JP2012170224A

JP2012170224A - 絶縁性ガスの水分濃度測定装置及び方法

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Publication number: JP2012170224A
Application number: JP2011029033A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ito; 豪志伊藤; Shingo Hine; 進吾日根
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2012-09-06

Abstract

【課題】サンプリングガスの放出量を抑制し測定時間の短縮を図ることができる絶縁性ガスの水分濃度測定装置及び方法を提供すること。
【解決手段】水分濃度測定装置１６は、ガス絶縁開閉装置１から取り込まれた絶縁性ガスのサンプリングガスの圧力を測定する圧力センサ８と、サンプリングガスの温度を測定する温度センサ９と、サンプリングガスの温度を調整可能な温度制御部を有し、前記温度制御部を用いてサンプリングガスを冷却又は加熱することにより、サンプリングガスに含まれる水分の結露の発生又は消失を検出可能な結露検出部１０と、前記温度制御部によるサンプリングガスの冷却又は加熱を制御し、結露検出部１０による結露の検出データと温度センサ９からの温度情報とに基づいて露点を推定し、この推定された露点と圧力センサ８の圧力情報とに基づいて水分濃度を算出する制御処理部１１と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、ガス絶縁開閉装置に封入される例えば六フッ化硫黄（ＳＦ_６）ガス等の絶縁性ガスに含まれる水分濃度を測定する装置及び方法に関するものである。

ガス絶縁開閉装置の絶縁機能を発揮するためにその内部に封入されている六フッ化硫黄ガスは二酸化炭素の約２３，９００倍の温室効果係数をもつ絶縁性ガスであり、環境破壊を防ぐため、大気中への放出防止が課題となっている。

ところで、絶縁ガス中に水分が含まれると絶縁性能の劣化の要因となる。そのため、六フッ化硫黄ガス中に含まれる水分濃度は電流開閉部の設けられた部位では１５０ｐｐｍ以下、それ以外では５００ｐｐｍ以下と電気協同研究第３３巻第４号「ＳＦ_６ガス機器の保守基準」（以下、「電協研」という。）で規定されている。六フッ化硫黄ガス中に含まれる水分の濃度を測定するときは、ガス絶縁開閉装置のガスバルブを開き、サンプリングガスを測定装置内に取り込み、その水分濃度を測定している。

また、特許文献１では、ガス絶縁変電機器の劣化判断を、サンプリングガス中の二酸化炭素濃度の測定に基づいて行う構成例が開示されている。

特開平５−１１００８号公報

六フッ化硫黄ガスの水分濃度測定作業においては、ガス絶縁開閉装置のガスバルブを開き、サンプリングガスをガス絶縁開閉装置から放出させて水分濃度を測定するため、たとえ六フッ化硫黄ガスの回収装置を備えていたとしても、サンプリングガスの使用量をできる限り低減し、環境への影響を未然に防ぐために、常に傍で人が監視しながら測定しなければならない。

また、水分濃度測定中に、六フッ化硫黄ガス中の水分濃度が電協研で定められた規定値を満たすことが確実となった場合でも、ガス絶縁開閉装置の絶縁性能の指標として正確な水分濃度を知りたいときには、水分濃度の測定値が収束するまで測定装置内にサンプリングガスを取りこみ測定を継続する必要があるため、測定時間を要するとともに、ガス絶縁開閉装置から六フッ化硫黄ガスを放出し続けなければならなかった。

この発明は、上記に鑑みてなされたもので、サンプリングガスの放出量を抑制し、測定時間の短縮を図ることができる絶縁性ガスの水分濃度測定装置及び方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る水分濃度測定装置は、ガス絶縁開閉装置内に封入された絶縁性ガスに含まれる水分濃度を測定する絶縁性ガスの水分濃度測定装置であって、前記ガス絶縁開閉装置から取り込まれた前記絶縁性ガスのサンプリングガスの圧力を測定する圧力センサと、前記サンプリングガスの温度を測定する温度センサと、前記サンプリングガスの温度を調整可能な温度制御部を有し、前記温度制御部を用いて前記サンプリングガスを冷却又は加熱することにより、前記サンプリングガスに含まれる水分の結露の発生又は消失を検出可能な結露検出部と、前記温度制御部による前記サンプリングガスの冷却又は加熱を制御し、前記結露検出部による前記結露の検出データと前記温度センサからの温度情報とに基づいて露点を推定し、この推定された露点と前記圧力センサの圧力情報とに基づいて水分濃度を算出する制御処理部と、を備えることを特徴とする。

