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高圧電動機の絶縁劣化兆候検知手法の開発（１）−オンライン部分放電計測手法の比較検討−
Development of Method for Detecting Signs of Deterioration in Insulator of High-Voltage Motors (1)–– Comparative Study of Methods for Online Measurement of Partial Discharge ––栃尾 篤 (Atsushi Tochio)*

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，絶縁物の部分放電をオンラインのまま測定するいくつかの方法について比較試験を行った．供試体として，固定子巻線更新直前のもの，新規に製作されたものおよび実際の原子力発電所で使用中のもの（２台）を選び，３方式８種類の部分放電モニタによって試験した結果，結合コンデンサ法が最も検出感度が高く，測温センサ（RTD）をアンテナとして用いる放射電磁界法がそれに次ぎ，接地線電流法が最も低いことが分かった．ただし，実機制約の点から見ると，接地線電流法が最も容易であり，上記RTDを用いる方法がそれに次ぐ．

キーワード

高圧電動機，絶縁劣化，部分放電，部分放電モニタ

Abstract
In order to develop a diagnostic method for the early detection of deterioration in
insulators of high-voltage motors which are widely utilized in nuclear power plant, a comparative testof eight methods for partial discharge measurement was conducted using (1) a motor of which stator
coiles were aged, (2) a new motor and (3) two motors which were practically operated in a PWR
plant. From the results, it was found that (1) the capacitive coupler method shows the highest
sensitivity for partial discharge detection, (2) followed by the method in which a resistant temperaturedetector (RTD) in a motor is used as an antenna, and (3) the sensitivity of the earth current method islower than those of other methods. However, the last is the easiest one for actual applications topartial discharge measurements, and the next is the method in which RTD is used.
Keywords

1.

high-voltage motor, insulator diagnosis, partial discharge, partial discharge monitor

はじめに絶縁の劣化度を非破壊的に診断できる技術の開発が要請されている．

加圧水型原子炉（PWR）には，１次冷却材ポン高圧電動機の固定子巻線に絶縁劣化が生じた場合プモータをはじめ主要な回転機用として数十台の高に最も多く発生する現象は，マイカ／エポキシ絶縁圧電動機が用いられている．従って，これらの高圧体が熱的，機械的，電気的またはそれらの複合要因

電動機が故障すると，PWRの運転に支障を来すのによって起こる部分放電（PD：Partial Discharge）みならず，安全上も好ましくないので，故障の発生である．部分放電を検知するためには，振動，超音を極力低くする必要がある．

波，分解ガスなどを利用することも考えられている

高圧電動機の故障の主要因は固定子巻線の絶縁劣が，最も一般的なものとして，放電パルス電流を測化なので，その経年変化と残存寿命を正確に求める定する方法が主流である．この部分放電電流の測定ことが必要である．PWRでは，定期点検時に高圧法として，（１）結合コンデンサ法，（２）接地線電電動機の絶縁抵抗測定が行われているが，運転中に流法，および（３）放射電磁界法の３種類が提案さ* （株）原子力安全システム研究所

技術システム研究所

136（１）（２）
れている．
こうした部分放電検出器は部分放2.

試験の方法

電モニタとも呼ばれ，既に商品化されているが，実際の高圧電動機において異なったメーカの各種部分

2.1

試験の方法とその原理放電モニタの性能を比較検討した試験はほとんど試（３）（４）（５）みられていない．

高圧電動機の断面の概要を図1に示す．また，固本研究は，PWRの安全性と信頼性を向上するための研究の一環として，上記３方式８種類の部分放定子鉄心，巻線，マイカ／エポキシ絶縁体および側温センサの配置を図２に示す．

電モニタにより高圧電動機の部分放電を測定し，得結合コンデンサ法は，図３のようにコンデンサをられた結果を比較検討した．ここで，対象とする高介して，高圧電動機の電源部に伝搬する部分放電信圧電動機として，（１）相当期間運転し，固定子巻号を取り出すものである．A社およびC社の結合コ線更新直前のもの（更新），（２）新規に製作されたンデンサ法による部分放電モニタを使用し，結果をもの（新製），および（３）実際のPWRで使用中比較した．

（実機）の３種類のものを選定して，供試品とした．

次に接地線電流法では，図４のように接地線に流ただし，（実機）としては，さらに主給水ポンプれる部分放電信号を非接触センサで検出する．これ（FWP）および主給水ブースタポンプ（FWBP）用

はB社およびC社のものを使用して，結果を比較しの高圧電動機の２台（製造後29年）である．

た．
最後の放射電磁界法として，さらにいくつかの方固定子鉄芯測温センサ法が提案されている．B社とC社は高圧電動機の固定子と回転子間の空隙部にロッドアンテナを挿入す
測温セン
サ
端子箱

