WO1981000306A1 - Method of estimating life of insulation for electric device using resin insulator - Google Patents

Description

明 柳

発明の名称

樹脂絶縁物を用いる電気機器の絶縁寿命推定方法 技術分野

この発明は 、 電気機器の絶縁寿命を推定し 、 絶縁 に よ る事故を未然に防いだ り 、 絶縁組織の更新時期 を知ろ う と す る も のであ る 。

背景技術

電気機器の絶縁は、 一般に固体、 液体、 気体絶縁 材料が用い ら れる 。 こ の内、 最 も 広く 用い られてい る 固体絶縁材料と しては、 無機絶縁材料、 有機合成 高分子絶縁材料及び、 そ の複合体があ る 。 こ れ ら絶 縁材料が長年用い ら れる と 電気的、 機械的劣化及び 熱酸化劣化を受け、 電気機器の絶縁性能が低下 し、 最終的には絶縁破壊を起こ し、 事故につながる 。 一 旦事故に到 る と 、 大き な損害の発生につな,が り 修復 等に多大な費用 と 時間を費すこ と か ら 、 絶縁破壊に 到る ま でに 、 絶縁性能の低下を検知する手法が、 予 防保全の面か ら強 く 要望さ れてい る 。

この要求に対し、 液体絶縁材料の場合は、 液体中

OMPI に溶解する微量の劣化生成物を、 気体絶縁材料の場 合は、 混在する劣化生成物を非常に感度の良いガス 分析計によ り 検知 して、 劣化度を決定してい る 。

しかし、 固体絶縁材料については、 上記のよ う に 感度の良いガス状の劣化生成物を、 劣化の指標と す る こ と はでき ず、 劣化を受けた固体自体を劣化度判 定の対象とする こ とが必要であ る 。 これに対し、 従 来、 対象と な る電気機器の絶縁抵抗、 誘電特性、 部 分放電性質な どの非破壊電気特性を測定し、 該機器 の絶縁寿命を推定する試み も 行なわれていたが、 こ れ ら の特性は、 該機器の絶縁破壊特性と 、 よい対応 関係が得 られていない。

電気機器の絶縁寿命は、 その絶縁破壊電圧によつ て決定さ れてい る こ と か ら 、 従来の方法では、 電気 機器の絶縁寿命を推定する こ と はで き ないのが現状 であ る 。 .

本発明者 ら は、 樹脂絶縁物を用いる電気機器の運 転時間に伴う 絶縁破壊電圧の低下挙動を追跡する方 法を検討した結果、 樹脂絶縁物の水素原子数と炭素 原子数の比が、 該機器の庾用時間に と も なって変化 し、 該機器の絶縁破壊電圧の低下挙動と 、 良く 対応 する こ と を見出 し本発明を完成する に至った。

発明の開示

この発明は、 樹脂絶縁物を用いる電気機器の絶縁 寿命推定方法に関し、 電気機器か ら樹脂片を取出 し、 取出 した樹脂片の水素原子数と炭素原子数の比を測 定する こ と に よ り 、 上記電気機器の絶縁寿命を推定 する よ う に し た も のであ る 。 電気機器の絶縁組織か ら樹脂片を直接切 り 出 して も よ く 、 又は電気機器の 絶縁組織と 同一 も し く は異質の樹脂絶縁物をモ ニ タ 一用樹脂片と して上記電気機器に予め取付けてお き、 その樹脂片を取 り 出 し も よ い。

又、 電気機器か ら取出 した樹脂片の水素原子数と 炭素原子数の比を測定する 代 り に、 上記樹脂片の酸 素原子数 と炭素原子数の比を測定して も 、' 同様に電 気機器の絶縁寿命を推定する こ と がで き る 。

この発明の 目的は、 樹脂絶縁物を用いた電気機器 の絶縁寿命を精度よ く 推定する方法を提供しよ う と す る も ので あ る 。

こ の発明の他の 目的は、 樹脂絶縁物を用いた電気

GMPI

WIPO 機器の絶縁寿命を簡単に推定する方法を提供しよ う と する も のであ る 。 この発明の他の目的は、 電気機器が絶縁破壊に至 る ま でに、 絶縁性能の低下を検知し、 事故防止と共 に絶縁の更新等への適切な処置が可能と な る方法を 提供しょ う と する も のであ る 。

