JP2021050922A

JP2021050922A - 絶縁劣化診断装置

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Publication number: JP2021050922A
Application number: JP2019172027A
Authority: JP
Inventors: 大石　和城; Kazushiro Oishi; 和城大石
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2021-04-01
Anticipated expiration: 2039-09-20
Also published as: JP7276039B2

Abstract

【課題】高圧回転機の部分放電による絶縁劣化とこれに伴う異常な事象もオンライン診断する。【解決手段】絶縁劣化診断装置１において、冷媒温度測定部１１は高圧回転機２の冷媒温度を検出する。回転機内環境測定部１２は、高圧回転機２の内部環境を検出する。部分放電測定部１３は高圧回転機２の部分放電を検出する。回転機内ガス濃度測定部１４は高圧回転機２内の腐食性ガス濃度を検出する。回転機内イオン濃度測定部１５は高圧回転機２内の結露により生じた水分の硝酸イオン濃度を検出する。診断部１６は、前記冷媒温度、前記内部環境、前記部分放電の発生パターン、前記腐食性ガス濃度、前記硝酸イオン濃度のいずれかに基づき前記高圧回転機内の絶縁劣化を診断する。【選択図】図１

Description

本発明は、高圧回転機の絶縁劣化を診断するための技術に関する。

近年、例えば高圧回転機の固定子コイルから発生する部分放電と、その部分放電に起因して発生するガスを検出し、固定子コイルの絶縁劣化の兆候を診断するための技術が提案されている（例えば、特許文献１〜３）。

特開２００２−２６７７１２号公報特開２０１２−００７９２４号公報特開２０１９−０３２１８４号公報

タービン用、水車用などの高圧回転機の絶縁劣化診断はオフライン（停止中）で行ってきたが、容易に停止できないインフラ設備のため、運転中でも回転機の異常を検知できる手段の実現が望まれている。

また、高圧回転機は部分放電を許容する絶縁システムのため、部分放電による直接的な地絡や短絡事故以外にも部分放電に起因して発生する腐食性ガスが原因となる回転機内構造物損傷に伴う事故も存在する。したがって、部分放電の発生状況がどのように推移しているかを診断する技術と、部分放電によって発生した腐食性ガスの発生状況がどのように推移していくかを診断する技術が同時に必要となる。

特許文献１〜３に例示される従来の診断技術は、オンラインでも部分放電に因る絶縁劣化の診断が行えるが、部分放電に伴う異常の事象の診断がなされてない。

本発明は、以上の事情を鑑み、高圧回転機の部分放電による絶縁劣化とこれに伴う異常な事象をオンライン診断できることを課題とする。

そこで、本発明の一態様は、高圧回転機の絶縁劣化診断装置であって、前記高圧回転機の冷媒温度を検出する冷媒温度測定部と、前記高圧回転機の内部環境を検出する回転機内環境測定部と、前記高圧回転機の部分放電を検出する部分放電測定部と、前記高圧回転機内の腐食性ガス濃度を検出する回転機内ガス濃度測定部と、前記高圧回転機内の結露により生じた水分の硝酸イオン濃度を検出するイオン濃度測定部と、前記冷媒温度、前記内部環境、前記部分放電の発生パターン、前記腐食性ガス濃度、前記硝酸イオン濃度のいずれかに基づき前記高圧回転機内の絶縁劣化を診断する診断部とを備える。

本発明の一態様は、前記絶縁劣化診断装置において、前記診断部は、前記内部環境に基づき補正した前記部分放電の発生パターンに基づき当該部分放電に伴う異常な事象の特徴量を抽出する。

本発明の一態様は、前記絶縁劣化診断装置において、前記診断部は、前記特徴量のパターン形状、位相、大きさに基づき異常放電の発生を判定する。

本発明の一態様は、前記絶縁劣化診断装置において、前記診断部は、前記冷媒温度と前記内部環境とに基づき前記高圧回転機内の結露リスクを判定する。

本発明の一態様は、前記絶縁劣化診断装置において、前記診断部は、前記結露リスクがあると判定された場合、腐食性ガスとして検出されたアンモニア及びオゾンの生成量と結露水への吸収速度から推定した硝酸生成量の経時的な増加量に基づき前記高圧回転機の腐食リスクを警告する。

本発明の一態様は、前記絶縁劣化診断装置において、前記診断部は、前記結露リスクがなしであり且つ前記高圧回転機が密閉型である場合、前記結露リスクがあると判定する。

本発明の一態様は、前記絶縁劣化診断装置において、前記診断部は、前記結露リスクがなしであり且つ前記高圧回転機が開放型である場合、前記腐食性ガス濃度として検出されたオゾンガス濃度が規定値以上であると当該オゾンガス濃度に関するリスクを警告する。

