(57)【要約】【課題】絶縁層の表面が浮動電位となるコイルを試験対象として、このコイルの絶縁層全体の特性を試験すること。【解決手段】絶縁層１１の表面１２が浮動電位となるコイル１を試験対象として、導体２１に電源４１を接続し、絶縁層１１表面１２の一部に可動電極３Ａを押し当てて、可動電極３Ａの主電極３１を誘電正接測定器４３に接続し、導体２１と主電極３１との間に電界を印加した状態で、電源４１から主電極３１に伝送する電気信号を測定器４３で測定し、この測定を可動電極３Ａの位置を変えながら繰返すことで、絶縁層１１全体の誘電正接を測定し、各測定結果から特性の劣る部分を特定する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻線を構成する導体の周囲を覆う絶縁層の表面が浮動電位となるコイルを試験対象として、前記コイルの導体に電源を接続し、前記コイルの絶縁層の表面の一部に可動電極を圧接するとともに前記可動電極に測定器を接続し、前記電源から前記コイルの導体と絶縁層および前記可動電極を介して伝送する電気信号を前記測定器で測定し、この測定を前記可動電極の位置を変えながら繰り返すコイルの絶縁特性試験方法。
【請求項２】
請求項１に記載のコイルの絶縁特性試験方法において、前記可動電極は、剛性絶縁体のベースと、前記電気信号の伝送媒体として弾性導電体で構成されて前記ベースに固定された主電極と、前記主電極の周囲に前記主電極と間隙を保って配置されて前記ベースに固定されたガード電極とを備え、前記主電極を前記測定器に接続し、前記ガード電極を接地することを特徴とするコイルの絶縁特性試験方法。
【請求項３】
請求項１に記載のコイルの絶縁特性試験方法において、前記可動電極は、剛性絶縁体のベースと、前記電気信号の伝送媒体として弾性導電体で構成されて前記ベースに固定された主電極と、前記主電極の周囲に前記主電極と一体となって配置されて前記ベースに固定された電位緩和電極とを備え、前記主電極を前記測定器に接続することを特徴とするコイルの絶縁特性試験方法。
【請求項４】
巻線を構成する導体の周囲を覆う絶縁層の表面が浮動電位となるコイルを試験対象として、前記コイルの導体に電源を接続し、前記コイルの絶縁層の表面の一部に可動電極を圧接するとともに前記可動電極の一部を接地し、前記電源から前記コイルへの電圧の印加に伴って発生する音を測定器で測定し、この測定を前記可動電極の位置を変えながら繰り返すコイルの絶縁特性試験方法。
【請求項５】
請求項４に記載のコイルの絶縁特性試験方法において、前記可動電極は、剛性絶縁体のベースと、前記電気信号の伝送媒体として弾性導電体で構成されて前記ベースに固定された主電極と、前記主電極の周囲に前記主電極と一体となって配置されて前記ベースに固定された電位緩和電極とを備え、前記主電極を前記測定器に接続し、前記電位緩和電極を接地することを特徴とするコイルの絶縁特性試験方法。
【請求項６】
請求項１、２、３、４または５のうちいずれか１項に記載のコイルの絶縁特性試験方法において、前記絶縁層の表面が平板形状のときには、前記可動電極としてその表面が平板形状のものを用い、前記絶縁層の表面が曲面形状のときには、前記可動電極としてその表面が曲面形状のものを用いることを特徴とするコイルの絶縁特性試験方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コイルの絶縁特性試験方法に係り、特に、電磁石コイルなどの大型高電圧コイルの初期の特性管理や経時運転に伴う特性劣化を診断するに好適なコイルの絶縁特性試験方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高電圧コイルとしては、例えば、陽子加速器用電磁石コイルが知られており、この種の電磁石コイルの絶縁層の特性を評価する方法としては、絶縁層内部の高電圧導体と表面の接地電位層との間に所定の電圧を印加し、直流抵抗、誘電正接、部分放電などの非破壊電気特性を測定する方法が一般的である。
【０００３】
一方、コイルの表面にプローブを当てて熱伝導率を測定し、測定値の変化から絶縁層の劣化を検知する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、コイルの表面にプローブを当てて絶縁層のインピーダンスを測定する方法も提案されている（特許文献２参照）。
【０００５】
