CN103380367A

CN103380367A - 水分浓度检测装置

Info

Publication number: CN103380367A
Application number: CN2012800096605A
Authority: CN
Inventors: 矢部达也; 田村佳之; 西田智惠子
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Nexgen Control Systems LLC
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-04-02
Also published as: WO2012137745A1; US20130319111A1; CN103380367B; US9389196B2; JPWO2012137745A1; JP5214067B2

Abstract

本发明获得一种水分浓度检测装置，能抑制商用电源的频率分量、它们的高次谐波的频率分量的影响，从而能进行高精度的水分浓度的测定。水分浓度检测装置对填充在气体绝缘设备内的绝缘气体中的水分浓度进行检测，包括在绝缘气体中彼此相对配置的多孔性的多孔电极；夹持并固定在这些电极之间的氢离子导电性的固体电解质膜；以325Hz的频率或10Hz以下的频率对电极施加交流电压的电压施加部；在施加交流电压的状态下对电极间的交流阻抗进行测定的阻抗测定单元；以及基于由阻抗测定单元所测定到的交流阻抗来检测绝缘气体中的水分浓度的水分浓度检测部。

Description

水分浓度检测装置

技术领域

本发明涉及对填充在气体绝缘设备内的绝缘气体中的水分浓度进行检测的水分浓度检测装置。

背景技术

气体绝缘设备中填充有例如SF₆气体等绝缘气体。在现有的SF6气体中的水分浓度检测装置中，在气体绝缘设备内设置有对水分进行感知的水分传感器。该水分传感器包括彼此相对设置的多孔性电极；以及设置在该多孔性电极间、并与SF₆气体中的水分浓度处于平衡状态的氢离子传导性的固体电解质膜。在该水分浓度检测装置中，对多孔性电极施加交流电压，对根据SF₆气体中的水分浓度进行变化的电极间的交流阻抗进行测量，由此来测量SF₆气体中的水分浓度(参照专利文献1和非专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2006-308502号公报

非专利文献

非专利文献1：“使用固体电解质膜的SF6气体中水分浓度的检测”平成17年电气学会全国大会3-171

发明内容

发明所要解决的技术问题

如上所述，在水分浓度检测装置中，对多孔性电极施加交流电压，因此可能会受到商用电源的频率、即50Hz或60Hz的频率分量、它们的高次谐波的频率分量的影响，导致水分浓度的测定精度下降。

本发明是鉴于上述内容而完成的，其目的在于提供一种水分浓度检测装置，能抑制商用电源的频率分量、它们的高次谐波的频率分量的影响，从而能高精度地测定水分浓度。

解决技术问题所采用的技术方案

为解决上述问题，实现目的，本发明的水分浓度检测装置对填充在气体绝缘设备内的绝缘气体中的水分浓度进行检测，其特征在于，包括在绝缘气体中彼此相对配置的多孔性的电极；夹持并固定在这些电极之间的氢离子导电性的固体电解质膜；以325Hz的频率或10Hz以下的频率对电极施加交流电压的电压施加部；在施加交流电压的状态下对电极间的交流阻抗进行测定的阻抗测定单元；以及基于由阻抗测定单元所测定到的交流阻抗来检测绝缘气体中的水分浓度的水分浓度检测部。

发明效果

根据本发明，起到如下效果：即，通过以325Hz的频率或10Hz以下的频率对电极施加交流电压，由此能抑制商用电源的频率分量、高次谐波的频率分量的影响，从而能进行高精度的水分浓度的测定。

此外，由于无需使由电压施加部所施加的交流电压的频率根据每个使用地区、使用国家的不同而不同，因此能实现使用部件、产品的通用化，并能抑制水分浓度检测装置的制造成本。

附图说明

图1是本发明的实施方式1所涉及的水分浓度检测装置的结构图。

图2是表示SF₆气体中的水分浓度与交流阻抗的关系的图。

图3是以线性刻度来表示SF₆气体中的水分浓度与输出电压的关系的图。

图4是表示SF₆气体中的水分浓度与由对数放大器进行了对数变换后得到的输出电压的关系的图。

图5是实施方式2所涉及的水分浓度检测装置的结构图。

图6是表示特定的水分环境下的温度与交流阻抗的测定结果的曲线图。

图7是表示通过试验测定得到的温度-阻抗与水分浓度的关系的曲线图。

图8是表示使水分浓度与温度和交流阻抗相对应的矩阵的一个示例的图。

图9是实施方式3所涉及的水分浓度检测装置的结构图。

图10是表示绝缘气体中的水分浓度与固体电解质膜的交流阻抗的关系的一个示例的曲线图。

图11是表示阻抗元件的阻抗的时间变化的示例的图。

图12是表示阻抗时间变化曲线上、时刻t下的阻抗值的示例的图。

图13是表示阻抗时间变化曲线上、规定的初期期间内的阻抗值的斜率的示例的图。

图14是表示不同温度下的阻抗元件的阻抗的时间变化的示例的图。

具体实施方式

下面，基于附图详细说明本发明的实施方式所涉及的水分浓度检测装置。。另外，本发明并不由这些实施方式所限定。

实施方式1

图1是本发明的实施方式1所涉及的水分浓度检测装置的结构图。如图1所示，对SF₆气体中的水分浓度进行检测的水分浓度检测装置100包括阻抗元件50、交流电源4、分压电阻5、放大器6、滤波器3、对数放大器7、微机(水分浓度检测部)11、以及V-I转换电路12。