本発明の一態様は、前記絶縁劣化診断装置において、前記冷媒温度、前記内部環境、前記部分放電の発生パターン、前記腐食性ガス濃度、前記硝酸イオン濃度及び前記警告の履歴データを保存するデータ蓄積部を備える。

本発明の一態様は、高圧回転機の絶縁劣化診断方法であって、前記高圧回転機の冷媒温度、内部環境、部分放電の発生パターン、当該高圧回転機内の腐食性ガス濃度、当該高圧回転機内の硝酸イオン濃度のいずれかに基づき当該高圧回転機内の絶縁劣化を診断する。

以上の本発明によれば、高圧回転機の部分放電による絶縁劣化とこれに伴う異常な事象もオンライン診断できる。

本発明の一態様である絶縁劣化診断装置のブロック構成図。前記絶縁劣化診断装置により検出される部分放電の発生パターンの一例。部分放電パターンの作成過程の説明図。前記絶縁劣化診断装置による絶縁劣化診断の過程を説明したフローチャート。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１に例示された本発明の一態様としての絶縁劣化診断装置１は、高圧回転機２の絶縁劣化を診断する。絶縁劣化診断装置１は、冷媒温度測定部１１、回転機内環境測定部１２、部分放電測定部１３、回転機内ガス濃度測定部１４、回転機内イオン濃度測定部１５、診断部１６及びデータ蓄積部１７を備える。

冷媒温度測定部１１は、高圧回転機２の冷媒温度を検出する。

回転機内環境測定部１２は、高圧回転機２の内部環境（例えば、温度、湿度、気圧）を検出する。

部分放電測定部１３は、高圧回転機２の部分放電を検出する。

回転機内ガス濃度測定部１４は、高圧回転機２内の腐食性ガス（例えば、オゾン、アンモニア）の濃度を検出する。

回転機内イオン濃度測定部１５は、高圧回転機２内の結露により生じた水分（例えば、結露水）の硝酸イオン濃度を検出する。

診断部１６は、前記冷媒温度、前記内部環境、前記発生パターン、前記腐食性ガス濃度及び前記硝酸イオン濃度に基づき前記高圧回転機の絶縁劣化とこれに伴う異常な事象を診断し、これに基づく警告を行う。

データ蓄積部１７は、前記冷媒温度、前記内部環境、前記発生パターン、前記腐食性ガス濃度及び前記硝酸イオン濃度並びに前記診断の結果の履歴データを保存する。

以下に具体的な診断例について説明する。

１．高圧回転機２内の結露状況の監視
開放型／密閉型の違いによらず、高圧回転機２内では固定子及び回転子を冷却するために運転中は常に冷媒（水または空気）が高圧回転機２内に供給される。特に、夏場では空気中の水分が非常に多く、過剰に冷却することにより熱交換部位で結露する場合が多い。この現象は密閉型でも起こりえる（完全密閉ではないため呼吸作用により各部品の隙間から高湿度の空気が混入する）。

結露した水滴は空気の流れにのり高圧回転機２内を巡り、空気の流れがよどんだ部分や温度の低い部品表面に付着する。そして、水滴中に放電起因のガス（アンモニア、オゾン）が溶解し硝酸が発生することで結露した部位が腐食する。このことから高圧回転機２内で結露が生じているかどうかを判断することは非常に重要である。

絶縁劣化診断装置１は以下の過程により高圧回転機２内の結露状況を診断する。

Ｓ１０１：回転機内環境測定部１２は、高圧回転機２内の温度、湿度及び気圧の測定値に基づき露点温度を算出する。

Ｓ１０２：冷媒温度測定部１１は、高圧回転機２の冷媒温度を検出する。

Ｓ１０３：診断部１６は、前記冷媒温度が前記露点温度を下回る場合、高圧回転機２内で結露が生じていると判断し、その警告を発する。

２．高圧回転機２内の部分放電発生状況の監視
図２は高圧回転機２の固定子コイルの対地絶縁部位で生じる部分放電の発生パターンを示す。Ｕ，Ｖ，Ｗの３相のうち、Ｕ相の部分放電（ＰＤ）の発生パターンを示す。このパターンを得ることにより、以下の（１）〜（４）の絶縁状態を判断できる。

