絶縁診断装置
【課題】回転機の固定子巻線の絶縁性能を高い精度で評価できるとともに、適切な補修タイミングを決定することが可能な絶縁診断装置および絶縁診断方法を提供する。
【解決手段】配置位置が異なる２つ以上のサーチコイルを介してそれぞれ測定された複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）について、その値が互いに近似している場合には、主として、内部放電ＩｎＦが発生していると判断することができる。これに対して、その値の有意な差がある場合には、外部放電ＯｕＦが発生していると判断することができる。したがって、複数のサーチコイルを介してそれぞれ測定された複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）の間の相対関係に基づいて、部分放電の発生部位を特定することができる。
【解決手段】配置位置が異なる２つ以上のサーチコイルを介してそれぞれ測定された複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）について、その値が互いに近似している場合には、主として、内部放電ＩｎＦが発生していると判断することができる。これに対して、その値の有意な差がある場合には、外部放電ＯｕＦが発生していると判断することができる。したがって、複数のサーチコイルを介してそれぞれ測定された複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）の間の相対関係に基づいて、部分放電の発生部位を特定することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転機の固定子巻線の絶縁性能を評価するための絶縁診断装置および絶縁診断方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発電機や電動機などを安定的に連続稼動させるためには、継続的な設備診断が必要である。発電機や電動機といった回転機の設備診断項目の一つとして、巻線の絶縁性能の評価が含まれる。たとえば、同期回転機（同期発電機および同期電動機）では、それぞれ巻線が設けられた回転子（ロータ）および固定子（ステータ）を含む。以下の説明では、回転子に設けられた巻線を回転子巻線と称し、固定子に設けられた巻線を固定子巻線とも称す。このような巻線は、導体の周囲に絶縁体を配置した構成となっている。
【０００３】
巻線の絶縁性能とは、この絶縁体の性能を意味する。絶縁性能が低下すると、導体間もしくは導体と接地との間で放電現象（部分放電）が生じ、この部分放電によって周囲の絶縁体が損傷し、その絶縁劣化がさらに進行するという悪循環をもたらす。そのため、絶縁性能を評価および管理する必要がある。
【０００４】
同期発電機では、回転子巻線には界磁を生じさせるための界磁電流が印加され、固定子巻線には運動エネルギーから変換される電力が流れる。回転子巻線に印加される電圧は、４００Ｖ程度と相対的に低く、かつ、それを流れる電流も相対的に小さい。これに対して、大規模な発電所で使用される同期発電機の固定子巻線には、数１０００〜数１００００アンペアもの電流が流れ、かつ、発生する起電圧も１万ボルトを超えるものもある。そのため、特に固定子巻線の絶縁性能を評価することは重要である。
【０００５】
たとえば、原子力発電所や火力発電所においては、原子炉やボイラーの定期検査が義務付けられているため、この定期検査時において、絶縁診断を含む、各種のメンテナンスが行なわれる。これに対して、水力発電所においては、河川を流れる水やダムから放流される水の運動エネルギーを利用して発電するため、理想的には、連続稼動が要求される。
【０００６】
このような水力発電所において使用される同期発電機は、駆動源である水車の回転数に適合するように、定格回転速度が低く（すなわち、極数が多く）設計されている。その結果、固定子巻線のコイルエレメント数が相対的に多く、部分放電が発生し易い傾向にある。また、同期発電機自体が大型化するので、万が一の故障には、その交換作業に多大な時間およびコストを要する。
【０００７】
以上のような理由から、特に、水力発電所で使用される同期発電機の固定子巻線の絶縁診断を効率的かつ高精度に行なうことが要望されている。このような、固定子巻線の絶縁診断の方法としては、診断対象の回転機の運転停止中に行なわれるオフライン絶縁診断法と、回転機の運転中に行なわれるオンライン絶縁診断法とが知られている。
【０００８】
このような回転機のオフライン絶縁診断方法としては、ＥＩＣ（Electric Insulation Checker）法が知られている。このＥＩＣ法では、回転機の運転を停止した状態（オフライン状態）において、固定子巻線の絶縁体での部分放電の発生量、直流抵抗、交流抵抗、損失角（ｔａｎδ）等を測定した結果に基づいて、絶縁性能が評価される。より具体的には、特開２００１−０１３２２５号公報（特許文献１）に示すように、固定子巻線における部分放電の発生量は、運転停止状態の発電機の固定子巻線に対し試験電圧を課電するとともに、標準電荷を注入した場合に得られる信号強度に基づいて、測定される。なお、オフライン診断では、非特許文献１に示されるように、発電機共通の診断基準が確立されており、この診断基準に従って、絶縁性能を定量的に評価できる。
【０００９】
これに対して、回転機のオンライン絶縁診断方法としては、非特許文献２に開示されるように、トレンド管理が中心である。このトレンド管理では、発電機個別の相対的な劣化傾向を評価することしかできず、絶縁性能を定量的に評価することができない。そのため、発電機の絶縁性能を客観的に評価することができないため、オンライン珍断は普及が進んでいない。しかしながら、上述のような水力発電所において使用される同期発電機における固定子巻線の絶縁診断には、運転を停止することなく診断ができる、オンライン絶縁診断方法の適用が要望されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−０１３２２５号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】電気学会、電力・エネルギー部門大会論文集、１９９６年０８月、Ｖｏｌ．７ｔｈ２，ｐ．８５２−８５３
【非特許文献２】電気評論、株式会社電気評論社、２００３年８月１０日、Ｖｏｌ．８８，Ｎｏ．８，ｐ．７３−７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、上述のような絶縁診断法を用いて、固定子巻線の絶縁性能が劣化していると判断された場合、どのような対処をとるべきかを決定することも重要となる。
【００１３】
上述のような回転機の絶縁材料としては、一般的にエポキシマイカ絶縁が採用される。このエポキシマイカ絶縁は、部分放電が発生している場所やその種類によって絶縁強度が異なる。より具体的には、コイルスロット内などにおける、絶縁体内部の放電（ボイド放電）に対しては、絶縁劣化の進行が相対的に遅い。これに対して、コイルエンドなどにおける、絶縁体外部の放電（沿面放電やスロット放電）に対しては、劣化の進行が相対的に早い。
【００１４】
そのため、このような部分放電の発生部位を識別できれば、補修タイミングを適切に決定することができる。すなわち、部分放電が絶縁体内部において発生していると特定できる場合には、絶縁劣化の進行が比較的緩やかであると判定できるので、たとえば、渇水期などに補修を行ない、溢水を少なくするという対処が可能となる。これに対して、部分放電が絶縁体外部において発生していると特定できる場合には、固定子巻線の損傷の危険性があるので、迅速に補修を行なう必要がある。
【００１５】
しかしながら、従来の絶縁診断方法では、部分放電の発生量を評価することはできても、いずれの部位で部分放電が生じているのかを評価することはできなかった。
【００１６】
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、回転機の固定子巻線の絶縁性能を高い精度で評価できるとともに、適切な補修タイミングを決定することが可能な絶縁診断装置および絶縁診断方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明のある局面に従えば、回転機の回転子を構成する回転子巻線の絶縁性能を診断するための絶縁診断装置を提供する。本絶縁診断装置は、回転子巻線に近接して配置された複数のサーチコイルと電気的に接続される測定回路と、測定回路と電気的に接続され、回転子巻線に所定の交流電圧が印加された場合に発生する部分放電による電圧変動値を測定するための測定手段とを含む。測定手段は、複数のサーチコイルを介してそれぞれ測定される信号に基づいて、複数の電圧変動値を取得する。さらに、本絶縁診断装置は、電圧変動値が第１しきい値を超えるか否かを判断するための第１判断手段と、電圧変動値が第１しきい値を超える場合に、複数の電圧変動値が互いに近似した値を示しているか否かを判断する第２判断手段と、複数の電圧変動値が互いに近似した値を示している場合に、回転子巻線で内部放電が発生していると決定する一方で、複数の電圧変動値が互いに近似した値を示していない場合に、回転子巻線で外部放電が発生していると決定する第１決定手段とを含む。
【００１８】
好ましくは、第２判断手段は、複数の電圧変動値の平均値を算出する手段と、複数の電圧変動値の各々と平均値との差が所定値を超えるか否かを判断する手段とを含む。
【００１９】
好ましくは、本絶縁診断装置は、電圧変動値が第１しきい値を超えない場合に、電圧変動値が第１しきい値より小さい第２しきい値を超えるか否かを判断するための第３判断手段と、電圧変動値が第２しきい値を超えない場合に、回転子巻線の絶縁性能が良好であると決定し、電圧変動値が第２しきい値を超える場合に、回転子巻線の絶縁性能が要注意であると決定する第２決定手段とをさらに備える。
【００２０】
さらに好ましくは、本絶縁診断装置は、固定子巻線の対地静電容量を測定するための静電容量測定回路と、静電容量測定回路によって測定された対地静電容量に基づいて、第１しきい値および第２しきい値を算出するための算出手段とをさらに含む。
【００２１】
好ましくは、測定手段は、測定される電圧信号に含まれる、回転子巻線に印加される交流電圧と同じ周波数成分の振幅値に基づいて、電圧変動値を測定する。
【００２２】
この発明の別の局面に従えば、回転機の回転子を構成する回転子巻線の絶縁性能を診断するための絶縁診断方法を提供する。本絶縁診断方法は、回転子巻線に近接して配置された複数のサーチコイルを介してそれぞれ測定される信号に基づいて、回転子巻線に所定の交流電圧が印加された場合に発生する部分放電による複数の電圧変動値を測定するステップと、電圧変動値が第１しきい値を超えるか否かを判断するステップと、電圧変動値が第１しきい値を超える場合に、複数の電圧変動値が互いに近似した値を示しているか否かを判断するステップと、複数の電圧変動値が互いに近似した値を示している場合に、回転子巻線で内部放電が発生していると決定するステップと、複数の電圧変動値が互いに近似した値を示していない場合に、回転子巻線で外部放電が発生していると決定するステップとを含む。
【発明の効果】
【００２３】
この発明によれば、回転機の固定子巻線の絶縁性能を高い精度で評価できるとともに、適切な補修タイミングを決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法が適用される回転機の構成を示す模式図である。
【図２】この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法が適用される回転機の固定子巻線の配置を示す模式図である。
【図３】この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法が適用される回転機の断面を示す模式図である。
【図４】この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法が適用される回転機のコイルスロットを示す模式図である。
【図５】この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法を適用した回転機の保全手順を示すフローチャートである。
【図６】この発明の実施の形態に従う絶縁診断装置の構成を示す模式図である。
【図７】この発明に関連するオフライン絶縁診断法を提供する絶縁診断装置の構成を示す模式図である。
【図８】図７に示すオフライン絶縁診断法における診断基準を示すグラフである。
【図９】固定子巻線の絶縁体中に存在するボイドによって部分放電が生じる場合の等価回路を示す図である。
【図１０】実験によって得られた測定結果とＰＤ値（理論値）との比較を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態に従うＰＤ値の測定および評価のより詳細な手順を示すフローチャートである。
【図１２】この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法によって検出される内部放電を示す模式図である。
【図１３】この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法によって検出される外部放電を示す模式図である。
【図１４】図１２に示す内部放電の伝搬モードを示す模式図である。
【図１５】図１３に示す外部放電の伝搬モードを示す模式図である。
【図１６】外部放電が生じている場合に各相のサーチコイルを介して測定されるＰＤ値の変化を示す図である。
【図１７】固定子巻線に電荷パルスを印加した場合に測定されるＰＤ値を示す図である。
【図１８】サーチコイルを介して測定されるＰＤ値の間に差が生じている実験結果を示す図である。
【図１９】この発明の実施の形態に従う絶縁診断装置によって測定された結果を示す図である。
【図２０】この発明の実施の形態に従う絶縁診断装置によって測定された結果を示す図である。
【図２１】この発明の実施の形態に従う部分放電の発生部位判別のより詳細な手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２６】
＜回転機の構造＞
図１は、この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法が適用される回転機の構成を示す模式図である。図２は、この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法が適用される回転機の固定子巻線の配置を示す模式図である。図３は、この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法が適用される回転機の断面を示す模式図である。図４は、この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法が適用される回転機のコイルスロットを示す模式図である。
【００２７】