図面の簡単な説明 第 1 図は熱酸化劣化時間に対する試験棒の絶縁破 壊電圧の変化率を示す特性図、 第 2 図は熱酸化劣化 時間に対する モ ニ タ 一用樹脂片の水素原子数と炭素 原子数の比を示す特性図、 第 3 図は熱酸化劣化時間 に対する モ ニ タ 一用樹脂片の酸素原子数と炭素原子 数の比を示す特性図であ る 。 発明を実施する た め の最良の形態

電気機器の絶縁劣化は、 主に、 樹脂絶縁物の熱酸 化劣化によ り も た ら さ れ る 。 又、 樹脂絶縁物を構成 する有機合成高分子は、 主に炭素原子 （C ) と水素原 子 （H ) か ら成 り 、 少量の酸素原子 （0 ) 窒素原子 （N ) を含んでいる 。 従って 、 主成分の炭素原子と水素原 子に注目する と 、 熱酸化劣化に よ り 、 分子内に 2 重

O :?I if 結合の生成や酸素原子と の置換がおこ り 、 結果と し て炭素原子数当 り の水素原子数が減少する こ と に な る 0 本発明は、 樹脂絶縁物の上記挙動に着目 し、 その 挙動を利用する こ と に よ っ て 、 電気機器の絶縁劣化 度を推定する方法を、 提供しよ う と する も のであ る。 即ち、 被測定電気機器の絶縁を構成する樹脂絶縁 物と 同 じ樹脂絶縁物を用いて作 られた モ ニ タ ー材と しての樹脂片を、 適当数着脱可能にあ ら かじめ運転 開始以前に該被測定電気機器に組み込み、 適当な時 間間隔で、 適当な時期に該樹脂片を例えば一個づっ 取 り 出 し、 元素分析器によ り 、 水素原子数と炭素原 子数を測定し、 その比 （H/C：) を算出 し、 又実機器と 同 じ絶縁構成のモデルを用いて、 あ らかじめ求めた 熱劣化に と も な う 絶縁破壊電圧の低下と 、 モ ニ タ 一 用樹脂片の水素原子数と炭素原子数の比 （HZC ) の変 化と の関係か ら 、 該機器の絶縁劣化度を推定する 。 従って、 絶縁破壊に到る ま で に 、 絶縁性能の低下を 検知する こ と がで き 、 事故防止と共に、 絶縁の更新 等への適切な処置が可能と なった 。

, 一 c ?i ~ v7i?c , 次に、 電気機器絶縁樹脂に用い られる熱硬化性樹 脂と して代表的なエ ポ キ シ樹脂を用いた実施例に よ り 、 本発明を具体的に説明する 。

実施例 1.

鉄心に ノ 一 メ ッ ク ス紙 （ デュポ ン社製 ） を巻き、 その上か ら ガ ラ ステ ープを巻いて固定した後、 低粘 度エ ポ キ シ系 ワ ニ ス を真空含浸し、 135 °C の電気炉 で硬化して コ ィ ル試験棒を得た。

又、 2 枚の ガ ラ ス板の間 に 、 上記エ ポ キ シ系 ヮ ニ ス を注入 し、 上記試験棒と 同 じ作製条件で加熱硬化 し て厚み mmの樹脂板を得た。 該樹脂板よ り 1 xio

X 22 mmのモ ニ タ 一用樹脂片を数個切 り 出した。 180 °C , 210 , 230 °C にそれぞれ設定した電気炉中に、 該試験棒及び樹脂片を入れ、 熱酸化劣化さ せ た 。

一定時間経過後、 試験棒を 5本取 り 出 し、 常温空 気中、 1 KV/秒 （ 交流 ) で、 絶縁破壊電圧を測定した _c 同時にモ ニ タ 一用樹脂片を取 り 出 し、 粉砕した も の の一定量を、 株式会社柳本製作所 （ 日本国 ） 製の C H N コ ーダ M T 2 型の元素分析器によ り 分析し、 水素原子 と炭素原子の重量を測定し、 各重量を 、 水

