JP6668101B2 - 電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法および診断システム - Google Patents
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本願は前記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、通電部位を覆う電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法であって、前記電気機器の通電による熱的負荷で生じる、前記電気絶縁用樹脂モールドの表層部にかかる応力を測定する第1の工程と、前記通電部位の発熱を考慮して求められる前記電気絶縁用樹脂モールドの表層部から界面部にかけての応力に基づいて前記表層部にかかる応力および前記電気絶縁用樹脂モールドと前記通電部位との界面部における前記電気絶縁用樹脂モールドにかかる応力との応力比をデータベース化したデータベースに基づいて、前記第1の工程で得た表層部にかかる応力の測定結果を、前記電気絶縁用樹脂モールドと前記通電部位との界面部における前記電気絶縁用樹脂モールドにかかる応力に変換する第2の工程と、前記第2の工程で得た界面部における前記電気絶縁用樹脂モールドにかかる応力を、前記電気絶縁用樹脂モールドの相当経過年数に変換する第3の工程と、を備える電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法である。
図1が示すように、本発明の一実施形態に係る電気絶縁用樹脂モールドを備える電気機器の診断方法は、診断に関する第1の工程(樹脂モールドの表層部にかかる応力の測定)、第2の工程(樹脂モールドの表層部にかかる応力の、通電部位との界面における応力への変換)、第3の工程(樹脂モールドの通電部位との界面における応力の、相当経過年数への変換)を含む。
モールド変圧器を有限要素でモデル化し、有限要素法による熱応力解析を行った。試験片を用いて、構成材料の力学物性、熱物性を予め測定しておき、各要素に割り当てた。熱応力解析では、コイルを構成する巻線の全長と、巻線の断面積から通電部位における発熱量を求め、樹脂モールドへの伝熱を考慮した。結果として得られた、樹脂モールドにかかる応力の分布から、コイルとの界面部の樹脂モールドにかかる応力と、樹脂モールドの表層部の応力の比(S1/S2)を求めた。表1には、寸法、出力、通電状態が異なる3つの変圧器に対する応力比の解析結果を記載した。No. 1、No. 2、No. 3全ての変圧器は、通電での使用開始から10年経過したものである。寸法には、コイル部の高さを代表値として示してある。また、通電負荷率とは、変圧器の最大容量に占める、実使用上の負荷率の割合であり、この数値が大きいほど、発熱が大きく、よって熱応力の発生が顕著になる。表1のNo. 1とNo. 2の比較より、通電負荷率が大きいほど応力比が大きくなることがわかる。また、No. 2とNo. 3の比較より、寸法が大きい場合に、応力比が大きくなることがわかる。表1は、樹脂モールド応力比データベース11Cの一例である。
表1に示した変圧器No. 1、No. 2、No. 3が備える電気絶縁用樹脂モールドと同一の材料組成を有する複合樹脂試験片に対する疲労寿命試験を行った。試験片は、前記の通りプラスチック試験片のJIS規格に従い、ダンベル形状とした。疲労寿命試験では、10種類の応力値を設定し、それぞれの応力値において、繰り返し引っ張り試験を行うことで、樹脂試験片が破断に至る繰り返し回数を求めた。
前記の〔1〕で得た応力比S1/S2と、〔2〕で得た材料疲労定数とを用いて、実際にモールド変圧器の診断を行った。
<第1の工程>まず、表層部応力測定装置で、変圧器No. 1、No. 2、No. 3それぞれの電気絶縁用樹脂モールドの表層部に作用する応力を測定した。これらの樹脂モールドには、充填材として結晶性シリカが配合されている。そこで、X線回折応力測定法により、樹脂モールドの表層部に作用する応力を測定した。
<第2の工程>次に、界面部応力算出部で、〔1〕で得た応力比データベースに格納した応力比S1/S2を用いて、樹脂モールドの表層部に作用する応力を、樹脂モールドがモールドするコイルとの界面部の樹脂モールドに作用する応力に変換した。
<第3の工程>最後に、相当経過年数算出部で、〔2〕で得た材料疲労定数データベースに格納した材料疲労定数を用いて、樹脂モールドがモールドするコイルとの界面部の樹脂モールドに作用する応力を、疲労寿命曲線における繰り返し回数に変換した後、変換係数を用いて相当経過年数に変換した。本実施例の変圧器は昼夜問わず連続運転しており、昼と夜との温度差によって熱応力の増減が1日に一回起きるため変換係数は、1日/回とした。相当経過年数を求めるには、予め作成した界面部にかかる応力と相当経過年数との関係を用いても良く、図5にその一例を示す。表3には、変圧器No. 1、No. 2、No. 3それぞれに対する診断結果をまとめた。
11A 電気機器のモデル化
11B 熱応力解析
11C 樹脂モールド応力比データベース
12 試験片
12A 疲労寿命試験
12B 材料疲労定数データベース
13 診断結果
21 通電部位
22 電気絶縁用樹脂モールド
23 界面部
24 表層部
30 表層部応力測定装置
40 診断装置
42 界面部応力算出部
43 樹脂モールド応力比データベース
44 相当経過年数算出部
45 材料疲労定数データベース
46 表示部
S101 第1の工程
S102 第2の工程
S103 第3の工程
S1 界面部の応力
S2 表層部の応力
Claims (14)
- 通電部位を覆う電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法であって、
前記電気機器の通電による熱的負荷で生じる、前記電気絶縁用樹脂モールドの表層部にかかる応力を測定する第1の工程と、
前記通電部位の発熱を考慮して求められる前記電気絶縁用樹脂モールドの表層部から界面部にかけての応力に基づいて前記表層部にかかる応力および前記電気絶縁用樹脂モールドと前記通電部位との界面部における前記電気絶縁用樹脂モールドにかかる応力との応力比をデータベース化したデータベースに基づいて、前記第1の工程で得た表層部にかかる応力の測定結果を、前記電気絶縁用樹脂モールドと前記通電部位との界面部における前記電気絶縁用樹脂モールドにかかる応力に変換する第2の工程と、
前記第2の工程で得た界面部における前記電気絶縁用樹脂モールドにかかる応力を、前記電気絶縁用樹脂モールドの相当経過年数に変換する第3の工程と、
を備える電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法。 - 請求項1に記載の電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法において、
