JP6416283B2 - 水トリー試験方法および水トリー試験装置 - Google Patents
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Description
本発明は、水トリー試験方法および水トリー試験装置に関する。
水中に配置可能なケーブルには、導電体である銅線が高分子材料等からなる絶縁部で覆われているものがある。ここで、高分子材料には、例えば架橋ポリエチレン（Ｃｒｏｓｓ−Ｌｉｎｋｅｄ Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ、以下、ＸＬＰＥと呼ぶ。）等の熱硬化性樹脂や、熱可塑性材料が用いられることが多い。
水中に配置される絶縁ケーブルには、交流電圧やインバータ電圧（繰り返しインパルス両極性電圧）等を伝播するために用いられているものがある。このような絶縁ケーブルは、インバータサージを含む交番繰り返しインパルス両極性電圧を作用させた状態で数年間使用すると、ＸＬＰＥ等の絶縁部に水トリーが発生する可能性がある。水トリーとは、長時間にわたって水が共存する状態で、絶縁部に電界が作用したときに、絶縁部の絶縁材料に生じる樹枝状の絶縁劣化現象である。水トリーは最終的に絶縁破壊を誘発する。
水トリーの診断技術としては、電力系統を停電させて避雷器および電力ケーブルの絶縁診断を行う絶縁診断システム等が知られている（特許文献１参照）。
一方、水中に配置する絶縁ケーブルの絶縁部に用いる材料の選定やその構造の設計のためには、予め水トリーの発生状況等を把握する必要がある。このために、水トリーを試験的に発生させる、すなわち再現させるための試験を行う必要がある。
水トリーを発生させるためには、水電極法等が用いられる。図５は、従来の水トリー試験装置の構成を示す立断面図である。この水電極法は、ＸＬＰＥの平板状で複数の電極穴（窪み）１１が形成された試験片１０を用いる。試験片１０を、電極穴１１が形成された側の面を印加側水溶液２３中に、また反対側の面を接地側水溶液３３に浸漬させる。この状態で、各電極穴１１の付近に比較的高い電界を発生させる。これにより、各電極穴１１の周辺のＸＬＰＥに水トリーを再現させることができる。
水電極法では、前述のように試験片１０を液中に浸漬させる。また、試験片１０の各電極穴１１の付近に比較的高い電界を発生させるために、試験片１０を挟んで、印加側水溶液２３の中に印加側電極２２を挿入し、接地側水溶液３３の中に接地側電極３２をそれぞれ挿入する。試験片１０の電極穴１１が形成されている第１の面１０ａ側の印加側水溶液２３中に設けられた印加側電極２２は高圧側、その裏側の第２の面１０ｂ側の接地側水溶液３３中に設けられた接地側電極３２は低圧側となるように電圧を印加する。あるいは電圧の極性効果を調べる場合などは、電圧を単極性とし、試験片１０の電極穴１１が形成されている第１の面１０ａ側の印加側水溶液２３中に設けられた印加側電極２２を正極側、その裏側の第２の面１０ｂ側の接地側水溶液３３中に設けられた接地側電極３２は負極側となるように、あるいはこれと逆方向に電圧を印加したりする。
複数の電極穴１１は、鉛直方向の複数の高さおよび水平方向の複数の位置に、互いに並列に平面的に配されている。したがって、電圧が印加されることにより形成される電場は、この平面に沿って均等に広がっていることが望ましい。
通常、電極２２、３２は棒状電極である。このため、両電極２２、３２により形成される電場においては、試験片１０の各電極穴１１について均等な電界とはならない。このような方法で試験される試験片１０では、それぞれの電極穴１１が均等な電場におかれていないため、同等な環境における複数のデータの取得を行っているとは言えないことになる。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、水トリーの再現試験に際して、複数の電極穴に均等な電界を与えることにより試験の精度を向上させることを目的とする。
