JP6110783B2 - 電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法およびそのための装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機巻線の絶縁性能を判定するための繰り返しインパルス部分放電試験方法およびその方法を行うための装置に関する。

電動機をインバータ駆動する際、インバータにおける高速スイッチングに起因したサージ電圧が発生し、これが電動機巻線の絶縁に影響を及ぼすことは、広く知られている。このようなサージ電圧は、インバータサージと呼ばれ、電動機の定格電圧の２倍以上に達することもある。インバータサージが電動機巻線に加わると、巻線の内部や外部において部分放電が発生することが懸念され、こうした部分放電は、巻線を構成するエナメル線の被覆を劣化させる原因となる。被覆が劣化すると、やがては絶縁破壊に至ることから、電動機においては、その巻線にインバータサージが加わったとしても部分放電が発生しないような絶縁設計を行うことが求められている。

従来、電動機巻線の絶縁性能は、交流電圧の印加による部分放電特性、特に部分放電開始電圧に基づいて評価されていた。しかし、交流電圧が印加される場合とサージ電圧が印加される場合とでは、巻線における電位分布が異なるため、インバータ駆動される電動機巻線の絶縁性能は、サージ電圧を模擬した繰り返しインパルス電圧の印加により評価されることが望ましい（非特許文献１）。

繰り返しインパルス電圧を印加して測定される部分放電開始電圧には２通りあり、たとえば１０発のインパルスを印加して１発のインパルスで部分放電が発生した時の電圧レベルを部分放電開始電圧（ＰＤＩＶ：Ｐａｒｔｉａｌ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｉｎｃｅｐｔｉｏｎ Ｖｏｌｔａｇｅ）と称し、１０発のインパルスを印加して５発以上のインパルスで部分放電が発生した場合の電圧レベルを繰り返し部分放電開始電圧（Ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ Ｐａｒｔｉａｌ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｉｎｃｅｐｔｉｏｎ Ｖｏｌｔａｇｅ）と称する。以降、本書で記す部分放電開始電圧はＰＤＩＶとＲＰＤＩＶの両方を含む。

繰り返しインパルスというのは、一定の電圧レベルと所定の繰り返し周波数を備えたインパルス列のことをいい、以降、本書および説明図で記すインパルスは繰り返しインパルスのことを指す。

特開平９−２５７８６２公報

平成２５年電気学会全国大会講演論文集２−０５８

図９は、電動機巻線のインパルス部分放電試験における電動機の絶縁性能検査箇所を模式的に示す図である。電動機１０の鉄心１１のスロット内に、Ｕ相巻線１２とＶ相巻線１３とＷ相巻線１４とが巻かれている。鉄心１１は接地されている。実際の電動機１０では、Ｕ相巻線１２と、Ｖ相巻線１３あるいはＷ相巻線１４とが重なって配置され、いずれかで接触する箇所が存在する可能性がある。巻線は接地されたスロット内に配置され、１相分の巻線においても、各ターンごとの巻き始めと巻き終わりが接触する可能性がある。したがって、巻線の絶縁性能は、図９に示すように巻線と巻線の間、巻線とアース間、ターン間の３箇所を検査する。

図１０は、従来の電動機巻線のインパルス部分放電試験を行うときの配線図であって、特許文献１で提案されている方法を示す。特許文献１では、電動機巻線のインパルス部分放電試験における電動機１０のターン間の絶縁性能を検査する場合に、図１０に示すように、１相の巻線（たとえばＵ相巻線１２）と他の２相の巻線（たとえばＶ相巻線１３およびＷ相巻線１４）との間に、インパルス電源１５によるインパルス電圧を印加する。

このように、ターン間の絶縁性能を検査するにも巻線と巻線の間に電圧を印加しなければならず、部分放電を検出した場合に、その部分放電が、巻線と巻線の間、あるいはターン間の、いずれで発生したか判断がつかないという問題があった。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであって、その目的は、電動機巻線の絶縁性能を判定するためのインパルス部分放電試験において、部分放電を検出した場合に、その部分放電が、巻線と巻線の間、あるいはターン間の、いずれで発生したか判断できるようにすることにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法は、第１および第２の出力端子を有してこれら第１の出力端子と第２の出力端子との間にインバータサージを模擬した繰り返しインパルス電圧を出力するインパルス電源を用いて、第１の巻線を含む複数の巻線を有する電動機の巻線の繰り返しインパルス部分放電特性を試験する方法であって、前記第１の出力端子を前記第１の巻線に接続し、前記第２の出力端子を前記第１の巻線と異なる巻線に接続して、前記第１の巻線と第１の巻線と異なる巻線の間の放電試験である巻線間部分放電試験をする場合には、前記インパルス電源の出力電圧をそのまま前記第１の巻線と第１の巻線と異なる巻線の間に印加し、前記第１の巻線のターン間の放電試験であるターン間部分放電試験をする場合には、前記インパルス電源の出力電圧を前記第１の巻線と第１の巻線と異なる巻線の間に印加するとともに、前記第１および第２の出力端子の間に端子間ダイオードを接続すること、を特徴とする。

