WO2022190463A1 - コンデンサ静電容量監視方法およびコンデンサ静電容量監視装置 - Google Patents

Abstract

監視のための構成が簡単なコンデンサ容量監視方法およびコンデンサ容量監視装置を提供する。　コンデンサ容量監視装置は、コンデンサと、前記コンデンサを充電するための電源と、前記コンデンサの静電容量の状態を監視する監視部と、コンデンサの充電時の充電電流を計測する電流センサーとを備えている。そして、監視部は、この電流センサーから、充電時の電流波高値とコンデンサが所定電圧に達した時点の充電電流値とを入力し、前記充電電流波高値と前記充電電流値との電流差に基づいて、コンデンサの静電容量の状態を求め、その状態とあらかじめ設定しておいた判断のための基準値とを比較してコンデンサの状態を監視する。

Description

コンデンサ静電容量監視方法およびコンデンサ静電容量監視装置

　本発明は、コンデンサ容量監視方法およびコンデンサ静電容量監視装置に関するものである。

　従来のコンデンサ静電容量監視方法、例えば、真空遮断器の電磁操作機構の電源コンデンサの静電容量監視方法は、電源コンデンサから充放電リード線を取り外して、静電容量を静電容量計で測定していたため、機器の停止が必要であった。

　これに対し、電力用機器を停止させることなく運用中にコンデンサ容量を診断する診断装置として、例えばＷＯ２０１０／１５０５９９Ａ１（特許文献１）に記載された技術が知られている。この特許文献１には、コンデンサに充電するための直流電源と、コンデンサのエネルギーを放電させるためのコンデンサに並列に接続される放電回路と、放電時の電圧低下を測定するための抵抗分圧回路と、分圧電圧を測定する測定回路と、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とを備えたコンデンサ静電容量診断装置が開示されている。

ＷＯ２０１０／１５０５９９Ａ１

　特許文献１に記載の診断装置（監視装置）では、コンデンサに並列に放電回路を設けておき、その放電回路をコンデンサに接続することで、一定の時間だけ放電させ、その時のコンデンサの電圧を測定することにより、コンデンサの静電容量診断（コンデンサの容量適否診断）を行っている。

　この診断装置では、放電回路を設ける必要があること、放電回路の入切を制御しなければならないことなどの課題がある。また、放電回路を接続するときの、コンデンサの初期電圧がばらつくと、放電回路を一定の時間だけ放電させた後のコンデンサの電圧測定値がばらつくという課題もあった。

　そこで、本発明の目的は、放電回路や放電回路の制御が不要であり、診断のための構成が簡単で信頼性の高いコンデンサ容量監視方法およびコンデンサ容量監視装置を提供することである。

　上記した目的を達成するために、本発明は、その一例を挙げると、コンデンサと、前記コンデンサを充電するための電源とを有し、前記コンデンサの静電容量の状態を監視するコンデンサ容量監視方法であって、前記コンデンサの放電後に再充電を行う際の充電電流波高値と、前記コンデンサが所定電圧に充電された時点の充電電流値とを計測し、前記充電電流波高値と前記充電電流値との電流差に基づいて前記コンデンサの状態を監視するコンデンサ静電容量監視方法である。

　また、本発明の他の例を挙げると、コンデンサと、前記コンデンサを充電するための電源と、前記コンデンサの静電容量の状態を監視する監視部とを備えたコンデンサ容量監視装置であって、前記コンデンサの充電時の充電電流を計測する電流センサーを設け、前記監視部は、前記電流センサーから、充電時の充電電流波高値と前記コンデンサが所定電圧に達した時点の充電電流値とを入力し、前記充電電流波高値と前記充電電流値との電流差に基づいて前記コンデンサの状態を監視するコンデンサ静電容量監視装置である。

　本発明によれば、コンデンサの静電容量の診断のための構成が簡単で信頼性の高いコンデンサ容量監視方法およびコンデンサ容量監視装置を実現することができる。

本発明の実施例１における開閉装置を示す図である。 図１における真空遮断器の縦側断面図である。 図１における真空遮断器の縦正断面図である。 実施例１におけるコンデンサの充放電回路を示す図である。 実施例１における静電容量監視方法を説明するための図である。 実施例１における静電容量監視方法を説明するための図である。 実施例１における静電容量監視方法を説明するための図である。 実施例１における診断部の構成を示す図である。 実施例２における診断部の構成を示す図である。 実施例３における診断部の構成を示す図である。 実施例４における診断部の構成を示す図である。 実施例５における診断部の構成を示す図である。

