JP5944773B2

JP5944773B2 - 受変電設備における絶縁物の余寿命診断方法

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Publication number: JP5944773B2
Application number: JP2012163281A
Authority: JP
Inventors: 優楯身; 楯身　　優; 加藤　達朗; 達朗加藤; 高志後藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2016-07-05
Anticipated expiration: 2032-07-24
Also published as: JP2014023401A

Description

本発明は受変電設備における絶縁物の余寿命診断方法に係り、特に、受変電設備における受電盤内の絶縁物の余寿命を非破壊で診断するものに好適な受変電設備における絶縁物の余寿命診断方法に関する。

一般に、受変電設備の受電盤には、絶縁物が多く利用されている。この絶縁物の劣化が進展すると絶縁破壊に至る可能性があり、そのような事故を未然に防ぐために、設備更新の目安を定量化できる絶縁物の余寿命診断技術が望まれている。

このような絶縁物を診断する余寿命診断技術が、特許文献１に記載されている。この特許文献１には、診断したい絶縁物と同じ材質の絶縁物をセンサ絶縁体として設備内に配置しておき、湿度とセンサ絶縁体の表面抵抗率を逐次測定することで、余寿命を推定する技術が記載されている。

特開２００９−８４２７号公報

ところで、絶縁物の寿命の目安としては、部分放電が発生する時期が挙げられる。部分放電が発生する原因は、表面抵抗率が低下することに加えて、絶縁物表面への塵埃付着量が増加することが考えられる。

しかしながら、特許文献１では、表面抵抗率だけから絶縁物の余寿命を推定しており、塵埃量が閾値に反映されていないため、信頼性が乏しいものとなっていた。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、受変電設備における受電盤内の絶縁物の余寿命を簡易に精度良く診断でき、信頼性を高めることのできる受変電設備における絶縁物の余寿命診断方法を提供することにある。

本発明の受変電設備における絶縁物の余寿命診断方法は、上記目的を達成するために、受変電設備における受電盤内の絶縁物の余寿命を診断する際に、前記受電盤内の塵埃を採取し、この塵埃に含まれるイオン量と温度履歴及び湿度履歴とから、前記絶縁物の表面抵抗率を算出し、該絶縁物の表面抵抗率と新品時の絶縁物の表面抵抗率及び前記絶縁物の使用経過年数及び塵埃量から定まる該絶縁物の表面抵抗率の閾値により、前記絶縁物の余寿命を推定するか、
或いは、受変電設備における受電盤内の絶縁物の余寿命を診断する際に、前記受電盤内の絶縁物の絶縁物表面の吸水量と前記絶縁物に含まれるイオン量とから、前記絶縁物の表面抵抗率を算出し、該絶縁物の表面抵抗率と新品時の絶縁物の表面抵抗率と絶縁物の使用経過年数と塵埃量から定まる該絶縁物の表面抵抗率の閾値により、絶縁物の余寿命を推定することを特徴とする。

本発明によれば、受変電設備における受電盤内の絶縁物の余寿命を簡易に精度良く診断でき、信頼性を高めることができる。

本発明の受変電設備における絶縁物の余寿命診断方法の実施例１を示すフロー図である。本発明の実施例１における絶縁物の使用経過年数と絶縁物の拡散係数の関係を示す特性図である。受変電設備であるスイッチギヤの同一区画にある絶縁物表面の塵埃量と床面の塵埃量の関係を示す特性図である。本発明の実施例１における塵埃量を定量化するためのフローチャートである。本発明の実施例１における表面抵抗率と塵埃量及び部分放電開始電圧の関係を示す特性図である。本発明の実施例１における絶縁物の余寿命診断方法を説明するための特性図である。本発明の実施例１における部分放電開始電圧と塵埃量の関係の一例を示す特性図である。本発明の実施例１におけるイオン量と吸水量及び表面抵抗率の関係を示す特性図である。

以下に、本発明の受変電設備における絶縁物の余寿命診断方法について、図を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の受変電設備における絶縁物の余寿命診断方法を示すフロー図である。なお、本実施例での余寿命診断方法を行う余寿命診断装置は、後述するように、受電盤内の塵埃を粘着テープで拭き取り、その粘着テープについた塵埃と他のデータを基に、既存の装置で診断を行うものである。

