JP2014215189A - 回転電気の絶縁診断方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】
従来の方法においては、試料採取領域が限られ測定に際しては装置上試料量も少ない。このような観点から、電気機器に用いられている絶縁材料の採取場所による劣化度合いが異なり、信頼性に欠けるものが有った。また、評価方法や装置が複雑であるため定期点検時に劣化状態を把握することは困難であるという問題があった。
【解決手段】
電気機器絶縁材料の熱劣化度を診断するものであって、周辺部材の熱劣化時間と比重の関係を把握しマスタカーブ作製し、その結果から運転時間と温度の検量線を作製し、実機返送周辺部材の比重と運転時間から運転温度を推定する。更に、推定温度と周辺部材，コイル絶縁層の熱伝導率等から非破壊でコイル絶縁層の運転温度、交換時期を推定する劣化診断方法を提供する。
【選択図】 図2

Description

本発明は、電気機器の絶縁劣化診断方法に係り、特に絶縁劣化時における絶縁材料の劣化状況を非破壊で把握する絶縁診断方法に関するものである。
発電機等の回転電気機器に於いては、一旦絶縁劣化による故障が発生すると、発電機等の回転電気機器の復旧にかかる時間と費用以外に社会的損出が発生するため、従来からこの故障を未然に防ぐための絶縁劣化診断の開発が進められている。
特に発電機等の回転電気機器のうちでも、火力発電所や水力発電所等で使用されている大型発電機の固定子コイルの電気絶縁には、巻き線に樹脂含浸のガラスクロス/マイカテープが使用されている。これらの絶縁材料が使用されていても、長期運転に伴い運転負荷状態、運転時間、始動停止回数、設置環境等の要因により、色々な絶縁劣化形態を示した現象が発生する。
劣化現象としては、例えば、巻き線部の発熱による内部絶縁層の分解が原因で空洞が発生し、振動などにより絶縁層の剥離が起こり、この剥離面、空洞部等での部分放電の発生により絶縁材料が加速的に劣化する。火力発電機や水力発電機等の回転電気機器が故障すると、復旧するためには巻き線等の固定子コイルの交換が必要となるため、多大な時間と修復費や人件費がかかると共に、社会的な損失がは発生する場合がある。
ところで、従来の電気特性における電気機器の寿命予測は10年単位での予測であり、寿命予測精度が悪く信頼性に欠ける等の問題を有している。実際に電気特性試験では問題が無いにもかかわらず、補強部材の機械強度の低下により絶縁層に無理な応力が加わって絶縁層が破壊する事故が発生している。
このような電気特性試験等では電気機器の絶縁層に加わる応力により機械強度特性の低下や過熱等による絶縁材料の劣化等は電気特性試験では把握が困難である。このようなことから、絶縁材料の破壊による回転電気機器の故障が生じた場合、巻線に使用される絶縁材料の劣化度を適切に評価、把握できれば早期の段階で劣化度を把握し故障を未然に防止することが可能となる。但し、解決するには次のような問題を有している。
（１）巻き線のスロット部の吸湿、空隙等を劣化現象との相関関係による電気的非破壊試験により把握する方法では、直接絶縁材料の熱劣化現象を把握できない。
（２） 巻き線を機械的に固定、指示する絶縁材料の劣化度を把握できない。
（３） IEC.pub.216による耐熱性評価方法は存在するが、この方法では破壊試験、重量減少の試験項目となるため実機の巻き線には直接適用できない。このため、回転機の巻線交換等を大幅な修復をせずに、そのまま再使用が可能な試験方法の開発が望まれている。
これらを解決する方法として、特許文献1には、TG-DTA装置を用いて重量減少率との相関からマスタカーブを作成し、電気機器絶縁材料から採取した試料の評価結果を照合し劣化診断が開示されている。また、特許文献２には、電気機器に使用されるコイル絶縁材などの材料の熱劣化試料および未劣化試料の熱分解曲線を熱重量測定装置で求め、該両曲線上の両試料の重量減少率から熱劣化試料の樹脂減量率を求め、次いで得た点を通し、前記未劣化試料の熱分解曲線から求めた劣化の活性化エネルギーを用いて得た傾斜をもつ温度一時間の関係を示す直線から、運転時間に対応する温度を求めることを特徴とする電気機器の運転直履歴推定方法が開示されている。
特開2008-064698号公報 特開昭58−118926号公報