図１を参照して、本実施の形態に従う絶縁診断方法が適用される回転機ＳＹＭは、典型的には、同期発電機である。図１には、水力発電所などにおいて使用される縦軸型の同期発電機の構造を示す。この回転機ＳＹＭは、固定子（ステータ）ＳＴと、回転子（ロータ）ＲＴとからなる。回転子ＲＴは、固定子ＳＴの中心軸上に組込まれ、図示しない水車（ランナ）による駆動力を受けて固定子ＳＴの中で回転運動する。回転子ＲＴの表面には、回転子巻線ＦＣが配置されており、この回転子巻線ＦＣには、図示しない励磁装置から界磁電流が供給される。回転運動する回転子ＲＴは、この界磁電流によって固定子ＳＴ内に回転磁界を発生する。この磁束の時間的および空間的な変化を受けて、固定子ＳＴには起電力が発生し、発生した電流（電力）が固定子巻線２を通じて、回転機ＳＹＭの外部へ取出される。以下の説明では、固定子巻線２を固定子コイルとも称す。
【００２８】
本実施の形態に従う絶縁診断方法では、回転機ＳＹＭの固定子ＳＴを構成する固定子巻線２の絶縁性能を診断する。
【００２９】
図２および図３に示すように、固定子巻線２は、（基本的に）固定子ＳＴの軸方向と平行な複数のコイルからなる。これらの固定子ＳＴの軸方向と平行なコイルは、固定子ＳＴの内面に形成されたコイルスロットに納められ、固定子ＳＴの軸を中心に放射状に配置されている。一般的な同期発電機は、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）交流電力を発生するので、固定子巻線２は、三相分のコイルを含む。
【００３０】
なお、固定子巻線２は、巻線方法によって波巻と重ね巻とに分類されるが、図２および図３には波巻の構造を示す。すなわち、図３には、固定子ＳＴの内面に複数のコイルスロット４が形成されている状態を示し、各コイルスロット４には、２つのコイルが配置されているとする。なお、各コイルスロット４のより内側の部分に配置されている巻線を「上コイル」とも称し、各コイルスロット４のより外側の部分に配置されている巻線を「下コイル」とも称す。
【００３１】
図２および図３に示す固定子ＳＴでは、一例として、３本のコイルで主極（１相１極）を形成しており、各コイルスロット４には、同じ相のコイルが配置される。すなわち、各コイルスロットにおいて、上コイルを流れる固定子電流と下コイルを流れる固定子電流とは、同一の相である。なお、図３において、十字（＋）に示す記号は、固定子電流が紙面奥側に流れるコイルを示し、丸（●）に示す記号は、固定子電流が紙面手前側に流れるコイルを示す。
【００３２】
図４を参照して、各コイルスロット４に挿入される固定子巻線２は、上コイルに対応する導体２ａと、下コイルに対応する導体２ｂとを含む。導体２ａおよび導体２ｂは、絶縁体２ｃによって被覆される。また、導体２ａと導体２ｂとの間には、スペーサ２ｄが介挿される。この絶縁体２ｃは、典型的には、エポキシマイカからなる。
【００３３】
なお、後述するように、固定子ＳＴには、固定子巻線２の温度を監視するために、サーチコイル５と称される温度検出素子が埋め込まれている。典型的には、固定子ＳＴ全体として、各相あたり２個（合計６個）のサーチコイル５が埋め込まれる。このサーチコイル５は、図４に示すように、スペーサ２ｄの一部として埋め込まれる。すなわち、複数のサーチコイル５が固定子巻線２に近接して配置される。このようなサーチコイル５は、測温抵抗体（ＲＴＤ：Resistance Temperature Detector）、もしくは、熱電対が採用される。なお、測音抵抗体としては、０℃において約１００Ωを示すＰｔ１００と称される白金抵抗体が一般的に採用される。
【００３４】
＜全体処理手順＞
図５は、この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法を適用した回転機の保全手順を示すフローチャートである。
【００３５】
図５を参照して、まず、任意のタイミングで、診断対象の回転機が運転中に発生する部分放電による電圧変動値（ＰＤ値：Partial Discharge Value；以下、「ＰＤ値」または「Ｖｐｄ」と称す。）を測定する（ステップＳ２）。このＰＤ値は、オンライン絶縁診断法に従って測定されるので、回転機の運転中であれば、任意のタイミングでＰＤ値を測定することができる。
【００３６】
続いて、所定の診断基準に基づいて、測定されたＰＤ値を評価する（ステップＳ４）。より具体的には、測定されたＰＤ値に基づいて、「良好」「要注意」「不良」のいずれであるかを判断する。
【００３７】
「良好」であると判断された場合（ステップＳ４において「良好」）には、現在の絶縁診断周期を維持する（ステップＳ６）。そして、診断対象の回転機に対する絶縁診断は終了する。
【００３８】
また、「要注意」であると判断された場合（ステップＳ４において「要注意」）には、現在の絶縁診断周期をより短く変更する（ステップＳ８）。すなわち、診断対象の回転機での絶縁性能が劣化傾向にあると判断できるので、絶縁性能を評価する間隔をより短くすることで絶縁性能の監視レベルを高める。そして、診断対象の回転機に対する絶縁診断は終了する。
【００３９】
また、「不良」であると判断された場合（ステップＳ４において「不良」）には、後述する手順によって、部分放電の発生部位を判別する（ステップＳ１０）。部分放電が内部放電である場合（ステップＳ１０において「内部放電」）には、現在の絶縁診断周期をより短く変更する（ステップＳ８）。これに対して、部分放電が外部放電である場合（ステップＳ１０において「外部放電」）には、早急な補修が必要であると判断し、補修スケジュールを策定する（ステップＳ１２）。
【００４０】
＜ＰＤ値の測定および評価＞
次に、図５に示すフローチャート中のステップＳ２およびＳ４に示すＰＤ値の測定および評価手順について詳述する。本実施の形態に絶縁診断方法は、基本的には、回転機の運転中に行なわれるオンライン絶縁診断法を採用する。これは、以下のような理由によるものである。
【００４１】
上述したようなオフライン絶縁診断法は、そもそも、発電機が運転を停止した状態でなければ行なうことができない。また、オフライン絶縁診断方法では、回転子巻線（コイル）に所定の電荷注入および／または電圧印加を行なう必要があるので、固定子巻線２の口出部の絶縁体を剥ぎ取って、固定子巻線の導体を露出させる必要がある。そのため、オフライン絶縁診断法を実施する際には、多大の時間、作業工数、およびコストを必要とした。また、水力発電所における発電機に対してオフライン絶縁診断法を実施する場合には、数日間にわたって運転が停止するため、流込式の水力発電所などでは、溢水が発生する。すなわち、貴重な自然エネルギーを未使用のまま放流してしまうことになり、経済的な損失が膨大となる。
【００４２】
ところで、従来からの研究によって、オフライン絶縁診断法に用いられる共通の診断基準が確立されている。そのため、オンライン絶縁診断法においても、この確立された診断基準に沿った判断ができることが好ましい。すなわち、オンライン絶縁診断法による診断基準とオフライン絶縁診断法の診断基準とが整合していれば、オフライン絶縁診断法による過去の診断結果とオンライン絶縁診断法による診断結果とを一貫して管理でき、回転機を管理する上で、非常に有益である。
【００４３】
しかしながら、オフライン絶縁診断法を適用する場合には、三相分の固定子巻線に電圧が均等に印加されるのに対して、オフライン絶縁診断法を適用する場合には、１相の固定子巻線の一方を接地した上で電圧が印加される。このような測定方法の相違から、共通の診断基準を採用することは困難であった。
【００４４】
このような状況に鑑みて、本願発明者は、オフライン絶縁診断法とオンライン絶縁診断法との関係について実験的な研究を行なって、オンライン絶縁診断法によって測定される部分放電による電圧変動と、オフライン絶縁診断法によって測定される最大放電電荷量との間に所定の相関があることを見出した。そして、この相関関係に基づいて、従来のオフライン絶縁診断法で用いられていた診断基準に従って、絶縁性能を評価する。
【００４５】
（１．装置構成）
図６は、この発明の実施の形態に従う絶縁診断装置の構成を示す模式図である。
【００４６】
図６を参照して、本実施の形態に従う絶縁診断装置１００は、絶縁増幅器２２と、信号測定回路２０と、静電容量測定装置４０と、処理装置１０とを含む。
【００４７】
絶縁増幅器２２は、固定子ＳＴに埋め込まれた１つ以上のサーチコイル５と電気的に接続され、サーチコイル５を介して、固定子ＳＴ内で生じる部分放電による電圧値を検出する。すなわち、サーチコイル５は、絶縁体を介して固定子巻線２と隣接して配置されているので、固定子巻線２との間に静電容量を生じる（コンデンサ結合）。そのため、固定子巻線２に生じる部分放電に起因する発生する電圧信号が、この静電容量を介して絶縁増幅器２２へ与えられる。なお、絶縁増幅器２２が複数のサーチコイル５と接続されている場合には、信号を出力するサーチコイル５を選択するための回路を付加してもよい。
【００４８】
信号測定回路２０は、フィルタ回路２４１，２４２と、Ａ／Ｄ変換器２６１，２６２とを含む。フィルタ回路２４１および２４２は、通過周波数の異なる低域通過フィルタであり、典型的には、それぞれ１０ＭＨｚおよび２０ＭＨｚに設定される。すなわち、通過周波数が１０ＭＨｚに設定されるフィルタ回路２４１は、サーチコイル５を介して検出されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）の基本信号を出力し、通過周波数が２０ＭＨｚに設定されるフィルタ回路２４２は、サーチコイル５を介して検出されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）に含まれるノイズ成分を区別するための参照信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２６１および２６２は、それぞれフィルタ回路２４１および２４２と接続され、フィルタ回路２４１および２４２から出力されるアナログ信号をデジタル値に変換した結果を処理装置１０へ出力する。
【００４９】
静電容量測定装置４０は、固定子巻線２の対地静電容量Ｃａを測定する。なお、静電容量測定装置４０は、基本的には、診断対象の回転機の運転停止中に対地静電容量Ｃａを測定する。静電容量測定装置４０は、測定結果である対地静電容量Ｃａの値を処理装置１０へ出力する。静電容量測定装置４０は、典型的には、シェーリングブリッジ回路で構成される。
【００５０】
処理装置１０は、典型的には、パーソナルコンピュータなどによって実現される。処理装置１０は、信号測定回路２０によって測定される電圧信号に含まれる、固定子巻線２に印加される交流電圧と同じ周波数成分の振幅値に基づいて、ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）を測定する。たとえば、６０［Ｈｚ］の交流電圧を印加した場合には、信号測定回路２０からの測定結果に含まれる、６０ｐｐｓ（pulse per second）の成分が部分放電によるＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）として測定される。なお、Ａ／Ｄ変換器２６１（フィルタ回路２４１）から出力される基本信号から、Ａ／Ｄ変換器２６２（フィルタ回路２４２）から出力される参照信号を取り除くことで、１０ＭＨｚ〜２０ＭＨｚの間の信号成分からＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）を測定することができる。
【００５１】
また、処理装置１０は、静電容量測定装置４０によって測定された対地静電容量Ｃａを用いて、測定されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）を評価するための基準値（しきい値）を算出する。そして、処理装置１０は、この算出した基準値（しきい値）と測定されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）とを比較することで、診断対象の回転機の絶縁性能を評価する。なお、基準値（しきい値）は、例えば、上述の非特許文献１に開示されているように、固定子巻線について予め設定されている放電電荷量が用いられる。この放電電荷量は、固定子巻線２の絶縁性能を生じる内部放電の大きさ（電荷量）によって区分するものである。後述するように、典型的には、絶縁性能についての良好と要注意との境界を定義する放電電荷しきい量Ｑ１と、絶縁性能についての要注意と不良との境界を定義する放電電荷量Ｑ２とが定義される。
【００５２】
そして、処理装置１０は、これらの放電電荷しきい量Ｑ１，Ｑ２を静電容量測定装置４０によって測定された対地静電容量Ｃａで除算して、ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）を評価するための基準値（しきい値）Ｖ１，Ｖ２をそれぞれ算出する。さらに、処理装置１０は、測定されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）と、算出した基準値（しきい値）Ｖ１およびＶ２とを比較して、診断対象の回転機の絶縁性能がいずれの状態であるかを判断する。
【００５３】
（２．理論および検証結果）
上述のように、オフライン絶縁診断法における診断基準（放電電荷しきい量Ｑ１およびＱ２など）を、オンライン絶縁診断法の診断基準として適用できる理論およびその検証結果について以下説明する。
【００５４】
図７は、この発明に関連するオフライン絶縁診断法を提供する絶縁診断装置の構成を示す模式図である。図８は、図７に示すオフライン絶縁診断法における診断基準を示すグラフである。
【００５５】
図７を参照して、オフライン絶縁診断法を提供する絶縁診断装置は、固定子巻線を各相に分離した上で、各相に所定の電圧を印加した際に生じる部分放電による最大放電電荷量を測定するものである。より具体的には、この絶縁診断装置は、処理装置１０Ａと、測定回路３０とを含む。
【００５６】
測定回路３０は、電圧発生器３６と、カップリングコンデンサＣｋ，Ｃ１と、制動抵抗Ｒｓと、信号検出用コンデンサＣｄと、信号検出用抵抗Ｒｄと、校正用電荷発生器３８と、カップリングコンデンサＣと、同軸ケーブル３４と、検出器３２とを含む。
【００５７】
固定子巻線２のある相の口出部に接続された端子Ｔｍと接地との間に、電圧発生器３６が接続される。この電圧発生器３６は、試験対象の固定子巻線２に所定の電圧を印加して、固定子巻線２に部分放電を生じさせる。この固定子巻線２で生じた部分放電による信号は、カップリングコンデンサＣｋを介して、信号検出用コンデンサＣｄおよび信号検出用抵抗Ｒｄへ伝搬する。
【００５８】
カップリングコンデンサＣｋと、信号検出用コンデンサＣｄおよび信号検出用抵抗Ｒｄとの間には、制動抵抗Ｒｓが直列に挿入されている。この制動抵抗Ｒｓは、放電パルスの共振現象を抑制する。信号検出用コンデンサＣｄおよび信号検出用抵抗Ｒｄは、固定子巻線２で生じた部分放電による信号を検出可能な電圧信号に変換するためのインピーダンスである。
【００５９】
