環境防災型変圧器用絶縁性液体の
燃焼性評価に関する検討
第27回 石油学会 絶縁油分科会発表会
平成19年 6月 8日
京都市勧業館「みやこめっせ」
諏訪東京理科大学
◎鈴木 久仁子, 須川 修身, 上矢 恭子
日本AEパワーシステムズ
宮城 克徳, 山岸 明
1
目 次
1. はじめに
2.検討内容
3.絶縁性液体の燃焼性評価
4.試験結果
5.考察とまとめ
6.今後について
7. 謝辞
2
1.はじめに
3
1.環境適合性に対する社会的責任
環境配慮に対する要求の高まり
ポスト京都議定書による温室効果ガス排出抑制(2050年迄に世界排出量半減[日本案])
⇒脱SF6ガス化が世界的な潮流
2.防災性に対する社会的責任
都市型変電設備などでは周辺地域との協調が重要
火災に対して強い機器が必要
⇒ 高引火点絶縁性液体の変圧器への適用(例:シリコーン液入変圧器)
3.絶縁性液体の難燃性評価法確立
◎消防庁省令の扱い:指定可燃物(平成14年消防法改正)扱い・・・引火点250℃超と高い
◎各種高引火点絶縁油と固体材料の燃焼時の性状比較
◎現行法JIS法 C2101(ガラステープ法)と提案法ISO5660(コーンカロリメーター法)との試験法比較
⇒ 難燃性合成油入変圧器の火災安全性評価確立
Japan AE Power Systems Corporation
Tokyo University of Science, SUWA
① 絶縁性液体燃焼の必要条件
燃焼の必要条件
• 可燃物 ⇒ 絶縁油
• 酸素 ⇒ 空気
• 熱源 ⇒ 外部からの熱
絶縁性液体の燃焼性の基本因子
• 着火の難易
• 火災の伝播性
• 消炎性
• 熱放出
• 燃焼生成物
4
② 絶縁性液体の燃焼過程
5
空気
(酸素供給源)
ガス,煙
(燃焼性生成物)
熱分解生成ガス蒸気
燃焼条件
の成立
(可燃性気体)
熱分解
燃焼
反応
放出エネルギー
(輻射, 対流熱)
燃焼
サイクル
蒸発
着火エネルギー
活性化エネルギー
絶縁性液体
(可燃物)
熱伝達
6
③火災成長の遷移
火災成長段階
拡大
出火
最盛期
着火性
発熱速度
対応する燃焼特性
火炎伝播性
発煙性
耐火性
Japan AE Power Systems Corporation
Tokyo University of Science, SUWA
④ 絶縁油の燃焼性の基本因子と試験方法
7
燃焼性の基本因子
評価のポイント
試験方法
着火の難易
着火しやすいか否か
引火点、燃焼点UL法 他
コーンカロリーメーター法
火炎の伝播性
火炎が伝播しやすいか
ガラステープ法
スプレーミスト法
プールファイア法
コーンカロリーメーター法 他
消炎性
(火炎の持続性)
燃えつづける可能性が大きいか
酸素指数法
プールファイア法
コーンカロリーメーター法
熱放出
単位時間に放出される燃焼エネ
ルギーの大か小か
プールファイア法
コーンカロリーメーター法
燃焼生成物
煙, ガス生成量の多いか少ない
か
プールファイア法
コーンカロリーメーター法
他
3.2.供試試料
(高引火点絶縁性液体・固体材料)
8
・ 供試試料 : ①代表的な変圧器用絶縁性液体
鉱油,20cStシリコーン液,50cStシリコーン液,
合成エステル油,ポリオールエステル油,天然エステル油
②一般的な固体材料
木材(杉),建材(石膏ボード),絶縁木,モールド樹脂
・ 測定項目: 「着火性」,「発熱性」,「火炎伝播性」,「発煙性」を確認
限界着火放射熱量,着火時間,発熱量・速度,
発煙量・速度,火炎伝播速度の測定
3.2.供試試料
9
(高引火点絶縁性液体)
Table1. Thermo-physical Properties for each insulation fluid
Silicone Liquid
(KF96)
Mineral Oil
(HS Trans
N)
Term
20cSt
50cSt
Synthetic Ester
Oil
(MIDEL7131)
Density [kg/m3]

870
950
960
970
Thermal Conductivity [W/mK]

0.123
0.142
0.153
0.144
1993
1633
1502
1880
145
>250
> 310
275
Specific Heat [J/kgK] @40℃
Flash Point [℃]
C
Ts
Japan AE Power Systems Corporation
Polyol Ester Oil
(Bio Trans VG32)
Natural Ester Oil
(FR3)
970
920
0.120
0.167
1800
1884
274
300
Tokyo University of Science, SUWA
3.3.燃焼性試験方法
-JIS C 2101 ガラステープ法(現行法)-
10
Combustion direction
