JP5636343B2 - 油入静止誘導電器および油入静止誘導電器の流動帯電抑制方法 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁・冷却媒体として鉱油、植物油、エステル油、合成エステル油、シリコーン油などを用いた、絶縁媒体入りの静止誘導電器及びその流動帯電抑制方法に関する。

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を含むコイルと、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。

絶縁冷却媒体として鉱油などの絶縁油を用いた、油入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。

絶縁部分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から、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。

このような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、たとえば鉱油が自然対流または加圧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。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。このため、絶縁物の帯電特性を把握し、帯電度増加を抑制する、油入静止誘導電器の流動帯電抑制方法の開発が求められている。

非特許文献１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。

非特許文献２には、一般に巻線下部は電荷発生が大きくなり、流動帯電上注意が必要であることが記載されている。

特許文献１には、油循環経路の途中に油中の銅イオンと反応して油に不溶な固体生成物を生じる物質を収納する容器、および該反応によって生じた固体生成物を回収するための手段を上記収納容器の油吐出側に設けることが記載されている。

特許文献２には、絶縁油に添加剤を加えること、および絶縁油中の硫黄化合物、窒素化合物を吸着剤で除去することによる油入変圧器の流動帯電抑制方法が記載されている。

特許文献３には、イオン交換樹脂またはイオン交換膜を利用して、前記絶縁油の帯電特性に影響を及ぼすイオン成分を前記絶縁油から除去することにより、高帯電度化を抑制することが記載されている。

特開昭６１−１６８２１８号公報 特許第４４９４８１５号 特開２００８−２２４５１４号公報

電学論Ｂ、１２８巻３号、２００８年 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

特許文献１記載の方法は、絶縁油中の銅イオンを除去するため、ベンゾトリアゾールをセルロース系材料に吸着させたものを、絶縁油の循環経路に設置しているが、他のイオン性物質、特にＣａイオンなどのアルカリ土類金属イオン、Ｎａイオンなどのアルカリ金属イオンについては十分に除去することができないという問題があった。

特許文献２記載の方法は、絶縁油中の硫黄化合物、窒素化合物を吸着剤で除去するものであり、イオン性物質、特に陽イオンについては十分に除去することができないという問題があった。

特許文献３記載の方法は、イオン交換樹脂またはイオン交換膜を利用して、前記絶縁油の帯電特性に影響を及ぼすイオン成分を前記絶縁油から除去するものであるが、イオン交換樹脂またはイオン交換膜の配置に関する記載は無く、しかも油中のイオン性物質を効果的に除去することができないという問題があった。また、本発明者の検討によれば、イオン交換樹脂を絶縁油中又はその循環系統に設置した場合、イオン交換樹脂が捕捉したイオンがイオン交換樹脂から放出され、絶縁紙や絶縁体に蓄積して、かえって高帯電度化を助長することになることを見出した。

本発明の目的は、油入静止誘導電器において、巻線の絶縁物表面における静電気帯電を抑制すること、および、経年劣化による流動帯電の増大を抑制することである。

本発明は、静止誘導電器本体内の絶縁冷却媒体中に、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油入静止誘導電器において、前記絶縁冷却媒体中のＬｉイオン、Ｎａイオン、Ｋイオン、Ｃａイオン、Ｍｇイオン及びＦｅイオンからなる群から選ばれた少なくとも１種類のイオンを吸着、捕捉するための吸着剤を前記静止誘導電器内の前記絶縁冷却媒体中及び／又は前記絶縁冷却媒体の循環経路中に設置したことを特徴とする油入静止誘導電器に関する。

さらに、静止誘導電器本体内の絶縁冷却媒体中に、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、前記絶縁冷却媒体中のＬｉイオン、Ｎａイオン、Ｋイオン、Ｃａイオン、Ｍｇイオン及びＦｅイオンからなる群から選択された少なくとも１種のイオンを吸着、捕捉する吸着剤を前記静止誘導電器内の前記絶縁冷却媒体中及び／又は前記絶縁冷却媒体の循環経路中に設置し、前記絶縁媒体から前記イオンを除去して静電気帯電を抑制することを特徴とする流動帯電抑制方法に関する。

本発明において、絶縁冷却媒体とは、鉱油、植物油、天然エステル油、合成エステル油、シリコーン油などを含むが、本発明は特に鉱油、植物油、天然ンエステル油、合成エステル油に対して有効であり、特に最も広く使用されている鉱油を用いた静止誘導電器において金属イオンの吸着、捕捉の効果が顕著である。なお、植物油、天然エステル油、合成エステル油、シリコーン油についてはその性質、合成法などは当該技術分野でよく知られており、明細書が冗長になるのを避けるため詳細な説明は省略する。