さらに、信号検出用コンデンサＣｄおよび信号検出用抵抗Ｒｄは、カップリングコンデンサＣ１を介して、同軸ケーブル３４に接続されている。そのため、信号検出用コンデンサＣｄおよび信号検出用抵抗Ｒｄに表われる電圧信号は、カップリングコンデンサＣ１および同軸ケーブル３４を介して、検出器３２へ伝えられる。検出器３２は、受信した電圧信号の電圧値を検出し、その検出結果を処理装置１０へ出力する。なお、検出器３２としては、オシロスコープなどを利用することもできる。
【００６０】
なお、端子Ｔｍと接地との間には、カップリングコンデンサＣを介して、校正用電荷発生器３８が接続される。この校正用電荷発生器３８は、基準の電荷量を固定子巻線２へ注入する。基準の電荷量が固定子巻線２へ注入されたときに検出器３２で検出される電圧値で、固定子巻線２で生じる部分放電の最大放電電荷量が校正される。より具体的には、検出器３２で検出される単位電圧あたりの電荷量を示す変換係数が算出され、検出器３２で検出される電圧値にこの変換係数を乗じることで、固定子巻線２で発生する部分放電の最大放電電荷量Ｑｍが測定される。
【００６１】
このように測定された最大放電電荷量Ｑｍに基づく絶縁診断を行なうために用いられる放電電荷しきい量は、次のように決定される。すなわち、上述のオフライン絶縁診断法に従って、部分放電の最大放電電荷量Ｑｍを測定する。そして、固定子巻線の絶縁耐力試験を実施した結果に基づいて、５０％の破壊確率のときに運転に必要な絶縁耐力と関連付けて、放電電荷しきい量を決定する。
【００６２】
なお、固定子巻線２の吸湿を考慮した絶縁耐力の推定式と、吸湿を考慮しない推定式とが存在するが、常時運転している発電機は、絶縁体の異常劣化や発電機の水没といった状況がない限り吸湿の影響を無視できることから、吸湿を考慮しない推定式を使用すればよい。このような推定式をグラフ化したものが図８である。
【００６３】
図８には、オフライン絶縁診断法により測定される最大放電電荷量Ｑｍａｘと絶縁耐力ＶＢＤ／Ｅとの関係を示す。この関係によれば、最大放電電荷量Ｑｍａｘが１０，０００［ｐＣ］未満であれば、固定子巻線２の絶縁性能は「良好」であり、最大放電電荷量Ｑｍａｘが１０，０００［ｐＣ］から３０，０００［ｐＣ］の範囲にあれば、固定子巻線２の絶縁性能は「要注意」であり、最大放電電荷量Ｑｍａｘが３０，０００［ｐＣ］より大きければ、固定子巻線２の絶縁性能は「不良」であると、判断できる。
【００６４】
したがって、放電電荷しきい量Ｑ１およびＱ２は、一例として、それぞれ１０，０００［ｐＣ］および３０，０００［ｐＣ］に設定される。
【００６５】
次に、固定子巻線２における部分放電の発生原理および部分放電の伝搬モードについて説明する。
【００６６】
図９は、固定子巻線の絶縁体中に存在するボイドによって部分放電が生じる場合の等価回路を示す図である。絶縁体は、電界が繰り返し印加されることによって、その内部にボイド（気泡）が発生し、このボイドに電界が集中することで、部分放電を生じ易い。
【００６７】
図９を参照して、コイルスロット４に納められた導体２ａと導体２ｂとの間に設けられる絶縁体２ｃ内にボイド６が発生しているとする。そして、このボイド６内部で部分放電が発生するものと考える。
【００６８】
このとき、絶縁体２ｃの対地静電容量はＣａであり、ボイド６の静電容量はＣｇであるとする。絶縁体２ｃのボイド６の両端にある部分の静電容量はＣｂであるとする。
【００６９】
この固定子巻線２に試験電圧Ｖｔを印加したときに、ボイド６内部で生じる部分放電によって、ボイド６を通過する真の電荷量ｑｒは、以下の（１）式のように表わすことができる。
【００７０】
ｑｒ＝｛Ｃｇ＋（Ｃａ×Ｃｂ）／（Ｃａ＋Ｃｂ）｝×（Ｖｓ−Ｖｒ）・・・（１）
但し、Ｖｓはボイドに印加される電圧値を示し、Ｖｒは部分放電後にボイドに印加される電圧値を示す
ここで、ボイド６の静電容量Ｃｇがその両端に存在する絶縁体２ｃの静電容量Ｃｂより十分に大きいとすると、ボイド６内部の部分放電で誘起される電圧変動により外部から測
定される電圧変動値Ｖｐｄは、以下の（２）式のように表わすことができる。
【００７１】
Ｖｐｄ＝Ｑａａｐ／Ｃａ ｛Ｃａ≫Ｃｇ，Ｃｂ｝・・・（２）
但し、Ｑａｐｐは測定される（見かけの）放電電荷量を示す
（２）式に含まれる放電電荷量Ｑａｐｐは、上述のオフライン絶縁診断法によって測定される最大放電電荷量に相当するので、上述のオフライン絶縁診断法における診断基準（放電電荷しきい量）を代入することで、オフライン絶縁診断法と同じ診断基準に従う、ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）についてのしきい値を決定することができる。
【００７２】
より具体的には、放電電荷量Ｑａｐｐに、上述の固定子巻線２の絶縁性能が「良好」であると判断される最大放電電荷量Ｑｍａｘである１０，０００［ｐＣ］を代入し、絶縁体２ｃの対地静電容量Ｃａに、変数Ｘ［μＦ］を代入すると、（２）式は、以下に示す（３）式にように整理できる。
【００７３】
Ｖｐｄ＝１０Ｘ−１・・・（３）
以上のような関係を検証するために、本願発明者は、複数の同期発電機の各々に対して、上述のオフライン絶縁診断法およびオンライン絶縁診断法を同時に実施する実験を行なった。その結果を以下の表に示す。
【００７４】
より具体的には、オンライン絶縁診断法については、図６に示す絶縁診断装置を採用して、発生する部分放電によるＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）を測定した。なお、本来のオンライン絶縁診断法は、それぞれの相の固定子巻線２に対して三相交流電力が印加された状態で行なわれるが、本実験においては、固定子巻線３を相別に切り離して１相分の固定子巻線３に、運転電圧であるＥ／√３（Ｅ：定格電圧）を中心に印加して測定した。また、１相分の固定子巻線２の対地静電容量Ｃａを測定した。一方、オフライン絶縁診断法については、図８に示す絶縁診断装置を採用して、最大放電電荷量を測定した。
【００７５】
なお、実験の対象とした同期発電機は、以下の表に示す８台の水車発電所で使用されている同期発電機である。なお、表中のＵｎｉｔ欄に記載されている番号は、製造メーカを示すアルファベットと、製造メーカ別の識別番号との組み合わせである。
【００７６】
【表１】
【００７７】
次に、上表に示す測定結果と、上述の理論によって得られたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）とを比較する。
【００７８】
図１０は、実験によって得られた測定結果とＰＤ値（理論値）との比較を示す図である。
【００７９】
図１０に示すグラフには、上述の（３）式に示す固定子巻線２の対地静電容量Ｃａである変数Ｘを含むＰＤ値の理論値が示されている。また、図１０に示すグラフには、上表に示す８台の回転機についての実験結果を示す（各実験結果を黒丸で示す）。図１０に示すグラフを見れば、実験対象とした８台の回転機のすべての測定結果と（３）式に示すＰＤ値の理論値とが極めてよく一致していることが分かる。したがって、オンライン絶縁診断法によって測定されるＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）は、従来のオンライン絶縁診断法による測定結果との間に強い相関があることがわかる。すなわち、オンライン絶縁診断法についても、従来の診断基準に従って、絶縁性能を診断できることがわかった。
【００８０】
以上の内容をまとめると、以下のようになる。
図６に示す絶縁診断装置１００に含まれる静電容量測定装置４０によって測定される固定子巻線２の対地静電容量Ｃａを用いて、処理装置１０は、予め設定されている診断基準に含まれる放電電荷しきい量Ｑ１およびＱ２から、ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）を評価するための基準値（しきい値）Ｖ１，Ｖ２を以下の（４）式および（５）式に従って算出する。
【００８１】
Ｖ１＝Ｑ１［ｐＣ］／Ｃａ［μＦ］＝１０／Ｃａ［ｍＶ］・・・（４）
Ｖ２＝Ｑ２［ｐＣ］／Ｃａ［μＦ］＝３０／Ｃａ［ｍＶ］・・・（５）
但し、Ｑ１＝１０，０００［ｐＣ］であり、Ｑ２＝３０，０００［ｐＣ］である
そして、処理装置１０は、これらの算出した基準値（しきい値）Ｖ１およびＶ２と、測定されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）とを比較して、診断対象の回転機の絶縁性能がいずれの状態であるか、すなわち、「良好」「要注意」「不良」のいずれに該当するかを判断する。
【００８２】
（３．処理手順）
図１１は、この発明の実施の形態に従うＰＤ値の測定および評価のより詳細な手順を示すフローチャートである。図１１に示す各ステップは、図５に示すフローチャートのステップＳ２およびＳ４に対応する。
【００８３】
図１１を参照して、まず、静電容量測定装置４０（図６）を用いて、診断対象の回転機における固定子巻線２の対地静電容量Ｃａを測定する（ステップＳ１００）。なお、固定子巻線２の対地静電容量Ｃａは、診断対象の回転機が運転停止中に測定されるので、予め測定しておいた測定値を記憶しておき、これを読出して使用するようにしてもよい。
【００８４】
続いて、処理装置１０（図６）は、運転中の回転機からサーチコイル５を介して取出される信号に基づいて、ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）を測定する（ステップＳ１０２）。
【００８５】
その後、処理装置１０は、ステップＳ１００において取得された固定子巻線２の対地静電容量Ｃａに基づいて、上述の（４）式および（５）式に従って、基準値（しきい値）Ｖ１およびＶ２をそれぞれ算出する（ステップＳ１０４）。
【００８６】
続いて、処理装置１０は、ステップＳ１０２において測定したＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）が基準値（しきい値）Ｖ１未満であるか否かを判断する（ステップＳ１０６）。ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）が基準値（しきい値）Ｖ１未満である場合（ステップＳ１０６においてＹＥＳの場合）には、処理装置１０は、診断対象の回転機を「良好」と判断する（ステップＳ１０８）。
【００８７】
これに対して、ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）が基準値（しきい値）Ｖ１以上である場合（ステップＳ１０６においてＮＯの場合）には、処理装置１０は、ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）が基準値（しきい値）Ｖ２未満であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）が基準値（しきい値）Ｖ２未満である場合（ステップＳ１１０においてＹＥＳの場合）には、処理装置１０は、診断対象の回転機を「要注意」と判断する（ステップＳ１１２）。これに対して、ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）が基準値（しきい値）Ｖ２以上である場合（ステップＳ１１０においてＮＯの場合）には、処理装置１０は、診断対象の回転機を「不良」と判断する（ステップＳ１１４）。
【００８８】
＜部分放電の発生部位特定＞
（１．概要）
図１２は、この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法によって検出される内部放電を示す模式図である。図１３は、この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法によって検出される外部放電を示す模式図である。
【００８９】
本明細書において「内部放電」とは、コイルスロット４内などにおける絶縁体２ｃ内部の放電（典型的には、図９に示すボイド放電）を意味する。より具体的には、図１２に示すように、内部放電ＩｎＦは、回転機の内部に位置する固定子巻線２で発生する部分放電である。なお、図１２には、上述したサーチコイル５が一相あたり２個ずつ配置されている例を示す。より具体的には、図１２に示す回転機には、その円周方向に沿って、６つのサーチコイル５ｕ１，５ｖ１，５ｗ１，５ｕ２，５ｖ２，５ｗ２が配置されている。
【００９０】
一方、本明細書において「外部放電」とは、コイルエンド（コイルスロット４の外側で、あるコイルスロットから次のコイルスロットまでの経路にあるコイル）などにおける放電を意味する。より具体的には、図１３に示すように、外部放電ＯｕＦは、回転子の外部に位置する固定子巻線２で発生する部分放電である。
【００９１】
本願発明者は、後述するような実験の結果、診断対象の回転機に生じている部分放電が、内部放電ＩｎＦおよび外部放電ＯｕＦのいずれであるかによって、それぞれのサーチコイル５を介して測定される複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）の値に相対的な変化が生じることを見出した。
【００９２】
概略すると、配置位置が異なる２つ以上のサーチコイルを介してそれぞれ測定された複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）について、その値が互いに近似している場合には、主として、内部放電ＩｎＦが発生していると判断することができる。これに対して、その値の有意な差がある場合には、外部放電ＯｕＦが発生していると判断することができる。したがって、複数のサーチコイルを介してそれぞれ測定された複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）の間の相対関係に基づいて、部分放電の発生部位を特定することができる。
【００９３】
（２．理論および検証結果）
図１４は、図１２に示す内部放電の伝搬モードを示す模式図である。図１５は、図１３に示す外部放電の伝搬モードを示す模式図である。
【００９４】
図１４を参照して、回転機の内部には、多数の固定子巻線が配置されているため、電磁的／静電的な結合が強くなっていると考えられる。そのため、回転機の内部にある固定子巻線と各サーチコイル５との間は、コンデンサ結合（静電結合）されているとみなすことができる。そのため、回転機の内部で発生した内部放電ＩｎＦによる電磁界変動の影響は、コンデンサ結合によって、各サーチコイル５へ伝えられる。
【００９５】
図１５を参照して、これに対して、回転子の外部にある固定子巻線は、回転機自体や周囲との間に静電容量を有していると考えられる。そのため、回転子の外部で発生した外部放電ＯｕＦによる電磁界変動の影響は、主として、接地ＧＮＤへ伝えられる。また、当該外部放電ＯｕＦが生じた位置に近接したサーチコイル５との間には、相対的に強いコンデンサ結合があるので、外部放電ＯｕＦによる電磁界変動の影響は、近接したサーチコイル５へは伝えられる。しかしながら、他のサーチコイル５へは伝えられにくい。
【００９６】
