プラズマ点火用高電圧セクション向け絶縁油の共同設計

プラズマ点火用高電圧セクション向け絶縁油の共同設計

抽象

油は点火高電圧部を絶縁、冷却、保護する役割を担いますが、同時に経年劣化もします。本稿では、油の劣化に関する統計データ、劣化を促進する酸化と水分に関する方程式、ポンプ式および静置式タンクにおける温度上昇、そして20年間の耐用年数において当該部の故障リスクを1%未満に抑えるための共同設計規則について解説します。

はじめに

高負荷プラズマ切断では、点火用の高電圧部を絶縁油に浸漬することができます。具体的には、変圧器、タンクコンデンサ、および関連する絶縁材などがこれに該当します。この液体はあらゆる隙間を満たし、あらゆる形状に沿って流れ、対流によって熱を運び去り、固体表面への湿気や塵埃の付着を防ぎます。

オイルは受動的な部品ではありません。温度によって酸化し、シールからの漏れによって水分を吸収し、部分放電によってガスと炭素粒子に分解します。これらの変化のそれぞれが、オイルが保持できる電圧を低下させます。

油入変圧器の運転員は、サンプリング、溶存ガス分析、ろ過といった手順を熟知している。しかし、油入点火部の運転員は、その部が密閉されたブラックボックスとして扱われ、点検間隔が全くないため、こうした手順を知らないことが多い。

この記事では、流体物理学、経年劣化化学、浸漬部の熱負荷、4つの課題、そして流体と固体ハードウェアを一体のシステムとして機能させるための共同設計ルールについて解説します。

2. コアメカニズム

オイルの電気的耐力は、体積に依存する絶縁破壊統計によって決まります。つまり、応力が加わる体積が大きいほど、絶縁破壊強度は低くなります。点火電圧下での故障確率は、ワイブル分布に従います。

P_brk(V) = 1 − exp(−(V/V_63)^β_oil)

ここで、P_brk(V)は電圧Vにおける絶縁破壊確率、V_63はサンプルの63%が絶縁破壊を起こす電圧（kV）、β_oilはオイルの形状パラメータです。適切に処理されたオイルは12付近で形状が急峻になるため、安全から危険への移行は狭くなります。

V_63 = 90 kV、β_oil = 12 の場合、60 kV の点火電圧では絶縁破壊確率は 0.8% となります。80 kV では同じオイルで絶縁破壊確率は 22% に達し、85 kV では 39% に達します。10% の過電圧で、このセクションは健全な設計から、まさに五分五分の状況へと変化します。

2.1 酸化老化

作動温度に達すると、オイルは酸化し、それに伴って熱損失係数も上昇する。

tanδ_oil(t) = tanδ_0 · exp(k_ox · t)

ここで、tanδ_oil(t)は時間t後の散逸係数、tanδ_0は初期値、k_oxは1時間あたりの酸化係数、tは使用時間（時間）である。k_ox = 1.2×10⁻⁵/時間の0.1%の油は10年後に0.29%に達し、油自体が散逸する損失はそれとともに増加する。

P_oil = 2πf · C · V² · tanδ_oil

ここで、P_oil は誘電損失 (W)、f は周波数 (Hz)、C は応力が加えられた電極間の静電容量 (nF)、V は電圧 (kV)、tanδ_oil は損失係数です。20 kV、10 kHz の 30 pF のオイルノードは、オイルが新品のときは 0.75 W、10 年経過後は 2.3 W を消費します。これは、損失が損失係数と同じ指数曲線に従うためです。

2.2 水分の侵入

水は油に溶け込み、その飽和濃度は温度の上昇とともに高まるため、温かいタンクはより多くの水を保持し、冷えると水が放出される。溶解した水は分解強度を著しく低下させる。

V_63(w) ≈ V_63(0) · (1 − k_w · w)

ここで、V_63(w) は水分含有量 w における特性破壊電圧、V_63(0) は乾燥時の値 (kV)、k_w は ppm あたりの水分感度、w は水分含有量 (ppm) です。k_w = 0.02 の場合、水分含有量が 15 ppm になると、90 kV の油は 63 kV になります。60 kV の着火ストレスは、分布の下ではなく分布の内側に位置するようになり、破壊確率は 0.8% から 43% に跳ね上がります。

2.3 部分放電とガス発生

浸漬された固体の端部で電界が増強されると、流体中で部分放電が開始されます。この放電によって油は水素と軽質炭化水素に分解され、溶存ガス分析で検出できます。また、炭化粒子が残り、これが絶縁破壊強度をさらに低下させます。ガスと粒子がさらに放電を促進するため、このメカニズムは自己増殖的に進行します。

