JP4103853B2 - 電気機器の絶縁劣化診断方法 - Google Patents
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Description
本発明は、電気機器の絶縁劣化診断方法に係わり、特に破壊試験を可能にするマスターカーブの作成に関するものである。
回転機等の電気機器においては、一旦絶縁劣化による故障が発生すると、当該機器の復旧にかかる時間と費用以外に社会的に莫大な損失が発生するため、従来からこの故障を未然に防ぐための絶縁劣化診断の開発が行われている。
特に電気機器のうちでも、回転機の巻線交換には多大な時間と費用がかかるため、巻線の寿命を適切に予測し、計画的に更新することが重要となっている。
特に電気機器のうちでも、回転機の巻線交換には多大な時間と費用がかかるため、巻線の寿命を適切に予測し、計画的に更新することが重要となっている。
なお、電気機器の絶縁劣化を検出するものとしては、例えば特許文献１のようなものが公知となっている。この特許文献のものは、絶縁層を構成する樹脂の加水分解生成物量をイオンクロマトグラフ分析、若しくは赤外線吸収分析法によって測定することにより絶縁層の劣化状態を検出するものである。
特開２００３−１０７０７５号公報
回転機における劣化は、まず第１に有機絶縁材料が熱によって劣化し、その度合いが進むにつれて機械的に固定する本来の機能が損なわれ、電磁振動などから絶縁層を守ることができなくなって損傷し、最終的には絶縁破壊に至るパターンが主である。
従来の電気特性試験における電気機器の寿命予測は約１０年単位での予測のため、寿命予測精度が悪く信頼性に欠ける問題を有している。実際に電気特性試験では問題がないにもかかわらず、補強部材の機械強度の低下から絶縁層に無理な応力が加わって絶縁層が破壊する事故が発生する。
従来の電気特性試験における電気機器の寿命予測は約１０年単位での予測のため、寿命予測精度が悪く信頼性に欠ける問題を有している。実際に電気特性試験では問題がないにもかかわらず、補強部材の機械強度の低下から絶縁層に無理な応力が加わって絶縁層が破壊する事故が発生する。
この電気特性試験等では電気機器の絶縁層に加わる応力により機械強度特性の低下や過熱等による絶縁材料の変質（劣化）等は電気特性試験では解らない。このようなことから、絶縁材料の破壊による回転機の故障が生じた場合、巻線に使用されている絶縁材料の劣化度（余寿命）を適切に評価・把握できれば早い段階で劣化度を把握して機器故障を未然に防止できるが、しかし、次のような問題点を有している。
（１）現状における劣化診断は巻線のスロットル部の吸湿、空隙（剥離、ボイド）等を劣化現象との相関関係による電気的非破壊試験により把握する方法で、直接に絶縁材料の熱劣化度を把握することができない。
（２）巻線を機械的に固定、支持する絶縁材料（スロットル部の楔、コイルエンド部の支持物、間隔片等）の劣化度の把握ができない。
（３）また、ＩＥＣ．ｐｕｂ．２１６による耐熱性評価方法は存在するが、この方法では破壊試験、重量減少の試験項目となるため実機の巻線には直接適用できない。このため、回転機の巻線交換等の大幅な修復をせずに、そのまま再使用が可能な試験方法の開発が望まれている。
（１）現状における劣化診断は巻線のスロットル部の吸湿、空隙（剥離、ボイド）等を劣化現象との相関関係による電気的非破壊試験により把握する方法で、直接に絶縁材料の熱劣化度を把握することができない。
（２）巻線を機械的に固定、支持する絶縁材料（スロットル部の楔、コイルエンド部の支持物、間隔片等）の劣化度の把握ができない。
（３）また、ＩＥＣ．ｐｕｂ．２１６による耐熱性評価方法は存在するが、この方法では破壊試験、重量減少の試験項目となるため実機の巻線には直接適用できない。このため、回転機の巻線交換等の大幅な修復をせずに、そのまま再使用が可能な試験方法の開発が望まれている。
本発明が目的とするところは、劣化の主要因である熱劣化の進行度を非破壊試験法によって適切に把握できる絶縁劣化診断方法を提供することにある。
本発明の第１は、電気機器絶縁層の熱劣化度を診断するものにおいて、
