JP5234440B2 - 油入電気機器の寿命診断装置、油入電気機器の寿命診断方法、油入電気機器の劣化抑制装置、および油入電気機器の劣化抑制方法 - Google Patents

Description

本発明は、油入電気機器の寿命を診断するための装置および方法、ならびに、油入電気機器の劣化を抑制するための装置および方法に関する。

油入電気機器、特に油入変圧器は、コイル素線およびその外側に巻きつけられた絶縁紙を有する。絶縁紙は隣り合うコイルターン間を電気的に絶縁する。変圧器が長期（たとえば数十年）に亘り使用される間に、絶縁紙を構成するセルロース分子の平均重合度が徐々に低下する。このため絶縁紙の機械的強度が徐々に低下する。

系統事故によって変圧器に短絡電流が流れた場合、コイルに電磁力が作用する。電磁力は短絡電流に応じて定まる。大きな短絡電流が流れた場合には、コイルに大きな電磁力が発生するためにコイル絶縁紙に引張力が作用する。劣化した絶縁紙に過大な引張力が作用した場合には、絶縁紙が破断する。コイル絶縁紙が破断することによって隣り合うコイルターン間の電気的な絶縁性能が低下する。これが変圧器の寿命を支配する典型的なメカニズムである。したがってコイル絶縁紙の機械的強度を推定することが油入電気機器の寿命診断にとって不可欠である。

絶縁紙の機械的強度の低下によるコイルターン間の短絡を防止するための方法として、絶縁紙の重合度に基づく電気機器の寿命診断方法が提案されている。絶縁紙の重合度は絶縁紙の機械的強度と相関を有する。このため絶縁紙の重合度が電気機器の寿命診断のために用いられる（特許文献１：特許第３５１６９６２号公報（再公表特許９８／０５６０１７公報））。

特許文献１は、加熱時間および加熱年数から絶縁紙の重合度を算出するための数式を開示する。特許文献１によれば、絶縁紙の熱劣化現象は１１０℃を境に異なる。上記の数式は、絶縁紙の入った絶縁油を最大１２年間、１１０℃以下の温度にて加熱する実験によって得られる。

絶縁紙の機械的強度と絶縁紙の重合度との関係は予め求められる。絶縁紙の機械的強度が設計限界値に達したときの重合度が、絶縁紙の重合度の設計限界値となる。絶縁紙の重合度を推定することによって油入電気機器の寿命を診断することができる。

一方、硫化銅が油入電気機器の内部で絶縁破壊を引き起こすという問題が近年報告されている。絶縁油に含まれる硫黄成分が絶縁油中の銅部品と反応して、導電性の硫化銅が絶縁紙に析出する。硫化銅は絶縁紙の絶縁性能を低下させる。絶縁紙の絶縁性能が低下することで絶縁破壊が生じる（非特許文献１：CIGRE WG A2-32, “Copper sulphide in transformer insulation”, Final Report Brochure 378, 2009）。

特許第３５１６９６２号公報（再公表特許９８／０５６０１７公報）

CIGRE WG A2-32, "Copper sulphide in transformer insulation", Final Report Brochure 378, 2009

従来の寿命診断方法では、絶縁紙に硫化銅が析出することによる絶縁性能の低下は考慮されていない。したがって従来の方法によれば、油入電気機器の寿命を正しく診断できない場合が生じ得る。油入電気機器の状態を正確に分析するためには油入電気機器の寿命の主要因を適切に判断することが求められる。

この発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、油入電気機器の寿命の主要因を適切に判断するための技術を提供することである。

本発明のある局面に係る油入電気機器の寿命診断装置は、絶縁紙で被覆された導体を含む巻線と、巻線を収容するタンクと、タンクに満たされた絶縁油とを含む油入電気機器の寿命診断装置である。寿命診断装置は、絶縁油に含まれて、導体との反応により導電性化合物を生成する原因物質の残存濃度を測定するように構成された測定部と、油入電気機器の稼働時間と、測定部によって測定された残存濃度の測定値とに基づいて、原因物質の初期濃度を推定するように構成された濃度推定部と、初期濃度の基準値と、濃度推定部によって推定された初期濃度の推定値とを比較するように構成された比較部とを備える。基準値は、油入電気機器の寿命の主要因が導電性化合物の生成および絶縁紙の劣化のいずれであるかを判別するための値として定められる。寿命診断装置は、推定値と基準値との比較結果に基づいて、油入電気機器の寿命を診断するように構成された診断部をさらに備える。

本発明の他の局面に係る油入電気機器の劣化抑制装置は、絶縁紙で被覆された導体を含む巻線と、巻線を収容するタンクと、タンクに満たされた絶縁油とを含む油入電気機器の劣化抑制装置である。劣化抑制装置は、絶縁油に含まれて、導体との反応により導電性化合物を生成する原因物質の残存濃度を測定するように構成された測定部と、油入電気機器の稼働時間と、測定部によって測定された残存濃度の測定値とに基づいて、原因物質の初期濃度を推定するように構成された濃度推定部と、初期濃度の基準値と、濃度推定部によって推定された初期濃度の推定値とを比較するように構成された比較部とを備える。基準値は、油入電気機器の寿命の主要因が導電性化合物の生成および絶縁紙の劣化のいずれであるかを判別するための値として定められる。劣化抑制装置は、推定値と基準値との比較結果に基づいて、油入電気機器の劣化を抑制するための対策に関する情報を生成するように構成された情報生成部をさらに備える。

