JP2009025153A - 変圧器の異常様相同定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】変圧器の鉄心、巻線の異常様相を簡易に同定する。
【解決手段】少なくとも鉄心変形時に変化が現れる第１の測定領域５と、巻線異常時に変化が現れる第２の測定領域６について、低圧巻線を開放した状態と短絡した状態の高圧巻線の伝達関数を測定すると共に、前記高圧巻線を開放した状態と短絡した状態の低圧巻線の伝達関数を測定し、変化が現れた測定領域の組み合わせに基づいて変圧器の異常様相を同定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、変圧器の異常様相同定方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、変圧器巻線の伝達関数に基づいて変圧器の鉄心や巻線の異常様相を同定する変圧器の異常様相同定方法に関するものである。

変圧器の内部の異変を非破壊で察知する方法として、周波数応答解析（ＦＲＡ：Frequency Response Analysis）を利用するものがあり、このＦＲＡを利用するものとして、例えば特開２００４−２５１７６３号公報に開示された変圧器内部診断装置がある。この変圧器内部診断装置を図１４に示す。この変圧器内部診断装置は、変圧器巻線に高周波信号または系統内のサージを入力し、その信号またはサージの応答状況を外部に設けた観測手段で観測して、予め設定した応答状況レベルに達したかを判断し、その判断結果から変圧器内部の良否状況を診断するものである。観察手段は、高周波信号またはサージによる変圧器内部からの応答信号を分析する周波数分析器１０１と、この分析による分析結果から変圧器内部の良否を判断する判定装置１０２と、この判定装置１０２からの判定結果を報知する警報装置１０３とからなっている。

変圧器本体１０４にはブッシングポケット１０５を介してブッシング１０６が設置され、ブッシングポケット１０５内には発振器接続用変成器１０７と電流測定用の変成器１０８が設けられている。変成器１０７には周波数可変発振器１０９から高周波信号が入力される。この信号は変成器１０８から電流測定値として取り出される。取り出された電流値とラインリード１１０の電圧値が周波数分析器１０１に入力され、電圧／電流からインピーダンスが得られる。周波数分析器１０１では、さらに周波数特性も分析されるために、変圧器巻線のインピーダンス−周波数特性が得られる。このインピーダンス−周波数特性が予め設定された正常時のレベルと比較され、そのレベル以上に達したなら判定装置１０２から警報装置１０３を介して警報が発せられる。

特開２００４−２５１７６３号

しかしながら、上述の変圧器内部診断装置では、周波数分析器１０１によって得られたインピーダンス−周波数特性を予め設定された正常時のレベルと比較し、そのレベル以上に達したか否かによって異常を検出している。そのため、何らかの異常があることを検出することは可能であるが、その異常の様相を同定することまではできない。

本発明は、異常様相の同定が可能であり、しかも簡易に同定することが可能な変圧器の異常様相同定方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、変圧器の異常について、単にその異常を検出するだけではなく、異常の様相を簡易に同定できる方法について鋭意研究を行った結果、変圧器に異常が発生した場合に低圧巻線及び高圧巻線の伝達関数が変化する領域と、その異常様相との間には一定の関係があることを知見し、本発明をするに至ったものである。

請求項１記載の変圧器の異常様相同定方法は、少なくとも鉄心変形時に伝達関数の変化が現れ得る周波数の第１の測定領域と巻線異常時に伝達関数の変化が現れ得る周波数の第２の測定領域について、低圧巻線を開放した状態と短絡した状態の高圧巻線の伝達関数をそれぞれ測定すると共に、高圧巻線を開放した状態と短絡した状態の低圧巻線の伝達関数をそれぞれ測定し、低圧巻線を開放した状態で測定した高圧巻線の伝達関数の測定値を第１の測定値とし、低圧巻線を短絡した状態で測定した高圧巻線の伝達関数の測定値を第２の測定値とし、高圧巻線を開放した状態で測定した低圧巻線の伝達関数の測定値を第３の測定値とし、高圧巻線を短絡した状態で測定した低圧巻線の伝達関数の測定値を第４の測定値とし、第１及び第３の測定値の第１の測定領域に変化が現れ、第２及び第４の測定値の第１の測定領域と４つの測定値の第２の測定領域には変化が現れない場合に鉄心に異常があると判断し、４つの測定値の第２の測定領域に変化が現れ、４つの測定値の第１の測定領域には変化が現れない場合に低圧巻線又は高圧巻線に位置ずれ異常があると判断し、第１及び第２の測定値の第２の測定領域に変化が現れ、第３及び第４の測定値の第２の測定領域と４つの測定値の第１の測定領域には変化が現れない場合に高圧巻線に変形異常があると判断し、第３及び第４の測定値の第２の測定領域に変化が現れ、第１及び第２の測定値の第２の測定領域と４つの測定値の第１の測定領域には変化が現れない場合に低圧巻線に変形異常があると判断するものである。

