JP2018166164A - モールド変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】モールド変圧器の美観を保ちつつ、光やＸ線の照射による劣化診断を簡易に行えるようにする。【解決手段】鉄心と、絶縁性の樹脂でモールド成形したモールドコイルを備え、該モールドコイルの表面に塗装が施されたモールド変圧器であって、前記モールドコイルの表面の一部に非塗装部が設けられ、前記非塗装部に、シールが貼り付けられているものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、モールド変圧器に関し、特に、モールド変圧器の劣化診断に関するものである。

変圧器のコイルを絶縁性の樹脂でモールド成形したモールド変圧器において、光或いはＸ線を照射して劣化診断を行う技術がある。

特許文献１には、光ファイバーを用いて波長の異なる２種類の光を変圧器のモールド樹脂に照射し、２波長間の反射吸光度差或いは反射吸光度比から劣化度を判定する技術が記載されている（実施例４参照）。

特開平１０−７４６２８号公報

変圧器のモールドコイルには外観の美観を保つために塗装が施されている。この塗装は光及びＸ線を透過することができないため、コイルの劣化診断を行う際、塗装を剥がして行わなければならない。また、塗装を剥がすにもエメリー紙などによる機械的剥離では表面状態が変化する可能性があり、また、美観を保つことができないという課題がある。特許文献１には、塗装については何ら記載されていない。

本発明は、コイルの美観を保ちつつ、光やＸ線の照射による劣化診断を簡易に行えるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、モールドコイル製作時に予め非塗装部を作成し、その部分に外観向上や測定部位の目印などとしてシールを張り付ける。

本発明のモールド変圧器の一例を挙げるならば、鉄心と、絶縁性の樹脂でモールド成形したモールドコイルを備え、該モールドコイルの表面に塗装が施されたモールド変圧器であって、前記モールドコイルの表面の一部に非塗装部が設けられ、前記非塗装部に、シールが貼り付けられていることを特徴とするものである。

本発明によれば、簡易に光、Ｘ線等の照射による劣化診断ができるようになる。また、エメリー紙などで塗装を剥がさなくても劣化診断ができるため、コイルの外観美観を保つことができる。さらに、同一箇所での劣化診断が可能なため、経年傾向が観察しやすくなる利点がある。

実施例１のモールド変圧器の斜視図である。 実施例２のモールド変圧器の斜視図である。 実施例３の三相のコイルの正面図である。 実施例４のモールド変圧器の斜視図である。 実施例５のモールド変圧器の斜視図である。 本発明のモールド変圧器の診断方法の一例を段階的に表すフローチャートである。 モールド変圧器における、通電部位と電気絶縁用樹脂モールドとの界面と、電気絶縁用樹脂モールドにかかる熱応力の分布を表す模式図である。 本発明のモールド変圧器の診断システムの一例を表すブロック構成図である。 電気絶縁用樹脂モールドの疲労寿命試験から得られた疲労寿命曲線の一例を表す図である。 疲労寿命曲線を用いて作成された、界面部にかかる応力と相当経過年数との関係の一例を表す図である。 本発明のモールド変圧器の診断方法の一例を示す図である。 電機絶縁用樹脂モールドを有するモールド変圧器の外観を示す図である。 本発明のモールド変圧器の診断システムの検査手段と表示手段の一例を示すブロック構成図である。 モールド変圧器の診断結果の表示方法の一例である。

以下、図面を用いて本発明のモールド変圧器の実施例を説明する。なお、実施例を説明するための各図において、同一の構成要素にはなるべく同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。

図１に、本発明の実施例１のモールド変圧器の斜視図を示す。図１は、三相三脚構造のモールド変圧器１００を示す。

図において、符号１は鉄心を、符号２は各相のコイルを、符号３は上部金具を、符号４は下部金具を示す。コイル２は、一次巻線および二次巻線を巻回したコイルを、絶縁性の樹脂でモールド成形したものである。モールドコイル２の表面には外観の美観を保つなどのために塗料による塗装が施されている。

本実施例のモールド変圧器においては、モールドコイル２の塗装部６の一部に非塗装部７が設けられている。非塗装部７は、最大応力の発生しやすいコイルの上部のコーナー部（角部、Ｒ部)に配置する。非塗装部７の大きさは、Ｘ線照射スポットの直径が最大４ｍｍ程度であるため、直径１０ｍｍ程度、すなわち直径４〜１５ｍｍとするのが好ましい。非塗装部７の形状は、光やＸ線を照射することから略円形が好ましく、楕円形や正方形でも良い。

非塗装部７には、汚れ防止や美観を保つなどのために、非塗装部７を覆うようにシール（被覆部材）８を張り付ける。シール８は、劣化診断時に剥がし易いものが好ましい。

モールド変圧器１００の劣化診断時には、シール８を剥がし、非塗装部７に光やＸ線を照射することにより、コイルのモールド樹脂の劣化診断を行う。光やＸ線を用いることにより、モールド変圧器の動作状態で、劣化診断を行うことができる。光やＸ線を用いた劣化診断方法の詳細については、特許文献１や実施例６などに記載されている。

本実施例によれば、モールドコイルの表面に非塗装部を設け、非塗装部を覆うようにシールを貼り付けたので、劣化診断時にシールを剥がすことにより、非塗装部に光やＸ線を照射して簡易に劣化診断を行うことができる。また、非塗装部にシールを貼り付けることにより、非塗装部の汚れを防ぐことができ、また、外観の美観を保つことができる。

