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電気工学において、ツリー化は固体絶縁体における電気的破壊の前段階の現象です。ツリー化は部分放電による損傷プロセスであり、木の枝のような経路で、応力を受けた誘電絶縁体を通じて進行します。高電圧ケーブルの固体絶縁体のツリー化は、地下電力ケーブルにおける一般的な破壊メカニズムであり、電気障害の原因です。
その他の出来事と原因
電気トリーは、乾燥した誘電体が長期間にわたって高電界ストレスおよび発散電界ストレスにさらされたときに最初に発生し、広がります。電気トリーは、不純物、ガス空隙、機械的欠陥、または導電性突起が誘電体の小さな領域内で過度の電界ストレスを引き起こすポイントで発生することが観察されています。これにより、バルク誘電体内の空隙内のガスがイオン化され、空隙の壁の間に小さな放電が発生します。不純物または欠陥により、固体誘電体自体が部分的に破壊される場合もあります。これらの部分放電(PD) からの紫外線とオゾンは、近くの誘電体と反応して分解し、絶縁能力をさらに低下させます。誘電体が劣化するとガスが放出されることが多く、新しい空隙や亀裂が発生します。これらの欠陥により、材料の誘電強度がさらに弱まり、電気ストレスが増大し、PD プロセスが加速されます。
水木と電気木
水が存在すると、埋設または水中に浸漬された高圧ケーブルに使用されているポリエチレン絶縁体内に、拡散した部分的に導電性のある 3D プルームのような構造 (ウォーター ツリー)が形成されることがあります。プルームは、ポリマーの本来の結晶構造によって定義される、極めて小さな水で満たされたチャネルの密なネットワークで構成されていることが知られています。個々のチャネルは光学的な拡大鏡を使用して確認するのが非常に難しいため、その調査には通常、走査型電子顕微鏡(SEM) を使用する必要があります。
水トリーは、欠陥の近くの微細な領域から始まります。その後、高電界と水が継続的に存在すると成長します。水トリーは最終的に、外側の接地層と中央の高電圧導体を橋渡しするところまで成長し、その時点で応力が絶縁体全体に再分配されます。水トリーは、電気トリーを引き起こすことができない限り、一般的に信頼性の問題にはなりません。
水の有無にかかわらず形成される別のタイプのツリー状構造は、電気ツリーと呼ばれます。これは、ポリエチレン誘電体（およびその他の多くの固体誘電体）内でも形成されます。電気ツリーは、バルクまたは表面の応力増大により絶縁体の小さな領域で絶縁破壊が開始される場所でも発生します。これにより、その領域の絶縁材料が永久に損傷します。その後、追加の小さな電気破壊イベント（部分放電と呼ばれる）によってツリーがさらに成長します。電気ツリーの成長は、ユーティリティのスイッチング操作などの急激な電圧変化によって加速される場合があります。また、高電圧 DC が注入されたケーブルでも、電荷が HV 導体に最も近い誘電体に移動するため、時間の経過とともに電気ツリーが発生する可能性があります。注入された電荷領域（空間電荷と呼ばれる）は、誘電体内の電界を増幅し、さらなる応力増大を刺激し、既存の応力増大の場所として電気ツリーを開始します。電気ツリー自体は通常部分的に導電性があるため、その存在は、ツリーと反対側の導体の間の領域での電気応力も増加させます。
水トリーとは異なり、電気トリーの個々のチャネルはより大きく、より簡単に見ることができます。[1] [2]トリーイングは、埋設されたポリマー絶縁高電圧電力ケーブル の長期的な故障メカニズムであり、1969年に初めて報告されました。[3]同様に、2Dトリーは、高応力を受けた誘電体の表面に沿って、またはほこりやミネラル塩で汚染された誘電体表面全体に発生する可能性があります。時間の経過とともに、これらの部分的に導電性のあるトレイルは、誘電体の完全な故障を引き起こすまで成長する可能性があります。 電気トラッキングは、ドライバンディングと呼ばれることもあり、海岸沿いの塩水噴霧汚染にさらされた電力絶縁体の一般的な故障メカニズムです。分岐した2Dおよび3Dパターンは、リヒテンベルク図形と呼ばれることもあります。
電気トリーイングまたは「リヒテンベルク図」は、高電圧機器の故障直前にも発生します。故障した絶縁体の事後調査中に絶縁体内のこれらのリヒテンベルク図を追跡することは、故障の原因を見つけるのに最も役立ちます。経験豊富な高電圧エンジニアは、ツリーとその枝の方向と種類から、故障の主な原因がどこにあったかを判断し、原因を突き止めることができます。故障した変圧器、高電圧ケーブル、ブッシング、およびその他の機器は、この方法で効果的に調査できます。絶縁体を巻き戻す (紙絶縁体の場合) か、薄くスライスする (固体絶縁システムの場合) ことで、結果をスケッチして写真を撮り、故障プロセスの有用なアーカイブを作成します。
