JPWO2013080267A1 - 油入電気機器の診断方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、油入電気機器内における硫化銅生成による異常発生の危険度を診断する油入電気機器の診断方法であって、前記油入電気機器内の絶縁油中に含まれる特定化合物を検出する第１ステップと、前記第１ステップで得られた検出結果に基いて、前記油入電気機器内における絶縁破壊へ至る危険部位への硫化銅生成の可能性を評価する第２ステップと、前記第２ステップで得られた評価結果に基いて、前記油入電気機器における異常発生の危険度を診断する第３ステップとを含み、前記特定化合物は、ジベンジル・ジスルフィドおよび２，６−ジ−ｔ−ブチル−ｐ−クレゾールを含む、油入電気機器の診断方法である。

Description

本発明は、絶縁紙が巻きつけられたコイル銅が絶縁油に配置された変圧器などの油入電気機器内において、絶縁紙上への絶縁破壊の要因となる硫化銅生成のリスクを評価し、油入電気機器における異常発生の危険度を診断する方法に関するものである。

油入変圧器などの油入電気機器において、通電媒体であるコイル銅にはコイル絶縁紙が巻きつけられており、隣り合うターン間でコイル銅が短絡しないような構造となっている。

一方、油入変圧器に用いられる鉱油には硫黄成分が含まれており、油中のコイル銅と反応して導電性の硫化銅が生成される。この硫化銅がコイルの絶縁紙表面に生成した場合、硫化銅は導電性の物質であるため、硫化銅が析出された箇所を起点に導電路が形成される。この結果、隣り合うコイルターン間が短絡して絶縁破壊が生じるなどの問題があることが知られている（例えば、非特許文献１（CIGRE WG A2-32, “Copper sulphide in transformer insulation,” Final Report Brochure 378, 2009））。

また、硫化銅を生成させる原因物質は、油中の硫黄化合物の一種であるジベンジル・ジスルフィドであることが知られている（例えば、非特許文献２（F. Scatiggio, V. Tumiatti, R. Maina, M. Tumiatti M. Pompilli and R. Bartnikas, “Corrosive Sulfur in Insulating Oils: Its Detection and Correlated Power Apparatus Failures”, IEEE Trans. Power Del., Vol. 23, pp. 508-509, 2008））。

そして、ジベンジル・ジスルフィドがコイル銅と反応して錯体が生成される過程、錯体が油中を拡散してコイル絶縁紙に吸着する過程、吸着した錯体が分解して硫化銅となる過程により、コイル絶縁紙上に硫化銅が生成されることが知られている（例えば、非特許文献３（S. Toyama, J. Tanimura, N. Yamada, E. Nagao and T. Amimoto, “Highly Sensitive Detection Method of Dibenzyl Disulfide and the Elucidation of the Mechanism of Copper Sulfide Generation in Insulating Oil”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 16, No. 2, pp. 509-515, 2009.））。

上記の生成メカニズムに基づき、ジベンジル・ジスルフィドとコイル銅との反応を抑制することで、硫化銅生成を抑制する方法が知られており、電気絶縁油に抑制剤を添加する方法が広く用いられている。硫化銅生成抑制剤としては、１，２，３−ベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）やＩｒｇａｍｅｔ３９が用いられている（例えば、非特許文献４（T. Amimoto, E. Nagao, J. Tanimura, S. Toyama and N. Yamada, “Duration and Mechanism for Suppressive Effect of Triazole-based Passivators on Copper-sulfide Deposition on Insulating Paper”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 16, No. 1, pp. 257-264, 2009.））。

硫化銅生成の抑制剤を油中に添加すると、抑制剤がコイル銅と反応してコイル銅表面に膜を形成する（例えば、特許文献１（特開平６−７６６３５号公報））。この形成された膜により、ジベンジル・ジスルフィドとコイル銅との反応が遮断・抑制されるので、硫化銅生成を抑制することができる（例えば、非特許文献４）。

変圧器等の油入電気機器に使用される絶縁油は、一般的に量が多く使用年数が長いため、交換が容易ではない。このため、硫黄成分を含む絶縁油を用いた個々の油入電気機器において、硫化銅の析出によって生じる絶縁破壊等の異常発生を予測する方法が求められている。

