JP6147099B2 - 余寿命診断システムおよび余寿命診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の絶縁診断技術に関し、特に、誘導電動機や発電機などのマイカ層をレジンにて固着した固定子コイルにおける絶縁の診断に有効な技術に関する。

回転電機の固定子コイルの絶縁システムでは、例えば最大部分放電電荷量や誘電正接に代表される特性の絶対値の経年変化を監視することで絶縁余寿命を推定することが知られている。ここで、最大部分放電電荷量とは、常規電圧での印加電圧１サイクルに１回程度の頻度で発生する部分放電電荷量の値である。

この種の絶縁余寿命の推定技術としては、運転中の電気機械の絶縁監視の方法が示されその評価指標として最大放電電荷量、総合電荷量、平均放電電流、および放電発生位相−電荷量−発生頻度特性などを用いることにより絶縁物内の異常を評価するものがある（例えば特許文献１参照）。

特開２０００−２０６２１３号公報

絶縁システムの多様化に伴い、マイカをレジンで固着した固定子コイルの絶縁システムにおいて、欠陥が進展する際に、その進展方向をマイカが阻害し、進展方向が電界方向と必ずしも一致しないことがある。そのため、前述した絶縁余寿命の推定技術の診断指標の１つである最大部分放電電荷量と劣化進展の程度に相関が現れにくく、劣化の状態を精度よく評価することが困難となってしまうという問題がある。

本発明の目的は、マイカをレジンで固着した回転電機における余寿命を高精度に推定することのできる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、代表的なものの概要は、余寿命診断システム、および余寿命診断方法に適用され、以下のような特徴を有するものである。

余寿命診断システムは、測定部と、演算部と、評価部とを有する。測定部は、回転電機の固定子コイルに印加した印加電圧に対する部分放電電荷量の関係を取得する。演算部は、測定部が取得した部分放電電荷量と印加電圧との関係を演算処理する。評価部は、演算部による演算結果と予め設定した所定の部分放電電荷量における印加電界或いは印加電圧、誘電特性(Δ２)、または印加電界と誘電特性との組み合わせに基づいて、回転電機の絶縁破壊強度残存率を推定し、その推定結果に基づいて回転電機の余寿命を推定する。

また、余寿命診断方法は、回転電機の固定子コイルにおける電気的測定を行う測定部と、測定部が取得した測定結果を演算処理する演算部と、演算部による演算結果から、固定子コイルを評価する評価部とを有する余寿命診断システムによって固定子コイルの余寿命を診断する。

この余寿命診断方法は、以下のステップを有する。

測定部において、回転電機の固定子コイルに印加した印加電圧と印加電圧に対する部分放電電荷量とを測定し、その測定結果から印加電界と部分放電電荷量とを関連付けするステップである。

演算部において、測定部が取得した部分放電電荷量と印加電界との関係を演算処理するステップである。

評価部において、演算部による演算結果と予め設定した所定の部分放電電荷量の発生電界、誘電特性、または発生電界と誘電特性との組み合わせに基づいて、回転電機の絶縁破壊強度残存率を推定し、その推定結果に基づいて回転電機の余寿命を推定するステップである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

回転電機の余寿命を高精度に推定することができる。

回転電機の構成の一例を示す説明図である。 図１の回転電機におけるスロットの断面図である。 実施の形態１による印加電圧に対する部分放電電荷量特性の取得処理の一例を示すフローチャートである。 実施の形態１による余寿命診断システムにおける構成の一例を示すブロック図である。 図４の余寿命診断システムにおける具体的な診断例を示すフローチャートである。 演算方法に自然対数表示にした部分放電電荷量の印加電界に対する微分値を用いた場合の結果の一例を示す模式図である。 部分放電電荷量の印加電界に対する微分値を用いた場合の実測結果の一例を示す模式図である。 熱劣化後、および機械的劣化後の主絶縁層の一例を示す模式図である。 図４の余寿命診断システムに設けられた劣化レベル評価部による評価処理の一例を示すフローチャートである。 図４の余寿命診断システムに設けられた絶縁破壊強度残存率推定部による残存率推定処理の一例を示すフローチャートである。 危険レベルと評価した固定子コイルの部分放電電荷量の発生電界と絶縁破壊強度残存率との関係を示す説明図である。 監視レベル、あるいは警戒レベルと評価した固定子コイルの電界と絶縁破壊強度残存率との関係を示す説明図である。 監視レベル、あるいは警戒レベルと評価した固定子コイルの差と絶縁破壊強度残存率との関係を示す説明図である。 図４の余寿命診断システムに設けられた余寿命推定部による余寿命の推定の一例を示す説明図である。 実施の形態２による印加電圧に対する部分放電電荷量特性の取得処理の一例を示すフローチャートである。 本実施の形態３による残存率推定処理の一例を示すフローチャートである。 危険レベルと評価した固定子コイルの部分放電電荷量と絶縁破壊強度残存率の関係を示す説明図である。 監視レベル、あるいは警戒レベルと評価した固定子コイルの部分放電電荷量と絶縁破壊強度残存率の関係を示す説明図である。 実施の形態４による余寿命診断システムの構成の一例を示すブロック図である。 図１９の余寿命診断システムによる印加電圧に対する部分放電電荷量特性の取得処理の一例を示すフローチャートである。 実施の形態６による誘電正接増加開始電界の推定の一例を示す説明図である。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。

（実施の形態１）
〈発明の概要〉
第１の概要は、測定部（電圧測定システム２２、部分放電電荷量検出器２３、コンピュータ２４）、演算部（演算部３０）、および評価部（評価部３１）を有する余寿命診断システムである。

測定部は、回転電機の固定子コイルに印加した印加電圧に対する部分放電電荷量の関係を取得する。演算部は、測定部が取得した部分放電電荷量と印加電圧との関係を演算処理する。

評価部は、演算部による演算結果と予め設定した所定の部分放電電荷量における印加電界、誘電特性(Δ２)、または印加電界と誘電特性との組み合わせに基づいて、回転電機の絶縁破壊強度残存率を推定し、その推定結果に基づいて回転電機の余寿命を推定する。