（１）主絶縁層内のボイド放電
通常、固定子コイルは電線の周囲に主絶縁層を設け、レジン含浸して形成される。レジン含浸時に極小のボイドが形成され、このボイド内で部分放電が発生する。通常、このボイドは非常に小さく（空間ギャップの目安：数μｍ〜数十μｍ）、放電量もわずかであることからすぐに絶縁破壊するまでには至らない。しかし、長期間放電が継続すると以下の「層間剥離」に進行する。

（２）層間剥離（電線側）
長期的なボイド放電や絶縁層の機械的/熱的な損傷により絶縁層内部で剥離が生じると、比較的大きな空間ギャップ（空間ギャップの目安：数十μｍ〜数百μｍ）が生じ、ボイド放電よりも大きな放電が発生する。

（３）スロット放電
絶縁層の外側にある電界緩和層（低抵抗層）の消失やレジンの枯れが進行するとスロット内に隙間が生じ、負極性（０〜１８０°）よりも正極性（１８０〜３６０°）のタイミングで非常に大きな放電が生じる。特に、１８０〜２４０°の範囲に急峻な放電パターンが得られることが多い。

（４）高抵抗層異常（コイルエンド、溝外直線部）
スロットから出たコイルは電界緩和のために、スロット出口からある一定距離まで高抵抗層を形成し、スロット出口付近での異常放電を低減する。この高抵抗層の形成方法が不十分な状況、特にスロット内の低抵抗層と高抵抗層が接触不良になるとこの放電が発生する。この放電は電線／スロットの電位と高抵抗層端部の電位に位相差が生じることによりボイド放電などとは逆極性の放電となる。

部分放電のパターンは、例えば図３に示された以下の過程により作成されて経時的にデータ蓄積部１７に保存される。

Ｓ２０１：１サイクル目、２サイクル目、・・・、Ｎサイクル目の電位変化と部分放電の測定値を得る。

Ｓ２０２：１秒ごとまたは任意の秒数毎にＳ２０１のデータを重ね合わせ、位相パターンと頻度のパターンを計算する。

Ｓ２０３：さらに、Ｎ秒又はＮ分毎に重ね合わせて代表的な位相パターンと頻度のパターンを作成し保存する。

Ｓ２０４：以上の操作を繰り返し、数年間の部分放電のパターンがデータ蓄積部１７に保存される。

Ｓ２０５：前記蓄積された部分放電のパターンから、図２に示される特徴量を抽出し、（２）〜（４）のいずれかに該当する異常放電を検出して警告を発する。

３．高圧回転機２内のガス発生状況の監視
固定子コイルの絶縁が健全である場合、コイル絶縁部（スロット内外）に部分放電が発生するとＮＯ_X及びアンモニアが発生する。前記絶縁部の劣化が進み、オゾンが発生しだすとオゾンによりＮＯ_X及びアンモニアが酸化されるが、湿度が高いとアンモニアの発生量が多くなり、常時アンモニアが残存する。表１はこの状態を経日的に示すもので、露点温度が１０℃を超えるとオゾンとアンモニアとが共存することとなる。同表に示された温度、湿度は加温しているコイル周辺の環境における測定値である。

また、オゾン、アンモニアは部分放電の電荷量として１万ｐＣ以上であれば常時観測される。オゾンは劣化初期の段階では主絶縁層の表面を覆っている電界緩和層（低抵抗層：スロット内、高抵抗層：スロット外の溝外直線部）が部分放電や熱劣化により剥離及び消失することにより発生し始める。そのオゾン発生量は電界緩和層の剥離面積（または剥離部分の縁部の長さ）に依存して多くなる。

さらに、劣化が進むと部分放電や熱劣化により主絶縁層の厚みが減少するので、より局所的に大きな部分放電が発生し始め、これに伴い、オゾンやアンモニアの発生量が増えていく。

したがって、高圧回転機２の絶縁劣化の状況を判断するためには高圧回転機２内のオゾンとアンモニアの発生量を把握すればよい。

４．高圧回転機２内の硝酸の発生状況の監視
高圧回転機２内の結露により結露水が発生し、さらに、オゾン及びアンモニアの発生が長期間継続すると、結露水にオゾン及びアンモニアが溶解し、亜硝酸イオンの生成を経て硝酸イオンが生成される。以下に硝酸が生成されるプロセスについて説明する。
（１）アンモニアの溶解
結露水の水滴付近に滞留するアンモニア（ＮＨ₃）のガスが水滴に溶けると、以下の反応により、当該水滴のアンモニウムイオン濃度が増加する。このとき前記水滴はアルカリ性（例えば、ｐＨ８．０）となる。

