231

高圧電動機の絶縁劣化兆候検知手法の開発（2）−オンライン部分放電モニタによる実機試験の結果−
Development of Method for Detecting Signs Deterioration in Insulatorof High-Voltage Motors（2）−Test Results of a New On-line Partial Discharge Monitor for HighVoltage Motors in Nuclear Power Stations−
栃尾 篤（Atsushi Tochio）*†

兼田 吉治（Yoshiharu Kaneda）††

浦川 伸夫（Nobuo Urakawa）

要約 原子力発電所で数多く用いられている高圧電動機の絶縁劣化を早期に検出するため，運転中に絶縁物中の部分放電（PD）を測定するオンライン部分放電モニタを新たに開発し，実際の原子力発電所の16台の高圧電動機で試験を行った．この実機試験の結果から，ノイズ除去の周波数帯域の設定方法を明確にし，高圧電動機に内蔵されている測温センサ（RTD）を電磁アンテナとして検出するRTD直接検出はPDに対して充分な感度を有することを確認した．RTDが温度計測に使われている場合やRTDを内蔵していない場合に用いる高周波変流器（RFCT）検出では，感度は約1/10となるがPDの簡易診断に使える可能性があることが分かった．
更に，従来のオフライン試験結果と今回のオンライン試験結果の関係に相関性が認められ，これまでのオフライン試験で確立されてきた管理方法がオンライン試験にも適用できる可能性があることを示した．

キーワード

高圧電動機，絶縁劣化，部分放電，オンライン部分放電モニタ

Abstract
For the purpose of early detection of deterioration of insulators in high-voltage motors
which are widely utilized in nuclear power stations, a new on-line partial discharge(PD) monitor wasdeveloped and was tested for sixteen motors which were practically running in nuclear power stations.
From the test results, it is seen that (1)good signal to noise ratio is obtained by adopting a two
frequency correlation method, (2)a resistance temperature detector(RTD) in a motor has sufficientsensitivity to detect PD, (3)when RTD is not installed or is unable to use for this purpose, a radio
frequency current transformer(RFCT) can be utilized, although its sensitivity is about 1/10 of that of
the RTD monitor.
Finaly we found a good correlation between the results of this on-line method and the conventional
off-line method in which the insulator resistance of a concerned motor was measured during its shutdown, and thereby we demonstrated that this method could be applicable to the on-line test of highvoltage motors in nuclear power stations.
Keywords

High-voltage motor, deterioration of insulators, partial discharge, on-line partial discharge

monitor.

1.

はじめにいられている．高圧電動機は定期点検中にオフラインで絶縁抵抗測定などの絶縁試験を実施している

原子力発電所には，１次冷却材ポンプモータをはが，運転中に絶縁破壊すると発電所の運転に支障をじめ主要な回転機用として数十台の高圧電動機が用来す恐れがあるため，故障の主要因である固定子巻* （株）原子力安全システム研究所 技術システム研究所†三菱電機（株）先端技術総合研究所††三菱電機（株）電力・産業システム事業所

232

線の絶縁劣化度，残存耐電圧などを非破壊的にオン大きい．この特性から観測する高周波領域を低い領ライン診断を行う技術開発が期待されている．高圧域（ここでは緑の領域と称し，約5〜20MHz）およ

電動機の固定子巻線に絶縁劣化が生じた場合に，最び高い領域（ここでは青の領域と称し，約15〜も多く発生する現象は，マイカ／エポキシ絶縁体が40MHz）に分け，各領域でそれぞれ中心周波数f1お

熱的，機械的，電気的またはそれらの複合要因によよびf2，帯域幅はいずれも3 MHz（狭帯域）として，って起こる部分放電(PD:Partial Discharge)である．

出力信号を取り出した．なお，f1はあまり小さくする

そこで，オンライン絶縁診断技術として，運転中のと感度が下がることにも注意した．このようにしてPDを測定する方法が世界的に研究されている．し

得た緑の領域からの信号F1と青の領域からの信号F2かしながら，PDと類似のノイズが問題となり国内を比較すると，PD群ではF2はF1からあまり低下せず，では実用化が進んでいない現状にある．

