JP5840342B2 - 絶縁材料の絶縁劣化診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気機器などに使用される絶縁材料の絶縁劣化診断方法に関する。

周知のように、電力設備は、社会インフラを支える重要な設備で、長期の安定稼動が求められている。そのためには、設備の劣化状態を把握し、保全・更新を計画的に実施する必要がある。ところで、電力設備の導体支持やバリヤ等に使われている絶縁材料は、材料自体の経年劣化、および設置環境に浮遊する塵埃やガスの付着等で絶縁特性が低下する。しかし、この絶縁特性の低下は放電、トラッキングの発生により設備停止に至る原因となるので、絶縁材料は設備の劣化診断の対象とされている。

特に、設置環境が絶縁材料の劣化に及ぼす影響は、塵埃やガスの付着による汚損だけでなく、絶縁材料の成分と反応する環境因子が存在するような環境では、通常の経年劣化を大幅に上回る速さで劣化が進行する。たとえば、無機充填材に炭酸カルシウム使われる絶縁材料は、炭酸カルシウムが塩素系ガスや窒素酸化物ガス等と反応すると、塩化カルシウムや硝酸カルシウムが絶縁材料表面に形成される。これらの物質は、湿度４０％ＲＨ以下の低湿度でも水分を吸入して潮解するため、低湿度条件でも、絶縁材料表面が結露し漏れ電流が流れることで絶縁が破壊され、設備停止に至る。
したがって、設備の劣化状態の診断や余寿命を診断するためには、経年的な材料の劣化に加え、設置環境が材料の劣化に及ぼす影響も合わせて把握することが大事である。

絶縁材料の劣化を診断する従来技術として、特許文献１が提案されている。特許文献１には、有機樹脂材料表面に波長が異なる少なくとも２種類の単色光を照射し、各波長における反射光の吸光度差または吸光度比を算出し、予め求めておいた樹脂の劣化度と反射光の吸光度差または吸光度比とのマスターカーブに基づいて樹脂材料の劣化を判定することが開示されている。特許文献１に開示された発明は、樹脂材料表面の劣化状態を把握する技術である。しかし、前記したように、設置環境によっては劣化を大幅に加速する環境因子が存在するため、劣化を診断するためには、環境影響の把握が必要であり、特許文献１に開示された発明では環境影響の把握は困難である。

環境影響も考慮した絶縁材料の劣化診断方法として、特許文献２が提案されている。特許文献２では、診断項目（絶縁抵抗、部分放電、ｔａｎδ等）と相関の強い測定項目のデータをＭＴ法によるマハラノビスの距離という一つの指標で表し、診断項目とのマスターカーブを予め作成しておく。診断項目が絶縁抵抗の場合は２０℃５０％ＲＨの値でのマスターカーブを作成する。診断対象絶縁物を測定し、マハラノビスの距離を算出しマスターカーブから２０℃５０％ＲＨでの絶縁抵抗値を読み取る。この値から、ガウス分布関数による温湿度補正式により、所望の温湿度条件での絶縁抵抗を求め診断する方法である。この方法は、材料自体の劣化と設置環境の影響の両方を考慮した方法である。しかし、２０℃５０％ＲＨというのは、前記のような炭酸カルシウムの反応変質が起きている場合を除いて、劣化の差がわずかしか表れない温湿度条件である。また、材料の湿度依存性は、材料自体の劣化及び材料の表面に付着した塵埃の量や塵埃に吸着したガス成分の種類と量の組み合わせにより異なる湿度依存性を示すことから、湿度補正式で補正できない劣化条件がでてくる。

特許第３８６０８４６号公報 特許第４１２１４３０号公報

本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、材料自体の劣化と設置環境因子が材料の劣化に及ぼす影響の両方を考慮した材料因子と温度・湿度を含む設置環境因子の多変量解析により絶縁特性を推定することで、さまざまな劣化状態で精度よく絶縁材料の表面絶縁抵抗が推定可能な、非破壊で実施できる絶縁材料の劣化診断方法を提供することを目的とする。

本発明に係る絶縁材料の劣化診断方法は、絶縁劣化判定基準となる絶縁材料の絶縁特性の変化と、当該絶縁特性の変化に相関のある複数の前記絶縁材料の材料特性及び絶縁材料が設置されている大気環境因子の関係を多変量解析により整理し、前記絶縁材料の絶縁特性の推定式を予め作成する工程と、劣化診断の際、前記絶縁材料の材料特性及び大気環境因子を測定し、前記推定式により絶縁材料の絶縁特性を推定する工程と、推定した絶縁特性により絶縁材料の劣化状態を診断する工程とを備えていることを特徴とする。