また、本発明に係る電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験装置は、第１の巻線を含む複数の巻線を有する電動機の巻線の繰り返しインパルス部分放電特性を試験するための繰り返しインパルス部分放電試験装置であって、前記第１の巻線に接続される第１の出力端子と、前記電動機の第１の巻線と異なる巻線に接続される第２の出力端子とを備えて、これら第１および第２の出力端子間に、インバータサージを模擬した繰り返しインパルス電圧を出力するインパルス電源と、前記第１の出力端子と前記第２の出力端子との間に接続可能な端子間ダイオードと、前記第１の出力端子と前記第２の出力端子との間を、端子間ダイオードを介して接続するターン間部分放電試験モードと、前記第１の出力端子と前記第２の出力端子との間の前記端子間ダイオードの接続を断つ巻線間部分放電試験モードとの間で切り替え可能なスイッチと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、電動機巻線の絶縁性能を判定するためのインパルス部分放電試験において、部分放電を検出した場合に、その部分放電が、巻線と巻線の間、あるいはターン間の、いずれで発生したか判断できる。

本発明に係る電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法の第１の実施形態における繰り返しインパルス部分放電試験装置を示すブロック図である。 本発明に係る電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法の第１の実施形態において、巻線間部分放電試験モードにおける、巻線・巻線間電圧波形およびターン間電圧波形の例を示す図である。 本発明に係る電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法の第１の実施形態において、ターン間部分放電試験モードにおける、巻線・巻線間電圧波形およびターン間電圧波形の例を示す図である。 本発明に係る電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法の第２の実施形態における繰り返しインパルス部分放電試験装置を示すブロック図である。 本発明に係る電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法の第２の実施形態において、１０ｋＨｚの高周波交流電圧から生成した両極性インパルス波形を示す図である。 本発明に係る電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法の第２の実施形態において、１０ｋＨｚの高周波交流電圧から生成したインパルスの立ち上がり波形を示す図である。 本発明に係る電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法の第２の実施形態において、電動機に立ち上がり時間が１０μｓのインパルスを印加した場合の巻線と巻線の間の電圧波形とターン間電圧波形を示す図である。 本発明に係る電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法の第３の実施形態における繰り返しインパルス部分放電試験装置を示すブロック図である。 電動機巻線のインパルス部分放電試験方法における電動機の絶縁性能検査箇所を模式的に示す図である。 従来の電動機巻線のインパルス部分放電試験方法における配線図である。

以下、図面を参照しながら本発明に係る電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法およびそのための装置について説明する。ここで、同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１から図３を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係る電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法の第１の実施形態における繰り返しインパルス部分放電試験装置を示すブロック図である。

（構成）
電動機１０の鉄心１１のスロット（図示せず）内に、Ｕ相巻線１２とＶ相巻線１３とＷ相巻線１４が巻かれている。繰り返しインパルス部分放電試験を行うにあたり、Ｖ相巻線１３とＷ相巻線１４の各入力端は接地される。

インパルス電源１５は第１の出力端子１６と第２の出力端子１７との間に、インパルス電圧を発生するものである。第１の出力端子１６は部分放電検出装置１８を介してＵ相巻線１２の入力端に接続されている。第２の出力端子１７は、部分放電検出装置１８を介してアースに接続されている。

第１の出力端子１６と第２の出力端子１７の間に巻線・巻線間電圧を測定するための第１の差動プローブ１９が接続されている。また、Ｕ相巻線１２の入力端とこの入力端に隣接して配置される１ターン巻き終わり部との間の電圧であるターン間電圧を測定するための第２の差動プローブ２０が接続されている。

第１の出力端子１６と第２の出力端子１７との間を接続する端子間ダイオード２１が、スイッチ２２を介して接続されている。スイッチ２２が閉のときは第１の出力端子１６と第２の出力端子１７との間に端子間ダイオード２１が接続され、スイッチ２２が開のときは第１の出力端子１６と第２の出力端子１７が接続されない。

