回転電機の固定子コイルの非線形抵抗測定方法、および、非線形抵抗測定装置
【課題】固定子コイルエンドに施す電界緩和層の特性を、従来よりも精度良く推定する技術を提供する。
【解決手段】回転電機に取り付ける固定子コイルの非線形抵抗測定装置であって、固定子コイルの端部２４には、導体４１の外周に巻回されて電界緩和層４４が配置され、電界緩和層４４が当該端部２４に配置された状態で、電界緩和層４４の複数地点（ｎ０〜ｎ６）で表面電位を測定する測定手段と、測定された表面電位のうち所定の２つの地点（例えば、ｎ３、ｎ４）で測定された表面電位を用いて、電界緩和層４４の電流電圧特性を推定する推定手段と、を備える。
【解決手段】回転電機に取り付ける固定子コイルの非線形抵抗測定装置であって、固定子コイルの端部２４には、導体４１の外周に巻回されて電界緩和層４４が配置され、電界緩和層４４が当該端部２４に配置された状態で、電界緩和層４４の複数地点（ｎ０〜ｎ６）で表面電位を測定する測定手段と、測定された表面電位のうち所定の２つの地点（例えば、ｎ３、ｎ４）で測定された表面電位を用いて、電界緩和層４４の電流電圧特性を推定する推定手段と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機の固定子コイルの非線形抵抗測定方法、および、非線形抵抗測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転力を電力に変換する回転電機（例えば、大容量タービン発電機など）には、固定子コイルを備えているものがある。
【０００３】
固定子コイルの端部（以下では「固定子コイルエンド」という）は、直接発電に寄与する部分ではないためコンパクト化が求められている。そのため、固定子コイルエンドにおけるハーフターンコイル同士の結線部には、インボリュート形状が採用されている。ここで、インボリュート形状とは、ハーフターンコイルが３次元的に曲げられた（湾曲された）形状を指す。
【０００４】
そして、固定子コイルエンドに対して絶縁被覆等の端末処理が行われ、Ｕ、Ｖ、Ｗの三層巻線コイルが製作される。
【０００５】
上記の固定子コイルの製造プロセスに係る技術には、例えば、（１）絶縁材が被覆されたハーフターンコイルを予め樹脂含浸および成型プレス硬化した後、固定子コア（鉄心）に配置して全てを組み立てる技術、（２）絶縁材が被覆されたハーフターンコイルを先に固定子コアに配置し、固定子コア内外での組み立てを完了した後に、真空脱気、熱硬化性樹脂の加圧含浸および乾燥硬化を行う技術、などがある。
【０００６】
ところで、固定子コイルは、コイル導体にマイカを主成分とする絶縁層が施される。そして、この絶縁層が固定子コアの側面（スロット側面）に面する部分では、放電が発生する場合がある。このような放電を防ぐために、放電が発生しやすい部分（固定子コイルの直線部）には低抵抗層が施される。
【０００７】
また、コイル導体に電圧が印加されると、コイル導体と低抵抗層とがそれぞれ電極となる構成となる。かかる場合、この電極間で生じる等電位線は、コイル導体、および低抵抗層に対して略並行となる。一方、等電位線は、低抵抗層よりも外側のコイルエンドでは、主絶縁層の厚み方向、および、コイルエンド表面を貫き分布する。低抵抗層終端よりも外側のコイルエンド表面では、主絶縁層とコイル周辺空間の比誘電率の相違や、コイルエンド表面の抵抗率に依存し、主絶縁層の交差する等電位線が密に分布するため、コイルエンド表面では電位傾度が大きくなり、コイルエンド沿面方向の電界が集中する。
【０００８】
特に、低抵抗層の端部（端面）においては、電位傾度が著しく大きくなり、部分放電、或いは、沿面放電が発生しやすくなる。したがって、低抵抗層の端部で発生する部分放電、或いは、沿面放電を防ぐために、絶縁層表面には、電位傾度を緩やかにするための電界緩和層が施される。
【０００９】
このような電界緩和層の設計においては、電界緩和層に用いる素材（例えば、ＳｉＣを主材とする電界緩和テープ）の特性（性能）を正確に把握しておく必要がある。
【００１０】
そこで、電界緩和テープの製造元（或いは販売元）では、電界緩和テープの特性（例えば、電流−電圧特性）を、販売前に測定しておき、その測定結果を示すデータシートを購入者に提供している。そして、購入者は、製造元から提供されたデータシートの性能を確認し、電界緩和に必要な諸量を、測定および解析により求めて、固定子コイルエンドに施す電界緩和層を設計する。
【００１１】
電界緩和テープの解析方法には、従来から、様々な方法が提案されている。例えば、固定子コイルエンドの等価回路を用いて、電界緩和層の非線形抵抗特性を解析する方法が提案されている（非特許文献１）。また、固定子コイルエンドに電界緩和層を施した状態で表面電位を測定し、電界緩和に必要な実行長を解析する方法も提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】電気学会論文誌Ａ（基礎・材料・共通部門誌）Vol.104, No.9, 53-60(1984)
【特許文献１】特開２０００−１３４８７７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、以上のような測定、および解析結果を用いて設計しても、電界緩和層の非線形抵抗特性は、電界緩和テープの保管状況や、コイル製作条件に影響を受け、コイル製作後の当該非線形抵抗特性が設計値から乖離する可能性がある。
【００１４】
本発明は、固定子コイルエンドに施した電界緩和層の非線形抵抗特性を、従来よりも精度良く推定する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するための本願発明は、回転電機の固定子コイルの非線形抵抗測定方法であって、前記固定子コイルの低抵抗層端部より外側のコイルエンドには、導体の外周に巻回されて電界緩和層が配置され、前記電界緩和層が前記端部から設計値に基づき電界緩和に必要な所定の長さ分だけ配置された状態で、前記電界緩和層の複数地点で表面電位を測定する測定ステップと、測定された前記表面電位のうち所定の２つの地点で測定された表面電位を用いて、前記電界緩和層の電流電圧特性を推定する推定ステップと、を有する。
【００１６】
さらに、前記推定ステップでは、表面電位が前記導体の電位に略到達する到達地点で測定された第１の表面電位と、表面電位が前記導体の電位に到達しておらず、前記複数地点のうち前記到達地点に最も近い地点で測定された第２の表面電位と、を前記電流電圧特性の推定に用いる表面電位として選択するようにしてもよい。
【００１７】
さらに、前記推定ステップでは、前記２地点で測定された表面電位の差分から、前記電界緩和層における前記２つの地点間の電位差を算出し、前記導体と前記電界緩和層の間に介在する絶縁層に流れる電流値から、前記電界緩和層における前記２つの地点間に流れる電流値を算出し、算出した前記電位差と、算出した前記電流値と、から得られる前記２つの地点間における電流電圧特性を、前記電界緩和層全体の電流電圧特性として推定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態が適用されたタービン発電機の構造を示す図である。
【図２】固定子コイルエンドの拡大図である。
【図３】固定子コイル端部（コイルエンド）の断面、及び、その表面電位を測定する測定システムの構成を示す図である。
【図４】情報処理装置及び表面電位計の機能構成を示す図である。
【図５】固定子コイル端部の等価回路モデルを示す図である。
【図６】固定子コイル端部の表面電位の測定結果、固定子コイル端部の等価回路モデルをともに示す図である。
【図７】ｎ３、ｎ４で測定された表面電位（Ｖ３、Ｖ４）、その電位差Ｖｎ４−３、ｎ３とｎ４の間に流入する電流値Ｉｎ４−３、の時間波形を示すグラフである。
【図８】（Ａ）従来の方法により得られる電界緩和層の電流−電圧特性を示すグラフである。（Ｂ）本願発明の方法により得られる電界緩和層の電流−電圧特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態の一例を図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態が適用されたタービン発電機１の構造を示す図である。
【００２１】
図示するように、タービン発電機１は、固定子枠１０と、固定子枠１０に固定された固定子２０と、固定子２０の内部に配置されて回転する回転子３０と、を備える。
【００２２】