すなわち，F2/F1は１に近いのに対し，ノイズ群では本研究は，原子力発電所の安全性と信頼性を向上

F2/F1は１よりずっと小さくなる．そこでこの比によするための研究の一環として，運転中の高圧電動機りPDとノイズが識別できる．本研究ではこのようにのPD測定について簡易にオンライン診断が可能なしてノイズを除去する２周波相関法を採用した（2）．

可搬型システムの構築を目指している．

実際には高圧電動機によって，この高周波信号の周前報では，３種類のオンライン絶縁劣化兆候検知波数分布が異なるため，部分放電モニタを用いそれ手法（部分放電モニタ）の比較試験を実施し，運転中ぞれの場合について最適な f 1と f 2の組み合わせを探（1）の高圧電動機でPDを検知できることを確認した ．

索した（３）．

本報は，得られた成果を実機試験に応用し，最適な絶縁診断システムとして設定する条件について検2.2

検出の方法討を行った．
PD検出は，高圧電動機の温度測定のために固定子スロットに内蔵されている測温センサ（RTD: Resista-試験の方法

2.

nce Temperature Detector）を電磁アンテナとして利用し，機外のRTD端子箱にて直接結線して信号を取検出の原理

2.1

り出すRTD直接検出，RTDリード線に高周波変流器運転中の高圧電動機の内部で発生しているPDと（RFCT:Radio Frequency Current Transformer）を取りノイズの概念を図1に示す．高圧電動機の機内で発付けるRTDRFCT検出および接地線にRFCTを取り付生するPDは，高周波信号の減衰割合が小さく，高ける接地線電流RFCT検出である．各々の検出方法

圧電動機の外部（電源，接地線）から侵入するノイを図2と図3に示す．

信号強度（dBV）

実機試験に用いた部分放電モニタは，新たに開発した高圧電動機用オンライン部分放電モニタであるの領域から中心周波数を

←ｆ2

←ｆ1

ズは，伝搬経路が長くなり高周波信号の減衰割合がｆ 1 とする3MHzの狭帯域検出→ F 1の領域から中心周波数をｆ 2 とする3MHzの狭帯域検出→ F 2–60（4）．その外観を図4に，回路図を図5に示す．この部

