(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子材料に超音波を伝搬させて前記高分子材料の劣化度を非破壊的に診断する方法において、未劣化高分子材料の表面近傍を伝搬した超音波の波形から得られる音響スペクトル強度に対する劣化高分子材料の表面近傍を伝搬した超音波の波形から得られた音響スペクトル強度の比と劣化度との相関関係を用いて、前記高分子材料の劣化度を診断するものであって、前記音響スペクトル強度を求める３レベルの周波数、すなわちｆ１、ｆ２及びｆ３、を選択し、それぞれの前記周波数において、横軸に未劣化高分子材料中を伝搬した音響スペクトル強度を、縦軸に前記未劣化高分子材料中を伝搬した音響スペクトル強度に対する劣化高分子材料中を伝搬した音響スペクトル強度の比をとってプロットし、それらの点を直線で結んで得られる三角形の面積を用いて劣化度を診断することを特徴とする高分子材料劣化診断法。
【請求項２】
請求項１に記載の高分子材料劣化診断法において、３周波数の関係をｆ１＜ｆ２＜ｆ３とし、ｆ２が未劣化高分子材料中を伝搬した音響スペクトル強度のピークまたはピーク近傍であるとともに、ｆ３−ｆ２≒ｆ２−ｆ１の関係を満足するように３周波数を選定する  ことを特徴とする高分子材料劣化診断法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の高分子材料劣化診断法において、前記三角形の面積と前記高分子材料の特性との相関関係を予め求めておき、前記相関関係を用いて前記三角形の面積から劣化度を求めることを特徴とする高分子材料劣化診断法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の高分子材料劣化診断法において、前記高分子材料表面に超音波送信子及び超音波受信子を間隔を置いて配置し、前記超音波送信子から前記高分子材料に超音波を入射し、この入射された超音波を前記高分子材料の表面近傍を伝搬させて前記超音波受信子に接する表面部位に到達させ、この到達した超音波を前記超音波受信子で受信し、受信された超音波の波形から得られる音響スペクトル強度を用いることを特徴とする高分子材料劣化診断法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の高分子材料劣化診断法において、診断対象部位より運転中の温度が低く、かつ機器の中で最も低い温度部位又はその近傍の高分子材料を未劣化高分子材料の代替材料とすることを特徴とする高分子材料劣化診断法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の高分子材料劣化診断法において、劣化診断の対象となる高分子材料を構成材の一部に組み込んだ機器が、変圧器、変成器、開閉器、回転機、絶縁用スペーサ及び絶縁用ブッシングなどの電気機器であることを特徴とする高分子材料劣化診断法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子材料の劣化度を診断する方法に関するもので、特に変電機器などの電気機器に絶縁部材として使用される高分子材料の劣化診断法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気機器などには、絶縁部材としてエポキシ樹脂などの高分子材料が使用されている。使用条件は高温、多湿、温度変化を伴う場合があり、紫外線などの有害光に曝されたり、放射線下などの過酷な条件下で長時間にわたって使用されると、高分子材料の材質が変化し電気的又は機械的特性が低下する。これを劣化という。高分子材料の劣化が進行すると機器の不具合を引き起こし、安全上問題となる恐れがある。そこで、所定の期間ごとに劣化状態を調査診断し不具合が発生する以前に適切に対処することが求められる。
高分子材料の劣化機構には、分子鎖の切断による分子量の減少、末端原子の酸化によるＣ−Ｃ結合の遊離、末端官能基のカルボニル基などの生成や分解、側鎖の架橋の促進や破断、充填材として用いられている異質材料との結合の切断などがある。これらの機構によって、高分子材料の絶縁性能やその他の電気的特性が低下したり、機械的強度の低下により部材表面に亀裂が発生し、それが成長して破壊に至る恐れがある。
【０００３】
