JP2016148627A - 高分子材料の劣化診断方法、及び高分子材料の劣化診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】診断対象の高分子材料の劣化診断を容易且つ適切に行うことができる高分子材料の劣化診断方法（装置）を提供する。
【解決手段】例えば２０［ＧＨｚ］の電波（マイクロ波）の照射に基づく、診断対象のモールド材１５からの反射波等から複素誘電率が測定される。誘電率はモールド材１５の劣化状況と相関があることから、その誘電率の例えば実数部の値からその劣化診断が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高分子材料の劣化診断方法、及び高分子材料の劣化診断装置に関する。

例えば開閉器、変圧器、遮断器等の電気設備に使用されるエポキシ樹脂等のモールド材（高分子材料）の劣化診断として種々の手法が提案されている。
例えば、特許文献１に開示の高分子材料の劣化診断方法では、電気設備に用いられる診断対象の高分子材料の一部（部分放電のリスクが発現する部位）を切り出し、その切り出した部位の表面抵抗値の測定が行われる。一方で、電気設備に用いられるものと同一の高分子材料についての表面抵抗値による劣化評価を予め行っておき、この劣化評価と先の測定値との比較に基づいて実際の電気設備の高分子材料の劣化診断が行われる。

また、特許文献２に開示の高分子材料の劣化診断方法では、電気設備に用いられる診断対象の高分子材料の表面の光反射率の測定が行われ、この測定値と予め行っておいた同一の高分子材料の光反射率による劣化評価との比較に基づいて実際の電気設備の高分子材料の劣化診断が行われる。

特許第５４９５２３２号公報 特許第４７１０７０１号公報

ところで、特許文献１の劣化診断方法では、電気設備の高分子材料の切り出しが必要である。また、表面抵抗値は湿度の影響を受け易いため、測定環境を整えるのが難しい。つまり、この劣化診断方法は、作業者にとって煩雑な作業が必要となる。

また、特許文献２の劣化診断方法では、電気設備のある現地において反射率の測定に必要な光の強度の測定が別途必要であり、同様に作業者の作業が煩雑である。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、診断対象の高分子材料の劣化診断を容易且つ適切に行うことができる高分子材料の劣化診断方法、及び高分子材料の劣化診断装置を提供することにある。

上記課題を解決する高分子材料の劣化診断方法は、電気設備に用いられる高分子材料の劣化診断を行うその劣化診断方法であって、診断対象の前記高分子材料に対して１〜５０［ＧＨｚ］内の任意の周波数の電波を照射し、照射した電波に基づく前記高分子材料からの出射波から複素誘電率を測定し、該誘電率の少なくとも実数部の値に基づいて前記高分子材料の劣化診断が行われる。

この構成によれば、１〜５０［ＧＨｚ］内の任意の周波数の電波の照射に基づく、診断対象の高分子材料からの出射波から複素誘電率が測定される。誘電率は高分子材料の劣化状況と相関があることから、その誘電率の少なくとも実数部の値から高分子材料の劣化診断が行われる。即ち、診断対象の高分子材料に電波を照射しその出射波から劣化診断を行うため、高分子材料を切り出すことは不要である。また、電波を用いることで、光を用いる態様のように光強度を測定するといった手間も不要である。また、複素誘電率から高分子材料の劣化判定が適切に行えることからも、本手法を用いることで劣化診断を容易且つ適切に行うことが可能である。

また、上記の高分子材料の劣化診断方法において、前記複素誘電率の実数部の値のみから前記劣化診断が行われることが好ましい。
この構成によれば、複素誘電率の実数部の値のみから劣化診断が行われることから、劣化診断が簡略的に行える。

また、上記の高分子材料の劣化診断方法において、前記高分子材料に照射する電波は１つの周波数で固定とし、その１つの周波数の電波照射から得られる前記複素誘電率の少なくとも実数部の値にて前記劣化診断が行われることが好ましい。

この構成によれば、高分子材料に照射する電波を１つの周波数で固定として劣化診断が行われるため、劣化診断が簡略的に行える。
また、上記の高分子材料の劣化診断方法において、前記高分子材料に照射する電波は複数の周波数とし、その複数の周波数の電波照射からそれぞれ得られる前記複素誘電率の少なくとも実数部の値を総合的に勘案して前記劣化診断が行われることが好ましい。

この構成によれば、高分子材料に照射する電波を複数の周波数とし、各周波数毎で得られる誘電率を総合的に勘案して劣化診断が行われるため、劣化診断をより適切に行うことが可能である。

