絶縁システムに対して精度よく劣化程度や余寿命を評価できる絶縁診断法を提供することである。

本発明では前記目的を達成するために、回転電機の固定子コイルに印加した電圧を連続的に昇圧または降圧し、印加電圧に対する部分放電電荷量のパターン情報を取得し、部分放電電荷量が急増または急減する電圧や程度またその回数から絶縁劣化状態を評価できる。

本発明によれば、前記部分放電電荷量のパターンを予め測定した基礎データとフィンガープリント法などを用いて比較することで、マイカ層をレジンで固着した絶縁システムを用いた回転電機の欠陥種、絶縁の劣化状態や絶縁余寿命を精度よく評価可能となる。

測定結果を示す説明図。 診断に用いる印加電圧に対する部分放電電荷量パターンの熱劣化特性図。 診断に用いる印加電圧に対する部分放電電荷量パターンの機械的劣化特性図。 回転電機の全体図。 回転電機のスロット断面図。 測定フロー図。 測定系の概略構成図。 測定系の具体的構成を示す図。 測定フローの説明図。 実施例１の診断フロー図。 熱劣化実測データの特性図。 機械的劣化実測データの特性図。 熱劣化後の絶縁層の模式図。 機械的劣化後の絶縁層の模式図。 実施例２の診断フロー図。 実施例４の診断フロー図。 余寿命推定の説明図。 実施例３による余寿命推定の説明図。

以下、本発明における実施例について、図面を用いて説明する。先ず、実施例を説明する前に回転電機の構造について簡単に述べる。

図３には、回転電機１の例を示す。回転電機１は、回転子２と固定子３とから概略構成される。この固定子３は図４に示すように固定子鉄心４と鉄心スロット５と固定子コイル６からなり、前記固定子コイル６は上コイル６ａ、底コイル６ｂから構成されており、前記固定子コイル６を鉄心スロット５に固定するために楔７、上底コイルの間のスペースを確保するために、絶縁部材スペーサ８が配置されている。なお、固定子コイル６は固定子鉄心４の外部で電気的に接続される。

前記固定子コイル６は、素線絶縁１０を施した数本の素線９ａを整列し、前記素線９ａを束ね絶縁詰め物１１を施し一体化した、素線固めコイル９により構成され、前記素線固めコイル９の周囲にガラスクロスなどを裏打ち材としたマイカテープを所定回数巻回し主絶縁層１２が形成されている。前記固定子コイル６は、例えば含浸槽にてエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を主絶縁層１２に加圧含浸し、その後、熱硬化性樹脂を加熱硬化させたものや、予めエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を含んだ半硬化状態のプリプレグマイカテープを熱プレスし形成したものがある。前記に代表される処理工程により、ボイドに代表される欠陥の少ない絶縁特性の良好な主絶縁層１２を備えた固定子コイル６を得ることができる。

主絶縁層１２は、マイカテープ層と熱硬化性樹脂が完全に充填されていることが望まれるが、発電機用のコイルにはボイドや剥離といった欠陥がある程度存在する。内部にボイドや剥離が存在する絶縁層に部分放電開始電圧以上の電圧が加わるとボイドや剥離といった微小欠陥部で部分放電が発生する。

絶縁層内に初期から存在していた微小欠陥に加え、主に熱的及び機械的ストレスにより新たに微小欠陥が形成される。長期間の運転により熱的／機械的／電気的／その他のストレスが加わると、これらが進展していくので、絶縁破壊電圧や機械強度が低下していくことが知られている。

図５に印加電圧に対する部分放電電荷量パターンの測定フローを、図６に測定系のブロック図を示す。

測定対象である回転電機１の固定子コイル６に対して、高電圧電源２１から接続端子３２を介して交流電圧を印加し、昇圧する。なお、測定対象は回転電機１から抜き取った固定子コイル６一本の状態とすることも可能である。その時、固定子コイル６に印加した電圧と部分放電電荷量を診断システム２６にて測定する。その後、電圧を昇圧し、その時の部分放電電荷量を測定する。これを繰り返し、所定の電圧まで印加電圧に対する部分放電電荷量パターンを取得する。部分放電電荷量は、例えば電流や電磁波の検出を用いたものが知られている。一例としては、特開平３−９９２８６号公報の第４図に記載されている構成が挙げられる。

上記方法で得られた、印加電圧に対する部分放電電荷量パターンの結果例を図１に示す。なお、本実施例中では昇圧時のデータを基に説明しているが、図２に示すような降圧時のデータを基にしても良い。