変圧器の異常様相ごとに４つの伝達関数に変化が現れる領域の組み合わせが異なるので、４つの伝達関数を測定し、それらの測定値の変化領域を調べることで、変化領域の組み合わせに基づいて変圧器の異常様相を同定することができる。

例えば、変圧器の鉄心に異常が発生すると、第１及び第３の測定値の第１の測定領域に変化が認められ、第２及び第４の測定値の第１の測定領域と４つの測定値の第２の測定領域には変化が認められない。したがって、これらの条件に４つの測定値の変化の組み合わせが一致した場合に変圧器の鉄心に異常があると判断できる。また、変圧器の低圧巻線又は高圧巻線に位置ずれ異常が発生すると、４つの測定値の第２の測定領域に変化が認められ、４つの測定値の第１の測定領域には変化が認められない。したがって、これらの条件に４つの測定値の変化の組み合わせが一致した場合に変圧器の低圧巻線又は高圧巻線に位置ずれ異常があると判断できる。また、変圧器の低圧巻線又は高圧巻線に変形異常が発生すると、変形した方の巻線についての測定値の第２の測定領域に変化が認められ、変形していない方の巻線についての測定値の第２の測定領域と４つの測定値の第１の測定領域には変化が認められない。したがって、これらの条件に４つの測定値の変化の組み合わせが一致した場合に変圧器の低圧巻線又は高圧巻線に変形異常があると判断できる。

伝達関数の測定は、第１の測定領域と第２の測定領域を含むより広い周波数領域について行なっても良いが、鉄心変形に対応する変化と巻線異常に対応する変化とを検出できれば異常様相の同定は可能であるので、少なくとも第１の測定領域と第２の測定領域について測定を行えば足りる。また、第１の測定領域として鉄心変形時に変化が現れる領域の全てを測定しても良いが、変化が現れる領域を部分的に測定しても良い。同様に、第２の測定領域として巻線異常時に変化が現れる領域の全てを測定しても良いが、変化が現れる領域を部分的に測定しても良い。なお、鉄心の異常が現れる周波数領域は巻線の異常が現れる周波数領域よりも低い周波数領域である。

また、請求項２記載の変圧器の異常様相同定方法は、使用前に予め測定しておいた伝達関数との比較によって測定値の変化を検出するものである。即ち、使用前の異常が発生していない状態で測定した伝達関数を基準値とし、この基準値と対応する測定値との比較によって伝達関数の変化を検出することができる。この場合、変圧器は単相変圧器でも３相変圧器でも良い。

また、請求項３記載の変圧器の異常様相同定方法は、３相交流の巻線について測定を行い、他の相の対応する測定値との比較によって測定値の変化を検出するものである。３相変圧器の場合、測定値の変化が３相交流の巻線の全てに等しく現れることは殆ど考えられない。したがって、他の相の巻線の測定値を基準値とし、この基準値との対比によって対象とする相の伝達関数の変化を検出することができる。

請求項１記載の変圧器の異常様相同定方法では、上述のようにして変圧器の異常様相を同定するので、変圧器の異常様相を簡易、迅速、正確に同定することができる。

また、請求項２記載の変圧器の異常様相同定方法では、使用前に予め測定しておいた伝達関数との比較によって測定値の変化を検出するので、予め測定して記憶しておいた基準値との比較によって変圧器の異常様相を簡易、迅速、正確に同定することができる。

また、請求項３記載の変圧器の異常様相同定方法では、３相交流の巻線について測定を行い、他の相の対応する測定値との比較によって測定値の変化の出現を検出するので、予め基準値を測定し記憶しておく必要が無くなる。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

本発明の変圧器の異常様相同定方法は、図１に示すように、少なくとも鉄心変形時に伝達関数の変化Ａが現れ得る周波数の第１の測定領域５と、巻線異常時に伝達関数の変化Ａが現れ得る周波数の第２の測定領域６について変圧器巻線の伝達関数を測定し、伝達関数の変化Ａが現れた測定領域５，６の組み合わせに基づいて変圧器の異常様相を同定するものである。伝達関数の測定値としては、低圧巻線を開放した状態で測定する高圧巻線の伝達関数（以下、第１の測定値という）、低圧巻線を短絡した状態で測定する高圧巻線の伝達関数（以下、第２の測定値という）、高圧巻線を開放した状態で測定する低圧巻線の伝達関数（以下、第３の測定値という）、高圧巻線を短絡した状態で測定する低圧巻線の伝達関数（以下、第４の測定値という）の４種類である。

