JP7100215B1 - 柱上変圧器の寿命評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスケットの劣化に基づく柱上変圧器の寿命評価方法を提供する。【解決手段】柱上変圧器を通過する電流量を測定可能なスマートメーターから電流を計算し、柱上変圧器の周囲の環境データを取得し、電流、及び環境データを入力データとし、柱上変圧器に備わるガスケットのガスケット温度を出力するための熱等価回路を用いてガスケット温度を計算し、ガスケット温度とガスケットの劣化指標との関係を表すガスケット熱特性に基づいて劣化指標を推定することにより柱上変圧器の寿命を推定する。【選択図】図２

Description

本発明は、柱上変圧器の寿命を評価する方法に関する。

柱上変圧器は、タンクの腐食、巻線の被覆である絶縁紙の劣化、漏油を防止するためのガスケットの劣化を主な要因として寿命が短くなることが知られている。しかしながら、柱上変圧器はそれらの要因に基づく寿命とは関係なしに交換されることも多い。

そこで、柱上変圧器に取り付けたスマートメーターから得られる電流値を元に柱上変圧器の寿命を推定する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。このような技術によれば、柱上変圧器の推定寿命に基づいて交換や保守を行うことができる。

一方、ガスケットの劣化は、漏油に繋がるものの、変圧器内を流れる電流により気温よりガスケット温度は高くなると想定されるが、ガスケット温度の把握は行われておらず、このため、これまで劣化状況を把握するための検討はほとんど行われていない。このような状況に基づけば、漏油に繋がるガスケットの劣化が把握できれば、柱上変圧器の寿命を判定することができ、適切な劣化状況を判断のうえで、交換が実施できる。しかしながら、特許文献１に開示された技術は、柱上変圧器の絶縁紙の劣化を元に寿命を判定するものであり、ガスケットの劣化を考慮したものではない。

特許第６６８９２１２号公報

本発明は、上記事情に鑑み、ガスケットの劣化に基づく柱上変圧器の寿命評価方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の態様は、柱上変圧器を通過する電流を測定可能なスマートメーターから前記電流を計算し、前記柱上変圧器の周囲の環境データを取得し、前記電流、及び前記環境データを入力データとし、柱上変圧器に備わるガスケットの温度（以下、ガスケット温度）を出力するための熱等価回路を用いて前記ガスケット温度を計算し、前記ガスケット温度と、前記ガスケットの劣化の程度を表す指標（以下、劣化指標）との関係を表すガスケット熱特性に基づいて前記劣化指標を推定することにより前記柱上変圧器の寿命を推定することを特徴とする柱上変圧器の寿命評価方法にある。

本発明によれば、ガスケットの劣化に基づく柱上変圧器の寿命評価方法が提供される。

柱上変圧器の寿命を評価するためのシステム構成を示す図である。 柱上変圧器の寿命評価方法の流れを示す図である。 熱等価回路の一例である。 ガスケット温度の履歴を示す図である。 劣化指標とガスケット温度との関係を表すガスケット熱特性である。 日射など環境データを用いずに計算したガスケット温度と、実測のガスケット温度とを比較した図である。 日射による熱流を用い、計算したガスケット温度と、実測のガスケット温度とを比較したものである。 気象台から得た日射の熱流を用いて得られたガスケット温度を示す図である。 気象台から得た風速を用いて得られたガスケット温度を示す図である。 風速及び日射を考慮して、又は考慮しないで計算したガスケット温度の計算値と実測値の比較を示す図である。 風速及び日射を考慮して計算したガスケット温度の計算値と実測値の比較を示す図である。

本発明の実施形態に係る柱上変圧器の寿命評価方法について説明する。図１は柱上変圧器の寿命を評価するためのシステム構成を示す図である。寿命の評価対象となる柱上変圧器１は、高圧線から分岐されたリード線３がブッシング４を介してタンク６の内部に導かれている。また、ブッシング４にはガスケット５が設けられており、ガスケット５によって漏油が防止されている。タンク６の内部には、特に図示しないが巻線や鉄心、巻線を被覆する絶縁紙などを備えた変圧器本体が格納されている。変圧器本体の二次側から各需要家１０に電線７が配線されている。このような柱上変圧器１は公知のものであるので、その他の詳細な構成についての説明は省略する。

