JP3287217B2 - 油中溶存ガス検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、油中に溶存するガ
スを分離すると共に、採取したガスを光ファイバを用い
て光学的に検出する油中溶存ガス検出装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年、電力設備の高信頼性の要求から設
備診断の重要性が高まっている。変圧器、ＯＦケーブル
といった油入り電気機器の診断については、内部の部分
放電、局部加熱などの劣化現象を油中ガス分析によって
行う方法が広く用いられている。

【０００３】この分析手順は、電気設備を一時的に運転
を停止させた後、電気機器より油を採り出し、その油よ
りガスを分離抽出し、専用のガス分析装置で測定する方
法をとっている。しかし、この方法では測定手順が複雑
で、ほとんどが手作業であり、停電させなければならな
いため多くの費用と労力を要する。

【０００４】そこで、本発明者らは、特開平４−６４０
３９号公報に示すような、高分子膜により油中からガス
のみを透過させ、採取したガスを、電磁誘導障害に強
く、遠隔測定も可能な光ファイバを用いて検出すること
ができる油中溶存ガス検出装置を提案した。

【０００５】図９はこの油中溶存ガス検出装置を示した
断面図である。図示するように、採光効率を高めるため
の光ファイバ成端部１（光ファイバ２，レセプタクル
３，コリメートレンズ４）と、油中よりガスを抽出する
ため検出部５のケース全周に設けられた焼結金属と高分
子膜とからなるフィルタ６と、検出部５の外周に油槽あ
るいは油入り電気ケーブル接続箱等に接続された導管７
で連結された採油チャンバ８とを検出部５の同軸上に配
置して構成したものである。

【０００６】しかし、この装置では次のような問題点が
あった。

【０００７】（１）透過膜を用いて油中ガスを抽出する
場合、採取する気相側のガス分圧は油中ガスの分圧にバ
ランスするまで透過する。一般にヘンリーの法則から油
中ガス濃度は式１に示すように圧力換算できる。

【０００８】Ｐ＝ｋ×ｖ…（１） ここで、Ｐは油中ガスの分圧換算値、ｋは定数（ガスの
種類による固有の値）、ｖは油中ガス濃度（２０℃大気
圧下での油の容量に対するガスの容量の割合）を表す。

【０００９】従って、気相側に抽出したガスより油中溶
存ガスの濃度を求めるためには、まず気相側に抽出した
ガスの濃度を求めると共に、気相側の全圧も測定し、求
めた二つの値から検出ガスの分圧を求め、その値から式
１を用いて油中ガス濃度の換算を行う。このような測定
を可能とするためには、気相側が完全に密封されていな
ければならない。密封されていなければ、油中ガス濃度
の換算ができないだけでなく、逆に気相側から油中への
ガスの逆流も生じてしまう。例えば、気相が開放系でか
つ窒素、酸素の分圧が油中に比べて気相の方が高い場合
には、これらのガスが油中に溶存し信頼性を損なうこと
になる。

【００１０】（２）光ファイバを用いたガス検出におい
て、検出原理としてガスが特定の波長の光をよく吸収す
る性質がありその吸収量はガスの濃度と空間伝達距離に
依存する性質を利用している。光源としては、単色光の
レーザ光が適している。ガス濃度として数ｐｐｍまで検
出するような微量測定では光ファイバとしてシングルモ
ードファイバを用いる必要性がある。この場合、先に提
案した検出装置の光学系は、採油チャンバと一体構造と
なっているためチャンバ内の油圧変動による歪みが光学
系にも影響し、光の伝送損失が大きく変動するため油中
溶存ガスを安定して検出することができない。

【００１１】そこで、本発明者らは気相側が完全に密封
されると共に、油圧の変動や衝撃の影響を受けることな
く正確に油中溶存ガスを検出できる装置を、さらに提案
した（特開平６−１４８０６７号公報）。

