JP5214067B2 - 水分濃度検出装置 - Google Patents

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ＳＦ_６ガス中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ている。この水分センサは、互いに対向して設けられた多孔質性電極と、該多孔質性電極間に設けられ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および非特許文献１参照）。

特開２００６−３０８５０２号公報

「固体電解質膜を用いたＳＦ６ガス中水分濃度検出」 平成１７年電気学会全国大会 ３−１７１

上述したように、水分濃度検出装置では、多孔質性電極に交流電圧を印加しているため、商用電源の周波数である５０Ｈｚや６０Ｈｚの周波数成分や、これらの高調波となる周波数成分の影響を受けて、水分濃度の測定精度が低下してしまう場合があった。

この発明は、上記に鑑みてなされたもので、商用電源の周波数成分や、これらの高調波となる周波数成分の影響を抑えて、高精度な水分濃度の測定を可能とする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、絶縁ガス中で互いに対向して配置された多孔質性の電極と、これらの電極間に挟持され固着された水素イオン導電性の固体電解質膜と、電極に３２５Ｈｚの周波数または１０Ｈｚ以下の周波数で交流電圧を印加する電圧印加部と、交流電圧が印加された状態で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手段と、インピーダンス測定手段により測定された交流インピーダンスに基づいて絶縁ガス中の水分濃度を検出す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、電極に３２５Ｈｚの周波数または１０Ｈｚ以下の周波数で交流電圧を印加することで、商用電源の周波数成分や、高調波となる周波数成分の影響を抑えて、高精度な水分濃度の測定が可能となるという効果を奏する。

また、電圧印加部から印加させる交流電圧の周波数を使用地域や使用国ごとに異ならせずに済むため、使用部品や製品の共通化を図ることができ、水分濃度検出装置の製造コストの抑制を図ることができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る水分濃度検出装置の構成図である。 図２は、ＳＦ_６ガス中の水分濃度と交流インピーダンスとの関係を示す図である。 図３は、ＳＦ_６ガス中の水分濃度と出力電圧との関係をリニアスケールで示す図である。 図４は、ＳＦ_６ガス中の水分濃度と、ログアンプで対数変換された出力電圧との関係を示す図である。 図５は、実施の形態２に係る水分濃度検出装置の構成図である。 図６は、特定の水分環境下における温度と交流インピーダンスの測定結果を示すグラフである。 図７は、試験で測定した温度−インピーダンスと水分濃度との関係を示すグラフである。 図８は、温度と交流インピーダンスに対して水分濃度を対応させたマトリックスの一例を示す図である。 図９は、実施の形態３に係る水分濃度検出装置の構成図である。 図１０は、絶縁ガス中の水分濃度と固体電解質膜の交流インピーダンスとの関係の一例を示したグラフである。 図１１は、インピーダンス素子のインピーダンスの時間変化の例を示した図である。 図１２は、インピーダンス時間変化曲線上において時刻ｔでのインピーダンス値の例を示した図である。 図１３は、インピーダンス時間変化曲線上において所定の初期期間内におけるインピーダンス値の傾きの例を示した図である。 図１４は、異なる温度についてインピーダンス素子のインピーダンスの時間変化の例を示した図である。

以下に、本発明の実施の形態にかかる水分濃度検出装置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、本発明の実施の形態１に係る水分濃度検出装置の構成図である。図１に示すように、ＳＦ_６ガス中の水分濃度を検出する水分濃度検出装置１００は、インピーダンス素子５０、交流電源４、分圧抵抗５、アンプ６、フィルタ３、ログアンプ７、マイコン（水分濃度検出部）１１、Ｖ−Ｉ変換回路１２を備える。

インピーダンス素子５０は、多孔質電極１と固体電解質膜２とを有して構成される。具体的には、対向して設けられた多孔質電極１間に、固体電解質膜２が設けられている。また固体電解質膜２は、多孔質電極１に対して固着されている。

インピーダンス素子５０は、ＳＦ_６ガスが充填されたガス絶縁機器１３内に設置される。ガス絶縁機器１３の外部には、交流電源４、分圧抵抗５、アンプ６、が設けられ、リード線で多孔質電極１に接続されている。

多孔質電極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、微視的には多孔質性である。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ＳＦ_６ガス中の水分濃度と平衡状態にある。すなわち、ＳＦ_６ガス中の水分濃度が高くなると含水率が増大し、ＳＦ_６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。

交流電源４（電圧印加部）は、発信回路を備えており、入力された直流電源から、３２５Ｈｚの周波数の交流電圧に変換し、多孔質電極１に交流電圧を印加する。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、アンプ６によって計測される分圧抵抗５の両端電圧から算出される。ここで、多孔質電極１を多孔質性としているのは、ＳＦ_６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ＳＦ_６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ＳＦ_６ガス中の水分と平衡状態にあり、その含水率はＳＦ_６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、ＳＦ_６ガス中の水分濃度と交流インピーダンスとの関係を示す図である。図２に示すように、ＳＦ_６ガス中の水分濃度が増加するにしたがって交流インピーダンスが単調に減少し、ＳＦ_６ガス中の水分濃度が減少するにしたがって交流インピーダンスが単調に増加する。