需要家１０には、スマートメーター２が設置されている。スマートメーター２は、電力量測定機能と通信手段を備えた装置である。電力測定機能は、電線７を介して供給される電力量を収集できる機能であり、例えば３０分に１回の頻度で電力量を収集する。収集した電力量はスマートメーター情報として通信手段の一例である専用回線により寿命評価装置１１に送信される。後述する寿命評価装置１１は、評価対象とする１台の柱上変圧器１に接続している各需要家１０のスマートメーター２の電力量を合算する。これにより、評価対象の柱上変圧器１を通過する電力量、及びこの電力量から柱上変圧器を通過する電流を把握することができる。

気象台の観測データは、温度、日射の状況、風速などに関するデータである。気象庁はこれらのデータをホームページで公開している。評価対象の柱上変圧器１では、通常、温度、日射の状況、風速は実測されていないため、これらのデータを活用することで、ガスケット温度の推定精度があがり、それによりガスケット劣化状況の推定精度も向上する。これらの気温、日射の状況、風速のデータをまとめて環境データと称する。環境データは、気象庁が提供するものに限らず、様々な機関が提供するものを利用できる。以後、環境データを提供する機関を気象台等と称する。

寿命評価装置１１は、一般的なコンピュータであり、気象台等から得た環境データ、及びスマートメーター２から得た電流を元に、柱上変圧器１のガスケットの劣化を推定するための計算を実行する。

図２－図５を用いて、寿命評価装置１１での処理について説明する。まず、図２に示すように、寿命評価装置１１は、スマートメーター２から柱上変圧器１の電流を取得する（ステップＳ１）。評価対象とする１台の柱上変圧器１について、複数のスマートメーター２が接続されているので、各スマートメーター２から得た電流を合計し、この合計値を評価対象の柱上変圧器１を通過する電流とする。スマートメーター２では３０分に一回の頻度で電流が測定されるから、３０分ごとに柱上変圧器１を通過する電流が得られることになる。

また、寿命評価装置１１は、気象台等から気温、日射、及び風速に関する環境データを取得する（ステップＳ２）。環境データを取得する頻度は、特に限定はないが、スマートメーター２の電流を取得するタイミングに合わせることが好ましい。

次に、電流及び環境データを入力データとしてガスケットの温度を計算する（ステップＳ３）。具体的には、電流及び環境データ、並びに柱上変圧器１に関する定数を入力値とし、タンク６、タンク６内の油温、ガスケット５の温度（以下、ガスケット温度と称する）を出力とする熱等価回路を計算する。図３に熱等価回路の一例を示す。

［定数値］
巻線（同図のＴ１）、タンクの油温（同図のＴ２）、ガスケット（同図のＴ３）、気温（同図のＴ０）とが直列に接続されており、それぞれの間に挟まれた熱抵抗をＲ１、Ｒ２、Ｒ３とし、それらの熱容量をＣ１、Ｃ２、Ｃ３とする。これらの定数は、柱上変圧器１の温度上昇試験や柱上変圧器の仕様等から算定する。

［入力値］
ｉは、柱上変圧器１の巻線に流れる電流等により発生した熱流［Ｗ］である。この熱流は、スマートメーター２から取得した電流等から求めることができる。ｉｓは、日射による熱流である。Ｔ０は、柱上変圧器１の周囲の温度（気温）である。日射による熱流及び柱上変圧器１の周囲の温度は、気象台等から環境データとして得られたものが用いられる。

