油入電気機器の内部異常診断方法
【課題】油入電気機器における異常部分の特定、異常の状態が具体的に診断できる油入電気機器の異常診断方法を提供することを目的とするものである。
【解決手段】油入電気機器から絶縁油の試料を採取し、試料油中に溶解した低蒸気圧、高沸点の分解成分を検出し、検出した分解成分中に、３ペンタノン、ジアセチル、２，５ジメチルフラン、酢酸が検出された場合には、絶縁紙が巻回された通電部に２５０℃以上の過熱部が存在すると判定することを特徴とする油入電気機器の内部異常診断方法である。
【解決手段】油入電気機器から絶縁油の試料を採取し、試料油中に溶解した低蒸気圧、高沸点の分解成分を検出し、検出した分解成分中に、３ペンタノン、ジアセチル、２，５ジメチルフラン、酢酸が検出された場合には、絶縁紙が巻回された通電部に２５０℃以上の過熱部が存在すると判定することを特徴とする油入電気機器の内部異常診断方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は油入変圧器、油入リアクトルなどの油入電気機器内部の絶縁油に溶解した局部加熱あるいは内部放電等に起因する分解成分を分析することにより、異常の有無、異常の状態の推定を行う油入電気機器の内部異常診断方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
油入変圧器、油入リアクトルなどの油入電気機器内部の局部加熱あるいは放電等の異常現象が発生していると、内部に使用されている絶縁油、絶縁紙等の絶縁材料が徐々に分解して絶縁耐力が低下し、ついには絶縁破壊事故に至ることが懸念される。油入電気機器の内部に部分放電、局部加熱等があると充填されている絶縁油、絶縁紙、その他の絶縁材料が熱分解して分解成分が生成し、生成した分解成分が絶縁油中に溶解する。この溶解した分解成分を定期的に分析して、内部異常の有無、異常箇所の特定、異常程度を診断し、診断結果に基づいて事故に至る前に対策を行えば、油入電気機器の信頼性が確保される。
【０００３】
油入電気機器の局部加熱、部分放電等の異常を監視する従来から行われている方法は、電気協同研究、第５４巻、第５号（１９８０）に報告されている方法（一般には電協研法と呼ばれている）、ＩＥＣ規格による方法（ＩＥＣ Ｐｕｂ.５６７:油中ガス分析方法、ＩＥＣ Ｐｕｂ.５９９:診断方法）、ＡＮＳＩ規格による方法（ＡＮＳＩ／ＩＥＥＥ Ｃ５７.１０４−１９７８）などが一般的であった。これらの方法は、油入電気機器内部の異常時に発生する沸点あるいは昇華点の低い一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）から経年劣化の進行状況、水素（Ｈ２）、メタン（ＣＨ４）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）等の可燃性ガスから局部加熱、部分放電等の有無を識別するものであり、異常の有無、異常の程度は推定できるが、損傷部分の位置の特定、異常温度の推定は困難であった。
【０００４】
油入電気機器は、ＪＥＣ−１６８に巻線部分および絶縁油の最高許容温度が規定されており、規定された最高許容温度を超える場合に内部異常の存在が推測される。油入電気機器に使用された材料の熱分解が顕著になる温度は、絶縁油では３５０℃以上、固体絶縁材料では２５０℃以上とされている。
【０００５】
油入電気機器の内部異常の早期発見には、規格に規定された許容温度以上の温度で生成する分解成分を検出することが有力な手段である。特に部分放電、局部加熱に起因する異常現象は、コイル周辺の絶縁材料から生成される分解成分を分析することが有効な方法である。
【０００６】
しかし、油入電気機器の内部に使用された絶縁材料の部分放電、局部加熱による分解成分は、蒸気圧が低くて沸点が高くガス化しにくいので、上記の電協研法等の方法では困難であった。蒸気圧が低く高沸点の分解成分を分析する分析方法としては特開平９−７２８９２号公報に開示された方法がある。
【０００７】
特開平９−７２８９２号公報に開示されたガス分析方法の装置の構成を図８に示す。図において、１は試料油を収納する試料油容器、２は試料油容器１の注油口、３は試料油容器１の排油口、４は排油バルブ、５は試料油、６はヘリウムガスなどの不活性ガスをキャリアガスとしてバブリングするキャリアガス給気管、７は試料油を加熱するためのヒータ、８はバブリングするキャリアガスを注入するキャリアガス注入管、９はキャリアガスの流量調節弁、１０は二方コック、１１はキャリアガス送気管、１２はバブリングにより抽出された抽出ガスを取り出すガス抽出管、１３は抽出ガスをキャリアガスとともに通気する抽出ガス通気管、１４は三方コック、１５はコールドトラップ容器、１５ａはコールドトラップ容器１５の液体窒素等の冷却媒体の供給口および排出口、１６は−１３０℃程度に冷却することにより分解成分を凝縮捕獲するコールドトラップ、１７はコールドトラップ１６を加熱するヒータ、１８は三方コック、１９はキャリアガスを供給するガス給気管、２０はヘリウムガス等のキャリアガスが充填されたガスボンベ、２１は流量調節弁、２２は三方コック、２３はガスクロマトグラフ分析器（以下ＧＣＭＳと呼称する）であり、カラム２３ａと検出器２３ｂとで構成されている。２４は冷却媒体容器、２５は液体窒素等の冷却媒体、２６は冷却媒体２５を供給するために冷却媒体容器２４に圧力を加える加圧管、２７は冷却媒体供給管、２８は流量調節弁である。
【０００８】