上述の目的を達成するため、本発明は、絶縁材料の候補材の耐水トリー評価のため前記候補材からなる平板状で第１の面に該表面に垂直に底部に向かうにしたがって横断面が小さくなるように形成された複数の電極穴が形成された試験片を用いて水トリー現象を再現させる水トリー試験装置であって、前記第１の面に設けられ前記複数の電極穴を覆うように平面的に広がった液体の透過性を有する導電性の第１の透過性部材と、前記第１の面の裏側である第２の面に設けられ前記試験片をはさんで前記第１の透過性部材に対向するように平面的に広がって液体の透過性を有する導電性の第２の透過性部材と、前記第１の透過性部材に覆われた範囲を含む前記試験片の第１の面を第１の水溶液中に浸漬するように該第１の水溶液を収納する第１の水槽と、前記第２の透過性部材に覆われた範囲を含む前記試験片の第２の面を第２の水溶液中に浸漬するように該第２の水溶液を収納する第２の水槽と、一方の端部は前記第１の透過性部材に電気的に接続される第１の電極と、一方の端部は前記第２の透過性部材に電気的に接続される第２の電極と、を備え、前記第１の電極と前記第２の電極間に電圧を印加可能に形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、絶縁材料の候補材の耐水トリー評価のため前記候補材からなる試験片を用いて水トリー現象を再現させる水トリー試験方法であって、前記候補材からなる平板状で第１の面に該表面に垂直に底部に向かうにしたがって横断面が小さくなるように形成された複数の電極穴が形成された前記試験片の前記第１の面に、前記複数の電極穴を覆うように平面的に広がった液体の透過性を有する導電性の第１の透過性部材を設けて該第１の面を第１の水溶液中に浸漬させ、前記第１の面の裏側である第２の面に前記試験片をはさんで前記第１の透過性部材に対向するように平面的に広がって液体の透過性を有する導電性の第２の透過性部材を設けて該第２の面を第２の水溶液中に浸漬させた状態に試験体系を設定する体系設定ステップと、前記体系設定ステップの後に、一方の端部が前記第１の透過性部材に電気的に接続されかつ前記第１の水溶液中に浸漬した第１の電極と一方の端部が前記第２の透過性部材に電気的に接続されかつ前記第２の水溶液中に浸漬した第２の電極のいずれかを接地し、他方に交流電圧を印加した状態とする電圧印加ステップと、前記電圧印加ステップの開始後に、所定の時間間隔ごとに前記試験片中の水トリーの進展量を測定する測定ステップと、前記測定ステップの後に、試験時間が所定の時間を経過したか否かを判定し、所定の時間を経過した場合は当該測定ステップを終了し、所定の時間を経過していない場合は、前記電圧印加ステップおよび前記測定ステップを繰り返す繰り返しステップと、を有する、ことを特徴とする。
本発明によれば、水トリーの再現試験に際して、複数の電極穴に均等な電界を与えることにより試験の精度を向上させることができる。
以下、図面を参照して、本発明に係る水トリー試験方法および水トリー試験装置の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る水トリー試験方法に関連する手順を示すフロー図である。すなわち、水トリー試験を含む絶縁設計方法全体の手順を示している。絶縁設計方法は、大別して、回転電機５０の固定子５１および回転子５２のコイル等の絶縁のための絶縁用部材５３に用いる絶縁材料の水トリーへの耐性を評価する耐水トリー評価ステップＳ１００と、回転電機の絶縁設計ステップＳ２００を有する。
耐水トリー評価ステップＳ１００は、候補とする候補絶縁材料を選定するステップ（ステップＳ１１０）、選定された候補絶縁材料について水トリー試験を実施する水トリー試験ステップ（ステップＳ１２０）、および試験結果に基づいて候補として試験された絶縁材料の絶縁性能上の特性を評価する絶縁材料評価ステップ（ステップＳ１３０）を有する。
図２は、本実施形態に係る水トリー試験方法の手順を示すフロー図である。水トリー試験のステップＳ１２０においては、先ず、試験体系および試験条件を設定する（ステップＳ１２１）。試験体系および試験条件の内容については、図３の説明において述べる。