分放電モニタは，RTD直接検出，RTDRFCT検出，接地線電流RFCT検出および結合コンデンサ検出（今回は実施していない）を選択して使い分けがで–80

き，測定データからPDのトレンド管理や絶縁劣化

ＰＤ状態監視を可能とするものである．
ノイズ040802.3

供試体

周波数（MHz）

図１

２周波相関によるノイズ除去の概念図

供試体は，関西電力（株）の美浜，高浜および大飯233

RTD端子箱RTDRFCT検出

機内のセンサを利用して高周波信号を検出する

RTD直接検出図２

RTD直接検出およびRTDRFCT検出

接地線電流RFCT検出

接地線へ流れる高周波信号を非接続センサで検出する

図３

接地線電流RFCT検出

電動機部分放電モニタ
切換器

f/C

RTO No.１
Ｂ号機 RTO No.２
RTO No.３

f/C

RTO No.１
Ｃ号機 RTO No.２
RTO No.３
RTO No.１
Ｄ号機 RTO No.２
RTO No.３

図４ 高圧電動機用オンライン部分
放電モニタの外観

信号処理部
f1
P/H

RTO No.１
Ａ号機 RTO No.２
RTO No.３

f2

ノートＰＣ
A/D

F/C:周波数変換器
計測 判定 表示

P/H

A/D

P/H:ピークホールド回路
A/D:デジタル変換器

計測・ノイズ除去
診断・データ管理

図５ 高圧電動機用オンライン部分放電モニタの回路図

234

表1
発電所

供試体

高圧電動機名称

容量台数

RTD
内蔵給水ポンプ（FWP）モータ

3,760kW3

有給水ブースタポンプ（FWBP）モータ

740kW

2

無海水ポンプ（SWP）モータ

350kW

1

有復水ポンプ（CP）モータ

800kW

1

無浜給水ポンプ（FWP）モータ

3,800kW4有２号機

海水ポンプ（SWP）モータ

580kW

1

有大復水ポンプ（CP）モータ

4,100kW2

有海水ポンプ（SWP）モータ

850kW

2有美浜

２号機

高飯

1/2号機

発電所で稼働中の３相誘導電動機より表1の通り選RTDを内蔵していない残り約半数の高圧電動機につ定した．対象機は全て三菱電機株式会社製の6.6kV，いては，接地線電流RFCT検出での測定を実施した．

Ｂ種絶縁（ＤＦ:エポキシ全含浸絶縁）のものである．

この３手法によるPDデータを一元管理するためには，３手法間の感度比を求める必要があり，RTD

2.4

試験の項目を内蔵している高圧電動機についても接地線電流RFCT検出による測定を実施した．ここで，図6に示それぞれの供試体の高圧電動機について試験し，すようにオンライン試験の評価で使用する60PPS下記のものを求めた．

（Pulses Per Second）とは，60Hzの場合，１サイクル（1）RTD直接検出等３手法の感度比に１回安定的にPDが発生しているレベルを最大放（2）PD測定帯域とノイズ除去帯域の最適条件

電電圧値60PPSと定義して用いており，オフライン（3）オフライン試験とオンライン試験の相関性試験において管理されている最大放電電荷量Qmax（4）オンライン試験と絶縁破壊値の相関性に相当する．
実機試験の結果を，RTD直接検出とRTDRFCT検出

3.

試験の結果と考察の関係として図7にまとめて示す．両者を別々に測定し，高圧電動機ごとに相関を求めたためバラツキは3.1

RTD直接検出等３手法の感度比あるものの，RTDRFCT検出の検出感度はRTD直接検出のほぼ1/10となった．同様に，RTD直接検出と接関西電力（株）の原子力発電所で稼働している高圧地線電流RFCT検出の関係を図8に示す．データのバ電動機の約半数はRTDを内蔵しているので，RTD直ラツキが大きいが，両者間には相関性が認められる．

接検出，RTDRFCT検出により運転中の高圧電動機接地線電流RFCT検出の検出感度は，この場合もRTDについてオンライン部分放電測定を実施した．また，直接検出のほぼ1/10となった．

235

RTD直接検出は感度良くPDを検出できるので，RTDRFCT検出と接地線電流RFCT検出の測定データを10倍することで，RTD直接検出を基準としたPD
60PPSの一元的な管理が可能であると考えられる．よって，本報の研究結果としての３手法の感度比は，RTD直接検出：RTDRFCT検出：接地線電流 RFCT検出＝10:1:1が妥当と考えられる．

60PPS

3.2

PD測定帯域（ f 1）とノイズ除去帯域（f2）の最適条件

図9に美浜2号機-B-海水ポンプモータの試験結果

図６ オンライン60PPSレベルの例（上：位相とPD強度の関係）（下：PD強度とパルス個数の関係）を示す．表示は前述の３手法の感度比に基づき，RTD直接検出に対してRTDRFCT検出と接地線電流RFCT検出は各々10倍している．実機試験のPD測定

RTD RFCT検出（mV）

で基準とするRTD直接検出の信号強度は，100

f1=10MHzとした方がf1=20MHzとした場合より２倍以上大きく検出できる．

10

図10に高浜2号機-A1-給水ポンプモータの試験結

1果を示す．この高圧電動機はPDレベルが低かったため，f1=20MHzでは接地線電流RFCT検出ができな

0.1かった．この結果でもRTD直接検出の信号強度は，0.010.1

1101001000

RTD直接検出（mV）

f1=10MHzとした方がf1=20MHzとした場合より２倍程度大きく検出できる．
図11に高浜2号機-A1-給水ポンプモータの内部で

図７ RTD直接検出とRTDRFCT検出の関係発生しているRTD直接検出によるPDの周波数特性（FFT）を示す．緑で示す信号がトリガ相の検出信接地線電流RFCT検出（mV）号であり，同期して検出しているのは他の２つのRTDからの信号である．図から40MHz近辺からPDの信号強度が減衰傾向にあることが分かる．高圧電100