（動作）
巻線間部分放電試験をする場合には、スイッチ２２を開にする。このとき、端子間ダイオード２１は切り離されていて動作せず、インパルス電源１５の出力電圧が直接、電動機１０のＵ相巻線１２の入力端に印加される。この状態を巻線間部分放電試験モードと呼ぶ。

ターン間部分放電試験をする場合には、スイッチ２２を閉にする。このとき、インパルス電源１５の第１の出力端子１６と第２の出力端子１７との間に端子間ダイオード２１が接続されていて、端子間ダイオード２１が機能する。この状態をターン間部分放電試験モードと呼ぶ。

図２は、電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法の第１の実施形態において、巻線間部分放電試験モードにおける、巻線・巻線間電圧波形３１およびターン間電圧波形３２の例を示す図である。電動機巻線には繰り返しインパルスを印加するが、ここでは１つのインパルスを例にとり図示した。このとき、端子間ダイオード２１は機能せず、インパルス電源１５の第１の出力端子１６と第２の出力端子１７との間の電圧が直接、電動機１０のＵ相巻線１２の入力端とＶ相巻線１３およびＷ相巻線１４との間に印加される。

巻線・巻線間電圧波形３１は第１の差動プローブ１９により測定され、ターン間電圧波形３２は、第２の差動プローブ２０により測定される。

巻線・巻線間の印加電圧は、巻線のインダクタンスと浮遊容量との共振により、インパルス電圧の第１波と第２波の極性が反転する振動波形となる。巻線・巻線間にはピーク／ピーク電圧Ｖｗｗが印加されるのに対して、ターン間に印加される電圧は巻線・巻線間に印加されたインパルス電圧の立ち上がり時間（図２では立ち下がり時間）に依存し、図２のように第１波の立ち下り部分のみで印加されＶｗｔとなる。図２の場合、ＶｗｔはＶｗｗの３０％程度となり、巻線と巻線に十分な電圧を印加しながらターン間の印加電圧を低く抑えることができる。

図３は、電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法の第１の実施形態において、スイッチ２２を閉としたターン間部分放電試験モードにおける、巻線・巻線間電圧波形３１およびターン間電圧波形３２の例を示す図である。電動機巻線には繰り返しインパルスを印加するが、ここでは１つのインパルスを例にとり図示した。このとき、インパルス電源１５の第１の出力端子１６と第２の出力端子１７との間に端子間ダイオード２１が接続された状態になっている。

図３では、図２にみられた共振による極性反転部分が端子間ダイオード２１によって除去され第１波のみとなる。このため巻線・巻線間には電圧Ｖｗｗ’が印加され、ターン間には電圧Ｖｗｔ’が印加される。図３の場合、Ｖｗｔ’はＶｗｗ’の５０％程度となり、巻線・巻線間の印加電圧を低く抑えられるうえに、巻線ターン間には十分な電圧を印加することができる。一般に、巻線・巻線間の絶縁性能はターン間の絶縁性能よりも十分高く設計されており、ターン間で部分放電開始電圧に達した場合でも巻線・巻線間には部分放電開始電圧に満たない電圧しか印加されない。

以上説明したように、本実施形態の繰り返しインパルス部分放電試験方法によれば、スイッチ２２の開閉により、巻線間部分放電試験モードとターン間部分放電試験モードとを切り替えることができる。すなわち、スイッチ２２を開とする巻線間部分放電試験モードでは、インパルス電源１５の出力電圧を電動機に直接印加し、ターン間の印加電圧を低く抑えながら巻線・巻線間に十分高い電圧を印加できるため、巻線・巻線の間の部分放電開始電圧が測定できる。また、スイッチ２２を閉とするターン間部分放電試験モードでは、インパルス電源１５の出力電圧を、端子間ダイオードを介して電動機に印加するので、巻線・巻線間の印加電圧を低く抑えながら、ターン間に十分高い電圧を印加でき、ターン間の部分放電開始電圧が測定できる。

上記説明では、Ｕ相巻線１２の入力端に第１の出力端子１６を接続し、Ｖ相巻線１３とＷ相巻線１４の各入力端は接地されているものとした。このような試験とは別に、Ｖ相巻線１３の入力端に第１の出力端子１６を接続し、Ｕ相巻線１２とＷ相巻線１４の各入力端を接地して同様の試験を行うことができる。さらに、Ｗ相巻線１４の入力端に第１の出力端子１６を接続し、Ｕ相巻線１２とＶ相巻線１３の各入力端を接地して同様の試験を行うことができる。

（第２の実施形態）
（構成）
図４は、本発明に係る電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法の第２の実施形態における繰り返しインパルス部分放電試験装置を示すブロック図である。