絶縁劣化判定基準となる絶縁材料の絶縁特性、たとえば表面絶縁抵抗と、表面絶縁抵抗変化と相関のある複数の絶縁材料の材料特性、及び絶縁物が設置されている大気環境因子の関係を多変量解析の手法であるＴ（タグチ）法またはＴＳ（タグチ・シュミット）法により整理し、絶縁材料の表面絶縁抵抗の推定式を予め作成する。

測定する材料特性は、たとえば色差Ｌ＊、色差ａ＊（赤−緑）、色差ｂ＊（黄−青）、青色反射率、赤色反射率、光沢度（入射角２０°）、光沢度（入射角６０°）、光沢度（入射角８５°）、表面粗さ、濡れ性（接触角）等、材料の劣化に伴い変化する特性が選択される。また、大気環境因子は、材料表面の汚損度、塩素イオン、硝酸イオン、硫酸イオン、ナトリウムイオン、アンモニウムイオン等、及び設置環境の温度、湿度等が選択される。
選択される項目は、材料の種類により異なる。例えば、材料の初期の色調が赤色と灰色では、劣化による色調変化が異なり、絶縁抵抗と相関のある表面特性が異なるからである。

推定式を作成するために、想定される劣化形態を網羅し、劣化程度も新品から寿命品まで広範囲の材料データを収集し、そのデータから絶縁抵抗の推定式をＴ法またはＴＳ法により作成し、推定精度を上げる効果の大きい因子を絞り込む。Ｔ法またはＴＳ法で解析するデータは、フィールド回収品だけで劣化に偏りがある場合は、実験室で作成した模擬劣化品のデータも追加する。模擬汚損品は、熱劣化条件を変えて作成した材料自体の劣化を模擬した熱劣化品に、各種汚損溶液に浸漬して表面に汚損を付与するか、表面に塵埃を付着させてガス試験装置内で各種ガスを吸着させ汚損を付与した材料を作成し、データを追加する。

次に、劣化診断に際しては推定式作成時に絞り込んだ絶縁材料の材料特性及び大気環境因子を測定し、推定式により絶縁材料の表面絶縁抵抗値を計算する。図４は、余寿命診断ステップ例を示す。以下、このステップについて説明する。
まず、診断対象の絶縁材料の種別を確認した（(1)参照）後、絶縁材料の絶縁抵抗（Ｖ1）を測定する（(2)参照）。この後、（３）のように材料表面の汚損度，塩素イオン等の環境因子（ｘ1，ｘ2，…）を測定する。更に、材料表面を清拭した後、材料表面特性（ｘ11，ｘ12，…）を測定する。

次に、上記（１）を診断装置に入力し、予め作成しておいた材料別推定式を選択する。この後、上記（２）から絶縁抵抗（Ｖ1）を、上記（３）から環境因子（ｘ1，ｘ2，…）を、上記（４）から材料表面特性（ｘ11，ｘ12，…）を、更に設置環境の最高温度・湿度（客先提供情報）を診断装置内の選択した材料別推定式に入力する（(5)参照）。
次に、上記（５）の材料別推定式により、現状の温度・湿度下での絶縁材料の絶縁抵抗（Ｖ2）を算出し（(6)参照）、実際に測定した絶縁抵抗（Ｖ1）と比較することで、材料別推定式の妥当性を確認する（図４の(2)右側の楕円内に記載）。次に、設置環境で想定される最高温度湿度（例えば、梅雨時期）の絶縁抵抗値（Ｖ3）を算出する（(7)参照）。更に、上記（６）の絶縁抵抗値（Ｖ3）に基づいて寿命閾値までの時間を判定する（(8)参照）。

絶縁材料の絶縁劣化が原因の設備トラブルの多くは、湿度が９０％ＲＨを超えることもある梅雨時である。従って、余寿命は、高湿度時の絶縁抵抗が設備ごとに設定されている寿命閾値に至るまでの時間とする（図５）。なお、図５において、余寿命診断条件は、設置環境の最高温度・湿度である。高湿度時の絶縁抵抗は、前記計算の温度・湿度に梅雨時に想定される条件を入れて計算することで求められれる。

絶縁特性変化の湿度依存曲線を作成すると、材料の劣化状態や汚損状態によりある湿度近傍で変曲すること多く、全湿度範囲で推定式を作成すると推定精度が悪くなる。その場合は、絶縁抵抗の湿度依存曲線の変曲点の前後各々の湿度範囲で推定式を作成することで、推定精度が向上する。絶縁物の種類（基材、充填材の組合せ）により湿度依存性が異なることがあるので、変曲点は材料毎に確認し、推定式を作成する湿度範囲を決める。

