(57)【要約】【課題】高電圧コイルの絶縁劣化診断方法に新たな観点を加え、信頼性の高い絶縁劣化診断指標を提供する。【解決手段】マイカをレジンで固着した高圧コイルの複合絶縁体の絶縁特性の劣化を評価する方法として、高電圧を印加した時に発生する部分放電のうち一定の閾値を超える全ての放電電荷量データを収録する。これを基に、放電電荷量に対する放電数分布，電荷量の平均値，１サイクル当たりの総放電電荷量、を具現化、算出し、劣化判定の指標とする。【選択図】　図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイカをレジンで固着したコイルの複合絶縁体において、電圧を印加した時に発生する部分放電のうち一定の周波数と大きさの閾値を満たす部分放電についてその電荷量を検知し、
検知された電荷量に対する、印加電圧の１サイクル当たりの放電数分布を算出して、該放電数分布に基づいて劣化判定することを特徴とするコイルの絶縁診断方法。
【請求項２】
請求項１において、検知した部分放電の電荷量に基づいて、印加電圧の１サイクル当たりの総放電電荷量を算出し、該総放電電荷量に基づいて劣化判定することを特徴とするコイルの絶縁診断方法。
【請求項３】
請求項１において、検知した部分放電の電荷量の平均値を算出し、該平均値に基づいて劣化判定することを特徴とするコイルの絶縁診断方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかにおいて、前記コイルは、高電圧回転電気機械の固定子コイルであるコイルの絶縁診断方法。
【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診断方法に関し、特に、発電機等の高電圧回転電気機械に係り、固定子に組込まれる高電圧コイル絶縁層の機械的な要因による絶縁性能の劣化を診断する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高電圧回転電気機械の固定子コイルの絶縁層の劣化を診断する方法として、例えば電気学会技術報告第７５２号，ｐｐ．１１−１８（２０００年１月）には実用化され、あるいは実用化に向けて検討されている各種の診断技術が紹介されている。この中では、絶縁層の劣化診断指標の１つとして部分放電の最大電荷量を用いる方法が示され、ｐ．１６　の表３．２には一例として、最大放電電荷量（表中ではｑｍと表示されている）が１００００ｐＣ以上では要注意、３００００ｐＣ以上で不良、との判定基準が示されている。
【０００３】
また特開２０００−２０６２１３号公報には運転中の電気機械の絶縁監視の方法が示され、その評価指標として最大放電電荷量，総合電荷量，平均放電電流，放電発生位相−電荷量−発生頻度（φ−Ｑ−Ｎ）特性が挙げられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
高電圧回転電気機械については、小形化や信頼性向上などの市場ニーズに応えて、固定子コイルの絶縁層に用いられる材料や製造方法が多様化している。また機械の運転形態も多種多様であり、劣化の進展形態や劣化の兆候の発現形態もさまざまなものとなる。
【０００５】
この中で、機械的要因を主因とする絶縁層の剥離や亀裂は絶縁破壊に至る可能性が大きく、精度良く検出することが求められている。剥離や亀裂を検出する一般的な方法は電気学会技術報告第７５２号に記載されている最大部分放電電荷量を計測する方法である。しかしこの種の機械は運転中の劣化で一度剥離や亀裂等の空隙が生じてもすぐには故障に至ることは少なく、劣化を見落として運転を継続するとその空隙が閉じてしまい、劣化判定基準を超えるレベルの最大部分放電電荷量を検知することができずに、劣化を認知し損なう場合もある。これを繰り返すと気付かぬ間に劣化が進展し、ある時に突然故障に至るような可能性がある。
【０００６】
これを避けるために検討されているのが特開２０００−２０６２１３号公報に記載されている方法で、運転中の機械の劣化指標データを評価しようとしている。しかし運転中の劣化指標データを検出するには空間，ライン両方の多くの周辺電磁ノイズと信号データとの識別が複雑であり、また計測装置やコスト面での制約もある。
【０００７】
