JP3730453B2

JP3730453B2 - 回転機巻線の部分放電測定方法

Info

Publication number: JP3730453B2
Application number: JP26548699A
Authority: JP
Inventors: 紀明関; 美伯角田
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd; Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date: 1999-09-20
Filing date: 1999-09-20
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2019-09-20
Also published as: JP2001091565A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば水力発電所等に設置されている発電機、同期電動機、誘導電動機もしくは直流電動機等の各種の回転機における巻線の絶縁劣化状態を、部分放電法を用いて測定，評価する回転機巻線の部分放電測定方法に関し、特に、回転機の運転中に部分放電を測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期電動機、誘導電動機や直流電動機等の各種回転機は回転子巻線及び固定子巻線を備えており、これらの巻線の絶縁状態は回転機の性能維持のための重要な要素である。
【０００３】
このため、例えば、水力発電所の水車発電機用として用いられる同期機の固定子巻線にあっても、各種の方法で絶縁状態の測定が行われている。この種の測定は、一般的に、発電機の運転を停止させたうえで、巻線の絶縁体の部分放電等を測定することにより行われている。従来、この固定子巻線の部分放電の測定は、その固定子巻線に対し電荷を直接注入する方法が採られることが多かった。具体的には、まず、発電機の運転を停止させ、次に巻線の口出し部の絶縁を剥ぎ取り、その剥ぎ取った巻線に対し電荷を直接注入することにより行われていた（直接注入法）。
【０００４】
すなわち、部分放電現象は、放電が電極と電極との間を橋絡するように発生しているのではなく、電極に挟まれた絶縁体の一部分で発生しているものであり、その等価回路は、図４に示すように、放電が発生する部分のＣｃと、この放電部分に直列に挟まれる放電が発生しない健全部分Ｃｂと、残りの健全部分Ｃａとによって表される。同図において、供試体となる巻線の絶縁体はＣに対応することになり、上記直接注入法においては、Ｃｋ₁なる結合コンデンサを通して測定器３１を接続し、この測定器３１が電圧変化を測定することによって放電電荷を測定するようにしている。
【０００５】
ところが、直接注入法を実施するためには、巻線に対し電圧を直接印加させる必要があることから発電機の運転を停止させなければならず、発電機の運転中に実施することは不可能であるという不都合がある。
【０００６】
そこで、発電機の運転中であっても部分放電現象を検出し得る方法として、発電機固定子の巻線を収容するスロット内部の測温用サーチコイルを用いた部分放電測定法が知られている。この方法は、図２に示すように、固定子１のスロット３内に収容された巻線４、およびその絶縁体の過加熱を検知するために、このスロット３内の巻線４ａ，４ｂ間に配設されているサーチコイル型の温度センサ６が、たまたま巻線４の部分放電を静電結合で検知し得る構成であることを利用して部分放電現象を知見しようとするものである。
【０００７】
すなわち、このサーチコイル６を用いた部分放電測定方法は、上記巻線４とサーチコイル６が静電結合し得ることから、図４に示すような巻線４の絶縁体に該当するコンデンサＣに対して、巻線４とサーチコイル６による結合コンデンサＣｋ₂が並列に配設したような等価回路が構成されることを利用している。このため、上記巻線４の絶縁体５における部分放電現象が上記結合コンデンサＣｋ₂に直列に配設された測定器２５によって検出することが可能となる。
【０００８】
