JP4623334B1 - 油入電気機器における異常発生の可能性を予測する方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、油入電気機器における異常発生の可能性を予測する方法であって、
（１） 稼動中の油入電気機器から採取した絶縁油中におけるジベンジルジスルフィド残存濃度を測定する工程、
（２） 前記油入電気機器の運転開始時におけるジベンジルジスルフィド初期濃度に対する前記ジベンジルジスルフィド残存濃度の推定減少量を求める工程、
（３） 前記ジベンジルジスルフィド残存濃度および前記推定減少量から、前記ジベンジルジスルフィド初期濃度を算出する工程、および、
（４） 前記ジベンジルジスルフィド初期濃度を特定の管理値と比較する工程を含む、方法である。
【選択図】図１
（１） 稼動中の油入電気機器から採取した絶縁油中におけるジベンジルジスルフィド残存濃度を測定する工程、
（２） 前記油入電気機器の運転開始時におけるジベンジルジスルフィド初期濃度に対する前記ジベンジルジスルフィド残存濃度の推定減少量を求める工程、
（３） 前記ジベンジルジスルフィド残存濃度および前記推定減少量から、前記ジベンジルジスルフィド初期濃度を算出する工程、および、
（４） 前記ジベンジルジスルフィド初期濃度を特定の管理値と比較する工程を含む、方法である。
【選択図】図１
Description
本発明は、油入電気機器における異常発生の可能性を予測する方法に関し、例えば、変圧器などの油入電気機器において、絶縁紙が巻きつけられた銅コイルが絶縁油中に配置された場合に、絶縁紙に析出した硫化銅による異常発生の可能性を予測する方法に関する。
油入変圧器などの油入電気機器では、通電媒体であるコイル銅には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、油中の銅部品と反応して導電性の硫化銅が絶縁紙表面に析出し、隣り合うターン間で導電路が形成され絶縁破壊を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 TF A2.31, “Copper sulphide in transformer insulation,” ELECTRA, No. 224, pp. 20-23, 2006）。
ただし、油入電気機器に使用される絶縁油は量が多く一般的に使用年数が長いため、硫黄成分を含まない絶縁油と交換することが容易ではない。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などの異常発生の可能性を予測できる方法が求められている。
硫化銅を析出させる絶縁油中の原因物質の１つとして、ジベンジルジスルフィドが知られている（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）。このため、絶縁油中のジベンジルジスルフィド濃度に基づいて、油入電気機器における異常発生の可能性を予測することが考えられる。
しかし、ジベンジルジスルフィドは、銅と反応して生成した油中錯体が絶縁紙に吸着後、分解して硫化銅として析出することが知られており（例えば、非特許文献３：S. Toyama, J. Tanimura, N. Yamada, E. Nagao and T. Amimoto, “High sensitive detection method of dibenzyl disulfide and the elucidation of the mechanism of copper sulfide generation in insulating oil”, Doble Client Conf., Boston, MA, USA, Paper IM-8A, 2008）、硫化銅の生成により、鉱油中のジベンジルジスルフィド濃度は減少する。このため、単に既設器から採取した鉱油中のジベンジルジスルフィド濃度を測定しても、油入電気機器における異常発生の可能性を予測することはできない。
一方、上述の絶縁紙表面への硫化銅析出とは異なる現象として、金属表面に析出する硫化銅が古くから知られている。この場合、硫化銅の生成量が増えると、硫化銅が金属表面から剥離して、絶縁油中に浮遊して機器の絶縁性能を低下させることがある。
この現象を予防保全する方法として、金属表面への硫化銅の生成を検出する部材を機器内に設置する方法がある（例えば、特許文献１：特開平４−１７６１０８号公報）。この方法では、検出部材の表面抵抗の低下により硫化銅の生成を検知して、機器の異常を診断することができる。
