JP4616069B2 - Ｓｆ６ガス中の水分濃度検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、ガス絶縁電気機器に用いられている絶縁性ガス中の水分濃度を検出する装置に関するものであり、特に、ＳＦ６ガス絶縁機器のＳＦ６ガス中の水分濃度検出に係るものである。

従来のＳＦ６ガス中の水分量測定器であって電力業界で広く使用されるものの１つとして、センサ部の酸化アルミニウムキャパシタ（インピーダンス素子）中の細孔内に浸透した水分を蒸気圧の変化で検出し、このインピーダンスの変化量を電気量として捉え、水分量に換算するものが示されている（例えば、非特許文献１）。
また、水をイオン化して検出する第１、第２の多孔電極と、この第１、第２の多孔電極間に介在するイオン導電固体電解質からなる電気化学的素子を備え、第１、第２の多孔電極間に直流電圧を印加し、その電流信号によりガス中の水分濃度を測定するものが示されている（例えば、特許文献１）。

電気協同研究第５４巻第３号電力用ＳＦ６ガス取扱基準Ｐ７２第４−９−３表 特開２００２−３５０３９４号公報

しかしながら、前記非特許文献１に示されたものは、インピーダンス素子である酸化アルミニウムキャパシタ中の細孔内に浸透した水分によるインピーダンスの変化を捉えるものであるので、ＳＦ６ガス機器中に吸着性の高い分解ガス成分（ＳＦ４，ＨＦ等）が発生した場合に、この分解ガス成分の影響を強く受ける。例えば、電流遮断、短絡事故等により機器内の分解ガスが発生した場合、機器内の水分濃度が発生しない場合であっても、酸化アルミニウムキャパシタ中の細孔内の浸透した分解ガスによって、インピーダンスが変化するために、機器内の水分濃度が増加したように出力し、正確な測定ができないという問題点を有している。

また、前記特許文献１に示されたものは、陽極表面に吸着した水分子が化学変化により電気分解され、電流として検出されるものであり、電気分解により陽極表面から消失した水分子は、気相と陽極表面の平衡定数により、気相から陽極表面に供給されるが、その水分供給は陽極表面の水分濃度勾配により決まる拡散速度に支配され、電気分解による陽極表面への水分供給速度よりもはるかに速い。従って、測定を繰り返すと陽極表面に吸着している水分子の数が徐々に減少し、結果として検出電流が徐々に低下して機器内の水分濃度を正確に測定できないという問題点を有している。

この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであって、繰り返し測定が可能で分解ガス存在下でもＳＦ６ガス中の水分濃度が測定可能な水分濃度検出装置を提供することを目的としている。

この発明に係るＳＦ６ガス中の水分濃度検出装置は、ＳＦ６ガス絶縁機器内に設置され対向して設けられた多孔性電極と、該多孔性電極間に設けられ、ＳＦ６ガス中の水分濃度と平衡状態にある水素イオン導電性の固体電解質膜と、多孔性電極に交流電圧を印加することにより、ＳＦ６ガス中の水分濃度に対応して変化する電極間電気量を計測する計測手段とを備えたものである。

この発明に係るＳＦ６ガス中の水分濃度検出装置は、対向する多孔性電極間に設けられたＳＦ６ガス中の水分濃度と平衡状態にある水素イオン導電性の固体電解質膜が電極間に印加される交流電圧により、ＳＦ６ガス中の水分濃度に対応して変化する電気量を計測するので、繰り返し測定でも出力変動しない検出が可能となり、また、分解ガスの影響を受けることがなく、機器内の水分を測定でき、さらに分解ガスによって固体電解質膜が損傷を受けることがないという効果がある。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１において、ＳＦ６ガス中の水分濃度検出器１００は、対向して設けられた多孔性電極１間に、この電極１に固着された固体電解質膜２が設けられている。この多孔性電極１と固体電解質膜２とによってインピーダンス素子５０が構成され、ＳＦ６ガス絶縁機器３内に設置される。ＳＦ６ガス絶縁機器３の外部には、交流電源４、電圧計５、分担抵抗６によって構成される計測手段６０が設けられ、リード線７で多孔性電極１に接続されている。

