JP2013217851A

JP2013217851A - ガス絶縁機器用水分検出装置及びガス絶縁機器用水分検出方法

Info

Publication number: JP2013217851A
Application number: JP2012090401A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Imamura; 武今村; Shinichiro Abe; 真一郎阿部; Yoshiki Nakazawa; 義基中澤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2013-10-24

Abstract

【課題】ガス絶縁機器内の絶縁ガス中に含まれる水分量の検出精度を高める。
【解決手段】実施の形態のガス絶縁機器用水分検出装置は、ガス取入容器、出射部、受光部及び検出部を備えている。ガス取入容器は、ガス絶縁機器内の絶縁ガスを取り入れる。出射部は、ガス取入容器に取り入れた絶縁ガスに対して波長が１．３μｍ以上１．５μｍ以下の赤外線を出射する。受光部は、ガス取入容器内の絶縁ガス中を通過した赤外線を受光する。検出部は、前記出射された赤外線の強度と前記受光された赤外線の強度との差に基づいて、絶縁ガス中に含まれる水分量を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ガス絶縁機器用水分検出装置及びガス絶縁機器用水分検出方法に関する。

発電所や変電所で使用されるガス絶縁開閉装置などのガス絶縁機器は、故障により稼動停止状態になった場合、電力の安定的な供給に支障をきたすことから、故障に備えた定期的な設備診断が必要である。この設備診断の一つとして、ガス絶縁機器のタンク内に収容された絶縁ガス中の水分量の管理がある。

いわゆる六フッ化硫黄（ＳＦ₆）ガスを絶縁ガスとして適用している場合や、例えばフッ素樹脂などを材料とする部品をタンクの構成部品として使用している場合、開閉器の電極間に生じるアーク放電の影響で、絶縁ガス中に混入している水分とフッ素成分とが反応して腐食性の高いフッ化水素（ＨＦ）が生成される。このフッ化水素がさらに水分と反応すると、より腐食性の高いフッ化水素酸が生成される。

したがって、ガス絶縁機器の高寿命化を図るうえで、絶縁ガス中に含まれる水分量の管理は重要となる。

特開平６−１１８０５５号公報特開２００４−２２２３８５号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、ガス絶縁機器内の絶縁ガス中に含まれる水分量の検出精度を高めることができるガス絶縁機器用水分検出装置及びガス絶縁機器用水分検出方法を提供することである。

実施の形態のガス絶縁機器用水分検出装置は、ガス取入容器、出射部、受光部及び検出部を備えている。ガス取入容器は、ガス絶縁機器内の絶縁ガスを取り入れる。出射部は、ガス取入容器に取り入れた絶縁ガスに対して波長が１．３μｍ以上１．５μｍ以下の赤外線を出射する。受光部は、ガス取入容器内の絶縁ガス中を通過した赤外線を受光する。検出部は、前記出射された赤外線の強度と前記受光された赤外線の強度との差に基づいて、絶縁ガス中に含まれる水分量を検出する。

第１の実施形態に係るガス絶縁機器用水分検出装置の構成を示す図。赤外線の波長と水の吸収線強度との関係を示す図。第２の実施形態に係るガス絶縁機器用水分検出装置の構成を示す図。第３の実施形態に係るガス絶縁機器用水分検出装置の構成を示す図。

以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
［第１の実施の形態］
図１に示すように、本実施形態のガス絶縁機器用水分検出装置１は、発電所や変電所に設置されるガス絶縁開閉装置（GIS：Gas Insulated Switchgear）やガス遮断器（GCB：Gas Circuit Breaker）などのガス絶縁機器を対象とし、このガス絶縁機器が備えるタンク内（ガス絶縁機器本体の系内）に収容された絶縁ガス中の水分量の管理に利用される。

ガス絶縁機器用水分検出装置１は、近赤外分光装置としての機能を有しており、図１に示すように、ガス取入容器としてのガスセル２と、近赤外線（NIR：Near Infrared）を出射する出射部３と、近赤外線の受光部５と、絶縁ガス中の水分量を検出する検出部７と、を備えている。このガス絶縁機器用水分検出装置１は、ガス絶縁機器内で例えばフッ化水素酸などが生成されやすい状況であるか否かを管理するための言わばガス絶縁機器の劣化診断装置である。

上記のガス絶縁機器は、電流を遮断する際に開閉器の電極間に発生するアーク放電に対し、絶縁ガスを吹き付けてこの放電現象を消滅させるために、上記したタンク内に絶縁ガスが収容（充填）されている。この絶縁ガスは、六フッ化硫黄（ＳＦ₆）ガス、窒素（Ｎ₂）ガス、二酸化炭素（ＣＯ₂）ガス、酸素（Ｏ₂）ガスのうちの１種類のガス、若しくはこれらのガスうちの２種類以上が混合されたガスで構成されている。