ここで、外部に設けた分圧抵抗５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ガス絶縁機器１３内の水分濃度に対応して変化することから、分圧抵抗５の両端電圧がＳＦ_６ガス中の水分濃度に応じて変化する。そこで、交流インピーダンスの変化を捉えるため、分圧抵抗５の両端電圧をアンプ６で増幅して出力する。このように、分圧抵抗５とアンプ６がインピーダンス測定手段として機能する。

アンプ６から出力された交流電圧をフィルタ３に通過させる。フィルタ３は、５０Ｈｚおよび６０Ｈｚが含まれる所定の周波数、例えば３００Ｈｚ以下の周波数成分の通過を抑制するハイパスフィルタである。このようなハイパスフィルタを用いれば、交流電源４から印加させる交流電圧の周波数である３２５Ｈｚの周波数成分を通過させつつ、不要な周波数成分の通過を抑制することができる。フィルタ３を通過した交流電圧は、ログアンプ７に入力される。

ログアンプ７では、入力された交流電圧が対数変換されて、マイコン１１の入力範囲に合った直流電圧に変換される。マイコン１１は、水分量に応じた電圧信号をＤ／Ａ変換端子から出力する。Ｖ−Ｉ変換回路１２では、マイコン１１から出力された電圧信号を４〜１２ｍＡの電流に変換し、図示しない情報収集装置に送信する。電流信号として送信することで、情報収集装置を遠方に配置した場合でも、より確実に信号を送信可能となる。

図３は、ＳＦ_６ガス中の水分濃度と出力電圧との関係をリニアスケールで示す図である。分圧抵抗５における電圧と、交流インピーダンスとの間には反比例の関係があるので、ＳＦ_６ガス中の水分濃度と出力電圧との関係は図３に示すようになる。

このように、ＳＦ_６ガス中の水分濃度と出力電圧との間にも、ＳＦ_６ガス中の水分濃度が増加するにしたがって、出力電圧が単調増加するという関係がある。しかしながら、その増加が指数関数的増加であり、図２および図３で示すように、交流インピーダンスや出力電圧の桁数が水分濃度に応じて約７桁変化している。そのため、図３に示す例であれば、１０００ｐｐｍ以下の水分濃度で分解能が不足して、水分濃度を正確に判別することが困難となる。

そこで、本実施の形態１では、ログアンプ７を用いている。交流インピーダンスや出力電圧の桁数が約７桁変化しているので、ログアンプ７の入力範囲は１４０ｄＢ以上のものを用いることが好ましい。

図４は、ＳＦ_６ガス中の水分濃度と、ログアンプ７で対数変換された出力電圧との関係を示す図である。ログアンプ７によって、入力された交流電圧が対数変換されることで、図４に示すように、１０００ｐｐｍ以下の水分濃度でも十分な分解能を得ることができる。そのため、広い範囲の水分濃度で、より高精度に水分濃度の測定ができるようになる。

また、交流電源４から印加させる交流電圧の周波数を３２５Ｈｚとすることで、商用電源の周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである場合に、これらの周波数成分の影響により水分濃度の測定精度が低下するのを抑えることができる。

また、交流電圧の周波数を３２５Ｈｚとすることで、５０Ｈｚと６０Ｈｚの最小公倍数である３００Ｈｚと、３００Ｈｚを超えた最小の高調波である３５０Ｈｚとの間に２５Ｈｚ分の差を設けることができる。したがって、５０Ｈｚと６０Ｈｚの高調波となる周波数成分の影響を抑えることができる。高調波となる周波数成分の影響を抑えることで、より高精度に水分濃度の測定をすることができる。

また、６０Ｈｚ以上の周波数であって、高調波との間に２５Ｈｚの差を設けることのできる最小の周波数が３２５Ｈｚとなる。このように、より低い周波数を選択することで、固体電解質膜２のコンデンサ成分によるインピーダンスもほとんど影響を受けずに測定を行うことができる。そのため、より一層高精度な水分濃度測定が可能となる。

なお、交流電源４から印加させる交流電圧の周波数を選択する上で、商用電源の周波数を５０Ｈｚまたは６０Ｈｚとして仮定している。これは、商用電源の周波数が一般的に５０Ｈｚまたは６０Ｈｚであることが多いことを考慮したものである。

例えば、日本国内では地域によって商用電源の周波数が５０Ｈｚであったり、６０Ｈｚであったりする。本実施の形態１のように、交流電源４から印加させる交流電圧の周波数を３２５Ｈｚとすることで、周波数の異なる地域であっても、商用電源の周波数成分の影響を抑えた高精度の水分濃度測定が可能となる。

また、国によっても商用電源の周波数が異なり、その周波数は５０Ｈｚであったり、６０Ｈｚであったりする。この場合も、交流電源４から印加させる交流電圧の周波数を３２５Ｈｚとすることで、商用電源の周波数が５０Ｈｚの国で水分濃度検出装置１００を用いた場合も、商用電源の周波数が６０Ｈｚの国で水分濃度検出装置１００を用いた場合も、商用電源の周波数成分の影響を抑えた高精度の水分濃度測定が可能となる。

したがって、交流電源４から印加させる交流電圧の周波数を使用地域や使用国ごとに異ならせずに済むため、使用部品や製品の共通化を図ることができ、水分濃度検出装置１００の製造コストの抑制を図ることができる。

なお、交流電源４から印加させる交流電圧の周波数を、５０Ｈｚよりも低い１０Ｈｚ以下としてもよい。１０Ｈｚ以下の周波数を選択することで、５０Ｈｚおよび６０Ｈｚの周波数との差を十分に確保することができるため、より高精度に水分濃度の測定をすることができる。この場合、フィルタ３は、例えば４０Ｈｚ以上の周波数成分の通過を抑制するローパスフィルタを用いることができる。