ＮＨ₃＋Ｈ₂Ｏ→ＮＨ₄ ⁺＋ＯＨ^-
（２）オゾンの溶解
オゾン（Ｏ₃）は、水滴表面付近に溶解しているアンモニアとの以下の反応により、亜硝酸イオン（ＮＯ₂ ^-）を生成させる。亜硝酸は弱酸性であるので、水滴は酸性（ｐＨ６．０〜６．５）となる。

ＮＨ₃＋Ｏ₃→ＮＯ₂ ^-＋Ｈ⁺＋Ｈ₂Ｏ
また、水滴表面においてアンモニア分子（ＮＨ₃）とアンモニウムイオン（ＮＨ₄ ⁺）とが一定比率で存在する場合、以下の平衡反応により、消費したアンモニアを補給するようにアンモニウムイオンからアンモニアに変化する。

ＮＨ₄ ⁺＋ＯＨ^-→ＮＨ₃＋Ｈ₂Ｏ
放電によりオゾン及びアンモニアが連続的に供給されると、上述のオゾン及びアンモニアの溶解が常に起こり、時間の経過と共にｐＨの変化（６〜８）や亜硝酸イオンの濃度が高くなっていく現象が生じる。
（３）オゾンの供給量が増加
オゾンの供給量が増加すると、アンモニウムイオンとの反応以外にも、亜硝酸イオンとの以下の反応が起こり、硝酸イオンが生成される。

ＮＨ₃＋Ｏ₃→ＮＯ₂ ^-＋Ｈ⁺＋Ｈ₂Ｏ
ＮＯ₂ ^-＋Ｏ₃→ＮＯ₃ ^-＋Ｏ₂
硝酸生成反応とは直接関係ないが、結露水の水質を変化させる以下の現象も生じる。
（４）二酸化炭素（ＣＯ₂）の溶解
二酸化炭素は水滴に溶けると当該水滴は弱酸性（ｐＨ６．５）となる。

５．絶縁劣化診断
高圧回転機２の運転が開始されると診断部１６は以下の絶縁劣化診断過程を実行する。

Ｓ１：部分放電測定部１３から部分放電の発生パターンを取得する。

Ｓ２：回転機内環境測定部１２から環境パラメータを取得する。前記環境パラメータとしては、例えば、高圧回転機２内温度、湿度、気圧、露点温度が取得される。

Ｓ３：前記取得された環境パラメータに基づき前記発生パターンの補正を行う。前記発生パターンは、図３の通りに行えば得られるが、部分放電の発生パターンは、環境パラメータ（温度、湿度、気圧）により変わるので、補正が必要となる。そして、この補正された部分放電の発生パターンに基づき例えば図２に示した４つの特徴量（（１）主絶縁層内のボイド放電、（２）層間剥離、（３）スロット放電、（４）高抵抗層異常）が抽出される。

Ｓ４：前記特徴量のパターン形状、位相、大きさを計算して異常放電の発生を判定する。

Ｓ５：前記異常放電の発生が判断されると、絶縁異常を警告する信号を出力する。例えば、前記形状及び位相のずれ、放電量の増加（例えば、推定放電電荷量１万ｐＣ以上）が生じると、異常放電と判定される。

Ｓ６：回転機内ガス濃度測定部１４からアンモニアガス及びオゾンガスの濃度の測定値を取得する。

Ｓ７：冷媒温度測定部１１から取得された冷媒温度から結露リスクを判定する。結露リスクは上述のＳ１０３により判定される。

Ｓ８：前記結露リスクがないと判定された場合、高圧回転機２の構造が開放型であれば、アンモニア及びオゾンは外部へ排気されるので、硝酸生成のリスクは非常に小さく、硝酸発生に関する項目を除外できる。一方、結露リスクなしであっても、前記構造が密閉型であれば、高圧回転機２内にアンモニアが充満し、結露が発生した瞬間に大量のアンモニアが結露水に吸収されて硝酸に変わるので、結露リスクありと判定する。

Ｓ９：前記結露リスクがあると判定された場合、結露水に溶け込むアンモニア量を推定するために、アンモニア生成量を積算する。

Ｓ１０：前記取得されたオゾン濃度の測定値が規定値以上（０．１ｐｐｍ）以上であれば高濃度の硝酸が生成されるリスクが非常に大きいと判断する。

Ｓ１１：回転機内イオン濃度測定部１５から高圧回転機２内の結露水の硝酸イオン濃度を取得して硝酸生成量を推定する。前記結露水は高圧回転機２内で結露しやすい個所に予め設置されたパイプや吸引手段から回転機内イオン濃度測定部１５に供される。尚、結露水を直接採取できない場合、下記のＳ１２と同様にアンモニア及びオゾンの発生量と結露水への吸収速度から硝酸生成量が推定される。