さらに、コイルの表面に電極を当てて静電容量を測定する方法が提案されている（特許文献３参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２７４４号公報（第２頁から第３頁、図１）
【特許文献２】
特開平９−１６３６８５号公報（第２頁から第３頁、図１）
【特許文献３】
特開平１０−１７７０５３号公報（第３頁から第５頁、図１、図２）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の各種絶縁特性試験方法のうち、絶縁層に高電圧を印加する方法は、コイル表面に接地電位の電位層がある場合に限り実現することができる。すなわち、コイル表面の絶縁層に、接地電位の電位層がないとき、例えば、コイル表面の絶縁層に、低抵抗コロナシールドが施され、表面が浮動電位となるコイルを対象として絶縁層に高電圧を印加しても、絶縁層表面の電位が印加電圧に応じて変化するだけで、特性試験ができない。また絶縁層全体に一様に課電する方法であるため、特性に劣る部位を特定することが困難である。一方、絶縁層の熱伝導率や静電容量を測定する方法は、誘電正接や部分放電といった絶縁層の劣化を評価する実績のある指標に比べると、評価の信頼性や適応条件などに十分な配慮が必要である。
【０００８】
本発明の課題は、絶縁層の表面が浮動電位となるコイルを試験対象として、このコイルの絶縁層全体の特性を試験することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、絶縁層の表面が浮動電位となるコイルを試験対象として、コイルの導体に電源、例えば直流または交流の電源を接続し、コイルの絶縁層の表面の一部に可動電極を圧接するとともに可動電極に測定器を接続し、電源からコイルの導体と絶縁層および可動電極を介して転送する電気信号を測定器で測定し、この測定を可動電極の位置を変えながら繰返すようにしたものである。
【００１０】
このような測定を行うことで、絶縁特性として、非破壊電気的特性を試験することができる。この非破壊電気的特性としては、（ａ）直流抵抗、（ｂ）誘電正接、（ｃ）部分放電の電荷量、放電開始／消滅電圧、放電位相／電荷量／位相特性、（ｄ）交流電流の電圧特性が挙げられる。
【００１１】
可動電極の位置に応じた測定結果から絶縁層の非破壊電気的特性を適正に評価するに際しては、可動電極として、剛性絶縁体のベースと、前記電気信号の伝送媒体として弾性導電体で構成されて前記ベースに固定された主電極と、前記主電極の周囲に前記主電極と間隙を保って配置されて前記ベースに固定されたガード電極とを備えたものを用い、主電極を測定器に接続し、ガード電極を接地する方法を採用することができる。
【００１２】
また、可動電極として、剛性絶縁体のベースと、前記電気信号の伝送媒体として弾性導電体で構成されて前記ベースに固定された主電極と、前記主電極の周囲に前記主電極と一体となって配置されて前記ベースに固定された電位緩和電極とを備えたものを用い、主電極を測定器に接続する方法を採用することができる。
【００１３】
また、非破壊電気的特性として、部分放電音を測定するに際しては、絶縁層の表面が浮動電位となるコイルを試験対象として、コイルの導体に電源を接続し、コイルの絶縁層の表面の一部に可動電極を圧接するとともに、可動電極の一部を接地し、電源からコイルへの電圧の印加に伴って発生する音を測定器で測定し、この測定を可動電極の位置を変えながら繰返すことで達成することができる。
【００１４】
この場合、絶縁特性を適正に評価するに際しては、可動電極として、剛性絶縁体のベースと、前記電気信号の伝送媒体として弾性導電体で構成されて前記ベースに固定された主電極と、前記主電極の周囲に前記主電極と一体となって配置されて前記ベースに固定された電位緩和電極とを備えたものを用い、主電極を測定器に接続し、電位緩和電極を接地する方法を採用することができる。
【００１５】
前記した手段によれば、絶縁層に電源からの高電圧を印加したときの非破壊特性を部分的に測定し、この測定を可動電極の位置を変えながら繰返すことで、絶縁層全体の特性を測定（試験）することができるとともに、各測定結果から絶縁層全体の特性を評価することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す絶縁特性試験装置と電磁石用コイルの構成図である。図１において、電磁石用コイル１を試験対象とする絶縁特性試験装置は、電源４１、結合コンデンサ４２、誘電正接測定器４３、可動電極３Ａを備えて構成されている。
