JP5721548B2

JP5721548B2 - 電気機器の巻線診断システム

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Publication number: JP5721548B2
Application number: JP2011129609A
Authority: JP
Inventors: 久栄中村
Original assignee: Toenec Corp
Current assignee: Toenec Corp
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2031-05-24
Also published as: JP2012242377A

Description

本発明は、工場やビルディング等に設けられた電動機，発電機，変圧器等の電気機器を構成する巻線の状態を診断する電気機器の巻線診断システムに関する。

従来、巻線の良否を診断する手法としては、巻線の両端にインパルス電圧を印加して、そのとき巻線両端で観測される電圧波形が巻線正常時と異常時とで変わることに着目し、ある時間区間でそれらの波形のずれた部分の面積値を求めて良否判定を行うものが提案されている（非特許文献１参照）。

株式会社電子制御国際インパルス巻線試験機ＤＸＷ−０１，０５取扱説明書

しかしながら、上記非特許文献１に開示されている手法では、巻線の良否は判定できるが、短絡には至っていないがコイルの絶縁劣化が進行した状態までは診断することはできないという問題点があった。

ここで本発明は、巻線の良否判定だけではなく、絶縁劣化が進行している巻線に対する危険度を定量的に判断することができる電気機器の巻線診断システムの提供を目的とし、この目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
本発明の電気機器の巻線診断システムは、
電気機器の巻線に対して所定特性のインパルス電圧を印加するインパルス電圧発生回路と、
前記巻線に対して前記所定特性のインパルス電圧が印加された場合に当該巻線の両端に発生した電圧を計測する電圧計測手段と、
診断対象巻線と同特性の正常状態の巻線に対して、前記インパルス電圧と同特性のインパルス電圧を印加したときに当該巻線の両端に発生した電圧を基に、前記インパルス電圧発生回路と当該巻線から構成される回路の等価回路定数の抵抗をＲ、インダクタンスをＬ、キャパシタンスをＣとしたとき、その乗算値であるＬＣとＲＣを、巻線正常時の特徴量として抽出し、該特徴量の代表点を求めるとともに、
診断対象巻線と同特性の巻線において、短絡および絶縁劣化を模擬した状態を再現して、それらの巻線に対して、前記インパルス電圧と同特性のインパルス電圧を印加したときに当該巻線の両端の電圧を基に、前記インパルス電圧発生回路と当該巻線から構成される回路の等価回路定数の抵抗をＲ、インダクタンスをＬ、キャパシタンスをＣとしたとき、その乗算値であるＬＣとＲＣを、巻線短絡時および絶縁劣化時の特徴量として抽出し、巻線短絡時および絶縁劣化時の特徴量の代表点を求めて、絶縁劣化時の特徴量の代表点に対して危険度を表す短絡発生確率を定め、各種短絡時の特徴量の分布の軌跡を考慮して、該巻線絶縁劣化時の短絡発生確率とそのときの特徴量の代表点と、前記巻線正常時の特徴量の代表点を基に、特徴量分布上で巻線絶縁劣化時の特徴量と発生する確率が等しくなる点の集合体の標準偏差を決定しておく演算手段と、
前記標準偏差と前記巻線正常時の特徴量の代表点を記憶しておく診断情報記憶手段と、
診断対象巻線を診断する診断行程において、診断対象巻線に対して前記インパルス電圧発生回路から前記インパルス電圧と同特性のインパルス電圧を印加したときに前記電圧計測手段で計測された電圧に基づいて、前記インパルス電圧発生回路と当該巻線から構成される回路の等価回路定数の抵抗をＲ、インダクタンスをＬ、キャパシタンスをＣとしたとき、その乗算値であるＬＣとＲＣを、診断対象巻線の特徴量として抽出し、該診断対象巻線の特徴量と、前記診断情報記憶手段に記憶させておいた巻線正常時の特徴量の代表点と標準偏差を用いて確率値を導出し、該確率値から、診断対象巻線が正常か、絶縁劣化が進行しているかを診断する診断手段と、
を備えたことを要旨とする。

本発明の電気機器の巻線診断システムでは、巻線の良否判定だけではなく、コイル間の絶縁劣化が進行して短絡の危険性が高まった巻線の状態を定量的に診断することができる。これにより、従来手法では分からなかった絶縁劣化が進行している巻線に対する危険度を定量的に判断することができるようになり、巻線を有する電気機器の保守・メンテナンスに関して大きく貢献することができる。

また、本発明の電気機器の巻線診断システムにおいて、絶縁劣化を抵抗のみでモデル化し、巻線間に抵抗を挿入することで、前記絶縁劣化を模擬した状態の巻線とすることもできる。

