JP7397143B2 - 電気開閉装置の充填ガスの寿命予測 - Google Patents

電気開閉装置の充填ガスの寿命予測 Download PDF

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Description

本発明は、電気開閉装置の充填ガスの寿命を予測する方法に関する。
最初に、電気開閉装置のシステムは、電気開閉装置の充填ガスを形成する絶縁ガスで充填することができる。例えば、絶縁ガスは、六フッ化硫黄(SF6)からなり得るか、又はそれを含み得る。充填ガスは経時的にシステムから漏れ得るため、絶縁機能が低下する可能性がある。例えば、ガス充填システム内に配置された切換デバイスに対して、最低の絶縁機能を確保するために、充填ガスの最低圧力値を定義することができる。充填ガスの圧力がこの最低圧力値を下回ると、電気開閉装置の動作が危険になる可能性がある。このため、そのような状況では電気開閉装置の動作を停止することが推奨される。残念ながら、そうした状況は予期せずに発生し、電気開閉装置の不要なダウンタイムにつながる場合がある。
したがって、本発明の目的は、電気開閉装置の充填ガスの寿命を予測する方法を提供することである。特に、電気開閉装置の予期せぬダウンタイムは回避されるべきである。
本発明の目的は、電気開閉装置の充填ガスの寿命を予測する方法によって達成され、この方法は、
a)第1の時点tにおいて所定の温度Tで充填ガスを含有する電気開閉装置のシステム内の第1の圧力値pを測定し、第2の時点tにおいて同じ所定の温度Tで充填ガスを含有する電気開閉装置のシステム内の第2の圧力値pを測定する工程、又は、
b)第1の時点tにおいて所定の温度範囲内の第1の温度Tで充填ガスを含有する電気開閉装置のシステム内の第1の圧力値pを測定し、第2の時点tにおいて同じ所定の温度範囲内の第2の温度Tで充填ガスを含有する電気開閉装置のシステム内の第2の圧力値pを測定する工程と、
-第1の圧力値pと第2の圧力値pとの間の圧力差Δpを計算する工程と、
-当該圧力差Δpに基づいて充填ガスの寿命を計算する工程と、を含む。
このようにして、電気開閉装置の予期せぬダウンタイムを回避することができ、電気開閉装置の保守をより良好に計画することができる。
ガス充填システム内に配置された切換デバイスの切換動作によって引き起こされ得る充填ガスの急速な温度変化を回避するために、同じ所定の温度T又は少なくとも所定の温度範囲内の温度で圧力値を取得することが提案される。具体的には、そのような切換デバイスの切換接点の開放中の切換アークは、充填ガスを急速に加熱し、充填ガスの圧力p及び温度Tのグラフ内にスパイクを引き起こす可能性がある。試験及び調査により、圧力pと温度Tのスパイクの間に時間差があることが明らかになった。したがって、以下のガス式を使用して、
(式中、Rは、充填ガスのガス定数であり、Vgasは充填ガスの体積である)温度Tが圧力pに及ぼす影響を考慮に入れ、この影響は、詳細には、圧力pと温度Tの測定が切換デバイスのオフなどの遷移段階中に行われるとき、好ましくない状況下で無効な寿命予測を引き起こし得る。しかしながら、それは、必ずしも圧力値が所定の温度T又は温度範囲内でのみ取得されることを意味するものではなく、好ましくは、圧力pは連続的に測定することができ、好適な値を、寿命予測計算のためにデータストリームから取り出すことができる。
具体的には、充填ガスの総寿命LTtotalは、以下の式を使用して計算することができる。
式中、pは、第1の圧力値であり、pは、第2の圧力値であり、Δpは、第2の圧力値pと第1の圧力値pとの間の圧力差であり、tは、第1の時点であり、tは、第2の時点であり、Δtは、第2の時点tと第1の時点tとの間の時間差であり、Δpptuは、時間単位当たり(例えば、1年当たり)の公称圧力降下であり、LTnominalは、充填ガスの公称寿命であり、plowは、充填ガスの最低圧力値であり、phighは、充填ガスの最高圧力値である。
