JP5469052B2

JP5469052B2 - 巻線の絶縁特性評価方法

Info

Publication number: JP5469052B2
Application number: JP2010284518A
Authority: JP
Inventors: 史典小林; 達雄光永
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: JP2012132767A

Description

本発明は、例えば、電動機、発電機等の回転電機の巻線の絶縁状態を評価する巻線の絶縁特性評価方法に関するものである。

一般に、電動機等の電気機器において経年変化による絶縁特性を計測することは、電気機器の劣化度や余寿命を評価する上で重要である。そこで、絶縁抵抗測定器を使用して、初期状態の絶縁抵抗と経年後の絶縁抵抗を測定し、その測定値を比較して劣化の有無、余寿命の推定を行っている。しかしながら、測定時の状況、すなわち、周囲の温度や湿度、被測定対象機器の吸湿度によって絶縁抵抗値が変動するため、正確に機器の劣化度を評価することは困難である。

そこで、従来の絶縁診断方法では、巻線が置かれている環境状態の差異すなわち乾燥状態と吸湿状態の絶縁特性の差異に注目して絶縁劣化の推定を可能とするもので、絶縁劣化度の進んだ絶縁物は吸湿状態においてはその絶縁抵抗が極端に低下するのでその乾燥状態と吸湿状態の抵抗値の差異を測定することにより絶縁劣化度を診断している。（例えば、特許文献１参照。）。具体的には、巻線を蒸気中に暴露し、強制吸湿させた吸湿状態の絶縁抵抗と、その後乾燥させた乾燥状態の絶縁抵抗とを測定し、これらの絶縁抵抗比を求め、さらに、高電圧印加による絶縁破壊電圧を測定した結果と照らし合わせると、絶縁抵抗比と絶縁抵抗破壊電圧とには相関関係があり、これにより絶縁劣化状態や絶縁破壊強度を推定することができる。

特開昭５８−５５７６８号公報

しかしながら、従来の絶縁診断方法では、経年後の吸湿状態の絶縁抵抗と、乾燥状態の絶縁抵抗を測定し、この絶縁抵抗を比較することによって、絶縁劣化状態や絶縁破壊強度を推定している。実際には、巻線の乾燥／吸湿状態や巻線の温度によって絶縁抵抗、静電容量、ｔａｎδ（誘電正接）の値が変化するため、個々の巻線の特性のばらつきもあり、経年後の交流電流試験やｔａｎδ試験の絶縁特性だけで絶縁劣化度を正確に評価することは難しい。従来の絶縁特性の評価法では、巻線の乾燥／吸湿状態や巻線の温度による絶縁抵抗、静電容量、ｔａｎδ（誘電正接）の変化を考慮に入れておらず、必ずしも正確に経年後の巻線の絶縁特性が評価されているとは云えないという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、経年後の巻線に対して精度よく絶縁特性を評価することができる巻線の絶縁特性評価方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の巻線の絶縁特性評価方法は、経年後の巻線の絶縁特性を評価する巻線の絶縁特性評価方法において、静電容量Ｃ、誘電正接（ｔａｎδ₀）、絶縁抵抗Ｒ及び静電容量比Ｋ_C（＝Ｃ／Ｃ₀、Ｃ₀：初期静電容量）により定義される巻線の乾燥／吸湿評価指標Ｉ_X（＝Ｒ・Ｃ₀／Ｋｃ／ｔａｎδ₀）を導入し、前記経年後の乾燥／吸湿評価指標における巻線の絶縁特性を、初期状態での乾燥／吸湿評価指標における巻線の絶縁特性に換算し、前記換算された巻線の絶縁特性と初期状態での巻線の絶縁特性とを比較することによって経年後の巻線の絶縁特性を評価するものである。

本発明の巻線の絶縁特性評価方法によれば、絶縁抵抗、静電容量、誘電正接（ｔａｎδ₀）を評価に用いて、経年後の巻線の乾燥／吸湿状態や巻線の温度の条件が初期状態での絶縁特性評価時と異なっていても、絶縁抵抗、静電容量、ｔａｎδ（誘電正接）を初期状態での絶縁特性評価時の乾燥／吸湿状態と同じ条件に換算して評価するようにしたので、巻線の乾燥／吸湿状態や巻線の温度に係わらず経年後の絶縁特性を精度よく評価することができる。

