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電気絶縁油の分子構造が及ぼすストレイガスへの影響〈富田報紘子・伊藤岳史〉

文3

電気絶縁油の分子構造が及ぼすストレイガスへの影響
潤滑油カンパニー 潤滑油研究開発部
工業用潤滑油グループとみた富田

潤滑油カンパニー 潤滑油研究開発部
工業用潤滑油グループ

ひろこ

いとう紘子

伊藤1. はじめにたかし

岳史

中の炭化水素をタイプ分類で大別すると、炭素が鎖状につながった構造の①パラフィン系炭化水素、環状につながっ

電気絶縁油は、油入変圧器や油入コンデンサなどの電た②ナフテン系炭化水素、ベンゼン環を持つ③芳香族系気機器に広く使用されており、その役割は、変圧器などの炭化水素の 3 つで構成されている。この 3 つのタイプに代高電圧電気機器内部の絶縁、冷却を目的としている。油表される構造と、それに属する構造を持つ試験油の関係

入変圧器の保守管理に適用される方法として、絶縁油のを表 1 に示す。ノルマルパラフィンの炭素数は 13 ～ 16 を

油中ガス分析が国内外で広く採用されている。油中ガス分選んだ。イソパラフィン、アルキル置換ナフテンおよびアル析とは、変圧器から採取した絶縁油に溶存している特定

キルベンゼンは、いずれもヘキサデカンと同様の炭素数（16）ガスを測定し、その量やガス組成比などから、過熱や放を含む物質を選んだ。特にイソパラフィンは分子構造によ電といった変圧器内部で発生している不具合や状態を診る影響が顕著に表れるように、分岐が多いものを選んだ。

断するものである。しかし、近年では温度異常や電気的な異常がないにもかかわらず、可燃性ガスが多量に発生し、

2. 2 試験方法誤診断に繋がるような現象が報告されている。この現象を

ASTM D7150 -13（Standard Test Method for the

ストレイガス現象と呼んでおり、調査や検討が進められてDetermination of Gassing Characteristics of Insulating

いる一方、絶縁油の構造に起因した発生ガスの特性につLiquids Under Thermal Stress）の Method A に従っていて報告した文献は少ない。本報では、鉱油の各組成を試験を行った。
ストレイガス試験において、加熱時のガス生成量は、酸代表するモデル化合物を用いて、油の分子構造によるスト素による影響が大きいことが報告されている 1）。また、窒レイガスへの影響を検討した。

素バブリングでは酸素の除去が不十分になる可能性があ
2. 実験

り、試験結果がばらつく原因となる。したがって、分子の構造によるストレイガスへの影響が、顕著に表れるように

2. 1 試験油するため、本報では空気バブリング法で試験した。
試験手順の概要を以下に示す。

鉱油系の絶縁油は主に炭化 水素で構成されているが、多くの複雑な異性体から構成されているため、個別の詳細（1）試 験油 100ml を空気（200ml/min）で 30 分間バブリングする。

な化学構造と組成比率を示すことは不可能である。鉱油

表 1 炭化水素タイプと試験油タイプ①パラフィン系
炭化水素

代表構造

試験油

ノルマルパラフィン

トリデカン、テトラデカン、ペンタデカン、ヘキサデカン
2,2,4,4,6,8,8- ヘプタメチルノナン

イソパラフィン

2,6,10,14- テトラメチルペンタデカン
n- デシルシクロヘキサン、②ナフテン系
炭化水素

アルキル置換ナフテン

n- ウンデシルシクロヘキサン、
n- ドデシルシクロヘキサン、n- トリデシルシクロヘキサン

③芳香族系
炭化水素

アルキルベンゼン

n- デシルベンゼン、n- ドデシルベンゼン、
n- ペンタデシルベンゼン− 33 −JXTG Technical Review・第60巻第3号（2018年11月）

電気絶縁油の分子構造が及ぼすストレイガスへの影響〈富田紘子・伊藤

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岳史〉

ノルマルパラフィンから C 2H4 が多量に発生する原因とし（2）5 0ml のシリンジに、空気バブリング後の試験油 40mlては、酸化劣化挙動の影響と推察される。一般的に、アを充填し、これを 2 検体用意する。
（3）2 検体を 120℃、164 時間加熱する（先端をやや上向く

