JP2017015624A - 絶縁劣化測定方法及び絶縁劣化測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の固定子コイルの絶縁劣化状態をより正確に測定することが可能な絶縁劣化測定方法を提供する。【解決手段】絶縁劣化測定方法は、電動機２の固定子コイル３に印加される交流電圧を第１チャネル電圧ＣＨ１として測定するとともに、固定子コイル３で部分放電が発生した際に、固定子コイル３と並列接続された容量素子１２に流れ込む放電電流Ｉｄで誘起される電圧を第２チャネル電圧ＣＨ２として測定する電圧測定ステップと、第１チャネル電圧ＣＨ１及び第２チャネル電圧ＣＨ２の何れか一方をＸ軸とし、他方をＹ軸とするＸＹ座標で描かれる平行四辺形の面積を測定する面積測定ステップとを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁劣化測定方法及び絶縁劣化測定装置に関し、特に、電動機の固定子コイルの絶縁劣化状態を測定する絶縁劣化測定方法及び絶縁劣化測定装置に関する。

電動機の寿命は、固定子コイルの絶縁劣化に依存する。この固定子コイルの絶縁劣化によるトラブルは、軸受や端子部などによるトラブルとは異なり電動機一式の取り換えとなる場合が多い。特に、プラントなどの設備の回転機の駆動源に用いられる高出力の電動機においては、特注品が多く、その製造に半年以上も掛かるものもあり、寿命経過後の発注では設備の稼働に大きく影響する。したがって、電動機の寿命を把握する上で固定子コイルの絶縁劣化状態を測定することは重要である。

固定子コイルの絶縁劣化状態は、絶縁体中の空隙（ボイド）に起因する部分放電の放電電荷量を測定することによって測定することができる。特許文献１には、被検モータの各相関に対して電圧を印加し、その際に層間に生じる部分放電の放電電荷量を基に絶縁良否を検査する技術が開示されている。しかしながら、特許文献１の技術は、部分放電の放電電荷量を測定するパラメータとして絶縁体中の空隙の大きさしかみておらず、固定子の絶縁劣化状態を正確に測定することが困難である。

特開２００５−２５７５４９号公報

本発明の目的は、電動機の固定子コイルの絶縁劣化状態をより正確に測定することが可能な技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る絶縁劣化測定方法は、電動機の固定子コイルに印加された交流電圧を第１チャネル電圧として測定するとともに、固定子コイルで部分放電が発生した際に、固定子コイルと並列接続された容量素子に流れ込む放電電流で誘起される電圧を第２チャネル電圧として測定する電圧測定ステップと、第１チャネル電圧及び第２チャネル電圧の何れか一方をＸ軸とし、他方をＹ軸とするＸＹ座標で描かれる平行四辺形の面積を測定する面積測定ステップとを備えている。

また、本発明の一態様に係る絶縁劣化測定装置は、電動機の固定子コイルに印加された交流電圧を第１チャネル電圧として測定するとともに、固定子コイルで部分放電が発生した際に、固定子コイルと並列接続された容量素子に流れ込む放電電流で誘起される電圧を第２チャネル電圧として測定する電圧測定機能と、第１チャネル電圧及び第２チャネル電圧の何れか一方をＸ軸とし、他方をＹ軸とするＸＹ座標で描かれる平行四辺形の面積を求めて固定子コイルの絶縁劣化状態を測定する絶縁劣化測定機能とを有する処理部を備えている。