また、絶縁材料の材料特性である表面粗さ、色差、反射率、光沢度などは、経年劣化による材料の変色や表面が荒れた状態を測定することが目的である。これらの特性測定に替わり、絶縁材料表面の色画像を取得し、色情報を推定因子として推定式を作成することも可能である。デジカメ等で簡便に総合的に材料の表面の劣化情報を得ることができる。

本発明によれば、材料自体の劣化と設置環境因子の劣化の両方を考慮し、かつ設置環境の温度・湿度を推定因子に加えたことで、さまざまな劣化状態での表面絶縁抵抗を任意な温度・湿度条件で求めることが可能になる。絶縁抵抗の湿度依存性曲線が編曲する湿度の前後の領域で、推定式を個別に作成することで、推定式の制度を上げることができる。
また、色差計や反射率計のような特殊な計測器を使わず、安価なデジカメ等で得られる色画像情報に変えても同様に絶縁抵抗の推定が可能である。
以上により、推定式を予め求めておくことで、現場で、非破壊で簡便に実施できる絶縁材料の劣化診断方法を提供できる。

水和アルミナを充填した不飽和ポリエステル樹脂の表面絶縁抵抗の温湿度依存性を示した特性図。 湿度５０％ＲＨ以上の全データをＴＳ法で解析して作成した絶縁抵抗の予測値と真値の相関を示す相関図。 絶縁抵抗の湿度依存性が変化した湿度７５％ＲＨ以上のデータをＴＳ法で解析して作成した絶縁抵抗の予測値と真値の相関を示す相関図。 診断対象の絶縁材料から寿命閾値までの時間を判定するまでの余寿命診断ステップを示すブロック図。 診断対象の絶縁材料の余寿命を求めるための概念図。

次に、本発明の実施形態に係る絶縁材料の絶縁劣化診断方法について図面を参照して説明する。なお、本実施形態は下記に述べることに限定されない。
（実施形態）
（１）まず、絶縁劣化判定基準となる絶縁材料の絶縁特性の変化と、当該絶縁特性の変化に相関のある複数の前記絶縁材料の材料特性及び絶縁材料が設置されている大気環境因子の関係を多変量解析により整理し、前記絶縁材料の絶縁特性の推定式を予め作成する。

最初に、Ｔ法またはＴＳ法により絶縁材料の表面絶縁抵抗を予測する式を作成するためのデータを収集する。測定する絶縁材料の材料特性としては、例えば色差Ｌ＊、色差ａ＊、色差ｂ＊、青色反射率、赤色反射率、光沢度（入射角２０°）、光沢度（入射角６０°）、光沢度（入射角８５°）、表面粗さ、濡れ性（接触角）等、材料の劣化に伴い変化する特性が選択される。また、大気環境因子は、材料表面の汚損度、塩素イオン、硝酸イオン、硫酸イオン、ナトリウムイオン、アンモニウムイオン及び設置環境の温度、湿度等を測定する。予測式作成の段階で、推定精度を向上させる項目を絞り込むので、広範囲でデータ収集する。

フィールド回収品だけで劣化に偏りがある場合は、実験室で作成した模擬劣化品のデータも追加する。模擬汚損品は、熱劣化条件を変えて作成した材料自体の劣化を模擬した熱劣化品に、各種汚損溶液に浸漬して表面に汚損を付与するか、表面に塵埃を付着させてガス試験装置内で各種ガスを吸着させ汚損を付与した材料を作成した材料を測定し、恒温恒湿槽内に放置して絶縁抵抗の温湿度特性を測定する。

次に、測定したデータを多変量解析の手法であるＴ（タグチ）法またはＴＳ（タグチ・シュミット）法により整理し、絶縁材料の表面絶縁抵抗の推定式を作成する。ここで、推定式を策定した時に含まれていなかった劣化モードがあると、推定精度が悪くなる。従って、推定式を作成するために、想定される劣化形態を網羅し、劣化程度も新品から寿命品まで広範囲の材料データを収集することが大事である。

図１は、水和アルミナを充填した不飽和ポリエステル樹脂の表面絶縁抵抗の温湿度依存性を示した特性図である。図１において、線ａは１６０℃で加熱劣化する絶縁板による湿度と表面絶縁抵抗との関係、線ｂは１８０℃で加熱劣化する絶縁板による湿度と表面絶縁抵抗との関係を夫々示す。また、線ｃは１６０℃の加熱劣化で破損した絶縁板による湿度と表面絶縁抵抗との関係、線ｄは１８０℃の加熱劣化で破損した絶縁板による湿度と表面絶縁抵抗との関係を夫々示す。図１より、材料の劣化、汚損レベルで７５％近傍で湿度依存性は変化することが明らかである。