固定子２０は、回転子３０の径方向外側に所定間隔をもって配置された固定子コア２１と、固定子コア２１の内周縁に沿って所定間隔をもって形成されたスロット（各スロットは軸方向に連通している）内に収納される固定子コイル２２と、固定子コア２１の軸方向端部に配置されるエンドプレート２３と、固定子コイルエンド２４で固定子コイル２２を支える固定子コイルサポートリング２５と、固定子コイルサポートリング２５をエンドプレート２３に固定するリング支え２６と、を備える。
【００２３】
また、回転子３０は、回転軸（不図示）とともに回転する回転子コア（不図示）と、回転子コアに巻回された回転子コイル（不図示）と、を備える。
【００２４】
図２は、固定子コイルエンド２４の拡大図である。
【００２５】
図示するように、固定子コイルエンド２４には、上述したインボリュート形状が採用される。
【００２６】
また、固定子コイル２２は、複数のハーフターンコイルを結線して製作される。具体的には、各スロット内に収納されるハーフターンコイル同士が、固定子コア２１の外（固定子コイルエンド２４の終端部）で結線される。そして、それぞれのハーフターンコイルは、コイル導体（後述するコイル導体４１）の外周に対地絶縁テープ（後述する主絶縁層４２）、低抵抗テープ（後述する低抵抗層４３）、電界緩和テープ（後述する電界緩和層４４）、等が巻回される。すなわち、ハーフターンコイル自体の絶縁被覆、ハーフターンコイル同士の電気的な接続、その接続部の絶縁被覆、等の処理が行われ、Ｕ、Ｖ、Ｗの三相巻線コイル（固定子コイル２２）が製作される。
【００２７】
図３は、固定子コイルエンド２４の断面、及び、その表面電位を測定する測定システム２の構成を示す図である。
【００２８】
図示するように、測定システム２は、固定子コイルエンド２４の表面電位を測定する表面電位計２００と、表面電位計２００で測定された表面電位を用いて電界緩和テープ（電界緩和層４４）の特性を推定する情報処理装置（ＰＣ）１００と、固定子コイルエンド２４に高電圧の試験電圧（交流電圧）を印加する電源装置５０と、を備える。
【００２９】
固定子コイルエンド２４（固定子コイル２２の端部）には、コイル導体４１の外周に、マイカを主成分とする主絶縁層（対地絶縁テープ）４２が施されている。
【００３０】
また、主絶縁層４２が固定子コア２１のスロット壁面に面する部分で発生する部分放電を防ぐために、固定子コア２１近傍の固定子コイルエンド２４に至る直線部に低抵抗層４３が施されている。ここで、低抵抗層４３は、固定子コア２１のスロット内部に密着固定され、固定子コア２１とともに接地される。なお、低抵抗層４３の終端は、数十ミリ程度、固定子コア２１の外に出るように配置されている。
【００３１】
また、コイル導体４１に電圧（後述する電源装置５０から出力される交流電圧）が印加されると、コイル導体４１と低抵抗層４３とがそれぞれ電極となる構成となる。かかる場合、この電極間で生じる等電位線は、コイル導体４１、および低抵抗層４３に対して略並行となる。一方、等電位線は、低抵抗層４３よりも外側のコイルエンド２４では、主絶縁層４２の厚み方向、および、コイルエンド２４表面を貫き分布する。低抵抗層４３終端よりも外側のコイルエンド２４表面では、主絶縁層４２とコイル周辺空間の比誘電率の相違や、コイルエンド２４表面の抵抗率に依存し、主絶縁層４２の交差する等電位線が密に分布するため、コイルエンド２４表面では電位傾度が大きくなり、コイルエンド２４沿面方向の電界が集中する。
【００３２】
特に、低抵抗層４３の端部（端面）においては、電位傾度が著しく大きくなり、部分放電、或いは、沿面放電が発生しやすくなる。したがって、低抵抗層４３の端部で発生する部分放電、或いは、沿面放電を防ぐために、主絶縁層４２表面には、電位傾度を緩やかにするための電界緩和層４４が施されている。ここで、電界緩和層４４は、低抵抗層４３端の一部をラップするように巻回される。なお、本実施形態では、電界緩和層４４の素材には、非線形電界緩和特性を有するシリコンカーバイド（ＳｉＣ）が用いられる。
【００３３】
表面電位計２００は、電界緩和層４４の複数地点で表面電位を測定する。表面電位計２００には、一般に供試物に接触、或いは、被接触させて測定する方法がある。何れの場合でも表面電位計２００は、固定子コイルエンド２４に試験電圧が印加されている状態において、測定対象の地点にプローブ５１を接触、或いは、接近させ、当該地点の表面電位を測定する。
【００３４】
例えば、表面電位計２００は、電界緩和層４４と低抵抗層４３のラップ部（ラップしている部分）を基準点ｎ０として、固定子コア２１から離れる方向に、順次、電界緩和層４４の表面電位を測定する。図示する例では、所定の７つの地点（ｎ０〜ｎ６）で表面電位を測定する。この場合、表面電位を測定する各地点の間隔は、電界緩和層４４の特性を示すデータシートなどに基づいて決めるものとする。
【００３５】
なお、上記構成では、各地点の表面電位を順次測定するようにしているが、各地点の表面電位を同時に計測する構成にしてもよい。
【００３６】
また、表面電位計２００は、電源装置５０が固定子コイルエンド２４に印加（出力）している電圧値（時間の経過とともに変化する電圧値）を取得する。
【００３７】
情報処理装置１００は、固定子コイルエンド２４の表面電位と、電源装置５０が固定子コイルエンド２４に印加している電圧値と、を表面電位計２００から取得する。そして、情報処理装置１００は、取得したデータを用いて、電界緩和層４４の電流−電圧特性を推定する。なお、ここでの電流−電圧特性の推定方法については後述する。
【００３８】
このような情報処理装置１００の構成要素は、主制御装置であるＣＰＵと、プログラム等が記録されたＲＯＭと、メインメモリーとしてデータ等を一時的に格納するＲＡＭと、表面電位計２００等との通信を行う通信装置と、ユーザーからの指示を受け付ける入力装置（キーボード、マウス等）と、各種画面を表示する出力装置（ディスプレイ等）と、各構成要素間の通信経路となるシステムバスと、を備えた一般的なコンピューターにより達成することができる。
【００３９】
また、表面電位計２００と情報処理装置１００は、例えば、ケーブル１５０によって通信可能に接続されている。
【００４０】
電源装置５０は、固定子コイルエンド２４のコイル導体４１に、高電圧の試験電圧（交流電圧）を印加する。
【００４１】
図４は、情報処理装置１００及び表面電位計２００の機能構成図である。
【００４２】
図示するように、表面電位計２００は、測定部２１０と、通信部２２０と、を有する。
【００４３】
測定部２１０は、固定子コイルエンド２４に配置された状態の電界緩和層４４について表面電位を測定する制御を行う。具体的には、測定部２１０は、電源装置５０に対して、固定子コイルエンド２４への試験電圧の印加を指示する。それから、測定部２１０は、測定対象の地点（すなわち、プローブが接触、或いは、接近している地点）のうち、１つの地点（例えば、ｎ０）の表面電位について、所定時間（例えば、１ｓ）測定する。そして、測定部２１０は、他の地点（例えば、地点ｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４、ｎ５、ｎ６の順に）の表面電位についても所定時間ずつ測定する。これにより、測定部２１０は、各地点（ｎ０〜ｎ６）における表面電位の時間的変化を示すグラフを得ることができる。
【００４４】
なお、測定対象の地点（ｎ０〜ｎ６）については、任意に変更することが可能である。例えば、測定対象の地点数を増加あるいは減少させてもよい。また、測定対象の各地点（ｎ０〜ｎ６）の間隔についても任意に変更することが可能である。例えば、各地点の間隔を、電界緩和層４４の有する性質（例えば、厚さ、おおよその誘電率、等）に応じて変更してもよい。
【００４５】
また、測定部２１０は、電界緩和層４４について表面電位を測定するとともに、電源装置５０の出力電圧（時間波形）についても測定を行う。
【００４６】
通信部２２０は、情報処理装置２００とのデータのやり取りを行う。例えば、通信部２２０は、測定部２１０で測定された表面電位（データ）、電源装置５０の出力電圧（データ）、などを、ケーブル１５０を介して情報処理装置２００に送信する。
【００４７】
また、情報処理装置１００は、演算部１１０と、記憶部１２０と、通信部１３０と、を有する。
【００４８】
通信部１３０は、表面電位計２００とのデータのやり取りを行う。例えば、通信部１３０は、表面電位計２００から送信された表面電位（データ）、電源装置５０の出力電圧（データ）を受信する。
【００４９】
記憶部１２０は、表面電位計２００で測定された表面電位（データ）、電源装置５０の出力電圧（データ）、演算部１１０による演算の演算結果（データ）、等を記憶する。
【００５０】
演算部１１０は、表面電位計２００で測定された表面電位を用いて、電界緩和層４４の特性を推定する。