また、アンプ６の増幅度を切り替えることにより、１４０ｄＢよりも入力範囲の狭いログアンプを用いても構わない。

実施の形態２．
実運用されているガス絶縁機器の水分濃度は一般に数十ｐｐｍ〜数百ｐｐｍであり、水分濃度が数十ｐｐｍまで下がると、水分濃度低下に伴い上記固体電解質膜の交流インピーダンスは十オーム程度から指数関数的に増加し１メガオーム以上にも達する（特許文献１参照）。

また、屋外に設置されるガス絶縁機器内部は温度が一般に数十℃も変化する。固体電解質膜（例えばデュポン社のナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）））の含水率は温度特性を持ち、温度が高いほど含水率が高くなることによりインピーダンスが下がることが知られている（非特許文献１参照）。ところが、この固体電解質膜については、ある水分濃度より低くなると逆に温度が高いほどインピーダンスが上がるという傾向が発見された。

しかしながら、従来のＳＦ_６ガスの水分濃度検出装置では、固体電解質膜の有する温度特性が考慮されておらず、水分濃度の測定結果に温度依存性を無視したことによる誤差が含まれるという問題があった。

以下、本実施の形態では、水分濃度の検出の際に固体電解質膜の有する温度特性を考慮することにより、水分濃度の測定誤差を小さくすることができる水分濃度測定装置について説明する。

図５は、本実施の形態に係る水分濃度検出装置の構成図である。図５に示すように、互いに対向して配置された多孔質性の多孔質電極１間には、この多孔質電極１に固着された固体電解質膜２が挟持されている。対向する多孔質電極１の例えば一方には、温度センサ３３が取り付けられている。温度センサ３３は、例えばＰｔ１００（白金抵抗体）などの測温抵抗体を備えて構成される。

多孔質電極１、固体電解質膜２、及び温度センサ３３は、ガス絶縁機器１３内に配置されている。ガス絶縁機器１３には、筒状の金属容器内に図示しない高電圧導体が収納され、例えばＳＦ_６ガス等の絶縁ガスが充填されている。

多孔質電極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。多孔質電極１を多孔質性とすることにより、ＳＦ_６ガス中の水分が固体電解質膜２に浸透し易くしている。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ＳＦ_６ガス中の水分濃度と平衡状態にある。即ち、ＳＦ_６ガス中の水分濃度が高くなると含水率が増大し、逆にＳＦ_６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、例えばデュポン社のナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ（登録商標））とすることができる。多孔質電極１と固体電解質膜２とによってインピーダンス素子が構成される。また、温度センサ３３は、多孔質電極１に取り付けられているので、固体電解質膜２近傍のガス温度を測定することができる。なお、温度センサの設置位置は図示例に限定されず、固体電解質膜２近傍であればよい。

ガス絶縁機器１３の外部には、多孔質電極１に電圧を印加する交流電源４、固体電解質膜２に流れる交流電流を検出する分圧抵抗５、分圧抵抗５にかかる交流電圧を検出し増幅するアンプ（増幅器）６、アンプ６の出力を対数変換すると共に交流電圧を直流電圧に変換するログアンプ（ログ増幅器）７が設けられている。交流電源４、分圧抵抗５、アンプ６及びログアンプ７は、多孔質電極１に交流電圧を印加することにより多孔質電極１間の交流インピーダンス（即ち、固体電解質膜２の交流インピーダンス）を測定するインピーダンス測定手段を構成する。

また、ガス絶縁機器１３の外部には、温度センサ３３に電圧を印加する直流電源８、温度センサ３３に流れる電流を検出する分圧抵抗９、分圧抵抗９にかかる電圧を検出し増幅するアンプ１０が設けられている。温度センサ３３、直流電源８、分圧抵抗９、及びアンプ１０は、固体電解質膜２の近傍の絶縁ガスの温度を計測する温度計測手段を構成する。

更に、ガス絶縁機器１３の外部には、ログアンプ７及びアンプ１０と接続されたマイコン（マイクロコンピュータ）１１、及びマイコン１１と接続されたＶ−Ｉ変換回路１２が設けられている。マイコン１１はＡ／Ｄ及びＤ／Ａ変換端子を備え、ログアンプ７及びアンプ１０の各出力を入力としてＳＦ_６ガス中の水分濃度を求め、この水分濃度に応じたアナログ電圧を出力する。マイコン１１は水分濃度検出部を構成する。Ｖ−Ｉ変換回路１２は、マイコン１１の出力電圧を電流に変換する。即ち、Ｖ−Ｉ変換回路１２では、水分濃度の測定結果を遠方へ送信できるように電圧信号から電流信号へと変換される。

次に、本実施の形態の動作について説明する。まず、固体電解質膜２の水分量はガス絶縁機器１３内のＳＦ_６ガスに含まれる水分と平衡状態にある。また、固体電解質膜２の交流インピーダンスは温度と水分量に依存して変化する。

