JP5951299B2 - 劣化診断装置および劣化診断方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電気機器などに使用される絶縁材料の絶縁性能の劣化を診断する装置および方法に関する。

電力設備は社会インフラストラクチャを支える重要な設備であり、長期にわたり安定して稼動できることを求められる。安定稼動のためには、電力設備の劣化状態を把握し、保全・更新を計画的に実施する必要がある。電力設備の導体支持またはバリヤなどに用いられる絶縁材料は材料自体の経年劣化や、設置環境に浮遊する塵埃またはガスの付着などで絶縁特性が低下する。絶縁特性が低下すると放電やトラッキングを生じて設備停止に至る虞もあることから、絶縁材料の状態は電力設備の劣化を診断するためのバロメータになる。

設置環境が絶縁材料の劣化に及ぼす影響は、塵埃やガスの付着による汚損だけとは限らない。絶縁材料の成分と化学反応する環境因子が存在する環境では、通常の経年劣化を上回る速度で、絶縁材料が劣化する場合がある。例えば炭酸カルシウムは、絶縁材料の無機充填材として多く使用される。炭酸カルシウムが塩素系ガスや窒素酸化物ガスなどと反応すると、絶縁材料表面に塩化カルシウムまたは硝酸カルシウムが形成される。これらの物質は湿度４０％ＲＨ以下の低湿度であっても大気中の水分を吸入して潮解するので、低湿度条件であっても絶縁材料の表面が結露し、絶縁材料の表面を漏れ電流が流れることがある。これが甚だしくなると絶縁が破壊され、最悪の場合には設備停止に至ることもある。

特許第４１２１４３０号公報 特開２０１１−２７５９６号公報

電気設備に使われている絶縁材料の絶縁抵抗値を、フィールドで直接測定することは可能である。しかしながらその測定値は測定場所の雰囲気、具体的には湿度に大きく影響される。例えば乾燥した環境下では絶縁抵抗値は現状よりも高くなることが多く、絶縁材料の劣化が見逃されるケースがある。また、電気設備が絶縁不良で停止するのは、ほとんど梅雨時の高温多湿の時期である。このように抵抗値を直接測定することは実地の運用には向いているといえない。

そこで、多変量解析などの数値的な演算により絶縁材料の絶縁抵抗を推定する方法が提案されている。つまり、絶縁抵抗と相関を持ち測定場所の雰囲気に影響されない項目を複数測定し、その項目の値に基づいて絶縁抵抗値を算出する方法である。この方法ではフィールドで使用されている絶縁材料、および強制劣化させた絶縁材料について、絶縁抵抗と相関のあるデータを取得し、多変量解析により診断指標である絶縁抵抗の推定式を策定する。絶縁診断では、推定式を策定した項目を測定し、絶縁抵抗推定式から、任意の温湿度の絶縁抵抗を推定するようにする。

しかしながらこの方法においても、推定式の選択を誤れば現実とは異なる結果が算出されてしまう。例えば推定式を策定した劣化材料とは異なるモードで劣化した絶縁材料に同じ推定式を当てはめると、真値とかけ離れた推定値が導出されてしまい、誤診断に至ることがある。
目的は、誤診断を防止し精度の向上を図った劣化診断装置および劣化診断方法を提供することにある。

実施形態によれば、劣化診断方法は、絶縁材料に対して予め設定されている評価項目の係数および前記評価項目の実測値とに基づいて、多変量解析により用意された推定式を用いて絶縁材料の絶縁抵抗値を推定し、推定した絶縁抵抗値の妥当性を判定し、推定した絶縁抵抗値および絶縁材料の使用期間に基づいて絶縁材料の有効期間を算出する。