動機によっては40MHz手前で減衰するものもあり，40MHz近辺は２周波相関による信号強度比較では10PDがノイズと判断される可能性のある領域である．
こ の こ と か ら ， f 2 = 4 0 M H zより f 2 = 2 0 M H zまた は

130MHzの方が望ましいと言える．
図12に大飯1号機-C-復水ポンプモータの試験結果

0.1
1101001000

RTD直接検出（mV）
図８ RTD直接検出と接地線電流RFCT検出の関係を示す．こちらも図10と同様に f 1=20MHzでは接地線電流RFCT検出ができなかった．よって，本報の研究結果として最適なf1:f2の組み合わせ条件は，ほぼ同レベルでPD検出が可能な，10MHz：20MHzまたは10MHz：30MHzであると言える．

236

1000

1000

RTD直接検出
RTDRFCT検出
接地線電流RFCT検出

10060PPS（mV）

60PPS（mV）

100

RTD直接検出
RTDRFCT検出
接地線電流RFCT検出

101

101

0.1

0.1

検出せず
0.01
10:20

10:30

10:40

20:30

10:20

20:40

10:30

10:40

図９

図12

美浜2号機-Ｂ-海水ポンプモータの
f 1: f 2と60PPSの関係

20:40

大飯1号機-Ｃ-復水ポンプモータのf 1: f 2と60PPSの関係

オフライン試験とオンライン試験の相関性

3.3

1000

RTD直接検出
RTDRFCT検出
接地線電流RFCT検出

100

20:30

f 1：f （MHz）
2

f 1：f （MHz）
260PPS（RTD直接検出換算）の関係を示す．データ
10はオフラインQmax測定直後を青丸，１年以内を黒丸で示し，2〜5年経過した白丸で示したデータは今1回のオンライン測定時にはQmaxが上昇している可能性のあるものである．この図から60PPSを直ちに0.1Qmaxに変換できるほどではないが，両者間で相関検出せず
10:30

10:40

20:30性が認められる．これは，これまでのオフライン試
験で確立されてきた管理方法がオンライン試験にも20:40

f 1：f （MHz）
2

図10適用できる可能性のあることを示している．

高浜2号機-A1-給水ポンプモータの
f 1: f 2と60PPSの関係

本研究においては当初オフラインQmaxとオンライ緑：トリガ相の検出信号
赤，青：同期して検出される
他相の検出信号−50−60−70−80

オフラインQmax（pC）

10:20

Amplitude (dBV）

60PPS（mV）

図13に，オフラインQmaxと今回のオンライン

101010100

図1120

4060
Frequency（Hz）

80100×10

高浜2号機-A1-給水ポンプモータの
周波数特性

6543

Qmax測定直後
Qmax測定後1年以内
Qmax測定後2〜5年経過
20.1

1101001000

オンライン60PPS（mV）

図13

オフラインQmaxとオンライン60PPSの関係

237

100ン60PPSの相関性を得るのは難しいと考え，オンラ
イン60PPSと絶縁破壊値（BDV:Break Down Voltage）

80

90%信頼区間要な問題であった．ここで，オンライン試験にオフ
ライン試験で確立されてきた管理方法が使えるといBDV（%）の関係を求め，判断・管理基準を確立することが必60