また、本発明の電気機器の巻線診断システムにおいて、巻線で短絡ターン数を増加させていったときに、巻線の短絡状態毎から得られる特徴量の分布の軌跡を楕円もしくは円として見なし、絶縁劣化状態にあるときの特徴量の代表点と等確率となる点の集合が上記楕円もしくは円の軌跡と相似関係となるように、絶縁劣化状態にあるときの特徴量の代表点とその代表点に対して設定した短絡発生確率、ならびに巻線が正常のときの特徴量の代表点から、各特徴量の前記標準偏差を求めることもできる。

また、本発明の電気機器の巻線診断システムにおいて、特徴量分布上に、診断対象とする巻線から得られた特徴量の点と、等確率楕円体を一緒に表示させることで、絶縁劣化の過程を視覚的に表示させることもできる。

また、本発明の電気機器の巻線診断システムにおいて、ある時間区間の電圧値を用いて前記特徴量ＬＣおよびＲＣを求める際に、この時間区間を電圧波形の１周期以上とすることもできる。

また、本発明の電気機器の巻線診断システムにおいて、前記インパルス電圧を印加したときに巻線両端で観測される電圧に対してサンプリングする際に、波形に特徴のある点（例えば、電圧値が最大もしくは最小を取る点）などをサンプリング開始の基準とすることもできる。

サンプリングした電圧値を基に求めた特徴量ＬＣおよびＲＣの値を２次元にプロットしたときの特徴量ＬＣとＲＣの分布図である。絶縁が正常な状態の巻線のイメージ図である。短絡した状態の巻線のイメージ図である。絶縁強度を一種の抵抗と見なし、巻線の絶縁を抵抗Ｒ_１によりモデル化したイメージ図である。巻線の絶縁劣化進行時の特徴量ＬＣおよびＲＣの分布図である。実施例における巻線の絶縁劣化進行時の特徴量ＬＣおよびＲＣの分布図である。診断対象巻線から得られたＤ点と等確率楕円面とを表示させた図である。電気機器の巻線診断システム１の構成を示したブロック系統図である。巻線に対してインパルス電圧を印加した場合の巻線の両端に観測される電圧波形図である。インパルス発生回路の変形例を示した回路図である。等確率楕円面と診断時の特徴量のＤ点とを表示させた図である。正常時と１ターン短絡から６ターン短絡までの特徴量分布図である。各短絡時の特徴量を通る楕円の図である。楕円Ｓと楕円Ａの軌跡の図である。楕円Ｓと等確率楕円面の軌跡の図である。

まず先に、本発明の理論を説明する。
インパルス電圧発生回路からインパルス電圧を巻線に印加した場合、巻線の両端で観測される電圧をｖ（ｎ）（但しｎはサンプリング数）とする。
いま、この巻線とインパルス電圧発生回路から構成される回路の等価回路定数のレジスタンスをＲ、インダクタンスをＬ、キャパシタンスをＣとすると、巻線とインパルス電圧発生回路から構成される回路の各等価回路定数の乗算値ＬＣおよびＲＣは、擬似逆行列を用いて式（１）のように求めることができる。

ここで

である。また式（１）においてＴは転置行列を表す。

ここでは回路の各等価回路定数の乗算値ＬＣおよびＲＣを特徴量と見なして、これらの値を用いて巻線の状態診断を行う方法について説明する。
なお、巻線を有する電気機器として電動機を考える。
電動機において、固定子に組み込まれた巻線を診断対象とした場合の本発明の説明を、実際の実験データを用いて行う。

［正常時の特徴量分布について］
同じ型番で製造ロットが異なる電動機を３台用意する。
そして、それらの固定子巻線のある端子間の巻線、例えば、Ｖ−Ｗ間の巻線に対してインパルス電圧を印加した場合には、巻線の両端に、図９に示すような電圧波形が観測される。
この電圧に対してある時間間隔でサンプリングして計測する。
サンプリングした電圧は、図９中で波形上に「●点」で示す。このサンプリングする電圧の時間区間としては、電圧波形の一周期以上とする。
ここではサンプリングする区間が電圧波形の一周期以上となるように、５０点をサンプリングする。また、サンプリング開始点は、電圧波形が最小となる点としている。

サンプリングした電圧値を基に、式（１）によって求めた特徴量ＬＣおよびＲＣの値を２次元にプロットする。そのときの結果を図１に示す。
図１は、横軸にＬＣ、縦軸にＲＣを取る。この図１から分かるように、製造ロットは異なるものの、巻線が正常であれば、そのときの特徴量はほぼ同じ領域にかたまって分布することが確認できる。