絶縁油中にヘリウムガスなどのキャリアガスをバブリングして抽出した分解成分をコールドトラップさせる方法をＰＴＩ法（Purge and Trap Injector)と呼ばれ、このＰＴＩ法とＧＣＭＳ（ガスクロマトグラフ分析器）で分析する方法をＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法と呼称されているので、以下図８に示した構成で行う分析法をＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法と呼称する。
【０００９】
つぎに図８のように構成された分析装置で行うＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法について説明する。
（１）二方コック１０および排油バルブ４を開き、キャリアガス送気管１１からキャリアガスを流量調節弁９により流量調節して試料油容器１側の流路に流して流路の空気をブローアウトする。
（２）三方コック１４および２２をＧＣＭＳ２３側に開いてコールドトラップ１６およびＧＣＭＳ２３の部分の空気をブローアウトする。
（３）冷却媒体容器２４の加圧管２６から圧力を加えて冷却媒体（液体窒素）２５をコールドトラップ容器１５に導き−１３０℃程度に冷却する。
（４）注射器等により試料油を数ミリリットル採取し、試料油容器１の注油口２より試料油容器１内に注入する。
（５）三方コック１４を試料油容器１側に切換え、試料油容器１をヒータ６により、蒸気圧が５３Ｐａになる温度で加熱し、二方コック１０を開いて圧力調節弁９により流量調節し、バブリング管６にキャリアガスを供給して数分間バブリングして試料油中に溶解している分解成分を抽出する。抽出された分解成分をキャリアガスとともにコールドトラップ容器１５内のコールドトラップ１６の内径部に導入し、分解成分をコールドトラップ１６に凝縮捕獲する。
（６）コールドトラップ１６をヒータ１７により２００℃以上に急速加熱し、凝縮捕獲した分解成分を気化させてキャリアガスを流しながらＧＣＭＳ２３ｂに導入して分析する。
【００１０】
油入電気機器から採取した試料油を上記のＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法で分析すると、抽出された分解成分はコールドトラップ１６で凝縮して捕獲され、２００℃以上に急速加熱することにより、蒸発して瞬時にＧＣＭＳ２３に導入されるため、精度よく分析できる。その分析結果のグラフの例を図９、検出された分解成分を図１０に示す。検出結果は低蒸気圧、高沸点の分解成分が多く検出されている。
【００１１】
油入電気機器に使用されている代表的な絶縁材料を個別に絶縁油中に浸漬し、２００℃で最大３日間過熱して絶縁油に溶解した分解成分をＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法により分解成分を検出した例が図１１に示されている。その結果は、低蒸気圧、高沸点の分解成分が多く検出されている。
【００１２】
【特許文献１】特開平９−７２８９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記特開平９−７２８９２号公報では、ＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法により、低蒸気圧、高沸点の異常指標となる分解成分が高感度で検出され、検出された分解成分により油入電気機器の異常診断ができるとしているが、分解成分と油入電気機器内部の異常状態との対応がなされておらず、異常部分の位置の特定や異常の状態が具体的に把握できないという問題点があった。
【００１４】
この発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、油入電気機器における異常部分の特定、異常の状態が具体的に診断できる油入電気機器の異常診断方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明の請求項１に係る油入電気機器の異常診断方法は、油入電気機器から絶縁油の試料を採取し、試料油中に溶解した低蒸気圧、高沸点の分解成分を検出し、検出した分解成分中に、３ペンタノン、ジアセチル、２，５ジメチルフランおよび酢酸が検出された場合には、絶縁紙が巻回された通電部に２５０℃以上の過熱部が存在すると判定する方法である。
【発明の効果】
【００１６】
この発明の請求項１に係る油入電気機器の異常診断方法は、油入電気機器から
絶縁油の試料を採取し、試料油中に溶解した低蒸気圧、高沸点の分解成分を検出し、検出した分解成分中に、３ペンタノン、ジアセチル、２，５ジメチルフランおよび酢酸が検出された場合には、絶縁紙が巻回された通電部に過熱した部分が存在すると判定する方法であり、検出された分解成分より、通電部の加熱温度の推定が容易に行える方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施の形態１．
油入電気機器に使用されている絶縁油および絶縁材料が、局部加熱や放電の発生等の内部異常に晒されて生成した低蒸気圧、高沸点の分解成分は、上記従来の技術欄に示した特開平９−７２８９２号公報に開示されたＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法により高感度で検出できるようになったが、分解成分を検出するのみでは異常部分の位置の特定や異常の状態が具体的に把握することはできない。この実施の形態１は、使用中の油入電気機器から絶縁油を採取してＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法によって検出した分解成分から、油入電気機器の内部異常の位置および異常の状態を適正に判定する判定基準を明確にするものである。