図２に、本発明の実施例２のモールド変圧器の斜視図を示す。実施例２では、非塗装部７に貼り付けるシールとして、サーモラベルのようなコイルの温度が分かるものを使用する。サーモラベル８ａは、温度に応じて色が変わるものである。貼付け位置としては、樹脂の熱が溜まりやすく樹脂への熱応力が発生しやすい上部コーナー部とする。

本実施例によれば、サーモラベルのようなコイルの温度が分かるシールを使用したので、実施例１の効果に加えて、モールド変圧器の動作時の温度を観測することができる。

図３に、本発明の実施例３のモールド変圧器の正面図を示す。モールド変圧器の背面図も図３と同様である。実施例３では、各相のコイル２において、上部の４つのコーナー部（角部、Ｒ部)に非塗装部７を設ける。そして、実施例１と同様に、非塗装部７にシール８を貼り付ける。

本実施例によれば、各相のコイルにおいて、上部の４つのコーナー部に非塗装部を設けたので、実施例１の効果に加えて、キュービクル内に変圧器を収納したときなど、コイルをどのように収納しても、光やＸ線を用いた劣化診断を行うことができる。

図４に、本発明の実施例４のモールド変圧器の斜視図を示す。実施例４では、非塗装部７に貼り付けるシールとして、塗装部６の塗料の色とは異なる色のシール８ｂを使用する。塗料の色とは異なる色のシール８ｂを使用することにより、光やＸ線を照射する位置の特定が容易になる。

本実施例によれば、塗料の色とは異なる色のシールを使用することにより、実施例１の効果に加えて、劣化診断時に光やＸ線を照射する位置を容易に特定することができる。

図５に、本発明の実施例５のモールド変圧器の斜視図を示す。実施例５では、非塗装部７に貼り付けるシールとして、透明なシール８ｃを使用する。透明なシールを使用することにより、シールを剥がすことなく、光やＸ線を使用した劣化診断を行うことができる。

本実施例によれば、非塗装部に貼り付けるシールとして透明なシールを使用することにより、実施例１の効果に加えて、劣化診断時にシールを剥がすことなく、光やＸ線を照射する劣化診断を行うことができる。

本発明のモールド変圧器について、診断方法の例を、実施例６として、詳細に説明する。

（形態１）
図６は、本実施例のモールド変圧器の診断方法の一例を段階的に表すフローチャートである。

図６が示すように、本形態のモールド変圧器の診断方法は、診断に関する第１の工程（樹脂モールドの表層部にかかる応力の測定）、第２の工程(樹脂モールドの表層部にかかる応力の、通電部位との界面における応力への変換）、第３の工程(樹脂モールドの通電部位との界面における応力の、相当経過年数への変換)を含む。

図６に示されるように、診断結果１３を得るために、電気機器１１および電気機器が備える樹脂モールド材料の試験片１２それぞれに対する解析や試験、測定を行う。なお、電気機器が備える樹脂モールド材料の試験片１２は、実際に稼働する電気機器１１から直接切り出してきた試験片でも構わないし、これと全く同じ化学成分、複合材組成をもち、別途製造した樹脂材料の試験片であっても構わない。なお、本実施例においては、電気機器１１は、実施例１〜５で説明したモールド変圧器である。

図６に示す１１Ａから１１Ｃに至るフローは、電気機器１１に対する有限要素法による数値解析に関するものであり、実際に電気機器を診断する前に行い、結果をデータベースに格納しておく。具体的に、電気機器のモデル化１１Ａでは、電気機器の部品構造を基に有限要素モデリングを行う。電気機器のモデル化１１Ａで作成したモデルの各要素に対して、電気機器１１の各部位、例えば通電部位や樹脂モールドなどを実際に構成する材料の材料物性を入力する。ここで、材料物性とは、ヤング率やポアソン比などの力学物性、線膨張係数や熱伝導率などの熱物性である。

熱応力解析１１Ｂでは、電気機器のモデル化１１Ａで作成したモデルを用いて、電気機器１１の熱応力解析を行う。このとき、電気機器１１が通電負荷に曝されている状態を再現するため、モデル中の通電部位における電気抵抗と電圧を用いて、オームの法則から電流値を求め、次にジュールの法則から発熱量を求める。

この通電部位での発熱を考慮して、熱応力解析を行う。電気抵抗と電圧は、例えば通電部位がコイルの場合、コイルを構成する巻線の全長と、巻線の断面積から計算できる。熱応力解析１１Ｂを実施すると、電気機器１１が備える樹脂モールドにかかる応力の分布がわかる。得られた応力値には、通電部位の発熱が樹脂モールドに伝熱した際に生じる熱応力の他、樹脂モールドの形状に起因する残留応力も含まれる。

ここで、応力の分布とは、図７に示すように、通電部位２１と電気絶縁用樹脂モールド２２との界面部２３から、樹脂モールドの表層部２４に至るまでの各位置における応力の値を意味する。

図７は、応力の分布の模式図であり、分布から、界面部２３にかかる応力Ｓ１と、表層部２４にかかる応力Ｓ２をそれぞれ抽出する。図７では、表層部２４にかかる応力Ｓ２が、界面部２３にかかる応力Ｓ１よりも小さく示してあるが、表層部２４にかかる応力Ｓ２が、界面部２３にかかる応力Ｓ１よりも大きくとも構わないし、等しくとも構わない。

樹脂モールド応力比データベース１１Ｃでは、熱応力解析から得られた応力Ｓ１と応力Ｓ２との比、すなわちＳ１／Ｓ２の値を電気機器１１に固有の応力比として、データベース化する。前記の熱応力解析は、様々な寸法や、出力、通電状態などを有する電気機器１１に対して、実施する。それ故、熱応力解析から得た応力比は、データベース化に際し、電気機器１１の寸法、出力、使用環境、通電状態などによって関数化される。