Experiment assumption
Retention bar
Retention bar
300
100
Marker
Bunsen burner
Fixing support
Twilled glass tape
50
200
・Flame height
30 mm
・Measurement section
300 mm
・Quantity of adhesion of
a sample
0.2 g/10 cm
Weight:200g
Fig1. Outline of the combustion rate measurement apparatus
Fig2. Pictures of the combustion rate measurement test
3.3.燃焼性試験方法
11
- ISO 5660 コーンカロリーメーター法(提案法)(1/2) Experimental Apparatus
Fig3. View of Cone calorimeter
Japan AE Power Systems Corporation
Fig4. Overview of Cone calorimeter
Tokyo University of Science, SUWA
3.3.燃焼性試験方法
12
- ISO 5660コーンカロリーメーター法(提案法)(2/2) Measurement items & Radiant heat fluxes
IEC60695-8-3(Draft)
Ignition performance ・・ Ignition time
3 ~ 50 [kW/m2] Critical radiant heat flux
Heat buildup ・・・・・・・ ・ Heat release rate
50 [kW/m2]
Total heat release
Smoke evolution ・・・・ ・ Smoke production rate
50 [kW/m2]
Total smoke production
Fig5 Square Pan
Flame propagation ・・・ ・ Flame propagation velocity
17 [kW/m2]
Pans
Square・・・100mm×100mm×15mm
Circular・・・Dia.φ110.27mm×15mm
Measuring time
1800 [sec]
Fig6. Circular Pan
Japan AE Power Systems Corporation
Tokyo University of Science, SUWA
4.試験結果 (着火性)
13
0.35
Polyol Ester Oil
Mineral Oil
Circular Pan
Circular Pan
Square Pan
Square Pan
20cSt Silicone Liquid
Circular Pan
Square Pan
50cSt Silicone Liquid
Circular Pan
Square Pan
Synthetic Ester Oil
Circular Pan
Square Pan
Natural Ester Oil
Circular Pan
Square Pan
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
0
10
20
30
40
50
60
Radiant Heat Flux [kW/m2]
Fig7. Correlation between inverse square
root of ignition time (tig) and radiant
heat flux to the fluids’ surface.
Japan AE Power Systems Corporation
Inverse Square Root of Ignition Time (tig) [sec-1/2]
Inverse Square Root of Ignition Time (tig) [sec-1/2]
ー ISO 5660コーンカロリーメーター試験 ー
0.35
Wood
10 mm
20 mm
Gypsum Board
9.5 mm
12.5 mm
Insulation Wood
15 mm
Mold Resin
15 mm
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
0
10
20
30
40
50
60
Radiant Heat Flux [kW/m2]
Fig8. Correlation between inverse square
root of ignition time (tig) and radiant heat
flux to the solids’ surface.