ステップＳ１２１の後に、交流電源４０（図３参照）から電圧を印加して、印加側水溶液２３（図３参照）と接地側水溶液３３（図３参照）の間に電位差を形成し、試験片１０（図３参照）に電圧を付加する（ステップＳ１２２）。
ステップＳ１２２の後に、時間間隔をおいて、水トリーの進展量の測定を実施する（ステップＳ１２３）。また、所定時間すなわち所期の試験時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ１２４）。所定時間が経過していなければ（ステップＳ１２４ ＮＯ）、ステップＳ１２２以下を繰り返す。所定時間が経過していれば（ステップＳ１２４ ＹＥＳ）、試験を終了する。
図３は、本実施形態の水トリー試験装置の構成を示す立断面図である。試験装置５は、試験片１０を用いて試験を行い、印加側水槽２１、印加側電極２２、接地側水槽３１、および接地側電極３２を有する。印加側電極２２は導線２４で交流電源４０と結ばれている。接地側電極３２と接地点間は導線３４で結ばれている。印加側水槽２１および接地側水槽３１は、金属製の容器である。ただし、金属製には限定されない。たとえば、ポリエチレンなどの高分子化合物の容器であってもよい。
試験片１０は、絶縁材料、たとえば架橋ポリエチレン（ＸＬＰＥ）製である。試験片１０は、厚みのある長方形平板状であり、広い方の面として第１の面１０ａおよび第２の面１０ｂを有する。第１の面１０ａおよび第２の面１０ｂはいずれも平坦でかつ互いに平行となるように形成されている。また、第１の面１０ａには、その平坦な表面からその表面に垂直に複数の電極穴１１が形成されている。電極穴１１は、底部に向かうにしたがって横断面が小さくなるように先端部が円錐状に形成されている。電極穴１１の底部と第２の面１０ｂ間は、所定の穴深さ方向距離を有するように形成されている。なお、電極穴１１の個数は統計上の試験結果の信頼度、試験時間中の試験片１０の状態確認の頻度等から設定することでよい。
電極穴１１は、たとえば、絶縁材料を温めた状態で表面から尖った凸部を有するものを押し込み、冷却したのち、これを引き抜くことでも形成できる。一方、この方法で、電極穴１１の周囲の絶縁材料の特性に影響を与える可能性がある場合は、電極穴１１は、たとえば、絶縁材料を型に流し込んで成形する方法によって製造してもよい。この際、底面に、電極穴１１の空間部の形状に対応した凸部を設けた型を使用することによって、電極穴１１の形状を正確に形成できる。また、電極穴１１の周囲の絶縁材料の特性に影響を与えずに電極穴１１を形成することができる。
本実施形態における試験装置５は、第１の面１０ａの一部で、かつ、電極穴１１の全てを覆って第１の面１０ａの表面に沿って広がるように、導電性でありかつ液体の透過性を有する印加側透過性部材２７が取り付けられている。印加側透過性部材２７は印加側電極２２に電気的に接続されている。
また、第２の面１０ｂ側には、印加側透過性部材２７に対向するように、第２の面１０ｂの表面に沿って広がるように、導電性でありかつ液体の透過性を有する接地側透過性部材３７が取り付けられている。接地側透過性部材３７は接地側電極３２に電気的に接続されている。
印加側透過性部材２７および接地側透過性部材３７は、たとえば多孔性金属でよい。この場合、穴径はたとえば概ね５００μｍ程度、気孔率９０％以上のものが使用できる。なお、多孔性の金属には限定されない。導電性でかつ液体透過性を有するものであれば、導電性のある金属製のメッシュでもよい。
試験装置５においては、印加側水槽２１および接地側水槽３１は１つの側面が開放された容器であり、試験片１０が印加側水槽２１と接地側水槽３１によって挟み込まれるように構成されている。
印加側水槽２１の開口端と第１の面１０ａとの接触部、および接地側水槽３１の開口端と第２の面１０ｂとの接触部のそれぞれのシール性を確保するために、たとえば、縁部の材質を弾力性のある材料とし、あるいは、Ｏリング等を介在させた上で、印加側水槽２１の開口端と第１の面１０ａ、接地側水槽３１の開口端と第２の面１０ｂとが、それぞれにおいて互いに押し付けあうようにしてもよい。あるいは、印加側水槽２１の開口端と第１表面１０ａ間、接地側水槽３１の開口端と第２の面１０ｂ間が、それぞれシール材などによってシールされていてもよい。