［１ターン短絡時の特徴量分布について］
次に、上記３台のＷ相の巻線において、１ターン短絡が発生した場合の特徴量分布も同様に図１に示す。ここで「１ターン短絡」とは、コイルの一巻目と二巻目が短絡した状態のことを指す。
この図１の結果から分かるように、巻線が１ターンでも短絡を起こした場合に得られる特徴量分布は、正常状態のときと同様に、ほぼ同じ領域にかたまって分布することが確認できる。
また、巻線が正常な場合と、１ターンでも短絡が発生した場合とでは、巻線両端の電圧から求められる特徴量ＬＣおよびＲＣの分布する領域に明らかに違いが見られることも確認できる。

［数ターン短絡時の特徴量分布について］
上記３台の電動機のうち１台の電動機のＷ相において、１ターン短絡から順番に６ターン短絡までの短絡を再現し、巻線状態毎にインパルス試験を実施する。そして、このとき得られた電圧波形から式（１）を基に同定した特徴量ＬＣとＲＣの特徴量分布を図１２に示す。ここでは巻線状態毎にインパルス試験を複数回繰り返し行い、（ＬＣ，ＲＣ）の組を求める。この結果より、短絡の状態毎に特徴量はかたまって分布することが確認できる。図１２の凡例において、「Ｈ」は巻線が正常のときを意味し、「１Ｔ」は「１ターン短絡」を意味する。
今回の固定子巻線では、短絡ターン数を増加させていったときの各特徴量の分布は図１２に示すように移り変わる。即ち、この移り変わりの軌跡は、巻線が正常時の特徴量分布を基準とすると、図１３の点線のように楕円を描くと考えることができる。

［劣化時の特徴量分布について］
次に、絶縁劣化時のコイルにおいて、そのときの特徴量ＬＣおよびＲＣについて注目する。
電動機の固定子巻線においてコイル間の絶縁強度が低下していくと、絶縁が正常な状態（図２）から導体同士が完全につながる短絡状態（図３）に至る。
そこで、この絶縁強度を一種の抵抗と見なすことで、コイルの絶縁を抵抗Ｒ_１によりモデル化することができる。そのイメージ図を図４に示す。
巻線が正常な場合は、Ｒ_１は非常に大きな値をとるが、巻線が短絡すると、Ｒ_１＝０となる。そこで、コイルの絶縁劣化の進行過程を、抵抗Ｒ_１の値を変えることで模擬する。

いま、１台の電動機固定子巻線のＷ相において、コイルの一巻目と二巻目の間に抵抗Ｒ_１を挿入した状態でインパルス電圧を印加する。
ここでは抵抗値として、Ｒ_１＝０．１００，０．０５０，０．０３３［Ω］の三種類を用いる。
このとき巻線両端で観測された電圧から求めた特徴量ＬＣおよびＲＣの値を、図５に示す。
但し図５では、図１に示した３台の巻線正常時の特徴量から代表点を求めておき、その点のみを示している。
図５の結果より、コイル間の絶縁劣化が進むにつれて、特徴量ＬＣおよびＲＣの分布は、巻線正常時の分布領域から１ターン短絡時の分布領域へと次第に移動していくことが確認できる。

そこで、この絶縁劣化が進行する過程を定量化する方法について説明する。
一般に、特徴量ＬＣおよびＲＣは、正常もしくは劣化進行程度といった巻線の状態に応じて、特徴空間上のある固まった領域に分布することから、巻線正常時に得られる特徴量の代表点を基準として、巻線の絶縁劣化時に得られる特徴量の代表点と同じ発生確率を持つ点の集合体の内側に存在する確率を算出する。

［確率の導出］
ｎ次元の特徴量ｘ＝（ｘ_１，ｘ_２，…，ｘ_ｎ）の各要素がガウス分布に従うとした場合、そのときの同時確率密度関数ｐ（ｘ）は式（２）で表すことができる。

す。式（２）の指数部分において

とおく。式（３）は楕円体を表し、さらにこの楕円体上のすべての点は

という等確率を持つことを意味する。

いま、特徴空間上の点が式（３）で表される等確率楕円体の内側にある確率を考える。

を用いることで、

と変形することができる。さらに新たに変換

を用いてｘを置換することで、式（５）は

と変形することができる。

ベクトルｚがこの球の内側に存在する確率は、多重積分を用いることにより、次式（８）より求めることができる。

さらに式（８）において、

と置くことで、

と変形することができる。
式（１０）のｓ（ｒ）ｄｒは、ｎ次空間の球の半径ｒからｒ＋ｄｒまでの区間の微小体積を表す。

例えば、ｎ＝２の場合には、式（１０）においてｓ（ｒ）ｄｒ＝２πｒｄｒと求めることができるから、式（５）で表される楕円の内側に存在する確率Ｐは、ｌの関数として以下のように表現することができる。