ところが、このサーチコイル６を用いた部分放電検出方法においては、放電の電荷量が不明であるため、放電特性を定量的に評価できないという不都合がある。すなわち、測定器２５，３１によって検出されるのはパルス電圧であるが、このパルス電圧値は上記コンデンサＣにおける健全部分Ｃａに依存してしまうことになる。このため、放電現象を定量的に評価するには、上記Ｃａに依存しない量で評価する必要があり、このため、Ｃｃにおいて放電が生じるときの電圧Ｖと、このＣｃに直列に接続された健全部分Ｃｂとの積によって表される放電電荷Ｑ（＝Ｃｂ×Ｖ）を用いるようにしている。
【０００９】
そこで、上記測定器２５，３１で測定された変動電圧を放電電荷に校正する電荷校正が必要であるが、このような電荷校正は、供試体であるコンデンサＣに対して上記コンデンサＣの健全部分Ｃｂに対応するコンデンサＣ₀₁を有し、放電が生じた放電部分Ｃｃに対応するパルス発生器ＰＧ１を並列に接続することによって行われる（図４参照）。すなわち、上記パルス発生器ＰＧ１により既知電圧Ｖのパルスを発生させることによって部分放電が発生した状態を擬似的を再現することになり、上記既知電圧ＶとコンデンサＣ₀₁との積によって表される放電電荷Ｑが、上記測定器２５，３１において検出される電圧値と対応づけされる。このようにして、上記測定器２５，３１の電荷校正を行うようにしている。
【００１０】
ところが、このような電荷校正は、発電機が停止した状態であれば可能であるが、パルス発生器ＰＧ１が高電圧に耐え得るものではないことから、発電機の運転中にはパルス発生器ＰＧ１接続することが困難であり、電荷校正を行うことができない。従って、サーチコイル６を用いることで発電機の運転中の部分放電測定をしようとしても、電荷校正を行えないことからその定量的な評価が困難となってしまうという不都合がある。
【００１１】
そこで、発電機の運転中に電荷校正を可能とするために、特開平９−２２２４５６号公報には、固定子のスロット内にサーチコイルとは別のコイルを配置して、電荷校正を行うことが記載されている。この方法では、上記コイルと巻線とが静電結合することによって結合コンデンサ（図４のＣ₀₁に対応するコンデンサ）が構成されることを利用して、上記コイルにパルス発生器を接続して発電機の運転中であっても電荷校正を行うことを可能となるようにしている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記公報に記載された電荷校正方法では、スロット３内にサーチコイル６とは別のコイルを配設しておく必要があり、既存の発電機においては、そのコイルの設置が困難であるという不都合がある。
【００１３】
また、巻線と上記コイルとによって構成される結合コンデンサの静電容量を予め、測定によりあるいは計算によって求めておく必要があるが、当該静電容量の測定には多くの手間と時間がかかり、また、その測定あるいは計算を正確に行うことは困難であるという不都合がある。このため、電荷校正として、容易、かつ正確に行い得るものではないという不都合がある。
【００１４】
これを解消するために、例えば、発電機の停止時に、サーチコイル６に接続された測定器２５における電荷校正を予め行っておき、発電機の運転時には、上記測定器２５の入り口にパルス発生器を接続して、上記測定器２５の応答が、上記発電機の停止時に電荷校正を行った際の状態と同じになるように、上記パルス発生器のパルスを調整して電荷校正を行う方法が考えられる。すなわち、発電機の停止時に、部分放電現象を擬似的に再現した回路による通常の電荷校正を行えば、発電機の運転時には、測定器に対してのみ電荷校正時の状態を擬似的に再現させれば、電荷校正し得るという考えに基づく電荷校正方法である。
【００１５】
具体的には、図３に示すように、発電機の停止時に、高圧電源及び測定器を備えた診断車３１の測定ケーブル３２、及びパルス発生器ＰＧ１を固定子の巻線につながっている引出口に接続する。一方、サーチコイル６に接続された中継端子２０に測定器２５を接続する。このときの等価回路は、図６に示すようになる。すなわち、巻線４の絶縁体５に対応するコンデンサＣに対し、並列にパルス発生器ＰＧ１及び測定器２５が接続された状態となる。そして、パルス発生器ＰＧ１よりパルスを発生させたときの測定器２５の応答を検出する。これによって、発電機の停止時に電荷校正が行われたことになる。なお、このとき、後述するパルス発生器ＰＧ２は接続されていない。
