溶存ガス分析：変圧器の故障防止

定期点検と状態監視は不可欠ですが、すべての方法が問題を早期に発見するために必要なレベルの洞察力を提供するわけではありません。高温変圧器において、最も信頼性が高く広く採用されている診断ツールは、溶存ガス分析（DGA）です。DGAは、変圧器の絶縁油に溶解しているガスを分析することで、隠れた電気的および熱的欠陥を、目に見えるようになる、あるいは表面レベルの損傷を引き起こすずっと前に発見します。

この記事では、DGA の仕組み、DGA が検出する問題の種類、そして DGA がなぜ HT 変圧器の予測保守の基礎となるのかについて説明します。

検査だけでは不十分な理由

従来の検査方法や赤外線サーモグラフィーなどの外部検査技術は有用ですが、目に見える、あるいは表面レベルの問題の検出に限られます。変圧器は、外部からは正常に見えても、内部ではすでに深刻な劣化が進行している場合があります。

例えば、絶縁破壊はガスを放出しますが、すぐには外部症状が現れません。同様に、巻線内の部分放電や油中のアーク放電は、故障が深刻な故障にエスカレートするまで目に見えないことがあります。表面の発熱や物理的変化が現れる頃には、損傷は甚大になっていることがよくあります。

DGAが優れているのはまさにこの点です。外部からの兆候を待つのではなく、変圧器油内部の化学的証拠を直接観察することで、内部の問題を早期かつ正確に検出します。

溶存ガス分析 (DGA) とは何ですか?

DGAは、変圧器の絶縁油に溶解したガスを分析する実験室ベースの診断方法です。絶縁材や油が電気的または熱的ストレスによって劣化すると、測定可能な濃度のガスが放出されます。これらのガスを特定し、その比率を解釈することで、エンジニアは変圧器内で発生している故障の種類を特定することができます。

このプロセスでは、油サンプルを採取し、溶解ガスを抽出し、ガスクロマトグラフィーを用いて分析します。分析結果は、IEC 60599やIEEE C57.104などの国際規格と比較され、専門家が変圧器の状態を分類し、是正措置を推奨することができます。

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DGAにおける障害シグネチャ

異なるガスは異なる故障状態に対応するため、DGA は変圧器の健全性の効果的な診断「指紋」となります。

水素（H₂）:多くの場合、部分放電またはコロナ活動に関連しています。
メタン（CH₄）とエタン（C₂H₆）:オイルまたは断熱材の低レベルの過熱に関連します。
エチレン (C₂H₄):巻線または導体の高温過熱を示します。
アセチレン（C₂H₂）:アーク放電または深刻な放電の強い証拠。
一酸化炭素（CO）と二酸化炭素（CO₂）：紙やプレスボードなどのセルロース系断熱材の劣化を指摘します。

これらのガスの存在だけでなく、それらの相対的な割合も分析することにより、保守チームは無害な老朽化プロセスと危険な発生中の障害を区別することができます。

DGAが不可欠な理由

DGAの最大の強みは、早期段階での故障検出能力にあります。外部検査とは異なり、変圧器の内部状態を直接観察できます。非侵入型であるため、運転停止や分解の必要がなく、連続運転が必要な変圧器にも実用的です。

この方法は包括的な検査範囲を提供し、熱、電気、絶縁に関連する問題を1回の検査で検出します。業界で数十年にわたり使用され、標準化されているため、世界中の施設で一貫した比較可能な結果が得られます。資産管理者にとって、これはリスクの低減、変圧器の寿命延長、そして予期せぬ故障の防止による大幅なコスト削減につながります。

DGAを実施するタイミング

DGAは、状態監視プログラムの一環として定期的に実施すると最も効果的です。多くの事業者は、信頼性の高い傾向を把握するために、年1回または2年に1回の試験を実施しています。また、システム障害、落雷、突然の負荷サージなど、変圧器内でガス発生を引き起こす可能性のある異常な運転事象が発生した後にもDGAを実施する必要があります。

経時的な傾向分析は特に重要です。1回の検査でも有用な情報が得られますが、長期的な追跡により、ガス濃度が安定しているか、徐々に増加しているか、あるいは急上昇しているかが明らかになります。この傾向分析により、オペレーターは発生中の障害が重大な故障にエスカレートする前に、適切なタイミングで対応することができます。

補完的な技術

DGAは高温変圧器の主要な診断ツールですが、単独で使用されることはありません。変圧器の健全性を完全に評価するために、他の試験と組み合わせることがよくあります。赤外線サーモグラフィーは、ブッシングやラジエーターなどの外部部品の過熱を特定できます。巻線抵抗試験は、導体の状態の微妙な変化を検出します。フラン分析はセルロース絶縁体の劣化に関する知見を提供し、水分含有量試験は、絶縁強度を低下させる油中の水分の存在を評価します。

これらの方法を組み合わせることで、DGA を中核とする包括的なメンテナンス戦略が形成されます。

現実世界のアプリケーション

DGAは、様々な産業や公益事業において、その価値を幾度となく実証してきました。発電施設では、信頼性が絶対不可欠な変電所の変圧器監視にDGAを活用しています。また、産業プラントでは、予期せぬ停電から生産ラインを保護するためにDGAを使用しています。公益事業会社は、変圧器群全体にDGAを適用することで、保守予算の優先順位付けを行い、資産寿命を延ばしています。これらの業務の多くにおいて、DGAは電動機のオーバーホールなどのサービスと連携しており、過酷な条件下でも変圧器と電動機の両方が確実に動作することを保証しています。

これらすべてのケースにおいて、定期的な DGA テストのコストは比較的低く、高価な変圧器の交換を回避したり、生産性の損失で数百万ドルの損害をもたらす可能性のある予期しない停止を防止したりすることで得られる節約に比べれば、そのコストは取るに足らないものです。

DGAプログラムのベストプラクティス

DGA の価値を最大化するには、企業は実証済みのベストプラクティスに従う必要があります。

サンプリングの一貫性を維持します。汚染やガスの損失を避けるために、油は常に管理された条件下で収集する必要があります。
専門家の解釈に頼ってください。ガスの濃度と比率は、業界標準に精通した経験豊富な専門家によって分析される必要があります。
他の診断と統合します。最も正確な画像を得るには、DGA の結果を電気的テストと熱的テストと併せて考慮する必要があります。
長期的な傾向を追跡します。単一のテストは有用ですが、数か月および数年にわたる傾向分析により、変圧器の健全性に関する最も明確な洞察が得られます。
早期警告に応じて行動します。小さな逸脱でも問題が進行している兆候となる場合があります。迅速な介入は常に緊急修理よりも費用対効果が高くなります。

結論

高温変圧器は重要な資産であり、故障すると莫大な経済的損失と運用上の損失につながる可能性があります。溶存ガス分析（DGA）は、内部の欠陥が深刻化する前に検出する最も効果的な方法であり、外観検査だけでは得られないレベルの洞察を提供します。

DGA を構造化されたメンテナンスプログラムに統合することで、オペレーターは隠れた障害を早期に検出し、戦略的に修理をスケジュールし、最も価値のある機器の寿命を延ばすことができます。