ガスクロマトグラフィーが500kV以上の変圧器の故障を検出および診断する方法 [事例研究]

0 導入
絶縁油中の溶解ガス分析（DGA）は、大容量の油浸電力変圧器にとって重要な検査です。ガスクロマトグラフィーを使用することで、油充填電気機器の内部絶縁油の老化や変化をタイムリーに検出し、過熱や電気放電などの潜在的な故障を早期に特定し、その故障の深刻度、タイプ、発展傾向を正確に評価することができます。ガスクロマトグラフィーは、設備の安全かつ安定した運転を監視し確保するための不可欠な方法となり、関連する国際および国内基準[1,2]に組み込まれています。

1 事例研究
赫新変電所の第1主変圧器は、モデルA0A/UTH-26700で、電圧構成が525/√3 / 230/√3 / 35 kVです。これは1988年5月に製造され、1992年6月30日に運転されました。2006年9月20日、コンピュータ監視システムが「第1主変圧器の軽いガスリレー動作」を示しました。その後、運転員による点検では、35 kV側のB相の始端と終端ブッシングに亀裂と重度の油漏れがあり、ガスリレー内にガスが存在することが確認され、即座に停止が求められました。この事故以前には、定期的な電気試験と絶縁油モニタリング試験では異常は見られていませんでした。

2 ガスクロマトグラフィー分析と故障診断
停止後すぐに油とガスサンプルを採取してクロマトグラフィー試験を行いました。試験結果は表1と表2に示されています。結果は、変圧器油とガスリレーの両方で溶解ガス濃度が異常であることを示しました。クロマトグラフィーデータと平衡基準法を用いて、油とガスサンプルのガス濃度を総合的に分析しました。

表1 赫新変電所第1主変圧器B相の絶縁油のクロマトグラフィー記録 (μL/L)

表2 赫新変電所第1主変圧器B相のガスリレーからのガスのクロマトグラフィー記録 (μL/L)

使用中変圧器油の品質基準によれば、以下の溶解ガス濃度が500 kV変圧器の油で指定値を超える場合、注意が必要です：総炭化水素：150 μL/L；H₂：150 μL/L；C₂H₂：1 μL/L。変圧器油からアセチレン（C₂H₂）が12.13 μL/Lの濃度で検出され、注目閾値を超えて12倍以上でした。成分超過分析法[3]に基づき、変圧器内部に故障が存在すると初步的に判定されました。

特性ガスに基づくさらなる分析では、高エネルギー放電故障が示されました。φ(C₂H₂)は、過熱と電気放電を区別する主要指標です。IEC三比法を用いて計算された比は：
• φ(C₂H₂)/φ(C₂H₄) = 1.2,
• φ(CH₄)/φ(H₂) = 0.56,
• φ(C₂H₄)/φ(C₂H₆) = 6.6,
コード102となり、変圧器内部で高エネルギー放電（すなわちアーク）が発生したと初步的に結論付けられました。

平衡基準法[4]とガスリレー内のガス組成を用いて、ガスの異なる溶解度に基づいて理論的な油濃度を計算しました。油の理論的濃度と測定濃度の比αᵢを求めました（表2参照）。現場の経験によれば、通常条件下では、ほとんどの成分のαᵢ値は0.5〜2の範囲内にあります。しかし、突発的な故障時には、特性ガスは通常、αᵢ値が2よりも大幅に大きくなります。このケースでは、ガスリレー内のすべてのガス成分がαᵢ値が2よりも大幅に大きかったため、突発的な内部故障が示されました。

電気試験の結果、負荷分接タップチェンジャーの接触抵抗、巻線の直流抵抗、最大位相差はすべて許容範囲内でした。巻線間および地に対するリーク電流とその歴史的な比較でも異常はありませんでした。誘電損失と絶縁抵抗パラメータも正常でした。これらの結果は、全体的な湿気の侵入、主要な絶縁劣化、または広範な絶縁欠陥を排除し、主要な絶縁システムが健全であることを確認しました。

上記結果の総合的な分析に基づき、変圧器内部で突発的なアーク故障が発生したと結論付けられました。油中のCOとCO₂濃度は大きく増加していませんでしたが、総炭化水素レベルは上昇していましたが、まだ限界を超えていませんでした。これは、大規模な固体絶縁の関与はunlikelyであることを示唆しています。ただし、COと総炭化水素のαᵢ値が高いことから、局所的な固体絶縁の損傷を伴う突発的な放電故障が疑われます。

3 内部検査と対策
根本原因をさらに特定するために、変圧器を排液して検査しました。B相の2つの35 kVブッシングとライザーを取り外して検査したところ、コイル端プレートの電圧均等接地帯が焼け切れていました。タンクカバーを開けてみると、上部ヨークコイルプレートの絶縁支持が長期的な機械的ストレスにより損傷しており、2点接地を引き起こしていました。これにより循環電流が発生し、アークが発生して接地帯を焼き切っていました。大量かつ高速のガス生成により、内部圧力が大きく上昇し、放電点近くの2つの35 kVブッシングに亀裂と重度の油漏れが発生しました。検査結果は、クロマトグラフィー分析から得られた結論と完全に一致しました。

対策：
• 損傷した絶縁支持部品を交換する；
• 絶縁油の脱ガスとろ過を行う；
• 成功した受け入れ試験後に変圧器を正常運転に戻す；
• 運転監視を強化し、継続的な追跡と分析を通じて問題がないことを確認した上で、通常の管理を再開する。

4 結論
(1) 本研究では、ガスクロマトグラフィーを用いて、赫新変電所第1主変圧器B相の内部アーク故障を診断し、大容量電力変圧器の運転と故障診断に貴重な経験を提供しました。

(2) 変圧器のガスリレーが動作した場合、油とガスサンプルを採取してクロマトグラフィー分析を行うべきです。クロマトグラフィー結果、過去データ、平衡基準法、および絶縁試験を組み合わせることで、故障が内部か補助部品に関連しているか、またその性質、位置、または具体的な部品を特定できます。これにより、適時なメンテナンスが可能になり、設備の安全性が確保されます。

(3) 絶縁油のクロマトグラフィー分析は、油充填電気機器の安全運転を監視する最も効果的な手段の一つです。定期的なDGAにより、内部故障とその深刻度を早期に検出し、継続的に監視することができます。大型変圧器の安全運転と健康状態の把握を確保するため、電力業界の標準に従ってガスクロマトグラフィーを行い、必要に応じて試験頻度を増やすべきです。