【００１８】
油入電気機器の内部に充填された絶縁油は、３５０℃以上になると分解が顕著になり、その分解成分を検出することにより、油入電気機器内部の異常の状態を識別することができる。内部温度が３５０℃以下の場合は、固体絶縁材料から特徴的に生成する分解成分から内部温度を推定することができ、固定絶縁材料は使用箇所が明確なため、異常位置の特定も容易に行うことができる。
【００１９】
油入電気機器の主要材料の絶縁油、絶縁紙、および固体絶縁材料について、内部異常時に生成される分解成分と異常の状態との関係を明確にするために次の実験を行った。
（１）絶縁油の過熱分解成分の抽出。
（２）油入電気機器内部に使用されている主要絶縁材料の過熱分解成分の抽出。
（３）コイル、接続導体部分の絶縁紙の過熱分解成分の抽出。
【００２０】
＜絶縁油分解成分の抽出実験＞
絶縁油の加熱試験は、表１の試験条件により実施した。試験の方法は絶縁油中に配置したステンレス製パイプヒータあるいはタングステン線に通電して局部的に加熱し、生成された分解成分をＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法により検出した。
【００２１】
【表１】
【００２２】
絶縁油中のタングステン線に電流を流して、５００〜７００℃、７００℃、１０００℃に加熱した場合のメチルビニルアセチレンと２メチル１，３ブタジエンの生成量を図１に示す。加熱温度が７００℃、１０００℃、部分放電、絶縁破壊１、絶縁破壊２におけるメチルビニルアセチレンと２メチル１，３ブタジエンとの濃度比率を図２に示す。メチルビニルアセチレンと２メチル１，３ブタジエンとの濃度比率は、１０００℃の加熱においては０．０１４であり、部分放電を発生させた場合、絶縁破壊させた場合のメチルビニルアセチレンと２メチル１，３ブタジエンの濃度比率は、その１００倍の１．５以上となっている。
【００２３】
また、絶縁油をパイプヒータにより３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃、５００℃でそれぞれ３０分間加熱した場合の１ブテン、１ペンテン、２ペンテンおよび１ヘキセンの検出濃度を図３に示す。この温度ではメチルビニルアセチレン、２メチル１，３ブタジエンは生成してしない。
【００２４】
図１は、絶縁油の温度が５００℃を超えると２メチル１，３ブタジエンの生成が顕著になり、７００℃を超えるとメチルビニルアセチレンの生成が顕著になることを示すものであり、図２は、過熱した場合のメチルビニルアセチレンの発生に対して部分放電あるいは絶縁破壊が生じた場合のメチルビニルアセチレンは大量に発生することを示すものである。図３は、１ブテン、１ペンテン、２ペンテンおよび１ヘキセンは３５０℃を超えると生成が顕著になることを示している。
【００２５】
正常に運転されている油入電気機器（内部異常が存在しない場合）のＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法で分析された上限濃度（ピーク面積値）は、１ブテンは９００００、１ペンテンは５４００００、２ペンテンは２５００００、１ヘキセンは４８００００となっている。
【００２６】
以上の実験結果から、絶縁油の分解成分のメチルビニルアセチレン、２メチル１，３ブタジエン、１ブテン、１ペンテン、２ペンテンおよび１ヘキサンの検出濃度により、次のように油入電気機器の内部異常を判定することができる。
【００２７】
（１）検出された分解成分中のメチルビニルアセチレンと２メチル１，３ブタジエンの濃度比率が１．５以上の場合には放電が発生している部分が存在する。
（２）検出された分解成分中のメチルビニルアセチレンと２メチル１，３ブタジエン濃度比率が０．０１４〜１．５の範囲にあるときは、７００℃以上の局部加熱部または微小な放電部分が存在する。
（３）メチルビニルアセチレンが検出されないかまたはごく微量で、１ブテン、１ペンテン、２ペンテン、１ヘキセンおよび２メチル１，３ブタジエンが検出された場合には、５００〜７００℃の加熱部分が存在する。（メチルビニルアセチレンと２メチル１，３ブタジエンの濃度比率が０．０１４以下の場合）
（４）メチルビニルアセチレン、２メチル１，３ブタジエンの双方が検出されないで、１ブテン、１ペンテン、２ペンテン、１ヘキセンが検出された場合には、３５０〜５００℃の加熱部分が存在する。
【００２８】
以上のように使用中の油入電気機器から採取した絶縁油の分解成分をＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法により検出し、検出した分解成分中にメチルビニルアセチレンが存在すると放電部分が存在することが明確に診断され、メチルビニルアセチレンが検出されないで、２メチル１，３ブタジエン、１ブテン、１ペンテン、２ペンテン、１ヘキセンが検出された場合には、油入電気機器内部の３５０℃以上の過熱部の有無、過熱部の温度、放電の有無などの異常状態を容易に診断することができる。
【００２９】
＜油入電気機器内部に使用されている主要絶縁材料の過熱分解成分の抽出＞
油入電気機器内部に使用されている主要絶縁材料の耐熱紙、ＰＶＦ線被覆、樹脂Ａ〜Ｃ、フェノール樹脂、ガラスエポキシ樹脂について、絶縁油中で２００℃で３日間過熱し、ＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法により特徴的に生成する低蒸気圧、高沸点の分解成分を調査した。その結果を表２に示す。表２の分解成分が検出されたときには、対応する絶縁材料が過熱部であり、その使用位置が過熱位置であると特定することができる。