詳細には、ガス絶縁機器の絶縁ガスとしては、今日ではＳＦ₆ガスが主に使用されている。ＳＦ₆ガスは、不燃性、化学的安定性及び絶縁性に優れたガスである。しかしながら、近年では、地球温暖化問題が注目されるようになり、ＳＦ₆ガスは、地球温暖化係数が高く、二酸化炭素ガスを１とした場合に、２３，９００という換算値になる。そこで、ＳＦ₆ガスの代替ガスとして、二酸化炭素ガスや窒素ガスなどを適用可能なガス絶縁機器も研究開発されている。

ここで、図１に示すように、上述したガスセル２は、ガス絶縁機器内のタンク側から絶縁ガスを取り入れる。このため、ガスセル２には、絶縁ガスをタンク側から取り込むための取込部２ａや、この一方で、絶縁ガスをタンク側に帰還させるための帰還部２ｂが設けられている。ガスセル２は、出射部３から出射された近赤外線の入射側及び出射側となる各端部に、近赤外線を透過させるミラー２ｃ、２ｄを備えている。

ガスセル２内におけるミラー２ｃ、２ｄのそれぞれの内側には、サファイアガラス製のカバー２ｅ、２ｆが設けられている。サファイアガラス製のこのカバー２ｅ、２ｆは、光透過性に加え、耐腐食性にも優れており、ガスセル２の内側で生じる可能性のある例えばフッ化水素酸と、ミラー２ｃ、２ｄの内側面と、が直接的に接触して腐食することを防止している。このようなガスセル２内のミラー２ｃ、２ｄ（カバー２ｅ、２ｆ）間には、出射部３から出射された近赤外線が瞬間的に蓄えられる。

図１に示すように、出射部３は、ガスセル２内に取り入れた絶縁ガスに対して波長が１．３μｍ以上１．５μｍ以下の赤外線（近赤外線）を出射する。具体的には、出射部３は、ファンクションジェネレータ８、レーザダイオード９、コリメータレンズ１０、光ファイバケーブル１１、ＢＮＣ（Bayonet Neill Concelman）ケーブル１２を備えている。光ファイバケーブル１１は、レーザダイオード９から放出された近赤外線をコリメータレンズ１０へ導く。

ＢＮＣケーブル１２は、ファンクションジェネレータ８とレーザダイオード９とを接続する。ファンクションジェネレータ８は、レーザダイオード９から放出させる近赤外線を、矩形波などの任意の波形に波形整形するための交流電圧信号を生成し、これをレーザダイオード９に出力する。レーザダイオード９は、ファンクションジェネレータ８から入力された信号に基づき、波長が１．３μｍ以上１．５μｍ以下の近赤外線を放出する。コリメータレンズ１０は、光ファイバケーブルによって導かれた近赤外線を集光してガスセル２のミラー２ｃ側へ導く（出射する）。

図１に示すように、受光部５は、ガスセル２内の絶縁ガス中を通過（透過）した近赤外線を受光する。この受光部５は、フォーカスレンズ１４及びアバランシェフォトダイオード１５を備えている。受光感度の高いこのアバランシェフォトダイオード１５は、ガスセル２のミラー２ｄ側から放出された絶縁ガス透過後の近赤外線を、フォーカスレンズ１４を介して受光する。このアバランシェフォトダイオード１５は、受光した近赤外線を光電変換することにより、近赤外線の強度に応じた信号（近赤外線のエネルギレベルに応じた電圧）を、後段の検出部７側へ出力する。

検出部７は、図１に示すように、出射部３から出射された赤外線の強度と受光部５で受光された赤外線の強度との差に基づいて、ガスセル２内（ガス絶縁機器内）の絶縁ガス中に含まれる水分量（絶縁ガス中に拡散しているＨ₂Ｏの濃度）を検出する。具体的には、検出部７は、オシロスコープ１６、解析装置１７、ＢＮＣケーブル１８、１９を備えている。ＢＮＣケーブル１８、１９は、アバランシェフォトダイオード１５とオシロスコープ１６と解析装置１７とを接続する。

オシロスコープ１６は、アバランシェフォトダイオード１５から入力された近赤外線の強度（エネルギレベル）に応じた信号を、後段の解析装置１７側での解析処理に対応した波形（信号）に変更して、当該解析装置１７へ出力する。解析装置１７は、出射部３から出射された近赤外線のエネルギレベル（例えばエネルギ密度など）に対して、受光部５で受光された近赤外線のエネルギレベルが低下した度合いに基づき、ガスセル２内（ガス絶縁機器内）の絶縁ガス中に含まれる水分量を求め、この数値化（定量化）された水分量を出力する。

