JP5143194B2

JP5143194B2 - ベアリング診断方法

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Publication number: JP5143194B2
Application number: JP2010161962A
Authority: JP
Inventors: 敦志遠山; 康宏中; 満洋野々上; 和文橋本
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2030-07-16
Also published as: JP2012021948A

Description

本発明は、ベアリング診断方法に関するものであり、具体的には、断路器等における簡便かつ短時間でのベアリング診断を可能とする技術に関する。

電力回路の無負荷時の電圧を開閉する電力機器として断路器がある。この断路器の構造は、例えば各相毎に回転ガイシを導電部とベース部とで挟み込み、当該各相の構造をリンク材で相互に連動させて駆動ロッドで駆動させ、開閉動作を行うものがあげられる。前記回転ガイシは回転シャフトに支持されており、この回転シャフトはベアリングを介してベース部に取り付けられている。

こうした断路器の監視技術として例えば、断路器の一部分に異常が発生した場合にも、異常を検知することができ、また、異常の生じた部位を特定することのできる断路器の動作監視装置（特許文献１参照）などが提案されている。

特開２００８−４４８３号公報

ところで、上述したような断路器構造における回転ガイシ下部のベアリングは、比較的長期間（例：２２年）にわたってメンテナンスフリーであると言われている。一方、このベアリングはシールドベアリングではなく開放型で常に外気にさらされている。従って、潤滑用グリスのベースオイル分が揮発したり、風雨などの気象現象等で水分がベアリングハウジングに浸入することで、ベアリングに錆びが発生するケースがある。

この場合、ベアリングの状態を確認しようとしても、ベアリングハウジング上部のベアリングは分解しないと状況を確認することはできず、下部のベアリングについてもインナーおよびアウターの片側面は確認できるがベアリングボールを確認することはできない。このため、錆が大きく進行してベアリング機能を失い、断路器が動作不良となったり、点検時のトルク測定時に初めて異常が判明するのが実情である。

他方、従来のベアリング診断は、外観点検と断路器の動作トルク測定が主であり、断路器の不動作やトルク増大などトラブルが発生しないかぎり、分解してのベアリング点検は実施していない。

こうした状況の場合、以下のような課題が残されている。例えば、ベアリングが発錆しても、錆が大きく進展したことで動作不良や駆動トルクの増大が生じないと、ベアリングの状態を把握することはできない（少々の錆であれば断路器操作装置の動力が強いことから通常通りの動作となってしまう）。

また、ベアリングに発錆が生じる状態は、グリスが劣化している状態でもあり、その場合は発錆が急激に進展してしまう。しかもその発錆の進展度合いはベアリング設置環境（例：海岸部、工業地帯など）により大きく異なる。こうした発錆が進展した状態は、断路器操作時に不動作となって初めて判明しやすい。

また、断路器のベアリング状態を外部から診断する手法は無く、分解点検が唯一の方法であるが、分解点検を行うには長時間の停電と高額な費用が必要であり、一般的には実施しにくい。

また、ベアリングでの発錆が大きく進展しても、一度動作させると（例：手動により強制的に操作）一時的にベアリングが回転するようになって、断路器動作不良や駆動トルク増の状態が解消することもある。この場合、断路器の不調原因が不明となるケースも出てくる。

そこで本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、簡便かつ短時間でのベアリング診断を可能とする技術の提供を主たる目的とする。

上記課題を解決する本発明のベアリング診断方法は、ベアリングにおけるインナーレースとアウターレースとの間に所定抵抗を介して所定電源を接続し、ベアリングを回転させながら電流値ないし前記インナーレースとアウターレースとの間の電圧値を測定し、この測定で得た電流値ないし電圧値の分布に関して、標準偏差が所定以上である時にベアリング異常と判定する、ことを特徴とする。

また、前記ベアリング診断方法において、前記ベアリングを回転させながら電流値および前記インナーレースとアウターレースとの間の電圧値を測定し、この測定で得た電流値および電圧値と前記所定抵抗の値より、前記インナーレースとアウターレースとの間の抵抗値を算定し、この算定で得た抵抗値の分布に関して、標準偏差が所定以上である時にベアリング異常と判定するとしてもよい。