図１５に示す例では、Ｕ相の固定子巻線に外部放電ＯｕＦが生じ、この外部放電ＯｕＦの影響は、近接しているサーチコイル５ｕ１へは伝えられるが、他のサーチコイル５ｖ１，５ｗ１へは伝えられにくい。
【００９７】
その結果、内部放電ＩｎＦが生じた場合には、いずれのサーチコイル５を介して測定されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）であっても、ほぼ同じ値を示すが、外部放電ＯｕＦが生じた場合には、その外部放電ＯｕＦが生じた相のサーチコイル５を介して測定されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）の値は、他の相のサーチコイル５を介して測定されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）の値より相対的に大きくなる。
【００９８】
図１６は、外部放電が生じている場合に各相のサーチコイルを介して測定されるＰＤ値の変化を示す図である。図１７は、固定子巻線に電荷パルスを印加した場合に測定されるＰＤ値を示す図である。図１８は、サーチコイルを介して測定されるＰＤ値の間に差が生じている実験結果を示す図である。
【００９９】
本願発明者が本発明に係る固定子巻線の絶縁診断技術について実験を進めていたところ、電機子巻線に対して段階的に電圧を同様に印加した場合であっても、図１６に示すように、相ごとに異なる変化を生じるものがあった。
【０１００】
図１６に示す実験結果は、固定子巻線に印加するテスト電圧を段階的に変化（４．５ｋＶ，６．３５ｋＶ，７．９３ｋＶ）させた場合に測定されたＰＤ値とそのときの最大放電電荷量Ｑｍａｘとの関係をプロットしたものである。図１６に示すように、このように印加電圧を段階的に増加させた場合に、ＰＤ値が最大放電電荷量Ｑｍａｘに比例して増大するものと、ＰＤ値が最大放電電荷量Ｑｍａｘに対して指数的に増大するものとが存在する。
【０１０１】
図１６に示す結果から、ある最大放電電荷量の部分放電が発生した場合に、より大きなＰＤ値が測定される場合があることが示されている。
【０１０２】
そこで、本願発明者は、図１６に示す実験と同じ固定子巻線に対して、既知の電荷パルスを印加した際に測定されるＰＤ値について調べた。この結果を図１７に示す。なお、図１７に示す実験結果では、固定子巻線に印加する電荷パルスは、１０，０００［ｐＣ］から３０，０００［ｐＣ］まで変化させた。
【０１０３】
図１７に示す実験結果によれば、測定されるＰＤ値は、固定子巻線に注入された電荷パルスの大きさに比例することがわかる。このように、固定子巻線に電荷パルスを印加することは、固定子巻線に内部放電が生じている状態を模擬しているとみなすことができるため、ＰＤ値が最大放電電荷量Ｑｍａｘに比例関係にある場合には、内部放電が主として発生していると判断できる。
【０１０４】
一方、ＰＤ値が最大放電電荷量Ｑｍａｘとは比例関係にない（指数的な関係にある）場合には、内部放電以外の事象が発生していると判断できる。すなわち、回転子の外部などにおける、沿面放電やスロット放電といった外部放電が主として発生していると判断できる。
【０１０５】
また、図１８に示すように、複数のサーチコイル５が回転機の内部で位置的に離れた位置に設けられている場合には、それぞれのサーチコイル５を介して測定されるＰＤ値の間に差が生じる場合があった。なお、図１８に示す実験結果は、直径１３［ｍ］程度の固定子を有する回転機を対象としたものである。
【０１０６】
図１９および図２０は、この発明の実施の形態に従う絶縁診断装置によって測定された結果を示す図である。なお、図１９および図２０は、診断対象の回転機を構成する回転子の回転軸を挟んで対称位置にある２つのサーチコイル（「サーチコイルＡ」および「サーチコイルＢ」と称す。）をそれぞれ介して測定された結果を示す。
【０１０７】
図１９（ａ）および図２０（ａ）は、診断対象の回転機の固定子巻線に外部放電を生じさせた場合に得られた、ＰＤ値の位相特性を示す図である。一方、図１９（ｃ）および図２０（ｃ）は、診断対象の回転機の固定子巻線に内部放電を生じさせた場合に得られた、ＰＤ値の位相特性を示す図である。
【０１０８】
この図１９（ａ），（ｃ）および図２０（ａ），（ｃ）に示す位相特性は、電機子巻線に印加する交流電圧の位相に関連付けて、測定されたＰＤ値の分布を示す図である。なお、これらの実験結果では、ノイズ成分を除去してある。
【０１０９】
また、図１９（ｂ），（ｃ）および図２０（ｂ），（ｃ）は、それぞれ、図１９（ａ），（ｃ）および図２０（ａ），（ｃ）に示すＰＤ値の位相特性に含まれるＰＤ値の大きさの累積頻度を示す図である。
【０１１０】
固定子巻線に外部放電が発生している場合についてみると、図１９（ａ）と図２０（ａ）に示す位相特性を比較してわかるように、サーチコイルＡを介して検出されるＰＤ値の方が、サーチコイルＢを介して検出されるＰＤ値に比較してより大きくなっているのがわかる。より具体的には、図１９（ｂ）に示す累積頻度の関係から、外部放電が発生している場合にサーチコイルＡを介して測定されるＰＤ値は２６．１９［ｍＶ］であり、図２０（ｂ）に示す累積頻度の関係から、外部放電が発生している場合にサーチコイルＢを介して測定されるＰＤ値は１４．６０［ｍＶ］である。
【０１１１】
これに対して、固定子巻線に内部放電が発生している場合についてみると、図１９（ｃ）と図２０（ｃ）に示す位相特性を比較してわかるように、サーチコイルＡを介して検出されるＰＤ値は、サーチコイルＢを介して検出されるＰＤ値とほぼ同様の傾向を示しているのがわかる。より具体的には、図１９（ｄ）に示す累積頻度の関係から、内部部放電が発生している場合にサーチコイルＡを介して測定されるＰＤ値は１０．６４［ｍＶ］であり、図２０（ｄ）に示す累積頻度の関係から、内部放電が発生している場合にサーチコイルＢを介して測定されるＰＤ値は１１．４８［ｍＶ］である。
【０１１２】
以上の検証結果より、配置位置が異なる２つ以上のサーチコイルを介してそれぞれ測定された複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）について、その値が互いに近似している場合には、主として、内部放電ＩｎＦが発生していると判断することができる。これに対して、その値の有意な差がある場合には、外部放電ＯｕＦが発生していると判断することができる。
【０１１３】
なお、複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）が互いに近似しているか否かについては、公知の統計的手法を用いることができる。
【０１１４】
（３．処理手順）
図２１は、この発明の実施の形態に従う部分放電の発生部位判別のより詳細な手順を示すフローチャートである。図２１に示す各ステップは、図５に示すフローチャートのステップＳ１０に対応する。
【０１１５】
図２１を参照して、まず、診断対象の回転機に設けられている複数のサーチコイルを介して測定された複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ＿ｉ｛１≦ｉ≦Ｎ｝）を取得する（ステップＳ２００）。
【０１１６】
続いて、ステップＳ２００において取得した複数のＰＤ値の平均値Ａｖｅを算出する（ステップＳ２０２）。より具体的には、平均値Ａｖｅ＝Σ（Ｖｐｄ＿ｉ）／Ｎ｛１≦ｉ≦Ｎ｝に従って、平均値Ａｖｅが算出される。
【０１１７】
続いて、ステップＳ２０２において取得された複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ＿ｉ｛１≦ｉ≦Ｎ｝）のうち、その値が最も大きいＰＤ値を選択する（ステップＳ２０４）。そして、ステップＳ２０４において選択したＰＤ値とステップＳ２０２において算出した平均値Ａｖｅとの差分（絶対値）を算出する（ステップＳ２０６）。さらに、ステップＳ２０６において算出した差分（絶対値）が予め定められたしきい値より大きいか否かが判断される（ステップＳ２０８）。
【０１１８】
ステップＳ２０６において算出した差分（絶対値）が予め定められたしきい値より小さい場合（ステップＳ２０８においてＮＯの場合）には、ステップＳ２０２において取得された複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ＿ｉ｛１≦ｉ≦Ｎ｝）のうち、その値が最も小さいＰＤ値を選択する（ステップＳ２１０）。そして、ステップＳ２１０において選択したＰＤ値とステップＳ２０２において算出した平均値Ａｖｅとの差分（絶対値）を算出する（ステップＳ２１２）。さらに、ステップＳ２１２において算出した差分（絶対値）が予め定められたしきい値より大きいか否かが判断される（ステップＳ２１４）。
【０１１９】
ステップＳ２１２において算出した差分（絶対値）が予め定められたしきい値より小さい場合（ステップＳ２１４においてＮＯの場合）には、部分放電が内部放電であると判断する（ステップＳ２１６）。
【０１２０】
これに対して、ステップＳ２０６において算出した差分（絶対値）が予め定められたしきい値より大きい場合（ステップＳ２０８においてＹＥＳの場合）、または、ステップＳ２１２において算出した差分（絶対値）が予め定められたしきい値より大きい場合（ステップＳ２１４においてＹＥＳの場合）、部分放電が外部放電であると判断する（ステップＳ２１８）。
【０１２１】
すなわち、上述の部分放電の発生部位判別に係る処理においては、測定されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）の平均値から大きくずれた場合には、複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）が互いに近似していないと判断する方法を採用する。なお、この例示した方法に代えて、測定された複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）の標準偏差などを用いて、複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）が互いに近似した値を有しているか否かを判断してもよい。
【０１２２】
＜作用効果＞
本実施の形態に従う絶縁診断方法によれば、固定子巻線に備えられたサーチコイルを介して測定された電圧変動値（ＰＤ値）に基づいて、発生している内部放電の大きさを知ることができる。さらに、比較的大きな内部放電が発生していると判断された場合において、内部放電の発生部位（発生状態）を判定することができる。これにより、回転機の固定子巻線の絶縁性能を高い精度で評価できるとともに、適切な補修タイミングを決定することが可能となる。その結果、たとえば、水力発電所などにおいては、突発的な発電機の運転停止などによる、溢水の発生などの損失を極力なくすことができる。
【０１２３】
また、本実施の形態に従う絶縁診断方法によれば、回転機の運転中に電圧変動値（ＰＤ値）を測定できる。そのため、回転機を運転停止することなく、任意のタイミングで、回転機の固定子巻線の絶縁性能を診断することができる。
【０１２４】
上述の実施の形態においては、主として、水力発電所において使用される同期発電機の固定子巻線の絶縁性能を診断する場合について例示したが、本発明に係る絶縁診断方法および絶縁診断装置は、同期電動機、誘導電動機、誘導発電機などの各種の回転機に適用が可能である。また、固定子巻線についても、波巻に加えて、重ね巻の構成について適用可能である。
【０１２５】
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。
【符号の説明】
【０１２６】
Ｃ，Ｃｋ，Ｃ１ カップリングコンデンサ、Ｃａ 対地静電容量、Ｃｂ 静電容量、Ｃｄ 信号検出用コンデンサ、Ｃｇ 静電容量、ＦＣ 回転子巻線、ＩｎＦ 内部放電、ＯｕＦ 外部放電、Ｒｄ 信号検出用抵抗、Ｒｓ 制動抵抗、ＲＴ 回転子、ＳＴ 固定子、ＳＹＭ 回転機、Ｔｍ 端子、２ 固定子巻線、２ａ，２ｂ 導体、２ｃ 絶縁体、２ｄ スペーサ、３ 固定子巻線、４ コイルスロット、５，５ｕ１，５ｖ１，５ｗ１，５ｕ２，５ｖ２，５ｗ２ サーチコイル、６ ボイド、１０，１０Ａ 処理装置、２０ 信号測定回路、２２ 絶縁増幅器、３０ 測定回路、３２ 検出器、３４ 同軸ケーブル、３６ 電圧発生器、３８ 校正用電荷発生器、４０ 静電容量測定装置、１００ 絶縁診断装置、２４１，２４２ フィルタ回路、２６１，２６２ Ａ／Ｄ変換器。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転機の固定子巻線の絶縁性能を評価するための絶縁診断装置および絶縁診断方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発電機や電動機などを安定的に連続稼動させるためには、継続的な設備診断が必要である。発電機や電動機といった回転機の設備診断項目の一つとして、巻線の絶縁性能の評価が含まれる。たとえば、同期回転機（同期発電機および同期電動機）では、それぞれ巻線が設けられた回転子（ロータ）および固定子（ステータ）を含む。以下の説明では、回転子に設けられた巻線を回転子巻線と称し、固定子に設けられた巻線を固定子巻線とも称す。このような巻線は、導体の周囲に絶縁体を配置した構成となっている。
【０００３】
巻線の絶縁性能とは、この絶縁体の性能を意味する。絶縁性能が低下すると、導体間もしくは導体と接地との間で放電現象（部分放電）が生じ、この部分放電によって周囲の絶縁体が損傷し、その絶縁劣化がさらに進行するという悪循環をもたらす。そのため、絶縁性能を評価および管理する必要がある。
【０００４】
同期発電機では、回転子巻線には界磁を生じさせるための界磁電流が印加され、固定子巻線には運動エネルギーから変換される電力が流れる。回転子巻線に印加される電圧は、４００Ｖ程度と相対的に低く、かつ、それを流れる電流も相対的に小さい。これに対して、大規模な発電所で使用される同期発電機の固定子巻線には、数１０００〜数１００００アンペアもの電流が流れ、かつ、発生する起電圧も１万ボルトを超えるものもある。そのため、特に固定子巻線の絶縁性能を評価することは重要である。
【０００５】
たとえば、原子力発電所や火力発電所においては、原子炉やボイラーの定期検査が義務付けられているため、この定期検査時において、絶縁診断を含む、各種のメンテナンスが行なわれる。これに対して、水力発電所においては、河川を流れる水やダムから放流される水の運動エネルギーを利用して発電するため、理想的には、連続稼動が要求される。
【０００６】
このような水力発電所において使用される同期発電機は、駆動源である水車の回転数に適合するように、定格回転速度が低く（すなわち、極数が多く）設計されている。その結果、固定子巻線のコイルエレメント数が相対的に多く、部分放電が発生し易い傾向にある。また、同期発電機自体が大型化するので、万が一の故障には、その交換作業に多大な時間およびコストを要する。
【０００７】
以上のような理由から、特に、水力発電所で使用される同期発電機の固定子巻線の絶縁診断を効率的かつ高精度に行なうことが要望されている。このような、固定子巻線の絶縁診断の方法としては、診断対象の回転機の運転停止中に行なわれるオフライン絶縁診断法と、回転機の運転中に行なわれるオンライン絶縁診断法とが知られている。