本発明の目的は、コイルの絶縁劣化診断方法に新たな観点を加え、主に機械的な要因による絶縁層の剥離や亀裂といった形態の破損を見落とす可能性を低減した、信頼性の高いコイルの絶縁劣化診断方法を提供するところにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、マイカをレジンで固着したコイルの複合絶縁体において、電圧を印加した時に発生する部分放電のうち一定の周波数と大きさの閾値を満たす部分放電についてその電荷量を検知し、放電電荷量に対する、印加電圧の１サイクル当たりの放電数分布を算出して、該放電数分布に基づいて劣化判定することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、検知した部分放電の電荷量に基づいて、印加電圧の１サイクル当たりの総放電電荷量を算出し、該総放電電荷量に基づいて劣化判定することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、検知した部分放電の電荷量の平均値を算出し、該平均値に基づいて劣化判定することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、コイルとして、高電圧回転電気機械の固定子コイルであるコイルの絶縁診断方法に好適である。
【００１２】
本発明では、高電圧回転電気機械の固定子コイルの絶縁劣化診断指標としての部分放電測定に際して、一定時間において、測定上の制約による閾値を越える全部分放電データの大きさと位相を収集し、数値処理で分析する方法が望ましい。
【００１３】
本発明の上記特徴及び上記以外の特徴は、以下の記載により、更に説明される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に図を用いて、本発明の実施例を説明する。高電圧回転電気機械の一例として発電機に適用した場合について、図１に対象とする発電機１の構成例を示す。回転子２０を囲んで固定子コア２１が配置されている。固定子コア２１にはスロット３０が設けられて、固定子コイル４０が組込まれている。
【００１５】
図２に固定子コイル４０の詳しい構造を示す。固定子コア２１に設けられた１つのスロット３０には上コイル４０Ｕと底コイル４０Ｂの２本１組の固定子コイル４０が組込まれる。そして固定子コイル４０はスプリング部材２３，２６，絶縁スペーサ部材２４，２５，楔２２でスロット３０内に固定される。上コイル４０Ｕはさらに詳しくはコイル導体４２の周囲に絶縁層４３が形成されている。これは底コイル４０Ｂについても同じである。コイル導体４２は高電位、固定子コア２１は接地電位であるので、この絶縁層４３には厳しい電界が加わり、ここが絶縁破壊すると機械が機能しなくなることから、機械の運転に伴う経時劣化は十分な注意が必要である。本実施例は、この絶縁層４３の劣化診断技術に関するものである。
【００１６】
絶縁層４３はマイカ片を多層に重ねて有機レジン、代表的にはエポキシレジンで固着して形成される。絶縁特性上は内部がマイカとレジンで完全に充填されている絶縁層が望まれるが、工業的な製品として製作される実際の発電機用コイルはある程度の空隙が残留することが避けられない。内部に空隙のある絶縁層に高電圧が加わると誘電率の違いにより、空隙で部分放電が発生する。
【００１７】
一方、電気機械を長時間運転すると、絶縁層内部には電気的，機械的，熱的，その他のストレスが加わる。そして最初からある空隙や、主に機械的な負荷要因で新たに発生した空隙が拡大進展して剥離や亀裂につながる恐れがある。
【００１８】
ここで、絶縁層の放電と検出について、説明する。図８で示すように、部分放電とは、絶縁層の内部にある欠陥（ボイド，剥離，亀裂等）部分だけで生じる放電を言う。本明細書ではこの放電のみを対象にする。
【００１９】
図９で示すように、絶縁層の欠陥部分だけでなく、全体を貫通して電荷が移動する場合を全路放電などと呼ぶ。これは絶縁層が破壊した状態である。
【００２０】
図１０で示すように、絶縁層内部の部分放電は電圧の位相に対して特定の分布で発生する（図中黒丸）。一方、実質的に意味のない放電（ノイズ）も多く発生する（図中白丸）。そこで両者を区別するために閾値を設けて、計測器にはその閾値以上の信号だけを取り込む。
【００２１】
従来の「最大放電電荷量」は最大の放電の電荷量のことである。これに対して、本発明では計測器に取り込んだ電荷量として、「全」部分放電電荷量を取り扱うものである。従って、本願発明の詳細な説明の欄で扱っているのは、「（閾値を越えて計測器に取り込んだ）全部分放電の電荷量」である。
【００２２】