ＴＧ−ＤＴＡから得られる絶縁材料の重量変化時の熱重量減少曲線の積分曲線の第一次重量減少量と第二次重量減少量の積分減少カーブを微分値に変換して微分ピークとし、更に、ガウス関数を用いて微分多重ピーク分割処理し、得られた第二次重量減少ピーク面積値を第一次重量減少ピーク面積値で徐して重量減量比を算出し、この重量減量比をＴＧ−ＤＴＡの指標値としてＩＥＣ．ｐｕｂ．２１６に準拠して算出された重量減少率との相関をとってマスターカーブを作成し、このマスターカーブと前記電気機器より採取された試料のＴＧ−ＤＴＡによる分析
結果と照合することにより熱劣化度を判断することを特徴としたものである。
ＴＧ−ＤＴＡから得られる絶縁材料の重量変化時の熱重量減少曲線の積分曲線の第一次重量減少量と第二次重量減少量の積分減少カーブを微分値に変換して微分ピークとし、更に、ガウス関数を用いて微分多重ピーク分割処理し、得られた第二次重量減少ピーク面積値を第一次重量減少ピーク面積値で徐して重量減量比を算出し、この重量減量比をＴＧ−ＤＴＡの指標値としてＩＥＣ．ｐｕｂ．２１６に準拠して算出された重量減少率との相関をとってマスターカーブを作成し、このマスターカーブと前記電気機器より採取された試料のＴＧ−ＤＴＡによる分析
結果と照合することにより熱劣化度を判断することを特徴としたものである。
本発明の第２は、前記作成されたマスターカーブに寿命判定基準値領域を設け、劣化度診断はこの寿命判定基準値領域にて行うことを特徴としたものである。
本発明の第３は、前記ＩＥＣ．ｐｕｂ．２１６に準拠して算出された重量減少率に代えて曲げ強度との相関を取ってマスターカーブを作成したことを特徴としたものである。
本発明の第４は、前記マスターカーブは、絶縁層を構成する個別材料若しくは複合材料系毎に作成したことを特徴としたものである。
本発明の第５は、前記電気機器より採取する試料は、使用中の電気機器の絶縁材料であることを特徴としたものである。
以上のとおり、本発明によれば、ＴＧ−ＤＴＡ分析の適用によりＩＥＣ．ｐｕｂ．２１６に準拠して算出された重量減少率との相関を把握することができ、作成されたマスターカーブを用いることにより、破壊試験による絶縁劣化度を容易に、かつ精度よく行うことができるものである。
また、ＴＧ−ＤＴＡ分析に必要な試料は数十ｍｇでよいため、対象とする例えば回転機の巻線に用いられている絶縁材料からの試料採取量は、従来に比較して大幅に減少させることができた。
更には、採取される試料が微量なことから、回転機の巻線交換等の時間、補修時間、人件費等を大幅に短縮若しくは低減することができた。
また、ＴＧ−ＤＴＡ分析に必要な試料は数十ｍｇでよいため、対象とする例えば回転機の巻線に用いられている絶縁材料からの試料採取量は、従来に比較して大幅に減少させることができた。
更には、採取される試料が微量なことから、回転機の巻線交換等の時間、補修時間、人件費等を大幅に短縮若しくは低減することができた。
本発明は、物理化学的分析法である熱重量示差熱分析装置（以下ＴＧ−ＤＴＡという）を使用して測定し、このＴＧ−ＤＴＡによる熱重量減少の試料重量変化時の熱重量減少曲線を用い、従来手法の重量減少率を組み合わせた劣化診断法である。
一般に、熱重量減少法は温度を変化させたときの試料の重量変化を時間又は温度の関数として測定する方法で、無機・有機材料の反応機構の解析や有機材料の耐熱性評価等に広く用いられている。絶縁材料等の高分子材料は熱劣化をおこすと低分子量成分や不安定な末端基を放出して見かけ上安定となる。このような現象から高分子材料の分解開始温度が高温側にシフトして分解機構が低温側の第一次重量減少と高温側の第二次重量減少となり、分解機構が分かれて第一次と第二次の重量比率から高分子材料の劣化度合いを評価することができる。
一般に、熱重量減少法は温度を変化させたときの試料の重量変化を時間又は温度の関数として測定する方法で、無機・有機材料の反応機構の解析や有機材料の耐熱性評価等に広く用いられている。絶縁材料等の高分子材料は熱劣化をおこすと低分子量成分や不安定な末端基を放出して見かけ上安定となる。このような現象から高分子材料の分解開始温度が高温側にシフトして分解機構が低温側の第一次重量減少と高温側の第二次重量減少となり、分解機構が分かれて第一次と第二次の重量比率から高分子材料の劣化度合いを評価することができる。