上の例では、ｎ＝２の場合の確率値の導出法とそのときの診断法を示したが、多次元の場合であっても式（１０）のｓ（ｒ）ｄｒをｎの値に応じて変えることで、同様に求めることができる。
ｎ＝２の場合には、式（５）は楕円面となるが、ｎ＝３の場合には、式（５）は楕円体となる。

［確率の定義］
一般に、式（５）で表現される等確率楕円体の内側の確率は、あるクラスの分布を覆う確率を意味する。そのため、巻線正常時に得られる特徴量の代表点とある特徴量との間の距離で決定される等確率楕円体の内側の確率は、正常クラスを覆う確率を意味する。
例えば、診断対象とする巻線から得られる特徴量が正常クラスの代表点に近接する場合には、このときの等確率楕円体は正常クラスを殆ど覆うことができないため、上記楕円体の内側の確率は０％に近づく。
一方、特徴量が正常クラスの代表点から遠く離れた点に位置するならば、等確率楕円体は正常クラスを広く覆うことができ、このときの上記確率は１００％に近づくことになる。
このように、等確率楕円体の内側の確率は、代表点を中心とした正常クラスを占める確率であり、この確率を短絡発生確率とすることで、巻線の状態、すなわち短絡が発生したのか、それとも絶縁の劣化が進行中で危険な状態に陥りつつあるのかといった危険度を確率的に表現し、診断することが可能となる。

以上説明した本発明の概要を以下に繰り返して述べる。
正常な巻線に対して、インパルス電圧を印加して、そのとき巻線両端で観測される電圧をある時間区間、計測し、その電圧を基に巻線の状態を診断するのに有用な特徴量を抽出するとともに、それらの特徴量の代表点を求めておく。
例えば、同条件下で複数回、インパルス電圧を印加した場合には、複数個の特徴量が得られるが、その場合は複数個の特微量の点から代表点を求める。代表点としては、複数個の特微量の点の平均をとることでそれとしても良い。

さらに、上記で使用したものと同じ型番の巻線において、短絡状態を再現し、上記と同条件のインパルス電圧を印加して、そのとき巻線両端で観測される電圧をある時間区間、計測し、上記と同様の特徴量を抽出する。
例えば、同条件下で複数のインパルス電圧を印加した場合には、複数個の特徴量が得られるが、その場合は複数個の特徴量の点から代表点を求めておいても良い。代表点としては、複数個の特徴量の平均をとることでそれとしても良い。

次に、上記で使用したものと同じ型番の巻線において、絶縁劣化を模擬した状態を再現し、上記と同条件のインパルス電圧を印加して、そのとき巻線両端で観測される電圧をある時間区間、計測し、上記と同様の特徴量を抽出するとともに、それらの特徴量の代表点を求めておく。
例えば、同条件下で複数のインパルス電圧を印加した場合には、複数個の特徴量が得られるが、その場合は複数個の特微量の点から代表点を求める。代表点としては、複数個の特微量の点の平均をとることでそれとしても良い。そして、この絶縁劣化を模擬した状態の巻線から得られた特徴量の代表点に対して危険度を表す短絡発生確率を定める。
数ターン短絡時の特徴量の分布の軌跡と、絶縁劣化時の特徴量の代表点、いま定めた短絡発生確率、巻線正常時の特徴量の代表点を基に、特徴分布上で等確率となる点の集合体の標準偏差を決定する。

対象とする巻線を診断する際には、この巻線に対しても上記と同じ条件でインパルス電圧を印加して、そのとき巻線両端で観測される電圧をある時間区間、計測して、上記と同様の特徴量を抽出する。このとき求まった特徴量と、巻線正常時の特徴量の代表点、標準偏差を用いて確率値を導出し、その確率値から診断対象とする巻線の状態を診断する。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図８は、電気機器の巻線診断システム１の構成を示したブロック系統図である。
図８に示すように、電気機器の巻線診断システム１において、端子Ｔ１，Ｔ２には、例えば電動機の巻線を診断対象とする診断対象巻線２Ａと、診断対象巻線２Ａを診断する場合に必要な診断情報を学習するときに用いられる正常な巻線と短絡や絶縁劣化を模擬した巻線で構成される学習用巻線２Ｂが接続される。尚、診断対象巻線２Ａと学習用巻線２Ｂは同特性に製作されている。
また、端子Ｔ１，Ｔ２に接続された診断対象巻線２Ａまたは学習用巻線２Ｂに対して所定特性のインパルス電圧を印加するインパルス電圧発生回路３が設けられている。