試験片１０、印加側水槽２１および接地側水槽３１は、それぞれの上部を除いて、大部分が、絶縁部３８によって包囲されている。このため、試験装置５の外部との電気的な接触を防止できるようになっている。
印加側水槽２１の内部には、印加側水溶液２３が封入されている。接地側水槽３１の内部には、接地側水溶液３３が封入されている。また、印加側水溶液２３および接地側水溶液３３は、たとえば、塩化ナトリウム水溶液などの中性の水溶液でよい。濃度は、印加側水溶液２３および接地側水溶液３３が同じでよい。なお、印加側水溶液２３および接地側水溶液３３には、水を使用してもよい。
印加側電極２２は印加側水槽２１の壁を貫通して延びており、印加側電極２２の一方の端部は印加側水槽２１の外部に、他方の端部は印加側水槽２１内の印加側水溶液２３内に浸漬されている。印加側電極２２の印加側水槽２１の外側の端部は、導線２４を介して交流電源４０に接続されている。
接地側水槽３１には、接地側電極３２が取り付けられている。接地側電極３２は、接地側水槽３１の壁を貫通して延びており、接地側電極３２の一方の端部は接地側水槽３１の外部に、他方の端部は接地側水槽３１内の接地側水溶液３３内に浸漬されている。接地側電極３２の接地側水槽３１の外側の端部は、導線３４を介して接地された部分に接続されている。
ここで、印加する電圧は、回転電機５０が、運転中に晒されることになる電圧、あるいはこれに所定の安全係数を乗じた値の電圧である。特にコイル導線についての絶縁等が重要であり、たとえば、コイル導線に付加される電圧として、線間電圧、対地電圧、ターン間電圧等に相当する電圧がある。また、これらの電圧値および周波数は、あらかじめ実機について理論的に得られる値、もしくは安全係数を乗じるなど実験的に測定した値を用いればよい。
以上のように構成された本実施形態においては、それぞれ平面的に広がった導電性のある印加側透過性部材２７と接地側透過性部材３７が試験片１０を挟んで対向しているため、試験片１０のうち印加側透過性部材２７と接地側透過性部材３７に挟まれた領域は、端部を除いて均一な電界が生ずる。
これは、たとえば、水溶液の導電率が１Ｓ／ｍないし１０Ｓ／ｍ程度であるのに対して、金属の導電率は１０７Ｓ／ｍ程度であり、印加側透過性部材２７の内部および接地側透過性部材３７の内部においてはそれぞれ、電位分布は均一とみなせるからである。このため、複数の電極穴１１と裏側の第２の面１０ｂ間にかかる電位差も均一となる。
このように、複数の電極穴に均等な電界を与えることにより水トリーの再現試験の精度を向上させることができる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、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。たとえば、実施形態では、電極穴１１が形成されている側の電極は印加側電極２２であり、反対側の電極が接地側電極３２の場合を示したが、これには限定されない。絶縁候補材料の試験片１０の両側に電位差が生ずるのであれば、逆に、電極穴１１が形成されている側の電極が接地側の電極、その反対側の電極が印加側の電極である場合でもよい。また電圧の極性効果などを調べる意図で、電極穴１１が形成されている側の印加側電極２２に正極性電圧を印加し、反対側の接地側電極３２に負極性電圧を印加する、あるいはその逆に印加するなど変形例が考えられる。また図４に示すように、印加側電極２２からの導線２５と、接地側電極３２からの導線３５とを、交流電源４１に接続して、印加側電極２２と接地側電極３２間に交流電圧を印加することでもよい。
また、実施形態では、交流電圧の印加側は、導線２４、印加側電極２２および印加側透過性部材２７、接地側は、導線３４、接地側電極３２および接地側透過性部材３７のようにそれぞれ接続されている例を示したが、印加側電極２２、接地側電極３２はそれぞれ設けない場合でもよい。すなわち、導線２４を直接に印加側透過性部材２７に接続し、導線３４を直接に接地側透過性部材３７に接続することでもよい。