実施形態に係わる劣化診断装置の一例を示す機能ブロック図である。 業種別に存在するガス種の特徴の一例を示す図である。 実施形態に係る推定式の妥当性を判定する処理手順の一例を示すフローチャートである。 実施形態に係る推定式の妥当性を判定する処理手順の他の例を示すフローチャートである。 炭酸カルシウムを充填した不飽和ポリエステル樹脂の絶縁抵抗値の測定データの分布を示すグラフ。 図５に示される測定データから一部のデータを無作為に抜き出した以外のデータに基づき算出された推定式の係数の一例を示す表である。 Ｔ法による解析の結果得られた絶縁抵抗値の推定値と真値の相関を示す相関図である。 無作為抽出したデータを未知データとして算出した真値と推定値との相関係数を示すグラフ。 炭酸カルシウムおよび水和アルミナを充填した不飽和ポリエステル樹脂の絶縁抵抗値の測定データの分布を示すグラフ。 図９に示される測定データから一部のデータを無作為に抜き出した以外のデータに基づき算出された推定式の係数の一例を示す表である。 Ｔ法による解析の結果得られた絶縁抵抗値の推定値と真値の相関を示す相関図である。 無作為抽出したデータを未知データとして算出した真値と推定値との相関係数を示すグラフ。 診断対象の絶縁材料の余寿命を求めるための概念図である。

以下に、本発明の実施形態に係る絶縁材料の絶縁劣化診断方法について図面を参照して説明する。なお、本実施形態は下記に述べることに限定されない。
実施形態においては、絶縁劣化判定基準となる絶縁材料の絶縁特性の変化と、当該絶縁特性の変化に相関のある絶縁材料の種々の材料特性、および絶縁材料が設置されている大気環境因子の関係を多変量解析により整理し、絶縁材料の絶縁特性の推定式を予め作成する。

最初に、Ｔ法またはＴＳ法により絶縁材料の表面絶縁抵抗を推定する式を作成するためのデータを収集する。測定する絶縁材料の材料特性としては、例えば色差Ｌ＊、色差ａ＊、色差ｂ＊、青色反射率、赤色反射率、光沢度（入射角２０°）、光沢度（入射角６０°）、光沢度（入射角８５°）、表面粗さ、濡れ性（接触角）等、材料の劣化に伴い変化する特性が選択される。また、大気環境因子は、材料表面の汚損度、塩素イオン、硝酸イオン、硫酸イオン、ナトリウムイオン、アンモニウムイオン及び設置環境の温度、湿度などを測定する。推定式作成の段階で、推定精度を向上させる項目を絞り込むので、広範囲でデータ収集する。

フィールド回収品だけで劣化に偏りがある場合は、実験室で作成した模擬劣化品のデータも追加する。模擬汚損品は、熱劣化条件を変えて作成した材料自体の劣化を模擬した熱劣化品に、各種汚損溶液に浸漬して表面に汚損を付与するか、表面に塵埃を付着させてガス試験装置内で各種ガスを吸着させ汚損を付与する。作成した材料を恒温恒湿槽内に放置して絶縁抵抗の温湿度特性を測定する。

次に、測定したデータを多変量解析の手法であるＴ（タグチ）法により整理し、絶縁材料の表面絶縁抵抗の推定式を作成する。ここで、推定式を策定した時に含まれていなかった劣化モードがあると、推定精度が悪くなる。従って、推定式を作成するために、想定される劣化形態を網羅し、劣化程度も新品から寿命品まで広範囲の材料データを収集することが重要である。

なお、多変量解析の手法として他にタグチ−シュミット法（ＴＳ法）が知られている。しかしＴＳ法は評価項目間の交互作用を考慮した解析であるので、異なる劣化モードのデータの推定精度が極端に悪くなる可能性がある。実施形態ではこれを避けるため、評価項目が互いに独立している（評価項目間の交互作用を考慮しない）Ｔ法を採用することとする。

図１は、実施形態に係わる劣化診断装置の一例を示す機能ブロック図である。図１に示される劣化診断装置において、測定部１は、診断対象とする絶縁材料の絶縁抵抗、測定時の温度、湿度、および診断対象に係わる各種の調査項目を測定する。測定の結果は絶縁抵抗推定部２に渡される。