固体電解質膜２の交流インピーダンスは、交流電源４にて生じる電圧と分圧抵抗５にかかる電圧より求めることができる。即ち、固体電解質膜２の交流インピーダンスはＳＦ_６ガス中の水分濃度に応じて変化し、分圧抵抗５の両端電圧もＳＦ_６ガス中の水分濃度に応じて変化するので、分圧抵抗５の両端電圧を検出することにより、固体電解質膜２の交流インピーダンスを求めることができる。分圧抵抗５にかかる電圧はアンプ６にて増幅され、ログアンプ７にて対数変換され、マイコン１１の入力範囲に合った直流電圧に変換される。

一方、温度は直流電源８にて生じる電圧と分圧抵抗９にかかる電圧より求めることができる。分圧抵抗９にかかる電圧はアンプ１０にて増幅され、マイコン１１の入力範囲に合った直流電圧に変換される。

固体電解質膜２の温度特性は水分量が多い場合は、一般的に知られるナフィオンの挙動や非特許文献１に記載のあるように温度が高くなるほど交流インピーダンスが下がるという特性を示す。一方、水分量が少ない場合は図６に示すように温度が高くなるほど交流インピーダンスが上がるという特性を示す。ここで、図６は、特定の水分環境下における温度と交流インピーダンスの測定結果を示すグラフである。

図７は、試験で測定した温度−インピーダンスと水分濃度との関係を示すグラフである。図７では、横軸は温度（℃）、縦軸はインピーダンス（Ω）であり、５つの異なる曲線は、水分濃度が１００（ｐｐｍ）、３００（ｐｐｍ）、１０００（ｐｐｍ）、３０００（ｐｐｍ）、１００００（ｐｐｍ）の場合を表している。マイコン１１には、予め試験で測定した、温度情報とインピーダンス情報より水分濃度を得るマトリックスを記憶させおく。図８は、温度とインピーダンスに対して水分濃度を対応させたマトリックスの一例を示す図である。図８は、図７のグラフを離散化したものに相当し、離散化されたインピーダンスと温度とに対して水分濃度が与えられている。３０００（ｐｐｍ）より低い水分濃度に対しては、温度の上昇とともにインピーダンスも増大する。３０００（ｐｐｍ）より高い水分濃度に対しては、温度の上昇とともにインピーダンスは減少する。マイコン１１は、測定に基づいて作成された図８のようなマトリックスのデータを予め自身の記憶部に保持している。マイコン１１は、ログアンプ７及びアンプ１０からインピーダンス情報及び温度情報が得られると、マトリックスデータを参照して、得られた温度情報とインピーダンス情報より水分濃度を検出することができる。

マイコン１１は、検出した水分濃度に応じた電圧信号をＤ／Ａ変換端子より出力する。Ｖ−Ｉ変換回路１２では、マイコン１１から出力された電圧信号を例えば４〜２０ｍＡの電流に変換し、遠方の情報収集装置（図示せず）に送る。

このように、本実施の形態では、固体電解質膜２の交流インピーダンスと固体電解質膜２近傍のガス温度を測定することにより、水分濃度を検出するとしたものである。その際に、例えば、交流インピーダンス測定結果と温度測定結果を基に予め求めておいたマトリックスを用いて水分濃度を検出する。したがって、本実施の形態によれば、温度の影響を受けず正しい水分濃度を測定できるので、水分濃度の測定誤差を小さくすることができるという効果がある。

なお、本実施の形態では、固体電解質膜２の有する温度特性を考慮して水分濃度を求めるために、インピーダンスと温度とに対して水分濃度を与えるマトリックスデータ（テーブルデータ）を予め用意しておき、このマトリックスデータを参照することにより水分濃度を求めるようにしているが、マトリックスに限らず、インピーダンスと温度とに対して水分濃度を与えるものであればよく、例えば関数などで与えてもよい。

なお、本実施の形態では、オンライン監視を想定してマイコン１１の出力をＶ−Ｉ変換回路１２に接続したが、Ｖ―Ｉ変換回路１２の代わりにマイコン１１を直接表示器（図示せず）に接続することによりオフラインの装置を構成することもできる。

なお、本実施の形態と実施の形態１を組み合わせることもできる。具体的には、図５において、交流電源４を図１の交流電源４とすればよい。さらに、図５において、アンプ６とログアンプ７との間に図１のフィルタ３を設けることができる。実施の形態１との組み合わせにより、温度特性による誤差を抑制し、さらに、商用電源の周波数成分や、高調波となる周波数成分の影響を抑えて、高精度な水分濃度の測定が可能となる。

実施の形態３．
実運用されているガス絶縁機器での絶縁ガス中の水分濃度は一般に数十ｐｐｍ〜数百ｐｐｍである。したがって、上記水分センサはこの環境に配置されることになる。ここで、水分濃度が数百ｐｐｍから数十ｐｐｍまで下がると、固体電解質膜の交流インピーダンスは水分濃度の低下に伴い十オーム程度から指数関数的に増加して１メガオーム以上にも達する（特許文献１参照）。

一方、大気環境では水分濃度は数１００００ｐｐｍもしくはそれ以上であり、ガス絶縁機器の内部とは非常に大きな濃度差がある。そのため、測定前に例えば大気環境の水分濃度と平衡状態にあった水分センサの固体電解質膜をガス絶縁機器内に配置した場合、この固体電解質膜が数十ｐｐｍ〜数百ｐｐｍのガス絶縁機器内部の水分濃度と平衡に達するまでには相当の時間を要し、水分センサが一定の計測値を示すまでには、数時間〜数日以上の時間がかかるため、短時間のうちに測定結果が出ないという問題があった。