更に、診断対象巻線２Ａ，学習用巻線２Ｂにインパルス電圧発生回路３から所定特性のインパルス電圧が印加された場合に、診断対象巻線２Ａ，学習用巻線２Ｂの両端の電圧を計測する電圧計測部４が設けられている。
上記電圧計測部４で計測される電圧はアナログ値であるため、そのアナログ信号をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換回路５が設けられており、Ａ／Ｄ変換回路５から出力されたデジタル信号は診断部７に出力される。

学習用巻線２Ｂを予め正常状態、及び短絡状態、絶縁劣化状態を模擬した状態に設定した各状態において、インパルス電圧発生回路３からインパルス電圧を学習用巻線２Ｂに印加したときに当該巻線の両端の電圧を基に、巻線正常時の特徴量ＬＣ，ＲＣを抽出し、該特徴量の代表点を求める。また、巻線絶縁劣化時の特徴量ＬＣ，ＲＣを抽出し、該特徴量の代表点を求めて、該代表点に対して危険度を表す短絡発生確率を定め、各種短絡時の特徴量分布軌跡と該巻線絶縁劣化時の短絡発生確率とそのときの特徴量の代表点と、巻線正常時の特徴量の代表点を基に、特徴量分布上で等確率となる点の集合体の標準偏差を診断部７で決定しておく。
このように演算された標準偏差と巻線正常時の特徴量の代表点をメモリ６に設けた特徴量空間に記憶する。
なお、上記標準偏差と巻線正常時の特徴量の代表点は、外部の演算手段で演算し、その結果をメモリ６に記憶させても良い。

診断部７には表示部８が接続されている。診断部７は、上記のように診断対象巻線２Ａを診断した結果を、この表示部８に表示させる。これにより、診断担当者は、診断対象巻線２Ａの状態を容易に認識することができる。また、診断結果を記録することができる。

具体的な例について図６と図７を用いて説明する。
抵抗Ｒ_１＝０．０３３Ωとして絶縁劣化を模擬した巻線に対してインパルス電圧を印加したときに得られた電圧から求められた特徴量ＬＣおよびＲＣの分布の代表点をＡ点とする（図６参照）。ここで、Ａ点は、ＲＣ軸上で、巻線正常時の特徴量と、１ターン短絡時の特徴量のクラスの中間領域に位置していることから、このＡ点のときの危険度の確率、即ち短絡発生確率Ｐ_Ａを仮に５０％と設定する。Ａ点は、抵抗値が０．０３３Ωとなったときの特徴量の点である。
図６に示す特徴量分布上では、正常時と１ターン短絡時の特徴量の中間点は、コイル間の抵抗値が０．０３３Ωよりも更に低下した状態と考えられる。しかし、０．０３３Ω時の確率を５０％と設定することで、絶縁劣化の進行状態を早い段階で危険と認識することができる。
Ｐ_Ａが与えられると、式（１１）を変形することで得られる式（１２）により、ｌ^２の値を算出することができる。

今回の固定子巻線では、短絡ターン数を増加させていったときの各特徴量の分布は図１２に示すように移り変わり、この移り変わりの軌跡は、巻線が正常時の特徴量分布を基準とすると、図１３の点線のように楕円を描くと考えることができる。
そこで、この１ターンから６ターン短絡までの特徴量の分布の軌跡を用いて標準偏差を決定する。
まずは図１３において点線で示すこの楕円の軌跡を求める。以下の説明では、この楕円のことを便宜上、楕円Ｓとする。
楕円の式は

で表現することができる。

図１３の楕円Ｓにおいて、その長軸ａと短軸ｂとの比をｋとすると、ｋはおおよそ０．０００１２となる。そこで劣化時の特徴量のＡ点を通る楕円の標準偏差の比もｋとなるように選ぶことで、上記楕円と相似関係の楕円が得られる。
次に、劣化時の特徴量のＡ点と発生確率が同じ点の集合が、上記で求めた楕円Ｓと相似関係にある楕円とする。この楕円を楕円Ａとし、ＬＣ軸の標準偏差をσ_１、ＲＣ軸の標準偏差をσ_２とする。楕円Ａが楕円Ｓと相似関係にあるためには、楕円Ａの各特徴量の標準偏差の比が上記で求めたｋの値となるように、標準偏差を決定すれば良い。