しかし、前記特許文献１に示された従来の診断方法は、古くから知られている金属表面に析出する硫化銅に関するもので、絶縁紙表面への硫化銅析出とは異なる現象を対象としている。また、エポキシ樹脂製の絶縁板を用いており、セルロースから成るコイル絶縁紙とは素材の異なるため、コイル絶縁紙への硫化銅の析出を正しく検知できない可能性が高い。また、エポキシ樹脂製の絶縁板に銅粉を吹き付けて分散固着させる複雑な方法で製造しなければならない。また、固着した銅がエポキシ樹脂製の絶縁板から剥離した場合、金属異物となって絶縁油中を漂い、変圧器内の絶縁性能を低下させる懸念がある。更に、検出部よりも早く他の部位で硫化銅が析出した場合に機器異常を検出できないという問題点があった。
CIGRE TF A2.31, "Copper sulphide in transformer insulation," ELECTRA, No. 224, pp. 20-23, 2006
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, "High sensitive detection method of dibenzyl disulfide and the elucidation of the mechanism of copper sulfide generation in insulating oil", Doble Client Conf., Boston, MA, USA, Paper IM-8A, 2008
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、現状の油入電気機器の分析によって、将来的にその油入電気機器において硫化銅生成による不具合が発生する可能性を予測する方法を提供することを目的とする。
本発明は、油入電気機器における異常発生の可能性を予測する方法であって、
（１） 稼動中の油入電気機器から採取した絶縁油中におけるジベンジルジスルフィド残存濃度を測定する工程、
（２） 前記油入電気機器の運転開始時におけるジベンジルジスルフィド初期濃度に対する前記ジベンジルジスルフィド残存濃度の推定減少量を求める工程、
（３） 前記ジベンジルジスルフィド残存濃度および前記推定減少量から、前記ジベンジルジスルフィド初期濃度を算出する工程、および、
（４） 前記ジベンジルジスルフィド初期濃度を特定の管理値と比較する工程を含む、方法である。
（１） 稼動中の油入電気機器から採取した絶縁油中におけるジベンジルジスルフィド残存濃度を測定する工程、
（２） 前記油入電気機器の運転開始時におけるジベンジルジスルフィド初期濃度に対する前記ジベンジルジスルフィド残存濃度の推定減少量を求める工程、
（３） 前記ジベンジルジスルフィド残存濃度および前記推定減少量から、前記ジベンジルジスルフィド初期濃度を算出する工程、および、
（４） 前記ジベンジルジスルフィド初期濃度を特定の管理値と比較する工程を含む、方法である。
前記推定減少量は、ジベンジルジスルフィド濃度の平均減少速度と前記油入電気機器の運転年数から求められることが好ましい。
前記平均減少速度は、前記油入電気機器内に設けられたコイルの等価温度におけるジベンジルジスルフィド濃度の減少速度として求められることが好ましい。
前記コイルの等価温度は、油入電気機器の試験データ、運転負荷率、環境温度の情報から求められることが好ましい。
本発明の油入電気機器における異常発生の可能性を予測する方法では、稼動中の油入電気機器の分析によって、運転開始時点で鉱油に含まれていた原因物質のジベンジルジスルフィド濃度を推定することで、将来的にその油入電気機器において硫化銅生成による不具合が発生する可能性を予測することができる。。
（実施の形態１）
以下に、油入電気機器が変圧器である場合における本発明の予測方法の一実施形態について説明する。
以下に、油入電気機器が変圧器である場合における本発明の予測方法の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の予測方法における、
（１） 稼動中の変圧器から採取した絶縁油中におけるジベンジルジスルフィド残存濃度を測定する工程、
（２） 上記変圧器の運転開始時におけるジベンジルジスルフィド初期濃度に対する上記ジベンジルジスルフィド残存濃度の推定減少量を求める工程、および、
（３） 上記ジベンジルジスルフィド残存濃度および上記推定減少量から、上記ジベンジルジスルフィド（以下、ＤＢＤＳと略す。）初期濃度を算出する工程
