JP5122034B1

JP5122034B1 - 水分濃度検出装置

Info

Publication number: JP5122034B1
Application number: JP2012537623A
Authority: JP
Inventors: 達也矢部; 佳之田村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2032-04-02
Also published as: JPWO2013073213A1

Abstract

ガス室３１と、ガス室３１内で互いに対向した多孔質性の１対の電極１と、電極１間に挟持された固体電解質膜２と、電極１及び固体電解質膜２を覆うとともに表面にひだ状部１７が設けられたケース３と、電極１に交流電圧を印加して電極１間の交流インピーダンスを測定するインピーダンス測定回路４と、電極１間の交流インピーダンスから絶縁ガス中の水分濃度への換算情報を記憶する記憶装置６と、インピーダンス測定回路４から入力された交流インピーダンスの測定値に対し、記憶装置６に記憶された換算情報を参照して、当該交流インピーダンスの測定値から絶縁ガス中の水分濃度を求める演算器５と、を備える水分濃度検出装置を提供する。
【選択図】図１

Description

この発明は、ガス絶縁機器内に充填された絶縁ガス中の水分濃度を検出する水分濃度検出装置に関するものである。

ガス絶縁機器には、例えばＳＦ_６ガス等の絶縁ガスが充填されている。従来の水分濃度検出装置では、水分を感知する水分センサがガス絶縁機器内に設置される。この水分センサは、互いに対向して設けられた多孔質性の電極と、この多孔質性の電極間に設けられＳＦ_６ガス中の水分濃度と平衡状態にある水素イオン伝導性の固体電解質膜とを備えて構成される。この水分濃度検出装置では、多孔質性の電極に交流電圧を印加し、ＳＦ_６ガス中の水分濃度に対応して変化する電極間の交流インピーダンスを計測することにより、ＳＦ_６ガス中の水分濃度を計測している（特許文献１参照）。

特開２００６−３０８５０２号公報

実運用されているガス絶縁機器内では、遮断器の遮断動作によって発生するアーク等により、ＳＦ_６ガスが熱分解され、その分解生成物が発生する。この分解生成物が水分センサの素子の表面又は素子を覆うケース表面に付着し、これらが汚損されると、水分センサ全体の表面抵抗が低下する。

一方、固体電解質膜は、数十ｐｐｍ以下といった低水分濃度の雰囲気では、交流インピーダンスが数ＭΩ以上といった高い値まで達し、水分濃度の検出には微弱な電流の計測が要求される。

そのため、ＳＦ_６ガスの分解生成物により水分センサの表面抵抗が低くなってしまうと、水分センサの表面を流れる漏れ電流の影響が大きくなり、交流インピーダンスの測定誤差が増大し、水分濃度の正確な測定が困難になるという問題があった。

この発明は、上記に鑑みてなされたもので、絶縁ガスの分解生成物による水分センサの表面の汚損の影響を低減させて高精度の水分濃度の測定を可能とするガス絶縁機器の水分濃度検出装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る水分濃度検出装置は、ガス絶縁機器内に充填された絶縁ガス中の水分濃度を検出する水分濃度検出装置であって、前記ガス絶縁機器内からの前記絶縁ガスが導入されるガス室と、このガス室内で互いに対向して配置された多孔質性の１対の電極と、これらの電極間に挟持され固着された固体電解質膜と、前記１対の電極及び前記固体電解質膜を覆うとともに、表面にひだ状部が設けられたケースと、前記１対の電極に交流電圧を印加して前記電極間の交流インピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、前記電極間の交流インピーダンスから前記絶縁ガス中の水分濃度への換算情報を記憶する記憶装置と、前記インピーダンス測定部から入力された前記交流インピーダンスの測定値に対し、前記記憶装置に記憶された前記換算情報を参照して、当該交流インピーダンスの測定値から前記絶縁ガス中の水分濃度を求める水分濃度検出部と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、絶縁ガスの分解生成物による水分センサの表面の汚損の影響を低減させて高精度の水分濃度の測定を可能とするガス絶縁機器の水分濃度検出装置を提供することができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る水分濃度検出装置の構成を示す図である。図２は、記憶装置６の内部構成の一例について示した図である。図３は、絶縁ガス中の水分濃度（ｐｐｍ）と固体電解質膜２の交流インピーダンス（Ω）との関係の一例を示したグラフである。図４は、水分センサ２０の等価回路を示す図である。図５は、実施の形態２に係る水分濃度検出装置の構成を示す図である。