阻抗元件50具有多孔电极1和固体电解质膜2。具体而言，在相对设置的多孔电极1之间设有固体电解质膜2。固体电解质膜2固接在多孔电极1上。

阻抗元件50设置在填充有SF6气体的气体绝缘设备13内。气体绝缘设备13的外部设有交流电源4、分压电阻5、以及放大器6，通过引线来与多孔电极1相连。

多孔电极1例如通过对铂进行无电解镀敷从而形成在固体电介质膜2的两端，微观上为多孔性。固体电解质膜2由氢离子导电性聚合物构成，其含水率与SF₆气体中的水分浓度处于平衡状态。也就是说，若SF₆气体中的水分浓度变高，则含水率增大，若SF₆气体中的水分浓度变低，则含水率降低。作为固体电解质膜2，例如可以使用杜邦公司的Nafion(NAFION(注册商标))。

交流电源4(电压施加部)包括发送电路，从所输入的直流电源转换成频率为325Hz的交流电压，并对多孔电极1施加交流电压。交流电压值设定为不会使水产生电解的低电压(约10mV～约1V)。

根据放大器6所测量到的分压电阻5的两端电压来计算固体电介质膜2的交流阻抗。这里，采用具有多孔性的多孔电极1是为了使SF₆气体中的水分容易渗透到固体电解质膜2。

对上述结构的SF₆气体中的水分浓度检测装置的动作原理进行说明。固体电解质膜2与SF₆气体中的水分处于平衡状态，其含水率与SF₆气体中的水分浓度处于平衡状态。另一方面，固体电解质膜2的交流阻抗根据含水率而变化。

图2是表示SF₆气体中的水分浓度与交流阻抗的关系的图。如图2所示，随着SF₆气体中的水分浓度的增加，交流阻抗单调地减少，而随着SF₆气体中的水分浓度的减少，交流阻抗单调地增加。

这里，由于设置在外部的分压电阻5的电阻是固定的，且固体电解质膜2的交流阻抗根据气体绝缘设备13内的水分浓度而进行变化，因此分压电阻5的两端电压根据SF₆气体中的水分浓度进行变化。因此，为了捕捉交流阻抗的变化，利用放大器6对分压电阻5的两端电压进行放大并输出。由此，分压电阻5和放大器6起到阻抗测定单元的作用。

使从放大器6输出的交流电压通过滤波器3。滤波器3是对含有50Hz和60Hz的规定频率、例如300Hz以下的频率分量的通过进行抑制的高通滤波器。若使用这种高通滤波器，则能使由交流电源4施加的交流电压的频率即325Hz的频率分量通过，并能抑制不需要的频率分量的通过。通过滤波器3的交流电压被输入到对数放大器7。

在对数放大器7中，对所输入的交流电压进行对数变换，从而转换成符合微机11的输入范围的直流电压。微机11从D/A转换端子输出与水分量相对应的电压信号。在V-I转换电路12中，将从微机11输出的电压信号转换为4～12mA的电流，并发送给未图示的信息收集装置。由于作为电流信号进行发送，因此即使信息收集装置配置在远处，也能更可靠地发送信号。

图3是以线性刻度来表示SF₆气体中的水分浓度与输出电压的关系的图。由于分压电阻5上的电压与交流阻抗值间成反比例的关系，因此SF₆气体中的水分浓度与输出电压的关系如图3所示。

由此，SF₆气体中的水分浓度与输出电压之间具有以下关系：即，随着SF₆气体中的水分浓度的增加，输出电压单调地增加。然而，该增加为指数函数的增加，如图2和图3所示，交流阻抗、输出电压的位数根据水分浓度大约变化了7位。因此，如果是图3所示的示例，1000ppm以下的水分浓度的分辨率不足，因而难以准确判别水分浓度。

为此，在本实施方式1中使用了对数放大器7。由于交流阻抗、输出电压的位数大约变化了7位，因此优选使用输入范围在140dB以上的对数放大器7。

图4是表示SF₆气体中的水分浓度与由对数放大器7进行了对数变换后得到的输出电压的关系的图。通过由对数放大器7对所输入的交流电压进行对数变换，由此，如图4所示，即使在1000ppm以下的水分浓度下，也能获得足够的分辨率。因此，能在较宽范围的水分浓度下，以更高的精度测定水分浓度。

此外，通过将由交流电源4施加的交流电压的频率设为325Hz，使得在商用电源的频率为50Hz或60Hz时，能抑制因它们的频率分量的影响而导致的水分浓度的测定精度的下降。

此外，通过将交流电压的频率设定为325Hz，从而能在50Hz和60Hz的最小公倍数即300Hz以及超过300Hz的最小高次谐波即350Hz之间设置25Hz的差。因此，能抑制50Hz和60Hz的高次谐波的频率分量的影响。由于抑制了高次谐波的频率分量的影响，因此能以更高的精度测定水分浓度。