OMPI

、f曹⁰ 素の原子量 1. 008 9 炭素の原子量 12.011 9 で除して、 水素原子数と炭素原子数を求めて、 水素原子数と炭 素原子数の比 （H/C) を算出 した。 尚、 絶縁破壊電圧 は、 初期の値で規格化してあ る 。

試験棒の絶縁破壊電圧の変化率（V)の熱酸化劣化時 間に と も な う 変化を、 第 1 図に示す。 なお、 V =熱 劣化後の絶縁破壊電圧 /初期の絶縁破壊電圧

また 、 モ ニ タ 一用樹脂片の水素原子数と炭素原子 数の比 （H/C) と熱酸化劣化時間 と の関係を第 2 図に 示す。

上記第 1 図 と第 2 図か ら 、 熱酸化劣化時間に と も な う 試験棒の絶縁破壊電圧の変化は、 モ ニ タ 一材と し て の樹脂片の水素原子数と炭素原子数の比 （H C) の変化と 同一傾向を示し、 試験棒の絶縁劣化は、 モ ニ タ —用樹脂片の水素原子数と炭素原子数の比か ら 推定で き る こ と がわかる 。 試験棒の絶縁破壊電圧が、 初期の 1/2 に低下した時を該試験棒の絶縁寿命と定 め る と 、 180 °C ， 210 °C ， 230 °C で試験棒力 S絶縁寿 叩 に到る 時のモ ニ タ 一用樹脂片の水素原子数と炭素 原子数の比 （HZC ) は 、 いずれ も 約 1.05 で あ り 、 温度 に依存しない こ とが解る 。 従って電気機器に組み込 んだ モ ニ タ 一用樹脂片の水素原子数と炭素原子 数の比 （H/C ) を追跡する こ と に よ り 、 該電気機器の 絶縁寿命を予測で き る こ と に な る 。

本発明に用いた方法は炭素原子と水素原子と い う、 有機物には必ず含まれている元素を対象と し、 その 熱酸化劣化によ る変化に基づいている こ と か ら 、 上 記実施例で示したェポキ シ樹脂以外の例えばポ リ ェ ス テ ル樹脂、 ポ リ ア ミ ド樹脂、 ポ リ ア ミ ド ィ ミ ド樹 脂な ど種々の熱硬化性樹脂、 及び熱軟化性樹脂そ の 他の有機材料をモ ニ タ 一用樹脂片と し て用いる こ と がで き る の は勿論で あ る 。

モ ニ タ ー用樹脂片の形状と しては 、 上記実施例の 形状の外に、 粒子状、 粉体状、 ペ レ ツ ト状な ど任意 の形状で用い る こ と がで き 、 また樹脂中に無機質充 填材、 その他添加材を混入する こ と は何ら差し支え ない。

また、 モ ニ タ ー用樹脂片の取付位置は、 発電動機 の場合、 例えば、 静止側コ イ ル の と き は その コ イ ル の表面、 回転側コ イ ル の と き は そ の コ イ ルのノ、' イ ン

ΟΜΡΙ

fx. V V ΙΙΓΓΌΌ ド線の下、 又その コ イ ルのゥ エ ッ ジの下等であ る 。 また、 上記実施例ではモ ニ タ ー用樹脂片を電気機 器に予め取付けておいたが、 電気機器の絶縁組織を 構成する樹脂絶縁物の表面部か ら 、 そ の電気機器の 絶縁性を害さ ない程度の少量 （ 例えば 2 ) の樹脂 片を採取し 、 そ の樹脂片の炭素原子数と水素原子数 の比を測定し、 上記実施例と 同様に絶縁寿.命の推定 を行って も 何ら さ しつかえない。 なお電気機器絶縁 表面部か ら採取した樹脂片は微量であ る が、 採取 し た部分を念のた めに、 常温硬化性樹脂で補修してお けば十分であ る 。

樹脂絶縁物の熱酸化劣化は、 分子内 の炭素 -炭素 結合が切断されて水素が離脱 し、 分子内に 2 重結合 の生成が起 り 、 さ ら に空気中の酸素に攻撃さ れて酸 素原子が分子内固定さ れて進行する も のと 考え られ る 。 その結果炭素原子数当 り の水素原子数が減少す る こ と に な り 、 炭素原子数当 り の酸素原子数が増加 する こ と にな る 。 したがって炭素原子数当 り の水素 原子数の比を測定する代 り に炭素原子数当 り の酸素 原子数の比を測定して も 絶縁寿命の推定をする こ と 力 sで き る 。

実施例 2.