また、上記の高分子材料の劣化診断方法において、前記複素誘電率の少なくとも実数部と劣化進捗度との相関から、前記高分子材料の劣化進捗度の診断が行われることが好ましい。

この構成によれば、複素誘電率の少なくとも実数部と劣化進捗度との相関から、高分子材料の劣化進捗度の診断が行われるため、電気設備の高分子材料の寿命やメンテナンス時期の把握を適切に行うことが可能である。

また、上記の高分子材料の劣化診断方法において、前記診断対象の高分子材料のある周囲温度から前記複素誘電率の少なくとも実数部の値の温度補正を行って前記劣化診断が行われることが好ましい。

この構成によれば、診断対象の高分子材料のある周囲温度から複素誘電率の少なくとも実数部の値の温度補正が行われて劣化診断が行われるため、劣化診断をより適切に行うことが可能である。

また、上記課題を解決する高分子材料の劣化診断装置は、電気設備に用いられる高分子材料の劣化診断を行うその劣化診断装置であって、診断対象の前記高分子材料に対して１〜５０［ＧＨｚ］内の任意の周波数の電波を照射し、照射した電波に基づく前記高分子材料からの出射波から複素誘電率を測定する測定装置と、前記測定装置にて得たその複素誘電率の少なくとも実数部の値に基づいて前記高分子材料の劣化診断を行う診断装置とが備えられる。

この構成によれば、上記の高分子材料の劣化診断方法と同様に、劣化診断を容易且つ適切に行うことが可能である。

本発明の高分子材料の劣化診断方法、及び高分子材料の劣化診断装置によれば、診断対象の高分子材料の劣化診断を容易且つ適切に行うことができる。

一実施形態における高分子材料の劣化診断装置の概略構成図である。 モールド材に照射するマイクロ波と誘電率（複素誘電率）の実数部の値との関係において、その正常品と劣化品との値の違いを説明するためのグラフである。 誘電率の実数部と劣化進捗度との関係を示すグラフである。 誘電率の虚数部を実数部で除した誘電損失ｔａｎδを示すグラフである。

以下、高分子材料の劣化診断方法及び装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態の高分子材料の劣化診断装置１０は、開閉器や変圧器、遮断器等の電気設備に用いられるエポキシ樹脂等の高分子材料よりなるモールド材１５の劣化診断を行うものである。経年使用による熱的劣化や紫外線によるモールド材１５の表面状態の劣化等が進みモールド性能（絶縁性能）が低下すると将来的に重大な地絡或いは短絡事故等に繋がるため、このような事故の発生を未然に防止すべく劣化診断装置１０による劣化診断が行われる。

本実施形態の劣化診断装置１０は、誘電体プローブ１１、ベクトルネットワークアナライザ１２、及びパソコン１３を備え、プローブ１１とアナライザ１２とが接続、アナライザ１２とパソコン１３とが接続される。

誘電体プローブ１１は、診断時において、その先端部を診断対象のモールド材１５の外表面に対して接触させて使用される。本実施形態では、モールド材１５を電気設備から取り出すことなく設置したままの状態で誘電体プローブ１１を接触させて、劣化診断が行われる。

アナライザ１２は、例えば２００［ＭＨｚ］〜５０［ＧＨｚ］の高周波・マイクロ波の電波を誘電体プローブ１１から出力可能に構成されている。本実施形態では、その内、１〜２０［ＧＨｚ］のマイクロ波が用いられる。また、このアナライザ１２は、誘電体プローブ１１からモールド材１５に対するマイクロ波の照射を行うと共に、そのマイクロ波の照射に基づくモールド材１５からの反射波を同じ誘電体プローブ１１を通じて入力する。そして、アナライザ１２は、その反射波からモールド材１５の誘電率（複素誘電率）を得る。

誘電率（複素誘電率）＝ε’−ｊε’’

但し、「ε’」は誘電率の実数部であり、「ε’’」は誘電率の虚数部である。

ここで、図２のグラフは、モールド材１５の正常品（新品）と劣化品とにおける、誘電率の実数部の「ε’」値の違いを示すものである。１〜２０［ＧＨｚ］のマイクロ波に対しては、誘電率の実数部の「ε’」値は、正常品（新品）で約４．９〜４．５になるのに対し、劣化品では約４．４〜４．１と小さい値となる。例えば、２０［ＧＨｚ］のマイクロ波を用いた場合では、誘電率の実数部の「ε’」値は、正常品（新品）で約４．５、劣化品で約４．１となる。モールド材１５の劣化が進むと、誘電率の実数部の「ε’」値は小さくなる。また、１〜２０［ＧＨｚ］の全域で、誘電率の実数部の「ε’」の劣化品の値は、正常品（新品）よりも約０．５ポイント小さくなる。