ルキル末端の 1 級炭素よりもその隣の 2 級炭素の方が酸化を受けやすいことが知られている 2）。ノルマルパラフィンように寝かせて配置する）。
（4）164 時間加熱後、少なくとも 1 時間冷却する。

では、2 級炭素は、末端から 2 番目以降の炭素であるこ（5）少 量（2-5ml）の油を端切りし、ASTM D3612 に従っとから、この 2 級炭素の酸化により、炭素が 1 つよりも 2てガ ス分 析を 行 う。 分 析 対 象 ガ スは、CO2、CO、つの単位で多く発生したものと推察される。

H 2、CH4、C 2H6、C 2H4、C 2H 2 であり、必要に応じて、C 3H 8、C 3H6 を測定する。油中ガス濃度の単位は、体表2積比率で ppm を使 用する。また分析結果を表 示す

名称る際に、可燃性ガス総 量（Total Combustible Gas：TCG）
を示し、H 2、CH4、C2H6、C2H4、C2H 2、CO の総和を示す。

ノルマルパラフィンの性状

トリデカン テトラデカン ペンタデカン ヘキサデカン

組成式C13H 28

C14H30

C15H32C16H34

分子量（MW）

184198212226

比重（20/20）

0.75

0.76

0.770.77

3. 結果と考察
本試験では、2 検体ずつ試験を行ったが、大きなばらつきは見られなかったため、2 検体の平均値を報告する。
まず検討に先立って、使用実績のある市販パラフィン系絶縁油のストレイガス試験を行った。結果を図 1 に示す。
本結果では特異的な多量のガス発生は認められず、ストレイガスが発生するような油ではないことを確認した。この結果を以降に示す検討結果の比較標準と位置づけた。

図2

ノルマルパラフィン油中ガス分析結果

3. 2 イソパラフィン
表 3 にイソパラフィンの性状を記す。また、イソパラフィンのストレイガス試験結果を、前述したヘキサデカンの試験結果と並べて図 3 に表記した。
図 3 から、2 種類のイソパラフィンはガスの発生傾向がかなり異なっていた。一方で、2 種類に共通して言えること
図1として、ヘキサデカンよりも CH4 および C 3H6 が特に多く発

市販パラフィン系絶縁油の油中ガス分析結果生していた。これらイソパラフィンの分子構造は、ヘキサデカンやその他のノルマルパラフィンと異なり、3 級炭素が3. 1 ノルマルパラフィン存在する。この 3 級炭素は酸化劣化を受けやすいことが

表 2 にノルマルパラフィンの性状を記す。また、ノルマ

一般的に知られており 2）、ここが起点となって分解し、炭ルパラフィンのストレイガス試験結果を図 2 に示す。ノル素数が 1もしくは 3 の単位で分解したと推察される（図 4）。

マルパラフィンは炭素数に関わらず、ほぼ同量のガス発生量であった。
図 1 と比較すると、市販パラフィン系絶縁油の H 2 発生量約 100ppm に対し、ノルマルパラフィンのいずれも H 2は 500 ～ 700ppm と、多く発生していた。また、CO および C 2H4 についても、市販パラフィン系絶縁油よりも多く発生していた。特に C 2H4 については、市販パラフィン系絶縁油が 8ppm に対し、ノルマルパラフィンは約 90ppm から 150ppm と 10 倍から 20 倍の量が発生していた。
JXTG Technical Review・第 60巻第3号（ 2018年11月）− 34 −