本発明の一態様によれば、電動機の固定子コイルの絶縁劣化状態をより正確に測定することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る絶縁劣化測定方法を実施する絶縁劣化測定装置を電動機の固定子コイルに並列接続した状態を示す回路図である。 固定子コイルの絶縁体に空隙が生じた場合の等価回路図である。 本発明の一実施形態に係る絶縁劣化測定方法を示すフローチャートである。 電動機に印加される交流電圧（第１チャネル電圧）の正弦波形を示す波形図である。 絶縁劣化測定装置によるＸＹ座標で描かれるグラフを示す図（（ａ）は固定子コイルで部分放電の発生が無い場合の図，（ｂ）は固定子コイルで部分放電が発生した場合の図，（ｃ）は（ｂ）よりも固定子コイルの劣化が進行した場合の図）である。 ＸＹ座標で描かれる平行四辺形の面積を時系列で測定した結果を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る絶縁劣化測定方法及び絶縁劣化測定装置を詳細に説明する。なお、発明の実施形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
本発明の一実施形態に係る絶縁劣化測定方法を説明する前に、この絶縁劣化測定方法を実施する絶縁劣化測定装置ついて説明する。

図１に示すように、電動機２は、例えば数千Ｗクラスの高出力三相交流電動機である。電動機２は、電源１からＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各々に対応して設けられた３つの電源経路４Ｕ，４Ｖ，４Ｗを通して固定子コイル３に交流電圧が印加される。絶縁劣化測定装置１０は、例えば３つの電源経路４Ｕ，４Ｖ，４Ｗのうちの１つの電源経路４Ｗに接続されている。電源１は、電動機２の駆動用電力である。電動機２は、主に回転子と、この回転子の周りに配置された固定子コイル３とを有している。

絶縁劣化測定装置１０は、第１及び第２測定端子１０ａ，１０ｂと、測定回路１１と、処理部１６とを備えている。測定回路１１は、図１に示す構成に限定されるものではないが、例えば容量素子１２と抵抗素子１３との直列回路で構成されている。容量素子１２の一方の電極は第２測定端子１０ｂに接続され、容量素子１２の他方の電極は抵抗素子１３の一端側に接続されている。抵抗素子１３の他端側は基準電位としての例えばグランド電位に接続されている。第２測定端子１０ｂは、電源経路４Ｗに接続されている。すなわち、容量素子１２は固定子コイル３と並列に接続されている。

処理部１６は、容量素子１２と抵抗素子１３との間の接続ノード部１４と接続されている。接続ノード部１４には、固定子コイル３で部分放電が発生した際に、固定子コイル３から電源経路４Ｗ及び第２測定端子１０ｂを通して容量素子１２に流れ込む放電電流Ｉｄにより電圧が誘起される。また、処理部１６は、第１測定端子１０ａに接続されている。第１測定端子１０ａは、第２測定端子１０ｂよりも電源１側で電源経路４Ｗに接続されている。この一実施形態では、第１測定端子１０ａは、ＥＶＴやＧＰＴなどの計器用変圧器１７を介して電源経路４Ｗと接続されている。すなわち、第１測定端子１０ａには、電源１から電動機２の固定子コイル３に印加される交流電圧が計器用変圧器１７を介して印加される。

処理部１６は、電動機２の固定子コイル３に印加された交流電圧を第１チャネル電圧ＣＨ１として測定するとともに、固定子コイル３で部分放電が発生した際に、固定子コイル３と並列接続された容量素子１２に流れ込む放電電流Ｉｄで誘起される電圧を第２チャネル電圧ＣＨ２として測定する電圧測定機能を有している。また、処理部１６は、第１チャネル電圧ＣＨ１をＸ軸とし、第２チャネル電圧ＣＨ２をＹ軸とするＸＹ座標で描かれる平行四辺形の面積を測定する面積測定機能を有している。また、処理部１６は、測定した平行四辺形の面積値データを、表示装置、印刷装置などの出力装置１８に出力するようになっている。

ここで、部分放電について説明する。電動機２の寿命は固定子コイル３の絶縁劣化に依存する。固定子コイル３は、コイルを例えば樹脂からなる絶縁体で覆った構造になっている。固定子コイル３の絶縁体が劣化すると、絶縁体中に空隙（ボイド）が生じる。この状態を一般的な等価回路にすると、図２のように表される。空隙と絶縁体とでは誘電率が異なるため、絶縁体に交流電圧を印加すると、この空隙による電位差により部分放電が生じる。空隙は、部分放電の発生回数に伴って大きくなる。空隙が大きくなると、部分放電による放電電荷量も大きくなる。したがって、固定子コイル３の絶縁体中の空隙に起因する部分放電の放電電荷量を測定することにより、固定子コイル３の劣化状態を測定することができる。