前記第1の工程で行う、前記電気絶縁用樹脂モールドの表層部にかかる応力の測定は、通電による熱負荷状態にある前記電気機器に対し、非破壊で、前記電気絶縁用樹脂モールドの表層部にかかる応力を測定することを特徴とする電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法。 - 請求項1に記載の電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法において、
前記電気絶縁用樹脂モールドは、無機充填材料を配合する複合樹脂材料であり、前記無機充填材料は、結晶構造を有する粉末材料であることを特徴とする電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法。 - 請求項1に記載の電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法において、
前記表層部にかかる応力と界面部にかかる応力との応力比は、有限要素法の熱応力解析によって得た、前記電気絶縁用樹脂モールドの表層部から界面部にかけての応力分布から求めることを特徴とする電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法。 - 請求項1に記載の電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法において、
前記応力比は、前記電気機器の寸法、出力、通電状態で関数化されていることを特徴とする電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法。 - 請求項1に記載の電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法において、
前記第3の工程は、電気絶縁用樹脂モールドから切り出した複合樹脂材料の試験片に対する、繰り返し引っ張り応力による疲労寿命試験から求めた材料疲労定数によるものであり、該材料疲労定数をデータベース化した材料疲労定数データベースを参照して、前記電気絶縁用樹脂モールドの相当経過年数を求めることを特徴とする電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法。 - 請求項6に記載の電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法において、
前記材料疲労定数は、前記電気絶縁用樹脂モールドの材料組成によって関数化されていることを特徴とする電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法。 - 請求項1に記載の電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法において、
前記第3の工程で得られる、前記電気絶縁用樹脂モールドの相当経過年数と、前記電気機器の設計寿命との差分をとることで、前記電気機器の余寿命を求めることを特徴とする電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法。 - 請求項1に記載の電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法において、
前記電気機器は、変圧器、開閉器、モータまたはインバータであることを特徴とする電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断方法。 - 通電部位を覆う電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断システムであって、
前記電気機器の通電による熱的負荷で生じる、前記電気絶縁用樹脂モールドの表層部にかかる応力を測定する表層部応力測定装置と、
前記通電部位の発熱を考慮して求められる前記電気絶縁用樹脂モールドの表層部から界面部にかけての応力に基づいて前記表層部にかかる応力および前記電気絶縁用樹脂モールドと前記通電部位との界面部における前記電気絶縁用樹脂モールドにかかる応力との応力比をデータベース化した応力比データベースと、
前記電気絶縁用樹脂モールドから切り出した複合樹脂材料の試験片に対する、繰り返し引っ張り応力による疲労寿命試験から求めた材料疲労定数をデータベース化した材料疲労定数データベースと、
前記表層部応力測定装置で得た表層部にかかる応力の測定結果を、前記応力比データベースを参照して、界面部における前記電気絶縁用樹脂モールドにかかる応力に変換する界面部応力算出部と、
前記界面部応力算出部で得た界面部における前記電気絶縁用樹脂モールドにかかる応力を、前記材料疲労定数データベースを参照して、前記電気絶縁用樹脂モールドの相当経過年数に変換する相当経過年数算出部と、
を備える電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断システム。 - 請求項10に記載の電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断システムにおいて、
前記表層部応力測定装置は、通電による熱負荷状態にある前記電気機器に対し、非破壊で、前記電気絶縁用樹脂モールドの表層部にかかる応力を測定するものであることを特徴とする電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断システム。 - 請求項10に記載の電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断システムにおいて、
前記応力比は、電気機器の寸法、出力、通電状態で関数化されていることを特徴とする電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断システム。 - 請求項10に記載の電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断システムにおいて、
前記材料疲労定数は、電気絶縁用樹脂モールドから切り出した複合樹脂材料の試験片に対する、繰り返し引っ張り応力による疲労寿命試験の結果得られる疲労寿命曲線から求めたものであることを特徴とする電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断システム。 - 請求項10に記載の電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断システムにおいて、
前記材料疲労定数は、電気絶縁用樹脂モールドの材料組成によって関数化されていることを特徴とする電気絶縁用樹脂モールドを備えた電気機器の診断システム。
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