火力発電機や水力発電機の固定子コイルのように、コイルエンド部付近と中央部付近では、コイルの発熱量が異なり運転時に温度差が生じる。また、コイルの巻き線に巻かれている絶縁材料としては、樹脂が含浸されたガラスクロス/マイカテープが使用され、製品によってはその表面にワニスが塗布されているものもある。このため、コイル絶縁層の評価時の試料採取場所の影響が大きく、絶縁劣化診断の精度が十分に得られない。
また、一般的な劣化手法では、試料採取領域が限られることから、測定に際しては装置上試料量も少量となる。このような観点から、回転電気機器に用いられている絶縁材料の採取場所によって劣化度合いが異なり、信頼性に欠けるものが見られる。更に、評価方法や装置が複雑であるため定期点検等の比較的短時間の作業時に、固定子コイル絶縁層の劣化度を診断することは困難であるという問題があった。
本発明の目的は、回転電気等の固定子コイル絶縁層の劣化状況を非破壊で、簡素な方法で、かつ、短時間に劣化度を判断できる絶縁診断方法を提供することである。
上記課題を解決するために、電気機器絶縁材料の劣化診断方法は、固定子コイル周辺部材の熱劣化時間と比重のマスタカーブを作成し、これをもとに熱劣化時間と運転時間の検量線から運転温度を推定し、固定子コイル周辺部材、コイル絶縁層の熱伝導率、厚み等からコイル絶縁層の運転時の温度、交換時期を推定することを特徴とするコイル絶縁層非破壊の劣化診断方法を提供する。
また、固定子コイルの周辺部材が最も変色の激しい部分を採取し比重を評価して、この値と運転時間から運転温度を推定することを特徴とするコイル絶縁層非破壊の劣化診断方法を提供する。
また、固定子コイルの周辺部材がウエッジ材又はライナ材であることを特徴とするコイル絶縁層の非破壊劣化診断方法を提供する。
更に、絶縁層の推定温度結果と、予め固定子コイルの熱劣化時間と破壊電圧(BDV)残存率のマスタカーブを作成し、これをもとに運転時間と破壊電圧(BDV)残存率の検量線に、実機固定子コイルの破壊電圧(BDV)残存率とコイル交換時期を推定結果とを組み合わせることを特徴とするコイル絶縁層の非破壊劣化診断方法を提供する。
以上のとおり、本発明によれば運転コイルから絶縁層を取り出すことなく、非破壊で固
定子コイル絶縁層の推定温度 を把握することが可能である。また、実機返送固定子コイ
ルの運転温度や破壊電圧(BDV)の推定が簡素な方法で確認でき、固定子コイルの交換時期
も推定可能となる。更に、評価方法が簡便で短時間で結果が分かることから、定期点検等
で固定子コイル絶縁層の劣化度、交換時期等の判断が可能となる。
本発明の実施例を示す回転電気機器の絶縁診断法のフローチャート 本発明の実施例を示す回転電気機器のステータウエッジ内コイル絶縁層の運転時間と温度の検量線。 本発明の実施例を示す回転電気機器の固定子コイル周辺模式図。 本発明の実施例を示す回転電気機器のステータウエッジ内ライナの運転時間と温度の検量線。 本発明の実施例を示す回転電気機器のステータウエッジ内コイル絶縁層の破壊電圧(BDV)残存率と温度の検量線。
以下、実施例の図面を用いて説明する。
本実施例では、図1に示す実機回転電気機器のステータウエッジ内コイル周辺部材のライナ材A(運転時間：16,000時間程度) の目視で変色が最も激しい部分を選定し、約60mm×60mm×3mmの大きさのものを2個採取した試料を用いた。先ず、アルファ−ミラ−ジュ(株)製 電子比重計 SD-200L型を用いて、試料の空気中の重量を測定後した。更に、水中で重量を測定し比重を算出した。尚、比重算出法は下式1(アルキメデスの式)を用いた。上記試料ライナ材の比重は、1.778と1.794の値を示した。得られた比重の値を図3に示す比重と運転時間の検量線に照らし合わせた結果、運転時にライナ材に加わった温度は、120℃程度と推定することができる。更に、予め評価した上記ライナ材の推定温度とコイル絶縁層の発熱量をもとに設計値から計算し、熱伝導率と厚み等の関係からコイル絶縁層の運転時の温度を熱伝達に従った計算で推測した結果、135℃の値を示した。実機返送の回転電気機器ステータウエッジ内コイル絶縁層から採取、評価し比重値を図1の運転時間と温度の検量線に照らし合わせると、運転時の推定温度は140℃〜145℃となり、計算結果の推定温度に比べ、5〜10℃程度高い値を示した。更に、実機運転の回転電気機器を今までと同一条件で運転すれば、固定子コイル絶縁層の交換時期は、図1から約84,000時間後と推定できる。
以上の様に、固定子コイル絶縁層を採取することなく、非破壊で実機固定子コイルの運転温度を推定することが可能である。

