論論

文

パームヤシ脂肪酸エステルを用いた 変圧器絶縁油のレトロフィリングに関する検討

パームヤシ脂肪酸エステルを用いた

文
■ 栗原

変圧器絶縁油のレトロフィリングに関する検討

二三夫

Fumio Kurihara

1■ 大和田裕樹

Hiroki Owada■ 塚田智史

Satoshi Tsukada■ 本庄智也

Tomoya Honjo■ 鈴木貴志Takashi Suzuki

行う場合，従来の鉱油との混合が生じるため，PFAE にはじめに鉱油が混合した場合の特性変化に関する基礎検証を実施

近年，重電分野においても環境対応が必要とされていした。なお本検証は，PFAE 製造・供給元であるライオる。変圧器においては，鉱油に替わる液体絶縁媒体としン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社の協力を得てて生分解性に優れたエステル系絶縁油実施した。

（以下エステル注 1）

油）を適用した変圧器の開発が進んでいる。エステル油には菜種油や大豆油などの天然植物油，植物由来の脂肪酸エステル，合成系のポリオールエステルといった種類が2.1

試料と試験条件

鉱油（JIS C2320 1 種 2 号）と PFAE（ライオン・スある。高吸湿性や生分解性，腐食性硫黄成分不含である

ペシャリティ・ケミカルズ（株）製ほか，油種によっては防災性（高引火点）や冷却性（低粘を用い，PFAE に対し 0～100％の混合率で混合を行い，度）といった特長を持つ。また近年では高吸湿性に起因

JIS 法による動粘度，引火点，電気特性（体積抵抗率，し，油浸絶縁物中水分がエステル油へ移行することによ絶縁破壊電圧）の測定を実施した。

る絶縁物劣化抑制といった効果も報告されている

パステル NEO）

。

（1）
（2）
（3）

変圧器への適用実績としては，近年国内においても電力用，電鉄用としての適用事例が増加している（4）。また最近では IEC における天然エステル品質規格（IEC62770）

2.2

鉱油と PFAE の混合特性

図 1 に動粘度と引火点，図 2 に絶縁破壊電圧，体積抵抗率の変化傾向を示す。の発行やメンテナンスガイドの検討，国内では石油学会における品質指針（JPI-5R-76-15）の発行など，エステル油を使用しやすい環境の整備が進む傾向にある。
エステル油の変圧器への適用は新設変圧器に限らず，既 設 変 圧 器 では 保 守・改 修 などの際 に，従 来 使 用されている鉱油からエステル油へのレトロフィリン
グ 注 2）（ 入 替 ）が あ る。CIGRE WG A2.35 の 技 術 報
告 書「Experiences in Service with New Insulating（5）Liquids」
ではエステル油へのレトロフィリングの理由として，火災安全性，環境への配慮，水分耐久性付与，腐食性硫黄回避，固体絶縁物寿命延伸と記載している。海外においてはこのような要求に対しエステル油の特長を生かしたレトロフィリングが実施されている。エ

図1

PFAE への鉱油混合による動粘度，引火点変化

ステル油へのレトロフィリングに関する研究は，近年国内でも鉱油からエステル油への入替時に生じる油種混合による特性変化の評価といった観点で種々報告されてい（7）る（6）。東光高岳においても低粘度で従来絶縁油との代替性が高いエステル油であるパームヤシ脂肪酸エステル（以下 PFAE）を用いた環境対応特高変圧器の開発を行う中で，鉱油との混合性検証や経年機器への油入替による実器検証などを実施している。本稿ではその検証結果を紹介する。