伝達関数としては、変圧器巻線に何らかの電気的信号を入力し、それに対する何らかの電気的出力信号を測定したものであれば良く、例えば電圧についての伝達関数の使用が可能である。ただし、電圧についての伝達関数に限定されるものではなく、例えば巻線インピーダンスについての伝達関数、巻線アドミタンスについての伝達関数等の使用も可能である。検出感度に違いがあるとは考えられるが、原理的にはどのような伝達関数も選択可能である。各種異常（巻線の変形や位置ずれ）によって巻線間容量やターン間容量等の電気的パラメータ（回路定数）は変化するが、商用周波数（５０Ｈｚ）ではこれらのパラメータは巻線抵抗や巻線インダクタンスに比べて非常に小さく、変化を検出することは困難である。しかし、高周波（数１０ｋＨｚ）では巻線間容量やターン間容積が支配的になり、これらの変化を検出することができる。したがって、このような電気的パラメータを測定している伝達関数（例えば電圧、巻線インピーダンス、巻線アドミタンス等）を選択することで、変圧器の異常を同定することができる。本実施形態では、最も感度が良いと考えられる電圧に関する伝達関数を測定する。

伝達関数の測定法として、本実施形態では例えば周波数挿引法を使用する。

伝達関数の測定は、鉄心変形時に伝達関数の変化が現れ得る周波数領域即ち第１の測定領域５と、巻線異常時に伝達関数の変化が現れ得る周波数領域即ち第２の測定領域６を含むより広い周波数領域について測定を行っても良い。例えば第１の測定領域５と第２の測定領域６を含む連続した１つの広い周波数領域について測定を行っても良い。ただし、鉄心変形に対応する伝達関数の変化と巻線異常に対応する伝達関数の変化とを検出することができれば良いので、少なくとも第１の測定領域５と第２の測定領域６について行えば足りる。また、第１の測定領域５として鉄心変形時に変化が現れる領域の全てを測定しても良いが、変化が現れる領域を部分的に測定しても良い。同様に、第２の測定領域６として巻線異常時に変化が現れる領域の全てを測定しても良いが、変化が現れる領域を部分的に測定しても良い。

ここで、鉄心変形時に変化が現れる周波数領域と巻線異常時に変化が現れる周波数領域は、対象となる変圧器に応じて若干変化するので、第１の測定領域５と第２の測定領域６を一律に決定することは困難である。ただし、異常時に変化が現れる周波数領域は各変圧器で大体共通しているので、各変圧器に対応できるように測定領域を決定しておけば各変圧器毎にいちいち測定領域を決定する必要がなくなり、より簡易でより便利である。また、より多くの変圧器に対応できるように測定領域を決定しておけば、汎用性を高めることができる。なお、少しぐらい測定領域を狭くしても測定に要する時間は殆ど変わらないので、あまり狭くするメリットはなく、実際には測定領域を広めにしておくことが同定の精度向上、汎用性向上等の観点から好ましい。

このように測定領域の数値を一律に決めることは困難であり、また、その必要もないが、本発明者らの実験では２０Ｈｚ〜１０ＭＨｚの周波数について伝達関数の測定を行なった結果、鉄心異常の場合の伝達関数の変化は概ね１０ｋＨｚ以下の領域で現れ、巻線異常の場合の伝達関数の変化は概ね５０ｋＨｚ以上の領域で現れた。このため、例えば２０Ｈｚ〜１０ｋＨｚの領域と５０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの領域を含むより広い連続した２０Ｈｚ〜１０ＭＨｚの領域を測定しても良いが、第１の測定領域５として２０Ｈｚ〜１０ｋＨｚの領域を、第２の測定領域６として５０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの領域をそれぞれ測定するようにしても良い。

なお、本発明は周波数応答解析（ＦＲＡ：FrequencyResponse Analysis）の一種であり、一般的に知られているＦＲＡ（例えば、佐野，宮城「周波数応答分析による電力溶変圧器診断の適用性検証」，電気学会静止器研究会資料，ＳＡ−０６−１０８，２００６）では、一般的に数十Ｈｚ〜数ＭＨｚの周波数領域について測定を行うので、本発明でも同様に数十Ｈｚ〜数ＭＨｚの周波数領域について測定を行うことが考えられる。

図２に、伝達関数の測定の概念を示す。変圧器１の高圧巻線２の伝達関数を測定する場合には、高圧巻線２を測定器（周波数特性解析装置）４に接続し、低圧巻線３を開放した状態と短絡させた状態とで測定を行う（図２(ａ)）。また、変圧器１の低圧巻線３の伝達関数を測定する場合には、低圧巻線３を測定器４に接続し、高圧巻線２を開放した状態と短絡させた状態とで測定を行う（図２(ｂ)）。

