JP5478621B2 - コンデンサ容量診断装置及びコンデンサ容量診断装置を備えた電力用機器 - Google Patents

Description

本発明は、コンデンサ容量の良否を判定するコンデンサ容量診断装置及びコンデンサ容量診断装置を備え、コンデンサに蓄えられたエネルギを電磁コイルに通電して操作する電磁操作機構を有する電力用機器に関するものである。

送電系統に使用される電力用機器は長期に亘っての信頼性が要求される。このため、定期的な機器の診断が欠かせない。例えば、密閉型複合絶縁スイッチギアでは、真空遮断器の開閉操作を電磁コイルによる電磁操作機構により行い、接点を開放するのにコンデンサに蓄積されたエネルギを利用している。電力用機器の駆動に必要な大容量の電解コンデンサは有寿命部品と考えられていたため、経年劣化によるコンデンサ容量の低下が懸念される。そこで、真空遮断器の信頼性を確保するため、このコンデンサを定期的に取り外し、容量のチェックを行い、コンデンサの良否を判定するコンデンサ容量診断を実施し、劣化等が認められた場合にコンデンサの交換を実施する必要があるとしている。しかし、定期点検時以外はコンデンサのチェックを行うことは電力用機器を停止させることとなり、診断回数も制限される。取り外すことなく、電力用機器の運用中にコンデンサ容量の良否を判定できる診断装置あれば、機器を停止させることなく、診断頻度を大幅に増やすことができ、信頼性の向上が期待される。

車両用乗員保護装置のエアバッグに使用されるバックアップコンデンサの従来のコンデンサ容量診断回路では、直列接続された抵抗とスイッチ回路とからなる放電回路をコンデンサに並列接続し、放電回路のスイッチ回路を一定時間オンし、そのオンする直前のコンデンサの充電電圧値Ｖ１と、一定時間の放電に伴うコンデンサの端子電圧の変化値（Ｖ１−Ｖ２）との比を演算して、その演算結果を基準値と比較することによってコンデンサの容量の良否を診断する。これにより、コンデンサに接続される直流電源の出力電圧のバラツキに影響されず、確実に、精度よく診断することを実現している。なお、コンデンサの診断は、車両始動時に実施される（例えば、特許文献１参照。）

また、車両用乗員保護装置のエアバッグに使用されるバックアップコンデンサの他の従来のコンデンサの異常診断装置では、コンデンサの両端電圧値と閾値とを比較してコンデンサの異常を診断する。閾値と充電開始時におけるコンデンサの両端電圧値（初期値）を検出する検出手段と、初期値に基づき、閾値を初期値以上に可変設定して、この可変された閾値と、充電開始後におけるコンデンサの両端電圧値とを比較してコンデンサの異常を診断する手段とを備えている。これにより、充電開始時点で既に電荷がある場合でもコンデンサの異常を確実に診断することを実現している。なお、コンデンサの診断は、走行前に実施される（例えば、特許文献２参照。）。

特開平９−２２９９７６号公報 特開平６−２０７９５９号公報

しかしながら、従来のコンデンサの容量診断回路やコンデンサの異常診断装置にあっては、いずれも車両用のエアバックのバックアップコンデンサを診断することを目的としており、イグニッションスイッチを入れた直後の車の始動時に診断を実施するのみであり、

運転中に常時診断することを想定しておらず、一旦、運用を開始すると長期的に使用されるため、運用中の定期的なコンデンサ容量の診断が欠かせない電力用機器の電磁操作機構に使用されるコンデンサの容量診断には、適用できないという問題点があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、運用中の電力用機器の電磁操作機構に使用されるコンデンサによる駆動に支障を与えずに、定期的にコンデンサの診断が可能なコンデンサ容量診断装置及びコンデンサ容量診断装置を備えた電力用機器を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係るコンデンサ容量診断装置は、コンデンサを充電する電源と、直列に接続された放電抵抗と放電スイッチとにより構成され、
コンデンサに並列に接続された放電回路と、直列に接続された第一の抵抗及び第二の抵抗により構成され、コンデンサに並列に接続された抵抗分圧回路と、第一の抵抗と第二の抵抗との分圧点の電圧を増幅して測定する測定回路と、コンデンサの充電を停止させ、放電回路の放電スイッチを導通させることによりコンデンサに充電されたエネルギを所定時間放電させ、測定回路にて測定された放電による電圧低下値からコンデンサ容量の適否を判定する診断回路と、を備え、放電時に前記コンデンサが有する自己放電電流以上の放電電流が流れるように放電抵抗の抵抗値を設定するとともに、充電された前記コンデンサの放電による診断時の電圧低下を前記コンデンサ容量の適否を判定するための基準値以内に抑えたものである。