【００５１】
具体的には、演算部１１０は、表面電位計２００で測定された表面電位のうち所定の２つの地点で測定された表面電位を用いて、電界緩和層４４の電流−電圧特性を推定する。ここで、電流−電圧特性を推定するために用いる表面電位には、コイル導体４１の電位に略到達する到達地点（例えば、ｎ４）で測定された表面電位と、表面電位がコイル導体４１に到達しておらず、到達地点に最も近い地点（例えば、ｎ３）で測定された表面電位と、が選択される。
【００５２】
なお、ここで、表面電位の到達とは、表面電位の最大電圧（振幅）が、電源装置５０から出力される電圧の最大電圧（振幅）に略一致すること、或いは、表面電位の時間的変化（時間波形）が、電源装置５０から出力される電圧の時間的変化（時間波形）に略一致することをいう。
【００５３】
従って、演算部１１０は、到達地点（例えば、ｎ４）とその到達地点に最も近い地点（例えば、ｎ３）の表面電位を選択するために、例えば、表面電位（データ）とともに、電源装置５０の出力電圧ＶＣ（データ）を記憶部１２０から読み出して比較する。そして、出力電圧ＶＣの最大電圧（振幅）に略一致する表面電位（データ）を、到達地点（例えば、ｎ４）の表面電位（データ）として選択する（記憶部１２０から読み出す）。また、表面電位が出力電圧ＶＣの最大電圧（振幅）より低く、到達地点に最も近い地点で測定された表面電位（データ）を、到達地点に最も近い地点（例えば、ｎ３）の表面電位として選択する（記憶部１２０から読み出す）。
【００５４】
次に、演算部１１０は、上記の２つの地点で測定された表面電位を、固定子コイルエンド２４の等価回路モデルに代入し、電界緩和層４４の電流−電圧特性を求める。
【００５５】
図５は、固定子コイルエンド２４（固定子コイル端）の等価回路モデルの一例を示す図である。図示するように、等価回路モデルは、固定子コイルエンド２４の等価回路モデルとして一般的なＲ−Ｃラダー回路である。ここで、Ｃｎは主絶縁層４２の単位体積当たりの静電容量を表す。また、ＣＬは低抵抗層４３の単位体積当たりの静電容量を表す。また、Ｒｎは電界緩和層４４の非線形抵抗を表す。また、ＲＬは低抵抗層４３の非線形抵抗を表す。そして、主絶縁層４２（Ｃｎのコンデンサー）に電源装置５０が接続している部位（配線）がコイル導体４１に相当する。
【００５６】
また、図６は、固定子コイルエンド２４の等価回路モデルと、電界緩和層４４の各地点（ｎ０〜ｎ６）における表面電位を示すグラフと、を示す図である。グラフ上の黒点は、各地点（ｎ０〜ｎ６）における表面電位を示す。
【００５７】
以下に、図６を参照して、電界緩和層４４の電流−電圧特性を推定する処理について説明する。
【００５８】
まず、演算部１１０は、２地点（ｎ４、ｎ３）で測定された表面電位の電圧降下Ｖ（ｎ４−３）を算出する。具体的には、演算部１１０は、下記の数式１に従って、電圧降下Ｖ（ｎ４−３）を算出する。
【００５９】
Ｖ（ｎ４−３）＝Ｖｎ４−Ｖｎ３ ・・・（数式１）
ここで、Ｖｎ４は地点ｎ４で測定された表面電位であり、Ｖｎ３は地点ｎ３で測定された表面電位である。また、図示する等価回路モデルにおいて、電圧降下Ｖ（ｎ４−３）は、地点ｎ４と地点ｎ３の間の電界緩和層４４における非線形抵抗Ｒｎにかかる電圧の値である。なお、参考までに、Ｖｎ４「実線」、Ｖｎ３「破線」、Ｖ（ｎ４−３）「一点鎖線」の時間変化（時間波形）を図７に示しておく。
【００６０】
また、地点ｎ４で測定された表面電位Ｖｎ４は、上述した通り、コイル導体４１の電位に略収束している。そのため、次式（数式２）が成立するものとみなせる。
【００６１】
Ｖｎ４＝Ｖｎ５＝Ｖｎ６ ・・・（数式２）
ここで、Ｖｎ５は地点ｎ５で測定された表面電位であり、Ｖｎ６は地点ｎ６で測定された表面電位である。
【００６２】
また、キルヒホッフの法則により、次式（数式３）が成立する。
【００６３】
Ｉ（ｎ４−３）＝Ｉ（ｎ５−４）＋ＩＣ ・・・（数式３）
ここで、Ｉ（ｎ４−３）は、電界緩和層４４の地点ｎ４と地点ｎ３の間に流れる電流の値であり、Ｉ（ｎ５−４）は、電界緩和層４４の地点ｎ５と地点ｎ４の間に流れる電流の値である。また、ＩＣは、地点ｎ４直下の主絶縁層４２の充電電流の大きさである。
【００６４】
上記の数式２が成立している場合には、電界緩和層４４の地点ｎ５と地点ｎ４の間に電流は流れない。そのため、Ｉ（ｎ５−４）＝０となり、次式（数式４）が成立する。
【００６５】
Ｉ（ｎ４−３）＝ＩＣ ・・・（数式４）
そして、地点ｎ４直下の主絶縁層４２の充電電流の大きさＩＣは、次式（数式５）で表すことができる（コンデンサーの電荷Ｑと電圧Ｖの関係式「Ｑ＝ＣＶ」から一般的に導くことができる）。
【００６６】
ＩＣ＝Ｃｎ×｛ｄ（ＶＣ−Ｖｎ４）／ｄｔ｝ ・・・（数式５）
ここで、ＶＣは電源装置５０の出力電圧（試験電圧）であり、ｔは時間を表す。なお、参考までに、Ｉ（ｎ４−３）「点線」の時間変化（時間波形）を図７に示しておく。
【００６７】
以上より、数式５の演算結果を数式４に代入することによって、電界緩和層４４の地点ｎ４と地点ｎ３の間に流れる電流の値Ｉ（ｎ４−３）を算出することができる。
【００６８】
すなわち、演算部１１０は、以上の等価回路モデルに基づき、電源装置５０の出力電圧Ｖｃと、地点ｎ４で測定された表面電位Ｖｎ４と、所定のＣｎと、を記憶部１２０から読み出し、数式５に代入してＩ（ｎ４−３）を算出する。
【００６９】
そして、演算部１１０は、同時刻ｔのＶ（ｎ４−３）とＩ（ｎ４−３）について対応表を生成する（例えば、記憶部１２０に記憶する）。これにより、演算部１１０は、Ｖ（ｎ４−３）に応じて変化するＩ（ｎ４−３）をグラフ化して、ディスプレイ等の表示装置に表示することができる。
【００７０】
以上より、演算部１１０は、固定子コイルエンド２４に配置された状態における電界緩和層４４全体の電流−電圧特性を推定することができる。
【００７１】
図８（Ａ）、（Ｂ）は、演算部１１０によって推定される、電界緩和層４４の電流−電圧特性を示すグラフである。図８（Ａ）は、従来の方法により推定した電流−電圧特性を示すグラフである。図８（Ｂ）は、本願の上記実施形態の方法により推定した電流−電圧特性を示すグラフである。
【００７２】
図８（Ａ）において、図示する実線は、固定子コイルエンド２４に電界緩和層４４を配置する前（製作前）に推定した電流−電圧特性（推定値）を示すグラフである。また、図示する点線は、固定子コイルエンド２４に電界緩和層４４が配置された状態（製作後）で実測した電流−電圧特性（実測値）を示すグラフである。ここでは、製作前と製作後の電流−電圧特性に有意差をもたせるために、あえて電界緩和テープの保管状況や、製作条件などを従来の管理条件に対して極端に変更している。図示するように、従来の方法では、実測値と推定値が乖離してしまう場合がある。
【００７３】
一方、図８（Ｂ）において、図示する実線は、上記の数式１、数式５（数式４）を用いて、固定子コイルエンド２４に電界緩和層４４を配置した後（製作後）に推定した電流−電圧特性（推定値）を示すグラフである。また、図示する点線は、固定子コイルエンド２４に電界緩和層４４が配置された状態（製作後）で実測した電流−電圧特性（実測値）を示すグラフである。図示するように、本実施形態の方法によれば、電界緩和層４４の電流−電圧特性を精度良く推定できる。
【００７４】
以上のように固定子コイル製作後の電界緩和層４４の電流−電圧特性を精度良く推定することにより、固定子コイルエンド２４に配置すべき電界緩和層４４の設計（例えば、電界緩和層４４の長さｄ）等、最適化することができる。その結果、信頼度の高い回転電機を製作することができるようになる。
【００７５】
なお、上記した各構成要素は、情報処理装置１００および表面電位計２００の構成を理解容易にするために、主な処理内容に応じて分類したものである。構成要素の分類の仕方やその名称によって、本願発明が制限されることはない。情報処理装置１００および表面電位計２００の構成は、処理内容に応じて、さらに多くの構成要素に分類することもできる。また、１つの構成要素がさらに多くの処理を実行するように分類することもできる。
【００７６】
また、各機能部は、ハードウエア（ＡＳＩＣなど）により構築されてもよい。また、各機能部の処理が一つのハードウエアで実行されてもよいし、複数のハードウエアで実行されてもよい。
【００７７】
なお、上記の実施形態は、本発明の要旨を例示することを意図し、本発明を限定するものではない。多くの代替物、修正、変形例は当業者にとって明らかである。
【００７８】
例えば、上記実施形態では、情報処理装置２００が電界緩和層４４の電流−電圧特性を推定している。しかし、本発明はこれに限定しない。例えば、上記実施形態の演算部１１０と記憶部１２０の機能は、表面電位計２００で実現されてもよい。
