LIFE-SPAN DIAGNOSIS ABOUT HV COMPONENTS FOR THE KLYSTRONMODULATORS OF KEKB INJECTOR LINAC
Hiroyuki Honma#, Hiromitsu Nakajima, Mitsuo Akemoto, Tetsuo Shidara, Shinichiro Michizono
KEK, High Energy Accelerator Research Organization, Accelerator Laboratory
1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken, 305-0801

Abstract
Degradation phenomena in the high voltage transformers of the KEKB linac klystron modulators wereinvestigated aiming to use the existing resonant charging type modulators in the Super KEKB project. Although about
10 inverter charging type modulators will be newly introduced in SuperKEKB injector linac, we still have remaining 50
conventional type modulators, utilizing rectifier and charging transformers. For the stable operation of klystron
modulators, reviews of the degradation in the insulating paper as well as in the insulating oil characteristics of thetransformers are inevitable. The way to judge their degradation, based on the life-span dependence on the applied
electric-field strength, is presented in this report.
.

モジュレーター高圧部品の寿命診断を 2 倍とする改造を行った。改造は 2 社のトランスメーカーによって行われ、その内 1 社（仮に A 社
KEKB 入射器では約 60 台の大電力クライストロ とし、もう１社を B 社とする）が製作した三相トラン用パルス電源を使用している。SuperKEKB 計画 ンスΔ-Δ結線タイプと充電チョークトランスに初に伴い、その内 12 台の電源がインバーター充電方 期故障が発生し、改修を行った経緯がある。
このようなことから、新計画が始まりつつある現式を用いた小型パルス電源となる予定である。しか時点で、改修を行ったトランスの層間絶縁紙の耐圧し残りの約 50 台の電源では、従来の高圧部品である整流電源ユニット三相トランスと PFN 共振充電 設計が長期間の使用に耐えるものになっているかを用の充電チョークトランスを使い続けることとなる。 検討し、絶縁油の特性測定を通した保守点検を続け
図 1 に電源の回路図を示す。これらのトランスは ていくことは電源の安定な運転にとって重要なこと
KEKB 計画が始まる時に、それまでの容量 24kVA になる。

1.

はじめに

PFN(Z=4.7Ω，Ctotal=0.6μF

充電チョークトランス
1.3μF

C1L1C2L2C3L3C19C20L20C1C2C3C19C20A

13.2Ω

20MΩ

A

discharging relay

over current protect

SELECTOR

44Ω

2MΩ
A

H.V. PROBE

M

up/down signal

F‐241 20MΩde‐spiker

H.V. PROBE

H.V. PROBE

V

L3

10000pF

17.5H
1.5A

48KVA
2.2KV
1.3A
12μF

200V 3φ200/130〜270V

60H
1.5A

10Ω

整流電源ユニット三相トランス

L20.015μF

Hold‐off Diode

L1

TRIGGER‐II
comp.
comp.
comp.

IVR CONTROLLER

SCR
2KV

TRIGGER‐I

Es
De‐Q’ing TRIGGER

TRIGGER
SIGNAL 12V

図１：大電力クライストロン用パルス電源回路図#hiroyuki.honma@kek.jp- 1231 -L20

22.5KV
4750A
5.6μS

2.

トランス構造と絶縁紙のストレス電界

図 ２ は 整 流 電 源 ユ ニ ット三相トランスと充電チョークトランスの構造を示したものである。
三相トランスでは低圧の 1 次側コイルが鉄芯のすぐ隣に巻かれ、高圧の 2 次側コイルがその外側に巻かれる。このトランスでは、入射器全体の電源を運転中、入力電源ラインに出て行く高調波を抑制するために、Δ-Δ結線とΔ-Y 結線のものを同数ずつ使用している。充電チョークトランスでは、漏れインダクタンスを低く抑えるため、2 次側コイルが 1 次側コイルをサンドイッチ状に囲んでいる。
両者とも高圧側コイルは複数のユニットに分かれ、その数は三相トランスで 2、チョークトランス
では 20 である。各ユニットはエナメル線と層間絶縁紙を交互に重ねて何層にも巻いてある。絶縁紙の表裏に加わる電圧（層電圧）V はトランスのタイプに応じて以下のように計算される。