Tokyo University of Science, SUWA
着火時間の推定(1/2)
Semi-infinite solid
14
t ig
t t 1.128h
(TigTTSS 
T0T)TO
(q  (Tig qT・・・Eq(2)
)1.128・・・(5)
O
0 )h・・・Eq(3)
) C C
C
t ig
C (Tig T0
1
22qq
1.128
・・・(4)
Cone Heater
q :Radiant heat flux, Ts :Surface temperature,
Tig:Ignition temperature,To :Ambient temperature,
t ig :Ignition time, t :Time,  :Density,
Thermal Radiation : q
C :Specific heat,  :Thermal conductivity
Surface Temperature : TS
Depth
Temperature Profile
Fig9. Model of radiant heating
Japan AE Power Systems Corporation
Tokyo University of Science, SUWA
着火時間の推定(2/2)
Calculation Value
Experimental Value
0.35
Inverse Square Root of Ignition Time (tig) [sec-1/2]
Mineral Oil
20cSt Silicone Liquid
50cSt Silicone Liquid
Natural Ester Oil
Synthetic Ester Oil
Polyol Ester Oil
15
0.30
0.25
0.20
0.15
Natural Ester Oil
Mineral Oil
0.10
Circular Pan
Circular Pan
Square Pan
Square Pan
0.05
20cSt Silicone Liquid Polyol Ester Oil
Circular Pan
Circular Pan
0.00
Square Pan
Square Pan
60
50
40
30
20
10
0
50cSt Silicone Liquid
Circular Pan
Radiant Heat Flux [kW/m2]
Square Pan
Synthetic Ester Oil
Fig10. Simulated correlation between inverse square
Circular Pan
root of ignition time (tig) and radiant heat flux to
Square Pan
the fluids.
Japan AE Power Systems Corporation
Tokyo University of Science, SUWA
燃焼試験姿(1/3)
ー ISO 5660 コーンカロリーメーター試験 ー
16
-Insulation fluids-
20cSt Silicone
Liquid
Natural Ester Oil
Mineral Oil
Synthetic Ester Oil Polyol Ester Oil
Fig11. The photograph after ignition and fire extinguishing
Japan AE Power Systems Corporation
Tokyo University of Science, SUWA
燃焼試験姿(2/3)
ー ISO 5660コーンカロリーメーター試験 ー
17
-Solid materials-
Mold Resin
Insulation Wood
Wood
Gypsum Board
10 mm
20mm
検討内容
Fig12. The photograph after ignition and fire extinguishing
Japan AE Power Systems Corporation
Tokyo University of Science, SUWA
燃焼試験姿(3/3)
ー JIS C 2101 ガラステープ法 ー
20cSt Silicone
liquid
Mineral Oil
Polyol
Ester Oil
Synthetic
Ester Oil
18
Natural
Ester Oil
Fig13. The photograph of glass tape after a combustion rate examination
Japan AE Power Systems Corporation
Tokyo University of Science, SUWA
4.試験結果 (発熱性)
ー ISO 5660コーンカロリーメーター試験 ー
19
Radiant heat flux: 50kW/m2
1500
Mineral Oil
20cSt Silicone Liquid
50cSt Silicone Liquid
Synthetic Ester Oil
Natural Ester Oil
Polyol Ester Oil
1200
900
600
300
0
Heat Release Rate [kW/m2]
Heat Release Rate [kW/m2]
1500
Insulation Wood
Mold Resin
15 mm
15 mm
Wood
Gypsum Board
10 mm
9.5 mm
12.5 mm
20 mm
1200
900
600
300
0
0
200
400
600
800
1000 1200
Time [sec]
Fig14. Time histories of the heat release
rate of fluids.
Japan AE Power Systems Corporation
0
200
400
600
800
1000 1200
Time [sec]
Fig15. Time histories of the heat release
rate of solid materials.
Tokyo University of Science, SUWA
4.試験結果 (発煙性)
ー ISO 5660コーンカロリーメーター試験 ー
20
Radiant heat flux: 50kW/m2
3.5
3.0
Mineral Oil
20cSt Silicone Liquid
50cSt Silicone Liquid
Synthetic Ester Oil
Natural Ester Oil
Polyol Ester Oil
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
Smoke Production Rate [m2/s]
Smoke Production Rate [m2/s]
3.5
Insulation Wood
Mold Resin
15 mm
15 mm
Wood
Gypsum Board
10 mm
9.5 mm
12.5 mm
20 mm
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0
200
400
600
800
1000 1200
Time [sec]
Fig16. Time histories of the smoke production
rate of fluids.
Japan AE Power Systems Corporation
0
200
400
600
800
1000
1200
Time [sec]
Fig17. Time histories of the smoke production
rate of solid materials.
Tokyo University of Science, SUWA
4.試験結果
- まとめ JIS
JIS C
C 2101
2101
ISO 5660
Comparison
21
Proposal
Mineral Oil
20cSt Silicone Liquid
Synthetic Ester Oil
Polyol Ester Oil
-1/2
Natural Ester Oil
Flame Propagation Velocity 1/{λρC(Tig-To)2}-1/2
Table2.