実際の劣化診断手法としての寿命判定基準は、ＩＥＣ．ｐｕｂ．２１６「電気絶縁材料の耐熱特性決定のためのガイド」の中で、材料の推奨寿命基準点は重量減少率５％の記述がある。したがって、寿命判定基準としては重量減少率５％以上が寿命領域区分となることから、安全領域からの安全率１／２の２．５％未満と定めて警戒領域は２．５％〜５％以内、寿命領域区分５％以上とした仮寿命判定基準を設定した。しかし、実機の絶縁材料の巻線の耐熱性評価での適用では破壊試験による重量減少のため、直接の評価適用ができない。
そこで、評価対象とする回転機の絶縁材料を模擬的に熱劣化加速等により重量減少率特性との相関を予め把握しておき、新に熱分析によるＴＧ−ＤＴＡを取り入れて得られた重量減量比を指標値として重量減少率特性との相関関係からマスターカーブを作成した。評価対象の実機の絶縁材料の巻線に対して機器分析を行うことで、その絶縁材料特性を推測することができ劣化度の仮寿命判定基準から劣化度合いを把握することがてきた。
そこで、評価対象とする回転機の絶縁材料を模擬的に熱劣化加速等により重量減少率特性との相関を予め把握しておき、新に熱分析によるＴＧ−ＤＴＡを取り入れて得られた重量減量比を指標値として重量減少率特性との相関関係からマスターカーブを作成した。評価対象の実機の絶縁材料の巻線に対して機器分析を行うことで、その絶縁材料特性を推測することができ劣化度の仮寿命判定基準から劣化度合いを把握することがてきた。
評価対象とする回転機の絶縁材料の１つであるポリエステル樹脂（Ｒ１５１）を模擬的に熱劣化加速により重量減少率特性の相関を予め把握しておき、新に機器分析を取り入れ、その結果と特性の相関関係からマスターカーブを作成する。
図１はポリエステル樹脂の熱劣化試験の結果図で、重量減少率に対する経過時間を示したものである。
従来の機械分析手法では、図１２で示すように熱重量減少曲線の積分曲線「第一次重量減少量」と「第二次重量減少量」の積分熱重量減少曲線の境界層を黙視判断により判別し、第二次重量減少量を第一次重量減少量で除して重量減量を算出している。したがって、境界層の目視判断に伴って再現性が悪く、解析精度が非常に悪くなっている。
図１はポリエステル樹脂の熱劣化試験の結果図で、重量減少率に対する経過時間を示したものである。
従来の機械分析手法では、図１２で示すように熱重量減少曲線の積分曲線「第一次重量減少量」と「第二次重量減少量」の積分熱重量減少曲線の境界層を黙視判断により判別し、第二次重量減少量を第一次重量減少量で除して重量減量を算出している。したがって、境界層の目視判断に伴って再現性が悪く、解析精度が非常に悪くなっている。
これに対して本発明では、サンプル調整された試料をＴＧ−ＤＴＡによって分析して熱重量減少曲線の積分曲線「第一次重量減少量」と「第二次重量減少量」の積分減量カーブを、市販の汎用統計ソフトウエアにて微分値に変換して微分ピークにする。更に、ガウス関数を用いて微分多重ピーク分割処理を施した。
図２がＴＧ−ＤＴＡによる測定結果図で、ポリエステル樹脂の微分ピーク分離処理後の波形である。次に、分離処理された第二次重量減少ピーク面積値を第一次重量減少ピーク面積値で割って重量減少率を算出する。
ここで得られた重量減量比をＴＧ−ＴＤＡ分析の指標値とし、従来手法（ＩＥＣ ｐｕｂ．２１６）による重量減量率結果との相関を取って図３で示すようなマスターカーブを作成し、このマスターカーブを用いて劣化診断・余寿命推定を行うものである。
図２がＴＧ−ＤＴＡによる測定結果図で、ポリエステル樹脂の微分ピーク分離処理後の波形である。次に、分離処理された第二次重量減少ピーク面積値を第一次重量減少ピーク面積値で割って重量減少率を算出する。
ここで得られた重量減量比をＴＧ−ＴＤＡ分析の指標値とし、従来手法（ＩＥＣ ｐｕｂ．２１６）による重量減量率結果との相関を取って図３で示すようなマスターカーブを作成し、このマスターカーブを用いて劣化診断・余寿命推定を行うものである。
図３のマスターカーブは、横軸の重量減少率に対し、縦軸に機器分析の重量減量比を指標値としたものである。同図で示すように、モデル例として重量減少率２．５％未満を安全領域、２．５〜５．０％を警戒領域、５．０％以上を寿命領域の区分として寿命判定基準値を仮に設定した。このようなマスターカーブから機器分析（ＴＧ−ＤＴＡ）の指標値に対する重量減少率を割り出し、この関係を仮設定した寿命判定基準値から熱劣化の進行度を把握して余寿命を推定するもので、ポリエステル樹脂についての効果を確認した。