［出力値］
Ｔ１は柱上変圧器１の巻線温度を表している。Ｔ２はタンク６内の油温（上部と下部との平均温度）を表している。Ｔ３は、ブッシングのガスケット温度である。

［風、雨の影響の補正］
風、雨は、熱等価回路においては、ガスケットと気温の間の熱抵抗Ｒ３に影響を及ぼすと考えられる。具体的には、気象台から得た風速が強いほど熱抵抗が小さくなるようにＲ３を補正する。この補正後の熱抵抗を表面放散熱抵抗Ｒ３’とする。また、雨の影響をどの程度考慮するかを表す雨係数αを０から１の範囲で設定する。雨の影響を全く考慮しない場合、雨係数αを１に設定する。雨の影響を考慮する場合、その程度に応じて０より大きく１未満で設定する。表面放熱抵抗Ｒ３’に雨係数αを乗じた抵抗値を用いることで、雨が影響するほど熱抵抗Ｒ３が小さくなる。

以上の熱等価回路を元に温度を得る計算については公知であるので詳細な説明は省略する。この結果、Ｔ３、すなわちガスケット５の温度を得ることができる。図４に示すように、スマートメーター２、電流及び気象台等から環境データを得るたびにガスケット５の温度を計算することで、ガスケットの温度履歴を得ることができる。

次に、上述のようにして得られたガスケット温度から柱上変圧器１の寿命評価を行う（図２ステップＳ４）。寿命評価を行うためにガスケットの劣化指標を用いる。劣化指標とは、ガスケットの劣化の程度を表す指標であり、一例として、ガスケット５を構成する素材の圧縮永久ひずみ率を用いる。

図５（ａ）に、劣化指標とガスケット温度との関係を表すガスケット熱特性を示す。ガスケット熱特性の横軸は、ガスケット温度を表し、ガスケット熱特性の縦軸は、劣化指標（圧縮永久ひずみ率）の増加量を表している。

ガスケット温度は、熱等価回路を元に計算されたものであるが、前回と今回の計算の間における温度を表しているとみなす。この例では、３０分に一回の頻度でガスケット温度を計算するので、ガスケット５は３０分間に亘って計算により得られたガスケット温度であったとみなすことになる。

例えば、ガスケット温度が３０分間に亘って６０℃であれば、圧縮永久ひずみ率の増加量は、０．０１％である。したがって、ガスケット５の圧縮永久ひずみ率にその値「０．０１」を加算する。以後、ガスケット温度を計算するたびに、ガスケット温度に対応する増加量をガスケット熱特性から取得し、増加量を圧縮永久ひずみ率に加算する。この結果、図５（ｂ）に示すように、劣化指標が経時的に増大していく。

なお、このようなガスケット熱特性は実測やシミュレーションなどにより予め用意しておく。また、ガスケット熱特性は図５（ａ）のような一種類のみ用いる場合に限定されない。例えば、ガスケット５を使い始めてからの累積時間ごとに異なるガスケット熱特性を用意してもよい。そして、実際のガスケット５の累積時間に応じて、それらの複数のガスケット熱特性を切り替えて使用してもよい。同じガスケット温度であっても、ガスケット５の累積時間によっては劣化指標の増加量が異なる場合がある。累積時間に応じた複数のガスケット熱特性を切り替えて使用することで、より正確に劣化指標の増加量を得ることができる。

圧縮永久ひずみ率は，初期値から劣化により増加する。このような圧縮永久ひずみ率に対して閾値（図５（ｂ）の符号ｔｈを参照）を設ける。閾値は、ガスケット５の交換目安となるような値とする。劣化指標とこのように設定した閾値に基づいてガスケット５の寿命を推定する。その推定方法の一つは、圧縮永久ひずみ率が閾値を越えていたら、ガスケット５は交換すべきものであると評価することである。他の推定方法としては、圧縮永久ひずみ率が閾値に達していない場合、図５の熱特性から、今後の負荷および環境要因を想定し、あとどれくらいの期間で圧縮永久ひずみ率が閾値に達するか推定する。そしてガスケット５の劣化は、柱上変圧器１の寿命に影響する主要因である。よって、ガスケット５の劣化を推定することで柱上変圧器１の寿命を評価することができる。

