JP6234646B1 - 温度測定器、ガス絶縁機器及び導体温度測定方法 - Google Patents

Abstract

ガス絶縁機器の導体（５０）の温度を測定する温度測定器（１）であって、第１スロットアンテナ（１１１）及び第２スロットアンテナ（１１２）が形成された導電性を有する円筒状の外枠（１１ｃ）を備えた筐体（１１）と、第１スロットアンテナ（１１１）に接続され、共振周波数が温度特性を有する帯域通過素子（１４）及び第２スロットアンテナ（１１２）に接続されたアイソレータ（１５）が実装され、帯域通過素子（１４）とアイソレータ（１５）とを接続する配線パターン（１２ａ）を有し、筐体（１１）に収容された基板（１２）とを備え、帯域通過素子（１４）は、筐体（１１）に挿入された導体（５０）と接触して熱的に接続される。

Description

本発明は、ガス絶縁機器の導体の温度を測定する温度測定器、この温度測定器を備えたガス絶縁機器及びこの温度測定器を用いた導体温度測定方法に関するものである。

絶縁ガスを封入したタンク内に配置された導体に通電するガス絶縁機器において、導体温度は、導体同士のつなぎ目である導体接続部での接触不良による異常発熱の検出及び導体可動部へ塗布されるグリスの劣化の指標となる。したがって、ガス絶縁機器の導体の温度を運転中に測定することに対するニーズがある。

運転中のガス絶縁機器内部は、高電界状態であり、導体にセンサを取り付けても、センサに通じるリード線を機器の筐体の外に引き出すことができない。したがって、ガス絶縁機器の導体の温度を運転中に測定することは、困難であった。

特許文献１には、被測定物の温度を遠隔的に測定する手法が提案されている。特許文献１に開示される温度測定方法は、共振周波数の温度特性を持つ水晶振動子と二本のリード線とを用いて共振器を作り、発振設備からの周波数を変化させ、受信設備で検出した共振信号の周波数に基づいて被測定物の温度を測定する。

特公昭６３−５０６４６号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される温度測定方法をガス絶縁機器の導体の温度の測定に適用すると、導体に接触させる水晶振動子にリード線が取り付けられているため、共振器を構成する二本のリード線とタンクとの間で地絡が発生しやすくなる。このため、ガス絶縁機器の導体の温度を運転中に測定することができなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ガス絶縁機器の導体の温度をガス絶縁機器の運転中に測定できる温度測定器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、ガス絶縁機器の導体の温度を測定する温度測定器であって、第１スロットアンテナ及び第２スロットアンテナが形成された導電性を有する円筒状の外枠を備えた筐体と、第１スロットアンテナに接続され、共振周波数が温度特性を有する帯域通過素子及び第２スロットアンテナに接続されたアイソレータが実装され、帯域通過素子とアイソレータとを接続する配線パターンを有し、筐体に収容された基板とを備える。帯域通過素子は、筐体に挿入された導体と接触して熱的に接続される。

本発明によれば、ガス絶縁機器の導体の温度をガス絶縁機器の運転中に測定できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る温度測定器の上面図 実施の形態１に係る温度測定器の前面図 実施の形態１に係る温度測定器の側面図 実施の形態１に係る温度測定器をガス絶縁機器のタンクの内部に設置した状態を模式的に示す図 実施の形態１に係る温度測定器によるガス絶縁機器の導体の温度測定に用いる信号波形の一例を示す図 本発明の実施の形態２に係る温度測定器の上面図

以下に、本発明の実施の形態に係る温度測定器、ガス絶縁機器及び導体温度測定方法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に係る温度測定器の上面図である。図２は、実施の形態１に係る温度測定器の前面図である．図３は、実施の形態１に係る温度測定器の側面図である。温度測定器１は、第１スロットアンテナ１１１及び第２スロットアンテナ１１２が形成された筐体１１と、筐体１１内に収容された基板１２と、第１スロットアンテナ１１１と基板１２とを接続する同軸ケーブル１３ａと、基板１２と第２スロットアンテナ１１２とを接続する同軸ケーブル１３ｂとを有する。筐体１１は、導電性材料で形成されており、円筒状になっている。温度測定器１は、筐体１１が外側から被さるようにガス絶縁機器の導体５０に設置される。ガス絶縁機器は、遮断器、断路器、母線、計器用変流器、計器用変圧器及び接地開閉器を例示できる。実施の形態１において、筐体１１は、筐体部品１１ｙ，１１ｚを組み合わせて構成されているが、分割構造でなくてもよい。筐体部品１１ｙ，１１ｚは、筐体１１を軸方向に沿って二分割した形状になっている。なお、筐体１１は、三つ以上の筐体部品を組み合わせて円筒状に形成されてもよい。