　以下、本発明を具体的な実施例により詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。本発明は、下記の実施例を含めて種々の態様に変形することができる。また、以下の説明で用いる図面において、同一の部品や構成機器には同一の符号（番号）を用いており、すでに説明した部品や構成機器に関する説明を省略する場合がある。

　≪実施例１≫
　次に、実施例１について、図１から図７を用いて説明する。実施例１は、本発明を、開閉装置（スイッチギヤ）における真空遮断器の電磁操作機構の電源コンデンサの静電容量監視に適用したものである。図１は、実施例１における開閉装置全体の構成を示す図である。図２および図３は、図１の開閉装置に使用される真空遮断器の構成を示す図である。図４は、真空遮断器を駆動するためのコンデンサ充放電回路である。図５、図６Ａ、および図６Ｂは、本発明の実施例１における診断方法を説明するための図である。図７は、本発明の実施例１における診断部の構成を示す図である。

　まず、図１を用いて、開閉装置の全体構成について説明する。図１において、開閉装置１００は、計測器室１０１、遮断器室１０２、母線室１０３、ケーブル室１０４を備えている。計測器室１０１内には、真空遮断器１１０を制御する遮断器制御部１０５が設けられている。また、計測器室１０１内には、コンデンサの静電容量の状態を監視（診断）する監視部２００と、監視部２００の診断結果を表示する表示装置２１０とが設けられている。遮断器室１０２には、真空遮断器１１０が備え付けられており、異常時には遮断器制御部１０５の制御により、電源コンデンサを放電させることにより電磁石を駆動させ、真空遮断器１１０が作動し、母線１３０の電路を遮断する。母線１３０は、真空遮断器１１０の断路部と連結される。ケーブル室１０４には、配電用ケーブル１２０が配される。

　次に、図２および図３により、この真空遮断器１１０の構成について説明する。図２は真空遮断器の縦側断面図、図３は真空遮断器の縦正断面図である。図２および図３において、ケース１１１内には、励磁コイル１４１を有する電磁石１４が配置される。電磁石１４は、この励磁コイル１４１の励磁により、母線１３０の電路の遮断動作を実行するための駆動力を発生する。電源コンデンサは、電磁石１４の励磁コイル１４１に対して励磁電流を付与する。そのために、図３に示すようにコンデンサ１６（電源コンデンサ）が内蔵されている。また、図２に示すように、ケース１１１の下部には、遮断ばね１１３が配置され、更にシャフト１１４が配置される。

　また、図２に示すように、絶縁フレーム１３１内には、断路部１３２と接続する固定側導体１３４が真空バルブ１３６内の固定接点１３７と接続されている。また、断路部１３３と接続する可動側導体１３５が真空バルブ１３６内の可動接点１３８と接続されている。断路部１３２は母線の一端と接続され、断路部１３３は母線の他端と接続されている。１１６は絶縁ロッド、１１５はワイプばねである。通常（正常時）は、真空バルブ１３６内の固定接点１３７と可動接点１３８とは接触しており、母線１３０の電路はつながった状態になっている。母線や電力系統に異常が発生すると、真空遮断器１１０が作動する。すなわち、遮断器制御部１０５の制御により、コンデンサ１６に蓄えられたエネルギーを電磁石１４の励磁コイル１４１に供給し、永久磁石１５による投入保持力をキャンセルする。これにより、遮断ばね１１３とワイプばね１１５の付勢力によって、シャフト１１４、絶縁ロッド１１６を経由して可動接点１３８を引き離す方向に移動させ、固定接点１３７と可動接点１３８とが引き離される。このようにして、母線の電路は遮断される。

　図３において、２０１は電流センサーであり、計測した電流は監視部２００に入力される。制御リード線１１７は、コンデンサ１６を充電するための電源と接続されている。１１８は制御基板を示し、１１２は補助接点を示している。制御基板１１８から、制御リード線１１７が補助接点１１２、コンデンサ１６、電磁石１４の励磁コイル１４１に接続されている。電流センサー２０１は、制御リード線１１７のうちの、コンデンサ１６の充電電流が流れるリード線に対して取り付けられている。

　次に、図４により、この実施例におけるコンデンサの充放電回路について説明する。図４において、直流電源５００からスイッチ５０１、充電抵抗５０２を介してコンデンサ１６（電源コンデンサ）が充電される。投入時には、コンデンサ１６からスイッチ５０３を介して励磁コイル１４１に電流を供給することによって、電磁石１４を動作させる。電磁石が動作した後で、スイッチ５０３を開放し、スイッチ５０１を閉じることによりコンデンサ１６が再充電される。この実施例では、その時の充電電流が電流センサー２０１によって測定される。

