特許 6869499 変圧器内部異常および劣化の診断方法と診断装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6869499

(24)【登録日】2021年4月16日

(45)【発行日】2021年5月12日

(54)【発明の名称】変圧器内部異常および劣化の診断方法と診断装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/04 20060101AFI20210426BHJP

   G01H 13/00 20060101ALI20210426BHJP

   G01N 29/12 20060101ALI20210426BHJP

【ＦＩ】

   G01N29/04

   G01H13/00

   G01N29/12

【請求項の数】12

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2016-238501(P2016-238501)

(22)【出願日】2016年12月8日

(65)【公開番号】特開2018-96706(P2018-96706A)

(43)【公開日】2018年6月21日

【審査請求日】2019年4月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】596094577

【氏名又は名称】ユカインダストリーズ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】599016431

【氏名又は名称】学校法人 芝浦工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100141139

【弁理士】

【氏名又は名称】及川 周

(74)【代理人】

【識別番号】100147267

【弁理士】

【氏名又は名称】大槻 真紀子

(74)【代理人】

【識別番号】100178847

【弁理士】

【氏名又は名称】服部 映美

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100108578

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 詔男

(74)【代理人】

【識別番号】100094400

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 三義

(72)【発明者】

【氏名】小西 義則

(72)【発明者】

【氏名】加藤 雅道

(72)【発明者】

【氏名】松本 聡

【審査官】 越柴 洋哉

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６２−２２２６１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１７４３７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０９８３０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０１７３３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５３−０２２７８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０２１６１５７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０２６０７７８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 北川寛、外４名，「高経年変圧器のタンク振動の実測」，平成２８年電気学会電力・エネルギー部門大会論文集（ＣＤ−ＲＯＭ），２０１６年 ９月，p.385

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２９／００−２９／５２

Ｇ０１Ｈ １／００−１７／００

Ｇ０１Ｍ ５／００− ７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

コイル体を構成する巻線と鉄心とこれらを収容するタンクを備えた変圧器の内部異常および劣化の診断方法であって、
前記タンクが底壁と周壁と天板とからなる箱体であって、上下方向に延在する鉄心の周回りに巻線を巻回して前記コイル体が構成され、前記コイル体が上下に配置されたコイル押さえプレートにより上下方向から締め付けられ、締め付けられた前記コイル体が吊り金具により前記天板に吊り下げられて前記タンクの内部に収容された構成の前記変圧器に対し、
前記巻線に通電して前記変圧器を稼働している間に、前記変圧器の稼働に支障のない打撃力で前記タンクの天板をハンマーで叩いて得られる機械的振動であり、前記タンクの複数箇所に設置した振動検出器を用いて前記タンクの前記振動検出器設置位置毎に生じている機械的振動に基づき、前記変圧器稼働中の特徴ピークである電源周波数の整数倍の振動ピークと異なる振動ピークであって、前記振動検出器設置位置毎における固有振動数と前記変圧器内部の固有振動数が異なることに起因し生じている複数の振動ピークを観察し、
これら複数の振動ピークの中から、前記鉄心由来の振動ピークと、前記巻線由来の振動ピークと、前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークを区別して認識し、前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークの変化を観察することにより、前記変圧器の状態を解析することを特徴とする変圧器内部異常および劣化の診断方法。

【請求項2】

請求項１において求めた前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークに関し、健全な初期状態の変圧器における前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークと比較して稼働中の変圧器の状態を解析することを特徴とする請求項１に記載の変圧器内部異常および劣化の診断方法。

【請求項3】

実稼働状態の測定対象の前記変圧器のタンクの周壁の一部に領域を区画して該区画内の複数の位置に加速度センサを設置し、前記天板をハンマーで叩いて前記タンクの周壁から得られる振動を複数の位置毎に加速度センサの出力波形として計測し、これらの出力波形を高速フーリエ変換して横軸を周波数、縦軸に振幅をプロットして得た波形に現れる固有振動数のピークを解析し、前記健全な変圧器について同等手法により求めた固有振動数のピークと比較して稼働中の変圧器の状態を解析することを特徴とする請求項２に記載の変圧器内部異常および劣化の診断方法。

【請求項4】

コイル体を構成する巻線と鉄心とこれらを収容するタンクを備え、前記タンクが底壁と周壁と天板とからなる箱体であって、上下方向に延在する鉄心の周回りに巻線を巻回して前記コイル体が構成され、前記コイル体が上下に配置されたコイル押さえプレートにより上下方向から締め付けられ、締め付けられた前記コイル体が吊り金具により前記天板に吊り下げられて前記タンクの内部に収容された構成の変圧器の内部異常および劣化の診断装置であって、
稼働中の変圧器に対し前記タンクの複数箇所に装着されて該変圧器が発生する低周波数領域から可聴音領域（１Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）に至る振動に対し検出感度を有する複数の振動検出器と、
前記巻線に通電して前記変圧器を稼働している間に、前記変圧器の稼働に支障のない打撃力で前記タンクの天板をハンマーで叩いて得られる前記タンクの前記振動検出器設置位置毎に生じている機械的振動に基づき、前記変圧器稼働中の特徴ピークである電源周波数の整数倍の振動ピークと異なる振動ピークであって、前記振動検出器設置位置毎における固有振動数と前記変圧器内部の固有振動数が異なることに起因し生じている複数の振動ピークを観察する解析器と、
これら複数の振動ピークの中から、前記鉄心由来の振動ピークと、前記巻線由来の振動ピークと、前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークを区別して認識し、前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークの変化を観察することにより、前記変圧器の状態を解析する演算手段とを備えたことを特徴とする変圧器の内部異常および劣化の診断装置。

【請求項5】

前記演算手段に健全な変圧器の固有振動数の情報が記録され、前記振動検出器が検出した前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークと前記健全な変圧器における前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークを比較する能力を前記演算手段が備えたことを特徴とする請求項４に記載の変圧器の内部異常および劣化の診断装置。

【請求項6】

前記演算手段に記録された健全な変圧器の固有振動数の情報は、前記健全な変圧器の稼働状態のタンクの周壁の一部に領域を区画して該区画内の複数の位置に加速度センサを設置し、前記天板をハンマーで叩いて前記タンクの周壁から得られる振動を複数の位置毎に加速度センサの出力波形として計測し、これらの出力波形を高速フーリエ変換して横軸を周波数、縦軸に振幅をプロットして得た波形に現れる固有振動数のピークの解析結果であり、この情報と比較される測定対象の変圧器の固有振動数の情報が同等手法により測定対象の稼働状態の変圧器から得られた固有振動数のピークの解析結果であることを特徴とする請求項５に記載の変圧器の内部異常および劣化の診断装置。

【請求項7】

コイル体を構成する巻線と鉄心とこれらを収容するタンクを備えた変圧器の内部異常および劣化の診断方法であって、
前記タンクが底壁と周壁と天板とからなる箱体であり、上下方向に延在する鉄心の周回りに巻線を巻回して前記コイル体が構成され、前記コイル体が上下に配置されたコイル押さえプレートにより上下方向から締め付けられ、締め付けられた前記コイル体が吊り金具により前記天板に吊り下げられて前記タンクの内部に収容された構成の前記変圧器に対し、
前記変圧器を設置した建屋が建屋に設置された他の機器からの振動あるいは建屋近傍の環境雑音に起因する振動を受けて振動する建屋であって、この建屋からの振動が変圧器に伝達された場合の振動を前記タンクの周壁面に設置した振動検出器で検出し、
前記変圧器稼働中の特徴ピークである電源周波数の整数倍の振動ピークと異なる振動ピークであって、前記振動検出器設置位置毎における固有振動数と前記変圧器内部の固有振動数が異なることに起因し生じている複数の振動ピークを観察し、
これら複数の振動ピークの中から、前記鉄心由来の振動ピークと、前記巻線由来の振動ピークと、前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークを区別して認識し、前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークの変化を観察することにより、前記変圧器の状態を解析することを特徴とする変圧器内部異常および劣化の診断方法。

【請求項8】

請求項７において求めた前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークに関し、健全な初期状態の変圧器における前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークと比較して稼働中の変圧器の状態を解析することを特徴とする請求項７に記載の変圧器内部異常および劣化の診断方法。