以下、本実施の形態では、短時間で水分濃度を検出することが可能な水分濃度検出装置について説明する。
図９は、本実施の形態に係る水分濃度検出装置の構成図である。図９では、例えばＳＦ_６ガス等の絶縁ガスが充填されたガス絶縁機器１３と、このガス絶縁機器１３に取り付けられた水分濃度検出装置３０が示されている。具体的には、水分濃度検出装置３０は、その取付口４０をガス絶縁機器１３の配管２１にバルブ２２を介して取り付けることにより、ガス絶縁機器１３と接続されている。バルブ２２を開放すると、ガス絶縁機器１３内の絶縁ガスが配管２１を通じて水分濃度検出装置３０内に導入され、サンプリングガスとして使用される。

水分濃度検出装置３０は、例えばポータブル式の装置であり、ガス室３１及び信号処理部３２から成る。ガス室３１は、配管２１及びバルブ２２を介して、ガス絶縁機器１３と接続され、バルブ２２を開放することにより、ガス絶縁機器１３から導入された絶縁ガスを封入することができる。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多孔質電極１と、多孔質電極１間に挟持され固着された固体電解質膜２が配置されている。

多孔質電極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。多孔質電極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。即ち、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。後述するように、多孔質電極１と固体電解質膜２とによって絶縁ガス中の水分濃度を検出する水分センサとしてのインピーダンス素子５０が構成される。

信号処理部３２内には、インピーダンス測定回路１７、演算部１９、表示器２０、及び記憶装置１８が設けられている。

インピーダンス測定回路１７は、多孔質電極１に接続され、多孔質電極１に交流電圧を印加することにより多孔質電極１間の交流インピーダンス（即ち、固体電解質膜２の交流インピーダンス）を測定する（インピーダンス測定手段）。そして、インピーダンス測定回路１７は、インピーダンスの測定値を演算部１９に出力する。図１０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。図１０に示すように、交流インピーダンスは水分濃度の増加に対して単調減少している。

インピーダンス測定回路１７は、例えば、多孔質電極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多孔質電極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。

記憶装置１８は、絶縁ガス中の水分濃度に応じたインピーダンス時間変化曲線群を記憶している。ここで、インピーダンス時間変化曲線は、例えば大気雰囲気中に置かれていたインピーダンス素子５０を絶縁ガス中に配置した後、インピーダンス測定回路１７により多孔質電極１間の交流インピーダンスの時間変化を測定して得た曲線であり、絶縁ガス中の水分濃度毎に与えられ、水分濃度に応じたインピーダンス素子５０の電圧応答特性を示すものである。ガス絶縁機器１３内の水分濃度は典型的には数十ｐｐｍ〜数百ｐｐｍの範囲にあるので、例えばこの範囲を含むようにして一定の刻み幅で複数の異なる水分濃度に対してそれぞれインピーダンス時間変化曲線を予め求めたものを記憶装置１８に記憶させておく。

図１１は、インピーダンス時間変化曲線の例を示した図である。図１１では、大気雰囲気中に置かれていたインピーダンス素子５０を所定の水分濃度の絶縁ガス中に置き、交流インピーダンスの時間変化を測定したものである。図中、Ｉ１は絶縁ガス中の水分濃度が数十ｐｐｍの場合の測定結果を示し、Ｉ２は絶縁ガス中の水分濃度が数百ｐｐｍの場合の測定結果を示している。記憶装置１８は、図１１のＩ１、Ｉ２のような曲線を水分濃度毎に予め記憶している。

図１１からわかるように、絶縁ガス中の水分濃度が高い方（より大気雰囲気に近い方）であるＩ２が早く収束し、水分濃度が低い方（大気雰囲気から離れている方）であるＩ１は収束するのに時間がかかる傾向が確認される。

このように、測定開始時に、固体電解質膜２の含水率が、測定対象となる絶縁ガス中の水分濃度と近い状態にある場合にはインピーダンス素子５０の応答は短時間で収束するが、逆にその含水率が絶縁ガス中の水分濃度から大きくかけ離れていた場合には、インピーダンス素子５０の応答は中々収束せず、すぐに最終的な測定値を得ることは困難である。なお、従来の水分濃度検出装置（特許文献１参照）では、絶縁ガス中に配置されたインピーダンス素子５０のインピーダンス値が収束するのを待ち、その収束値を図１０のような水分濃度−交流インピーダンス曲線と比較することにより水分濃度を決定していたので、水分濃度を得るまでに非常に時間がかかった。

演算部１９は、水分濃度検出部としての機能を有する。即ち、演算部１９は、インピーダンス測定回路１７によるインピーダンスの測定開始後インピーダンスの測定値が収束する前のインピーダンス値の挙動と、記憶装置１８に記憶されたインピーダンス時間変化曲線群とを比較し、観測された挙動と同じ挙動を示すインピーダンス時間変化曲線を特定して、当該特定されたインピーダンス時間変化曲線に対応する水分濃度を検出値として出力する。つまり、演算部１９は、収束したインピーダンス値を用いて水分濃度を検出するのではなく、インピーダンス値が収束に至る前の時点又は期間におけるインピーダンス値の挙動を、予め記憶装置１８に記憶されたインピーダンス時間変化曲線群と比較することにより、測定開始後の初期の段階で絶縁ガス中の水分濃度を推定するものである。

表示器２０は、演算部１９の出力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なども備えているが、図では省略している。