材料別推定式記憶部７には、Ｔ（タグチ）法で作成された絶縁抵抗推定式が予め、複数の劣化モードにわたって記憶されている。また機種別使用絶縁材料名記憶部６には、被診断機器の機種および製造年月に対応する、絶縁材料の種類が登録されている。劣化診断装置は、入力された機種および製造年月に対応する絶縁材料の種類を、機種別使用絶縁材料名記憶部６を参照して特定する。その結果に基づいて、対象となる絶縁材料の絶縁抵抗推定式が材料別推定式記憶部７から呼び出される。多数の劣化モードを網羅すればするほど推定式の精度は上がるので、誤診断が少なくなる。

しかしながら全ての劣化モードの解析データを取得することは困難である。そこで実施形態では推定式作成用解析データ記憶部８を設ける。推定式作成用解析データ記憶部８は、例えば図２に示されるような、特徴のある設置環境別にデータを分類したり、業種別、あるいは顧客別に用意される推定式を登録したデータベースである。このようなデータベースを用いれば同じ劣化モードにおけるデータ解析を実施できるので、推定精度が高い式の作成が可能である。すなわち推定式作成用解析データ記憶部８のようなデータベースを備えることにより、要求に応じたＴ法解析を任意に実施できるようになる。

絶縁抵抗推定部２は、Ｔ法による多変量解析のもとで作成された推定式を用いて絶縁材料の絶縁抵抗値を推定する。つまり絶縁抵抗推定部２は、機種別使用絶縁材料名記憶部６を参照して特定した絶縁材料の絶縁抵抗推定式を材料別推定式記憶部７から呼び出し、この推定式を用いて前記絶縁材料の絶縁抵抗値を推定する。

さらに実施形態では、推定式妥当性判定部３を設ける。推定式妥当性判定部３は、絶縁抵抗推定部２により推定された絶縁抵抗値の妥当性を判定する。推定式妥当性判定部３は、例えば既定の上限値との比較に基づいて推定式の妥当性を判定することで、推定された絶縁抵抗値の妥当性を判定する。また推定式妥当性判定部３は、例えば絶縁抵抗値の実測値との比較に基づいて前記推定式の妥当性を判定することで、推定された絶縁抵抗値の妥当性を判定する。

診断部４は、推定された絶縁抵抗値および絶縁材料の使用期間に基づいて、絶縁材料の有効期間を算出する。すなわち絶縁抵抗推定部２によって推定された絶縁抵抗値と絶縁材料の使用期間とに基づいて、絶縁抵抗値の使用期間に対する変化を表す推定曲線を求め、推定曲線が予め設定されているしきい値以下となる時点に基づいて絶縁材料の有効期間を算出する。以上の処理を経て得られた診断の結果は診断結果表示部５に表示される。

図３は、実施形態に係る推定式の妥当性を判定する処理手順の一例を示すフローチャートである。図３において、先ず、測定雰囲気の温度および湿度を測定する（ステップＳ９）。次に、対象とする材料の絶縁抵抗値の実測値（Ｒ１）を測定する（ステップＳ１０）。さらに、材料の評価項目（色差、反射率、光沢度、汚損度、イオン付着量など）を測定する（ステップＳ１１）。

次に、測定結果を絶縁抵抗推定式に代入して絶縁抵抗値の推定値（Ｒ２）を算出する（ステップＳ１２）。推定値（Ｒ２）が得られると、推定値（Ｒ２）が１０¹⁶Ω未満であることを確認する（ステップＳ１３）。すなわち推定値（Ｒ２）が１０¹⁶Ω以上になることはありえないので、先ず１０¹⁶Ωを超えていないことを確認する。

推定値（Ｒ２）が１０¹⁶Ωを超えていた場合は、推定結果は妥当でないことが判定される（ステップＳ１６）。推定値（Ｒ２）が１０¹⁶Ωを超えていない場合は、次に、推定値（Ｒ２）を実測値（Ｒ１）と比較する（ステップＳ１４）。すなわち、Ｒ２がＲ１×１００とＲ１×０．０１との間に入っているかが確認される。このステップにおける比較はＲ１とＲ２の対数値の差が±２以内と言い換えることもできる。Ｒ２がこの範囲内に入っていれば推定式は妥当であることが判定され（ステップＳ１５）、この推定式を診断で使用しても誤診断の可能性はほとんどないと判断できる。Ｒ２がこの範囲外であれば、推定結果は妥当でないことが判定される（ステップＳ１７）。