以下に、本発明に係る水分濃度検出装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る水分濃度検出装置の構成を示す図である。図１では、金属容器内に絶縁ガスが充填されたガス絶縁機器８と、このガス絶縁機器８に接続された水分濃度検出装置３０と、ガス絶縁機器８の制御盤１０とが示されている。ここで、絶縁ガスは例えばＳＦ_６ガスである。また、ガス絶縁機器８は、例えば遮断部を有するガス絶縁遮断器である。制御盤１０はガス絶縁機器８の開閉制御等の制御を司る。

水分濃度検出装置３０は、例えば２本の配管５１を介してガス絶縁機器８と接続されている。ガス絶縁機器８内の絶縁ガスは配管５１を通して水分濃度検出装置３０内に導入され、水分濃度測定用のサンプリングガスとして使用される。また、図示例では、配管５１の一方に送風機９が設けられている。この送風機９は、ガス絶縁機器８内から水分濃度検出装置３０内に導入される絶縁ガスを送風させることができる。なお、送風機９は、双方の配管５１に設ける構成でもよい。

水分濃度検出装置３０は、ガス室３１及び信号処理室３２から成る。ガス室３１は、配管５１を介してガス絶縁機器８と接続され、図示しないバルブを開放することにより、ガス絶縁機器８内から絶縁ガスを導入することができる。この際、送風機９を駆動させることにより、ガス室３１内をガス対流環境とすることができる。ガス室３１内には、互いに対向して配置された一対の多孔質性の電極１と電極１間に挟持され固着された固体電解質膜２とから成るインピーダンス素子２５が配置されている。

電極１は、例えば白金に無電解メッキを施すことにより形成され、微視的には多孔質性である。電極１を用いることにより、絶縁ガス中の水分が固体電解質膜２に浸透し易くなる。固体電解質膜２は例えば水素イオン導電性ポリマで構成され、その含水率は絶縁ガス中の水分濃度と平衡状態となる。すなわち、絶縁ガス中の水分濃度が高くなると含水率が増大し、逆に絶縁ガス中の水分濃度が低くなると含水率が低下する。固体電解質膜２としては、例えばデュポン社のナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ（登録商標））を用いることができる。

電極１及び固体電解質膜２は、ケース３（ケース部）に覆われて、ケース３内に収納されている。ケース３は例えば樹脂で形成され、電極１及び固体電解質膜２はこのケース３内に例えば圧着されて埋め込まれている。ケース３には、ガス室３１内の絶縁ガスがケース３内に導かれて電極１及び固体電解質膜２と接触可能なように図示しない開口を有している。また、電極１はケース３と接触している。

ケース３の表面には、ひだ状部１７が設けられている。ひだ状部１７はケース３の表面に例えば一様に設けられており、ケース３の表面積をその表面が平坦である場合に比べて増大させる役割を果たしている。なお、ひだ状部１７の具体的な形状は問わず、一般に凹凸形状であってケース３の表面積を増大させるものであればよい。

本実施の形態の水分センサ２０は、固体電解質膜２と、この固体電解質膜２を挟持する一対の多孔質性の電極１と、電極１及び固体電解質膜２を収納しかつ表面にひだ状部１７が設けられたケース３とを備えて構成される。

信号処理室３２内には、インピーダンス測定回路４、演算器５、記憶装置６、表示器７、及び遮断情報取得部１５が設けられている。

インピーダンス測定回路４（インピーダンス測定部）は、電極１に接続されている。インピーダンス測定回路４は、電極１に交流電圧を印加することにより電極１間の交流インピーダンスを測定する。インピーダンス測定回路４は、交流インピーダンスの測定値を演算器５に出力する。なお、インピーダンス測定回路４は、例えば、電極１に電圧を印加する交流電源（図示せず）、及びこの交流電源により電圧を印加した状態で電極１間に流れる交流電流を検出する分圧抵抗（図示せず）等を備えて構成される。なお、詳細は例えば特許文献１に記載されているので省略する。