【請求項9】

実稼働状態の測定対象の前記変圧器のタンクの周壁の一部に領域を区画して該区画内の複数の位置に加速度センサを設置し、前記建屋の振動に基づいて前記タンクの周壁から得られる振動を複数の位置毎に加速度センサの出力波形として計測し、これらの出力波形を高速フーリエ変換して横軸を周波数、縦軸に振幅をプロットして得た波形に現れる固有振動数のピークを解析し、前記健全な変圧器について同等手法により求めた固有振動数のピークと比較して稼働中の変圧器の状態を解析することを特徴とする請求項８に記載の変圧器内部異常および劣化の診断方法。

【請求項10】

コイル体を構成する巻線と鉄心とこれらを収容するタンクを備え、前記タンクが底壁と周壁と天板とからなる箱体であって、上下方向に延在する鉄心の周回りに巻線を巻回して前記コイル体が構成され、前記コイル体が上下に配置されたコイル押さえプレートにより上下方向から締め付けられ、締め付けられた前記コイル体が吊り金具により前記天板に吊り下げられて前記タンクの内部に収容された構成の変圧器の内部異常および劣化の診断装置であって、
建屋内に設置されて稼働されている変圧器に対し前記タンクの複数箇所に装着されて該変圧器が発生する低周波数領域から可聴音領域（１Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）に至る振動に対し検出感度を有する振動検出器と、
該振動検出器からの検出信号を受けて稼働中の変圧器に対する前記建屋から伝達された振動を含む変圧器振動の位相を基準とする機械的振動を求めて解析し、
前記タンクの前記振動検出器設置位置毎に生じている機械的振動に基づき、前記変圧器稼働中の特徴ピークである電源周波数の整数倍の振動ピークと異なる振動ピークであって、前記振動検出器設置位置毎における固有振動数と前記変圧器内部の固有振動数が異なることに起因し生じている複数の振動ピークを観察する解析器と、
これら複数の振動ピークの中から、前記鉄心由来の振動ピークと、前記巻線由来の振動ピークと、前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークを区別して認識し、前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークの変化を観察することにより、前記変圧器の状態を解析する演算手段とを備えたことを特徴とする変圧器の内部異常および劣化の診断装置。

【請求項11】

前記演算手段に健全な変圧器の固有振動数の情報が記録され、前記振動検出器が検出した前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークと前記健全な変圧器における前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークを比較する能力を前記演算手段が備えたことを特徴とする請求項１０に記載の変圧器の内部異常および劣化の診断装置。

【請求項12】

前記演算手段に記録された健全な変圧器の固有振動数の情報は、前記健全な変圧器の稼働状態のタンクの周壁の一部に領域を区画して該区画内の複数の位置に加速度センサを設置し、前記建屋の振動に基づいて前記タンクの周壁から得られる振動を複数の位置毎に加速度センサの出力波形として計測し、この出力波形を高速フーリエ変換して横軸を周波数、縦軸に振幅をプロットして得た波形に現れる固有振動数のピークの解析結果であり、この情報と比較される測定対象の変圧器の固有振動数の情報が同等手法により測定対象の稼働状態の変圧器から得られた固有振動数のピークの解析結果であることを特徴とする請求項１１に記載の変圧器の内部異常および劣化の診断装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は変圧器内部異常および劣化を、稼働中の変圧器を停止することなく容易に診断できる方法と装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電力設備の長期運用が求められる中、電力設備の異常診断や劣化診断技術の更なる高度化が求められている。
近年、変圧器の診断に電気信号に対する周波数応答解析（ＦＲＡ）の適用が検討されているが、稼働中の変圧器を診断するのは困難であるといった課題がある。また、ＦＲＡは巻線の偏心や座屈といった変形や位置ずれによって変化する巻線インピーダンスなどの周波数特性を検知する方法であり、機器の予防保全の観点からは、変形や位置ずれが生じる前の締付け力低下を捉える診断手法が望まれる。

【0003】

機械の設備診断として、機械的振動を測定し解析する手法が一般的に用いられている。この振動解析手法はモーダル解析とも称され、変圧器の機械的振動について騒音低減の観点において古くから検討されており、近年では巻線の緩みや変形を検知する手段としても研究されている。
変圧器の主な機械的振動はコイル間に働くローレンツ力や鉄心に働く磁歪現象などが起因しており、電源周波数の整数倍の周波数成分を持っている。そこで、これまでは稼働中の変圧器振動データのうち電源周波数の整数倍（以下、電源系周波数と呼ぶ）の振動振幅の変化のみが注目されてきた。

【0004】

機械的振動の発生源である鉄心および巻線（以下、変圧器中身と呼ぶ）の振動は、固体(変圧器タンクの天板から側板へ、底板から側板へ)または液体(絶縁油)を介してセンサを取り付けた変圧器タンクの壁面を震わせる。そこで、稼働中の変圧器を外部から診断する場合、変圧器タンク壁面にセンサを設置するが、センサの取り付け位置がタンク壁面でわずかに異なると振動振幅が大きく変化することが報告されており、診断の障害となる問題がある。

【0005】

変圧器において、巻線を銅線とスペーサプレスボードが交互に重なったバネのような構造と見立てて、その固有振動数を計算した結果がいくつかの論文より報告されている。また、同様に鉄心の固有振動数の計算結果も報告されている。それらの固有振動数（以下、機械系振動数と呼ぶ）は共鳴現象を避けるために電源系周波数とは異なるように変圧器が設計されている。

【0006】

機械系振動は変圧器中身の巻線などの締付け力変化や変圧器中身の構造物の変位を反映すると考えられ、そのトレンドを監視することで変圧器の異常や劣化を診断することができると期待できる。
そのような観点で本発明者らは、稼働状態の変圧器振動について振動検出器と電子回路またはソフトウエアを用いた信号処理による手段を用いて、稼働状態の変圧器の振動応答を解析する技術について研究している。例えば、変圧器に負荷されている通電電流により生じる電磁力に起因して稼働中の変圧器から発生する種々の振動の固有振動数を直接測定するか、もしくは変圧器に対する通電電流による加振力の位相を基準とする変圧器振動の位相、またはその両方を求め、稼働状態の変圧器の振動応答を解析する技術について研究している。
また、以下の特許文献１では、変圧器に励磁突入電流（定格電流の数倍）を流し、それにより発生する電磁機械力を用いて衝撃力を与え、発生音に基づいて診断する方法を提案している。
以下の特許文献２では、所定の周波数範囲で励磁周波数を段階的に変化させて鉄心と巻線を加振して変圧器の固有振動数を測定する方法が記載されている。特許文献２の場合、各加振周波数に対する変圧器騒音レベルを測定し、周波数応答関数を得ている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第５６９１２９８号公報

【特許文献2】特開２００８−８２７７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

先の特許文献１、２に記載の技術では変圧器に負荷電流ではない電流を流すか、励磁周波数を変更する必要があり、稼働中の変圧器の状態のままでは診断できない問題がある。
次に、先に説明した本発明者らが研究中の技術によれば、稼働中の変圧器に流れる通電電流や印加電圧により生じる電磁力に起因して発生する変圧器振動を測定するが、変圧器に流れる通電電流が小さくて、生じる電磁力が小さい場合、変圧器中身から発生する振動が小さくてタンク壁面で変圧器中身の振動を捉えることが難しい問題があった。
また、変圧器の用途によっては、通電電流を大きくしたり、印加電圧を大きくしたりすることで、変圧器中身に生じる電磁力を大きくし、変圧器中身の振動を大きくすることでタンク壁面の振動を大きくできる場合もあるが、稼働中の変圧器の場合、振動測定のために安易に通電電流や電圧を変更することは難しい問題があった。