イオンを捕捉するとは、絶縁油中に存在する前記イオンを吸着剤が吸着・捕捉して、なるべく絶縁油に再放出させないことであり、吸着剤が飽和吸着量に到達する前あるいは到達と略同時に、絶縁油からイオンを捕捉した吸着剤を取り出して新しい吸着剤と交換することにより、絶縁油から有害なイオンを除去する。また、静止誘導電器としては、各種変圧器、変流器などを含む。

本発明において、絶縁紙とはパルプ原料から抄紙技術によって製造されたものであり、コイルの絶縁として使用され、プレスボードは図４に示すように、絶縁紙２３を湿分のあるうちに複数枚積層、圧縮、接着したもの、又は厚く抄紙したものを圧縮したもので、主として絶縁性成形体を作るためのものである。

本発明によれば、油入静止誘導電器において、経年劣化による絶縁物の流動帯電の増大を抑制することができる。

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。 新品プレスボード内部のＸＰＳ分析結果を示すグラフ。 本発明の実施例１の構成を示す模式図。 本発明の実施例２の構成を示す概略図。 図５のブロック図の上面概略図。

特許文献１においてはベンゾトリアゾールと絶縁油中の銅イオンとの錯体を形成して銅イオンを除去する技術を開示するが、ベンゾトリアゾールと銅イオンとが配位結合することにより、絶縁油に不溶の化合物を形成して銅イオンを除去するものである。

非特許文献１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。

一方、静止誘導電器の流動帯電抑制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３Ａ，図３Ｂより、経年プレスボード内部のＳ濃度、Ｃａ濃度は、経年プレスボード表面のＳ濃度と比べて低く、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。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、経年プレスボード表面へのＣａの蓄積を抑制することにより、経年プレスボード表面の帯電電位を抑制することが可能となる。

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。

絶縁紙中にはＣａ以外にもＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、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は油中に溶出する可能性がある。絶縁紙中に含まれている金属元素成分が油中に溶出したものを吸着、捕捉し、経年プレスボード表面への蓄積を抑制することができる。絶縁紙中に多く含まれているＣａ、Ｎａを吸着、捕捉するのと効率が良いが、絶縁紙中に含まれるＣａ、Ｎａ以外のＬｉ、Ｋ、Ｍｇ、Ｆｅなどの金属元素成分の蓄積を抑制しても良い。

前記吸着剤としては、セルロース、シクロデキストリン、クラウンエーテル、ポリアルキレングリコールからなる群から選択された１以上が用いられる。

以下に本発明の実施形態について、図面に説明する。

図５は、本発明の実施例１の構成を示したものである。油入り変圧器において、運転時、巻線の上部ほど油の温度は高くなっている。このため、絶縁紙中に含まれる金属元素成分は、油中に溶出し易いと考えられる。この高温部で絶縁紙から油中に溶出した金属成分を吸着、捕捉することで、巻線下部の絶縁物への金属成分の吸着を抑制することができる。

油入変圧器の鉄心１を冷却するための絶縁油が変圧器内を対流により循環する。変圧器の上部は下部に比べて高温となりそれだけ絶縁油中に遊離する陽イオン濃度が、下部より高くなる。そこで、油中の金属元素成分を吸着、捕捉するための吸着剤３０をタンクの上部に設けることが１つの対策として提案される。なお、変圧器内を循環する絶縁油は温度低下とともに下部に移動するが、その際絶縁油に溶解していた陽イオンを絶縁材たとえば絶縁紙或いは固体絶縁体と接することにより陽イオンを析出しあるいは濃度を高める。その結果、陽イオン濃度が増加して、流動帯電が増加する。従って、変圧器の下方にも吸着剤を設置することは意味のあることである。よって、本実施例において、吸着剤の設置位置は、１か所に限らず複数個所を含む。

図６のように、冷却器を循環させて油を冷却する場合、絶縁油循環経路４１における高温部から低温部に向かう途中に吸着剤を含むフィルター４０を設置することにより、絶縁紙から油中に溶出した金属成分を吸着、捕捉しても良い。この場合も、吸着剤の設置位置は１カ所に限らず、複数個所でもよい。