此外，频率在60Hz以上、并能与高次谐波之间设置25Hz的差的最小频率为325Hz。由此，通过选择更低的频率，能几乎不受影响地对固体电解质膜2的电容分量所产生阻抗进行测定。因此，能进行更高精度的水分浓度测定。

另外，在对由交流电源4所施加的交流电压的频率进行选择后，假设商用电源的频率为50Hz或60Hz。这是考虑到商用电源的频率通常为50Hz或60Hz的结果。

例如，在日本国内，根据地区的不同，商用电源的频率为50Hz或60Hz。通过如本实施方式1那样、将由交流电源4所施加的交流电压的频率设为325Hz，从而即使是频率不同的区域，也能抑制商用电源的频率分量的影响从而能进行高精度的水分浓度测定。

此外，根据国家的不同，商用电源的频率也会不同，其频率为50Hz或60Hz。该情况也一样，通过将由交流电源4施加的交流电压的频率设为325Hz，从而即使在商用电源的频率为50Hz的国家使用水分浓度检测装置100，或者在商用电源的频率为60Hz的国家使用水分浓度检测装置100，都能抑制商用电源的频率分量的影响从而能进行高精度的水分浓度测定。

因此，无需使由交流电源4所施加的交流电压的频率根据每个使用地区、使用国家的不同而不同，因此能实现使用部件、产品的通用化，并能抑制水分浓度检测装置100的制造成本。

另外，也可以将由交流电源4所施加的交流电压的频率设定为比50Hz更低的10Hz以下。通过选择为10Hz以下的频率，能够充分确保与50Hz和60Hz的频率的差，因此能以更高的精度测定水分浓度。对于该情况，能够使用对例如40Hz以上的频率分量的通过进行抑制的低通滤波器来作为滤波器3。

此外，通过对放大器6的放大程度进行切换，从而也可以使用输入范围比140dB更小的对数放大器。

实施方式2

实际运用的气体绝缘设备的水分浓度通常为几十ppm～几百ppm，若水分浓度下降到几十ppm，则上述固体电解质膜的交流阻抗也会随着水分浓度的下降而从十欧左右呈指数函数地增加，达到1兆欧以上(参照专利文献1)。

此外，设置在室外的气体绝缘设备内部的温度通常会变化多达几十℃。已知固体电解质膜(例如杜邦公司的Nafion(NAFION(注册商标))的含水率具有温度特性，温度越高，含水率越高，从而导致阻抗下降(参照非专利文献1)。然而，对于该固体电解质膜，若低于某一水分浓度，则会反过来呈现出阻抗随温度的升高而上升的趋势。

然而，在现有的SF₆气体水分浓度检测装置中，没有考虑固体电解质膜所具有的温度特性，存在因忽视了温度依存性而导致水分浓度的测定结果中含有误差的问题。

以下，对本实施方式中、在检测水分浓度时将固体电解质膜所具有的温度特性考虑在内、从而能减小水分浓度的测定误差的水分浓度测定装置进行说明。

图5是本实施方式所涉及的水分浓度检测装置的结构图。如图5所示，在彼此相对配置的多孔性的多孔电极1之间夹持有固体电解质膜2，该固体电解质膜2固接在该多孔电极1上。在相对的多孔电极1的例如其中一个多孔电极1上安装有温度传感器33。温度传感器33具备例如Pt100(铂电阻)等测温电阻。

多孔电极1、固体电解质膜2、以及温度传感器33配置在气体绝缘设备13内。气体绝缘设备13的筒状的金属容器内收纳有未图示的高电压导体，气体绝缘设备13内填充有例如SF₆气体等绝缘气体。

多孔电极1例如通过对铂进行无电解镀敷来形成，微观上为多孔性。通过采用具有多孔性的多孔电极1，使得SF₆气体中的水分容易渗透到固体电解质膜2。固体电解质膜2例如由氢离子导电性聚合物构成，其含水率与SF₆气体中的水分浓度处于平衡状态。也就是说，若SF₆气体中的水分浓度变高，则含水率增大，反过来，若SF₆气体中的水分浓度变低，则含水率降低。该固体电解质膜2例如可以采用杜邦公司的Nafion(NAFION(注册商标))。由多孔电极1和固体电解质膜2来构成阻抗元件。此外，由于温度传感器33安装在多孔电极1上，因此能对固体电解质膜2附近的气体温度进行测定。另外，温度传感器的设置位置并不限于图中所示，只要在固体电解质膜2附近即可。

气体绝缘设备13的外部设有对多孔电极1施加电压的交流电源4、对流过固体电解质膜2的交流电流进行检测的分压电阻5、对分压电阻5上的交流电压进行检测并放大的放大器(放大器)6、以及对放大器6的输出进行对数变换并将交流电压转换为直流电压的对数放大器(对数放大器)7。交流电源4、分压电阻5、放大器6以及对数放大器7构成阻抗测定单元，该阻抗测定单元通过对多孔电极1施加交流电压来测定多孔电极1间的交流阻抗(即，固体电解质膜2的交流阻抗)。