本発明のさらに他の局面に係る油入電気機器の寿命診断方法は、絶縁紙で被覆された導体を含む巻線と、巻線を収容するタンクと、タンクに満たされた絶縁油とを含む油入電気機器の寿命診断方法である。寿命診断方法は、絶縁油に含まれて、導体との反応により導電性化合物を生成する原因物質の残存濃度を測定するステップと、油入電気機器の稼働時間と、残存濃度の測定値とに基づいて、原因物質の初期濃度を推定するステップと、初期濃度の基準値と、初期濃度の推定値とを比較するステップとを備える。基準値は、油入電気機器の寿命の主要因が導電性化合物の生成および絶縁紙の劣化のいずれであるかを判別するための値として定められる。寿命診断方法は、推定値と基準値との比較結果に基づいて、油入電気機器の寿命を診断するステップをさらに備える。

本発明のさらに他の局面に係る油入電気機器の劣化抑制方法は、絶縁紙で被覆された導体を含む巻線と、巻線を収容するタンクと、タンクに満たされた絶縁油とを含む油入電気機器の劣化抑制方法である。劣化抑制方法は、絶縁油に含まれて、導体との反応により導電性化合物を生成する原因物質の残存濃度を測定するステップと、油入電気機器の稼働時間と、残存濃度の測定値とに基づいて、原因物質の初期濃度を推定するステップと、初期濃度の基準値と、初期濃度の推定値とを比較するステップとを備える。基準値は、油入電気機器の寿命の主要因が導電性化合物の生成および絶縁紙の劣化のいずれであるかを判別するための値として定められる。劣化抑制方法は、推定値と基準値との比較結果に基づいて、油入電気機器の劣化を抑制するための対策に関する情報を生成するステップをさらに備える。

本発明によれば、油入電気機器の寿命の主要因を適切に判断することができる。

本発明の実施の形態１による油入電気機器の寿命診断装置の構成図である。 図１に示した油入電気機器の構成例を示す断面図である。 コイルを構成する複数の巻線層のうちの１つを示した平面図である。 図３に示した巻線層のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面を示した断面図である。 油入電気機器内部における硫化銅の生成メカニズムを説明するための模式図である。 マップに基づく油入電気機器の寿命診断を説明するための図である。 図１に示した演算部の構成を示した機能ブロック図である。 実施の形態１による油入電気機器の寿命診断方法を説明するためのフローチャートである。 ヒートラン試験により求められる、変圧器中の絶縁油の温度とコイル巻線の温度とを模式的に示した図である。 運転負荷率とコイル温度との関係を模式的に示した図である。 環境温度とコイル温度との関係を模式的に示した図である。 コイル温度とＤＢＤＳ濃度の減少速度との間の関係を模式的に示した図である。 本発明の実施の形態２による油入電気機器の劣化抑制装置の構成図である。 図１３に示した演算部の構成を示した機能ブロック図である。 実施の形態２による油入電気機器の劣化抑制方法を説明するためのフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１による油入電気機器の寿命診断装置の構成図である。図１を参照して、診断装置１０１は、配管２と、タンク３と、採油装置４と、前処理装置５と、濃度測定器６と、演算部８と、表示装置９とを備える。

図２は、図１に示した油入電気機器の構成例を示す断面図である。図２を参照して、油入電気機器１はたとえば変圧器であり、タンク５０と、鉄心５１，５２と、コイル５３と、冷却器５４と、絶縁油５５とを備える。

鉄心５１，５２と、コイル５３とはタンク５０に収納される。コイル５３は、鉄心５１，５２に囲まれている。タンク５０の内部は絶縁油５５で満たされている。したがってコイル５３は絶縁油５５に浸されている。

絶縁油５５はポンプ５６によって油入電気機器１内を循環する。図２中の矢印によって示されるように、絶縁油５５は、タンク５０から出て、冷却器５４により冷却される。冷却された絶縁油５５はタンク５０に戻る。絶縁油５５は、たとえば鉱油、合成油などである。

コイル５３は、一方向に積層された複数の巻線層によって構成される。図３は、コイルを構成する複数の巻線層のうちの１つを示した平面図である。図４は、図３に示した巻線層のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面を示した断面図である。

図３および図４を参照して、巻線層５３Ｐは、紙巻導体５３Ｌによって構成される。紙巻導体５３Ｌは、同一平面内で螺旋状に巻かれている。紙巻導体５３Ｌは、銅を含む導体５３Ｍと、導体５３Ｍを被覆する絶縁紙５３Ｎとを有する。絶縁紙５３Ｎはセルロース分子を含む。

図１に戻り、タンク３は配管２によって油入電気機器１に接続される。油入電気機器１内から絶縁油５５が採取される際には、油入電気機器１内の絶縁油の一部が配管２を通り、タンク３に流入する。採油装置４は、たとえばポンプであり、タンク３内の絶縁油を採取する。タンク３の絶縁油は濃度測定器６による成分分析に用いられる。前処理装置５は、タンク３内の絶縁油が濃度測定器６に送られる前に、絶縁油の前処理を行なう。

濃度測定器６は、導電性化合物の原因物質の残存濃度を測定する。原因物質は巻線層の導体と反応することにより導電性化合物を生成する物質である。原因物質が導体と反応することによって原因物質の濃度は次第に減少する。したがって濃度測定器６により原因物質の残存濃度が測定される。

本実施の形態では、濃度測定器６による濃度測定の対象となる原因物質は硫黄化合物であり、より具体的には、ジベンジルジスルフィド（Di-benzyl-di-sulfide；ＤＢＤＳ）である。濃度測定器６は、たとえばガスクロマトグラフ／質量分析器（ＧＣ／ＭＳ）であり、絶縁油から抽出されたＤＢＤＳの濃度を測定する。

演算部８は、たとえばコンピュータにより構成されるとともに、その内部に記憶されたマップおよびプログラムに基づいて演算処理を実行する。具体的には、演算部８は、濃度測定器６からＤＢＤＳ残存濃度の測定値を受ける。演算部８は、ＤＢＤＳ残存濃度の測定値、油入電気機器１の稼働時間、および油入電気機器１の運転温度などに基づいて、油入電気機器１の寿命を診断する。具体的には演算部８は油入電気機器１の余寿命を推定するとともに、その推定値を出力する。