遮断情報取得部１５は、制御盤１０と接続されている。制御盤１０は、遮断器が動作する毎に遮断器動作信号を遮断情報取得部１５に出力する。遮断情報取得部１５は、遮断器動作信号を受けるたびに、遮断器動作回数を累計し、その結果を記憶装置６に記録する。すなわち、遮断情報取得部１５は、制御盤１０からの遮断器動作信号に基づいて、累計遮断器動作回数を更新してその結果を記憶装置６に記録している。遮断器の遮断動作により、アーク電流が発生し、このアーク電流により絶縁ガスが分解されてその分解生成物が生成される。一般に、累計遮断器動作回数が多いほど分解生成物の生成量が多くなり、水分センサ２０の表面の汚損に影響を及ぼす。

記憶装置６は、遮断情報取得部１５と演算器５にそれぞれ接続されている。図２は、記憶装置６の内部構成の一例について示した図である。図２に示すように、記憶装置６は、遮断器動作回数記憶部６ａ、アーク電流値記憶部６ｂ、インピーダンス補正情報記憶部６ｃ、及び換算情報記憶部６ｄを備えている。

遮断器動作回数記憶部６ａは、遮断情報取得部１５から出力された累計遮断器動作回数についての情報（累計遮断器動作回数情報）を記憶する。

アーク電流値記憶部６ｂは、遮断器の動作時に発生するアークの電流値についての情報（アーク電流値情報）を記憶している。なお、アーク電流値を実際に計測するのは困難であるので、アーク電流値記憶部６ｂに記憶されているアーク電流値情報は例えばガス絶縁遮断器の定格電圧に応じて予測される電流値に設定される。このアーク電流値情報は、例えば制御盤１０から出力された情報が遮断情報取得部１５を介してアーク電流値記憶部６ｂに記憶されたものであってもよいし、これとは別に予めアーク電流値記憶部６ｂに記憶したものであってもよい。一般に、アーク電流値が大きいほど分解生成物の生成量が多くなり、水分センサ２０の表面の汚損に影響を及ぼす。

インピーダンス補正情報記憶部６ｃは、インピーダンス測定回路４の出力する交流インピーダンスの測定値を累計遮断器動作回数及びアーク電流値に応じて補正するためのインピーダンス補正情報を記憶している。インピーダンス補正情報は、例えば累計遮断器動作回数及びアーク電流値に応じて交流インピーダンスの測定値を補正する補正係数を与える補正曲線又は補正式に関する情報である。なお、水分センサ２０を用いた交流インピーダンスの測定では、水分センサ２０の表面が絶縁ガスの分解生成物により汚損され、水分センサ２０の表面抵抗が低下すると、交流インピーダンスの測定値には汚損による誤差が含まれる可能性がある。そのため、インピーダンス補正情報記憶部６ｃでは、水分センサ２０の表面の汚損による交流インピーダンスの測定値を補正できるように、例えば実際の測定等に基づいて作成されたインピーダンス補正情報が予め保存されている。

換算情報記憶部６ｄは、交流インピーダンスから絶縁ガス中の水分濃度を求めるための換算情報を記憶している。絶縁ガスの温度が一定の条件下では、絶縁ガス中の水分濃度と固体電解質膜２の交流インピーダンスとの間には、例えば図３に示すような関係が存在する（特許文献１参照）。図３は、温度がある一定値の場合において、絶縁ガス中の水分濃度（ｐｐｍ）と固体電解質膜２の交流インピーダンス（Ω）との関係を示したグラフであり、測定結果に基づいて作成されたものである。なお、ここでは一例として電源周波数が５０Ｈｚの場合の結果を示している。このように換算情報は、交流インピーダンスと水分濃度とを対応付けたデータであって、例えば図３に示すような交流インピーダンス−水分濃度曲線データである。