また、前記ベアリング診断方法において、前記ベアリングのインナーレースが、断路器における回転ガイシの支持部材に取り付けられ、前記ベアリングのアウターレースがベアリング固定部材に取り付けられており、各相の断路器を連携駆動させるための部材を断路器より取り外し、断路器における前記支持部材と前記ベアリング固定部材との間に所定抵抗を介して所定電源を接続し、前記ベアリングを回転させながら電流値ないし前記支持部材とベアリング固定部材との間の電圧値を測定し、この測定で得た電流値ないし電圧値の分布に関して、標準偏差が所定以上である時にベアリング異常と判定するとしてもよい。

また、前記ベアリング診断方法において、前記ベアリングを回転させながら電流値および前記支持部材とベアリング固定部材との間の電圧値を測定し、この測定で得た電流値および電圧値と前記所定抵抗の値より、前記支持部材とベアリング固定部材との間の抵抗値を算定し、この算定で得た抵抗値の分布に関して、標準偏差が所定以上である時にベアリング異常と判定するとしてもよい。

本発明によれば、簡便かつ短時間でのベアリング診断が可能となる。

本実施形態のベアリング診断方法を適用した断路器を示す図である。本実施形態のベアリング診断方法の処理手順を示すフロー図である。本実施形態のベアリング診断方法における測定回路例を示す図である。本実施形態における電流・電圧の測定結果例１を示す図である。本実施形態における電流・電圧の測定結果例２を示す図である。本実施形態における電流分布図例１を示す図である。本実施形態における電流分布図例２を示す図である。

−−−ベアリング診断対象の断路器−−−
以下に本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本実施形態のベアリング診断方法を適用した断路器１を示す図である。この断路器１は、電力回路の無負荷時の電圧を開閉する電力機器として機能する。図１に示す断路器１の構造は、例えば各相毎に回転ガイシ２を導電部３とベース部４とで挟み込み、当該各相の構造をリンク材５で相互に連動させて駆動ロッド６で駆動させ、開閉動作を行うものとなる。前記回転ガイシ２は回転シャフト７に支持されており、この回転シャフト７は、上部ベアリング１０および下部ベアリング２０を介してベース部４に取り付けられたベアリングハウジング８の内空に取り付けられている。

また、前記駆動ロッド６は、ロッド３０を介してモータなどの駆動手段３１と連結されており、駆動手段３１によるロッド３０の回転に応じて前記リンク材５をスライドさせ、断路の開閉動作の起点となる。

一方、前記上部ベアリング１０（下部ベアリング２０も同様）は、それぞれ通常のベアリング構造を有するものであり、インナーレース１１とアウターレース１２との間の領域にベアリングボール１３がグリースとともに封入されている。インナーレース１１およびインナーレース２１がそれぞれ形成する円形の内空には、断路器１における回転ガイシ２の支持部材たる前記回転シャフト７が挿通されている。また、アウターレース１２およびアウターレース２２は、ベアリング固定部材たるベアリングハウジング８の内空に取り付けられている。インナーレース１１，２１、アウターレース１２、２２、および回転シャフト７、ベアリングハウジング８は、それぞれ導電性の部材で形成されているものとする。

こうした断路器１の構造に対し、上部ベアリング１０、下部ベアリング２０の診断を行うため、前記回転シャフト７と前記ベアリングハウジング８との間に電流制限抵抗４０を介して定電圧電源４１、および電流電圧測定装置４２を接続している。こうした電気的な接続処理に当たっては、当然ながら電極４３とケーブル４４を利用している。

なお、上部ベアリング１０、下部ベアリング２０の各インナーレース１１、２１と、前記回転シャフト７は共に導電性部材で形成されており、しかも各インナーレース１１，２１と回転シャフト７とは密着しているため、両者は電気的に接続されているとみなせる。これと同様に、各アウターレース１２、２２と、前記ベアリングハウジング８は共に導電性部材で形成されており、しかも各アウターレース１２、２２とベアリングハウジング８とは密着しているため、両者は電気的に接続されているとみなせる。

また、回転シャフト７に取り付けられる電極４３は、回転体に対して電気的接触を維持するため、例えば、圧接バネ４５で外方に付勢した電極体４６と、この電極体４６および圧接バネ４５を収めるケース４７とを備える構造を採用できる。なお、ケース４７の先端面には強力な磁石として例えばネオジム磁石４８が設置されている。ケース４７は、このネオジム磁石４８の磁力により回転シャフト７の下端面に圧着する。一方、こうして圧着したケース４７の内空に収まっている電極体４６は圧接バネ４５の付勢力で回転シャフト７の下端面に当接され続けることになる。