本実施形態では、２０［ＧＨｚ］固定のマイクロ波を用いてモールド材１５の劣化診断を行うこととする。即ち、アナライザ１２は、誘電体プローブ１１を通じてモールド材１５に２０［ＧＨｚ］のマイクロ波の照射を行うと共に、モールド材１５からの反射波を入力する。そして、アナライザ１２は、その反射波から得られる誘電率の実数部の「ε’」値と、虚数部の「ε’’」値とをパソコン１３に出力する。

パソコン１３は、入力された誘電率の実数部の「ε’」値と、虚数部の「ε’’」値とを保持するが、本実施形態の劣化診断では、その誘電率の実数部の「ε’」値に基づいて行う。図２のグラフから２０［ＧＨｚ］のマイクロ波を用いる場合では、誘電率の実数部の「ε’」値は、正常品（新品）で約４．５、劣化品で約４．１であるため、例えばパソコン１３側では、モールド材１５が劣化したとみなす閾値が４．２に設定される。そのため、パソコン１３は、誘電率の実数部の「ε’」値が４．２以上であれば、モールド材１５は正常品であると診断し、誘電率の実数部の「ε’」値が４．２未満になると、モールド材１５は劣化品となったと診断して、これら各診断結果を作業者等に報知するようになっている。

次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）本実施形態では、２０［ＧＨｚ］の電波（マイクロ波）の照射に基づく、診断対象のモールド材１５からの出射波（本実施形態では反射波）から複素誘電率が測定される。誘電率はモールド材１５の劣化状況と相関があることから、本実施形態ではその誘電率の実数部の「ε’」値からその劣化診断が行われる。即ち、診断対象のモールド材１５に電波を照射しその出射波から劣化診断を行うため、モールド材１５を切り出すことは不要である。また、電波を用いることで、光を用いる態様のように光強度を測定するといった手間も不要である。また、複素誘電率からモールド材１５の劣化判定が適切に行えることからも、本実施形態の手法を用いることでモールド材１５の劣化診断を容易且つ適切に行うことができる。

（２）本実施形態では、複素誘電率の実数部の「ε’」値のみから劣化診断が行われることから、劣化診断を簡略的に行うことができる。
（３）本実施形態では、モールド材１５に照射する電波を２０［ＧＨｚ］固定として劣化診断が行われるため、このことでも劣化診断を簡略的に行うことができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では特に言及しなかったが、モールド材１５の劣化診断の箇所（誘電率の測定）は１箇所でもよく、また場所を変えて複数箇所で誘電率の測定を行い、パソコン１３にてその複数の測定値（誘電率）の平均値や最大値、最小値等を算出し、その算出結果によってモールド材１５の劣化診断を行ってもよい。またこの場合、図２のグラフにあるように、同一周波数で複数測定した「ε’」値のばらつきが正常品よりも劣化品の方が大きいことに着目し、そのばらつきの大小から劣化診断を行ってもよい。このように複数測定した誘電率を総合的に勘案して劣化診断を行えば、劣化診断をより適切に行うことができる。

・モールド材１５の正常品（新品）と劣化品との誘電率（実数部の「ε’」値）は、その劣化が進むに連れて次第に小さくなる。例えば、図３に示すように、２０［ＧＨｚ］のマイクロ波を用いた場合の誘電率の実数部の「ε’」値は、正常品（新品）が４．５に対し、完全に劣化したとみなす劣化品（１００［％］劣化）では４．１であり、その間は劣化が進むに連れてこの場合は直線的に「ε’」値が小さくなる。これを用い、パソコン１３では、誘電率の実数部の「ε’」値からモールド材１５の劣化進捗度が何［％］であるかを診断してもよい。例えば、誘電率の実数部の「ε’」値が４．３であった場合、劣化進捗度は５０［％］と診断される。このようにすれば、モールド材１５の寿命やメンテナンス時期の把握を適切に行うことができる。なお、上記「ε’」の変化が直線的ではなく曲線的に変化する態様では、この曲線変化を把握しておくことで、劣化進捗度を診断することができる。