充填ガスの最低圧力値plowは、最低レベルの絶縁を確保する。その値を下回ると、電気開閉装置の動作が危険になる可能性がある。充填ガスの最高圧力値phighは通常、システムが充填されたときの初期圧力である。充填ガスの公称寿命LTnominalは、充填ガスの予想寿命、例えば30年である。時間単位当たりの公称圧力降下Δpptuは、この公称寿命LTnominal、及び最高圧力値phighと最低圧力値plowの差に対応する。
充填ガスの残りの寿命LTremainは、以下の式を使用して計算することができる。
別の実施形態では、充填ガスの総寿命LTtotalは、以下の式を使用して計算することができる。
式中、pは、第1の圧力値であり、pは、第2の圧力値であり、plowは、充填ガスの最低圧力値であり、phighは、充填ガスの最高圧力値であり、Δpは、第2の圧力値pと第1の圧力値pとの間の圧力差であり、tは、第1の時点であり、tは、第2の時点であり、Δtは、第2の時点tと第1の時点tとの間の時間差である。
更に、充填ガスの残りの寿命LTremainは、以下の式を使用して計算することができる。
式中、pは、第1の圧力値であり、pは、第2の圧力値であり、plowは、充填ガスの最低圧力値であり、Δpは、第2の圧力値pと第1の圧力値pとの間の圧力差であり、tは、第1の時点であり、tは、第2の時点であり、Δtは、第2の時点tと第1の時点tとの間の時間差である。
有利な実施形態では、以下の式を使用して、上述の式において、第1の圧力値pが、p1corrに置き換えられ、基準温度Trefに関連付けられ得る、及び/又は第2の圧力値pが、p2corrに置き換えられ、基準温度Trefに関連付けられ得る。
式中、Tは、第1の温度であり、Tは、第2の温度であり、Vgasは、充填ガスの体積であり、Rは充填ガスのガス定数であり、p1corrは、第1の補正圧力値であり、p2corrは、第2の補正圧力値である。これらの測定により、圧力測定を行うために温度範囲が定義されるとき、圧力p及びpがより正確に決定され得る。好ましくは、基準温度Trefは、当該温度範囲内である。
好ましくは、第1の圧力値p及び/又は第2の圧力値pは、コンデンサの体積変化に基づいて計算され、コンデンサは、コンデンサの2つの電極間の誘電材料としてエラストマーを有する。
詳細には、圧力変化Δpに基づくエラストマー又は誘電材料の変形は、初期圧力での初期体積Vに関して、比例体積変化ΔVを引き起こし得る。比例係数は、通常、Bで示され、圧力変化Δpの式は以下のように示される。
体積変化は、容量性圧力センサの静電容量の変化に基づいて計算され得る。コンデンサがボール形状であることを前提に、静電容量Cは、以下の式を使用して計算することができる。
式中、rは、可撓性外側電極の半径であり、rは、内側(剛性)電極の半径であり、εは絶対誘電率又は絶対誘電定数であり、εは、相対誘電率又は相対誘電定数である。初期圧力及び実際の圧力での既知の内側(剛性)電極の半径r及び可撓性外側電極の半径rに基づいて、体積変化ΔVと圧力変化Δpは、容易に計算することができる。当然ながら、例えば円筒形などの容量性圧力センサの他の形状も機能する。
好ましくは、第1の圧力値p又は第2の圧力値pが、充填ガスの最低圧力値plow未満に降下する場合、警告が出力される。例えば、この警告は、担当者に通知するために、信号灯及び/又は無線インターフェースを介して出力することができる。このようにして、例外的な圧力降下を認識することができる。
有利なことに、所定の温度T又は所定の温度範囲は、IEC規格IEC62271-100/200又は電気開閉装置の公称温度動作範囲に従って選択される。このようにして、適切な所定の温度T又は温度範囲が選択され得る。
本発明は、特定の実施形態を参照して以下により詳細に記載されるが、本発明はこれらに限定されない。
電気開閉装置の概略図である。 評価ユニットのより詳細な実施形態を示す図である。
一般に、同じ部品又は類似の部品は、同じ/類似の名称及び参照符号で示される。本明細書に開示される特徴は、それぞれ同じ/類似の名称及び参照符号を有する部品に適用される。向き及び相対位置を示すことは、関連付けられた図に関連し、向き及び/又は相対位置の表示は、場合によっては、それに応じて異なる図において修正される必要がある。