【0009】

よって、本発明の課題は、稼働状態の変圧器の異常や劣化を診断するための変圧器診断技術において、通電電流や印加電圧が小さくても変圧器中身を確実に振動させ、タンクの周壁に設置した振動センサで変圧器中身の振動を確実に捉えることができ、これに基づいて変圧器を診断することができる方法と装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の変圧器内部異常および劣化の診断方法は、コイル体を構成する巻線と鉄心とこれらを収容するタンクを備えた変圧器の内部異常および劣化の診断方法であって、前記タンクが底壁と周壁と天板とからなる箱体であって、上下方向に延在する鉄心の周回りに巻線を巻回して前記コイル体が構成され、前記コイル体が上下に配置されたコイル押さえプレートにより上下方向から締め付けられ、締め付けられた前記コイル体が吊り金具により前記天板に吊り下げられて前記タンクの内部に収容された構成の前記変圧器に対し、前記巻線に通電して前記変圧器を稼働している間に、前記変圧器の稼働に支障のない打撃力で前記タンクの天板をハンマーで叩いて得られる機械的振動であり、前記タンクの複数箇所に設置した振動検出器を用いて前記タンクの前記振動検出器設置位置毎に生じている機械的振動に基づき、前記変圧器稼働中の特徴ピークである電源周波数の整数倍の振動ピークと異なる振動ピークであって、前記振動検出器設置位置毎における固有振動数と前記変圧器内部の固有振動数が異なることに起因し生じている複数の振動ピークを観察し、これら複数の振動ピークの中から、前記鉄心由来の振動ピークと、前記巻線由来の振動ピークと、前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークを区別して認識し、前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークの変化を観察することにより、前記変圧器の状態を解析することを特徴とする。
本発明の診断方法は、先において求めた前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークに関し、健全な初期状態の変圧器における前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークと比較して稼働中の変圧器の状態を解析することを特徴とする。

【0011】

本発明の診断方法において、実稼働状態の測定対象の前記変圧器のタンクの周壁の一部に領域を区画して該区画内の複数の位置に加速度センサを設置し、前記天板をハンマーで叩いて前記タンクの周壁から得られる振動を複数の位置毎に加速度センサの出力波形として計測し、これらの出力波形を高速フーリエ変換して横軸を周波数、縦軸に振幅をプロットして得た波形に現れる固有振動数のピークを解析し、前記健全な変圧器について同等手法により求めた固有振動数のピークと比較して稼働中の変圧器の状態を解析することが好ましい。

【0012】

本発明の診断装置は、コイル体を構成する巻線と鉄心とこれらを収容するタンクを備え、前記タンクが底壁と周壁と天板とからなる箱体であって、上下方向に延在する鉄心の周回りに巻線を巻回して前記コイル体が構成され、前記コイル体が上下に配置されたコイル押さえプレートにより上下方向から締め付けられ、締め付けられた前記コイル体が吊り金具により前記天板に吊り下げられて前記タンクの内部に収容された構成の変圧器の内部異常および劣化の診断装置であって、稼働中の変圧器に対し前記タンクの複数箇所に装着されて該変圧器が発生する低周波数領域から可聴音領域（１Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）に至る振動に対し検出感度を有する複数の振動検出器と、前記巻線に通電して前記変圧器を稼働している間に、前記変圧器の稼働に支障のない打撃力で前記タンクの天板をハンマーで叩いて得られる前記タンクの前記振動検出器設置位置毎に生じている機械的振動に基づき、前記変圧器稼働中の特徴ピークである電源周波数の整数倍の振動ピークと異なる振動ピークであって、前記振動検出器設置位置毎における固有振動数と前記変圧器内部の固有振動数が異なることに起因し生じている複数の振動ピークを観察する解析器と、これら複数の振動ピークの中から、前記鉄心由来の振動ピークと、前記巻線由来の振動ピークと、前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークを区別して認識し、前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークの変化を観察することにより、前記変圧器の状態を解析する演算手段とを備えたことを特徴とする。
本発明の診断装置において、前記演算手段に健全な変圧器の固有振動数の情報が記録され、前記振動検出器が検出した前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークと前記健全な変圧器における前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークを比較する能力を前記演算手段が備えたことが好ましい。

【0013】

本発明の診断装置において、前記演算手段に記録された健全な変圧器の固有振動数の情報は、前記健全な変圧器の稼働状態のタンクの周壁の一部に領域を区画して該区画内の複数の位置に加速度センサを設置し、前記天板をハンマーで叩いて前記タンクの周壁から得られる振動を複数の位置毎に加速度センサの出力波形として計測し、これらの出力波形を高速フーリエ変換して横軸を周波数、縦軸に振幅をプロットして得た波形に現れる固有振動数のピークの解析結果であり、この情報と比較される測定対象の変圧器の固有振動数の情報が同等手法により測定対象の稼働状態の変圧器から得られた固有振動数のピークの解析結果であることが好ましい。

【0014】

本発明の診断方法は、コイル体を構成する巻線と鉄心とこれらを収容するタンクを備えた変圧器の内部異常および劣化の診断方法であって、前記タンクが底壁と周壁と天板とからなる箱体であり、上下方向に延在する鉄心の周回りに巻線を巻回して前記コイル体が構成され、前記コイル体が上下に配置されたコイル押さえプレートにより上下方向から締め付けられ、締め付けられた前記コイル体が吊り金具により前記天板に吊り下げられて前記タンクの内部に収容された構成の前記変圧器に対し、前記変圧器を設置した建屋が建屋に設置された他の機器からの振動あるいは建屋近傍の環境雑音に起因する振動を受けて振動する建屋であって、この建屋からの振動が変圧器に伝達された場合の振動を前記タンクの周壁面に設置した振動検出器で検出し、前記変圧器稼働中の特徴ピークである電源周波数の整数倍の振動ピークと異なる振動ピークであって、前記振動検出器設置位置毎における固有振動数と前記変圧器内部の固有振動数が異なることに起因し生じている複数の振動ピークを観察し、これら複数の振動ピークの中から、前記鉄心由来の振動ピークと、前記巻線由来の振動ピークと、前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークを区別して認識し、前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークの変化を観察することにより、前記変圧器の状態を解析することを特徴とする。
本発明の診断方法において、先において求めた前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークに関し、健全な初期状態の変圧器における前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークと比較して稼働中の変圧器の状態を解析することができる。

【0015】

本発明の診断方法において、実稼働状態の測定対象の前記変圧器のタンクの周壁の一部に領域を区画して該区画内の複数の位置に加速度センサを設置し、前記建屋の振動に基づいて前記タンクの周壁から得られる振動を複数の位置毎に加速度センサの出力波形として計測し、これらの出力波形を高速フーリエ変換して横軸を周波数、縦軸に振幅をプロットして得た波形に現れる固有振動数のピークを解析し、前記健全な変圧器について同等手法により求めた固有振動数のピークと比較して稼働中の変圧器の状態を解析することが好ましい。

【0016】

本発明の変圧器内部異常および劣化の診断装置は、コイル体を構成する巻線と鉄心とこれらを収容するタンクを備え、前記タンクが底壁と周壁と天板とからなる箱体であって、上下方向に延在する鉄心の周回りに巻線を巻回して前記コイル体が構成され、前記コイル体が上下に配置されたコイル押さえプレートにより上下方向から締め付けられ、締め付けられた前記コイル体が吊り金具により前記天板に吊り下げられて前記タンクの内部に収容された構成の変圧器の内部異常および劣化の診断装置であって、建屋内に設置されて稼働されている変圧器に対し前記タンクの複数箇所に装着されて該変圧器が発生する低周波数領域から可聴音領域（１Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）に至る振動に対し検出感度を有する振動検出器と、該振動検出器からの検出信号を受けて稼働中の変圧器に対する前記建屋から伝達された振動を含む変圧器振動の位相を基準とする機械的振動を求めて解析し、前記タンクの前記振動検出器設置位置毎に生じている機械的振動に基づき、前記変圧器稼働中の特徴ピークである電源周波数の整数倍の振動ピークと異なる振動ピークであって、前記振動検出器設置位置毎における固有振動数と前記変圧器内部の固有振動数が異なることに起因し生じている複数の振動ピークを観察する解析器と、これら複数の振動ピークの中から、前記鉄心由来の振動ピークと、前記巻線由来の振動ピークと、前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークを区別して認識し、前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークの変化を観察することにより、前記変圧器の状態を解析する演算手段とを備えたことを特徴とする。
本発明の診断装置において、前記演算手段に健全な変圧器の固有振動数の情報が記録され、前記振動検出器が検出した前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークと前記健全な変圧器における前記天板と前記鉄心と前記巻線が一体となった構造物由来の振動ピークを比較する能力を前記演算手段が備えたことを特徴とする。

【0017】

本発明の診断装置において、前記演算手段に記録された健全な変圧器の固有振動数の情報は、前記健全な変圧器の稼働状態のタンクの周壁の一部に領域を区画して該区画内の複数の位置に加速度センサを設置し、前記建屋の振動に基づいて前記タンクの周壁から得られる振動を複数の位置毎に加速度センサの出力波形として計測し、これらの出力波形を高速フーリエ変換して横軸を周波数、縦軸に振幅をプロットして得た波形に現れる固有振動数のピークの解析結果であり、この情報と比較される測定対象の変圧器の固有振動数の情報が同等手法により測定対象の稼働状態の変圧器から得られた固有振動数のピークの解析結果であることが好ましい。

