JP2009141667A - アーク放電監視装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】アーク発生直後のアーク挙動とアーク発生前後の異物などのアーク以外の挙動とを一台の高速度カメラで撮影し、アーク及びアーク以外の位置の時間変化などを抽出し定量的に評価できるアーク放電監視装置を提供することである。
【解決手段】光を受光する感光部が複数列配置され高速に測定対象物の2次元画像を読み取ることができる高速度カメラ22と、測定対象物23に高輝度均一の光を照射する照明装置24と、照明装置24の光源部の前面及び高速度カメラ22のレンズの前面に配置されアーク放電の主な波長領域の光が減衰帯に位置するバンドパスフィルタ25と、高速度カメラ22で読み取られた画像を処理し表示する画像処理表示装置27とを備える。
【選択図】 図1
【解決手段】光を受光する感光部が複数列配置され高速に測定対象物の2次元画像を読み取ることができる高速度カメラ22と、測定対象物23に高輝度均一の光を照射する照明装置24と、照明装置24の光源部の前面及び高速度カメラ22のレンズの前面に配置されアーク放電の主な波長領域の光が減衰帯に位置するバンドパスフィルタ25と、高速度カメラ22で読み取られた画像を処理し表示する画像処理表示装置27とを備える。
【選択図】 図1
Description
本発明は、発変電所や開閉所等における変圧器や開閉器あるいは高圧導体などの変電機器のアーク放電の監視に好適なアーク放電監視装置に関する。
一般に、発変電所及び開閉所等において用いられている変圧器及び開閉器などの変電機器において、短絡・地絡事故が発生すると、アーク放電によるアーク電流が数千Aから場合によっては数万Aの大電流が流れるため、変圧器の焼損や遮断器の爆発などの大きな設備災害を引き起こす恐れがある。短絡・地絡事故の原因として密閉空間内の導電性異物混入が挙げられる。特に異物が電界によって高電圧導体近傍を浮遊するファイヤフライ現象に至った場合には絶縁耐力は著しく低下するため事故の危険性が高くなる。
このような異物混入による短絡・地絡にいたる現象を解明しようとする場合、高速度撮影により異物とアークの相互の位置関係などを同時に定量的に測定できれば非常に有用である。従来のCCDカメラによるアーク撮影では、アークの強い光によりCCDがハレーションを起こさないように遮光する必要がある。その方法として、レンズを絞る方法がある。また、カメラ自体が持つ感度の波長域を低減させるNDフィルタをレンズに設置するなどがある。また、アークの挙動は非常に高速であるため、撮影速度が4000fps以上の高速度カメラによる撮影が必要である。
ここで、溶接中における溶接状態を充分に監視し得る溶接監視装置として、CCDカメラに、このCCDカメラ自体が持つ感度の波長域の光量を低減させるNDフィルタと、波長が380〜400nmの光を透過し得るフィルタとを具備させたものがある(例えば、特許文献1参照)。これを用いると、アーク放電時のアークとそれ以外の対象物とを撮影できる。
図6は、従来のアーク撮影システムの概略図である。タングステン電極棒11の前方には、溶接ワイヤ(溶加材)12が配置されるとともに、その先端部が溶融池(溶融プールともいう)13に挿入されている。そして、このTIG溶接中に、その溶接状態すなわち溶接アーク15の状態、母材14の溶融状態(溶融池の形状)、溶接ワイヤ12の挿入位置、溶融池13の前方部の開先形状、タングステン電極棒11の劣化状態を可視化して監視するための溶接監視装置16が配置されている。
溶接監視装置16は3台のCCDカメラ装置17a〜17cからなり、CCDカメラ装置17aにNDフィルタ18とアークの波長領域の光のみを透過する第1のフィルタ19、CCDカメラ装置17bにNDフィルタ18と赤外域に近い波長領域の光のみを透過する第2のフィルタ20、CCDカメラ装置17cにNDフィルタ18と赤外域のみを透過する第3のフィルタ21を装着する。これにより、アークの挙動及びアーク以外の電極棒の形状などを同時に撮影することができる。
特開平9−141432号公報
しかし、アークの強い光によりCCDがハレーションを起こさないようにアークによる光を遮光する方法では、アークの撮影は可能であるが、映像が全体的に暗くなるため、異物の挙動または周囲の状況を撮影することはできない。特に、高速度カメラは高輝度照明での撮影が要求されるので、アーク以外のものを撮影する場合には、むしろ遮光してはならない。
また、特許文献1の撮影方法では、アーク挙動を撮影するカメラとそれ以外のものを撮影するカメラを用いることにより、アークとアーク以外の挙動を同時に撮影することができるが、複数台のカメラを用意する必要があり、さらに、それぞれのカメラ位置が異なるため、アークとアーク以外の位置関係が不明となり、現象解明には役立たない。