図４は、回転機に使用している絶縁ワニスＶ１４０へ適用したマスターカーブ例を示したものである。
マスターカーブの作成手順は、図３と同様に行って効果（マスターカーブ）を確認した。
マスターカーブの作成手順は、図３と同様に行って効果（マスターカーブ）を確認した。
図５は、回転機に使用している絶縁ベークライトへの適用例を示したマスターカーブの結果図である。
マスターカーブの作成手順は、図３と同様に行って効果を確認した。
図６は、回転機に使用している絶縁プレスボードへの適用例を示したマスターカーブの結果図である。
マスターカーブの作成手順は、図３と同様に行って効果を確認した。
なお、図５と図６の絶縁プレスボードと絶縁ベークライトについては、各材料の曲げ強度低下率との相関を取ってマスターカーブを作成し、測定したところその効果が確認できた。この場合の寿命基準点は、強度低下率が初期値に対して５０％未満の場合を材料の寿命基準点とした。
マスターカーブの作成手順は、図３と同様に行って効果を確認した。
なお、図５と図６の絶縁プレスボードと絶縁ベークライトについては、各材料の曲げ強度低下率との相関を取ってマスターカーブを作成し、測定したところその効果が確認できた。この場合の寿命基準点は、強度低下率が初期値に対して５０％未満の場合を材料の寿命基準点とした。
図７は、回転機に使用しているポリエステル樹脂＋ガラステープよりなる複合材料系への適用例を示したマスターカーブの結果図である。
マスターカーブの作成手順は、図３と同様に行って効果を確認した。
マスターカーブの作成手順は、図３と同様に行って効果を確認した。
図８は、回転機に使用しているポリエステル樹脂＋ガラステープ＋半導電性塗料よりなる複合材料系への適用例を示したマスターカーブの結果図である。
マスターカーブの作成手順は、図３と同様に行って効果を確認した。
マスターカーブの作成手順は、図３と同様に行って効果を確認した。
図９は、回転機に使用しているポリエステル＋Ｖ１４０ワニス＋集成マイカ＋ガラステープよりなる複合材料系への適用例を示したマスターカーブの結果図である。
マスターカーブの作成手順は、図３と同様に行って効果を確認した。
マスターカーブの作成手順は、図３と同様に行って効果を確認した。
図１０は、回転機に使用しているエポキシ（Ｒ１４４１）樹脂＋ガラステープよりなる複合材料系への適用例を示したマスターカーブの結果図である。
マスターカーブの作成手順は、図３と同様に行って効果を確認した。
マスターカーブの作成手順は、図３と同様に行って効果を確認した。
図１１は、回転機に使用しているエポキシ（Ｒ１４４１）樹脂＋ガラステープ＋Ｖ１４０ワニスよりなる複合材料系への適用例を示したマスターカーブの結果図である。
上記した各実施例を踏まえて、実際にＭ変電所において使用中の水車発電機の固定子コイルエンド部より採取して適用した。使用中の水車発電機の固定子コイルエンド部よりポリエステル樹脂を採取してＴＧ−ＤＴＡ測定を行い、先に作成したマスターカーブ及び表１で示す劣化判定基準表から絶縁劣化診断判定を実施した。
表２はその劣化診断の判定結果で、Ｍ変電所に使用中の水車発電機は警戒領域と寿命領域の境界域にあることが確認され、絶縁材料自体は劣化から寿命に移行する時期であることが判明した。この結果から、従来の電気試験法による評価より、熱分析によるＧＴ−ＤＴＡを取り入れることによって回転機類の絶縁診断が定量的に判定できて信頼性が高まる。
更に、回転機の固定子巻線を構成する絶縁部材としては、ポリエステル樹脂以外の種々の材料が使用されている。使用中の各絶縁材料についても本発明の適用の可否を検証したところ、何れも従来の電気試験法による評価より絶縁診断が定量的に判定でき、信頼性が高まることが分かった。
図１３は絶縁布ベークのマスタカーブを示したもので、この絶縁布マスタカーブは、Ｎ変電所に使用中の水車発電機の固定子から採取した絶縁布ベークから試料を採取してＴＧ−ＤＴＡ測定を行って作成したものである。