【０００８】
このような回転機のオフライン絶縁診断方法としては、ＥＩＣ（Electric Insulation Checker）法が知られている。このＥＩＣ法では、回転機の運転を停止した状態（オフライン状態）において、固定子巻線の絶縁体での部分放電の発生量、直流抵抗、交流抵抗、損失角（ｔａｎδ）等を測定した結果に基づいて、絶縁性能が評価される。より具体的には、特開２００１−０１３２２５号公報（特許文献１）に示すように、固定子巻線における部分放電の発生量は、運転停止状態の発電機の固定子巻線に対し試験電圧を課電するとともに、標準電荷を注入した場合に得られる信号強度に基づいて、測定される。なお、オフライン診断では、非特許文献１に示されるように、発電機共通の診断基準が確立されており、この診断基準に従って、絶縁性能を定量的に評価できる。
【０００９】
これに対して、回転機のオンライン絶縁診断方法としては、非特許文献２に開示されるように、トレンド管理が中心である。このトレンド管理では、発電機個別の相対的な劣化傾向を評価することしかできず、絶縁性能を定量的に評価することができない。そのため、発電機の絶縁性能を客観的に評価することができないため、オンライン珍断は普及が進んでいない。しかしながら、上述のような水力発電所において使用される同期発電機における固定子巻線の絶縁診断には、運転を停止することなく診断ができる、オンライン絶縁診断方法の適用が要望されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−０１３２２５号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】電気学会、電力・エネルギー部門大会論文集、１９９６年０８月、Ｖｏｌ．７ｔｈ２，ｐ．８５２−８５３
【非特許文献２】電気評論、株式会社電気評論社、２００３年８月１０日、Ｖｏｌ．８８，Ｎｏ．８，ｐ．７３−７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、上述のような絶縁診断法を用いて、固定子巻線の絶縁性能が劣化していると判断された場合、どのような対処をとるべきかを決定することも重要となる。
【００１３】
上述のような回転機の絶縁材料としては、一般的にエポキシマイカ絶縁が採用される。このエポキシマイカ絶縁は、部分放電が発生している場所やその種類によって絶縁強度が異なる。より具体的には、コイルスロット内などにおける、絶縁体内部の放電（ボイド放電）に対しては、絶縁劣化の進行が相対的に遅い。これに対して、コイルエンドなどにおける、絶縁体外部の放電（沿面放電やスロット放電）に対しては、劣化の進行が相対的に早い。
【００１４】
そのため、このような部分放電の発生部位を識別できれば、補修タイミングを適切に決定することができる。すなわち、部分放電が絶縁体内部において発生していると特定できる場合には、絶縁劣化の進行が比較的緩やかであると判定できるので、たとえば、渇水期などに補修を行ない、溢水を少なくするという対処が可能となる。これに対して、部分放電が絶縁体外部において発生していると特定できる場合には、固定子巻線の損傷の危険性があるので、迅速に補修を行なう必要がある。
【００１５】
しかしながら、従来の絶縁診断方法では、部分放電の発生量を評価することはできても、いずれの部位で部分放電が生じているのかを評価することはできなかった。
【００１６】
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、回転機の固定子巻線の絶縁性能を高い精度で評価できるとともに、適切な補修タイミングを決定することが可能な絶縁診断装置および絶縁診断方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明のある局面に従えば、回転機の回転子を構成する回転子巻線の絶縁性能を診断するための絶縁診断装置を提供する。本絶縁診断装置は、回転子巻線に近接して配置された複数のサーチコイルと電気的に接続される測定回路と、測定回路と電気的に接続され、回転子巻線に所定の交流電圧が印加された場合に発生する部分放電による電圧変動値を測定するための測定手段とを含む。測定手段は、複数のサーチコイルを介してそれぞれ測定される信号に基づいて、複数の電圧変動値を取得する。さらに、本絶縁診断装置は、電圧変動値が第１しきい値を超えるか否かを判断するための第１判断手段と、電圧変動値が第１しきい値を超える場合に、複数の電圧変動値が互いに近似した値を示しているか否かを判断する第２判断手段と、複数の電圧変動値が互いに近似した値を示している場合に、回転子巻線で内部放電が発生していると決定する一方で、複数の電圧変動値が互いに近似した値を示していない場合に、回転子巻線で外部放電が発生していると決定する第１決定手段とを含む。
【００１８】
好ましくは、第２判断手段は、複数の電圧変動値の平均値を算出する手段と、複数の電圧変動値の各々と平均値との差が所定値を超えるか否かを判断する手段とを含む。
【００１９】
好ましくは、本絶縁診断装置は、電圧変動値が第１しきい値を超えない場合に、電圧変動値が第１しきい値より小さい第２しきい値を超えるか否かを判断するための第３判断手段と、電圧変動値が第２しきい値を超えない場合に、回転子巻線の絶縁性能が良好であると決定し、電圧変動値が第２しきい値を超える場合に、回転子巻線の絶縁性能が要注意であると決定する第２決定手段とをさらに備える。
【００２０】
さらに好ましくは、本絶縁診断装置は、固定子巻線の対地静電容量を測定するための静電容量測定回路と、静電容量測定回路によって測定された対地静電容量に基づいて、第１しきい値および第２しきい値を算出するための算出手段とをさらに含む。
【００２１】
好ましくは、測定手段は、測定される電圧信号に含まれる、回転子巻線に印加される交流電圧と同じ周波数成分の振幅値に基づいて、電圧変動値を測定する。
【００２２】
この発明の別の局面に従えば、回転機の回転子を構成する回転子巻線の絶縁性能を診断するための絶縁診断方法を提供する。本絶縁診断方法は、回転子巻線に近接して配置された複数のサーチコイルを介してそれぞれ測定される信号に基づいて、回転子巻線に所定の交流電圧が印加された場合に発生する部分放電による複数の電圧変動値を測定するステップと、電圧変動値が第１しきい値を超えるか否かを判断するステップと、電圧変動値が第１しきい値を超える場合に、複数の電圧変動値が互いに近似した値を示しているか否かを判断するステップと、複数の電圧変動値が互いに近似した値を示している場合に、回転子巻線で内部放電が発生していると決定するステップと、複数の電圧変動値が互いに近似した値を示していない場合に、回転子巻線で外部放電が発生していると決定するステップとを含む。
【発明の効果】
【００２３】
この発明によれば、回転機の固定子巻線の絶縁性能を高い精度で評価できるとともに、適切な補修タイミングを決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法が適用される回転機の構成を示す模式図である。
【図２】この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法が適用される回転機の固定子巻線の配置を示す模式図である。
【図３】この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法が適用される回転機の断面を示す模式図である。
【図４】この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法が適用される回転機のコイルスロットを示す模式図である。
【図５】この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法を適用した回転機の保全手順を示すフローチャートである。
【図６】この発明の実施の形態に従う絶縁診断装置の構成を示す模式図である。
【図７】この発明に関連するオフライン絶縁診断法を提供する絶縁診断装置の構成を示す模式図である。
【図８】図７に示すオフライン絶縁診断法における診断基準を示すグラフである。
【図９】固定子巻線の絶縁体中に存在するボイドによって部分放電が生じる場合の等価回路を示す図である。
【図１０】実験によって得られた測定結果とＰＤ値（理論値）との比較を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態に従うＰＤ値の測定および評価のより詳細な手順を示すフローチャートである。
【図１２】この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法によって検出される内部放電を示す模式図である。
【図１３】この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法によって検出される外部放電を示す模式図である。
【図１４】図１２に示す内部放電の伝搬モードを示す模式図である。
【図１５】図１３に示す外部放電の伝搬モードを示す模式図である。
【図１６】外部放電が生じている場合に各相のサーチコイルを介して測定されるＰＤ値の変化を示す図である。
【図１７】固定子巻線に電荷パルスを印加した場合に測定されるＰＤ値を示す図である。
【図１８】サーチコイルを介して測定されるＰＤ値の間に差が生じている実験結果を示す図である。
【図１９】この発明の実施の形態に従う絶縁診断装置によって測定された結果を示す図である。
【図２０】この発明の実施の形態に従う絶縁診断装置によって測定された結果を示す図である。
【図２１】この発明の実施の形態に従う部分放電の発生部位判別のより詳細な手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２６】
＜回転機の構造＞
図１は、この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法が適用される回転機の構成を示す模式図である。図２は、この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法が適用される回転機の固定子巻線の配置を示す模式図である。図３は、この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法が適用される回転機の断面を示す模式図である。図４は、この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法が適用される回転機のコイルスロットを示す模式図である。
【００２７】
図１を参照して、本実施の形態に従う絶縁診断方法が適用される回転機ＳＹＭは、典型的には、同期発電機である。図１には、水力発電所などにおいて使用される縦軸型の同期発電機の構造を示す。この回転機ＳＹＭは、固定子（ステータ）ＳＴと、回転子（ロータ）ＲＴとからなる。回転子ＲＴは、固定子ＳＴの中心軸上に組込まれ、図示しない水車（ランナ）による駆動力を受けて固定子ＳＴの中で回転運動する。回転子ＲＴの表面には、回転子巻線ＦＣが配置されており、この回転子巻線ＦＣには、図示しない励磁装置から界磁電流が供給される。回転運動する回転子ＲＴは、この界磁電流によって固定子ＳＴ内に回転磁界を発生する。この磁束の時間的および空間的な変化を受けて、固定子ＳＴには起電力が発生し、発生した電流（電力）が固定子巻線２を通じて、回転機ＳＹＭの外部へ取出される。以下の説明では、固定子巻線２を固定子コイルとも称す。
【００２８】
本実施の形態に従う絶縁診断方法では、回転機ＳＹＭの固定子ＳＴを構成する固定子巻線２の絶縁性能を診断する。
【００２９】
図２および図３に示すように、固定子巻線２は、（基本的に）固定子ＳＴの軸方向と平行な複数のコイルからなる。これらの固定子ＳＴの軸方向と平行なコイルは、固定子ＳＴの内面に形成されたコイルスロットに納められ、固定子ＳＴの軸を中心に放射状に配置されている。一般的な同期発電機は、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）交流電力を発生するので、固定子巻線２は、三相分のコイルを含む。
【００３０】
なお、固定子巻線２は、巻線方法によって波巻と重ね巻とに分類されるが、図２および図３には波巻の構造を示す。すなわち、図３には、固定子ＳＴの内面に複数のコイルスロット４が形成されている状態を示し、各コイルスロット４には、２つのコイルが配置されているとする。なお、各コイルスロット４のより内側の部分に配置されている巻線を「上コイル」とも称し、各コイルスロット４のより外側の部分に配置されている巻線を「下コイル」とも称す。
【００３１】
図２および図３に示す固定子ＳＴでは、一例として、３本のコイルで主極（１相１極）を形成しており、各コイルスロット４には、同じ相のコイルが配置される。すなわち、各コイルスロットにおいて、上コイルを流れる固定子電流と下コイルを流れる固定子電流とは、同一の相である。なお、図３において、十字（＋）に示す記号は、固定子電流が紙面奥側に流れるコイルを示し、丸（●）に示す記号は、固定子電流が紙面手前側に流れるコイルを示す。
【００３２】
図４を参照して、各コイルスロット４に挿入される固定子巻線２は、上コイルに対応する導体２ａと、下コイルに対応する導体２ｂとを含む。導体２ａおよび導体２ｂは、絶縁体２ｃによって被覆される。また、導体２ａと導体２ｂとの間には、スペーサ２ｄが介挿される。この絶縁体２ｃは、典型的には、エポキシマイカからなる。
【００３３】
なお、後述するように、固定子ＳＴには、固定子巻線２の温度を監視するために、サーチコイル５と称される温度検出素子が埋め込まれている。典型的には、固定子ＳＴ全体として、各相あたり２個（合計６個）のサーチコイル５が埋め込まれる。このサーチコイル５は、図４に示すように、スペーサ２ｄの一部として埋め込まれる。すなわち、複数のサーチコイル５が固定子巻線２に近接して配置される。このようなサーチコイル５は、測温抵抗体（ＲＴＤ：Resistance Temperature Detector）、もしくは、熱電対が採用される。なお、測音抵抗体としては、０℃において約１００Ωを示すＰｔ１００と称される白金抵抗体が一般的に採用される。
【００３４】
＜全体処理手順＞
図５は、この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法を適用した回転機の保全手順を示すフローチャートである。
【００３５】
図５を参照して、まず、任意のタイミングで、診断対象の回転機が運転中に発生する部分放電による電圧変動値（ＰＤ値：Partial Discharge Value；以下、「ＰＤ値」または「Ｖｐｄ」と称す。）を測定する（ステップＳ２）。このＰＤ値は、オンライン絶縁診断法に従って測定されるので、回転機の運転中であれば、任意のタイミングでＰＤ値を測定することができる。
【００３６】