また、本発明の請求項２に係るコンデンサ容量診断装置を備えた電力用機器は、コンデンサ容量診断装置を備え、コンデンサに充電されたエネルギによる電磁操作機構を備えたものである。

本発明によれば、コンデンサ容量の診断時にコンデンサの放電による電圧低下が所定の値以内に設定することによりコンデンサの運用中に診断を行うことが可能であり、また、このコンデンサ容量診断装置を電力用機器の電磁操作機構に使用されるコンデンサ容量の診断に適用することにより、電力用機器の運用中にコンデンサ容量の診断を行うことができるといった顕著な効果を奏するものである。

実施の形態１におけるコンデンサ容量診断装置の概略を示す回路構成図である。 実施の形態１におけるコンデンサ容量診断装置の放電による電圧の変化を示す説明図である。 実施の形態２におけるコンデンサ容量診断装置を備えた電力用機器の概略を示す構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係るコンデンサ容量診断装置及びコンデンサ容量診断装置を備えた電力用機器について説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるコンデンサ容量診断装置の概略を示す回路構成図である。図２は、コンデンサ容量診断装置の放電によるコンデンサ電圧の変化を示す説明図である。
図１に示すように、コンデンサ容量診断装置１は、容量の良否を判定するコンデンサ２に充電するためにＤＣ電源３ａとコンデンサ２に必要とされる電圧に調整するＤＣ／ＤＣコンバータ３ｂとにより構成される電源３と、コンデンサ２のエネルギを放電させるためコンデンサ２に並列に接続され、放電抵抗４ａ及び放電スイッチ４ｂとしてのトランジスタとにより構成される放電回路４と、放電時の電圧低下を測定するためコンデンサ２に並列に接続され、第一、第二の抵抗５ａ、５ｂとにより構成される抵抗分圧回路５と、第一の抵抗５aと第二の抵抗５ｂとの接続点Ａの電圧を測定する増幅器６ａとＡ／Ｄコンバータ６ｂとにより構成される測定回路６と、コンデンサ２への充電の停止指令及び放電回路４の放電スイッチ４ａの導通指令を出し、コンデンサ２に充電されたエネルギを所定時間放電させ、測定回路６にて測定された放電による電圧の時間変化からコンデンサ容量の良否を判定する診断回路７と、診断回路７による判定結果に基づき、否と判断された場合に警報を発する警報器８とからなる。

次に、図１および図２を参照して、実施の形態１におけるコンデンサ容量診断装置１の動作原理について説明する。容量の良否を判定されるコンデンサ２は接続された電源３より電力を供給され、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ｂによりコンデンサ２が使用される機器が要求する電圧Ｖｃで充電される。診断回路７からコンデンサ２への充電停止指令が出され、放電回路４の放電スイッチ４ｂに所定の時間ｔの導通指令が出される。図２は、コンデンサの容量診断時の放電によるコンデンサの電圧９を示すもので、コンデンサ電圧Ｖは放電スイッチ４ｂが導通されてから放電抵抗４ａを介して放電により時間とともに低下し、時間ｔで電圧低下は止まり、再び充電が開始される。このコンデンサ電圧Ｖは、抵抗分圧回路５の第一の抵抗５ａの抵抗Ｒ１と第二の抵抗５ｂの抵抗Ｒ２の接続点ＡでＲ１／（Ｒ１＋Ｒ２）に分圧され、時間ｔでの電圧低下値ΔＶが測定され、増幅回路６ａを通してＡ／Ｄコンバータ６ｂにて変換された測定回路６による結果が診断回路７に送られる。ここで、予め診断時にコンデンサ２に許容される所定の電圧低下値ΔＶとして設定された基準の電圧低下値ΔＶｓと比較し、図２の９ａに示す基準値を越える電圧低下値ΔＶｓ以内である場合には、コンデンサ容量が適と判定され、９ｂに示す基準値を越える電圧低下値ΔＶｓ以上である場合には、コンデンサ容量が否と判定され、否と判定された場合には警報回路８にて警報が発せられる。ここで、コンデンサ２に許容される所定の電圧低下値ΔＶｓとは、コンデンサ２が診断のため所定の時間放電されても、コンデンサ２が本来の操作に必要な容量が確保されていることをいう。また、エアバッグに使用されるバックアップコンデンサの従来のコンデンサ容量診断では、コンデンサの持つ漏れ電流（自己放電電流）による測定誤差は考慮されていなかったが、容量診断時にコンデンサが持つ自己放電電流Ｉｓ以上の電流で測定することにより測定誤差が低減され、容量診断の精度の向上が図れる。そこで、放電抵抗４の抵抗Ｒｄは式（１）を満たすように設定される。
Ｉｄ＝Ｖｃ／Ｒｄ＞Ｉｓ （１）
ここで、Ｖｃは充電時のコンデンサの電圧、Ｉｄは放電電流である。
例えば、自己放電電流に対して容量診断時の放電電流を１００倍に設定することにより、測定誤差に与える影響は１％以下と実用上問題ないレベルまで大幅に低減することが可能となる。