次に、一実施形態に係る絶縁劣化測定方法について、図１に示した回路構成図を適宜参照しながら図３に示すフローチャートを用いて説明する。
まず、図１に示すように、電源１と電動機２の固定子コイル３とを接続する３つの電源経路４Ｕ，４Ｖ，４Ｗのうちの１つの電源経路４Ｗに絶縁劣化測定装置１０を並列に接続する。絶縁劣化測定装置１０は、電源経路４Ｕ又は４Ｖに接続してもよい。

次に、図３の電圧測定ステップＳＴ１において、絶縁劣化測定装置１０は、電動機２の固定子コイル３に印加された交流電圧を第１チャネル電圧ＣＨ１として測定するとともに、固定子コイル３で部分放電が発生した際に、固定子コイル３と並列接続された容量素子１２に流れ込む放電電流Ｉｄで誘起される電圧を第２チャネル電圧ＣＨ２として測定する。
次に、図３の面積測定ステップＳＴ２において、絶縁劣化測定装置１０は、第１チャネル電圧ＣＨ１をＸ軸とし、第２チャネル電圧ＣＨ２をＹ軸とするＸＹ座標で描かれる平行四辺形の面積を測定する。

ここで、絶縁劣化測定装置１０によりＸＹ座標で描かれるグラフについて説明する。図４は、電動機２の固定子コイル３に印加される交流電圧（第１チャネル電圧ＣＨ１）の正弦波形を示す波形図である。図５は、絶縁劣化測定装置１０によるＸＹ座標で描かれるグラフを示す図（（ａ）は固定子コイルで部分放電の発生が無い場合の図，（ｂ）は固定子コイルで部分放電が発生した場合の図，（ｃ）は（ｂ）よりも固定子コイルの劣化が進行した場合の図）である。図５の（ａ），（ｂ），（ｃ）の各々のグラフは、図４に示す正弦波形の１周期分に相当する。

図５（ａ），（ｂ），（ｃ）において、点Ａ１，点Ａ２，点Ａ３の各々の位置は、図３の正弦波形の点Ａ（０度）の位置に対応している。また、点Ｂ１，点Ｂ２，点Ｂ３の各々の位置は、図３の正弦波形の点Ｂ（９０度）の位置に対応している。また、点Ｃ１，点Ｃ２，点Ｃ３の各々の位置は、図３の正弦波形の点Ｃ（１８０度）の位置に対応している。また、点Ｄ１，点Ｄ２，点Ｄ３の各々の位置は、図３の正弦波形の点Ｄ（２７０度）の位置に対応している。また、図５（ｂ），（ｃ）において、ＰＤＩＶ（Partial Discharge Inception Voltage）は、放電開始電圧である。

図５（ａ）において、固定子コイル３で部分放電の発生が無い場合は、容量素子１２に流れ込む放電電流Ｉｄで誘起される第２チャネル電圧ＣＨ２も発生しないため、ＸＹ座標で描かれるグラフは直線になる。
図５（ｂ）において、固定子コイル３で部分放電が発生した場合は、容量素子１２に流れ込む放電電流Ｉｄで誘起される第２チャネル電圧ＣＨ２が発生するとともに放電開始電圧ＰＤＩＶも発生するため、ＸＹ座標で描かれるグラフは平行四辺形になる。平行四辺形は、点ＡＢ２、点Ｂ２、点ＣＤ２及び点Ｄ２の各々を頂点とする。点Ａ２は点ＡＢ２と点Ｄ２とを結ぶ直線上に位置し、点Ｃ２は点Ｂ２と点ＣＤ２とを結ぶ直線上に位置する。

