JP2019075396A

JP2019075396A - 静止誘導電器システム

Info

Publication number: JP2019075396A
Application number: JP2017198149A
Authority: JP
Inventors: 直哉宮本; Naoya Miyamoto; 市村　智; Satoshi Ichimura; 智市村; 河村　憲一; Kenichi Kawamura; 憲一河村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2019-05-16

Abstract

【課題】絶縁信頼性が高くかつ経済性を考慮した静止誘導電器システムを提供することを目的とする。【解決手段】絶縁物で被覆された巻線１１を有する静止誘導電器と、静止誘導電器を備えるタンク１０と、タンク１０内に充填され静止誘導電器を冷却する絶縁冷媒５と、タンク１０の外部に備えられ絶縁冷媒５を冷却する冷却器１２と、冷却器１２とタンク１０とを接続する配管１３と、を有し、配管１３は直線部１４を有し、直線部１４内部の絶縁冷媒５の流路は巻線１１と同じ絶縁物で被覆された電極から成る被覆電極流路１０１と、金属から成る金属電極流路２０１とから構成され、金属電極流路１０１は被覆電極流路２０１よりも下流側に位置する静止誘導電器システム。【選択図】図２

Description

本発明は静止誘導電器に関するものであり、特に帯電特性変動を高感度に検出可能な静止誘導電器システムに関する。

変圧器やリアクトル等の静止誘導電器において、損失密度が高い機器はポンプで絶縁冷媒を電器本体内に送って電器本体を冷却する場合が多い。例えば比較的大容量の送電系統向け変圧器では、変圧器本体と冷却器間に絶縁油をポンプで循環させ、電器を冷却している。絶縁油が流動すると変圧器内絶縁物との間で帯電が生じ、帯電が進行すると放電に至る、絶縁信頼性上のリスクとなることが知られている。この帯電は流動帯電と呼ばれ、変圧器における流動帯電の帯電量、帯電電荷極性といった特性は絶縁油、絶縁紙やプレスボードの経年変化や微量の添加物、混入物で変化し予測が難しいため、実器の絶縁油の諸特性を直接測定することで流動帯電のリスクを診断している。具体的には（イ）実器から絶縁油を採取して帯電特性を測定する、（ロ）実器の変圧器本体を通過した絶縁油が帯電していることから、変圧器本体通過後の絶縁油の帯電電位を測定する装置を設けて変圧器の個体としての帯電特性変化を測定する、（ハ）実器の絶縁油流路中に絶縁物で被覆された電極を配置し、被覆電極の電位や漏れ電流から被覆電極表面に蓄積される電荷量を評価する、（ニ）（ハ）において被覆電極を通過した絶縁油は、被覆電極の帯電極性とは逆極性に帯電していることから、絶縁油からの接地電流を測定する装置を設けて帯電量を評価する、といった方法が取られている。（イ）は変圧器停止を伴う定期的な診断となり、（ロ）（ハ）（ニ）は運転状態での常時監視が可能である。

近年では、（ロ）（ハ）（ニ）といった手法を基にオンライン監視し、監視作業を省力化し、かつ経済的な機器更新計画の指針の一つとすることが求められている。いずれも監視のために測定する信号のSN比が小さいという課題がある。また（ロ）（ハ）に関しては、以下のような課題がある。

（ロ）においては、変圧器本体通過後の絶縁油の帯電電位は絶縁油の特性の他、変圧器流路の構成と流路各部での絶縁油流速分布、変圧器や絶縁油の温度分布といった設計事項に依存するため、その変圧器個体として帯電特性が正常か否かを判断するには有用である。一方、絶縁油そのものの特性を得るには多くの仮定を基に推定する必要があり、変圧器流路上の絶縁物の帯電分布を定量的に予測し、放電に至るリスクを詳細に評価するのは困難である。

（ハ）においては、変圧器流路において帯電し易いと予想されている流路構造を模した参照用の被覆電極流路を設け、直接当該流路構造での帯電状態を予測する方法があるが、当該流路構造を変圧器の原寸大で模すと被覆電極流路が大きくなる課題があり、流れの相似則を基に被覆電極流路を縮小した場合は相似則に従わない帯電特性があるため（ロ）同様定量評価が困難になる課題があり、予想していない流路内で帯電が進行する場合のリスク評価が難しい課題がある。