具体的には、図２に示すように、１．３μｍ以上１．５μｍ以下の波長域の赤外線は、水特有の赤外吸収が顕著に表れている。つまり、解析装置１７は、上記波長域の赤外線が絶縁ガス中を通過した後、その赤外線の強度が、絶縁ガス中のＨ₂Ｏの濃度に応じて低下した割合から、絶縁ガス中の水分量を比較的高い精度で測定することが可能となる。

したがって、ガス絶縁機器用水分検出装置１によれば、ガス絶縁機器内の絶縁ガス中に含まれる水分量の検出精度を高めることができる。また、ガス絶縁機器用水分検出装置１では、上記したフッ化水素酸などが生成されることと関係性の高いガス絶縁機器内の水分量を定期的にモニタすることによって、ガス絶縁機器の劣化の状況などを実質的に診断することが可能となる。

また、ガス絶縁機器用水分検出装置１では、水の検出した特化した１．３μｍ以上１．５μｍ以下の波長の赤外線を適用していることより、水以外の他の物質における赤外吸収のピーク波長から比較的離れることになる（例えば二酸化炭素特有の赤外吸収は、波長が１．７μｍ程度にならないと顕著に表れない）ため、これにより、水分の検出感度を向上させることができる。

また、本実施形態では、水分量の検出対象の絶縁ガスとして、六フッ化硫黄（ＳＦ₆）ガスの他、地球温暖化係数の低い窒素ガス、二酸化炭素ガス、酸素ガスを混合した絶縁ガスを、水分量の検出対象として許容している。つまり、窒素ガスや酸素ガスは、分子構造が対称形であり、構造的に分子振動が起きにくいことから、赤外吸収がほとんどみられない。この一方で、ＳＦ₆ガスや二酸化炭素ガスは、赤外線の吸収波長が知られており、本実施形態では、これらの吸収波長とＨ₂Ｏの吸収波長とを差別化しやすい赤外線の波長域に着目している。この点を踏まえて、本実施形態のガス絶縁機器用水分検出装置１では、波長が１．３μｍ以上１．５μｍ以下の赤外線を適用し、水分量の検出精度を高めている。

また、ガス絶縁機器用水分検出装置１によれば、水分量の検出に、レーザダイオード９から出射される赤外線レーザを適用していることで、いわゆるサージなどの影響を受け難く、水分量の検出値の正確性を高めることができる。

また、例えば露点計などを用いて水分量を検出する従来の方法では、露点計に使われるミラーなどの部品が上述したフッ化水素酸などによって腐食し、計器の寿命が短くなるうえ、検出精度も低下することが懸念されていたが、ガス絶縁機器用水分検出装置１では、腐食などの影響とは関係性の低い赤外線レーザを水分量の検出に適用していることで、水分量の検出精度の経時的な低下を抑制できる。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施形態を図３に基づき説明する。なお、図３中において、図１に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。

図３に示すように、本実施形態のガス絶縁機器用水分検出装置（ガス絶縁機器用水分検出装置本体）２１は、ガス絶縁機器２０の内部（系内）に設置される第１の検出ユニット２３とガス絶縁機器２０の外部（系外）に設置される第２の検出ユニット２４とから構成されている。具体的には、ガス絶縁機器２０内に設置される第１の検出ユニット２３は、コリメータレンズ１０、ガスセル２、フォーカスレンズ１４、アバランシェフォトダイオード１５を含む光学系で構成されている。

一方、ガス絶縁機器の外部に設置される第２の検出ユニット２４は、オシロスコープ１６、解析装置１７、レーザダイオード９、ファンクションジェネレータ８を含む制御系で構成されている。

さらに、光ファイバケーブル１１は、ガス絶縁機器２０の内部に配線される内部側光ファイバケーブル１１ａと、ガス絶縁機器２０の外部で用いられる外部側光ファイバケーブル１１ｂと、に分けられている。一方、ＢＮＣケーブル１８も、ガス絶縁機器２０の内部に配線される内部側ＢＮＣケーブル１８ａと、ガス絶縁機器２０の外部で用いられる外部側光ＢＮＣケーブル１８ｂと、に分けられている。

また、内部側光ファイバケーブル１１ａの基端部には、ガス絶縁機器２０に固定された光入力端子１１ｃが設けられている。一方、外部側光ファイバケーブル１１ｂの先端部には、この光入力端子１１ｃに対して挿抜自在な光出力端子１１ｄが設けられている。

また、内部側ＢＮＣケーブル１８ａの先端部には、ガス絶縁機器２０に固定された信号出力端子１８ｃが設けられている。一方、ＢＮＣケーブル１８ｂの基端部には、この信号出力端子１８ｃに対して挿抜自在な信号入力端子１８ｄが設けられている。