実施例 1. で作成したモ ニ タ ー用樹脂片を、 同 じ く 1 80 "Ό ， 21 0 , 230 。Cにそれぞれ設定した電気 炉中に入れ熱酸化劣化さ せた。 一定時間後にモ ニ タ

—用樹脂片を取 り 出 し、 粉砕した も のの一定量を同 じ く C H N コ ーダ M T 2型の元素分析器によ り 分析 し、 水素原子と炭素原子の重量を測定し、 元素分析 に供した重量よ り 減じた も のを、 酸素原子の重量と する 。 各元素の重量を、 炭素原子量 12.01 1 9 ， 酸素 原子量 1 6.00 0 で除して、 炭素原子数と 酸素原子数 を求めて酸素原子数と炭素原子数の比 （0/C ) を算出 した。 モ ニ タ 一用樹脂片の水素原子数と炭素原子数 の比 （0/C ) と熱酸化劣化時間 と の関係を第 3 図に示 す。

実施例 1.の試験棒の熱酸化劣化時間に伴う 絶縁破 壊電圧の変化は第 1 図に示さ れてい る 。 第 1 図と第

3 図を比較する と 、 第 1 図に示す減少変化に対応し て、 第 3 図の増加変化が起っている ので、 試験棒

( こ れは実機器に対応する ） の絶縁劣化は、 モ ニ タ

^¾ E£A

O PI

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、 WA —用樹脂片の比か ら推定で き る こ と がわかる 。 試験

棒の絶縁破壊電圧が、 初期の 1 Z 2 に低下 した時を、 該試験棒の絶縁寿命と定め る と 、 1 8 0 °C ， 2 1 0 °C ,

2 3 0 。Cで試験棒が絶縁寿命に至る 時のモ ニ タ ー用樹

脂片の酸素原子数と炭素原子数の比 （0/C ) は、 いず

れ も約 0.5 5 であ り 、 電気機器に組み込んだモ ニ タ 一

用樹脂片の酸素原子数と炭素原子数の比 （0/C ) の変

化を追跡する こ と に よ り 、 電気機器の絶縁寿命を予

測で き る 。

上述した酸素原子数と炭素原子数の比を測定する

も の におい て も 、 電気機器に予め モ ニ タ 一用樹脂片

を取付け、 それを取出すこ と の みな ら ず、 電気機器

の絶縁組織を構成する樹脂絶縁物か ら 直接に少量の

樹脂片を採取し上記の比を測定して も よ い こ と は当

然で あ る 。

次にモ ニ タ 一用樹脂片の樹脂材料について さ ら に

述べる 。 樹脂材料と しては、 被測定電気機器に使用

さ れてい る絶縁材料と 同一の樹脂絶縁物を使用する

こ と が当然でき る が、 これに限る必要はない。 む し

ろ 、 被測定電気機器の絶縁組織の絶縁劣化特性と相 '？ι \ 関関係があ り 、 水素原子数と炭素原子数の比、 あ る いは酸素原子数と炭素原子数の比が、 電気機器の使 用時間に伴って、 絶縁組織を構成する樹脂絶縁物よ り 一層大き く 変化する も のであれば、 一層、 測定値 の増減度合が大き く 、 熱酸化劣化に対して感度の良 いモ ニ タ 一用樹脂と な る 。

電気機器の絶縁劣化は、 主に絶縁組織を形成する 樹脂絶縁物が、 熱酸化劣化によ り 、 分子内の炭素 - 炭素結合の切断や、 酸化によ り 2 重結合が形成さ れ た り 、 さ ら に、 空気中の酸素の攻撃によ り 酸素原子 が分子内に固定さ れてカ ル ボ二ル基を形成し、 結果 と して、 炭素原子数当 り の水素原子数が減少し、 炭 素原子数当 り の酸素原子数が増加する こ と に な る 。

