JP2014216208A - 真空バルブの真空漏れ監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】真空バルブの真空漏れを簡易な構成で確実に検出することで、真空バルブを有する開閉装置の信頼性を向上させる。【解決手段】真空バルブ３を有する金属容器１内で信号成分を検出する検出センサ５と、信号成分を増幅する手段１２と、増幅された信号成分の包絡線を検出する包絡線検波手段１３と、包絡線検波された信号成分のうち商用周波の２倍の周波数の信号成分を抽出する第一のバンドパスフィルタ１５ａと、増幅された信号成分のうち１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数帯の信号成分を抽出する第二のバンドパスフィルタ１５ｂと、商用周波の２倍の周波数の信号成分と前記１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数帯の信号成分が同時に閾値を越えたときに真空バルブ１から真空漏れが生じたと判定する判定手段１８と、判定を表示する表示部１９を有することを特徴とする、真空バルブの真空漏れ監視装置。【選択図】図１

Description

本発明は変電所や開閉所等に適用される真空遮断器、真空開閉器の真空漏れ監視装置に関する。

一般に発電所で発電された電力は変電所などの電力流通設備を経由して、工場、ビルなどの需要家に電力を供給することになる。これらの電力流通設備である送変電設備、受配電設備においては、安定した電力供給を行うために設備状態監視に基づく機器診断により、事故を未然に防止する保守・保全技術の確立が強く要請されている。この中でも高電圧設備の絶縁性能が低下すると重大な絶縁破壊事故につながる可能性があるため、初期の段階で異常信号を検知して、事前に対策することにより事故を未然に防止することが可能である。

受配電設備の一つである真空遮断器において、真空バルブの真空度の低下は絶縁性能に直結するため、万が一真空バルブが真空漏れを起こして真空度が低下した場合には早急に真空漏れを検出する必要がある。しかしながら、真空バルブ内の真空度そのものを計測することは真空バルブの構造上不可能であるため、真空度と関連性のある指標を検出する必要がある。

真空度と関連性のある指標の一つとして、真空バルブ内の真空度低下により発生する放電を検出する手法があり、放電により発生する電磁波をアンテナで検出する方法や、電圧変動を電位計測により計測する方法が提案されている。

特許文献１では真空遮断器の近辺に設けられたアンテナや静電分圧（Ｃ分圧）によって検出し、放電の連続性と放電の持続時間とで判定している。また、特許文献２では、アンテナによって検出された信号が所定の閾値以上かどうかを確認し、所定の周期ごとに信号が発生しているかどうかを検出することにより、真空バルブの真空度が劣化しているかどうかを判定する真空度監視が行われている。

特開２００２−１８４２７５ 特開２００５−３０２３３１

従来の真空遮断器の真空度監視装置においては放電を検出することが可能であるが、該当する真空遮断器以外からも様々なノイズ信号が発生しており、それらのノイズ信号による誤動作を防止する必要がある。

開閉サージなどによる不連続に発生するノイズは商用周波数との同期性や連続性を考慮することにより識別可能である。しかしながら、商用周波数との同期性が高いノイズ信号、特に気中ブッシングや架空線で発生する気中コロナは雨天時や大気の湿度が高い状態になると発生しやすく、この気中コロナにより、非常に大きな高周波の電磁波信号が商用周波数である５０Ｈｚや６０Ｈｚに同期して信号が発生する。

この気中コロナは発生しないことが望ましいが、ブッシングや架空線で気中コロナが発生したとしても設備の異常ではないことから、誤検出で真空遮断器の真空漏れとして判定することは避けなければならない。気中コロナ信号と真空度劣化により発生する放電信号は両者とも商用周波数である５０Ｈｚや６０Ｈｚと同期して繰り返し発生する信号であるので、両者を識別することは非常に困難である。

また、真空遮断器を有するキュービクル型ガス絶縁開閉装置の場合には真空漏れと同様に内部のガス絶縁開閉装置内の絶縁異常が存在すると部分放電が発生する。部分放電が進展すると絶縁破壊事故に結びつく可能性があるため、この装置内の絶縁異常も同時に識別できると有効である。

本発明は、真空バルブ内の真空漏れを確実に検出し、気中コロナなどのノイズの多い状況下でも真空漏れを確実に検出することで監視装置として実用性の高い装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る真空漏れ監視装置は、真空バルブを有する金属容器内で信号成分を検出する検出センサと、前記信号成分を増幅する手段と、増幅された前記信号成分の包絡線を検出する包絡線検波手段と、前記包絡線検波された信号成分のうち商用周波の２倍の周波数の信号成分を抽出する第一のバンドパスフィルタと、増幅された前記信号成分のうち１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数帯の信号成分を抽出する第二のバンドパスフィルタと、前記商用周波の２倍の周波数の信号成分と前記１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数帯の信号成分が同時に閾値を越えたときに前記真空バルブから真空漏れが生じたと判定する判定手段と、前記判定を表示する表示部を有することを特徴とする。