本発明の目的は、アーク発生直後のアーク挙動とアーク発生前後の異物などのアーク以外の挙動とを一台の高速度カメラで撮影し、アーク及びアーク以外の位置の時間変化などを抽出し定量的に評価できるアーク放電監視装置を提供することである。
本発明のアーク放電監視装置は、光を受光する感光部が複数列配置され高速に測定対象物の2次元画像を読み取ることができる高速度カメラと、測定対象物に高輝度均一の光を照射する照明装置と、前記照明装置の光源部の前面及び前記高速度カメラのレンズの前面に配置されアーク放電の主な波長領域の光が減衰帯に位置するバンドパスフィルタと、前記高速度カメラで読み取られた画像を処理し表示する画像処理表示装置とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、アーク発生直後のアーク挙動とアーク発生前後の異物などのアーク以外の挙動とを一台の高速度カメラで撮影し、アーク及びアーク以外の位置の時間変化などを抽出し定量的に評価できる。
(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態のアーク放電監視装置の概略図である。高速度カメラ22は、光を受光する感光部が複数列配置され、高速に測定対象物23の2次元画像を読み取るものである。照明装置24は、測定対象物23に高輝度均一の光を照射するものであり、照明装置24で照明された測定対象物23の画像を高速度カメラ22により撮影する。図1では測定対象物23として3相ガス絶縁母線である場合を示している。なお、測定対象物23は変電機器に限定されるものではない。
図1は本発明の第1の実施の形態のアーク放電監視装置の概略図である。高速度カメラ22は、光を受光する感光部が複数列配置され、高速に測定対象物23の2次元画像を読み取るものである。照明装置24は、測定対象物23に高輝度均一の光を照射するものであり、照明装置24で照明された測定対象物23の画像を高速度カメラ22により撮影する。図1では測定対象物23として3相ガス絶縁母線である場合を示している。なお、測定対象物23は変電機器に限定されるものではない。
照明装置24の光源部の前面及び高速度カメラ22のレンズの前面には、バンドパスフィルタ25が設けられている。バンドパスフィルタ25は、アーク放電の主な波長領域の光が減衰帯に位置するような特性を有する。そして、高速度カメラ22で読み取られた画像は、画像データ用ケーブル26を介して画像処理表示装置27に入力され、画像処理表示装置27により、高速度カメラ22で取得した画像データをデジタルデータに変換し、さらには、デジタルデータ処理及び結果表示などを行う。
画像処理表示装置27は、高速度カメラ22で取得した画像データを画像変換装置28に入力し、画像変換装置28によりデジタルデータへ変換し演算装置29に出力する。演算装置29は、キーボードやマウスなどの入力手段30からの指令に基づき、デジタルデータを処理して任意の数値データを抽出しグラフ化などをしてモニタ部31に表示する。記憶部32は、演算装置29で抽出した数値データや入力手段30から入力したデータを記憶する。通常、画像処理表示装置27は、小型で持ち運びが容易なもの、例えば、パーソナルコンピュータで構成される。
図2は、図1のバンドパスフィルタ(band pass filter)25の透過曲線の一例を示す特性図である。図2に示すように、バンドパスフィルタ25は、波長が500nm〜550nm(アーク放電の主な波長領域)の光は減衰帯に位置する特性を有し、波長が500nm〜550nm以外の領域(f1〜f2)での光を透過する。
このように構成されたアーク放電監視装置で、測定対象物23のアークを監視するにあたっては、測定対象物23が撮影できるように高速度カメラ22及び照明装置24を配置する。特にレンズ絞りに関しては、測定対象物23が撮影できるように十分調整する。高速度カメラ22により撮影されたアーク発生前後の映像データは、画像データ用ケーブル3を介して画像処理表示装置27へと転送され、画像変換装置28で一フレーム毎の画像デジタルデータへと変換される。
図3はアーク発生前後の映像図であり、図3(a)はアーク発生前の映像図、図3(b)はアーク発生後の映像図である。アーク発生前は、照明装置24から照射した光は照明装置24の前面に設置したバンドパスフィルタ25を通過し測定対象物23に照射される。そして、その反射光は高速度カメラ22のレンズに設置したバンドパスフィルタ25を通過できるので、図3(a)に示すように、アーク発生前映像33は異物34の挙動などを撮影することができる。