此外，气体绝缘设备13的外部还设有对温度传感器33施加电压的直流电源8、对流过温度传感器33的电流进行检测的分压电阻9、对分压电阻9上的电压进行检测并放大的放大器10。温度传感器33、直流电源8、分压电阻9以及放大器10构成对固体电解质膜2附近的绝缘气体的温度进行测量的温度测量单元。

另外，气体绝缘设备13的外部还设有与对数放大器7和放大器10相连的微机(微型计算机)11、以及与微机11相连的V-I转换电路12。微机11包括A/D和D/A转换端子，将对数放大器7和放大器10的各输出作为输入来求得SF₆气体中的水分浓度，并输出与该水分浓度相对应的模拟电压。微机11构成水分浓度检测部。V-I转换电路11将微机11的输出电压转换成电流。也就是说，V-I转换电路12将电压信号转换为电流信号，从而能将水分浓度的测定结果发送到远处。

接着，对本实施方式的动作进行说明。首先，固体电解质膜2的水分量与气体绝缘设备13内的ＳＦ₆气体所包含的水分处于平衡状态。此外，固体电解质膜2的交流阻抗根据温度和水分量而变化。

固体电解质膜2的交流阻抗可以根据交流电源4所产生电压和分压电阻5上的电压来求得。也就是说，由于固体电解质膜2的交流阻抗会根据SF₆气体中的水分浓度而变化，分压电阻5的两端电压也会根据SF₆气体中的水分浓度而变化，因此，能够通过检测分压电阻5的两端电压来求得固体电解质膜2的交流阻抗。分压电阻5上的电压由放大器6进行放大，并由对数放大器7进行对数变换，从而转换为符合微机11的输入范围的直流电压。

另一方面，温度可以根据直流电源8所产生的电压和分压电阻9上的电压来求得。分压电阻9上的电压由放大器10进行放大，从而转换为符合微机11的输入范围的直流电压。

对于固体电解质膜2的温度特性，当水分量较多时，呈现出如下温度特性：即，如通常已知的Nafion的变化、非专利文献1中记载的那样，交流阻抗随着温度的升高而下降。另一方面，当水分量较少时，呈现出图6所示那样、交流阻抗随着温度的升高而上升的特性。这里，图6是表示特定的水分环境下的温度与交流阻抗的测定结果的曲线图。

图7是表示通过试验测定得到的温度-阻抗与水分浓度的关系的曲线图。图7中，横轴为温度(℃)，纵轴为阻抗(Ω)，5个不同的曲线表示水分浓度为100(ppm)、300(ppm)、1000(ppm)、3000(ppm)、10000(ppm)的情况。微机11中预先存储有预先通过试验测定得到的、根据温度信息和阻抗信息而得到的水分浓度的矩阵。图8是表示使水分浓度与温度和阻抗相对应的矩阵的一个示例的图。图8相当于将图7的曲线图离散化后的结果，对离散化后的阻抗和温度分配了水分浓度。对于3000(ppm)以下的水分浓度，随着温度的上升，阻抗也增大。对于3000(ppm)以上的水分浓度，随着温度的上升，阻抗减小。微机11预先将基于测定而生成的图8那样的矩阵的数据保存在本身的存储部中。微机11能够在从对数放大器7和放大器10获得阻抗信息和温度信息后，参照矩阵数据，从而根据所获得的温度信息和阻抗信息来检测水分浓度。

微机11从D/A转换端子输出与所检测到的水分浓度相对应的电压信号。在V-I转换电路12中，将从微机11输出的电压信号转换为例如4～20mA的电流，并发送给远处的信息收集装置(未图示)。

由此，在本实施方式中，通过对固体电解质膜2的交流阻抗和固体电解质膜2附近的气体温度进行测定来检测水分浓度。此时，例如基于交流阻抗测定结果和温度测定结果，并使用预先求得的矩阵来检测水分浓度。因此，根据本实施方式，能准确地测定水分浓度而不受温度的影响，因此具有能减小水分浓度的测定误差的效果。

另外，本实施方式中，为了将固体电解质膜2所具有的温度特性考虑在内来求得水分浓度，预先准备了对阻抗和温度分配了水分浓度的矩阵数据(表格数据)，通过参照该矩阵数据来求得水分浓度，但并不限于矩阵，只要使水分浓度与阻抗和温度相对应即可，例如也可以利用函数等来提供。

另外，本实施方式中，设想为在线监视从而使微机11的输出与V-I转换电路12相连，但也可以不与V-I转换电路12相连，而使微机11直接与显示器(未图示)相连来构成离线装置。

此外，本实施方式也可与实施方式1相组合。具体而言，在图5中，使交流电源4为图1的交流电源4即可。另外，在图5中，能够在放大器6与对数放大器7之间设置图1的滤波器3。通过与实施方式1进行组合，能够抑制温度特性造成的误差，还能抑制商用电源的频率分量、高次谐波的频率分量的影响，从而能进行高精度的水分浓度的测定。

实施方式3

实际运用的气体绝缘设备中的绝缘气体中的水分浓度通常为几十ppm～几百ppm。因此，上述水分传感器配置在该环境中。这里，若水分浓度从几百ppm下降到几十ppm，则固体电解质膜的交流阻抗也会随着水分浓度的降低而呈指数函数地从十欧左右增加，达到1兆欧以上(参照专利文献1)。