本発明によれば、真空漏れを確実に検出することができるため、異常監視による真空遮断器を有するスイッチギヤや真空遮断器を有するガス絶縁開閉装置の信頼性を向上させることが可能である。

本発明の一実施例である真空漏れ監視装置のブロック図 タウンゼント型およびストリーマ型の放電波形の概要図 タウンゼント型およびストリーマ型の放電波形の周波数特性の概要図 気中コロナが発生したときの周波数特性の説明図 タウンゼント型およびストリーマ型の電圧位相特性の概要図 タウンゼント型およびストリーマ型の商用周波の２倍の周波数成分の概要図 タウンゼント型およびストリーマ型の放電検出波形の周波数特性の概要図 本発明の一実施例である真空漏れ監視装置のブロック図 本発明の一実施例である真空漏れ監視装置のブロック図

以下、本発明の実施例を図面により説明する。

図１は真空漏れ監視装置のブロック図を示している。工場やビルなどの受配電設備の一つであるスイッチギヤ内に設置された真空遮断器において、真空バルブ３の真空度の低下は絶縁性能に直結するため、万が一真空バルブ３が真空漏れを起こして真空度が低下した場合には早急に真空漏れを検出する必要がある。

スイッチギヤの金属容器１内は大気、乾燥空気、ＳＦ₆ガスといった絶縁ガス雰囲気の場合があり、真空バルブ３の真空漏れ時は真空バルブ３の外部の雰囲気の絶縁ガスが真空バルブ３内に侵入することになる。

真空バルブの内部は正常時には高真空に保たれて絶縁性能、消弧性能を満足する機能を有するが、真空度が低下し外部の絶縁ガスが入り込むと絶縁性能、消弧性能とも満足することができなくなる。真空バルブが投入状態の場合は絶縁性能が満足する可能性があるが、開放状態の場合は電極間の絶縁性能を満足するとは言い難く、最終的には絶縁破壊事故に至る可能性がある。

高真空から真空度が低下してくると必ずパッシェンミニマムを通過する。パッシェンミニマム時には最低放電電圧となり放電しやすい状態となる。このため真空バルブが投入状態にあるときは真空漏れを検出して、真空バルブが開放状態にならないように動作をロックすることで事故を未然に防止することが可能となる。

しかしながら、真空バルブに直接圧力計を取り付けて真空バルブ内の真空度を計測することは真空バルブの構造上困難であるため、真空度と関連性のある指標を検出する必要がある。真空度と関連性のある指標の一つとして、真空バルブ内の真空度低下により内部電極間や内部電極と内部シールド間に発生する放電を検出する手法があり、放電により発生する電磁波をアンテナで検出する方法や、電圧変動を電位計測により計測する方法が提案されている。

上記の真空度が低下した低真空での放電は、一般にタウンゼント型の放電と言われており、放電パルスとしては比較的低周波の放電である。図２に代表的な放電であるタウンゼント型の放電および大気圧空気中で発生するストリーマ型の放電の電流波形の模式図を示す。（ａ）タウンゼント型の放電は荷電粒子の平均自由行程が大きいために比較的ゆっくりした放電進展となり、ストリーマ型の放電に比べて時間の長い数十μ秒に至る放電波形となる。一方、（ｂ）ストリーマ型の放電は非常に放電進展が早いために数μ秒の放電波形となる。さらに（ｃ）ＳＦ₆ガス中のストリーマ型の放電はＳＦ₆ガスの強い電界依存性の影響でさらに急峻な放電波形となることがわかる。

図２に示す放電電流波形に起因して電磁波が発生するため、この電磁波をアンテナで検出する場合には図２の波形に起因した周波数成分を有する電磁波信号が検出されることになる。図２の放電電流波形を周波数成分で示すと図３のようになり、（ａ）（ｂ）（ｃ）の周波数帯が異なることがわかる。

以上のことから、検出する周波数を選択することにより放電形態の違いを識別することが可能である。すなわち、（ａ）は１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ、（ｂ）は数百ｋＨｚ〜数十ＭＨｚ、（ｃ）は数十ＭＨｚ〜数ＧＨｚの周波数帯域を示している。