上述した寿命評価方法においては、ガスケット５の温度を計算したが、実測のガスケット５の温度と比較した実験例を示す。図６は、日射など環境データを用いずに計算したガスケット５の温度（計算値；青線）と、実測のガスケット５の温度（実測値；黒線）とを比較したものである。計算値は、実測値に対して増減傾向については追随しているが、特に晴れのときの温度に乖離が見られる。なお、図６－図１０に示す実線や点線等に付された色については、物件提出書に添付して提出した図６－図１０に相当するカラーの図面を参照されたい。また、図６－図８では実測値がゼロである箇所がいくつか存在するが、これはガスケット温度の実測値がゼロであることを意味するのではなく、実測値が欠落していることを表わしている。

図７は、気象台等から得た日射による熱流を用い、風の影響を考慮にいれ、雨が降っていない日について計算したガスケット５の温度（計算値；青線）と、実測のガスケット５の温度（実測値；黒線）とを比較したものである。つまり、表面放散熱抵抗Ｒ３’を用い、雨係数αは１である。この場合、計算値は、実測値に対して晴れのときについても非常によく近似していることが示されている。

表１は、風速の影響を考慮してガスケット温度を計算し、そのガスケット温度から得た１０年間の圧縮永久ひずみ率を示すものである。実風速は、気象台等から得た風速である。０．５ｍ／ｓ、１．０ｍ／ｓ、４．０ｍ／ｓは、気象台等から得たものではなく、ガスケット温度の計算に用いる風速として適当に割り当てた数値である。

実風速を考慮して得られた圧縮永久ひずみ率は、最も確からしいものと考えられる。それに対して、０．５ｍ／ｓ、１．０ｍ／ｓ、４．０ｍ／ｓの風速を用いた場合の圧縮永久ひずみ率は、実風速の場合の圧縮永久ひずみ率よりも乖離していることが分かる。なお、上述したように気象台等から得た風速をそのまま用いる他に、気象台等から得た風速から所定期間における平均風速を求め、その平均風速を用いてもよい。

表２は、雨係数αを１、０．４に設定してガスケット温度を計算し、そのガスケット温度から得た圧縮永久ひずみ率を示すものである。大きな差ではないが雨の影響が圧縮永久ひずみ率に影響していると言える。

上述した例では、気象台等から得た日射による熱流を用いたが、柱上変圧器１の設置場所で得られた環境データを用いた場合との比較を図８に示す。

同図には、ガスケット温度の実測値（青線）、計算値１（緑）、計算値２（ピンク）、計算値３（黒）が示されている。計算値１は、柱上変圧器１の設置場所において測定した日射の熱流を用いて計算したガスケット温度である。計算値２は、気象台等から柱上変圧器１の周辺の日射の熱流を得て、それを用いて計算したガスケット温度である。計算値３は、日射の熱流を用いずに計算したガスケット温度である。

計算値１が最も実測値に近い。そして計算値２は計算値３よりも実測値に近い。したがって、計算値２のように気象台等の日射の熱量に関する環境データを用いた場合であっても、計算値３のように環境データを用いない場合と比較して実測値に近い値を得ることができる。

次に、図９に、風速に関して気象台等から得た場合と、柱上変圧器１の設置場所で得た場合との比較を示す。

同図には、ガスケット温度の実測値（緑）、計算値１（青）、計算値２（黒）が示されている。計算値１は、柱上変圧器１の設置場所で風速を測定し、それを用いて計算したガスケット温度である。計算値２は、気象台等から柱上変圧器１の周辺の風速を得て、それを用いて計算したガスケット温度である。

計算値１が最も実測値に近い。そして計算値２は、計算値１ほどではないが実測値に近い。したがって、計算値２のように気象台等の風速に関する環境データを用いた場合であっても、環境データを用いないで計算したガスケット温度よりも実測値に近い値を得られると考えられる。

次に、図１０及び図１１に、風速及び日射に対する影響を検討するために、風速、日射を考慮する場合と考慮しなかった場合におけるブッシング温度（ガスケット温度）を比較した結果を示す。