　ここで、図５、図６Ａ，および図６Ｂにより、実施例１におけるコンデンサ静電容量監視方法の基本的な考えについて説明する。

　図５は、電源コンデンサの静電容量がある値における、コンデンサ電圧Ｖｃ、コンデンサ充電電流ｉの時間特性を示している。真空遮断器１１０が遮断状態において、時刻ｔ１で投入指令が入力されると、投入動作に引き続いて、コンデンサ１６は充電を開始する。このとき、充電電流は図示のように最大値ｉa（波高値）を示し、その後コンデンサの充電の進行に応じて充電電流ｉは減少する。時刻ｔ２で電源コンデンサ電圧Ｖｃがある値に達すると再充電は完了する。この時の充電電流がｉｂであり、その後、コンデンサ１６の充電電流は急速に減少してゼロになる。この充電電流の波高値ｉaと、充電終了時点（所定電圧に充電された時点）の充電電流値ｉｂとの差Δｉ（＝ｉa－ｉｂ）は、コンデンサの静電容量の大きさにより異なる。これを一つのコンデンサで見た場合、コンデンサが新しく（劣化がなく）静電容量が所定値である（正常である）場合の電流差と、コンデンサが経時的な劣化により静電容量が小さくなった場合の電流差とは異なるということになる。本発明では、基本的にこのような知見を利用し、コンデンサの劣化の状態、言いかえるとコンデンサの静電容量の状態を診断し監視する。つまり、充電電流の波高値と、所定電圧に充電された時点）の充電電流値とを計測し、これら２つの電流の電流差Δｉに基づいてコンデンサの静電容量の状態を求め、この電流差とコンデンサの異常判定（良否判定）の基準値とを比較することにより、コンデンサの静電容量の状態を診断する。

　ところで、この電流差（充電電流の波高値と、所定電圧に充電された時点の充電電流値との差）は、電源電圧により変動する。コンデンサを充電するための電源が、定電圧電源であれば、電源電圧による電流差の影響を考慮しなくても診断の精度に影響を与えない。しかし、電源電圧が大きく変動する直流電源を使用した場合には、電源電圧による影響をなくす（補償する）ことが必要となる。次に、電源電圧の変動による電流差の影響および、その対処方法（補償方法）を図６Ａ,図６Ｂにより説明する。

　図６Ａは、実測した充電時の充電電流の電流差Δｉに対する電源コンデンサ静電容量の特性である。なお、図６Ａおよび図６Ｂでは、電流差Δｉ、および静電容量を０－１.０の任意目盛（任意単位の目盛）で表している。図６Ａからわかるように、コンデンサの静電容量が大きくなるに従って、電源コンデンサ充電電流差Δｉは減少する右下がりの特性になる。また、制御電圧をＶ１、Ｖ２、Ｖ３（Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３）に変化させると、制御電圧が低い場合ほど電源コンデンサ充電電流差Δｉが大きくなった。図６Ａより、電源コンデンサ充電電流差Δｉの異常判定の基準値がΔｉｔｈとした場合、対応する電源コンデンサ静電容量は制御電圧Ｖ３の場合には０.３、制御電圧Ｖ１の場合には０.７５と、制御電圧の影響を受けて変動してしまう。

　そこで、図６Ｂに示すように、充電電流差Δｉに制御電圧を乗ずる（積算する）ことで補正すると、図６Ａの特性Ｖ３は相対的に紙面上方向にシフトし、逆に図６Ａの特性Ｖ１は相対的に紙面下方向にシフトする結果、電源コンデンサ充電電流差Δｉ－電源コンデンサ静電容量特性の制御電圧変化に伴うばらつきが小さくなる。その結果、電源コンデンサ充電電流差Δｉの異常判定基準（基準値）がΔｉthの場合、対応する電源コンデンサ静電容量は０.５５で、制御電圧の影響を受けず、一定になる。

　このように、本発明の実施例１では、電源電圧Ｖ0の変動に対応するため、この電流差に電源電圧値を積算した値を用いて、コンデンサの静電容量の状態の診断を行う。

　次に、図７により、実施例１における監視部２００の構成及び動作を説明する。なお、図７におけるコンデンサの充放電回路を示した部分は既に図４により説明したので、ここでは説明を省略する。

　図７において、監視部２００は、一般的な計算機で実現できるが、ここでは、説明を分かりやすくするために、ブロック図により説明する。この場合、監視部２００は、演算部２０２と、比較部２０３とで構成される。表示装置２１０は、監視部２００による診断の結果を表示する。具体的には、コンデンサ１６の静電容量の状態が正常であるか否かを示す情報を表示する。