伝達関数の変化の検出は、第１、第２、第３、第４の測定値を異常が発生していない状態の値とそれぞれ比較することで行われる。異常が発生していない状態の値（基準値）としては、例えば変圧器の使用前に予め測定しておいた伝達関数の使用が可能である。即ち、異常が発生していないことが明らかな状態で第１、第２、第３、第４の測定値を測定しておき、これらをそれぞれ基準値として記憶しておく。そして、異常様相同定のために今回測定した第１の測定値をこれに対応する基準値と比較し、変化を検出する。第２、第３、第４の測定値についても同様である。この方法の場合は、単相変圧器と３相変圧器の両方に対応可能である。ただし、基準値としては上述のものに限るものではない。

図１に、伝達関数の測定値の変化領域と変圧器１の異常様相との関係を示す。ここでは、２０Ｈｚ〜２ＭＨｚの周波数について伝達関数を示している。個々のグラフでは基準値を実線で、実際の測定値を破線でそれぞれ示している。実線に対して破線がずれている領域が、伝達関数の測定値の変化領域である。なお、伝達関数の測定法として周波数挿引法を用い、巻線の一端に入力した電圧と他端で出力電圧を測定し、その比として伝達関数を定義している（図２）。また、巻線の位置ずれと変形については低圧巻線３についてのものである。ただし、後述する図１０を用いた検討のように、高圧巻線２と低圧巻線３によって伝達関数変化様相に違いはないと考えられる。

変化が認められた領域に符号Ａを付して示す。この結果からも明らかなように、鉄心が変形した場合には、片方の巻線を開放した状態でもう片方の巻線の伝達関数を測定すると（第１、第３の測定値）、その第１の測定領域５（第一共振周波数付近）で伝達関数が変化する。また、巻線の位置ずれではずれた巻線だけでなく他方のずれていない巻線の第２の測定領域６の伝達関数も変化する。これに対し、巻線の変形では変形した巻線の第２の測定領域６の伝達関数のみが変化し、変形していない巻線の伝達関数は変化しない。

即ち、鉄心が変形した場合には、第１及び第３の測定値の第１の測定領域５に変化が認められ、第２及び第４の測定値の第１の測定領域５と４つの測定値の第２の測定領域６には変化が認められない。したがって、変化が現れた測定領域がこのような組み合わせの場合には、鉄心に変形異常あると判断できる。

巻線の位置ずれが生じた場合には、４つの測定値の第２の測定領域６に変化が認められ、４つの測定値の第１の測定領域５には変化が認められない。したがって、変化が現れた測定領域がこのような組み合わせの場合には、低圧巻線３又は高圧巻線２に位置ずれが生じていると判断できる。

低圧巻線３又は高圧巻線２に変形異常が生じた場合には、変形した方の巻線についての測定値の第２の測定領域６に変化が認められ、変形していない方の巻線についての測定値の第２の測定領域６と４つの測定値の第１の測定領域５には変化が認められない。したがって、変化が現れた測定領域がこのような組み合わせの場合には、低圧巻線３又は高圧巻線２に変形が生じていると判断できる。

このように本発明では、４つの伝達関数を測定し、それら測定値の変化領域を検出することで、変化領域の組み合わせに基づいて変圧器１の異常様相を簡易、迅速、正確に同定することができる。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の説明では、変圧器１の使用前に予め測定しておいた伝達関数（基準値）との比較によって４つの測定値の変化を検出していたが、３相変圧器の場合には、３相のそれぞれについて第１〜第４の測定値を求め、他の相の対応する測定値との比較によって測定値の変化を検出するようにしても良い。この場合、測定値の変化が全ての相で等しく出現することは殆ど考えられないので、他の相の対応する測定値を基準値とし、この基準値と対象としている相の測定値を比較することで対象としている相の伝達関数の変化を検出することができる。この場合には、単相変圧器には適用できないという不便はあるが、予め基準値を測定し記憶しておく必要がないというメリットがある。

また、上述の説明では、伝達関数の測定法として例えば周波数挿引法を使用していたが、これに限るものではなく、その他の方法、例えばインパルス法を使用しても良い。インパルス法では、低電圧のインパルスを入力信号とし、出力信号（例えば電流）を測定する。入力信号および出力信号をフーリエ変換し、その商として伝達関数を求める。一方周波数挿引法では、正弦波の入力信号（例えば電圧）を入力し、出力信号（例えば電流）の振幅と位相を測定する。この測定を、周波数を変化させながら繰り返すことにより伝達関数を求める。インパルス法は、周波数挿引法に比べ測定時間が短いという利点がある。一方、周波数挿引法には、信号対ノイズ比が良いこと、周波数領域全域で測定精度が同等であること、広い周波数領域の測定が可能なこと、インパルス法に比べ測定装置が小型であることなどの利点がある。

変圧器１の異常を巻線２，３の伝達関数の変化パターンに基づいて同定できることを確認する実験とその検討を行った。

（伝達関数の測定）
伝達関数を測定した。本実験の測定では、測定器４として、特に断りが無い限りDoble社の周波数特性解析装置M5300を用いた。M5300は伝達関数の測定法として周波数挿引法を採用している。