2.4 浸漬部の熱負荷

オイルはタンク内で消費されるすべての電力を運びます。ポンプ回路の場合、液面上昇は質量流量に比例します。

ΔT_oil = P_loss / (m_dot · c_p)

ここで、ΔT_oil は油温の上昇 (K)、P_loss は総損失 (W)、m_dot は質量流量 (kg/s)、c_p は油の比熱 (J/(kg·K)) です。流量 0.02 kg/s、c_p = 1,900 J/(kg·K) の 85 W のセクションでは、2.2 K 上昇します。

静止タンク内の同じ部分では、熱は壁を通して伝導され、その伝導率は約2.4 W/Kとなるため、温度上昇は35 Kとなる。この温度差によって、ホットスポットが加速劣化領域から外れることが防がれる。

このセクションが保持しなければならないパルスは、簡単に表現できる反面、誤解されやすい。蓄積エネルギーは次のとおりである。

E = ½ · C · V²

ここで、Eは蓄積エネルギー、CはnF単位の静電容量、VはkV単位の電圧です。ナノファラッドとキロボルトはミリジュールに相当するため、20kVで47nFの静電容量は9,400mJ、つまり9.4Jのエネルギーを蓄積します。同じタンクにおける伝導損失は次のようになります。

P = I² · R

ここで、Pは損失、Iは電流（A）、Rは抵抗（mΩ）です。アンペアとミリオームはミリワットに相当するため、150 mΩの巻線に0.8 Aの電流が流れると96 mWの電力が消費されます。浸漬ループの自己共振周波数は次のとおりです。

f_r [MHz] = 5033 / √(L[nH] · C[pF])

ここで、f_r は共振周波数 (MHz)、L はループインダクタンス (nH)、C は静電容量 (pF) です。4,000 nH の漏洩電流と 2,000 pF の容量を持つ変圧器は 1.78 MHz で共振し、その周波数で油の損失が増加します。

図1 — 酸化と15ppmの水分により、油の特性絶縁破壊電圧は90kVから63kVに低下し、60kVでの故障リスクは0.8%から43%に上昇します。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：誰も利用しない密閉された区画

点火油タンクは密封された状態で出荷され、メンテナンスフリーとして扱われます。しかし、液体が酸化し、水分が蓄積すると、最初の兆候として内部フラッシュオーバーが発生し、変圧器とコンデンサーが同時に破壊されます。しかも、それ以前の段階では何​​の警告もありません。

問題点その2：局所的な老化を促進するホットスポット

変圧器の鉄心やコンデンサ本体など、温度が最も高い場所では劣化が最も速く進行する。劣化した油脂は、電界が最大となる場所で絶縁破壊強度が最低となるため、高温部で部分放電が始まる。

問題点３：液体と固体の不適合性

油は、浸漬環境への使用が認められていない封止材、ワニス、ガスケットなどを侵食します。侵食によって粒子や溶解化合物が油中に放出され、それらが周囲の油の破壊強度を低下させます。

問題点4：メンテナンスプランに流体診断が含まれていない

たとえ港湾を通じて石油にアクセスできる場合でも、計画にはサンプリングやガス分析が含まれていないことがある。劣化は故障が発生するまで目に見えず、故障が発生するとセクション全体が巻き込まれてしまう。

4. 設計手順

戦略1：初期段階で体液管理を改善する

筐体の図面を作成する前に、密閉型設計と通気型設計のどちらかを選択してください。点火用途の場合は、タンクを密閉し、窒素ガスで覆い、熱サイクルに対応するために膨張容積を追加してください。密閉することで、15 ppmの水分が流体に混入するのを防ぎます。

戦略2：油と相性の良い固形物を指定する

設計確定前に、選択したオイルの作動温度における封止材、ワニス、ガスケット、ホースの適合性を確認し、浸漬試験を実施してください。膨張したり溶出したりする材料は、保護機能を発揮するはずの流体を、故障の原因に変えてしまいます。

戦略3：フィールド強化ポイントを削除する

浸漬部品の縁を丸め、終端部にフィールドグレーディングシールドを取り付け、間隔についてはオイルクリアランス表に従ってください。HVC セラミックディスクコンデンサ 滑らかでガラス化した表面を持ち、端が丸みを帯びているため、流体はイオン化するためのエッジを見つけることがない。

戦略4：油温を管理する

ラジエーターまたはポンプのサイズを選定し、ホットスポットの温度が鉱物油の場合は90℃以下、合成エステル油の場合はそれ以上になるようにしてください。85Wのセクションは、静止タンク内で35K、流量0.02kg/sの場合、2.2K上昇します。したがって、ポンプの選択によって、流体全体の温度上昇速度が決まります。