【００７９】
この場合、表面電位計２００は、測定装置、記憶装置、比較器、演算装置を備える。
【００８０】
測定装置は、電界緩和層４４の表面電位（時間波形）と、電源装置５０の出力電圧（時間波形）を同時に測定するためのプローブを少なくとも２つ有している。そして、測定装置は、上記実施形態と同様に、固定子コア２１から離れる方向（ｎ０からｎ６まで）に、順次、電界緩和層４４の表面電位を測定する。また、測定装置は、測定した表面電位と出力電圧を所定のサンプリング周波数で数値化し、記憶装置に記憶する。従って、記憶装置には、測定装置で測定された表面電位と、電源装置５０の出力電圧と、が数値化されたデータとして記憶される。
【００８１】
比較器は、測定された表面電位、および、電源装置５０の出力電圧が記憶装置から入力されると、両データ（例えば、最大電圧）が一致するか否かを判別し、その判別結果を演算装置に出力する。なお、表面電位（データ）が比較器に入力される順序は、測定装置で測定された順序で入力される。
【００８２】
そして、演算装置は、比較器で両データが初めて一致すると判定された場合に、その表面電位（データ）を、到達地点で測定された表面電位（データ）として選択する。また、演算装置は、上記実施形態と同様に、到達地点に最も近い地点で測定された表面電位（データ）を、到達地点に最も近い地点（例えば、ｎ３）の表面電位として選択する。
【００８３】
その後、演算装置は、上記実施形態と同様に、選択された２地点の表面電位を用いて、電界緩和層４４の電流−電圧特定を推定する。
【００８４】
以上のような構成により、固定子コイルエンド２４に配置された状態における電界緩和層４４の電流−電圧特性を、上記実施形態よりも高速に推定することができる。
【００８５】
また、上記のように、測定した表面電位を、所定のサンプリング周波数で数値化するだけでは、各測定地点（ｎ０〜ｎ６）で測定された表面電位の時間波形に位相のずれが生じる場合がある。そのため、測定装置に、この位相のずれを補正する機能をもたせてもよい。この場合、測定装置は、各測定地点（ｎ０〜ｎ６）で測定された表面電位の数値データを読み出して、表面電位の正確な位相の基準点を特定する。そして、測定装置は、特定した基準点に基づいて、各測定地点（ｎ０〜ｎ６）の表面電位の位相のずれを補正する。
【００８６】
また、上記のように位相のずれを補正する代わりに、あらかじめ位相のずれが生じないように、電界緩和層４４の表面電位を測定（取得）してもよい。この場合、測定装置は、電源装置５０から出力される試験電圧（交流電圧）を監視して、試験電圧波形のゼロクロス点をトリガ信号として特定する（トリガ信号機能）。そして、測定装置は、そのゼロクロス点を特定したタイミングで、電界緩和層４４の表面電位を一定時間測定し（所定のサンプリング周波数で数値化し）、記憶装置に記憶する。これにより、各測定地点（ｎ０〜ｎ６）で測定された表面電位の時間波形には位相のずれが生じない。
【００８７】
また、電源装置５０の出力電圧が高電圧である場合には、高電圧試験に対する安全に配慮する必要がある。そのため、電界緩和層４４の表面電位を測定する測定部２１０と、電界緩和層４４の電流−電圧特性を推定する演算部１１０は、電気的に切り離されていた方がよい。従って、上記実施形態のケーブル１５０には、例えば、熱の発生等しにくい光ファイバケーブルを用いるのが好適である。この場合、情報処理装置１００の通信部１３０と、表面電位計２００の通信部２２０は、光ファイバケーブルを用いた通信を可能とするＩＯポート（光電圧変換器）を備える。
【符号の説明】
【００８８】
１・・・タービン発電機、２・・・測定システム、１０・・・固定子枠、２０・・・固定子、２１・・・固定子コア、２２・・・固定子コイル、２３・・・エンドプレート、２４・・・固定子コイルエンド、２５・・・固定子コイルサポートリング、２６・・・リング支え、３０・・・回転子、４１・・・コイル導体、４２・・・主絶縁層、４３・・・低抵抗層、４４・・・電界緩和層、５０・・・電源装置、５１・・・プローブ、１００・・・情報処理装置（ＰＣ）、１１０・・・演算部、１２０・・・記憶部、１３０・・・通信部、１５０・・・ケーブル、２００・・・表面電位計、２１０・・・測定部、２２０・・・通信部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機の固定子コイルの非線形抵抗測定方法、および、非線形抵抗測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転力を電力に変換する回転電機（例えば、大容量タービン発電機など）には、固定子コイルを備えているものがある。
【０００３】
固定子コイルの端部（以下では「固定子コイルエンド」という）は、直接発電に寄与する部分ではないためコンパクト化が求められている。そのため、固定子コイルエンドにおけるハーフターンコイル同士の結線部には、インボリュート形状が採用されている。ここで、インボリュート形状とは、ハーフターンコイルが３次元的に曲げられた（湾曲された）形状を指す。
【０００４】
そして、固定子コイルエンドに対して絶縁被覆等の端末処理が行われ、Ｕ、Ｖ、Ｗの三層巻線コイルが製作される。
【０００５】
上記の固定子コイルの製造プロセスに係る技術には、例えば、（１）絶縁材が被覆されたハーフターンコイルを予め樹脂含浸および成型プレス硬化した後、固定子コア（鉄心）に配置して全てを組み立てる技術、（２）絶縁材が被覆されたハーフターンコイルを先に固定子コアに配置し、固定子コア内外での組み立てを完了した後に、真空脱気、熱硬化性樹脂の加圧含浸および乾燥硬化を行う技術、などがある。
【０００６】
ところで、固定子コイルは、コイル導体にマイカを主成分とする絶縁層が施される。そして、この絶縁層が固定子コアの側面（スロット側面）に面する部分では、放電が発生する場合がある。このような放電を防ぐために、放電が発生しやすい部分（固定子コイルの直線部）には低抵抗層が施される。
【０００７】
また、コイル導体に電圧が印加されると、コイル導体と低抵抗層とがそれぞれ電極となる構成となる。かかる場合、この電極間で生じる等電位線は、コイル導体、および低抵抗層に対して略並行となる。一方、等電位線は、低抵抗層よりも外側のコイルエンドでは、主絶縁層の厚み方向、および、コイルエンド表面を貫き分布する。低抵抗層終端よりも外側のコイルエンド表面では、主絶縁層とコイル周辺空間の比誘電率の相違や、コイルエンド表面の抵抗率に依存し、主絶縁層の交差する等電位線が密に分布するため、コイルエンド表面では電位傾度が大きくなり、コイルエンド沿面方向の電界が集中する。
【０００８】
特に、低抵抗層の端部（端面）においては、電位傾度が著しく大きくなり、部分放電、或いは、沿面放電が発生しやすくなる。したがって、低抵抗層の端部で発生する部分放電、或いは、沿面放電を防ぐために、絶縁層表面には、電位傾度を緩やかにするための電界緩和層が施される。
【０００９】
このような電界緩和層の設計においては、電界緩和層に用いる素材（例えば、ＳｉＣを主材とする電界緩和テープ）の特性（性能）を正確に把握しておく必要がある。
【００１０】
そこで、電界緩和テープの製造元（或いは販売元）では、電界緩和テープの特性（例えば、電流−電圧特性）を、販売前に測定しておき、その測定結果を示すデータシートを購入者に提供している。そして、購入者は、製造元から提供されたデータシートの性能を確認し、電界緩和に必要な諸量を、測定および解析により求めて、固定子コイルエンドに施す電界緩和層を設計する。
【００１１】
電界緩和テープの解析方法には、従来から、様々な方法が提案されている。例えば、固定子コイルエンドの等価回路を用いて、電界緩和層の非線形抵抗特性を解析する方法が提案されている（非特許文献１）。また、固定子コイルエンドに電界緩和層を施した状態で表面電位を測定し、電界緩和に必要な実行長を解析する方法も提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】電気学会論文誌Ａ（基礎・材料・共通部門誌）Vol.104, No.9, 53-60(1984)
【特許文献１】特開２０００−１３４８７７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、以上のような測定、および解析結果を用いて設計しても、電界緩和層の非線形抵抗特性は、電界緩和テープの保管状況や、コイル製作条件に影響を受け、コイル製作後の当該非線形抵抗特性が設計値から乖離する可能性がある。
【００１４】