しかし、油入電気機器内で硫化銅が生成される部位は、コイル絶縁紙上のみではなく、コイル銅、ＰＢ（プレスボード）等にも生成され、それぞれ絶縁破壊等の異常発生のリスクが異なる。このため、単にジベンジル・ジスルフィド等の原因物質を測定することにより、硫化銅生成の可能性を予測しても、油入電気機器に生じる異常発生のリスクを一概には評価できないという問題があった。

特開平６−７６６３５号公報

CIGRE WG A2-32, "Copper sulphide in transformer insulation," Final Report Brochure 378, 2009 F. Scatiggio, V. Tumiatti, R. Maina, M. Tumiatti M. Pompilli and R. Bartnikas, "Corrosive Sulfur in Insulating Oils: Its Detection and Correlated Power Apparatus Failures", IEEE Trans. Power Del., Vol. 23, pp. 508-509, 2008 S. Toyama, J. Tanimura, N. Yamada, E. Nagao and T. Amimoto, "Highly Sensitive Detection Method of Dibenzyl Disulfide and the Elucidation of the Mechanism of Copper Sulfide Generation in Insulating Oil", IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 16, No. 2, pp. 509-515, 2009. T. Amimoto, E. Nagao, J. Tanimura, S. Toyama and N. Yamada, "Duration and Mechanism for Suppressive Effect of Triazole-based Passivators on Copper-sulfide Deposition on Insulating Paper", IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 16, No. 1, pp. 257-264, 2009.

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、絶縁油中の成分を評価することにより、絶縁破壊へ至る危険部位への硫化銅生成の可能性を推定し、油入電気機器における異常発生（絶縁破壊）の危険度を高精度で診断できる診断方法を提供することを目的とする。

本発明に係る診断方法は、従来の診断項目（ジベンジル・ジスルフィド（ＤＢＤＳ）の有無等）に加え、絶縁紙表面への硫化銅析出を加速する２，６−ジ−ｔ−ブチル−ｐ−クレゾール（ＤＢＰＣ）の有無を評価することで、絶縁破壊に至る危険部位（絶縁紙表面）における硫化銅生成のリスクを評価するものである。

すなわち、本発明は、油入電気機器内における硫化銅生成による異常発生の危険度を診断する油入電気機器の診断方法であって、
前記油入電気機器内の絶縁油中に含まれる特定化合物を検出する第１ステップと、
前記第１ステップで得られた検出結果に基いて、前記油入電気機器内における絶縁破壊へ至る危険部位への硫化銅生成の可能性を評価する第２ステップと、
前記第２ステップで得られた評価結果に基いて、前記油入電気機器における異常発生の危険度を診断する第３ステップとを含み、
前記特定化合物は、ジベンジル・ジスルフィドおよび２，６−ジ−ｔ−ブチル−ｐ−クレゾールを含む、油入電気機器の診断方法である。

本発明の診断方法において、前記危険部位は、コイルの巻き線表面に施された絶縁紙の表面であることが好ましい。

前記特定化合物は、ジベンジル・ジスルフィドから硫化銅が生成する際の副生成物を含むことが好ましい。前記副生成物は、ベンズアルデヒド、ベンジルアルコール、ビベンジル、ジベンジルスルフィドおよびジベンジルスルホキシドからなる群から選択される少なくとも１種の化合物であることが好ましい。

前記特定化合物は、硫化銅生成抑制剤を含むことが好ましい。前記硫化銅生成抑制剤はベンゾトリアゾール化合物であることが好ましい。

前記第２ステップにおいて、前記第１ステップで前記特定化合物の各々の検出の有無によって、前記油入電気機器内における絶縁破壊へ至る危険部位への硫化銅生成の可能性を評価し、
前記第３ステップにおいて、前記第２ステップで硫化銅生成の可能性が高いと評価された場合に、前記油入電気機器における異常発生の危険度が高いと診断することが好ましい。