2

PFAE/ 鉱油混合時の絶縁油特性

既設変圧器の絶縁油の PFAE へのレトロフィリングを14

東光高岳技報 Vol.3 2016

図2 P
 FAE への鉱油混合による絶縁破壊電圧，体積抵抗率変化

各特性により若干の変動はあるが，鉱油混合率に応じパームヤシ脂肪酸エステルを用いた 変圧器絶縁油のレトロフィリングに関する検討論

文

各油種の特性値差の間で緩やかな変化を示した。変圧器

PFAE への劣化鉱油混合により，絶縁破壊電圧の低下

絶縁油を抜油した際の残存油の割合は，変圧器内洗浄をはなかったが，体積抵抗率は 20％混入までに劣化鉱油行う場合は 4 % 以下，行わない場合は 7 % 以下であるレベルまで徐々に低下，誘電正接も大きく増加した。一との報告例がある。最大 10％の鉱油残存が生じたと般にこれらの特性はイオン性劣化生成物の影響を受けてしても，PFAE は鉱油混合によって著しい特性悪化はな低下することが知られている。電子伝導のキャリアとい。なお鉱油混合による PFAE の酸化安定性変化についなりうるイオン性鉱油劣化生成物の混入により，PFAEても別途検証しているが，10％程度の鉱油混合では大が比較的大きな影響を受けていることが想定されるが，きな影響はない。また生分解性では 10％程度の鉱油混加速劣化鉱油の使用による過剰な影響，誘電正接測定合では大きな変化は生じない（OECD301F 試験（80℃加熱）における加熱影響等の可能性もあり，今後（8）

注 3）の易分解性基準である 60％以上を保持）とのシミュレーション結果がありのメカニズム検討が必要である。

，生分解性への影響も少ないと考（9）えられる。
2.3

劣化鉱油混合時の電気特性

経年器絶縁油に著しい劣化が生じている場合は，電3PFAE/ 鉱油混合時の変圧器特性

鉱油入りの経年変圧器実器を PFAE へレトロフィリングした場合の変圧器特性の良否について検証した。

気特性の低下した劣化鉱油の混合により入替後 PFAEの電気特性が低下する可能性がある。そこで加速劣化に よ っ て 調 製 し た 劣 化 鉱 油 を PFAE へ 混 入 す る こ とで，PFAE 電気特性（絶縁破壊電圧，体積抵抗率，誘3.1

供試器

供試器は，経年 21 年の自社製特高変圧器とした。表1 に供試変圧器の諸元を示す。

電正接（tan δ））の変化の傾向を検証した。図 3，図4 に 結 果 を 示 す。 な お 調 整 し た 劣 化 鉱 油 の 酸 価 は項0.15 mgKOH/g，体積抵抗率は 0.004 TΩm，誘電正接

表1目

定格容量（tan δ）は 9.9％であった。

相3.2

供試変圧器諸元
定格5,000 kVA

数

3相

定格周波数

50 Hz

定格電圧

66 kV ／ 3.3 kV

冷却方式

油入自冷

油

5,750 L量

試験内容

PFAE への絶縁油入替は，真空注油により実施した。
その際の鉱油混入量は，おおよそ 10％程度と想定される。
入替前後および変圧器試験後に，絶縁油特性の測定を実施し絶縁油入替による特性変化を確認した。変圧器試
図3

 FAE への劣化鉱油混合による絶縁破壊電圧，体積抵P
抗率変化

験は変圧器規格である JEC2200 に準拠し各種特性試験
表2

受入試験

変圧器諸特性試験項目

形式試験
特殊試験

図4

 FAE への劣化鉱油混合による誘電正接，体積抵抗率P変化その他試験

巻線抵抗

変圧比
短絡インピーダンス
負荷損
無負荷損
短時間交流耐電圧
温度上昇
雷インパルス耐電圧
騒音
巻線 - 対地間静電容量
絶縁抵抗，誘電正接（tan δ）
油中溶存ガス分析コロナ

東光高岳技報 Vol.3 2016

15

論文

パームヤシ脂肪酸エステルを用いた 変圧器絶縁油のレトロフィリングに関する検討を実施した。表 2 に試験項目を，図 5 に試験風景を示す。

一部の試験項目を除き特性の変化はほとんどなかった。種類の異なる絶縁油入替による絶縁特性低下リスクという観点では，短時間交流耐電圧，雷インパルス耐電圧，コロナ試験において入替前と変わらない結果となり特性低下は生じていない。また試験後に実施した油中溶存ガス分析でも，放電起因で生成するアセチレン（C2H2）や水素（H2）増加，過熱起因で生成するエチレン（C2H4）等は検出されず，その他ガスについても内部異常を示唆するような生成は見られなかった。油入替による絶縁的な特性低下や欠陥などは生じていないものと判断でき，PFAE へレトロフィリングした変圧器は，入替時点において十分な実用性能を有していると考えられる。