該図に示す如く、本実施例の受変電設備における絶縁物の余寿命診断方法のための入力項目は、平均使用温度３、相対湿度４、絶縁物の使用経過年数５、絶縁物の材料種別６、イオン量７、塵埃量８である。

平均使用温度３と相対湿度４は、診断対象となる絶縁物周辺（以下、診断場所という）での年平均の測定値である。そのようなデータがない場合には、診断場所の最寄の気象台での観測データ（気象ＤＢ１）を参照して、得ることができる。

絶対湿度は飽和水蒸気量と相対湿度により、絶対湿度[g/m³]＝飽和水蒸気量[g/m³]×相対湿度[％ＲＨ]／１００[g/m³]と表される。Tenensの式又はgoff-Gratchの式などの経験式から温度に対応した飽和水蒸気量を算出できるので、平均使用温度３と相対湿度４から対応する絶対湿度１０を計算する。

受変電設備で使用される絶縁物は、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂などがあるが、絶縁物が使用されている機器（例えば、変流器（ＣＴ）、変成器（ＰＴ）、真空遮断器等）の銘板などから型式や製造年等が分かるので、絶縁物の材料種別６を特定できる。また、銘板などから絶縁物の使用経過年数５も特定できる。

図２に温度をパラメータとした絶縁物の使用経過年数（ｔ）と絶縁物の拡散定数（ＩｎＤ）の関係を、絶縁部の周囲温度が１５℃。３０℃、５０℃の例について示す。図２の横軸は絶縁物の使用経過年数（ｔ）、縦軸は絶縁物の拡散定数（ＩｎＤ）の対数値である。

絶縁物は熱劣化や酸化劣化などにより、長期間使用し続けることにより変質することから、図２の如く、拡散定数（ＩｎＤ）が使用経過年数（ｔ）と共に大きくなる傾向にある。また、使用温度が高いほど、拡散定数（ＩｎＤ）が大きくなる。即ち、絶縁物は使用温度が高く、かつ、使用経過年数（ｔ）が経過するほどイオンや水分の吸収が早くなる傾向にある。

このような使用経過年数（ｔ）と拡散定数（ＩｎＤ）の関係を、絶縁物の材料種別６ごとに、予め拡散定数ＤＢ９としてデータベース化しておくことにより、例えば、３０℃の場合には、絶縁物の平均使用温度３と診断時（Ｔｍ）の使用経過年数５（ｔ）に応じた絶縁物の拡散定数１１（ＩｎＤｍ）が得られる。

絶縁物の拡散定数１１と設置場所の絶対湿度１０及び使用経過年数５から、フィックの式を用いることで、絶縁物の吸水量１２を推定できる。例えば、平板状の絶縁物の厚みｄ、使用経過年数ｔ、表面からの距離ｘでの絶縁物中の水分濃度ｕ(ｘ、ｔ)は、拡散定数Ｄを用いて式１で表せる。

新品時、即ち、使用経過年数ｔ=０でｘ方向に均一な水分濃度ｕ_０をもつとすると、初期条件は、ｕ(ｘ、０)=ｕ_０と書ける。絶縁物の両面から水分濃度Ｕｄで吸水すると、境界条件は、ｕ(０、ｔ)＝ｕ(ｄ、ｔ)＝Ｕとなる。

水分濃度Ｕを測定場所の絶対湿度１０と考え、これらの条件のもとで、式１を解くとｕ(ｘ、ｔ)が求まる。式２から絶縁物中の単位面積当たりの吸水量（Ｗ（ｔ））を算出できる。

以上のようにしての絶縁物の吸水量１２を計算できる。

なお、停電させて点検する場合などで絶縁物に直接触れることができる場合には、水分計により表面の吸水量を直接測定することにより、絶縁物の吸水量１２を推定することも考えられる。

一方、イオン量７と塵埃量８は、一定面積の粘着テープを用いて、停電時には診断対象となる絶縁物から直接採取し、活線時には床面から採取する。粘着テープで採取された塵埃は、黒ずんで見えることから、画像処理により塵埃量８を定量化している。

次に、図４を用いて塵埃量８の定量化方法について説明する。

該図に示す如く、まず、塵埃の付着していない粘着テープの粘着面を写真撮影する（Ｓ１）。次に、写真を２６５階調のグレースケールのビットマップ画像に変換する（Ｓ２）。次に、各ピクセルの色の濃度（階調）の平均Ｐｍと標準偏差σｍを計算する（Ｓ３）。以上のＳ１からＳ３までのステップが、基準値算出のプロセスであり、最初の１回だけ行われる。

