JP5274515B2

JP5274515B2 - 水分濃度検出装置

Info

Publication number: JP5274515B2
Application number: JP2010128083A
Authority: JP
Inventors: 佳之田村; 智恵子西田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-06-03
Filing date: 2010-06-03
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2030-06-03
Also published as: JP2011252847A

Description

本発明は、ガス絶縁機器内部のＳＦ６ガス中の水分濃度を検出する装置に関する。

ガス絶縁機器内部は、ガスシール機能が低下するなどにより外部から水分が浸入すると、機器の絶縁性能が低下する。このため、ガス絶縁機器内に対向して設置された多孔性電極間に、含水率がガス中の水分濃度と平衡状態となる水素イオン導電性の固体電解質膜を設け、多孔性電極間に交流電圧を印加し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ことにより、水分濃度を計測する技術が開示されている（例えば、下記特許文献１）。

特開２００６−３０８５０２号公報

固体電解質膜（例えば、デュポン社の登録商標であるＮａｆｉｏｎ（登録商標））の交流インピーダンスは、固体電解質膜の含水率に依存して変化し、ガス絶縁機器内の水分濃度が減少するに従い増加する。ここで、固体電解質膜は、温度が高いほど含水率が高く（すなわち、固体電解質膜の交流インピーダンスが小さく）なり、温度が低いほど含水率が低く（すなわち、固体電解質膜の交流インピーダンスが大きく）なるという温度特性を有している。一方、屋外に設置されるガス絶縁機器内部は、環境温度の変化に伴いガス絶縁機器内の温度が数十℃も変化する。このため、特許文献１に示された技術では、環境温度の変化によって水分濃度の測定結果が変化する、という問題があった。

また、水分濃度が十数ｐｐｍまで下がると、固体電解質膜の交流インピーダンスは、指数関数的に増加し、数ＭΩ〜数十ＭΩにまで達する。固体電解質膜に印加できる交流電圧は、水の電気分解が生じない程度の低電圧（約１０ｍＶ〜約１Ｖ）であるので、固体電解質膜に流れる交流電流は極めて小さくなり、測定環境におけるノイズの影響が無視できなくなる。このため、特許文献１に示された技術では、測定結果に誤差を生じ易い、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、環境温度の変化によるガス中の水分濃度の測定結果の変化を抑制すると共に、高精度に水分濃度を測定することができる水分濃度検出装置を得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、ガス絶縁機器内に設置され、対向して設けられた一対の多孔性電極と、一対の前記多孔性電極間に固着された水素イオン導電性の固体電解質膜と、前記ガス絶縁機器内に設けられた発熱体と、前記ガス絶縁機器内に設けられた温度センサと、一対の前記多孔性電極間に交流電圧を印加するとともに、前記ガス絶縁機器内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部と、前記温度センサからの温度を検出し、前記発熱体の温度を制御して、前記固体電解質膜の温度を予め設定された一定の設定温度に保つ温度制御部と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、環境温度の変化によるガス中の水分濃度の測定結果の変化を抑制すると共に、高精度に水分濃度を測定することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態にかかる水分濃度検出装置の一構成例を示す図である。図２は、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を示す図である。図３は、交流電源の印加電圧に対する分圧抵抗の両端電圧の比率とガス中の水分濃度との関係を示す図である。

以下に、添付図面を参照して、本発明の実施の形態にかかる水分濃度検出装置を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、実施の形態にかかる水分濃度検出装置の一構成例を示す図である。図１に示すように、実施の形態にかかる水分濃度検出器は、対向して設けられた一対の多孔性電極１と、一対の多孔性電極１間に固着された固体電解質膜２と、一対の多孔性電極１の一方に接して設けられた発熱体４と、一対の多孔性電極１の他方に接して設けられた温度センサ３と、一対の多孔性電極１間の電気量を計測する計測部６０と、温度センサ３の信号を読み取り、発熱体４の温度を制御する温度制御部７０と、を備えている。

一対の多孔性電極１、固体電解質膜２、発熱体４、および温度センサ３は、ガス絶縁機器１０の内部に設けられ、計測部６０および温度制御部７０は、ガス絶縁機器１０の外部に設けられている。

