JP5898597B2 - 油入静止誘導電器の余寿命診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁冷却媒体として鉱油、エステル油、シリコーン液などの液体を用い、巻線の絶縁被覆等の絶縁物として絶縁紙を用いた、鉱油入りの静止誘導電器の余寿命診断方法に関する。

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からなるコイルと、コイル絶縁用及び絶縁冷却媒体の冷却通路構成用の絶縁物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に使用されている材料のなかで、鉱油などの絶縁冷却媒体、あるいは絶縁紙などの絶縁物は経年劣化により特性が低下することが知られている。これら材料の経年劣化による特性低下が、変圧器の経年劣化の要因であり、変圧器の寿命を左右すると考えられている。

非特許文献１には、従来の変圧器の経年劣化診断に関する基本的な考え方が記載されている。絶縁冷却媒体である鉱油については、酸素や水などが関与して経年劣化するが、その絶縁破壊電圧の低下は小さいことが知られている。変圧器製造時に適切な乾燥処理が行われ、タンク外部からの空気、水分の侵入が無ければ、通常は長期間使用することが可能である。また、経年劣化により特性が低下しても、新油と交換する、あるいは脱気ろ過処理などを行うことで、変圧器の運転に支障のない特性を維持することが可能である。

一方、巻線被覆の絶縁紙については、経年劣化によって絶縁破壊電圧はほとんど低下しないのに対し、引張強度は低下し、運転を継続するうえで問題になる場合もある。例えば、変圧器巻線に雷撃や外部短絡などによるサージ電流が流れ、その際に発生する電磁機械力によって巻線被覆に引張り力が働く。この引張り力よりも絶縁紙の引張強度が低くなった場合、絶縁紙が破壊するため、絶縁紙の寿命となる。一般には、絶縁紙の巻き替えや、巻線の交換は不可能であるため、この絶縁紙の寿命が、変圧器の寿命を決めることになると考えられている。

絶縁紙の主成分はセルロースであり、図１に示す化学構造を持つ、グルコース環が鎖状に重合した高分子材料である。

経年劣化により、この鎖が切れて短くなり、さらに分解してＣＯ₂、ＣＯ、フルフラール、アセトンといった低分子の化合物が生成する。フルフラールの化学構造を図２に示す。

導体に巻かれた絶縁紙は折れ等があり、その引張強度を正確に測定するのは難しいことから、引張強度との相関が高いセルロースの平均重合度が劣化の指標として用いられている。しかし、運転中の変圧器において、この絶縁紙の引張強度、平均重合度を直接測定することはできない。一方、セルロースの分解生成物である、（ＣＯ₂＋ＣＯ）量、フルフラール量、アセトン量などと、絶縁紙の平均重合度とは相関があることが知られている。
このことから、絶縁冷却媒体中の（ＣＯ₂＋ＣＯ）量、フルフラール量、アセトン量などを測定することによって、絶縁紙の引張強度、平均重合度を間接的に評価し、変圧器の経年劣化状態を外部診断している。

近年、高度経済成長期に増大した国内の変電用、あるいは配電用変圧器は経年４０年を超え、今後大量に更新時期を迎える見通しである。このため、これら高経年変圧器を診断して寿命を定量的に把握することにより、計画的に高経年変圧器をリプレースしていく必要があり、余寿命診断技術の高精度化が求められている。

特許文献１には、絶縁油中に含まれる劣化指標成分の測定値を用いて油入電気機器の絶縁紙の平均重合度を推定し、この平均重合度により油入電気機器の劣化を診断する方法において、絶縁油中のフルフラール量、二酸化炭素及び一酸化炭素の量、水分量、酸素量、水素量の各測定値を前記劣化指標成分の測定値とし、少なくとも、前記劣化指標成分の測定値と、油入電気機器の運転履歴、保守履歴、及び、油入電気機器の設計諸元を入力因子群とし、前記絶縁紙の平均重合度を出力因子として、モデルの同定または学習を行うことにより、異なる平均重合度推定モデルを重回帰式またはニューラルネットワークによって複数構築し、診断対象である油入電気機器の前記入力因子群を前記各推定モデルにそれぞれ入力して得られた複数の平均重合度推定値を加工して、前記絶縁紙の最終的な平均重合度を推定する、変圧器の経年劣化診断方法が記載されている。