回転子

る方法を提案し，市販している部分放電モニタを使用して計測を試みた．ここでは後述の新製高圧電動機の場合についてのみ実施した．一方，高圧電動機内の温度測定のために設けられた測温センサ
電源接地線
図2に詳細

電源端子箱

端子箱

図1：高圧電動機の断面の概要信号取出点

固定子鉄芯
巻線

図 3：結合コンデンサ法
図3：結合コンデンサ法

マイカ／エポキシ絶縁体
側温センサ

信号取出点

図2：固定子鉄芯，巻線，
図2：固定子鉄芯
巻線およびマイカ／エポキシ絶縁体の配置

マイカ／エポキシ絶縁体および測温センサの配置

図 4：接地線電流法
図4：接地線電流法

137

２台はC社結合コンデンサ法も実施できなかった．
また，実機の内FWBPは測温センサを保有していな端子箱かったので，これを用いる測定を行っていない．また，同様に，更新，実機FWPおよび実機FWBPともアンテナを挿入する穴が固定子と回転子の間にない信号取出点ため，放射電磁界法は不可能であった．

比較したデータ

2.3

図 5：RTD法・直接およびRFCT
図5：RTD法・直接およびRFCT

高圧電動機の絶縁物における部分放電は，印加さ（RTD：Resistance Temperature Detector）を高周波アれている商用周波数（ここでは60Hz）の上にパルンテナとして利用する方法も採用することとした．

ス状に発現する．従って，発生するそれらのパルスその概念図を図５に示す．の発生時刻と波高は，商用周波数の正弦波の位相にさらに，この測温センサの信号を直接取り出して相関を有している．この位相とパルス波高に対する分析するRTD直接検出法およびその信号を高周波変発生パルス数を縦軸に取った３次元分布の例を図６

流器（RFCT：Radio Frequency Current Transformer）に示す．

を介して取り出すRTD, RFCT検出法がある．本研究10000 Pulses/sではこれら２つの方法を採用して測定し，得られた1002.2

採用した部分放電モニタ

パルス数1000

結果を比較した．

100

今回の試験に採用した部分放電モニタは表1に示

0.48V
0.80

す３方式８種類のものとした．ただ，全ての供試体

信号
強度

1.12
1.441.76の高圧電動機について，全ての部分放電モニタによ2.082.40る測定はできなかったので，実施したものを表の中

45°

90°

135°

225°

270°

315°

位相に示す．
このうち，A社結合コンデンサ法は高圧電動機の改造を伴うので，更新のみ実施した．同様に実機の

表１
番号

方

図6：A社結合コンデンサ法による部分放電特性
図6：Ａ社結合コンデンサ法による部分放電特性（更新高圧電動機無負荷運転中）（更新高圧電動機無負荷運転中）■■試験に用いた部分放電モニタ（○印は実施したもの）

式

メーカ

対象とした高圧電動機
更新

新製

実機FWP

実機FWBP○１

結合コンデンサ法

A○２

接地線電流法

B

○

○

○

３

放射電磁界法（RTD直接）

C

○

○

○

４

放射電磁界法（RTD，RFCT）

C

○

○

○

５

放射電磁界法B

６

結合コンデンサ法

C○７

接地線電流法C○

８放射電磁界法

C

○
○
○
○○○

138

この図から見て，部分放電は商用周波数で印加さ試験の結果と考察

3.

れる正弦波の電圧波形に沿って発生しているが電圧が最高のところではなく，むしろ電圧の極性が変化

更新高圧電動機の結果と考察

3.1

するところから多発していることが分かる．いずれにしても，商用周波数に沿って部分放電が発生して更新高圧電動機の試験結果を表２にまとめて示いるので，測定データの定量化は，１サイクル内にす．また，部分放電パルスの周波数特性を図12に示

準安定的に部分放電が発生している信号強度をす．

60PPS（Pulses Per Second）として求めて，この値をこの結果から以下のことが分かる．

比較することにした．これはオフライン部分放電測（１）更新高圧電動機では，全ての部分放電モニタ定での評価に用いられている最大放電電荷量Qmaxで部分放電検出が可能である．に相当する．しかし，部分放電モニタのメーカによ（２）C社のものについて，４つの方法の結果を比って回路が異なるため，以下に示す60PPSの電圧値

較すると，感度の高い順に，結合コンデンサの絶対値にはあまり意味がない．同じメーカの異な法，放射電磁界法（RTD直接），同（RTD，った方法の部分放電モニタの60PPS値間の比較は感RFCT），接地線電流法となる．