アーク発生直後では、図3(b)に示すように、アーク36の主な波長領域は500nm〜550nmであるため、アーク36から放射される強い光は高速度カメラ22のレンズに設置したバンドパスフィルタ25を通過する際に減衰されるため、CCDはハレーションを起こすことなく、図3(b)のアーク発生後映像35のようにアーク36の発生状況を撮影することができる。
このように得られたアーク発生前後の映像33、35から、画像処理表示装置27において異物位置の時間変化、アークの発生位置、または、アーク長の時間変化などを抽出することができる。これにより、アーク発生状況を定量的に評価することができる。
ここで、高速度カメラ22のレンズ及び照明装置24の前面に設置するバンドパスフィルタ25の代わりに、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、バンドエリミネートフィルタを用いてもよい。この場合、アーク放電の主な波長領域の光が減衰帯に位置する特性とすることはいうまでもない。
図4は、本発明の第1の実施の形態の他の一例で用いるハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、バンドエリミネートフィルタの特性図である。図4(a)はバンドパスフィルタ25の代わりに用いるハイパスフィルタ(high frequency pass filter)の特性図であり、ハイパスフィルタの透過曲線S1に示すように、波長が550nm以上の任意の波長領域以上の光を透過するハイパスフィルタを用いても、図2の特性のバンドパスフィルタ25を用いた場合と同様の効果を得ることができる。
また、図4(b)は高速度カメラ22のレンズ及び照明装置24の前面に設置するバンドパスフィルタ25の代わりに用いるローパスフィルタ(low frequency pass filter)の特性図であり、ローパスフィルタの透過曲線S2に示すように波長が500nm以下の任意の波長領域以下の光を透過するローパスフィルタを用いても、図2の特性のバンドパスフィルタ25を用いた場合と同様の効果を得ることができる。
また、図4(c)は高速度カメラ22のレンズ及び照明装置24の前面に設置するバンドパスフィルタ25の代わりに用いるバンドエリミネートフィルタ(band eliminate filter)の特性図であり、バンドエリミネートフィルタの透過曲線S3に示すように波長が500nm〜550nmの波長領域の光を透過しないバンドエリミネートフィルタを用いても、図2の特性のバンドパスフィルタ25を用いた場合と同様の効果を得ることができる。
本発明の実施の形態はアーク発生前後の状況を撮影する場合のみでなく、強い光の波長領域が既知であれば、その強い光の発生前後の状況を撮影し、その定量的評価を行うことができる。例えば、移動体へ落雷する状況を撮影し、落雷前の移動体位置の時間変化、及び雷位置の時間変化など抽出し定量的評価を行うことができる。
第1の実施の形態によれば、一台の高速度カメラ22により、アーク発生直後のアーク挙動とアーク発生前後の異物などのアーク以外の挙動を撮影し、アーク発生状況を定量的に評価することができる。
(第2の実施の形態)
図5は、本発明の第2の実施の形態に係わるアーク放電監視装置の構成図である。図1に示した第1の実施の形態に対し、バンドパスフィルタ25を、照明装置24の光源部の前面及び高速度カメラ22のレンズの前面に代えて、測定対象物23の前面に設けたものである。図1と同一構成要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
図5は、本発明の第2の実施の形態に係わるアーク放電監視装置の構成図である。図1に示した第1の実施の形態に対し、バンドパスフィルタ25を、照明装置24の光源部の前面及び高速度カメラ22のレンズの前面に代えて、測定対象物23の前面に設けたものである。図1と同一構成要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
ここで、第1の実施の形態では、高速度カメラ22のレンズの前面と、照明装置24の光源の前面にバンドパスフィルタ25を設置するため、複数のバンドパスフィルタ25が必要となる。特に高速度カメラ22による撮影では、露光時間を短く切るために多くの光が必要なため、複数台の照明装置24を設置するので、さらに数多くのバンドパスフィルタ25が必要となる。