【００１２】図１０はこの改良された油中溶存ガス検出
装置を示した断面図である。図示するように、この装置
は油中よりガスのみを透過させる円筒型のフィルタ９
（高分子膜９ａ，焼結金属９ｂ）と、そのフィルタ９の
周囲に設けられフィルタ９の周りを油で満たすための採
油チャンバ１０と、フィルタ９の両端面に設けられフィ
ルタ９内を密閉するための蓋板１１，１２と、両蓋板１
１，１２を貫通すると共に同軸かつ端面が対向する一対
の光ファイバ１３，１４と、フィルタ９内に設けられ両
光ファイバ１３，１４を保持すると共に、両端が蓋板１
１，１２にバネ１８，１９を介して取り付けられた光学
ベース１５とを備えたものであり、光ファイバ１３，１
４は蓋板１１，１２に低融点ガラスにより封止されるよ
うに構成されている。

【００１３】以上の構成によれば、光学ベース１５と採
油チャンバ１０とは一体的に形成されていないので、光
学ベース１５上の光ファイバ１３，１４は振動や油圧の
影響を受けない。また、フィルタ９内を気密状態にでき
るので、外界からフィルタ９内にガスが混入して油側に
逆流することがない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
装置では次のような問題点がある。

【００１５】（１）光学ベース１５は円柱を軸方向に二
分した形状となっており、ここに、光ファイバ１３，１
４と集光レンズとを固定したＶ溝が設けられたブロック
１６，１７を取り付ける構造となっている。このため、
向い合ったブロック１６，１７を平行に保ちながら光軸
を調整することになるが、この調整は非常に困難であ
り、完成した光学系は精度が悪く光の損失量が大きくな
り、検出感度が悪くなってしまうことがある。

【００１６】（２）光軸調整された光学ベース１５を、
採油チャンバ１０と一体となったフィルタ９内部に挿入
し、バネを介して蓋板１１，１２に固定しているので、
取付け作業性が悪い。

【００１７】（３）光軸調整された光学ベース１５から
引き出された光ファイバ１３，１４を蓋板１１，１２に
低融点ガラスにて固定しているので、蓋板１１，１２を
取り外す時に、光学ベース１５も一緒に取り外さなくて
はならず手間がかかる。また、取り外した蓋板１１，１
２は再使用不可能となってしまう。

【００１８】（４）透過したガスを閉じこめる空間であ
る気相がフィルタ９内で両端の蓋板１１，１２間にわた
り、気相側体積が大きく、ガス飽和状態に達してガス検
出可能となるまでに時間がかかる。

【００１９】そこで、本発明の課題は、上記の問題を解
決し、光軸調整を容易にして油中ガス検出感度を向上で
きると共に、気相側体積を小さくし、より早くガス検出
可能とすることができ、かつ光学系の取り外しが容易に
行える油中溶存ガス検出装置を提供することである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決すべく本
発明は、油中に溶存するガスを分離すると共に、採取し
たガスを光ファイバを用いて光学的に検出する油中溶存
ガス検出装置において、油中よりガスのみを抽出する円
筒型フィルタと、このフィルタを囲繞して設けられた外
筒及びこの外筒と円筒型フィルタの両端部を固定するフ
ランジとからなり、フィルタの周りを油で満たすための
採油チャンバと、円筒型フィルタに挿入され、両端もし
くは片端に光ファイバ成端部が固定され、かつ軸方向に
円筒型フィルタ内のガスを導入する測定空間が形成され
ると共に、この測定空間と光ファイバ成端部とを気密に
仕切る窓部を有する円筒型光学ベースと、この円筒型光
学ベースを両フランジに密閉固定する保持手段とを備え
たものである。

【００２１】そして、上記フランジの両端に設けられ、
上記光ファイバ成端部から延びた光ファイバケーブルを
囲繞する中空フランジと、その中空フランジを貫通する
上記光ファイバケーブルを密閉固定する固定手段とを備
えたものが好ましい。

【００２２】上記構成によれば、予め円筒型光学ベース
に光ファイバ成端部を固定しておくので光軸調整が容易
である。また、光学ベースを円筒型としたので気相側体
積を小さくすることができる。さらに、保持手段と固定
手段とを外すことにより光学系の取り外しが容易に行う
ことができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に従って説明する。