多孔性電極１は、固体電解質膜２の両端に、例えば白金を無電解メッキによって形成されていて、微視的には多孔性である。固体電解質膜２は水素イオン導電性ポリマで構成され、その含水率はＳＦ６ガス中の水分濃度と平衡状態にある。すなわち、ＳＦ６ガス中の水分濃度が高くなると含水率が増大し、逆にＳＦ６ガス中の水分濃度が低くなると含水率が低下する。この固体電解質膜２は、デュポン社の登録商標であるＮａｆｉｏｎで呼ばれるケースが多い。
交流電源４は、例えば５０Ｈｚ、６０Ｈｚの商用電源あるいはそれ以上で１ＫＨｚ程度の交流電源を使用する。この交流電源４から多孔性電極１に交流電圧を印加して固体電解質膜２の交流インピーダンスを測定する。
なお、交流電圧値は、水の電気分解が生じない程度の低電圧（約１０ｍｖ〜約１Ｖ）とする。固体電解質膜２の交流インピーダンスは、ＳＦ６ガス絶縁機器３の外部に設けられた分担抵抗６の両端電圧が電圧計５で計測されることにより算出される。ここで電極１を多孔性としているのは、ＳＦ６ガス中の水分が固体電解質膜２に浸透し易くするためである。

このように構成されたＳＦ６ガス中の水分濃度検出装置の動作原理を説明する。固体電解質膜２はＳＦ６ガス中の水分と平衡状態にあり、その含水率はＳＦ６ガス中の水分濃度と平衡状態にある。一方、固体電解質膜２の交流インピーダンスは含水率に依存して変化する。図２は、ＳＦ６ガス中の水分濃度とインピーダンス素子５０の固体電解質膜２の交流インピーダンスとの関係を示したグラフである。ここで、固体電解質膜としては、２５ｍｍ×２５ｍｍの素子を用い、電源周波数が５０Ｈｚの時の交流インピーダンスを測定した。水分濃度が減少するに従い、交流インピーダンスが単調に増加することがわかる。
この交流インピーダンスの変化を捉えるため、外部に設けた分担抵抗６の両端電圧を電圧計５で測定する。分担抵抗６の電気抵抗は一定であり、固体電解質膜２の交流インピーダンスがＳＦ６ガス機器３内の水分濃度に対応して変化することから、分担抵抗６の両端電圧がＳＦ６ガス中の水分濃度に応じて変化する。図３はこの両端電圧とＳＦ６ガス中の水分濃度との関係を示したグラフである。ＳＦ６ガス中の水分が低下すると、固体電解質膜２の交流インピーダンスが増加するので、分担抵抗６の両端電圧は逆に低下する。一方、ＳＦ６ガス中の水分が増加すると、固体電解質膜２の交流インピーダンスが低下するので、分担抵抗６の両端電圧は逆に増加する。結果として、ＳＦ６ガス中の水分濃度に応じて、分担抵抗６の両端電圧が変化するので、この関係を利用して、ＳＦ６ガス中の水分濃度を測定することができる。図３の縦軸は、分担抵抗６の両端電圧と交流電源４の印加電圧との比をプロットしており、分担抵抗６として１０Ωの抵抗素子を用いている。例えば、ＳＦ６ガス中の水分濃度が１００ｐｐｍの低濃度である場合、固体電解質膜２の交流インピーダンスが大きくなり大部分の交流電圧が固体電解質膜２に分担されるので、縦軸に示す前記比は０．１以下となる。一方、ＳＦ６ガス中の水分濃度が１０００ｐｐｍの高濃度である場合、固体電解質膜２の交流インピーダンスが逆に小さくなり大部分の交流電圧が分担抵抗６に分担されるので、比は０．８以上となる。