另一方面，大气环境中的水分浓度为几万ppm或者更高，与气体绝缘设备的内部存在非常大的浓度差。因此，若在测定前将例如与大气环境的水分浓度处于平衡状态的水分传感器的固体电解质膜配置到气体绝缘设备内，则该固体电解质膜会需要相当长的时间来达到与几十ppm～几百ppm的气体绝缘设备内部的水分浓度的平衡，在水分传感器表示固定的测量值之前，会消耗几小时～几天以上的时间，因此存在无法在短时间内得出测定结果的问题。

以下，对本实施方式中、能在短时间内检测水分浓度的水分浓度检测装置进行说明。

图9是本实施方式所涉及的水分浓度检测装置的结构图。图9中示出了填充有例如SF₆气体等绝缘气体的气体绝缘设备13、以及安装在该气体绝缘设备13上的水分浓度检测装置30。具体而言，经由阀22将水分浓度检测装置30的安装口40安装至气体绝缘设备13的配管21，从而使水分浓度检测装置30与气体绝缘设备13相连。若打开阀22，则气体绝缘设备13内的绝缘气体会通过配管21导入到水分浓度检测装置30内，从而作为采样气体进行使用。

水分浓度检测装置30例如是可移动式的装置，由气室31和信号处理部32构成。气室31经由配管21以及阀22与气体绝缘设备13相连，能够对通过打开阀22而从气体绝缘设备13导入的绝缘气体进行密封。气室31内配置有彼此相对配置的一对多孔性的多孔电极1、以及夹持并固接在多孔电极1之间的固体电解质膜2。

多孔电极1例如通过对铂进行无电解镀敷来形成，微观上为多孔性。通过采用多孔电极1，使得绝缘气体中的水分容易渗透到固体电解质膜2。固体电解质膜2例如由氢离子导电性聚合物构成，其含水率与绝缘气体中的水分浓度处于平衡状态。也就是说，若绝缘气体中的水分浓度变高，则含水率增大，反过来，若绝缘气体中的水分浓度变低，则含水率降低。作为固体电解质膜2，例如可以使用杜邦公司的Nafion(NAFION(注册商标))。如后述那样，由此多孔电极1和固体电解质膜2来构成作为对绝缘气体中的水分浓度进行检测的水分传感器的阻抗元件50。

信号处理部32内设有阻抗测定电路17、运算部19、显示器20以及存储装置18。

阻抗测定电路17与多孔电极1相连，通过对多孔电极1施加交流电压来测定多孔电极1之间的交流阻抗(即，固体电解质膜2的交流阻抗)(阻抗测定单元)。阻抗测定电路17向运算部19输出阻抗的测定值。图10是表示绝缘气体中的水分浓度(ppm)与固体电解质膜2的交流阻抗(Ω)的关系的曲线图，是基于测定结果而生成的。如图10所示，交流阻抗随着水分浓度的增加而单调减少。

阻抗测定电路17例如包括对多孔电极1施加电压的交流电源(未图示)、以及在由该交流电源施加电压的状态下对流过多孔电极1之间的交流电流进行检测的分压电阻(未图示)等。细节部分记载在例如专利文献1中，因此省略说明。

存储装置18对与绝缘气体中的水分浓度相对应的阻抗时间变化曲线群进行存储。这里，阻抗时间变化曲线是例如在将放置在大气气氛中的阻抗元件50配置到绝缘气体中后、利用阻抗测定电路17对多孔电极1之间的交流阻抗的时间变化进行测定所得到的曲线，对绝缘气体中的每个水分浓度提供阻抗时间变化曲线，示出了与水分浓度相对应的阻抗元件50的电压响应特性。由于气体绝缘设备13内的水分浓度通常处于几十ppm～几百ppm的范围内，因此，将例如包含该范围在内、并以一定的增幅分别对多个不同的水分浓度分别预先求得阻抗时间变化曲线之后的结果存储在存储装置18中。

图11是表示阻抗时间变化曲线的示例的图。图11是将放置在大气气氛中的阻抗元件50置于规定的水分浓度的绝缘气体中、并对交流阻抗的时间变化进行测定所得到的曲线图。图中，I1表示绝缘气体中的水分浓度为几十ppm时的测定结果，I2表示绝缘气体中的水分浓度为几百ppm时的测定结果。存储装置18对于每个水分浓度预先存储有图11的I1、I2那样的曲线。

由图11可以确认绝缘气体中的水分浓度较高(更接近大气气氛)的I2收敛得较快、而水分浓度较低(远离大气气氛)的I1则需要较长时间来进行收敛这样的趋势。

由此，在开始测定时，若固体电解质膜2的含水率处于与成为测定对象的绝缘气体中的水分浓度较为接近的状态，则阻抗元件50的响应会在短时间内收敛，而若反过来该含水率与绝缘气体中的水分浓度相差较大，则阻抗元件50的响应难以收敛，因而难以立即获得最终的测定值。另外，在现有的水分浓度检测装置(参照专利文献1)中，等待配置在绝缘气体中的阻抗元件50的阻抗值收敛，并通过将该收敛值与图10那样的水分浓度-交流阻抗曲线进行比较来决定水分浓度，因此需要花费非常多的时间来获得水分浓度。