本発明における入力信号、出力信号は任意に選ぶことができる。本実験の測定では、特に断りがない限り、図２に示すように巻線端子の一端に入力した電圧を入力信号Ｖ_{ｉｎｐｕｔ}、他端で測定される電圧を出力信号Ｖ_{ｏｕｔｐｕｔ}とし、伝達関数Ｈ(jω)を数式１で定義した。なお、巻線２，３と測定器４の端子との接続には、例えば５０Ω同軸ケーブル７を使用した。

ここで、ｊは虚数単位、ωは角周波数である。伝達関数と端子間のインピーダンスＺ(jω)との関係は数式２で書ける。

伝達関数は、低圧巻線３、高圧巻線２それぞれに、他方の巻線を開放した場合、短絡した場合の２種、合計４種を測定した（第１〜第４の測定値）。

（モデル変圧器による検討）
本発明による変圧器異常様相同定の可否を検討する目的で、モデル変圧器を用いて変圧器１の異常を模擬し、その伝達関数の変化を検討した。測定対象にした３種のモデル変圧器Ａ，Ｂ，Ｃを図３および表１に示す。

なお本実験では、絶縁油（変圧器絶縁油の比誘電率は一般に２．２程度）を使用せず気中で測定しているので、巻線間容量やターン間容量などが実変圧器よりも小さく、検出の感度は実変圧器に適用した場合に比べて低いと考えられる。そのため、比較的大きく変形あるいは位置ずれさせて伝達関数を測定した。

（鉄心の変形）
本実験で用いた鉄心は、上下に２分されており、金属ベルトを用いて固定する構造になっている。その断面は１辺６０ｍｍの正方形の角を階段状に切り取った形状をしている。上側鉄心と下側鉄心が丁度重なる位置を正規位置とし、ここから上側鉄心のみを短辺方向に４ｍｍ水平移動させてモデル変圧器Ｃの伝達関数を測定した。その伝達関数を図４に示す。図４（ａ）は第１の測定値、（ｂ）は第２の測定値、（ｃ）は第３の測定値、（ｄ）は第４の測定値についてのものである。他方の巻線を開放した場合（同図（ａ），（ｃ））、概ね１０ｋＨｚ以下の領域（第１の測定領域５）で伝達関数が変化した。他方の巻線を短絡した場合（同図（ｂ），（ｄ））は、上側鉄心を短辺方向に４ｍｍ移動させても伝達関数は変化しなかった。

（巻線の軸方向位置ずれ）
モデル変圧器Ａ、Ｂ、Ｃを用い、内側低圧巻線３を固定した状態で外側高圧巻線２のみを上向きにずらし、外側高圧巻線２をずらす前後に測定した伝達関数を図５〜図７に示す。図中実線でずらす前の状態（初期状態）を、破線でずらした後（１０ｍｍ移動）をそれぞれ示す。なお、図５はモデル変圧器Ａの測定結果、図６はモデル変圧器Ｂの測定結果、図７はモデル変圧器Ｃの測定結果である。また、各図の（ａ）は第１の測定値、（ｂ）は第２の測定値、（ｃ）は第３の測定値、（ｄ）は第４の測定値についてのものである。

図５に示すように、モデル変圧器Ａでは、概ね数百kHz以上で伝達関数が変化した。ただし、他端を短絡した場合（同図（ｂ），（ｄ））には、数百kHzにピークがある共振の低周波数側でもバイアスが重畳したように変化した。一方、図６に示すように、モデル変圧器Ｂでは、伝達関数がほとんど変化しなかった。また、図７に示すように、モデル変圧器Ｃでは、概ね100kHz以上の領域で伝達関数が変化した。なお、図７（ｂ）に示す低圧巻線３を短絡して高圧巻線２を測定した場合では、10kHz以下の領域でも伝達関数が変化しているが、これは共振周波数90kHz付近の共振が変化したものであり、高周波領域での伝達関数の変化である。即ち、90kHzは高周波領域といえる周波数であり、90kHz付近をピークにもつ共振の連続した変化は全体としては高周波領域での伝達関数の変化と解釈するのが妥当である。したがって、図７（ｂ）の低周波領域での伝達関数の変化は鉄心の影響が現れているとはいえない。