表示装置９は、演算部８の診断結果、すなわち油入電気機器１の余寿命の推定値を図示しない画面に表示する。これにより診断装置１０１による診断結果を把握することが可能になる。

図５は、油入電気機器内部における硫化銅の生成メカニズムを説明するための模式図である。図５を参照して、硫化銅の生成反応は２段階に分けられる。第１段階では、銅とＤＢＤＳとの化学反応によって銅−ＤＢＤＳ錯体が生成される。この錯体は、絶縁油中に拡散するとともに、その一部が絶縁紙に吸着する。

第２段階では、上記錯体が熱エネルギーによって分解されることにより、絶縁紙に硫化銅が析出する。硫化銅は導電性の物質であるので、硫化銅が析出された箇所を起点に導電路が形成される。この結果、隣り合うコイルターン間が短絡して絶縁破壊が生じる。

絶縁油中のＤＢＤＳは、コイルの導体に含まれる銅との反応によって消費される。ＤＢＤＳ濃度は油入電気機器の稼働年数に伴い低下する。したがって硫化銅生成による絶縁破壊のリスクを診断するためには、ＤＢＤＳの初期濃度を推定することが必要となる。初期濃度とは、油入電気機器の稼働開始時の濃度である。

本実施の形態では、演算部８は、濃度測定器６によって測定された残存濃度に基づいてＤＢＤＳの初期濃度を推定する。演算部８は、その推定値をＤＢＤＳ濃度の基準値と比較する。この基準値は、油入電気機器の寿命の主要因が硫化物の生成および絶縁紙の劣化のいずれであるかを判別するための値として定められる。演算部８は、基準値と推定値との比較結果に基づいて油入電気機器の寿命を診断する。演算部８の診断結果は上記の主要因を反映する。したがって本実施の形態によれば油入電気機器の寿命を正確に診断できる。

具体的には、演算部８は、以下に説明されるマップを用いて油入電気機器の寿命を診断する。図６は、マップに基づく油入電気機器の寿命診断を説明するための図である。

図６を参照して、マップ１１は、所定の運転温度におけるＤＢＤＳ初期濃度と油入電気機器の寿命年数との間の相関関係を定義する。グラフの横軸はＤＢＤＳ初期濃度を示し、グラフの縦軸は稼働年数を表わす。

時間Ｔｃは、上記の運転温度において絶縁紙の平均重合度が設計限界値に達する稼働時間を表す。絶縁紙の機械的強度は、絶縁紙の劣化にともなって低下する。絶縁紙（セルロース分子）の平均重合度は絶縁紙の機械的強度と相関を有する。絶縁紙の平均重合度の設計限界値は、絶縁紙の機械的強度がその設計限界値に達したときの値に対応する。

絶縁紙の平均重合度はＤＢＤＳ初期濃度に依存せずに、絶縁油の温度と油入電気機器の稼働年数とにのみ依存する。したがって時間Ｔｃは、たとえば特許文献１に開示された数式を用いて予め定めることができる。絶縁紙の平均重合度が設計限界値に達する稼働時間と、ＤＢＤＳ初期濃度との関係は、グラフ上では横軸に平行な直線（破線１２）として表現される。

一方、硫化銅の生成速度は、原因物質（ＤＢＤＳ）の初期濃度に依存する。曲線１３は、ＤＢＤＳ初期濃度と、絶縁紙の絶縁破壊をもたらす量の硫化銅が生成される時間との関係を示す。ＤＢＤＳの初期濃度が高いほど、絶縁紙の絶縁破壊をもたらす量の硫化銅が生成される時間は短い。すなわち、ＤＢＤＳの初期濃度が高いほど、油入電気機器１の寿命時間が短い。

Ｘｃは、破線１２と曲線１３との交点１４に対応するＤＢＤＳの初期濃度であり、上記の「基準値」に対応する。すなわちＸｃは、硫化銅の析出によって絶縁破壊が生じるまでの稼働時間が、絶縁紙の平均重合度が設計限界値に達する稼働時間と等しくなる場合における、ＤＢＤＳの初期濃度である。

この実施の形態では、ＤＢＤＳ初期濃度がＸｃより大きいか否かによって寿命診断方法が異なる。初期濃度がＸｃよりも低い値Ｘｓである場合には、絶縁紙の平均重合度が設計限界値に達する時間が、絶縁紙の絶縁破壊をもたらす量の硫化銅が生成される時間よりも短い。したがって初期濃度が基準値よりも小さい場合には、絶縁紙の平均重合度の低下が油入電気機器の寿命の主要因となる。演算部８は、油入電気機器の時間Ｔｃと稼働時間との差ｔｓが油入電気機器の余寿命であると推定する。

一方、初期濃度がＸｃよりも大きい値Ｘｌである場合、絶縁紙の絶縁破壊をもたらす量の硫化銅が生成される時間（Ｔａ）は、絶縁紙の平均重合度が設計限界値に達する時間（Ｔｃ）よりも短い。したがって初期濃度が基準値よりも大きい場合には、硫化銅の生成が油入電気機器の寿命の主要因となる。この場合には、油入電気機器の寿命は硫化銅の生成速度に依存するので、従来の寿命診断方法、すなわち絶縁紙の平均重合度に基づく寿命診断方法では機器の寿命を正しく診断できない。演算部８は、油入電気機器の余寿命は時間Ｔａと稼働時間との差ｔｌであると推定する。