図53.3

鉱油と PFAE の特性の違いが影響すると思われる試験

試験風景

項目については比較的大きな変化が見られた（当該特性の数値は表 4 中で斜体で表示）。以下，考察する。

試験結果と考察

表 3 にレトロフィリング前後の絶縁油特性変化を示す。
表3

温度上昇試験による最高油温は低下傾向を示した。こレトロフィリング前後の絶縁油特性変化
入替前
入替後
温度（鉱油） （PFAE） 試験後（1） 温度上昇（最高油温）

PFAE
初期値

油中水分（mg/kg）

7415817酸価（mgKOH/g）＜ 0.01＜ 0.01＜ 0.01＜ 0.01

体積抵抗率（TΩm）

0.45

0.050.040.11

絶縁破壊電圧（kV/2.5 mm）

94858798

れは，変圧器冷却性能にかかわる絶縁油物性（比熱，熱伝導率，粘度）の変化が現れているためで，低粘度のPFAE への入替によって冷却性が向上し最高油温が低くなったと考えられる。実器温度上昇試験により負荷率に対する二次巻線温度上昇値を実測した結果を図 6 に示す（本検証とは別途実施）。

入替後の油中水分は PFAE 初期値に対し上昇した。これは PFAE の吸湿性の高さによる固体絶縁物からの水分移行のためと思われる。その後さらに移行が進み水分は増加するが，絶縁破壊電圧への影響はほとんどなかった。
体積抵抗率は PFAE 初期値に対して若干低下した。これは前述の劣化鉱油の混入試験結果から経年劣化鉱油の影響である可能性が示唆されるが，詳細なメカニズムについては今後の検討が必要である。また酸価については大きな変化はなかった。
次に，レトロフィリング後の変圧器諸特性試験結果（入替前との差異）を表 4 に示す。
表4項

レトロフィリング後の変圧器諸特性試験結果
目

巻線抵抗

入替前との差異（%）
− 2.0

変圧比
短絡インピーダンス
負荷損
無負荷損
短時間交流耐電圧
雷インパルス耐電圧

等価抵抗

0.0U-V− 0.8

出荷時との比較

0.7

出荷時との比較

0.0

出荷時との比較

破壊なし（DGA：C2H2 N.D.） 既定の各条件− 1.3温度上昇

比較条件

最高油温破壊なし（DGA：C2H2 N.D.） 既定の各条件

鉱油変圧器に対し PFAE 変圧器の二次巻線温度上昇値
は負荷率が大きくなると低くなる傾向を示す。PFAE の巻線冷却効果が優れていることがわかる。
（2）巻線 - 対地間静電容量
巻線 - 対地間静電容量は増加傾向を示した。これは鉱油の比誘電率 2.2 に対し PFAE が 2.9 と約 30％程度高

騒音

0.8

巻線 - 対地間静電容量

27.7

H-L,E

25℃

− 62.0H-L,E

冷温させていると考えられる。

23.8

H-L,E

冷温（3）絶縁抵抗

絶縁抵抗
誘電正接（tan δ）
コロナ

16

未検出（DGA：C2H2 N.D.）

東光高岳技報 Vol.3 2016

─図6 鉱
 油変圧器，PFAE 変圧器での温度上昇試験時の負荷率に対する二次巻線温度上昇実測値

1.5 E

いため，対地間の絶縁油や油浸絶縁物の静電容量を増加

絶縁抵抗は，変圧器として実用上十分な絶縁抵抗値がパームヤシ脂肪酸エステルを用いた 変圧器絶縁油のレトロフィリングに関する検討得られたが，低下傾向が見られた。一般に，変圧器の絶縁抵抗は絶縁油体積抵抗率と相関することが知られてい論