コンデンサの本来の駆動操作に支障を及ぼさないコンデンサ容量が適であるとされる診断時の許容電圧低下値ΔＶｓは、充電コンデンサ電圧Ｖｃの数％程度とされる。したがって、容量診断時に適とされるコンデンサの放電による電圧低下値がΔＶｓの範囲内となるよう所定の時間ｔは決定される。このため、抵抗分圧回路５のＡ点での電圧変化が小さいため、増幅器６ａによる電圧増幅を行うことが望ましい。

このように、本発明の実施の形態１におけるコンデンサ容量診断装置では、診断時にコンデンサによる動作に支障を及ぼさない範囲での放電による電圧低下となるよう所定の放電抵抗、時間内で測定を実施しているので、コンデンサ本来の動作が可能となる効果を有し、コンデンサの運用中もコンデンサ容量の適否の診断を行うことができるといった顕著な効果を奏するものである。また、コンデンサ容量診断時に、コンデンサの自己放電電流以上の放電電流を流すように設定することにより、コンデンサの容量測定精度を向上させることができるといった顕著な効果を奏するものである。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２におけるコンデンサ容量診断装置を備えた電力用機器の概略を示す構成図である。

実施の形態２では、蓄積されたコンデンサのエネルギによる電磁操作機構を有する電力用機器の例として、真空遮断器（ＶＣＢ）にコンデンサ容量診断装置を適用する場合について説明する。図３に示すように、真空遮断器１０は、タンク遮蔽壁１１内に設置され、固定接点１２と可動軸１３に取り付けられた可動接点１４とが開閉される真空スイッチ管（ＶＳＴ）１５と、タンク遮蔽壁１１外に設けられ、固定鉄心１６とこの固定鉄心１６内に設置された引外し用コイル１７及び投入用コイル１８と、この引外し用コイル１７に電力を供給するコンデンサ２と、コンデンサ２から引外し用コイル１７にスイッチ１９により通電された場合に電流を計測する計器用変流器（ＣＴ）２０と、これらのコイル１７，１８を貫通するように設置された可動軸２１と、この可動軸２１に取り付けられた永久磁石２２と可動鉄心２３と、可動軸２１に取り付けられた接圧バネ２４により真空スイッチ管１５の接点１２，１４を開閉する機能を持つ電磁操作機構２５と、コンデンサ２の容量を診断するコンデンサ容量診断装置１とで構成される。コンデンサ容量診断装置１の構成は、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