　この監視部２００の動作は、次のとおりである。すなわち、監視部２００は、コンデンサ１６の再充電が開始されると、電流センサー２０１からその時点の充電電流波高値ｉaを演算部２０２に入力する。また、コンデンサの充電電圧が所定値に達した時点において、その時点の充電電流値ｉｂを演算部２０２に入力する。更に、直流電源５００の電源電圧を電圧センサー５１０から演算部２０２に入力する。これにより、演算部２０２は、充電の際の波高値と充電終了時の電流との差電流Δｉを求め、更に、この差電流に電源電圧値Ｖ0を積算した値（コンデンサの状態を示す数値）を演算することができる。

　この演算部２０２の演算結果は、比較部２０３に入力される。比較部２０３は、予め、コンデンサの静電容量の状態を判断するための基準値を求めて設定しておき、演算部２０２で演算された結果の値とこの基準値とを比較する。その結果、比較部２０３は、演算された結果の値が基準値を超えている場合にはコンデンサの状態が正常であると判断し、そうでない場合には異常であると判断する。比較部２０３の判断結果は、表示装置２１０に表示される。

　このように、本発明の実施例１によれば、コンデンサの放電後において、再充電を行う度に、コンデンサの静電容量の状態を診断することができる。また、電流センサーの計測値を用いるだけで、従来の様に特別に放電回路を設ける必要がなく、また特別な制御も必要でないので、簡単な構成でコンデンサの診断を実現することができる。また、この実施例では、電源電圧の影響を補償して、静電容量の状態を診断することができるので、信頼性の高い診断を行うことができる。

　≪実施例２≫
　次に、本発明の実施例２について、図８を用いて説明する。図８は、監視部２００の構成を示しており、上述した実施例１における図７に対応する図である。
　ここで、実施例２におけるシステムの構成はすでに説明した図１～図４と同様である。そのため、図１～図４の構成に関する説明はすでに説明したので、この実施例２において重複した説明は省略する。また、以下に説明するその他の実施例（実施例３～５）におけるシステムの構成も、実施例１においてすでに説明した図１～図４と同様とし、それらに関する説明は省略する。

　図８において、監視部２００は、新たに記憶部２０４を備えている点が、図７の場合と異なる。記憶部２０４には、演算部２０２により、診断のための演算が行われると、それを時系列的な履歴データとして記憶する。その履歴データに基づいて、コンデンサ１６の静電容量の状態監視を行う。

　この実施例では、上述した効果を有するとともに、記憶部２０４に記憶された履歴データを参照することにより、コンデンサの静電容量の劣化がどの程度進んでいるのかを時系列的に認識することができる。つまり、コンデンサ静電容量の時間的な変化の傾向をとらえることができ、コンデンサの交換時期を推定することも可能となる。

　≪実施例３≫
　次に、本発明の実施例３について図９を用いて説明する。図９に示す実施例は、図７に示す実施例と実質的に同じであるが、演算部２０２の演算過程を具体的に示している点が図７と異なる。そのため、ここでは、図７との違いを中心に説明する。

　図９において、電流センサー２０１で測定された電流値信号と、直流電源５００の電圧センサー５１０の電圧値信号が、演算部２０２の積演算部２２１に入力される。積演算部２２１では、充電電流値と電源電圧との積が演算される。積演算部２２１の出力は、保持部Ａ２２２と保持部Ｂ２２３に入力される。保持部Ａ２２２には、充電電流の最大値（波高値）と電源電圧との積の値が保持される。そして、保持部Ｂ２２３には、コンデンサ１６が所定電圧に充電された時点の充電電流と電源電圧との積の値が保持される。続いて、保持部Ａ２２２と保持部Ｂ２２３の出力は、差演算部２２４に入力されて、保持部Ａ２２２の出力値と保持部Ｂ２２３の出力値との差が演算される。そして、差演算部２２４の出力は、比較部２０３に入力され、基準値と比較されて、コンデンサの状態が診断（判断）される。この診断結果は、表示装置２１０に表示される。
  この実施例３によれば、上述した実施例１と同様の上述した実施例１と同様の監視機能を実現することができる。

　≪実施例４≫
　次に、本発明の実施例４について図１０を用いて説明する。図１０に示す実施例は、実質的に図７に示す実施例と同じであるが、演算部２０２の演算過程を具体的に示している点が図７と異なる。また、図１０に示す実施例は、図９に示す実施例とは演算部２０２内の演算順序が異なる。