安全運転下限（2E＋1＝44％）40

うことは，相互補完による高圧電動機の絶縁診断精20度の向上が期待できる．この相関性からオフライン
Qmaxの許容値である100,000pCに相当するオンライ

0100

ン60PPSのレベルとして約100mVを目安として検討

1000

10000

1000001000000

オフラインQmax（pC）を進める．
ただし，高圧電動機の運転中は絶縁体に加わる電図14

オフラインQmaxと絶縁破壊値（BDV）の関係

気的・機械的・熱的・電磁的ストレスが停止中と比初期特性範囲較して異なる．そのため，たとえ同じセンサ，同じ100測定器を用いた場合でも運転中と停止中では検出されるPDレベルは異なり，そのPDレベル差は劣化の80

90%信頼区間
BDV（%）

種類や程度に依存すると考えられる．

3.4

オンライン試験と絶縁破壊値の相関性

60

安全運転下限（2E＋1＝44％）4020

まず，図14に平成11年度の絶縁更新機（固定子巻線巻き換え）を対象に定期点検時のオフライン

00.1

1

回帰曲線および90％信頼区間は，従来のオフライン試験で確立されてきた管理方法のものをそのまま使図15用した．プロットのバラツキは，これまでに蓄積されたオフラインQmaxのプロットと同傾向を示した．

101001000

オンライン60PPS（mV）

Qmaxと絶縁破壊値（BDV）の関係を示す．図中の4.

オンライン60PPSと絶縁破壊値（BDV）の関係（オフライン回帰曲線使用）

おわりに

これは，オフラインQmaxのレベルが高くなると絶縁破壊値は低いレベルに収束する傾向にあり，安全運原子力発電所で用いられている高圧電動機の絶縁転下限に対する許容値をオフラインQmax=100,000pC劣化を運転中に診断する方法の開発を目指し，実機として管理するものである．

試験を通して最適な絶縁診断システムの設定を行っ

ここで，前述のオフラインQmax（100,000pC）とた．その結果，PD測定とノイズ除去のための周波オンライン60PPS（100mV）に相関性が認められた

数条件の設定，RTD直接検出など３手法の感度比のことから，図15にオフライン試験の回帰曲線上に実設定に目途が着いた．また，従来のオフライン手法

機試験で得られたオンライン60PPSと絶縁破壊値と今回のオンライン手法の関係およびオンライン手（BDV）の関係を求めるためのプロットを試みた．

法と絶縁破壊値の関係に相関性が見えてきたこと

その結果，プロットのバラツキは，同様にオンライは，相互補完による高圧電動機の絶縁診断の精度向ン60PPSのレベルが高くなると絶縁破壊値は低いレ上が期待できる．今後も実機試験によるデータを蓄ベルに収束する傾向にあり，オフライン試験で確立積し，各種設定の検証，各種相関性の明確化からオされてきた管理方法がオンライン試験にも適用できンライン試験における判断・管理基準の確立を進める可能性のあることを示している．

る予定である．

238

5.

謝辞

文献

本研究の遂行に当たり，助言と発電所での試験に（1）栃尾篤：「高圧電動機の絶縁劣化兆候検知手法多大な御協力を頂きました関西電力（株）原子力事の開発（1）」，−オンライン部分放電計測手法の業本部の関係者の方々に深く謝意を表します．

比較検討−，INSS JOURNAL, No.6, pp.135−142（1999）（2）栃尾篤，兼田吉治，釣本崇夫，浦川伸夫：「高圧電動機のオンライン部分放電計測技術の開発（1）」，-狭帯域2周波相関によるノイズ識別方法-，平成11年電気学会基礎・材料・共通部門大会, pp.450 （1999）（3）栃尾篤，兼田吉治，釣本崇夫，浦川伸夫，竹野正宏：「高圧電動機のオンライン部分放電測定技術の開発（2）」，-原子力発電所でのオンラインPD計測結果-，平成12年電気学会全国大会,
2-085 （2000）（4）兼田吉治，釣本崇夫，浦川伸夫，竹野正宏，栃尾篤：「高圧電動機のオンライン部分放電測定技術の開発（3）」，-電動機オンライン部分放電モニタの開発-，平成12年電気学会全国大会,
2-086 （2000）