図1は、電気開閉装置1のハウジング4内のガスタンク3内の充填ガス2を含む電気開閉装置1の概略図である。充填ガス2は、圧力p、体積Vgas、及び温度Tを有する。
ガスタンク3には、電気開閉装置1は、外側電極6と、内側電極7と、両電極間の誘電材料8と、ベース9と、を有する容量性圧力センサ5を備える。誘電材料8は、エラストマーからなり得るか、又はエラストマーを含み得る。充填ガス2の圧力pは、電極5及び6並びに誘電材料8によって形成されたコンデンサの体積変化に基づいて計算することができる。
更に、温度センサ10が、ベース9上に配置されている。容量性圧力センサ5及び温度センサ10は、プロセッサ12と、メモリ13と、無線インターフェース14と、を含む評価ユニット11aに接続されている。更に、信号灯15が、評価ユニット11aに接続されている。最後に、電気開閉装置1は、充填ガス2に配置された例示的な切換デバイス16を備える。
ガスタンク3は、充填ガス2で充填されたより大きなシステムの一部であり得ることに留意されたい。例えば、システムは、追加のチャンバやチューブなどを備えてもよい。したがって、圧力センサ5及び/又は温度センサ10は、必ずしもガスタンク3内に配置されず、絶縁ガスで充填されたシステム内の別の位置に配置されてもよい。
電気開閉装置1の機能は、以下のとおりである。
最初に、システム及びしたがってガスタンク3は、電気開閉装置1の充填ガス2を形成する絶縁ガスで充填される。例えば、絶縁ガスは、六フッ化硫黄(SF6)からなり得るか、又はそれを含み得る。充填ガス2は経時的に、システムから、特にガスタンク3から漏れ得るため、絶縁機能が低下する可能性がある。例えば、場合によって切換デバイス16及び他のデバイスに対して、最低の絶縁機能を確保するために、充填ガス2の最低圧力値plowを定義することができる。充填ガス2の圧力pがこの最低圧力値plowを下回ると、電気開閉装置1の動作が危険になる可能性がある。このため、そのような状況では電気開閉装置1の動作を停止することが推奨される。
電気開閉装置1の予期せぬダウンタイムを回避するために、充填ガス2の寿命は、以下の方法に従って予測され、該方法は、
a)第1の時点tにおいて所定の温度Tで充填ガス2を含有する電気開閉装置1のシステム内の第1の圧力値pを測定し、第2の時点tにおいて同じ所定の温度Tで充填ガス2を含有する電気開閉装置1のシステム内の第2の圧力値pを測定する工程、又は、
b)第1の時点tにおいて所定の温度範囲内の第1の温度Tで充填ガス2を含有する電気開閉装置1のシステム内の第1の圧力値pを測定し、第2の時点tにおいて同じ所定の温度範囲内の第2の温度Tで充填ガス2を含有する電気開閉装置1のシステム内の第2の圧力値pを測定する工程と、
-第1の圧力値pと第2の圧力値pとの間の圧力差Δpを計算する工程と、
-当該圧力差Δpに基づいて充填ガス2の寿命を計算する工程と、を含む。
具体的には、充填ガスの総寿命LTtotalは、以下の式を使用して計算することができる。
式中、pは、第1の圧力値であり、pは、第2の圧力値であり、Δpは、第2の圧力値pと第1の圧力値pとの間の圧力差であり、tは、第1の時点であり、tは、第2の時点であり、Δtは、第2の時点tと第1の時点tとの間の時間差であり、Δpptuは、時間単位当たり(例えば、1年当たり)の公称圧力降下であり、LTnominalは、充填ガス2の公称寿命であり、plowは、充填ガス2の最低圧力値であり、phighは、充填ガス2の最高圧力値である。
既に述べたように、plowは充填ガス2の最低圧力値であり、その値を超えると、電気開閉装置1の安全な動作が確保される。充填ガス2の最高圧力値phighは通常、システム又はガスタンク3が充填されたときの初期圧力である。充填ガス2の公称寿命LTnominalは、充填ガス2の期待寿命、例えば30年である。時間単位当たりの公称圧力降下Δpptuは、充填ガス2の公称寿命LTnominal、及び充填ガス2の最高圧力値phighと最低圧力値plowの差に対応する。
充填ガス2の残りの寿命LTremainは、以下の式を使用して計算することができる。
