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部分放電による高圧電動機の絶縁劣化評価手法の検討
Evaluation of Deterioration of Insulators in High-Voltage Motors by Partial Discharge
三上雅生（Masao Mikami）＊

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を測定するオンラインモニターを使用し，実際の原子力発電所で稼動中の約150台の高圧電動機について部分放電測定を試みた．この測定結果から，経年的な絶縁劣化の傾向が把握出来ることがわかった．しかし，運転中の測定結果と停止中の部分放電試験との相関は得られず，コイル温度等の環境条件の影響で測定値に変動が見られることがわかった．また，本オンラインモニターを用いた位相特性に注目した診断により，固定子コイルエンドの異相間放電が診断できることを示した．
キーワード

高圧電動機，絶縁劣化，部分放電，オンラインモニター

Abstract
For the purpose of early detection of deterioration of insulators in high-voltage motorswhich are widely utilized in nuclear power stations, a new type on-line partial discharge monitor developed
at INSS was applied to test the deterioration of about 150 sets of high-voltage motors running in nuclear
power stations practically. From the results, it is shown that (1) tendency of the deterioration can beobtained by this method in general, (2) the magnitude of the on-line partial discharge hardly correlates withthat of off-line measurement, but depends on temperature and other environmental conditions, and (3) byobserving phase characteristics of partial discharge, it is possible to make a diagnosis of phase-to-phase
tracking in end-winding coils of a stator.
Keywords

1.

high-voltage motor, deterioration of insulators, partial discharge, on-line monitor

はじめにで，固定子コイルの絶縁寿命管理が重要である．
電動機固定子コイルの劣化要因として，（1）絶縁原子力発電所では他のプラントと同様に，回転機層に電圧が印加されることで進展する部分放電，高器の駆動源として電動機を多く用いており，特に大電界下のトリーイングなどの電気的劣化，（2）絶縁型機器には高出力の高圧電動機（3.3〜6.6kV）を使用

層はマイカなどを樹脂（エポキシレジン）にて接着している．関西電力（株）の原子力発電所の場合，そし，これを積層したもので構成されており，運転中の出力の大小により１ユニット当り13台から46台のの発熱によって絶縁層内に剥離やクラックが進展す高圧電動機が使用されている．その中で１次冷却材

る熱劣化，（3）機器の運転によって生じる熱応力等ポンプをはじめ，いくつかのものは運転中に故障すに伴う引張，圧縮，曲げ応力の繰返しによる絶縁層

ると発電所の運転に支障を来たすのはもちろん，安の剥離，割れが生じる機械的劣化，（4）絶縁部が湿全上も問題を起こす恐れがあるため，高圧電動機の潤状態や汚損物質との接触または浸清よる環境劣化

寿命の予測が重要であり通常はその予防保全策がとなどが考えられる．実際の電動機では，これらの要られている．

因が相乗的に作用して複合劣化となり加速度的に劣高圧電動機の寿命は，主に固定子コイル絶縁の劣化が進展する（2）．通常，電動機固定子コイルの絶縁劣化といわれる．ただ電動機の故障分析を実施すると，化診断は，主に直流吸収試験，誘電正接試験，交流絶縁劣化トラブルに比較して，軸受，端子部のトラ電流試験および部分放電試験などの電気的試験があ（1）ブルの方が多い

が，これらは部品の交換や局部的り，これらの総合評価で判定が行なわれている．

補修で簡単に対応できる．一方絶縁劣化トラブルの絶縁層中に空隙が存在すると交流電圧の印加によ場合には，電動機一式の取替えとなる場合が多いのり空隙部で部分放電が生じる．誘電正接試験や交流＊（株）原子力安全システム研究所

技術システム研究所

111

電流試験が絶縁層内部のボイド放電を放電電流とし告する．てとらえてボイドの量を示す指標とするのに対して，部分放電試験は一つ一つのボイド放電を放電パルス

2.

