JP2015015172A - 真空バルブの真空度監視方法及び真空バルブの真空度監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】真空度の劣化状態の段階的判断が可能な真空バルブの真空度監視方法（監視装置）を提供する。
【解決手段】真空バルブの内部放電に伴って生じる電磁波の周波数分析を行い、その周波数分布様相を加味（領域Ｘ１，Ｘ２に大別）することで、パッシェン曲線に基づく判定線上で真空バルブに対する印加電圧にて２つの真空度の推定値を取り得る場合の一方側が選択可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、真空遮断器における真空バルブの真空度劣化状況を監視するその監視方法及び監視装置に関する。

真空遮断器に備えられ実質的な電路遮断を行う真空バルブ（真空インタラプタ）は、容器内部の真空度が低下すると絶縁性能、つまり遮断性能が低下するため、その真空度を監視することが行われている。この場合、真空バルブの内部放電（放電開始電圧）と真空度とが相関することから、放電の際の電磁波を検出して真空度を推定することが一つの手法としてある。

例えば特許文献１，２等に開示の手法では、真空バルブの内部放電により生じる電磁波をアンテナにて受信し、受信した電磁波のレベルに基づいて内部放電の有無判定が行われるとともに、いずれの電圧値で放電に至ったかの放電開始電圧の特定が行われる。そして、放電開始電圧と真空度との相関を示したパッシェン曲線（パッシェンカーブ）に基づいて、真空バルブの真空度の劣化状態が推定されている。

特開２００２−１８４２７５号公報 特開平７−３１８４４７号公報

ところで、パッシェン曲線の特徴として、真空度を実質的な真空状態から大気圧まで変化させると、放電開始電圧は十分大きな電圧値から一旦小さくなり、再び大きな電圧値に変化する。つまり、放電開始電圧が最低電圧値より高い範囲では、同一の放電開始電圧で２つの真空度を取り得てしまう。

ただ、従来より行われている真空度の良否判定では、大気圧時の放電開始電圧よりも十分高い電圧値に閾値が設定されているため、放電開始電圧の特定にて良否判定を適切に行うことは可能である。

しかしながら、大気圧時の放電開始電圧よりも低い範囲では、上記したように同一の放電開始電圧で２つの真空度を取り得ることから、真空度が否判定の中でもその真空度がどのような状況かが判断不能である。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、真空度の劣化状態の段階的判断が可能な真空バルブの真空度監視方法、及び真空バルブの真空度監視装置を提供することにある。

上記課題を解決する真空バルブの真空度監視方法は、真空バルブに対する印加電圧に応じて内部放電が生じた際、放電開始電圧と真空度との相関を有するパッシェン曲線に基づいた判定線を用いて前記真空バルブの真空度を推定する真空バルブの真空度監視方法であって、前記真空バルブの内部放電に伴って生じる電磁波の周波数分析を行いその周波数分布様相を加味することで、前記パッシェン曲線に基づく判定線上で前記真空バルブに対する印加電圧にて２つの真空度の推定値を取り得る場合の一方側を選択可能としている。

この構成によれば、真空バルブの内部放電に伴って生じる電磁波の周波数分析を行いその周波数分布様相を加味することで、パッシェン曲線に基づく判定線のみから真空バルブの真空度を推定するのに比べてより詳細な真空度の推定が可能となる。これにより、真空度の劣化状態の段階的な判断が可能となる。

また上記の真空バルブの真空度監視方法において、前記パッシェン曲線に基づく判定線上で放電開始電圧が最低値となる真空度の両側で前記電磁波の周波数分布様相を分け、その２つの周波数分布様相の何れに該当するかで前記真空度の推定値を選択することが好ましい。

この構成によれば、パッシェン曲線に基づく判定線上で放電開始電圧が最低値となる真空度の両側で電磁波の周波数分布様相を大別できるため、その２つの周波数分布様相の何れに該当するかを判断するだけで容易に真空度の推定が可能である。

また上記の真空バルブの真空度監視方法において、前記真空バルブに対する印加電圧は、通常使用時に印加される交流電圧を含むことが好ましい。
この構成によれば、真空バルブに対して通常使用時に印加される交流電圧にて真空度の推定が可能なため、通常使用状態で容易にまた何時でも真空度の推定が可能である。