ここで、使用環境とは、電気機器１１を動作させる場所の温度、湿度、大気汚染度などの情報を含み、通電状態とは、一年あたりの平均通電時間や、一日における電流ピーク値とそのホールド時間、電気機器の最大出力の何％で稼働させたか、などの情報を含む。

図６に示す１１Ａから１１Ｃに至るフローの他、１２Ａから１２Ｂに至るフローも、実際に電気機器を診断する前に行い、結果をデータベースに格納しておく。１２Ａから１２Ｂに至るフローは、電気機器が備える樹脂モールド材料の試験片１２に対する疲労寿命試験に関するものである。

具体的に、疲労寿命試験１２Ａでは、電気機器が備える樹脂モールド材料の試験片１２に対する疲労寿命試験を行う。疲労寿命試験は、電気機器が備える樹脂モールド材料の試験片１２を、例えば短冊状やダンベル状に加工し、加工した試験片の片方の末端を固定し、他方の末端に引っ張り荷重を与えることで行われる。

試験片のサイズは、例えばＪＩＳ Ｋ ７１３９規格などに従えばよい。引っ張り荷重は繰り返し与え、繰り返しの周波数や荷重の最大値は任意である。繰り返し引っ張り荷重を与えると、試験片は、ある繰り返し回数で破断する。

このような試験を、引っ張り荷重の最大値を変えながら複数回実施し、破断に至った繰り返し回数を横軸に、引っ張り荷重の最大値を縦軸にプロットすることで、疲労寿命曲線が得られる。

前記疲労寿命試験の結果得られる疲労寿命曲線は、指数関数形のＢａｓｑｕｉｎ則やＣｏｆｆｉｎ−Ｍａｎｓｏｎ則などの経験式に従い、横軸の破断に至った繰り返し回数を対数スケールにした場合に、応力値が減少する曲線となる。

前記経験則で疲労寿命曲線を近似した場合、切片から引っ張り強度が得られ、指数部から応力値の減衰の度合いを表す係数が得られ、すなわち２つの材料疲労定数が得られる。材料疲労定数データベース１２Ｂでは、この材料疲労定数を電気機器が備える樹脂モールド材料の試験片１２に固有な数値として、データベース化する。

前記の疲労寿命試験は、様々な材料組成などを有する電気機器が備える樹脂モールド材料の試験片１２に対して、実施することができる。それ故、疲労寿命試験から得た材料疲労定数は、データベース化に際し、電気機器が備える樹脂モールド材料の試験片１２の材料組成などによって関数化される。

ここで、材料組成とは、電気機器が備える樹脂モールド材料の試験片１２を構成する樹脂の主剤、硬化剤、着色剤、補強剤などの種類とその混合割合を意味する。

図６に示す１１Ａから１１Ｃに至るフローおよび１２Ａから１２Ｂに至るフローにより、電気機器１１を診断するための準備が整う。ここから、３つの診断の工程について説明する。

図６における＜第１の工程Ｓ１０１＞では、電気機器１１が備える電気絶縁用樹脂モールドの表層部２４にかかる応力Ｓ２を測定する。応力の測定は、非破壊検査手法によって行う。このとき、電気機器１１は、通電負荷状態にあっても構わないし、停電状態にあっても構わない。

得られる応力値には、通電部位の発熱が樹脂モールドに伝熱した際に生じる熱応力の他、樹脂モールドの形状に起因する残留応力も含まれる。非破壊検査は、例えばＸ線など放射光を用いた応力測定装置を用いて行う。Ｘ線などの放射光の照射は、実施例１〜５のモールド変圧器の非塗装部７に照射する。この場合には、樹脂モールドに複合化された無機充填材のＸ線回折から、応力を測定する。粉末状で複合化された無機充填材に作用する応力は、樹脂モールドそのものに負荷される応力とみなして構わない。

なぜならば、測定される応力値は、ミクロレベルでの無機充填材と樹脂母材との密着状態を反映するためである。具体的には、樹脂モールド成型時には、無機充填材と樹脂母材とはミクロレベルで強固に密着し、無機充填材と樹脂母材ともに等価でゼロでない応力が作用している。経年もしくは熱的負荷がかかると、無機充填材と樹脂母材との密着は弱くなり、やがて応力解放される。

従って、無機充填材に作用する応力を測定することにより、経年や熱的負荷によって変化する、電気機器１１が備える電気絶縁用樹脂モールドの表層部２４にかかる応力Ｓ２を測定することができる。

電気絶縁用樹脂モールドに複合化する無機充填材の粉末のミクロ構造は、規則的な原子配列を有する結晶質、原子配列が不規則な非晶質、どちらでも構わないが、Ｘ線による応力測定を行う場合には、明確な回折パターンを有する結晶質である必要がある。

結晶質の無機充填材としては、例えば、結晶性シリカ、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、炭酸カルシウム、酸化鉄、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化セシウムなどが挙げられる。また、無機充填材の配合量は任意である。

上記説明した第１の工程は、言い換えると、樹脂内部状態検査処理、表層部応力検査処理または界面応力検査処理であるということである。

＜第２の工程Ｓ１０２＞では、＜第１の工程Ｓ１０１＞で得た、電気機器１１が備える電気絶縁用樹脂モールドの表層部２４にかかる応力Ｓ２と、応力比データベース１１Ｃに蓄積された応力比（Ｓ１／Ｓ２）との積を計算し、通電部位との界面部２３にかかる応力Ｓ１に変換する。