続いて、所定の診断基準に基づいて、測定されたＰＤ値を評価する（ステップＳ４）。より具体的には、測定されたＰＤ値に基づいて、「良好」「要注意」「不良」のいずれであるかを判断する。
【００３７】
「良好」であると判断された場合（ステップＳ４において「良好」）には、現在の絶縁診断周期を維持する（ステップＳ６）。そして、診断対象の回転機に対する絶縁診断は終了する。
【００３８】
また、「要注意」であると判断された場合（ステップＳ４において「要注意」）には、現在の絶縁診断周期をより短く変更する（ステップＳ８）。すなわち、診断対象の回転機での絶縁性能が劣化傾向にあると判断できるので、絶縁性能を評価する間隔をより短くすることで絶縁性能の監視レベルを高める。そして、診断対象の回転機に対する絶縁診断は終了する。
【００３９】
また、「不良」であると判断された場合（ステップＳ４において「不良」）には、後述する手順によって、部分放電の発生部位を判別する（ステップＳ１０）。部分放電が内部放電である場合（ステップＳ１０において「内部放電」）には、現在の絶縁診断周期をより短く変更する（ステップＳ８）。これに対して、部分放電が外部放電である場合（ステップＳ１０において「外部放電」）には、早急な補修が必要であると判断し、補修スケジュールを策定する（ステップＳ１２）。
【００４０】
＜ＰＤ値の測定および評価＞
次に、図５に示すフローチャート中のステップＳ２およびＳ４に示すＰＤ値の測定および評価手順について詳述する。本実施の形態に絶縁診断方法は、基本的には、回転機の運転中に行なわれるオンライン絶縁診断法を採用する。これは、以下のような理由によるものである。
【００４１】
上述したようなオフライン絶縁診断法は、そもそも、発電機が運転を停止した状態でなければ行なうことができない。また、オフライン絶縁診断方法では、回転子巻線（コイル）に所定の電荷注入および／または電圧印加を行なう必要があるので、固定子巻線２の口出部の絶縁体を剥ぎ取って、固定子巻線の導体を露出させる必要がある。そのため、オフライン絶縁診断法を実施する際には、多大の時間、作業工数、およびコストを必要とした。また、水力発電所における発電機に対してオフライン絶縁診断法を実施する場合には、数日間にわたって運転が停止するため、流込式の水力発電所などでは、溢水が発生する。すなわち、貴重な自然エネルギーを未使用のまま放流してしまうことになり、経済的な損失が膨大となる。
【００４２】
ところで、従来からの研究によって、オフライン絶縁診断法に用いられる共通の診断基準が確立されている。そのため、オンライン絶縁診断法においても、この確立された診断基準に沿った判断ができることが好ましい。すなわち、オンライン絶縁診断法による診断基準とオフライン絶縁診断法の診断基準とが整合していれば、オフライン絶縁診断法による過去の診断結果とオンライン絶縁診断法による診断結果とを一貫して管理でき、回転機を管理する上で、非常に有益である。
【００４３】
しかしながら、オフライン絶縁診断法を適用する場合には、三相分の固定子巻線に電圧が均等に印加されるのに対して、オフライン絶縁診断法を適用する場合には、１相の固定子巻線の一方を接地した上で電圧が印加される。このような測定方法の相違から、共通の診断基準を採用することは困難であった。
【００４４】
このような状況に鑑みて、本願発明者は、オフライン絶縁診断法とオンライン絶縁診断法との関係について実験的な研究を行なって、オンライン絶縁診断法によって測定される部分放電による電圧変動と、オフライン絶縁診断法によって測定される最大放電電荷量との間に所定の相関があることを見出した。そして、この相関関係に基づいて、従来のオフライン絶縁診断法で用いられていた診断基準に従って、絶縁性能を評価する。
【００４５】
（１．装置構成）
図６は、この発明の実施の形態に従う絶縁診断装置の構成を示す模式図である。
【００４６】
図６を参照して、本実施の形態に従う絶縁診断装置１００は、絶縁増幅器２２と、信号測定回路２０と、静電容量測定装置４０と、処理装置１０とを含む。
【００４７】
絶縁増幅器２２は、固定子ＳＴに埋め込まれた１つ以上のサーチコイル５と電気的に接続され、サーチコイル５を介して、固定子ＳＴ内で生じる部分放電による電圧値を検出する。すなわち、サーチコイル５は、絶縁体を介して固定子巻線２と隣接して配置されているので、固定子巻線２との間に静電容量を生じる（コンデンサ結合）。そのため、固定子巻線２に生じる部分放電に起因する発生する電圧信号が、この静電容量を介して絶縁増幅器２２へ与えられる。なお、絶縁増幅器２２が複数のサーチコイル５と接続されている場合には、信号を出力するサーチコイル５を選択するための回路を付加してもよい。
【００４８】
信号測定回路２０は、フィルタ回路２４１，２４２と、Ａ／Ｄ変換器２６１，２６２とを含む。フィルタ回路２４１および２４２は、通過周波数の異なる低域通過フィルタであり、典型的には、それぞれ１０ＭＨｚおよび２０ＭＨｚに設定される。すなわち、通過周波数が１０ＭＨｚに設定されるフィルタ回路２４１は、サーチコイル５を介して検出されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）の基本信号を出力し、通過周波数が２０ＭＨｚに設定されるフィルタ回路２４２は、サーチコイル５を介して検出されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）に含まれるノイズ成分を区別するための参照信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器２６１および２６２は、それぞれフィルタ回路２４１および２４２と接続され、フィルタ回路２４１および２４２から出力されるアナログ信号をデジタル値に変換した結果を処理装置１０へ出力する。
【００４９】
静電容量測定装置４０は、固定子巻線２の対地静電容量Ｃａを測定する。なお、静電容量測定装置４０は、基本的には、診断対象の回転機の運転停止中に対地静電容量Ｃａを測定する。静電容量測定装置４０は、測定結果である対地静電容量Ｃａの値を処理装置１０へ出力する。静電容量測定装置４０は、典型的には、シェーリングブリッジ回路で構成される。
【００５０】
処理装置１０は、典型的には、パーソナルコンピュータなどによって実現される。処理装置１０は、信号測定回路２０によって測定される電圧信号に含まれる、固定子巻線２に印加される交流電圧と同じ周波数成分の振幅値に基づいて、ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）を測定する。たとえば、６０［Ｈｚ］の交流電圧を印加した場合には、信号測定回路２０からの測定結果に含まれる、６０ｐｐｓ（pulse per second）の成分が部分放電によるＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）として測定される。なお、Ａ／Ｄ変換器２６１（フィルタ回路２４１）から出力される基本信号から、Ａ／Ｄ変換器２６２（フィルタ回路２４２）から出力される参照信号を取り除くことで、１０ＭＨｚ〜２０ＭＨｚの間の信号成分からＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）を測定することができる。
【００５１】
また、処理装置１０は、静電容量測定装置４０によって測定された対地静電容量Ｃａを用いて、測定されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）を評価するための基準値（しきい値）を算出する。そして、処理装置１０は、この算出した基準値（しきい値）と測定されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）とを比較することで、診断対象の回転機の絶縁性能を評価する。なお、基準値（しきい値）は、例えば、上述の非特許文献１に開示されているように、固定子巻線について予め設定されている放電電荷量が用いられる。この放電電荷量は、固定子巻線２の絶縁性能を生じる内部放電の大きさ（電荷量）によって区分するものである。後述するように、典型的には、絶縁性能についての良好と要注意との境界を定義する放電電荷しきい量Ｑ１と、絶縁性能についての要注意と不良との境界を定義する放電電荷量Ｑ２とが定義される。
【００５２】
そして、処理装置１０は、これらの放電電荷しきい量Ｑ１，Ｑ２を静電容量測定装置４０によって測定された対地静電容量Ｃａで除算して、ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）を評価するための基準値（しきい値）Ｖ１，Ｖ２をそれぞれ算出する。さらに、処理装置１０は、測定されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）と、算出した基準値（しきい値）Ｖ１およびＶ２とを比較して、診断対象の回転機の絶縁性能がいずれの状態であるかを判断する。
【００５３】
（２．理論および検証結果）
上述のように、オフライン絶縁診断法における診断基準（放電電荷しきい量Ｑ１およびＱ２など）を、オンライン絶縁診断法の診断基準として適用できる理論およびその検証結果について以下説明する。
【００５４】
図７は、この発明に関連するオフライン絶縁診断法を提供する絶縁診断装置の構成を示す模式図である。図８は、図７に示すオフライン絶縁診断法における診断基準を示すグラフである。
【００５５】
図７を参照して、オフライン絶縁診断法を提供する絶縁診断装置は、固定子巻線を各相に分離した上で、各相に所定の電圧を印加した際に生じる部分放電による最大放電電荷量を測定するものである。より具体的には、この絶縁診断装置は、処理装置１０Ａと、測定回路３０とを含む。
【００５６】
測定回路３０は、電圧発生器３６と、カップリングコンデンサＣｋ，Ｃ１と、制動抵抗Ｒｓと、信号検出用コンデンサＣｄと、信号検出用抵抗Ｒｄと、校正用電荷発生器３８と、カップリングコンデンサＣと、同軸ケーブル３４と、検出器３２とを含む。
【００５７】
固定子巻線２のある相の口出部に接続された端子Ｔｍと接地との間に、電圧発生器３６が接続される。この電圧発生器３６は、試験対象の固定子巻線２に所定の電圧を印加して、固定子巻線２に部分放電を生じさせる。この固定子巻線２で生じた部分放電による信号は、カップリングコンデンサＣｋを介して、信号検出用コンデンサＣｄおよび信号検出用抵抗Ｒｄへ伝搬する。
【００５８】
カップリングコンデンサＣｋと、信号検出用コンデンサＣｄおよび信号検出用抵抗Ｒｄとの間には、制動抵抗Ｒｓが直列に挿入されている。この制動抵抗Ｒｓは、放電パルスの共振現象を抑制する。信号検出用コンデンサＣｄおよび信号検出用抵抗Ｒｄは、固定子巻線２で生じた部分放電による信号を検出可能な電圧信号に変換するためのインピーダンスである。
【００５９】
さらに、信号検出用コンデンサＣｄおよび信号検出用抵抗Ｒｄは、カップリングコンデンサＣ１を介して、同軸ケーブル３４に接続されている。そのため、信号検出用コンデンサＣｄおよび信号検出用抵抗Ｒｄに表われる電圧信号は、カップリングコンデンサＣ１および同軸ケーブル３４を介して、検出器３２へ伝えられる。検出器３２は、受信した電圧信号の電圧値を検出し、その検出結果を処理装置１０へ出力する。なお、検出器３２としては、オシロスコープなどを利用することもできる。
【００６０】
なお、端子Ｔｍと接地との間には、カップリングコンデンサＣを介して、校正用電荷発生器３８が接続される。この校正用電荷発生器３８は、基準の電荷量を固定子巻線２へ注入する。基準の電荷量が固定子巻線２へ注入されたときに検出器３２で検出される電圧値で、固定子巻線２で生じる部分放電の最大放電電荷量が校正される。より具体的には、検出器３２で検出される単位電圧あたりの電荷量を示す変換係数が算出され、検出器３２で検出される電圧値にこの変換係数を乗じることで、固定子巻線２で発生する部分放電の最大放電電荷量Ｑｍが測定される。
【００６１】
このように測定された最大放電電荷量Ｑｍに基づく絶縁診断を行なうために用いられる放電電荷しきい量は、次のように決定される。すなわち、上述のオフライン絶縁診断法に従って、部分放電の最大放電電荷量Ｑｍを測定する。そして、固定子巻線の絶縁耐力試験を実施した結果に基づいて、５０％の破壊確率のときに運転に必要な絶縁耐力と関連付けて、放電電荷しきい量を決定する。
【００６２】
なお、固定子巻線２の吸湿を考慮した絶縁耐力の推定式と、吸湿を考慮しない推定式とが存在するが、常時運転している発電機は、絶縁体の異常劣化や発電機の水没といった状況がない限り吸湿の影響を無視できることから、吸湿を考慮しない推定式を使用すればよい。このような推定式をグラフ化したものが図８である。
【００６３】
図８には、オフライン絶縁診断法により測定される最大放電電荷量Ｑｍａｘと絶縁耐力ＶＢＤ／Ｅとの関係を示す。この関係によれば、最大放電電荷量Ｑｍａｘが１０，０００［ｐＣ］未満であれば、固定子巻線２の絶縁性能は「良好」であり、最大放電電荷量Ｑｍａｘが１０，０００［ｐＣ］から３０，０００［ｐＣ］の範囲にあれば、固定子巻線２の絶縁性能は「要注意」であり、最大放電電荷量Ｑｍａｘが３０，０００［ｐＣ］より大きければ、固定子巻線２の絶縁性能は「不良」であると、判断できる。
【００６４】
したがって、放電電荷しきい量Ｑ１およびＱ２は、一例として、それぞれ１０，０００［ｐＣ］および３０，０００［ｐＣ］に設定される。
【００６５】
次に、固定子巻線２における部分放電の発生原理および部分放電の伝搬モードについて説明する。
【００６６】
図９は、固定子巻線の絶縁体中に存在するボイドによって部分放電が生じる場合の等価回路を示す図である。絶縁体は、電界が繰り返し印加されることによって、その内部にボイド（気泡）が発生し、このボイドに電界が集中することで、部分放電を生じ易い。
【００６７】
図９を参照して、コイルスロット４に納められた導体２ａと導体２ｂとの間に設けられる絶縁体２ｃ内にボイド６が発生しているとする。そして、このボイド６内部で部分放電が発生するものと考える。
【００６８】
このとき、絶縁体２ｃの対地静電容量はＣａであり、ボイド６の静電容量はＣｇであるとする。絶縁体２ｃのボイド６の両端にある部分の静電容量はＣｂであるとする。
【００６９】
この固定子巻線２に試験電圧Ｖｔを印加したときに、ボイド６内部で生じる部分放電によって、ボイド６を通過する真の電荷量ｑｒは、以下の（１）式のように表わすことができる。
【００７０】
ｑｒ＝｛Ｃｇ＋（Ｃａ×Ｃｂ）／（Ｃａ＋Ｃｂ）｝×（Ｖｓ−Ｖｒ）・・・（１）
但し、Ｖｓはボイドに印加される電圧値を示し、Ｖｒは部分放電後にボイドに印加される電圧値を示す
ここで、ボイド６の静電容量Ｃｇがその両端に存在する絶縁体２ｃの静電容量Ｃｂより十分に大きいとすると、ボイド６内部の部分放電で誘起される電圧変動により外部から測
定される電圧変動値Ｖｐｄは、以下の（２）式のように表わすことができる。
【００７１】
Ｖｐｄ＝Ｑａａｐ／Ｃａ ｛Ｃａ≫Ｃｇ，Ｃｂ｝・・・（２）
但し、Ｑａｐｐは測定される（見かけの）放電電荷量を示す