図４に示すように、インパルス電源１５は、高周波交流電源４１と、第１のピーククリップ用ダイオード４２、第２のピーククリップ用ダイオード４３、第１の直流電源４４、第２の直流電源４５を備えている。

第１のピーククリップ用ダイオード４２と第１の直流電源４４とが直列に接続されて、これらが高周波交流電源４１の第１の出力端子１６と第２の出力端子１７とを連絡するように接続されて、第１ピーククリップ回路５０を構成している。第１のピーククリップ用ダイオード４２の極性と第１の直流電源４４の極性は逆になっている。

第２のピーククリップ用ダイオード４３と第２の直流電源４５とが直列に接続されて、これらが高周波交流電源４１の第１の出力端子１６と第２の出力端子１７とを連絡するように接続されて、第２ピーククリップ回路５１を構成している。第２のピーククリップ用ダイオード４３の極性と第２の直流電源４５の極性は逆になっていて、第２のピーククリップ用ダイオード４３および第２の直流電源４５は、第１のピーククリップ用ダイオード４２および第１の直流電源４４と逆向きに接続されている。

高周波交流電源４１は、ｋＨｚオーダーの周波数を有する交流電圧を出力するものである。

部分放電検出装置１８、第１の差動プローブ１９、第２の差動プローブ２０などの構成は第１の実施形態と同様である。

（動作）
図４に示す構成において、高周波交流電源４１が出力したｋＨｚオーダーの周波数を有する交流電圧を、第１のピーククリップ用ダイオード４２と第１の直流電源４４、および第２のピーククリップ用ダイオード４３と第２の直流電源４５でクリップして立ち上がり時間が１０μｓ以上の両極性インパルスを生成し、電動機１０のＵ相巻線１２の入力端に印加する。

図５は、本発明に係る電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法の第２の実施形態において、１０ｋＨｚの高周波交流電圧から生成した両極性インパルス波形を示す図である。この図は、高周波交流電源４１が、周波数が１０ｋＨｚ、ピーク値が５ｋＶの交流電圧を出力し、第１のピーククリップ用ダイオード４２と第２のピーククリップ用ダイオード４３のブロッキング電圧を５００Ｖに、第１の直流電源４４の電圧と第２の直流電源４５の電圧を３ｋＶに設定した場合の、第１の出力端子１６と第２の出力端子１７の間の電圧波形である。交流電圧のピークがクリップされて両極性インパルスが出力されている。

図６は、本発明に係る電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法の第２の実施形態において、１０ｋＨｚの高周波交流電圧から生成したインパルスの立ち上がり波形を示す図である。この図は、図５に示したインパルスの立ち上がり部分を拡大した図であり、立ち上がり時間が１０μｓとなっている。

図７は、本発明に係る電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法の第２の実施形態において、電動機に立ち上がり時間が１０μｓのインパルスを印加した場合の巻線・巻線間電圧波形３１とターン間電圧波形３２を示す図である。この場合は、ターン間にはほとんど電圧が印加されないことがわかる。

以上、説明したように、本実施形態の繰り返しインパルス部分放電試験方法によれば、ターン間には印加されずに巻線・巻線間のみにインパルス電圧が印加できるので、巻線・巻線間の部分放電開始電圧が測定できる。

（第３の実施形態）
図８は、本発明に係る電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法の第３の実施形態における繰り返しインパルス部分放電試験装置を示すブロック図である。

この実施形態は、第１の実施形態のインパルス電源１５（図１）として、第２の実施形態のインパルス電源１５（図４）を用いたものである。この第３の実施形態で、スイッチ２２を開とすることにより、第２の実施形態と同様に、巻線間部分放電試験を行うことができる。また、スイッチ２２を閉としたうえで、高周波交流電源４１の周波数を１０ｋＨｚより高くすることなどにより、ターン間部分放電試験を行うことができる。

（他の実施形態）
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

たとえば、上記実施形態では、部分放電検出装置１８をインパルス電源１５の第１の出力端子１６および第２の出力端子１７の、スイッチ２２接続部よりもインパルス電源１５寄りに配置するものとしたが、部分放電検出装置１８を、スイッチ２２接続部よりも電動機１０寄りに接続してもよい。さらに、部分放電検出装置１８を第１の出力端子１６および第２の出力端子１７に接続しないで、放電による電磁波を検出することにより部分放電を検出してもよい。