前記の通り、応力比は、電気機器１の大きさや、出力、通電状態などによって関数化されているため、診断に供する電気機器の状況に見合った応力比を入力する。

＜第３の工程Ｓ１０３＞では、＜第２の工程Ｓ１０２＞で得た、通電部位と電気絶縁用樹脂モールドとの界面部２３にかかる応力Ｓ１を、疲労寿命曲線に当てはめ、応力負荷繰り返し回数に変換する。

疲労寿命曲線は、１２Ｂで得たデータベースにある２つの材料疲労定数を、指数関数形のＢａｓｑｕｉｎ則やＣｏｆｆｉｎ−Ｍａｎｓｏｎ則などの経験式に代入することで作成される。疲労寿命曲線に対し、界面部２３の応力Ｓ１を代入することで、その応力に対応した繰り返し回数が得られる。

前記の通り、電気機器が備える樹脂モールド材料の試験片１２の材料組成によって関数化されているため、診断に供する電気機器の状況に見合った材料疲労定数を入力する。

上記説明した第２の工程は、言い換えると、樹脂モールド応力特定処理、樹脂モールド内部応力特定処理、通電部応力特定処理または界面応力特定処理ということである。

＜第３の工程Ｓ１０３＞では、疲労寿命曲線から得られた繰り返し回数を、電気機器１１の相当経過年数に変換する。例えば、電気機器を最大出力で長期間使用し続け、樹脂モールドへの熱的負荷が繰り返されると、電気機器の製造日からの起算で実際に経過した年数よりも多くの年数を重ねた電気機器の状態と等しくなる。

相当経過年数とは、このような使用状況を加味した上で得られる、電気機器の使用における経過年数である。前記では、相当経過年数が実際の経過年数よりも長くなる例を示したが、例えば、電気機器を全く使用せずに保管した場合など相当経過年数が短くなる場合もある。

疲労寿命曲線から得られた繰り返し回数の相当経過年数への変換は、変換係数によって行う。例えば、電気機器を昼夜問わず連続運転した場合には、昼と夜との温度差によって熱応力の増減が一回起きる。

この場合、変換係数は、１日／回となる。疲労寿命曲線から得られた繰り返し回数にこの変換係数を乗じ、年単位とすることで、相当経過年数が得られる。

なお、第三の工程において、材料疲労定数データベースから得た材料疲労定数に基づいて、界面部にかかる応力と相当経過年数との関係を求めておき、この関係に、第２の工程で得られた表層部にかかる応力を当てはめて、相当経過年数を求めるようにしても良い。

また、電気機器の設計寿命から当該電気機器の相当経過年数を差し引くことで、余寿命を求めることができる。
余寿命とは、電気絶縁性を保証して安全に当該電気機器を使用できる残り年数を意味する。余寿命が負の値を示す場合には、当該電気機器が、既に設計寿命を超える状態に至っている。

上記説明した第３の工程は、言い換えると、相当経過年数特定処理、樹脂モールド相当年齢特定処理またはモールド変圧器の相当寿命特定処理ということである。

図８に、本形態のモールド変圧器の診断システムを表すブロック構成図を示す。電気機器の診断システムは、表層部応力測定装置３０と診断装置４０から構成されている。

表層部応力測定装置３０は、電気機器１１が備える電気絶縁用樹脂モールドの表層部２４にかかる応力Ｓ２を測定する装置であり、例えばＸ線回折から応力を測定するＸ線応力測定装置などを用いることができる。

診断装置４０は、界面部応力算出部４２、樹脂モールド応力比データベース４３、相当経過年数算出部４４、材料疲労定数データベース４５、表示部４６を備えている。樹脂モールド応力比データベース４３は、電気機器の部品構造を基に有限要素モデリングを行い、電気機器の熱応力解析を行って、表層部応力と界面部応力との応力比Ｓ１／Ｓ２を求めて、データベース化したものである。

また、材料疲労定数データベース４５は、電気機器が備える樹脂モールド材料の試験片に対して疲労寿命試験を行って疲労寿命曲線を求め、疲労寿命曲線から得られる材料疲労定数をデータベース化したものである。

界面部応力算出部４２は、表層部応力測定装置３０で測定した表層部応力Ｓ２と、樹脂モールド応力比データベース４３に蓄積された応力比との積を計算し、界面部にかかる応力Ｓ１を算出する。

相当経過年数算出部４４は、界面部応力算出部４２で求めた界面部応力を、材料疲労定数データベース４５の材料疲労定数に基づいて作成した疲労寿命曲線に当てはめて、応力負荷繰り返し回数を求める。

そして、応力負荷繰り返し回数を、電気機器の相当経過年数に変換する。表示部４６は、得られた電気機器の相当経過年数を表示する。表示部４６は、診断装置４０内に設けても良いし、診断装置とは別体の例えばタブレット端末などとし、これに診断装置から表示信号を伝送するようにしても良い。なお、図８では、表層部応力測定装置３０と診断装置４０とを、別の装置として記載したが、両装置を一体として一つの装置としても良い。

以上に説明したモールド変圧器の診断方法および診断システムは、モールド変圧器の故障を律する、モールド変圧器内部の通電部位と樹脂モールドとの界面部２３における樹脂モールドにかかる熱応力を基に、モールド変圧器の相当経過年数や余寿命を求める、高精度な診断技術を提供することができる。