・上記実施形態では、モールド材１５の劣化診断に２０［ＧＨｚ］固定のマイクロ波を用いたが、その他の周波数で固定したマイクロ波を用いてもよい。また、例えば１〜２０［ＧＨｚ］、更には５０［ＧＨｚ］までの内の複数の周波数のマイクロ波（電波）を用い、各周波数で得られる誘電率から総合的に劣化診断を行ってもよい。このようにすれば、劣化診断をより適切に行うことができる。

・モールド材１５の誘電率は温度依存性を持つため、これを考慮し、電気設備のある現地の周囲温度の検出を行って、誘電率の温度補正を行ってもよい。このようにすれば、モールド材１５の劣化診断をより適切に行うことができる。また、現地の温度の影響を排除すべく、モールド材１５と同等の正常品（新品）と劣化品とを現地に持ち込み、これらの誘電率を測定して劣化判定を行う閾値を現地にて設定すれば、先の温度補正を行うことなく現地のモールド材１５の劣化診断から温度依存を排除できる。

・図４のグラフは、誘電率の虚数部「ε’’」を実数部「ε’」で除した誘電損失ｔａｎδ（＝ε’’／ε’）を示している。モールド材１５の誘電損失ｔａｎδが例えば図４のグラフのように変化する場合、マイクロ波の２０［ＧＨｚ］において正常品（新品）から劣化品が約１％（１ポイント）高くなる。これを踏まえ、この特性を示すモールド材１５に対しては、少なくとも２０［ＧＨｚ］のマイクロ波を用いることで、モールド材１５の誘電損失ｔａｎδから劣化診断を行うことが可能である。

・上記実施形態では特に言及しなかったが、パソコン１３に様々な電気設備のモールド材１５のデータ（誘電率の閾値）を保持しておき、様々なモールド材１５に対する劣化診断が可能な態様としてもよい。

・モールド材１５に照射したマイクロ波（電波）の反射波から誘電率を測定したが、例えば透過波から誘電率を測定してもよい。つまり、モールド材１５に照射した電波に基づく該モールド材１５からの出射波から誘電率を測定してもよい。

ε’…複素誘電率の実数部、１１…誘電体プローブ（測定装置）、１２…ベクトルネットワークアナライザ（測定装置）、１３…パソコン（診断装置）、１５…モールド材（診断対象）。

Claims (7)

1. 電気設備に用いられる高分子材料の劣化診断を行うその劣化診断方法であって、
   診断対象の前記高分子材料に対して１〜５０［ＧＨｚ］内の任意の周波数の電波を照射し、照射した電波に基づく前記高分子材料からの出射波から複素誘電率を測定し、該誘電率の少なくとも実数部の値に基づいて前記高分子材料の劣化診断が行われることを特徴とする高分子材料の劣化診断方法。
2. 請求項１に記載の高分子材料の劣化診断方法において、
   前記複素誘電率の実数部の値のみから前記劣化診断が行われることを特徴とする高分子材料の劣化診断方法。
3. 請求項１又は２に記載の高分子材料の劣化診断方法において、
   前記高分子材料に照射する電波は１つの周波数で固定とし、その１つの周波数の電波照射から得られる前記複素誘電率の少なくとも実数部の値にて前記劣化診断が行われることを特徴とする高分子材料の劣化診断方法。
4. 請求項１又は２に記載の高分子材料の劣化診断方法において、
   前記高分子材料に照射する電波は複数の周波数とし、その複数の周波数の電波照射からそれぞれ得られる前記複素誘電率の少なくとも実数部の値を総合的に勘案して前記劣化診断が行われることを特徴とする高分子材料の劣化診断方法。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の高分子材料の劣化診断方法において、
   前記複素誘電率の少なくとも実数部と劣化進捗度との相関から、前記高分子材料の劣化進捗度の診断が行われることを特徴とする高分子材料の劣化診断方法。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の高分子材料の劣化診断方法において、
   前記診断対象の高分子材料のある周囲温度から前記複素誘電率の少なくとも実数部の値の温度補正を行って前記劣化診断が行われることを特徴とする高分子材料の劣化診断方法。
7. 電気設備に用いられる高分子材料の劣化診断を行うその劣化診断装置であって、
   診断対象の前記高分子材料に対して１〜５０［ＧＨｚ］内の任意の周波数の電波を照射し、照射した電波に基づく前記高分子材料からの出射波から複素誘電率を測定する測定装置と、
   前記測定装置にて得たその複素誘電率の少なくとも実数部の値に基づいて前記高分子材料の劣化診断を行う診断装置と
   を備えたことを特徴とする高分子材料の劣化診断装置。