【００３０】
【表２】
【００３１】
油入電気機器には上記の表２以外の材料についても、個別に加熱してそれぞれの材料から特徴的に生成する分解成分を明確に把握し、その結果を例えば図４に示すようにマトリクスにまとめ、調査対象の油入電気機器に充填された絶縁油の分析により検出された低蒸気圧、高沸点の分解成分を図４に照合して絶縁材料を特定し、その使用位置から過熱位置を特定することができる。
【００３２】
＜コイル、接続導体部分の絶縁紙、ワニス処理紙等の過熱分解成分の抽出＞
油入電気機器のコイル、接続導体の表面に巻回されている絶縁紙は通常の使用状態においても多くの分解成分が生成されるものであり、通常の状態における分解成分と温度が２００〜３００℃程度の過熱状態で生成される低蒸気圧、高沸点の分解成分を明確にしておけば、検出された分解成分より過熱の状態を判定することができる。
【００３３】
コイル、接続導体の部分の過熱により生成される分解成分を明確にするため、コイルを模擬してパイプヒータを使用し、その表面に絶縁紙を巻回し、表面にワニス処理紙を巻回したコイルモデルを製作し、絶縁油中で１５０〜３００℃に過熱し、生成される分解成分を調査した。その結果を図５に示す。
【００３４】
図５において、絶縁紙が２００〜３００℃に過熱されたときのみに特徴的に生成する分解成分は、３ペンタノン、ジアセチル、２，５ジメチルフランおよび酢酸であり、２５０℃以上になると生成する結果となっている。この分解成分が検出された場合には、コイル部分が２５０℃以上の過熱と判定できる。
【００３５】
実施の形態２．
実施の形態１において油入電気機器内の主要絶縁材料について加熱温度に対応して生成する分解成分を調査した結果を示したが、実施の形態２では、実際の変圧器を模擬した実規模モデル変圧器を用いて過負荷試験を実施し、実施の形態１における調査の妥当性を確認した。
【００３６】
過負荷試験を行った実規模モデル変圧器の仕様を表３に示す。過負荷試験条件を表４に示す。
【００３７】
【表３】
【００３８】
【表４】
【００３９】
過負荷試験は負荷率を表４のように１１０〜１７０％として、各ケース毎に絶縁油試料を採油し、絶縁油中に溶解する分解成分を分析した。その検出成分の一覧表を図６、分解成分の推移を図７に示す。検出成分は図６に示すように、メタノール、エタノール、アセトン、イソプロピルアルコール、メチルエチルケトン、ベンゼン、１ブテン、１ペンテン、２ペンテン、および１ヘキセンは、試験前の絶縁油からも検出され、この成分は、元々の新油中にも微量含まれているものや、モデル変圧器の熱油乾燥時に生成したものである。負荷率の上昇にしたがって生成される分解成分の種類は増加しており、負荷率１４０％（試料Ｅ）からはギ酸メチル、フラン、酢酸メチル、２メチルフラン、フルフラールが検出され、１５０％−１（試料Ｇ）からは、ジアセチル、２，５ジメチルフラン、ジメチルサルファイドが検出され、１５０％−２（試料Ｈ）では酢酸、３ペンタノン、フェノールが検出されている。また、絶縁油の分解成分の１ブテン、１ペンテン、２ペンテン、１ヘキセンは負荷率１５０％−１から急激に増加している。特に負荷率１７０％では顕著に増加しており、この時点では局部的に３５０℃を超える温度に過熱されていることが推定される。２メチル１，３ブタジエン、メチルビニルアセチレンはこの負荷試験では検出されていないので加熱された温度は５００℃を超えていないと推定される。
【００４０】
この実器モデルにおける過負荷試験により、実施の形態１において示した絶縁紙の異常診断の指標となる分解成分の、ジメチルサルファイド、３ペンタノン、ジアセチル、２，５ジメチルフランおよび酢酸が絶縁紙を巻回したコイル部分の過熱状態を診断する指標分解成分として妥当であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】絶縁油を高温加熱した場合の加熱時間とメチルビニルアセチレン、２メチル１，３ブタジエンの生成状況を示す図である。
【図２】絶縁油の過熱条件と生成したメチルビニルアセチレンと２メチル１，３ブタジエンの濃度比率の関係を示す図である。
【図３】絶縁油を高温加熱した場合の過熱条件と１ブテン、１ペンテン、２ペンテンおよび１ヘキセンの生成濃度の関係を示す図である。
【図４】主要絶縁材料と過熱したときに生成する分解成分の対応を示すマトリクスの例である。
【図５】絶縁紙を１５０〜３００℃に過熱した場合の過熱条件と分解成分の濃度の関係を示す図である。
【図６】実器モデル変圧器の過負荷試験における分解成分の生成状況を示す一覧表である。
【図７】実器モデル変圧器の過負荷試験における分解成分の生成濃度と負荷条件との関係を示す図である。
【図８】絶縁油中の溶解成分を検出するコールドトラップ分析装置の構成図である。
【図９】コールドトラップ分析装置で分析した分析例のグラフである。
【図１０】図９の分析成分の一覧表である。
【図１１】過熱実験による絶縁油から検出された分解成分の例を示す一覧表である。
【技術分野】
【０００１】
この発明は油入変圧器、油入リアクトルなどの油入電気機器内部の絶縁油に溶解した局部加熱あるいは内部放電等に起因する分解成分を分析することにより、異常の有無、異常の状態の推定を行う油入電気機器の内部異常診断方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