本発明は、固定子コイルエンドに施した電界緩和層の非線形抵抗特性を、従来よりも精度良く推定する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するための本願発明は、回転電機の固定子コイルの非線形抵抗測定方法であって、前記固定子コイルの低抵抗層端部より外側のコイルエンドには、導体の外周に巻回されて電界緩和層が配置され、前記電界緩和層が前記端部から設計値に基づき電界緩和に必要な所定の長さ分だけ配置された状態で、前記電界緩和層の複数地点で表面電位を測定する測定ステップと、測定された前記表面電位のうち所定の２つの地点で測定された表面電位を用いて、前記電界緩和層の電流電圧特性を推定する推定ステップと、を有する。
【００１６】
さらに、前記推定ステップでは、表面電位が前記導体の電位に略到達する到達地点で測定された第１の表面電位と、表面電位が前記導体の電位に到達しておらず、前記複数地点のうち前記到達地点に最も近い地点で測定された第２の表面電位と、を前記電流電圧特性の推定に用いる表面電位として選択するようにしてもよい。
【００１７】
さらに、前記推定ステップでは、前記２地点で測定された表面電位の差分から、前記電界緩和層における前記２つの地点間の電位差を算出し、前記導体と前記電界緩和層の間に介在する絶縁層に流れる電流値から、前記電界緩和層における前記２つの地点間に流れる電流値を算出し、算出した前記電位差と、算出した前記電流値と、から得られる前記２つの地点間における電流電圧特性を、前記電界緩和層全体の電流電圧特性として推定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態が適用されたタービン発電機の構造を示す図である。
【図２】固定子コイルエンドの拡大図である。
【図３】固定子コイル端部（コイルエンド）の断面、及び、その表面電位を測定する測定システムの構成を示す図である。
【図４】情報処理装置及び表面電位計の機能構成を示す図である。
【図５】固定子コイル端部の等価回路モデルを示す図である。
【図６】固定子コイル端部の表面電位の測定結果、固定子コイル端部の等価回路モデルをともに示す図である。
【図７】ｎ３、ｎ４で測定された表面電位（Ｖ３、Ｖ４）、その電位差Ｖｎ４−３、ｎ３とｎ４の間に流入する電流値Ｉｎ４−３、の時間波形を示すグラフである。
【図８】（Ａ）従来の方法により得られる電界緩和層の電流−電圧特性を示すグラフである。（Ｂ）本願発明の方法により得られる電界緩和層の電流−電圧特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態の一例を図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態が適用されたタービン発電機１の構造を示す図である。
【００２１】
図示するように、タービン発電機１は、固定子枠１０と、固定子枠１０に固定された固定子２０と、固定子２０の内部に配置されて回転する回転子３０と、を備える。
【００２２】
固定子２０は、回転子３０の径方向外側に所定間隔をもって配置された固定子コア２１と、固定子コア２１の内周縁に沿って所定間隔をもって形成されたスロット（各スロットは軸方向に連通している）内に収納される固定子コイル２２と、固定子コア２１の軸方向端部に配置されるエンドプレート２３と、固定子コイルエンド２４で固定子コイル２２を支える固定子コイルサポートリング２５と、固定子コイルサポートリング２５をエンドプレート２３に固定するリング支え２６と、を備える。
【００２３】
また、回転子３０は、回転軸（不図示）とともに回転する回転子コア（不図示）と、回転子コアに巻回された回転子コイル（不図示）と、を備える。
【００２４】
図２は、固定子コイルエンド２４の拡大図である。
【００２５】
図示するように、固定子コイルエンド２４には、上述したインボリュート形状が採用される。
【００２６】
また、固定子コイル２２は、複数のハーフターンコイルを結線して製作される。具体的には、各スロット内に収納されるハーフターンコイル同士が、固定子コア２１の外（固定子コイルエンド２４の終端部）で結線される。そして、それぞれのハーフターンコイルは、コイル導体（後述するコイル導体４１）の外周に対地絶縁テープ（後述する主絶縁層４２）、低抵抗テープ（後述する低抵抗層４３）、電界緩和テープ（後述する電界緩和層４４）、等が巻回される。すなわち、ハーフターンコイル自体の絶縁被覆、ハーフターンコイル同士の電気的な接続、その接続部の絶縁被覆、等の処理が行われ、Ｕ、Ｖ、Ｗの三相巻線コイル（固定子コイル２２）が製作される。
【００２７】
図３は、固定子コイルエンド２４の断面、及び、その表面電位を測定する測定システム２の構成を示す図である。
【００２８】
図示するように、測定システム２は、固定子コイルエンド２４の表面電位を測定する表面電位計２００と、表面電位計２００で測定された表面電位を用いて電界緩和テープ（電界緩和層４４）の特性を推定する情報処理装置（ＰＣ）１００と、固定子コイルエンド２４に高電圧の試験電圧（交流電圧）を印加する電源装置５０と、を備える。
【００２９】
固定子コイルエンド２４（固定子コイル２２の端部）には、コイル導体４１の外周に、マイカを主成分とする主絶縁層（対地絶縁テープ）４２が施されている。
【００３０】
また、主絶縁層４２が固定子コア２１のスロット壁面に面する部分で発生する部分放電を防ぐために、固定子コア２１近傍の固定子コイルエンド２４に至る直線部に低抵抗層４３が施されている。ここで、低抵抗層４３は、固定子コア２１のスロット内部に密着固定され、固定子コア２１とともに接地される。なお、低抵抗層４３の終端は、数十ミリ程度、固定子コア２１の外に出るように配置されている。
【００３１】
また、コイル導体４１に電圧（後述する電源装置５０から出力される交流電圧）が印加されると、コイル導体４１と低抵抗層４３とがそれぞれ電極となる構成となる。かかる場合、この電極間で生じる等電位線は、コイル導体４１、および低抵抗層４３に対して略並行となる。一方、等電位線は、低抵抗層４３よりも外側のコイルエンド２４では、主絶縁層４２の厚み方向、および、コイルエンド２４表面を貫き分布する。低抵抗層４３終端よりも外側のコイルエンド２４表面では、主絶縁層４２とコイル周辺空間の比誘電率の相違や、コイルエンド２４表面の抵抗率に依存し、主絶縁層４２の交差する等電位線が密に分布するため、コイルエンド２４表面では電位傾度が大きくなり、コイルエンド２４沿面方向の電界が集中する。
【００３２】
特に、低抵抗層４３の端部（端面）においては、電位傾度が著しく大きくなり、部分放電、或いは、沿面放電が発生しやすくなる。したがって、低抵抗層４３の端部で発生する部分放電、或いは、沿面放電を防ぐために、主絶縁層４２表面には、電位傾度を緩やかにするための電界緩和層４４が施されている。ここで、電界緩和層４４は、低抵抗層４３端の一部をラップするように巻回される。なお、本実施形態では、電界緩和層４４の素材には、非線形電界緩和特性を有するシリコンカーバイド（ＳｉＣ）が用いられる。
【００３３】
表面電位計２００は、電界緩和層４４の複数地点で表面電位を測定する。表面電位計２００には、一般に供試物に接触、或いは、被接触させて測定する方法がある。何れの場合でも表面電位計２００は、固定子コイルエンド２４に試験電圧が印加されている状態において、測定対象の地点にプローブ５１を接触、或いは、接近させ、当該地点の表面電位を測定する。
【００３４】
例えば、表面電位計２００は、電界緩和層４４と低抵抗層４３のラップ部（ラップしている部分）を基準点ｎ０として、固定子コア２１から離れる方向に、順次、電界緩和層４４の表面電位を測定する。図示する例では、所定の７つの地点（ｎ０〜ｎ６）で表面電位を測定する。この場合、表面電位を測定する各地点の間隔は、電界緩和層４４の特性を示すデータシートなどに基づいて決めるものとする。
【００３５】
なお、上記構成では、各地点の表面電位を順次測定するようにしているが、各地点の表面電位を同時に計測する構成にしてもよい。
【００３６】
また、表面電位計２００は、電源装置５０が固定子コイルエンド２４に印加（出力）している電圧値（時間の経過とともに変化する電圧値）を取得する。
【００３７】
情報処理装置１００は、固定子コイルエンド２４の表面電位と、電源装置５０が固定子コイルエンド２４に印加している電圧値と、を表面電位計２００から取得する。そして、情報処理装置１００は、取得したデータを用いて、電界緩和層４４の電流−電圧特性を推定する。なお、ここでの電流−電圧特性の推定方法については後述する。
【００３８】