高周波領域の共振の変化が低周波領域まで連続しているのは、以下の理由による。モデル変圧器Ｃの高圧巻線２は実験用に自作したものであり、一般使用の変圧器用に巻かれた高圧巻線に比べて低周波領域でインピーダンスが大きくなっている。一般使用の変圧器用に巻かれた巻線（モデル変圧器Ａの低圧巻線と高圧巻線およびモデル変圧器Ｂ，Ｃの低圧巻線）は低周波領域で伝達関数＝０dBであるが、モデル変圧器Ｃの自作の高圧巻線２はインピーダンスが０となっていない。等価回路（図１０（ｂ））で考えると、巻線のインピーダンスが十分小さい場合、電流は巻線→他端を短絡した導線にのみ流れ、巻線の位置ずれが影響するターン間容量は関係しないことになる。一方、巻線のインピーダンスが大きい場合は、他端を短絡した導線に電流が流れる間にターン間容量などに流入する電流も無視できなくなるため、低周波領域でも伝達関数が変化したと考えられる。実際の変圧器では、巻線インピーダンスは十分小さくなるように設計されており、図７（ｂ）の10kHz以下の領域における伝達関数の変化は現れることはない。なお、インピーダンスをＺとすると、今回測定している伝達関数は５０／（５０＋Ｚ）であり、電流の流れやすさを表わす指標といえる。伝達関数が負で大きいほどインピーダンスが大きく、伝達関数＝０でＺ＝０Ωを意味する。

モデル変圧器Ｂで外側高圧巻線２を軸方向に位置ずれさせても伝達関数が変化しなかったのは、高圧巻線２と低圧巻線３との電気的結合が小さいためと考えられる。モデル変圧器Ｂとモデル変圧器Ｃを比較すると、伝達関数が変化しなかったモデル変圧器Ｂの方が、高圧巻線２と低圧巻線３間の間隔が広く、電気的結合が弱い（巻線間容量が小さい）と判断できる。このことから、巻線が位置ずれすると、巻線間容量が変化して伝達関数が変化するといえる。巻線間容量が小さいモデル変圧器Ｂでは、巻線の位置ずれによってその値が変化しても、伝達関数への影響は小さい。なお、モデル変圧器Ｂのように電気的結合が弱いものは実際に使用される変圧器にはない。

モデル変圧器Ａ，Ｃでは、位置ずれさせた高圧巻線２だけでなく固定した低圧巻線３の伝達関数も変化した（図５(ｂ)(ｄ)、図７(ｂ)(ｄ)）。

（巻線の変形）
モデル変圧器Ｃの低圧巻線３を、長辺方向に圧縮変形させた。このときの低圧巻線３の形状を図８に、寸法を表２に示す。図８（ａ）では変形していな形状（初期形状）を示し、図８（ｂ）に変形後の形状を示す。また、変形前後で測定した伝達関数を図９に示す。なお、図９（ａ）は第１の測定値、（ｂ）は第２の測定値、（ｃ）は第３の測定値、（ｄ）は第４の測定値についてのものである。

変形させた低圧巻線３の伝達関数（図９（ｃ），（ｄ））は、100kHz以上で大きく変化した。また、高圧巻線２を開放した低圧巻線３の測定（同図（ｃ））、低圧巻線３を開放した高圧巻線２の測定（同図（ａ））では、第１の測定領域５でも若干変化した。これは、低圧巻線３の内径が変化し、鉄心との磁気的結合が変化したためと解釈できる。変形させていない高圧巻線２の伝達関数（同図（ａ），（ｂ））は、数100kHz以上の領域で若干変化した。この変化は、高圧巻線２を軸方向に位置ずれさせたときの変化と似ており、巻線の間隔が変化したためと解釈できる。これら同図(ａ)(ｃ)の第１の測定領域５での伝達関数変化や、同図(ａ)(ｂ)の変形させていない高圧巻線２の第２の測定領域６での伝達関数変化は、感度が低い巻線２，３を用いて検討する目的で極端に巻線３を変形させたことによって発生したと考えられる。このように鉄心と巻線との磁気的結合が変化するような大きな巻線変形が実際に使用される変圧器に発生することはない。即ち、実変圧器１で本来検出対象とするようなわずかな変形では、変形した巻線３の第２の測定領域６のみで伝達関数が変化するので、本発明によって巻線異常の同定は可能である。

（変圧器異常様相の同定に関する考察）
以上の検討では、伝達関数は、鉄心の変形により第１の測定領域５で変化し、巻線の変形および位置ずれではそれより高周波側の第２の測定領域６で変化した。

図４〜図７、図９で高圧巻線２を開放または短絡して低圧巻線３を測定した(ｃ)と(ｄ)を比較すると、高圧巻線２を短絡することで第１の測定領域５の第一共振がなくなっている。これより第２の測定領域６の伝達関数は、高圧巻線２を開放した場合と短絡した場合で似ている。このことから、第１の測定領域５に鉄心の特性が現れ、第２の測定領域６に巻線の特性が現れるといえる。