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、配管２１のバルブ２２を開放して、ガス絶縁機器１３内の絶縁ガスをガス室３１内に流入させる。なお、サンプリングガスが導入される前には、ガス室３１内に例えば大気雰囲気の空気が封入されており、固体電解質膜２はこの空気中の水分濃度と平衡状態にある。ガス室３１内に絶縁ガスが導入されると、インピーダンス測定回路１７は多孔質電極１に交流電圧を印加し、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を測定する。この際、固体電解質膜２の水分量は徐々に時間をかけて絶縁ガスに含まれる水分と平衡状態になるので、インピーダンス測定回路１７によるインピーダンスの測定値は、絶縁ガス中の水分濃度に応じて図１１のような挙動を示す。なお、インピーダンス測定回路１７は、インピーダンス測定値を例えば定期的に演算部１９に出力する。

次に、演算部１９は、インピーダンス測定回路１７から出力されたインピーダンス値が収束に至る前において、少なくとも一以上の時点におけるインピーダンス値又は一定の期間内におけるインピーダンス値の挙動と、記憶装置１８に記憶されたインピーダンス時間変化曲線群とを比較し、観測された挙動と同じ挙動を示すインピーダンス時間変化曲線を特定して、当該特定されたインピーダンス時間変化曲線に対応する水分濃度を検出値として出力する。即ち、演算部１９は、実際に測定したインピーダンス値がどのような時間変化を示すかの傾向によって、最終的な収束値を待たずして測定開始後の所定の時間内に絶縁ガス中の水分濃度に対応したインピーダンス収束値及び水分濃度そのものを推測することができる。

ところで、図１１に示すように、インピーダンス値は、最終的には水分濃度が低いほど高い値を示すが、初期の挙動に着目すると、水分濃度が低いほど急激な立ち上がりを示し、やがて所定のインピーダンス値に収束するという特徴を持つ。

このため、本実施の形態では、例えば測定開始後、所定の測定時間ｔが経過した時点で、インピーダンス測定回路１７にてインピーダンス値Ａ[Ω]を測定する。演算部１９は、この時間ｔとインピーダンス値Ａからなる点Ｑを、インピーダンス時間変化曲線群と比較し、点Ｑがどのインピーダンス時間変化曲線上に乗るかを判定することにより、水分濃度を算出することができる。この際、いずれのインピーダンス時間変化曲線上にも点Ｑが乗らない場合は、演算部１９は、時間ｔでのインピーダンス値が測定値であるＡに最も近いインピーダンス時間変化曲線を特定する。なお、測定時間ｔを短くすれば、水分濃度の検出時間は短縮化される。図１１のような時間変化の傾向に基づき、測定時間ｔは、数時間以下、好ましくは１時間以下に設定することができる。

図１２は、インピーダンス時間変化曲線上において時刻ｔでのインピーダンス値の例を示した図である。即ち、インピーダンス時間変化曲線Ｉ１については、時刻ｔにおけるインピーダンス値はＡ１[Ω]であり、同曲線上の点をＱ１で表している。また、インピーダンス時間変化曲線Ｉ２については、時刻ｔにおけるインピーダンス値はＡ２[Ω]であり、同曲線上の点をＱ２で表している。演算部１９は、測定により得られた点Ｑと点Ｑ１又は点Ｑ２を比較し、測定誤差内で点Ｑが点Ｑ１又は点Ｑ２と一致すればその一致した曲線に相当する水分濃度を検出値とすることができる。

このように、本実施の形態では、絶縁ガス中の水分濃度毎にインピーダンス素子５０のインピーダンスがどのような時間変化を示すかを表したインピーダンス時間変化曲線群を予め記憶装置１８に記憶させ、インピーダンス測定値が収束に至る前の初期の応答特性をインピーダンス時間変化曲線群と比較することにより、固体電解質膜２の水分吸脱着が平衡状態に至る前に水分濃度を推定するものである。従来は水分濃度を検出するまでに例えば数時間から数日以上かかっていたものを、本実施の形態では、例えば１時間程度以内で検出可能である。したがって、本実施の形態によれば、水分濃度の測定を短時間で実施することができるという効果がある。

実施の形態４．
実施の形態３では、例えば測定開始後一定時間ｔが経過したときのインピーダンス値Ａ[Ω]を測定することにより水分濃度を求めたが、本実施の形態は、インピーダンス値の初期の傾きによって水分濃度を求めるものである。

具体的には、例えば次のようにする。インピーダンス測定回路１７にて、測定開始時及び測定開始から測定時間ｔが経過した時点でのインピーダンス値をそれぞれ測定する。演算部１９は、時刻ｔでのインピーダンス値から測定開始時のインピーダンス値を差し引いたものをその間の測定時間ｔで割ることにより、測定開始から測定時間ｔが経過するまでの期間でのインピーダンス値の傾きＬを算出することができる。そして、演算部１９は、この傾きＬをインピーダンス時間変化曲線群と比較し、当該期間における傾きが測定誤差の範囲内で傾きＬに一致し又は最も傾きＬに近いインピーダンス時間変化曲線を特定し、当該特定されたインピーダンス時間変化曲線に対応する水分濃度を検出値として出力する。この際、測定時間ｔを短くすれば、水分濃度の検出時間が短縮化される点は、実施の形態３と同様である。なお、ここで示した傾きを計算する期間は一例であって、その他の期間を設定して傾きを求めることもできる。