【発明の効果】

【0018】

本発明の診断方法と診断装置によれば、稼働中の変圧器を停止せずともインパクト試験を利用するか環境振動を利用することにより、天板と鉄心と巻線が一体となった構造物の振動ピークを他の振動ピークと区別し、把握して観察し、稼働状態のまま内部異常および劣化を外部診断できるようになる。
また、従来の電気的振動における周波数応答解析では、鉄心やコイルが実際にずれを生じたあとで異常が診断されるが、本発明に係る診断方法と診断装置によれば、コイル巻線の締付け力低下などを原因とする固有振動も診断することができるので、実際にずれが生じる前に異常を把握できる診断方法であり、変圧器の予防保全の方法としても優れた診断方法と診断装置である。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明に係る変圧器の異常および劣化を診断する装置の第１実施形態を示す構成図。

【図2】試験に適用した変圧器のタンク概要を示す斜視図。

【図3】図２に示す変圧器のタンクに収容されているコイル体、巻線、鉄心、ヨーク、ヨーク押さえ、吊り金具などの構造を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図。

【図4】図２に示す変圧器のタンクの上部右側壁に加速度センサを取り付ける区分位置を示す説明図。

【図5】図２に示す変圧器のタンクに収容されている鉄心が示す振動モードの例を示すもので、（Ａ）はねじりモードを示す斜視図、（Ｂ）は曲げモード１を示す斜視図、（Ｃ）は曲げモード２を示す斜視図。

【図6】稼働中の変圧器のタンクに対し振動測定した結果と変圧器のタンクの側面をハンマーで打撃した場合の振動測定結果を対比して示すグラフ。

【図7】無負荷状態で稼働中の変圧器の励磁電流を切り、変圧器を停止させた場合に得られた停止前後の振動データのウォーターフォール図。

【図8】変圧器を負荷率１０％で稼働中に変圧器下のコンクリート台において振動測定した結果と変圧器設置室に隣接する別室の床において振動測定した結果を対比して示すグラフ。

【図9】変圧器を設置した建屋において変圧器の側壁と対向する壁面に取り付けた加速度センサが計測した変圧器稼働中（無負荷）の振動測定結果と変圧器停止後の同センサが計測した振動測定結果を対比して示すグラフ。

【図10】壁振動の測定結果を示すウォーターフォール図。

【図11】変圧器を解体し、天板にセンサを設置し天板にハンマーにより打撃を加えた場合の試験結果（ＦＦＴ結果）を示すグラフ。

【図12】解体前に変圧器停止中のタンク側壁面にハンマーにより打撃を加えた場合の試験結果（ＦＦＴ結果）を示すグラフ。

【図13】変圧器を解体し、天板にセンサを設置し鉄心にハンマーにより打撃を加えた場合の試験結果（ＦＦＴ結果）を示すグラフ。

【図14】変圧器を解体し、天板にセンサを設置し巻線にハンマーにより打撃を加えた場合の試験結果（ＦＦＴ結果）を示すグラフ。

【図15】変圧器を解体する際、天板と締め付け具を外してセンサを巻線に直に設置し、巻線にハンマーにより打撃を加えた場合の試験結果（ＦＦＴ結果）を示すグラフ。

【図16】変圧器のタンクの側面３２箇所について実稼働状態で測定した結果を高速フーリエ変換（ＦＦＴ変換）したデータを周波数毎に平均した結果を示すグラフ。

【図17】図１１に示すグラフの試験結果について横軸周波数（０〜１２０Ｈｚ）を拡大して示すグラフ。

【図18】図１３に示すグラフの試験結果について横軸周波数（０〜１２０Ｈｚ）を拡大して示すグラフ。

【図19】図１４に示すグラフの試験結果について横軸周波数（０〜１２０Ｈｚ）を拡大して示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0020】

＜第１実施形態＞
以下、本発明に係る変圧器の異常および劣化の診断方法と診断装置の第１実施形態について油入変圧器の場合を例にとり、図面に基づき説明する。
図１は変圧器の異常および劣化を診断する装置の第１実施形態を示す構成図であり、本実施形態の診断装置Ａは、一例として図２、図３に示す構造の油入変圧器１の異常および劣化を診断する装置である。
この例の変圧器１は、図２に示す金属製のタンク３１の内部に図３に示す巻線型のコイル体３が３基それらの中心軸を上下に向けて収容され、タンク３１の内部に絶縁油が満たされてなる。各コイル体３の中心部にケイ素鋼板などの磁性体からなる鉄心５が挿通され、各鉄心５は各々の上下両端部においてケイ素鋼板などを積層した磁性体からなるロッド状のヨーク６にそれぞれ一体化されている。３本の鉄心５（３脚鉄心）の周囲にそれぞれ巻線４を設けることで３つのコイル体３が形成されている。
なお、この実施形態の変圧器１は３相交流用であるので、３つのコイル体３はそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相を構成するが、変圧器に収容されるコイル体３の数は３つに限らず、いずれの数のコイル体を備えた変圧器であっても本実施形態を適用できるのは勿論である。

【0021】

図３に示すように、変圧器１において、３つのコイル体３を個々に上下から挟むようにコイル押さえプレート７が設けられ、上下のコイル押さえプレート７、７を貫通してこれらを締め付けるための軸方向締付ボルト８が複数設けられている。この実施形態では軸方向締付ボルト８が３つ並列されたコイル体３の厚さ方向両側にそれぞれ４本ずつ設けられ、軸方向締付ボルト８の下端は下方のコイル押さえプレート７を貫通してその下方側にまで延出され、軸方向締め付けボルト８の上端は上方のコイル押さえプレート７を貫通してその上方側にまで延出されている。軸方向締め付けボルト８がコイル押さえプレート７を貫通した部分には図示略のねじ部が形成され、このねじ部に対し軸方向締め付けボルト８のねじ込み具合を調整することで上下に対向するコイル押さえプレート７、７の間隔を調整することができる。これにより、上下に対向するコイル押さえプレート７、７によってコイル体３に上下方向から所定の締め付け力が付加されている。コイル押さえプレート７はプレスボードなどの木材から構成されている。

【0022】

図３（Ａ）に示すように上部側のヨーク６はその厚さ方向両側（図３（Ａ）の上下方向両側）に配置された上部ヨーク押さえ金具１０、１０に挟まれ、これらを緊結するための上部ヨーク押さえボルト１１によって拘束され、締め付け力が付加されている。また、上部ヨーク押さえ金具１０、１０の両端側（図３の左右両端側）には帯板状の吊り金具１２が取り付けられ、コイル体３、鉄心５、ヨーク６などが一体化された状態で吊り金具１２によってタンク３１の天板３１Ａに吊り下げられている。
また、下部側のヨーク６も上部側のヨーク６と同様に下部押さえ金具１０や下部ヨーク押さえボルト（図示略）により拘束されている。

【0023】

本実施形態においてコイル体３は、図示略の外側コイルと内側コイルからなり、外側コイル（１次コイル）は外巻線（１次巻線）と絶縁スペーサー（固体絶縁物）を上下に積層した積層体を上部絶縁体と下部絶縁体により挟み付けて構成されている。コイル体３の内側コイル（２次コイル）は内巻線（２次巻線）と絶縁スペーサー（固体絶縁物）を上下に積層した積層体を上部絶縁物と下部絶縁物で挟み付けて構成されている。
前述の構造により各コイル体３にはコイル押さえプレート７により上下から締め付け力が作用され、この締め付け状態でコイル体３はタンク３１内で吊り下げられて図示略の絶縁油に浸漬されている。