筐体１１は、一端１１ａから他端１１ｂ側に向かって外径が連続的に大きくなった後に一定となり、その後連続的に小さくなる外枠１１ｃを有している。外枠１１ｃは、一端１１ａから外径が連続的に大きくなる部分及び他端１１ｂに向かって外径が連続的に小さくなる部分がテーパ面となっている。以下、外枠１１ｃの一端１１ａから他端１１ｂ側に向かって外径が連続的に大きくなる部分を第１テーパ部１１ｄと称し、一端１１ａ側から他端１１ｂに向かって外径が連続的に小さくなる部分を第２テーパ部１１ｅと称する。また、外枠１１ｃの第１テーパ部１１ｄと第２テーパ部１１ｅとの間の部分を中間部１１ｆという。すなわち、中間部１１ｆは、外枠１１ｃの外径が一定の部分である。

第１テーパ部１１ｄと中間部１１ｆとがなす角度θ１は、鈍角となっている。また、第２テーパ部１１ｅと中間部１１ｆとがなす角度θ２は、鈍角となっている。角度θ１及び角度θ２が鈍角であることにより、第１テーパ部１１ｄと中間部１１ｆとの角又は第２テーパ部１１ｅと中間部１１ｆとの角から部分放電が発生することが防止される。実施の形態１においては、θ１＝θ２であるとする。なお、第１テーパ部１１ｄと中間部１１ｆとの境界及び第２テーパ部１１ｅと中間部１１ｆとの境界を曲面とし、角が存在しないようにしても良い。

第１スロットアンテナ１１１は、第１テーパ部１１ｄに形成されており、第２スロットアンテナ１１２は、第２テーパ部１１ｅに形成されている。

筐体部品１１ｙには、第１テーパ部１１ｄと中間部１１ｆとを隔てる第１隔壁１１ｇと、第２テーパ部１１ｅと中間部１１ｆとを隔てる第２隔壁１１ｈとが設けられている。第１隔壁１１ｇ及び第２隔壁１１ｈは、筐体１１の内部側に設けられている。第１隔壁１１ｇ及び第２隔壁１１ｈは、導電性材料で形成されている。基板１２は、導体５０に温度測定器１を設置した際に、第１隔壁１１ｇと第２隔壁１１ｈと中間部１１ｆと、導体５０とで囲まれる空間に配置されている。

基板１２には、共振周波数が温度特性を有する帯域通過素子１４と、電気信号の通過方向を一方向に制限するアイソレータ１５とが実装されている。帯域通過素子１４は、共振周波数との周波数の差が小さい電気信号ほど透過率が大きい。帯域通過素子１４には、セラミック振動子及び水晶振動子を例示できるがこれらに限定はされない。帯域通過素子１４は、同軸ケーブル１３ａで第１スロットアンテナ１１１に接続されている。アイソレータ１５は、同軸ケーブル１３ｂで第２スロットアンテナ１１２に接続されている。帯域通過素子１４及びアイソレータ１５は、基板１２に設けられた配線パターン１２ａによって接続されている。アイソレータ１５は、帯域通過素子１４から入力された電気信号を通過させるが、同軸ケーブル１３ｂから入力された電気信号は通過させない。

帯域通過素子１４は、基板１２の導体５０と対向する面に実装されており、導体５０に接して熱的に接続されている。したがって、帯域通過素子１４の温度は、導体５０の温度と同じ温度となる。一方、アイソレータ１５は、基板１２の導体５０と対向しない面に実装されており、導体５０とは非接触である。したがって、アイソレータ１５は、導体５０の温度変化の影響を受けにくい。なお、アイソレータ１５を基板１２の導体５０と対向する面に実装してもよい。基板１２の導体５０と対向する面にアイソレータ１５を実装することにより、筐体１１は、中間部１１ｆにおける外径寸法を小さくできるため、温度測定器１の小型化が可能となる。