図１０にはガスケット温度の実測値（黒）、計算値１（ピンク）、計算値２（青）、計算値３（緑）が示されている。計算値１は、風速を考慮せず、日射を考慮して計算したガスケットの温度である。計算値２は、風速を考慮し、日射を考慮せずに計算したガスケットの温度である。計算値３は、風速及び日射ともに考慮せずに計算したガスケットの温度である。計算値１（風速未考慮、日射考慮）は、実測値に対して、温度が高くなるとともに日間温度変動において降温にかかる時間が長くなる結果となった。計算値２（風速考慮、日射未考慮）は、実測値に対して温度が低くなる結果となった。計算値３（風速、日射ともに未考慮）は、実測値に対して温度と日間温度変動の時間、降温にかかる時間がずれる結果となった。

図１１に示すように、風速及び日射を考慮した計算値は、実測値との乖離が最も小さい。このような図１０及び図１１に示した結果から、実測値の温度と計算値の温度との乖離を少なくするためには、風速及び日射を考慮する必要がある。

以上に説明した柱上変圧器の寿命評価方法によれば、気象台等から得た環境データを基づいてガスケット温度を計算し、このガスケット温度に基づいてガスケットの劣化指標（例えば圧縮永久ひずみ率）を推定し、劣化指標に基づく柱上変圧器１の寿命を評価することができる。ガスケット温度の計算においては、柱上変圧器１の周辺における環境データを用いている。これにより、それらの影響を考慮しない場合と比較して、実際のガスケット温度を精度良く推定することができる。この結果、ガスケットの劣化指標をより確実に推定し、柱上変圧器１の寿命をより精度良く評価することができる。

具体的な柱上変圧器１の寿命評価方法としては、計算したガスケット温度と、図５（ａ）に示したガスケット熱特性から劣化指標の増加量を求め、図５（ｂ）に示した劣化指標の経時変化を計算する。このような劣化指標と閾値とに基づいてガスケット５の劣化状況が判断でき、柱上変圧器１の寿命を評価することができる。

累積時間に応じた複数のガスケット熱特性を切り替えて使用することで、より正確に劣化指標の増加量を得ることができ、この結果、より精度良くガスケットの劣化指標を得ることができる。

また、柱上変圧器の寿命評価方法は、環境データを柱上変圧器１の設置場所で取得しなくても、気象台等の環境データを用いて精度良くガスケット温度を計算することができる。また、環境データを取得するための各種装置を柱上変圧器１の設置場所に配置しなくてよいので、それらに要するコストを発生させずにすむ。

また、熱等価回路に環境データとして気温、日射による熱流、風速を入力する。これにより、より精度良くガスケット温度を計算することができる。

また、熱等価回路に与える風速として平均風速を用いる。これにより、瞬間的な突風の影響を低減することができる。

また、熱等価回路に雨係数を用いる。これにより、雨の影響を考慮してガスケット温度をより精度良く計算することができる。

また、上述した説明では、気象台等から環境データを取得する場合について説明したがこのような構成に限定されない。環境データは、柱上変圧器１を含む範囲として柱上変圧器１の設置場所付近に設けたセンサー等によって得てもよい。さらに、風速、温度、日射などの環境データを得ることができるセンサー等を有するスマートメーターが実現されれば、そのようなスマートメーターから環境データを取得してもよい。

スマートメーター２により３０分に一回の頻度で電流が測定される場合について説明したが、本発明はそのような頻度に限定されない。本発明は任意の頻度で電流を測定可能なスマートメーターを利用することができる。

ガスケットの劣化指標として圧縮永久ひずみ率を用いたがこれに限定されない。例えば、ガスケットの硬度を用いてもよい。熱劣化とともに硬度が高くなることが知られているので、硬度がある閾値を越えたら交換するといった評価を行ってもよい。また、ガスケットが劣化するほど減少する劣化指標を用いる場合は、図５を「減少量」と読み替えればよい。そして、圧縮永久ひずみ率を用いた場合と同様にして劣化指標と閾値に基づいてガスケットの劣化を推定すればよい。