この発明は、サンプリングガスの放出量を抑制し、測定時間の短縮を図ることができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態に係る絶縁性ガスの水分濃度測定装置を含む全体構成図である。図２は、結露検出部の構成の一例を示す図である。図３は、制御処理部による露点Ｔｄ（℃）の測定方法を説明するための図である。図４は、実施の形態の動作を示すフローチャートである。

以下に、本発明に係る絶縁性ガスの水分濃度測定装置及び方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本実施の形態に係る絶縁性ガスの水分濃度測定装置を含む全体構成図である。図１に示すように、水分濃度測定装置１６は、配管を介してガス絶縁開閉装置１と接続され、ガス絶縁開閉装置１にはガスバルブ２と給排口３が設けられている。ガス絶縁開閉装置１内に封入された絶縁性ガスである例えば六フッ化硫黄ガスのサンプリングガスは、ガスバルブ２を開くことにより給排口３を通して放出され、水分濃度測定装置１６内に取り込まれる。また、水分濃度測定装置１６はガス回収装置１５に配管を介して接続され、ガス回収装置１５は測定に使用したサンプリングガスを回収することができる。

水分濃度測定装置１６は、給排口３につながる電磁弁５（第１の電磁弁）と、サンプリングガスの圧力を測定する圧力センサ８と、サンプリングガスの温度を測定する温度センサ９と、サンプリングガスを冷却又は加熱することによりサンプリングガスに含まれる水分の結露の発生又は消失を検出可能な結露検出部１０と、この結露検出部１０によるサンプリングガスの冷却又は加熱を制御するとともに、結露検出部１０から出力される結露発生及び消失に関するデータと温度センサ９からの温度情報とに基づいて露点Ｔｄを算出し、算出した露点Ｔｄと圧力センサ８からの圧力情報とに基づいて水分濃度を検出する制御処理部１１と、この制御処理部１１に接続され、水分濃度の測定結果等を表示する出力表示モニタ１２と、結露検出部１０とガス回収装置１５との間に介在する電磁弁１４（第２の電磁弁）と、制御処理部１１の指示により電磁弁５，１４の開閉を制御する電磁弁制御回路１３と、を備えて構成される。また、結露検出部１０及び温度センサ９は露点計測部６を構成し、後述するように、露点計測部６によりサンプリングガス中の水分の露点Ｔｄを計測することができる。

制御処理部１１は、演算処理機能と記録機能とを備えている。具体的には、制御処理部１１は、ＣＰＵと記憶装置とを備え、所定のソフトウェアに従って動作するマイクロコンピュータ等により構成される。また、制御処理部１１は、露点（温度）Ｔｄから飽和水蒸気圧を算出するための露点温度−飽和水蒸気圧換算情報を備えている。露点温度−飽和水蒸気圧換算情報としては、公知の換算式、例えばＳＯＮＮＴＡＧの式を用いることができる。なお、換算式を与える代わりに、テーブル化されたデータを与えてもよい。更に、制御処理部１１は、飽和水蒸気圧から水分濃度を算出するための飽和水蒸気圧−水分濃度換算情報を備えている。例えば水分濃度をｐｐｍｖで与える場合は、飽和水蒸気圧−水分濃度換算情報として、水分濃度（ｐｐｍｖ）＝ｅ（水蒸気圧）／［（圧力センサ８で計測値） − ｅ（水蒸気圧）） × １０^６］等の換算式を用いることができる。