次に、基準値算出時と同じ条件下で、粘着テープに付着した塵埃を写真撮影する（Ｓ４）。次に、ピクセル数Ｎの画像の各ピクセルについて、階調ＰがＰ≧Ｐｍ＋３σｍとなるものの数Ｎｐを求める（Ｓ５）。最後に、式３により粘着テープの塵埃が付着している面積の割合として塵埃量８を定量化する（Ｓ６）。

以上のＳ４からＳ６までが塵埃量算出のプロセスであり、採取したテープの数だけ繰り返し行われる。

このような塵埃量８の定量化方法では、基準値算出のプロセスで予め塵埃の付着していない粘着テープ画像の諧調の平均値Ｐｍと標準偏差σｍを求めておき、これとの比較により、塵埃量８の定量化のプロセスでの各ピクセルの階調値が塵埃かどうかを判定しているので、塵埃撮影時の明暗などの条件に依存せず、高精度に塵埃量８を定量化できる。

一方、イオン量７は、粘着テープに付着した塵埃を一定量の水に溶かし、含まれるイオン量７を、イオンメーターなどにより測定する。

このようにして、粘着テープで採取した塵埃から塵埃量８とイオン量７とを定量化できる。

図３に、受変電設備であるスイッチギヤの同一区画にある絶縁物表面の塵埃量と床面の塵埃量の関係を、さまざまな診断場所で測定した結果を示す。図３の横軸が盤の床面から採取したときの塵埃量であり、そのときの絶縁物表面から直接採取したときの塵埃量を縦軸としている。

該図に示す如く、盤の床面と絶縁物表面との塵埃量には、相関があることが分かる。即ち、活線時には絶縁物に直接触れることは困難であるが、図３の如く、盤内床面の塵埃量が増えると、同じ環境下にある絶縁物表面の塵埃量も増えていることから、絶縁物と同一環境下にある盤内床面から塵埃を採取することにより、絶縁物表面の塵埃量を推定可能である。

従って、図３のようなデータを予め蓄積し、盤の床面と絶縁物表面の塵埃量の比率を把握しておくことで、活線状態でも絶縁物に触れることなく、絶縁物表面の塵埃量を推定できる。

更に、絶縁物の表面抵抗率（Ｒ）１３は、吸水量１２とイオン量７に依存する。図８に、絶縁物表面に付着しているイオン量７と吸水量１２と、表面抵抗率との関係を示す。

該図に示す如く、絶縁物の表面抵抗率は、イオン量（０ｐｐｍ、５０ｐｐｍ、１００ｐｐｍ）に依らず、絶縁物内への吸水量が増加すると低下する傾向にある。また、同じ吸水量であれば、イオン量が増えるほど表面抵抗率は低下する傾向にあることが分かる。

このような特性を、材料種別（例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂など）ごとに予め測定し、データベース化しておくことで、絶縁物の種類（絶縁物の材料種別６）とイオン量７及び吸水量１２が与えられれば、対応する表面抵抗率（Ｒ）３を導出できる。

通常、絶縁物は、使用経過年数５が経過することにより劣化するが、劣化すると表面抵抗率（Ｒ）１３が低下してゆき、部分放電が発生するようになることから、本実施例における絶縁物の余寿命１６は、部分放電発生時期としている。部分放電開始電圧の低下は、吸湿やイオンの含浸に伴う表面抵抗率の低下のみが原因ではなく、塵埃量８も関係する。

図７に、部分放電開始電圧Ｖｐと塵埃量Ｄｕとの関係の一例を示す。該図に示す如く、塵埃量Ｄｕが増えると、部分放電開始電圧Ｖｐが低下する傾向にあることが分かる。

また、塵埃量Ｄｕによる部分放電開始電圧Ｖｐの低下分を考慮するために、図５に示すような塵埃量Ｄｕをパラメータとした表面抵抗率と部分放電開始電圧の関係を、予め絶縁物の材料毎に測定し、データベース化しておく。

このようなデータを測定しておくと、運転電圧Ｖｄのとき、塵埃量Ｄｕ＝０％時にはＲ１、Ｄｕ＝５０％時にはＲ２、Ｄｕ＝１００％時にはＲ３などのように、塵埃量Ｄｕに応じた余寿命閾値１５を求めることができる。なお、図にない塵埃量に対応する余寿命閾値は、線形補間により対応する閾値を算出できる。