また上記課題を解決する真空バルブの真空度監視装置は、真空バルブに対する印加電圧に応じて内部放電が生じた際、放電開始電圧と真空度との相関を有するパッシェン曲線に基づいた判定線を用いて前記真空バルブの真空度を推定する構成の真空バルブの真空度監視装置であって、前記真空バルブの内部放電に伴って生じる電磁波の周波数分析を行いその周波数分布様相を加味することで、前記パッシェン曲線に基づく判定線上で前記真空バルブに対する印加電圧にて２つの真空度の推定値を取り得る場合の一方側を選択可能に構成される。

この構成によれば、上記したように、真空度の劣化状態の段階的な判断が可能な監視装置として提供できる。

本発明の真空バルブの真空度監視方法及び監視装置によれば、真空度の劣化状態の段階的判断を行うことができる。

一実施形態における真空遮断器の概略構成図である。 真空度監視装置の電気ブロック図である。 真空度監視手法を説明するための説明図である。 真空度監視手法を説明するための説明図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は、真空度監視手法を説明するための説明図である。 別例での真空度監視手法を説明するための説明図である。 別例での真空度監視手法を説明するための説明図である。

以下、真空バルブの真空度監視方法及び監視装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、真空遮断器１０のタンク１１内において、同一電路を構成する一対の電路導体１２間に真空バルブ１３が介在されている。真空バルブ１３は、各電路導体１２とそれぞれ接続される一対の電極（図示略）を自身の容器内に備え、操作器１４の動作により電極の接続・切り離しが行われる構成となっている。タンク１１の内壁には、真空バルブ１３の内部放電に伴う電磁波を受信可能なアンテナ２１が装着されている。

図２に示すように、真空バルブ１３の真空度監視装置２０は、アンテナ２１及び監視回路２２を備えている。監視回路２２は、受信機２３、Ａ／Ｄ変換部２４、処理部（ＣＰＵ）２５、及びメモリ２６を備える。アンテナ２１及び受信機２３は、真空バルブ１３の内部放電に伴って生じる電磁波を含む所定帯域（ｆ１〜ｆｎ帯域）の電磁波を受信する。本実施形態では、受信する電磁波のｆ１〜ｆｎ帯域は、例えば１［ＭＨｚ］〜１０００［ＭＨｚ］である。また、受信機２３は、受信した所定帯域の電磁波をｎ個に細分し、次段のＡ／Ｄ変換部２４は、その細分した各区間の電磁波レベル（例えば区間最大値）をデジタル値に変換して処理部２５に出力する。処理部２５は、細分したｎ個の電磁波レベル、即ち受信した電磁波の周波数分析に基づいて、真空バルブ１３の真空度の推定を行っている。

また、この真空度の推定（内部放電に伴う電磁波の周波数分析）は、電圧印加状態で行われ、例えば通常使用時における交流電圧印加中に行われる。即ち、図４に示すように、判定時に印加される交流電圧はプラス及びマイナスの定格電圧間で正弦波状に変化するものであり、処理部２５は、ゼロ電圧を含む電圧Ｖ１からプラス側のピーク電圧を含む電圧Ｖ５までの間を等分した電圧Ｖ１〜Ｖ５の５段階に設定し、真空バルブ１３にて内部放電が発生した時の電圧値を特定する。因みに、マイナス側については電圧−Ｖ１〜−Ｖ５に振り分けられるが、プラス側の電圧Ｖ１〜Ｖ５として同等に扱う。そして、処理部２５は、電圧Ｖ１〜Ｖ５を含む印加電圧を把握することで、内部放電に伴う電磁波が発生した時の印加電圧を特定する。

ここで、図３は、放電開始電圧と真空度との相関を示したパッシェン曲線の一例を示す。同図３の放電開始電圧には、真空バルブ１３の印加電圧Ｖ１〜Ｖ５も合わせて示している。