表3

イソパラフィンの性状

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電気絶縁油の分子構造が及ぼすストレイガスへの影響〈富田

図3

図4

図5

イソパラフィン油中ガス分析結果

紘子・伊藤岳史〉

アルキル置換ナフテン油中ガス分析結果

2,6,10,14 -テトラメチルペンタデカンの構造および酸化劣化部位

3. 3 アルキル置換ナフテン
表 4 にアルキル置換ナフテンの性状を記す。また、アルキル置換ナフテンのストレイガス試験結果を、前述したヘ

図 6 アルキル置換ナフテンの飽和炭化水素ガス分析結果

キサデカンの試験結果と並べて図 5 に表記した。
図 5 から、いずれのアルキル置換ナフテンも置換基の長さに関わらず同様のガスの発生傾向であった。また、飽

3. 4 アルキルベンゼン和炭化水素である CH4 および C 2H6 の量をヘキサデカンと表 5 にアルキルベンゼンの性状を示す。また、アルキル比較すると、いずれも発生量は少ない傾向であった。そこ

ベンゼンのストレイガス試験結果を、前述したヘキサデカで、各々の試験油の飽和炭化水素（CH4 と C 2H6 の合計）ンの試験結果と並べて図 7 に表記した。の発生量を図 6 に示すと、いずれの試験油もヘキサデカ

図 7 から、アルキルベンゼンは置換基の炭素数に関わンよりも飽和炭化水素（CH4 と C 2H6 の合計）は少ないことらず、いずれも同様の傾向であった。さらに、いずれのアが改めて確認できた。飽和炭化水素は一般的に酸化劣化

ルキルベンゼンも、アルキル置換ナフテンと同様に、飽和によって発生することが知られている 3）。しかしながら、ア炭化水素ガスの発生量が少なかった。飽和炭化水素の発ルキル置換ナフテンは 3 級炭素が存在していることによっ生量（CH4 と C2H6 の合計）を図 8 に示すが、アルキルベて、ノルマルパラフィンよりも相対的に酸化安定性に劣るとンゼンの飽和炭化水素量は、アルキル置換ナフテンよりも

4）考えられているが 、今回の結果とは一致しなかった。こ

さらに少ない値であった。アルキルベンゼンはアルキル置の現象は、酸化劣化に加えて別の要因も影響していること

換ナフテンよりも酸化安定性に優れることが知られており 4）、が示唆されるため、今後、原因を検討していきたい。

酸化安定性の序列が反映したものと考えられる。

表4

アルキル置換ナフテンの性状

表5− 35 −アルキルベンゼンの性状JXTG Technical Review・第60巻第3号（2018年11月）

電気絶縁油の分子構造が及ぼすストレイガスへの影響〈富田

紘子・伊藤

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岳史〉

18（2016）2）L eslie R. Rudnick;

Lubricant Additives: Chemistrya nd Appl icat ions , S econd E d it ion （Chem ica lIndustries），Chemical Industries/124（2009）3）電気協同研究会 ; 電力用変圧器改修ガイドライン，電気協同研究第 65 巻第 1 号 ,30（2009）4）五十嵐仁一 ; 鉱油系潤滑油に求められる最適基油組成とは

1. 潤滑油を構成する炭化水素の自動酸化，日石

レビュー，第 32 巻，第 3 号（1990）

図7

図8

アルキルベンゼン油中ガス分析結果

アルキルベンゼンの飽和炭化水素ガス分析結果

4. おわりに
本報告では油の分子構造という観点から、ストレイガス試験結果に及ぼす影響を検討した。その結果、以下の知見が得られた。
（1）試 験油の分子構造によって、発生する油中ガスの量が異なる。
（2）ノ ルマルパラフィンは CO および C 2H4 の発生量が多く、それに対し、イソパラフィンは CH4 および C 3H6 が多い。
（3）アルキル置換ナフテンは、飽和炭化水素である CH4 および C 2H6 の発生量が少なく、アルキルベンゼンはさらに少ない。
ストレイガス現象については、国内での発生報告例がなく、詳細な原因などまだわかっていないことが多い。さらには、油に着目して報告されている件数もまだ十分とは言えない。当社は絶縁油メーカーとして、今後もストレイガス現象の原因究明に貢献していきたい。
− 参考文献 −1）伊 藤岳史 ; 絶 縁 油成分 が及ぼ す Stray Gassing 試 験への影響，第 36 回絶縁油分科会研究発表会要旨集，
JXTG Technical Review・第 60巻第3号（ 2018年11月）− 36 −