第２の概要は、余寿命診断システム（余寿命診断システム２６）による余寿命診断方法である。余寿命診断システムは、回転電機の固定子コイルにおける電気的測定を行う測定部（電圧測定システム２２、部分放電電荷量検出器２３、コンピュータ２４）、測定部が取得した測定結果を演算処理する演算部（演算部３０）、および演算部による演算結果から、固定子コイルを評価する評価部を有する。

この余寿命診断方法は、以下のステップを有する。

測定部において、回転電機の固定子コイルに印加した印加電圧と印加電圧に対する部分放電電荷量とを測定し、その測定結果から印加電界と部分放電電荷量とを関連付けする。

演算部において、測定部が取得した部分放電電荷量と印加電界との関係を演算処理する。

評価部において、演算部による演算結果と予め設定した所定の部分放電電荷量の発生電界、誘電特性、または発生電界と誘電特性との組み合わせに基づいて、回転電機の絶縁破壊強度残存率を推定し、その推定結果に基づいて回転電機の余寿命を推定する。

以下、上記した概要に基づいて、実施の形態を詳細に説明する。

まず、回転電機１の構造について簡単に述べる。

図１は、回転電機の構成の一例を示す説明図である。

回転電機１は、図１に示すように、回転子２、および固定子３から概略構成される。固定子３は、図２に示すように、固定子鉄心４、鉄心スロット５、および固定子コイル６を有している。

固定子コイル６は、上コイル６ａ、および底コイル６ｂから構成されている。この固定子コイル６には、該固定子コイル６を鉄心スロット５に固定する楔７が設けられている。また、上コイル６ａと底コイル６ｂとの間には、スペースを確保するための絶縁部材スペーサ８が配置されている。なお、固定子コイル６は、固定子鉄心４の外部で電気的に接続される。

固定子コイル６は、素線固めコイル９により構成されている。素線固めコイル９は、素線絶縁１０を施した数本の素線９ａを整列し、該素線９ａを束ね絶縁詰め物１１を施して一体化した構成からなる。素線固めコイル９の周囲には、ガラスクロスなどを裏打ち材としたマイカテープを所定回数巻回した主絶縁層１２が形成されている。

固定子コイル６は、例えば含浸槽にてエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を主絶縁層１２に加圧含浸し、その後、熱硬化性樹脂を加熱硬化させたものや、予めエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を含んだ半硬化状態のプリプレグマイカテープを熱プレスし形成したものがある。前記に代表される処理工程により、ボイドに代表される欠陥の少ない絶縁特性の良好な主絶縁層１２を備えた固定子コイル６を得ることができる。

主絶縁層１２は、マイカテープ層と熱硬化性樹脂が完全に充填されていることが望まれるが、発電機用のコイルには、ボイドや剥離といった欠陥がある程度存在する。内部にボイドや剥離が存在する絶縁層に部分放電開始電圧以上の電圧が加わるとボイドや剥離といった微小欠陥部で部分放電が発生する。

絶縁層内に初期から存在していた微小欠陥に加え、主に熱的、および機械的ストレスにより新たに微小欠陥が形成される。長期間の運転により熱的／機械的／電気的／その他のストレスが加わると、これらが進展していくので、絶縁破壊電圧や機械強度が低下していくことが知られている。

図３は、本実施の形態１による印加電圧に対する部分放電電荷量特性の取得処理の一例を示すフローチャートである。

図３に示す測定フローチャートでは、測定対象に対して印加電圧である交流電圧を印加した後に（ステップＳ１０１）、交流電圧を昇圧し（ステップＳ１０２）、部分放電電荷量を測定する（ステップＳ１０３）。これらの処理を繰り返し（ステップＳ１０４）、測定終了条件の電圧に到達した後に印加電圧に対する部分放電電荷量特性を取得する（ステップＳ１０５）。

図４は、本実施の形態１による余寿命診断システムにおける構成の一例を示すブロック図である。

余寿命診断システム２６は、図４に示すように、電圧測定システム２２、部分放電電荷量検出器２３、コンピュータ２４、表示部２５、接続端子２９、演算部３０、および評価部３１を有する。

電圧測定システム２２は、図１の固定子コイル６に印加した電圧である印加電圧を測定する。部分放電電荷量検出器２３は、電圧印加に伴い、図２の主絶縁層１２から発生する部分放電の部分放電電荷量を取得する。

接続端子２９、電圧測定システム２２、および部分放電電荷量検出器２３には、高電圧電源２１が接続されている。接続端子２９は、図１の回転電機１の固定子コイル６に高電圧電源２１から供給される交流電圧を印加する端子である。

コンピュータ２４は、印加電圧と部分放電電荷量特性を取得する。表示部２５は、評価部３１の評価結果などを表示する。演算部３０は、コンピュータ２４が取得した特性に対して演算処理を行う。評価部３１は、演算部３０による演算結果に基づいて絶縁劣化の評価を行う。

また、評価部３１は、劣化レベル評価部３３、絶縁破壊強度残存率推定部３４、および余寿命推定部３５を有する。劣化レベル評価部３３は、演算部３０にて得られた演算結果に基づいて劣化レベルの評価を行う。

絶縁破壊強度残存率推定部３４は、劣化レベル評価部３３による劣化レベルの評価に基づいて、絶縁破壊強度残存率の推定を行う。なお、ここで絶縁破壊強度残存率とは、製作当初における新品の固定子コイル６の絶縁破壊強度に対する経年時（劣化後）の絶縁破壊強度の割合を指す。余寿命推定部３５は、絶縁破壊強度残存率推定部３４による絶縁破壊強度残存率に基づいて、余寿命を推定する。

図４では、コンピュータ２４、演算部３０、および評価部３１がそれぞれ異なるハードウェア構成となっているが、例えばコンピュータ２４に、演算部３０、および評価部３１の機能を持たせる構成としてもよい。