表 1 は(1)式から計算された層電圧と層間絶縁紙厚から求めたストレス電界等を各トランスについてまとめたものである。右から 3 列目には KEKB 開始以来の故障数を示した。故障が始まった順番は充電チョークトランス、三相トランスΔ-Δ結線、同Δ-Y 結線の順番である。ここで、この順番とス
トレス電界の大きさの順番を見ると三相トランスの 2 つの結線については故障順番と対応している。
しかし、Δ-Δ結線の値が 2.16kV/mm であるため,電界が 0.82kV/mm のチョークトランスが一番早く故障を起こしたのは理解することが難しい。
Ｎ層エナメル線
サンドイッチ状の２次側コイル

Ｎ1ターン
三相トランス：136〜190
チョークトランス：44d
1つの高圧側コイル拡大

V = V 0 .....................(1)aN

絶縁紙

1つの高圧側コイル拡大

B1２ケの２次側コイル（高圧）ω相（u相は反対側）

21,810 × 1

3 V(同上Δ-Y 結線)

25,000 × 12 V(充電チョークトランス)

B5

B20

20ケの1次側コイル(高圧）υ相

三相トランスa(ユニット数)：2(三相トランス)20(チョークトランス）

B6

鉄 芯

鉄 芯

V0(トランス 1 脚の電圧)：
21,810V(三相トランスΔ-Δ結線)

充電チョークトランス

図２：トランス構造と層間絶縁紙

N(層数) ：表 1 による表１：絶縁紙ストレス電界比較
種類
チョークトランス
時間補正
Δ-Δ
Δ-Y
Δ-Y(B 社)
Δ-Δ
（トリスタン）

層数
3

層電圧（V）

絶縁紙厚(mm)

電界（kV/mm）

故障数

改修紙厚(mm)

改修電界（kV/mm）

295

0.36

0.82

40.54

0.55

3200.90
0.72

0.74
0.86
0.73

2141211779
525
573

0.36
0.52
0.72

1.11*
2.16
1.01
0.80

215190.361.44*は 0.82×1.35
そのため、当初はこのトランス 4 台の故障箇所が20 個のユニットの内、高圧側に近い側で集中していれば、チョークトランスから充電される PFN の放電時に発生するスパイク電圧の影響と言える可能性もあったため、分布を調べてみたがそういうこともなく、低圧側から高圧側に広く分布していることが分っていた[1]。

- 1232 -ただΔ-Δ結線との関係は別として、Δ-Y 結線の電界との大小関係は以下のように考えることができる。図 3 は充電チョークトランスの電圧波形を三相トランスと比較して示したものである。電圧が実効値以上である時間の比は 1.67 倍となり、電圧そのものの違いも含めるとストレス電界は1.11kV/mm となるので、Δ-Y 結線タイプの値より大きくなる。
実効値 21,810 V

0V0.8kV/mm）は 10 万時間を越えていることがわかる。
従って、A 社製三相トランス 2 タイプと充電チョークトランスの改修品（ストレス 0.73kV/mm、0.86kV/mm と 0.55kV/mm）とも、今後も安心して使用できると考えられる。
但し、次節で述べるように改修前のΔ-Y 結線タイプ（同 1.01kV/mm）に層間絶縁紙劣化の兆候が現れている。Δ-Δ結線タイプの改修品（同0.86kV/mm）については、そのストレスに値が近いため、現在はまだ兆候が見られないものの、今後注意が必要である。

π/2
実効値
≒1.67

1.67 ×

17,675= 1.35
21,8101.2E+05π/43π/40.8
1.0E+05

三相トランス電圧波形

故障までの積算時間（hour)