【００２４】図１は、本発明を適用した油中溶存ガス検
出装置を示した断面図である。

【００２５】まず、本発明の全体の構成を説明する。図
示するように、油中よりガスのみを抽出する円筒型フィ
ルタ２０が設けられ、このフィルタ２０を外周に採油チ
ャンバ２１が形成されている。この採油チャンバ２１は
フィルタ２０を囲繞して設けられた外筒３２と、この外
筒３２と円筒型フィルタ２０の両端部を固定するフラン
ジ２２，２３とを有し、フィルタ２０の周りを油で満た
すように構成されている。円筒型光学ベース４９が円筒
型フィルタ２０に挿入され設けられている。円筒型光学
ベース４９は、その両端に光ファイバ成端部３４，３５
が固定され、かつ軸方向に円筒型フィルタ２０内のガス
を導入する測定空間４３が形成されると共に、この測定
空間４３と光ファイバ成端部３４，３５とを気密に仕切
る窓部４１，４２を有している。そして、この円筒型光
学ベース４９を両フランジ２２，２３に密閉固定する保
持手段である固定板３６，３７及びＯリング４７，４８
が設けられている。

【００２６】そしてフランジ２２，２３の両端には光フ
ァイバ成端部３４，３５からそれぞれ延びた光ファイバ
ケーブル３０，３１を囲繞する中空フランジ２４，２５
が設けられている。これら中空フランジ２４，２５を光
ファイバケーブル３０，３１が貫通するが、光ファイバ
ケーブル３０，３１を密閉固定する固定手段であるナッ
ト２６，２７とパッキン２８，２９とが設けられてい
る。

【００２７】次に、これらの構成を詳述する。

【００２８】フィルタ２０は、表面に高分子膜２０ａを
静電塗装方式によりコーティングした焼結金属２０ｂ
（またはセラミックス等）より成形され、ガス透過面積
を増やし、かつ高い油圧に対して強度向上を図るため円
筒型となっている。

【００２９】外筒３２は、フィルタ２０を囲繞して円筒
型に形成され、その下部において油を注入するための導
管を接続するコネクタ座５０が設けられている。

【００３０】上記フィルタ２０と外筒３２との間に油を
満たす採油チャンバ２１を形成すべく、フィルタ２０と
外筒３２には、その両端部において金属製のフランジ２
２，２３が溶接接続されている。これらフランジ２２，
２３はフィルタ２０側から軸方向に沿って外側に貫通し
た円柱状の穴が形成されており、その径はフィルタ２０
側からフランジ２２，２３のほぼ中間部となる所定の位
置までは、円筒型光学ベース４９の外径よりも少し大き
い寸法で形成され、そこより外側へは、さらに大きい寸
法で形成され二段に構成されている。

【００３１】また、片方のフランジ２３には、フィルタ
２０の内側の気相部から上部へ向かって開けられたエア
抜き穴４５が形成され、その上端部においてエア抜き用
のコネクタ座５１が設けられている。これらのコネクタ
座５０，５１にはそれぞれ開閉自在の封止弁（図示せ
ず）が設けられている。

【００３２】光学ベース４９は円筒型に形成され、その
両端面に二本の光ファイバの先端である光ファイバ成端
部３４，３５が予め工場等で機械により光軸調整され溶
接等によって固定されている。円筒型光学ベース４９は
外径を光ファイバケーブル３０，３１の外径よりも大き
くすると共に、フランジ２２，２３の内径よりも少し小
さく形成されているので、光ファイバケーブル３０，３
１の外径はフランジ２２，２３の内径よりも小さくな
り、この完成した光学系をフランジ２２，２３により外
筒３２と一体となったフィルタ２０の内部に挿入するこ
とができる。フランジ２２，２３の内部空間において、
光学ベース４９を囲繞して密閉固定して着脱自在の固定
板３６，３７及びＯリング４７，４８が設けられてい
る。このＯリング４７，４８は、光学ベースの固定と、
フィルタ２０より透過してきたガスが外側へ漏れるのを
防止するために密閉封止を行うことの二つの役目を果た
している。