前記第２ステップにおいて、前記絶縁油の雰囲気中における酸素の有無も考慮して、硫化銅生成の可能性を評価することが好ましい。

また、前記第２ステップにおいて、診断時点での前記硫化銅生成の有無も考慮して、硫化銅生成の可能性を評価することが好ましい。

本発明による診断方法は、従来の診断項目に加え、ＤＢＰＣを診断項目とすることで、油入電気機器内の絶縁油に浸漬されたコイル等の絶縁紙表面における硫化銅生成の可能性を評価することができ、油入電気機器における異常発生の危険度を正確に診断することができる。

絶縁紙上における硫化銅生成メカニズムを説明するための概略図である。 ＤＢＤＳと硫化銅生成量の時系列変化を説明するための概略図である。

油入変圧器等の油入電気機器では、その絶縁油に含まれる硫黄成分がコイル（銅部品）と反応して硫化銅が生じる。この硫化銅生成場所が、コイル巻き線間を絶縁している絶縁紙上であった場合、ターン間の絶縁が劣化し、絶縁破壊（異常発生）のリスクが高くなる。本発明は、このような油入電気機器内の絶縁紙上における硫化銅生成の危険度を評価し、異常発生の危険度を診断する方法に関する。

油入変圧器等の油入電気機器において、運転中に問題となるコイル部分を検査することは困難であるため、油入電気機器から採油した絶縁油の成分分析を行い、硫化銅生成の可能性を評価する。本発明では、少なくとも絶縁油中のＤＢＤＳおよびＤＢＰＣを指標として、硫化銅生成の可能性を評価する。なお、ＤＢＰＣは、酸化防止剤として絶縁油に添加されることのある物質である。

図１に、空気がない状態（窒素雰囲気）での油入電気機器内部における硫化銅の生成メカニズムを示す。図１に示すように、硫化銅の生成反応は２段階に分けられる。第１段階では、銅とＤＢＤＳ（原因物質）との化学反応によって銅−ＤＢＤＳ錯体（中間物質）が生成される。この錯体は、絶縁油中に拡散するとともに、その一部が絶縁紙に吸着する。第２段階では、上記錯体が熱エネルギーによって分解されることにより、絶縁紙に硫化銅が析出する（例えば、非特許文献３）。

このように、絶縁紙の表面上での硫化銅生成は、硫化銅が、ジベンジル・ジスルフィドとコイル銅とが反応して以降、反応生成物の油中拡散、絶縁紙表面への吸着、生成物の熱分解を経て進行するため、通常は非常に時間が掛かる。

これに対して、ＤＢＤＳおよびＤＢＰＣの有無による絶縁紙の表面における硫化銅生成について試験を実施した結果、ＤＢＰＣが存在することにより、絶縁紙の表面における硫化銅の生成が加速されることがわかった。すなわち、ＤＢＰＣが存在しない場合と比べて、ＤＢＰＣが存在する場合は絶縁破壊の危険性が非常に高いと考えられる。また、そのときの雰囲気の違いによっても、絶縁紙の表面における硫化銅の生成が加速される場合があることがわかった。

したがって、本発明においては、絶縁油中のＤＢＤＳ等の分析結果に加え、ＤＢＰＣも指標として、絶縁紙上への硫化銅生成の可能性、すなわち絶縁破壊のリスクを評価する。このように、絶縁破壊の危険部位（絶縁紙上）への硫化銅生成を加速するＤＢＰＣの有無を判定に加えることにより、リスク評価の細分化、高確度化を図ることができる。なお、ＤＢＰＣの有無については、絶縁油の成分分析結果だけでなく、使用されている絶縁油の銘柄などから判断しても良い。

すなわち、本発明の診断方法は、（１）前記油入電気機器内の絶縁油中に含まれる特定化合物を検出する第１ステップと、（２）前記第１ステップで得られた検出結果に基いて、前記油入電気機器内における絶縁破壊へ至る危険部位への硫化銅生成の可能性を評価する第２ステップと、（３）前記第２ステップで得られた評価結果に基いて、前記油入電気機器における異常発生の危険度を診断する第３ステップとを含んでいる。

例えば、第２ステップにおいて、第１ステップで前記特定化合物の各々の検出の有無を基準として、油入電気機器内における絶縁破壊へ至る危険部位への硫化銅生成の可能性を評価し、硫化銅生成の可能性が高いと評価された場合に、次の第３ステップにおいて、油入電気機器における異常発生の危険度が高いと診断する。

