JP5466572B2 - 静止誘導電器の流動帯電診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁・冷却媒体として鉱油を用いた、鉱油入りの静止誘導電器の流動帯電診断方法およびこれを用いた静止誘導電器に関する。

一般に、油入変圧器などの静止誘導電器は、タンク内の鉱油などの絶縁冷却媒体中に、鉄心と、前記鉄心に装着され絶縁紙が巻回された電線からなるコイルと、コイル絶縁用及び絶縁媒体の冷却通路構成用の絶縁体を備えた巻線とが浸漬されている。

このような静止誘導電器の内部において絶縁冷却媒体が自然対流または加圧により流動することによって、絶縁冷却媒体と絶縁紙あるいは固体絶縁体との界面で電荷の分離が生じ、絶縁紙や固体絶縁体では静電気帯電が起こる。絶縁紙や固体絶縁体に蓄積された電荷密度が高くなると、その部分の直流電位が上昇して静電気放電が発生し、静電気放電が進展すると絶縁破壊を起こす可能性がある。この現象は流動帯電として一般に知られている。

非特許文献１には、変圧器の流動帯電を診断する方法として、変圧器巻線の漏れ電流測定や、ミニ静電テスタによる絶縁油の帯電度測定などが記載されている。

しかし、非特許文献２によれば、近年、経年変圧器においてミニ静電テスタで測定した絶縁油の帯電度が管理値以下であっても静電気放電が発生する事例がみられ、絶縁体の高帯電度化についても評価が必要であること、硫黄化合物等の油中微量成分の酸化劣化が経年変圧器における流動帯電現象の一因と考えられることが記載されている。

特許文献１には、絶縁油に含まれるスルフォキシドの濃度およびスルフィドの濃度をそれぞれ測定し、スルフォキシド濃度と（スルフォキシド濃度）／（スルフォキシド濃度＋スルフィド濃度）とに基づいて帯電度の予測を行う流動帯電診断方法が記載されている。

特許文献２には、絶縁油中に存在する硫黄化合物および硫黄化合物の酸化により生成される硫黄酸化物の油入電気機器内部の環境における物質毎の帯電度を予め調査しておき、油入電気機器に充填された絶縁油中に存在する硫黄化合物および硫黄酸化物の含有量を物質毎に検出して指標物質とし、その含有量と指標物質毎の検出された含有量と対応する指標物質の予め調査した帯電度とに基づいて、流動帯電性を診断する油入電気機器の流動帯電診断方法が記載されている。

特許文献３には、電気絶縁油をシリカゲル、アルミナなどの吸着材に通して、電気絶縁油に含有される硫黄系、窒素系のへテロ化合物を吸着させ、吸着材から油分を除去した後、ジクロロメタンから成る溶剤を吸着材に通して硫黄系化合物を溶剤と共に回収し、分析装置で分析して、電気絶縁油中のスルフォキシド量を測定し、スルフォキシド量と相関関係にある電気絶縁油の劣化度を評価する方法が記載されている。

特許文献４には、絶縁油試料を、酢酸バッファーを添加した弱酸性下で、エチルバイオレット溶液、水および無極性溶媒と接触せしめ、無極性溶媒相に生成する色を、比色計を用いて比色することで、絶縁油中のスルホン酸型硫黄分を定量することを特徴とする絶縁油中のスルホン酸型硫黄分の定量方法が記載されている。

特許文献５には、絶縁油中の溶解銅および硫酸イオンの和から絶縁油の硫化腐食性を診断する油入電気機器の診断方法が記載されている。

特開２００８−２２４５１４号公報 特開２００５−２２３１０４号公報 特開２００１−６９４６号公報 特開２００９−１５０７４３号公報 特開平７−３３５４４６号公報

電気協同研究、第５４巻、第５号（１）「油入変圧器の保守管理」 電力用変圧器保守管理専門委員会著、社団法人電気協同研究会平成１１年２月発行 電学論Ｂ、１２８巻３号、２００８年

特許文献１、あるいは特許文献２記載の方法で帯電度の予測を行う場合、絶縁油に含まれる微量のスルフォキシドの濃度およびスルフィドの濃度をそれぞれ測定する必要がある。このため、例えば特許文献３〜５に記載のあるように、吸着剤による絶縁油からの抽出、吸着剤からのスルフォキシド、あるいはスルフィドの脱着といった操作の後、ガスクロマトグラフまたは液体クロマトグラフにより定量する必要があり、煩雑であり、時間やコストもかかるという問題があった。

