四国電力，四国電力送配電，四国総合研究所
研究期報１１３ (2020年12月) 7－10

屋外配電箱内蔵ディジタル配電線保護リレーの劣化評価に関する研究㈱四国総合研究所 電力技術部㈱四国総合研究所 電力技術部
四国電力送配電㈱ 送変電部
キーワード：Key Words：

ディジタルリレー
配電線保護
屋外配電箱
配電用変電所
アレニウスの式
10℃2 倍則
加速劣化

西川 将司
武田 憩空
小松 宏彰

electrical digital relay
distribution line protection
outdoor cubicle
distribution substation
Arrhenius equation
10℃ 2 times law
accelerated degradation

Research on Deterioration Evaluation of Electrical Digital Distribution Line Protection Relay
Built in Outdoor Cubicle
Shikoku Research Institute, Inc., Electric Power Technology Department
Masashi Nishikawa, Yasutaka TakedaShikoku Electric Power Transmission & Distribution Company, Inc., Transmission & Substation Department
Hiroaki Komatsu
Abstract
Some electrical digital distribution line protection relays built in outdoor cubicles installed in distribution
substations have gradually reached the age of 15 years, the recommended time of replacement by manufacturers.
However, at present, there is not enough evidence to extend the replacement time, the 15-year aging recommended
by the manufacturer. We conducted the deterioration evaluation of electrical digital relays to obtain knowledge on
the formulation of future renewal plans for digital relay.
The life of an electrical digital relay is generally greatly affected by the environment such as ambient temperatureand humidity, and is considered to follow the 10℃ 2 times law of Arrhenius equation. Using a removed product of
the age of 15 years electrical digital relay, we accelerating deteriorated the product in close to production
environments, and calculated and evaluated the aging by the 10℃ 2 times law based on the temperature andhumidity determined according to the environmental survey of the outdoor cubicle. In addition, at the componentlevel of electrical digital relays, we took out capacitors inside electrical digital relays that had reached theequivalent of 40 years and conducted a single item survey since we considered that electrolytic capacitors are theweakest parts where the progress of deterioration over time is the fastest.
As a result, we consider that the electrical digital distribution line protection relay built in the outdoor cubicle canwithstand the use of 40-years since there was no abnormality in all electrical digital relays tested for accelerated
deterioration.

－ 7 －屋外配電箱内蔵ディジタル配電線保護リレーの劣化評価に関する研究

ディジタルリレーはメーカーの製品開発時に1. はじめに四国電力送配電㈱が配電用変電所に導入しておいて、各種環境下での評価試験が行われている

いる屋外配電箱内蔵のディジタル配電線保護リが、これらは信頼性評価試験および環境試験と言レー（以下、ディジタルリレーという）は、メーわれる過酷かつ短期間の試験である。
そこで本研究では、メーカーで開発時に実施しカー取替推奨の経年 15 年を迎えるものが出てきた過酷な環境での試験ではなく、製品寿命の限界た。
しかしながら、現状ではメーカー取替推奨の経を評価する際のパラメータが複雑とならないよ

年 15 年を延伸するための十分な根拠がない。本う、温度・湿度を上昇させることで、実運用状態

研究では、今後のディジタルリレー更新計画策定の延長線上に近いシンプルな加速劣化試験を実の知見を得るため、屋外配電箱の箱内環境を考慮施する。試験は、経年 15 年のディジタルリレーしたディジタルリレーの劣化評価を行った。図 1

撤去品を用いて行い、複合材料の組み合わせによに同社のディジタルリレーの導入状況を示す。

る不具合発生の可能性を確認するため、電子部品単体で加速劣化させるのではなく、ディジタルリレー撤去品をそのまま用い、恒温恒湿槽にて加速劣化させる。また、アレニウスの 10℃2 倍則により経年を算出し、評価を行うにあたり、変電所に設置された屋外配電箱の環境調査を行い、加速劣化試験時の温度・湿度のベースを決定した。
3. 研究結果
3.1 不具合事例調査
ディジタルリレーにおける弱点部位を確認す