本発明の実施の形態における評価手順を示すフロー図である。本発明の実施の形態における初期状態及び経年後の誘電正接−電圧特性を示す図である。本発明の実施の形態における絶縁抵抗を測定するための電流−時間特性を示す図である。本発明の実施の形態における初期状態及び経年後の電流−電圧特性を示す図である。本発明の実施の形態における初期状態及び経年後の電流急増電圧による絶縁特性を示す図である。本発明の実施の形態における初期状態及び経年後の電流勾配増加率による絶縁特性を示す図である。本発明の実施の形態における初期状態及び経年後の絶縁抵抗による絶縁特性を示す図である。本発明の実施の形態における初期状態及び経年後の静電容量による絶縁特性を示す図である。本発明の実施の形態における初期状態及び経年後の誘電正接による絶縁特性を示す図である。本発明の実施の形態における初期状態及び経年後の誘電正接変化量による絶縁特性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る巻線の絶縁特性評価方法について図１〜図１０を参照して説明する。本発明の絶縁特性評価において、新たに、式（１）で定義される乾燥／吸湿評価指標Ｉｘを導入する。
Ｉｘ＝Ｒ・Ｃ₀／Ｋｃ／ｔａｎδ₀ ・・・・（１）
ここで、Ｒは巻線の絶縁抵抗、Ｃ₀は巻線の初期静電容量、ｔａｎδ₀は低電圧時の巻線の誘電正接、Ｋ_Cは巻線の静電容量比（Ｃ／Ｃ₀）である。
吸湿状態では、絶縁抵抗Ｒは減少し、誘電正接ｔａｎδ₀と静電容量Ｃは増加する。逆に乾燥状態では、絶縁抵抗Ｒは増加し、誘電正接ｔａｎδ₀と静電容量Ｃは減少する。

図１は、実施の形態に係る巻線の絶縁特性評価方法における評価手順を示すフロー図である。図２は、発電機等の回転電機の固定子巻線の初期状態及び経年後の誘電正接（ｔａｎδ）−電圧特性（ｔａｎδ−Ｖ特性）を示す図である。図３は、絶縁抵抗を測定するための電流−時間特性（Ｉ−ｔ特性）を示す図である。図４は、初期状態及び経年後の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示す図である。

実施の形態に係る巻線の絶縁特性評価方法では、図１の評価手順を示すフロー図に示すように、初期状態及び経年後における巻線の交流試験、絶縁抵抗測定、交流電流試験の測
定を実施し、測定された静電容量Ｃ、誘電正接ｔａｎδ、絶縁抵抗Ｒからそれぞれ乾燥／吸湿評価指標Ｉｘを求め、併せて電流急増電圧Ｐｉ、電流勾配ａの測定結果から経年後の絶縁特性（電流急増電圧比Ｅｓ／Ｐｉ、電流勾配増加率（ａ−ａ₀）／ａ₀、絶縁抵抗Ｒ、静電容量Ｃ、誘電正接ｔａｎδ及び誘電正接変化量Δｔａｎδ）を初期状態の乾燥／吸湿評価指標Ｉｘの条件に換算して、初期状態の絶縁特性と比較することによって巻線の絶縁劣化や余寿命を判定するための判定材料となる絶縁特性を提供する。

次に、図１、図２及び図３を参照して、巻線の絶縁特性評価手順について説明する。まず、初期状態における巻線の絶縁特性及び経年後における巻線の絶縁特性を求める（Ｓ１〜Ｓ４、Ｓ５〜Ｓ８）。測定項目として、交流試験、絶縁抵抗測定及び交流電流試験を実施する（Ｓ１、Ｓ５）。

交流試験は、巻線の導体部と鉄心（アース）間で交流電圧を印加し、静電容量Ｃ，Ｃ’及び誘電正接（ｔａｎδ，ｔａｎδ’）を測定する（図２）。ここで、巻線の温度を同じにして測定する。また、図において、初期状態での誘電正接（ｔａｎδ）は実線で、経年後での誘電正接（ｔａｎδ）は破線で表す。記号の「’」は経年後の値を示す。