表３はその絶縁劣化診断判定の結果で、Ｎ変電所に使用中の水車発電機の重量減少率は３８．７５％であって警戒領域であることが確認され、絶縁材料自体は劣化が進んでいることが分かった。
表４はＦ変電所に使用中の水車発電機の固定子の絶縁劣化診断結果を示したものである。すなわち、Ｆ変電所に使用中の水車発電機の固定子の絶縁プレスボードから試料を採取してＴＧ−ＤＴＡ測定を行ない、図６で示すマスタカーブから絶縁劣化診断判定を行ったもので、引張強度定価率が３１．２７％であった。この値は表１で示す劣化判定基準によると警戒領域であることが確認され、絶縁材料自体は劣化が進んでいることが分かった。
図１４は回転機に使用している絶縁縛り紐に適用した場合のマスタカーブを示したもので、マスターカーブの作成手順は、図３と同様に行って他の絶縁材料と同様の効果が確認された。
以上のように、本発明においては、機器分析ＴＧ−ＤＴＡから得られる絶縁材料の重量変化時の熱重量減少曲線の積分曲線の第一次重量減少量と第二次重量減少量の積分減少カーブを微分値に変換して微分ピークとする。更に、微分多重ピーク分割処理にはガウス関数を用いて分割処理し、第二次重量減少ピーク面積値を第一次重量減少ピーク面積値で割って重量減量比を算出する。ここで得られた重量減量比を機器分析の指標値として従来手法で得られた重量減少率の結果と相関をとってマスターカーブを作成したものである。
マスターカーブが作成される絶縁材料は、何れも回転機の固定子巻線等に使用されているもであるが、寿命試験評価にあたっては、所望の部分より絶縁材料をヤスリ等によって僅かを採取し、それを調整してＴＧ−ＤＴＡによって分析する。分析した結果と先に作成された図３の如きマスターカーブとを照らし合わせ、その寿命判定基準より熱劣化度を把握するものである。
したがって、本発明によって作成されたマスターカーブを用いることにより、破壊試験によって熱劣化度を精度よく把握することができる。
マスターカーブが作成される絶縁材料は、何れも回転機の固定子巻線等に使用されているもであるが、寿命試験評価にあたっては、所望の部分より絶縁材料をヤスリ等によって僅かを採取し、それを調整してＴＧ−ＤＴＡによって分析する。分析した結果と先に作成された図３の如きマスターカーブとを照らし合わせ、その寿命判定基準より熱劣化度を把握するものである。
したがって、本発明によって作成されたマスターカーブを用いることにより、破壊試験によって熱劣化度を精度よく把握することができる。
ＴＧ−ＤＴＡ…熱重量示差熱分析装置
Ｒ１５１…ポリエステル
Ｒ１４４１…エポキシ
Ｒ１５１…ポリエステル
Ｒ１４４１…エポキシ
Claims (5)
- 電気機器絶縁層の熱劣化度を診断するものにおいて、
ＴＧ−ＤＴＡから得られる絶縁材料の重量変化時の熱重量減少曲線の積分曲線の第一次重量減少量と第二次重量減少量の積分減少カーブを微分値に変換して微分ピークとし、更に、ガウス関数を用いて微分多重ピーク分割処理し、得られた第二次重量減少ピーク面積値を第一次重量減少ピーク面積値で徐して重量減量比を算出し、この重量減量比をＴＧ−ＤＴＡの指標値としてＩＥＣ．ｐｕｂ．２１６に準拠して算出された重量減少率との相関をとってマスターカーブを作成し、このマスターカーブと前記電気機器より採取された試料のＴＧ−ＤＴＡによる分析
結果と照合することにより熱劣化度を判断することを特徴とした電気機器絶縁材料の劣化診断方法。 - 前記作成されたマスターカーブに寿命判定基準値領域を設け、劣化度診断はこの寿命判定基準値領域にて行うことを特徴とした請求項１記載の電気機器絶縁材料の劣化診断方法。
- 前記ＩＥＣ．ｐｕｂ．２１６に準拠して算出された重量減少率に代えて曲げ強度との相関を取ってマスターカーブを作成したことを特徴とした請求項１又は２記載の電気機器絶縁材料の劣化診断方法。
- 前記マスターカーブは、絶縁層を構成する個別材料若しくは複合材料系毎に作成したことを特徴とした請求項１乃至３記載の何れかの請求項の電気機器絶縁材料の劣化診断方法。
- 前記電気機器より採取する試料は、使用中の電気機器の絶縁材料であることを特徴とした請求項１乃至４記載の何れかの請求項の電気機器絶縁材料の劣化診断方法。
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