−−−ベアリング診断手順−−−
続いて、本実施形態におけるベアリング診断方法の処理手順について説明する。図２は本実施形態のベアリング診断方法の処理手順を示すフロー図である。図１にて示した断路器１の構造であれば、前記リンク材５を断路器１より取り外して、各相の断路器１を電気的に分断する（ｓ１００）。当然ながら、異なる相のベアリング間が電気的に接続されない構造のベアリング診断対象であれば、このステップｓ１００の工程は不要である。

続いて、前記断路器１における回転シャフト７と前記ベアリングハウジング８との間に電流制限抵抗４０を介して定電圧電源４１、および電流電圧測定装置４２を接続する（ｓ１０１）。次に前記回転ガイシ２を回転させながら＝ベアリングを回転させながら、前記定電圧電源４１より一定の直流電圧電流（断路器停止状態で一定値の電流を通電もしくは一定の直流電圧を印加）を通電させ、電流値、ないし前記回転シャフト７とベアリングハウジング８との間の電圧値（＝インナーレース１１，２１とアウターレース１２、２２との間の電圧値）を測定する（ｓ１０２）。当該測定は、前記電流電圧測定装置４２が実行し、測定値を適宜な記憶手段に格納していくものとする。

なお、前記電流値と電圧値を両方とも測定すれば、前記回転シャフト７とベアリングハウジング８との間の電気抵抗値（＝インナーレース１１，２１とアウターレース１２、２２との間の電気抵抗値）を算定（オームの法則）できる。また、前記ステップｓ１０２での電流値や電圧値の測定に際しては、一定間隔（例えば１ｍｓ単位）でサンプリングをする。

図３は本実施形態のベアリング診断方法における測定回路例を示す図である。図１の断路器１に関して本実施形態のベアリング診断方法を適用した場合の回路構成を等価的に表現したのが図３に示す電気回路８０となる。図において、「Ｒ２１」は上部ベアリング１０、下部ベアリング２０の電気抵抗（＝ベアリング抵抗と称す）を示すものであり、インナーレース１１、２１とベアリングボール１３との間の接触抵抗と、ベアリングボール１３とアウターレース１２、２２との間の接触抵抗とが並列に接続された際の抵抗値となる。

また、「Ｒ１１」は、各相に動力を伝えるリンク材５の抵抗（ロッド棒の抵抗および接続ピン等の接触抵抗を含む）を示している。このリンク材５の抵抗値は比較的小さな値であり、しかも上記ステップｓ１００で述べたように診断時にはリンク材５自体が外されるため、前記電気回路８０とは電気的接続は無くなる。この措置を施すことで、断路器１は各相単体でのベアリング診断が実行されることになる。なお、説明上、断路器１を構成する鉄鋼材料の抵抗値は省略している。

従って、ベアリング診断方法の実行時において、前記電気回路８０は、ベアリング抵抗（Ｒ２１）、電流制限抵抗４０（Ｒ３）、および定電圧電源４１が直列に結ばれた回路となる。なお、ここでは各相のうち、１つの相を例に挙げて説明したが、他の相についても同様である。

図４に断路器１が新品、つまりベアリングが新品の場合の、電圧・電流の各値の実測結果例を示す。図４に示す各グラフにおいて、横軸はベアリング回転時間に対応している。この場合の試験条件は、６６ｋｖの断路器、定電圧電源４１の印加電圧が５(V)、電流制限抵抗４０の抵抗値が５(Ω)である。この場合の電圧値は、図３の電気回路８０に基づけば、（電圧値）＝Ｒ２１×５(V)／（Ｒ２１＋５(Ω)）、の式で表されることになる。一方、電流値は、（電流値）＝５(V)／（Ｒ２１＋５(Ω)）、の式で表されることになる。これらの式でも明らかなように、前記電流制限抵抗４０の役割は、ベアリング抵抗が小さい場合の電流制限と、前記ベアリング１０、２０らに発生する電圧を確実に検出することにある。各相（Ｒ２１〜Ｒ２３）の断路器について電圧・電流の各値の測定を行っている。

図４に示す各グラフ４００〜４２０によれば、いずれの相でも電流値は０．１Ａ程度で一定となっている。また、電圧値もほぼ同様に、Ｒ２１の相では０．６〜０．７Ｖ程度、Ｒ２２の相では、０．９〜１．０Ｖ程度、Ｒ２３の相では０．１Ｖ程度で一定となっている。