計測部６０は、交流電源５、固体電解質膜２と直列に接続された分圧抵抗６、および分圧抵抗６にかかる交流電圧を水分濃度に対応して変化する電気量として読み取る電圧計７を備え構成される。

温度制御部７０は、温度センサ３の信号を読み取る温度検出器８、および温度検出器８からの信号に基づき発熱体４の温度を予め設定された設定温度値に保つ発熱量制御器９を備え構成されている。

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となる。すなわち、ガス中の水分濃度が高くなると含水率が増加し、逆に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の含水率が増加すると、固体電解質膜２の交流インピーダンスが低くなり、逆に固体電解質膜２の含水率が低下すると、固体電解質膜２の交流インピーダンスが高くなる。この固体電解質膜２には、例えばデュポン社の登録商標であるＮａｆｉｏｎ（登録商標）を用いることができる。

多孔性電極１は、例えば白金を無電解メッキすることによって形成され、微視的には多孔性材である。このようなここで、このような多孔性材を用いるのは、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。

発熱体４は、ガス中の水分が固体電解質膜２に浸透することを阻害しないように、多孔性電極１と同様の多孔性材もしくは細いワイヤー状の発熱体であるのが望ましい。

交流電源５としては、例えば５０Ｈｚ、６０Ｈｚの商用電源等の交流電源を使用する。この交流電源５から分圧抵抗６を介して一対の多孔性電極１間に固着された固体電解質膜２に交流電圧を印加する。なお、固体電解質膜２に印加する交流電圧値は、水の電気分解が生じない程度の低電圧（約１０ｍｖ〜約１Ｖ）とする。

温度センサ３は、多孔性電極１を介して固体電解質膜２の温度を検出する。温度検出器８は、温度センサ３からの信号を読み取り発熱量制御器９に出力する。

発熱量制御器９は、予め設定された設定温度値と検出された温度値とを比較して発熱体４へ流す電流を制御することにより、固体電解質膜２の温度を設定温度値に保つ。

つぎに、実施の形態にかかる水分濃度検出装置の動作について、図１〜図３を参照して説明する。図２は、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を示す図である。図２において、横軸はガス中の水分濃度を示し、縦軸は固体電解質膜２の交流インピーダンスを示している。図２に示す例では、環境温度を２０℃とした例を示している。図２に示すように、ガス中の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。

図３は、交流電源の印加電圧に対する分圧抵抗の両端電圧の比率とガス中の水分濃度との関係を示す図である。図３において、横軸はガス中の水分濃度を示し、縦軸は交流電源５の印加電圧に対する分圧抵抗６の両端電圧の比率を示している。図３に示す例では、図２と同様に環境温度を２０℃とした例を示し、分圧抵抗６として１００ｋΩの抵抗素子を用いている。

固体電解質膜２の交流インピーダンスの変化を捉えるため、ガス絶縁機器１０の外部に設けた分圧抵抗６の両端電圧を電圧計７で測定する。分圧抵抗６の抵抗値は一定（ここでは、１００ｋΩ）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１０内の水分濃度に対応して変化することから、分圧抵抗６の両端電圧がガス中の水分濃度に応じて変化する。

ここで、交流電源５の印加電圧をＶ、分圧抵抗６の両端電圧をｖ、固体電解質膜２の交流インピーダンスをＺ、分圧抵抗６の抵抗値をＲ、固体電解質膜２と分圧抵抗６とで構成される直列回路に流れる電流をＩとすると、各パラメータの関係は、次式（１）および（２）で表される。なお、交流電源５の印加電圧Ｖおよび分圧抵抗６の抵抗値Ｒは一定である。
ｖ＝ＲＩ・・・（１）
Ｖ＝（Ｒ＋Ｚ）Ｉ・・・（２）

したがって、交流電源５の印加電圧に対する分圧抵抗６の両端電圧の比率は、次式（３）で表すことができる。
ｖ／Ｖ＝Ｒ／（Ｒ＋Ｚ）・・・（３）

（３）式に示されるように、ガス中の水分濃度が低下して、固体電解質膜２の交流インピーダンスＺが増加すると（図２参照）、分圧抵抗６の両端電圧ｖは逆に低下する。また、ガス中の水分濃度が増加して、固体電解質膜２の交流インピーダンスＺが低下すると（図２参照）、分圧抵抗６の両端電圧ｖは逆に増加する。つまり、ガス中の水分濃度に応じて、分圧抵抗６の両端電圧が変化する。したがって、図３に示す交流電源５の印加電圧に対する分担抵抗６の両端電圧の比率とガス中の水分濃度との関係から、ガス中の水分濃度を求めることができる。