図 1．ディジタルリレーの導入状況

るために、メーカー毎（A 社、B 社）の過去の不具合事例を調査した結果、半導体素子の一過性の不具合と考えられるものが発生していたことが2. ディジタルリレーの劣化評価手法
ディジタルリレーの寿命は、一般的に、周囲の分かった。これらの故障は一般的な故障分布のバ温度と湿度の環境に大きく影響を受けると言わスタブ曲線における偶発故障と推察される。 1)

れており、ディジタルリレー内の半導体チップや過去の不具合事例からは、ディジタルリレーに電解コンデンサは、発熱による劣化や破損、基板おける弱点部位を推察することはできなかった

表面については、劣化による絶縁不良や配線金属が、本研究において加速劣化試験を行うことで劣部の割れによる接続不良などが想定され、これら化が進行し、故障率が上がってくると考えられるの不具合は、アレニウスの 10℃2 倍則に従うと考ことから、その時期を把握し、余寿命評価を行うえられている。アレニウスの簡易的な式では、試こととする。

験温度 T、実使用温度 To、平均寿命時間 L、加速時間 Lo とすると次式が成り立つ。 1)2)3)

3.2 屋外配電箱環境調査
屋外配電箱内の環境を確認するため、試験に使𝑇𝑇−𝑇𝑇𝑇𝑇

𝐿𝐿 = 𝐿𝐿𝐿𝐿 × 2 10用するディジタルリレーが内蔵されていた配電ディジタルリレーは電子機器製品であり、電子箱内に温度・湿度センサとデータロガーを設置し、部品単体とは異なり、複合材料（プリント基板や複数の変電所の配電箱にて 1 時間毎の箱内の温はんだ接合部等）が組み合わさったものである。

度と湿度データを約 1 年間測定した。温度・湿度

したがって、個々の部品毎には信頼性が高くても、センサの設置箇所は、複数ある配電箱の内、最大構成材料の温度による膨張率の違いや振動・衝撃電流が流れて発熱が大きいと考えられる TR2 次による歪やズレ等の不具合が発生する可能性が箱と、日射の影響を最も受ける可能性が高い最端ある。

1)

箱、および、中央付近の箱の計 3 箱を選定し、箱－ 8 －屋外配電箱内蔵ディジタル配電線保護リレーの劣化評価に関する研究内の設置は、各々のディジタルリレーの前面と裏

なお、A 社製のディジタルリレーについては、面の 2 個所とした。図 2 に配電箱内における温65℃以上では電源基板上の保護用サーモスイッ

度・湿度センサ取付状況を示す。

チ動作により電源が「切」となることから、70℃環境測定の結果、最低温度 2.6℃、最高温度49.4℃、平均温度 23.7℃であり、ディジタルリを除くパターンにて加速劣化試験を実施したことを補足しておく。

レーの特性保証温度 0～50℃の範囲内であった。

加速劣化試験状況を図 4 に示す。加速劣化試験

また、相対湿度は最高 79.9％（絶対湿度 27.5g/中はディジタルリレーの電源を「入」とし、装置㎥）であった。

異常接点をオシロスコープに取り込むことで継なお、ディジタルリレーの常規使用環境は B 社続的に監視した。また、加速劣化試験において経製のみ提示されており、その条件である日平均湿年 2 年相当毎にディジタルリレーを恒温恒湿槽

度 30～80％で結露無きことと、現地測定結果をから取り出し、目視による外観検査とリレー性能考慮して加速劣化試験を実施した。

試験を実施した。
加速劣化試験により、A 社・B 社製のディジタルリレー合わせて 13 台が経年 40 年相当（変電所での運用 15 年＋恒温恒湿槽加速劣化 25 年）に達した。試験期間中、全てのディジタルリレーにおいて、装置異常の出力監視、経年 2 年相当毎の外観検査およびリレー性能試験結果について異常は見られなかった。