戦略5：流体を計測する

サンプリングポート、または溶存ガス・水分センサーを取り付け、油量チェックをメンテナンス計画に記入してください。ガスと水分の濃度を警報閾値と比較して推移させ、水素濃度の上昇を、油田の整地作業が必要であることを示す最初の兆候として対処してください。

戦略6：用途に合ったオイルを選ぶ

合成エステルは、鉱物油に比べて分解強度が高く、耐水性が高く、劣化も遅いという利点があり、価格もやや高めです。鋭いパルスやホットスポットが発生する点火部においては、タンク内のすべての固体が合成エステルに対して適格であることが確認されていれば、この価格差は十分に価値のあるものです。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
定格電圧（HVCT8Gシリーズ）	10kV DC	60秒間、1.5倍の高電圧試験
キャパシタンス	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz、1 V rms
1MHzにおけるESR	< 50 mΩ	25°C
ループインダクタンス（E40コード）	< 8nH	端子間隔40mm
絶縁抵抗	500V DCで10GΩ以上	25℃、相対湿度60％
使用可能温度範囲	−40℃～+125℃	IEC 60068-2シリーズ
パルスdv/dt機能	> 50 kV/µs	定格電圧で

5. このノード用のHVCコンデンサ

液浸コンデンサは、浸漬される液体に耐えなければなりません。HVC部品は、そのような環境向けに設計されています。

• 高密度で密閉された本体とそのカプセル化構造は、変圧器用油に適しており、材料の劣化や粒子の放出は一切ありません。
• ガラス質のセラミック表面と丸みを帯びた端部により、油中での部分放電を引き起こす電界増強が最小限に抑えられます。
• 定格電圧における部分放電は5pC以下に抑えられるため、コンデンサーは油の分解を誘発しない。
• tanδが0.1%以下であれば、コンデンサがタンクの熱負荷に占める割合は小さく抑えられる。
• ±30 ppm/℃以内のドリフトであれば、温かく油が充填された筐体内で電気的パラメータが安定する。
• 40kV ドアノブコンデンサ フィルムコンデンサ この試験範囲は、流体工学と部品の互換性が日常的に求められる高電圧システムで実施されます。

配送とサポート をカバー クロスリファレンス タンクで現在使用されているコンデンサとの比較、カプセル化の浸漬適合性データ、流体老化試験用のサンプル、およびタンク内のフィールドグレーディングとクリアランスに関するアプリケーションサポート。オイルの種類、セクションの定格電圧、ホットスポット温度、および グレード別抵抗器 終端部に取り付けられています。

6。 よくある質問

Q1：この油はどれくらいの水分に耐えられますか？

5ppm以下に保ってください。15ppmになると、90kVの油は63kVに低下し、60kVの着火ストレスでは絶縁破壊確率が0.8%から43%に上昇します。水はタンク内に入らないようにしなければならず、一度タンク内に入ってしまうと、どんなフィルターを使っても十分に速く除去することはできません。

Q2：オイルはどれくらいの速さで劣化しますか？

温度が上昇すると、損失係数は時間とともに指数関数的に増加します。運転開始時の0.1%から、1時間あたり1.2×10⁻⁵の酸化係数では、10年後には0.29%となり、同じ曲線上で流体自体の誘電損失は0.75Wから2.3Wに上昇します。

Q3：密閉式タンクか、それとも呼吸式タンクか？

窒素ブランケットと膨張室を備えた密閉構造。呼吸タンクは、熱サイクルごとに室内の空気と交換し、その際に水を取り込む。膨張室は、室内の空気を吸い込むことなく、オイル自体の収縮に対応する。

Q4：静止状態のタンクはなぜそれほど高温になるのですか？

熱は壁を通して逃げるためです。2.4 W/K に近い熱伝導率では、85 W の損失が 35 K の温度上昇につながりますが、0.02 kg/s のポンプ回路では同じ損失が 2.2 K に抑えられます。ホットスポットによって、オイルが劣化閾値のどちら側に位置するかが決まります。

Q5：油のサンプリングでは何を調査すべきですか？

水分含有量、酸性度、放散係数、溶存ガス。水素濃度の上昇は部分放電を示し、水分はシール部の状態を示し、放散係数は酸化状態を反映します。これら4つの指標を、それぞれの警報限界値と比較して推移させます。

Q6：合成エステルは価格に見合う価値がありますか？

点火用途であれば、タンクに高温箇所がある場合に有効です。エステルは分解強度が低下する前に多くの水分を保持でき、劣化も緩やかです。ただし、流体交換は接触するすべての物質に影響を与えるため、タンク内のすべての固体物質をまずエステルと照合して評価してください。

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