度の比較として重要である．
なお，一部のものについては，部分放電パルスを3.2

新製高圧電動機の結果と考察

ディジタルオシロスコープで観測し，周波数特性についても分析を行った．これは単発パルス20個を平均して高速フーリエ変換したものである．

新製高圧電動機の試験結果を表３にまとめて示す．また，この場合の部分放電パルスの周波数特性を図13に示す．

表２
番号

方

更新高圧電動機の試験結果（番号は表１と同じ）

式メーカ

部分放電検出60PPS〔mV〕

測定データ

１結合コンデンサ法

A

可800

図６２

接地線電流法

B

可算出できなかった

図７３

放射電磁界法（RTD直接）

C

可30

図８４

放射電磁界法（RTD，RFCT）

C

可3.9

図９６結合コンデンサ法

C可159

図10７接地線電流法C

可1.2

図11

表３
番号

方２３

新製高圧電動機の試験結果（番号は表１と同じ）式メーカ

部分放電検出60PPS〔mV〕

接地線電流法

B

否−

放射電磁界法（RTD直接）

C

可4.3

４

放射電磁界法（RTD，RFCT）

C

可0.36

５放射電磁界法

B

否−

６

結合コンデンサ法

C

可7.1

７

接地線電流法

C否

（0.1）

８

放射電磁界法

C

否−

139

このように部分放電レベルの低い新製高圧電動機
でも，C社の３つの方法により検出が可能であり，感度の高い順として，結合コンデンサ法，放射電磁界法（RTD直接），同（RTD，RFCT）となった．この順序は更新高圧電動機と同じである．

Ｘ軸：位相，Ｙ軸：パルス数および信号強度
図7：Ｂ社接地線電流法による部分放電特性（更新高圧電動機無負荷運転中）

Ｘ軸：位相，Ｙ軸：パルス数および信号強度

Ｘ軸：位相，Ｙ軸：パルス数および信号強度

図8：Ｃ社RTD法直接検出による部分放電特性

図9：Ｃ社RTD法RFCT検出による部分放電特性（更新高圧電動機無負荷運転中）（更新高圧電動機無負荷運転中）

Ｘ軸：位相，Ｙ軸：パルス数および信号強度

Ｘ軸：位相，Ｙ軸：パルス数および信号強度

図10：Ｃ社結合コンデンサ法による部分放電特性

図11：Ｃ社接地電流法による部分放電特性（更新高圧電動機無負荷運転中）（更新高圧電動機無負荷運転中）

140-40-30

Amplitude (dBV)

Amplitude (dBV)-20-40-50-60-50-60-70-80-90

0204060
Frequency (Hz)80

100×106

図12：Ｃ社結合コンデンサ法（100pF）による0204060
Frequency (Hz)80

100×106

図13：Ｃ社結合コンデンサ法（100pF）による

周波数特性

周波数特性

■■■■更新高圧電動機運転中（無負荷）■■■■新製高圧電動機運転中（無負荷）−−Ｖ相−−−Ｗ相−−−）■■■■（検出場所：Ｕ相−−−Ｖ相−−−Ｗ相−−−）■■■■（検出場所：Ｕ相−実機の高圧電動機の結果と考察

ンサ法が可能であれば，この場合でも検出可能であ

3.3

ったであろう．
実機で用いられている主給水ポンプ（FWP）と主給水ブースタポンプ（FWBP）のそれぞれについ3.4

比較検討て部分放電モニタによって測定した結果をそれぞれ
表４，表５に示す．

絶縁物の劣化が進んでいる更新高圧電動機と劣化のない新製高圧電動機を比較すると，前者の60PPSこれら２台の高圧電動機を比べると，FWPより値が後者の10〜20倍にも達している．これは，両者もFWBPの方が部分放電信号が大きく，この場合はの部分放電パルスの周波数特性でも顕著であり，前接地線電流法は２メーカのものとも検出可能であっ者は後者に比べて高周波信号において10倍（20dB）た．しかしながら，部分放電信号の小さなFWPの以上の強度差が認められる．これは60PPSの強度差方は，放射電磁界法（RTD直接）のみ部分放電検出の値とも合致する．