このように構成されたガス絶縁機器用水分検出装置２１によれば、例えば装置本体の非使用時において、ガス絶縁機器２０の系内にある第１の検出ユニット２３側に対して、系外の第２の検出ユニット２４を取り外して、収納しておくことなどが可能である。また、例えば、他の発電所や変電所に設置されたガス絶縁機器２０内の他の第１の検出ユニット２３に、共通の第２の検出ユニット２４を接続することが可能である。これにより、ガス絶縁機器用水分検出装置２１の可搬性を高めることができると共に、同一の第２の検出ユニット２４を流用することが可能となる。

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施形態を図４に基づき説明する。なお、図４中において、図１に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。

図４に示すように、本実施形態のガス絶縁機器用水分検出装置３１は、ガス絶縁機器用水分検出装置１の構成に加え、ガス絶縁機器３０内とガスセル（ガス取入容器）２内とを着脱自在に連結する着脱機構としてのアタッチメント３３をさらに備えている。ガス絶縁機器３０には、絶縁ガスを収容したタンク内から分岐するフランジ付きの分岐管３４が設けられている。

一方、ガス絶縁機器用水分検出装置３１のアタッチメント３３は、分岐管３４の先端部の形状及びガスセル２の取込部２ａ及び帰還部２ｂの形状にそれぞれ対応した形状を有している。つまり、このアタッチメント３３を用いて、ガス絶縁機器３０内とガスセル２内とを着脱自在に連結することで、ガス絶縁機器３０内からガスセル２内に取り入れた絶縁ガス中の水分量を検出することが可能となる。

したがって、本実施形態によれば、アタッチメント３３を含むガス絶縁機器用水分検出装置３１を１セット用意して例えば発電所間で運搬することで、各発電所においてガス絶縁機器内の絶縁ガス中の水分量を検出できる。これにより、１セットのガス絶縁機器用水分検出装置３１を有効に活用することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

また、前述した図３に示す第２の実施形態では、主に光学系を構成している第１の検出ユニット２３を、ガス絶縁機器２０の内部（系内）に設置した態様を例示したが、これに代えて、第１、第２の検出ユニット２３、２４を含むガス絶縁機器用水分検出装置全体の構成要素をガス絶縁機器の内部（系内）に配置するようにしてもよい。

１，２１，３１…ガス絶縁機器用水分検出装置、２…ガスセル、２ａ…取込部、２ｂ…帰還部、２ｃ，２ｄ…ミラー、２ｅ，２ｆ…カバー、３…出射部、５…受光部、７…検出部、８…ファンクションジェネレータ、９…レーザダイオード、１０…コリメータレンズ、１１…光ファイバケーブル、１４…フォーカスレンズ、１５…アバランシェフォトダイオード、１６…オシロスコープ、１７…解析装置、２０，３０…ガス絶縁機器、２３…第１の検出ユニット、２４…第２の検出ユニット、３３…アタッチメント、３４…分岐管。

Claims

ガス絶縁機器内の絶縁ガスを取り入れるガス取入容器と、
前記ガス取入容器に取り入れた絶縁ガスに対して波長が１．３μｍ以上１．５μｍ以下の赤外線を出射する出射部と、
前記ガス取入容器内の絶縁ガス中を通過した赤外線を受光する受光部と、
前記出射された赤外線の強度と前記受光された赤外線の強度との差に基づいて、前記絶縁ガス中に含まれる水分量を検出する検出部と、
を具備するガス絶縁機器用水分検出装置。
ガス絶縁機器用水分検出装置本体は、前記ガス絶縁機器の内部に設置される第１の検出ユニットと前記ガス絶縁機器の外部に設置される第２の検出ユニットとから構成されている、
請求項１記載のガス絶縁機器用水分検出装置。
前記ガス絶縁機器内と前記ガス取入容器内とを着脱自在に連結する着脱機構、
をさらに具備する請求項１記載のガス絶縁機器用水分検出装置。
前記絶縁ガスは、六フッ化硫黄ガス、窒素ガス、二酸化炭素ガス、酸素ガスのうちの、１種若しくは２種類以上の混合物で構成されている、
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガス絶縁機器用水分検出装置。
ガス絶縁機器内の絶縁ガスをガス取入容器に取り入れる工程と、
前記ガス取入容器に取り入れた絶縁ガスに対して波長が１．３μｍ以上１．５μｍ以下の赤外線を出射する工程と、
前記ガス取入容器内の絶縁ガス中を通過した赤外線を受光する工程と、
前記出射された赤外線の強度と前記受光された赤外線の強度との差に基づいて、前記絶縁ガス中に含まれる水分量を検出する工程と、
を有するガス絶縁機器用水分検出方法。