运算部19具有作为水分浓度检测部的功能。也就是说，运算部19将阻抗测定电路17开始测定阻抗后、阻抗的测定值收敛前的阻抗值的变化、与存储在存储装置18中的阻抗时间变化曲线群进行比较，并确定出表示与所观测到的变化相同变化的阻抗时间变化曲线，从而将该确定出的阻抗时间变化曲线所对应的水分浓度作为检测值进行输出。即，运算部19并非利用收敛后的阻抗值来检测水分浓度，而是通过将阻抗值达到收敛前的时刻或期间内的阻抗值的变化与预先存储在存储装置18中的阻抗时间变化曲线群进行比较，从而在开始测定后的初期阶段对绝缘气体中的水分浓度进行推定。

显示器20能显示运算部19的输出。另外，水分浓度检测装置30还具备用于对该装置进行控制等的输入部等，但图中作了省略。

接着，对本实施方式的动作进行说明。在开始测定水分浓度时，打开配管21的阀22，使气体绝缘设备13内的绝缘气体流入到气室31内。另外，在导入采样气体之前，例如将大气气氛的空气密封在气室31内，固体电解质膜2与该空气中的水分浓度处于平衡状态。在将绝缘气体导入到气室31内后，阻抗测定电路17对多孔电极1施加交流电压，并对固体电解质膜2的水分浓度所对应的交流阻抗进行测定。此时，由于固体电解质膜2的水分量会随着时间逐渐与绝缘气体中所包含的水分达到平衡状态，因此阻抗测定电路17所得到的阻抗的测定值会根据绝缘气体中的水分浓度而表现出图11那样的变化。另外，阻抗测定电路17例如定期地向运算部19输出阻抗测定值。

接着，运算部19在由阻抗测定电路17所输出的阻抗值达到收敛前，将至少一个以上时刻下的阻抗值或一定期间内的阻抗值的变化与、存储在存储装置18中的阻抗时间变化曲线群进行比较，并确定出表示与所观测到的变化相同变化的阻抗时间变化曲线，从而将该确定出的阻抗时间变化曲线所对应的水分浓度作为检测值进行输出。也就是说，运算部19能够根据实际测定到的阻抗值表现出何种时间变化的趋势，从而无需等待最终的收敛值就能在开始测定后的规定时间内推测出与绝缘气体中的水分浓度相对应的阻抗收敛值及水分浓度本身。

然而，如图11所示，对于阻抗值，水分浓度越低，最终表现出越高的值，但若关注初期的变化，则具有如下特征：即，水分浓度越低，则表现出更为急剧的上升，并最终收敛到规定的阻抗值。

因此，本实施方式中，例如在开始测定后，在经过了规定的测定时间t的时刻，由阻抗测定电路17来测定阻抗值A[Ω]。运算部19将由该时间t和阻抗值A所构成的点Q与阻抗时间变化曲线群进行比较，来判定点Q处于哪一阻抗时间变化曲线上，由此能计算水分浓度。此时，若点Q不在任何一条阻抗时间变化曲线上，则运算部19确定时间t下的阻抗值与测定值A最为接近的阻抗时间变化曲线。另外，若缩短测定时间t，则水分浓度的检测时间被缩短。基于图11那样的时间变化的趋势，能够将测定时间t设定在几小时以下，优选为1小时以下。

图12是表示阻抗时间变化曲线上、时刻t下的阻抗值的示例的图。即，对于阻抗时间变化曲线I1，时刻t下的阻抗值为A1[Ω]，并用Q1来表示同一曲线上的点。此外，对于阻抗时间变化曲线I2，时刻t下的阻抗值为A2[Ω]，并用Q2来表示同一曲线上的点。运算部19将通过测定得到的点Q与点Q1或点Q2进行比较，若点Q与点Q1或点Q2在测定误差内一致，则能将与该一致的曲线相当的水分浓度作为检测值。

由此，在本实施方式中，将表示对于绝缘气体中的每个水分浓度、阻抗元件50的阻抗表现出何种时间变化的阻抗时间变化曲线群预先存储在存储装置18中，并通过将阻抗测定值达到收敛前的初期的响应特性与阻抗时间变化曲线群进行比较，从而在固体电解质膜2的水分吸附和脱附达到平衡状态前对水分浓度进行推定。现有技术在对水分浓度进行检测前，需要花费例如几小时到几天以上的时间，而在本实施方式中，则能在例如1小时左右的时间以内进行检测。因此，根据本实施方式，具有能够在短时间内对水分浓度进行测定的效果。