演算器５（水分濃度検出部）は、インピーダンス測定回路４から出力された交流インピーダンスの測定値をもとに、絶縁ガス中の水分濃度を算出する。具体的には、演算器５は次のような処理を行う。まず、演算器５は、インピーダンス測定回路４から交流インピーダンスの測定値が入力されると、遮断器動作回数記憶部６ａ及びアーク電流値記憶部６ｂをそれぞれ参照して累計遮断器動作回数及びアーク電流値に関する情報を取得する。続いて、演算器５は、インピーダンス補正情報記憶部６ｃを参照して当該累計遮断器動作回数及びアーク電流値に対応するインピーダンス補正情報を取得し、当該インピーダンス補正情報を用いて交流インピーダンスの測定値を補正する。そして、演算器５は、換算情報記憶部６ｄの換算情報を参照し、補正された交流インピーダンスの測定値に対して当該換算情報を適用することにより、補正された交流インピーダンスの測定値から水分濃度への換算を行い、これにより絶縁ガス中の水分濃度を求める。

表示器７は、演算器５の出力、具体的には絶縁ガス中の水分濃度を表示することができる。なお、水分濃度検出装置３０は、その他、当該装置を制御等するための入力部等も備えているが図示は省略している。

次に、本実施の形態の動作について説明する。水分濃度の測定開始時には、ガス絶縁機器８内の絶縁ガスを、配管５１を介してガス室３１内に流入させる。この際、送風機９を駆動して絶縁ガスを送風させることができる。ガス室３１内に絶縁ガスが導入されると、固体電解質膜２に含有される水分量は、時間経過と共にガス絶縁機器８内の絶縁ガスに含まれる水分量と平衡状態になる。ここで電極１の両側に外部から交流電圧を加えると、固体電解質膜２の水分濃度に応じた交流インピーダンスがインピーダンス測定回路４で測定される。

一方、ガス絶縁機器８の遮断部が動作するたびに現地の制御盤１０からは遮断器動作信号が出力され、遮断情報取得部１５はこの遮断器動作信号を検出し、記憶装置６にガス絶縁機器８を設置してからの遮断器動作回数の累計を記録する。

次に、演算器５は、インピーダンス測定回路４で測定された交流インピーダンス値を記憶装置６に記録された累計遮断器動作回数及びアーク電流値に応じて同じく記憶装置６に記憶されたインピーダンス補正情報をもとに補正処理し、この補正された交流インピーダンス値を記憶装置６に記憶された換算情報により水分濃度へ換算する処理を行う。演算器５は、得られた水分濃度を表示器７にて表示させる。

次に、図４を参照して、水分センサ２０の等価回路について説明する。図４は、水分センサ２０の等価回路を示す図である。一対の多孔質性の電極１の一方は、抵抗値Ｒ_１の抵抗と容量Ｃ_１のコンデンサとの並列回路によって表すことができる。また、一対の多孔質性の電極１の他方は、抵抗値Ｒ_３の抵抗と容量Ｃ_３のコンデンサとの並列回路によって表すことができる。同様に、固体電解質膜２は、抵抗値Ｒ_２の抵抗と容量Ｃ_２のコンデンサとの並列回路によって表すことができる。

固体電解質膜２の抵抗値Ｒ_２及び容量Ｃ_２は、固体電解質膜２が含有する水分濃度によって変化するため、インピーダンス測定回路４は、一方の多孔質性の電極１（Ｒ_１，Ｃ_１）と他方の多孔質性の電極１（Ｒ_３，Ｃ_３）とこれらの間に挟まれた固体電解質膜２（Ｒ_２，Ｃ_２）とから成る直列回路に流れる電流を測定することで、直列回路全体の合成インピーダンスを測定することができる。

一方で、固体電解質膜２の含有水分量が低くなってくると、この合成インピーダンスは数ＭΩという大きな値まで達し、水分濃度の検出には微小な電流を測定する必要が出てくる。その場合、ケース３などの表面抵抗Ｒ_４を通して流れる漏れ電流の影響が大きくなるため、表面抵抗Ｒ_４が小さいほど水分濃度の測定誤差が大きくなる。