油入変圧器、油入リアクトルなどの油入電気機器内部の局部加熱あるいは放電等の異常現象が発生していると、内部に使用されている絶縁油、絶縁紙等の絶縁材料が徐々に分解して絶縁耐力が低下し、ついには絶縁破壊事故に至ることが懸念される。油入電気機器の内部に部分放電、局部加熱等があると充填されている絶縁油、絶縁紙、その他の絶縁材料が熱分解して分解成分が生成し、生成した分解成分が絶縁油中に溶解する。この溶解した分解成分を定期的に分析して、内部異常の有無、異常箇所の特定、異常程度を診断し、診断結果に基づいて事故に至る前に対策を行えば、油入電気機器の信頼性が確保される。
【０００３】
油入電気機器の局部加熱、部分放電等の異常を監視する従来から行われている方法は、電気協同研究、第５４巻、第５号（１９８０）に報告されている方法（一般には電協研法と呼ばれている）、ＩＥＣ規格による方法（ＩＥＣ Ｐｕｂ.５６７:油中ガス分析方法、ＩＥＣ Ｐｕｂ.５９９:診断方法）、ＡＮＳＩ規格による方法（ＡＮＳＩ／ＩＥＥＥ Ｃ５７.１０４−１９７８）などが一般的であった。これらの方法は、油入電気機器内部の異常時に発生する沸点あるいは昇華点の低い一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）から経年劣化の進行状況、水素（Ｈ２）、メタン（ＣＨ４）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）等の可燃性ガスから局部加熱、部分放電等の有無を識別するものであり、異常の有無、異常の程度は推定できるが、損傷部分の位置の特定、異常温度の推定は困難であった。
【０００４】
油入電気機器は、ＪＥＣ−１６８に巻線部分および絶縁油の最高許容温度が規定されており、規定された最高許容温度を超える場合に内部異常の存在が推測される。油入電気機器に使用された材料の熱分解が顕著になる温度は、絶縁油では３５０℃以上、固体絶縁材料では２５０℃以上とされている。
【０００５】
油入電気機器の内部異常の早期発見には、規格に規定された許容温度以上の温度で生成する分解成分を検出することが有力な手段である。特に部分放電、局部加熱に起因する異常現象は、コイル周辺の絶縁材料から生成される分解成分を分析することが有効な方法である。
【０００６】
しかし、油入電気機器の内部に使用された絶縁材料の部分放電、局部加熱による分解成分は、蒸気圧が低くて沸点が高くガス化しにくいので、上記の電協研法等の方法では困難であった。蒸気圧が低く高沸点の分解成分を分析する分析方法としては特開平９−７２８９２号公報に開示された方法がある。
【０００７】
特開平９−７２８９２号公報に開示されたガス分析方法の装置の構成を図８に示す。図において、１は試料油を収納する試料油容器、２は試料油容器１の注油口、３は試料油容器１の排油口、４は排油バルブ、５は試料油、６はヘリウムガスなどの不活性ガスをキャリアガスとしてバブリングするキャリアガス給気管、７は試料油を加熱するためのヒータ、８はバブリングするキャリアガスを注入するキャリアガス注入管、９はキャリアガスの流量調節弁、１０は二方コック、１１はキャリアガス送気管、１２はバブリングにより抽出された抽出ガスを取り出すガス抽出管、１３は抽出ガスをキャリアガスとともに通気する抽出ガス通気管、１４は三方コック、１５はコールドトラップ容器、１５ａはコールドトラップ容器１５の液体窒素等の冷却媒体の供給口および排出口、１６は−１３０℃程度に冷却することにより分解成分を凝縮捕獲するコールドトラップ、１７はコールドトラップ１６を加熱するヒータ、１８は三方コック、１９はキャリアガスを供給するガス給気管、２０はヘリウムガス等のキャリアガスが充填されたガスボンベ、２１は流量調節弁、２２は三方コック、２３はガスクロマトグラフ分析器（以下ＧＣＭＳと呼称する）であり、カラム２３ａと検出器２３ｂとで構成されている。２４は冷却媒体容器、２５は液体窒素等の冷却媒体、２６は冷却媒体２５を供給するために冷却媒体容器２４に圧力を加える加圧管、２７は冷却媒体供給管、２８は流量調節弁である。
【０００８】
絶縁油中にヘリウムガスなどのキャリアガスをバブリングして抽出した分解成分をコールドトラップさせる方法をＰＴＩ法（Purge and Trap Injector)と呼ばれ、このＰＴＩ法とＧＣＭＳ（ガスクロマトグラフ分析器）で分析する方法をＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法と呼称されているので、以下図８に示した構成で行う分析法をＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法と呼称する。
【０００９】
つぎに図８のように構成された分析装置で行うＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法について説明する。
（１）二方コック１０および排油バルブ４を開き、キャリアガス送気管１１からキャリアガスを流量調節弁９により流量調節して試料油容器１側の流路に流して流路の空気をブローアウトする。
（２）三方コック１４および２２をＧＣＭＳ２３側に開いてコールドトラップ１６およびＧＣＭＳ２３の部分の空気をブローアウトする。
（３）冷却媒体容器２４の加圧管２６から圧力を加えて冷却媒体（液体窒素）２５をコールドトラップ容器１５に導き−１３０℃程度に冷却する。
（４）注射器等により試料油を数ミリリットル採取し、試料油容器１の注油口２より試料油容器１内に注入する。
（５）三方コック１４を試料油容器１側に切換え、試料油容器１をヒータ６により、蒸気圧が５３Ｐａになる温度で加熱し、二方コック１０を開いて圧力調節弁９により流量調節し、バブリング管６にキャリアガスを供給して数分間バブリングして試料油中に溶解している分解成分を抽出する。抽出された分解成分をキャリアガスとともにコールドトラップ容器１５内のコールドトラップ１６の内径部に導入し、分解成分をコールドトラップ１６に凝縮捕獲する。