続いて、余寿命診断システム２６における具体的な診断例について説明する。

図５は、図４の余寿命診断システムにおける具体的な診断例を示すフローチャートである。

まず、余寿命診断が開始されて高電圧電源２１が動作すると、交流電圧は徐々に昇圧する。診断対象である図１の回転電機１の固定子コイル６には、接続端子２９を介して高電圧電源２１の交流電圧が印加される。なお、測定対象である固定子コイル６は、回転電機１から抜き取った１本の固定子コイル６の状態とすることも可能である。

電圧測定システム２２は、ある電圧レベル毎に固定子コイル６に印加されている印加電圧レベルを測定し、部分放電電荷量検出器２３は、ある印加電圧レベル毎における部分放電電荷量を測定する。

これを繰り返し、所定の電圧まで電圧測定システム２２、および部分放電電荷量検出器２３が印加電圧と部分放電電荷量とを取得すると（ステップＳ２０１）、取得した印加電圧、および部分放電電荷量は、コンピュータ２４に出力される。

コンピュータ２４は、受け取った印加電圧と部分放電電荷量との関連付けを行い、印加電圧に対する部分放電電荷量特性を取得する。なお、取得した印加電圧をそのまま用いて評価を行ってもよいが、コンピュータ２４にて取得した印加電圧を試料の絶縁層の厚みで割り印加電界とすると、規格化した値として異なる絶縁層厚さのコイルに対して評価が可能となるため、ここでは、この印加電界−部分放電電荷量特性を用いて説明する。

一般に部分放電電荷量は、例えば電流や電磁波の検出を用いたものが知られている。一例としては、特開平３−９９２８６の図４などに記載されている構成が挙げられる。上記方法で得られた印加電界に対する部分放電電荷量特性に対して、演算部３０は演算処理を行う（ステップＳ２０２）。

その後、演算部３０にて得られた演算結果に基づき、評価部３１の劣化レベル評価部３３が劣化レベルの評価を行う（ステップＳ２０３）。そして、絶縁破壊強度残存率推定部３４は、劣化レベル評価部３３によって得られた劣化レベルの評価を基に絶縁破壊強度残存率の推定を行う（ステップＳ２０４）。

続いて、余寿命推定部３５は、劣化レベル評価部３３によって得られた絶縁破壊強度残存率の推定結果に基づいて余寿命を推定する（ステップＳ２０５）。この推定結果は、例えば表示部２５などに表示される。

なお、本実施の形態では、０Ｖ／ｍｍ程度から予め設定された電圧レベルまで交流電圧を昇圧させながら測定しているが、その他にも、予め設定された電圧レベルから交流電圧を降圧させながらの測定、あるいは昇圧と降圧とを組み合わせて測定したデータに基づいて診診断するようにしてもよい。

図６は、演算部３０における演算方法に自然対数表示にした部分放電電荷量の印加電界に対する微分値を用いた場合の結果の一例を示す模式図である。図７は、部分放電電荷量の印加電界に対する微分値を用いた場合の実測結果の一例を示す模式図である。

図６（ａ）は、熱劣化の演算結果を示しており、図６（ｂ）は、機械的劣化の演算結果を示している。また、図７（ａ）が、熱劣化の実測結果を示しており、図７（ｂ）は、機械的劣化の実測結果を示している。

図６（ａ）では、印加電界を０Ｖ／ｍｍ程度から所定の電界まで上昇させた際に、バックグラウンドレベルから有意な差を持って微分値が急増して最大値となった後に、急減する電界領域（以下、第１のピーク２７という）と微分値がバックグラウンドレベルでほぼ一定となる電界領域からなっている。ここで、バックグラウンドレベルとは、印加電圧の増加に対して部分放電電荷量が印加電圧０ｋＶと見做せるレベルの値から増加がなく，ほぼ一定で推移する領域のことである。

この第１のピーク２７の微分値が最大となる印加電界Ｅ１を予め設定した印加電界に対する設定値Ｅと比較すると、印加電界Ｅ１は、設定値Ｅよりも低くなっている。このように演算処理を加えることで、測定者に依らない評価が可能となる。

この図６（ａ）に示した測定方法と演算処理によって得られた傾向は、図７（ａ）に示す熱劣化を与えた場合の実測結果の一例と同様の傾向であり、これは、図８（ａ）の模式図に示すように、主絶縁層１２を形成するマイカテープの沿層方向の剥離やボイドが発生、進展しているためであり、熱劣化が進む程、これら剥離やボイドの発生進展の程度が大きくなる傾向を示す。このため、熱劣化により機械的強度が低下し、振動や電磁力、および遠心力などにより絶縁層に亀裂が生じやすくなる。

図７（ａ）の例では、絶縁層の貫層方向に亀裂などの欠陥が形成されやすい状態になっていることを意味しており、診断期間の短縮などの対策を行う必要が有ると考えられるため、例えば第２のレベルである警戒レベルと評価することができる。

図６（ｂ）では、印加電界を０Ｖ／ｍｍ程度から所定の電界まで上昇させた際に、微分値の第１のピーク２７よりも高い電界領域において、微分値の第２のピーク２８が現れており、印加電界に対して微分値は２つのピークが存在している。このように２つのピークが検出された場合は、機械的劣化が加わっていると推定できる。

図６（ｂ）に示す測定方法と演算処理によって得られた傾向は、図７（ｂ）に示す機械的劣化を与えた場合の実測結果の一例と同様である。この傾向は、図８（ｂ）に示す模式図のように絶縁層の貫層方向に進展する微小な亀裂や亀裂を介した剥離やボイドといった欠陥が結合し進展していることによるためである。

絶縁層の貫層方向に進展する欠陥は、絶縁層にとっては致命的な欠陥であり、絶縁破壊電圧に代表される絶縁性能の大幅な低下を引き起こす可能性が高く、例えば第１のレベルである危険レベルと評価することができる。これにより、測定者に依らない評価が可能となる。