特定化合物には、少なくともジベンジル・ジスルフィド（ＤＢＤＳ）および２，６−ジ−ｔ−ブチル−ｐ−クレゾール（ＤＢＰＣ）が含まれ、第１ステップでは、少なくとも両者の検出（測定）が行われる。また、油入電気機器内における絶縁破壊へ至る危険部位とは、例えば、コイルの巻き線表面に施された絶縁紙の表面である。

ここで、硫化銅生成が進むとＤＢＤＳが使用されて減少し（図２参照）、ＤＢＤＳ量だけに基づいて硫化銅生成の可能性を評価すると、誤った評価をしてしまう可能性がある。このため、ＤＢＤＳだけでなく、ＤＢＤＳから硫化銅が生成する際の副生成物も指標として、硫化銅生成の可能性を評価することが好ましい。副生成物としては、例えば、ベンズアルデヒド、ベンジルアルコール、ビベンジル、ジベンジルスルフィド、ジベンジルスルホキシドが挙げられる。

さらに、上記副生成物以外にも、硫化銅生成の抑制剤（ＢＴＡなど）の有無、絶縁油の雰囲気の違い（酸素の有無）により硫化銅生成の可能性が異なるため、これらも硫化銅生成の可能性を評価する際に考慮することが好ましい。

したがって、特定化合物は、硫化銅生成抑制剤を含むことが好ましい。硫化銅生成抑制剤は、好ましくはベンゾトリアゾール化合物である。ベンゾトリアゾール化合物としては、例えば、１，２，３−ベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）、Ｉｒｇａｍｅｔ（登録商標）３９〔Ｎ，Ｎ−ビス（２−エチルヘキシル）−（４または５）−メチル−１Ｈ−ベンゾトリアゾール−１−メチルアミン：ＢＡＳＦジャパン株式会社製〕が挙げられる。

また、第２ステップにおいて、絶縁油の雰囲気中における酸素の有無、診断時点での硫化銅生成や副生成物の有無も考慮して、硫化銅生成の可能性を評価することが好ましい。

（実施の形態１）
本実施の形態では、油入変圧器から採取した絶縁油を分析し、その分析結果から各評価パラメータの有無を用いて、硫化銅生成の可能性（リスク）を評価し、油入電気機器の異常発生の危険度を診断する。評価パラメータは、
（１）ＤＢＤＳの有無、
（２）ＤＢＰＣの有無、
（３）硫化銅生成抑制剤の有無、
（４）絶縁油面上部空間中の酸素の有無、および、
（５）診断時点での硫化銅生成、または、硫化銅生成に伴う副生成物の有無の５項目とした。

各項目は既存技術にて検出可能である。例えば、ガスクロマトグラフ／質量分析装置やＨＰＬＣ（高速液体クロマトグラフィー）などの測定機器を用いれば、１ｐｐｍｗ程度まで定量することができる。

表１は、油入電気機器の絶縁紙上における硫化銅生成の可能性（リスク）を評価するための対応表である。表１において、「硫化銅または副生成物」は、上記項目（５）を意味する。

上記５項目の分析結果と表１に基づいて、硫化銅生成の可能性（リスク）を高確度に評価することが可能となる。そして、油入電気機器の異常発生の危険度も、このリスク評価と同様に高確度に診断することができる。

本発明の診断方法に関して、絶縁油中に含まれるジベンジル・ジスルフィド（ＤＢＤＳ）および２，６−ジ−ｔ−ブチル−ｐ−クレゾール（ＤＢＰＣ）の量と、絶縁紙表面および銅板表面での硫化銅生成との関係を確認した試験の結果を示す。

まず、ＩＥＣ６２５３５で腐食性の硫黄を含まないことを確認済みの鉱油系絶縁油を準備する。次に、この変圧器油に、３００ｐｐｍｗ（ｗ／ｗ）ＤＢＤＳを添加し、試料油Ａとした。さらに、試料油Ａに０．４重量％（ｗ／ｗ）のＤＢＰＣを添加した試料油Ｂも用意した。

