JP2013148481A

JP2013148481A - 電動機巻線の劣化診断方法

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Publication number: JP2013148481A
Application number: JP2012009495A
Authority: JP
Inventors: Tomoo Kayano; 朋生萱野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2013-08-01

Abstract

【課題】低圧を含む電動機巻線の絶縁皮膜または、絶縁材の劣化による特性変化を的確かつ簡単に診断する。
【解決手段】電動機筐体１と異なる二つの電動機巻線２のリード線３との間または、電動機巻線２の一つのリード線３と異なる二つの電動機巻線２のリード線３との間の絶縁被膜または、絶縁材のインピーダンスの周波数特性を測定し、測定周波数範囲内におけるそれぞれの測定値を比較し、その差分が予め定められた劣化判定基準値に該当するかを照合し、これに基づき絶縁被膜または、絶縁材料の劣化の状態を判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動機巻線の劣化診断方法に関する技術である。

一般的に電動機巻線の絶縁診断を行う場合には、絶縁抵抗・成極指数・漏れ電流測定・耐湿特性・巻線抵抗測定等の非破壊試験や、残存破壊電圧測定・材料分析・絶縁紙等の機械強度測定等の破壊試験による評価が実施されている。この他に計測機器を用いて絶縁抵抗・静電容量・ｔａｎδ・部分放電などを測定する方法がある。また、一部では巻線にプローブを当て部分的な絶縁被覆の劣化を測定する装置も考案されてきた。

既存の試験方法の多くは、その測定値の残存破壊電圧や運転時間などに対する相関を基にして、劣化判定・余寿命推定を実施するものである。特に湿潤時と乾燥時の絶縁抵抗比・ｔａｎδ・成極指数等は、経年劣化に対応した変化を示すことが知られている。また、絶縁材料内部の劣化状態、ボイドの発生や水分の浸透等に対応した変化として捉え、残存破壊電圧や運転時間との相関性において余寿命推定に利用されていることも多い。

特開平０４−１９０１４９

電動機巻線の絶縁被膜の劣化を非破壊で診断する方法としては、絶縁抵抗・成極指数・漏れ電流測定・耐湿特性・巻線抵抗測定等があるが、いずれも電動機巻線と電動機筐体との間に当該電動機の定格電圧または、絶縁耐力電圧程度の電圧を印加することで目的を達する測定方法であり、高圧以上の電動機の測定に関しては安全上の危険性を伴うばかりでなく、専用の測定機器類を準備する必要があった。また、低圧電動機巻線の絶縁診断に関しては、絶縁抵抗・巻線抵抗測定による試験が一般的で、成極指数・漏れ電流測定に関しては試験が困難であった。

本発明は、上記従来の方法では困難とされていた低圧を含む電動機巻線の絶縁診断を、一般的な測定装置を使用し、安全で的確に行うことを課題とする。

本発明は、電動機巻線の絶縁被膜または、電動機巻線と電動機筐体との間の絶縁材に、経年により発生するボイド、クラックまたは、水分浸透等による絶縁劣化とその前兆状態を、絶縁被膜または、絶縁材を含めた巻線回路インピーダンスの周波数特性の変化を測定することで推定する診断方法を提供するものである。

まず、絶縁皮膜のインピーダンスの測定にあたって、電動機巻線の一つのリード線と電動機筐体接地極との間に各種周波数の測定電圧を印加し、流れる電流に基づき測定される絶縁被膜および、絶縁材を含めた巻線回路インピーダンスを測定する。

さらに、電動機巻線の他のリード線と電動機筐体接地極との間に各種周波数の測定電圧を印加し、流れる電流に基づき測定される絶縁被膜および、絶縁材を含めた巻線回路インピーダンスを測定する。

そして各種周波数についての抵抗性・容量性・誘導性のインピーダンスの値と誘電損失が、測定周波数範囲内において、電動機巻線の一つのリード線と電動機筐体接地極間の値および、電動機巻線の他のリード線と電動機筐体接地極間の値を照合し、両者の値の差に基づき絶縁皮膜および、絶縁材の絶縁劣化状態を判断する。

また、絶縁被膜のインピーダンスの測定にあたって、電動機巻線の一つのリード線と他のリード線との間に各種周波数の測定電圧を印加し、流れる電流に基づき測定される絶縁被膜または、絶縁材を含めた巻線回路インピーダンスを測定する。

さらに、電動機巻線の一つの同一リード線と他の異なるリード線との間に各種周波数の測定電圧を印加し、流れる電流に基づき測定される絶縁被膜および、絶縁材を含めた巻線回路インピーダンスを測定する。

そして各種周波数についての抵抗性・容量性・誘導性のインピーダンスの値と誘電損失が、測定周波数範囲内において、電動機巻線の一つのリード線と他のリード線間の値および、電動機巻線の一つの同一リード線と他の異なるリード線間の値を照合し、両者の値の差に基づき絶縁皮膜および、絶縁材の絶縁劣化状態を判断する。