【0024】

前記構成の変圧器１は、送電線などから送られる高電圧を電力使用者の近くで降圧する用途などに使用されるので、コイル体３の巻線には常時電流が流されている。巻線に電流を流すことで電磁力が作用するので、コイル体３や鉄心５には電磁力が作用し、これらが振動する。この振動は変圧器１の全体に伝わり、図２に示すタンク３１の天板３１Ａ、周壁３１Ｂ、更には、底壁３１Ｄにも伝達される。
また、送電線で短絡事故や地絡事故などが起きると変圧器１の巻線には定格負荷電流の１０倍から数１０倍に達する大きな電流が流れることがあり、規格以上の電磁力と振動が変圧器１に作用することもある。
これら種々の要因や加熱その他の影響から、変圧器１の絶縁油は経時的に徐々に劣化が進行する。また、締め付け力と振動が常時作用するコイル体３の絶縁スペーサーはセルロース繊維からなるため、絶縁スペーサーも劣化するおそれがあり、短絡事故や地絡事故に起因してコイル体３の巻線にも予想外の劣化を生じるおそれがある。更には、プレスボードからなるコイル押さえプレート７にも部分的に劣化が進行するおそれがある。
以上説明のように変圧器１は長期間使用することにより各部において劣化が進行するおそれがある。

【0025】

図１に示す変圧器１の異常および劣化の診断装置Ａは、変圧器１に沿わせて配置される振動検出器（振動センサ）２２と、この振動検出器２２からの出力信号を受けて増幅する増幅器（振動センサアンプ）２５とこの増幅器２５からの出力を受ける信号解析器（スペクトルならびに位相差検出器）２６とこの信号解析器２６に接続された演算装置２７を主体として構成されている。診断装置Ａにおいて、変圧器３１に通電するための電圧を計測する電圧計（通電電圧計）２３とこの電圧計２３に増幅器（通電電圧アンプ）２４を介し信号解析器２６が接続されている。

【0026】

図１に示す診断装置Ａを用いて以下に説明する手順で変圧器１の振動を解析するが、本実施形態の診断装置Ａが異常および劣化の診断を行う場合に想定する振動原理解釈について以下に順次説明する。
稼働状態の変圧器１が発生する振動の伝搬経路は以下のように推定される。
振動の一次的原因は鉄心５の振動とコイル体３の巻線４の振動であり、両者の振動がコイル押さえプレート（プレスボード）７、軸方向締付ボルト８、上部ヨーク押さえ金具１０、吊り金具１２などを介しタンク３１に伝搬される。よって、タンク３１の振動は鉄心５の振動と巻線４の振動とタンク３１自身の振動と以下の振動の合成となる。
以下の振動とは、一例として、変圧器１を設置している建屋に機械装置その他の震動源がある場合、あるいは、建屋の周囲に建屋に対し振動を付加する震動源がある場合、タンク３１に対しこれらの震動源からの振動が建屋を介し伝達される振動成分である。
また、他の例として変圧器１の天板３１Ａを変圧器１の稼働に支障がない程度の打撃力でハンマーにより打撃力を与えた後述のインパクト試験により発生される振動成分である。なお、変圧器１には通常、衝撃を検知するセンサが取り付けられていて、規定値以上の振動が付与されると変圧器１の異常を警告するなどの安全装置が設けられている。前記ハンマーでこの安全装置が作動するような衝撃を与えると問題があるので、前記ハンマーで変圧器１に付加する衝撃は５０Ｎ〜５００Ｎ程度の衝撃力、望ましくは１００Ｎ〜３００Ｎ程度の衝撃力とすることが好ましい。

【0027】

本発明者らは、後述する如く実稼働状態で４１年経過後の変圧器について解体の機会を利用し、変圧器を設置した建屋において周囲の震動源から付加される振動と変圧器中身が発生させている振動を測定し、振動解析を行った。また、この振動解析に並行し、タンク３１の天板３１Ａにハンマーによって打撃を加えた場合に生じる振動成分について測定し、解析を行った。
振動解析に用いたタンク３１の概要を図２に示す。ただし、図２には変圧器１に電力を入出力するためのブッシングや配線は省略し、タンク３１の概要のみを示している。
このタンク３１は横幅２２００ｍｍ、高さ２０００ｍｍ、奥行き８００ｍｍの鋼板製の直方体状の中空容器であって、その高さを約３等分する上下２箇所の位置にそれぞれ金属製の腰巻き状の補強ステー３２、３３が設けられている。
タンク３１の周壁において補強ステー３２より上の部分が上部周壁３１ａから構成され、タンク３１の周壁において補強ステー３２より下の部分が中部周壁３１ｂから構成され、変圧器タンク３１の周壁において補強ステー３３より下の部分が下部周壁３１ｃから構成されている。
このタンク３１において補強ステー３２、３３の部分は振動が制限される位置となるため、これらを除外し、振動センサ２２を取り付けて振動を計測する位置として以下の１８箇所を候補にすることができる。

【0028】

タンク３１において図２に数字の１〜１６を○印で囲む位置のそれぞれに振動センサ２２を取り付けて振動を計測することができる。○印で囲む数字の１の位置は上部周壁３１ａの左側壁面を示し、○印で囲む数字の２の位置は上部周壁３１ａの正面壁の左端側に相当する位置（正面壁の左端から約４０ｃｍ離れた位置付近）を示し、○印で囲む数字の３の位置は上部周壁３１ａの正面壁の右端側に相当する位置（正面壁の右端から約４０ｃｍ離れた位置付近）を示す。○印で囲む数字の４の位置は上部周壁３１ａの右側壁面を示し、○印で囲む数字の５の位置は上部周壁３１ａの背面壁の右端側に相当する位置（背面壁の右端から約４０ｃｍ離れた位置付近）を示し、○印で囲む数字の６の位置は上部周壁３１ａの背面壁の左端側に相当する位置（背面壁の左端から約４０ｃｍ離れた位置付近）を示す。

【0029】

ここで例示したように、振動センサ２２を取り付ける位置は、補強ステー３２より下方の中部周壁３１ｂにおいて○印で囲む数字の７、８、９、１０の位置と補強ステー３３より下方の下部周壁３１ｃにおいて○印で囲む数字の１３、１４、１５、１６のいずれの位置であっても良い。なお、中部周壁３１ｂの背面壁側の取り付け位置と下部周壁３１ｃの背面壁側の取り付け位置は図２では図示できないため略しているが、数字の５、６を○印で囲む取り付け位置に対応する中部周壁３１ｂの背面壁側と下部周壁３１ｃの背面壁側にそれぞれ設定される。このため、１８箇所を候補として選定することができる。
これらの振動センサ取付候補位置において、後述する試験ではタンク３１において数字の４を○印で囲む位置に相当する上部周壁３１ａの右側壁面に振動センサを設置して振動を計測した。

【0030】

なお、この例で試験した変圧器３１の内部には、図３に示すように３本の鉄心５に１次巻線と２次巻線を施してコイル体３が構成され、これらを上下のコイル押さえプレート７、７で挟み付け、軸方向締付ボルト８で締め付けるとともに、上下のヨーク６をヨーク押さえ金具１１、１１で拘束した構造とされている。

【0031】

この鉄心５においては、図５（Ａ）に示すねじりモードと図５（Ｂ）に示す曲げモード１と図５（Ｃ）に示す曲げモード２の３種の振動モードをとることを想定できる。図５に示すモード解析は、水野末良他による「変圧器鉄心の固有振動特性」（平成２５年、電気学会全国大会５−１９５）による。

【0032】

なお、図５では説明の簡易化のために、３本のコイル体３とそれらの鉄心５、並びに、上下のヨーク６からなる構造について、３本の脚部３５を上下のヨーク部３６、３７で連結した井桁構造の鉄心３８として描いている。また、図５において脚部３５に巻回されている一次側巻線と二次側巻線からなる巻線については記載を略している。

【0033】

図５（Ａ）に示すねじりモードの変圧器の場合、図２に示す数字の２、３、５、６を○印で囲む位置に振動センサを設置することにより鉄心振動をタンク壁面で捉えることができると考えられる。その場合、数字の２と３の位置は逆方向に、数字の５と６の位置は逆方向に、数字の２と６の位置は同方向に、数字の３と５の位置は同方向に変位していることを確認できれば、鉄心はねじりモードで振動していることが分かる。
同様に、図５（Ｂ）に示すように数字の８、９、１１、１２の位置に振動センサを設置して変位を確認すれば、モード１で振動していることがわかる。
同様に、図５（Ｃ）に示すように数字の７、１０の位置に振動センサを設置して変位を確認すれば、モード２で振動していることがわかる。

【0034】

鉄心の固有振動数に振動モードを同定することができると、その固有振動数から鉄心の締付け力が算出できる。ただし、鉄心の締付け力にばらつきがある場合、固有振動のピークは広がる。逆に、固有振動数の広がり、例えば半値幅から締付け力のばらつきを評価することも可能である。巻線の固有振動ピークが広がりを持っている場合も同様な評価が可能である。ピーク幅が広がることは鉄心または巻線の劣化と関係するが、どれほどのピーク幅が劣化診断の閾値になるかは、変圧器ごとの設計によるので、変圧器ごとに決める必要がある。