を説明するためのフローチャートである。以下に、各工程の詳細について説明する。
（１） 稼動中の変圧器から採取した絶縁油中におけるジベンジルジスルフィド残存濃度を測定する工程、
（２） 上記変圧器の運転開始時におけるジベンジルジスルフィド初期濃度に対する上記ジベンジルジスルフィド残存濃度の推定減少量を求める工程、および、
（３） 上記ジベンジルジスルフィド残存濃度および上記推定減少量から、上記ジベンジルジスルフィド（以下、ＤＢＤＳと略す。）初期濃度を算出する工程
を説明するためのフローチャートである。以下に、各工程の詳細について説明する。
（工程１） ＤＢＤＳ残存濃度を測定する工程
工程１は、図１に示すように、変圧器から油を採取する工程、および、採取した油のＤＢＤＳ残存濃度を測定する工程からなる。
工程１は、図１に示すように、変圧器から油を採取する工程、および、採取した油のＤＢＤＳ残存濃度を測定する工程からなる。
採取した油のＤＢＤＳ残存濃度を測定する方法としては、種々公知の方法を用いることができるが、例えば、ガスクロマトグラフで分析する方法が挙げられる（例えば、非特許文献３：S. Toyama, J. Tanimura, N. Yamada, E. Nagao and T. Amimoto, “High sensitive detection method of dibenzyl disulfide and the elucidation of the mechanism of copper sulfide generation in insulating oil”, Doble Client Conf., Boston, MA, USA, Paper IM-8A, 2008）。このような方法により、絶縁油中のＤＢＤＳ残存濃度を求めることができる。
（工程２） ＤＢＤＳ濃度の推定減少量を求める工程
図１に示されるように、工程２は、
変圧器の試験データから、変圧器の運転負荷率および環境温度と、変圧器内のコイル温度との関係を把握する工程（工程２−１）、
変圧器の運転負荷率および環境温度の情報と、工程２−１で得た関係から、変圧器内のコイルの等価温度を求める工程（工程２−２）、
該コイルの等価温度におけるＤＢＤＳ濃度の減少速度（平均減少速度）を求める工程（工程２−３）、および、
変圧器の運転年数の情報と、上記平均減少速度から、ＤＢＤＳ濃度の運転開始時点からの推定減少量を求める工程（工程２−４）からなる。
図１に示されるように、工程２は、
変圧器の試験データから、変圧器の運転負荷率および環境温度と、変圧器内のコイル温度との関係を把握する工程（工程２−１）、
変圧器の運転負荷率および環境温度の情報と、工程２−１で得た関係から、変圧器内のコイルの等価温度を求める工程（工程２−２）、
該コイルの等価温度におけるＤＢＤＳ濃度の減少速度（平均減少速度）を求める工程（工程２−３）、および、
変圧器の運転年数の情報と、上記平均減少速度から、ＤＢＤＳ濃度の運転開始時点からの推定減少量を求める工程（工程２−４）からなる。
（工程２−１） 変圧器の運転負荷率および環境温度と、変圧器内のコイル温度との関係を把握する工程
下記のヒートラン試験により、変圧器の運転負荷率および環境温度と、変圧器内のコイル温度との関係を把握する。
下記のヒートラン試験により、変圧器の運転負荷率および環境温度と、変圧器内のコイル温度との関係を把握する。
＜ヒートラン試験＞
変圧器のヒートラン試験は、巻線および鉄芯を冷却する特性を把握するために定められた負荷条件下での温度上昇を測定する試験であり、例えば、ＪＥＣ−２２００に基づく短絡接続による等価負荷法（ＪＥＣ−２２００の４１頁）により行うことができる。この試験では、変圧器の底部と上部の油温度を実測する。コイル巻線の温度は、実測したコイル巻線の抵抗値から算出される（ＪＥＣ−２２００の４２頁）。
変圧器のヒートラン試験は、巻線および鉄芯を冷却する特性を把握するために定められた負荷条件下での温度上昇を測定する試験であり、例えば、ＪＥＣ−２２００に基づく短絡接続による等価負荷法（ＪＥＣ−２２００の４１頁）により行うことができる。この試験では、変圧器の底部と上部の油温度を実測する。コイル巻線の温度は、実測したコイル巻線の抵抗値から算出される（ＪＥＣ−２２００の４２頁）。