そこで、例えば特許文献１では、（ハ）（ニ）の手法を取りつつ、直線状の被覆電極流路中に絶縁油を流すことで、被覆電極流路内の流れが容易に予測できて被覆電極と絶縁油間の帯電特性と流れの相関を取ることができ、従って変圧器本体内部での流れの分布から帯電状態を予測するための絶縁油の基本特性を常時評価することが可能で、定量的に絶縁リスクを評価するための帯電特性を監視できる。しかし（ニ）の手法において、一般に被覆電極を通過した絶縁油の帯電状態の測定では、絶縁油の帯電電荷を接地電流として十分な大きさの信号を得るため、被覆電極を通過した絶縁油を接地電位にある容器（緩和タンクと呼ぶ）内に流入させ、絶縁油の電気的な時定数と同程度以上に長い時間緩和タンクに絶縁油がとどまるよう、具体的には緩和タンク容積を絶縁油流量で割った平均的な緩和タンク滞在時間が絶縁油の時定数と同程度以上に長くなるよう、大きな緩和タンクが必要となる課題がある。緩和タンクは絶縁油を電気的に中性にして（緩和と呼ぶ）変圧器流路に返す役割を持つ場合があり、特許文献１では被覆電極流入前の絶縁油を電気的に中性にする目的で緩和タンクを設けている。

特開平７−１６１５３４号公報

静止誘導電器は、経済的な機器運用のため、絶縁信頼上のリスクを最小限の構成で常時定量的に監視できることが望ましい。

特許文献１に記載された発明は、静止誘導電器の絶縁信頼性上のリスクのひとつである流動帯電を定量的に評価するもので、静止誘導電器の配管系の一部に絶縁物で被覆された電極で構成される直線上の被覆電極流路を設け、被覆電極流路の下流に絶縁冷媒中電荷測定用の緩和タンクを設け、被覆電極流路内に静止誘導電器内を循環して電器本体を冷却する絶縁冷媒を流し、絶縁冷媒中の電荷が絶縁物の被覆に吸着されることで絶縁冷媒と絶縁物に逆極性の帯電が生じ、被覆電極流路内で帯電した絶縁冷媒の電荷量を、絶縁冷媒中電荷測定用の緩和タンクの接地電流として評価することで、絶縁冷媒と絶縁物の間の帯電量を流れとの相関のある値として定量的に評価することができる。しかし、緩和タンクに流入した絶縁冷媒の電荷を接地電流として十分に観測するためには、絶縁冷媒が緩和タンク内にとどまる時間（滞留時間）が絶縁冷媒の時定数（10³〜10⁵秒オーダ）と同等以上に大きい必要があり、滞留時間は緩和タンク容積を絶縁冷媒の流量で割ったもので見積もられるため、大きな緩和タンクが必要となる。

そこで、本発明では絶縁信頼性が高くかつ経済性を考慮した静止誘導電器システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る静止誘導電器システムは、絶縁物で被覆された巻線を有する静止誘導電器と、前記静止誘導電器を備えるタンクと、前記タンク内に充填され前記静止誘導電器を冷却する絶縁冷媒と、前記タンクの外部に備えられ前記絶縁冷媒を冷却する冷却器と、前記冷却器と前記タンクとを接続する配管と、を有し、前記配管は直線部を有し、前記直線部内部の前記絶縁冷媒の流路は前記巻線と同じ絶縁物で被覆された電極から成る被覆電極流路と、金属から成る金属電極流路とから構成され、前記金属電極流路は前記被覆電極流路よりも下流側に位置する。