【0035】

本実施形態ではタンク１の上部周壁３１ａの右側壁面において、図４に示すように右側壁面の左右方向を１Ａ、２Ａ、…１５Ａのように１５に分割区分し、右側面の上下方向を１Ａ、１Ｂ、…１Ｇのように７つに分割区分し、１つの振動センサを例えば３Ｃの位置に設置してその右側の４Ｃの位置をハンマーで打ち付けて振動を付与するインパクト試験を行った。タンク１において上部周壁３１ａの右側壁面のサイズは幅約８０ｃｍ、縦４０ｃｍであり、分割区分した幅を縦横とも５ｃｍに設定した。
また、振動センサ２２を１３Ｆの位置に設置して１３Ｅの位置をハンマーで打ち付けるインパクト試験としても良い。なお、振動センサを取り付ける位置とハンマーを打ち付ける位置はタンク３１の振動を良好に拾うことができる位置であれば、任意の位置で良く、図４に示す位置には限らない。

【0036】

以下の試験において、測定にはＰＣＢ社製の加速度センサ（感度５０ｍＶ／（ｍ／ｓ^２）、周波数レンジ０．４〜４ｋＨｚ）、ＯＲＯＳ社製データロガー（サンプリング周波数１００ｋＳ／ｓ）、ＰＣＢ社製のインパクトハンマー（加振力１００〜２００Ｎ、周波数範囲０〜３ｋＨｚ）を使用して以下の測定とインパクト試験を行った。加速度センサは設置面外方向の加速度を測定した。この測定に供した変圧器１は、３相、定格容量１０ＭＶＡ、一次側電圧１１ｋＶ／二次側電圧３.４５ｋＶ、周波数６０Ｈｚ、オイル容量５３００Ｌ、稼働４１年の変圧器である。また、この変圧器１は建屋の一室の床に設けられているコンクリート台の上に設置されている。

【0037】

＜測定、試験項目＞
（１）タンク側面インパクト試験
負荷率約１０％で稼働中の変圧器３１に対し上部周壁３１ａの右側壁面をインパクト試験した。センサ２２は２個用い、図４に示す位置３Ｃと位置１３Ｆに設置した。打点は位置４Ｃと位置１３Ｅの２点を実施した。
（２）タンク側面実稼働振動測定
負荷率約１０％で稼働中の変圧器３１に対し上部周壁３１ａの右側壁面の実稼働振動を測定した。奇数列（１，３，５，７，９，１１，１３，１５）につきＡ行、Ｃ行、Ｅ行、Ｇ行の合計８×４＝３２箇所をセンサ２つずつ用い、順次センサを移動して各点を１０秒間測定した。
（３）タンク側面停止時測定
無負荷状態で稼働中の変圧器３１の励磁電流を切り、変圧器３１を停止させた。変圧器停止のタイミングを含む１２０秒間において上部周壁３１ａの右側壁面の実稼働振動を測定した。

【0038】

（４）周囲ノイズ測定（環境振動測定）
変圧器１を設置している変圧器設置室内のコンクリート台と、建屋の隣の別室の床と、上部周壁３１ａの右側壁面と向き合っている変圧器設置部屋の壁面の３か所にそれぞれ加速度センサ２２を設置してそれぞれの振動を測定した。
（５）解体時インパクト試験
変圧器３１を解体し、天板３１Ａと変圧器中身を吊り出し、変圧器中身にインパクト試験した。加速度センサを天板３１Ａに３か所（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル体３の上部付近）に設置し、天板３１Ａを２か所（ＵＶ間、ＶＷ間）と、鉄心８箇所と巻線９箇所をインパクトハンマーにてハンマリングして振動測定した。
その後、天板３１Ａと鉄心５および巻線を結合する軸方向締付けボルト８を全て外し、天板３１Ａを外して、センサ２２を巻線上部のプレスボードに３か所（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）設置し、巻線を９か所ハンマリングして振動測定した。巻線の打点位置はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル体３の上部表面（コイル押さえプレート７の側面）とコイル体３の中央部側面とコイル体３の下部側面である。

【0039】

＜測定・試験結果＞
タンク側面インパクト試験と実稼働振動測定結果を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して５００Ｈｚ以下の結果について図６に示す。図６において上側４本のラインはインパクト試験結果を示す。図６において下側の１本のラインは実稼働振動測定結果であり、センサ位置３Ｃの結果のみ一例として示す。
図６に示すインパクト試験結果の４つのデータは、ほぼ同じ周波数位置にピークを有し、それらのピーク周波数は上部周壁３１ａの固有振動数を表している。
図６のグラフにおいて上側に示している（２，１）などの振動モードの表示において、括弧内の左の数字は側板長手方向の腹の数を示し、右の数値は短手方向の腹の数を表す。この表示は、片柳厚志著、「変圧器タンクの振動解析」高岳レビュー、Vol.56 No.1（２０１１）に記載されている表１、表２に示す固有モードに対応する。

【0040】

図６に示す結果から、上部周壁３１ａはあたかも電源系周波数で共鳴しているかのような自励振動をしていることを確認できた。図６中下側に示す数字は電源系の振動モードであり、振動モードとしては不完全であるので（１，１）などの括弧の外にダッシュを付けて（１，１）’のように表示した。また、整数で表される振動モードの他に、長手方向に腹の数が異なる振動も見られ、（１．５，２）や（２．５，２）と指数を付けて表した。
これらの結果から、上部周壁３１ａの実稼働ピークには電源系振動成分以外に（２，１）モードや（１．５，２）モードなどの側面固有振動数が含まれることは当然として、その他に電源系振動成分以外の振動成分も含まれていることが分かった。

【0041】

＜運転停止時のタンク側面測定＞
タンク側面停止時測定結果のウォーターフォール図を図７に示す。ウォーターフォール図は、横軸周波数で０〜１０００Ｈｚ、縦軸時間（右側の横軸）で０〜１２０秒、左側カラーのスケールバーは信号強度（ｍ／ｓ^２）を示す。信号強度は、カラースケールバーにおいて対数表示とされており、下側４.５／１０の範囲が（×１０^−６）のレベル、中央側４.５／１０の範囲が（×１０^−３）のレベル、上側１／１０の範囲が１〜のレベルを示している。
図７において、横軸の周波数の目盛は２００Ｈｚ刻みを意味し、０、２００、４００、６００、８００、１０００Ｈｚを表し、右縦軸の１つの目盛は２０秒を表し、２０、４０、６０、８０、１００、１２０秒を表している。
測定開始からおよそ２５秒時点で変圧器１を停止した。ウォーターフォール図の下側のグラフは２０秒時点での信号スペクトラムを示す。
図７において縦軸の加速度５００ｍ／ｓ^２の位置に▲マークを付したが、縦軸の加速度３００ｍ／ｓ^２の位置〜５０ｍ／ｓ^２の位置近傍までの加速度が図７において灰色で示したスペクトルを示す。
図７においてそれ以外のスペクトルは、縦軸の加速度において２０ｕ〜２００ｕ近傍までの加速度を示す黒色の領域の中に、灰色で示したスペクトルがわずかに混在する領域であった。なお、図７のウォーターフォール図は実際はカラースケールであり、縦軸の５０ｍ／ｓ^２の位置〜２００ｍ／ｓ^２の位置の加速度は縦軸の加速度３００ｍ／ｓ^２の位置〜５０ｍ／ｓ^２の位置近傍までの加速度とは異なる色であるが、この図7には縦軸の５０ｍ／ｓ^２の位置〜２００ｍ／ｓ^２の位置の加速度に相当するスペクトルは表示されていない。

【0042】

図７に示すように、６０Ｈｚの整数倍および半整数倍の電源系の振動は変圧器停止のタイミングでほぼ消えることがわかる。即ち、図７の右縦軸に表記されている時間（ｔ）の経過とともに、種々の周波数で黒色に示された種々の振動が途中で消失し、色の明るい灰色のグラフとなっているので、低周波数帯域以外は信号が消失したことを示す。６０Ｈｚの非整数倍の振動で、変圧器停止のタイミングで消えるものは、機械系の振動ピークであると考えられる。
一方、約１５０Ｈｚ以下の低周波数帯域では変圧器１を停止しても振動は残っている。このように変圧器１を止めても消えずに残るピークは、建屋や他の運転機器に由来する振動成分と推定される。