特許文献２には、油入変圧器内部の絶縁油を採取し、該絶縁油中の特定成分を分析した上で、該特定成分の量とコイル絶縁紙の平均重合度との相関関係に基づき、コイル絶縁紙の平均重合度を推定する第１種の方法（例えば、（ＣＯ₂＋ＣＯ）法やフルフラール法）を行うと共に、油入変圧器内部の採取可能な絶縁物を採取し、該絶縁物の平均重合度を求めることにより、コイル絶縁紙の平均重合度を推定する第２種の方法とを行い、第１種の方法により推定されたコイル絶縁紙の平均重合度と第２種の方法により推定されたコイル絶縁紙の平均重合度との差分を求め、該差分に基づき、第１種の方法における特定成分の量とコイル絶縁紙の平均重合度との相関関係を補正し、しかる後、第１種の方法によってコイル絶縁紙の平均重合度をモニタリングすることを特徴とする、変圧器の経年劣化診断方法が記載されている。

特開２００６−３０８５１５号公報 特開２００６−２５０８７２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 電気絶縁紙、（株）コロナ社、昭和４４年発行

特許文献１、あるいは特許文献２記載の方法は、前記絶縁紙の劣化状態を診断するにあたり、主成分であるセルロースの劣化による引張強度、平均重合度の低下を、セルロースの分解生成物である、（ＣＯ₂＋ＣＯ）量、フルフラール量、アセトン量などを測定することによって推定するうえで、その精度向上を図ったものである。

一方、非特許文献２には、主として木材から得られるパルプから製造される絶縁紙には、主成分のセルロース以外に、ヘミセルロース、リグニン、樹脂分などが微量の不純物として含まれていることが記載されている。ヘミセルロースは多糖類であり、セルロースと類似の化学構造を持つことから、セルロースと同様に分解して、ＣＯ₂、ＣＯ、フルフラールなどが生成すると考えられる。一方、リグニンは図３に示すように、フェニルプロパノイドが高度に脱水素重合した、複雑な樹脂状構造の物質である。

このリグニンなどのフェニルプロパノイド由来の化合物は、絶縁紙中に含まれる量は少ないものの、絶縁紙の機械的強度に寄与すると考えられる。また、リグニンなどのフェニルプロパノイド由来の化合物は、セルロースと同様に経年劣化し、分解すると考えられる。しかしながら、リグニンなどのフェニルプロパノイド由来の化合物劣化については、絶縁紙の劣化状態を診断するうえで、考慮されていないという問題があった。また、リグニンなどのフェニルプロパノイド由来の化合物の分解生成物を指標とした、絶縁紙の経年劣化診断も行われていなかった。

本発明の目的は、高精度な静止誘導電器の余寿命診断方法を提供することにある。

本発明は、変圧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、前記絶縁紙に含まれるリグニン（フェニルプロパノイド）由来の分解生成物を分析することにより、静止誘導電器の余寿命を診断することを特徴とする。

本発明によれば、前記絶縁紙の構成成分であるリグニン（フェニルプロパノイド）由来の分解生成物を分析することにより、高精度に絶縁紙の劣化状態、ならびに静止誘導電器の余寿命を診断する静止誘導電器の余寿命診断方法を提供することができる。

セルロースの化学構造。 フルフラールの化学構造。 リグニンの化学構造の一例。 油入変圧器を示す縦断面図。 本発明の余寿命診断方法のフローチャート図。 本発明の劣化状態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、図面を用いて説明する。

本発明の余寿命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４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。

主として木材から得られるパルプから製造される絶縁紙には、主成分のセルロース以外に、ヘミセルロース、リグニン、樹脂分などが微量の不純物として含まれている。このうち、リグニンなどのフェニルプロパノイド由来の化合物は、絶縁紙中に含まれる量は少ないものの、絶縁紙の機械的強度に寄与すると考えられる。また、リグニンなどのフェニルプロパノイド由来の化合物は、セルロースと同様に経年劣化し、分解すると考えられる。
しかしながら、リグニンなどのフェニルプロパノイド由来の化合物の劣化については、絶縁紙の劣化状態を診断するうえで、考慮されていないという問題があった。また、リグニンなどのフェニルプロパノイド由来の化合物の分解生成物を指標とした、絶縁紙の経年劣化診断も行われていなかった。

このため、高精度な静止誘導電器の経年劣化診断方法を提供するために鋭意検討した結果、経年劣化した変圧器から採取した鉱油中や絶縁紙中には、セルロース、ヘミセルロースの分解ではほとんど生成しない、ベンゼン環構造をもつ化合物が含まれていることを見出した。新品のプレスボードに鉱油を含浸したもの、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、トルエン／エタノール＝１／１（容量比）の混合溶媒で７ｈソックスレー抽出し、抽出物をガスクロマトグラフィ−質量分析（ＧＣ−ＭＳ）で分析した結果、ベンゼン環構造をもつ化合物としては、例えば、フェノール、トルエン、スチレン、バニリン、コニフェリルアルデヒドといった、いわゆるフェニルプロパノイド由来と考えられる分解生成物が多く含まれることがわかった。