第１のピーク２７の微分値が最大となる印加電界Ｅ１が設定した値よりも大きく、第２のピーク２８が存在しない場合は絶縁層に加わっている熱や機械力による劣化は小さく現時点では問題ないことを示している。このため、定期的な診断を継続して実施すればよいと考えられ、例えば第３のレベルである監視レベルと評価することができる。

以上の評価に基づいて、劣化レベル評価部３３は、評価処理を実行する。

図９は、図４の余寿命診断システム２６に設けられた劣化レベル評価部３３による評価処理の一例を示すフローチャートである。

まず、劣化レベル評価部３３は、演算部３０による印加電界に対する部分放電電荷量に基づいて（ステップＳ３０１）、図６の第１のピーク２７、および第２のピーク２８が検出されるか否かを判定する（ステップＳ３０２）。

ステップＳ３０２の処理において、第１のピーク２７、および第２のピーク２８のいずれもが検出された際には、詳細な診断が必要な危険レベルと判定する（ステップＳ３０３）。

また、ステップＳ３０２の処理において、第１のピーク２７のみの検出の際には、該第１のピーク２７の微分値が最大となる図６に示す印加電界Ｅ１が予め設定された設定値Ｅ以下であるか否かを判定する（ステップＳ３０４）。

印加電界Ｅ１が設定値Ｅよりも小さい場合には、診断期間の短縮などの対策が必要である警戒レベルと判定し（ステップＳ３０５）、印加電界Ｅ１が設定値Ｅ以上の場合には、現状問題なしであり、定期的な監視を継続する監視レベルと判定する（ステップＳ３０６）。

図１０は、図４の余寿命診断システム２６に設けられた絶縁破壊強度残存率推定部３４による残存率推定処理の一例を示すフローチャートである。

絶縁破壊強度残存率推定部３４は、上述した劣化レベル評価部３３にて劣化レベルを評価した後に、予め蓄積した基礎データに基づいて絶縁破壊強度残存率を推定する。

劣化レベル評価部３３の判定（ステップＳ４０１）が危険レベルと判定した場合（ステップＳ４０２）、絶縁破壊強度残存率推定部３４は、所定の部分放電電荷量の発生電界Ｅｉｍと絶縁破壊強度残存率との関係から絶縁破壊強度残存率を推定する（ステップＳ４０３）。

図１１は、危険レベルと評価した固定子コイルの部分放電電荷量の発生電界Ｅｉｍと絶縁破壊強度残存率との関係を示す説明図である。部分放電電荷量の発生電界Ｅｉｍを評価指標とすると、図１１に示すように、絶縁破壊強度残存率と相関があることが分かっている。なお、発生電界Ｅｉｍとして、第１のピーク２７の微分値が最大となる印加電界Ｅ１を用いてもよい。

また、発生電界Ｅｉｍを決定する電界は、演算結果の第２のピーク２８を検出し、バックグラウンドレベルまで低下した電界、すなわち図６（ｂ）、および図７（ｂ）に示す印加電界Ｅ４よりも低い電界とする。

一方、劣化レベル評価部３３が警戒レベル、または監視レベルと判定した場合（ステップＳ４０２）、絶縁破壊強度残存率推定部３４は、電界Ｅｉｔ、および誘電特性のΔ２と絶縁破壊強度残存率との関係から絶縁破壊強度残存率を推定する（ステップＳ４０４）。

図１２は、監視レベル、あるいは警戒レベルと評価した固定子コイルの電界Ｅｉｔと絶縁破壊強度残存率との関係を示す説明図である。図１３は、監視レベル、あるいは警戒レベルと評価した固定子コイルのΔ２と絶縁破壊強度残存率との関係を示す説明図である。

なお、電界Ｅｉｔは、所定の部分放電電荷量が発生する電界であり、Δ２は、固定子コイル６に２ｋＶの電圧を印加した際の誘電正接と定格電圧を印加した際の誘電正接との差である。

警戒レベル、または監視レベルと評価した場合、部分放電電荷量が発生する電界Ｅｉｔを評価指標とすると、図１２に示すように、絶縁破壊強度残存率と相関があることが分かっている。また、２ｋＶ印加時の誘電正接と定格電圧の誘電正接の差であるΔ２を評価指標とすると、図１３に示すように、絶縁破壊強度残存率と相関があることが分かっている。

なお、電界Ｅｉｔとして、第１のピーク２７の微分値が最大となる印加電界Ｅ１を用いてもよい。さらに、電界Ｅｉｔを決定する電界は、第１のピーク２７を検出し、バックグラウンドレベルまで低下した電界よりも低い電界、すなわち図６（ａ）、および図７（ａ）に示す電界Ｅ３よりも低い電界とする。

絶縁破壊強度残存率推定部３４は、図１１〜図１３に示した評価指標と絶縁破壊強度残存率の関係を予め基礎データとして蓄積しておき、診断対象で実測された評価指標を基に絶縁破壊強度残存率を推定する（ステップＳ４０５）。

具体的には、劣化レベル評価部３３が危険レベルと評価した場合、図１１に示す評価指標と絶縁破壊強度残存率の関係から絶縁破壊強度残存率を推定する。また、劣化レベル評価部３３が警戒レベル、あるいは監視レベルと評価した場合には、図１２、および図１３に示す評価指標と絶縁破壊強度残存率の関係から絶縁破壊強度残存率を推定する。

絶縁破壊強度残存率を推定する際は、複数の評価指標各々で評価し、その中の最低の推定値を用いる、あるいは回帰分析などの多変量解析により複数の評価指標を組み合わせた推定方法を基に推定してもよい。

なお、推定値は、９５％信頼区間などの統計処理を行うと個体差などのバラツキを考慮した信頼性の高い診断が可能となる。また、上記統計処理を行った結果のうち、その下限値を評価に用いると機器の最も厳しい条件での評価が可能となり未然事故防止に有効となる。