図６に示されるように、マップ１１は、油入電気機器の寿命時間が絶縁紙の平均重合度およびＤＢＤＳ初期濃度のいずれか一方に依存するように、油入電気機器の寿命時間を定義する。具体的には、寿命時間を支配するパラメータは、ＤＢＤＳ初期濃度と基準値（Ｘｃ）との間の大小関係に従って定められる。ＤＢＤＳ初期濃度が基準値より小さい場合には、絶縁紙の平均重合度が寿命時間を支配する。一方、ＤＢＤＳ初期濃度が基準値より大きい場合には、ＤＢＤＳ初期濃度が寿命時間を支配する。すなわち、絶縁紙の平均重合度が設計限界値以下になる稼働時間と、硫化銅の生成によって絶縁破壊に至る稼働時間とのいずれか短いほうが油入電気機器の寿命と定義される。

運転温度が異なる場合には、絶縁紙の平均重合度が設計限界値に達する時間、および硫化銅の生成速度に依存する寿命時間が異なりうる。したがって、運転温度に対応して、図６に示したマップ１１と同様のマップを準備することもできる。

次に、図６に示したマップに従って油入電気機器の寿命を診断する演算部の構成について説明する。図７は、図１に示した演算部の構成を示した機能ブロック図である。

図７を参照して、演算部８は、初期濃度推定部２４と、マップ記憶部２６と、比較部２７と、診断部２８とを含む。

初期濃度推定部２４は、濃度測定器６によって測定されたＤＢＤＳ残存濃度に基づいてＤＢＤＳ初期濃度を推定するとともに、その推定値を診断部２８に出力する。マップ記憶部２６は、マップ１１（図６参照）を記憶する。なお、油入電気機器の運転温度（たとえば絶縁油の温度）に応じて複数のマップが予め準備される場合、マップ記憶部２６は、それら複数のマップを記憶する。

比較部２７は、初期濃度推定部２４からＤＢＤＳ初期濃度の推定値を受けるとともに、マップ記憶部２６からＤＢＤＳ初期濃度の基準値Ｘｃを受ける。比較部２７は、推定値および基準値を比較するとともに、その比較結果を出力する。

診断部２８は、上述の方法に従って、油入電気機器１の寿命を診断する。具体的には、診断部２８は、比較部２７の比較結果、ＤＢＤＳ初期濃度の推定値、油入電気機器の稼働時間および運転温度、ならびにマップ記憶部２６に記憶されたマップ１１に基づいて、油入電気機器１の寿命を診断する。ＤＢＤＳ初期濃度が基準値よりも大きいことを比較部２７の比較結果が示す場合、診断部２８は、ＤＢＤＳ初期濃度に基づく寿命時間（図６中の時間Ｔａ）から稼働時間を減算することにより、油入電気機器の余寿命を算出する。一方、ＤＢＤＳ初期濃度が基準値よりも小さいことを比較部２７の比較結果が示す場合、診断部２８は、絶縁紙の平均重合度に基づく寿命時間（図６中の時間Ｔｃ）から稼働時間を減算することにより、油入電気機器の余寿命を算出する。

診断部２８は、算出された余寿命を表示装置９に出力する。表示装置９は、その余寿命を表示する。

図８は、実施の形態１による油入電気機器の寿命診断方法を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は、たとえば油入電気機器の点検時に実行される。

図８を参照して、ステップＳ１において、濃度測定器６は、タンク３内の絶縁油を成分分析することによってＤＢＤＳの残存濃度を測定する。ステップＳ２において、演算部８はＤＢＤＳの残存濃度に基づいて、ＤＢＤＳの初期濃度を推定する。初期濃度の推定方法については後に詳細に説明する。

ステップＳ３において、演算部８は、その初期濃度と基準値Ｘｃとを比較する。ステップＳ４において、ＤＢＤＳ初期濃度が基準値Ｘｃより大きいか否かが判定される。初期濃度がＸｃより大きいと判定された場合（ステップＳ４においてＹＥＳ）、処理はステップＳ５に進む。一方、初期濃度がＸｃより小さいと判定された場合（ステップＳ４においてＮＯ）、処理はステップＳ６に進む。

ステップＳ５において、演算部８は、硫化銅の生成速度に基づく寿命時間（図６中のＴａに相当）および油入電気機器１の稼働時間から余寿命を算出する。一方、ステップＳ６において、演算部８は、絶縁紙の平均重合度に基づく寿命時間（図６中のＴｃに相当）および油入電気機器の稼働時間から余寿命を算出する。ステップＳ５およびＳ６の処理は、油入電気機器１の寿命を診断するための処理である。ステップＳ５またはＳ６の処理が終了すると、全体の処理が終了する。

この実施の形態によれば、推定された余寿命に基づいて、変圧器の寿命診断を実行できる。たとえば変圧器の更新（取替え）などの対策を提示することができる。

＜ＤＢＤＳの初期濃度の推定方法＞
ＤＢＤＳの初期濃度は、ＤＢＤＳ残存濃度に、ＤＢＤＳ濃度の減少量を加えることによって推定できる。絶縁油中のＤＢＤＳの減少量を推定する方法としては、各種の方法を適用できる。たとえば等価温度と硫化銅の生成量との関係から硫化銅の生成量を推定することができる（非特許文献２：加藤福太郎、網本剛、永尾栄一、細川登、外山悟、谷村純二、”高感度硫黄分析を活用した変圧器における硫化銅外部診断技術の開発”、第２９回 絶縁油分科会研究発表会、pp.34-39、2009年）。

本実施の形態では、ＤＢＤＳ濃度の減少量は、平均減少速度と稼働時間との積によって算出される。本実施の形態で用いられる「平均減少速度」は、コイルの等価温度におけるＤＢＤＳ濃度の減少速度である。平均減少速度は、たとえば以下の工程１〜３によって予め求められる。