図５（ｃ）において、図５（ｂ）よりも固定子コイル３の劣化が進行した場合は、容量素子１２に流れ込む放電電流Ｉｄで誘起される第２チャネル電圧ＣＨ２が高くなるとともに、放電開始電圧ＰＤＩＶも高くなるため、ＸＹ座標で描かれる平行四辺形の面積が大きくなる。平行四辺形は、点ＡＢ３、点Ｂ３、点ＣＤ３及び点Ｄ３の各々を頂点とする。点Ａ３は点ＡＢ３と点Ｄ３とを結ぶ直線上に位置し、点Ｃ３は点Ｂ３と点ＣＤ３とを結ぶ直線上に位置する。

図５（ｂ），（ｃ）において、平行四辺形の面積は、Ｘ軸方向において互いに対向する２つ辺の間の距離Ｘ１と、Ｙ軸方向において互いに対向する２つの辺の間の距離Ｙ１とを積算することで求めることができる。
距離Ｘ１は、放電開始電圧ＰＤＩＶが大きくなると長くなる。そして、放電開始電圧ＰＤＩＶは固定子コイル３の絶縁体内に生じた空隙の大きさに比例する。すなわち、距離Ｘ１は、空隙の大きさに比例して大きくなる放電開始電圧ＰＤＩＶをパラメータとして含む。

一方、距離Ｙ１は、容量素子１２に流れ込む放電電流Ｉｄで誘起される第２チャネル電圧が高くなると長くなる。そして、第２チャネル電圧ＣＨ２は、固定子コイル３の絶縁体の空隙に起因して生じる部分放電が大きくなると高くなる。また、第２チャネル電圧ＣＨ２は、固定子コイル３に印加される交流電圧の１周期内で生じた部分放電の頻度が多くなると高くなる。すなわち、距離Ｙ１は、部分放電の大きさ及び頻度をパラメータとして含む。

したがって、距離Ｘ１と距離Ｙ１とを積算して平行四辺形の面積を測定することにより、測定した平行四辺形の面積値は、空隙の大きさに比例して大きくなる放電開始電圧ＰＤＩＶや、部分放電の大きさ及び頻度をパラメータとして含むので、特許文献１に記載の従来の技術のように、部分放電の放電電荷量を測定するパラメータとして絶縁体中の空隙の大きさしか見ていない場合と比較して、固定子コイル３の絶縁劣化状態をより正確に測定することができる。

また、絶縁劣化測定装置１０は、電圧測定機能及び面積測定機能を有する処理部１６を備えているので、本発明の一実施形態に係る絶縁劣化測定方法を実施することができる。
また、一実施形態に係る絶縁劣化測定方法は、電動機２を駆動する交流電圧を測定するので、電動機２の運転中に実施することができる。

また、一実施形態に係る絶縁劣化測定方法は、電圧測定ステップＳＴ１及び面積測定ステップＳＴ２を時系列で繰り返し実施することで、電動機２の寿命を監視することができる。図６は、ＸＹ座標で描かれる平行四辺形の面積を時系列で測定した結果を示す模式図である。図６から分かるように、電動機２の固定子コイル３の絶縁劣化は、時間の経過に対して比例して進行するのではなく、劣化の進行が遅くなる時期や、急に劣化が進行する時期がある。したがって、電動機２の寿命を監視する上でも本発明の一実施形態に係る絶縁劣化測定方法は有用である。

なお、上述の実施形態では、測定回路１１及び処理部１６を備えた絶縁劣化測定装置１０で絶縁劣化測定方法を実施した場合について説明した。しかしながら、本発明の絶縁劣化測定方法は、測定回路１１及びオシロスコープで実施することができる。オシロスコープは、第１チャネル電圧ＣＨ１をＸ軸とし、第２チャネル電圧ＣＨ２をＹ軸とするＸＹ座標で描かれるグラフを表示画面に映し出すことができる。したがって、この場合は、オシロスコープの表示画面に映し出された平行四辺形の面積を測定者が測定してもよい。