図４は、実施の形態１に係る温度測定器をガス絶縁機器のタンクの内部に設置した状態を模式的に示す図である。温度測定器１は、ガス絶縁機器のタンク１００の内部の絶縁ガスが充填された空間に設置される。タンク１００は、導電性材料で形成されている。絶縁ガスは、六弗化硫黄ガスが一般的であるが、これに限定されない。導体５０同士の接続部である導体接続部５１に隣接して温度測定器１を配置した場合、帯域通過素子１４の温度は、導体接続部５１の温度と見なすことができる。

温度測定器１を用いて導体温度を測定する際には、温度測定器１を設置した箇所を挟んで位置する二つの絶縁スペーサ６１，６２の一方の絶縁スペーサ６１に第１外部アンテナ７１を設置し、他方の絶縁スペーサ６２に第２外部アンテナ７２を設置する。絶縁スペーサ６１，６２は、エポキシ樹脂といった絶縁材料で形成されている。なお、第１外部アンテナ７１は、第１テーパ部１１ｄ側に設置され、第２外部アンテナ７２は、第２テーパ部１１ｅ側に設置される。発振器７５から第１外部アンテナ７１に複数の周波数成分を含む電気信号を入力すると、第１外部アンテナ７１で電気信号は電磁波に変換され、絶縁スペーサ６１を通り抜けてガス絶縁機器のタンク１００の内部に侵入する。そして、第１外部アンテナ７１で変換された電磁波は、ガス絶縁機器のタンク１００の内部を伝播する。

ガス絶縁機器のタンク１００の内部を伝播する電磁波は、第１スロットアンテナ１１１において電気信号に変換され、同軸ケーブル１３ａを介して帯域通過素子１４に入力される。帯域通過素子１４の共振周波数には、温度依存性があるため、導体５０の温度によって定まる共振周波数の周波数成分が帯域通過素子１４を通過してアイソレータ１５へ入力される。帯域通過素子１４からアイソレータ１５に入力された電気信号は、アイソレータ１５を通過して同軸ケーブル１３ｂを介して第２スロットアンテナ１１２に入力される。なお、ガス絶縁機器のタンク１００の内部を伝播して第２スロットアンテナ１１２に入力された電磁波は、第２スロットアンテナ１１２で電気信号に変換されるが、変換された電気信号は、アイソレータ１５に遮られ帯域通過素子１４には到達しない。

同軸ケーブル１３ｂから第２スロットアンテナ１１２に入力された電気信号は、電磁波に変換されてガス絶縁機器のタンク１００の内部を伝播する。ガス絶縁機器のタンク１００の内部を伝播した電磁波が絶縁スペーサ６２まで達すると、電磁波は、絶縁スペーサ６２を通り抜けて第２外部アンテナ７２に入力され、第２外部アンテナ７２において電気信号に変換される。第２外部アンテナ７２における変換後の電気信号は、アンプ７３で増幅されたのちにオシロスコープ７４に入力され、波形が表示される。オシロスコープ７４に表示される波形は、導体５０の温度によって定まる共振周波数の周波数成分の強度が最も強くなる波形であるため、オシロスコープ７４に表示された波形に基づいて、導体５０の温度を特定することができる。

図５は、実施の形態１に係る温度測定器によるガス絶縁機器の導体の温度測定に用いる信号波形の一例を示す図である。複数の周波数成分の波形を合成波であるパルス信号を発振器から第１外部アンテナ７１に入力している。すなわち、第１外部アンテナ７１には、複数の周波数成分の電気信号が同時に入力されている。パルス信号は、第１外部アンテナ７１において広帯域の電磁波に変換され、絶縁スペーサ６１を通り抜けてガス絶縁機器のタンク１００の内部に侵入する。なお、タンク１００の内部に侵入した電磁波の一部は、ガス絶縁機器のタンク１００の内部で反射を繰り返しながら伝播する。したがって、第１スロットアンテナ１１１には、最短経路で通った電磁波が最も早く到達し、反射により長い経路を通った電磁波ほど到達が遅くなる。また、最短経路を通って第１スロットアンテナ１１１に到達した電磁波の強度が最も高く、長い経路を通った電磁波ほど強度が弱くなる。したがって、第１スロットアンテナ１１１に入力される電磁波の波形は、時間とともに強度が低くなる三角形状になっている。第１外部アンテナ７１から送信された広帯域の電磁波は、第１スロットアンテナ１１１で電気信号に変換されるが、帯域通過素子１４の共振周波数との周波数の差が小さい周波数成分ほど大きい透過率で帯域通過素子１４を透過する。したがって、第２外部アンテナ７２から出力される電磁波は、第１外部アンテナ７１に入力されたパルス信号に含まれる複数の周波数成分のうち帯域通過素子１４の共振周波数の周波数成分の強度が最も強くなる。