以上のように、図１に示した計測手段６０によりインピーダンス素子５０の電極間電気量として、電極両端電圧を測定し、ＳＦ６ガス中の水分と平衡状態にある固体電解質膜２の交流インピーダンスを算出した結果が図２に示されており、この図２の曲線からＳＦ６ガス絶縁機器３のＳＦ６ガス中の水分濃度を知ることが可能である。
ＳＦ６ガス絶縁機器３内の水分濃度測定は、通常定期点検時に行われているが、その水分濃度の管理値は、１例として電流を切らない機器では５００ｐｐｍ、電流を切る機器では１５０ｐｐｍを目途として定められている。
この実施の形態１によるＳＦ６ガス中の水分濃度測定装置１００では、図２において前記所定の管理値１５０〜５００ｐｐｍ付近では、水分濃度に対する固体電解質膜２の交流インピーダンスの変化率が大きい特性を有していることから、ＳＦ６ガス中の水分濃度の増分変化を把握し易いという効果がある。また固体電解質膜２は強酸性膜であり、分解ガス（強酸性）によるダメージがなく、繰り返し使用可能である。

実施の形態２．
実施の形態２を図に基づいて説明する。
図４に示すように、この実施の形態２の計測手段６０ａには前記実施の形態１の計測手段６０に判定手段８を追加して設けたものである。
この判定手段８には、前記したＳＦ６ガス中の水分濃度の所定の管理値に相当する電極間電気量としての所定の電極両端電圧値が定められており、電圧計５によって測定される電圧値が前記所定の管理値を越えている場合に、音声や表示等を行うための信号を出力するものである。
このような判定手段８を設けることにより、定期点検時の保守管理基準が明確となり、かつ点検作業の単純化、効率化がはかれる。

前記計測手段６では、電圧計５と分担抵抗６により電極間電気量として電圧値を測定することを示したが、これに限らず固体電解質膜２の特性に合わせたＣ、Ｒ回路を構成し、所定のＳＦ６ガス中の水分濃度管理値、例えば１５０、５００ｐｐｍに対して共鳴、出力させるようにしてもよい。

またさらに、多孔性電極は固体電解質膜２に白金無電解メッキを施す例を示したが、これに限らず、固体電解質膜２に炭素粉末体を塗布、固着させてもよい。

この発明の実施の形態１、２は、ＳＦ６ガスを絶縁媒体として用いるガス開閉機器（ＧＩＳ、ＧＣＢ）、ガス変圧器のＳＦ６ガス中の水分濃度測定に利用可能である。

この発明の実施の形態１によるＳＦ６ガス中の水分濃度検出装置を示す図である。 この発明の実施の形態１、２による固体電解質膜の特性を示す図である。 この発明の実施の形態１によるＳＦ６ガス中の水分濃度検出装置の出力特性を示す図である。 この発明の実施の形態２によるＳＦ６ガス中の水分濃度検出装置を示す図である。

符号の説明

１ 多孔性電極、２ 固体電解質膜、４ 交流電源、５ 電圧計、８ 判定手段、
６０，６０ａ 計測手段、１００ 水分濃度検出装置。

Claims (5)

1. 対向して設けられた多孔性電極と、該多孔性電極間に設けられＳＦ６ガス中の水分濃度と平衡状態にある水素イオン導電性の固体電解質膜と、前記多孔性電極に交流電圧を印加するとともに、ＳＦ６ガス中の水分濃度に対応して変化する電極間電気量を計測する計測手段とが設けられたことを特徴とするＳＦ６ガス中の水分濃度検出装置。
2. 前記計測手段には判定手段が設けられており、該判定手段は前記電極間電気量が所定値以上の場合に、信号を出力することを特徴とする請求項１に記載のＳＦ６ガス中の水分濃度検出装置。
3. 前記多孔性電極に印加する交流電圧値は、水の電気分解が生じない電圧値とすることを特徴とする請求項１に記載のＳＦ６ガス中の水分濃度検出装置。
4. 前記電極間電気量が電極間電圧値であることを特徴とする請求項１に記載のＳＦ６ガス中の水分濃度検出装置。
5. 前記多孔性電極は、前記固体電解質膜に白金の無電解メッキまたは炭素粉末体が塗布されることによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＳＦ６ガス中の水分濃度検出装置。
   

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