が可能であることが分かった．もちろん結合コンデ

表４
番号

方

２

各種の方法の中では，結合コンデンサ法が，最もFWP高圧電動機の試験結果（番号は表１と同じ）

式メーカ

部分放電検出60PPS〔mV〕

測定データ

接地線電流法

B

否−−３

放射電磁界法（RTD直接）

C

可0.4

図14４

放射電磁界法（RTD，RFCT）

C

否

０−

７接地線電流法

C

否

（0.1）

−

表５
番号

方

２
７式

FWBP高圧電動機の試験結果（番号は表１と同じ）
メーカ

部分放電検出60PPS〔mV〕

測定データ

接地線電流法

B

可算出できなかった−

接地線電流法

C

可4.9

図15

141

高い検出感度を有していることが分かった．ただし，る．ただ，RTDを本来の目的すなわち温度測定に使この方法を実際に用いるためには，電源端子箱を改用している時には，検出感度はやや低下するが，高造し，結合コンデンサをつなぎ込む必要がある．

周波変流器RFCTを介した測定をせざるを得ない．

接地線電流法は，検出感度がやや低く，部分放電

一方，固定子と回転子間の隙間の穴にロッドアンテ信号が小さい場合にはその検出は困難であるが，実ナを挿入する方法も試みたが，部分放電検出感度は際上に問題となる程度のレベルでは検出が可能となあまり高くない．また，こうしたアンテナを実際にる．実際の高圧電動機の約半数は測温センサを内蔵挿入すると，高圧電動機に損傷を与える恐れがある．

していないし，また，結合コンデンサのつなぎ込みをしない場合には，この方法しか使えない．

4.

おわりに放射電磁界法のうち，測温センサ（RTD）が使える場合は，改造することなくこれを部分放電モニタ

PWRで用いられている高圧電動機の絶縁劣化をとして使用することは有利である．検出感度からみ運転中に診断する方法の開発を目指し，その中で発ると結合コンデンサ法の方が大きいが，RTDは外部生する部分放電を測定する方法について試験し，結の電磁波雑音の影響を受けにくく，機内で発生する果を比較検討した．メーカ３社の部分放電モニタを部分放電に対する弁別性は良好であると考えられ用い，供試体として３種類（４台）の高圧電動機に

Ｘ軸：位相，Ｙ軸：パルス数および信号強度

Ｘ軸：位相，Ｙ軸：パルス数および信号強度

図14：Ｃ社RTD法直接検出による部分放電特性

図15：Ｃ社接地線電流法による部分放電特性（FWP高圧電動機運転中）

表６番号

方（FWBP高圧電動機運転中）

部分放電モニタの評価（番号は表１と同じ）

式

メーカ

検出感度

実機制約

総合点（最高10点）（最高５点）（順位）12（2）１結合コンデンサ法

A102２接地線電流法

B

257 （5）３放射電磁界法（RTD直接）C

8513（1）４放射電磁界法（RTD，RFCT）

C

6511（4）５放射電磁界法B033 （7）６結合コンデンサ法

C10212（2）７接地線電流法

C257 （5）８放射電磁界法

C033 （7）142

ついて試験を行い，部分放電検出感度の順位を求め文献ることができた．一方，実際の高圧電動機と実機制約の難易度についても順位を付すことが可能であ（１）電気学会技術報告Ⅱ部第402号「電力設備の運り，その上で総合評価を試みた．その結果を表６に転中絶縁診断技術」運転中における電力設備示す．この総合評価は必ずしも絶対的なものではなの絶縁劣化診断調査専門委員会

く，実際上はPWRにおける当該高圧電動機の重要度や多重性なども考察に入れた判断が必要であろう．

1992（２）電気学会技術報告第502号「電力設備の絶縁余寿命推定法」電力設備の絶縁余寿命推定法調査専門委員会

5.

電気学会編

謝辞

電気学会編1994（３）H. Zhu, V. Green, M. Sasic, Capacitive Couplers
with Increased Sensitivity for On-line PD

本研究の遂行に当たり，助言と発電所での試験にMeasurement in Stator Windings, Conf. Record

多大な御協力を頂きました関西電力株式会社原子1998 IEEE International Symp. on Electrical

力・火力本部の関係者の方々に深く謝意を表しまInsulation, pp.261-265(1998)

す．また，本研究の試験に御協力頂きました三菱電機株式会社の関係者の方々に感謝致します．

（４）K. Itoh, Y. Kaneda, S. Kitamura, K. Kimura, A.
Nishimura, T. Tanaka, H. Tokura, I. Okada, New
Noise Rejection Techniques on Pulse-by-pulse
Basis for On-line Partial Discharge Measurementof Turbine Generators, IEEE Transactions onEnergy Conversions, Vol. 11, No. 3, pp. 585-592,
1996.
（５）兼田吉治，伊藤恵一，北村重雄：「タービン発電機部分放電モニタの開発」, 平成10年電気学会全国大会256