絶縁抵抗測定は、巻線の導体部と鉄心（アース）間で直流電圧を印加して、巻線の絶縁抵抗Ｒ，Ｒ’を測定する（図３）。直流電圧Ｅｄを巻線に印加すると測定時間ｔと共に電流Ｉが変化する。絶縁抵抗Ｒは、直流電圧Ｅｄを電流Ｉで除したものであるが、本発明の絶縁評価においては充電時あるいは放電時のいずれの電流値を用いてもよい。充電電流は、実測定された全充電電流Ｉｐと全充電電流Ｉｐから飽和充電電流（図３左の破線で表示）を差し引いた充電電流Ｉａ、放電電流は、実測定された全放電電流Ｉｄと全放電電流Ｉｄから飽和放電電流（図３右の破線で表示）を差し引いた放電電流Ｉｒ、また、測定時間ｔも３０秒時、１分時、１０分時によりそれぞれ異なるが、ここでは、１分時での充電電流Ｉａ_1minを用いた絶縁抵抗Ｒとする。経年後での絶縁抵抗Ｒ’も同様である。絶縁抵抗Ｒは巻線温度に左右される。絶縁抵抗Ｒは巻線温度が高いと減少し、巻線温度が低いと増加する。このため、初期状態と経年後の測定は同じ温度にて実施される。

交流電流試験は、巻線の導体部と鉄心（アース）間で交流電圧を印加し、電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を測定する（図４）。図４で、初期状態での電流は実線で、経年後での電流は破線で表わされる。初期状態での電流急増電圧Ｐｉ及び電流急増電圧Ｐｉの前後の電圧での電流勾配ａ₀，ａと、経年後での電流急増電圧Ｐｉ’及び電流急増電圧Ｐｉ’の前後の電圧での電流勾配ａ₀’，ａ’を求める。

誘電正接の測定では、図２に示すように、低電圧における初期状態の誘電正接はｔａｎδ₀、経年後の誘電正接はｔａｎδ₀’、高電圧における誘電正接と、低電圧おける誘電正接との初期状態での誘電正接変化量はΔｔａｎδ、経年後での誘電正接変化量はΔｔａｎδ’である。

経年後の巻線の絶縁抵抗測定、交流電流試験及び誘電正接の測定では、巻線が置かれたそのままの乾燥／吸湿状態での測定に加えて、巻線を加熱して、乾燥／吸湿状態を変えた条件での測定も併せて実施する。

続いて、静電容量比Ｋｃ（＝Ｃ／Ｃ₀、Ｃ₀は初期静電容量）を算出する（Ｓ２、Ｓ６）。初期状態での巻線においてはＫｃ＝１である。

初期状態における乾燥／吸湿評価指標Ｉｘを絶縁抵抗Ｒ、初期静電容量Ｃ₀、静電容量比Ｋｃ及び低電圧時の誘電正接ｔａｎδ₀を用いて求める。同様に、経年後における乾燥／吸湿評価指標Ｉｘ’を絶縁抵抗Ｒ’、初期静電容量Ｃ₀、静電容量比Ｋｃ’及び低電圧
時の誘電正接ｔａｎδ₀’を用いて求める（Ｓ３、Ｓ７）。

続いて、初期状態及び経年後における巻線の絶縁特性を算出する（Ｓ４、Ｓ８）。絶縁の劣化や余寿命の判定に使用される絶縁特性の項目は、巻線の交流定格電圧Ｅｓに対する電流急増電圧Ｐｉの比（Ｅｓ／Ｐｉ）、電流急増電圧Ｐｉの前後の電圧での電流勾配増加率（（ａ−ａ₀）／ａ₀）、絶縁抵抗Ｒ、静電容量Ｃ、誘電正接ｔａｎδ、誘電正接変化量はΔｔａｎδである。

経年後の乾燥／吸湿評価指標Ｉｘ’に対する巻線の絶縁特性を初期状態における乾燥／吸湿評価指標Ｉｘの条件に合わせた絶縁特性に換算する（Ｓ９）。

図５は、電流急増電圧Ｐｉ比（Ｅｓ／Ｐｉ）を絶縁特性として用いる場合を示すものである。経年後のＥｓ／Ｐｉ’（▲）を乾燥／吸湿評価指標Ｉｘの条件での値Ｅｓ／Ｐｉｓに変換する。このため、経年後の巻線の乾燥／吸湿状態を変更するため、巻線を加熱して、乾燥度を高めた乾燥／吸湿評価指標Ｉｘ’’上で、Ｅｓ／Ｐｉ’’（×）を求める。このＥｓ／Ｐｉ’（▲）とＥｓ／Ｐｉ’’（×）を結ぶ直線の延長線上で乾燥／吸湿評価指標Ｉｘと交差する点を換算されたＥｓ／Ｐｉｓ（△）として、初期状態のＥｓ／Ｐｉ（●）と比較する。この換算された絶縁特性は、乾燥／吸湿状態を考慮せずに比較したＡに比べて、乾燥／吸湿状態を初期状態と同一条件にしたＢで比較することにより、本来の絶縁特性の経年変化を精度よく評価することができる。