JIS C
Cbetween
Flame
2101 propagation
velocity
ofISO
each
oil of each oil
0.100 & Burning
ISO
5660
Table3.
Correlation
Thermal inertia
rate
0.100
JIS
2101
5660
Mineral Oil
20cSt Silicone Liquid
Synthetic Ester Oil
Polyol Ester Oil
Natural Ester Oil
Flame Propagation Velocity 1/{λρC(Tig-To)2}-1/2
火炎からの放射熱で蒸発が起こり,発
熱伝導,熱放射に伴う液相から気相へ
Thermal inertia
Flame propagation
velocity Burning
[mm/sec]rate [g/sec]
燃焼 Sample
火炎からの放射熱で蒸発が起こり,発
熱伝導,熱放射に伴う液相から気相へ
燃焼
2
Sample
Sample
生した蒸気が液面上で燃焼する液面燃
の物質移動が統合された伝播燃焼試
[J/m ・s ・K]
生した蒸気が液面上で燃焼する液面燃
の物質移動が統合された伝播燃焼試
性状
2
Ave.
n
=
1
n
=
2
n
=
3
n = 4 n =n1=→熱の伝導機構が単純
5 n =Ave.
Std. Std.
性状
焼
験法
→熱の伝導機構が複雑
焼
→熱の伝導機構が単純
→熱の伝導機構が複雑
462
Mineral Oil
6.8
7.1 Mineral
7.4 Oil 6.4 0.1026.6 0.105
6.9 0.103
0.4 0.002
利
・短時間で燃焼速度を測定できる
20cSt
Silicone
Oil
469
利 0.010
・定量的な測定が可能
0.010
・短時間で燃焼速度を測定できる
・定量的な測定が可能
20cSt Silicone
Oil3.9 0.0222.6 0.020
0.021
0.001
点
20cSt
Silicone
Oil
3.0
3.7
3.3
3.3
0.5
点
Synthetic Ester Oil
512
・着火・発熱・発煙項目も同時に測定が
・火炎からの熱伝達によって表面近くに
Synthetic3.6
Ester
Oil
0.0613.3 0.064
0.062
0.002
・着火・発熱・発煙項目も同時に測定が
・火炎からの熱伝達によって表面近くに
Synthetic
Ester
Oil
3.4
3.3
3.1
3.3
0.2
Natural Ester
Oil
538
可能
表面張力や密度・動粘度の勾配が生
可能
表面張力や密度・動粘度の勾配が生
Natural
Ester
Oil
0.066 0.074 0.070 0.005
じるため予測及び定量的な測定が不
Ester
Oil
2.1
2.0
2.1
2.2
2.3
2.2
0.1
Polyol Natural
Ester
Oil
458
じるため予測及び定量的な測定が不
・熱慣性による予測が可能
・熱慣性による予測が可能
可能
問
Polyol Ester Oil
0.060 0.063 0.061 0.002
可能
問
Polyol
Ester Oil
3.8
4.0
4.3 ・絶縁性液体の粘度の大小に関わらず
3.7
5.1
4.2
0.6
題
・絶縁性液体の動粘度の大小に関わら
・ガラステープの両面から酸素の供給が
題 0.001 ・ガラステープの両面から酸素の供給が
0.001
測定が可能
ず測定が可能
点
なされているため絶縁性液体の使用
0.010
0.100
1.000
100.0
10.0
1.0
点
なされているため絶縁性液体の使用
Mineral
oil>Natural
oil>Synthetic
ester
oil>
環境下とは異なる
Mineral
oil>Polyol
ester oil>20cSt
silicone liquid>
Burning Velocity [g/sec]
Velocity [mm/sec]
Flame Propagation
環境下とは異なる
・ガラステープ法と比較して、試験に時
・ガラステープ法と比較して、試験に時
Polyol ester
ester oil>Natural
oil>20cSt silicone
Synthetic
ester
oilliquid
Fig19.