オンライン部分放電モニターの概要として捉えるもので，最大放電電荷量（以下Qmaxと記す）が最大ボイドの大きさを示す指標となる．

2000（平12）年に開発した携帯型部分放電モニタ
ーは，巡回点検で部分放電データの計測が可能なよ

試験用電源

うに①小型・軽量化，および②採取時間の短縮化を（7）．
図った携帯型システムである

結合コンデンサー
部分放電試験器
固定子試験装置

図１

従来の部分放電測定回路

従来から固定子コイルの絶縁診断として前記の電気的試験と，回転子を抜いて固定子コイル各部を点検する外観目視点検が行なわれているが，回転子を抜く手間と高電圧を印加するための大掛かりな装置

図２

オンライン部分放電モニター写真が必要で，通常の点検周期も４年から６年で，より頻繁な点検は困難であった．これらの点を改善する

図１，図３は部分放電測定回路を示すが，従来のため運転中（オンライン）の部分放電による診断法

停止時Qmax測定は，３相一括に試験電圧を供給し徐々の技術開発が期待されて，国内外で数多くの研究がに電圧を上昇させながら，規定電圧（3.8kV）での放なされている．発電機については早くから，カナダ

電パルス波高値を計測している．各コイルに印加さやアメリカにおいて，水車発電機コイルの電磁振動れる対地電圧は規定電圧であり，相間電圧，ターンに起因するスロット放電を検知・診断するモニタリ間に電位差はない．一方，運転中の部分放電測定に（3）ングシステムの開発と実用化が行なわれており ，放は，電動機に設置されているRTDを放電パルス検出

電信号の検出方法だけとりあげても以下のようなも器として用い，各コイルにはそれぞれ分担した対地のがある．

電圧があり，相間，ターン間にもそれぞれ電位差が（1）カップリングコンデンサーを用いて電源ラインある．

から検出する方法（2）高周波変流器を電源ラインに取り付け検出する方法（4）（3）専用のアンテナにより放射波を検出する方法（5）RTD（4）測温抵抗体をアンテナの代用をする方法（7）（5）固定子に超音波検出器を取り付け衝撃波を検出する方法（6）

固定子

常用電源

われわれは以前に，高圧電動機に内蔵されている測温抵抗体（Resistance Temperature Detector，以下RTDと記す）を用いたオンライン部分放電モニターを開発している（7）ので，実際に原子力発電所で使用されている多数の高圧電動機にこれを適用し，使用期間（等価年数）や使用温度などにも着目して測定をおこなった．ここではその測定結果と考察を報

携帯型部分放電モニター

図３

オンライン部分放電測定回路

電動機のRTD端子台上蓋の開放・閉止を含め１台当り20分程度で測定は終了する．

112

実機での測定の方法とその結果3.

ある．この場合，１秒間に電源電圧に同期した正極負極とも均等に1000個以上の放電パルスが発生して3.1対象とした高圧電動機いたことがわかる．

関西電力（株）の原子力発電所（美浜，高浜，大飯250.0発電所）では，高圧電動機はいずれも予防保全の観PD
200.0［mV］
150.0

点から固定子コイルの巻替えを実施中であり，巻替100.0

え前の電動機とその同型機，停止時Qmax測定値が高い

50.0電動機とその同型機，高経年機，巻替え直後の電動0.00機を抽出した．対象機は全て三菱電機（株）製の6.6kV

90180270360

PHASE ANGLE［°］

三相誘導電動機である．
10000

表１1000対象とした高圧電動機台数

美浜発電所
高浜発電所
大飯発電所

台数
364436100

出力 [kW]
350〜3760
580〜4300
360〜6000

Repetition
10Rate［pps］

110.00100.001000.00

PD MAGNITUDE［mV］図６3.2

60 pps
169.091［mV］

放電位相-強度特性（上）と累積特性（下）の例

測定方法
絶縁層内ボイドでの部分放電は電源電圧位相に対平成13年８月から季節毎に測定を実施した．だだ

して正負同等に発生するが，コイルとの境界またはし，停止中の電動機について測定は実施していない．

鉄心との境界部の放電は，電子の供給から正または測定値として60Hzの１サイクル毎に１回安定的に放負の放電となることが知られており（図７，図８），電パルスを発生しているレベルである60pps（pulse

放電位相の評価は重要となっている．（8）per second）を採用し，これをPDレベル（測定電圧値）としている．これは，部分放電試験におけるQmaxに相当する．電動機固定子には通常円周上に３等分（＋） 銅
銅コイル部される位置にRTDが取り付けられておりRTD毎に自コイル側ボイド（−） 絶縁（＋）（＋） 絶縁（−）