また、表面抵抗Ｒ_４はケース３の表面が汚損されることによって低下する。ガス絶縁機器８の遮断部が動作した際に発生するアークによってＳＦ_６ガスが熱分解されると、ＳＦ_４，Ｓ_２Ｆ_２等のフッ化硫黄ガス、あるいは、微粉状の金属フッ化物といった分解生成物が発生する。分解生成物の発生量は、アーク電流の大きさに伴って増加する。これらの中でも、金属フッ化物がケース３に付着しケース３が汚損されると、表面抵抗Ｒ_４の低下が生じる。また、ケース３の汚損の程度は累計遮断器動作回数に応じて増大することが予測される。

そこで、本実施の形態では、ケース３にひだ状部１７を設けることで、ケース３の表面積を広くし、ケース３の汚損時にもケース３が大きな表面抵抗を確保可能な構造としている。これにより、漏れ電流の影響を抑制して、上記合成インピーダンスを精度良く測定することができる。

このように、本実施の形態では、ケース３にひだ状部１７を設けるようにしたので、絶縁ガスの分解生成物により水分センサ２０の表面が汚損されたとしても、漏れ電流の影響を抑制することができる。そのため、本実施の形態によれば、交流インピーダンスを精度良く測定して、絶縁ガス中の水分濃度を高精度で求めることができる。

また、本実施の形態では、インピーダンス測定回路４で測定された交流インピーダンスの測定値を累計遮断器動作回数とアーク電流値に応じて補正することで表面抵抗Ｒ_４の低下分の補正を行うようにしているので、水分濃度の測定値の精度がより一層高くなるという効果がある。つまり、本実施の形態では、ケース３にひだ状部１７を設けることにより、ケース３の表面の汚損に起因する誤差を構造的に抑制しつつ、さらに累計遮断器動作回数及びアーク電流値に応じて交流インピーダンスの測定値を補正することにより誤差を排除している。

なお、水分濃度検出装置３０において、ケース３にひだ状部１７を設ける一方で、累計遮断器動作回数及びアーク電流値に応じて交流インピーダンスを補正する処理を省略する構成も可能である（即ち、遮断情報取得部１５、遮断器動作回数記憶部６ａ、及びアーク電流値記憶部６ｂを省略する。）。この場合でも、ケース３にひだ状部１７を設けることによりケース３の表面の汚損に起因する誤差を抑制することができるので、絶縁ガス中の水分濃度の高精度な測定が可能となる。

また、水分濃度検出装置３０において、累計遮断器動作回数及びアーク電流値に応じて交流インピーダンスを補正する処理を行う一方で、ケース３にひだ状部１７を設けない構成も可能である。この場合でも、累計遮断器動作回数及びアーク電流値に応じて交流インピーダンスの測定値を補正することにより誤差を排除することができるので、絶縁ガス中の水分濃度の高精度な測定が可能となる。

また、本実施の形態では、配管５１に送風機９を設けるようにしたので、送風機９により配管５１内の絶縁ガスを送風することができ、水分センサ２０周辺をガス対流環境とすることができる。このように、絶縁ガスを送風させることで、静止したガス雰囲気中で水分濃度を測定する場合に比べて、水分濃度の測定時間を短くすることができる。すなわち、ガス室３１内をガス対流環境とすることにより、固体電解質膜２の水分濃度とガス絶縁機器８内の絶縁ガス中の水分濃度とが平衡に達するまでの時間が短くなり、インピーダンス素子２５の応答性を早めて水分濃度の測定時間を短縮化することができる。

実施の形態２．
図５は、本実施の形態に係る水分濃度検出装置の構成を示す図である。図５に示すように、本実施の形態では、電極１に温度センサ１１が設けられており、この温度センサ１１は水分センサ２０の温度を測定することができる。また、信号処理室３２内には、温度センサ１１と接続された温度測定回路１２（温度測定部）が設けられている。温度測定回路１２は、温度センサ１１からの出力に応じた温度を演算器５に出力する。

ここで、固体電解質膜２の温度特性について説明する。固体電解質膜２の交流インピーダンスは含有水分量によって変化するが、この変化量は固体電解質膜２の温度に依存する特性を持つ。この温度特性は非線形な特性となるため、水分濃度の検出の際には温度特性についての補正処理が必要となるが、この補正処理には非線形方程式を用いたり、特殊なテーブルを参照したりする必要があった。