電動機巻線の一つのリード線と電動機筐体または、他のリード線との間に測定電圧を印加すると、両者間には巻線と絶縁被膜および、絶縁材を通して電流が流れ、その電流の大きさ・位相からインピーダンスが導き出される。測定されたインピーダンスの抵抗成分、誘導成分、容量成分および、誘電損失の周波数特性は絶縁被膜および、絶縁材の劣化状態に対応した変化を見せる。したがって、測定されたインピーダンス測定値を劣化状態の判断手段で解析することによって、絶縁被膜および、絶縁材のピンホール，クラックを始めとする物理的欠陥ばかりでなく、水分浸透などによる電気化学的欠陥も、非破壊で検出することが可能になる。

ここで、この劣化診断方法におけるインピーダンス測定には、一般的なインピーダンスアナライザーまたは、ネットワークアナライザー等を使用することで、低電圧、低電流のもとで安全かつ容易に提供可能である。

本発明の電動機巻線の絶縁被膜または、絶縁材の劣化診断方法によれば、電動機巻線と電動機筐体間の絶縁状態だけでなく、電動機巻線の各相相互間の絶縁状態を診断することが可能となる。その結果、従来技術では劣化診断が困難とされていた電動機巻線の各相相互間における絶縁破壊故障（レアーショート）を未然に防止することが可能となる。

図１は電動機巻線と電動機筐体との間のインピーダンス測定方法を示したものである。図２は電動機巻線の一つのリード線と他のリード線との間のインピーダンス測定方法を示したものである。図３は電動機巻線と電動機筐体との間のインピーダンスの周波数特性の測定結果の一例である。同図において左図は電動機巻線の一つのリード線と電動機筐体接地極間の測定結果、右図は他の一つのリード線と電動機筐体接地極間の測定結果である。図４は電動機巻線の一つのリード線と他のリード線との間のインピーダンスの周波数特性の測定結果の一例である。同図において左図は電動機巻線の一つのリード線と他のリード線間の測定結果、右図は一つの同一リード線と他の異なるリード線間の測定結果である。図５は、図３における左図および、右図それぞれの周波数における測定結果の差分を示したものである。図６は、図４における左図および、右図それぞれの周波数における測定結果の差分を示したものである。

本発明の一実施例を、図１ないし図２を参照して説明する。図において、１は電動機筐体（本体）であり、２は電動機巻線の模式図である。３は電動機巻線と外部ケーブルを接続するためのリード線であり、５は電動機筐体（本体）接地極である。６はインピーダンスの周波数特性を測定するための周波数特性測定装置であり、一般的にはインピーダンスアナライザーまたは、ネットワークアナライザーがこれに相当する。なお、４は測定するためのリード線を示したものである。

図１は、電動機巻線２の絶縁被膜または、電動機巻線２と電動機筐体１との間の絶縁材に経年劣化により発生するボイド、クラックまたは、水分浸透等による絶縁劣化とその前兆状態を、絶縁被膜または、絶縁材のインピーダンスの周波数特性を測定することを目的とした測定回路の構成である。すなわち、電動機巻線２の一つのリード線３（例えば３ｕ）と電動機筐体接地極５との間に各種周波数の測定電圧を印加し、流れる電流に基づき測定される絶縁被膜および、絶縁材のインピーダンスを周波数特性測定装置６により測定する。

なお、一例として周波数特性を測定する周波数の範囲は、通常使用される商用周波数（５０Ｈｚまたは、６０Ｈｚ）の１／１０倍から少なくとも１０倍以上とし、ここでは２ＭＨｚとした。被測定対象の回路の巻線は抵抗成分を持った誘導性であり、絶縁被膜および、絶縁材は抵抗成分を持った容量性であることから、高周波領域においては必ず共振周波数を有している特徴を生かし、印加周波数の上限は当該共振周波数以上とすることが望ましい。

一方、図２は、電動機巻線２（例えば２ｕと２ｖ）の絶縁被膜または、電動機巻線２の一つのリード線３（例えば３ｕ）と他のリード線３（例えば３ｖ）との間の絶縁材に経年劣化により発生するボイド、クラックまたは、水分浸透等による絶縁劣化とその前兆状態を、絶縁被膜または、絶縁材のインピーダンスの周波数特性を測定することを目的とした測定回路の構成である。すなわち、電動機巻線２（例えば２ｕと２ｖ）の一つのリード線３（例えば３ｕ）と他のリード線３（例えば３ｖ）との間に各種周波数の測定電圧を印加し、流れる電流に基づき測定される絶縁被膜および、絶縁材のインピーダンスを周波数特性測定装置６により測定する。

図３は図１における測定方法により得られたインピーダンスの周波数特性を示したものであり、同左図がリード線３ｕと電動機接地極５との間のインピーダンスの周波数特性を測定した結果である。同右図はリード線３ｖと電動機接地極５との間のインピーダンスの周波数特性を測定した結果である。いずれも稼動２５年を経過し通常の運転では支障をきたすことなく正常に運転している電動機の測定結果である。