リグニンは図３に示すように、フェニルプロパノイドが高度に脱水素重合した、複雑な樹脂状構造の物質であるため、新品の絶縁紙から溶媒に溶出することはほとんど無いと考えられる。絶縁紙が経年劣化することにより、リグニンが分解し、リグニンの基本骨格であるフェニルプロパノイド由来の化合物が検出されたものと考えられる。

検出されたベンゼン環構造由来の化合物の総量が多いほど、絶縁紙の平均重合度は低く、その引張強度が低いことがわかった。すなわち、ベンゼン環構造由来の化合物の総量によって、絶縁紙の劣化状態を推定することができ、変圧器の経年劣化診断の指標となることがわかった。

リグニン（フェニルプロパノイド）由来の分解生成物は、紫外領域から可視領域にかけての光を吸収するため、分光光度計を用いて鉱油の光吸収スペクトルを測定することで、鉱油中のリグニン（フェニルプロパノイド）由来の分解生成物の量を推定することが可能である。

図５は、本発明の変圧器の経年劣化診断方法を示すフローチャート図である。リグニン（フェニルプロパノイド）由来の分解生成物を分析することによる診断が可能である。また、従来の（ＣＯ₂＋ＣＯ）量、フルフラール量、アセトン量などから得られるセルロースの平均重合度を推定する手法と組み合わせて絶縁紙の劣化状態を診断することにより、さらに高精度で劣化状態を診断することも可能である。

予め絶縁紙又は絶縁体に含まれるリグニン（フェニルプロパノイド）由来の分解生成物の量と、絶縁紙の劣化状態とを関連付けておくことにより、絶縁紙又は絶縁体の分析結果に基づく絶縁紙の劣化状態が可能である。例えば、絶縁紙又は絶縁体表面の分析を定期的に行い、得られたリグニン（フェニルプロパノイド）由来の分解生成物の量の分析値が所定値以上になった場合に、静止誘導電器に用いている絶縁紙の劣化状態が寿命に達したと判定する。
絶縁紙の劣化状態の管理方法を説明するグラフを図６に示す。図６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に含まれるリグニン（フェニルプロパノイド）由来の分解生成物の量をプロットしたものと、静止誘導電器で用いている絶縁紙の劣化状態を判定するために、予め適宜設定されたリグニン（フェニルプロパノイド）由来の分解生成物の量の所定値（破線）とが示されている。絶縁紙の劣化が進んで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、絶縁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、静止誘導電器巻線、または静止誘導電器を交換することで静止誘導電器の故障を未然に防ぐことが可能となる。

図７は、本発明の実施例２を示すブロック図である。図７において、３０は油入静止誘導電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、分析の際に油入静止誘導電器内から取り出され、油入静止誘導電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、１９…絶縁被覆、２０…変圧器本体、２１…鉱油、２２…変圧器巻線、３０…分析用サンプル、２１…カプセル。

Claims (7)

1. 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と、前記絶縁冷却媒体の冷却通路を構成する絶縁体とを浸漬してなる静止誘導電器の余寿命診断方法において、
   前記絶縁紙に含まれるリグニン由来の分解生成物であってフェニルプロパノイド由来の化合物を分析することを特徴とする静止誘導電器の余寿命診断方法。
2. 請求項１において、
   前記リグニン由来の分解生成物の総量が多いほど、前記静止誘導電器が劣化していると判断することを特徴とする静止誘導電器の余寿命診断方法。
3. 請求項１または２において、
   前記フェニルプロパノイド由来の化合物は、フェノール、トルエン、スチレン、バニリンまたはコニフェリルアルデヒドであることを特徴とする静止誘導電器の余寿命診断方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項において、
   分光光度計を用いて前記絶縁冷却媒体の光吸収スペクトルを測定することにより、前記絶縁冷却媒体中のリグニン由来の分解生成物を定量することを特徴とする静止誘導電器の余寿命診断方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項において、
   前記絶縁冷却媒体中の（ＣＯ_２＋ＣＯ）量、フルフラール量またはアセトン量から得られるセルロースの平均重合度を推定することを特徴とする静止誘導電器の余寿命診断方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の余寿命診断方法を行うことを特徴とする余寿命診断装置。
7. 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と、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の余寿命診断方法において、
   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、前記分析用サンプルに含まれるリグニン由来の分解生成物であってフェニルプロパノイド由来の化合物を分析することにより絶縁紙の劣化状態を診断することを特徴とする静止誘導電器の余寿命診断方法。