一般的には空隙が拡大すると部分放電電荷量が増加するので、これを劣化の指標とすることができ、従来の技術の項で記載したように、部分放電電荷量を最大値，総合値，φ−Ｑ−Ｎ特性、等として捉え、劣化の判定指標としてきた。
【００２３】
ところが劣化の形態によっては絶縁層が機械的に破壊しても、その兆候が上記の各指標に表われない場合があることがわかってきた。図３に絶縁層に機械的な歪を加えながら最大部分放電電荷量を測定した一例を示す。歪０．２％　で最大部分放電電荷量はやや増加し、０．２５％　で急増している。この時点でこの絶縁層は機械的に破損し、亀裂が生じたものと見られる。ところがさらに歪が増して０．３％　になると最大部分放電電荷量は減少し、その後歪を開放すると最大部分放電電荷量は絶縁層が破壊する前のレベル近くまで低下してしまう。歪０．２５％時には絶縁層内部に亀裂に伴う空隙が生じていたものが、さらに大きな歪では絶縁層の破断片が放電経路の障壁となって部分放電電荷量が低下し、その後歪が開放されると空隙が破断片で埋められて部分放電電荷量は破壊前のレベルまで低下したものと推定される。
【００２４】
歪解放後にこの絶縁層の絶縁破壊電圧を実際に測定したところ、推定の初期値に対して３０％に低下していた。最大部分放電電荷量は小さいにも関わらず、亀裂が生じた絶縁層では絶縁破壊電圧は確実に低下しており、最大部分放電電荷量が劣化の指標にはならないことが確かめられた。
【００２５】
本実施例では、部分放電の新しい分析指標として、放電数分布を採用した。図４に放電数分布を測定するための部分放電測定回路のブロック図を示す。測定対象であるコイル１１の絶縁層に電源１２から高電圧を加えた際に発生する部分放電信号をプローブ１３，増幅器１４，フィルタ１５を介して、検出器１６に電荷量情報として取り込む。フィルタ１５は部分放電として取り込む信号の周波数帯域を規定する役割を担う。また検出器に取り込む際には、ノイズと放電信号を区別するために一定の閾値を設定する。一方、分圧器１７を介して印加電圧の時間情報を検出器１６に取り込む。そしてこれらの数値データをコンピュータ１８に転送する。
【００２６】
本実施例における放電数分布分析では検出器１６に取り込んだ全ての部分放電の電荷量の大きさを、定めた区間毎に区切り、その区間に入る放電の数を求めてプロットするものである。放電電荷量の区切り閾値の一例として、２の３乗根である式１で決まる値を目安として、取り扱い上の利便性を配慮して次の値とした。
【００２７】
１．００，１．２５，１．６０，２．００，２．５０，３．１５，４．００，５．００，６．３０，８．００，１０．０の各値およびこれらの１０のｎ乗倍（ｎは整数）。
【００２８】
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Ｓｋ，Ｓｋ＋１、…（ｋは整数）は区切りの電荷量である。
【００２９】
図５に実施例としての放電数分布特性の一例を示す。図３に示した最大部分放電電荷量特性を測定した試料について同時に測定したデータである。機械的歪０％から０．１５％　までは放電数分布にはほとんど変化はない。絶縁層内には小さいボイドほど多数存在し、それに対応した大きさの放電が観測される。測定上の精度の制約で、約１０ｐＣに閾値を設定し、それを超える放電を検出している。
【００３０】
機械的な歪が増して０．２％　になると放電数分布に変化が生じ、大きな放電の割合が増え始める。これは図３の最大部分放電電荷量特性にも表われている。さらに歪が増して、破壊レベルの０．２５％　では検出閾値よりも高い電荷量にピークを示すようになる。そしてこの分布形状は歪を開放した後でも保持される。図３に示した最大部分放電電荷量特性では歪を開放することで破壊前のレベル近くまで低下しているのに対して、放電数分布特性は破壊状態が保持され、有効な劣化指標となることがわかる。
【００３１】
ここで述べた劣化指標は、測定時点での空隙の存在を示すのみでなく、過去に存在し、測定時点には消滅した空隙痕の存在も示すものである。すなわちある時点で生じた破損を連続監視することなく、検知することができる効果がある。
【００３２】
図６に本発明の変形例として、図４の測定回路で検出した全部分放電の放電電荷量に式２を適用して算出した１サイクル当たりの総放電電荷量の、機械的な歪に対する変化を示す。
【００３３】
１サイクル当たり総放電電荷量＝Σ｜Ｑｉ｜［ｉ＝１〜ｎ］／ｍ…（式２）
ここでＱｉは個々の放電の電荷量、ｎは放電検出数、ｍは電源のサイクル数である。
【００３４】