5π/4

出力電位
50,000 V
入力電位

実効値 17,675 V

25,000 Vπ/2π/2π/4

実効値
0V

充電チョークトランス電圧波形

8.0E+04

1.010.550.86
6.0E+04

4.0E+04
1.442.0E+042.16

図 3：両トランスの電圧波形比較

0.73

故障の対策として、三相トランスΔ-Δ結線、充電チョークトランスともに層間絶縁紙厚を増やしストレス電界がそれぞれ、0.86kV/mm、0.55 kV/mmに少なくしている。但し、上述したようにチョークトランスの値は元々大きくないので、このトランスについては念のため、エナメル線を綿が二重に被覆されたものに置き換え、製作中にエナメル線に傷がつくのを防止している。
Δ-Y 結線の三相トランスについては、初期の時点で故障は起こしていなかったが、他のものの改修が終わり一段落した 2003 年に１台と、少し間をおいて昨年 2011 年 6 月に 1 台が故障を起こし、これについてはストレスを 0.73kV/mm にする対策をしている。
図 4 は、Ａ，Ｂ両社製トランスについてストレス電界と故障までの積算時間（A 社製改修品と B社製については 2012 年 3 月 31 日現在の運転時間）との関係を示したものである。ここで、これまでの議論から充電チョークトランスではストレス電界と故障との因果関係がはっきりしないので、改修品のプロットのみにした。その代わり、ストレス電界と故障時間との関係を明らかにするため、電源容量倍増前のトリスタン運転中 1990 年に、ΔΔ結線タイプ（ストレス 1.44 kV/mm）が故障を起こした時のプロットを加えている。
この図からストレスが 1kV/mm 付近から故障時間、運転時間ともに大きく増加を示し、A 社製ΔY（ストレス 1.01kV/mm）の故障までの時間は 8 万時間に及び、B 社製Δ-Y の運転時間（ストレス00.50.0E+00
11.5

22.5

ストレス電界（kV/mm)

プロット横の数値はストレス値を、上向きの矢印は運転時間を示す。
図４：ストレス電界と故障までの積算時間

3.

トランス絶縁油の特性測定

トリスタンから KEKB への容量 2 倍化の際、三相トランス、充電チョークトランスともに冷却をそれまでの空冷式から、水冷式に変更している。
しかし、48kVA の容量の値は大きいため、トランスメーカーから定期的な絶縁油の劣化診断と交換を勧められていた。
図 5 は 2011 年 1 月に各種トランスタンクからサンプルした絶縁油の絶縁破壊電圧試験結果の度数分布を示す。同図（a）は 2 メーカーによる充電チョークトランスの絶縁油試験結果であり、同図(b)は A 社製三相トランスの 2 タイプの結果を色分けしたもの、同図(c)は同じく B 社製の同様な結果である。これらの図から、(a)については両者のものともひとつの分布曲線に納まっており、(c)についても B 社製三相トランスの 2 タイプがひとつの分布に共存していることが分る。しかし、A 社製のΔ-Y 結線タイプとΔ-Δ結線タイプについは別々な分布を持っており、Δ-Y 結線タイプの分布が低い破壊電圧の方にシフトしていることがわかる。
このタイプは前節で述べたように、故障実績が 1- 1233 -度しかなくストレス電界も比較的小さかったため、層間絶縁紙厚の補強を行ってこなかったものである。

2011 年に 34kV の値を示した no.4 のトランスがこの年の 6 月に故障を起こしている。ここで、JIS によれば 30kV 以上の破壊電圧は新油の出荷基準とされている値ではあるが、15kV 未満になるまで使用は可能であることになっている [2] 。一方、Δ-Δ結線タイプのものはこの表中ではどれも増加を示しており、この結果からも、両者の違いがはっきりしている。
可燃性ガス分析の結果では、文献 3 による要注
意レベルに比較して量的に多くはないが、絶縁紙の放電で発生するとされる CO ガスがΔ-Y 結線タイプで検出されており [3] 、Δ-Δ結線タイプでは未検出であることがわかる。故障後にガス分析を実施した上述の故障品での CO ガスの検出値は、表中では最大の 62ppm を示している。更に、故障を一度も起こしていない B 社製Δ-Y 結線タイプ（no.8）では、破壊電圧が 18kV と極端に低くなっているのにも係わらず、このガスが未検出であることは興味深い。
ガス分析では、C2H4 ガス量の変化もひとつの特徴を示した。このガスは絶縁油の高温加熱を示すとされている[3]。no.1 のΔ-Y 結線タイプは破壊電圧が 3 年間で 23kV もの低下を示しているが、このガスの値がその間、4ppm から要注意レベルである79ppm まで増加していることがわかる。

5台数（台）

4A社
B社

3
2

102125

2630

3135

3640

4145

4650

5155

5660

6165

6670

7175

7680

BDV(kV)(a) 2 社製充電チョークトランスの分布

4Δ

3台数（台）

Y2

102125

2630

3135

3640

4145

4650

5155

5660

6165

66707175

表２：絶縁油破壊電圧とガス分析結果

7680

BDV(kV)

ガス分析（ppm）(b) A 社製三相トランスの分布

BDV(kV)
結線
ΔY
ΔY
ΔY
ΔY
ΔΔ
ΔΔ
ΔΔ
ΔY

no.
41台数（台）32ΔY2314502125

2630

3135

36404145

46505155

56606165

6670

7175

7680

BDV(kV)