【００１６】
ついで、発電機の運転時には、図７に示すように、パルス発生器ＰＧ２を中継端子２０に接続する。このとき、パルス発生器ＰＧ２が接続されている一方、他方のパルス発生器ＰＧ１は接続されていない（図６参照）。そして上記パルス発生器ＰＧ２から注入するパルスを調整して、測定器２５の応答が上記発電機の停止時において得られた測定器２５の応答と同一になるようにして上記測定器２５のみにおいて部分放電が発生した状態を擬似的に再現し電荷校正を行う。このようにすれば、サーチコイル６とは別のコイルを配設する必要もない上に、静電容量を予め測定あるいは計算しておくことが省略され、発電機の運転時の電荷校正を、正確、かつ容易に行うことができるようになる。
【００１７】
ところが、本発明者が上記の考えに基づき実験を繰り返して検討したところ、発電機の運転時にパルス発生器ＰＧ２からパルスを注入しても、測定器２５の応答が小さい場合があり、このように校正電荷の電荷の応答が小さいと運転時に測定した部分放電現象を過大に評価してしまうこととなってしまい、正確な部分放電測定が実現し得ない場合があることが判明した。このような測定器２５の応答はサーチコイル６の配置状態等に依存していると考えられ、上記の電荷校正方法は、正確に電荷校正が行え運転中に部分放電現象を容易かつ正確に測定し得る場合もあるが、全てのサーチコイル６に対して常に確実に電化校正することができないという不都合があることが判明した。
【００１８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発電機等の回転機の運転時に部分放電を測定する場合に、確実、かつ、より容易に回転機の運転中の電荷校正を実現して、部分放電の測定を行うことにあり、さらに、回転機の停止時と運転時とのそれぞれの部分放電測定結果を対比可能とする部分放電測定方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者は、実験を重ねた結果、発電機の停止時に巻線に対しこの発電機の定格電圧に等しい電圧を印加した場合の直接注入法による測定結果と、発電機の運転時にサーチコイルを用いて部分放電現象を測定した結果とが、ほぼ等しいことを見いだして本発明を完成するに至ったものである。
【００２０】
すなわち、図８に示すように、発電機の運転時の部分放電現象、すなわち、巻線にＥ／√３の電圧が印加している状態での部分放電現象をサーチコイルを用いることによって測定した結果（同図の（ａ））と、発電機の停止時に巻線にＥ／√３の電圧を印加したときの部分放電現象をサーチコイルにより測定した結果（同図の（ｂ））とを比較したところ、その検出した電圧レベルがほぼ同レベルであることが見い出された。
【００２１】
また、サーチコイルを用いた部分放電現象の測定が、発電機の運転時であっても雑音の増大などを伴うことなく、印加した電圧に対応して検出されることを確認することができた。
【００２２】
そこで、発電機の停止中に所定の電荷を注入することによって行った電荷校正の状態と同じ状態を発電機の運転中に再現しなくてもよい点に着目した。すなわち、発電機の停止時に、この発電機の定格電圧に等しい電圧を印加した場合に測定された放電電荷を、その運転中にサーチコイルを用いて検出した測定器の検出信号に対応させることによっても電荷校正を行い得るとの結論に到達し、本発明を完成するに至ったものである。
【００２３】
具体的に、本発明は、回転機の停止時に、上記回転機の固定子のスロットに配置された巻線の絶縁体に対し、それぞれ並列に接続されたパルス発生器と第１測定器とを用いて、上記パルス発生器から既知電圧のパルスを上記巻線に注入し、このときの上記第１測定器の応答からこの第１測定器における電荷校正を行った上で、上記巻線に対し上記回転機の定格電圧に等しい電圧を印加したときの上記絶縁体に生じる部分放電現象を、上記第１測定器によって測定する。一方、上記回転機の運転中に、上記スロット内の巻線近傍に設けられてこの巻線と静電結合するセンサと、このセンサに接続された第２測定器とを用いて、上記第２測定器によって検出された検出信号が、上記回転機の停止時に上記巻線に対し定格電圧に等しい電圧を印加したときの上記第１測定器が検出した検出信号と同一であるとして、上記第２測定器における電荷校正を行った後に、上記回転機の運転中の部分放電現象を、上記第２測定器によって測定することを特定事項とする方法である。