以下に、具体的な計算例を示す。
まず、Ａ点がＲＣ軸上で、正常時と１ターン短絡時との特徴量分布のほぼ中央に位置することから、Ａ点の短絡発生確率を５０％、すなわち、Ｐ_Ａ＝０．５と設定すると、式（１２）よりｌ^２が求まる。
いま、特徴量をＬＣとＲＣの２次元とした場合には、式（５）は式（１４）のようになる。

点の値、ｌ^２は式（１２）で求められた値、さらにσ_１／σ_２＝ｋ＝０．０００１２を代入すると、ひとつの標準偏差の式となり、その値を算出することができる。一つ目の標準偏差が得られたならば、σ_１／σ_２＝ｋ＝０．０００１２の式から二つ目の標準偏差も求めることができる。こうして求めた楕円Ａの軌跡を楕円Ｓとともに図１４に示す。
また、このときの標準偏差の値は、それぞれ

である。

σ_２をメモリ６に記憶させておく。

次に、実際に対象とする巻線の診断を行う。
診断を実施する際には、巻線に対してこれまでと同じ条件のインパルス電圧を印加して、そのとき巻線両端で観測される電圧をある時間区間、計測して、その電圧を基に式（１）を用いて特徴量ＬＣおよびＲＣを抽出する。このときの特徴量ＬＣおよびＲＣの値をｘとｘ_ｄ２とし、それをＤ点とする。そして、予め求めておき、メモリ６に記憶させておいた

ｌ_ｄ ^２を算出する。

さらに、このｌ_ｄ ^２の値を式（１６）に代入することで、診断対象とする巻線の状態を確率Ｐ_Ｄとして表現することができ、診断することが可能となる。

以上のことから、診断対象とする巻線において、そのコイル間の絶縁抵抗値が０．０３３Ω以上であれば、短絡発生確率は５０％以下である。しかし、抵抗値が０．０３３Ωに低下した場合には短絡発生確率が５０％となり、さらに絶縁抵抗値が０．０３３Ωを下回った場合には、短絡発生確率は５０％より高い値となり、コイル間の抵抗値とそのときの確率値を結び付けることができ、絶縁劣化の過程を定量化することが可能となる。
また、絶縁劣化時の代表点Ａ点に相当する確率Ｐ_Ａの値と、正常巻線から得られる特徴量

タ等の画面に表示させることができ、絶縁劣化の過程を視覚的に表現することもでき、機器の保守・メンテナンスに役立てることができる。

今回の実施の例では、１ターンから６ターンまでの短絡時の特徴量分布を用いて、標準偏差を算出する例を示したが、６ターン以下、若しくは６ターン以上の短絡時の特徴量分布を用いて、特徴量の軌跡と標準偏差を算出しても良い。
例えば、１ターン短絡のみの特徴量分布を用いて標準偏差を決定しても良い。前記で説明したときよりも楕円Ｓを小さく設定することで、短絡発生確率は全体的に高くなるが、劣化の早い段階で確率値が高くなり、早期での検出が可能になるといった利点がでる。楕円Ｓとそのときの楕円Ａ、すなわち５０％等確率楕円面の軌跡、ならびに３０％、１０％等確率楕円面の軌跡とともに、図１５に示す。またこのときの標準偏差の値は、それぞれ

である。

また、今回は、固定子巻線の短絡ターン数を増加させていったときの各特徴量の分布は、楕円の軌跡を描きながら移り変わることが実験で言える。しかしこの軌跡を円とみなして、同様の手法により算出しても良い。

実際の検証試験時のデータを用いて詳しく説明する。
短絡もしくは絶縁劣化状態にある固定子巻線を準備して、それらの固定子巻線のＵ−Ｖ間、Ｖ−Ｗ間、Ｗ−Ｕ間の相間に対して、インパルス電圧を印加するインパルス電圧印加試験を５０回繰り返し行う。
今回の試験には、三相誘導電動機（定格出力２．２ｋＷ、定格電流２００Ｖ、定格電流８．６Ａ、４極）の固定子巻線を試料として用いる。この誘導電動機の固定子のスロットは３６個、巻線はダブル・スター結線である、１スロットあたり４５本のコイルが挿入されている。

はじめに、Ｗ相において１ターン短絡を有する固定子巻線を用いて検証する。
この場合、健全相であるＵ−Ｖ間に対して５０回のインパルス電圧印加試験から算出した短絡発生確率の平均は０．３％であった。それに対して、短絡相を有するＶ−Ｗ間とＷ−Ｕ間に対する５０回のインパルス電圧印加試験から算出した短絡発生確率の平均は、それぞれ９７．５％と９６．５％であった。