例えば、ガス中の水分濃度が３０ｐｐｍ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、交流電源５から供給される交流電圧の大部分が固体電解質膜２に分担され、図３中の縦軸に示す交流電源５の印加電圧に対する分圧抵抗６の両端電圧の比率は０．１以下となる。一方、ガス中の水分濃度が５００ｐｐｍ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、交流電源５から供給される交流電圧の大部分が分圧抵抗６に分担されるので、交流電源５の印加電圧に対する分圧抵抗６の両端電圧の比率は０．９以上となる。

一方、温度が高いほど固体電解質膜２の含水率が高くなり、それに伴い固体電解質膜２の交流インピーダンスは小さくなる。また、逆に、温度が低いほど固体電解質膜２の含水率が低くなり、それに伴い固体電解質膜２の交流インピーダンスは大きくなる。つまり、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関係は、図２に示すように、温度が高くなると実線で示す矢印の方向に変化し、温度が低くなると、破線で示す矢印の方向に変化する。したがって、交流電源５の印加電圧に対する分圧抵抗６の両端電圧の比率とガス中の水分濃度との関係は、図３に示すように、温度が高くなると実線で示す矢印の方向に変化し、温度が低くなると、破線で示す矢印の方向に変化する。このため、環境温度の変化に伴いガス絶縁機器１０内の温度が変化した場合、ガス中の水分濃度の測定結果が変化することとなる。つまり、ガス絶縁機器１０内の温度を一定に保つようにすれば、ガス中の水分濃度の測定結果の変化を抑制することができる。

なお、（３）式に示されるように、固体電解質膜２の交流インピーダンスＺが小さくなると、交流電源５の印加電圧に対する分圧抵抗６の両端電圧の比率は１に収束し、固体電解質膜２の交流インピーダンスＺが大きくなると、交流電源５の印加電圧に対する分圧抵抗６の両端電圧の比率は０に収束する。このため、図３に示すように、実線および破線で示した矢印の変化量は、交流電源５の印加電圧に対する分圧抵抗６の両端電圧の比率が０．５付近である場合に大きくなり、比率が０．５から離れるに従い小さくなる。つまり、交流電源５の印加電圧に対する分圧抵抗６の両端電圧の比率が０．５付近である場合に、環境温度の変化によるガス中の水分濃度の測定結果の変化量が最も大きくなる。

また、特にガス中の水分濃度が低濃度（例えば、十数ｐｐｍ程度）である場合は、固体電解質膜２の交流インピーダンスが高くなり、常温（例えば、２０℃）環境下において数ＭΩ〜数十ＭΩにまで達するため、分圧抵抗６の抵抗値（ここでは１００ｋΩ）に対して極めて大きな値となる。また、固体電解質膜２に印加する交流電圧値は、水の電気分解が生じない程度の低電圧（約１０ｍｖ〜約１Ｖ）とする必要があるため、固体電解質膜２と分圧抵抗６とで構成される直列回路に流れる電流値は、数百ｐＡ〜数百ｎＡと極めて小さな値となる。このため、電圧計７に流れる電流や測定環境におけるノイズの影響も無視できなくなる。

したがって、実施の形態にかかる水分濃度検出装置では、固体電解質膜２の温度が一定の高温となるように、発熱量制御器９に予め設定される設定温度値を設定し、この設定温度値と検出された固体電解質膜２の温度値とを比較して発熱体４へ流す電流を制御することにより、固体電解質膜２の温度を一定の高温に保つようにしている。これにより、環境温度の変化によりガス中の水分濃度の測定結果が変化することを抑制することができる。

なお、設定温度値は、ガス絶縁機器１０が設置される環境において想定されるガス絶縁機器１０内の最高温度以上に設定するのが好ましい。これにより、固体電解質膜２の交流インピーダンスは、ガス絶縁機器が設置される環境の温度変化に依存することなく、ガス中の水分濃度のみに応じて変化するため、固体電解質膜２の交流インピーダンスの温度依存性による影響を排除することができる。