次に、本形態をより具体的に説明する。

診断に供した変圧器は通電部位として銅線を巻いたコイルを、その周りには電気的絶縁のために樹脂モールドを備える。樹脂モールドは、エポキシ樹脂の複合材からなり、主な充填材として結晶性シリカを含む。

〔１〕熱応力解析による応力比の導出
モールド変圧器を有限要素でモデル化し、有限要素法による熱応力解析を行った。試験片を用いて、構成材料の力学物性、熱物性を予め測定しておき、各要素に割り当てた。熱応力解析では、コイルを構成する巻線の全長と、巻線の断面積から通電部位における発熱量を求め、樹脂モールドへの伝熱を考慮した。

結果として得られた、樹脂モールドにかかる応力の分布から、コイルとの界面部の樹脂モールドにかかる応力と、樹脂モールドの表層部の応力の比（Ｓ１／Ｓ２）を求めた。

表１には、寸法、出力、通電状態が異なる３つの変圧器に対する応力比の解析結果を記載した。No．1、No．2、No．3全ての変圧器は、通電での使用開始から１０年経過したものである。寸法には、コイル部の高さを代表値として示してある。

また、通電負荷率とは、変圧器の最大容量に占める、実使用上の負荷率の割合であり、この数値が大きいほど、発熱が大きく、よって熱応力の発生が顕著になる。表１のNo．1とNo．2の比較より、通電負荷率が大きいほど応力比が大きくなることがわかる。

また、No．2とNo．3の比較より、寸法が大きい場合に、応力比が大きくなることがわかる。表１は、樹脂モールド応力比データベース１１Ｃの一例である。

〔２〕疲労寿命試験による材料疲労定数の導出
表１に示した変圧器No．1、No．2、No．3が備える電気絶縁用樹脂モールドと同一の材料組成を有する複合樹脂試験片に対する疲労寿命試験を行った。試験片は、前記の通りプラスチック試験片のＪＩＳ規格に従い、ダンベル形状とした。

疲労寿命試験では、１０種類の応力値を設定し、それぞれの応力値において、繰り返し引っ張り試験を行うことで、樹脂試験片が破断に至る繰り返し回数を求めた。

図９には、疲労寿命試験から得た疲労寿命曲線を示す。疲労寿命曲線は、指数関数形のＢａｓｑｕｉｎ則でプロットされている。No．1、No．2曲線は切片110MPa、指数係数−0．04であり、No．3曲線は切片100MPa、指数係数−0．08である。

変圧器No．3に用いられる樹脂モールド材料は、変圧器No． 1、No． 2に用いられる樹脂モールド材料に比べ、材料疲労定数、すなわち、切片から得られる引っ張り強度と、指数部から得た応力値の減衰の度合いを表す係数ともに小さい。

これより、変圧器No． 3に用いられる樹脂モールド材料は、変圧器No．1、No．2に用いられる樹脂モールド材料に比べ、元々の引っ張り強度が小さいことに加え、繰り返し回数の増加に伴って、応力値の減少量が大きいことがわかる。表２に、得られた材料疲労定数データベース１２Ｂの一例を示す。

〔３〕モールド変圧器の診断
前記の〔１〕で得た応力比Ｓ１／Ｓ２と、〔２〕で得た材料疲労定数とを用いて、実際にモールド変圧器の診断を行った。

＜第１の工程＞まず、表層部応力測定装置で、変圧器No．1、No．2、No．3それぞれの電気絶縁用樹脂モールドの表層部に作用する応力を測定した。これらの樹脂モールドには、充填材として結晶性シリカが配合されている。そこで、Ｘ線回折応力測定法により、樹脂モールドの表層部に作用する応力を測定した。

＜第２の工程＞次に、界面部応力算出部で、〔１〕で得た応力比データベースに格納した応力比Ｓ１／Ｓ２を用いて、樹脂モールドの表層部に作用する応力を、樹脂モールドがモールドするコイルとの界面部の樹脂モールドに作用する応力に変換した。

＜第３の工程＞最後に、相当経過年数算出部で、〔２〕で得た材料疲労定数データベースに格納した材料疲労定数を用いて、樹脂モールドがモールドするコイルとの界面部の樹脂モールドに作用する応力を、疲労寿命曲線における繰り返し回数に変換した後、変換係数を用いて相当経過年数に変換した。

本実施例の変圧器は昼夜問わず連続運転しており、昼と夜との温度差によって熱応力の増減が１日に一回起きるため変換係数は、１日／回とした。相当経過年数を求めるには、予め作成した界面部にかかる応力と相当経過年数との関係を用いても良く、図１０にその一例を示す。表３には、変圧器No．1、No．2、No．3それぞれに対する診断結果をまとめた。

No．1とNo．2の比較より、同一の変圧器であっても、通電負荷率が大きいほど、樹脂モールドの界面部にかかる熱応力が大きくなるため、相当経過年数が大きくなることがわかる。また、No．2とNo．3の比較より、同一の通電負荷率であっても、変圧器の寸法が大きい場合に、樹脂モールドの界面部にかかる残留応力や熱応力が大きくなるため、相当経過年数が大きくなることがわかる。

前記の通り、No．1、No．2、No．3全ての変圧器は、通電での使用開始から１０年経過したものである。No．1の変圧器は実際の経過年数と相当経過年数はほぼ等しいと診断される。一方、No．2とNo．3の変圧器は、相当経過年数が実際の経過年数を超過していると診断される。

また、No．1、No．2、No．3全ての変圧器は、寿命３０年で設計してある。寿命３０年から相当経過年数を減算することにより、変圧器の余寿命は、No．1について、19．9年、No．2について15．2年、No．3について7．4年と計算することができ、変圧器の外部から、故障の要因となる内部界面の剥離や樹脂モールドの割れの前兆を数値化して、適切に診断することができる。