図４は、実施形態に係る推定式の妥当性を判定する処理手順の他の例を示すフローチャートである。上記説明で述べた推定式は評価項目の測定値の一次式とし、具体的には例えば次式（１）のように示される。
Ｙ＝Ｃ＋ａ・Ｘ１＋ｂ・Ｘ２＋ｃ・Ｘ３＋…＋ｌ・Ｘ１２＋ｍ・Ｘ１３ （１）
式（１）においてＸ１，Ｘ２，Ｘ３，…，Ｘ１２，Ｘ１３は測定値であり、Ｃ，ａ，ｂ，ｃ，…，ｌ，ｍは係数である。実施形態では多変量解析によりＣ，ａ，ｂ，ｃ，…，ｌ，ｍを算出する。

Ｔ法解析により絶縁抵抗推定式を決定するために用いたデータ群がある。そのデータ群から、各測定項目の最大値と最小値とを式（１）に代入し、絶縁抵抗値の推定値の最大値（Ｒｍａｘ）と最小値（Ｒｍｉｎ）とを算出する（ステップＳ１８）。これにより各測定項目のばらつきを考慮した絶縁抵抗推定値の範囲を算出することができる。

次に、推定式に診断時の温度、湿度および評価項目の測定値を代入して絶縁抵抗値の推定値（Ｒ２）を算出する（ステップＳ１９）。そして、推定値（Ｒ２）がＲｍａｘ以下かつＲｍｉｎ以上の範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ２０）。この範囲内にあれば推定式は妥当であると判定され（ステップＳ２１）、診断を継続する。
範囲内に無ければ推定式は推定式は妥当でないと判定される（ステップＳ２２）。このケースでは、診断対象は、推定式を作成した劣化パターンとは異なるモードで劣化していることを判断できる。

図５〜図８は、炭酸カルシウムを充填した不飽和ポリエステル樹脂についての処理の一例を示す図である。この材料の色調は黒である。図５の横軸は対数（Ｌｏｇ）に換算した絶縁抵抗値であり、縦軸はデータ数（カウント数）である。図５における測定データ数は２３８であり、このうち６０個のデータが８．２〜８．８の単位空間に分布する。

式（１）に対し２３８個の解析データの全てを用いて多変量解析に基づき推定式を求めると、未知のデータを推定式に代入して推定精度を確認することができない。また、解析データを確認に使うことは単なる当てはめになるので好ましくない。そこで実施形態では解析データのうちから幾つかのデータを無作為抽出し、それ以外のデータを用いて絶縁抵抗推定式を作成するようにする。このような解析により得られた推定式、すなわち係数の表を図６に示す。図６におけるＣは式（１）のＣに対応し、Ｘ１につく係数−０．０２３は係数ａ、Ｘ２につく係数−０．１２７は係数ｂ、…である。

このように、絶縁材料に対して予め設定されている評価項目の係数をＴ法による解析により決定する時に、解析用データの一部を推定式作成には使用せずに未知データとして取り扱い、Ｔ法の解析で得られた推定式の検証用に使うことで、推定式の推定精度を確認することができる。

図７は、Ｔ法による解析の結果得られた絶縁抵抗値の推定値と真値の相関を示す相関図である。図８は無作為抽出したデータを未知データとして算出した真値と推定値との相関係数を示すグラフである。図８に示すように相関係数は０．９１と高い値を示し、高い相関のあることを確認することができた。

図９〜図１２は、炭酸カルシウムおよび水和アルミナを充填した不飽和ポリエステル樹脂についての処理の一例を示す図である。この材料の色調は灰色である。図９の横軸は対数（Ｌｏｇ）に換算した絶縁抵抗値であり、縦軸はデータ数（カウント数）である。図９における測定データ数は２２５であり、このうち６０個のデータが７．８〜８．５の単位空間に分布する。