（２）式に含まれる放電電荷量Ｑａｐｐは、上述のオフライン絶縁診断法によって測定される最大放電電荷量に相当するので、上述のオフライン絶縁診断法における診断基準（放電電荷しきい量）を代入することで、オフライン絶縁診断法と同じ診断基準に従う、ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）についてのしきい値を決定することができる。
【００７２】
より具体的には、放電電荷量Ｑａｐｐに、上述の固定子巻線２の絶縁性能が「良好」であると判断される最大放電電荷量Ｑｍａｘである１０，０００［ｐＣ］を代入し、絶縁体２ｃの対地静電容量Ｃａに、変数Ｘ［μＦ］を代入すると、（２）式は、以下に示す（３）式にように整理できる。
【００７３】
Ｖｐｄ＝１０Ｘ−１・・・（３）
以上のような関係を検証するために、本願発明者は、複数の同期発電機の各々に対して、上述のオフライン絶縁診断法およびオンライン絶縁診断法を同時に実施する実験を行なった。その結果を以下の表に示す。
【００７４】
より具体的には、オンライン絶縁診断法については、図６に示す絶縁診断装置を採用して、発生する部分放電によるＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）を測定した。なお、本来のオンライン絶縁診断法は、それぞれの相の固定子巻線２に対して三相交流電力が印加された状態で行なわれるが、本実験においては、固定子巻線３を相別に切り離して１相分の固定子巻線３に、運転電圧であるＥ／√３（Ｅ：定格電圧）を中心に印加して測定した。また、１相分の固定子巻線２の対地静電容量Ｃａを測定した。一方、オフライン絶縁診断法については、図８に示す絶縁診断装置を採用して、最大放電電荷量を測定した。
【００７５】
なお、実験の対象とした同期発電機は、以下の表に示す８台の水車発電所で使用されている同期発電機である。なお、表中のＵｎｉｔ欄に記載されている番号は、製造メーカを示すアルファベットと、製造メーカ別の識別番号との組み合わせである。
【００７６】
【表１】
【００７７】
次に、上表に示す測定結果と、上述の理論によって得られたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）とを比較する。
【００７８】
図１０は、実験によって得られた測定結果とＰＤ値（理論値）との比較を示す図である。
【００７９】
図１０に示すグラフには、上述の（３）式に示す固定子巻線２の対地静電容量Ｃａである変数Ｘを含むＰＤ値の理論値が示されている。また、図１０に示すグラフには、上表に示す８台の回転機についての実験結果を示す（各実験結果を黒丸で示す）。図１０に示すグラフを見れば、実験対象とした８台の回転機のすべての測定結果と（３）式に示すＰＤ値の理論値とが極めてよく一致していることが分かる。したがって、オンライン絶縁診断法によって測定されるＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）は、従来のオンライン絶縁診断法による測定結果との間に強い相関があることがわかる。すなわち、オンライン絶縁診断法についても、従来の診断基準に従って、絶縁性能を診断できることがわかった。
【００８０】
以上の内容をまとめると、以下のようになる。
図６に示す絶縁診断装置１００に含まれる静電容量測定装置４０によって測定される固定子巻線２の対地静電容量Ｃａを用いて、処理装置１０は、予め設定されている診断基準に含まれる放電電荷しきい量Ｑ１およびＱ２から、ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）を評価するための基準値（しきい値）Ｖ１，Ｖ２を以下の（４）式および（５）式に従って算出する。
【００８１】
Ｖ１＝Ｑ１［ｐＣ］／Ｃａ［μＦ］＝１０／Ｃａ［ｍＶ］・・・（４）
Ｖ２＝Ｑ２［ｐＣ］／Ｃａ［μＦ］＝３０／Ｃａ［ｍＶ］・・・（５）
但し、Ｑ１＝１０，０００［ｐＣ］であり、Ｑ２＝３０，０００［ｐＣ］である
そして、処理装置１０は、これらの算出した基準値（しきい値）Ｖ１およびＶ２と、測定されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）とを比較して、診断対象の回転機の絶縁性能がいずれの状態であるか、すなわち、「良好」「要注意」「不良」のいずれに該当するかを判断する。
【００８２】
（３．処理手順）
図１１は、この発明の実施の形態に従うＰＤ値の測定および評価のより詳細な手順を示すフローチャートである。図１１に示す各ステップは、図５に示すフローチャートのステップＳ２およびＳ４に対応する。
【００８３】
図１１を参照して、まず、静電容量測定装置４０（図６）を用いて、診断対象の回転機における固定子巻線２の対地静電容量Ｃａを測定する（ステップＳ１００）。なお、固定子巻線２の対地静電容量Ｃａは、診断対象の回転機が運転停止中に測定されるので、予め測定しておいた測定値を記憶しておき、これを読出して使用するようにしてもよい。
【００８４】
続いて、処理装置１０（図６）は、運転中の回転機からサーチコイル５を介して取出される信号に基づいて、ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）を測定する（ステップＳ１０２）。
【００８５】
その後、処理装置１０は、ステップＳ１００において取得された固定子巻線２の対地静電容量Ｃａに基づいて、上述の（４）式および（５）式に従って、基準値（しきい値）Ｖ１およびＶ２をそれぞれ算出する（ステップＳ１０４）。
【００８６】
続いて、処理装置１０は、ステップＳ１０２において測定したＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）が基準値（しきい値）Ｖ１未満であるか否かを判断する（ステップＳ１０６）。ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）が基準値（しきい値）Ｖ１未満である場合（ステップＳ１０６においてＹＥＳの場合）には、処理装置１０は、診断対象の回転機を「良好」と判断する（ステップＳ１０８）。
【００８７】
これに対して、ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）が基準値（しきい値）Ｖ１以上である場合（ステップＳ１０６においてＮＯの場合）には、処理装置１０は、ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）が基準値（しきい値）Ｖ２未満であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）が基準値（しきい値）Ｖ２未満である場合（ステップＳ１１０においてＹＥＳの場合）には、処理装置１０は、診断対象の回転機を「要注意」と判断する（ステップＳ１１２）。これに対して、ＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）が基準値（しきい値）Ｖ２以上である場合（ステップＳ１１０においてＮＯの場合）には、処理装置１０は、診断対象の回転機を「不良」と判断する（ステップＳ１１４）。
【００８８】
＜部分放電の発生部位特定＞
（１．概要）
図１２は、この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法によって検出される内部放電を示す模式図である。図１３は、この発明の実施の形態に従う絶縁診断方法によって検出される外部放電を示す模式図である。
【００８９】
本明細書において「内部放電」とは、コイルスロット４内などにおける絶縁体２ｃ内部の放電（典型的には、図９に示すボイド放電）を意味する。より具体的には、図１２に示すように、内部放電ＩｎＦは、回転機の内部に位置する固定子巻線２で発生する部分放電である。なお、図１２には、上述したサーチコイル５が一相あたり２個ずつ配置されている例を示す。より具体的には、図１２に示す回転機には、その円周方向に沿って、６つのサーチコイル５ｕ１，５ｖ１，５ｗ１，５ｕ２，５ｖ２，５ｗ２が配置されている。
【００９０】
一方、本明細書において「外部放電」とは、コイルエンド（コイルスロット４の外側で、あるコイルスロットから次のコイルスロットまでの経路にあるコイル）などにおける放電を意味する。より具体的には、図１３に示すように、外部放電ＯｕＦは、回転子の外部に位置する固定子巻線２で発生する部分放電である。
【００９１】
本願発明者は、後述するような実験の結果、診断対象の回転機に生じている部分放電が、内部放電ＩｎＦおよび外部放電ＯｕＦのいずれであるかによって、それぞれのサーチコイル５を介して測定される複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）の値に相対的な変化が生じることを見出した。
【００９２】
概略すると、配置位置が異なる２つ以上のサーチコイルを介してそれぞれ測定された複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）について、その値が互いに近似している場合には、主として、内部放電ＩｎＦが発生していると判断することができる。これに対して、その値の有意な差がある場合には、外部放電ＯｕＦが発生していると判断することができる。したがって、複数のサーチコイルを介してそれぞれ測定された複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）の間の相対関係に基づいて、部分放電の発生部位を特定することができる。
【００９３】
（２．理論および検証結果）
図１４は、図１２に示す内部放電の伝搬モードを示す模式図である。図１５は、図１３に示す外部放電の伝搬モードを示す模式図である。
【００９４】
図１４を参照して、回転機の内部には、多数の固定子巻線が配置されているため、電磁的／静電的な結合が強くなっていると考えられる。そのため、回転機の内部にある固定子巻線と各サーチコイル５との間は、コンデンサ結合（静電結合）されているとみなすことができる。そのため、回転機の内部で発生した内部放電ＩｎＦによる電磁界変動の影響は、コンデンサ結合によって、各サーチコイル５へ伝えられる。
【００９５】
図１５を参照して、これに対して、回転子の外部にある固定子巻線は、回転機自体や周囲との間に静電容量を有していると考えられる。そのため、回転子の外部で発生した外部放電ＯｕＦによる電磁界変動の影響は、主として、接地ＧＮＤへ伝えられる。また、当該外部放電ＯｕＦが生じた位置に近接したサーチコイル５との間には、相対的に強いコンデンサ結合があるので、外部放電ＯｕＦによる電磁界変動の影響は、近接したサーチコイル５へは伝えられる。しかしながら、他のサーチコイル５へは伝えられにくい。
【００９６】
図１５に示す例では、Ｕ相の固定子巻線に外部放電ＯｕＦが生じ、この外部放電ＯｕＦの影響は、近接しているサーチコイル５ｕ１へは伝えられるが、他のサーチコイル５ｖ１，５ｗ１へは伝えられにくい。
【００９７】
その結果、内部放電ＩｎＦが生じた場合には、いずれのサーチコイル５を介して測定されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）であっても、ほぼ同じ値を示すが、外部放電ＯｕＦが生じた場合には、その外部放電ＯｕＦが生じた相のサーチコイル５を介して測定されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）の値は、他の相のサーチコイル５を介して測定されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）の値より相対的に大きくなる。
【００９８】
図１６は、外部放電が生じている場合に各相のサーチコイルを介して測定されるＰＤ値の変化を示す図である。図１７は、固定子巻線に電荷パルスを印加した場合に測定されるＰＤ値を示す図である。図１８は、サーチコイルを介して測定されるＰＤ値の間に差が生じている実験結果を示す図である。
【００９９】
本願発明者が本発明に係る固定子巻線の絶縁診断技術について実験を進めていたところ、電機子巻線に対して段階的に電圧を同様に印加した場合であっても、図１６に示すように、相ごとに異なる変化を生じるものがあった。
【０１００】
図１６に示す実験結果は、固定子巻線に印加するテスト電圧を段階的に変化（４．５ｋＶ，６．３５ｋＶ，７．９３ｋＶ）させた場合に測定されたＰＤ値とそのときの最大放電電荷量Ｑｍａｘとの関係をプロットしたものである。図１６に示すように、このように印加電圧を段階的に増加させた場合に、ＰＤ値が最大放電電荷量Ｑｍａｘに比例して増大するものと、ＰＤ値が最大放電電荷量Ｑｍａｘに対して指数的に増大するものとが存在する。
【０１０１】
図１６に示す結果から、ある最大放電電荷量の部分放電が発生した場合に、より大きなＰＤ値が測定される場合があることが示されている。
【０１０２】
そこで、本願発明者は、図１６に示す実験と同じ固定子巻線に対して、既知の電荷パルスを印加した際に測定されるＰＤ値について調べた。この結果を図１７に示す。なお、図１７に示す実験結果では、固定子巻線に印加する電荷パルスは、１０，０００［ｐＣ］から３０，０００［ｐＣ］まで変化させた。
【０１０３】
図１７に示す実験結果によれば、測定されるＰＤ値は、固定子巻線に注入された電荷パルスの大きさに比例することがわかる。このように、固定子巻線に電荷パルスを印加することは、固定子巻線に内部放電が生じている状態を模擬しているとみなすことができるため、ＰＤ値が最大放電電荷量Ｑｍａｘに比例関係にある場合には、内部放電が主として発生していると判断できる。
【０１０４】
一方、ＰＤ値が最大放電電荷量Ｑｍａｘとは比例関係にない（指数的な関係にある）場合には、内部放電以外の事象が発生していると判断できる。すなわち、回転子の外部などにおける、沿面放電やスロット放電といった外部放電が主として発生していると判断できる。
【０１０５】
また、図１８に示すように、複数のサーチコイル５が回転機の内部で位置的に離れた位置に設けられている場合には、それぞれのサーチコイル５を介して測定されるＰＤ値の間に差が生じる場合があった。なお、図１８に示す実験結果は、直径１３［ｍ］程度の固定子を有する回転機を対象としたものである。
【０１０６】
図１９および図２０は、この発明の実施の形態に従う絶縁診断装置によって測定された結果を示す図である。なお、図１９および図２０は、診断対象の回転機を構成する回転子の回転軸を挟んで対称位置にある２つのサーチコイル（「サーチコイルＡ」および「サーチコイルＢ」と称す。）をそれぞれ介して測定された結果を示す。
【０１０７】
図１９（ａ）および図２０（ａ）は、診断対象の回転機の固定子巻線に外部放電を生じさせた場合に得られた、ＰＤ値の位相特性を示す図である。一方、図１９（ｃ）および図２０（ｃ）は、診断対象の回転機の固定子巻線に内部放電を生じさせた場合に得られた、ＰＤ値の位相特性を示す図である。
【０１０８】
この図１９（ａ），（ｃ）および図２０（ａ），（ｃ）に示す位相特性は、電機子巻線に印加する交流電圧の位相に関連付けて、測定されたＰＤ値の分布を示す図である。なお、これらの実験結果では、ノイズ成分を除去してある。
