報告書番号

GD25003

タイトル（和文）

水車発電機固定子巻線の部分放電の温度依存性と簡易絶縁劣化診断手法の提案

タイトル（英文）

Temperature dependence of partial discharge in hydrogenerator stator windings and its application to insulation diagnosis

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背　　景
水車発電機固定子巻線では耐部分放電特性に優れたマイカと接着剤としてエポキシが使用され，部分放電の発生が許容されている。当所では，発電機固定子巻線注1）の絶縁診断のために，発電機の運転中に部分放電測定を行い，診断指標であるPRPDパターン注2）により巻線表面の摩耗や巻線端部の汚損等の絶縁の異常原因の推定や，同じく診断指標である部分放電電荷量により内部絶縁の経年劣化の進行度合いの推定を行っている。発電機運転中の部分放電測定では，運転状況に応じた巻線温度の変化によりこれら診断指標への影響が未解明であり，また一般的に用いられる100 kHzの測定周波数では，信号が運転時のノイズに埋もれて診断できないという課題があった。
目　　的
運転中の水車発電機及び発電機から撤去したコイルバー注1）において，異なる温度下で部分放電測定を行い，診断指標への巻線温度の影響を明らかにする。また，部分放電電荷量の巻線温度依存性を利用した，運転時のノイズに強い絶縁劣化診断手法を提案する。
主な成果
1. 水車発電機の固定子巻線の部分放電測定と絶縁診断指標への巻線温度の影響
2台の運転中の水車発電機A, B（表1）を対象に，異なる巻線温度注3）下において，固定子巻線の部分放電測定を行った。この結果，巻線温度によるPRPDパターンへの影響は見られず（図1），絶縁診断において， PRPDパターンにより巻線温度に関係なく絶縁の異常原因の推定を行えることを確認した。一方，巻線温度の上昇と共に最大放電電荷量注4）が増加する場合と減少する場合がある（図2）ため，絶縁診断において，最大放電電荷量は定期的に一定温度下で測定すべきであることを確認した注5）。
2. コイルバーの部分放電測定による絶縁診断指標への巻線温度の影響の原因解明
部分放電データの蓄積により，絶縁診断指標への巻線温度の影響の原因を解明するため，水車発電機B, C（表1）から撤去した3種類のコイルバーを加熱しながら部分放電測定を行った。この結果，絶縁劣化度合いに応じて，最大放電電荷量が温度上昇と共に増加・減少することを明らかにした。また，巻線温度と最大放電電荷量の相関係数と絶縁破壊電圧注6）の関係に強い相関があることを明らかにした（図3）。
3. 最大放電電荷量の巻線温度依存性を利用した固定子巻線の絶縁劣化診断手法の提案
得られた成果に基づいて，発電機運転時にノイズの小さい1 MHz以上の測定周波数を用いて部分放電測定を行い，巻線温度に対する最大放電電荷量の変化から絶縁劣化診断を行う手法を提案した（表2）。本手法は運転時のノイズに強く，実際の発電機での適用が期待される。

注1)一巻のコイルを鉄心に設けられた溝に複数本入れ三相回路を成すように接続した状態を巻線と呼び，実験用にコイルを加工したものをコイルバーと呼ぶ。
注2)Phase-resolved partial discharge pattern の略で部分放電の電荷量や回数を発生位相角に対応させて表示したものである。既知の放電発生源のパターンと比較することにより部分放電発生源の推定を行う。
注3)鉄心内のコイルに設置した測温抵抗体で巻線温度を測定する。
注4)国内で慣例である，部分放電が交流電圧1サイクルあたり1パルス以上発生する中で最大の電荷量としQ_mと称す。
注5)発電機運転中の部分放電診断の規格IEC 60034-27-2:2023では，巻線温度の変動は±5°C以下を推奨している。
注6)注7の文献では水車発電機の運転中に巻線温度と最大放電電荷量の相関係数（図3横軸）を取得し，さらに当該発電機の停止後に巻線からコイルを取り出し絶縁破壊電圧を測定した結果（図3縦軸）が報告されており，これらを図3中にプロットした。また，発電機B固定子巻線からコイルバーを7本選択し，交流絶縁破壊電圧を測定し，その最低値を得ることにしたものの，部分放電試験において試験条件である定格線間電圧への昇圧中に絶縁破壊が発生したため，これを絶縁破壊電圧として記載し，あわせて下向き矢印を付記した。
注7)M. Kanegami, et al., International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis (CMD), No. 445, 2006. からデータを抜粋した。
注8)ボイドは，巻線の導体を絶縁するエポキシ・マイカ中の剥離を想定している。一般にボイドは熱や機械ストレスで成長し，電気ストレスでは成長しづらいことが知られている。

概要 （英文）

The stator-winding insulation of hydrogenerators is subjected to thermal, mechanical, and electrical stress. Partial discharge (PD) diagnosis is a key technique for assessing insulation conditions in generator stator windings during operation. Despite the widespread PD diagnosis, the impact of winding temperature on PD characteristics remains insufficiently understood. This study investigates the effect of winding temperature on PD magnitude and phase-resolved PD (PRPD) patterns in epoxy/mica-insulated stator windings. We conduct PD measurements on coil bars under controlled heating conditions and on operational hydrogenerators. The results indicate that the PRPD pattern of void discharges remains unaffected by the winding temperature, whereas PD magnitude decreases as the winding temperature increases. However, in aged windings, additional void discharges emerge at elevated temperatures, increasing PD magnitude. For PD diagnosis of winding insulation, PRPD patterns can be used without specific considerations for temperature variations. In contrast, PD magnitudes should be measured at a constant temperature to ensure accuracy. Furthermore, the temperature dependence of PD magnitude varies with insulation degradation. Therefore, we propose an insulation-degradation diagnostic method that utilizes the temperature dependence of PD magnitude.

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