实施方式4

实施方式3中，通过对例如开始测定后经过了一定时间t时的阻抗值A[Ω]进行测定来求得水分浓度，但在本实施方式中，利用阻抗值的初期的斜率来求得水分浓度。

具体而言，例如采用以下方式。利用阻抗测定电路17分别测定开始测定时、以及开始测定后经过了测定时间t的时刻下的阻抗值。运算部19将时刻t下的阻抗值与开始测定时的阻抗值相减并除以其间的测定时间t，由此能计算出从开始测定起经过测定时间t的期间内的阻抗值的斜率L。然后，运算部19将该斜率L与阻抗时间变化曲线群进行比较，从而确定出该期间内的斜率与斜率L在测定误差的范围内一致或与斜率L最为接近的阻抗时间变化曲线，并将与该确定出的阻抗时间变化曲线相对应的水分浓度作为检测值进行输出。此时，若缩短测定时间t，则水分浓度的检测时间也被缩短，这一点与实施方式3同样。另外，这里所示的计算斜率的期间为一个例子，也可以设定其它期间来求得斜率。

图13是表示阻抗时间变化曲线上、规定的初期期间内的阻抗值的斜率的示例的图。也就是说，对于阻抗时间变化曲线I1，将时刻0下的同一曲线上的点设为P1，将时刻t下的同一曲线上的点设为Q1，并将连接Q1和P1的直线的斜率设为L1。对于阻抗时间变化曲线I2，将时刻0下的同一曲线上的点设为P2，将时刻t下的同一曲线上的点设为Q2，并将连接Q2和P2的直线的斜率设为L2。运算部19将通过测定所求得的斜率L与斜率L1或L2进行比较，若斜率L与斜率L1或L2在测定误差内一致，则能将与该一致的曲线相当的水分浓度作为检测值。

本实施方式中，根据两个时刻下的阻抗值来求得斜率，由此来检测水分浓度，因此即使在例如一个时刻下的阻抗值的测定精度略低、使得应用实施方式3时的测定精度略低的情况下，也能利用两个时刻下的信息来补偿各时刻下的测定精度，从而能提高水分浓度的检测精度。本实施方式的其他效果与实施方式3相同。

在实施方式3中，基于例如开始测定后的一个时刻下的阻抗值来推定水分浓度，而在实施方式4中，则基于例如开始测定后的一定期间内的阻抗值的斜率来推定水分浓度。然而，这仅仅是本发明的水分浓度的推定的具体例，一般而言，本发明只要将阻抗值的初期变化直接或间接地与阻抗时间变化曲线群进行比较来推定水分浓度即可。例如，也可以将三点以上的多个时刻下的阻抗的测定值与阻抗时间变化曲线群进行比较来推定水分浓度。

也可以将实施方式3、4与实施方式1进行组合。具体而言，在图9中，可以利用例如图1的交流电源4、分压电阻5、放大器6、滤波器3以及对数放大器7来构成阻抗测定电路17。此外，图9的运算部19相当于图1的微机11以及V-I转换电路12。通过与实施方式1进行组合，能够抑制商用电源的频率分量、高次谐波的高频分量的影响，从而能进行高精度的水分浓度的测定，并能在短时间对水分浓度进行测定。

也可以将实施方式3、4与实施方式2进行组合。具体而言，在图9中，利用例如图5的交流电源4、分压电阻5、放大器6以及对数放大器7来构成阻抗测定电路17，并进一步在气室31内的多孔电极1上设置图5的温度传感器33，在信号处理部32内设置图5的温度测量单元(直流电源8、分压电阻9以及放大器10)，并以和图5同样的方式对温度传感器33、直流电源8、分压电阻9以及放大器10进行连线，将放大器10的输出输入到运算部12。图9的运算部19相当于图5的微机11以及V-I转换电路12。在该情况下，在存储装置18中，对于每个不同的水分浓度以及每个不同的温度存储与绝缘气体中的水分浓度和温度相对应的阻抗时间变化曲线群。另外，该阻抗时间变化曲线群也可以如图8那样，作为矩阵数据来进行保存。图14是表示不同温度下的阻抗元件的阻抗的时间变化的示例的图。图14中，I1表示常温下的绝缘气体中的水分浓度为几十ppm时的测定结果，I1′表示高温状态下的绝缘气体中的水分浓度为几十ppm时的测定结果，I2表示常温下的绝缘气体中的水分浓度为几百ppm时的测定结果，I2′表示高温状态下的绝缘气体中的水分浓度为几百ppm时的测定结果。存储装置18对于每个水分浓度预先存储有图14的I1、I1′、I2、I2′那样的曲线。接着，运算部19在由阻抗测定电路17所输出的阻抗值达到收敛前，基于由温度测量单元所测量到的绝缘气体的温度，将至少一个以上时刻下的阻抗值或一定期间内的阻抗值的变化与、存储在存储装置18中的、与测量所得到的温度相对应的阻抗时间变化曲线群进行比较，并确定出表示与所观测到的变化相同变化的阻抗时间变化曲线，从而将该确定出的阻抗时间变化曲线所对应的水分浓度作为检测值进行输出。通过与实施方式2进行组合，能抑制温度特性造成的误差，还能在短时间能对水分浓度进行测定。根据上述说明，显然也可以将实施方式3、4与实施方式2和实施方式1进行组合。