Ｓ１２：前記オゾン濃度の測定値が規定値未満である場合、アンモニア及びオゾンの発生量と結露水への吸収速度から硝酸生成量を推定する。

Ｓ１３：前記推定された硝酸生成量の時間的増大（増加量）に応じて腐食リスクの警告を出力する。

Ｓ１４：高圧回転機２が結露リスクなし及び開放型の構造であっても、オゾン濃度が管理基準を超えると人体的に大きな影響を与える。そこで、高圧回転機２内のオゾンガス濃度が回転機内ガス濃度測定部１４により監視される。

Ｓ１５：前記監視されたオゾン濃度の測定値が管理基準以上であると判定されると、オゾン濃度に関する警告を出力する。

Ｓ１６：前記監視されたオゾン濃度の測定値が管理基準未満であると判定されると、高圧回転機２は正常であるとみなされる。

Ｓ１７：以上のＳ１〜Ｓ１６により得られた結果及び警告の履歴はデータ蓄積部１７に保存される。その後、Ｓ１に戻る。尚、測定及び推定されたデータは長期間（数年〜数十年）保存され、過去データの比較用として適宜に利用される。

以上の絶縁劣化診断装置１によれば、高圧回転機２の部分放電の発生パターンにより固定子コイルの様々な絶縁劣化（例えば、図２で示す異常な部分放電に基づく劣化）を高圧回転機２が稼動中のオンラインで把握できる。さらには、部分放電に起因する高圧回転機２内におけるオゾン発生状況（電界緩和層の異常、主絶縁層の劣化）や硝酸生成による回転機の構成部材の腐食や脱落等へのリスク（結露状況やアンモニア発生量からの硝酸生成量）等のその他の異常な事象を推定できる。また、高圧回転機２の仕様（例えば、密閉型，開放型）に応じた異常な事象の診断も行える。

１…絶縁劣化診断装置、１１…冷媒温度測定部、１２…回転機内環境測定部、１３…部分放電測定部、１４…回転機内ガス濃度測定部、１５…回転機内イオン濃度測定部、１６…診断部、１７…データ蓄積部
２…高圧回転機

Claims

高圧回転機の絶縁劣化診断装置であって、
前記高圧回転機の冷媒温度を検出する冷媒温度測定部と、
前記高圧回転機の内部環境を検出する回転機内環境測定部と、
前記高圧回転機の部分放電を検出する部分放電測定部と、
前記高圧回転機内の腐食性ガス濃度を検出する回転機内ガス濃度測定部と、
前記高圧回転機内の結露により生じた水分の硝酸イオン濃度を検出するイオン濃度測定部と、
前記冷媒温度、前記内部環境、前記部分放電の発生パターン、前記腐食性ガス濃度、前記硝酸イオン濃度のいずれかに基づき前記高圧回転機内の絶縁劣化を診断する診断部と
を備えたことを特徴とする絶縁劣化診断装置。
前記診断部は、前記内部環境に基づき補正した前記部分放電の発生パターンに基づき当該部分放電に伴う異常な事象の特徴量を抽出することを特徴とする請求項１に記載の絶縁劣化診断装置。
前記診断部は、前記特徴量のパターン形状、位相、大きさに基づき異常放電の発生を判定することを特徴とする請求項２に記載の絶縁劣化診断装置。
前記診断部は、前記冷媒温度と前記内部環境とに基づき前記高圧回転機内の結露リスクを判定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の絶縁劣化診断装置。
前記診断部は、前記結露リスクがあると判定された場合、腐食性ガスとして検出されたアンモニア及びオゾンの生成量と結露水への吸収速度から推定した硝酸生成量の経時的な増加量に基づき前記高圧回転機の腐食リスクを警告することを特徴とする請求項４に記載の絶縁劣化診断装置。
前記診断部は、前記結露リスクがなしであり且つ前記高圧回転機が密閉型である場合、前記結露リスクがあると判定することを特徴とする請求項５に記載の絶縁劣化診断装置。
前記診断部は、前記結露リスクがなしであり且つ前記高圧回転機が開放型である場合、前記腐食性ガス濃度として検出されたオゾンガス濃度が規定値以上であると当該オゾンガス濃度に関するリスクを警告することを特徴とする請求項６に記載の絶縁劣化診断装置。
前記冷媒温度、前記内部環境、前記部分放電の発生パターン、前記腐食性ガス濃度、前記硝酸イオン濃度及び前記警告の履歴データを保存するデータ蓄積部を備えたことを特徴とする請求項７に記載の絶縁劣化診断装置。