【００３３】さらに、光学ベース４９にはフィルタ２０
より透過してきたガスをその中心の測定空間４３である
貫通穴４４に通すための穴４６が側面に複数個形成され
ている。そして、貫通穴４４の両端部の光ファイバ成端
部３４，３５の内側には、ガスが光ファイバ成端部３
４，３５から漏れるのを防止するために、測定空間４３
と光ファイバ成端部３４，３５とを気密に仕切る窓部４
１，４２が形成されている。この窓部４１，４２は石英
等により構成されており、光学系の組み立て、調整の前
に予め形成しておく。また、この窓部４１，４２は光の
反射防止のために斜めに形成されている。

【００３４】中空フランジ２４，２５は、上記フランジ
２２，２３の両端にボルト等で固定して設けられ、各光
ファイバ成端部３４，３５から延びた光ファイバケーブ
ル３０，３１が貫通する穴がフランジ２２，２３側から
外側に向かって設けられている。この穴の内径は光ファ
イバケーブル３０，３１よりも太く形成されている。

【００３５】そして、中空フランジ２４，２５の外側端
部には、光ファイバケーブル３０，３１を密閉固定する
ためのナット２６，２７とパッキン２８，２９とが着脱
自在に設けられている。これらナット２６，２７及びパ
ッキン２８，２９には光ファイバケーブル３０，３１が
貫通する穴が設けられており、パッキン２８，２９を中
空フランジ２４，２５の端部とナット２６，２７とで挟
持・固定し、光ファイバ成端部３４，３５と外界を密閉
するように構成されている。

【００３６】なお、図２に示すように、採油チャンバ２
１の側面部には、油注入用のコネクタ座５２，５３がそ
れぞれ設けられ、開閉自在の封止弁（図示せず）が設け
られている。

【００３７】以上の構成から本発明の実施の形態の作用
を、上述の油中溶存ガス検出装置の使用方法に基づい
て、図３から図７により説明する。

【００３８】図３は油中溶存ガス検出装置内に油を充填
する手順を示した図、図４は油中溶存ガス検出装置のＯ
Ｆケーブル絶縁接続箱への取付けの手順を示した図、図
５は図４中、Ａ方向矢視図、図６は従来の装置でのノイ
ズを示すグラフ、図７は本発明の装置でのノイズを示す
グラフである。

【００３９】まず、油中溶存ガス検出装置内に油を充填
する手順を説明する。

【００４０】図３に示すように、油中溶存ガス検出装置
側面のコネクタ座５２に、導管５５を接続し、その先端
に絶縁コネクタ５６を接続する。そして、絶縁コネクタ
５６にコネクタ５７を介して真空ポンプ５８を接続し、
その中間部に開閉自在のバルブ６１を設ける。また、別
のコネクタ座５３に、バルブ６０を介して油圧タンク５
９を接続する。

【００４１】このとき、油中溶存ガス検出装置のコネク
タ座５０，５１は封止弁で密閉して、バルブ６０は閉
じ、バルブ６１は開く。そして、真空ポンプ５８で油中
溶存ガス検出装置内の採油チャンバ２１、配管５５内及
び絶縁コネクタ５６内を真空状態にする。その後、バル
ブ６１を閉じ、真空ポンプ５８を停止し取り外し、バル
ブ６０を開き、油圧タンク５９から油を注入し充満させ
る。

【００４２】なお、配管５５を接続するのは、油が循環
する経路を設け、劣化部で発生したガスが油中溶存ガス
検出装置に到達する時間を短縮するためである。また、
絶縁コネクタ５６は、使用例を絶縁接続箱としたためで
あり、それを必要としない他の電気機器への取付けの際
には、除外されるものである。