詳細には、充填ガス2の圧力pは、本実施形態では、電極6及び7によって生成された静電容量を測定することによって、圧力センサ5を用いて測定される。切換デバイス16の切換動作によって引き起こされ得る充填ガス2の急速な温度変化を回避するために、同じ所定の温度T又は少なくとも所定の温度範囲内の温度Tで圧力値を取得することが提案される。具体的には、切換デバイス16の切換接点の開放中の切換アークは、充填ガス2を急速に加熱し、充填ガス2の圧力p及び温度Tのグラフ内にスパイクを引き起こす可能性がある。試験及び調査により、圧力pと温度Tのスパイクの間に時間差があることが明らかになった。以下のガス式を使用して、
(式中、Rは、充填ガスのガス定数である)温度Tが圧力pに及ぼす影響を考慮に入れ、この影響は、詳細には、圧力pと温度Tの測定が切換デバイス16のオフなどの遷移段階中に行われるとき、好ましくない状況下で無効な寿命予測を引き起こし得る。しかしながら、それは、必ずしも圧力値が所定の温度T又は温度範囲内でのみ取得されることを意味するものではなく、好ましくは、圧力pは連続的に測定することができ、好適な値を、寿命予測計算のためにデータストリームから取り出すことができる。
したがって、詳細には、評価ユニット11aのプロセッサ12は、圧力センサ5を使用して圧力pの測定、及び温度センサ10を使用して温度Tの測定を連続的に(すなわち、所定の時間間隔で)行って、測定値をメモリ13に記憶することができる。充填ガス2の寿命を計算するために、測定値をメモリ13から読み取り、上記の計算に使用することができる。あるいは、プロセッサ12は、温度センサ10を使用して温度Tを監視し、好適な温度で圧力pを測定することができる。
所定の温度T又は所定の温度範囲は、IEC規格IEC62271-100/200又は電気開閉装置1の公称温度動作範囲に従って選択され得る。このようにして、適切な所定の温度T又は温度範囲が選択され得る。
好ましい実施形態では、第1の圧力値p又は第2の圧力値pが、充填ガス2の最低圧力値plow未満に降下する場合、警告を出力することができる。例えば、この警告は、担当者に通知するために、信号灯15及び/又は無線インターフェース14を介して出力することができる。このようにして、例外的な圧力降下を認識することができる。
別の実施形態では、充填ガス2の総寿命LTtotalは、以下の式を使用して計算することができる。
充填ガス2の残りの寿命LTremainは、以下の式を使用して計算することができる。
すべての実施形態では、有益なことに、以下の式を使用して、上述の式において、第1の圧力値pが、p1corrに置き換えられ、基準温度Trefに関連付けられ得る、及び/又は第2の圧力値pが、p2corrに置き換えられ、基準温度Trefに関連付けられ得る。
式中、p1corrは、第1の補正圧力値であり、p2corrは、第2の補正圧力値である。これらの測定により、圧力測定を行うために温度範囲が定義されるとき、圧力pがより正確に決定され得る。好ましくは、基準温度Trefは、当該温度範囲内である。
一般に、充填ガス2の圧力pは、上述したように電極6及び7並びに誘電材料8によって形成されたコンデンサの体積変化に基づいて計算することができる。詳細には、圧力変化Δpに基づくエラストマー又は誘電材料8の変形は、初期圧力での初期体積Vに関して、比例体積変化ΔVを引き起こす。比例係数は、通常、Bで示され、圧力変化Δpの式は以下のように示される。
体積変化は、容量性圧力センサ5の静電容量の変化に基づいて容易に計算され得る。コンデンサがボール形状であることを前提に、静電容量Cは、以下の式を使用して計算することができる。
式中、rは、可撓性外側電極6の半径であり、rは、内側(剛性)電極7の半径であり、εは絶対誘電率又は絶対誘電定数であり、εは、相対誘電率又は相対誘電定数である。初期圧力及び実際の圧力での既知の内側(剛性)電極7の半径r及び可撓性外側電極6の半径rに基づいて、体積変化ΔVと圧力変化Δpは、容易に計算することができる。