図５〜図８と同様に、２２５個の解析データのうちから幾つかのデータを無作為抽出し、それ以外のデータを式（１）に当てはめて絶縁抵抗推定式を作成する。解析により得られた推定式、すなわち係数の表を図１０に示す。図１０におけるＣは１５．９０であり、Ｘ１につく係数ａは−０．０２６、Ｘ２につく係数ｂは−０．０７、…である。

図１１は、Ｔ法による解析の結果得られた絶縁抵抗値の推定値と真値の相関を示す相関図である。図１２は無作為抽出したデータを未知データとして算出した真値と推定値との相関係数を示すグラフである。図１２に示すように相関係数は０．９３と高い値を示し、高い相関のあることを確認することができた。以上の手法により推定式の精度を確認することが可能になる。

図１３は、診断対象の絶縁材料の余寿命を求めるための概念図である。推定式が妥当であると結論付けられた場合には、診断対象材料の調査項目を測定し、電気設備が設置されている場所の最高温度、湿度における絶縁抵抗を推定し、図１３のチャートを参照して絶縁材料の余寿命時間を求めることができる。

以上説明したようにこの実施形態では、多変量解析Ｔ法による、任意の温度、湿度の絶縁抵抗が推定できるのに加え、推定式妥当性判定部３により推定式の妥当性を判定し、その結果に基づいて絶縁抵抗値の妥当性を判定するようにしている。これにより劣化モードの異なる材料を診断したケースにおける誤診断を回避できるようになり、従って誤診断の虞なく信頼性の高い診断を実現することができる。

すなわち実施形態によれば、誤診断の有無を判定することができるので、誤診断を防止し、信頼性の高い劣化診断が可能になる。さらに、推定式の妥当性を判定できるようにしたので、誤診断を防止し、より精度が高い診断が可能になる。これらのことから、誤診断を防止し精度の向上を図った劣化診断装置および劣化診断方法を提供することが可能となる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…測定部、２…絶縁抵抗推定部、３…推定式妥当性判定部、４…診断部、５…診断結果表示部、６…機種別使用絶縁材料名記憶部、７…材料別推定式記憶部、８…推定式作成用解析データ記憶部

Claims (16)

