JP3720291B2

JP3720291B2 - 固体絶縁材料の劣化診断方法

Info

Publication number: JP3720291B2
Application number: JP2001320431A
Authority: JP
Inventors: 誠角田; 義博今井
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-10-18
Filing date: 2001-10-18
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2021-10-18
Also published as: JP2003121404A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体絶縁材料の劣化診断に関する。さらに詳しくは、絶縁不良に対する余寿命の推定を行なう固体絶縁材料の劣化診断方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、エポキシ樹脂、ポリエステル、フェノール樹脂またはジアリルフタレート樹脂などの固体絶縁材料は、電気機器の絶縁材料として広く用いられている。しかし、長年使用するうちに絶縁特性が低下し、絶縁不良となる。これは、絶縁材料の経年劣化によるもので、使用環境としての温度、湿度またはガスなどが影響している。一般的に絶縁物の劣化の診断については、外観検査を行なってクラック発生の有無、寸法変化または変色状態から判断したり、またはサンプル調査で物性、静的強度または電気特性試験など多くの試験を実施して判断している。
【０００３】
また、近年では、絶縁材料に起因する事故発生例として、材料表面でのメカニズムでは、たとえば、「汚損の進行」→「吸湿の進行」→「絶縁抵抗低下」→「トラッキング発生」→「部分放電」→「沿面閃絡」→「気中放電」→「短絡・地絡」などが問題になってきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
絶縁材料の絶縁特性は、長年使用することによって低下し、耐電圧特性がある基準値以下となったときに絶縁不良と判断される。この絶縁不良となる時期は、劣化条件としての使用環境によって左右され、劣化の進行速度が早いものは早い時期に絶縁不良となる。
【０００５】
従来の診断方法では、特性のばらつきが多く、確実に診断することはできない。また、経過年数が同じであっても劣化の程度が違う場合、または同程度の劣化の場合の劣化診断や絶縁不良となるまでの余寿命の推定をすることができなかった。
【０００６】
固体絶縁材料の劣化診断方法として、たとえば特開平５−２４９１７７号公報に示されるように、絶縁材料の劣化を衝撃疲労強度によって診断する方法がある。しかし、この方法では、材料のバルク劣化を診断する方法として優れているが、前記材料表面の劣化診断には対応しないこと、また電気特性との相関が取りにくいという問題がある。
【０００７】
本発明は、固体絶縁材料の劣化、とくに表面劣化を診断し、絶縁不良となる時期を推定することができる固体絶縁材料の劣化診断方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明にかかわる固体絶縁材料の劣化診断方法は、固体絶縁材料の表面に生成および付着したイオン量および水分量を、その表面方向の静電容量および表面方向の誘電損失率を測定することにより見積ることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明にかかわる固体絶縁材料の劣化診断方法は、前記表面方向の静電容量および表面方向の誘電損失率の測定が１ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数領域で行なわれる。
【００１０】
また、第３の発明にかかわる固体絶縁材料の劣化診断方法は、前記１ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数領域の表面方向の静電容量および表面方向の誘電損失率の測定をインピーダンスメータで行なう。
【００１１】
さらに第４の発明にかかわる固体絶縁材料の劣化診断方法は、前記１ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数領域の表面方向の静電容量および表面方向の誘電損失率の測定を時間領域反射法で行なう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を実施例に基づいて説明する。
【００１３】
実施例１
表１〜３は第１の発明にかかわる実施例である。
【００１４】
表１は電力設備として２５年間使用経過した受配電設備に絶縁材料として用いられていた紙フェノール樹脂積層板（ＰＬ−ＰＥＭ）の一部（厚さ３ｍｍ×縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ）表面について、表面方向の静電容量と表面方向の誘電損失率（以下、単にｔａｎδという）の測定周波数依存性を、温度２５℃および相対湿度７５％で、該絶縁材料の新品と比較して測定した結果を示したものである。測定にはＬＣＲメータを用いた。電極ディメンジョンはＷ／Ｌ＝２２９０であった。なお、Ｗは電極幅であり、Ｌは電極間距離である。
【００１５】
表２は測定時の相対湿度が１４％であり、それ以外は表１と同じである。
【００１６】
【表１】