図2は、図1の評価ユニット11aの部品に加えて、信号注入器17、信号調整器18、信号増幅器19、及びコンデンサ20を備える評価ユニット11bのより詳細な実施形態を示す。信号注入器17は、コンデンサ20と容量性圧力センサ5との直列接続に信号を印加するために提供される。信号調整器18は、コンデンサ20の両端間電圧に基づいて、かつ温度センサ10の信号に基づいて、圧力信号を生成するために提供される。信号増幅器19は、最終的に信号調整器18からの信号を増幅し、その信号をプロセッサ12に出力する。
本発明は、これまでに開示された実施形態に限定されないが、異なる変形の組み合わせが可能であることに留意されたい。実際には、電気開閉装置1及び評価ユニット11a、11bは、図に示されているよりも多い又は少ない部品を有し得る。更に、本明細書は、更なる独立した発明の主題を含み得る。
用語「含む(comprising)」は他の要素を除外しないこと、及び冠詞「a」又は「an」の使用は複数を除外しないことにも留意されるべきである。また、異なる実施形態に関連して記載される要素が組み合わされ得る。特許請求の範囲における参照符号は、特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことにも留意されるべきである。

Claims (9)

  1. 電気開閉装置(1)の充填ガス(2)の寿命を予測する方法であって、
    a)第1の時点tにおいて所定の温度Tで前記充填ガス(2)を含有する前記電気開閉装置(1)のシステム内の第1の圧力値pを測定し、第2の時点tにおいて同じ前記所定の温度Tで前記充填ガス(2)を含有する前記電気開閉装置(1)のシステム内の第2の圧力値pを測定する工程、又は、
    b)第1の時点tにおいて所定の温度範囲内の第1の温度Tで前記充填ガス(2)を含有する前記電気開閉装置(1)のシステム内の第1の圧力値pを測定し、第2の時点tにおいて同じ前記所定の温度範囲内の第2の温度Tで前記充填ガス(2)を含有する前記電気開閉装置(1)のシステム内の第2の圧力値pを測定する工程と、
    -前記第1の圧力値pと前記第2の圧力値pとの間の圧力差Δpを計算する工程と、
    -前記圧力差Δpに基づいて、前記充填ガス(2)の寿命を計算する工程と、
    を含み、前記第1の圧力値p及び/又は第2の圧力値pがコンデンサの体積変化に基づいて計算され、前記コンデンサが前記コンデンサの2つの電極(6、7)間に誘電材料(8)としてエラストマーを有することを特徴とする、方法。
  2. 前記充填ガスの総寿命LTtotalが、以下の式を使用して計算され、
    Figure 0007397143000018
    式中、pは、前記第1の圧力値であり、pは、前記第2の圧力値であり、Δpは、前記第2の圧力値pと前記第1の圧力値pとの間の圧力差であり、tは、前記第1の時点であり、tは、前記第2の時点であり、Δtは、前記第2の時点tと前記第1の時点tとの間の時間差であり、Δpptuは、時間単位当たりの公称圧力降下であり、LTnominalは、前記充填ガス(2)の公称寿命であり、plowは、前記充填ガス(2)の最低圧力値であり、phighは、前記充填ガス(2)の最高圧力値である、ことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記充填ガス(2)の残りの寿命LTremainが、以下の式を使用して計算されることを特徴とする、請求項2に記載の方法。
    Figure 0007397143000019
  4. 前記充填ガス(2)の総寿命LTtotalが、以下の式を使用して計算され、
    Figure 0007397143000020
    式中、pは、前記第1の圧力値であり、pは、前記第2の圧力値であり、plowは、前記充填ガス(2)の最低圧力値であり、phighは、前記充填ガス(2)の最高圧力値であり、Δpは、前記第2の圧力値pと前記第1の圧力値pとの間の圧力差であり、tは、前記第1の時点であり、tは、前記第2の時点であり、Δtは、前記第2の時点tと前記第1の時点tとの間の時間差である、ことを特徴とする請求項1又は3に記載の方法。
  5. 前記充填ガス(2)の残りの寿命LTremainが、以下の式を使用して計算され、