図４は図２における測定方法により得られたインピーダンスの周波数特性を示したものであり、同左図がリード線３ｕと他のリード線３ｖとの間のインピーダンスの周波数特性を測定した結果である。同右図はリード線３uと異なる他のリード線３ｗとの間のインピーダンスの周波数特性を測定した結果である。いずれも稼動２５年を経過し通常の運転では支障をきたすことなく正常に運転している電動機の測定結果である。

図５は図３における左図および、右図それぞれの測定値を各周波数において比較し、各周波数における差分をプロットしたものである。理想的な状態（すなわち、新設稼動初期段階）であれば両者は同一値となり差分は無いプロットとなるが、経年に伴う絶縁皮膜の劣化状態によりインピーダンスに変化が現れ、その結果は差分として現れる。周波数特性測定範囲内において、この差分と設定閾値を比較することで絶縁皮膜の劣化状態を判定することが可能となる。

図６は図４における左図および、右図それぞれの測定値を各周波数において比較し、各周波数における差分をプロットしたものである。理想的な状態（すなわち、新設稼動初期段階）であれば両者は同一値となり差分は無いプロットとなるが、経年に伴う絶縁皮膜の劣化状態によりインピーダンスに変化が現れ、その結果は差分として現れる。周波数特性測定範囲内において、この差分と設定閾値を比較することで絶縁皮膜の劣化状態を判定することが可能となる。

通常の使用される周波数範囲では初期状態と同等な測定結果が得られているが、高周波領域（特に、共振周波数近傍以上）の周波数領域ではインピーダンス測定値に変動が生じている。本発明では、この高周波領域での変動に着目して劣化診断を行うことを特徴としている。

高周波領域におけるインピーダンスの変動は、巻線絶縁被膜および、絶縁材における容量成分が劣化状態に対応して変化するためであり、特に高周波領域においては顕著である。従って、初期の健全な状態では高周波領域においても各相ともに安定的かつ滑らかに変化する連続性を有しているが、不連続点または、非対称性等を有することは劣化の兆候である。このような特徴は通常使用している周波数領域（５０Ｈｚまたは、６０Ｈｚ）かつ低電圧領域では顕著に発生しない。

具体的な判定の一例として、図５および、図６に示す周波数測定範囲内における差分が±５の範囲以上に逸脱した測定値を有する電動機は要注意とし診断周期の短縮を要すると判定し、±１５の範囲以上に逸脱した測定値を有する電動機は危険として早急な絶縁強化または、更新を要すると判定した。

本発明により、電動機巻線の絶縁被膜または、電動機巻線と電動機筐体との間の絶縁材に経年劣化により発生するボイド、クラックまたは、水分浸透等による絶縁劣化とその前兆状態を、絶縁被膜または、絶縁材のインピーダンスの周波数特性を測定することで判定する診断方法を提供することが可能となった。その結果、電動機巻線における絶縁劣化に起因する突発故障を発生させることなく、適切な時期に絶縁強化補修または、更新を行うことが可能となった。

１電動機筐体
２電動機巻線（２ｕ：Ｕ相、２ｖ：Ｖ相、２ｗ：Ｗ相）
３巻線リード線（３ｕ：Ｕ相、３ｖ：Ｖ相、３ｗ：Ｗ相）
４測定用リード線（同軸ケーブル等）
５電動機筐体接地極
６周波数特性測定装置（インピーダンスアナライザー等）

Claims

電動機巻線の一つのリード線と電動機筐体接地極との間および、他の一つのリード線と電動機筐体接地極との間それぞれに各種周波数の測定電圧を印加し、流れる電流に基づき測定される絶縁被膜および、絶縁材のインピーダンスの周波数特性の測定を行い、測定周波数範囲内における各測定周波数での値をそれぞれ照合し、両者の値の差に基づき絶縁被膜の絶縁劣化状態を判断することを特徴とする電動機巻線の劣化診断方法。
電動機巻線の一つのリード線と他のリード線との間および、一つのリード線と異なる他のリード線との間それぞれに各種周波数の測定電圧を印加し、流れる電流に基づき測定される絶縁被膜および、絶縁材のインピーダンスの周波数特性の測定を行い、測定周波数範囲内における各測定周波数での値をそれぞれ照合し、両者の値の差に基づき絶縁被膜の絶縁劣化状態を判断することを特徴とする電動機巻線の劣化診断方法。
インピーダンスの替りに位相差（位相角）または、ゲイン（増幅率）の周波数特性の測定値を使用することを特徴とする請求項１または、請求項２の劣化診断方法。
診断するために測定する周波数上限範囲を、測定する回路の少なくとも一つ以上の共振周波数を含む範囲とすることを特徴とする請求項１または、請求項２または、請求項３の劣化診断方法。