故に、 熱酸化劣化によ り 、 分子当 り の 2 重結合の割 合が密にな り 、 ポ リ .共役化する有機合成高分子又は、 分子内に酸素原子を含まないか、 そ の割合が少な く、 熱酸化劣化によ り 、 酸素原子が増加する よ う な有機 合成高分子又は、 上記両条件を満たす有機合成高分 子であれば、 熱酸化劣化によ る有機合成高分子の炭 素原子数当 り の水素原子数が減少し、 炭素原子数当 ί CMrl

-. /：. V,'IP〇 り の酸素原子数の増加程度が大き く な る 。

従って、 モ ニ タ 一用樹脂材料と しては、 熱酸化に よ り 、 HC 1 ， H₂ 0 等の低分子の脱離反応によ り 、 分

子内に 2 重結合を生成し、 2 重結合がポ リ 共役化す

る ポ リ 塩化ビニ ル ， ポ リ ビ ニ ル ア ル コ ー ル等の樹脂

又熱酸化によ り 、 分子内に〉 C

0 qu 1 no - me t i de ) 構造を取 り 、 ポ リ 共役化する ポ リ カ ーボネ — ト ， フ エ ノ ー ル樹脂等が適する 。

以上説明 した よ う に こ の発明によ れば、 容易に、 しか も 精度よ く 電気機器の絶縁寿命を推定でき る効

果： 0>め る o

産業上の利甩可能性 - こ の発明は樹脂絶縁材料が用い られる電気機器全

般の絶縁寿命推定に適用でき る も のであ る

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OMPI

νΊΡΟ

Claims

請 求 の 範 囲

(1)樹脂絶縁物を用い る電気機器か ら樹脂片を取出 し、 取出 した樹脂片の水素原子数と炭素原子数の比 を測定する こ と に よ り 、 上記電気機器の絶縁寿命を 推定する よ う に し た樹脂絶縁物を用いる電気機器の 絶縁寿命推定方法。

(2)電気機器にモ ニ タ ー用樹脂片を取付け 、 測定時 に 、 上記モ ニ タ 一用樹脂片を取出すよ う に した特許 請求の範囲第 1 項記載の樹脂絶縁物を用い る電気機 器の絶縁寿命推定方法。

(3)電気機器にモ ニ タ —用樹脂片を複数個取付け、 測定時に上記モ ニ タ 一用樹脂片の一部を取出すよ う に した特許請求の範囲第 2 項記載の樹脂絶縁物を用 いる電気機器の絶縁寿命推定方法。

(⁴) モ ニ タ 一用樹脂片の樹脂材料と しては、 測定さ れ る電気機器の絶縁組織を構成する樹脂絶縁物の絶 縁劣化特性と相関関係があ り 、 上記電気機器の使用 時間の経過に伴 う 、 上記樹脂材料の水素原子数と炭 素原子数の比の変化が、 上記電気機器の樹脂絶縁物 のその比の変化よ り 大き い も のであ る特許請求の範

O PI 囲第 2 項記載の樹脂絶縁物を用いる電気機器の絶縁 寿命推定方法。

(⁵)電気機器の絶縁組織を構成する樹脂絶縁物か ら 樹脂片を取出 し、 測定する よ う に した特許請求の範 囲第 1 項記載の樹脂絶縁物を用いる電気機器の絶縁 寿命推定方法。

(6)樹脂絶縁物を用いる電気機器か ら樹脂片を取出 し、 取出 した樹脂片の酸素原子数と炭素原子数の比 を測定する こ と に よ り 、 上記電気機器の絶縁寿命を 推定する よ う に し た樹脂絶縁物を用いる電気機器の 絶縁寿命推定方法。

(7)電気機器にモ ニ タ ー用樹脂片を取付け、 測定時 に上記モ ニ タ 一用樹脂片を取出すよ う に し た特許請 求の範囲第 6 項記載の樹脂絶縁物を用いる 電気機器 の絶縁寿命推定方法。

(⁸)電気機器の絶縁組織を構成する樹脂絶縁物か ら 樹脂片を取出 し、 測定する よ う に した特許請求の範 囲第 6 項記載の樹脂絶縁物を用いる電気機器の絶縁 寿命推定方法。