【００１７】
【表２】

【００１８】
表３は前記試料表面に生成および付着したイオン量を測定した結果を示したものである。
【００１９】
【表３】

【００２０】
表３からわかるように、新品と劣化品を比較すると、劣化品では表面に主として硝酸イオン、硫酸イオンおよびアンモニウムイオンが多量に存在している。これは、機器を長時間運転した結果、空気中からＮＯｘやＳＯｘが硝酸イオンや硫酸イオンとして固定され、また、絶縁材料（紙フェノール）が劣化してアンモニウムイオンが生成したものである。
【００２１】
たとえば、これらのイオン量を測定することによって絶縁材料の劣化程度を診断する方法が、電気学会論文誌（河村達雄ら、Ｖｏｌ．９３−Ｂ、Ｎｏ．９、ｐ４２６−４３３（１９７３））に記載されている。
【００２２】
たとえば、総イオン量が０．０１ｍｇ／ｃｍ²に達したときときを、絶縁材料および搭載機器が「寿命に到達した」という一つの目安に考えることができる。したがって、総イオン量の増加率と機器使用時間との関係から、絶縁材料および機器の余寿命の推定を行なうことができる。
【００２３】
しかし、現実問題として、たとえば、総イオン量を測定するためには絶縁材料を機器から取り外し、その表面に生成および付着したイオンを水に溶かし出してその水溶液のイオンクロマトグラフィーによって、すべてのイオンについて測定するという、かなり面倒な分析が必要であり、この方法は現実には劣化診断には適用できない。
【００２４】
本発明の特徴は、この劣化診断を容易に行なうために、これを電気的に行なったことにある。すなわち、これらのイオンは水溶性であるため、高湿度下においては電解質的な挙動を示すことに注目したのである。
【００２５】
電気的な診断方法として、たとえば直流電圧の印加によるメグ測定や表面電気抵抗率の測定法などがよく知られているが、この方法では測定値が測定環境、とくに湿度に大きく左右されてしまい、必ずしも常に正しい診断が行なえるというものではない。
【００２６】
この点、本発明にかかわる表面方向の静電容量と表面方向のｔａｎδの測定では、イオンの寄与分と水（自由水と結合水を含む）の寄与分を分離することができるので、従来法とは全く異った優れた診断方法を提供するものである。
【００２７】
すなわち、表１および表２において、新品と劣化品を比較してわかるように、イオン量の増加（表３参照）が、いずれの周波数においても表面方向の静電容量と表面方向のｔａｎδとともに増加し、そのあいだに相関性があることがわかる。また、表１と表２を比較すると、表１の高湿度下での増加量が遥かに大きいこともわかる。これは、水の存在によるイオンの解離量を反映しているものである。
【００２８】
したがって、本発明においてイオン量と水分量（湿度依存性）について表面方向の静電容量と表面方向のｔａｎδを測定し、その相関性さえ求めておけば、絶縁材料の劣化度や余寿命の推定などを高精度で診断できる。
【００２９】
実施例２
図１は第２および第３の発明にかかわる実施例である。
【００３０】
図１において、ＡおよびＢは前記実施例１における劣化品、Ｃは新品についての１ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数ｆの領域における誘電損失εの相対値である（なお、誘電損失＝静電容量×ｔａｎδ）。また前記実施例１と同様に、ＡおよびＣは温度２５℃および相対湿度７５％での測定値、Ｂは相対湿度が１４％での測定値である。
【００３１】
図１は測定試料上に同心円状に金電極を真空蒸着法で設け、そのあいだ（表面方向）のインピーダンスをインピーダンスメータを用いて測定し、表面方向の静電容量と表面方向のｔａｎδを計算して求めた。
【００３２】
なお、１ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数領域における絶縁材料の表面方向の静電容量と表面方向のｔａｎδ値に対しては、各測定法の中でインピーダンスメータが最も簡便で、かつ精度よく測定できた。
【００３３】
図１より明らかなように、前記表１および表２の結果を完全に反映した結果が得られることがわかり、前記と同様に絶縁材料の劣化度や余寿命の推定などを高精度で診断できる。
【００３４】
さらに図１において、図中の矢印ａ部分は自由水の双極子モーメントによる分散であり、３０ＧＨｚ付近に誘電損失ピークが、矢印ｂ部分は結合水によるものであって、１００ＭＨｚ付近に誘電損失ピークが出現することが知られている。また、矢印ｃ部分はイオンと水の複合効果によるものであり、それより低い周波数領域で誘電損失が立ち上がってくることが知られている。そして、それぞれの効果は、たとえば、Ａ．ＫｒａｓｚｅｗｓｋｉＥｄｔ．，”ＭｉｃｒｏｗａｖｅＡｑｕａｍｅｔｒｙ”（ＩＥＥＥＰＲＥＳＳ，１９９６）などに記載されている式（１）〜（３）によって記述できる。
【００３５】
【数１】