ヒートラン試験により求められる変圧器中の絶縁油の温度とコイル巻線の温度を図３に模式的に示す。通電電流によるコイル巻線の発熱により、油温度はコイル下部で最も低く、上部で最も高くなる。例えば、図３に示されるような変圧器中の絶縁油の温度とコイル巻線の温度との分布（コイル巻線の平均温度：７０℃、上部油温：６０℃、下部油温：４０℃）が得られる（なお、図３において、縦軸の数値は、絶縁油またはコイル巻き線の温度を示し、実測値ではなく想定値である）。
この方法に基づいて、一定の環境温度下において、ある運転負荷率（４０％、６０％、８０％、１００％）で変圧器を運転した場合の変圧器の底部と上部の絶縁油の温度を測定し、その測定値から、運転負荷率をパラメータとした場合の変圧器の各部（底部から上部）のコイル温度を求めた。結果を図４に模式的に示す。
また、ある環境温度（５℃、２０℃、３５℃）下において、一定の運転負荷率で変圧器を運転した場合の変圧器の底部と上部の絶縁油の温度を測定し、その測定値から、環境温度をパラメータとした場合の変圧器の各部（底部から上部）のコイル温度を求めた。結果を図５に模式的に示す。
このようにして、変圧器の運転負荷率および環境温度と、変圧器内のコイル温度との関係を把握することができる。
（工程２−２） 変圧器内のコイルの等価温度を求める工程
＜平均環境温度の決定＞
変圧器が設置されている環境の気温は一定ではないが、日間および年間の気温変動を考慮する方法を適用することにより、変圧器の運転期間全体における平均環境温度を求めることができる（例えば、皆川 忠郎，永尾 栄一，土江 瑛，米沢 比呂志，高山 大輔，山川 豊 “高経年ＧＩＳにおけるＯリングの劣化特性”、電学論Ｂ、１２５巻３号、２００５年）。
＜平均環境温度の決定＞
変圧器が設置されている環境の気温は一定ではないが、日間および年間の気温変動を考慮する方法を適用することにより、変圧器の運転期間全体における平均環境温度を求めることができる（例えば、皆川 忠郎，永尾 栄一，土江 瑛，米沢 比呂志，高山 大輔，山川 豊 “高経年ＧＩＳにおけるＯリングの劣化特性”、電学論Ｂ、１２５巻３号、２００５年）。
＜平均運転負荷率の決定＞
運転負荷率の変圧器の運転期間全体における平均は、変圧器が設置された変電所の記録から求めることができる。
運転負荷率の変圧器の運転期間全体における平均は、変圧器が設置された変電所の記録から求めることができる。
＜コイルの等価温度の決定＞
まず、上記工程２−１で把握した変圧器の運転負荷率および環境温度と、変圧器内のコイル温度との関係に基づいて、上記平均環境温度および平均運転負荷率における変圧器内の底部から上部のコイル温度を求める。
まず、上記工程２−１で把握した変圧器の運転負荷率および環境温度と、変圧器内のコイル温度との関係に基づいて、上記平均環境温度および平均運転負荷率における変圧器内の底部から上部のコイル温度を求める。
次に、変圧器内の底部から上部におけるコイル温度とＤＢＤＳ濃度の減少速度との関係を把握する。変圧器内の温度はコイル下部が最も低く、コイル上部が最も高い。一方、ＤＢＤＳと銅との反応は温度依存性があり、温度が高いと反応速度が大きくなる。従って、温度が低いコイル下部ではＤＢＤＳ濃度の減少速度は小さく、温度が高いコイル上部ではＤＢＤＳ濃度の減少速度が大きくなる。
具体的には、硫化銅を生成する化学反応は、温度が１０℃高くなると、反応速度が２倍速くなる。この温度依存性に基づき、ＤＢＤＳ濃度の減少速度もコイル温度が１０℃高くなると２倍早くなると推定する。そして、この推定に基づいて、変圧器内の底部から上部におけるコイル温度とＤＢＤＳ濃度の減少速度との関係を示すグラフを作成することができる（模式的なグラフを図２に示す。）。
図２において、領域ＡとＢの面積値が等しくなる温度がコイルの等価温度として求められる。
（工程２−３） ＤＢＤＳ濃度の平均減少速度を求める工程
この等価温度におけるＤＢＤＳ濃度の減少速度が、ＤＢＤＳ濃度の平均減少速度となる（図２参照）。
この等価温度におけるＤＢＤＳ濃度の減少速度が、ＤＢＤＳ濃度の平均減少速度となる（図２参照）。
（工程２−４） ＤＢＤＳ濃度の推定減少量を求める工程
変圧器の運転年数の情報と、上記工程２−３で求めたＤＢＤＳ濃度の平均減少速度から、ＤＢＤＳ濃度の運転開始時点からの推定減少量を求めることができる。
変圧器の運転年数の情報と、上記工程２−３で求めたＤＢＤＳ濃度の平均減少速度から、ＤＢＤＳ濃度の運転開始時点からの推定減少量を求めることができる。
（３） ＤＢＤＳ濃度の初期推定値を算出する工程
図６は、運転開始時点におけるＤＢＤＳ濃度の算出方法を説明するための概念図である。採取した油中のＤＢＤＳ濃度（ＤＢＤＳ残存濃度）と、工程２−４で求めたＤＢＤＳ濃度の推定減少量（ＤＢＤＳ濃度の平均減少速度および運転年数から求められた値）とから、運転開始時点におけるＤＢＤＳ濃度（ＤＢＤＳ初期濃度）を求めることができる。