パッシェン曲線は、真空度が１０¹ ［Ｐａ］付近で放電開始電圧が電圧Ｖ１以下に低下する。この真空度１０¹ ［Ｐａ］から真空度が低くなり大気圧に近づくほど、放電開始電圧が上昇する。真空度が１０⁴ 〜１０⁵ ［Ｐａ］の略中間で定格電圧Ｖ５と同等の放電開始電圧となり、大気圧の１０⁵ ［Ｐａ］ではその電圧Ｖ５よりも高い放電開始電圧となる。一方、真空度１０¹ ［Ｐａ］から真空度が高くなるほど、同様に放電開始電圧が上昇する。真空度が１０⁰ 〜１０^-1［Ｐａ］の略中間で定格電圧Ｖ５と同等の放電開始電圧となり、真空度が約１０^-1［Ｐａ］で大気圧（１０⁵ ［Ｐａ］）と同等の放電開始電圧となる。そして、真空度が１０^-1［Ｐａ］を超えたところから真空度が１０^-3［Ｐａ］、１０^-4［Ｐａ］と高まっても、放電開始電圧は略最高電圧で大きく変化しなくなる。因みに、真空度１０^-4［Ｐａ］が一般的な真空管理値である。

そして、図３のようなパッシェン曲線（準じたものも含む）に基づく判定線がメモリ２６に保持されている。処理部２５は、内部放電が発生した時点の印加電圧が上記の電圧Ｖ１〜Ｖ５のいずれであったかを特定し、特定した電圧Ｖ１〜Ｖ５をもとに図３の判定線から真空度の推定を行う。

ところで、図３に示すパッシェン曲線の特徴として、真空度が１０¹ ［Ｐａ］で放電開始電圧が略最低値（略電圧Ｖ１）を取り、この両側では放電開始電圧がともに上昇していく。つまり、真空バルブ１３に対する印加電圧が電圧Ｖ１の時に内部放電が生じれば、真空度は１０¹ ［Ｐａ］と推定可能であるが、真空バルブ１３に対する印加電圧が電圧Ｖ２以上となると、真空度の推定値としては２つ取り得る。

そこで、受信した電磁波の周波数分析を試みたところ、真空度１０¹ ［Ｐａ］が放電開始電圧の略最低値（略電圧Ｖ１）の両側で、電磁波の周波数分布の様相が比較的大きく異なることがわかった。これを踏まえ、電磁波の周波数分析を取り入れることで、２つ取り得る真空度の推定値のうち１つを選択できるようにした。

図５（ａ）は、真空バルブ１３の真空度が正常値（真空管理値）での電磁波の周波数分布様相であり、周波数ｆ１〜ｆｎの帯域全体で一様に電磁波レベルが小さくなっている。一方、図５（ｂ）（ｃ）は、真空バルブ１３の真空度が劣化範囲となって内部放電が発生した場合の電磁波の周波数分布様相であり、図５（ｂ）に示す分布様相と、図５（ｃ）に示す分布様相の２つに大別される。

図５（ｂ）は、図３参照の放電開始電圧が略最低となる真空度１０¹ ［Ｐａ］を分岐点Ａとしこの分岐点Ａよりも真空度が高い領域Ｘ１側の周波数分布様相であって、ｆ１〜ｆｎ間の所定周波数ｆｘ（本実施形態では、例えば２００［ＭＨｚ］）よりも低い周波数帯域で電磁波レベルが一様に大きく、所定周波数ｆｘよりも高い周波数帯域で電磁波レベルが一様に小さくなっている。つまり、真空度が分岐点Ａよりも高い状況での内部放電は、低い周波数の電磁波が発生し、所定周波数ｆｘより低い周波数帯に偏倚して電磁波レベルが増大する。

図５（ｃ）は、図３参照の分岐点Ａよりも真空度が低い領域Ｘ２側の周波数分布様相であって、所定周波数ｆｘを含め周波数ｆ１〜ｆｎ間全体で一様に電磁波レベルが大きくなる。つまり、真空度が分岐点Ａよりも低い状況での内部放電は、上記よりも高い周波数の電磁波が発生し、周波数ｆ１〜ｆｎの帯域全体で電磁波レベルが増大する。

これらを踏まえ、本実施形態の処理部２５は、図５（ａ）〜（ｃ）の各分布様相が判定可能な判定値、例えば同図５の判定値ａのように設定されてメモリ２６に保持され、真空バルブ１３での内部放電の発生からその真空度の推定を行うようになっている。