次に、Ｗ相の一巻目と二巻目の巻線間に０．０８３Ωの抵抗を挿入し、絶縁劣化が進展した状態を模擬した同様のインパルス電圧印加試験を実施して、巻線の状態診断を行った。
その結果、健全相であるＵ−Ｖ間に対して５０回のインパルス電圧印加試験から算出した短絡発生確率の平均は０．２％であったのに対して、短絡相を含むＶ−Ｗ間とＷ−Ｕ間でのインパルス電圧印加試験から算出された短絡発生確率の平均は共に１６．９％であった。抵抗０．０３３Ω時の絶縁強度と比較すると、抵抗０．０８３Ωの方は短絡の危険性が低いことが分かる。

さらに、Ｗ相の巻線間に抵抗０．０２０Ωを挿入し、同様のインパルス試験を実施して、巻線の状態診断を行った。
その結果、健全相であるＵ−Ｖ間に対して５０回のインパルス電圧印加試験から算出した短絡発生確率の平均は０．３％であったのに対して、短絡相を含むＶ−Ｗ間とＷ−Ｕ間でのインパルス電圧印加試験から算出された短絡発生確率の平均は、それぞれ７０．５％と６９．８％であった。つまり、抵抗０．０３３Ω時と比べると、短絡の危険度が高くなっていると言える。
これらの短絡発生確率を表１にまとめる。

以上の結果から、巻線が正常な場合には、短絡発生確率がほぼ０％であるのに対して、完全な短絡が生じた場合には短絡発生確率が９０％以上と高い値となる。さらに、短絡に至っていないものの絶縁劣化が進行しはじめている危険な状態の巻線に対しては、その危険度を確率として定量的に表現することができる。

抵抗０．０８３Ω時のＶ−Ｗ間から得られた５０回の特徴量の平均を代表点（Ｄ点）として、５０％、３０％、１０％等確率楕円面の軌跡とともに図７に示す。抵抗０．０８３Ω時の短絡発生確率は１６．９％であるが、このときの特徴量は、確かに３０％と１０％等確率楕円面の間の領域に位置している。
また、抵抗０．０２０Ω時のＶ−Ｗ間から得られた５０回の特徴量の平均を代表点（Ｄ点）として、５０％、３０％、１０％等確率楕円面の軌跡とともに図１１に示す。抵抗０．０２０Ω時の短絡発生確率は７０．５％であるが、このときの特徴量は、５０％等確率楕円面よりも外側の、より短絡状態に近い領域に位置していることが分かる。

このように、診断対象巻線から得られたＤ点と等確率楕円体とを同じ図上に表示させることで、巻線での短絡発生の有無はもちろん、短絡に至っていないものの絶縁劣化が進みはじめている進行状態までも視覚的に認識することができる、すなわち危険度を視覚的にイメージしやすくなるといった利点が生じ、巻線の保守・メンテナンスにおおいに役立つ。

式（５）の距離ｌの値そのものから直接、巻線の状態を診断する手法も考えられる。しかしながら、この場合には、距離ｌの値が持つ物理的意味が不明確であることから、距離ｌと巻線状態との因果関係の結び付けが難しい。
それに対して本発明は、特徴量が観測される確率に着目し、巻線の短絡や劣化状態をそのときの巻線間の抵抗値と結び付けて診断できるため、その確率値の持つ物理的意味が明確となり、実際の運用面で有用となる。

次に、第２の実施例について説明する。
図１０は、図８に示したインパルス電圧発生回路３に代え、逆起電力発生回路を用いて診断対象となる巻線Ｗに逆起電力を発生させることにより、この逆起電力をインパルスとするものである。
図１０に示すように、逆起電力発生回路１５は、巻線に直流電流を流すための直流電源１２と、直流電源１２に直列に接続されたスイッチ１３と、スイッチ１３がオンされた状態で充電されるコンデンサ１４とを備えている。このコンデンサ１４に対して並列に診断対象巻線２Ａ，学習用巻線２Ｂを接続した状態でスイッチ１３がオンされると、巻線２Ａ，２Ｂに直流電流が通電されるため、この状態でスイッチ１３がオフされると、巻線２Ａ，２Ｂに逆起電力が発生する。この逆起電力は、巻線２Ａ，２Ｂに印加されたインパルスと同等に作用するため、この逆起電力を特徴量検出部において検出する。以降の処理は、これまでに記した実施の形態例と同じである。

前述の第１の実施の形態の例では、特徴量をＬＣとＲＣの２次元として説明したが、多次元であっても同様の手順で診断が可能である。
また、実施例では、巻線を有する電気設備として、電動機の固定子巻線を対象に話を進めたが、巻線であれば電動機の固定子巻線に限らず、発電機，変圧器などの電気機器の巻線全てを診断対象巻線とすることができる。