動計測し，切り替えはケーブルの接続替えによって絶縁層内ボイド行ない最大値を測定結果としている．また，一部の（−） 絶縁（＋）

電動機はRTDがないのでその評価には接地線に高周波変流器を介して放電信号を測定した．なお測定に鉄心部（＋） 絶縁（−）

鉄心側ボイド電子放出（−） 鉄

際しては，気温，湿度およびRTDの抵抗測定を行なうと共に，部分放電パルスをディジタルオシロスコ

（−）

電子放出

図７（＋）

絶縁層内ボイドでの部分放電モデループで観測し，PDレベルの高い電動機については周波数分析を行なうことにした．

3.3

負極性

測定結果の例

部分放電モニターでの測定結果の例（パソコン表0180360540

示画面の一部）を図６に示す．上は１秒間の測定結
正極性

果を電源電圧（60Hz）の位相に対してどのタイミングで放電しているかを表している位相―強度特性（φ―q）であり，下はPDレベル[mV]を横軸に１秒間の累積個数を縦軸にした強度―累積特性（q−n）で

図８

放電パルスの正負極7201133.4

等価運転年数と部分放電レベル互補完できると考えられるが，今回の測定結果からはそのような相関は認められていない．その理由と電動機メーカーから提案されている等価運転年数

して停止中のQmaxは前述の測定回路にあるが３相一括で評価したものを図９に示す．この等価運転年数はで電圧を印加しており，各相各コイルとも対地電圧運転時間と停止時間の1/3を加算したものである．

は規定値となっている．しかし運転中の測定では各等価運転年数で15年を過ぎても低いPDレベル

コイルは接続位置で対地間電圧を分担しており中性（10[mV]以下）のものも散見できるが，10年前後から点では対地電圧０[kV]となっている．またコイル温度100[mV]を超えるものがかなりあり，一般にいっても停止中は運転中と比べ低温となっており，信号のPDレベルは劣化傾向を示すものといえる．

取り出し位置も停止中は電源端であるのに対してRTD挿入位置であり，放電パルス伝搬中の減衰も異900なるからである．図10は同型式同出力（3800kw）18800台の電動機のPDレベルと停止中のQ maxの関係を図示

PD［mV］

700

した．採取データ全て，同一機種毎等検討したが，600500

B種絶縁
F種絶縁

400300

停止中のQmaxとの相関は得られなかった．
本モニターは測定の容易さもあり，従来より測定頻度を増やした傾向管理にて，絶縁劣化の兆候を検200知することに適しているといえる．

10000510152025

100,000

図９

等価運転年数とPDレベル

関西電力（株）では等価運転年数で16年から21.5年のQmax［pC］

等価運転年数［年］10,000間に計画的絶縁更新を行なっており，20年近い等価運転年数でもPDレベルが１[mV]と低いものは，固定1,0000.10

子巻替え前においても絶縁破壊電圧（BDV）が62.5，64，65.6および67[％]，Qmaxは8,200，5,400，1,400および7,200[pC]と劣化の少ない電動機であった．これら

1.00

10.00

100.001000.00

PD［mV］

図10

同一型電動機のPDレベルと停止時のQmax

年数経過はしているがPDレベルの低い電動機は設計負荷に対して実負荷が少ない電動機で，表2に絶縁破壊試験の結果を示す．また，図９においてPDレベルが811[mV]の電動機E機については別項に記すが異相間放電を起こしていた．

3.6

PDレベルの経時的変動

本モニター開発中の試験において，PDレベルが時間的に変動している電動機が認められたため，外気温の変動を考慮して３ヶ月毎に測定した．また，一表２

ABCD

絶縁破壊試験を実施した電動機の例

運転年数[年]
18.5
18.5
18.5
19.7

PDレベル[mV]
3.25
1.25
6.61
0.82

BDV[%]
62.5
6467
65.6

Qmax
[pC]
5,400
8,200
7,200
1,400

製造年
1974
1974
1970
1972

部の電動機は２ヶ月にわたり日２回の測定を実施した．さらにPDレベルの比較的高い電動機については，週２回の測定を２ヶ月間行なった．停止中のQmax測定でPDレベルの値はモーターコイル温度，外気温度，湿度の影響で変動していたが，運転中でも一部電動機においてPDレベルの変動が確認された．Ｆ機の例
を図11に示すが電動機には通常固定子全周を３等分