電気機器内部の通電部位と樹脂モールドとの界面の剥離や樹脂モールドの割れは、前記の通り、電気機器の運転中に自ずと印加される繰り返し熱応力による。上記の実施例は、電気機器の外側から目視することができない、通電部位と樹脂モールドとの界面の剥離や樹脂モールドの割れなどの前兆を直接的に知ることができ、電気機器の診断の高精度化が可能であることが示された。

（形態２）
図１１は、本実施例の、樹脂モールドの非破壊検査による検査方法の一例を示す図である。モールド変圧器１００は樹脂モールド１１０を有する。この樹脂モールド１１０を検査手段１２０によって撮像する様子が示されている。検査手段１２０からは光またはＸ線が照射され、樹脂モールド１１０から反射されている様子を示す。後述するモールド変圧器１００の寿命情報等が表示手段１５０に表示され、その表示結果を検査員２００が観察している。

図１２には、図１１に示す診断対象である樹脂モールド１１０を有するモールド変圧器１００の診断領域の一例を示す。後述する診断領域については、領域や分解能で行ってもよいが、ここでは、領域Ａ１１１と、領域Ｂ１１２と、領域Ｃ１１３として説明する。

図１１に示す検査手段１２０と表示手段１５０の構成の一例を図１３を用いて説明する。検査手段１２０を用いて樹脂モールド１１０の観察または撮像をする。検査手段１２０は検査として説明するが、撮像または撮影であってもよく、樹脂モールド１１０の表面状態を観察できる手段であればよい。

検査手段１２０は、樹脂モールド１１０の表面を撮像する検出部１２１と、撮像された樹脂モールドの画像を記憶する記憶部１２２と、記憶部１２２に記憶された樹脂モールド１１０の画像を用いて後述する相当経過年数を計算する制御部１２３と、通信手段１２４を有している。

また、必要に応じて、検査手段１２０に表示部１２５を有していてもよい。表示部１２５は検出部１２１によって取得した画像やデータを表示することや、通信部１２４から受信した情報を表示する。

検出部１２１は、モールド変圧器１００のコイルを覆うように形成された樹脂モールド１１０の表面を撮像する。記憶部１２２は、樹脂モールド１１０の表面の温度分布情報を記憶する。また、温度分布情報を用いずとも先に形態１で説明した方法を用いてもよい。

本形態では、撮像の方式は、樹脂モールド１１０の表面温度分布を観察するサーモグラフィを用いる。なお、本形態においては、表面温度分布が観察できればよく、サーモグラフィに限らず、被検査対象物から赤外線の波長を数値として取得することが可能な撮像方式であっても実施できる。

また、熱応力解析を用いた表面部応力の特定には、サーモグラフィのような樹脂モールド１１０全体の表面温度を測定することは必須でない。一部の温度を測定するだけでも、表層部応力を特定することができる。この場合は、例えば、レーザ光を照射した部分の温度が測定できれば実施できる。レーザ光に限られず、温度計等の手段で樹脂モールド１１０の温度を測定する方法を採用してもよい。このようなピンポイントの温度測定よりも広い面積を測定した方が、より精度の高い熱応力解析ができる。

ここで、検出部１２１は、モールド変圧器１００の運転中（稼動状態とも呼ぶ）に行うことで、樹脂モールド１１０の表面の温度分布を取得することができる。樹脂モールド１１０の表面温度分布から熱応力を算出するため、稼動時の温度分布を取得する必要があるからである。

熱応力解析の方法は、運転状態の樹脂モールド１１０の表面の温度分布用いて行う。形態１で説明した図６に示される樹脂モールド応力比データベース１１Ｃや熱応力解析１１Ｂを用いるとよい。

具体的には、検出部１２１が撮像した画像を、制御部１２３が表面温度分布を取得または変換し、その後、第１の工程Ｓ１０１、第２の工程Ｓ１０２、第３の工程Ｓ１０３の順に処理する。このような処理工程によりモールド１１０の寿命または劣化状態を特定する。

上記第１の工程Ｓ１０１から第３の工程Ｓ１０３は、検査手段１２０の制御部１５３または表示手段１５０の制御部１５３で行ってもよく、他の計算機等で行ってもよい。

表層部応力と界面部応力とを用いた余寿命または劣化状態を特定する原理を簡単に説明する。モールド変圧器１００の出荷時の樹脂モールド１１０は、コイルに対して収縮応力が生じている。この収縮応力は、コイルを覆った固化前の樹脂モールド１１０が固化する際に、収縮することにより生じる。コイルが絶縁部材である樹脂モールド１１０で覆われることで、絶縁性を維持することができる。

樹脂モールド１１０は、使用時間に合わせて樹脂が劣化するため、モールド変圧器１００の製造時から時間とともに収縮応力が減少していくこととなる。

また、モールド変圧器１００の稼動により樹脂モールド１１０が加熱され、その後、負荷率が下がることで冷却または放熱される。この際に、樹脂モールド１１０は、熱膨張と熱収縮とが生じ、コイルと樹脂モールド１１０との間の負荷応力（界面部応力）が変化することとなる。

これを繰り返すことで、樹脂モールド１１０のコイルを保持する力が弱くなり、樹脂モールド１１０の負荷応力は、製造時から徐々に下がっていくこととなる。

また、負荷応力が下がっていくとコイルと樹脂モールド１１０との間には、空隙ができ部分放電が生じる場合がある。部分放電の値が所定値を超えた場合には、モールド変圧器１００の交換が必要となる。また、部分放電は、樹脂モールド１１０内部のシリカが散乱等することによっても生じ得ると考えられる。