高分子材料の劣化診断には多くの方法が適用されている。劣化度をなるべく正確に把握するには、実際使用中の機器に使われている高分子材料の部材全体や一部を取り出して、化学・物理的分析、機械的試験及び各種物性測定を行なうことになるが、これは破壊検査になる。この点で、診断結果として健全と判断された場合に機器を継続的に使用することができるようにするため、非破壊検査法を適用することが望ましいが、この場合でも出来る限り正確な劣化情報を得る必要がある。非破壊検査法としては、部材表面に対する色度試験、材料内部に対しては音響伝搬試験が行なわれている。
中でも音響伝搬試験法は、高分子材料中を伝搬してきた音波の波形や音速の変化を捉えて診断を行なうので、種々の劣化機構に基づく材質変化を総合的に捉えた有効な劣化診断法である。
【０００４】
音響伝搬特性を劣化度の診断に用いるとした既発明には、特許文献１ないし特許文献４に開示されているものなどがある。これらの発明はいずれも高分子材料に水平伝搬の横波音波、すなわちＳＨ波を伝搬させるものであり、その伝搬時間または音速が劣化度合いを良く反映するとしている。また他に既発明として特許文献５に開示されているものがある。この発明で用いられる音波は水平伝搬の縦波であって、電線被覆材のような軟質材料に適しているとしており、伝播時間、すなわち音速を用いて診断を行なう方法を開示している。
【特許文献１】特開平１１−２１１６９９号公報
【特許文献２】特開平１０−１０４２０７号公報
【特許文献３】特開平９−２３６５８５号公報
【特許文献４】特開平９−５３０９号公報
【特許文献５】特開平１１−３３７５３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現地に設置されている機器に用いられている高分子材料の劣化診断では、診断結果として健全と判断された場合に機器を継続的に使用することができるようにするため、非破壊的な診断法が求められる。しかしながら、従来から知られている高分子材料の非破壊的な劣化診断法では診断精度が必ずしも十分とは言えない。本発明においては超音波を用いて非破壊的に実用上十分に高い精度で高分子材料の劣化度を診断することができるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明は、高分子材料に超音波を伝搬させて前記高分子材料の劣化度を非破壊的に診断する方法において、未劣化高分子材料の表面近傍を伝搬した超音波の波形から得られる音響スペクトル強度に対する劣化高分子材料の表面近傍を伝搬した超音波の波形から得られた音響スペクトル強度の比と劣化度との相関関係を用いて、前記高分子材料の劣化度を診断するものであって、前記音響スペクトル強度を求める３レベルの周波数、すなわちｆ１、ｆ２及びｆ３、を選択し、それぞれの前記周波数において、横軸に未劣化高分子材料中を伝搬した音響スペクトル強度を、縦軸に前記未劣化高分子材料中を伝搬した音響スペクトル強度に対する劣化高分子材料中を伝搬した音響スペクトル強度の比をとってプロットし、それらの点を直線で結んで得られる三角形の面積を用いて劣化度を診断するものとする（請求項１の発明）。
上記のように、高分子材料に超音波を伝搬させてその劣化度を非破壊的に診断するために、本発明では、高分子材料の表面近傍に超音波を伝搬させた場合の音波波形から音響スペクトル強度を求める。予め劣化のない高分子材料における音響スペクトル強度と機械的強度及びその他の必要な特性値との関係を求める。一方で高分子材料を強制的に加速劣化させて劣化度を変えた試料を作成し、音響スペクトル強度と機械的強度及びその他の必要な特性値との相関関係を求める。その上で使用中の機器部材の高分子材料の音響スペクトル強度を測定することによって予め求めた相関関係から劣化度を換算して目的を達成する。
【０００７】
なお、この場合、未劣化高分子材料の音響スペクトル強度に対する劣化高分子材料の音響スペクトル強度の比、すなわち規格化した値を用いて診断する。
また、上記のように、超音波を高分子材料の表面近傍を伝搬させるため、劣化診断の対象となる高分子材料の厚さや形状の影響を少なくすることができる。
【０００９】
また、上記のように音響スペクトル強度を３つの周波数で求めるので、劣化診断の信頼性および精度をより高くすることができる。
また、請求項１に記載の高分子材料劣化診断法において、３周波数の関係をｆ１＜ｆ２＜ｆ３とし、ｆ２が未劣化高分子材料中を伝搬した音響スペクトル強度のピークまたはピーク近傍であるとともに、ｆ３−ｆ２≒ｆ２−ｆ１の関係を満足するように３周波数を選定することが好ましい（請求項２の発明）。