試料油Ａおよび試料油Ｂを用いて、ＩＥＣ（国際電気標準会議）規格のＩＥＣ６２５３５に準拠した方法により硫化銅の生成に関する試験をする。試料油Ａおよび試料油Ｂの各々について、１５ＣＣの試料油とクラフト紙（絶縁紙）を一層巻いた銅板（３０ｍｍ×７．５ｍｍ×１．５ｍｍ）とを３０ｃｃの内容積を持つ瓶に封入し、シリコンゴム栓を施した後に１５０℃で７２時間の加熱を行った。ここで、雰囲気中の酸素量と硫化銅生成との関係を調べるため、瓶内の空気は、窒素のみ、または、窒素と２．５，５，１０もしくは２０体積％の酸素との混合気体で置換した。

表２に、試験後の銅板表面および絶縁紙表面の硫化銅生成状況の評価結果を示す。硫化銅生成状況は、以下の基準に基づいて目視により評価した。
Ａ：硫化銅の生成なし
Ｂ：絶縁紙の端部にわずかに生成
Ｃ：Ｂよりもさらに広範囲に生成
Ｄ：全面に生成

表２の結果から、ＤＢＤＳとＤＢＰＣの両者を含有する試料油Ｂを用いた場合は、ＤＢＤＳのみを含有する試料油Ａに対して、絶縁紙表面での硫化銅生成量が増加することがわかる。また、絶縁油面上部空間中の酸素量が増加することによって、絶縁紙表面での硫化銅生成量が増加することがわかる。

すなわち、ＤＢＤＳおよびＤＢＰＣが添加された絶縁油を用いた変圧器は高リスク（異常発生の危険度が高い）と判断できる。さらに、絶縁油面上部空間中の酸素量が多いほど、変圧器の異常発生の危険度はより高くなると判断できる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims (9)

1. 油入電気機器内における硫化銅生成による異常発生の危険度を診断する油入電気機器の診断方法であって、
   前記油入電気機器内の絶縁油中に含まれる特定化合物を検出する第１ステップと、
   前記第１ステップで得られた検出結果に基いて、前記油入電気機器内における絶縁破壊へ至る危険部位への硫化銅生成の可能性を評価する第２ステップと、
   前記第２ステップで得られた評価結果に基いて、前記油入電気機器における異常発生の危険度を診断する第３ステップとを含み、
   前記特定化合物は、ジベンジル・ジスルフィドおよび２，６−ジ−ｔ−ブチル−ｐ−クレゾールを含む、油入電気機器の診断方法。
2. 前記危険部位は、コイルの巻き線表面に施された絶縁紙の表面である、請求項１に記載の油入電気機器の診断方法。
3. 前記特定化合物は、ジベンジル・ジスルフィドから硫化銅が生成する際の副生成物を含む、請求項１または２に記載の油入電気機器の診断方法。
4. 前記副生成物は、ベンズアルデヒド、ベンジルアルコール、ビベンジル、ジベンジルスルフィドおよびジベンジルスルホキシドからなる群から選択される少なくとも１種の化合物である、請求項３に記載の診断方法。
5. 前記特定化合物は、硫化銅生成抑制剤を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の油入電気機器の診断方法。
6. 前記硫化銅生成抑制剤はベンゾトリアゾール化合物である、請求項５に記載の油入電気機器の診断方法。
7. 前記第２ステップにおいて、前記第１ステップで前記特定化合物の各々の検出の有無によって、前記油入電気機器内における絶縁破壊へ至る危険部位への硫化銅生成の可能性を評価し、
   前記第３ステップにおいて、前記第２ステップで硫化銅生成の可能性が高いと評価された場合に、前記油入電気機器における異常発生の危険度が高いと診断する、請求項１〜６のいずれかに記載の油入電気機器の診断方法。
8. 前記第２ステップにおいて、前記絶縁油の雰囲気中における酸素の有無も考慮して、硫化銅生成の可能性を評価する、請求項１〜７のいずれかに記載の油入電気機器の診断方法。
9. 前記第２ステップにおいて、診断時点での前記硫化銅生成の有無も考慮して、硫化銅生成の可能性を評価する、請求項１〜８のいずれかに記載の油入電気機器の診断方法。

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