真空漏れに起因する放電は（ａ）タウンゼント型の放電であることから、１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数帯を検出すると真空漏れの可能性があるといえる。また、数百ｋＨｚ以上の信号成分はストリーマ型の放電形態でありスイッチギヤやガス絶縁開閉装置内部の異常放電、もしくは外部の気中コロナを検出していることになる。

図３では真空漏れと空気中のコロナ放電（ストリーマ型の放電）の周波数は違っているためバンドパスフィルタで検出周波数を選択することで現象を識別することが可能といえる。しかしながら、例えば空気中のコロナ放電が非常に大きい場合には図４のような周波数特性となる。この場合には、気中コロナ信号が１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚでも検出されてしまうために真空漏れに起因するタウンゼント型の放電と識別することが困難である。

このように波形の周波数成分の検出だけを使って真空漏れ監視をすることは困難であるため、信号発生の周期性や発生位相角特性を検出する方法も考えられる。しかしながら、真空漏れに起因するタウンゼント型の放電と気中コロナに起因するストリーマ型の放電はどちらも商用周波数である交流５０Ｈｚや６０Ｈｚに同期しているため識別することは難しい。

図５に（ａ）真空漏れに起因する放電、（ｂ）気中コロナに起因する放電、（ｃ）気中フロートに起因する放電それぞれの信号の位相特性を示す。（ａ）は交流の正負サイクルのピーク付近を中心に正サイクルにも負サイクルにも同様の信号が発生していることがわかる。（ｂ）は交流のピーク付近を中心に信号が発生しているが正サイクルは比較的大きな信号がまばらに発生しているが、負サイクルは小さな信号が多数発生しており、非常に極性差が大きくなっている。（ｃ）は交流のピークより前の部分で信号が発生しており、正負サイクルは同じように信号が発生しているが、正負サイクルとも発生数はまばらである。この気中フロートは、接地されていないフロート電極が課電部の近傍に存在することにより、そのフロート電極が課電部からの静電誘導を受けて電位を持つことにより発生する放電信号であり、発生する信号は大きいがフロート電極の静電容量の影響で充電時定数が長いために発生間隔は長くなり、せいぜい交流１サイクルに数発の発生頻度である。

図５の（ａ）（ｂ）（ｃ）はいずれも信号発生の周期性を有しているため識別することは困難である。前述したような発生信号の位相特性の違いや極性差の観点で識別するには非常に高価な計測装置が必要となるために現実的ではない。

図１に示す本発明はその発生信号の位相特性の違いや極性差の違いを考慮した監視装置であり、増幅器１２、包絡線検波回路１３、全波整流回路１４、バンドパスフィルタ１５、Ａ／Ｄ変換部１６、判定部１８、表示部１９からなる。真空バルブ３の真空漏れに起因する放電が発生し、アンテナもしくは内部電極等の検出器５で信号を検出し、金属容器１に密封端子を通して監視装置１１に入力する。監視装置１１では、前段で増幅器１２を通して判定に必要な信号の大きさに増幅する。この増幅器は装置外にプリアンプとして配置しても良い。

図１では増幅器１２通過後に信号を分岐させ、一方は包絡線検波回路１３、全波整流回路１４を介して商用周波数の２倍周波のバンドパスフィルタ１５ａを通して信号を計測し、もう一方は、包絡線検波回路１３、全波整流回路１４を介さずに、１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚのバンドパスフィルタ１５ｂを通して信号を計測する。判定部１８は、双方の信号成分を検出した場合に真空漏れが生じたと判定し、表示部１９がその結果を表示する。

本監視装置では、包絡線検後の商用周波数の２倍周波の信号成分を計測し判定に利用している。その理由を図６を用いて説明する。（ａ）タウンゼント型の放電の場合は位相特性は正負極性差のない多数のパルス発生があることから包絡線を描かせると、正負のピーク付近の信号発生の影響で商用周波の２倍の周波数の波形となる。図１に示すように、包絡線検波回路１３と全波整流回路１４を用いることで、図６（ａ）に示す商用周波の２倍の周波数の波形を形成することができる。

一方、図６（ｂ）（ｃ）では商用周波に同期して周期的に信号が発生しているにもかかわらず、図６（ｂ）は極性差があるため周波数の２倍の信号成分は小さいままであり、図６（ｃ）は信号発生頻度が少ないために商用周波の２倍の信号成分は大きくならない。

このことから商用周波の２倍の周波数の信号成分を監視することで、真空漏れに起因する放電を気中コロナや気中フロートに起因する放電と区別して検出することが可能となる。

なお上記によれば、商用周波の２倍の信号成分だけを監視することで真空漏れを監視することが可能とも考えられるが、商用周波の電源ノイズが増加した場合に誤った判定をしてしまう可能性があり、高い判定精度を得るためには、別途１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの信号も検出して判定する必要がある。このため、本実施例では、図１に示すように、包絡線検波回路１３と全波整流回路１４を経ずに１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚのバンドパスフィルタ１５ｂを別途設ける構成とする。