工业上的实用性

如上所述，本发明所涉及的水分浓度检测装置适用于气体绝缘设备内的SF₆气体中的水分浓度的检测。

标号说明

1多孔电极

2固体电解质膜

3滤波器

4交流电源

5、9分压电阻

6、10放大器

7对数放大器

8直流电源

11微机

12V-I转换电路

13气体绝缘设备

17阻抗测定电路

18存储装置

20显示器

33温度传感器

50阻抗元件

100水分浓度检测装置

Claims

1.一种水分浓度检测装置，对填充在气体绝缘设备内的绝缘气体中的水分浓度进行检测，其特征在于，包括：

多孔性的电极，在所述绝缘气体中彼此相对配置；

氢离子导电性的固体电解质膜，夹持并固定在这些电极之间；

电压施加部，以325Hz的频率或10Hz以下的频率来对所述电极施加交流电压；

阻抗测定单元，在施加交流电压的状态下对所述电极之间的交流阻抗进行测定；以及

水分浓度检测部，基于由所述阻抗测定单元所测定到的所述交流阻抗来检测所述绝缘气体中的水分浓度。

2.如权利要求1所述的水分浓度检测装置，其特征在于，

施加在所述电极上的交流电压的频率为325Hz，

该水分浓度检测装置还包括高通滤波器，该高通滤波器将包含50Hz及60Hz在内的规定频率以下的分量去除，并使325Hz的分量通过。

3.如权利要求1所述的水分浓度检测装置，其特征在于，

还包括对数放大器，对所述交流阻抗进行对数变换，并输出到所述水分浓度检测部。

4.如权利要求3所述的水分浓度检测装置，其特征在于，

所述对数放大器具有140dB以上的输入特性。

5.如权利要求1所述的水分浓度检测装置，其特征在于，

包括温度测量单元，利用配置在所述固体电解质膜附近的温度传感器来测量所述绝缘气体的温度，

所述水分浓度检测部基于由所述阻抗测定单元所测定到的所述交流阻抗和由所述温度测量单元所测量到的所述温度来检测所述绝缘气体中的水分浓度。

6.如权利要求5所述的水分浓度检测装置，其特征在于，

所述水分浓度检测部中预先保存有对温度和交流阻抗分配了水分浓度的矩阵数据，通过参照该矩阵数据，从而将与由所述阻抗测定单元所测定到的所述交流阻抗和由所述温度测量单元所测量到的所述温度相对应的水分浓度作为检测值进行输出。

7.如权利要求6所述的水分浓度检测装置，其特征在于，

对于所述矩阵数据，当水分浓度低于特定的水分浓度时，阻抗会随着温度的上升而增大，而当水分浓度高于所述特定的水分浓度时，阻抗会随着温度的上升而减小。

8.如权利要求1所述的水分浓度检测装置，其特征在于，包括：

气室，对从所述气体绝缘设备导入的所述绝缘气体进行密封，且该气室内部相对配置有所述电极；以及

存储部，对于多个不同的水分浓度存储有阻抗时间变化曲线群，该阻抗时间变化曲线群表示与所述绝缘气体中的水分浓度相对应的所述交流阻抗的时间变化，

所述水分浓度检测部在所述阻抗测定单元所得到的交流阻抗的测定值收敛前，将至少一个以上时刻下的所述交流阻抗的测定值或一定期间内的所述交流阻抗的测定值的变化与、存储在所述存储部中的阻抗时间变化曲线群进行比较，确定出表示与所述变化相同的变化的阻抗时间变化曲线，从而将与该确定出的阻抗时间变化曲线相对应的水分浓度作为检测值进行输出。

9.如权利要求8所述的水分浓度检测装置，其特征在于，

所述水分浓度检测部将开始测定所述水分浓度后经过了规定时间的时刻下的所述交流阻抗的测定值与、存储在所述存储部中的所述阻抗时间变化曲线群进行比较，确定出经过了所述规定时间的时刻下的交流阻抗的值与所述交流阻抗的测定值一致或最为接近的阻抗时间变化曲线，从而将与该确定出的阻抗时间变化曲线相对应的水分浓度作为检测值进行输出。

10.如权利要求9所述的水分浓度检测装置，其特征在于，

所述水分浓度检测部将规定期间内的所述交流阻抗的测定值的斜率与、存储在所述存储部中的所述阻抗时间变化曲线群进行比较，确定出所述规定期间内的交流阻抗的斜率与所述交流阻抗的测定值的斜率一致或最为接近的阻抗时间变化曲线，从而将与该确定出的阻抗时间变化曲线相对应的水分浓度作为检测值进行输出。

11.如权利要求5所述的水分浓度检测装置，其特征在于，包括：

存储部，对于多个不同的水分浓度和多个不同的温度存储有阻抗时间变化曲线群，该阻抗时间变化曲线群表示与所述绝缘气体中的水分浓度和温度相对应的所述交流阻抗的时间变化，

所述水分浓度检测部在所述阻抗测定单元所得到的交流阻抗的测定值收敛前，基于由所述温度测量单元所测量到的所述绝缘气体的温度，将至少一个以上时刻下的阻抗值或一定期间内的阻抗值的变化与、存储在所述存储部中的、与所述温度相对应的阻抗时间变化曲线群进行比较，确定出表示与所述变化相同的变化的阻抗时间变化曲线，从而将与该确定出的阻抗时间变化曲线相对应的水分浓度作为检测值进行输出。