図１中の警戒レベルのパターン２７では、印加電圧を０Ｖから所定の電圧例えば、運転電圧の２倍程度まで上昇させた時に部分放電電荷量がバックグラウンドレベルに対して有意な差を持って部分放電電荷量が急増する電圧領域（以下、第１段目の立ち上がり２８）と、その後部分放電電荷量はほぼ一定となっている電圧領域からなっている。警戒レベルのパターン２７の第１段目の立ち上がり２８は、運転電圧での連続監視では捉えることのできない現象である。前記測定方法によって測定された警戒レベルのパターン２７は、図１０（ａ）に示すように熱劣化時のパターンであり、これは、図１１（ａ）の模式図に示すように沿層方向の剥離やボイドが発生・進展しているためであり、熱劣化が進む程、前記発生・進展の程度が大きくなる傾向を示す。このため、熱劣化により機械的強度が低下し、振動や電磁力、遠心力などにより絶縁層に亀裂を生じやすくなる。図１０（ａ）の例では、絶縁層の貫層方向に亀裂などの欠陥が形成されやすい状態になっていることを意味しており、診断期間の短縮などの対策を行う必要が有ると考えられるため、例えば警戒レベルと評価できる。

図１中の危険レベルのパターン２９では、最大部分放電電荷量に代表される特性の絶対値は最も低いレベルであるが、印加電圧を０Ｖから所定の電圧例えば、運転電圧の２倍程度まで上昇させた時に第１段目の立ち上がり２８以降に、第２段目の立ち上がり３０が現れている。危険レベルのパターン２９の第２段目の立ち上がり３０も、警戒レベルのパターン２７の第１段目の立ち上がり２８と同様に、僅かな電圧変化によって生じる部分放電電荷量の急増であり、前述したように本発明に示す連続的に印加電圧及び部分放電電荷量を取得した印加電圧に対する部分放電電荷量のパターン情報によって特徴的なパターンとして捉えることができる。前記測定方法によって測定された危険レベルのパターン２９は、図１０（ｂ）に示すように機械的劣化のパターンであり、これは、図１１（ｂ）の模式図に示すように絶縁層の貫層方向に進展する微小な亀裂や亀裂を介したボイドや剥離といった欠陥の結合が形成・進展していることによるためである。そのため、絶縁層の貫層方向に進展する欠陥は、絶縁層にとっては致命的な欠陥であり、絶縁破壊電圧に代表される絶縁性能の大幅な低下を引き起こす可能性が高く、コイルの抜き取り検査など詳細な診断を行う必要が有ると考えられるため、例えば危険レベルと評価できる。ただし、危険レベルの中でも欠陥の形成・進展の程度があるため、実施例２に記載する評価指標を基により詳細な評価を行い、前記形成・進展の程度を把握することでより正確な診断を提供することができる。

図１中の監視レベルのパターン３１では、最大部分放電電荷量は警戒レベルのパターン２７、危険レベルのパターン２９に比べて大きいが、前記いずれの特徴もないことから、絶縁層に加わっている熱や機械力による劣化は小さく現時点では問題ないことを示している。このため、定期的な診断を継続して実施すれば良いと考えられるため、例えば、監視レベルと評価できる。

これらをまとめた診断フローを図９に示す。

以上のように、従来の最大部分放電電荷量に代表される特性の絶対値には現れにくかった微小な欠陥の形成・進展による劣化現象を、本実施例によれば印加電圧−部分放電電荷量特性のパターンを基に捉えることが可能となるため、微小な欠陥の連結に伴って生じる急速に絶縁破壊電圧に代表される絶縁性能が低下する劣化現象を捉えることが可能となり、絶縁余寿命を診断可能な絶縁診断技術を提供することができる。

図７に診断システムの構成の一例を、図８に図７の構成での測定フローの一例を示す。

診断システム２６は、部分放電測定システム２３と電圧測定システム２２とコンピュータ２４と表示装置２５から構成されている。印加電圧と部分放電電荷量との関連付けをコンピュータ２４にて行い、表示装置２５に出力する。その際、コンピュータ２４内に蓄えている部分放電電荷量パターンの基礎データとフィンガープリント法を用いて比較すると欠陥種や欠陥の進展程度を定量化できるようにしている。