【００２４】
ここで、「パルス発生器」及び「第１測定器」は、共にそれぞれコンデンサを有するものとするのがよい。すなわち、パルス発生器に備えられたコンデンサは電荷校正の際の健全部分Ｃｂに対応するコンデンサとなる。一方、第１測定器に備えられたコンデンサは、部分放電の測定の際に結合コンデンサＣｋとなるものである。また、「センサ」は、回転機の運転中に巻線と静電結合することによって、結合コンデンサＣｋを構成することになる。
【００２５】
そして、この場合、発電機の停止時に所定の電荷を注入することによって行った電荷校正の状態を回転機の運転中に再現しなくても、電荷校正を行うことが可能となり、例えば、サーチコイルの配置状態などに起因する、パルス入力による電荷校正を行うことができないこと等が確実に回避される。その結果、発電機の運転中の電荷校正を、常に、確実に行うことが可能になると共に、回転機の運転中の部分放電の測定を、この校正電荷に基づいて定量的に、しかも、正確に行い得る。
【００２６】
ここで、「センサ」としては、巻線と静電結合し得る電極であればよく、具体的には、例えば請求項２記載の如く、巻線の温度監視用としてスロットに予め付設されている測温用サーチコイルを利用するようにしてもよい。この場合、センサとして、新たな電極をスロット内に配置させることなく電荷校正及び部分放電の検出が可能となり、既存の発電機においてもそのまま部分放電の検出・測定が可能となる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明における回転機巻線の部分放電測定方法によれば、発電機の停止時に所定の電荷を注入することによって行った電荷校正の状態を、回転機の運転中に再現しなくても、電荷校正を行うことができるようになり、例えば、サーチコイルの配置状態などによって、運転中にパルス入力による電荷校正を行うことができないこと等を確実に回避することができる。その結果、発電機の運転中の電荷校正を、常に、確実に行うことができると共に、部分放電の測定をより容易に、かつ正確に行うことができるようになる。
【００２８】
さらに、回転機の停止中の部分放電現象の測定結果を、回転機の運転中に測定器で測定された電圧レベルを同一視することによって、運転中に測定された放電電荷のレベルと、発電機の停止時に測定された放電電荷のレベルとが互いに一致することになり、その結果、両測定結果の対比ができるようになる。このため、巻線の部分放電状態を確定した評価に基づいて運転中でも継続して管理することができ、発電機巻線の時系列的な劣化状況を正確に把握してその寿命などを推定することができるようになる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００３０】
図１は、本実施形態に係る部分放電測定の対象となる発電機を示し、１は固定子、２はこの固定子１の中心部に図１の紙面に直交する方向の軸の回りに回転する回転子である。
【００３１】
上記固定子１には、等角度に多数個のスロット３,３,…が設けられている。なお、図示の便宜上、図１では１２個のスロット３,３,…のみを図示している。
【００３２】
そして、図２に示すように、各スロット３には上巻線４ａと下巻線４ｂとからなる巻線４が設けられており、これらの巻線４ａ,４ｂはマイカ等の絶縁体５により囲まれている。
【００３３】
各巻線４には、ガラステープやマイカテープを巻回した平角銅線が用いられる。なお、上記巻線４は上巻線４ａと下巻線４ｂとに分かれた２層巻形態とされている。このような２層巻形態は、固定子巻線をスロット内へ収容する形態として広く用いられている。
【００３４】
上記特定のスロット３には、上巻線４ａと下巻線４ｂとの間に、温度測定用の抵抗を有するサーチコイル６が配置されている。このサーチコイル６は、本来、巻線４の異常な温度上昇を監視するために設置されているものであるが、本実施形態では部分放電信号を検出するためのセンサとしても用いられる。