また、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。
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。
５…試験装置、１０…試験片、１０ａ…第１の面、１０ｂ…第２の面、１１…電極穴、２１…印加側水槽（第１の水槽）、２２…印加側電極（第１の電極）、２３…印加側水溶液（第１の水溶液）、２４、２５…導線、２７…印加側透過性部材（第１の透過性部材）、３１…接地側水槽（第２の水槽）、３２…接地側電極（第２の電極）、３３…接地側水溶液（第２の水溶液）、３４、３５…導線、３７…接地側透過性部材（第２の透過性部材）、３８…絶縁部、４０、４１…交流電源、５０…回転電機、５１…固定子、５２…回転子、５３…絶縁用部材
Claims (4)
- 絶縁材料の候補材の耐水トリー評価のため前記候補材からなる平板状で第１の面に該表面に垂直に底部に向かうにしたがって横断面が小さくなるように形成された複数の電極穴が形成された試験片を用いて水トリー現象を再現させる水トリー試験装置であって、
前記第１の面に設けられ前記複数の電極穴を覆うように平面的に広がった液体の透過性を有する導電性の第１の透過性部材と、
前記第１の面の裏側である第２の面に設けられ前記試験片をはさんで前記第１の透過性部材に対向するように平面的に広がって液体の透過性を有する導電性の第２の透過性部材と、
前記第１の透過性部材に覆われた範囲を含む前記試験片の第１の面を第１の水溶液中に浸漬するように該第１の水溶液を収納する第１の水槽と、
前記第２の透過性部材に覆われた範囲を含む前記試験片の第２の面を第２の水溶液中に浸漬するように該第２の水溶液を収納する第２の水槽と、
一方の端部は前記第１の透過性部材に電気的に接続される第１の電極と、
一方の端部は前記第２の透過性部材に電気的に接続される第２の電極と、
を備え、
前記第１の電極と前記第２の電極間に電圧を印加可能に形成されていることを特徴とする水トリー試験装置。 - 前記第１の透過性部材および前記第２の透過性部材の少なくとも一方は、導電性を有する多孔性金属の板であることを特徴とする請求項１に記載の水トリー試験装置。
- 前記第１の透過性部材および前記第２の透過性部材の少なくとも一方は、導電性を有する線状の金属が板状に成形されたメッシュであることを特徴とする請求項１に記載の水トリー試験装置。
- 絶縁材料の候補材の耐水トリー評価のため前記候補材からなる試験片を用いて水トリー現象を再現させる水トリー試験方法であって、
前記候補材からなる平板状で第１の面に該表面に垂直に底部に向かうにしたがって横断面が小さくなるように形成された複数の電極穴が形成された前記試験片の前記第１の面に、前記複数の電極穴を覆うように平面的に広がった液体の透過性を有する導電性の第１の透過性部材を設けて該第１の面を第１の水溶液中に浸漬させ、前記第１の面の裏側である第２の面に前記試験片をはさんで前記第１の透過性部材に対向するように平面的に広がって液体の透過性を有する導電性の第２の透過性部材を設けて該第２の面を第２の水溶液中に浸漬させた状態に試験体系を設定する体系設定ステップと、
前記体系設定ステップの後に、一方の端部が前記第１の透過性部材に電気的に接続されかつ前記第１の水溶液中に浸漬した第１の電極と一方の端部が前記第２の透過性部材に電気的に接続されかつ前記第２の水溶液中に浸漬した第２の電極のいずれかを接地し、他方に交流電圧を印加した状態とする電圧印加ステップと、
前記電圧印加ステップの開始後に、所定の時間間隔ごとに前記試験片中の水トリーの進展量を測定する測定ステップと、
前記測定ステップの後に、試験時間が所定の時間を経過したか否かを判定し、所定の時間を経過した場合は当該測定ステップを終了し、所定の時間を経過していない場合は、前記電圧印加ステップおよび前記測定ステップを繰り返す繰り返しステップと、
を有する、
ことを特徴とする水トリー試験方法。
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