（６）コールドトラップ１６をヒータ１７により２００℃以上に急速加熱し、凝縮捕獲した分解成分を気化させてキャリアガスを流しながらＧＣＭＳ２３ｂに導入して分析する。
【００１０】
油入電気機器から採取した試料油を上記のＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法で分析すると、抽出された分解成分はコールドトラップ１６で凝縮して捕獲され、２００℃以上に急速加熱することにより、蒸発して瞬時にＧＣＭＳ２３に導入されるため、精度よく分析できる。その分析結果のグラフの例を図９、検出された分解成分を図１０に示す。検出結果は低蒸気圧、高沸点の分解成分が多く検出されている。
【００１１】
油入電気機器に使用されている代表的な絶縁材料を個別に絶縁油中に浸漬し、２００℃で最大３日間過熱して絶縁油に溶解した分解成分をＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法により分解成分を検出した例が図１１に示されている。その結果は、低蒸気圧、高沸点の分解成分が多く検出されている。
【００１２】
【特許文献１】特開平９−７２８９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記特開平９−７２８９２号公報では、ＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法により、低蒸気圧、高沸点の異常指標となる分解成分が高感度で検出され、検出された分解成分により油入電気機器の異常診断ができるとしているが、分解成分と油入電気機器内部の異常状態との対応がなされておらず、異常部分の位置の特定や異常の状態が具体的に把握できないという問題点があった。
【００１４】
この発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、油入電気機器における異常部分の特定、異常の状態が具体的に診断できる油入電気機器の異常診断方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明の請求項１に係る油入電気機器の異常診断方法は、油入電気機器から絶縁油の試料を採取し、試料油中に溶解した低蒸気圧、高沸点の分解成分を検出し、検出した分解成分中に、３ペンタノン、ジアセチル、２，５ジメチルフランおよび酢酸が検出された場合には、絶縁紙が巻回された通電部に２５０℃以上の過熱部が存在すると判定する方法である。
【発明の効果】
【００１６】
この発明の請求項１に係る油入電気機器の異常診断方法は、油入電気機器から
絶縁油の試料を採取し、試料油中に溶解した低蒸気圧、高沸点の分解成分を検出し、検出した分解成分中に、３ペンタノン、ジアセチル、２，５ジメチルフランおよび酢酸が検出された場合には、絶縁紙が巻回された通電部に過熱した部分が存在すると判定する方法であり、検出された分解成分より、通電部の加熱温度の推定が容易に行える方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施の形態１．
油入電気機器に使用されている絶縁油および絶縁材料が、局部加熱や放電の発生等の内部異常に晒されて生成した低蒸気圧、高沸点の分解成分は、上記従来の技術欄に示した特開平９−７２８９２号公報に開示されたＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法により高感度で検出できるようになったが、分解成分を検出するのみでは異常部分の位置の特定や異常の状態が具体的に把握することはできない。この実施の形態１は、使用中の油入電気機器から絶縁油を採取してＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法によって検出した分解成分から、油入電気機器の内部異常の位置および異常の状態を適正に判定する判定基準を明確にするものである。
【００１８】
油入電気機器の内部に充填された絶縁油は、３５０℃以上になると分解が顕著になり、その分解成分を検出することにより、油入電気機器内部の異常の状態を識別することができる。内部温度が３５０℃以下の場合は、固体絶縁材料から特徴的に生成する分解成分から内部温度を推定することができ、固定絶縁材料は使用箇所が明確なため、異常位置の特定も容易に行うことができる。
【００１９】
油入電気機器の主要材料の絶縁油、絶縁紙、および固体絶縁材料について、内部異常時に生成される分解成分と異常の状態との関係を明確にするために次の実験を行った。
（１）絶縁油の過熱分解成分の抽出。
（２）油入電気機器内部に使用されている主要絶縁材料の過熱分解成分の抽出。
（３）コイル、接続導体部分の絶縁紙の過熱分解成分の抽出。
【００２０】
＜絶縁油分解成分の抽出実験＞
絶縁油の加熱試験は、表１の試験条件により実施した。試験の方法は絶縁油中に配置したステンレス製パイプヒータあるいはタングステン線に通電して局部的に加熱し、生成された分解成分をＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法により検出した。
【００２１】
【表１】
【００２２】