続いて、余寿命推定部３５は、固定子コイル６における余寿命を推定する（ステップＳ４０６）。

ここで、余寿命推定部３５による余寿命の推定技術について説明する。

図１４は、図４の余寿命診断システムに設けられた余寿命推定部による余寿命の推定の一例を示す説明図である。

余寿命推定部３５は、上記のように推定した絶縁破壊強度残存率に基づいて、余寿命を推定する。図１４において、横軸は年数であり、縦軸は絶縁破壊強度残存率を示している。この図１４のグラフに対して、上述のように推定された絶縁破壊強度残存率の９５％信頼下限値をプロットする。

そして、推定された絶縁破壊強度残存率の９５％信頼下限値と初期値である１００％とを結び、その線を外挿し、予め設定した寿命管理値の絶縁破壊強度残存率との交点と現在の年数差を余寿命として評価する。なお、初期値を絶縁破壊強度が１００％に対する９５％信頼下限値を基に評価を行うと製作時のバラツキを考慮した評価が可能となる。

また、診断前後の運転状況などにより劣化進展程度が異なることも考えられるので、経年的なデータをトレンド管理しながら、その都度、余寿命推定の直線を補正することによって精度の高い診断結果を提供することができる。

以上により、最大部分放電電荷量に代表される特性の絶対値には現れにくかった微小な欠陥の形成、進展による劣化現象を、自然対数表示にした部分放電電荷量の印加電界に対する微分値を基に評価可能とし、各々の劣化現象に対して予め蓄積した絶縁破壊強度残存率と評価指標の基礎データを基に推定することができる。

そして、その推定結果に基づいて、信頼性の高い絶縁余寿命を推定可能な絶縁診断技術を提供することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態２では、より精度の高い絶縁余寿命を推定する絶縁診断技術について説明する。

図１５は、本実施の形態２による印加電圧に対する部分放電電荷量特性の取得処理の一例を示すフローチャートである。

余寿命診断システム２６における構成は、前記実施の形態１の図４と同様であり、電圧測定システム２２、部分放電電荷量検出器２３、コンピュータ２４、表示部２５、接続端子２９、演算部３０、および評価部３１を有する。

前記実施の形態１と異なるところは、高電圧電源２１であり、該高電圧電源２１は、例えばコンピュータ２４によって、ある時間毎、例えば１秒当たりの昇圧速度、または降圧速度が制御される機能を有している点である。

まず、コンピュータ２４に、測定終了電圧Ｖ、１秒間当りの昇圧速度ｖ、または降圧速度ｖ、電圧測定システム２２によって印加電圧を測定する時間間隔Δｔ１、および部分放電電荷量検出器２３によって部分放電電荷量を測定する時間間隔Δｔ２をそれぞれ設定する（ステップＳ６０１）。

続いて、コンピュータ２４は、高電圧電源２１に制御信号を出力し、測定対象に対して印加電圧である交流電圧を印加させる（ステップＳ６０２）。続いて、コンピュータ２４は、高電圧電源２１に制御信号を出力し、ステップＳ６０１の処理において設定した１秒間当りの昇圧速度ｖまたは降圧速度ｖにて交流電圧を昇圧させ（ステップＳ６０３）、電圧測定システム２２によって印加電圧を測定させ、部分放電電荷量検出器２３によって部分放電電荷量を測定させる（ステップＳ６０４）。

ここで、コンピュータ２４、電圧測定システム２２、および部分放電電荷量検出器２３は、例えばＧＰＩＢ（General Purpose Interface Bus）などによって接続されており、同期がとれている状態となっている。

電圧測定システム２２による印加電圧の測定間隔は、ステップＳ６０１の処理において設定した時間間隔Δｔ１毎であり、部分放電電荷量検出器２３による部分放電電荷量測定の間隔は、ステップＳ６０１の処理において設定した時間間隔Δｔ２毎である。

このように、コンピュータ２４が、電圧測定システム２２、および部分放電電荷量検出器２３に同期した指令を出すことにより印加電圧に対する部分放電電荷量特性を自動で収録する。電圧測定システム２２によって測定された印加電圧、および部分放電電荷量検出器２３によって測定された部分放電電荷量は、例えばコンピュータ２４が有するメモリなどに格納される（ステップＳ６０５）。

なお、測定する部分放電電荷量の発生頻度は任意で設定してもよい。一例としては、商用周波数が５０Ｈｚの場合、発生頻度レベルを５０パルス／秒、商用周波数が６０Ｈｚの場合には、６０パルス／秒、すなわち印加電圧１サイクルに１回以上の発生頻度の信号を部分放電電荷量として取得するとノイズを効果的に除去することができる。

また、時間間隔Δｔ１，Δｔ２は、０．５秒程度、測定終了電圧Ｖは、０．１ｋＶ／秒程度とすると、データ数と評価精度のバランスを適切に保てることを確認している。

ステップＳ６０３〜Ｓ６０５の処理を繰り返して測定終了電圧Ｖまでの測定が終了すると（ステップＳ６０６）、演算部３０は、コンピュータ２４に記憶されている印加電圧と部分放電電荷量の関係に基づいて演算処理を行い、印加電圧に対する部分放電電荷量特性を取得する（ステップＳ６０７）。

なお、前記実施の形態１に記載のように取得した印加電圧の値を絶縁層の厚みで割り、印加電界として評価を行うようにしてもよい。また、印加電界に対する部分放電電荷量特性を表示部２５により表示してもよい。さらに、取得したデータは、随時表示部２５に表示してもよい。

演算部３０は、自然対数表示にした部分放電電荷量の印加電界に対する微分値を導出する。なお、微分値は、任意の点数の印加電界と自然対数表示にした部分放電電荷量から導出してもよい。一例として、印加電界と対数表示した部分放電電荷量は、それぞれ１０点程度のデータを基に微分値を導出すると、精度よく評価することができる。

その後、得られた演算結果に基づいて、評価部３１にて、前記実施の形態１の図９、図１０、および図１４などに記載の方法に基づいて、劣化レベルを評価し、絶縁破壊強度残存率、および余寿命を推定して結果を表示部２５に表示する。なお、ここでも、コンピュータ２４に演算部３０、および評価部３１の機能を持たせる構成としてもよい。