【0043】

＜周囲ノイズ測定＞
変圧器１を負荷率約１０％で稼働中に変圧器１を設置している建屋の変圧器台（コンクリート台）に設置したセンサ２２の測定結果（ベースＸＹＺ）と建屋の別室床に設置したセンサの測定結果（別室ＸＹＺ）を図８に示す。
図８に示すように、広い周波数領域で６０Ｈｚの整数倍の大きなピーク状のノイズがみられる。２５０Ｈｚ以上では１０^−５ｍ／ｓ^２程度の連続的な振動があり、変圧器台よりも別室床の方がやや振動は小さい。２５０Ｈｚ以下では変圧器台と別室床ともに比較的大きい１０^−４ｍ／ｓ^２程度の振動がみられた。

【0044】

次に、変圧器の側壁と向き合っている建屋の壁面に設置したセンサ２２について、変圧器稼働中（無負荷）の測定結果と変圧器停止後の測定結果を図９に示す。
図９に示すように、高周波数側（２５０Ｈｚ以上）では１０^−４ｍ／ｓ^２程度の振動がみられ、変圧器１を停止すると加速度がおよそ半減し、６０Ｈｚの整数倍のピーク状ノイズは消えた。しかし、およそ２５０Ｈｚ以下の振動は変圧器を停止しても変化していない。
壁振動のウォーターフォール図を図１０に示す。図１０において、横軸周波数で０〜１０００Ｈｚ、縦軸時間で０〜１２０秒を示し、左側カラーのスケールバーは信号強度を示すが、図７のスケール設定とは変えてある。信号強度は、カラースケールバーにおいて対数表示とされており、下側１／３の範囲が１００〜９００ｕ（×１０^−６）のレベル、中央側１／３の範囲が１〜１０ｍ（×１０^−３）のレベル、上側１／３の範囲が１０〜９０ｍ（×１０^−３）のレベルを示している。
図１０において下側のグラフは２０秒時点での信号スペクトラムを示す。
なお、図１０は実際はカラースケールで表示されるグラフであり、縦軸の加速度は、１００ｕ〜２００ｕが紫色、３００ｕ〜９００ｕは順次濃い青色から若干薄くなる青色、２ｍ〜９ｍは緑色、２０ｍ前後は黄色、３０ｍ以上は順次濃い赤色となるカラースケールで示されている。
図１０では色を表示できないが、横軸の周波数８００Ｈｚより高い周波数（右側）は概ね紫色が多い領域、６００〜８００Ｈｚの範囲は紫色と濃い青色の混在領域、４００〜６００Ｈｚは濃い青色から薄い青色が混在する領域、４００Ｈｚ以下になって薄い青色に緑色が混在する領域であり、この緑色の領域は２ｍ〜９ｍの加速度が計測された領域である。図１０では白黒表示のために、この緑色の領域が灰色で表示されている。従って、０〜２００Ｈｚの領域は概ね２ｍ〜９ｍの加速度が表示され、その間に明るく表示された領域は２０ｍ以上の加速度を計測した領域、濃く表示された領域は３０ｍ以上の領域を示す。

【0045】

図１０に示すように、６０Ｈｚの整数倍のピーク状ノイズ（図７に表示されている２００〜１０００Ｈｚにおいて灰色のスペクトルとして表示された加速度）は変圧器停止のタイミングで消えるのに対し、およそ２５０Ｈｚ以下のノイズは変圧器停止後も変わらず存在することがわかる。
前者は実際の振動とは異なりセンサ２２に誘導される電磁ノイズ信号であり、その原因は変圧器１が励磁されていることによると考えられる。電源系振動数成分の振動強度を測定して変圧器診断する場合、稼働中の変圧器１から発生される電磁ノイズに影響されている可能性があり、電磁ノイズ対策されたセンサを用いる必要があると考えられる。
後者は実際に建屋全体が揺れる事による振動ノイズ信号であると考えられる。その影響については後述する。

【0046】

「解体時インパクト試験」
＜センサ天板、打点天板測定＞
センサ２２を天板に設置し、インパクトハンマーによる打点を天板３１Ａに設定し、変圧器１を停止後に解体し、変圧器中身を天板から吊り出して、天板と変圧器中身をインパクト試験した場合の振動解析結果（ＦＦＴ結果）を図１１に示す。
天板３１Ａをインパクトハンマーによりハンマリングすると、図１１のように複雑なスペクトラムが得られた。比較のため変圧器１を停止した後に側壁をインパクト試験したときのＦＦＴ結果を（図１１に揃えて）縦軸線形、横軸２０００Ｈｚに設定して図１２に示す。
図１２に示すように、側壁をインパクト試験したときのＦＦＴ結果はピークの数が少なく、ピーク同士に重なりのない鋭いピーク形状で、全体として単純なスペクトラムであった。
それに対し、図１１に示すＦＦＴ結果において、天板３１Ａは吊り金具１２を通して上部ヨーク押え金具１０やコイル押さえプレート７、軸方向締付ボルト８と結合しており、上部ヨーク押え金具１０は軸方向締付ボルト８を通して下部ヨーク押え金具１０と結合しており、それらにより鉄心５と巻線４は固定されている。よって、天板３１Ａは鉄心５と巻線４と結合されており、天板３１Ａ、鉄心５、巻線４それぞれの固有振動と、それらが一体となった構造物としての固有振動も有していると考えられる。

【0047】

＜センサ天板、打点鉄心測定＞
センサ２２を天板３１Ａに設置し、インパクトハンマーによる打点を鉄心５に設定し、変圧器１を停止後に解体し、変圧器中身を吊り上げて、鉄心５をインパクト試験した場合の振動解析結果（ＦＦＴ結果）を図１３に示す。
図１３の１０６０Ｈｚ付近の大きなピークは鉄心５をインパクトハンマーによりハンマリングすると大きくみられることから、鉄心５の固有振動に由来するピークではないかと考えられる。

【0048】

＜センサ天板、打点巻線＞
センサ２２を天板３１Ａに設置し、インパクトハンマーによる打点を巻線４に設定し、変圧器１を停止後に解体し、変圧器中身を吊り上げて、巻線４をインパクト試験した場合の振動解析結果（ＦＦＴ結果）を図１４に示す。
巻線４をインパクトハンマーによりハンマリングした場合、図１４に示すように４４０Ｈｚと１６３０Ｈｚに鋭いピークがみられた。

【0049】

＜センサ巻線、打点巻線＞
天板３１Ａと締付け具（軸方向締め付けボルト８）を外して３つのコイル体３とコイル押さえプレート７が一体とされた状態でこれらを起立させ、センサ２２を巻線４に設置し、巻線４をハンマリングしたときのインパクト試験結果例を図１５に示す。
巻線４の固有振動数に由来するピークは図１５に現れるような幅の広いピークを形成すると考えられる。天板３１Ａと軸方向締め付けボルト８（締付け具）を外されたコイル体３の巻線４はＵＶＷの各相のコイル体３がほぼ独立して振動できる。コイル押さえプレート７は個々のコイル体３用に分割されているためである。巻線４の固有振動は図１５から読み取れるように０〜２０００Ｈｚの間におよそ６つのピークを持つことがわかった。

【0050】

これらの試験結果から、タンク３１の天板３１Ａをインパクトハンマーによりハンマリングすると、吊り金具１２を通してコイル体３の鉄心５や巻線４にも振動が伝わり、それらの振動が反射して再度天板３１Ａに伝わると考えられる。そのような観点から図１１のグラフを眺めると、図１１の中に鉄心５由来の１０６０Ｈｚピークと、巻線４由来の鋭い４４０Ｈｚ、１６３０Ｈｚのピークと、幅広い６つのピーク群に分けてみることができ、これは、天板３１Ａをインパクトハンマーによりハンマリングしたとき変圧器中身の固有振動が天板３１Ａに現れていることを示唆していると考えられる。

【0051】

よって、天板３１Ａにインパクトハンマーにより打撃を加えるインパクト試験を行うと、その振動解析により、変圧器中身の状態を診断できる可能性があると考えることができる。
一方、天板３１Ａ、鉄心５、巻線４が一体となった構造物としての固有振動は、それらを合わせた構造材としてのサイズや質量が大きいことから、周波数が低い領域に現れると考えられる。そこで、図６に示す実稼働振動測定結果と、解体時インパクト試験結果における０〜１２０Ｈｚまでの範囲を拡大して図１６〜図１９に示す。