次に、図３を参照して、実施の形態２における真空遮断器の動作原理について説明する。真空遮断器１０の開閉操作は電磁操作機構２５の電磁コイル１７，１８による電磁力で行い、開閉状態は永久磁石２２の磁力によって保持される。固定鉄心１６に電磁コイルの引外し用コイル１７と投入用コイル１８が設けられ、可動鉄心２３と永久磁石２２が取り付けられた可動軸２１は、引外し用コイル１７と投入用コイル１８間を移動できるように設定されており、この可動軸２１は接圧バネ２４を介して真空スイッチ管１５の固定接点１２と対抗する可動接点１４に繋がっている真空スイッチ管１５側の可動軸１３に接続されている。真空スイッチ管１５の投入状態では、可動鉄心２３は固定鉄心１６の投入側に永久磁石２２により吸着保持されている。真空スイッチ管１５を開放状態にするために引外し指令により、引外し用コイル１７にコンデンサ２から通電することにより、その磁力により可動鉄心２３が開極側に吸引され、永久磁石２２により引外し用コイル１７への通電停止後も可動鉄心２３は開極側に吸着保持される。これにより、可動鉄心２３が取り付けられている可動軸２１が移動することになり、真空スイッチ管１５の接点は開放状態となる。投入用コイル１８に通電すれば、逆の動作で真空スイッチ管１５は投入状態となる。引外し用コイル１７に通電するコンデンサ２は上述したコンデンサ容量診断装置１により定期的に良否判定され信頼性の維持が図られる。コンデンサ２により通電された電流をモニタするため計器用変流器２０にて計測される。コンデンサ容量診断装置１に動作については、実施の形態１で説明したので省略する。

真空遮断器１０において、コンデンサ２の電磁操作駆動に支障を及ぼさない診断時の放電による電圧低下値Ｖｓとしては１％以下に設定される。例えば、実施の形態２では、ＤＣ電圧７７．５Ｖで放電による電圧低下値として１Ｖでコンデンサ容量の適否の診断が可能である。したがって、コンデンサ容量診断に必要な放電による電圧低下値ΔＶｓの範囲内となるよう所定の時間ｔは決定されるが、１２０ｍｓ程度である。抵抗分圧回路５のＡ点での電圧変化が小さいので、増幅器６ａによる電圧増幅が必要となる。

このように、本発明の実施の形態２におけるコンデンサ容量診断装置を備えた電力用機器である真空遮断器では、コンデンサを取り外すことなく真空遮断器の運用中も定期的に駆動用のコンデンサの容量診断を行い、容量の適否を判定することができるので、長期的な電力用機器の信頼性向上が図れるといった顕著な効果を奏するものである。

なお、上記の実施の形態では電力用機器として真空遮断器の駆動用のコンデンサの容量診断に適用する場合について述べたが、コンデンサを駆動エネルギとして使用する機器であれば他の電力用機器にも適用可能である。また、自動車等、車両用のコンデンサに適用して、運用中に診断を行うことにより信頼性向上を図ることも可能である。

１ コンデンサ容量測定装置
２ コンデンサ
３ 電源
４ 放電回路
４ａ 放電抵抗
４ｂ 放電スイッチ
５ 抵抗分圧回路
６ 測定回路
６ａ 増幅回路
７ 診断回路
１０ 真空遮断器
１５ 真空スイッチ管
１６ 固定鉄心
１７ 引外しコイル
１９ スイッチ
２１ 可動軸
２３ 可動鉄心
２５ 電磁操作機構

Claims (3)

1. コンデンサを充電する電源と、
   直列に接続された放電抵抗と放電スイッチとにより構成され、前記コンデンサに並列に接続された放電回路と、
   直列に接続された第一の抵抗及び第二の抵抗により構成され、前記コンデンサに並列に接続された抵抗分圧回路と、
   前記第一の抵抗と第二の抵抗との分圧点の電圧を増幅して測定する測定回路と、
   前記コンデンサの充電を停止させ、前記放電回路の前記放電スイッチを導通させることによりコンデンサに充電されたエネルギを所定時間放電させ、前記測定回路にて測定された前記放電による前記電圧低下値からコンデンサ容量の適否を判定する診断回路と、
   を備え、
   放電時に前記コンデンサが有する自己放電電流以上の放電電流が流れるように放電抵抗の抵抗値を設定するとともに、充電された前記コンデンサの放電による診断時の電圧低下を前記コンデンサ容量の適否を判定するための基準値以内に抑えたことを特徴するコンデンサ容量診断装置。
2. 請求項１に記載のコンデンサ容量診断装置を備え、コンデンサに充電されたエネルギによって操作される電磁操作機構を備えた電力用機器。
3. コンデンサ容量の適否診断において、充電されたコンデンサの放電による電圧低下を電磁操作機構の動作が可能な所定の値以内に抑えて実施することを特徴とする請求項２に記載の電力用機器。

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