また、請求項１または請求項２に記載の高分子材料劣化診断法において、前記三角形の面積と前記高分子材料の特性との相関関係を予め求めておき、前記相関関係を用いて前記三角形の面積から劣化度を求めることが好ましい（請求項３の発明）。
また、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の高分子材料劣化診断法において、前記高分子材料表面に超音波送信子及び超音波受信子を間隔を置いて配置し、前記超音波送信子から前記高分子材料に超音波を入射し、この入射された超音波を前記高分子材料の表面近傍を伝搬させて前記超音波受信子に接する表面部位に到達させ、この到達した超音波を前記超音波受信子で受信し、受信された超音波の波形から得られる音響スペクトル強度を用いることが好ましい（請求項４の発明）。
上記のように、高分子材料に超音波を伝搬させるために、超音波送信子及び超音波受信子を高分子材料の表面に適切な間隔をおいて配置し、超音波送信子及び超音波受信子間の高分子材料表面近傍に超音波を伝搬させる。この際、超音波送信子から高分子材料に入射された超音波が高分子材料の表面近傍を伝搬して超音波受信子に接する表面部位に到達し超音波受信子で受信されるような音響的屈折条件となるように構成された超音波送信子及び超音波受信子を高分子材料表面に配置するが、例えば、前記屈折条件となるようにスネルの法則に従った角度で加工されたスペーサを送信子及び受信子と高分子材料表面との間に介在させるようにするとよい。
また、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の高分子材料劣化診断法において、診断対象部位より運転中の温度が低く、かつ機器の中で最も低い温度部位又はその近傍の高分子材料を未劣化高分子材料の代替材料としてもよい（請求項５の発明）。
【００１０】
上記のように、未劣化高分子材料としては、稼動中に最も温度が低い領域にあった高分子材料を用い、それと高温領域に曝された高分子材料との比較からも診断することができる。
また、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の高分子材料劣化診断法において、劣化診断の対象となる高分子材料を構成材の一部に組み込んだ機器が、変圧器、変成器、開閉器、回転機、絶縁用スペーサ及び絶縁用ブッシングなどの電気機器であってもよい（請求項６の発明）。
超音波音響スペクトルに基づく本発明の高分子材料劣化診断法は、高分子材料の劣化度を非破壊でかつ高精度に診断することができるので、特に高い信頼性が求められる上記のような電気機器にも好適に適用することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、超音波を用いて高分子材料の劣化度を非破壊的に診断することができるとともに、特に超音波の音響スペクトル強度と劣化度との高い相関関係を用いていることにより、劣化診断精度を実用上十分に高いものとすることができる。
また、超音波を高分子材料の表面近傍を伝搬させるため、劣化診断の対象となる高分子材料の厚さや形状の影響を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、超音波伝搬特性測定系の概念図であり、図１（ａ）は超音波の垂直伝搬特性を用いて高分子材料の劣化を診断するための送信子１及び受信子２の配置概念図である。図１（ａ）は超音波を材料表面に対して垂直に伝搬させる場合のセンサーの配置を示しており、送信子１から送信された超音波パルスは試料１０表面に垂直に入射し、試料１０の厚さ１０１を伝搬して受信子２で受ける。図１（ｂ）は音波波形の概念図である。超音波は試料１０中を伝搬する間に生じる散乱拡散や吸収により減衰する。また、台形波で送信子１から入射したものが振動波形に変形して受信子２で検出され、そこで電気信号に変換され出力される。超音波伝搬特性として音速を用いる場合には、超音波パルスの入射時間と受信時間との差、すなわち超音波パルスの伝搬時間２０１と超音波伝搬距離１０１、すなわち試料の厚さが正確に分っておれば音速を算出できる。図１に示すように被測定材料の表裏に送信子１及び受信子２を設置する他に、表面に送受信子一体にしたセンサーを設置し裏面から反射してきた音響パルスを表面で受信し音速を測定することもできる。この方法は裏面に受信子を設置できない場合に有効であるが、これらの垂直伝搬法は実機に適用する場合には材料の厚さを正確に測定できないことが多く、被測定材料の形状も様々で場所により厚さが変化するなどの制限があり適用しにくい問題がある。また、図１（ａ）に示すセンサー配置の測定系において、受信子２で検出された音波波形をスペクトル解析することにより、超音波伝搬特性として音響スペクトル強度を求めることができる。