【００３６】
したがって、前記実施例１においては水の影響（湿度）を考慮する必要があったが、１ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数領域のデータからは、式（１）〜（３）を用いて、矢印ｃ部分から矢印ａ部分とｂ部分の寄与を差し引けば伝導に寄与するイオンの量をストレートに求めることができ、本発明はさらに診断を簡便にすることができる。
【００３７】
実施例３
図２は第４の発明にかかわる実施例である。
【００３８】
本実施例４は、前記１ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数領域における絶縁材料の表面方向の静電容量と表面方向のｔａｎδ値を時間領域反射（ＴＤＲ：Time Domain Reflectometory）法によって求めたものであり、測定には広帯域ディジタイジングオシロスコープにプラグインモジュールを挿入したものを用い、立ち上がり時間４０ｐｓｅｃの信号を、特性インピーダンス５０Ωのプローブを介して試料に当てて測定を行なった。測定試料および測定環境は前記実施例２と同様である。図２はその反射信号波形を示したものである。図中のＡ、Ｃはそれぞれ前記実施例２の図１のＡ、Ｃに対応する。
【００３９】
また、図２は時間領域のデータであり、これを周波数領域のデータに変換するのに、たとえば、Ｒ．Ｈ．Ｃｏｌｅら、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．６６、Ｎｏ．２、ｐ７９３−８０２（１９８９）に示されるフーリエ変換法を用いたところ、それぞれ前記実施例２の図１のＡ、Ｃとまったく同じ結果を得た。このことから、本時間領域反射法も固体絶縁材料の劣化診断方法に有効なものであることが確認された。
【００４０】
なお、本発明における時間領域反射法は、とくに１ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数領域における絶縁材料の表面方向の静電容量と表面方向のｔａｎδ値の測定のために、被測定物の表面に電極を設ける必要がないため、使用中の該絶縁材料を搭載した機器のまま診断が可能であり、実用的観点からも極めて優れた方法である。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したとおり、第１の発明によれば、絶縁材料の表面方向の静電容量および表面方向のｔａｎδの湿度依存性データさえ、予め求めておくだけで、絶縁材料の劣化診断が容易に、しかも確実に行なうことができる。
【００４２】
また、第２の発明によれば、１ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数領域の表面方向の静電容量および表面方向のｔａｎδを測定するだけで、前記湿度依存性データも不要となり、計算によって劣化診断が行なえるので、該診断をさらに容易にすることができる。
【００４３】
また、第３の発明によれば、前記１ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数領域の表面方向の静電容量および表面方向のｔａｎδの測定が最も高精度で行なえるので、前記診断が高精度なものとなる。
【００４４】
さらに、第４の発明によれば、前記１ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数領域の表面方向の静電容量および表面方向のｔａｎδの測定が電極不要となるので、絶縁材料を機器に搭載したままで診断でき、最も実用的なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】劣化品Ａ、Ｂおよび新品Ｃについて、インピーダンスメータを用いて測定した表面方向の静電容量と表面方向のｔａｎδから計算される誘電損失を示す図である。
【図２】劣化品Ａおよび新品Ｃについて、時間領域反射法により求めた反射信号波形を示す図である。

Claims

固体絶縁材料の表面に生成および付着したイオン量および水分量を、その表面方向の静電容量および表面方向の誘電損失率を測定することにより見積ることを特徴とし、前記表面方向の静電容量および表面方向の誘電損失率の測定が１ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数領域で行なわれる固体絶縁材料の劣化診断方法。
前記１ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数領域の表面方向の静電容量および表面方向の誘電損失率の測定をインピーダンスメータで行なう請求項１記載の固体絶縁材料の劣化診断方法。
前記１ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数領域の表面方向の静電容量および表面方向の誘電損失率の測定を時間領域反射法で行なう請求項１記載の固体絶縁材料の劣化診断方法。