高電圧並列コンデンサバンク故障診断ソリューション
1 故障後テスト診断項目
1.1 故障原因の特定とテストユニットの決定
ラックマウント型コンデンサバンクを例にとると、各個々のコンデンサユニットには通常、一次保護装置として放出型外部ヒューズが装備されています。単一のコンデンサが故障した場合、並列接続された他のコンデンサは故障点を通じて放電します。損傷したコンデンサのヒューズと溶断部は急速に破裂し、故障部分を隔離してバンクの継続的な動作を確保します。
しかし、コンデンサがオープン回路やその他の故障を発生しても、ヒューズが破裂せずに動作し続けることがあります。 重要な連鎖リスク: 隣接するヒューズの早期破裂により連鎖反応が引き起こされます。過剰なコンデンサの切断により、設計限界を超える不均衡が生じ、最終的にバンク全体のヒューズが故障します。たとえば、220kV変電所の10kVコンデンサバンクNo. 2 B相では、わずか14%の測定偏差を持つコンデンサがこのような連鎖を開始し、グループ全体のヒューズが故障しました。
結論: グループヒューズの破裂が発生した場合、各コンデンサは個別に検査およびテストを行う必要があります。
- 内部への湿気の侵入
- 部品の破損/ショートサーキット
- 絶縁劣化
これにより、不良ユニットを特定し、故障率を低減し、運転上の危険を排除することができます。
1.2 故障調査テスト項目の選択
1.2.1 外観検査
検査の焦点:
- 本体の清潔さ/滑らかさ
- 油漏れ、亀裂、放電痕跡
- 過熱、色褪せ
- 局所的な膨張/変形
これらの問題は、内部構造の変化、部品の損傷、または静電容量の漂移を示しており、これらは運転上のリスクを作り出します。特に色褪せは、過熱/故障分析のために分解が必要となり、検査の複雑性が増します。
1.2.2 端子-ケース間の絶縁抵抗測定
テストの目的: 湿度、劣化、または破壊による絶縁劣化を、抵抗値の低下を監視することで検出します。
制限事項: このテストは、他の欠陥が共存する場合にのみ補助的な参照として使用されます。
適用範囲:
- ✅ デュアル端子コンデンサで実施
- ❌ シングル端子コンデンサ（ケースが電極として機能）では不要
テスト方法は以下の通り:
1.2.3 静電容量測定
ラックマウント型コンデンサバンクは通常、電圧と静電容量の要件を満たすために、コンデンサ要素を直列並列配置しています。
- 静電容量の増加: 内部故障（ショートサーキット/破壊）により直列セグメントの減少を示します。湿気の侵入（水の高誘電率）または要素ヒューズのブローも静電容量の上昇を引き起こす可能性があります。
- 静電容量の減少: オープン回路、緩い接続、または内部ヒューズの動作により並列パスの減少を示します。 ⚠️ 重要なリスク: 健全な要素への電圧ストレスが増大し、故障が加速し、無効電力出力が減少します。
- 油漏れの影響: 油の誘電率が空気よりも高いため、測定可能な静電容量の漂移が生じます。
診断の重要性: 静電容量の偏差は直接内部の整合性を反映し、フィールドでのトラブルシューティングに重要です。
許容範囲: 名義値の±5%から+10%。
測定プロトコル:
- 残存電荷の干渉を排除
- 複数の静電容量ブリッジで繰り返し測定
- 偏差が続く場合:
- ヒューズリンクを切断
- 高電圧側の接続を外す
- 再測定。一貫した偏差は内部故障を確認します。
事例研究: 110kV変電所 10kV 11Aコンデンサバンク（ユニットB2）
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パラメータ |
値 |
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名目静電容量 (Cₓ) |
8.03 μF |
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高電圧接続時の測定値 (Cᵧ) |
10.04 μF |
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高電圧切断後の測定値 (Cᵧ) |
10.05 μF |
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偏差 |
+25.16% |
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結論: ユニットB2は許容限界を超えています → 故障。 |
1.3 交流耐電圧試験技術
目的: 主な絶縁の整合性（ブッシング/封止）を確認するために、短絡された端子とケース間に交流電圧を印加します。
試験値: 検出:
- 油量不足
- 内部湿気
- 損傷したブッシング
- 機械的欠陥
端子の取り扱い:
- 両端子を短絡
- 短絡された端子と接地されたケース間に電圧を印加
業界の注意: コンデンサの固有の高い端子-ケース間の絶縁強度により、定期的な交流耐電圧試験はしばしば不要です。
2. 静電容量測定方法の合理的な選択
一般的な技術:
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方法 |
典型的な使用例 |
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アンペアメータ/ボルトメータ (I/V) |
フィールド試験 ★ 推奨 |
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デジタル静電容量計 |
フィールド試験 |
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静電容量ブリッジ |