図 2．配電箱内温度・湿度センサ取付状況

3.3 加速劣化試験
ディジタルリレーの撤去品を恒温恒湿槽に入図 4．加速劣化試験状況

れ、図 3 に示すパターンで温度と湿度を上昇させ、加速劣化試験を行った。

3.4 アルミ電解コンデンサ単品調査

ドライ環境下（相対湿度20%以下）

経年 40 年相当に到達したディジタルリレーについて、装置異常は発生せず、外観検査、リレー

50℃、60℃、70℃※1

性能試験共に異常は無く、明確な劣化箇所は見ら

加湿環境下（絶対湿度55g/㎥※2）
50℃+相対湿度70%、60℃+相対湿度45%、70℃+相対湿度30%※1 加速劣化試験の設定温度による結果のばらつきの可能性を考慮し、３パターンの温度で加速劣化試験を実施※2 恒温恒湿槽の能力上、70℃の相対湿度30%が湿度下限であったことから、絶対湿度の条件は屋外配電箱環境調査
結果より得られたベースの最高絶対湿度27.5g/㎥の２倍の55g/㎥にて加湿を実施
図 3．加速劣化試験パターン

れなかったが、ディジタルリレーの部品レベルでは、電解液をパッキンで封入した構造のアルミ電解コンデンサが経年による劣化進行が最も早い最弱点部と考えられることから、単品調査を実施した。 2)4) なお、ディジタルリレーに使用されているコンデンサとしては、アルミ電解コンデンサとセラミックコンデンサがあるが、セラミックコンデンサは電解液が封入されておらず経年劣化の進行はアルミ電解コンデンサと比較して緩慢であると考えられることから調査対象外とした。

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屋外配電箱内蔵ディジタル配電線保護リレーの劣化評価に関する研究

ディジタルリレーに使用されているアルミ電解コンデンサは、両メーカーともに電源基板にのみ使用されており、主な用途は電源瞬停対策用および電源平滑用であった。経年 40 年相当に達したディジタルリレーの全てのアルミ電解コンデンサを取出し、単品調査を行うことにより劣化状況を確認した。表 1 にアルミ電解コンデンサの単品調査項目を示す。
表 1．アルミ電解コンデンサ単品調査項目
No1

内 容図 6．アルミ電解コンデンサ tanδ 測定結果

外観検査（目視）、静電容量測定、tanδ 測定

24. まとめ

リレーが通電状態にて、CPU がリセットする電源本研究では、加速劣化試験にて経年 40 年相当

瞬停限界時間を測定（時間から容量を算出）に達したディジタルリレーの外観検査とリレー単品調査結果として、図 5 に静電容量測定結果性能試験を行うとともに、部品レベルでの弱点部を、図 6 に tanδ 測定結果を示す。A 社と B 社合位と考えられるアルミ電解コンデンサについて、わせて全 15 種類のアルミ電解コンデンサ（デバ単品調査を行った。
研究の結果、外観検査、リレー性能試験およびイス No.1～15）について、単品調査を実施した。
調査の結果、静電容量は定格比 83.3～106.2％であり、管理値（定格比 80～120％）を外れるものは無かった。tanδ は、定格比 20.5～91.4％であり、管理値（定格比 100％以内）を外れるものは無かった。各アルミ電解コンデンサの初期値は不明であるが、静電容量が定格比 80％に近づいているものもあることから、劣化は進展していると考えられる。なお、外観検査において破損や液漏れは確認されなかった。
また、電源瞬停対策用のアルミ電解コンデンサの瞬断限界時間測定の結果、管理値（設計値±20％）を外れるものは無かった。

アルミ電解コンデンサ単品調査の全てにおいて異常は見られず、屋外配電箱内蔵のディジタルリレーは、40 年の使用に耐えうるものと考えられることが分かった。
［謝辞］
本研究は、四国電力送配電㈱送変電部殿より委託を受け実施したもので、ご協力いただいた関係各位に深く感謝いたします。
［参考文献］
1)

今井康雄、味岡恒夫、沖エンジニアリング㈱：「実践！電子部品の信頼性評価・解析ガイドブック」，日刊工業新聞社，p2，33，146147（2014）2)

今井康雄、味岡恒夫、沖エンジニアリング㈱：「実践！電子部品の信頼性評価・解析ガ
イドブック Part3」，日刊工業新聞社，p27，192（2018）3)(社)日本電気協会：「電力用規格 B-402，デ
ィジタル形保護リレーおよび保護リレー装置（平成 28 年版）」

4)
図 5．アルミ電解コンデンサ静電容量測定結果「JEC-2500 電力用保護継電器
日本電気学会：（2010 年版）」

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