このような情報処理装置１００の構成要素は、主制御装置であるＣＰＵと、プログラム等が記録されたＲＯＭと、メインメモリーとしてデータ等を一時的に格納するＲＡＭと、表面電位計２００等との通信を行う通信装置と、ユーザーからの指示を受け付ける入力装置（キーボード、マウス等）と、各種画面を表示する出力装置（ディスプレイ等）と、各構成要素間の通信経路となるシステムバスと、を備えた一般的なコンピューターにより達成することができる。
【００３９】
また、表面電位計２００と情報処理装置１００は、例えば、ケーブル１５０によって通信可能に接続されている。
【００４０】
電源装置５０は、固定子コイルエンド２４のコイル導体４１に、高電圧の試験電圧（交流電圧）を印加する。
【００４１】
図４は、情報処理装置１００及び表面電位計２００の機能構成図である。
【００４２】
図示するように、表面電位計２００は、測定部２１０と、通信部２２０と、を有する。
【００４３】
測定部２１０は、固定子コイルエンド２４に配置された状態の電界緩和層４４について表面電位を測定する制御を行う。具体的には、測定部２１０は、電源装置５０に対して、固定子コイルエンド２４への試験電圧の印加を指示する。それから、測定部２１０は、測定対象の地点（すなわち、プローブが接触、或いは、接近している地点）のうち、１つの地点（例えば、ｎ０）の表面電位について、所定時間（例えば、１ｓ）測定する。そして、測定部２１０は、他の地点（例えば、地点ｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４、ｎ５、ｎ６の順に）の表面電位についても所定時間ずつ測定する。これにより、測定部２１０は、各地点（ｎ０〜ｎ６）における表面電位の時間的変化を示すグラフを得ることができる。
【００４４】
なお、測定対象の地点（ｎ０〜ｎ６）については、任意に変更することが可能である。例えば、測定対象の地点数を増加あるいは減少させてもよい。また、測定対象の各地点（ｎ０〜ｎ６）の間隔についても任意に変更することが可能である。例えば、各地点の間隔を、電界緩和層４４の有する性質（例えば、厚さ、おおよその誘電率、等）に応じて変更してもよい。
【００４５】
また、測定部２１０は、電界緩和層４４について表面電位を測定するとともに、電源装置５０の出力電圧（時間波形）についても測定を行う。
【００４６】
通信部２２０は、情報処理装置２００とのデータのやり取りを行う。例えば、通信部２２０は、測定部２１０で測定された表面電位（データ）、電源装置５０の出力電圧（データ）、などを、ケーブル１５０を介して情報処理装置２００に送信する。
【００４７】
また、情報処理装置１００は、演算部１１０と、記憶部１２０と、通信部１３０と、を有する。
【００４８】
通信部１３０は、表面電位計２００とのデータのやり取りを行う。例えば、通信部１３０は、表面電位計２００から送信された表面電位（データ）、電源装置５０の出力電圧（データ）を受信する。
【００４９】
記憶部１２０は、表面電位計２００で測定された表面電位（データ）、電源装置５０の出力電圧（データ）、演算部１１０による演算の演算結果（データ）、等を記憶する。
【００５０】
演算部１１０は、表面電位計２００で測定された表面電位を用いて、電界緩和層４４の特性を推定する。
【００５１】
具体的には、演算部１１０は、表面電位計２００で測定された表面電位のうち所定の２つの地点で測定された表面電位を用いて、電界緩和層４４の電流−電圧特性を推定する。ここで、電流−電圧特性を推定するために用いる表面電位には、コイル導体４１の電位に略到達する到達地点（例えば、ｎ４）で測定された表面電位と、表面電位がコイル導体４１に到達しておらず、到達地点に最も近い地点（例えば、ｎ３）で測定された表面電位と、が選択される。
【００５２】
なお、ここで、表面電位の到達とは、表面電位の最大電圧（振幅）が、電源装置５０から出力される電圧の最大電圧（振幅）に略一致すること、或いは、表面電位の時間的変化（時間波形）が、電源装置５０から出力される電圧の時間的変化（時間波形）に略一致することをいう。
【００５３】
従って、演算部１１０は、到達地点（例えば、ｎ４）とその到達地点に最も近い地点（例えば、ｎ３）の表面電位を選択するために、例えば、表面電位（データ）とともに、電源装置５０の出力電圧ＶＣ（データ）を記憶部１２０から読み出して比較する。そして、出力電圧ＶＣの最大電圧（振幅）に略一致する表面電位（データ）を、到達地点（例えば、ｎ４）の表面電位（データ）として選択する（記憶部１２０から読み出す）。また、表面電位が出力電圧ＶＣの最大電圧（振幅）より低く、到達地点に最も近い地点で測定された表面電位（データ）を、到達地点に最も近い地点（例えば、ｎ３）の表面電位として選択する（記憶部１２０から読み出す）。
【００５４】
次に、演算部１１０は、上記の２つの地点で測定された表面電位を、固定子コイルエンド２４の等価回路モデルに代入し、電界緩和層４４の電流−電圧特性を求める。
【００５５】
図５は、固定子コイルエンド２４（固定子コイル端）の等価回路モデルの一例を示す図である。図示するように、等価回路モデルは、固定子コイルエンド２４の等価回路モデルとして一般的なＲ−Ｃラダー回路である。ここで、Ｃｎは主絶縁層４２の単位体積当たりの静電容量を表す。また、ＣＬは低抵抗層４３の単位体積当たりの静電容量を表す。また、Ｒｎは電界緩和層４４の非線形抵抗を表す。また、ＲＬは低抵抗層４３の非線形抵抗を表す。そして、主絶縁層４２（Ｃｎのコンデンサー）に電源装置５０が接続している部位（配線）がコイル導体４１に相当する。
【００５６】
また、図６は、固定子コイルエンド２４の等価回路モデルと、電界緩和層４４の各地点（ｎ０〜ｎ６）における表面電位を示すグラフと、を示す図である。グラフ上の黒点は、各地点（ｎ０〜ｎ６）における表面電位を示す。
【００５７】
以下に、図６を参照して、電界緩和層４４の電流−電圧特性を推定する処理について説明する。
【００５８】
まず、演算部１１０は、２地点（ｎ４、ｎ３）で測定された表面電位の電圧降下Ｖ（ｎ４−３）を算出する。具体的には、演算部１１０は、下記の数式１に従って、電圧降下Ｖ（ｎ４−３）を算出する。
【００５９】
Ｖ（ｎ４−３）＝Ｖｎ４−Ｖｎ３ ・・・（数式１）
ここで、Ｖｎ４は地点ｎ４で測定された表面電位であり、Ｖｎ３は地点ｎ３で測定された表面電位である。また、図示する等価回路モデルにおいて、電圧降下Ｖ（ｎ４−３）は、地点ｎ４と地点ｎ３の間の電界緩和層４４における非線形抵抗Ｒｎにかかる電圧の値である。なお、参考までに、Ｖｎ４「実線」、Ｖｎ３「破線」、Ｖ（ｎ４−３）「一点鎖線」の時間変化（時間波形）を図７に示しておく。
【００６０】
また、地点ｎ４で測定された表面電位Ｖｎ４は、上述した通り、コイル導体４１の電位に略収束している。そのため、次式（数式２）が成立するものとみなせる。
【００６１】
Ｖｎ４＝Ｖｎ５＝Ｖｎ６ ・・・（数式２）
ここで、Ｖｎ５は地点ｎ５で測定された表面電位であり、Ｖｎ６は地点ｎ６で測定された表面電位である。
【００６２】
また、キルヒホッフの法則により、次式（数式３）が成立する。
【００６３】
Ｉ（ｎ４−３）＝Ｉ（ｎ５−４）＋ＩＣ ・・・（数式３）
ここで、Ｉ（ｎ４−３）は、電界緩和層４４の地点ｎ４と地点ｎ３の間に流れる電流の値であり、Ｉ（ｎ５−４）は、電界緩和層４４の地点ｎ５と地点ｎ４の間に流れる電流の値である。また、ＩＣは、地点ｎ４直下の主絶縁層４２の充電電流の大きさである。
【００６４】
上記の数式２が成立している場合には、電界緩和層４４の地点ｎ５と地点ｎ４の間に電流は流れない。そのため、Ｉ（ｎ５−４）＝０となり、次式（数式４）が成立する。
【００６５】
Ｉ（ｎ４−３）＝ＩＣ ・・・（数式４）
そして、地点ｎ４直下の主絶縁層４２の充電電流の大きさＩＣは、次式（数式５）で表すことができる（コンデンサーの電荷Ｑと電圧Ｖの関係式「Ｑ＝ＣＶ」から一般的に導くことができる）。
【００６６】
ＩＣ＝Ｃｎ×｛ｄ（ＶＣ−Ｖｎ４）／ｄｔ｝ ・・・（数式５）
ここで、ＶＣは電源装置５０の出力電圧（試験電圧）であり、ｔは時間を表す。なお、参考までに、Ｉ（ｎ４−３）「点線」の時間変化（時間波形）を図７に示しておく。
【００６７】
以上より、数式５の演算結果を数式４に代入することによって、電界緩和層４４の地点ｎ４と地点ｎ３の間に流れる電流の値Ｉ（ｎ４−３）を算出することができる。
【００６８】
すなわち、演算部１１０は、以上の等価回路モデルに基づき、電源装置５０の出力電圧Ｖｃと、地点ｎ４で測定された表面電位Ｖｎ４と、所定のＣｎと、を記憶部１２０から読み出し、数式５に代入してＩ（ｎ４−３）を算出する。
【００６９】
そして、演算部１１０は、同時刻ｔのＶ（ｎ４−３）とＩ（ｎ４−３）について対応表を生成する（例えば、記憶部１２０に記憶する）。これにより、演算部１１０は、Ｖ（ｎ４−３）に応じて変化するＩ（ｎ４−３）をグラフ化して、ディスプレイ等の表示装置に表示することができる。