文（9）畠田他「パームヤシ脂肪酸エステル絶縁油の変圧器への適用検討」，第 34 回絶縁油分科会研究発表会，2014

る。表 3 に示すように PFAE への入替によって体積抵抗率は若干低下しており，この影響が絶縁抵抗低下の一■語句説明因となっていると考えられる。

注 1）エステル系絶縁油：主成分として，脂肪酸とアルコールからなる分子内にエステル結合（-COO- の化学結合）を有する化合物を使用した絶縁油。生分解性が高い。
注 2）レトロフィリング：旧型のものを改良することによって存続させることをレトロフィットという。絶縁油入替による電気機器の改良・存続をレトロフィリングという。
注 3）OECD301F 試 験：OECD GUIDELINE FORTESTING OF CHEMICALS に記載された生分解性に関する試験法（4）誘電正接（tanδ）
巻線 - 対地間の誘電正接（tan δ）は上昇傾向を示した。
表 3 に示すように入替後の経年劣化鉱油混合の PFAEの体積抵抗率は若干低下していることから，絶縁油の誘電正接は増加していることが想定される。この傾向は図4 においても確認されている。誘電正接は対地間の油浸絶縁物中の絶縁油の誘電正接も影響していると考えられ，経年劣化鉱油が混合した PFAE が存在することにより誘電正接が増加したことが想定される。

4まとめ

低粘度で従来絶縁油との代替性が高いエステル油である PFAE を用い，経年特高変圧器絶縁油のレトロフィリングに関する検証を実施した。その結果，PFAE へレトロフィリングした変圧器および絶縁油は，若干の特性

栗原

二三夫

 術開発本部
技技術研究所 材料技術グループ
材料技術の開発に従事
電気学会，石油学会会員

大和田所属

裕樹

 術開発本部
技技術研究所 材料技術グループ
絶縁油試験・分析に従事

所属

変化があるものの十分な実用性能を有していることがわかった。今後，レトロフィリングした変圧器や絶縁油の安定性，保守管理方法，レトロフィリングによる付加価値の評価等，更なる検討を進める予定である。
最後に，本検証（PFAE/ 鉱油混合時の絶縁油特性）の実施に当たり，ご協力いただいたライオン・スペシャ
リティ・ケミカルズ（株）に謝意を表します。
■参考文献（1）栗原：「パームヤシ脂肪酸エステルにおける絶縁紙劣化抑制の検討」，東光高岳技報，No.1,2014（2）西川他：「植物油を用いた絶縁紙の劣化と酸素の影響」，H24 電気学会電力・エネルギー部門大会（3）C. patrick, et al., Aging of Paper Insulation in
Natural Ester Dielectric Fluid, IEEE/PES Transmission &Distribution Conference & Exposition, Oct. 28―Nov. 02,
2001（4）「エステル系絶縁油専門委員会報告」，第 32 回絶縁油分科会研究発表会，2012（5）CIGRE  Brochure 436, Experiences in Service withNew Insulating Liquids, 2010（6）小栁他：「植物由来エステル系絶縁油と鉱油のブレンド検討」，第 35 回絶縁油分科会研究発表会，2015（7）小栁他：「植物由来エステル系絶縁油と劣化鉱油のブレンド調査」，平成 27 年電気学会基礎・材料共通部門大会（8）C. Patrick, et al.，Retrofilling aging transformers
with natural ester based dielectric coolant for safety andlife extension, IEEE-IAS/PCA Cement Industry TechnicalConference, 2003

塚田智史

本庄智也

鈴木貴志

 力プラント事業本部
電大型変圧器製造部  大型変圧器設計グループ  所属
大型変圧器の設計に従事
電気学会会員 力プラント事業本部
電大型変圧器製造部  大型変圧器設計グループ  所属
大型変圧器の設計に従事
電気学会会員 イオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社
ラ研究開発本部
平井研究所 平井第 1 研究室 所属

東光高岳技報 Vol.3 201617