オシロスコープ７４には、温度測定器１を経由せずに第２外部アンテナ７２で受信された電磁波の波形と、温度測定器１を経由して第２外部アンテナ７２で受信された電磁波の波形とが表示される。帯域通過素子１４を通過した信号が第２スロットアンテナ１１２から送信されるのは、発振器７５がパルス信号を発生させてから帯域通過素子１４の特性による遅延時間Ｔの経過後であるが、遅延時間は帯域通過素子１４の温度に依らず一定である。したがって、発振器７５がパルス信号を発生させてから遅延時間Ｔが経過した後にオシロスコープ７４に表示された波形を観測することで、導体５０の温度を測定できる。

なお、複数の周波数成分の波形を合成波であるパルス信号の代わりに、周波数成分が時間とともに変化する電気信号を発振器７５から第１外部アンテナ７１に入力しても、第２外部アンテナ７２から出力される電磁波は、第１外部アンテナ７１に入力された電磁波のうち、帯域通過素子１４の共振周波数の周波数成分の強度が最も強くなる。したがって、周波数成分が時間とともに変換する電気信号を発振器７５から第１外部アンテナ７１に入力することによっても、導体５０の温度を測定できる。

基板１２に実装される帯域通過素子１４及びアイソレータ１５は、入力された電気信号の電力を消費して動作する受動部品であり、帯域通過素子１４及びアイソレータ１５に外部から電力を供給する必要がない。したがって、温度測定器１は、バッテリを搭載する必要がなく、バッテリ切れによって導体５０の温度を測定不能となってしまうことがない。また、受動部品は、増幅及び整流といった動作を行う能動部品と比較して故障が発生しにくい。ガス絶縁機器は、数十年の期待寿命があり、一般的にはタンク１００を開放してメンテナンスすることは想定されていない。したがって、タンク１００を開放してバッテリを交換したり、故障した部品を交換したりする必要がない実施の形態１係る温度測定器１は、ガス絶縁機器のタンク１００の内部に設置するのに適している。

実施の形態１に係る温度測定器１は、導体５０の温度を直に測定するため、日射の影響によってタンク１００内の絶縁ガスの温度が高くなった状態であっても、導体５０の温度測定の精度は低下しにくい。

実施の形態１に係る温度測定器は、ガス絶縁機器の導体の温度を運転中に測定することができる。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係る温度測定器の上面図である。実施の形態２に係る温度測定器１０１は、第１テーパ部１１ｄと中間部１１ｆとがなす角度θ１は、第２テーパ部１１ｅと中間部１１ｆとがなす角度θ２よりも大きく、θ１＞θ２となっている。すなわち、第１テーパ部１１ｄのテーパよりも第２テーパ部１１ｅのテーパの方が大きくなっている。この他については、実施の形態１に係る温度測定器１と同様である。

実施の形態２に係る温度測定器１０１は、θ１＞θ２であり、第２テーパ部１１ｅのテーパが第１テーパ部１１ｄのテーパよりも大きくなっているため、一端１１ａから他端１１ｂ迄の長さは、θ１＝θ２である温度測定器よりも幅が短くなる。第２テーパ部１１ｅの導体５０の延伸方向に対する傾斜が大きくなると、第２スロットアンテナ１１２からは、導体５０の延伸方向に対して角度を持った方向に電磁波が放射されやすくなる。けれども、タンク１００の内部では、導体５０の延伸方向に対して角度を持った方向に第２スロットアンテナ１１２から電磁波が放射されても、タンク１００で反射されながら電磁波が進行し、絶縁スペーサ６２に到達する。したがって、導体５０の延伸方向に対して角度を持った方向に第２スロットアンテナ１１２から電磁波が放射されても、第２外部アンテナ７２で受信することができる。

実施の形態２に係る温度測定器１０１は、筐体１１の一端１１ａから他端１１ｂまでの寸法を小さくすることができる。すなわち、実施の形態２に係る温度測定器１０１は、筐体１１を小型化できる。