（工程１）変圧器の試験データから、変圧器の運転負荷率および環境温度と、変圧器内のコイル温度との関係を把握する工程
（工程２）変圧器の運転負荷率および環境温度の情報と、工程１で得られた関係から、変圧器内のコイルの等価温度を算出する工程
（工程３）コイルの等価温度における平均減少速度を算出する工程
工程１では、たとえば変圧器のヒートラン試験が実行される。ヒートラン試験は、巻線および鉄芯を冷却する特性を把握するために定められた負荷条件下での温度上昇を測定する試験である。例えば、ＪＥＣ（Japanese Electrotechnical Committee）−２２００に基づく短絡接続による等価負荷法に従ってヒートラン試験が実行される。この試験では、変圧器の底部および上部の油温度が測定される。コイル巻線の温度は、測定されたコイル巻線の抵抗値から算出される。

図９は、ヒートラン試験により求められる、変圧器中の絶縁油の温度とコイル巻線の温度とを模式的に示した図である。図９を参照して、通電電流によるコイル巻線の発熱により、油温度はコイル下部で最も低く、上部で最も高くなる。

この方法に基づいて、一定の環境温度下において、ある運転負荷率で変圧器を運転した場合の変圧器の底部と上部とにおける絶縁油の温度が測定される。図１０に示されるように、絶縁油の温度の測定値から、運転負荷率をパラメータとした場合の変圧器の各部（たとえば底部および上部）のコイル温度が得られる。図１０は、運転負荷率とコイル温度との関係を模式的に示している。運転負荷率は、たとえば４０％、６０％、８０％、１００％であるが、これらの値に限定されない。

また、ある環境温度下において、一定の運転負荷率で変圧器を運転した場合の変圧器の底部と上部とにおける絶縁油の温度が測定される。図１１に示されるように、絶縁油の温度の測定値から、環境温度をパラメータとした場合の変圧器の各部（たとえば底部および上部）のコイル温度が得られる。図１１は、環境温度とコイル温度との関係を模式的に示している。環境温度は、たとえば５℃、２０℃、３５℃であるが、これらの値に限定されない。

上記の方法によって、変圧器の運転負荷率および環境温度と、変圧器内のコイル温度との関係が把握される。

工程２では、まず、平均環境温度が決定される。変圧器が設置されている環境での気温は一定ではない。しかしながら日間および年間の気温変動を考慮することによって、変圧器の運転期間全体における平均環境温度を求めることができる。

次に、油入電気機器の平均運転負荷率が決定される。平均運転負荷率は、変圧器の運転期間での運転負荷率の平均値である。平均運転負荷率は、たとえば、変圧器の設置場所（たとえば変電所）に記録されたデータに基づいて算出される。

続いてコイルの等価温度が決定される。工程１で把握された関係、すなわち変圧器の運転負荷率および環境温度と、変圧器内のコイル温度との間の関係が用いられる。この関係を用いて、平均環境温度および平均運転負荷率における、変圧器内の各部（たとえば底部および上部）のコイル温度が得られる。

次に、変圧器内の各部における、コイル温度とＤＢＤＳ濃度の減少速度との間の関係が把握される。一般に、コイル温度はコイル下部で最も低くなり、コイル上部で最も高くなる。一方、ＤＢＤＳと銅との反応は温度依存性を有する。温度が高いほど、反応速度が大きくなるとともにＤＢＤＳ濃度の減少速度が大きくなる。コイル下部では温度が低いため、ＤＢＤＳ濃度の減少速度は小さい。一方、コイル上部では温度が高いためＤＢＤＳ濃度の減少速度が大きい。

硫化銅を生成する化学反応の場合、たとえば温度が１０℃高くなると、反応速度が２倍速くなる。この温度依存性に基づき、コイル温度が１０℃高くなるとＤＢＤＳ濃度の減少速度が２倍早くなると推定される。そして、この推定に基づいて、変圧器内の各部（たとえば底部および上部）におけるコイル温度とＤＢＤＳ濃度の減少速度との関係を示すグラフが作成される。

図１２は、コイル温度とＤＢＤＳ濃度の減少速度との間の関係を模式的に示した図である。図１２を参照して、領域Ａの面積値と領域Ｂの面積値とが等しくなる温度が、コイルの等価温度として求められる。

工程３では、図１２に示した関係に基づいて、等価温度におけるＤＢＤＳ濃度の減少速度が得られる。演算部８（初期濃度推定部２４）がこの減少速度を予め記憶することによって、演算部８は、ＤＢＤＳ濃度の減少量を推定可能である。

以上のように実施の形態１によれば、ＤＢＤＳ初期濃度が基準値と比較される。基準値は、油入電気機器の寿命の主要因が硫化銅の生成および絶縁紙の劣化のいずれであるかを判別するための値として定められる。したがって実施の形態１によれば、油入電気機器の寿命の主要因を適切に判断することができる。

さらに実施の形態１によれば、絶縁紙の平均重合度に基づいて油入電気機器の寿命を診断する方法と、ＤＢＤＳの初期濃度に基づいて油入電気機器の寿命を診断する方法とが組み合わされる。ＤＢＤＳの初期濃度の推定値と基準値との比較によって２つの方法のいずれか一方が選択される。実施の形態１によれば、油入電気機器の寿命の主要因を適切に判断することができるため、油入電気機器の寿命を正確に診断することができる。

［実施の形態２］
実施の形態２では、油入電気機器の劣化を抑制するための対策に関する情報を得ることができる。

図１３は、本発明の実施の形態２による油入電気機器の劣化抑制装置の構成図である。図１３および図１を参照して、劣化抑制装置１０２は、演算部８に代えて演算部８Ａを備える点において診断装置１０１と異なる。劣化抑制装置１０２の他の部分の構成は診断装置１０１の対応する部分の構成と同様であるので以後の説明は繰り返さない。