また、設定温度値がガス絶縁機器１０内の最高温度より低い場合でも、設定温度値がガス絶縁機器１０内の最高温度の近傍であれば、固体電解質膜２の温度の上昇幅は、発熱体４および温度制御部７０を具備していない場合と比較するとより小さくなる。したがって、発熱体４および温度制御部７０を具備する効果は大きいと言える。

また、固体電解質膜の温度を常に一定の高温に保つことにより、固体電解質膜２の含水率の上昇に伴い固体電解質膜２の交流インピーダンスが下がり、固体電解質膜２と分圧抵抗６とで構成される直列回路に流れる電流値が大きくなるため、高精度に水分濃度を測定することが可能となる。

以上のように、本発明の実施の形態にかかる水分濃度検出装置によれば、固体電解質膜の温度を一定の高温に保つようにしたので、環境温度の変化によりガス中の水分濃度の測定結果が変化することを抑制することができる。

さらに、設定温度値をガス絶縁機器が設置される環境において想定されるガス絶縁機器内の最高温度以上に設定することにより、固体電解質膜の交流インピーダンスは、ガス絶縁機器が設置される環境の温度変化に依存することなく、ガス中の水分濃度のみに応じて変化するため、固体電解質膜の交流インピーダンスの温度依存性による影響を排除し、より安定して水分濃度を検出することが可能となる。

また、固体電解質膜の温度を常に一定の高温に保つことにより、固体電解質膜の含水率の上昇に伴い固体電解質膜の交流インピーダンスが下がり、固体電解質膜に流れる電流値が大きくなるため、高精度に水分濃度を測定することができる。

なお、実施の形態では、一対の多孔性電極の一方に発熱体を備え、多孔性電極の他方に温度センサを多孔性電極上に備える例について説明したが、多孔性電極の一方に発熱体および温度センサを取り付けることも可能である。この場合は、発熱体の温度が直接温度センサに伝わらないように、発熱体と温度センサとの間の距離を離して設置するのが好ましい。

また、例えば、多孔性電極及び固体電解質膜をガス絶縁機器内に通気可能に設けられた容器内に収容し、発熱体および温度センサをその容器内に配置して、その容器内の温度を一定の温度に保つように構成しても、実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかる水分濃度検出装置は、環境温度の変化によるガス中の水分濃度の測定結果の変化を抑制すると共に、高精度に水分濃度を測定することができる発明として有用である。

１多孔性電極
２固体電解質膜
３温度センサ
４発熱体
５交流電源
６分圧抵抗
７電圧計
８温度検出器
９発熱量制御器
１０ガス絶縁機器
６０計測部
７０温度制御部

Claims

ガス絶縁機器内に設置され、対向して設けられた一対の多孔性電極と、
前記多孔性電極間に固着された固体電解質膜と、
前記ガス絶縁機器内に設けられた発熱体と、
前記ガス絶縁機器内に設けられた温度センサと、
前記多孔性質電極間に交流電圧を印加するとともに、前記ガス絶縁機器内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部と、
前記温度センサからの温度を検出し、前記発熱体の温度を制御して、前記固体電解質膜の温度を予め設定された一定の設定温度に保つ温度制御部と、
を備える
ことを特徴とする水分濃度検出装置。
前記発熱体は、前記多孔性電極のいずれか一方に接して設けられたことを特徴とする請求項１に記載の水分濃度検出装置。
前記温度センサは、前記多孔性電極のいずれか一方に接して設けられたことを特徴とする請求項１に記載の水分濃度検出装置。
前記発熱体は、前記多孔性電極の一方に接して設けられ、前記温度センサは、前記多孔性電極の他方に接して設けられたことを特徴とする請求項１に記載の水分濃度検出装置。
前記温度制御部は、前記ガス絶縁機器が設置される環境において想定される当該ガス絶縁機器内の最高温度以上に前記設定温度が設定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の水分濃度検出装置。
前記ガス絶縁機器内に通気可能に設けられた容器をさらに備え、
一対の前記多孔性電極、前記固体電解質膜、前記発熱体、および前記温度センサは、前記容器内に収容されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の水分濃度検出装置。