図６に、絶縁物の余寿命算出方法を示す。図６の横軸は絶縁物の使用経過年数、縦軸は表面抵抗率（９５％ＲＨ時）を表している。

該図において、まず、使用経過年数が０年のところに、被診断物である絶縁物と同じ材質で、かつ、新品の絶縁物の表面抵抗率をプロットする。次に、診断時（図中では、使用経過年数が２０年）に、上述の方法で推定された表面抵抗率をプロットする。次に、新品時と診断時の表面抵抗率を結び、この新品時と診断時の表面抵抗率を結んだ直線を劣化予測線とする。次に、塵埃量Ｄｕに応じて定まる余寿命閾値Ｒｔを引き、劣化予測線と交わる時点を寿命として判断し、寿命時と診断時の差を余寿命として算出するものである。

このような本実施例の受変電設備における絶縁物の余寿命診断方法によれば、受変電設備における受電盤内の絶縁物の余寿命を簡易に精度良く診断することができ、信頼性を高めることができる効果がある。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成を置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…気象ＤＢ、２…設備ＤＢ、３…平均使用温度、４…相対湿度、５…絶縁物の使用経過年数、６…絶縁物の材料種別、７…イオン量、８…塵埃量、９…拡散定数ＤＢ、１０…絶対湿度、１１…拡散定数、１２…吸水量、１３…表面抵抗率、１５…余寿命閾値、１６…余寿命。

Claims

受変電設備における受電盤内の絶縁物の余寿命を診断する際に、前記受電盤内の塵埃を採取し、この塵埃に含まれるイオン量と温度履歴及び湿度履歴とから、前記絶縁物の表面抵抗率を算出し、該絶縁物の表面抵抗率と新品時の絶縁物の表面抵抗率及び前記絶縁物の使用経過年数及び塵埃量から定まる該絶縁物の表面抵抗率の閾値により、前記絶縁物の余寿命を推定することを特徴とする受変電設備における絶縁物の余寿命診断方法。
請求項１に記載の受変電設備における絶縁物の余寿命診断方法において、
前記塵埃は、前記受電盤の床面から採取されるものであることを特徴とする受変電設備における絶縁物の余寿命診断方法。
請求項１又は２に記載の受変電設備における絶縁物の余寿命診断方法において、
被診断物である前記絶縁物と同じ材質で、かつ、新品の絶縁物の表面抵抗率をプロットすると共に、前記絶縁物の診断時に、前記算出された絶縁物の表面抵抗率をプロットし、かつ、前記プロットした新品時と診断時それぞれの前記絶縁物の表面抵抗率を結び、この結んだ直線を劣化予測線とし、次に、前記塵埃の量に応じて定まる該絶縁物の表面抵抗率の余寿命閾値線を引き、前記劣化予測線と余寿命閾値線が交わる点を寿命と判断し、この寿命時と前記診断時の差を前記絶縁物の余寿命として診断することを特徴とする受変電設備における絶縁物の余寿命診断方法。
受変電設備における受電盤内の絶縁物の余寿命を診断する際に、前記受電盤内の絶縁物の絶縁物表面の吸水量と前記絶縁物に含まれるイオン量とから、前記絶縁物の表面抵抗率を算出し、該絶縁物の表面抵抗率と新品時の絶縁物の表面抵抗率と絶縁物の使用経過年数と塵埃量から定まる該絶縁物の表面抵抗率の閾値により、絶縁物の余寿命を推定することを特徴とする受変電設備における絶縁物の余寿命診断方法。
請求項４に記載の受変電設備における絶縁物の余寿命診断方法において、
被診断物である前記絶縁物と同じ材質で、かつ、新品の絶縁物の表面抵抗率をプロットすると共に、前記絶縁物の診断時に、前記算出された絶縁物の表面抵抗率をプロットし、かつ、前記プロットした新品時と診断時それぞれの前記絶縁物の表面抵抗率を結び、この結んだ直線を劣化予測線とし、次に、前記塵埃の量に応じて定まる該絶縁物の表面抵抗率の余寿命閾値線を引き、前記劣化予測線と余寿命閾値線が交わる点を寿命と判断し、この寿命時と前記診断時の差を前記絶縁物の余寿命として診断することを特徴とする受変電設備における絶縁物の余寿命診断方法。