これは、断路器１の上部ベアリング１０、下部ベアリング２０らに錆の発錆が無く、従ってベアリング抵抗が小さいことで、回転ガイシ２を回転させても抵抗値があまり変化しないことを意味している。抵抗値一定であれば、印加電圧一定の条件下では電流値も一定となる。

別の側面から見れば、各ベアリング１０、２０が新品状態で潤滑グリスが十分な機能を有している場合は、各ベアリング１０、２０に大きな荷重（断路器１の回転ガイシ２等の重量）が加わり、ベアリングボール１３とアウター・インナーの各レース１１、２１、２１、２２との間は直接金属同士が接触していると言える。このため、ベアリング抵抗（例では「Ｒ２１」）が小さく、回転ガイシ２を回転させてもベアリング抵抗が大きく変化することはない。

一方、図５に断路器１が新品時から所定期間を経過した劣化品、つまりベアリングに錆等の異常が発生した場合の、電圧・電流の各値の実測結果例を示す。この場合の試験条件は図４の場合と同様の条件である。図５に示す各グラフ５００〜５２０によれば、いずれの相でも電流値、電圧値ともに一定せず、ベアリング回転と共に激しく値が変化していることがわかる。

この測定結果は、ベアリング（上部ベアリング１０、下部ベアリング２０）に例えば錆が発生し、この錆がベアリングボール１３とインナーレース、アウターレースとの間に挟まったり、或いは、錆によりベアリングボール１３や各レースの金属摩耗を生じて不要な間隙が生じるなどして、ベアリングボール１３とインナーレース、アウターレースとの間の密着具合を変動させる＝ベアリング抵抗を変動させることに起因することが考えられる。

続いて、前記ステップｓ１０２で得た、電圧値ないし電流値（或いは電圧・電流の各値より算出した抵抗値）について、前記電流電圧測定装置４２の記憶手段よりデータを取得し、分布図を作成する（ｓ１０３）。図６は、本実施形態における電流分布図例１を示す図であり、図７は本実施形態における電流分布図例２を示す図である。図６に示す電流分布図のグラフ６００〜６２０は、図４のグラフ４００〜４２０が示すサンプリングデータから作成した分布図となる。同様に、図７に示す電流分布図のグラフ７００〜７２０は、図５のグラフ５００〜５２０が示すサンプリングデータから作成した分布図となる。

図６におけるグラフ６００〜６２０が示すように、各ベアリング１０、２０らが新品で異常がない場合、電流値の分布はある値付近（図の例では、０．１Ａ付近）に集中することになる。一方、図７におけるグラフ７００〜７２０が示すように、各ベアリング１０、２０らが劣化品で発錆などの異常が生じている場合、電流値の分布は広がりのあるものとなる。なお、図６、７に示したグラフは電流分布図の例であるが、電圧値や抵抗値に関しても同様の結果となる。

次に、前記ステップｓ１０３で作成した分布図より標準偏差を求め（ｓ１０４）、ここで求めた標準偏差と基準となる所定の標準偏差とを比較して、異常を判定する（ｓ１０５）。なお、前記標準偏差はベアリングサイズにより異なる。また、「分布」とは電圧・電流の各測定値の度数分布を示しているが、異常を判定するための統計的処理手法としては標準偏差算定のみに限定されない。他の統計処理手法を採用しても勿論問題ない。

また、前記標準偏差が所定値以上である時（ｓ１０５：ＮＧ）、ベアリングを「異常」と判定する（ｓ１０６）。他方、前記標準偏差が所定値以上で無い時（ｓ１０５：ＯＫ）、ベアリングを「正常」と判定し（ｓ１０７）、処理を前記ステップｓ１００に戻す。

図６におけるグラフ６００〜６２０の場合（＝新品時）、それぞれ標準偏差は、Ｒ２１の相：「０．００２８」、Ｒ２２の相：「０．００１２」、Ｒ２３の相：「０．００１４」となる。一方、図７におけるグラフ７００〜７２０の場合（＝劣化時）、それぞれ標準偏差は、Ｒ２１の相：「０．０２７６」、Ｒ２２の相：「０．０２９５」、Ｒ２３の相：「０．０２４０」となる。従って、ベアリングが新品時と劣化時とで標準偏差が１０〜２０倍程度も異なることとなる。