【０１０９】
また、図１９（ｂ），（ｃ）および図２０（ｂ），（ｃ）は、それぞれ、図１９（ａ），（ｃ）および図２０（ａ），（ｃ）に示すＰＤ値の位相特性に含まれるＰＤ値の大きさの累積頻度を示す図である。
【０１１０】
固定子巻線に外部放電が発生している場合についてみると、図１９（ａ）と図２０（ａ）に示す位相特性を比較してわかるように、サーチコイルＡを介して検出されるＰＤ値の方が、サーチコイルＢを介して検出されるＰＤ値に比較してより大きくなっているのがわかる。より具体的には、図１９（ｂ）に示す累積頻度の関係から、外部放電が発生している場合にサーチコイルＡを介して測定されるＰＤ値は２６．１９［ｍＶ］であり、図２０（ｂ）に示す累積頻度の関係から、外部放電が発生している場合にサーチコイルＢを介して測定されるＰＤ値は１４．６０［ｍＶ］である。
【０１１１】
これに対して、固定子巻線に内部放電が発生している場合についてみると、図１９（ｃ）と図２０（ｃ）に示す位相特性を比較してわかるように、サーチコイルＡを介して検出されるＰＤ値は、サーチコイルＢを介して検出されるＰＤ値とほぼ同様の傾向を示しているのがわかる。より具体的には、図１９（ｄ）に示す累積頻度の関係から、内部部放電が発生している場合にサーチコイルＡを介して測定されるＰＤ値は１０．６４［ｍＶ］であり、図２０（ｄ）に示す累積頻度の関係から、内部放電が発生している場合にサーチコイルＢを介して測定されるＰＤ値は１１．４８［ｍＶ］である。
【０１１２】
以上の検証結果より、配置位置が異なる２つ以上のサーチコイルを介してそれぞれ測定された複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）について、その値が互いに近似している場合には、主として、内部放電ＩｎＦが発生していると判断することができる。これに対して、その値の有意な差がある場合には、外部放電ＯｕＦが発生していると判断することができる。
【０１１３】
なお、複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）が互いに近似しているか否かについては、公知の統計的手法を用いることができる。
【０１１４】
（３．処理手順）
図２１は、この発明の実施の形態に従う部分放電の発生部位判別のより詳細な手順を示すフローチャートである。図２１に示す各ステップは、図５に示すフローチャートのステップＳ１０に対応する。
【０１１５】
図２１を参照して、まず、診断対象の回転機に設けられている複数のサーチコイルを介して測定された複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ＿ｉ｛１≦ｉ≦Ｎ｝）を取得する（ステップＳ２００）。
【０１１６】
続いて、ステップＳ２００において取得した複数のＰＤ値の平均値Ａｖｅを算出する（ステップＳ２０２）。より具体的には、平均値Ａｖｅ＝Σ（Ｖｐｄ＿ｉ）／Ｎ｛１≦ｉ≦Ｎ｝に従って、平均値Ａｖｅが算出される。
【０１１７】
続いて、ステップＳ２０２において取得された複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ＿ｉ｛１≦ｉ≦Ｎ｝）のうち、その値が最も大きいＰＤ値を選択する（ステップＳ２０４）。そして、ステップＳ２０４において選択したＰＤ値とステップＳ２０２において算出した平均値Ａｖｅとの差分（絶対値）を算出する（ステップＳ２０６）。さらに、ステップＳ２０６において算出した差分（絶対値）が予め定められたしきい値より大きいか否かが判断される（ステップＳ２０８）。
【０１１８】
ステップＳ２０６において算出した差分（絶対値）が予め定められたしきい値より小さい場合（ステップＳ２０８においてＮＯの場合）には、ステップＳ２０２において取得された複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ＿ｉ｛１≦ｉ≦Ｎ｝）のうち、その値が最も小さいＰＤ値を選択する（ステップＳ２１０）。そして、ステップＳ２１０において選択したＰＤ値とステップＳ２０２において算出した平均値Ａｖｅとの差分（絶対値）を算出する（ステップＳ２１２）。さらに、ステップＳ２１２において算出した差分（絶対値）が予め定められたしきい値より大きいか否かが判断される（ステップＳ２１４）。
【０１１９】
ステップＳ２１２において算出した差分（絶対値）が予め定められたしきい値より小さい場合（ステップＳ２１４においてＮＯの場合）には、部分放電が内部放電であると判断する（ステップＳ２１６）。
【０１２０】
これに対して、ステップＳ２０６において算出した差分（絶対値）が予め定められたしきい値より大きい場合（ステップＳ２０８においてＹＥＳの場合）、または、ステップＳ２１２において算出した差分（絶対値）が予め定められたしきい値より大きい場合（ステップＳ２１４においてＹＥＳの場合）、部分放電が外部放電であると判断する（ステップＳ２１８）。
【０１２１】
すなわち、上述の部分放電の発生部位判別に係る処理においては、測定されたＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）の平均値から大きくずれた場合には、複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）が互いに近似していないと判断する方法を採用する。なお、この例示した方法に代えて、測定された複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）の標準偏差などを用いて、複数のＰＤ値（電圧変動値Ｖｐｄ）が互いに近似した値を有しているか否かを判断してもよい。
【０１２２】
＜作用効果＞
本実施の形態に従う絶縁診断方法によれば、固定子巻線に備えられたサーチコイルを介して測定された電圧変動値（ＰＤ値）に基づいて、発生している内部放電の大きさを知ることができる。さらに、比較的大きな内部放電が発生していると判断された場合において、内部放電の発生部位（発生状態）を判定することができる。これにより、回転機の固定子巻線の絶縁性能を高い精度で評価できるとともに、適切な補修タイミングを決定することが可能となる。その結果、たとえば、水力発電所などにおいては、突発的な発電機の運転停止などによる、溢水の発生などの損失を極力なくすことができる。
【０１２３】
また、本実施の形態に従う絶縁診断方法によれば、回転機の運転中に電圧変動値（ＰＤ値）を測定できる。そのため、回転機を運転停止することなく、任意のタイミングで、回転機の固定子巻線の絶縁性能を診断することができる。
【０１２４】
上述の実施の形態においては、主として、水力発電所において使用される同期発電機の固定子巻線の絶縁性能を診断する場合について例示したが、本発明に係る絶縁診断方法および絶縁診断装置は、同期電動機、誘導電動機、誘導発電機などの各種の回転機に適用が可能である。また、固定子巻線についても、波巻に加えて、重ね巻の構成について適用可能である。
【０１２５】
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。
【符号の説明】
【０１２６】
Ｃ，Ｃｋ，Ｃ１ カップリングコンデンサ、Ｃａ 対地静電容量、Ｃｂ 静電容量、Ｃｄ 信号検出用コンデンサ、Ｃｇ 静電容量、ＦＣ 回転子巻線、ＩｎＦ 内部放電、ＯｕＦ 外部放電、Ｒｄ 信号検出用抵抗、Ｒｓ 制動抵抗、ＲＴ 回転子、ＳＴ 固定子、ＳＹＭ 回転機、Ｔｍ 端子、２ 固定子巻線、２ａ，２ｂ 導体、２ｃ 絶縁体、２ｄ スペーサ、３ 固定子巻線、４ コイルスロット、５，５ｕ１，５ｖ１，５ｗ１，５ｕ２，５ｖ２，５ｗ２ サーチコイル、６ ボイド、１０，１０Ａ 処理装置、２０ 信号測定回路、２２ 絶縁増幅器、３０ 測定回路、３２ 検出器、３４ 同軸ケーブル、３６ 電圧発生器、３８ 校正用電荷発生器、４０ 静電容量測定装置、１００ 絶縁診断装置、２４１，２４２ フィルタ回路、２６１，２６２ Ａ／Ｄ変換器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機の回転子を構成する回転子巻線の絶縁性能を診断するための絶縁診断装置であって、
前記回転子巻線に近接して配置された複数のサーチコイルと電気的に接続される測定回路と、
前記測定回路と電気的に接続され、前記回転子巻線に所定の交流電圧が印加された場合に発生する部分放電による電圧変動値を測定するための測定手段とを備え、前記測定手段は、前記複数のサーチコイルを介してそれぞれ測定される信号に基づいて、複数の電圧変動値を取得し、さらに
前記電圧変動値が第１しきい値を超えるか否かを判断するための第１判断手段と、
前記電圧変動値が前記第１しきい値を超える場合に、前記複数の電圧変動値が互いに近似した値を示しているか否かを判断する第２判断手段と、
前記複数の電圧変動値が互いに近似した値を示している場合に、前記回転子巻線で内部放電が発生していると決定する一方で、前記複数の電圧変動値が互いに近似した値を示していない場合に、前記回転子巻線で外部放電が発生していると決定する第１決定手段とを備える、絶縁診断装置。
【請求項２】
前記第２判断手段は、
前記複数の電圧変動値の平均値を算出する手段と、
前記複数の電圧変動値の各々と前記平均値との差が所定値を超えるか否かを判断する手段とを含む、請求項１に記載の絶縁診断装置。
【請求項３】
前記電圧変動値が前記第１しきい値を超えない場合に、前記電圧変動値が前記第１しきい値より小さい第２しきい値を超えるか否かを判断するための第３判断手段と、
前記電圧変動値が前記第２しきい値を超えない場合に、前記回転子巻線の絶縁性能が良好であると決定し、前記電圧変動値が前記第２しきい値を超える場合に、前記回転子巻線の絶縁性能が要注意であると決定する第２決定手段とをさらに備える、請求項１または２に記載の絶縁診断装置。
【請求項４】
前記固定子巻線の対地静電容量を測定するための静電容量測定回路と、
前記静電容量測定回路によって測定された対地静電容量に基づいて、前記第１しきい値および前記第２しきい値を算出するための算出手段とをさらに備える、請求項３に記載の絶縁診断装置。
【請求項５】
前記測定手段は、測定される電圧信号に含まれる、前記回転子巻線に印加される交流電圧と同じ周波数成分の振幅値に基づいて、前記電圧変動値を測定する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の絶縁診断装置。
【請求項６】
回転機の回転子を構成する回転子巻線の絶縁性能を診断するための絶縁診断方法であって、
前記回転子巻線に近接して配置された複数のサーチコイルを介してそれぞれ測定される信号に基づいて、前記回転子巻線に所定の交流電圧が印加された場合に発生する部分放電による複数の電圧変動値を測定するステップと、
前記電圧変動値が第１しきい値を超えるか否かを判断するステップと、
前記電圧変動値が前記第１しきい値を超える場合に、前記複数の電圧変動値が互いに近似した値を示しているか否かを判断するステップと、
前記複数の電圧変動値が互いに近似した値を示している場合に、前記回転子巻線で内部放電が発生していると決定するステップと、
前記複数の電圧変動値が互いに近似した値を示していない場合に、前記回転子巻線で外部放電が発生していると決定するステップとを備える、絶縁診断方法。
【請求項１】
回転機の回転子を構成する回転子巻線の絶縁性能を診断するための絶縁診断装置であって、
前記回転子巻線に近接して配置された複数のサーチコイルと電気的に接続される測定回路と、
前記測定回路と電気的に接続され、前記回転子巻線に所定の交流電圧が印加された場合に発生する部分放電による電圧変動値を測定するための測定手段とを備え、前記測定手段は、前記複数のサーチコイルを介してそれぞれ測定される信号に基づいて、複数の電圧変動値を取得し、さらに
前記電圧変動値が第１しきい値を超えるか否かを判断するための第１判断手段と、
前記電圧変動値が前記第１しきい値を超える場合に、前記複数の電圧変動値が互いに近似した値を示しているか否かを判断する第２判断手段と、
前記複数の電圧変動値が互いに近似した値を示している場合に、前記回転子巻線で内部放電が発生していると決定する一方で、前記複数の電圧変動値が互いに近似した値を示していない場合に、前記回転子巻線で外部放電が発生していると決定する第１決定手段とを備える、絶縁診断装置。
【請求項２】
前記第２判断手段は、
前記複数の電圧変動値の平均値を算出する手段と、
前記複数の電圧変動値の各々と前記平均値との差が所定値を超えるか否かを判断する手段とを含む、請求項１に記載の絶縁診断装置。
【請求項３】
前記電圧変動値が前記第１しきい値を超えない場合に、前記電圧変動値が前記第１しきい値より小さい第２しきい値を超えるか否かを判断するための第３判断手段と、
前記電圧変動値が前記第２しきい値を超えない場合に、前記回転子巻線の絶縁性能が良好であると決定し、前記電圧変動値が前記第２しきい値を超える場合に、前記回転子巻線の絶縁性能が要注意であると決定する第２決定手段とをさらに備える、請求項１または２に記載の絶縁診断装置。
【請求項４】
前記固定子巻線の対地静電容量を測定するための静電容量測定回路と、
前記静電容量測定回路によって測定された対地静電容量に基づいて、前記第１しきい値および前記第２しきい値を算出するための算出手段とをさらに備える、請求項３に記載の絶縁診断装置。
【請求項５】
前記測定手段は、測定される電圧信号に含まれる、前記回転子巻線に印加される交流電圧と同じ周波数成分の振幅値に基づいて、前記電圧変動値を測定する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の絶縁診断装置。
【請求項６】
回転機の回転子を構成する回転子巻線の絶縁性能を診断するための絶縁診断方法であって、
前記回転子巻線に近接して配置された複数のサーチコイルを介してそれぞれ測定される信号に基づいて、前記回転子巻線に所定の交流電圧が印加された場合に発生する部分放電による複数の電圧変動値を測定するステップと、
前記電圧変動値が第１しきい値を超えるか否かを判断するステップと、
前記電圧変動値が前記第１しきい値を超える場合に、前記複数の電圧変動値が互いに近似した値を示しているか否かを判断するステップと、
前記複数の電圧変動値が互いに近似した値を示している場合に、前記回転子巻線で内部放電が発生していると決定するステップと、
前記複数の電圧変動値が互いに近似した値を示していない場合に、前記回転子巻線で外部放電が発生していると決定するステップとを備える、絶縁診断方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１１−１１７８４４（Ｐ２０１１−１１７８４４Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７５７６７（Ｐ２００９−２７５７６７）
【出願日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【Ｆターム（参考）】
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