【００３５】
ここで、各サーチコイル６には、温度変化により抵抗値が変化する銅素子や白金素子を絶縁体で被覆した平板状のものを好適に用いることができる。その他、サーチコイル６として、熱電対式のものを用いることも可能である。
【００３６】
そして、各サーチコイル６は、上述のように、上巻線４ａと下巻線４ｂとの間に埋込的に配置されているため、各サーチコイル６は巻線４の素線自体の各絶縁体及び絶縁体５を隔てて充電部に接することとなる。従って、各サーチコイル６と巻線４との間において、静電結合が可能となり、運転中の部分放電の測定において、結合コンデンサとして利用することができる。
【００３７】
また、各サーチコイル６からは三本のリード線７が外部に引き出されている。なお、図２においては、リード線７を図示簡略化のために横方向に延出するように図示しているが、実際は紙面と垂直な方向に延出している。このリード線７の他端側は、通常は温度計測装置に接続されているのであるが、本実施形態では、任意のサーチコイル６のリード線７を部分放電信号検出用のリード線として用いる。この特定スロット３,３,…のサーチコイル６のリード線７は、固定子１に設けられた中継端子２０に接続されている。
【００３８】
次に、発電機の運転を停止させた状態で行う定期点検について説明する。
【００３９】
まず、図３に示すように、診断車３１の測定ケーブル３２を固定子の引出口に接続する。この固定子の引出口は、上記巻線に接続されているものである。また、上記診断車３１は、高圧電源及び第１測定器を備えている。この高圧電源は上記巻線に対して電圧を印加するために用いられるものである。
【００４０】
そして、既知の静電容量を有するコンデンサＣ₀₁を有するパルス発生器ＰＧ１を上記引き出し口に接続する。このとき、等価回路は、図４に示すように、巻線の絶縁体５であるコンデンサＣに対し、測定器３１及びパルス発生器ＰＧ１が並列に接続されたようになる。同図において、測定器３１は、上記診断車３１に備えられたものを示し、結合コンデンサＣｋ₁は、同じくこの診断車３１に備えられたものを示している。なお、図３において、発電機の停止中には測定器２５は接続されていない。
【００４１】
そして、まず、電荷校正を行うようにする。すなわち、上記パルス発生器ＰＧ１によって既知電圧Ｖのパルスを発生させることによって、上記等価回路は擬似的に部分放電現象が生じた状態となる。このとき、上記パルス発生器ＰＧ１において印可した電圧Ｖと上記コンデンサＣ₀₁の静電容量とによって放電電荷Ｑが特定される（Ｑ＝Ｃ₀₁×Ｖ）。このときの測定器３１の応答と、放電電荷Ｑを対応させることによって電荷校正ができる。
【００４２】
そして、電荷校正を行った後に、発電機の停止時における部分放電の測定を行う。これは、上記診断車３１の高圧電源によって巻線４に所定の電圧を印加し、このときの電圧変動を診断車３１（測定器３１）が測定することによって行う。この部分放電の測定によって、例えば図５に示すような、印加電圧に対する放電電荷のデータが得られることになる。なお、同図において、実線は印加電圧を低い値から高い値に増加させていった場合に得られた結果であり、破線は印加電圧を高い値から低い値に減少させていった場合に得られた結果を示している。
【００４３】
次に、発電機の運転中の部分放電測定について説明する。
【００４４】
発電機の運転中に行う部分放電測定では、図３に示すように、中継端子２０を介して測定対象のスロット３のサーチコイル６を測定器２５に接続する。なお、図示は省略するが、測定器２５は、商用周波数を除去するためのハイパスフィルタ等を含んだ検出回路と、検出回路の出力を表示する表示器とを備えている。また、同図において、診断車３１及びパルス発生器ＰＧ１は、引出口に接続されていない。このとき等価回路は、図４に示すようになる。すなわち、測定器２５は上記中継端子２０に接続されたものであり、結合コンデンサＣｋ₂は、サーチコイル６によって構成されたものとなっている。なお、図４においても、上述したようにパルス発生器ＰＧ１は接続されていない状態となっている。
【００４５】