【0052】

図１６はタンク３１の側面３２箇所の実稼働測定をＦＦＴ変換したデータを０〜１２０Ｈｚまでの範囲において周波数毎に単純平均した図である。
なお、振動測定の場合、振動の節に当たる位置にセンサ２２を設置すると、その振動モードに対して振幅が０となり、あたかも振動していないかのように測定される。よって、どの振動モードに対しても節以外の位置にセンサ２２が設置されるように、可能な限り多くの設置位置を選択することが好ましい。あるいは、多数のセンサ２２を用いて多点測定することが好ましい。
図１７、図１８、図１９はそれぞれ図１１、１３、１４の横軸周波数を拡大して解析結果を詳細表示した図である。変圧器中身をインパクトハンマーによりハンマリングしたときにみられる２２〜２８Ｈｚ、５２〜５８Ｈｚ、８８Ｈｚ付近のピークが天板３１Ａをハンマリングしたときに天板３１Ａに発生する振動ピークにもみられ、同じ周波数帯において実稼働振動にもピークが現れている。
これらの図に示すように、天板３１Ａ、鉄心５、巻線のどこをハンマリングしても現れる比較的低い振動数のピークは天板３１Ａ、鉄心５、巻線４が一体となった構造体の振動モードと考えられ、天板３１Ａの振動を経由して、あるいは変圧器１内の絶縁油を通して振動が変圧器１のタンク側面を振動させたと考えられる。

【0053】

変圧器１において、鉄心５や巻線４に作用する電磁機械力が変圧器中身の固有振動の励起源と想定していたが、２５０Ｈｚ以下では建屋全体が比較的大きく揺れていることから、建屋振動が変圧器中身を揺らすことにより生じる変圧器中身の固有振動をタンクの上部周壁面で捉えている可能性があると考えられる。
天板３１Ａ、鉄心５、巻線４が一体となった構造体を構成する部材の質量や配置、それらを連結する締付け力も固有振動数を決める要因である。巻線４に使用しているスペーサプレスボードが劣化して永久ひずみで体積収縮が生じたり、長年繰り返される内部振動や突発的なサージ電流による電磁力や地震などの影響でそれらの結合に緩みが生じたりした場合に固有振動数が変化すると考えられる。
よって、変圧器１を設置している建屋自身の揺れが誘導する変圧器中身の振動について、タンク１の壁面に設置した振動センサ２２で固有振動数をモニタすることにより中身の異常や劣化を診断できることがわかった。

【0054】

即ち、変圧器１を設置している建屋が振動している場合、建屋振動が変圧器１を揺らすことにより、変圧器中身の振動が誘起され、その振動がタンク壁面に伝わっていると考えられる。このため、建屋振動を利用してセンサ２２による振動解析により変圧器１の診断ができることがわかった。
今回測定した変圧器１の建屋は２５０Ｈｚ以下の振動が大きく、その振動数領域では天板３１Ａと鉄心５と巻線４が一体物として結合した構造体の固有振動をタンク側面で捉えることができたと考えられる。
従って、建屋振動を利用して稼働中の変圧器１の異常診断を行うためには、健全と思われる初期状態の変圧器が稼働し、その変圧器に建屋から２５０Ｈｚ以下の振動成分が大きい振動が伝達されている場合、健全な状態の変圧器１に生じる振動を計測して把握し、この振動情報を高速フーリエ解析したＦＦＴ結果を診断装置Ａの信号解析器２６のメモリなどに記憶させておく。

【0055】

一例として、図１に示す解析器２６と演算装置２７はパーソナルコンピューターから構成され、演算装置２７がＣＰＵであり、メモリやハードディスクなどの記憶装置が解析器２６に搭載されているので、解析器２６の記憶装置に健全な初期状態の変圧器の振動情報を高速フーリエ解析したＦＦＴ結果を記憶させておく。また、その振動情報に現れている固有振動数の周波数やそのピークの大きさを記録しておく。
これに対し、建屋からの環境振動（環境ノイズ）が付加されていて、測定対象とする稼働状態の変圧器の診断を行うには、先に説明した実稼働振動測定と同じ条件で測定対象の変圧器の周壁において振動計測する。

【0056】

先の条件とは、負荷率約１０％で稼働中の変圧器３１に対し上部周壁３１ａの右側壁面の実稼働振動を測定し、奇数列（１，３，５，７，９，１１，１３，１５）につきＡ行、Ｃ行、Ｅ行、Ｇ行の合計８×４＝３２箇所をセンサ２つ用い順次センサを移動して各点を１０秒間測定した条件であり、この測定で得られた結果を高速フーリエ変換した結果の解析情報である。
演算装置２７は解析器２６に記憶されていた先の解析情報と測定対象の変圧器から得られた解析情報を比較検討し、先の初期状態の変圧器に見られる機械系固有振動数やその振幅に変化が生じた場合や、初期状態には見られない新たな固有周波数ピークの存在を検知すると、測定対象の変圧器が何らかの異常を有していると判断し、異常検出の判断を行う。必要に応じて演算装置２７に接続された表示装置にこの異常検知を表示する。
検査員が表示装置に表示された固有周波数のピークを検証し、初期状態の健全な変圧器に生じていなかった固有周波数のピークを検出したならば、例えば、その新規検出ピークの大小、新規検出数の大小、周波数に応じて測定対象の変圧器の寿命を診断することができる。
なお、初期状態に比べて新たな振動数成分が１つでも出現すれば、測定対象の変圧器には異常が発生している可能性が高いと判断できる。

【0057】

他の例として、図１に示す解析器２６の記憶装置に健全な初期状態の変圧器のインパクト試験の振動情報を高速フーリエ解析したＦＦＴ結果を記憶させておく。
これに対し、測定対象とする稼働状態の変圧器の診断を行うには、先に説明したインパクト試験と同じ条件で測定対象の変圧器に対するインパクト試験を行い、変圧器の周壁の一部において、先に説明した実稼働振動測定と同じ条件で測定対象の変圧器の周壁において振動計測する。

【0058】

先の条件とは、負荷率約１０％で稼働中の変圧器３１に対し上部周壁３１ａの右側壁面をインパクト試験することであり、センサは２個用い、図４に示す位置３Ｃと位置１３Ｆに設置し、ハンマーの打点は位置４Ｃと位置１３Ｅの２点を実施するなどの条件である。勿論、図４に示す更に別の位置に対し同様の試験を必要回数行った結果を用いても良い。
上述の条件で得られた測定結果を高速フーリエ変換した結果の解析情報を解析器２６のメモリなどに記憶させておく。
演算装置２７は解析器２６に記憶されていた先の解析情報と測定対象の変圧器から得られた解析情報を比較検討し、先の初期状態の変圧器に見られない固有周波数ピークの存在を検知すると、測定対象の変圧器が何らかの異常を有していると判断し、異常検出の判断を行う。必要に応じて演算装置２７に接続された表示装置にこの異常検知を表示する。
検査員が表示装置に表示された固有周波数のピークを検証し、初期状態の健全な変圧器に生じていなかった固有周波数のピークを検出したならば、例えば、その新規検出ピークの大小、新規検出数の大小、周波数に応じて測定対象の変圧器の寿命を診断することができる。
なお、変圧器の診断を行う場合の判断基準については、複数の変圧器を用いて測定した結果を蓄積し、複数の変圧器の測定結果を基に、ある程度の判断基準を定めることで、より正確な診断ができる。変圧器の規模や耐久性などに鑑み、変圧器毎の判断基準を定めておけば、より正確な診断ができる。

【符号の説明】

【0059】

Ａ…診断装置、１…変圧器、２…タンク、３…コイル体、５…鉄心、６…ヨーク、７…コイル押さえプレート、８…軸方向締付ボルト、１０…上部ヨーク押さえ金具、１１…上部ヨーク押さえボルト、１２…吊り金具、２２…振動検出器（加速度センサ）、２３…電圧計、２４、２５…増幅器、２６…解析器、２７…演算装置、３１…タンク、３１Ａ…天板、３１ａ…上部周壁、３１Ｂ…周壁、３１ｂ…中部周壁、３１ｃ…底部周壁、３１Ｄ…底壁。

【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】