こうして得られたベアリング診断結果に応じて、該当ベアリング（上部ベアリング１０、下部ベアリング２０）や当該ベアリングを組み込んだ断路器１などの機器についてメンテナンスを実行すれば、例えば、使用期間が長いだけで異常のない部品についてまで交換するといった不必要な部品交換を抑制し、的確な必要な部品交換が実現できる。

以上に説明したように、本実施形態のベアリング診断方法によれば、ベアリングの発錆などベアリングに生じた異常の有無を、ベアリングハウジングやベアリング自体を分解するなどの手間をかけずに簡便かつ短時間の作業で診断する事が可能となる。当然ながら、こうしたベアリング異常の診断コストの低減と診断時に必要な停電時間の短縮が可能になる。

また、ベアリングの劣化度合いが偏差値＝数値として表現できることから、所定の標準偏差との離間程度からベアリング交換時期を予め推定することも可能である（例：所定の閾値毎に交換時期までの目安を定めておき、所定の標準偏差との離間値が前記閾値に達するごとに交換時期までの期間を特定する）。このようにベアリング交換時期を推定することは、ベアリングが組み込まれた機器、例えば、断路器等について計画的な保全や設備更新が可能となる。また、ベアリング異常が原因となるトラブルを抑制することにもつながるため、前記断路器等の設備信頼度が向上し、トラブル対応に必要な費用も抑えられる。

また、ベアリングの劣化はその設置環境に大きく左右され、ベアリング毎に劣化具合は異なるため、一般的な交換時期を大きく超過しても発錆が無い場合もある。従来であれば、一般的な交換時期毎にベアリングないしその組み込み先の機器を交換する対応がとられていたが、本実施形態のベアリング診断方法を適用したならば、ベアリング毎に異常診断を行って必要なものだけを交換するなど、設備投資費用の抑制を図ることもできる。例えば、断路器の設備更新時期であっても、ベアリングに異常が無い場合に、劣化した断路器導電部のみの取替えを行うといった対応も可能となる。

ところで、以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

１断路器
２回転ガイシ
３導電部
４ベース部
５リンク材
６駆動ロッド
７回転シャフト
８ベアリングハウジング
１０上部ベアリング
１１インナーレース
１２アウターレース
１３ベアリングボール
２０下部ベアリング
２１インナーレース
２２アウターレース
３０ロッド
３１駆動手段
４０電流制限抵抗
４１定電圧電源
４２電流電圧測定装置
４３電極
４４ケーブル
４５圧接バネ
４６電極体
４７ケース
４８ネオジム磁石

Claims

ベアリングにおけるインナーレースとアウターレースとの間に所定抵抗を介して所定電源を接続し、ベアリングを回転させながら電流値ないし前記インナーレースとアウターレースとの間の電圧値を測定し、この測定で得た電流値ないし電圧値の分布に関して、標準偏差が所定以上である時にベアリング異常と判定する、ことを特徴とするベアリング診断方法。
前記ベアリングを回転させながら電流値および前記インナーレースとアウターレースとの間の電圧値を測定し、この測定で得た電流値および電圧値と前記所定抵抗の値より、前記インナーレースとアウターレースとの間の抵抗値を算定し、この算定で得た抵抗値の分布に関して、標準偏差が所定以上である時にベアリング異常と判定する、ことを特徴とする請求項１に記載のベアリング診断方法。
前記ベアリングのインナーレースが、断路器における回転ガイシの支持部材に取り付けられ、前記ベアリングのアウターレースがベアリング固定部材に取り付けられており、
各相の断路器を連携駆動させるための部材を断路器より取り外し、断路器における前記支持部材と前記ベアリング固定部材との間に所定抵抗を介して所定電源を接続し、前記ベアリングを回転させながら電流値ないし前記支持部材とベアリング固定部材との間の電圧値を測定し、この測定で得た電流値ないし電圧値の分布に関して、標準偏差が所定以上である時にベアリング異常と判定する、
ことを特徴とする請求項１に記載のベアリング診断方法。
前記ベアリングを回転させながら電流値および前記支持部材とベアリング固定部材との間の電圧値を測定し、この測定で得た電流値および電圧値と前記所定抵抗の値より、前記支持部材とベアリング固定部材との間の抵抗値を算定し、この算定で得た抵抗値の分布に関して、標準偏差が所定以上である時にベアリング異常と判定する、ことを特徴とする請求項３に記載のベアリング診断方法。