図８に示す測定フローの一例を示す。測定終了電圧Ｖ、１秒間当りの昇圧または降圧速度ｖ、電圧及び部分放電電荷量を測定する時間間隔Δｔを設定することで、図８に示すように、コンピュータ２４で電圧測定システム２２と部分放電測定システム２３に同期した指令を出すことにより印加電圧に対する部分放電電荷量のパターンを自動で収録することができる。このようなシステムを構築するとより安定したデータ収集が可能である。なお、部分放電電荷量の発生頻度を任意で設定しても良い。一例としては、商用周波数が５０Ｈｚの場合には、発生頻度レベルを５０パルス／秒、商用周波数が６０Ｈｚの場合には、６０パルス／秒、即ち印加電圧１サイクルに１回以上の発生頻度の信号を部分放電電荷量として取得するとノイズが効果的に除去できる。また、Δｔは０.５秒程度、ｖは０.１ｋＶ／秒程度とすると、データ数と評価精度のバランスが適切に保てることを確認している。

上記設定をした後、電圧を印加し測定を開始する。

その際、印加電圧と部分放電電荷量のそれぞれの情報は、ＧＰＩＢ（General Purpose Interface Bus）などによって、三機器間で同期が取れている、コンピュータ２４と電圧測定システム２２と部分放電測定システム２３を用いて、コンピュータ２４から電圧測定システム２２と部分放電測定システム２３に対して指令を出し、前記設定した測定間隔でそれぞれの情報を収録し、コンピュータ２４内に逐次記憶される。

測定が終了するとコンピュータ２４内に記憶した印加電圧と部分放電電荷量のそれぞれの情報を基に印加電圧に対する部分放電電荷量パターンの結果を表示装置２５に表示する。なお、測定と同時に結果を随時表示しても良い。

前記表示装置２５で得られた結果を基に診断を実施する。なお、コンピュータ２４，表示装置２５の機能が一体となっていても良い。

本実施例は実施例１にある、図１中の警戒レベルのパターン２７の第１段目の立ち上がり２８を図２（ａ）のＶ１及びＱ１を用いて熱劣化レベルを評価し、危険レベルのパターン２９の第１段目の立ち上がり２８と第２段目の立ち上がり３０を図２（ｂ）のＶ１、Ｖ２、Ｑ２を用いて機械的劣化レベルを評価する絶縁診断方法である。本実施例を用いた診断フローを図１２に示す。なお、本実施例中では、昇圧時のデータを基に説明しているが、降圧時のデータ即ち図２中のＶ１′、Ｑ１′などを基にしても良い。

熱劣化では図１０（ａ）のように第１段目の立ち上がり２８の開始電圧Ｖ１が初期の値Ｖ１ｓに比べＶ１ｄへ低下し、部分放電電荷量の増加率が低下する部分放電電荷量Ｑ１が確認されるようになる。図１２では一例として、Ｑ１≧５０００ｐＣと設定した場合の診断フローを示している。

機械的劣化では、図１０（ｂ）のように、第１段目の立ち上がりの開始電圧Ｖ１は機械力の増加と共に初期の値Ｖ１ｓに比べてＶ１ｄへ低下する傾向を確認している。また、第２段目の立ち上がりの開始点の印加電圧をＶ２、開始点の部分放電電荷量をＱ２も、共に機械力の増加に伴い低下する傾向を確認している。Ｖ１の低下は、亀裂を介したボイドや剥離といった欠陥の結合の形成・進展を表し、Ｖ２、Ｑ２の低下は、微小な亀裂の形成・進展を示している。これらの指標を用いることで、機械力に伴う絶縁層の貫層方向に進展する亀裂の形成・進展を評価すると共に、図１４のように余寿命推定も可能となる。

本実施例によれば、熱劣化レベルと機械的劣化レベルを評価することが可能となるため、両方を勘案して警戒レベル及び危険レベルを更に細分化した絶縁余寿命診断技術を提供することができる。

本実施例は初期の値や定期検査時の値を組み合わせて測定結果を比較することで、欠陥の形成・進展を経年的に把握することが可能な絶縁診断方法である。

Ｖ１、Ｖ２、Ｑ２は欠陥が形成・進展すると低下する傾向がある。図１５に示すような各値の寿命に対するマスターカーブに、初期の値や定期検査時の値をプロットし、各値の変化を評価することで、経年的な欠陥の形成・進展を把握することができ、寿命限界の時期を推定することができる。また、運転状況などに起因する劣化速度の異なる機器毎に応じた余寿命診断も可能となる。