上記実施の形態１，２において、第１スロットアンテナ１１１は、第１テーパ部１１ｄに形成されており、第２スロットアンテナ１１２は、第２テーパ部１１ｅに形成されていたが、第１スロットアンテナ１１１及び第２スロットアンテナ１１２の少なくとも一方を中間部１１ｆに形成してもよい。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、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、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，１０１ 温度測定器、１１ 筐体、１１ａ 一端、１１ｂ 他端、１１ｃ 外枠、１１ｄ 第１テーパ部、１１ｅ 第２テーパ部、１１ｆ 中間部、１１ｇ 第１隔壁、１１ｈ 第２隔壁、１２ 基板、１２ａ 配線パターン、１３ａ，１３ｂ 同軸ケーブル、１４ 帯域通過素子、１５ アイソレータ、５０ 導体、５１ 導体接続部、６１，６２ 絶縁スペーサ、７１ 第１外部アンテナ、７２ 第２外部アンテナ、７３ アンプ、７４ オシロスコープ、７５ 発振器、１００ タンク、１１１ 第１スロットアンテナ、１１２ 第２スロットアンテナ。

Claims (9)

1. ガス絶縁機器の導体の温度を測定する温度測定器であって、
   第１スロットアンテナ及び第２スロットアンテナが形成された導電性を有する円筒状の外枠を備えた筐体と、
   前記第１スロットアンテナに接続され、共振周波数が温度特性を有する帯域通過素子及び前記第２スロットアンテナに接続されたアイソレータが実装され、前記帯域通過素子と前記アイソレータとを接続する配線パターンを有し、前記筐体に収容された基板とを備え、
   前記帯域通過素子は、前記筐体に挿入された前記導体と接触して熱的に接続されることを特徴とする温度測定器。
2. 前記筐体は、一端から他端側に向かって外径が大きくなる第１テーパ部と、外径が一定である中間部と、前記一端側から前記他端に向かって外径が小さくなる第２テーパ部とを有し、
   前記第１スロットアンテナは、前記第１テーパ部に形成されており、
   前記第２スロットアンテナは、前記第２テーパ部に形成されており、
   前記基板は、前記中間部に収容されていることを特徴とする請求項１に記載の温度測定器。
3. 前記アイソレータは、前記基板の主面のうち、前記筐体に挿入された前記導体と対向する面の裏面に実装されていることを特徴とする請求項１に記載の温度測定器。
4. 前記筐体は、前記第１テーパ部と前記中間部とを隔てる第１隔壁、及び前記中間部と前記第２テーパ部とを隔てる第２隔壁を備えることを特徴とする請求項２に記載の温度測定器。
5. 前記第１テーパ部と前記中間部とがなす角度は、前記第２テーパ部と前記中間部とがなす角度よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の温度測定器。
6. 絶縁ガスが封入されたタンクと、
   前記タンク内に配置された導体と、
   前記導体に被せられた請求項１から５のいずれか１項に記載の温度測定器とを有することを特徴とするガス絶縁機器。
7. 請求項１から５のいずれか１項に記載の温度測定器を用いてガス絶縁機器の導体の温度を測定する導体温度測定方法であって、
   前記導体が挿入された前記温度測定器を挟んで位置する前記ガス絶縁機器の二つの絶縁スペーサの一方に第１外部アンテナを、他方に第２外部アンテナを設置し、
   前記第１外部アンテナに、複数の周波数成分を含む電気信号を入力して、前記ガス絶縁機器内部に複数の周波数成分を含む電磁波を伝播させ、
   前記ガス絶縁機器の内部を伝播する複数の周波数成分を含む電磁波を前記第１スロットアンテナで電気信号に変換させ、
   前記第１スロットアンテナから前記帯域通過素子に入力される電気信号に含まれる複数の周波数成分のうち、前記帯域通過素子の共振周波数の周波数成分を前記アイソレータ側に通過させ、
   前記アイソレータを通過した電気信号を、前記第２スロットアンテナで電磁波に変換して、前記ガス絶縁機器の内部を伝播させ、
   前記ガス絶縁機器の内部を伝播する電磁波を前記第２外部アンテナで電気信号に変換させ、
   前記第２外部アンテナで変換された電気信号の周波数に基づいて、前記温度測定器が設置された部分での前記導体の温度を特定することを特徴とする導体温度測定方法。
8. 前記複数の周波数成分を含む電気信号を合成したパルス信号を前記第１外部アンテナに入力することを特徴とする請求項７に記載の導体温度測定方法。
9. 電気信号の周波数を時間とともに変化させることにより、前記複数の周波数成分を含む電気信号を前記第１外部アンテナに入力することを特徴とする請求項７に記載の導体温度測定方法。

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