上記より、出荷時の樹脂モールド１１０の負荷応力と、変圧器の稼動状態、すなわち、樹脂モールドの熱収縮と熱膨張の状態を特定することによって、樹脂モールドとコイルとの空隙の値を換算し特定することができる。

制御部１２３は、記憶部１２２に記憶された樹脂モールド１１０の表面の温度分布情報を用いて、熱解析を行うことにより樹脂モールド１１０の表面部応力を算出する。形態１で説明した応力比を用いた界面部応力を特定する処理方法等を用いて、空隙を特定することができる。また、同一機種のコイルと樹脂モールド１１０との界面の空隙と界面部の応力を用いて特定するとよく、可能であれば過去に分解した際のデータと突き合わせるとより精確に空隙の量を特定することができる。

ここで、制御部１２３は、樹脂モールド１１０の表面の温度分布情報の特定も行ってもよい。例えば、検出部１２１が赤外線の波長を検出する手段を有している場合には、その波長と強度から温度分布情報へ計算や変換を行うことができる。

温度分布情報を用いて界面部応力を算出する方法の一例について説明する。まず、測定される変圧器について出荷時の界面部応力を特定する。界面部応力の測定は、熱応力解析を用いたものに限らず、同じ機種や型番の変圧器の樹脂モールドを解体して測定した界面部応力の実データとを比較して、測定対象の樹脂モールドとを比較し特定してもよい。

また、形態１と同様に、表層部応力と界面部応力を用いて、撮像されたモールド変圧器１００の相当経過年数（相当使用年数または実質変圧器年齢とも呼ぶ）を特定してもよい。

ここで、相当経過年数とは、実際にモールド変圧器１００が現実に使用された時間とは異なり、実使用環境から特定される使用状態を考慮した仮想の経過年数の概念である。

すなわち、モールド変圧器１００の耐用年数は所定の運転状態や使用負荷率を想定し特定されるが、所定の運転状態等に対して高い負荷率となる環境で使用を継続すると、相当経過年数を多く経過したものとし、所定の運転状態等に対して低い負荷率となる環境で使用を継続すると、相当経過年数は少ないとされる。
なお、所定の運転状態等に対して低い負荷率である場合には、熱応力による樹脂モールド１１０の劣化の影響が小さいことにより、相当経過年数が、実際の使用時間と一致する場合がある。

相当経過年数の概念を説明する一例として、変圧器の寿命を計算する際に用いられる負荷率に対して使用負荷率を１２０％で継続使用すると、相当経過年数も１２０％として経過されたと判断するということである。つまり、使用負荷率１２０％で１０年使用した変圧器は相当経過年数１２年ということである。

ここで、特定された相当経過年数は、図１１に示される表示手段１５０に表示する。必要に応じて検査手段１２０に表示してもよい。

表示手段１５０は、図１３に示すように、検査手段１２０や他の機器と通信する通信部１５４と、通信された情報を計算や演算等を行う制御部１５３と、制御部１５３で演算等された情報を記憶する記憶部１５２と、記憶部１５２に記憶された情報や通信された情報を表示する表示部１５５と、を有している。タッチパネルやキーボードやマウス等の入力手段を有していてもよい。

次に、相当経過年数等の表示方法を図１４を用いて説明する。
表示手段１５０の表示部１５５の上段左側の領域に、変圧器表面温度分布情報５００を表示している。また、表示部１５５の上段右側に、変圧器表面温度分布情報５００に対応する測定領域５０１と、表面温度５０２と、測定値５０３と、を表示する。

また、表示部１５５の下段には、測定したモールド変圧器１００の機種情報５１１と、変圧器のサイズ情報５１２と、応力勾配値情報５１３、実際の経過年数情報５１４（現実の経過年齢、現実の変圧器年齢とも呼ぶ）、相当経過年数情報５１５（実質変圧器年齢とも呼ぶ）が表示されている。これらの情報は全てを表示する必要はなく、少なくとも相当経過年数情報５１５が表示されていれば、実施できる。

また、変圧器表面温度分布情報５００は領域を大きく分割し、この例では３つの領域Ａ，Ｂ，Ｃを表示している。領域ごとに色やハッチング等を付し、表面温度を可視化することができる。

また、上段右側には、測定領域５０１の領域Ａ，Ｂ，Ｃの平均温度と、カーソル５０５の位置の温度と、を表面温度５０２に表示する。これらの表面温度情報から算出された表面部応力５０３を表示する。

カーソル５０５はタッチパネルの操作やカーソル５０５を操作することによって、移動し、カーソル５０５の位置の温度を適宜表示する。これによって変圧器表面面温度分布情報５００がカラーマップを用いた領域内の大まかな表面温度だけでなく、特定位置の詳細な表面温度を知ることができる。

下段には、表面部応力５０３と界面部応力５０４の情報を用いて特定された相当経過年数５１５を表示する。併せて、実際の経過年数５１４（変圧器の現実の使用時間）を表示する。これにより、現実の使用時間と変圧器の相当経過年数とを比較することができる。この場合は、診断したモールド変圧器１００が現実の使用時間よりも４年多く使用している状態であることを意味する。

また、表面部応力５０３の変化量を基にして特定された応力勾配率５１３を表示してもよい。応力勾配率は出荷時と測定時の変化量を示す。また、応力勾配率５１３は、界面部応力５０４を用いて特定してもよい。いずれの場合も応力勾配値５１３を表示することで、モールド変圧器１００の現実の使用時間に対する想定使用時間が進行する度合いを示すことができる。