【００１７】
可動電極３Ａは、図２に示すように、電気信号の伝送媒体として、弾性導電体、例えば、ＳｉＣ、カーボンを用いて円板状に形成された主電極３１と、主電極３１の周囲に主電極３１と間隙を保って配置されて弾性導電体で形成された円環状のガード電極３２と、剛性絶縁体を用いて円板状に形成された電極ベース３３から構成されており、主電極３１とガード電極３２がそれぞれ電極ベース３３の底面側に固定されている。主電極３１は、リード線３１ａを介して誘電正接測定器４３に接続され、ガード電極３２は、リード線３２ａを介して接地されている。主電極３１とガード電極３２はコイル１の導体２１の周囲を覆う絶縁層１１の表面１２の一部に配置され、電極ベース３３の上方から電極ベース３３に作用する外力３４によって絶縁層１１の表面１２に圧接されている。
【００１８】
電磁石用コイル１は、例えば、陽子加速器に用いられる電磁石コイルとして、図３に示す鞍型形状のコイル部材２が２個相対向して組み付けられるようになっている。各コイル部材２は、図４に示すように、巻線を構成する導体２１の集合体であって、導体２１が数十Ｔ（ターン）巻き付けられており、導体２１の周囲が絶縁層１１で覆われている。この絶縁層１１は、マイカ、フィルム、ガラス繊維やそれらの混合物を有機レジンで固着して構成されており、その表面には低抵抗コロナシールドが施されている。すなわち、コイル１は、絶縁層１１の表面が浮動電位となるコイルとして構成されている。
【００１９】
また、大容量の電磁石コイルほど高い電圧が必要となり、導体２１に磁界を発生するための励磁電流が流れると、導体２１の対地電位は数ｋＶ以上となる。一方、絶縁層１１の表面１２には特別に電位を管理する方策を設けていないので、周辺の接地電位の構造体と絶縁層１１とが電気的に接触した部分は接地電位となるため、導体２１に高電圧が印加されたときには絶縁層１１にも高い電界が加わることになる。
【００２０】
ここで、工業的に生産される絶縁層においては、組成的に完全なものを製造することは極めて難しく、通常、ある程度のボイドや剥離といった欠陥を許容せざるを得ない。このような絶縁層に高電界が加わると欠陥部分で放電が生じ、長時間の運転中に欠陥が拡大し、ついにはコイルとして必要な絶縁性能を保持できなくなる恐れがある。このため、コイルとして製作した直後の絶縁層のできの良し悪しを評価したり、経時運転後の絶縁層の劣化の程度を診断するために、絶縁特性を評価する必要がある。
【００２１】
絶縁特性の評価に当たっては、電界を印加した際の非破壊特性を測定する方法がある。非破壊特性としては、直流抵抗、交流の電圧特性、誘電正接、部分放電の電荷量、部分放電の電荷量と放電数の発生位相特性などがある。これらの非破壊特性を測定するためには、絶縁層に電界を印加しなければならない。
【００２２】
ところが、コイル１の絶縁層１１の表面１２には、表面１２を接地電位に管理するための方策が設けていない。すなわち、絶縁層１１の表面には低抵抗コロナシールドが施され、絶縁層１１の表面は浮動電位となっている。このため、このままでは絶縁層１１に必要な電界を印加することができない。
【００２３】
そこで、本実施形態においては、絶縁層１１の表面１２に可動電極３Ａを取り付けて、導体２１と可動電極３Ａとの間に電界を加え、可動電極３Ａの位置を順次移動（変更）しながら絶縁特性を測定し、各位置における測定結果からコイル１全体の特性を評価することとしている。
【００２４】
以下、本発明に係る絶縁特性試験方法について説明する。まず、絶縁層１１の誘電正接を測定するに際しては、図１に示すように、電源（交流電源）４１をリード線２１を介してコイル１の導体２１に接続し、誘電正接測定器４３をリード線３１ａを介して可動電極３Ａの主電極３１に接続し、ガード電極３２をリード線３２ａを介して接地する。この状態で可動電極３Ａの電極ベース３３にその上方から外力３４を与えて可動電極３Ａを絶縁層１１の表面１２に圧接する。この状態で交流電源４１からの交流電圧を導体２１と主電極３１との間に印加することで、絶縁層１１に所定の電界が加わり、電源４１からの低圧信号が結合コンデンサ４２を介して誘電正接測定器４３内部のブリッジ回路を介して接地される。交流電圧が導体２１と可動電極３Ａ間に印加されると、電源４１から導体２１、絶縁層１１、主電極３１に電気信号が伝送される。この電気信号を測定器４３で測定することで、誘電正接を求めることができる。電気信号が導体２１と絶縁層１１および主電極３１に電流が流れる過程では、絶縁層１１内部に電界が形成されるが、ガード電極３２が接地されているため、主電極３１外周側の電界に、曲がりが生じるのを抑制することができ、誘電正接を正確に測定することができる。