以上により、より詳細に、印加電界と部分放電電荷量のデータを収録することが可能となり、より信頼性の高い絶縁診断を実現することができる。

（実施の形態３）
本実施の形態３では、前記実施の形態１，２に記載した診断技術に、別の評価指標を加えて絶縁破壊強度残存率を推定する絶縁診断技術について説明する。

劣化レベル評価部３３は、前記実施の形態１の図９に示すフローチャートに従って、劣化レベルを判定した後、絶縁破壊強度残存率推定部３４が、予め蓄積した絶縁破壊強度残存率と評価指標の関係から絶縁破壊強度を推定する。

なお、余寿命診断システム２６における構成は、前記実施の形態１の図４と同様であるので、説明は省略する。

図１６は、本実施の形態３による残存率推定処理の一例を示すフローチャートである。図１７は、危険レベルと評価した固定子コイルの部分放電電荷量Ｑｉｍと絶縁破壊強度残存率の関係を示す説明図であり、図１８は、監視レベル、あるいは警戒レベルと評価した固定子コイルの部分放電電荷量Ｑｉｔと絶縁破壊強度残存率の関係を示す説明図である。

まず、劣化レベル評価部３３による評価結果において（ステップＳ７０１）、危険レベルと判定された場合（ステップＳ７０２）、絶縁破壊強度残存率推定部３４は、前記実施の形態１の図１１に示す評価指標と、図１７に示す所定の電界で発生する部分放電電荷量Ｑｉｍとを組み合わせて絶縁破壊強度残存率を推定する（ステップＳ７０３）。

なお、部分放電電荷量Ｑｉｍを決定する電界は、前記実施の形態１の部分放電電荷量の発生電界Ｅｉｍと同様に、図６の第２のピーク２８を検出し、バックグラウンドレベルまで低下した電界、すなわち図６（ｂ）、および図７（ｂ）に示す電界Ｅ４よりも低い電界とする。

一方、劣化レベル評価部３３が警戒レベル、または監視レベルと評価した場合は、図１２、および図１３に示す評価指標に加えて、図１８に示す所定の電界で発生する部分放電電荷量Ｑｉｔを組み合わせて絶縁破壊強度残存率を推定する（ステップＳ７０４）。

なお、 部分放電電荷量Ｑｉｔを決定する電界は、図６の第１のピーク２７を検出し、バックグラウンドレベルまで低下した電界よりも低い電界、すなわち図６（ａ）、および図７（ａ）に示す電界Ｅ３よりも低い電界とする。

上記した評価指標と絶縁破壊強度残存率の関係を予め基礎データとして蓄積しておき、診断対象で実測された評価指標を基に、絶縁破壊強度残存率推定部３４が前記実施の形態１の図１０に示す処理を実行することによって絶縁破壊強度残存率を推定し（ステップＳ７０５）。その後、余寿命推定部３５が、前記実施の形態１の図１４に基づいて固定子コイル６における余寿命を推定する（ステップＳ７０６）。

以上により、複数の指標を組み合わせることによって、より高精度な絶縁診断を実現することができる。

（実施の形態４）
本実施の形態４では、診断に優位な信号を抽出することにより、より精度の高い絶縁診断を行う余寿命診断システム２６について説明する。

図１９は、本実施の形態４による余寿命診断システム２６の構成の一例を示すブロック図である。

余寿命診断システム２６は、図１９に示すように、電圧測定システム２２、部分放電電荷量検出器２３、コンピュータ２４、表示部２５、接続端子２９、演算部３０、および評価部３１からなる前記実施の形態１の図４と同様の構成に、新たに信号抽出部３２が設けられた構成となっている。

他のモータなどの回転電機が動作している際に余寿命診断を行うと、該モータのノイズの影響を受けて測定データに誤差が生じてしまう恐れがある。そこで、信号抽出部３２によって、診断に優位な信号を抽出する。

図２０は、図１９の余寿命診断システムによる印加電圧に対する部分放電電荷量特性の取得処理の一例を示すフローチャートである。なお、図２０においては、昇圧時のデータを基に説明しているが、降圧時のデータ、あるいは昇圧と降圧を組み合わせたデータを基にしてもよい。

ここで、図２０のステップＳ８０１〜Ｓ８０７の処理は、前記実施の形態１の図１５におけるステップＳ６０１〜Ｓ６０７の処理と同様であるので説明は省略する。

図２０において、演算部３０による印加電圧に対する部分放電電荷量特性の取得（ステップＳ８０７）が終了すると、信号抽出部３２による信号抽出が行われる（ステップＳ８０８）。

前記実施の形態１に記載したように自然対数表示にした部分放電電荷量の印加電界に対する微分値に対して、信号抽出部３２にて、診断に有意な信号の抽出が行われる。信号抽出の一例としては、印加電圧位相によるノイズの分離、微分値に対して予め信号とするレベルのしきい値を設定しておく、あるいは微分値が複数の点で事前に設定したレベルを超えない場合はノイズとして処理するといった技術などがある。

なお、ノイズ除去、信号抽出は、１つだけではなく複数を組み合わせることで、より効果的にノイズ除去、および信号抽出が可能である。そして、ノイズ除去、および信号抽出が行われた結果を基に、評価部３１にて診断を行い、その結果を表示部２５に表示する。なお、ここでも、コンピュータ２４に演算部３０、信号抽出部３２、および評価部３１、の機能を持たせる構成としてもよい。

このように、信号抽出部３２によってノイズ除去、および信号抽出され、診断に有意な信号に基づいて劣化レベルの判定、および余寿命の推定を行うことによって、信頼性の高い診断結果を得ることができる。

（実施の形態５）
本実施の形態５は、演算部３０による図６の演算方法として、所定の電圧増加に対する部分放電電荷量の増加量、あるいは所定の電圧減少に対する部分放電電荷量の減少量を用いるものである。そして、その結果に基づいて、絶縁余寿命を診断する。