演算部８Ａは、濃度測定器６によって測定されたＤＢＤＳ残存濃度に基づいて、ＤＢＤＳ初期濃度を推定する。さらに演算部８Ａは、その推定値を基準値とを比較する。「基準値」は油入電気機器の寿命の主要因が硫化銅の生成および絶縁紙の劣化のいずれであるかを判別するための値である。具体的には、図６に示されたＸｃが基準値に用いられる。演算部８Ａは、推定値と基準値との比較結果に基づいて、油入電気機器１の劣化を抑制するための対策に関する情報を生成するとともに、その情報を出力する。表示装置９は、演算部８Ａから出力された情報を図示しない画面に表示する。表示装置９に表示された情報に基づいて、油入電気機器１の劣化を抑制するための対策を実行することが可能となる。油入電気機器１の劣化を抑制するための対策は、ＤＢＤＳ初期濃度と基準値Ｘｃとの大小関係に基づいて異なる。

ＤＢＤＳ初期濃度がＸｃより小さい場合（図６に示したＸｓ＜Ｘｃの場合）、絶縁紙の平均重合度の低下を抑制する対策が選択される。運転温度を低下させることは、絶縁紙の平均重合度の低下を抑制するための有効な対策である。温度を低減するための方法として、たとえば油入電気機器の運転負荷の低減、冷却ファンの増設による冷却能力の増強、冷却ファンの運用方法の変更などが挙げられる。油入電気機器の運転負荷を低減する方法としては、たとえば電力系統に投入された油入電気機器の運転負荷の分担を調節する方法が挙げられる。この方法によれば、たとえば劣化した機器に流れる通電電流を小さくする一方、他の健全な機器に流れる通電電流を大きくする。これにより劣化した機器の運転負荷を低減できる。

一方、ＤＢＤＳ初期濃度がＸｃより大きい場合（図６に示したＸｌ＞Ｘｃの場合）、硫化銅生成を抑制する方策が採用される。使用中の油から原因物質であるＤＢＤＳを含まない油への交換、使用中の油に対する処理（たとえば硫黄成分の除去）、硫化銅生成を抑制するための抑制剤の絶縁油への添加は、硫化銅生成を抑制するための有効な対策である。

抑制剤は、たとえば１，２，３−ベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）および／またはＮ，Ｎ−ビス（２−エチルヘキシル）−（４または５）−メチル−１Ｈ−ベンゾトリアゾール−１−メチルアミンを適用できる（たとえば非特許文献３： T. Amimoto, E. Nagao, J. Tanimura, S. Toyama and N. Yamada, “Duration and Mechanism for Suppressive Effect of Triazole-based Passivators on Copper-sulfide Deposition on Insulating Paper”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 16, No.1, pp.257-264, 2009.）。上記添加剤は、絶縁油中に添加されることによって、銅表面に吸着されるとともに錯体被膜を形成する。この膜が絶縁油中の硫黄成分と銅との化学反応を阻害することにより、硫化銅の生成が抑制される。

また、銅−ＤＢＤＳ錯体を不活性化するキレート剤が絶縁油に添加されてもよい。銅−ＤＢＤＳ錯体が不活性化されることによって、絶縁紙への硫化銅の析出が抑制される。キレート剤は、たとえば以下の物質の中から選ばれる；エチレンジアミン、ビピリジン、エチレンジアミン四酢酸、フェナントロリン、ポルフィリン、クラウンエーテル、アセチルアセトン、アミノトリアゾール、アリザリン−３，１スタビノールＣ３−４２、オキシン、モリン、キナルジン酸、アルミノン、トリエタノールアミン。好ましくは、キレート剤は、エチレンジアミン、エチレンジアミン四酢酸およびアセチルアセトンからなる群から選ばれる。

図１４は、図１３に示した演算部の構成を示した機能ブロック図である。図１３および図７を参照して、演算部８Ａは、情報生成部２９をさらに備える点において演算部８と異なる。演算部８Ａの他の部分の構成は演算部８の対応する部分の構成と同様である。なお、診断部２８が省略されていてもよい。

情報生成部２９は、比較部２７の比較結果を受ける。比較部２７は、ＤＢＤＳ初期濃度の推定値を基準値と比較する。

推定値が基準値よりも小さいことを比較結果が示す場合には、情報生成部２９は、絶縁紙の劣化を抑制するための情報を生成する。この情報は、たとえば、運転温度の低下が必要なことを示す情報である。表示装置９は、絶縁紙の劣化を抑制するための情報、たとえば運転温度の低下を示す情報を図示しない画面に表示する。

一方、推定値が基準値よりも大きいことを比較結果が示す場合には、情報生成部２９は、硫化銅の生成を抑制するための情報を生成する。この情報は、たとえば絶縁油の交換を示す情報である。表示装置９は、硫化銅の生成を抑制するための情報、たとえば絶縁油の交換を示す情報を図示しない画面に表示する。

図１５は、実施の形態２による油入電気機器の劣化抑制方法を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は、たとえば油入電気機器の定期点検時に実行される。

図１５および図８を参照して、油入電気機器の劣化抑制方法は、ステップＳ５，Ｓ６の処理に代えて、ステップＳ１１，Ｓ１２の処理を含む点において油入電気機器の寿命診断方法と異なる。図１５に示したステップＳ１〜Ｓ４の各々の処理は、図８のフローチャートの対応するステップの処理と同様である。ステップＳ４においてＤＢＤＳ初期濃度が基準値Ｘｃより大きいか否かが判定される。初期濃度がＸｃより大きいと判定された場合（ステップＳ４においてＹＥＳ）、処理はステップＳ１１に進む。一方、初期濃度がＸｃより小さいと判定された場合（ステップＳ４においてＮＯ）、処理はステップＳ１２に進む。

ステップＳ１１において、演算部８Ａは、硫化銅の生成の抑制に関する情報を生成する。一方、ステップＳ１２において、演算部８Ａは、絶縁紙の平均重合度に基づく寿命時間（図６中のＴｃに相当）および油入電気機器の稼働時間から余寿命を算出する。ステップＳ１１またはＳ１２の処理が終了すると、全体の処理が終了する。