コーンカロリーメーター法による
Fig18. ガラステープ法による
間を要すること
・粘度の温度依存性の高い物は測定不
間を要すること
・低粘度の絶縁性液体のみ測定可能
各絶縁性液体の火炎伝播速度
各絶縁性液体の火炎伝播速度
可
Mineral験法
Oil
Japan AE Power Systems Corporation
Tokyo University of Science, SUWA
4.試験結果(火炎伝播性)
ー JIS C 2101 ガラステープ法 ー
direction
22
direction
Mineral oil
direction
20cSt Silicone liquid
direction
Synthetic ester oil
direction
Polyol ester oil
Natural ester oil
Fig20. Preheat to occur in a progress direction of a flame
Japan AE Power Systems Corporation
Tokyo University of Science, SUWA
5.考察とまとめ(1/2)
23
【1】 「絶縁性液体の難燃性評価法確立」
№
検討内容
①
難燃性評価可能な「固体材料」との燃 提案法ISO法(コーンカロリーメーター法)によれば,難燃性評
焼時の性状比較
価可能な「固体材料」と同様に 熱物性値(λρc)によ
り絶縁性液体の着火時間の推定が可能である。
【着火性:Fig.10参照】
②
現行法JIS法(ガラステープ法)による高
引火点絶縁性液体(IEC-TS-6007614相当)の燃焼性確認と試験法問題
点の把握
実用性:現行法JIS法(ガラステープ法)に使用するテープ
が入手困難で実験自体が困難。
試験結果:50cStシリコーン液以外では燃焼性試験が可
能で、各絶縁性液体の熱慣性と火炎伝播速度の関係
に良い相関性有り。 【火炎伝播性:23頁参照】
③
現行法JIS法(ガラステープ法)と提案法
ISO法(コーンカロリーメーター法)との試験
結果比較
JIS法(ガラステープ法)は火炎伝播速度の大小評価は可
能で,低粘度の油はガラステープから滴下し、火炎形成に
寄与せず実験結果に誤差が生じやすい。一方,ISO
法(コーンカロリーメーター法)は伝熱機構が明白で,熱慣性に
よって燃焼性が定量評価可能で測定誤差小。【火炎
伝播性:23頁参照】
結果
以上より, 『絶縁性液体の難燃性評価法』を検討した結果、 「着火性」,「発熱性」,「火炎伝播
性」,「発煙性」の様々な火災時の現象が把握出来、かつ燃焼性の定量評価可能で、かつ測
定誤差小さい提案法ISO法(コーンカロリーメーター法)が適法であることが確認出来た。
5.考察とまとめ(2/2)
24
【2】「IEC60076-14相当 高引火点絶縁性液体の火災安全性評価」
検討
内容
結果
着火性
液体:天然エステル >50cSt,or 20cStシリコーン,合成エステル, ポリオールエステル, >鉱油
(安全性高低順)
固体:モールド樹脂
石膏ボード
木材(杉)
発熱性
液体:50cStシリコーン>20cStシリコーン>ポリオールエステル>合成エステル>天然エステル>鉱油
高い
←
火災が生じた際の安全性
← 低い
発煙性
液体: 50cStシリコーン>20cStシリコーン>合成エステル>ポリオールエステル>天然エステル>鉱油
固体:シリコーン液は木材(杉)絶縁木, モールド樹脂より安全性高い
高い
← 火災が生じた際の非難行動上の安全性 ← 低い
火炎
伝播性
ガラステープ法液体:天然エステル>20cStシリコーン液,合成エステル>ポリオールエステル>鉱油
液体:20cStシリコーン液>ポリオールエステル>合成エステル>天然エステル>鉱油
以上より、高引火点絶縁性液体の燃焼性試験を実施した結果、総合的にはシリコーン
液の火災安全性(発煙性、発熱性)他が高いことが確認出来た。
火災安全性評価方法の提案
25
1 Ignitability
・Flash point
・Critical radiant heat flux
2 Flame propagation
・Thermal inertia(  c)
3 Heat release propagation
・Peak heat release rate
・Total heat release
4 Smoke evolution
・Peak smoke production rate
・Total smoke production
5 Environmental friendliness
Japan AE Power Systems Corporation
Tokyo University of Science, SUWA
26
ご清聴ありがとうございました.
ご静聴ありがとうございました
良い春休みを!!
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平成19年 石油学会(発表用パワーポイント)