図１３は、インピーダンス時間変化曲線上において所定の初期期間内におけるインピーダンス値の傾きの例を示した図である。即ち、インピーダンス時間変化曲線Ｉ１については、時刻０における同曲線上の点をＰ１とし、時刻ｔにおける同曲線上の点をＱ１とし、Ｑ１とＰ１を結ぶ直線の傾きをＬ１としている。また、インピーダンス時間変化曲線Ｉ２については、時刻０における同曲線上の点をＰ２とし、時刻ｔにおける同曲線上の点をＱ２とし、Ｑ２とＰ２を結ぶ直線の傾きをＬ２としている。演算部１９は、測定により求めた傾きＬと傾きＬ１又はＬ２を比較し、測定誤差内で傾きＬがＬ１又はＬ２と一致すればその一致した曲線に相当する水分濃度を検出値とすることができる。

本実施の形態では、二時点でのインピーダンス値から傾きを求めることにより水分濃度を検出するようにしているので、例えば一時点におけるインピーダンス値の測定精度がやや低く、実施の形態３を適用した場合の測定精度がやや劣る場合でも、二時点での情報により各時点での測定精度を補うこととなり、水分濃度の検出精度を向上させることができる。なお、本実施の形態のその他の効果は実施の形態３と同様である。

実施の形態３では、例えば測定開始後の一時点におけるインピーダンス値をもとに水分濃度を推定し、実施の形態４では、例えば測定開始後の一定期間におけるインピーダンス値の傾きをもとに水分濃度を推定した。しかしながら、これらは本発明による水分濃度の推定の具体例に過ぎず、一般に、本発明は、インピーダンス値の初期の挙動を直接又は間接にインピーダンス時間変化曲線群と比較し、水分濃度を推定するものであればよい。例えば、三点以上の複数の時点におけるインピーダンスの測定値とインピーダンス時間変化曲線群とを比較することにより水分濃度を推定してもよい。

また、実施の形態３，４と実施の形態１を組み合わせることもできる。具体的には、図９において、インピーダンス測定回路１７を、例えば図１の交流電源４、分圧抵抗５、アンプ６、フィルタ３、およびログアンプ７で構成すればよい。また、図９の演算部１９は、図１のマイコン１１およびＶ−Ｉ変換回路１２に相当する。実施の形態１との組み合わせにより、商用電源の周波数成分や、高調波となる周波数成分の影響を抑えて、高精度な水分濃度の測定が可能になるとともに、水分濃度の測定を短時間で実施することができる。

また、実施の形態３，４と実施の形態２を組み合わせることもできる。具体的には、図９において、インピーダンス測定回路１７を、例えば図５の交流電源４、分圧抵抗５、アンプ６、およびログアンプ７で構成し、さらに、ガス室３１内の多孔質電極１には図５の温度センサ３３を設け、信号処理部３２内には図５の温度計測手段（直流電源８、分圧抵抗９、およびアンプ１０）を設け、温度センサ３３、直流電源８、分圧抵抗９、およびアンプ１０を図５と同様に結線し、アンプ１０の出力が演算部１２に入力されるようにする。図９の演算部１９は、図５のマイコン１１およびＶ−Ｉ変換回路１２に相当する。この場合、記憶装置１８には、絶縁ガス中の水分濃度および温度に応じたインピーダンス時間変化曲線群を複数の異なる水分濃度および複数の異なる温度毎に記憶しておく。なお、このインピーダンス時間変化曲線群は、図８のようにマトリックスデータとして保存しておいてもよい。図１４は、異なる温度についてインピーダンス素子のインピーダンスの時間変化の例を示した図である。図１４では、Ｉ１は常温での絶縁ガス中の水分濃度が数十ｐｐｍの場合の測定結果を示し、Ｉ１’は高温状態での絶縁ガス中の水分濃度が数十ｐｐｍの場合の測定結果を示し、Ｉ２は常温での絶縁ガス中の水分濃度が数百ｐｐｍの場合の測定結果を示し、Ｉ２’は高温状態での絶縁ガス中の水分濃度が数百ｐｐｍの場合の測定結果を示している。記憶装置１８は、図１４のＩ１，Ｉ１’，Ｉ２，Ｉ２’のような曲線を水分濃度毎に予め記憶している。演算部１９は、インピーダンス測定回路１７から出力されたインピーダンス値が収束に至る前において、温度計測手段により計測された絶縁ガスの温度に基づき、少なくとも一以上の時点におけるインピーダンス値又は一定の期間内におけるインピーダンス値の挙動と、記憶装置１８に記憶された計測された温度に対応するインピーダンス時間変化曲線群とを比較し、観測された挙動と同じ挙動を示すインピーダンス時間変化曲線を特定して、当該特定されたインピーダンス時間変化曲線に対応する水分濃度を検出値として出力する。実施の形態２との組み合わせにより、温度特性による誤差を抑制し、さらに、水分濃度の測定を短時間で実施することができる。上記説明から、実施の形態３，４と実施の形態２と実施の形態１を組み合わせることができることは明らかである。

以上のように、本発明にかかる水分濃度検出装置は、ガス絶縁機器内のＳＦ_６ガスに含まれる水分濃度の測定に有用である。

１ 多孔質電極
２ 固体電解質膜
３ フィルタ
４ 交流電源
５，９ 分圧抵抗
６，１０ アンプ
７ ログアンプ
８ 直流電源
１１ マイコン
１２ Ｖ−Ｉ変換回路
１３ ガス絶縁機器
１７ インピーダンス測定回路
１８ 記憶装置
２０ 表示器
３３ 温度センサ
５０ インピーダンス素子
１００ 水分濃度検出装置