【００１３】
図２は、超音波の水平伝搬特性を用いて高分子材料の劣化を診断するための送信子３及び受信子４の配置概念図であって、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は側面図である。送信子３から被測定試料１１の表面近傍に入射された超音波パルスは試料１１の表面に沿って伝搬して、受信子４に到達して電気信号として検出される。この場合に、送信子３から入射された超音波パルスが試料１１の表面近傍を伝搬して受信子４に接する表面部位に到達し受信子４で受信されるような屈折条件となるように、送信子３と試料１１の間及び受信子４と試料１１の間にそれぞれ図示されないスペーサを設けるとともに、これらのスペーサは、これらのスペーサと試料の音速の違いに応じてスネルの法則に従った角度で加工したものを用いる。この水平伝搬方式は、垂直伝搬方式に比べ、超音波の伝搬路を試料表面付近とするため、試料の厚さ方向の形状や構造による制限を受けずに測定ができる。超音波伝播特性として音速を用いる場合には、実際にはセンサー内の音波の発信及び受信の位置が正確に把握できないので、送信子及び受信子間の距離を変えて発信から受信までの時間を測定しその差から音速を求める。また、図２に示すセンサー配置の測定系において、受信子４で検出された音波波形をスペクトル解析することにより、超音波伝播特性として音響スペクトル強度を求めることができる。
【００１４】
高分子材料の劣化度を診断するためには、予め材料を高温で長時間加熱するなどして材質を強制的に変質させ、図１又は図２に示す方法で音響特性を測定することにより、材料の劣化と音響特性との関係を求めることができるが、本発明は、前記音響特性、すなわち超音波伝搬特性として、特に超音波の音響スペクトル強度を用いたものである。以下では、超音波音響スペクトルに基づく本発明の高分子材料劣化診断法をエポキシ樹脂に適用した例について、図３〜７により説明する。なお、劣化診断の対象としたエポキシ樹脂は図３〜７において同じ組成のものである。
図３は、エポキシ樹脂表面に矩形波の超音波パルスを伝搬させて透過した音波波形の例を示す。劣化処理を与えていない未劣化材料と空気中で180℃の加熱温度条件において加熱劣化した試料の波形を比較して示した。両者の試料透過波形には違いが認められる。これらの波形の第１ピークと第３ピークの範囲をスペクトル解析して得た周波数と音響スペクトル強度の関係を図４に示す。図４における音響スペクトルは正規分布に近い形状を示している。劣化によってスペクトル強度のピークが低周波数側にシフトしている。この周波数シフトを利用して劣化度が診断できる。
【００１５】
また、図５は、図４に示した音響スペクトルの図に劣化試料の音響スペクトル強度を未劣化試料の音響スペクトル強度で除して規格化した結果を合わせて示す。劣化することにより高周波領域における規格化した値すなわち音響スペクトル強度比が低下している。なお、周波数４ＭＨｚ付近に規格化した値にピークが見られるが、これは試料の裏側での音波の反射の影響によるもので、劣化状態と関係がない。
図６は、横軸に未劣化試料の音響スペクトル強度をとり、縦軸に180℃の加熱温度条件において加熱劣化した劣化試料の規格化したスペクトル強度をプロットした結果を示す。それぞれの点は３つの周波数、すなわち１ＭＨｚ、２ＭＨｚ及び３ＭＨｚにおける値をプロットした。中間周波数の２ＭＨｚは未劣化試料のスペクトル強度のピークに近い値である。３点を結ぶと三角形が形成される。劣化時間が長くなると、三角形の面積（求積値）が大きくなる傾向が認められた。なお、念のために周波数域を１０分割し、１１点でプロットした結果を比較して２点鎖線で併記したが、３点で形成した三角形と大差が見られなかった。なお、未劣化試料の求積値は当然０である。周波数を３レベル選定することにより、１点では変動が大きくばらつくため精度の高い診断が困難であった課題を克服でき、３点でも１０点の結果と大差がないことも確認できたので、周波数を３レベル選ぶことによって信頼性の高い診断が可能になった。
【００１６】