次に、結露検出部１０の構成例について説明する。図２は、結露検出部１０の構成の一例を示す図である。結露検出部１０は、六フッ化硫黄ガスが流れる流路内に配置された鏡面部２０と、この鏡面部２０の例えば背面に配置され、制御処理部１１の制御のもとで鏡面部２０を冷却又は加熱することができる温度制御装置２１（温度制御部）と、鏡面部２０に対してレーザー光Ｌを照射する光源２２と、光源２２から出射されたレーザー光Ｌが鏡面部２０で反射されたその反射光を検出する受光部としてのフォトダイオード２３と、を備えている。また、図２では、サンプリングガスの流れる方向をＦで示している。

温度制御装置２１及びフォトダイオード２３は、それぞれ制御処理部１１に接続されている。制御処理部１１は、温度制御装置２１を制御して、鏡面部２０を冷却し又は加熱することができる。これにより、鏡面部２０を介してサンプリングガスの温度を下降させ又は上昇させることができる。なお、図２では図示はしていないが、図１で示した温度センサ９が温度制御装置２１の近傍に配置されており、温度制御装置２１により温度調整されたサンプリングガスの温度を検出できるように構成されている。

結露検出部１０による結露の検出は以下のようにしてなされる。光源２２から鏡面部２０に対しては連続してレーザー光Ｌが照射されている。フォトダイオード２３は、このレーザー光Ｌの鏡面部２０による反射光を受光しているが、鏡面部２０に結露２４が発生すると、レーザー光Ｌは結露２４により散乱されるので、フォトダイオード２３の受光量は結露２４がない場合に比べて減少する。そこで、結露が発生していない状態から温度制御装置２１により鏡面部２０を冷却し、サンプリングガスの温度を低下させつつ、フォトダイオード２３の受光量を制御処理部１１で監視することにより、受光量が減少した時に結露２４が発生したと判定することができる。また、結露２４が発生した状態から温度制御装置２１により鏡面部２０を加熱し、サンプリングガスの温度を上昇させつつ、フォトダイオード２３の受光量を制御処理部１１で監視することにより、受光量が増加した時に結露２４が消失したと判定することができる。このように、制御処理部１１は、フォトダイオード２３の受光量の変化を監視することにより、結露２４の発生又は消失を検出することができる。

図３は、制御処理部１１による露点Ｔｄ（℃）の測定方法を説明するための図である。図３では、横軸は測定時間（秒）を表し、縦軸は測定装置内温度（℃）、即ち、温度センサ９により測定されるサンプリングガスの温度を表す。また、図３では、測定で求めるべき露点Ｔｄ（℃）も合わせて示してある。

図３の詳細について説明する。まず、サンプリングガスの温度の初期値はＡ０での温度である。この初期温度は露点Ｔｄ（℃）よりも高いので、フォトダイオード２３の受光量は結露２４がない場合の値（以下、「定常値」という。）を示している。次に、制御処理部１１は、温度制御装置２１に指示をして鏡面部２０を冷却させ、これにより測定装置内温度は減少する。制御処理部１１は、フォトダイオード２３の受光量を逐次監視しており、その受光量が定常値よりも低下した時に結露２４が発生したと判定し、温度制御装置２１に指示をして鏡面部２０の冷却を中止し次に加熱させる。この加熱に転じた点がＡ１である。制御処理部１１は、しばらくは定常値よりも低い受光量を検出しているが、測定装置内温度が上昇し、露点Ｔｄに達すると、受光量が定常値に復帰する。これにより、制御処理部１１は、結露２４が消失したと判定し、温度制御装置２１に指示をして鏡面部２０の加熱を中止し次に冷却させる。この冷却に転じた点がＡ２である。このような制御処理を繰り返し行うことにより、Ａ０→Ａ１→Ａ２→Ａ３→Ａ４→Ａ５→Ａ６→Ａ７→Ａ８→・・・のような減衰振動を示す温度時間変化のデータを得ることができる。図３から明らかなように、上記温度制御を繰り返し行えば、振動の振幅は減衰するので、その収束温度として露点Ｔｄを検出することができる。