図１０に、検討した３種の変圧器異常によって変化する電気的パラメータを示す。図１０（ａ）は鉄心の変形を、（ｂ）は巻線の位置ずれを、（ｃ）は巻線の変形をそれぞれ示している。ここで、Ｒ_ＷＨ，Ｒ_ＷＬ：巻線抵抗、Ｌ_ＷＨ，Ｌ_ＷＬ：漏れインダクタンス、Ｌ_Ｅ：励磁サセプタンス、Ｒ_Ｅ：励磁コンダクタンス、Ｃ_ＴＨ，Ｃ_ＴＬ：ターン間容量／セクション間容量、Ｃ_ＩＷ：巻線間容量、Ｃ_Ｅ：励磁容量、Ｃ_ＧＨ，Ｃ_ＧＬ：対地容量である。なお、添え字のＨまたはＬはそれぞれ高圧巻線２、低圧巻線３を意味している。

巻線が位置ずれを起こすと主に巻線間容量が変化するので、低圧巻線３、高圧巻線２共に伝達関数が変化すると解釈できる。一方、巻線が変形すると主にターン間容量あるいはセクション間容量が変化するので、変形した巻線の伝達関数のみ変化する。第２の測定領域６では、励磁アドミタンスが十分大きいと考えられるので、巻線の変形によるターン間容量あるいはセクション間容量の変化は、他方の巻線で測定した伝達関数には影響しない。

以上により、伝達関数の変化様相から同定される変圧器１の異常様相は、図１にまとめられる。

（実変圧器１を用いた検討）
（伝達関数測定結果）
変圧器短絡試験の前後で参考として伝達関数を測定し、図１に基づいて同定した異常様相と解体調査結果を照合した。

図１１に、短絡試験前後に測定した伝達関数を示す。図１１で他方の巻線を短絡した測定しか示していないのは、鉄心の影響を無視し、巻線の変形や位置ずれのみの検出を目的としたためである。他方の巻線を開放した測定では、鉄心の特性を表す第１の測定領域５で伝達関数が変化していたが、これは残留磁束の影響と考えられる。

低圧巻線３の伝達関数は第２の測定領域６（100kHz以上）で変化しているが（図１１（ｃ）（ｄ））、高圧巻線２の伝達関数は変化していない（同図（ａ）（ｂ））。この結果を、図１に照らし合わせると、低圧巻線３が変形していると同定される。

（解体調査結果）
短絡試験終了後に実施された解体調査では、本発明で巻線が変形していると同定された低圧巻線３に変形が発見された。この結果は、本発明による同定結果と一致している。

（実変圧器短絡試験時の巻線変形をモデル変圧器で模擬したときの伝達関数変化）
短絡試験による変圧器巻線の変形をモデル変圧器Ｃで模擬し、その伝達関数の変化様相が、短絡試験で測定したそれと同様であること確認する。モデル変圧器Ｃの初期形状と変形した形状を、図１２（ａ）（ｂ）に示す。測定した伝達関数を図１３に示す。なお、図１３の伝達関数は、Agilent Technologies 社のインピーダンスアナライザ4294Aを用いて４端子法により測定したアドミタンスから、数式２を用いて求めた。

変形させた低圧巻線３の伝達関数は500kHz程度以上の第２の測定領域６で変化している（図１３（ｃ）（ｄ））。一方の変形していない高圧巻線２の伝達関数は変化していない（同図（ａ）（ｂ））。この変化様相は、短絡試験で測定した伝達関数の変化様相と一致する。

（検討結果）
本実験では変圧器１の異常を鉄心の変形、巻線２，３の位置ずれ、巻線２，３の変形の３種に大まかに分類し、モデル変圧器を用いた検討によって、伝達関数の変化様相に着目して同定できることを確認した。

変圧器短絡試験の前後で参考として行った実験では、巻線２，３のわずかな変形を検出することができた。このときの変圧器異常様相を、上記の検討に基づいて同定した結果は、後日行われた解体調査の結果と一致した。また、短絡試験による変圧器１の異常を、モデル変圧器で模擬し、その伝達関数の変化様相が短絡試験で測定したそれと同様であること確認した。