絶縁油中のタングステン線に電流を流して、５００〜７００℃、７００℃、１０００℃に加熱した場合のメチルビニルアセチレンと２メチル１，３ブタジエンの生成量を図１に示す。加熱温度が７００℃、１０００℃、部分放電、絶縁破壊１、絶縁破壊２におけるメチルビニルアセチレンと２メチル１，３ブタジエンとの濃度比率を図２に示す。メチルビニルアセチレンと２メチル１，３ブタジエンとの濃度比率は、１０００℃の加熱においては０．０１４であり、部分放電を発生させた場合、絶縁破壊させた場合のメチルビニルアセチレンと２メチル１，３ブタジエンの濃度比率は、その１００倍の１．５以上となっている。
【００２３】
また、絶縁油をパイプヒータにより３００℃、３５０℃、４００℃、４５０℃、５００℃でそれぞれ３０分間加熱した場合の１ブテン、１ペンテン、２ペンテンおよび１ヘキセンの検出濃度を図３に示す。この温度ではメチルビニルアセチレン、２メチル１，３ブタジエンは生成してしない。
【００２４】
図１は、絶縁油の温度が５００℃を超えると２メチル１，３ブタジエンの生成が顕著になり、７００℃を超えるとメチルビニルアセチレンの生成が顕著になることを示すものであり、図２は、過熱した場合のメチルビニルアセチレンの発生に対して部分放電あるいは絶縁破壊が生じた場合のメチルビニルアセチレンは大量に発生することを示すものである。図３は、１ブテン、１ペンテン、２ペンテンおよび１ヘキセンは３５０℃を超えると生成が顕著になることを示している。
【００２５】
正常に運転されている油入電気機器（内部異常が存在しない場合）のＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法で分析された上限濃度（ピーク面積値）は、１ブテンは９００００、１ペンテンは５４００００、２ペンテンは２５００００、１ヘキセンは４８００００となっている。
【００２６】
以上の実験結果から、絶縁油の分解成分のメチルビニルアセチレン、２メチル１，３ブタジエン、１ブテン、１ペンテン、２ペンテンおよび１ヘキサンの検出濃度により、次のように油入電気機器の内部異常を判定することができる。
【００２７】
（１）検出された分解成分中のメチルビニルアセチレンと２メチル１，３ブタジエンの濃度比率が１．５以上の場合には放電が発生している部分が存在する。
（２）検出された分解成分中のメチルビニルアセチレンと２メチル１，３ブタジエン濃度比率が０．０１４〜１．５の範囲にあるときは、７００℃以上の局部加熱部または微小な放電部分が存在する。
（３）メチルビニルアセチレンが検出されないかまたはごく微量で、１ブテン、１ペンテン、２ペンテン、１ヘキセンおよび２メチル１，３ブタジエンが検出された場合には、５００〜７００℃の加熱部分が存在する。（メチルビニルアセチレンと２メチル１，３ブタジエンの濃度比率が０．０１４以下の場合）
（４）メチルビニルアセチレン、２メチル１，３ブタジエンの双方が検出されないで、１ブテン、１ペンテン、２ペンテン、１ヘキセンが検出された場合には、３５０〜５００℃の加熱部分が存在する。
【００２８】
以上のように使用中の油入電気機器から採取した絶縁油の分解成分をＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法により検出し、検出した分解成分中にメチルビニルアセチレンが存在すると放電部分が存在することが明確に診断され、メチルビニルアセチレンが検出されないで、２メチル１，３ブタジエン、１ブテン、１ペンテン、２ペンテン、１ヘキセンが検出された場合には、油入電気機器内部の３５０℃以上の過熱部の有無、過熱部の温度、放電の有無などの異常状態を容易に診断することができる。
【００２９】
＜油入電気機器内部に使用されている主要絶縁材料の過熱分解成分の抽出＞
油入電気機器内部に使用されている主要絶縁材料の耐熱紙、ＰＶＦ線被覆、樹脂Ａ〜Ｃ、フェノール樹脂、ガラスエポキシ樹脂について、絶縁油中で２００℃で３日間過熱し、ＰＴＩ−ＧＣＭＳ分析法により特徴的に生成する低蒸気圧、高沸点の分解成分を調査した。その結果を表２に示す。表２の分解成分が検出されたときには、対応する絶縁材料が過熱部であり、その使用位置が過熱位置であると特定することができる。
【００３０】
【表２】
【００３１】
油入電気機器には上記の表２以外の材料についても、個別に加熱してそれぞれの材料から特徴的に生成する分解成分を明確に把握し、その結果を例えば図４に示すようにマトリクスにまとめ、調査対象の油入電気機器に充填された絶縁油の分析により検出された低蒸気圧、高沸点の分解成分を図４に照合して絶縁材料を特定し、その使用位置から過熱位置を特定することができる。
【００３２】
＜コイル、接続導体部分の絶縁紙、ワニス処理紙等の過熱分解成分の抽出＞
油入電気機器のコイル、接続導体の表面に巻回されている絶縁紙は通常の使用状態においても多くの分解成分が生成されるものであり、通常の状態における分解成分と温度が２００〜３００℃程度の過熱状態で生成される低蒸気圧、高沸点の分解成分を明確にしておけば、検出された分解成分より過熱の状態を判定することができる。
【００３３】
コイル、接続導体の部分の過熱により生成される分解成分を明確にするため、コイルを模擬してパイプヒータを使用し、その表面に絶縁紙を巻回し、表面にワニス処理紙を巻回したコイルモデルを製作し、絶縁油中で１５０〜３００℃に過熱し、生成される分解成分を調査した。その結果を図５に示す。
【００３４】
図５において、絶縁紙が２００〜３００℃に過熱されたときのみに特徴的に生成する分解成分は、３ペンタノン、ジアセチル、２，５ジメチルフランおよび酢酸であり、２５０℃以上になると生成する結果となっている。この分解成分が検出された場合には、コイル部分が２５０℃以上の過熱と判定できる。
【００３５】
実施の形態２．