図６は、運転開始時点におけるＤＢＤＳ濃度の算出方法を説明するための概念図である。採取した油中のＤＢＤＳ濃度（ＤＢＤＳ残存濃度）と、工程２−４で求めたＤＢＤＳ濃度の推定減少量（ＤＢＤＳ濃度の平均減少速度および運転年数から求められた値）とから、運転開始時点におけるＤＢＤＳ濃度（ＤＢＤＳ初期濃度）を求めることができる。
稼動中の変圧器から採取した絶縁油中のＤＢＤＳ濃度（ＤＢＤＳ残存濃度）が同じでも、コイル温度が異なれば、運転開始時点におけるＤＢＤＳ濃度（ＤＢＤＳ初期濃度）は異なる値となる。例えば、コイル温度が高い場合、ＤＢＤＳ濃度の減少速度が大きくなり、運転開始時点におけるＤＢＤＳ濃度に対する減少量が大きくなるため、運転開始時点におけるＤＢＤＳ濃度は高い値となる。
（４） ジベンジルジスルフィド初期濃度を特定の管理値と比較する工程
油中のＤＢＤＳ濃度の管理値（ＤＢＤＳ管理濃度）として、１０ｐｐｍが推奨されている。（例えば、CIGRE WG A2-32, “Copper sulphide in transformer insulation”, Final Report Brochure 378, 2009）。上記の方法により求めた運転開始時点におけるＤＢＤＳ濃度を管理値と比較することにより、例えば、管理値より高ければ、絶縁紙に析出した硫化銅による異常発生の可能性が高いといった予測が可能となる。異常発生の可能性が高いと判断された場合には、当該油入電気機器は硫化銅により不具合を生じる可能性があるとして注意を促すなどの処置を行うことができる。
油中のＤＢＤＳ濃度の管理値（ＤＢＤＳ管理濃度）として、１０ｐｐｍが推奨されている。（例えば、CIGRE WG A2-32, “Copper sulphide in transformer insulation”, Final Report Brochure 378, 2009）。上記の方法により求めた運転開始時点におけるＤＢＤＳ濃度を管理値と比較することにより、例えば、管理値より高ければ、絶縁紙に析出した硫化銅による異常発生の可能性が高いといった予測が可能となる。異常発生の可能性が高いと判断された場合には、当該油入電気機器は硫化銅により不具合を生じる可能性があるとして注意を促すなどの処置を行うことができる。
このように、本発明の油入電気機器における硫化銅の診断方法においては、既設の（稼動中の）油入電気機器から採取した絶縁油を分析してＤＢＤＳ濃度を求める工程、油入電気機器のコイル温度およびその温度分布を考慮してＤＢＤＳ濃度の平均減少速度を求める工程、油入電気機器の運転年数からＤＢＤＳ濃度の運転開始時点からの減少量を求める工程により、運転開始時点でのＤＢＤＳ濃度が求められる。
したがって、運転開始時点での原因物質であるＤＢＤＳ濃度を所定の管理値と比較することにより、油入電気機器において硫化銅に起因する絶縁破壊が起きる危険性を評価することが可能となる。
上記説明では、主に変圧器の場合を例に具体的な説明を行ったが、その他の油入電気機器の場合や鉱油などの硫黄を含む油を用いた機器やシステムの分野にも利用できる。
今回開示された実施の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 (4)
- 油入電気機器における異常発生の可能性を予測する方法であって、
（１） 稼動中の油入電気機器から採取した絶縁油中におけるジベンジルジスルフィド残存濃度を測定する工程、
（２） 前記油入電気機器の運転開始時におけるジベンジルジスルフィド初期濃度に対する前記ジベンジルジスルフィド残存濃度の推定減少量を求める工程、
（３） 前記ジベンジルジスルフィド残存濃度および前記推定減少量から、前記ジベンジルジスルフィド初期濃度を算出する工程、および、
（４） 前記ジベンジルジスルフィド初期濃度を特定の管理値と比較する工程を含む、方法。 - 前記推定減少量は、ジベンジルジスルフィド濃度の平均減少速度と前記油入電気機器の運転年数から求められる、請求の範囲１に記載の方法。
- 前記平均減少速度は、前記油入電気機器内に設けられたコイルの等価温度におけるジベンジルジスルフィド濃度の減少速度として求められる、請求の範囲２に記載の方法。
- 前記コイルの等価温度は、油入電気機器の試験データ、運転負荷率、環境温度の情報から求められる、請求の範囲３に記載の方法。
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