工場受入試験 |
I/V法の優位性:
- 電圧の利点: 印加される試験電圧 > コンデンサの動作電圧
- 隠れた故障の検出: 故障ポイントを活性化します。
- 失敗した要素が残留絶縁抵抗を持っている場合
- 静電容量計が偽の正常読みを示す場合
- 手順: 図2（電圧制御リアクタンス試験）を参照
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設備タグ番号 |
B2 |
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名目静電容量, Cₓ (μF) |
8.03 |
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高電圧リードを切断する前の測定値 Cᵧ (μF) |
10.04 |
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高電圧リードを切断した後の測定値 Cᵧ (μF) |
10.05 |
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名目値に対する偏差 (%) |
25.16% |
3. アンペアメータ/ボルトメータ試験の主要な技術的ポイント
3.1 標準に準拠した試験電源波形と周波数
- 電圧の選択: ≤5× 定格電圧（電源容量とメータの範囲に基づく）
- 周波数の安定性: 定常の正弦波形を維持
- 測定プロトコル:
- 定格値で電圧を安定させる
- 同期的に電圧、電流、周波数を記録
- 静電容量を計算:
Cx=I2πfVC_x = \frac{I}{2\pi f V}Cx=2πfVI - 重要な要件:
- 純粋な正弦波電圧（THD制限 ±3%）
- 周波数の変動 ≤±0.5%
- ライン電圧を好む（第3高調波を減少させる）
非準拠リスク >10% 測定誤差 コンデンサのXC∝1/fX_C \propto 1/fXC∝1/f 特性による。
3.2 高精度かつノイズ耐性のある計器の選択
- 最低仕様:
- 精度クラス: 0.5 以上
- 電磁適合性: IEC 61000-4準拠
- 事例研究 - 220kV変電所:
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計器 |
試験結果 |
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T51 AC/DCミリアンペアメータ |
84ユニットが20%以上の偏差を示す |
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T15 ACミリアンペアメータ |
偏差が制限内 |
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根本原因: T51は非線形負荷からのEMIに対して感受性があり、波形の歪みを引き起こす。 |
3.3 制御された電圧上昇プロトコル
- 健全なコンデンサの反応:
- 電圧の増加に伴う線形的な電流の上昇
- 故障の指標:
- 60V未満での電流の停滞 → 冷たいハンダ接合
- 60Vを超えた際の急激な電流の増加 → 弱い絶縁の破壊
安全上の重要な手順:
- 電圧を最大100 V/sの速度で上昇させる
- dIdV\frac{dI}{dV}dVdI勾配を継続的に監視
- 非線形の反応が検出された場合は中止
急速な電圧の適用は故障を隠蔽し、壊滅的な故障のリスクがあります。
3.4 安全手順
- 必須の予防措置:
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ステップ |
要件 |
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試験前後の放電 |
絶縁棒を使用して端子を接地（≥3回） |
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安全距離 |
放電中に≥0.7m |
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近接設備 |
3m以内にある場合は電源を切る |
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危険軽減: コンデンサは電源オフ後10分間、4倍の定格電圧に相当する危険な充電を保持します。 |
- 結論的なガイドライン
精度の決定要因:
A[試験精度] --> B[外観検査]
A --> C[電源品質]
A --> D[計器の選択]
A --> E[試験手法]
A --> F[安全実施]
現場で証明された実践:
- 試験前: 環境EMIレベルが<30V/mであることを確認
- 試験中:
- 電圧/電流波形を記録（オシロスコープ推奨）
- 25%、50%、75%、100%の電圧ステップでの線形性を確認
- 試験後:
- 2つの方法で静電容量を相互検証
- 過去のデータとの結果のトレンド分析
統計的な見解: コンデンサの故障の68%は湿気の侵入や電圧ストレスによるものであり、厳格な静電容量試験とIRモニタリングによって検出可能です。
運用上の推奨事項:
- 四半期ごとに静電容量偏差のトレンド分析を実施（±3%の警告閾値）
- IRIS（赤外線検査システム）を使用して熱異常を検出
- コンデンサバンクの不均衡保護を<5%設定に保つ
この包括的なプロトコルにより、電力網の信頼性が向上し、コンデンサバンクの故障率が≥37%削減されます（IEEE 1036の事例研究による）。