本発明によれば、本発明では絶縁信頼性が高くかつ経済性を考慮した静止誘導電器システムを提供することが可能になる。

本発明を適用する静止誘導電器の一般的な構成例を示したものである。本発明を適用した実施例１における流動帯電の帯電特性検出部と設置箇所の構成を示したものである。本発明を適用した実施例１の流動帯電の帯電特性検出部の構成における、絶縁冷媒中の電荷移動経路を示したものである。従来の静止誘導電器における流動帯電の帯電特性検出設備の構成例と絶縁冷媒中の電荷移動経路を示したものである。実施例１での帯電特性検出部において流路位置口に整流格子を設けた例を示したものである。実施例１での帯電特性検出部において測定値として被覆電極の接地電流と金属電極の接地電流を得る構成を示したものである。本発明の静止誘導電器の適用部位について、図１と別の形態例を示したものである。本発明を適用した実施例１における流動帯電の帯電特性検出部と設置箇所の構成を示したものである。実施例２での帯電特性検出部において流路位置口に整流格子を設けた例を示したものである。実施例２での帯電特性検出部において測定値として被覆電極の接地電流と金属電極の接地電流を得る構成を示したものである。

以下、本発明を実施する上で好適な実施例について図面を用いて説明する。下記はあくまでも実施の例に過ぎず、発明の実施態様を限定する趣旨ではない。

図１に静止誘導電器の全体的な構造を示す。静止誘導電器は、本体タンク１０内に絶縁紙などの絶縁物で被覆された導体を巻き回してなる巻線１１を備えた静止誘導電器本体が収納される。本体タンク１０内に絶縁冷媒５が封入され静止誘導電器本体が絶縁冷媒５によって浸される。巻線１１は絶縁冷媒５が流れる巻線冷却流路を備え、巻線冷却流路は前記本体タンクの外部に設けられた冷却器１２に配管１３で接続され、絶縁冷媒５は配管１３上に設けられたポンプ６により、静止誘導電器本体と冷却器１２を循環している。配管１３上のいずれかに直線部１４を設けている。

図１の静止誘導電器本体の構成は、本体タンク１０内に静止誘導電器本体として巻線１１ひとつを備えた構成を示しているが、静止誘導電器本体は巻線１１が複数個ある構成、鉄心を備えてひとつ乃至複数の巻線１１が鉄心の周りに巻き回される構成を取り得る。

第一の実施例を図２から図５を用いて説明する。まず静止誘導電器における従来の流動帯電測定機構例について、図４に管軸方向の断面を概念図として示す。図４に示すように、配管１３上に巻線１１と同じ絶縁物１ｂで被覆された被覆電極１で流路を構成した被覆電極流路１０１を設け、被覆電極流路１０１の下流に金属製の緩和タンク１６を接続している。被覆電極流路１０１と緩和タンク１６は、それぞれプレスボードや樹脂などの絶縁物で構成される絶縁物流路７によって、配管１３に固定され、また配管１３と被覆電極流路１０１と緩和タンク１６とが絶縁物流路７により電気的に絶縁されている。被覆電極１と接地間に電位差検出器３を設け、緩和タンク１６と接地間に電流検出器８を設けている。これらの従来の構成に寄れば、例えば絶縁物１ｂが絶縁紙、絶縁冷媒５が変圧器油の場合、被覆電極流路１０１において絶縁冷媒５中の負電荷１８が絶縁物１ｂ上に吸着されて被覆電極１が負に帯電し、絶縁冷媒５中には正電荷１７が残って絶縁冷媒５が正に帯電し、絶縁冷媒５中の正電荷１７は被覆電極流路１０１が直管で絶縁冷媒の流れ４が発達した層流である場合または発達した乱流で層流境界層内に正電荷１７が分布する場合、被覆電極１近傍の遅い流れに乗って正電荷移動経路１５のように移動して、それ以外の場合は絶縁冷媒の流れ４の分布に従って（多くはみだれにより撹拌されて平均的な流速に乗って）移動して、緩和タンク１６内に流入し、正電荷１７は緩和タンク１６内で拡散されて絶縁冷媒５の電気的時定数に従って緩和タンク１６を介し接地電流として接地電位へ移動する。従って被覆電極１の電位および緩和タンク１６からの接地電流を流動帯電の特性量として静止誘導電器の運転中に測定・監視可能である。しかし、絶縁冷媒５の電気的時定数が一般に大きく（10³〜10⁵秒オーダ）、緩和タンク１６で正電荷１７を接地電流として十分に測定するためには、緩和タンク１６中に正電荷１７がとどまる時間が絶縁冷媒５の電気的時定数と同程度以上である必要があり、緩和タンク１６中に正電荷１７がとどまる時間は緩和タンク１６の体積を絶縁冷媒５の平均流速で除したものであるから、緩和タンク１６を大きくする必要がある。また、一般に被覆電極１の電位および緩和タンク１６からの接地電流はSN比が小さく、シールドなど高度な技術が必要である。