本データもこれまでと同じコイルから得られたデータの例である。絶縁層に亀裂が生じた歪０．２５％　では直前の０．２０％　の数倍に増加し、その後は歪を開放してもほぼ同じ大きさを示している。これは図３に示した最大部分放電電荷量特性には見られない特徴で、一度亀裂が生じると、その後歪を開放しても元には戻らないことを示しており、絶縁層の破壊履歴を保持することのできる指標である。
【００３５】
亀裂が存在する絶縁層では図３に示したように大きな部分放電が生じるが、そのような大きな部分放電を誘起するためには高い電圧が必要で、１サイクル当たりの放電数はそれほど多くない。一方、一度生じた亀裂が歪の緩和で閉じられても、小さい空隙は多数残るので部分放電は継続する。この場合には空隙は小さいために１個の放電電荷量は小さいが、小さいエネルギーで放電するため、１サイクル当たりの放電数は多くなり、１サイクル当たりの総放電電荷量は亀裂のある場合と同等に大きな値となる。このように機械的に破壊した絶縁層の評価には１サイクル当たりの総放電電荷量が有効な指標になることがわかる。
【００３６】
本発明のさらに他の実施例として、測定した部分放電電荷量を基に式３で算出した平均電荷量を劣化の指標とする実施例を示す。
【００３７】
平均電荷量＝Σ｜Ｑｉ｜［ｉ＝１〜ｎ］／ｎ　　　　　　　　　…（式３）
図７に平均電荷量の歪に対する特性を示す。ここでは絶縁層に亀裂が生じた歪０．２５％　での平均電荷量だけが他より約２桁大きくなっている。図３に示した最大電荷量は、歪０．２５％　では０％での値より約１桁大きいだけなので、亀裂が生じた絶縁層については平均電荷量の方がより顕著に劣化を表わすことがわかる。これは絶縁層に生じた亀裂部での大きな放電の数が相対的に多くなるためである。
【００３８】
以上の実施例において説明した高電圧コイルの絶縁診断方法では、個々の部分放電電荷量データを収録して、数値的に分析している。このうち部分放電電荷量を一定の規則に則った電荷量の帯域に区切って分類し、それぞれの帯域に含まれる放電の数の分布を見ることにより、絶縁層が破壊した際の亀裂が空隙として存在する状態、および一度生じた空隙が閉じた状態を検知することができる。また１サイクル当たりの総放電電荷量からもやはり破壊履歴を知ることができる。さらに放電電荷量の平均値は絶縁層内に空隙が存在する状態をより顕著に表わすことができる。
【００３９】
このように個々の部分放電データを収録して分析することで、高電圧コイルの絶縁層の内部の状態に関するより詳しい情報を得ることが可能となる。そして高電圧コイルの絶縁劣化診断方法に新たな観点を加え、多角的に評価することで信頼性の高い高電圧コイルの絶縁劣化診断方法を実現することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、コイルの絶縁劣化診断方法に新たな観点を加え、主に機械的な要因による絶縁層の剥離や亀裂といった形態の破損を見落とす可能性を低減した、信頼性の高いコイルの絶縁劣化診断方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の発電機の全体構成例を示す概念図である。
【図２】本発明の実施例の発電機固定子と固定子コイルの構成例を示す概念図である。
【図３】従来のコイル劣化指標である最大部分放電電荷量の、機械的負荷に対する特性の一例を示す図である。
【図４】本発明を実行する際に使用する部分放電計測システムの一構成例のブロック図である。
【図５】本発明の一実施例としての部分放電発生数の対電荷量分布の特性例を示す図である。
【図６】本発明の一実施例としての部分放電の一サイクル当たりの総放電電荷量の機械的負荷に対する特性例を示す図である。
【図７】本発明の一実施例としての部分放電の平均電荷量の機械的負荷に対する特性例を示す図である。
【図８】部分放電の説明図である。
【図９】全路放電の説明図である。
【図１０】全部分放電の電荷量の説明図である。
【符号の説明】
１…発電機、１１…コイル、１２…電源、１３…プローブ、１４…増幅器、
１５…フィルタ、１６…検出器、１７…分圧器、１８…コンピュータ、２０…回転子、２１…固定子コア、４０…固定子コイル、４２…コイル導体、４３…絶縁層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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