金属元素イオンを吸着、捕捉するための吸着剤としては、セルロース、シクロデキストリン、クラウンエーテル、ポリアルキレングリコールのうち、少なくとも一つを含む吸着剤などを用いることができる。イオン交換樹脂の場合、金属イオンを捕捉するとプロトンなどの陽イオンを放出する。このため、鉱油などの絶縁油の電気絶縁性を低下させる可能性があり、好ましくない。図５のように、タンクの上部の高温部に吸着剤を設ける場合、吸着力の強いものが好ましい。一方、図６のように、冷却器を循環させて油を冷却する場合、油が巻線下部に流入する前の低温部に吸着剤を設けることも可能である。この場合、吸着剤としてセルロース系の材料である絶縁紙を用いることもできる。

吸着剤の設置位置として、静止誘導電器内または絶縁媒体の循環系統の上部即ち高温部とするときは、絶縁媒体中にＣａイオンなどを吸着捕捉して、高帯電度化を抑制することを目的とする。また、静止誘導電器内の底部又は絶縁媒体の循環系統の底部に設置するときは、絶縁媒体中から絶縁紙又は絶縁体に蓄積するＣａイオンなどを吸着捕捉することによって、高帯電度化を抑制することを目的とする。上記において、上部又は底部とは、絶縁媒体の温度を基準とするもので、上部とは絶縁媒体の温度が高い部分、底部とは絶縁媒体の温度が低い部分である。

また、前記吸着剤は、吸着剤単独で、又はシリカゲルやゼオライトなどに担持させて静止誘導電器内に設置してもよい。

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…吸着剤、４０…フィルター、４１…冷却器。

Claims (10)

1. 静止誘導電器内の絶縁冷却媒体中に、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、
   前記絶縁冷却媒体中のＬｉイオン、Ｎａイオン、Ｋイオン、Ｃａイオン及びＭｇイオンからなる群から選択された少なくとも１種のイオンを吸着、捕捉するための吸着剤を前記静止誘導電器内の前記絶縁冷却媒体中の高温部及び／又は前記絶縁冷却媒体の循環経路中の高温部に設置したことを特徴とする油入静止誘導電器。
2. 請求項１に記載の油入静止誘導電器において、前記吸着剤は、前記絶縁冷却媒体中のＣａイオン及びＮａイオンを吸着、捕捉するものであることを特徴とする油入静止誘導電器。
3. 請求項１に記載の油入静止誘導電器において、前記吸着剤は、前記絶縁冷却媒体中のアルカリ金属イオン及びアルカリ土類金属イオンの少なくとも１種類を吸着、捕捉するものであることを特徴とする油入静止誘導電器。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の油入静止誘導電器において、前記吸着剤は、セルロース、シクロデキストリン、クラウンエーテル、ポリアルキレングリコールからなる群から選択された１以上であることを特徴とする油入静止誘導電器。
5. 前記絶縁冷却媒体は鉱油、植物油、エステル油、合成エステル油及びシリコーン油の１以上であることを特徴とする請求項１記載の油入静止誘導電器。
6. 前記絶縁冷却媒体は鉱油であることを特徴とする請求項１記載の油入静止誘導電器。
7. 静止誘導電器本体内の絶縁冷却媒体中に、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ける前記絶縁冷却媒体中のＬｉイオン、Ｎａイオン、Ｋイオン、Ｃａイオン及びＭｇイオンを吸着、捕捉する吸着剤を前記静止誘導電器本体内の前記絶縁冷却媒体中の高温部及び／又は前記絶縁冷却媒体の循環経路中の高温部に設置し、前記絶縁冷却媒体から除去することを特徴とする油入静止誘導電器の流動帯電抑制方法。
8. 請求項７に記載の油入静止誘導電器の流動帯電抑制方法において、前記吸着剤は、前記絶縁冷却媒体中のアルカリ金属イオン及びアルカリ土類金属イオンの少なくとも１種類を吸着、捕捉するものであることを特徴とする油入静止誘導電器の流動帯電抑制方法。
9. 請求項７に記載の油入静止誘導電器の流動帯電抑制方法において、前記吸着剤は、前記絶縁冷却媒体中のＣａイオン及びＮａイオンを吸着、捕捉するものであることを特徴とする油入静止誘導電器の流動帯電抑制方法。
10. 請求項７〜９のいずれかに記載の油入静止誘導電器の流動帯電抑制方法において、前記吸着剤は、セルロース、シクロデキストリン、クラウンエーテル、ポリアルキレングリコールからなる群から選択された１以上であることを特徴とする油入静止誘導電器の流動帯電抑制方法。

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