本発明の目的は、簡便で高精度な静止誘導電器の流動帯電診断方法を提供することである。

本発明は、変圧器本体内の鉱油を有する絶縁冷却媒体中に、鉄心と、前記鉄心に装着さ
れた絶縁紙が巻回された電線からなるコイルと、コイル絶縁用絶縁体及び前記絶縁冷却媒
体の冷却通路を構成する絶縁体を浸漬してなる静止誘導電器において、前記絶縁紙又は絶
縁体表面のＣａ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇから選ばれた１種である金属成分を分析定量することにより、鉱油の劣化状態、ならびに静止誘導電器の流動帯電性を診断することを特徴とする。

また、絶縁体はボード材から構成されたことを特徴とする。

また、絶縁紙又は絶縁体表面の金属成分の量から、表面に吸着した硫化物の量を推定することを特徴とする。

また、金属成分は、Ｃａ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇから選ばれた１種であることを特徴とする。

また、金属成分を分析定量する分析方法は、ＸＰＳ分析法、蛍光Ｘ線分析法、ＩＣＰ分析法、ＥＤＸ分析法、ＸＭＡ分析法のいずれかを用いることを特徴とする。

さらに、変圧器本体内の鉱油よりなる絶縁冷却媒体中に、鉄心と、前記鉄心に装着された絶縁紙が巻回された電線からなるコイルと、コイル絶縁用絶縁体及び前記絶縁冷却媒体の冷却通路を構成する絶縁体を浸漬してなる静止誘導電器において、前記静止誘導電器に前記絶縁体と同一材料からなる分析用サンプルを着脱自在に設け、分析装置により前記分析用サンプル表面の金属成分を分析定量することにより鉱油の劣化状態、ならびに静止誘導電器の流動帯電性を診断することを特徴とする。

本発明によれば、前記絶縁紙又は絶縁体表面のＣａ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇから選ばれた１種である金属成分を分析、定量することにより、分離、抽出、濃縮といった操作を必要とせず、簡便かつ高精度に鉱油の劣化状態、ならびに静止誘導電器の流動帯電性を診断する静止誘導電器の流動帯電診断方法及び装置を提供することができる。

本発明の実施例１の油入変圧器を示す縦断面図 経年プレスボード表面のＸＰＳ分析結果を示すグラフ 経年プレスボード内部のＸＰＳ分析結果を示すグラフ 本発明の流動帯電性の管理方法を説明するグラフ 本発明の実施例２の構成を示すブロック図

以下に本発明の実施形態について、図面に説明する。

本発明の流動帯電診断方法を適用する絶縁冷却媒体として鉱油を用いた、鉱油入りの静止誘導電器の一例として油入変圧器を説明する。図１は油入変圧器を示す縦断面図である。

鉄芯１の下部に取り付けた下部支持金具２の上に絶縁支持台３ａを置き、この絶縁支持台３ａ上にコイル間スペーサ４ａと円板コイル５ａを交互に積み重ねて低圧巻線６を形成している。低圧巻線６の最上部には静電シールド７ａが置かれる。低圧巻線６の外側に直線スペーサ８を当て、その外側に絶縁紙を巻回して絶縁筒９を形成し、更に、その外側に同様の直線スペーサ８と絶縁筒９を配置して主絶縁１０を形成している。

主絶縁１０の最も外側に位置する直線スペーサ８の外側に電線を締め付けながら巻回して円板コイル５ｂを形成し、この円板コイル５ｂとコイル間スペーサ４ｂを交互に積み重ねて高圧巻線１１を構成している。高圧巻線１１の最上部には静電シールド７ｂが設けられる。

このように形成した低圧及び高圧巻線６、１１の上部には絶縁支持台３ｂを乗せ、更にその上に押しボルト１３を装着した上部支持金具１２を乗せて鉄芯１に取り付ける。そして、押しボルト１３で絶縁支持台３ｂに荷重を加え、低圧及び高圧巻線６、１１を締め付けて巻線本体を構成している。