劣化抑制対策はできるだけ早い時期に実行されることが好ましい。その一方、油入電気器は電力系統に投入されているので、当該機器を直ちに停止した場合には停電が生じる。このため、劣化抑制のための対策は、機器が停止される定期点検時に実行されることが好ましい。

実施の形態２では、実施の形態１と同様に、ＤＢＤＳ初期濃度が基準値と比較される。したがって実施の形態２によれば、油入電気機器の寿命の主要因を適切に判断することができる。

さらに実施の形態２によれば、油入電気機器の寿命の主要因を適切に判断することができるため、油入電気機器の劣化を抑制するための適切な対策に関する情報を生成することができる。その情報に従った対策が実行されることによって油入電気機器の劣化を効果的に抑制することができる。油入電気機器の劣化が抑制されることによって、油入電気機器の寿命を長くすることが可能となる。

上記の実施の形態１，２では、絶縁紙の劣化に関連するパラメータとして絶縁紙の平均重合度が用いられる。しかしながら上記パラメータは、絶縁紙の平均重合度に限定されるものではない。たとえば、絶縁紙の劣化に伴って生成される物質の濃度あるいは量を、絶縁紙の劣化に関連するパラメータに用いることができる。そのパラメータの設計限界値は、絶縁紙の機械的強度の設計限界値に対応する値に定められる。そのパラメータが設計限界値に達するまでの油入電気機器の稼働時間が、油入電気機器の寿命時間、すなわち図６に示した時間Ｔｃに対応する。この場合にも、上記の実施の形態での方法と同様の方法によって、油入電気機器の寿命診断および劣化抑制の対策を実行できる。

また、演算部は上記説明に従う構成を有するものと限定されない。たとえば複数のブロックが統合されてもよい。あるいは、図７および図１３に示した複数の機能ブロックのうちの一部が演算部の外部に配置されてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 油入電気機器、２ 配管、３，５０ タンク、６ 濃度測定器、８，８Ａ 演算部、９ 表示装置、１１ マップ、１２ 破線、１３ 曲線、１４ 交点、２２ 稼働時間測定部、２４ 初期濃度推定部、２６ マップ記憶部、２７ 比較部、２８ 診断部、２９ 情報生成部、５１，５２ 鉄心、５３ コイル、５３Ｌ 紙巻導体、５３Ｍ 導体、５３Ｎ 絶縁紙、５３Ｐ 巻線層、５４ 冷却器、５５ 絶縁油、５６ ポンプ、１０１ 診断装置、１０２ 劣化抑制装置。

Claims (22)