つまり、周波数ｆ１〜ｆｘ間及び周波数ｆｘ〜ｆｎ間の両方で電磁波レベルが判定値ａ以下である場合は、真空バルブ１３の真空度は１０^-2［Ｐａ］より高く、真空度が正常であるという判定となる。これに対し、周波数ｆ１〜ｆｘ間の例えば８０％で電磁波レベルが判定値ａを上回る場合は、真空バルブ１３の真空度は分岐点Ａである真空度１０¹ ［Ｐａ］よりも高い真空度の領域Ｘ１にあるという判定となる。周波数ｆ１〜ｆｘ間及び周波数ｆｘ〜ｆｎ間のそれぞれ例えば８０％で電磁波レベルが判定値ａを上回る場合は、真空バルブ１３の真空度は分岐点Ａである真空度１０¹ ［Ｐａ］よりも低い真空度の領域Ｘ２にあるという判定となる。

次に、本実施形態の動作（作用）を説明する。
真空バルブ１３の真空度の推定は電圧印加状態で行われ、例えば通常使用における交流電圧印加状態で行われる。真空度監視装置２０の処理部２５は、図４のように印加電圧を電圧Ｖ１〜Ｖ５（電圧−Ｖ１〜−Ｖ５も同様）の各領域に分け、アンテナ２１を介して受信した電磁波の周波数分析（周波数ｆ１〜ｆｎ帯域）を各電圧Ｖ１〜Ｖ５毎に行う。

次いで、処理部２５は、電磁波の周波数分布を行い、細分した個々の電磁波レベルと判定値ａとの比較を行う（図５参照）。処理部２５は、電磁波レベルが周波数ｆ１〜ｆｘ及び周波数ｆｘ〜ｆｎのいずれの帯域において判定値ａを上回ったかのレベルの大小及びその周波数分布様相、更にはその時の印加電圧Ｖ１〜Ｖ５に基づいて、真空バルブ１３の真空度を推定する（図３参照）。つまり、電磁波レベルの大小で真空バルブ１３の内部放電の有無がわかり、電磁波の周波数分布様相で真空バルブ１３の真空度状態（領域Ｘ１，Ｘ２）がわかり、更には内部放電が生じた場合のその時の印加電圧（電圧Ｖ１〜Ｖ５）で真空度のより具体的な値が推定可能となる。

例えば、真空バルブ１３に対する印加電圧が電圧Ｖ２で、内部放電に伴う電磁波のレベルが周波数ｆ１〜ｆｘに偏倚して判定値ａを超えると、処理部２５は、真空バルブ１３の真空度が約１０⁰ ［Ｐａ］であると推定する。また、真空バルブ１３に対する印加電圧が電圧Ｖ２で、内部放電に伴う電磁波のレベルが周波数ｆ１〜ｆｘと周波数ｆｘ〜ｆｎとの両方で判定値ａを超えると、処理部２５は、真空バルブ１３の真空度が約１０³ ［Ｐａ］であると推定する。

このように本実施形態では、真空バルブ１３に対する印加電圧に基づく内部放電の有無の検出に加え、その内部放電に伴って生じる電磁波の周波数分析を行うことで、図３のパッシェン曲線から具体的な１つの真空度の数値の推定が可能となり、段階的な真空度の劣化状況が判断可能である。

次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）真空度監視装置２０は、真空バルブ１３の内部放電に伴って生じる電磁波の周波数分析を行い、その周波数分布様相を加味して真空バルブ１３の真空度の推定を行っている。これにより、パッシェン曲線に基づく判定線のみから真空バルブ１３の真空度を推定するのに比べて、本実施形態ではより詳細な真空度の推定が可能で、真空度の劣化状態の段階的な判断を行うことができる。

（２）パッシェン曲線に基づく判定線上で放電開始電圧が最低値となる真空度（１０¹ ［Ｐａ］）の両側（領域Ｘ１，Ｘ２）で電磁波の周波数分布様相を大別できるため、本実施形態ではその２つの周波数分布様相の何れに該当するかを判断するだけで容易に真空度の推定を行うことができる。

（３）真空バルブ１３に対して通常使用時に印加される交流電圧にて真空度の推定を行う構成のため、通常使用状態で容易にまた何時でも真空度の推定を行うことができる。
尚、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。