電気ツリーの種類
電線ツリーは、樹木のパターンの違いによってさらに分類することができます。樹木には、樹枝状、枝状、茂み状、スパイク状、ひも状、蝶ネクタイ状、通気ツリーなどがあります。最も一般的に見られる2つのツリータイプは、蝶ネクタイ状ツリーと通気ツリーです。[4]
- 蝶ネクタイの木
- ボウタイ ツリーは、誘電絶縁体の内部から成長し始め、電極に向かって対称的に外側に成長するツリーです。ツリーは絶縁体の内部から始まるため、部分放電を継続的にサポートできる空気の自由な供給がありません。したがって、これらのツリーは不連続に成長します。そのため、ボウタイ ツリーは通常、電極間の絶縁体全体を完全に橋渡しするほど長く成長せず、絶縁の故障を引き起こしません。
- 通気孔のある木
- 通気ツリーとは、電極の絶縁界面から始まり、反対側の電極に向かって成長するツリーです。通気ツリーの成長には、自由空気へのアクセスが非常に重要な要素です。これらのツリーは、電極を橋渡しできるほど長くなるまで継続的に成長するため、絶縁の障害を引き起こします。
電線の検出と位置特定
部分放電測定によって電気ツリーを検出し、位置を特定することができます。
この方法の測定値は絶対的な解釈が不可能であるため、手順中に収集されたデータは、テスト中に収集された同じケーブルの測定値と比較されます。これにより、テスト中のケーブルの誘電状態 (新品、著しく劣化、不良) を簡単かつ迅速に分類できます。
部分放電のレベルを測定するには、50～60 Hz または場合によっては正弦波 0.1 Hz VLF (超低周波) 電圧を使用します。主要な測定基準であるターンオン電圧は、IEEE 規格 48、404、386、および ICEA 規格 S-97-682、S-94-649、および S-108-720 で義務付けられている電力周波数 (50～60 Hz) での 0.1 Hz VLF (超低周波) 正弦波 AC 電源と比較して、50 Hz の測定値と 60 Hz の測定値の間で 100% 以上変化する可能性があります。最新の PD 検出システムでは、測定結果の分析と表示にデジタル信号処理ソフトウェアを採用しています。
適切な機器を使用して測定中に収集された PD 信号を分析すると、絶縁欠陥のほとんどの場所を特定できます。通常、これらは部分放電マッピング形式で表示されます。テスト対象のデバイスに関する追加の有用な情報は、部分放電の位相関連の描写から得ることができます。
十分な測定レポートには次の内容が含まれます。
- 校正パルス（IEC 60270に準拠）および終了検出
- 測定装置のバックグラウンドノイズ
- 部分放電開始電圧PDIV
- 1.7Voでの部分放電レベル
- 部分放電消滅電圧PDEV
- 部分放電挙動の高度な解釈のための位相分解部分放電パターンPRPD (オプション)
参照
参考文献
- ^ E. Moreau、C. Mayoux、C. Laurent (1993 年 2 月)、「電力ケーブルおよび実験室試料における水トリーの構造特性」、IEEE Transactions on Electrical Insulation、28 (1)、IEEE: 54–64、doi :10.1109/14.192240
- ^ Simmons, M. (2001). 「セクション 6.6.2」。Ryan, Hugh M. (編)。高電圧エンジニアリングとテスト(第 2 版)。電気技術者協会。p. 266。ISBN 0-85296-775-6。
- ^ T. Miyashita (1971)、「トリーイングによる水浸ポリエチレン被覆電線の劣化」出版物=Proceedings 1969 IEEE-NEMA Electrical Insulation Conference、IEEE Transactions on Electrical Insulation、EI-6 (3): 129–135、doi :10.1109/TEI.1971.299145、S2CID 51642905
- ^ Thue, William A. (1997).電力システムにおける電気絶縁. CRC. pp. 255–256. ISBN 978-0-8247-0106-2。
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、電気ツリーに関連するメディアがあります。
- 部分放電測定による電気樹木の検出と位置特定 2015-10-17 にWayback Machineでアーカイブ
- 部分放電と電気ツリー