1. 絶縁紙で被覆された導体を含む巻線と、前記巻線を収容するタンクと、前記タンクに満たされた絶縁油とを含む油入電気機器の寿命診断装置であって、
   前記絶縁油に含まれて、前記導体との反応により導電性化合物を生成する原因物質の残存濃度を測定するように構成された測定部と、
   前記油入電気機器の稼働時間と、前記測定部によって測定された前記残存濃度の測定値とに基づいて、前記原因物質の初期濃度を推定するように構成された濃度推定部と、
   前記初期濃度の基準値と、前記濃度推定部によって推定された前記初期濃度の推定値とを比較するように構成された比較部とを備え、
   前記基準値は、前記油入電気機器の寿命の主要因が前記導電性化合物の生成および前記絶縁紙の劣化のいずれであるかを判別するための値として定められ、
   前記推定値と前記基準値との比較結果に基づいて、前記油入電気機器の寿命を診断するように構成された診断部をさらに備える、油入電気機器の寿命診断装置。
2. 前記油入電気機器の寿命時間を、前記絶縁紙の劣化に関するパラメータおよび前記初期濃度によって定義するマップを予め記憶するように構成された記憶部をさらに備え、
   前記寿命時間は、前記初期濃度と前記基準値との間の大小関係に基づいて、前記パラメータおよび前記初期濃度のいずれか一方に依存するように定義され、
   前記診断部は、前記比較結果と前記マップとに基づいて、前記油入電気機器の前記寿命を診断する、請求項１に記載の油入電気機器の寿命診断装置。
3. 前記初期濃度が前記基準値よりも小さい場合には、前記寿命時間は、前記パラメータに依存するように定義され、
   前記初期濃度が前記基準値よりも大きい場合には、前記寿命時間は、前記初期濃度に依存するように定義され、
   前記診断部は、前記推定値が前記基準値より小さいことを前記比較結果が示す場合には、前記パラメータに基づく前記寿命時間と前記稼働時間との差分を生成する一方、前記推定値が前記基準値より大きいことを前記比較結果が示す場合には、前記初期濃度に基づく前記寿命時間と、前記稼働時間との差分を生成する、請求項２に記載の油入電気機器の寿命診断装置。
4. 前記初期濃度が前記基準値よりも大きい場合における前記寿命時間と前記初期濃度との間の関係は、前記導電性化合物によって前記巻線の絶縁破壊が生じるまでの前記稼働時間と前記初期濃度との間の関係に対応する、請求項３に記載の油入電気機器の寿命診断装置。
5. 前記パラメータは、前記絶縁紙の平均重合度である、請求項２に記載の油入電気機器の寿命診断装置。
6. 前記初期濃度が前記基準値よりも小さい場合における前記寿命時間は、前記絶縁紙の前記平均重合度が、予め定められた限界値に達するまでの前記稼働時間に対応する、請求項５に記載の油入電気機器の寿命診断装置。
7. 前記導体は、銅を含み、
   前記導電性化合物は、硫化銅である、請求項１から６のいずれか１項に記載の油入電気機器の寿命診断装置。
8. 前記原因物質は、硫黄化合物である、請求項７に記載の油入電気機器の寿命診断装置。
9. 前記硫黄化合物は、ジベンジルジスルフィドである、請求項８に記載の油入電気機器の寿命診断装置。
10. 絶縁紙で被覆された導体を含む巻線と、前記巻線を収容するタンクと、前記タンクに満たされた絶縁油とを含む油入電気機器の劣化抑制装置であって、
    前記絶縁油に含まれて、前記導体との反応により導電性化合物を生成する原因物質の残存濃度を測定するように構成された測定部と、
    前記油入電気機器の稼働時間と、前記測定部によって測定された前記残存濃度の測定値とに基づいて、前記原因物質の初期濃度を推定するように構成された濃度推定部と、
    前記初期濃度の基準値と、前記濃度推定部によって推定された前記初期濃度の推定値とを比較するように構成された比較部とを備え、
    前記基準値は、前記油入電気機器の寿命の主要因が前記導電性化合物の生成および前記絶縁紙の劣化のいずれであるかを判別するための値として定められ、
    前記推定値と前記基準値との比較結果に基づいて、前記油入電気機器の劣化を抑制するための対策に関する情報を生成するように構成された情報生成部をさらに備える、油入電気機器の劣化抑制装置。
11. 前記情報生成部は、前記推定値が前記基準値よりも大きい場合に、前記導電性化合物の生成を抑制するための情報を生成する一方で、前記推定値が前記基準値よりも小さい場合に、前記絶縁紙の劣化を抑制するための情報を生成する、請求項１０に記載の油入電気機器の劣化抑制装置。
12. 絶縁紙で被覆された導体を含む巻線と、前記巻線を収容するタンクと、前記タンクに満たされた絶縁油とを含む油入電気機器の寿命診断方法であって、
    前記絶縁油に含まれて、前記導体との反応により導電性化合物を生成する原因物質の残存濃度を測定するステップと、
    前記油入電気機器の稼働時間と、前記残存濃度の測定値とに基づいて、前記原因物質の初期濃度を推定するステップと、
    前記初期濃度の基準値と、前記初期濃度の推定値とを比較するステップとを備え、
    前記基準値は、前記油入電気機器の寿命の主要因が前記導電性化合物の生成および前記絶縁紙の劣化のいずれであるかを判別するための値として定められ、
    前記推定値と前記基準値との比較結果に基づいて、前記油入電気機器の寿命を診断するステップをさらに備える、油入電気機器の寿命診断方法。
13. 前記油入電気機器の寿命時間を、前記絶縁紙の劣化に関するパラメータおよび前記初期濃度によって定義するマップを予め準備するステップをさらに備え、
    前記寿命時間は、前記初期濃度と前記基準値との間の大小関係に基づいて、前記パラメータおよび前記初期濃度のいずれか一方に依存するように定義され、
    前記診断するステップは、前記比較結果と前記マップとに基づいて、前記油入電気機器の前記寿命を診断する、請求項１２に記載の油入電気機器の寿命診断方法。
14. 前記初期濃度が前記基準値よりも小さい場合には、前記寿命時間は、前記パラメータに依存するように定義され、
    前記初期濃度が前記基準値よりも大きい場合には、前記寿命時間は、前記初期濃度に依存するように定義され、
    前記診断するステップは、
    前記推定値が前記基準値より小さいことを前記比較結果が示す場合には、前記パラメータに基づく前記寿命時間と前記稼働時間との差分を生成するステップと、
    前記推定値が前記基準値より大きいことを前記比較結果が示す場合には、前記初期濃度に基づく前記寿命時間と、前記稼働時間との差分を生成するステップとを含む、請求項１３に記載の油入電気機器の寿命診断方法。
15. 前記初期濃度が前記基準値よりも大きい場合における前記寿命時間と前記初期濃度との間の関係は、前記導電性化合物によって前記巻線の絶縁破壊が生じるまでの前記稼働時間と前記初期濃度との間の関係に対応する、請求項１４に記載の油入電気機器の寿命診断方法。
16. 前記パラメータは、前記絶縁紙の平均重合度である、請求項１３に記載の油入電気機器の寿命診断方法。
17. 前記初期濃度が前記基準値よりも小さい場合における前記寿命時間は、前記絶縁紙の前記平均重合度が、予め定められた限界値に達するまでの前記稼働時間に対応する、請求項１６に記載の油入電気機器の寿命診断方法。
18. 前記導体は、銅を含み、
    前記導電性化合物は、硫化銅である、請求項１２から１７のいずれか１項に記載の油入電気機器の寿命診断方法。
19. 前記原因物質は、硫黄化合物である、請求項１８に記載の油入電気機器の寿命診断方法。
20. 前記硫黄化合物は、ジベンジルジスルフィドである、請求項１９に記載の油入電気機器の寿命診断方法。
21. 絶縁紙で被覆された導体を含む巻線と、前記巻線を収容するタンクと、前記タンクに満たされた絶縁油とを含む油入電気機器の劣化抑制方法であって、
    前記絶縁油に含まれて、前記導体との反応により導電性化合物を生成する原因物質の残存濃度を測定するステップと、
    前記油入電気機器の稼働時間と、前記残存濃度の測定値とに基づいて、前記原因物質の初期濃度を推定するステップと、
    前記初期濃度の基準値と、前記初期濃度の推定値とを比較するステップとを備え、
    前記基準値は、前記油入電気機器の寿命の主要因が前記導電性化合物の生成および前記絶縁紙の劣化のいずれであるかを判別するための値として定められ、
    前記推定値と前記基準値との比較結果に基づいて、前記油入電気機器の劣化を抑制するための対策に関する情報を生成するステップをさらに備える、油入電気機器の劣化抑制方法。
22. 前記生成するステップは、
    前記推定値が前記基準値よりも大きい場合に、前記導電性化合物の生成を抑制するための情報を生成するステップと、
    前記推定値が前記基準値よりも小さい場合に、前記絶縁紙の劣化を抑制するための情報を生成するステップとを含む、請求項２１に記載の油入電気機器の劣化抑制方法。

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