図６は、電流急増電圧Ｐｉの前後の電圧での電流勾配増加率（（ａ−ａ₀）／ａ₀）を絶縁特性として用いる場合を示すものである。経年後の（ａ’−ａ₀’）／ａ₀’（▲）を乾燥／吸湿評価指標Ｉｘの条件での値（ａ_S−ａ_0S）／ａ_0Sに変換する。このため、経年後の巻線の乾燥／吸湿状態を変更するため、巻線を加熱して、乾燥度を高めた乾燥／吸湿評価指標Ｉｘ’’上で、（ａ’’−ａ₀’’）／ａ₀’’（×）を求める。この（ａ’−ａ₀’）／ａ₀’（▲）と（ａ’’−ａ₀’’）／ａ₀’’（×）を結ぶ直線の延長線上で乾燥／吸湿評価指標Ｉｘと交差する点を換算された（ａ_S−ａ_0S）／ａ_0S（△）として、初期状態の（ａ−ａ₀）／ａ₀（●）と比較する。この換算された絶縁特性は、乾燥／吸湿状態を考慮せずに比較したＡに比べて、乾燥／吸湿状態を初期状態と同一条件にしたＢで比較することにより、本来の絶縁特性の経年変化を精度よく評価することができる。

図７は、絶縁抵抗Ｒ（ＭΩ）を絶縁特性として用いる場合を示すものである。経年後のＲ’（▲）を乾燥／吸湿評価指標Ｉｘの条件での値Ｒｓに変換する。このため、経年後の巻線の乾燥／吸湿状態を変更するため、巻線を加熱して、乾燥度を高めた乾燥／吸湿評価指標Ｉｘ’’上で、Ｒ’’（×）を求める。このＲ’（▲）とＲ’’（×）を結ぶ直線の延長線上で乾燥／吸湿評価指標Ｉｘと交差する点を換算されたＲｓ（△）として、初期状態のＲ（●）と比較する。この換算された絶縁特性は、乾燥／吸湿状態を考慮せずに比較したＡに比べて、乾燥／吸湿状態を初期状態と同一条件にしたＢで比較することにより、本来の絶縁特性の経年変化を精度よく評価することができる。

図８は、静電容量Ｃ（μＦ）を絶縁特性として用いる場合を示すものである。経年後のＣ’（▲）を乾燥／吸湿評価指標Ｉｘの条件での値Ｃｓに変換する。このため、経年後の巻線の乾燥／吸湿状態を変更するため、巻線を加熱して、乾燥度を高めた乾燥／吸湿評価指標Ｉｘ’’上で、Ｃ’’（×）を求める。このＣ’（▲）とＣ’’（×）を結ぶ直線の延長線上で乾燥／吸湿評価指標Ｉｘと交差する点を換算されたＣｓ（△）として、初期状態のＣ（●）と比較する。この換算された絶縁特性は、乾燥／吸湿状態を考慮せずに比較したＡに比べて、乾燥／吸湿状態を初期状態と同一条件にしたＢで比較することにより、本来の絶縁特性の経年変化を精度よく評価することができる。

図９は、低電圧時の誘電正接ｔａｎδ₀（％）を絶縁特性として用いる場合を示すものである。経年後のｔａｎδ₀’（▲）を乾燥／吸湿評価指標Ｉｘの条件での値ｔａｎδ₀ｓに変換する。このため、経年後の巻線の乾燥／吸湿状態を変更するため、巻線を加熱して、乾燥度を高めた乾燥／吸湿評価指標Ｉｘ’’上で、ｔａｎδ₀’’（×）を求める。このｔａｎδ₀’（▲）とｔａｎδ₀’’（×）を結ぶ直線の延長線上で乾燥／吸湿評価指標Ｉｘと交差する点を換算されたｔａｎδ₀ｓ（△）として、初期状態のｔａｎδ₀（●）と比較する。この換算された絶縁特性は、乾燥／吸湿状態を考慮せずに比較したＡに比べて、乾燥／吸湿状態を初期状態と同一条件にしたＢで比較することにより、本来の絶縁特性の経年変化を精度よく評価することができる。