第一の実施例は図１で示した配管１３上の直線部１４に適用される。図２は本実施例を適用した直線部１４の管軸方向の断面を示している。図２に示すように直線部１４に巻線１１と同じ絶縁物１ｂで被覆された被覆電極１で流路を構成した直菅状の被覆電極流路１０１を設け、被覆電極流路１０１の下流に被覆のない金属または金属酸化物の電極２で流路を構成した金属電極流路２０１を接続している。被覆電極流路１０１と金属電極流路２０１は、それぞれプレスボードや樹脂などの絶縁物で構成される絶縁物流路７によって、直線部１４内に支持され、また直線部１４と被覆電極流路１０１と金属電極流路２０１とが絶縁物流路７により電気的に絶縁されている。被覆電極流路１０１と金属電極流路２０１及び絶縁物流路７は流路断面形状を同じとしている。絶縁物流路７のうち被覆電極流路１０１の上流に位置する流路は、流路断面と絶縁冷媒５の平均流速から求められる助走距離以上に設計される。被覆電極１と金属電極２間には電位差を測定する電位差検出器３を設けている。

図３では本実施例の絶縁冷媒中の電荷移動経路を示したものである。被覆電極流路１０１において絶縁冷媒５中の負電荷１８が絶縁物１ｂ上に吸着されて被覆電極１が負に帯電し、絶縁冷媒５中には正電荷１７が残って絶縁冷媒５が正に帯電し、被覆電極流路１０１内の絶縁冷媒の流れ４が発達した流れになるため、正電荷１７は被覆電極１近傍の遅い流れに乗って正電荷移動経路１５のように移動して金属電極２表面近傍に到達し、金属電極流路２０１内でも電荷１７は被覆電極１近傍の遅い流れに乗って移動するため、従来の緩和タンク１６と比較し小さな金属電極２で十分吸着される。従って、本実施例の構成によれば、緩和タンク１６のような大きな構造を省くことができる。また被覆電極１と金属電極２の電位差を測定することで、片方の電極の対地電位を測定する場合より大きな信号を得てSN比を増加することができる。別の言い方をすれば、静止誘導電器の配管に設けられた被覆電極流路で絶縁冷媒と絶縁物の間で発生する流動帯電の帯電量を測定する静止誘導電器の監視設備において、被覆電極表面近傍に位置する帯電した絶縁冷媒は、被覆電極表面近傍の層流境界層の遅い流れにのって下流の金属電極表面に移動し、金属電極表面近傍でも同じ層流境界層の遅い流れにのって移動し、前記被覆電極表面近傍および金属電極表面近傍の層流境界層の流速は絶縁媒体の平均流速に対し非常に遅いことから、帯電した絶縁冷媒の帯電電荷が短い距離の金属電極表面で接地電流として回収可能であるため、緩和タンクのような大きな構造を省くことができる。また被覆電極と金属電極の電位差を測定することで、片方の電極の電位を測定する場合より大きな信号を得てSN比を増加することができる。

本実施例では、図５に示すように絶縁物流路７の流入口に整流格子９を設置して直線部１４より上流からの流れの影響を低減するようにしてもよい。また被覆電極１と金属電極２間の電位差を測定する代わりに、図６に示すように被覆電極１と金属電極２の対地電流をそれぞれ測定し、信号を足し合わせるなどそれぞれの測定値を元に帯電特性を評価してもよい。図４、図６はスイッチなどで測定回路を切り替えることで同時に構成してもよい。特に図示しないが、測定値を表示したり、測定値に閾値を用いて視覚、聴覚に警告を示す出力装置を設けたり、測定値を収集して解析する記憶装置および計算機を設けてもよい。また、説明の都合上、被覆電極流路１０１、金属電極流路２０１及び絶縁物流路７の流路断面は直線部１４に対し小さくなっているが、圧損を抑えるため断面積は大きい方が望ましい。