そして、まず、測定器２５における電荷校正を行うが、この電荷校正は、図５に示す発電機の停止時に得られた印加電圧に対する放電電荷の測定データにおいて、試験電圧として定格電圧Ｅ／√３を印加した際の放電電荷の値を、発電機の運転中に測定器２５で測定された電圧に対応させることによって行う（同図の一点鎖線参照）。すなわち、発電機の運転中には巻線４に定格電圧Ｅ／√３が印可した状態となっており、このときの放電現象と、発電機の停止時に巻線４に定格電圧を印加した時の放電現象とは同じ現象であるとみなすことになる。なお、放電電荷としては、図５において破線で示される結果を用いるのが好ましい。
【００４６】
そして、このようにして得られた校正電荷に基づいて、発電機の運転中に各スロット３の巻線４の部分放電を電荷量に換算して測定する。
【００４７】
このように、発電機の運転時において電荷校正を行う際に、放電電荷の発生状態を再現して電荷校正を行わなくても、発電機の停止時に測定された部分放電現象の検出結果を利用して、運転中に電荷校正を行うことができるようになる。このため、サーチコイル６の配設状態等に起因して電荷校正が正確に行えない等の不具合を確実に回避することができるようになる。その結果、発電機の運転中であっても常に、正確に、電荷校正を行って、運転中の部分放電現象を正確に把握することができるようになる。
【００４８】
また、発電機の停止中に行った部分放電試験の結果と、運転中に行った部分放電試験の結果とを対比させることができるため、巻線の部分放電状態を確定した評価に基づいて運転中でも継続して管理することができ、発電機巻線４の時系列的な劣化状況を正確に把握してその寿命などを推定することができるようになる。
【００４９】
なお、本実施形態では、回転機として発電機に適用しているが、これに限らず、例えば同期電動機、誘導電動機もしくは直流電動機等の各種の回転機に適用するようにしてもよい。この場合であっても、回転機の運転中に電荷構成を確実に行うことができるようになり、運転中の部分放電測定をより容易に、かつ正確に行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の適用対象となる発電機の概略断面図である。
【図２】スロットの拡大図である。
【図３】発電機の停止時、及び運転時における部分放電測定の機器配置図である。
【図４】発電機の停止時、及び運転時における部分放電測定の等価回路図である。
【図５】発電機の停止時において測定された印加電圧と放電電荷の関係の一例を示す図である。
【図６】従来の発電機の停止時、及び運転時における部分放電測定の等価回路を示す図４対応図である。
【図７】従来の発電機の停止時における部分放電測定の機器配置を示す図３対応図である。
【図８】発電機の運転時と停止時とにおける部分放電現象の検出結果を示す図である。
【符号の説明】
１固定子
３スロット
４巻線
５絶縁体
６サーチコイル（センサ）
１１パルス発生器
２５測定器（第２測定器）
３１絶縁診断車（第１測定器）

Claims

回転機の停止時に、
上記回転機の固定子のスロットに配置された巻線の絶縁体に対し、それぞれ並列に接続されたパルス発生器と第１測定器とを用いて、
上記パルス発生器から既知電圧のパルスを上記巻線に注入し、このときの上記第１測定器の応答からこの第１測定器における電荷校正を行った上で、
上記巻線に対し上記回転機の定格電圧に等しい電圧を印加したときの上記絶縁体に生じる部分放電現象を、上記第１測定器によって測定する一方、
上記回転機の運転中に、
上記スロット内の巻線近傍に設けられてこの巻線と静電結合するセンサと、このセンサに接続された第２測定器とを用いて、
上記第２測定器によって検出された検出信号が、上記回転機の停止時に上記巻線に対し定格電圧に等しい電圧を印加したときの上記第１測定器が検出した検出信号と同一であるとして、上記第２測定器における電荷校正を行った後に、
上記回転機の運転中の部分放電現象を、上記第２測定器によって測定する
ことを特徴とする回転機巻線の部分放電測定方法。
請求項２において、
センサは、巻線の温度監視用としてスロットに予め付設されている測温用サーチコイルを利用する
ことを特徴とする回転機巻線の部分放電測定方法。