この例では、耐用年数が３０年のモールド変圧器であった場合に、現実の使用時間が２５年であった際の測定であるが、その相当経過年数（実質変圧器年齢）は２９年であるため、交換時期が近いことがわかる。すなわち、測定対象のモールド変圧器１００は、現実の使用時間よりも想定使用時間が加算される環境下で使用されていたことがわかり、交換が必要なことをユーザに伝えることができる。よって、相当経過年数を用いてモールド変圧器の交換時期を知ることができる。

また、表面部応力５０３は表面温度５０２以外にも形態１のＸ線を用いた樹脂モールド１１０の表面部を観察することによって算出した表面部応力を表示してもよい。

さらに、変圧器温度分布情報５００と表面温度５０２とから測定領域内で温度の高い部分についてＸ線を用いて検査をすることで、より高精度の相当経過年数を特定することが可能となる。

さらに、モールド変圧器１００は所定の時間帯に所定の負荷状態で長期運用される場合が多いため、一日の樹脂モールド１１０の表面の温度分布をタイムラプス観察等の経時観察をすることで、これまでの樹脂モールドの熱応力をより精確な推定をすることができる。

また、モールド変圧器１００の負荷率（負荷状態）に応じた樹脂モールド１１０の表面の温度分布を取得すると、負荷率と表面温度分布との関係を特定でき、より精度の高い表面部応力を特定でき、ひいては精度の高い寿命診断を行うことができる。

また、検出部１２１の撮像と併せて外気温と比較することも可能である。この場合は、外気温と樹脂モールド１１０の表面温度分布との関係を求めることができ、精度の高い寿命診断に寄与することができる。

１…鉄心、２…コイル、３…上部金具、４…下部金具、６…塗装部、７…非塗装部、８…シール（被覆部材）、８ａ…サーモラベル、８ｂ…塗装部とは異なる色のシール、８ｃ…透明なシール、
１１…電気機器、１１Ａ…電気機器のモデル化、１１Ｂ…熱応力解析、１１Ｃ…樹脂モールド応力比データベース、１２…試験片、１２Ａ…疲労寿命試験、１２Ｂ…材料疲労定数データベース、１３…診断結果、
２１…通電部位、２２…電気絶縁用樹脂モールド、２３…界面部、２４…表層部、
３０…表層部応力測定装置、４０…診断装置、４２…界面部応力算出部、４３…樹脂モールド応力比データベース、４４…相当経過年数算出部、４５…材料疲労定数データベース、４６…表示部、
Ｓ１０１…第１の工程、Ｓ１０２…第２の工程、Ｓ１０３…第３の工程、
Ｓ１…界面部の応力、Ｓ２…表層部の応力、
１００…モールド変圧器、１１０…樹脂モールド、１１１…領域Ａ、１１２…領域Ｂ、１１３…領域Ｃ、１２０…検査手段、１２１…検出部、１５０…表示手段、１５５…表示部、２００…検査員。

Claims (14)

1. 鉄心と、絶縁性の樹脂でモールド成形したモールドコイルを備え、該モールドコイルの表面に塗装が施されたモールド変圧器であって、
   前記モールドコイルの表面の一部に非塗装部が設けられ、
   前記非塗装部に、シールが貼り付けられていることを特徴とするモールド変圧器。
2. 請求項１に記載のモールド変圧器において、
   前記シールは、剥ぎ取り可能であることを特徴とするモールド変圧器。
3. 請求項１に記載のモールド変圧器において、
   前記非塗装部は、前記モールドコイルの上部のコーナー部に設けたことを特徴とするモールド変圧器。
4. 請求項１に記載のモールド変圧器において、
   前記非塗装部は、直径４〜１５ｍｍの略円形であることを特徴とするモールド変圧器。
5. 請求項１に記載のモールド変圧器において、
   前記シールは、温度に応じて色が変化するシールであることを特徴とするモールド変圧器。
6. 請求項１に記載のモールド変圧器において、
   前記非塗装部は、各相のモールドコイルにおいて、上部の４つのコーナー部に設けられていることを特徴とするモールド変圧器。
7. 請求項１に記載のモールド変圧器において、
   前記シールは、塗装部の塗料の色とは異なる色のシールであることを特徴とするモールド変圧器。
8. 請求項１に記載のモールド変圧器において、
   前記シールは、透明なシールであることを特徴とするモールド変圧器。
9. 請求項１〜８の何れか１項に記載のモールド変圧器において、
   前記非塗装部は、光またはＸ線の照射用の非塗装部であることを特徴とするモールド変圧器。
10. 鉄心と、該鉄心に巻きまわされたコイルを有する変圧器であって、
    前記コイルの外周側は樹脂部材によって覆われており、
    前記樹脂部材は、表面に塗装領域と非塗装領域を有していることを特徴とする変圧器。
11. 請求項１０に記載の変圧器において、
    前記非塗装領域は、前記コイルの上部のコーナー部に配置されていることを特徴とする変圧器。
12. 請求項１０に記載の変圧器において、
    前記非塗装領域には、該非塗装領域を覆う被覆部材が設けられていることを特徴とする変圧器。
13. 請求項１２に記載の変圧器において、
    前記被覆部材は、剥ぎ取り可能であることを特徴とする変圧器。
14. 請求項１０〜１３の何れか１項に記載の変圧器において、
    前記非塗装領域は、光またはＸ線の照射用の非塗装領域であることを特徴とするモールド変圧器。

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