そこで、本発明の第2の実施の形態では、一枚のバンドパスフィルタ25を測定対象物23の前面に設ける。第2の実施の形態のアーク放電監視装置で、測定対象物23のアークを監視するにあたっては、まず、測定対象物23が撮影できるように高速度カメラ22及び照明装置24を設置する。また、バンドパスフィルタ25は、測定対象物23の前面に、つまり、高速度カメラ22及び照明装置24と測定対象物23との間に配置する。さらに、照明装置24から照射された光はバンドパスフィルタ25を透過し、測定対象物23へ照射されるように、また、高速度カメラ22はバンドパスフィルタ25越しに撮影できるように各機器を調整する。
アーク発生前は、照明装置24から照射した光はバンドパスフィルタ25を通過し、測定対象物23に照射される。そして、その反射光はバンドパスフィルタ25を通過できるので、図3(a)のアーク発生前映像33のように異物34の挙動などを撮影することができる。さらに、アーク発生直後では、図2に示すようにアークの主な波長領域は500nm〜550nmであるため、アークから放射される強い光はバンドパスフィルタ25を通過する際に減衰されるため、CCDはハレーションを起こすことなく、図3(b)のアーク発生後映像5のようにアーク36の発生状況を撮影することができる。
このように得られたアーク発生前後の映像から、画像処理表示装置27において異物位置の時間変化、アークの発生位置、またはアーク長の時間変化などを抽出することができ、アーク発生状況を定量的に評価することができる。このように第2の実施の形態では、一枚のバンドパスフィルタ25で、アーク発生直後のアーク挙動とアーク発生前後の異物などのアーク以外の挙動を撮影し、アーク発生状況を定量的に評価することができる。
また、測定対象物23をのぞき窓より撮影する場合は、バンドパスフィルタ25はのぞき窓に装着することにより同様の効果を得ることができる。また、第1の実施の形態と同様に、大型なバンドパスフィルタの代わりに、図4(a)のハイパスフィルタの透過曲線S1に示すように波長が550nm以上の任意の波長領域以上の光を透過するハイパスフィルタでも、同様な効果を得ることができる。また、第1の実施の形態と同様に、大型なバンドパスフィルタの代わりに、図4(b)のローパスフィルタの透過曲線S2に示すように波長が500nm以下の任意の波長領域以下の光を透過するローパスフィルタでも、同様な効果を得ることができる。さらにまた、第1の実施の形態と同様に、大型なバンドパスフィルタの代わりに、図4(c)のバンドエリミネートフィルタの透過曲線S3に示すように波長が500nm〜550nmの波長領域の光を透過しないバンドエリミネートフィルタを用いても、同様の効果を得ることができる。
なお、第2の実施の形態はアーク発生前後の状況を撮影する場合だけでなく、強い光の波長領域が既知であれば、その強い光の発生前後の状況を撮影し、その定量的評価を行うことができる。例えば移動体へ落雷する状況を撮影し、落雷前の移動体位置の時間変化、及び雷位置の時間変化など抽出し、定量的評価を行うことができる。
11…タングステン電極棒、12…溶接ワイヤ、13…溶融池、14…母材、15…溶接アーク、16…溶接監視装置、17…CCDカメラ装置、18…NDフィルタ、19…第1のフィルタ、20…第2のフィルタ、21…第3のフィルタ、22…高速度カメラ、23…測定対象物、24…照明装置、25…バンドパスフィルタ、26…画像データ用ケーブル、27…画像処理表示装置、28…画像変換装置、29…演算装置、30…入力手段、31…モニタ部、32…記憶部、33…アーク発生前映像33、34…異物、35…アーク発生後映像、36…アーク
Claims (5)
- 光を受光する感光部が複数列配置され高速に測定対象物の2次元画像を読み取ることができる高速度カメラと、測定対象物に高輝度均一の光を照射する照明装置と、前記照明装置の光源部の前面及び前記高速度カメラのレンズの前面に配置されアーク放電の主な波長領域の光が減衰帯に位置するバンドパスフィルタと、前記高速度カメラで読み取られた画像を処理し表示する画像処理表示装置とを備えたことを特徴とするアーク放電監視装置。
- 前記バンドパスフィルタは、前記照明装置の光源部の前面及び前記高速度カメラのレンズの前面に代えて、前記測定対象物の前面に設けたことを特徴とする請求項1記載のアーク放電監視装置。
- 前記バンドパスフィルタに代えて、アーク放電の主な波長領域の光が減衰帯に位置するハイパスフィルタを用いることを特徴とする請求項1または2記載のアーク放電監視装置。
- 前記バンドパスフィルタに代えて、アーク放電の主な波長領域の光が減衰帯に位置するローパスフィルタを用いることを特徴とする請求項1または2記載のアーク放電監視装置。
- 前記バンドパスフィルタに代えて、アーク放電の主な波長領域の光が減衰帯に位置するバンドエリミネートフィルタを用いることを特徴とする請求項1または2記載のアーク放電監視装置。
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