本実施例では図１で示した配管１３上の直線部１４に適用される例を示したが、図７のように配管１３のバイパス流路として構成したバイパス直線部１４ｂを設けて適用してもよい。

第二の実施例を適用した直線部１４の管軸方向の断面を図８に示す。第二の実施例も図１の直線部１４に適用され、第一の実施例に対し、被覆電極流路１０１、金属電極流路２０１、絶縁物流路７を直線部１４の管壁から離して構成し、被覆電極流路１０１、金属電極流路２０１は絶縁物流路７を介して支柱など（図示せず）で直線部１４に固定されており、第一の実施例の機能をそのままで、被覆電極流路１０１、金属電極流路２０１、絶縁物流路７の流路断面積によらず、直線部１４の流路断面積を確保しているため直線部１４の圧損を抑えることができる。

第二の実施例においても、図９に示すように絶縁物流路７の流入口に整流格子９を設置して直線部１４より上流からの流れの影響を低減するようにしてもよい。また被覆電極１と金属電極２間の電位差を測定する代わりに、図１０に示すように被覆電極１と金属電極２の対地電流をそれぞれ測定し、信号を足し合わせるなどそれぞれの測定値を元に帯電特性を評価してもよい。特に図示しないが、測定値を表示したり、測定値に閾値を用いて視覚、聴覚に警告を示す出力装置を設けたり、測定値を収集して解析する記憶装置および計算機を設けてもよい。図８、図１０はスイッチなどで測定回路を切り替えることで同時に構成してもよい。

１：被覆電極
１ｂ：絶縁物
２：金属電極
３：電位差検出器
４：絶縁冷媒の流れ
５：絶縁冷媒
６：ポンプ
７：絶縁物流路
８：電流検出器
９：整流格子
１０：本体タンク
１１：巻線
１２：冷却器
１３：配管
１４：直線部
１４ｂ：バイパス直線部
１５：正電荷移動経路
１６：緩和タンク
１７：正電荷
１８：負電荷
１０１：被覆電極流路
２０１：金属電極流路

Claims

絶縁物で被覆された巻線を有する静止誘導電器と、
前記静止誘導電器を備えるタンクと、
前記タンク内に充填され前記静止誘導電器を冷却する絶縁冷媒と、
前記タンクの外部に備えられ前記絶縁冷媒を冷却する冷却器と、
前記冷却器と前記タンクとを接続する配管と、を有し、
前記配管は直線部を有し、
前記直線部内部の前記絶縁冷媒の流路は前記巻線と同じ絶縁物で被覆された電極から成る被覆電極流路と、金属性物質から成る金属電極流路とから構成され、前記金属電極流路は前記被覆電極流路よりも下流側に位置する静止誘導電器システム。
請求項１に記載の静止誘導電器システムであって、
前記被覆電極流路及び前記金属電極流路に電位差検出器が接続されている静止誘導電器システム。
請求項１または２に記載の静止誘導電器システムであって、
前記被覆電極流路及び前記金属電極流路に電流検出器が接続されている静止誘導電器システム。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の静止誘導電器システムであって、
前記直線部に絶縁物から成る絶縁物流路を有し、前記被覆電極流路、前記金属電極流路及び前記絶縁物流路の流路断面形状が同一である静止誘導電器システム。
請求項４に記載の静止誘導電器システムであって、
前記被覆電極流路よりも上流に位置する前記絶縁物流路の長さは、前記流路の流路断面と前記絶縁冷媒の平均流速から求められる助走距離以上である静止誘導電器システム。
請求項５に記載の静止誘導電器システムであって、
前記絶縁物流路上流近傍に整流格子を備える静止誘導電器システム。
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の静止誘導電器システムであって、
前記被覆電極流路、前記金属電極流路及び前記絶縁物流路が前記直線部の外壁から内方向へ離れて配置されている静止誘導電器システム。
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の静止誘導電器システムであって、
前記直線部に接続され並行するように配置されるバイパス直線部を備える静止誘導電器システム。