以上のように本実験では変圧器１の異常様相を同定できることを確認できた。

本発明の変圧器の異常様相同定方法の実施形態の一例を示す図である。 伝達関数の測定を示し、（ａ）は高圧巻線の測定を示す概念図、（ｂ）は低圧巻線の測定を示す概念図である。 実験で使用したモデル変圧器を示し、（ａ）はモデル変圧器Ａの外観を示す図、（ｂ）はモデル変圧器Ｂの外観を示す図、（ｃ）はモデル変圧器Ｃの外観を示す図である。 モデル変圧器Ｃを用いて上部の鉄心を水平方向に移動したときの伝達関数の測定結果を示し、（ａ）は第１の測定値、（ｂ）は第２の測定値、（ｃ）は第３の測定値、（ｄ）は第４の測定値である。 モデル変圧器Ａについて高圧巻線を軸方向に位置ずれさせたときの伝達関数の測定結果を示し、（ａ）は第１の測定値、（ｂ）は第２の測定値、（ｃ）は第３の測定値、（ｄ）は第４の測定値である。 モデル変圧器Ｂについて高圧巻線を軸方向に位置ずれさせたときの伝達関数の測定結果を示し、（ａ）は第１の測定値、（ｂ）は第２の測定値、（ｃ）は第３の測定値、（ｄ）は第４の測定値である。 モデル変圧器Ｃについて高圧巻線を軸方向に位置ずれさせたときの伝達関数の測定結果を示し、（ａ）は第１の測定値、（ｂ）は第２の測定値、（ｃ）は第３の測定値、（ｄ）は第４の測定値である。 モデル変圧器Ｃの低圧巻線を変形させた様子を示し、（ａ）は初期状態の外観形状を示す図、（ｂ）は変形後の外観形状を示す図である。 モデル変圧器Ｃについて低圧巻線が変形したときの伝達関数の測定結果を示し、（ａ）は第１の測定値、（ｂ）は第２の測定値、（ｃ）は第３の測定値、（ｄ）は第４の測定値である。 変圧器の各種異常に伴い変化する電気パラメータを示し、（ａ）は鉄心の変形を、（ｂ）は巻線の位置ずれを、（ｃ）は巻線の変形をそれぞれ示す。 短絡試験前後で測定した伝達関数（他方の巻線を短絡して測定）の測定結果を示し、（ａ）は高圧巻線（２０Ｈｚ〜１ＭＨｚ）の測定値、（ｂ）は高圧巻線（１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ）の測定値、（ｃ）は低圧巻線（２０Ｈｚ〜１ＭＨｚ）の測定値、（ｄ）は低圧巻線（１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ）の測定値である。 実変圧器の短絡試験時の変形を模擬した低圧巻線を示し、（ａ）は初期形状を示す図、（ｂ）は変形後の形状を示す図である。 モデル巻線の低圧巻線で実変圧器短絡試験時の変形を模擬したときの伝達関数（他方の巻線を短絡して測定）の測定結果を示し、（ａ）は高圧巻線（２０Ｈｚ〜１ＭＨｚ）の測定値、（ｂ）は高圧巻線（１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ）の測定値、（ｃ）は低圧巻線（２０Ｈｚ〜１ＭＨｚ）の測定値、（ｄ）は低圧巻線（１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ）の測定値である。 従来の変圧器内部診断装置の概略構成図である。

符号の説明

１ 変圧器
２ 高圧巻線
３ 低圧巻線
５ 第１の測定領域
６ 第２の測定領域

Claims (3)

1. 少なくとも鉄心変形時に伝達関数の変化が現れ得る周波数の第１の測定領域と巻線異常時に前記伝達関数の変化が現れ得る周波数の第２の測定領域について、低圧巻線を開放した状態と短絡した状態の高圧巻線の前記伝達関数をそれぞれ測定すると共に、前記高圧巻線を開放した状態と短絡した状態の前記低圧巻線の伝達関数をそれぞれ測定し、前記低圧巻線を開放した状態で測定した前記高圧巻線の伝達関数の測定値を第１の測定値とし、前記低圧巻線を短絡した状態で測定した前記高圧巻線の伝達関数の測定値を第２の測定値とし、前記高圧巻線を開放した状態で測定した前記低圧巻線の伝達関数の測定値を第３の測定値とし、前記高圧巻線を短絡した状態で測定した前記低圧巻線の伝達関数の測定値を第４の測定値とし、前記第１及び前記第３の測定値の第１の測定領域に変化が現れ、前記第２及び第４の測定値の第１の測定領域と前記４つの測定値の第２の測定領域には変化が現れない場合に鉄心に異常があると判断し、前記４つの測定値の第２の測定領域に変化が現れ、前記４つの測定値の第１の測定領域には変化が現れない場合に前記低圧巻線又は前記高圧巻線に位置ずれ異常があると判断し、前記第１及び前記第２の測定値の第２の測定領域に変化が現れ、前記第３及び前記第４の測定値の第２の測定領域と前記４つの測定値の第１の測定領域には変化が現れない場合に前記高圧巻線に変形異常があると判断し、前記第３及び前記第４の測定値の第２の測定領域に変化が現れ、前記第１及び前記第２の測定値の第２の測定領域と前記４つの測定値の第１の測定領域には変化が現れない場合に前記低圧巻線に変形異常があると判断することを特徴とする変圧器の異常様相同定方法。
2. 使用前に予め測定しておいた伝達関数との比較によって測定値の変化を検出することを特徴とする請求項１記載の変圧器の異常様相同定方法。
3. ３相交流の巻線について前記測定を行い、他の相の対応する測定値との比較によって測定値の変化を検出することを特徴とする請求項１記載の変圧器の異常様相同定方法。