本実施の形態では、振動の振幅が予め設定した閾値ΔＴｔｈ以下になった時に、温度制御装置２１による加熱又は冷却の温度制御を中止し、それまで得られた温度時間変化に基づいて露点Ｔｄを推定することとする。即ち、制御処理部１１は、図３にて「露点検出可能期間」として示した期間のデータに基づき、露点Ｔｄを推定する。振動の振幅は、例えば、温度上昇に転じた点から温度下降に転じた点まで又は温度下降に転じた点から温度上昇に転じた点までの温度差として定義することができる。なお、露点Ｔｄは、図３の振動減衰曲線の収束温度として直接検出することもできるが、この場合、温度センサ９の出力そのものを露点Ｔｄとして検出することになるので、振動が十分に減衰した後に検出する必要があり、測定時間を要する。また、図３では、かかる方法により露点Ｔｄを検出する場合の収束判定基準となる閾値ΔＴｃｏｎを示しているが、このΔＴｃｏｎは上記のΔＴｔｈよりも小さい。つまり、本実施の形態では、減衰曲線が収束する前に、それまでに得られたデータを演算して露点Ｔｄを推定する方法を採用し、検出時間の削減を図っている。

また、露点Ｔｄの推定方法としては種々の方法が考えられるが、そのいずれを採用してもよい。例えば、Ａ０，Ａ２，Ａ４、Ａ６を補間した曲線を「露点検出可能期間」後に外挿したものと、Ａ１，Ａ３，Ａ４を補間した曲線を「露点検出可能期間」後に外挿したものとの交点における温度として露点Ｔｄを推定することができる。また、例えば、Ａ５での温度とＡ６での温度の平均値として露点Ｔｄを推定することができる。一般に、振動の回数及び振幅の変化等の振動特性から露点Ｔｄを推定することが可能である。

なお、図３のような減衰振動のグラフは、詳細には次のようにして得られる。例えば、Ａ０からＡ１まで温度を下降させた後は、Ａ０−Ａ１間に露点Ｔｄが存在することが既知となっているので、続いてＡ１から温度上昇をさせる場合にはＡ０の温度まで上昇させる必要はなく、図示例のようにＡ０よりも温度の低いＡ２までの範囲で結露２４の消失を検出することができる。また、Ａ１からＡ２まで温度を上昇させた後は、Ａ１−Ａ２間に露点Ｔｄが存在することが既知となっているので、続いてＡ２から温度下降をさせる場合にはＡ１の温度まで下げる必要はなく、図示例のようにＡ１よりも温度の高いＡ３までの範囲で結露２４の消失を検出することができる。以降も同様であり、よって振幅は順次減衰する。

また、振幅が小さくなるにつれて、より正確に結露２４の発生又は消失を検出するためには、例えば温度の上昇率又は下降率を小さくすれば良い。即ち、制御処理部１１は、振幅が小さくなるにつれて、温度制御装置２１にゆっくり加熱させまたは冷却させるよう制御することにより、その振幅値を確実に縮小させつつ精度良く露点を検出することができる。

次に、本実施の形態の動作について図４を参照して説明する。図４は、本実施の形態の動作を示すフローチャートである。

圧力センサ８は、サンプリングガスの圧力を常時又は定期的に測定し（Ｓ１）、その測定値を制御処理部１１に送信している。また、温度センサ９は、サンプリングガスの温度を常時又は定期的に測定し（Ｓ１）、その測定値を制御処理部１１に送信している。

まず、制御処理部１１は、温度制御装置２１に指示をして鏡面部２０を冷却させる（Ｓ２）。制御処理部１１は、フォトダイオード２３の受光量を常時監視し、受光量が定常値であるか否かを判定することにより、鏡面部２０が結露したか否かを判定する（Ｓ３）。その詳細は、図３で説明した通りである。