予め演算処理に用いる電圧増加幅を設定し、実施の形態１において得られた印加電界と部分放電電荷量の関係に基づいて、設定した電界増加幅に対する部分放電電荷量の増加量を導出し、その結果に基づき絶縁劣化を診断する。

これにより、劣化レベルを分類した結果を基に実施の形態１に記載の方法により絶縁余寿命の推定を行う。なお、電界、部分放電電荷量共に、降圧時、すなわち電圧減少幅に対する部分放電電荷量の減少量、昇圧と降圧を組み合わせた場合を基に診断してもよい。

以上により、測定者に依存せず定量的に絶縁劣化の診断を行うことが可能となる。

（実施の形態６）
本実施の形態６では、評価指標として所定の部分放電電荷量の発生電界Ｅｉｍ，Ｅｉｔの代替として、誘電正接の電圧特性から誘電正接増加電界を用いて診断する技術について説明する。

誘電正接は、部分放電に比べて電気的なノイズに対して強いことが知られている。そのため、近傍で電気的なノイズが発生するなどにより発生電界Ｅｉｍ，Ｅｉｔが検出困難な場合は、その代替として誘電正接増加開始電界Ｅｔａｎδｉｍ，Ｅｔａｎδｉｔを用いる。

誘電正接の増加開始点の導出には、図２１に示す印加電界に対する誘電正接特性を基に導出を行う。導出には、図２１のように低電界側の誘電正接特性と高電界側の誘電正接特性それぞれの近似直線の交点から導出するなどの方法を用いてもよい。

本評価指標に関しても、実施の形態１と同様に予め基礎データとして絶縁破壊強度残存率との関係を取得しておき、発生電界Ｅｉｍ、または発生電界Ｅｉｔを誘電正接増加開始電界Ｅｔａｎδｉｍ，Ｅｔａｎδｉｔとそれぞれ置き換えて、実施の形態１と同様の処理によって診断を実施し、余寿命の推定を行う。

以上により、電気的なノイズが多い環境でも、精度の高い余寿命診断を提供することができる。

（実施の形態７）
本実施の形態７では、印加電界−部分放電電荷量特性、または自然対数表示にした部分放電電荷量の印加電界に対する微分値をフィンガープリント法などによるパターン認識により、劣化レベルの評価を行い、その結果に基づき絶縁余寿命を求めるものである。

予め基礎データとして監視レベル、警戒レベル、および危険レベルの印加電界−部分放電電荷量特性、または自然対数表示にした部分放電電荷量の印加電界に対する微分値のパターンをそれぞれ蓄積しておき、測定結果と蓄積したデータをフィンガープリント法などのパターン認識により評価する。

その評価結果に基づき、前記実施の形態１の技術によって絶縁余寿命の推定を行う。なお、印加電界−部分放電電荷量特性、および自然対数表示にした部分放電電荷量の印加電界に対する微分値の両方を用いて評価を行うと信頼性の高い結果を得ることができるが、どちらか一方のみを用いて評価してもよい。

以上により、測定者に依存せず定量的に劣化レベルの評価を行うことが可能な絶縁診断方法を提供することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

なお、本発明は上記した実施の形態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、上記した実施の形態は本発明を分かりやす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、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態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 回転電機
２ 回転子
３ 固定子
４ 固定子鉄心
５ 鉄心スロット
６ 固定子コイル
６ａ 上コイル
６ｂ 底コイル
７ 楔
８ 絶縁部材スペーサ
９ 素線固めコイル
９ａ 素線
１０ 素線絶縁
１１ 絶縁詰め物
１２ 主絶縁層
２１ 高電圧電源
２２ 電圧測定システム
２３ 部分放電電荷量検出器
２４ コンピュータ
２５ 表示部
２６ 余寿命診断システム
２７ 第１のピーク
２８ 第２のピーク
２９ 接続端子
３０ 演算部
３１ 評価部
３２ 信号抽出部
３３ 劣化レベル評価部
３４ 絶縁破壊強度残存率推定部
３５ 余寿命推定部

Claims (15)