    Figure 0007397143000021
    式中、pは、前記第1の圧力値であり、pは、前記第2の圧力値であり、plowは、前記充填ガスの最低圧力値であり、Δpは、前記第2の圧力値pと前記第1の圧力値pとの間の圧力差であり、tは、前記第1の時点であり、tは、前記第2の時点であり、Δtは、前記第2の時点tと前記第1の時点tとの間の時間差である、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
  6. 以下の式を使用して、前記第1の圧力値pが、p1corrに置き換えられ、基準温度Trefに関連付けられる、及び/又は第2の圧力値pが、p2corrに置き換えられ、基準温度Trefに関連付けられ、
    Figure 0007397143000022
    式中、Tは、前記第1の温度であり、Tは、前記第2の温度であり、Vgasは、前記充填ガス(2)の体積であり、Rは前記充填ガス(2)のガス定数であり、p1corrは、第1の補正圧力値であり、p2corrは、第2の補正圧力値である、ことを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法。
  7. 前記第1の圧力値p又は前記第2の圧力値pが、前記充填ガス(2)の最低圧力値plow未満に降下する場合、警告が出力されることを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法。
  8. 前記所定の温度T又は前記所定の温度範囲が、IEC規格IEC62271-100/200又は電気開閉装置(1)の公称温度動作範囲に従って選択されることを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法。
  9. 電気開閉装置(1)の充填ガス(2)の寿命を予測するためのシステムであって、
    i.前記電気開閉装置(1)のシステム内の圧力値を測定するための圧力センサ(5)であって、コンデンサを含み、前記コンデンサが、前記コンデンサの2つの電極(6、7)間に誘電材料(8)としてエラストマーを有する、圧力センサ(5)と、
    ii.前記電気開閉装置(1)のシステム内の温度を測定するための温度センサ(10)と、
    iii.プロセッサ(12)及びメモリ(13)を備える評価ユニット(11a)と、を備え、容量性の前記圧力センサ(5)と前記温度センサ(10)とが、前記評価ユニット(11a)に接続されており、
    前記システムが、
    a)第1の時点tにおいて、前記温度センサ(10)を使用して測定された所定の温度Tで前記充填ガス(2)を含有する前記電気開閉装置(1)のシステム内の第1の圧力値pを、前記圧力センサ(5)を使用して測定し、第2の時点tにおいて前記温度センサ(10)を使用して測定された同じ前記所定の温度Tで前記充填ガス(2)を含有する前記電気開閉装置(1)の前記システム内の第2の圧力値pを、前記圧力センサ(5)を使用して測定する工程と、又は、
    b)第1の時点tにおいて所定の温度範囲内の前記温度センサ(10)を使用して測定された第1の温度Tで前記充填ガス(2)を含有する前記電気開閉装置(1)のシステム内の第1の圧力値pを、前記圧力センサ(5)を使用して測定し、第2の時点tにおいて同じ前記所定の温度範囲内の、前記温度センサ(10)を使用して測定された第2の温度Tで前記充填ガス(2)を含有する前記電気開閉装置(1)の前記システム内の第2の圧力値pを、前記圧力センサ(5)を使用して測定する工程と、
    -前記第1の圧力値pと前記第2の圧力値pとの間の圧力差Δpを計算する工程と、
    -前記圧力差Δpに基づいて、前記充填ガス(2)の寿命を計算する工程と、を実行するように構成されており、前記第1の圧力値p及び/又は第2の圧力値pがコンデンサの体積変化に基づいて計算され、前記コンデンサが前記コンデンサの2つの電極(6、7)間に誘電材料(8)としてエラストマーを有する、システム。
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