3.5

停止中のQmaxとの関係した位置にRDTが設置されており，この図はそれぞれの測定値とコイル温度を示している．上の図は３停止中のQmaxとの相関関係が得られれば，停止中のヵ月毎の測定値であり，下の図は週２回の測定値で測定で確立されてきた良否判定基準が使用出来，相ある．温度と共にPDレベルが変動しており，特に

114

RTD―1については図12のとおりコイル温度と相関関特性，累積特性は，図13に示すとおり正負極性は同係にある．

等ではなく，どちらか一方の信号が高い非対称性で，類似の事象で負荷の変動により放電強度が変動す絶縁層内部放電でないことを示唆している．トラッる場合は固定子コイルの楔（くさび）のゆるみによキングがあったU１-１とW２-１コイルは両方とも口るスロット放電があるが，この場合は位相―強度特出し線に近く，相関電位は定格電圧の90％と高い部

性は正負同等であり，その可能性は否定できる．

位で，付着粉塵の影響で放電を起こしていたものとまた，コイル温度ばかりでなく表面汚損や雨天後の推定される．コイルエンドの拡大写真を図14に示す

湿度上昇による影響が認められる電動機の例もあり，が，付着粉塵で写真では認識できない小さなトラッ

傾向管理上，ある程度の変動は許容する必要がある．

キングであった．このトラッキングは，放置すればいずれはパス（放電路）となり絶縁破壊へと進展するところであった．トラッキングの経路を図15に示PD［mV］,温度［℃］

140120す．また，従来の電気試験結果を表３に示す．

100RTD-1
RTD-2RTD-3
コイル温度80604002／8／102／5／102／2／101／11／1001／8／1

E機の電気試験結果
1971/ 19.7年
1000[kW]1457[MΩ]
6.029.66
25,500 [pC]

・製造年／等価運転年数
・出力・絶縁抵抗 （40°C）
・成極指数
・誘電正接・Qmax

20

測定日
140PD［mV］,温度［℃］

表３120100

RTD-1
RTD-2
RTD-3
コイル温度

806040誘電正接は少し高いものの，Qmax等は管理値を下回っており，従来診断では付着粉塵量から洗浄が推奨される程度である．これは従来診断法の対地間に規20定電圧を印加する試験では検出不可能な異相間放電を運転中測定にて診断可能にした事例である．

02／9／2402／10／102／10／802／10／1502／9／1
702／9／100

測定日

図111250.0

PDレベルの経時変化例

PD
1000.0［mV］

PD［mV］

750.0
140500.0120250.01000.00RTD-1
RTD-2
RTD-3806090180270360PHASE ANGLE［°］

4010002004050607080

コイル温度［℃］

図123.7

コイル温度とPDレベルの関係例

高PDレベル電動機の点検結果

811.244［mV］
Repetition
Rate
［pps］

10
1100.00

検したところ，絶縁破壊の前兆である異相間放電によるトラッキング（放電痕）を認めた．Ｅ機の位相1000.00

PD MAGNITUDE［mV］

図13
図９にてPDレベルが811[mV]であったE電動機は点60 pps

10090

E機の位相-強度特性と累積特性

115

文献
（1）電気学会,絶縁寿命限界と推定 ，電気学会技術報告第882号, 2002-4.
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4.

イン部分放電モニターによる実機試験の結果− ，INSS JOURNAL, Vol.7, pp.231-238, 2000-

原子力発電所で稼動中の高圧電動機について運転

9.

中の部分放電信号を電動機のRTDから取り出す方法（8）Gabriel J.Paoletti, Alexander Golubev， Partial

にて，長期にわたる測定をして絶縁劣化を評価する

Discharge Theory and Technologies Related to

ことを試みた．

Medium-Voltage Electrical（1）経年的な劣化傾向を等価運転年数評価から把握

IEEE Transactions on Industry Applications,することが可能なことを示した．
（2）停止中のQmaxと相関関係は得られないが，測定頻度を増やした傾向管理をすれば，絶縁劣化を検知することに適している．
（3）傾向管理する上でコイル温度等の影響を受けるため，変動を許容した運用が必要となる．
（4）放電の位相特性を観察することにより停止時の測定では診断し得なかった異相間放電の検知が可能であることを示した．
運転中の部分放電信号測定は測定の操作性，安全性において従来手法に比べて優位であり，更なるデータ蓄積を行なって発電所での本格運用につなげた
い．

Vol.37, No1, pp90-103, 2001.

Equipment ，