また、上記実施形態では、第１の差動プローブ１９および第２の差動プローブ２０を用いて電圧を測定するものとしたが、一つの差動プローブを、動作モードに合わせて接続しなおして、それぞれの位置の電圧を測定することもできる。また、電圧を測定するための計器としては、差動プローブを用いず他の形式の電圧計を用いてもよい。

１０ 電動機
１１ 鉄心
１２ Ｕ相巻線（第１の巻線）
１３ Ｖ相巻線
１４ Ｗ相巻線
１５ インパルス電源
１６ 第１の出力端子
１７ 第２の出力端子
１８ 部分放電検出装置
１９ 第１の差動プローブ
２０ 第２の差動プローブ
２１ 端子間ダイオード
２２ スイッチ
３１ 巻線・巻線間電圧波形
３２ ターン間電圧波形
４１ 高周波交流電源
４２ 第１のピーククリップ用ダイオード
４３ 第２のピーククリップ用ダイオード
４４ 第１の直流電源
４５ 第２の直流電源
５０ 第１ピーククリップ回路
５１ 第２ピーククリップ回路

Claims (7)

1. 第１および第２の出力端子を有してこれら第１の出力端子と第２の出力端子との間にインバータサージを模擬した繰り返しインパルス電圧を出力するインパルス電源を用いて、第１の巻線を含む複数の巻線を有する電動機の巻線の繰り返しインパルス部分放電特性を試験する方法であって、
   前記第１の出力端子を前記第１の巻線に接続し、
   前記第２の出力端子を前記第１の巻線と異なる巻線に接続して、
   前記第１の巻線と第１の巻線と異なる巻線の間の放電試験である巻線間部分放電試験をする場合には、前記インパルス電源の出力電圧をそのまま前記第１の巻線と第１の巻線と異なる巻線の間に印加し、
   前記第１の巻線のターン間の放電試験であるターン間部分放電試験をする場合には、前記インパルス電源の出力電圧を前記第１の巻線と第１の巻線と異なる巻線の間に印加するとともに、前記第１および第２の出力端子の間に端子間ダイオードを接続すること、
   を特徴とする電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法。
2. 前記巻線間部分放電試験をする場合に、前記インパルス電源の出力電圧を測定し、
   前記ターン間部分放電試験をする場合に、前記第１の巻線のターン間の電圧を測定すること、
   を特徴とする請求項１に記載の電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法。
3. 前記巻線間部分放電試験をする場合に、前記インパルス電源の前記第１および第２の出力端子間の電圧の立ち上がり時間を、前記第１の巻線のターン間の部分放電が生じない程度に長くすること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法。
4. 前記インパルス電源の前記第１および第２の出力端子間の電圧の立ち上がり時間を１０μｓ以上とすることを特徴とする請求項３に記載の電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法。
5. 前記巻線間部分放電試験をする場合および前記ターン間部分放電試験をする場合に、
   前記インパルス電源の前記第１および第２の出力端子間に定周期の繰り返しパルス電圧を発生させること、および、
   前記定周期の繰り返しパルス電圧は、定周期の交流の正方向および負方向の頂部をカットして発生させること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験方法。
6. 第１の巻線を含む複数の巻線を有する電動機の巻線の繰り返しインパルス部分放電特性を試験するための繰り返しインパルス部分放電試験装置であって、
   前記第１の巻線に接続される第１の出力端子と、前記電動機の第１の巻線と異なる巻線に接続される第２の出力端子とを備えて、これら第１および第２の出力端子間に、インバータサージを模擬した繰り返しインパルス電圧を出力するインパルス電源と、
   前記第１の出力端子と前記第２の出力端子との間に接続可能な端子間ダイオードと、
   前記第１の出力端子と前記第２の出力端子との間を、端子間ダイオードを介して接続するターン間部分放電試験モードと、前記第１の出力端子と前記第２の出力端子との間の前記端子間ダイオードの接続を断つ巻線間部分放電試験モードとの間で切り替え可能なスイッチと、
   を有することを特徴とする電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験装置。
7. 前記インパルス電源は、
   前記第１および第２の出力端子に接続された高周波交流電源と、
   前記第１の出力端子と前記第２の出力端子の間に接続され、互いに直列に接続された第１の直流電源および第１のピーククリップ用ダイオードを備えた第１ピーククリップ回路と、
   前記第１の出力端子と前記第２の出力端子の間に接続され、互いに直列に接続された第２の直流電源および第２のピーククリップ用ダイオードを備え、前記第１ピーククリップ回路と逆向き特性に接続された第２ピーククリップ回路と、
   を有すること、を特徴とする請求項６に記載の電動機巻線の繰り返しインパルス部分放電試験装置。

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