図２は、湿度５０％ＲＨ以上の全データをＴＳ法で解析して作成した絶縁抵抗の予測値と真値の相関を示す（但し、縦軸は、横軸はｌｏｇ［絶縁抵抗］を示す）。図２の場合、相関係数Ｒ^２＝０．４８と相関は低く、予測精度が悪い。図３は、絶縁抵抗の湿度依存性が変化した湿度７５％ＲＨ以上のデータをＴＳ法で解析して作成した絶縁抵抗の予測値と真値の相関を示す（但し、縦軸は、横軸はｌｏｇ［絶縁抵抗］を示す）。図３の場合、相関係数Ｒ^２＝０．８６と相関が高く、推定式の予測精度が向上した。

（２）次に、劣化診断の際、絶縁材料の材料特性及び大気環境因子を測定し、前記推定式により絶縁材料の絶縁特性を推定する。つづいて、推定した絶縁特性により絶縁材料の劣化状態を診断する。
絶縁材料の絶縁劣化が原因の設備トラブルの多くは、湿度が９０％ＲＨを超えることもある梅雨時である。したがって、余寿命は、高湿度時の絶縁抵抗が設備ごとに設定されている寿命閾値に至るまでの時間とする。高湿度時の絶縁抵抗は前記計算の温度・湿度に梅雨時に想定される条件を入れて計算することで求める。したがって、絶縁抵抗の予測式は特に高湿度条件での予測精度が高いことが望まれる。本発明により作成した予測式は高湿度条件での予測精度が高いことを確認した。また、予測式の推定精度を上げるためには、測定項目ごとに最適な数値処理を行うことが効果がある。

本発明によれば、上述したように、絶縁材料の絶縁特性の変化と前記絶縁材料の材料特性及び絶縁材料が設置されている大気環境因子の関係を多変量解析により整理して、絶縁材料の絶縁特性の推定式を予め作成した後、劣化診断の際、前記絶縁材料の材料特性及び大気環境因子を測定して、前記推定式により絶縁材料の絶縁特性を推定し、更に推定した絶縁特性により絶縁材料の劣化状態を診断することにより、さまざまな劣化状態で精度よく絶縁材料の表面絶縁抵抗が推定可能であるとともに、絶縁材料を破壊することなく実施できる。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

Claims (5)

1. 絶縁劣化判定基準となる絶縁材料の絶縁抵抗の変化と、当該絶縁抵抗の変化に相関のある複数の前記絶縁材料の材料特性及び前記絶縁材料が設置されている大気環境因子であって温度湿度を含む大気環境因子の関係をＴ（タグチ）法またはＴＳ（タグチ・シュミット）法を用いた多変量解析により整理し、前記絶縁材料の絶縁抵抗の推定式を予め作成する工程と、
   劣化診断の際、前記絶縁材料の絶縁抵抗ならびに前記絶縁材料の材料特性及び温度湿度を含む大気環境因子を測定し、前記推定式により現状の温度湿度下での前記絶縁材料の絶縁抵抗を算出し、実際に測定した絶縁抵抗と比較することで前記推定式の妥当性を確認する工程と、
   前記推定式により前記絶縁材料の設置環境で想定される最高温度湿度での前記絶縁材料の絶縁抵抗を算出する工程と、
   算出した前記絶縁材料の設置環境で想定される最高温度湿度での前記絶縁材料の絶縁抵抗に基づいて寿命閾値までの時間を判定する工程と
   を備えていることを特徴とする絶縁材料の絶縁劣化診断方法。
2. 絶縁材料の材料特性は、絶縁材料及びその材料に含まれる無機充填剤の種類に基づき選択されることを特徴とする請求項１記載の絶縁材料の絶縁劣化診断方法。
3. 前記絶縁抵抗の推定式は、絶縁抵抗変化の湿度依存曲線が変曲する湿度を境界に各々の湿度範囲で作成することを特徴とする請求項１又は２記載の絶縁材料の絶縁劣化診断方法。
4. 前記絶縁抵抗の推定式を各々作成する湿度範囲の境界は、絶縁材料の種類ごとに設定されていることを特徴とする請求項３記載の絶縁材料の絶縁劣化診断方法。
5. 絶縁材料の材料特性である表面粗さ、色差、反射率、光沢度を測定する替わりに、絶縁物表面の色画像を取得することを特徴とする請求項１記載の絶縁材料の絶縁劣化診断方法。

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