本実施例では、増幅器１２により増幅された信号成分を包絡線検波回路１３を経て商用周波の２倍の周波数の信号成分を抽出するバンドパスフィルタ１５ａを介して判定部１８に送る構成と、増幅された信号成分を１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数帯の信号成分を抽出するバンドパスフィルタ１５ｂを介して判定部１８に送る構成を併設し、判定部１８が双方の信号成分を同時に検出した場合に真空漏れが生じたと判定する構成とすることで、真空遮断器やＳＦ₆ガスを封入したガス絶縁開閉装置内の絶縁異常の影響を受けず精度の高い真空漏れ監視装置を提供することができる。

図８は気中盤などに適用されている真空遮断器の真空漏れを検出する一実施例である。実施例１の構成に１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚのバンドパスフィルタ１５ｃを追加した構成となっており、図１の回路では判定しにくかった図４の空気中のコロナ放電が非常に大きい場合でも、それによるノイズの影響を受けずに真空漏れを検出することが可能である。

また、図９は、ＳＦ₆ガスを封入したキュービクル型のガス絶縁開閉装置に適用する真空遮断器の真空漏れを検出する一実施例である。図８の構成に加えて、１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚのバンドパスフィルタ１５ｄを追加した構成となっている。

図７は各ケースでの出力信号の周波数成分の大きさを模式的に示している。（ａ）タウンゼント型の放電の場合は商用周波の２倍の成分である１００Ｈｚもしくは１２０Ｈｚの信号と、１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数帯域の信号がともに閾値を超えていることから真空バルブの真空漏れが発生していると判断することが可能である。（ｂ）は１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数帯域のみ信号が閾値を超えていることから、真空遮断器の場合には金属容器内の気中放電が生じていると判断できる。ＳＦ₆ガスを封入したキュービクル型のガス絶縁開閉装置においてこの周波数帯域の信号が閾値を超えた場合は、金属容器内部に気中の放電箇所はないので、気中ブッシング部や外部ノイズであると判断できる。（ｃ）は１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの周波数帯域の信号のみ閾値を超えているため、ガス絶縁開閉装置の金属容器内部のＳＦ₆ガスに起因する放電が発生していると判断できる。

このように、各種のバンドパスフィルタを有することで種々の放電に対する識別が可能となり、真空バルブの真空漏れ監視が可能となるだけでなく、開閉装置内部の異常までも検出することが可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、図９に示す実施例において１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚのバンドパスフィルタ１５ｃを除いた構成を採ることも可能である。

１ 金属容器
３ 真空バルブ
５ 検出器
１１ 監視装置
１２ 増幅器
１３ 包絡線検波回路
１４ 全波整流回路
１５ バンドパスフィルタ
１６ Ａ／Ｄ変換部
１８ 判定部
１９ 表示部

Claims (3)

1. 真空バルブを有する金属容器内で信号成分を検出する検出センサと、
   前記信号成分を増幅する手段と、
   増幅された前記信号成分の包絡線を検出する包絡線検波手段と、
   前記包絡線検波された信号成分のうち商用周波の２倍の周波数の信号成分を抽出する第一のバンドパスフィルタと、
   増幅された前記信号成分のうち１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数帯の信号成分を抽出する第二のバンドパスフィルタと、
   前記商用周波の２倍の周波数の信号成分と前記１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数帯の信号成分が同時に閾値を越えたときに前記真空バルブから真空漏れが生じたと判定する判定手段と、
   前記判定を表示する表示部を有することを特徴とする、
   真空バルブの真空漏れ監視装置。
2. 請求項１において、
   増幅された前記信号成分のうち１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数帯の信号成分を抽出する第三のバンドパスフィルタをさらに有し、
   前記１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数帯の信号成分が閾値を超えたときに前記判定手段が気中コロナが発生したと判定することを特徴とする、
   真空バルブの真空漏れ監視装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記金属容器内にはＳＦ₆ガスが封入され、
   増幅された前記信号成分のうち１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの周波数帯の信号成分を抽出する第四のバンドパスフィルタをさらに有し、
   前記１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの周波数帯の信号成分が閾値を超えたときに前記判定手段が前記金属容器内のＳＦ₆ガス雰囲気中に絶縁異常が生じたと判定することを特徴とする、
   真空バルブの真空漏れ監視装置。