【００２５】
絶縁層１１の一部の誘電正接が測定されたときには、可動電極３Ａの位置を順次変えながらコイル１全体の誘電正接を測定する。そして各位置（部分）ごとの測定値をまとめることで、コイル１全体の特性（誘電正接）を評価することができる。例えば、各部分ごとの測定値を基に、コイル１の特性の不良部分を特定することができる。
【００２６】
このように、本実施形態においては、コイル１の一部分の特性測定を順次繰返しながらコイル１全体の特性を評価するようにしたため、特性の劣る部分を容易に特定することができる。
【００２７】
ここで、高電圧コイルとしてのコイル１の絶縁層１１の電気的な非破壊特性は、一般に材料や製造工程に依存する特性のばらつきが大きく、非破壊特性の絶対値で製作の良否や経時運転による劣化を判定することが困難な場合もある。このような場合、部分的な特性測定値のばらつきを統計的に処理することで、例えば、測定値を正規分布にしたがって処理して良い部分と不良部分とに分けることで、製作不良や劣化を識別することができる。
【００２８】
なお、前記実施形態においては、主電極３１とガード電極３２として円形形状のものを用いているが、これは、鋭角部での電界の集中を防ぐためであり、各電極を必ずしも真円状に形成する必要はない。ただし、各電極の輪郭はできるだけ滑らかな曲線状にすることが望ましい。
【００２９】
また、前記実施形態においては、主電極３１とガード電極３２との組み合わせによってコイル１の誘電正接を測定するものについて述べたが、電源４１として直流電源を用い、誘電正接測定器４３の代わりに直流抵抗測定器を用いることで、絶縁層１１の直流抵抗を測定することができる。
【００３０】
次に、本発明の他の実施形態を図５および図６にしたがって説明する。本実施形態は、コイル１の絶縁層１１の部分放電を測定するようにしたものであり、測定器として、誘電正接測定器４３の代わりに放電測定器４４を用い、可動電極３Ａの代わりに可動電極３Ｂを用いるようにしたものであり、他の構成は前記実施形態のものと同様である。可動電極３Ｂは、可動電極３Ａのガード電極３２の代わりに電位緩和電極３５を用いたものであり、導電性弾性材を用いて円板状に形成された主電極３１と、主電極３１の周囲に主電極３１と一体となって配置されて、半導電性弾性材、例えば、ＳｉＣ、カーボンを用いた電位緩和電極３５が円板状の電極ベース３の底面側に固定され、主電極３１がリード線３１ａを介して放電測定器４４に接続されている。主電極３１と電位緩和電極３５はその両者が境界線３５Ａで電気的に結合されている。そして表面放電防止のために、主電極３１と相対する輪郭線３５Ｂとの間の電気的抵抗は１０５〜１０１１Ω程度に設定されている。
【００３１】
交流電源４１をリード線２１ａを介して導体２１に接続し、主電極３１をリード線３１ａを介して放電測定器４４に接続し、可動電極３Ｂに外力３４を与えて可動電極３Ｂの底面側をコイル１の絶縁層１１の表面１２の一部に圧接した状態で、導体２１と主電極３１との間に電界を加え、結合コンデンサ４２と主電極３１との間の放電信号を放電測定器４４に取り込むことで、絶縁層１１の部分放電を測定することができる。この際、絶縁層１１表面１２の過度な電位傾度で生じる表面放電を防止して精度の高い部分放電を測定するために、主電極３１の周囲に電位緩和電極３５が配置されている。すなわち、絶縁層１１内部にボイドが生じると、ボイドのある部分では他の部分よりも低い電圧で部分放電が生じる。このため、電位緩和電極３５にわずかな電流を流すことで、ボイドの放電に伴って絶縁層１１表面に大きな放電が生じるのを緩和することができる。
【００３２】
本実施形態においても、可動電極３Ｂの位置を変えながら部分放電を測定することで、絶縁層１１全体の部分放電を測定することができる。
【００３３】
このように、本実施形態においては、コイル１の一部分の特性測定を順次繰返しながらコイル１全体の特性を評価するようにしたため、特性の劣る部分を容易に特定することができる。
【００３４】