本実施例によれば、経年的な劣化レベル評価の精度が向上し、絶縁余寿命をより精度よく診断することが可能となる。

本実施例は、実施例１，２，３の方法に加えて、絶縁層を評価する誘電特性のうち、２ｋＶの誘電正接と定格電圧の誘電正接の差（以下、Δ２と記載する。）を用いることで、部分放電特性とは異なる視点から絶縁層の劣化を評価することが可能な絶縁診断方法である。図１３にΔ２を加えた診断フローを示す。

誘電特性のうち、Δ２は、電気学会技術報告第７５２号にも記載されている通り、絶縁層での相対的なボイド放電の量を評価する指標として広く知られている。一方で、最大部分放電電荷量と同様に微小な欠陥の形成・進展を捉えることは困難であることを確認している。また、Δ２は測定環境（現地や試験場内）や、測定対象の形状（実機構造やサンプリングコイル）などの要因によって値が異なる場合があるため、判定値はそれぞれの測定条件に応じて変更しても良い。ここでは一例として、Δ２≧２％で要注意レベルと設定した場合の診断フローを示す。熱劣化と機械的劣化が複合した場合には、熱劣化の特徴量の１つであるＱ１が、実施例２中で一例として設定した５０００ｐＣよりも小さくなる場合もある。一方、Δ２は、複合的な劣化が加わった場合でも熱劣化は精度よく診断できる。そのため、熱劣化と機械的劣化が複合した場合では、熱劣化をΔ２で、機械的劣化を図１中の危険レベルのパターン２９または、Ｖ２、Ｑ２の評価指標で診断することが可能となり、複合した劣化でも、劣化を切り分けることによって正確な絶縁診断が可能となる。

１ 回転電機
２ 回転子
３ 固定子
４ 固定子鉄心
５ 鉄心スロット
６ 固定子コイル
６ａ 上コイル
６ｂ 底コイル
７ 楔
８ 絶縁部材スペーサ
９ 素線固めコイル
９ａ 素線
１０ 素線絶縁
１１ 絶縁詰め物
１２ 主絶縁層
２１ 高電圧電源
２２ 電圧測定システム
２３ 部分放電測定システム
２４ コンピュータ
２５ 表示装置
２６ 診断システム
２７ 警戒レベルのパターン
２８ 第１段目の立ち上がり
２９ 危険レベルのパターン
３０ 第２段目の立ち上がり
３１ 監視レベルのパターン
３２ 接続端子

Claims (5)

1. 回転電機の固定子コイルに印加した電圧を連続的に昇圧または降圧して得られた印加電圧に対する部分放電電荷量のパターン情報において、バックグラウンドレベルから有意な差を持って部分放電電荷量が増加する（第１段目の立ち上がり）電圧領域よりも高い印加電圧で再び部分放電電荷量の増加率が上昇する（第２段目の立ち上がり）領域からなる場合を機械的劣化パターンとし、危険レベルと診断することを特徴とした絶縁診断法。
2. 請求項１記載の方法で取得した印加電圧に対する部分放電電荷量のパターン情報の内、特にバックグラウンドレベルから有意な差を持って部分放電電荷量が増加する（第１段目の立ち上がり）電圧領域よりも高い印加電圧で再び部分放電電荷量の増加率が上昇する（第２段目の立ち上がり）領域の部分放電電荷量が増加し始める点の印加電圧に基づき機械的劣化をパターンとし、危険レベルの程度を評価することを特徴とした絶縁診断法。
3. 請求項１記載の方法で取得した印加電圧に対する部分放電電荷量のパターン情報の内、特にバックグラウンドレベルから有意な差を持って部分放電電荷量が増加する（第１段目の立ち上がり）電圧領域よりも高い印加電圧で再び部分放電電荷量の増加率が上昇する（第２段目の立ち上がり）領域の部分放電電荷量が増加し始める点の印加電圧に基づき機械的劣化をパターンとし、危険レベルの程度を評価することを特徴とした絶縁診断法。
4. 回転電機の固定子コイルに印加した電圧を連続的に昇圧または降圧して得られた印加電圧に対する部分放電電荷量のパターン情報において、バックグラウンドレベルから有意な差を持って部分放電電荷量が増加する（第１段目の立ち上がり）電圧領域と、部分放電電荷量はほぼ一定となる電圧領域からなる場合を熱劣化パターンとし、警戒レベルと診断することを特徴とした絶縁診断法。
5. ２ｋＶの誘電正接と定格電圧の誘電正接の差を用いて絶縁層の誘電特性を評価した後で請求項１乃至４の絶縁診断を行うことを特徴とした請求項１乃至４に記載の絶縁診断法。