1. 回転電機の固定子コイルに印加した印加電圧に対する部分放電電荷量の関係を取得する測定部と、
   前記測定部が取得した部分放電電荷量と印加電圧との関係を演算処理する演算部と、
   前記演算部による演算結果と予め設定した部分放電電荷量における印加電界或いは印加電圧、誘電特性、または前記印加電界或いは印加電圧と前記誘電特性との組み合わせに基づいて、前記回転電機の絶縁破壊強度残存率を推定し、その推定結果に基づいて前記回転電機の余寿命を推定する評価部と、
   を有する、余寿命診断システム。
2. 請求項１記載の余寿命診断システムにおいて、
   前記測定部は、
   前記印加電圧をある周期毎に測定する電圧測定部と、
   前記電圧測定部が測定した印加電圧に対応する前記固定子コイルの部分放電電荷量を測定する部分放電電荷量測定部と、
   前記電圧測定部が測定した印加電圧、および前記部分放電電荷量測定部が測定した部分放電電荷量から、印加電界或いは印加電圧と部分放電電荷量とを関連付けする制御部と、
   を有し、
   前記演算部は、前記制御部が関連付けした部分放電電荷量を微分する、余寿命診断システム。
3. 請求項２記載の余寿命診断システムにおいて、
   前記評価部は、
   前記演算部が演算した微分値に基づいて、前記固定子コイルの絶縁劣化レベルを判定する劣化レベル評価部と、
   前記劣化レベル評価部の判定結果に基づいて、前記固定子コイルの絶縁破壊強度残存率を推定する絶縁破壊強度残存率推定部と、
   前記絶縁破壊強度残存率推定部が推定した絶縁破壊強度残存率に基づいて、前記固定子コイルの余寿命を推定する余寿命推定部と、
   を有する、余寿命診断システム。
4. 請求項３記載の余寿命診断システムにおいて、
   前記劣化レベル評価部は、前記演算部が演算した微分値において、前記微分値がしきい値よりも大きくなる期間であるピーク期間が２つあるか否かを判定し、２つの前記ピーク期間を有すると判定すると、前記固定子コイルの劣化レベルが大きい第１のレベルと判定し、前記ピーク期間が１つの場合、前記ピーク期間の最大の微分値における印加電界が設定値以下か否かを判定し、前記印加電界が設定値以下の場合、前記第１のレベルよりも小さい劣化レベルである第２のレベルと判定し、前記印加電界が設定値よりも大きい場合、前記固定子コイルの劣化レベルが問題ない状態である第３のレベルと判定する、余寿命診断システム。
5. 請求項４記載の余寿命診断システムにおいて、
   前記絶縁破壊強度残存率推定部は、前記劣化レベル評価部が前記第１のレベルと判定すると、設定された前記部分放電電荷量の発生電界或いは電圧と絶縁破壊強度残存率との関係から絶縁破壊強度残存率を推定する、余寿命診断システム。
6. 請求項４記載の余寿命診断システムにおいて、
   前記絶縁破壊強度残存率推定部は、前記劣化レベル評価部が前記第２のレベル、または前記第３のレベルのいずれかと判定すると、設定された前記部分放電電荷量の発生電圧或いは電界、または誘電特性のいずれかと絶縁破壊強度残存率との関係から絶縁破壊強度残存率を推定する、余寿命診断システム。
7. 回転電機の固定子コイルにおける電気的測定を行う測定部と、前記測定部が取得した測定結果を演算処理する演算部と、前記演算部による演算結果から、前記固定子コイルを評価する評価部と、を有する余寿命診断システムによる余寿命診断方法であって、
   前記測定部において、回転電機の固定子コイルに印加した印加電圧と前記印加電圧に対する部分放電電荷量とを測定し、その測定結果から印加電界と部分放電電荷量とを関連付けするステップと、
   前記演算部において、前記測定部が取得した部分放電電荷量と印加電界との関係を演算処理するステップと、
   前記評価部において、前記演算部による演算結果と予め設定した部分放電電荷量の発生電界、誘電特性、または前記発生電界と前記誘電特性との組み合わせに基づいて、前記回転電機の絶縁破壊強度残存率を推定し、その推定結果に基づいて前記回転電機の余寿命を推定するステップと、
   を有する、余寿命診断方法。
8. 請求項７記載の余寿命診断方法において、
   前記部分放電電荷量の関係を取得するステップは、
   前記印加電圧をある周期毎に測定するステップと、
   測定した前記印加電圧に対応する前記固定子コイルの部分放電電荷量を測定するステップと、
   測定した前記印加電圧と前記部分放電電荷量とに基づいて、前記印加電界と前記部分放電電荷量とを関連付けするステップと、
   を有し、
   前記演算処理するステップは、前記関連付けされた部分放電電荷量を微分する、余寿命診断方法。
9. 請求項８記載の余寿命診断方法において、
   前記回転電機の余寿命を推定するステップは、
   前記演算部が演算した微分値に基づいて、前記固定子コイルの絶縁劣化レベルを判定するステップと、
   前記絶縁劣化レベルの判定結果に基づいて、前記固定子コイルの絶縁破壊強度残存率を推定するステップと、
   推定した前記絶縁破壊強度残存率に基づいて、前記固定子コイルの余寿命を推定するステップと、
   を有する、余寿命診断方法。
10. 請求項９記載の余寿命診断方法において、
    前記絶縁劣化レベルを判定するステップは、
    前記演算部が演算した微分値において、前記微分値がしきい値よりも大きくなる期間であるピークが２つあるか否かを判定するステップと、
    ２つの前記ピークを有すると判定した際に、前記固定子コイルの劣化レベルが大きい第１のレベルと判定し、前記ピークが１つと判定した際に、前記ピークの最大の微分値における印加電界が設定値以下か否かを判定し、前記印加電界が設定値以下の場合、前記第１のレベルよりも小さい劣化レベルである第２のレベルと判定し、前記印加電界が設定値よりも大きい場合、前記固定子コイルの劣化レベルが問題ない状態である第３のレベルと判定するステップと、
    を有する、余寿命診断方法。
11. 請求項１０記載の余寿命診断方法において、
    前記絶縁破壊強度残存率を推定するステップは、前記第１のレベルと判定した際に、設定された前記部分放電電荷量の発生電界或いは発生電圧と絶縁破壊強度残存率との関係から絶縁破壊強度残存率を推定する、余寿命診断方法。
12. 請求項１０記載の余寿命診断方法において、
    前記絶縁破壊強度残存率を推定するステップは、前記第２のレベル、または前記第３のレベルのいずれかと判定した際に、設定された前記部分放電電荷量の発生電界或いは発生電圧、または誘電特性のいずれかと絶縁破壊強度残存率との関係から絶縁破壊強度残存率を推定する、余寿命診断方法。
13. 請求項１０記載の余寿命診断方法において、
    前記絶縁破壊強度残存率を推定するステップは、設定された前記部分放電電荷量の発生電界或いは発生電圧に加えて、設定された印加電界で発生する部分放電電荷量を用いて絶縁破壊強度残存率を推定する、余寿命診断方法。
14. 請求項１０記載の余寿命診断方法において、
    前記絶縁破壊強度残存率を推定するステップは、前記第２のレベル、または前記第３のレベルのいずれかと判定した際に、設定された前記部分放電電荷量の発生電界或いは発生電圧、所定の印加電界にて発生する部分放電電荷量、または誘電特性の少なくとも１つに基づいて、絶縁破壊強度残存率を推定する、余寿命診断方法。
15. 請求項１０記載の余寿命診断方法において、
    前記固定子コイルの余寿命を推定するステップは、初期の絶縁破壊強度残存率を１００％、あるいは製作のバラツキを考慮した際の下限値とし、推定した前記絶縁破壊強度残存率を個体差によるバラツキを考慮した際の下限値とし、初期の前記絶縁破壊強度残存率と推定した前記絶縁破壊強度残存率を結んだ直線を外挿した際に、寿命管理値の絶縁破壊強度残存率との交点となる点を寿命に到達する点として余寿命を推定する、余寿命診断方法。

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