鏡面部２０が結露していないと判定した場合は（Ｓ３，Ｎｏ）、Ｓ２に移行し更に鏡面部２０を冷却する。鏡面部２０が結露したと判定した場合は（Ｓ３，Ｙｅｓ）、制御処理部１１は、図３で説明した温度変化の振幅が閾値ΔＴｔｈ以下であるか否かを判定する（Ｓ４）。その結果、振幅が閾値ΔＴｔｈ以下であれば（Ｓ４，Ｙｅｓ）、Ｓ８に移行する。振幅が閾値ΔＴｔｈよりも大きい場合は（Ｓ４，Ｎｏ）、Ｓ５に移行し、鏡面部２０の冷却を中止して逆に加熱する。

続いて、制御処理部１１は、フォトダイオード２３の受光量が定常値であるか否かを判定することにより、鏡面部２０から結露が消失したか否かを判定する（Ｓ６）。その詳細は、図３で説明した通りである。鏡面部２０が結露していると判定した場合は（Ｓ６，Ｎｏ）、Ｓ５に移行し更に鏡面部２０を加熱する。鏡面部２０から結露が消失したと判定した場合は（Ｓ６，Ｙｅｓ）、制御処理部１１は、温度変化の振幅が閾値ΔＴｔｈ以下であるか否かを判定する（Ｓ７）。その結果、振幅が閾値ΔＴｔｈ以下であれば（Ｓ７，Ｙｅｓ）、Ｓ８に移行する。また、振幅が閾値ΔＴｔｈよりも大きい場合は（Ｓ７，Ｎｏ）、Ｓ２に移行し、上記操作を繰り返す。

次に、Ｓ８では、制御処理部１１は、それまで得られた温度時間変化のデータに基づいて露点Ｔｄを算出する。その詳細は、図３で説明した通りである。

続いて、制御処理部１１は、上記の露点温度−飽和水蒸気圧換算情報を用いて、露点Ｔｄから飽和水蒸気圧を算出する（Ｓ９）。更に、制御処理部１１は、上記の飽和水蒸気圧−水分濃度換算情報を用いて、飽和水蒸気圧から水分濃度（ｐｐｍｖ）を算出する（Ｓ１０）。

次に、制御処理部１１は、出力表示モニタ１２に水分濃度（ｐｐｍｖ）の測定値を表示させるとともに、電磁弁制御回路１３に対して水分濃度の測定終了を通知する信号（水分濃度測定終了信号）を送信する。電磁弁制御回路１３は、水分濃度測定終了信号を受信すると、まず、ガス絶縁開閉装置１側の電磁弁５の閉操作を指示する閉信号を電磁弁５に送信し、更に装置中のサンプリングガスがガス回収装置１５に抜けきる時間であるΔｔ秒後に、ガス回収装置１５と接続された電磁弁１４の閉操作を指示する閉信号を電磁弁１４に送信する（Ｓ１１）。これにより、電磁弁５，１４はいずれも自動で閉じる（Ｓ１２）。また、電磁弁５と電磁弁１４の閉時刻に遅延を設けることにより、サンプリングガスの回収率を向上させることができる。なお、Δｔは、装置構成に応じて、例えば予め設定した値を用いることができる。

なお、図４のフローチャートでは、鏡面部２０を冷却する処理（Ｓ２）から開始したが、測定開始時に鏡面部２０が結露している場合は、最初に鏡面部２０を加熱する処理を行う。その動作は、図３で、Ａ１から処理を開始すればよいので、上記の説明から明らかである。

以上説明したように、本実施の形態によれば、サンプリングガスに含まれる水分の露点Ｔｄを検出する際に、露点Ｔｄの測定値の収束前に露点Ｔｄを推定し、その推定値に基づいて水分濃度を算出するようにしたので、従来のように水分濃度の値が収束するまでサンプリングガスを放出させて測定を継続する必要がなくなり、サンプリングガスの放出量を削減し、測定時間の短縮を図ることができる。

また、本実施の形態では、水分濃度の測定終了後、電磁弁制御回路１３から電磁弁５，１４に閉信号を送信して電磁弁５，１４を自動で閉じるようにしている。そのため、測定開始時に所定の設定を行うだけで、その後は、無人で測定を完了することができるので、測定作業を省力化することができる。