【００４３】次に、ＯＦケーブル絶縁接続箱への取付け
に移る。図４及び図５に示すように、コネクタ５７から
バルブ６１にかけての配管を外し、コネクタ５７から油
を溢れさせると共に、絶縁接続箱５４の下口６２を開
き、こちらからも油を溢れさせ、空気の混入のないよう
にコネクタ５７と絶縁接続箱５４の下口６２とを接続す
る。その後、コネクタ座５０に接続したコネクタ６４か
ら油を溢れさせると共に、絶縁接続箱５４の上口６３を
開き、こちらからも油を溢れさせ、空気の混入のないよ
うにコネクタ６４と絶縁接続箱５４の上口６３とを接続
する。そして、バルブ６０を閉じ、油圧タンク５９を取
り外し、コネクタ座５３からバルブ６０にかけての配管
を取り外し、コネクタ座５３を封止弁で閉じ、油中溶存
ガス検出装置の取付けを完了する。

【００４４】取付け完了後、油内にメタンやアセチレン
等のガスが、部分放電や局部加熱等の何等かの原因で発
生した場合、これらのガスが高分子膜２０ａ及び焼結金
属２０ｂからなるフィルタ２０を透過する。このとき、
エア抜き用のコネクタ座５１に真空ポンプを接続して、
気相部を真空引きすると効率的である。そして、フィル
タ２０内の円筒型光学ベース４９の穴４６を通り、内部
の測定空間４３である貫通穴４４にガスが充填される。

【００４５】ここで、光学ベースを従来の半円筒型から
円筒型にしたことと、窓部で円筒型ベースを密閉したこ
とにより、フィルタ２０内の気相体積が従来のものより
小さくなり（約半分）、高分子膜２０ａの油中ガス透過
時定数が小さく、早くガス飽和状態に達することができ
る。よって、早くガスが検出可能となる。ここで、油中
ガス透過時定数の式を式２に示す。

【００４６】 τ（６３％）＝Ｖ／（１０１３２５×Ａ×α）…（２） ここで、Ｖは気相側体積、τは油中ガス透過時定数、α
は油中ガス透過係数、Ａは膜の面積を表す。油中ガス透
過係数αは、ガスの種類によって異なるが、既知の値で
ある。従来の検出装置と本発明の検出装置の比較におい
て、膜の面積が一定であれば、気相側体積Ｖが約半分に
なれば、式２より油中ガス透過時定数τも比例して約半
分になる。

【００４７】検出対象とするガスの吸収線と同じ波長を
持つレーザ光（例えば、アセチレンでは１．５μｍ近
辺）を光ファイバケーブル３０，３１中に伝達させる
と、ガス検出器の気相部で光の減衰が生じる。ガス吸収
線の中心での吸収量と光源の波長をややシフトしたとき
の減衰量の差と吸収線の線幅とからガス濃度と全圧とが
求まる。ここで求めた濃度と全圧とから検出ガスの分圧
が求まる。なお、詳細な測定系を、本発明者提案の特願
平６−２３５４５３号のものを用いてガス濃度とフィル
タ２０内の全圧とを求める。そして、求めた圧力から式
１の式を用いて検出対象ガスの油中ガス濃度を算出でき
る。

【００４８】上記のガス検出作業において、光ファイバ
成端部３４，３５を円筒型光学ベース４９の両端に固定
することによって、光学ベース４９の両端面の平行度や
中心軸に対する直行度を予め工場等で機械加工で出して
おけば、光ファイバ成端部３４，３５を取り付けるだけ
で光軸を容易に調整でき、光の結合効率を２ｄＢ程度
（従来３〜４ｄＢ）におさめることができ、ノイズを抑
制し検出感度が向上する。図６，図７に示すように、従
来のノイズ５ｐｐｍ相当を２ｐｐｍに改善した。

【００４９】また、完成した光学系（光ファイバ成端部
３４，３５，円筒型光学ベース４９）は、採油チャンバ
２１内の円筒型フィルタ２０内に、Ｏリング４７，４８
と固定板３６，３７とからなる着脱自在の保持手段によ
り密閉固定する構成となっているため、組立て作業製が
よく、光学系の組み込み後も容易に光学系を取り外すこ
とができる。

【００５０】さらに、中空フランジを貫通する上記光フ
ァイバケーブル３０，３１をナット２６，２７とパッキ
ン２８，２９とからなる着脱自在の固定手段により密閉
固定するようにしたので、フランジ２２，２３及び中空
フランジ２４，２５を無駄にすることがなく、これらの
フランジ２２，２３及び中空フランジ２４，２５を用い
て、再度新たな光学系の挿入が可能となる。