Claims (9)

1. 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、
   前記絶縁ガス中で互いに対向して配置された多孔質性の電極と、
   これらの電極間に挟持され固着された水素イオン導電性の固体電解質膜と、
   前記電極に３２５Ｈｚの周波数または１０Ｈｚ以下の周波数で交流電圧を印加する電圧印加部と、
   交流電圧が印加された状態で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手段と、
   前記インピーダンス測定手段により測定された前記交流インピーダンスを対数変換して出力するログアンプと、
   前記ログアンプから出力された前記交流インピーダンスに基づいて前記絶縁ガス中の水分濃度を検出する水分濃度検出部と、
   水分濃度の測定開始前は大気雰囲気の空気が封入され、水分濃度の測定開始時に前記ガス絶縁機器から導入された前記絶縁ガスが封入され、内部に前記電極が互いに対向して配置されたガス室と、
   前記絶縁ガス中の水分濃度に応じた前記交流インピーダンスの時間変化を表すインピーダンス時間変化曲線群を複数の異なる水分濃度毎に記憶する記憶部と、
   を備え、
   前記水分濃度検出部は、前記インピーダンス測定手段による交流インピーダンスの測定値が収束する前において、少なくとも一以上の時点における前記交流インピーダンスの測定値又は一定の期間内における前記交流インピーダンスの測定値の挙動と、前記記憶部に記憶されたインピーダンス時間変化曲線群とを比較し、前記挙動と同じ挙動を示すインピーダンス時間変化曲線を特定して、当該特定されたインピーダンス時間変化曲線に対応する水分濃度を検出値として出力することを特徴とする水分濃度検出装置。
2. 前記ログアンプは、１４０ｄＢ以上の入力特性を持つことを特徴とする請求項１に記載の水分濃度検出装置。
3. 前記電極に印加される交流電圧の周波数が３２５Ｈｚであって、
   ５０Ｈｚおよび６０Ｈｚが含まれる所定の周波数以下の成分を除去し、３２５Ｈｚの成分を通過させるハイパスフィルタをさらに備え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。
4. 前記電極に取り付けられた温度センサを用いて前記絶縁ガスの温度を計測する温度計測手段を備え、
   前記水分濃度検出部は、温度と交流インピーダンスに対して水分濃度を与えるデータ又は関数を予め保持しており、前記インピーダンス測定手段により測定された前記交流インピーダンスと前記温度計測手段により計測された前記温度とに基づいて、前記データ又は前記関数を用いて、前記絶縁ガス中の水分濃度を検出す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。
5. 前記水分濃度検出部は、温度と交流インピーダンスに対して水分濃度を与えるマトリックスデータを予め保持しており、このマトリックスデータを参照して、前記インピーダンス測定手段により測定された前記交流インピーダンスと前記温度計測手段により計測された前記温度とに対応する水分濃度を検出値として出力することを特徴とする請求項４に記載の水分濃度検出装置。
6. 前記マトリックスデータは、特定の水分濃度より低い水分濃度に対しては、温度の上昇とともにインピーダンスも増大し、前記特定の水分濃度より高い水分濃度に対しては、温度の上昇とともにインピーダンスは減少するものであることを特徴とする請求項５に記載の水分濃度検出装置。
7. 前記水分濃度検出部は、前記水分濃度の測定開始後所定の時間が経過した時点における前記交流インピーダンスの測定値と、前記記憶部に記憶された前記インピーダンス時間変化曲線群とを比較し、前記所定の時間が経過した時点における交流インピーダンスの値が前記交流インピーダンスの測定値と一致し又は最も近いインピーダンス時間変化曲線を特定して、当該特定されたインピーダンス時間変化曲線に対応する水分濃度を検出値として出力す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。
8. 前記水分濃度検出部は、所定の期間における前記交流インピーダンスの測定値の傾きと、前記記憶部に記憶された前記インピーダンス時間変化曲線群とを比較し、前記所定の期間における交流インピーダンスの傾きが前記交流インピーダンスの測定値の傾きと一致し又は最も近いインピーダンス時間変化曲線を特定して、当該特定されたインピーダンス時間変化曲線に対応する水分濃度を検出値として出力することを特徴とする請求項７に記載の水分濃度検出装置。
9. 前記記憶部は、前記絶縁ガス中の水分濃度および温度に応じた前記交流インピーダンスの時間変化を表すインピーダンス時間変化曲線群を複数の異なる水分濃度および複数の異なる温度毎に記憶し、
   前記水分濃度検出部は、前記インピーダンス測定手段による交流インピーダンスの測定値が収束する前において、前記温度計測手段により計測された前記絶縁ガスの温度に基づき、少なくとも一以上の時点におけるインピーダンス値又は一定の期間内におけるインピーダンス値の挙動と、前記記憶部に記憶された前記温度に対応するインピーダンス時間変化曲線群とを比較し、前記挙動と同じ挙動を示すインピーダンス時間変化曲線を特定して、当該特定されたインピーダンス時間変化曲線に対応する水分濃度を検出値として出力することを特徴とする請求項４に記載の水分濃度検出装置。

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