【００７０】
以上より、演算部１１０は、固定子コイルエンド２４に配置された状態における電界緩和層４４全体の電流−電圧特性を推定することができる。
【００７１】
図８（Ａ）、（Ｂ）は、演算部１１０によって推定される、電界緩和層４４の電流−電圧特性を示すグラフである。図８（Ａ）は、従来の方法により推定した電流−電圧特性を示すグラフである。図８（Ｂ）は、本願の上記実施形態の方法により推定した電流−電圧特性を示すグラフである。
【００７２】
図８（Ａ）において、図示する実線は、固定子コイルエンド２４に電界緩和層４４を配置する前（製作前）に推定した電流−電圧特性（推定値）を示すグラフである。また、図示する点線は、固定子コイルエンド２４に電界緩和層４４が配置された状態（製作後）で実測した電流−電圧特性（実測値）を示すグラフである。ここでは、製作前と製作後の電流−電圧特性に有意差をもたせるために、あえて電界緩和テープの保管状況や、製作条件などを従来の管理条件に対して極端に変更している。図示するように、従来の方法では、実測値と推定値が乖離してしまう場合がある。
【００７３】
一方、図８（Ｂ）において、図示する実線は、上記の数式１、数式５（数式４）を用いて、固定子コイルエンド２４に電界緩和層４４を配置した後（製作後）に推定した電流−電圧特性（推定値）を示すグラフである。また、図示する点線は、固定子コイルエンド２４に電界緩和層４４が配置された状態（製作後）で実測した電流−電圧特性（実測値）を示すグラフである。図示するように、本実施形態の方法によれば、電界緩和層４４の電流−電圧特性を精度良く推定できる。
【００７４】
以上のように固定子コイル製作後の電界緩和層４４の電流−電圧特性を精度良く推定することにより、固定子コイルエンド２４に配置すべき電界緩和層４４の設計（例えば、電界緩和層４４の長さｄ）等、最適化することができる。その結果、信頼度の高い回転電機を製作することができるようになる。
【００７５】
なお、上記した各構成要素は、情報処理装置１００および表面電位計２００の構成を理解容易にするために、主な処理内容に応じて分類したものである。構成要素の分類の仕方やその名称によって、本願発明が制限されることはない。情報処理装置１００および表面電位計２００の構成は、処理内容に応じて、さらに多くの構成要素に分類することもできる。また、１つの構成要素がさらに多くの処理を実行するように分類することもできる。
【００７６】
また、各機能部は、ハードウエア（ＡＳＩＣなど）により構築されてもよい。また、各機能部の処理が一つのハードウエアで実行されてもよいし、複数のハードウエアで実行されてもよい。
【００７７】
なお、上記の実施形態は、本発明の要旨を例示することを意図し、本発明を限定するものではない。多くの代替物、修正、変形例は当業者にとって明らかである。
【００７８】
例えば、上記実施形態では、情報処理装置２００が電界緩和層４４の電流−電圧特性を推定している。しかし、本発明はこれに限定しない。例えば、上記実施形態の演算部１１０と記憶部１２０の機能は、表面電位計２００で実現されてもよい。
【００７９】
この場合、表面電位計２００は、測定装置、記憶装置、比較器、演算装置を備える。
【００８０】
測定装置は、電界緩和層４４の表面電位（時間波形）と、電源装置５０の出力電圧（時間波形）を同時に測定するためのプローブを少なくとも２つ有している。そして、測定装置は、上記実施形態と同様に、固定子コア２１から離れる方向（ｎ０からｎ６まで）に、順次、電界緩和層４４の表面電位を測定する。また、測定装置は、測定した表面電位と出力電圧を所定のサンプリング周波数で数値化し、記憶装置に記憶する。従って、記憶装置には、測定装置で測定された表面電位と、電源装置５０の出力電圧と、が数値化されたデータとして記憶される。
【００８１】
比較器は、測定された表面電位、および、電源装置５０の出力電圧が記憶装置から入力されると、両データ（例えば、最大電圧）が一致するか否かを判別し、その判別結果を演算装置に出力する。なお、表面電位（データ）が比較器に入力される順序は、測定装置で測定された順序で入力される。
【００８２】
そして、演算装置は、比較器で両データが初めて一致すると判定された場合に、その表面電位（データ）を、到達地点で測定された表面電位（データ）として選択する。また、演算装置は、上記実施形態と同様に、到達地点に最も近い地点で測定された表面電位（データ）を、到達地点に最も近い地点（例えば、ｎ３）の表面電位として選択する。
【００８３】
その後、演算装置は、上記実施形態と同様に、選択された２地点の表面電位を用いて、電界緩和層４４の電流−電圧特定を推定する。
【００８４】
以上のような構成により、固定子コイルエンド２４に配置された状態における電界緩和層４４の電流−電圧特性を、上記実施形態よりも高速に推定することができる。
【００８５】
また、上記のように、測定した表面電位を、所定のサンプリング周波数で数値化するだけでは、各測定地点（ｎ０〜ｎ６）で測定された表面電位の時間波形に位相のずれが生じる場合がある。そのため、測定装置に、この位相のずれを補正する機能をもたせてもよい。この場合、測定装置は、各測定地点（ｎ０〜ｎ６）で測定された表面電位の数値データを読み出して、表面電位の正確な位相の基準点を特定する。そして、測定装置は、特定した基準点に基づいて、各測定地点（ｎ０〜ｎ６）の表面電位の位相のずれを補正する。
【００８６】
また、上記のように位相のずれを補正する代わりに、あらかじめ位相のずれが生じないように、電界緩和層４４の表面電位を測定（取得）してもよい。この場合、測定装置は、電源装置５０から出力される試験電圧（交流電圧）を監視して、試験電圧波形のゼロクロス点をトリガ信号として特定する（トリガ信号機能）。そして、測定装置は、そのゼロクロス点を特定したタイミングで、電界緩和層４４の表面電位を一定時間測定し（所定のサンプリング周波数で数値化し）、記憶装置に記憶する。これにより、各測定地点（ｎ０〜ｎ６）で測定された表面電位の時間波形には位相のずれが生じない。
【００８７】
また、電源装置５０の出力電圧が高電圧である場合には、高電圧試験に対する安全に配慮する必要がある。そのため、電界緩和層４４の表面電位を測定する測定部２１０と、電界緩和層４４の電流−電圧特性を推定する演算部１１０は、電気的に切り離されていた方がよい。従って、上記実施形態のケーブル１５０には、例えば、熱の発生等しにくい光ファイバケーブルを用いるのが好適である。この場合、情報処理装置１００の通信部１３０と、表面電位計２００の通信部２２０は、光ファイバケーブルを用いた通信を可能とするＩＯポート（光電圧変換器）を備える。
【符号の説明】
【００８８】
１・・・タービン発電機、２・・・測定システム、１０・・・固定子枠、２０・・・固定子、２１・・・固定子コア、２２・・・固定子コイル、２３・・・エンドプレート、２４・・・固定子コイルエンド、２５・・・固定子コイルサポートリング、２６・・・リング支え、３０・・・回転子、４１・・・コイル導体、４２・・・主絶縁層、４３・・・低抵抗層、４４・・・電界緩和層、５０・・・電源装置、５１・・・プローブ、１００・・・情報処理装置（ＰＣ）、１１０・・・演算部、１２０・・・記憶部、１３０・・・通信部、１５０・・・ケーブル、２００・・・表面電位計、２１０・・・測定部、２２０・・・通信部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機の固定子コイルの非線形抵抗測定方法であって、
前記固定子コイルの端部には、導体の外周に巻回されて電界緩和層が配置され、
前記電界緩和層が前記端部に配置された状態で、前記電界緩和層の複数地点で表面電位を測定する測定ステップと、
測定された前記表面電位のうち所定の２つの地点で測定された表面電位を用いて、前記電界緩和層の電流電圧特性を推定する推定ステップと、を有する、
ことを特徴とする非線形抵抗測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載される非線形抵抗測定方法であって、
前記推定ステップでは、
表面電位が前記導体の電位に略到達する到達地点で測定された第１の表面電位と、
表面電位が前記導体の電位に到達しておらず、前記複数地点のうち前記到達地点に最も近い地点で測定された第２の表面電位と、
を前記電流電圧特性の推定に用いる表面電位として選択する、
ことを特徴とする非線形抵抗測定方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載される非線形抵抗測定方法であって、
前記推定ステップでは、