高圧巻線１１の上端から高圧リード線１４を引き出して高圧ブッシング１５に接続するが、その際、上部支持金具１２から、高圧リード線１４が入るような穴をあけた支持腕木１６を出し、この穴に高圧リード線１４を納めてリード線１４の途中を支持している。また、高圧リード線の周囲との絶縁距離が小さい部分についてはスペーサ１７を介して絶縁紙を巻回してリード線バリヤ１８を配置している。これらすべては鉱油２１を満たした変圧器本体２０内に収納して円板巻の変圧器巻線２２が構成されている。

絶縁用及び絶縁油の冷却通路構成用絶縁体として用いられるコイル間スペーサ４ａ、４ｂ、直線スペーサ８の材料としては従来よりクラフトパルプからなるプレスボード等のボード材が広く用いられている。

油入変圧器の運転時には、油入変圧器の内部において絶縁冷却媒体である鉱油が対流等により流動することによって、鉱油とコイル間スペーサ４ａ、４ｂ、直線スペーサ８などのボード材からなる固体絶縁体との界面で電荷の分離が生じ、固体絶縁体では静電気帯電が起こる。

非特許文献２には、経年変圧器から採取したプレスボードの帯電電位が増大すること、経年プレスボード表面に吸着している硫黄化合物のうち、スルフィドの量と帯電電位増加との間に明確な相関は見られないのに対し、スルフォキシドの量と帯電電位増加との間に相関があることが記載されている。しかしながら、プレスボード表面に吸着しているスルフィド、スルフォキシドなどの硫黄化合物を識別し、定量するためにはプレスボードから硫黄化合物を溶剤で抽出し、分離、抽出、濃縮してガスクロマトグラフ等により定量する必要があり、煩雑であり、時間やコストもかかるという問題があった。

このため、分離、抽出、濃縮といった操作を必要としない、簡便でかつ高精度な静止誘導電器の流動帯電診断方法を提供するために鋭意検討した結果、新品のプレスボードと比べて、ヘキサンで洗浄して油成分等を除去した後の経年プレスボード表面にはＣａが高濃度で存在すること、また、Ｃａ濃度は表面のＳ（硫黄）の濃度と相関が高いことを初めて見出した。

新品のプレスボード、および経年変圧器から採取したプレスボードをヘキサンで洗浄して油成分等を除去した後、表面をＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy:Ｘ線光電子分光分析）で分析した結果を図２に示す。また、経年プレスボード内部のＸＰＳ分析結果を図３に示す。

図２より、経年プレスボード表面のＣａ量はＳ量と良い相関があることがわかる。油成分を除去するためにヘキサンで洗浄していることから、表面に残っているＳ成分はＣａと強く相互作用していると考えられる。すなわち、スルフィド類のような極性の低い成分は、非極性の溶剤であるヘキサンで洗浄することにより油成分とともに溶出すると考えられ、Ｃａなどのイオン成分と相互作用が強いと考えられるスルフォキシド類等がプレスボード表面に残っていると考えられる。しかしながら、ＸＰＳではスルフィド類とスルフォキシド類とを明確に識別することはできない。

一方、図３より、経年プレスボード表面と比べて内部のＳ濃度、Ｃａ濃度は低く、新品のプレスボードとほとんど変わらないことがわかった。経年プレスボード表面のＣａが増加する詳細なメカニズムは不明だが、一つの可能性として、絶縁油中に溶解するわずかな金属イオンがプレスボード表面に吸着したことが考えられる。しかし、通常、変圧器タンク内部にはＣａの供給源はほとんど無いと考えられることから、経年劣化で生成したスルフォキシド等の極性の高い化合物がプレスボード表面に吸着することにより、Ｃａイオンがスルフォキシド等に吸引されプレスボード内部から表面へＣａの移動拡散が生じてプレスボード表面のＣａ濃度が高くなることなどが考えられる。表面にイオン性のＣａが蓄積されることで、経年プレスボード表面の帯電電位が増大するものと考えられる。従ってＣａ濃度の分析により静止誘導電器の流動帯電性を診断することが可能となる。

また、絶縁紙又は絶縁体表面のＣａを分析、定量することにより、Ｃａ濃度と相関が高いＳ成分の濃度を評価することができる。前述した通り、絶縁体表面のＳ成分はＣａなどのイオン成分と相互作用が強いと考えられるスルフォキシド類等と考えられ、新品の鉱油に不純物として含まれる極性の低いスルフィド類等ではなく、このスルフィド類等の硫黄化合物の劣化によって生成した、スルフォキシド類のような極性の高い化合物が吸着していると考えられる。このことから、絶縁体表面のＣａを分析、定量することにより、鉱油の劣化状態を診断することも可能となる。