そこで、本実施の形態では、温度センサ１１により水分センサ２０の温度（すなわち、固体電解質膜２の温度）を測定し、温度測定回路１２の出力が予め設定された特定の温度範囲内にある場合にのみ演算器５によって水分濃度の検出を行うようにする。すなわち、演算器５は、温度測定回路１２により出力された温度が特定の温度範囲内にある場合にのみ絶縁ガス中の水分濃度を求め、それ以外の場合には水分濃度を求める処理を行わない。これにより、非線形方程式又は特殊なテーブル等を用いることなく、温度特性の影響による水分濃度の測定誤差を低減することができる。

本発明は、ガス絶縁機器内に充填された絶縁ガス中の水分濃度を検出する水分濃度検出装置に適している。

１電極
２固体電解質膜
３ケース
４インピーダンス測定回路
５演算器
６記憶装置
６ａ遮断器動作回数記憶部
６ｂアーク電流値記憶部
６ｃインピーダンス補正情報記憶部
６ｄ換算情報記憶部
７表示器
８ガス絶縁機器
９送風機
１０制御盤
１１温度センサ
１２温度測定回路
１５遮断情報取得部
１７ひだ状部
２０水分センサ
２５インピーダンス素子
３０水分濃度検出装置
３１ガス室
３２信号処理室
５１配管

Claims

ガス絶縁機器内に充填された絶縁ガス中の水分濃度を検出する水分濃度検出装置であって、
前記ガス絶縁機器内からの前記絶縁ガスが導入されるガス室と、
このガス室内で互いに対向して配置された多孔質性の１対の電極と、
これらの電極間に挟持され固着された固体電解質膜と、
前記１対の電極及び前記固体電解質膜を覆うとともに、表面にひだ状部が設けられたケースと、
前記１対の電極に交流電圧を印加して前記電極間の交流インピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、
前記電極間の交流インピーダンスから前記絶縁ガス中の水分濃度への換算情報を記憶する記憶装置と、
前記インピーダンス測定部から入力された前記交流インピーダンスの測定値に対し、前記記憶装置に記憶された前記換算情報を参照して、当該交流インピーダンスの測定値から前記絶縁ガス中の水分濃度を求める水分濃度検出部と、
を備えることを特徴とする水分濃度検出装置。
前記ガス絶縁機器はガス絶縁遮断器であって、
前記記憶装置は、前記換算情報に加えて、前記ガス絶縁遮断器の動作時に発生するアークの電流値についてのアーク電流値情報と、前記ガス絶縁遮断器の累積動作回数についての累計遮断器動作回数情報と、前記アーク電流値情報及び前記累計遮断器動作回数情報に応じて前記電極間の交流インピーダンスの測定値を補正するためのインピーダンス補正情報を記憶し、
前記水分濃度検出部は、前記インピーダンス測定部から前記交流インピーダンスの測定値が入力されると、前記記憶装置を参照して前記アーク電流値情報及び前記累計遮断器動作回数情報を取得し、当該アーク電流値情報及び累計遮断器動作回数情報に応じたインピーダンス補正情報を前記記憶装置から取得した後、当該インピーダンス補正情報を用いて当該交流インピーダンスの測定値を補正し、この補正された交流インピーダンスの測定値に対し、前記記憶装置に記憶された前記換算情報を参照して、当該補正された交流インピーダンスの測定値から前記絶縁ガス中の水分濃度を求めることを特徴とする請求項１に記載の水分濃度検出装置。
前記ガス絶縁機器と前記ガス室とが２本の配管で接続され、
少なくとも一方の配管には当該配管内の前記絶縁ガスを送風させる送風機が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水分濃度検出装置。
前記固体電解質膜の温度を測定可能な温度センサが設けられ、
前記水分濃度検出部は、前記温度センサにより検出された温度が特定の温度範囲内にある場合にのみ前記絶縁ガス中の水分濃度を求めることを特徴とする請求項１に記載の水分濃度検出装置。