図７は、エポキシ樹脂を加熱して劣化させた試料の該三角形の面積（求積値）と引張強度との関係をプロットした結果を示す。両者間には相関関係が成り立つことを確認できた。従って、高分子材料の種類ごとに引張強度と三角形求積値との相関関係を求め数式化しておけば、試料を伝搬してきた超音波の波形を解析し、音響スペクトル強度を求めることにより、高分子材料の劣化度を診断することができる。高分子材料は熱硬化性高分子材料と熱可塑性高分子材料に大別できるが、本発明はその原理から両者に適用可能である。
以上の説明で用いたデータは超音波波形のピーク／ピーク範囲でスペクトル解析を行なった結果であるが、ゼロクロス／ゼロクロス範囲で処理しても同じ結果が得られることを確認しており、本発明による高分子材料劣化診断法における音響スペクトル解析範囲境界は、透過音響波形のピークポイントであってもよく、また、透過音響波形のゼロクロスポイントであってもよい。
【００１７】
また、図３〜７により、本発明による高分子材料劣化診断法をエポキシ樹脂に適用した例について説明したが、上述の例では、劣化診断用の超音波として水平伝搬縦波を用いている。
また、本発明による高分子材料劣化診断法の診断対象となる材料は、上述のように、熱硬化性高分子材料であってもよく、また、熱可塑性高分子材料であってもよい。すなわち、材料ごとに個別に超音波音響スペクトルと各種特性との相関関係を予め求めておけば、診断対象材料が熱硬化性高分子材料であっても、熱可塑性高分子材料であっても、超音波音響スペクトルに基づく本発明の高分子材料劣化診断法を有効に適用することができる。
また、本発明による高分子材料劣化診断法の診断対象となる機器としては、高分子材料を用いた機器であれば全てが対象になるが、特に高い信頼性が求められる重要機器を診断対象とする場合には、非破壊での高精度の劣化度診断が可能な本発明の劣化診断法が好適である。劣化の検査、診断の対象になる機器の具体的な例としては、各種変電機器や回転機などの電気機器があり、代表的な変電機器として、樹脂絶縁された変圧器、計測用変成器、開閉器などがある。これらの機器に使用されている高分子材料の部材は通常、数１０ｃｍの大きさを持っており、本発明の診断部分の大きさである数ｍｍから10数ｍｍに比べ十分大きく、本発明は十分適用できる。
【００１８】
高分子材料の劣化の主な原因は高温に長時間曝されることである。高分子材料の温度は高分子材料の使用場所によって異なる。すなわち発熱部に近い箇所、下部より上部にある箇所、対流の悪い箇所などは温度が高くなりやすく劣化が進行しやすいので、それらの箇所の高分子材料が診断の対象になる。これに対して運転中に温度が殆ど上昇しない箇所の高分子材料は劣化が進行しないことから、劣化を受けていない試料として扱うことができる。変電機器などの健全性評価は２０〜３０年間使用後行なわれることが多く、診断対象の機器に用いられている高分子材料と同じ種類の未使用の材料を新規に入手できない場合が多い。そのような場合、本発明では、上記のような低温箇所の高分子材料を劣化診断の比較サンプルとして利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明は、各種変電機器、例えば樹脂絶縁された変圧器、計測用変成器及び開閉器などに最適に利用できる。この外、樹脂絶縁された一般の電気機器あるいは高分子材料を構造部材とする製品に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】超音波伝搬特性測定系の概念図
【図２】超音波の水平伝搬特性を用いて高分子材料の劣化を診断するための送信子及び受信子の配置概念図
【図３】エポキシ樹脂表面近傍を伝搬させた超音波の波形例を示す図
【図４】図３の超音波波形の音響スペクトル解析結果を示す図
【図５】図４の音響スペクトルに劣化材料の音響スペクトルの規格化結果を合わせて示す図
【図６】未劣化試料の音響スペクトル強度（横軸）及び劣化試料の規格化スペクトル強度（縦軸）の３つの周波数におけるプロット点を示す特性図
【図７】図６で形成される三角形の面積（三角形求積値）と引張強度の関係を示す特性図
【符号の説明】
【００２１】
１・・・垂直送信子、  ２・・・垂直受信子、  ３・・・水平送信子
４・・・水平受信子、１０・・・被測定試料（垂直用）、１１・・・被測定試料（水平用）
１０１・・・超音波伝搬距離（試料厚さ）、１０２・・・超音波伝搬距離（水平用）
２０１・・・超音波伝搬時間
【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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