柱上変圧器を保守する産業分野などで利用することができる。

１…柱上変圧器、２…スマートメーター、３…リード線、４…ブッシング、５…ガスケット、６…タンク、７…電線、８…電流測定器、１０…需要家、１１…寿命評価装置

Claims (9)

1. 柱上変圧器を通過する電流を測定可能なスマートメーターから前記電流を計算し、
   前記柱上変圧器の周囲の環境データを取得し、
   前記電流、及び前記環境データを入力データとし、柱上変圧器に備わるガスケットの温度（以下、ガスケット温度）を出力するための熱等価回路を用いて前記ガスケット温度を計算し、
   前記ガスケット温度と、前記ガスケットの劣化の程度を表す指標（以下、劣化指標）との関係を表すガスケット熱特性に基づいて前記劣化指標を推定することにより前記柱上変圧器の寿命を推定する
   ことを特徴とする柱上変圧器の寿命評価方法。
2. 請求項１に記載する柱上変圧器の寿命評価方法であって、
   前記ガスケット熱特性は、前記ガスケット温度と、前記劣化指標の増加量又は減少量との関係を表し、
   前記ガスケット温度を計算するごとに、前記ガスケット温度に対応する前記増加量又は前記減少量を前記ガスケット熱特性から取得し、前記増加量又は前記減少量を前記劣化指標に加算し、
   前記劣化指標に対して、前記ガスケットの交換を要することを表す閾値を設定し、
   前記劣化指標と前記閾値とに基づいて前記柱上変圧器の寿命を推定する
   ことを特徴とする柱上変圧器の寿命評価方法。
3. 請求項２に記載する柱上変圧器の寿命評価方法であって、
   前記ガスケットを使い始めてからの累積時間ごとに異なるガスケット熱特性を用意し、
   前記累積時間に応じた前記ガスケット熱特性から前記増加量又は前記減少量を取得する
   ことを特徴とする柱上変圧器の寿命評価方法。
4. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載する柱上変圧器の寿命評価方法であって、
   前記環境データは、前記柱上変圧器を含む範囲を対象として測定されたものである
   ことを特徴とする柱上変圧器の寿命評価方法。
5. 請求項１から請求項４の何れか一項に記載する柱上変圧器の寿命評価方法であって、
   前記熱等価回路は、
   前記柱上変圧器の巻線、前記柱上変圧器のタンクの油温、前記ガスケット、気温とがそれぞれ熱抵抗を挟んで直列に接続され、
   前記気温には、前記環境データとして得られた気温を入力する
   ことを特徴とする柱上変圧器の寿命評価方法。
6. 請求項５に記載する柱上変圧器の寿命評価方法であって、
   前記熱等価回路の前記ガスケットには、前記環境データとして日射による熱流を入力する
   ことを特徴とする柱上変圧器の寿命評価方法。
7. 請求項５又は請求項６に記載する柱上変圧器の寿命評価方法であって、
   前記熱等価回路の前記ガスケットと前記気温との間の前記熱抵抗を、前記環境データとしての風速が強いほど小さくなるよう補正する
   ことを特徴とする柱上変圧器の寿命評価方法。
8. 請求項７に記載する柱上変圧器の寿命評価方法であって、
   前記環境データとしての風速から所定期間における平均風速を計算し、前記平均風速が強いほど小さくなるよう前記熱抵抗を補正する
   ことを特徴とする柱上変圧器の寿命評価方法。
9. 請求項５から請求項８の何れか一項に記載する柱上変圧器の寿命評価方法であって、
   雨の影響を考慮しない場合を１とし、雨の影響を考慮する程度に応じて１未満の値を雨係数として設定し、
   前記熱等価回路の前記ガスケットと前記気温との間の前記熱抵抗に、前記雨係数を乗じる
   ことを特徴とする柱上変圧器の寿命評価方法。

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