図１０は、誘電正接変化量Δｔａｎδ（％）を絶縁特性として用いる場合を示すものである。経年後のΔｔａｎδ’（▲）を乾燥／吸湿評価指標Ｉｘの条件での値Δｔａｎδｓに変換する。このため、経年後の巻線の乾燥／吸湿状態を変更するため、巻線を加熱して、乾燥度を高めた乾燥／吸湿評価指標Ｉｘ’’上で、Δｔａｎδ’’（×）を求める。このΔｔａｎδ’（▲）とΔｔａｎδ’’（×）を結ぶ直線の延長線上で乾燥／吸湿評価指標Ｉｘと交差する点を換算されたΔｔａｎδｓ（△）として、初期状態のΔｔａｎδ（●）と比較する。この換算された絶縁特性は、乾燥／吸湿状態を考慮せずに比較したＡに比べて、乾燥／吸湿状態を初期状態と同一条件にしたＢで比較することにより、本来の絶縁特性の経年変化を精度よく評価することができる。

最後に、必要に応じて、初期状態の巻線の絶縁特性と換算された巻線の絶縁特性とを比較し、巻線の絶縁劣化、余寿命の評価を行う（Ｓ１０）。

このように、実施の形態による巻線の絶縁特性評価方法では、静電容量、誘電正接、絶縁抵抗及び静電容量比により定義される乾燥／吸湿評価指標を導入することによって、巻線の絶縁特性が乾燥／吸湿状態によって左右されずに評価することが可能になり、経年後の巻線の絶縁特性を精度よく評価することができるという顕著な効果がある。

なお、本実施の形態では、発電機等の回転電機の固定子巻線の絶縁特性を評価する場合について説明したが、他の電気機器の巻線等の絶縁特性を評価するものであっても、同様の効果を得ることができる。

Claims

経年後の巻線の絶縁特性を評価する巻線の絶縁特性評価方法において、
静電容量Ｃ、誘電正接ｔａｎδ₀、絶縁抵抗Ｒ及び静電容量比Ｋ_C（＝Ｃ／Ｃ₀、Ｃ₀：初期静電容量）により定義される巻線の乾燥／吸湿評価指標Ｉ_X（＝Ｒ・Ｃ₀／Ｋｃ／ｔａｎδ₀）を導入し、前記経年後の乾燥／吸湿評価指標における巻線の絶縁特性を、初期状態での乾燥／吸湿評価指標における巻線の絶縁特性に換算し、前記換算された巻線の絶縁特性と初期状態での巻線の絶縁特性とを比較することによって経年後の巻線の絶縁特性を評価することを特徴とする巻線の絶縁特性評価方法。
前記巻線の絶縁特性として、定格電圧Ｅｓを電流急増電圧Ｐｉで除した電流急増電圧比Ｅｓ／Ｐｉを用いることを特徴とする請求項１に記載の巻線の絶縁特性評価方法。
前記巻線の絶縁特性として、電流急増電圧Ｐｉの前後の電圧における電流勾配増加率（ａ−ａ₀）／ａ₀（ａ：高電圧側電流勾配、ａ₀：低電圧側電流勾配）を用いることを特徴とする請求項１に記載の巻線の絶縁特性評価方法。
前記巻線の絶縁特性として、絶縁抵抗Ｒを用いることを特徴とする請求項１に記載の巻線の絶縁特性評価方法。
前記巻線の絶縁特性として、静電容量Ｃを用いることを特徴とする請求項１に記載の巻線の絶縁特性評価方法。
前記巻線の絶縁特性として、低電圧での誘電正接ｔａｎδ₀を用いることを特徴とする請求項１に記載の巻線の絶縁特性評価方法。
前記巻線の絶縁特性として、低電圧での誘電正接ｔａｎδ₀と高電圧での誘電正接ｔａｎδとの差である誘電正接変化量Δｔａｎδを用いることを特徴とする請求項１に記載の巻線の絶縁特性評価方法。