前記２つの地点で測定された表面電位の差分から、前記電界緩和層における前記２つの地点間の電位差を算出し、
前記導体と前記電界緩和層の間に介在する絶縁層に流れる電流値から、前記電界緩和層における前記２つの地点間に流れる電流値を算出し、
算出した前記電位差と、算出した前記電流値と、から得られる前記２つの地点間における電流電圧特性を、前記電界緩和層全体の電流電圧特性として推定する、
ことを特徴とする非線形抵抗測定方法。
【請求項４】
回転電機に取り付ける固定子コイルの非線形抵抗測定装置であって、
前記固定子コイルの端部には、導体の外周に巻回されて電界緩和層が配置され、
前記電界緩和層が前記端部に配置された状態で、前記電界緩和層の複数地点で表面電位を測定する測定手段と、
測定された前記表面電位のうち所定の２つの地点で測定された表面電位を用いて、前記電界緩和層の電流電圧特性を推定する推定手段と、を備える、
ことを特徴とする非線形抵抗測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の非線形抵抗測定装置であって、
前記推定手段は、
表面電位が前記導体の電位に略到達する到達地点で測定された第１の表面電位と、
表面電位が前記導体の電位に到達しておらず、前記複数地点のうち前記到達地点に最も近い地点で測定された第２の表面電位と、
を前記電流電圧特性の推定に用いる表面電位として選択する、
ことを特徴とする非線形抵抗測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の非線形抵抗測定装置であって、
前記測定手段は、
電源装置から前記固定子コイルの端部に試験用の交流電圧が印加されると、前記電界緩和層の表面電位を測定し、
前記推定手段は、
前記電界緩和層で測定された前記表面電位の時間波形と、前記電源装置から出力される交流電圧の時間波形と、を比較して、両時間波形が略等価となる地点を、前記到達地点として選択する、
ことを特徴とする非線形抵抗測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の非線形抵抗測定装置であって、
前記推定手段は、
前記第１の表面電位の時間波形と、前記第２の表面電位の時間波形と、の差分を算出することにより、前記電界緩和層における前記２つの地点間の電位差を算出する、
ことを特徴とする非線形抵抗測定装置。
【請求項８】
請求項７に記載の非線形抵抗測定装置であって、
前記推定手段は、
前記電源装置から出力される交流電圧の時間波形と、前記到達地点で測定された表面電位の時間波形と、の差分を求め、
求めた前記差分値を時間微分して、前記導体と前記電界緩和層の間に介在する絶縁層の前記２つの地点間における静電容量を乗じることにより、前記電界緩和層における前記２つの地点間に流れる電流値を算出する、
ことを特徴とする非線形抵抗測定装置。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれか１項に記載の非線形抵抗測定装置であって、
前記測定手段は、
前記電源装置から出力される交流電圧をトリガ信号として、前記電界緩和層の表面電位を一定時間測定する、
ことを特徴とする非線形抵抗測定装置。
【請求項１０】
請求項４乃至９のいずれか１項に記載の非線形抵抗測定装置であって、
前記測定手段と、前記推定手段と、を電気的に切り離すための光電圧変換器を備える、
ことを特徴とする非線形抵抗測定装置。
【請求項１】
回転電機の固定子コイルの非線形抵抗測定方法であって、
前記固定子コイルの端部には、導体の外周に巻回されて電界緩和層が配置され、
前記電界緩和層が前記端部に配置された状態で、前記電界緩和層の複数地点で表面電位を測定する測定ステップと、
測定された前記表面電位のうち所定の２つの地点で測定された表面電位を用いて、前記電界緩和層の電流電圧特性を推定する推定ステップと、を有する、
ことを特徴とする非線形抵抗測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載される非線形抵抗測定方法であって、
前記推定ステップでは、
表面電位が前記導体の電位に略到達する到達地点で測定された第１の表面電位と、
表面電位が前記導体の電位に到達しておらず、前記複数地点のうち前記到達地点に最も近い地点で測定された第２の表面電位と、
を前記電流電圧特性の推定に用いる表面電位として選択する、
ことを特徴とする非線形抵抗測定方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載される非線形抵抗測定方法であって、
前記推定ステップでは、
前記２つの地点で測定された表面電位の差分から、前記電界緩和層における前記２つの地点間の電位差を算出し、
前記導体と前記電界緩和層の間に介在する絶縁層に流れる電流値から、前記電界緩和層における前記２つの地点間に流れる電流値を算出し、
算出した前記電位差と、算出した前記電流値と、から得られる前記２つの地点間における電流電圧特性を、前記電界緩和層全体の電流電圧特性として推定する、
ことを特徴とする非線形抵抗測定方法。
【請求項４】
回転電機に取り付ける固定子コイルの非線形抵抗測定装置であって、
前記固定子コイルの端部には、導体の外周に巻回されて電界緩和層が配置され、
前記電界緩和層が前記端部に配置された状態で、前記電界緩和層の複数地点で表面電位を測定する測定手段と、
測定された前記表面電位のうち所定の２つの地点で測定された表面電位を用いて、前記電界緩和層の電流電圧特性を推定する推定手段と、を備える、
ことを特徴とする非線形抵抗測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の非線形抵抗測定装置であって、
前記推定手段は、
表面電位が前記導体の電位に略到達する到達地点で測定された第１の表面電位と、
表面電位が前記導体の電位に到達しておらず、前記複数地点のうち前記到達地点に最も近い地点で測定された第２の表面電位と、
を前記電流電圧特性の推定に用いる表面電位として選択する、
ことを特徴とする非線形抵抗測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の非線形抵抗測定装置であって、
前記測定手段は、
電源装置から前記固定子コイルの端部に試験用の交流電圧が印加されると、前記電界緩和層の表面電位を測定し、
前記推定手段は、
前記電界緩和層で測定された前記表面電位の時間波形と、前記電源装置から出力される交流電圧の時間波形と、を比較して、両時間波形が略等価となる地点を、前記到達地点として選択する、
ことを特徴とする非線形抵抗測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の非線形抵抗測定装置であって、
前記推定手段は、
前記第１の表面電位の時間波形と、前記第２の表面電位の時間波形と、の差分を算出することにより、前記電界緩和層における前記２つの地点間の電位差を算出する、
ことを特徴とする非線形抵抗測定装置。
【請求項８】
請求項７に記載の非線形抵抗測定装置であって、
前記推定手段は、
前記電源装置から出力される交流電圧の時間波形と、前記到達地点で測定された表面電位の時間波形と、の差分を求め、
求めた前記差分値を時間微分して、前記導体と前記電界緩和層の間に介在する絶縁層の前記２つの地点間における静電容量を乗じることにより、前記電界緩和層における前記２つの地点間に流れる電流値を算出する、
ことを特徴とする非線形抵抗測定装置。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれか１項に記載の非線形抵抗測定装置であって、
前記測定手段は、
前記電源装置から出力される交流電圧をトリガ信号として、前記電界緩和層の表面電位を一定時間測定する、
ことを特徴とする非線形抵抗測定装置。
【請求項１０】
請求項４乃至９のいずれか１項に記載の非線形抵抗測定装置であって、
前記測定手段と、前記推定手段と、を電気的に切り離すための光電圧変換器を備える、
ことを特徴とする非線形抵抗測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２２００７（Ｐ２０１１−２２００７Ａ）
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６７３４２（Ｐ２００９−１６７３４２）
【出願日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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