本実施形態における測定データは、部分放電電荷量、電源電圧に対する放電位相、放電の発生数などが挙げられる。これらのデータを最大放電電荷量、総放電電荷量、放電電荷量−位相−放電数特性として絶縁特性の評価指標として用いることができる。この場合、可動電極３Ｂで１回に測定できるのは絶縁層１１の局部的な特性であり、コイル１全体を順次移動しながら測定することで、局部的な特性のばらつきを含めたコイル１全体の特性を評価することができる。
【００３５】
次に、本発明の第３実施形態を図７にしたがって説明する。本実施形態は部分放電に伴う放電音を測定するようにしたものであり、測定器としてマイク４５、音響記録装置４６、音響分析装置４７を用い、可動電極として可動電極３Ｂを用いたものであり、他の構成は前記実施形態のものと同様である。
【００３６】
部分放電に伴う放電音を測定するに際しては、交流電源４１をリード線２１ａを介して導体２１に接続し、主電極３１をリード線３１ａを介して接地する。この状態で導体１と主電極３１との間に電界を加えると、絶縁層１１に内在する空隙（ボイド）や剥離に伴って部分放電が生じ、この部分放電に伴う音がマイク４５で収録され、音響記録装置４６に記録され、この記録結果が音響分析装置４３で分析評価される。この分析は測定と同時に進めることも可能であり、測定時には記録のみに留め、その後分析することも可能である。
【００３７】
また本実施形態においては、可動電極３Ｂの位置を順次変えながら部分放電に伴う音を収録することで、コイル１全体の部分放電に伴う放電音を測定することができる。
【００３８】
本実施形態における評価指標としては、音圧レベルや周波数スペクトルであり、測定された音圧レベルや周波数スペクトルを基に、予め採取しておいたそれらの特性と絶縁特性の相関特性に則って評価することができる。
【００３９】
前記各実施形態においては、可動電極３Ａ、３Ｂとして、その表面が平板形状のものについて述べたが、図８に示すように、絶縁層１１表面１２の角部１３が局面形状のときには、主電極３１、ガード電極３２または主電極３１と電位緩和電極３５で構成される可動電極として、その表面が局面形状の可動電極３Ｃを用いることで、角部１３に対しても部分放電に伴う放電音、誘電正接など非破壊電気的特性を測定することができる。
【００４０】
前記各実施形態においては、表面に接地電位層のない大型コイル１の表面にいずれかの可動電極３Ａ、３Ｂ、３Ｃを当てて、絶縁層１１に高電界を加えた状態で非破壊電気的特性を測定しているため、絶縁層１１内部の欠陥を表す指標である誘電正接や部分放電を測定することができ、コイル１の製造不良や経時運転に伴う劣化を診断することができる。そして、コイル１の一部分の特性測定を順次繰返しながら全体を評価することで、特性の劣る部分を容易に特定することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、絶縁層全体の特性を試験することができるとともに、各試験結果から絶縁層全体の特性を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す絶縁特性試験装置とコイルの構成図である。
【図２】可動電極の構成図である。
【図３】電磁石用コイルの斜視図である。
【図４】電磁石用コイルの要部断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態を示す絶縁特性試験装置とコイルの構成図である。
【図６】可動電極の構成図である。
【図７】本発明の第３実施形態を示す絶縁特性試験装置とコイルの構成図である。
【図８】絶縁層の角部を測定するための可動電極の構成説明図である。
【符号の説明】
１  電磁石用コイル
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ  可動電極
１１  絶縁層
１２  表面
２１  導体
３１  主電極
３２  ガード電極
３３  電極ベース
３５  電位緩和電極
４１  電源
４２  結合コンデンサ
４３  誘電正接測定器
４４  放電測定器
４５  マイク
４６  音響記録装置
４７  音響分析装置
【図１】
2004347523.tif 000003
【図２】
2004347523.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2004347523.tif 000007
【図６】
2004347523.tif 000008
【図７】
2004347523.tif 000009
【図８】
2004347523.tif 000010