実施の形態１において油入電気機器内の主要絶縁材料について加熱温度に対応して生成する分解成分を調査した結果を示したが、実施の形態２では、実際の変圧器を模擬した実規模モデル変圧器を用いて過負荷試験を実施し、実施の形態１における調査の妥当性を確認した。
【００３６】
過負荷試験を行った実規模モデル変圧器の仕様を表３に示す。過負荷試験条件を表４に示す。
【００３７】
【表３】
【００３８】
【表４】
【００３９】
過負荷試験は負荷率を表４のように１１０〜１７０％として、各ケース毎に絶縁油試料を採油し、絶縁油中に溶解する分解成分を分析した。その検出成分の一覧表を図６、分解成分の推移を図７に示す。検出成分は図６に示すように、メタノール、エタノール、アセトン、イソプロピルアルコール、メチルエチルケトン、ベンゼン、１ブテン、１ペンテン、２ペンテン、および１ヘキセンは、試験前の絶縁油からも検出され、この成分は、元々の新油中にも微量含まれているものや、モデル変圧器の熱油乾燥時に生成したものである。負荷率の上昇にしたがって生成される分解成分の種類は増加しており、負荷率１４０％（試料Ｅ）からはギ酸メチル、フラン、酢酸メチル、２メチルフラン、フルフラールが検出され、１５０％−１（試料Ｇ）からは、ジアセチル、２，５ジメチルフラン、ジメチルサルファイドが検出され、１５０％−２（試料Ｈ）では酢酸、３ペンタノン、フェノールが検出されている。また、絶縁油の分解成分の１ブテン、１ペンテン、２ペンテン、１ヘキセンは負荷率１５０％−１から急激に増加している。特に負荷率１７０％では顕著に増加しており、この時点では局部的に３５０℃を超える温度に過熱されていることが推定される。２メチル１，３ブタジエン、メチルビニルアセチレンはこの負荷試験では検出されていないので加熱された温度は５００℃を超えていないと推定される。
【００４０】
この実器モデルにおける過負荷試験により、実施の形態１において示した絶縁紙の異常診断の指標となる分解成分の、ジメチルサルファイド、３ペンタノン、ジアセチル、２，５ジメチルフランおよび酢酸が絶縁紙を巻回したコイル部分の過熱状態を診断する指標分解成分として妥当であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】絶縁油を高温加熱した場合の加熱時間とメチルビニルアセチレン、２メチル１，３ブタジエンの生成状況を示す図である。
【図２】絶縁油の過熱条件と生成したメチルビニルアセチレンと２メチル１，３ブタジエンの濃度比率の関係を示す図である。
【図３】絶縁油を高温加熱した場合の過熱条件と１ブテン、１ペンテン、２ペンテンおよび１ヘキセンの生成濃度の関係を示す図である。
【図４】主要絶縁材料と過熱したときに生成する分解成分の対応を示すマトリクスの例である。
【図５】絶縁紙を１５０〜３００℃に過熱した場合の過熱条件と分解成分の濃度の関係を示す図である。
【図６】実器モデル変圧器の過負荷試験における分解成分の生成状況を示す一覧表である。
【図７】実器モデル変圧器の過負荷試験における分解成分の生成濃度と負荷条件との関係を示す図である。
【図８】絶縁油中の溶解成分を検出するコールドトラップ分析装置の構成図である。
【図９】コールドトラップ分析装置で分析した分析例のグラフである。
【図１０】図９の分析成分の一覧表である。
【図１１】過熱実験による絶縁油から検出された分解成分の例を示す一覧表である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
油入電気機器から絶縁油の試料を採取し、試料油中に溶解した低蒸気圧、高沸点の分解成分を検出し、検出した分解成分中に、３ペンタノン、ジアセチル、２，５ジメチルフラン、酢酸が検出された場合には、絶縁紙が巻回された通電部に２５０℃以上の過熱部が存在すると判定することを特徴とする油入電気機器の内部異常診断方法。
【請求項１】
油入電気機器から絶縁油の試料を採取し、試料油中に溶解した低蒸気圧、高沸点の分解成分を検出し、検出した分解成分中に、３ペンタノン、ジアセチル、２，５ジメチルフラン、酢酸が検出された場合には、絶縁紙が巻回された通電部に２５０℃以上の過熱部が存在すると判定することを特徴とする油入電気機器の内部異常診断方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００７−２９８５３１（Ｐ２００７−２９８５３１Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２１８１３６（Ｐ２００７−２１８１３６）
【出願日】平成１９年８月２４日（２００７．８．２４）
【分割の表示】特願２００１−１５３４６４（Ｐ２００１−１５３４６４）の分割
【原出願日】平成１３年５月２３日（２００１．５．２３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２０００年１２月１５日 社団法人電気学会開催の「電気学会静止器研究会」において文書をもって発表
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２４日（２００７．８．２４）
【分割の表示】特願２００１−１５３４６４（Ｐ２００１−１５３４６４）の分割
【原出願日】平成１３年５月２３日（２００１．５．２３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２０００年１２月１５日 社団法人電気学会開催の「電気学会静止器研究会」において文書をもって発表
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
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