なお、本実施の形態では、露点Ｔｄの推定処理は、図３のような温度制御に基づいて行ったが、これに限定されず、他の温度制御グラフに基づいて推定するものであってもよく、露点Ｔｄが収束する前に、それまでに得られた温度変化データを用いて露点Ｔｄを推定するものであればよい。

本発明は、ガス絶縁開閉装置に封入された絶縁性ガスに含まれる水分濃度を測定する装置及び方法として有用である。

１ガス絶縁開閉装置
２ガスバルブ
３給排口
５，１４電磁弁
６露点計測部
８圧力センサ
９温度センサ
１０結露検出部
１１制御処理部
１２出力表示モニタ
１３電磁弁制御回路
１５ガス回収装置
１６水分濃度測定装置
２０鏡面部
２１温度制御装置
２２光源
２３フォトダイオード
２４結露

Claims

ガス絶縁開閉装置内に封入された絶縁性ガスに含まれる水分濃度を測定する絶縁性ガスの水分濃度測定装置であって、
前記ガス絶縁開閉装置から取り込まれた前記絶縁性ガスのサンプリングガスの圧力を測定する圧力センサと、
前記サンプリングガスの温度を測定する温度センサと、
前記サンプリングガスの温度を調整可能な温度制御部を有し、前記温度制御部を用いて前記サンプリングガスを冷却又は加熱することにより、前記サンプリングガスに含まれる水分の結露の発生又は消失を検出可能な結露検出部と、
前記温度制御部による前記サンプリングガスの冷却又は加熱を制御し、前記結露検出部による前記結露の検出データと前記温度センサからの温度情報とに基づいて露点を推定し、この推定された露点と前記圧力センサの圧力情報とに基づいて水分濃度を算出する制御処理部と、
を備えることを特徴とする絶縁性ガスの水分濃度測定装置。
前記制御処理部は、前記結露検出部が前記結露の発生を検出するまで前記温度制御部による前記サンプリングガスの冷却を継続させる処理と前記結露検出部が前記結露の消失を検出するまで前記温度制御部による前記サンプリングガスの加熱を継続する処理を交互に行うよう制御し、かつ、前記サンプリングガスの温度時間変化の振幅が時間経過とともに減少するように制御し、更に、前記振幅が予め設定した閾値以下になった時に、それまでに得られた前記温度時間変化のデータを用いて前記露点を推定することを特徴とする請求項１に記載の絶縁性ガスの水分濃度測定装置。
前記ガス絶縁開閉装置との間に設けられた第１の電磁弁と、
前記サンプリングガスを回収するガス回収装置との間に設けられた第２の電磁弁と、
前記第１及び第２の電磁弁の開閉制御を行う電磁弁制御回路と、
を備え、
前記制御処理部は、前記水分濃度を検出した後、前記電磁弁制御回路に指示して前記第１及び第２の電磁弁にそれぞれ閉信号を送信させることを特徴とする請求項１又は２に記載の絶縁性ガスの水分濃度測定装置。
前記電磁弁制御回路は、前記第１の電磁弁に前記閉信号を送信した後、当該水分濃度測定装置内の前記サンプリングガスが前記ガス回収装置へ抜けきる時間として予め設定された時間が経過した後に、前記第２の電磁弁に前記閉信号を送信することを特徴とする請求項３に記載の絶縁性ガスの水分濃度測定装置。
ガス絶縁開閉装置内に封入された絶縁性ガスに含まれる水分濃度を測定する絶縁性ガスの水分濃度測定方法であって、
前記ガス絶縁開閉装置から取り込まれた前記絶縁性ガスのサンプリングガスを温度制御部により冷却又は加熱し、結露検出部により前記サンプリングガスに含まれる水分の結露の発生又は消失を検出するとともに、前記結露検出部による前記結露の検出データと温度センサからの温度情報とに基づいて露点を推定するステップと、
前記推定された露点と圧力センサの圧力情報とに基づいて水分濃度を算出するステップと、
を含むことを特徴とする絶縁性ガスの水分濃度測定方法。