１電気機器の巻線診断システム
２Ａ診断対象巻線
２Ｂ学習用巻線
３インパルス電圧発生回路
４電圧計測部
５Ａ／Ｄ変換回路
６メモリ
７診断部
８表示部
１２直流電源
１３スイッチ
１４コンデンサ
１５逆起電力発生回路

Claims

電気機器の巻線に対して所定特性のインパルス電圧を印加するインパルス電圧発生回路と、
前記巻線に対して前記所定特性のインパルス電圧が印加された場合に当該巻線の両端に発生した電圧を計測する電圧計測手段と、
診断対象巻線と同特性の正常状態の巻線に対して、前記インパルス電圧と同特性のインパルス電圧を印加したときに当該巻線の両端に発生した電圧を基に、前記インパルス電圧発生回路と当該巻線から構成される回路の等価回路定数の抵抗をＲ、インダクタンスをＬ、キャパシタンスをＣとしたとき、その乗算値であるＬＣとＲＣを、巻線正常時の特徴量として抽出し、該特徴量の代表点を求めるとともに、
診断対象巻線と同特性の巻線において、短絡および絶縁劣化を模擬した状態を再現して、それらの巻線に対して、前記インパルス電圧と同特性のインパルス電圧を印加したときに当該巻線の両端の電圧を基に、前記インパルス電圧発生回路と当該巻線から構成される回路の等価回路定数の抵抗をＲ、インダクタンスをＬ、キャパシタンスをＣとしたとき、その乗算値であるＬＣとＲＣを、巻線短絡時および絶縁劣化時の特徴量として抽出し、巻線短絡時および絶縁劣化時の特徴量の代表点を求めて、絶縁劣化時の特徴量の代表点に対して危険度を表す短絡発生確率を定め、各種短絡時の特徴量の分布の軌跡を考慮して、該巻線絶縁劣化時の短絡発生確率とそのときの特徴量の代表点と、前記巻線正常時の特徴量の代表点を基に、特徴量分布上で巻線絶縁劣化時の特徴量と発生する確率が等しくなる点の集合体の標準偏差を決定しておく演算手段と、
前記標準偏差と前記巻線正常時の特徴量の代表点を記憶しておく診断情報記憶手段と、
診断対象巻線を診断する診断行程において、診断対象巻線に対して前記インパルス電圧発生回路から前記インパルス電圧と同特性のインパルス電圧を印加したときに前記電圧計測手段で計測された電圧に基づいて、前記インパルス電圧発生回路と当該巻線から構成される回路の等価回路定数の抵抗をＲ、インダクタンスをＬ、キャパシタンスをＣとしたとき、その乗算値であるＬＣとＲＣを、診断対象巻線の特徴量として抽出し、該診断対象巻線の特徴量と、前記診断情報記憶手段に記憶させておいた巻線正常時の特徴量の代表点と標準偏差を用いて確率値を導出し、該確率値から、診断対象巻線が正常か、絶縁劣化が進行しているかを診断する診断手段と、
を備えたことを特徴とする電気機器の巻線診断システム。
絶縁劣化を抵抗のみでモデル化し、巻線間に抵抗を挿入することで、前記絶縁劣化を模擬した状態の巻線としたことを特徴とする請求項１に記載の電気機器の巻線診断システム。
巻線で短絡ターン数を増加させていったときに、巻線の短絡状態毎から得られる特徴量の分布の軌跡を楕円もしくは円として見なし、絶縁劣化状態にあるときの特徴量の代表点と等確率となる点の集合が上記楕円もしくは円の軌跡と相似関係となるように、絶縁劣化状態にあるときの特徴量の代表点とその代表点に対して設定した短絡発生確率、ならびに巻線が正常のときの特徴量の代表点から、各特徴量の前記標準偏差を求めたことを特徴とする請求項１に記載の電気機器の巻線診断システム。
特徴量分布上に、診断対象とする巻線から得られた特徴量の点と、等確率楕円体を一緒に表示させることで、絶縁劣化の過程を視覚的に表示させることを特徴とする請求項１乃至請求項３何れか記載の電気機器の巻線診断システム。
ある時間区間の電圧値を用いて前記特徴量ＬＣおよびＲＣを求める際に、この時間区間を電圧波形の１周期以上としたことを特徴とする請求項１に記載の電気機器の巻線診断システム。
前記インパルス電圧を印加したときに巻線両端で観測される電圧に対してサンプリングする際に、波形に特徴のある点（例えば、電圧値が最大もしくは最小を取る点）などをサンプリング開始の基準としたことを特徴とする請求項１に記載の電気機器の巻線診断システム。