・監視装置２０のアンテナ２１を真空遮断器１０のタンク１１の内側に設けたが、設置場所はこれに限らず、例えば図１の破線にて示すようにタンク１１の外側に設けてもよい。この場合、タンク１１内の真空バルブ１３からの電磁波が受信可能な位置（絶縁スペーサやブッシングといった非金属部分等）に設置する必要がある。

・真空バルブ１３の真空度の推定を通常使用時の交流電圧印加に基づいて行ったが、例えば試験用の電圧（交流又は直流）を別途用意して行うようにしてもよい。
・電圧Ｖ１〜Ｖ５の５段階を以て真空度の推定を行ったが、４段階以下、６段階以上で真空度の推定を行うようにしてもよい。

・図６及び図７に示すように、図５（ｂ）の周波数分布様相となる真空度の領域Ｘ１と、図５（ｃ）の周波数分布様相となる真空度の領域Ｘ２との間に、中間領域Ｘ３を設定してもよい。印加電圧が高い側（マイナスでは低い側）では、図５（ｂ）又は図５（ｃ）のように周波数分布様相がより明確に分かれることが考えられるため、印加電圧が高い側（低い側）の電圧Ｖｂの範囲（領域Ｘ１，Ｘ２）では、上記実施形態と同様に電磁波の周波数分析を併用して真空バルブ１３の真空度の推定を行う。一方、印加電圧がゼロに近い電圧Ｖａの範囲となる中間領域Ｘ３（例えば真空度１０⁰ 〜１０³ ［Ｐａ］）において、周波数分布様相の差が小さいような場合では、電磁波の周波数分析を省略してもよい。

・電磁波レベルと判定値ａとの比較において各判定領域の８０％以上で電磁波レベルが判定値ａを上回るか否かで真空バルブ１３での放電有無の判定を行っていたが、各判定領域の電磁波レベルの積算値、平均値等で行ってもよい。

・周波数分析後の細分した電磁波レベルにて真空バルブ１３での放電有無の判定を行っていたが、全体の電磁波レベルで一先ず真空バルブ１３での放電有無の判定を行ってから、その後に周波数分析を行うようにしてもよい。

・周波数ｆ１、ｆｘ、ｆｎや分岐点Ａ等の設定値は、使用する真空バルブ１３等に応じて適宜変更してもよい。

１３…真空バルブ、２０…真空度監視装置、Ｖ１〜Ｖ５…印加電圧。

Claims (4)

1. 真空バルブに対する印加電圧に応じて内部放電が生じた際、放電開始電圧と真空度との相関を有するパッシェン曲線に基づいた判定線を用いて前記真空バルブの真空度を推定する真空バルブの真空度監視方法であって、
   前記真空バルブの内部放電に伴って生じる電磁波の周波数分析を行いその周波数分布様相を加味することで、前記パッシェン曲線に基づく判定線上で前記真空バルブに対する印加電圧にて２つの真空度の推定値を取り得る場合の一方側を選択可能としたことを特徴とする真空バルブの真空度監視方法。
2. 請求項１に記載の真空バルブの真空度監視方法において、
   前記パッシェン曲線に基づく判定線上で放電開始電圧が最低値となる真空度の両側で前記電磁波の周波数分布様相を分け、その２つの周波数分布様相の何れに該当するかで前記真空度の推定値を選択するようにしたことを特徴とする真空バルブの真空度監視方法。
3. 請求項１又は２に記載の真空バルブの真空度監視方法において、
   前記真空バルブに対する印加電圧は、通常使用時に印加される交流電圧を含むことを特徴とする真空バルブの真空度監視方法。
4. 真空バルブに対する印加電圧に応じて内部放電が生じた際、放電開始電圧と真空度との相関を有するパッシェン曲線に基づいた判定線を用いて前記真空バルブの真空度を推定する構成の真空バルブの真空度監視装置であって、
   前記真空バルブの内部放電に伴って生じる電磁波の周波数分析を行いその周波数分布様相を加味することで、前記パッシェン曲線に基づく判定線上で前記真空バルブに対する印加電圧にて２つの真空度の推定値を取り得る場合の一方側を選択可能に構成されたことを特徴とする真空バルブの真空度監視装置。