1. 絶縁材料に対して予め設定されている評価項目の係数と前記評価項目の実測値とに基づいて、Ｔ（タグチ）法により劣化モードごとに予め用意された複数の推定式を材料別に記憶する記憶部と、
   被診断機器の機種および製造年月を参照して特定した絶縁材料の推定式を前記記憶部から呼び出し、前記絶縁材料の絶縁抵抗値を前記記憶部から呼び出された推定式を用いて推定する推定部と、
   前記記憶部から呼び出された推定式の妥当性を、前記推定された絶縁抵抗値と当該絶縁抵抗値の実測値との比較に基づいて判定し、その結果に基づいて前記推定した絶縁抵抗値の妥当性を判定する判定部と、
   前記推定した絶縁抵抗値および前記絶縁材料の使用期間に基づいて前記絶縁材料の有効期間を算出する診断部とを具備する、劣化診断装置。
2. 前記推定部は、前記呼び出された推定式を用いて前記絶縁材料の絶縁抵抗値を推定し、
   前記判定部は、既定の上限値との比較に基づいて前記推定式の妥当性を判定する、請求項１に記載の劣化診断装置。
3. 前記推定部は、前記呼び出された推定式を用いて前記絶縁材料の絶縁抵抗値を推定し、
   前記判定部は、前記絶縁抵抗値の実測値と、前記推定された推定値との対数値の差が±２以内であるか否かに基づいて前記呼び出された推定式の妥当性を判定する、請求項１に記載の劣化診断装置。
4. 前記判定部は、前記推定式の作成時に使用されたデータ群の各測定項目の最大値および最小値を前記推定式に代入して算出した値の範囲内に前記推定した絶縁抵抗値が含まれるか否かに基づいて、前記推定式の妥当性を判定する、請求項１に記載の劣化診断装置。
5. 前記診断部は、前記推定した絶縁抵抗値の使用期間に対する変化を表す推定曲線が既定のしきい値以下となる時点に基づいて有効期間を算出する、請求項１に記載の劣化診断装置。
6. 前記絶縁材料を備える被診断機器の機種および製造年月に対応する当該絶縁材料の種類を登録したデータベースを備え、
   前記推定部は、与えられた機種および製造年月に対応する絶縁材料の種類を前記データベースから読み出し、当該読み出した種類に基づく推定式を用いて前記絶縁材料の絶縁抵抗値を推定する、請求項１に記載の劣化診断装置。
7. 前記データベースには、さらに、前記被診断機器の業種情報および顧客情報も登録され、
   前記推定部は、前記業種情報および前記顧客情報に対応する推定式を用いて前記絶縁材料の絶縁抵抗値を推定する、請求項６に記載の劣化診断装置。
8. 前記記憶部に記憶される前記複数の推定式は、それぞれ複数の解析データからなるデータ群から無作為抽出した第１データ群に基づいて作成され、
   さらに、前記記憶部から呼び出された推定式に前記データ群のうち前記第１データ群以外のデータである第２データ群を代入し、その結果に基づいて、当該記憶部から呼び出された推定式の精度を確認する手段を具備する、請求項１に記載の劣化診断装置。
9. 絶縁材料に対して予め設定されている評価項目の係数と前記評価項目の実測値とに基づいて、Ｔ（タグチ）法により劣化モードごとに予め用意された複数の推定式を材料別に記憶部に記憶し、
   被診断機器の機種および製造年月を参照して特定した絶縁材料の推定式を前記記憶部から呼び出し、
   前記絶縁材料の絶縁抵抗値を前記記憶部から呼び出された推定式を用いて推定し、
   前記記憶部から呼び出された推定式の妥当性を、前記推定された絶縁抵抗値と当該絶縁抵抗値の実測値との比較に基づいて判定し、その結果に基づいて前記推定した絶縁抵抗値の妥当性を判定し、
   前記推定した絶縁抵抗値および前記絶縁材料の使用期間に基づいて前記絶縁材料の有効期間を算出する、劣化診断方法。
10. 前記推定することは、前記呼び出された推定式を用いて前記絶縁材料の絶縁抵抗値を推定し、
    前記判定することは、既定の上限値との比較に基づいて前記推定式の妥当性を判定する、請求項９に記載の劣化診断方法。
11. 前記推定することは、前記呼び出された推定式を用いて前記絶縁材料の絶縁抵抗値を推定し、
    前記判定することは、前記絶縁抵抗値の実測値と、前記推定された推定値との対数値の差が±２以内であるか否かに基づいて前記推定式の妥当性を判定する、請求項９に記載の劣化診断方法。
12. 前記判定することは、前記推定式の作成時に使用されたデータ群の各測定項目の最大値および最小値を前記推定式に代入して算出した値の範囲内に前記推定した絶縁抵抗値が含まれるか否かに基づいて、前記推定式の妥当性を判定する、請求項９に記載の劣化診断方法。
13. 前記算出することは、前記推定した絶縁抵抗値の使用期間に対する変化を表す推定曲線が既定のしきい値以下となる時点に基づいて有効期間を算出する、請求項９に記載の劣化診断方法。
14. 前記推定することは、与えられた機種および製造年月に対応する絶縁材料の種類を、前記絶縁材料を備える被診断機器の機種および製造年月に対応する当該絶縁材料の種類を登録したデータベースから読み出し、当該読み出した種類に基づく推定式を用いて前記絶縁材料の絶縁抵抗値を推定する、請求項９に記載の劣化診断方法。
15. 前記データベースには、さらに、前記被診断機器の業種情報および顧客情報も登録され、
    前記推定することは、前記業種情報および前記顧客情報に対応する推定式を用いて前記絶縁材料の絶縁抵抗値を推定する、請求項１４に記載の劣化診断方法。
16. 前記記憶部に記憶される前記複数の推定式は、それぞれ複数の解析データからなるデータ群から無作為抽出した第１データ群に基づいて作成され、
    さらに、前記記憶部から呼び出された推定式に前記データ群のうち前記第１データ群以外のデータである第２データ群を代入し、その結果に基づいて、当該記憶部から呼び出された推定式の精度を確認する、請求項９に記載の劣化診断方法。

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