6(c)B 社製三相トランスの分布7

図 5：絶縁破壊電圧度数分布
表 2 はこの年の三相トランス絶縁油の破壊電圧試験とガス分析の結果を、この時点より 3 年前に行った同様の測定結果とともにまとめたものである。この表から、破壊電圧試験の結果では、低い電圧にシフトを起こしたΔ-Y 結線タイプ４台中 2台のものに 10kV 以上の経年劣化が見られており、

82008

20112008.12011.1

経年変化

65

42-2328431793827.5-10.52532126166522262*

1*COC2H4COC2H434467125n152586n26065.55.5n2n118n は未検出を表す＊は故障後に測定した値を示す

これまでに列挙した 3 つのパラメーター即ち絶縁破壊電圧、CO ガス、C2H4 ガスの内のどのパラメー
ターがトランスの故障に直接結びついているかに- 1234 -ついては、情報は十分ではない。しかし、KEKBの三相トランスΔ-Y 結線タイプの故障に限っては、絶縁破壊電圧より、CO ガスが重要ではないかと推測される。2008 年の測定では、充電チョークトランスでは破壊電圧が 22KV を示すものが１台（表 2には示していない）、三相トランスでは 18kV の値を示すもの（表 2 の no.8）があった。充電チョークトランスでは工場出荷時に約 2 倍の出力電圧を 1分間印加し、漏れ電流やその他の異常を確認する試験が行われている。図 6 はこの試験装置を示すものである。工場から出荷後 KEK で 6 年ほど使用したこのトランスに、再度出荷試験を実施したところ問題なく通過した実績がある。

80kV AC 電圧発生器

HV 出力

HV 入力

漏れ電流

1まとめクライストロン用パルス電源の高圧整流電源ユニット三相トランスと充電チョークトランスの故障時間とストレス電界の関係、また三相トランスの故障、絶縁油破壊電圧とガス分析結果との関係について述べた。
トランスを製造した２つのメーカーの内、B 社製のトランスについては KEKB 開始に伴う容量 2倍化の改造時点から 1 度も故障を起こしていない。
A 社製のものについては 3 種類のトランス全てについて故障が起こり、改修を施すことになった。
層間絶縁紙のストレス電界の設定が高すぎたためと考えられる。
改修後のトランスについては、ストレス電界がどれも 1kV/mm 以下のレベルにあり、これからも長時間の運転に耐えることが予想される。
保守として行った絶縁油の特性測定結果から以下のことがわかった。
• CO ガス分析結果が三相トランスΔ-Y 結線タイプの故障につながる絶縁紙劣化診断材料として有効である。

AE4.

2

充電チョークトランス

図６：過電圧出荷試験
KEKB への増強では、48kVA へのトランス容量の 2 倍化は複数年にわたり行われたため、これらをある時点で一度にガス分析すれば可燃性の COガス, C2H4 ガスの経年変化のグラフを作ることができる。図 7 は 2012 年に測定した計 20 台のΔ-Y 結線タイプ三相トランスの両方のガス量をプロットしたものである。横軸はトランスの運転時間である。この図から、1 年のリニアックの運転時間が仮に５０００時間として、両者とも測定年の数年前から急激にガス量が増加していることが確認でき、
A 社製Δ-Y 結線タイプを早急に改修する必要性を示している。

• 破壊電圧については 15kV 以下になると絶縁油を交換せざるを得ないが、20kV 位に低下してもトランス出荷時に行われる過電圧試験を通過できる。
これまで改修が遅れていた A 社製Δ-Y 結線タイプについては、2012,13 年度に全て改修を終えることになっている。
改修後のΔ-Δ結線タイプについてはまだ故障を起こしていない。しかし、ストレス電界が B 社製のトランスとΔ-Y 結線タイプの未改修品の中間にあり、未改修品に絶縁紙の劣化が見られることから、今後注意が必要であるため、絶縁油の特性測定を続けていく予定である。

160

参考文献

140

可燃性ガス量（ppm)120[1] H.Honma,et al.,”KEKB 入射器クライストロンモジュ
レ ー タ ー の 故 障 “ ,Proceedings of the 25th Linear
Accelerator Meeting in Japan, Himeji, July 12-14, 2000
[2] JIS C2320[3] 電気共同研究会“第 54 巻 第 5 号 その 1 油入変圧器の保守管理”

COC2H410080604020060000

70000

8000090000
運転時間（hour）

100000110000

図７：絶縁油ガス量経年変化- 1235 -