変圧器に用いられる絶縁紙はクラフトパルプから製造されるが、クラフトパルプ中には水酸基や、ある程度のカルボキシル基が存在する。このため、Ｃａなどの金属イオンは、絶縁紙を製造する過程で、これらの極性基に捕捉されるものと考えられる。金属成分としては、絶縁紙中に最も多く含まれているＣａを分析するのが効率がよいが、絶縁紙中にはＣａ以外にもＮａ、Ｋ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｆｅなどの金属元素成分が含まれている。従ってこれらの成分を分析しても良く、同等の結果を得ることができる。また、鉱油中に溶出したＣｕイオンがプレスボード表面に吸着することが知られていることから、Ｃｕイオンを分析しても良い。さらに、経年変化した絶縁紙中に存在するＳを分析することで、診断の精度をさらに向上することができる。

絶縁体表面に析出した微量金属元素であるＣａ等を分析、定量する分析方法としては、上記ＸＰＳのほかに、蛍光Ｘ線分析、ＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma:誘導結合プラズマ法）、ＳＥＭに装着して使用されるＥＤＸ(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy:分散分光法)、ＸＭＡ(X-ray Micro Analyzer:Ｘ線マイクロアナライザ)分析等を用いることができる。

予め絶縁紙又は絶縁体表面のＣａの量と、静止誘導電器の流動帯電性とを関連付けておくことにより、絶縁紙又は絶縁体表面の分析結果に基づく流動帯電性の診断が可能である。例えば、絶縁紙又は絶縁体表面の分析を定期的に行い、得られたＣａの量の分析値が所定値以上になった場合に、静止誘導電器の流動帯電性が増大したと判定する。

流動帯電性の管理方法を説明するグラフを図４に示す。図４には運転時間に対して、分析によって得られる絶縁紙又は絶縁体表面のＣａの量をプロットしたものと、静止誘導電器の流動帯電性を判定するために予め適宜設定されたＣａの量の所定値（破線）とが示されている。静止誘導電器の流動帯電性が増大していると判定された場合、機器の運転停止や、日常の点検項目において機器の異常の有無を確認したり、鉱油を採取してさらに状態を詳細に分析する。また、劣化の度合いに応じて、定期点検時等機器を停止した際に、鉱油の一部、または全部を交換することで変圧器の故障を未然に防ぐことが可能となる。

図５は、本発明の実施例２を示すブロック図である。図５において、３０は油入変圧器に用いられる絶縁体と同じ材質の絶縁体からなる分析用サンプルであり、鉱油を透過可能なカプセル３１内に収納され、分析の際に油入変圧器内から取り出され、油入変圧器外部の分析装置で分析される。これにより、直接絶縁体を分析するのに比較して、簡便に分析を行うことができる。

１ 鉄芯
６ 低圧巻線
８ 直線スペーサ
９ 絶縁筒
１０ 主絶縁
１１ 高圧巻線
１７ スペーサ
２０ 変圧器本体
２１ 鉱油
２２ 変圧器巻線
３０ 分析用サンプル
３１ カプセル

Claims (3)

1. 変圧器本体内の鉱油を有する絶縁冷却媒体中に、鉄心と、前記鉄心に装着された絶縁紙が巻回された電線からなるコイルと、コイル絶縁用絶縁体及び前記絶縁冷却媒体の冷却通路を構成する絶縁体を浸漬してなる静止誘導電器において、前記絶縁紙又は絶縁体表面の金属成分を分析定量することにより、鉱油の劣化状態、ならびに静止誘導電器の流動帯電性を診断するとともに、前記金属成分は、Ｃａ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇから選ばれた１種であることを特徴とする静止誘導電器の流動帯電診断方法。
2. 請求項１に記載された静止誘導電器の流動帯電診断方法において、前記絶縁体はボード材から構成されたことを特徴とする静止誘導電器の流動帯電診断方法。
3. 請求項１又は２に記載された静止誘導電器の流動帯電診断方法において、前記金属成分を分析定量する分析方法は、ＸＰＳ分析法、蛍光Ｘ線分析法、ＩＣＰ分析法、ＥＤＸ分析法、ＸＭＡ分析法のいずれかを用いることを特徴とする静止誘導電器の流動帯電診断方法。

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