【００５１】また、ナット２６，２７とパッキン２８，
２９とにより、光ファイバ成端部３４，３５と外界を密
閉するように構成されているので、埃や水から光学系を
保護することができる。

【００５２】なお、本実施の形態では、円筒型光学ベー
ス４９の両側に光ファイバ成端部を設けるようにした
が、図８に示すように、円筒型光学ベース４９の片端
に、往路用及び復路用の二本のファイバを備えた光ファ
イバ成端部３９を固定し、他端には反射板３８を固定す
るようにしてもよい。これにより、光ファイバ引き出し
部が片側だけになるので装着の手間が少なくなる。

【００５３】また、本発明の油中溶存ガス検出装置はＯ
Ｆケーブルのみならず、他の油入り電気機器への取付け
も可能である。

【００５４】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、以下のよ
うな優れた効果を発揮する。

【００５５】（１）容易に光軸調整ができ精度の高い光
学系を提供することができる。

【００５６】（２）光の損失量を約２ｄＢに低減し、油
中ガス検出感度を向上（従来１０ｐｐｍを３ｐｐｍに改
善）させる。

【００５７】（３）光学系の取付けが容易であり、交換
後もフランジを再利用することができる。

【００５８】（４）フィルタ内の気相側体積が小さくな
り、高分子膜の油中ガス透過時定数が小さくなるので、
ガス透過時間を短くでき早くガス飽和状態に達して、早
くガスが検出可能となり、時間の短縮を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した油中溶存ガス検出装置を示す
断面図である。

【図２】図１中、Ａ方向矢視図である。

【図３】油中溶存ガス検出装置内に油を充填する手順を
示した図である。

【図４】油中溶存ガス検出装置のＯＦケーブル絶縁接続
箱への取付けの手順を示した図である。

【図５】図４中、Ａ方向矢視図である。

【図６】従来の装置でのノイズを示すグラフである。

【図７】本発明の装置でのノイズを示すグラフである。

【図８】他の実施の形態を示す断面図である。

【図９】従来の油中溶存ガス検出装置を示す断面図であ
る。

【図１０】改良された従来の油中溶存ガス検出装置を示
す断面図である。

【符号の説明】

２０ 円筒型フィルタ ２１ 採油チャンバ ２２，２３ フランジ ２４，２５ 中空フランジ ２６，２７ ナット（固定手段） ２８，２９ パッキン（固定手段） ３０，３１ 光ファイバケーブル ３２ 外筒 ３６，３７ 固定板（保持手段） ３９，４０ 光ファイバ成端部 ４１，４２ 窓部 ４３ 測定空間 ４７，４８ Ｏリング（保持手段） ４９ 円筒型光学ベース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/61 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 油中に溶存するガスを分離すると共に、
   採取したガスを光ファイバを用いて光学的に検出する油
   中溶存ガス検出装置において、油中よりガスのみを抽出
   する円筒型フィルタと、該フィルタを囲繞して設けられ
   た外筒を有し、該外筒と上記円筒型フィルタの両端部を
   固定するフランジを有する上記フィルタの周りを油で満
   たすための採油チャンバと、上記円筒型フィルタに挿入
   され、両端もしくは片端に光ファイバ成端部が固定さ
   れ、かつ軸方向に円筒型フィルタ内のガスを導入する測
   定空間が形成されると共に、該測定空間と光ファイバ成
   端部とを気密に仕切る窓部を有する円筒型光学ベース
   と、該円筒型光学ベースを上記両フランジに密閉固定す
   る保持手段とを備えたことを特徴とする油中溶存ガス検
   出装置。
2. 【請求項２】 上記フランジの両端に設けられ、上記光
   ファイバ成端部から延びた光ファイバケーブルを囲繞す
   る中空フランジと、その中空フランジを貫通する上記光
   ファイバケーブルを密閉固定する固定手段とを備えた請
   求項１記載の油中溶存ガス検出装置。