式1 ρ＝Wa/(Wa-Ww)×(ρ0-ｄ)＋ｄ
比重＝ρ/ρｗ

ρ0：水(23℃)の密度
ｄ：空気の密度
ρｗ：水(4℃)の密度
本実施例では、図1に示す実機回転電気機器のステータウエッジ内コイル周辺部材のライナ材B(運転時間：110,000時間程度) の目視で変色が最も激しい部分を選定し、約60mm×60mm×3mmの大きさのものを2個採取した試料を用いた。比重評価方法及び算出方法は、既に説明した実施例1と同一であるため、説明を省略する。上記試料ライナ材の比重は1.802と1.815の値を示した。得られた比重の値を図3に示す比重と運転時間の検量線に照らし合わせた結果、運転時にライナ材に加わった温度は、100℃程度と推定することができる。更に、実施例1と同様に予め評価した上記ライナ材の推定温度とコイル絶縁層の発熱量をもとに設計値から計算し、熱伝導率と厚み等からコイル絶縁層の運転時の温度を熱伝達に従った計算で推測した結果、115℃の値を示した。実機返送の回転電気機器ステータウエッジ内コイル絶縁層から採取、評価し、比重値を図1の運転時間と温度の検量線に照らし合わせると、運転時の推定温度は122℃程度であり、計算結果の推定温度に比べ、7℃程度高い値を示した。更に、実機運転の回転電気機器を今までと同一条件で運転すれば、固定子コイル絶縁層の交換時期は、図1から25,000時間後と推定できる。
以上の様に、固定子コイル絶縁層を採取することなく、非破壊で実機固定子コイルの運転温度を推定することが可能である。
本実施例では、実施例1で得られたコイル絶縁層に加わった推定温度140〜145℃程度を、予め作成したコイルの運転時間と破壊電圧(BDV)の検量線に照らし合わせた結果、回転電気機器のステータウエッジ内コイルA(運転時間：16,000時間程度)の破壊電圧(BDV)残存率は、70％程度と推定することができる。尚、事前の評価結果から固定子コイルの破壊電圧(BDV)残存率は、初期100％に対して40％まで低下すると固定子コイルの交換時期であることが既に分かっている。また、上記の破壊電圧(BDV)残存率の結果から実機運転している回転電気機器を今までと同様の条件で運転すれば、固定子コイルの交換時期は約55,000時間後と推定することができる。
本実施例では、実施例2で得られたコイル絶縁層に加わった推定温度120℃程度を、予め作成したコイルの運転時間と破壊電圧(BDV)の検量線に照らし合わせた結果、回転電気機器のステータウエッジ内コイルB(運転時間：110,000時間程度)の破壊電圧(BDV)残存率は、63％程度と推定することができる。尚、事前の評価結果から固定子コイルの破壊電圧(BDV)残存率は、初期100％に対して40％まで低下すると交換時期であることが分かっている。また、上記の破壊電圧(BDV)残存率の結果から実機運転している回転電気機器を今までと同様の条件で運転すれば、固定子コイルの交換時期は約25,000時間後と推定することができる。
本実施例では、実施例3で得られたコイル絶縁層に加わった推定温度140℃程度を、予め作成したコイルの運転時間と破壊電圧(BDV)の検量線に照らし合わせた結果、回転電気機器のステータウエッジ内コイルC(運転時間：65,000時間程度)の破壊電圧(BDV)残存率は、63％程度と推定することができる。尚、事前の評価結果から固定子コイルの破壊電圧(BDV)残存率は、初期100％に対して40％まで低下すると固定子コイルの交換時期であることが既に分かっている。また、上記の破壊電圧(BDV)残存率の結果から実機運転している回転電気機器を今までと同様の条件で運転すれば、固定子コイルの交換時期は約20,000時間後と推定することができる。

Claims (4)

  1. 電気機器絶縁材料の熱劣化度を診断するものであって、固定子コイルの周辺部材の熱劣化時間と比重のマスタカーブを作成し、これをもとに熱劣化時間と運転時間の検量線から運転温度を推定し、固定子コイル周辺部材、コイル絶縁層の熱伝導率、厚み等からコイル絶縁層の温度、交換時期を推定することを特徴とするコイル絶縁層の非破壊劣化診断方法。
  2. 請求項1において、固定子コイルの周辺部材の最も変色の激しい部分を採取し、比重をもとに運転温度を推定することを特徴とするコイル絶縁層の非破壊劣化診断方法
  3. 請求項3において、固定子コイルの周辺部材がウエッジ材又はライナ材であることを特徴とするコイル絶縁層の非破壊劣化診断方法。
  4. 請求項1乃至3から得られたコイル絶縁層の推定温度結果と、予め固定子コイルの熱劣化時間と破壊電圧(BDV)残存率のマスタカーブを作成し、これをもとに運転時間と破壊電圧(BDV)残存率の検量線に、実機固定子コイルの破壊電圧(BDV)残存率とコイル交換時期を推定することを組み合わせたことを特徴とするコイル絶縁層の非破壊劣化診断方法。
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