また、絶縁劣化測定装置１０は、電動機２の使用初期から電動機２の固定子コイル３に接続して置いてもよく、また、固定子コイル３の絶縁劣化状態を測定する際に固定子コイル３に接続するようにしてもよい。
また、一実施形態に係る絶縁劣化測定方法において、面積測定ステップＳＴ２で測定した平行四辺形の面積値と予め定めた閾値とを比較して絶縁劣化状態を判定する判定ステップを更に備えるようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、面積測定ステップＳＴ２において、第１チャネル電圧ＣＨ１をＸ軸とし、第２チャネル電圧ＣＨ２をＹ軸とするＸＹ座標で描かれる平行四辺形の面積を測定する場合について説明した。しかしながら、本発明の絶縁劣化測定方法は、これに限定されるものではなく、第１チャネル電圧ＣＨ１をＹ軸とし、第２チャネル電圧ＣＨ２をＸ軸とするＸＹ座標で描かれる平行四辺形の面積を測定するようにしてもよい。この場合、上述の実施形態で説明した平行四辺形と同様の面積値が得られる。すなわち、面積測定ステップＳＴ２では、第１チャネル電圧ＣＨ１及び第２チャネル電圧ＣＨ２の何れか一方をＸ軸とし、他方をＹ軸とするＸＹ座標で描かれる平行四辺形の面積を測定する。換言すれば、面積測定ステップＳＴ２では、第１チャネル電圧ＣＨ１と第２チャネル電圧ＣＨ２とを両軸とするＸＹ座標で描かれる平行四辺形の面積を測定する。

また、前述の実施形態では、３つの電源経路４Ｕ，４Ｖ，４Ｗのうちの１つの電源経路４Ｗに絶縁劣化測定装置１０を並列に接続した場合について説明したが、３つの電源経路４Ｕ，４Ｖ，１Ｗのうちの何れか２つの電源経路にそれぞれ個別に絶縁劣化測定装置１０を並列接続して固定子コイル３の絶縁劣化状態を測定するようにしてもよく、また、３つの電源経路４Ｕ，４Ｖ，１Ｗにそれぞれ個別に絶縁劣化測定装置１０を並列接続して固定子コイル３の絶縁劣化状態を測定するようにしてもよい。
以上、本発明を上記一実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記一実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。

１…電源
２…電動機
３…固定子コイル
４Ｕ，４Ｖ，４Ｗ…電源経路
１０…絶縁劣化測定装置
１０ａ…第１測定端子
１０ｂ…第２測定端子
１１…測定回路
１２…容量素子
１３…抵抗素子
１４…接続ノード部
１６…処理部
１８…出力装置
ＣＨ１…第１チャネル電圧
ＣＨ２…第２チャネル電圧
Ｉｄ…放電電流

Claims (4)

1. 電動機の固定子コイルに印加される交流電圧を第１チャネル電圧として測定するとともに、前記固定子コイルで部分放電が発生した際に、前記固定子コイルと並列接続された容量素子に流れ込む放電電流で誘起される電圧を第２チャネル電圧として測定する電圧測定ステップと、
   前記第１チャネル電圧及び前記第２チャネル電圧の何れか一方をＸ軸とし、他方をＹ軸とするＸＹ座標で描かれる平行四辺形の面積を測定する面積測定ステップと、
   を備えていることを特徴とする絶縁劣化測定方法。
2. 前記平行四辺形は、前記第１チャネル電圧の１周期分であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁劣化測定方法。
3. 前記電圧測定ステップ及び前記面積測定ステップを時系列で実施することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の絶縁劣化測定方法。
4. 電動機の固定子コイルに印加される交流電圧を第１チャネル電圧として測定するとともに、前記固定子コイルで部分放電が発生した際に、前記固定子コイルと並列接続された容量素子に流れ込む放電電流で誘起される電圧を第２チャネル電圧として測定する電圧測定機能と、前記第１チャネル電圧及び前記第２チャネル電圧の何れか一方をＸ軸とし、他方をＹ軸とするＸＹ座標で描かれる平行四辺形の面積を測定する面積測定機能とを有する処理部を備えていることを特徴とする絶縁劣化測定装置。

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