　図１０において、電流センサー２０１で測定された充電時の電流値信号は、保持部Ａ２２２と保持部Ｂ２２３に入力される。保持部Ａ２２２には、充電電流の最大値が保持され、保持部Ｂ２２３にはコンデンサが所定電圧に充電したときの充電電流値が保持される。次に、保持部Ａ２２２と保持部Ｂ２２３の出力は、差演算部２２４に入力されて、これらの差が演算される。差演算部２２４の出力と直流電源５００の電圧信号は、積演算部２２１に入力され、積が演算される。続いて、積演算部２２１の出力は、比較部２０３に入力される。比較部２０３において、積演算部２２１の出力値と基準値とが比較されて、コンデンサの状態が診断（判断）される。この診断結果は、表示装置２１０に表示される。
  この実施例によれば、上述した実施例１と同様の監視機能を実現し、同様の効果を有する。

　≪実施例５≫
　次に、本発明の実施例５について図１１を用いて説明する。実施例５は、電流センサー２０１や監視部２００などを真空遮断器１１０の設置場所以外の開閉装置側に収納している点が上述した実施例と異なる。その他の点は、上記の図１０と同様であるため説明は省略する。
  この実施例５によれば、上述した実施例と同様の効果を有するとともに、既存の真空遮断器１１０に変更を加えることなく、コンデンサの静電容量の状態を監視することができる。

　≪その他の実施例≫
　以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限られるものではなく、本発明には様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は開閉装置の電源コンデンサの診断に用いるだけでなく、その他のコンデンサの監視に広く用いることができる。また、上記した実施例は、本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。

　１４…電磁石、１５…永久磁石、１６…コンデンサ、１００…開閉装置、１０１…計測器室、１０２…遮断器室、１０３…母線室、１０４…ケーブル室、１１０…真空遮断器、１１１…ケース、１１２…補助接点、１１３…遮断ばね、１１４…シャフト、１１５…ワイプばね、１１６…絶縁ロッド、１１７…制御リード線、１１８…制御基板、１２０…配電用ケーブル、１３０…母線、１３１…絶縁フレーム、１３２…断路部、１３３…断路部、１３４…固定側導体、１３５…可動側導体、１３６…真空バルブ、１３７…固定接点、１３８…可動接点、１４１…励磁コイル、２００…監視部、２０１…電流センサー、２０２…演算部、２０３…比較部、２０４…記憶部、２１０…表示装置、２２１…積演算部、２２２…保持部Ａ、２２３…保持部Ｂ、２２４…差演算部、５００…直流電源、５０１…スイッチ、５０２…充電抵抗、５０３…スイッチ

Claims (12)

1. 　コンデンサと、前記コンデンサを充電するための電源とを有し、前記コンデンサの静電容量の状態を監視するコンデンサ容量監視方法であって、
   　前記コンデンサの放電後に再充電を行う際の充電電流波高値と、前記コンデンサが所定電圧に充電された時点の充電電流値とを計測し、前記充電電流波高値と前記充電電流値との電流差に基づいて前記コンデンサの状態を監視するコンデンサ静電容量監視方法。
2. 　コンデンサと、前記コンデンサを充電するための電源とを有し、前記コンデンサの静電容量の状態を監視するコンデンサ容量監視方法であって、
   　前記コンデンサの放電後に再充電を行う際の充電電流波高値と、前記コンデンサが所定電圧に充電された時点の充電電流値と、前記電源の電源電圧とを計測し、前記計測された前記充電電流波高値と前記充電電流値との電流差に前記電源電圧を積算した値を求め、前記積算した値に基づいて前記コンデンサの静電容量の状態を監視するコンデンサ静電容量監視方法。
3. 　請求項２に記載されたコンデンサ静電容量監視方法において、前記コンデンサの静電容量が正常であるか否かの監視は、正常か否かを判断するための基準値と前記積算した値とを比較することにより判断することを特徴とするコンデンサ静電容量監視方法。
4. 　請求項２に記載されたコンデンサ静電容量監視方法において、前記コンデンサの静電容量の状態を表示装置に表示することを特徴とするコンデンサ静電容量監視方法。
5. 　請求項２に記載されたコンデンサ静電容量監視方法において、前記コンデンサの状態の履歴データを時系列的に記憶しておき、前記履歴データを用いて前記コンデンサの状態を監視することを特徴とするコンデンサ静電容量監視方法。
6. 　請求項２に記載されたコンデンサ静電容量監視方法において、前記コンデンサは電磁石の励磁コイルを励磁するために用いることを特徴とするコンデンサ静電容量監視方法。
7. 　コンデンサと、前記コンデンサを充電するための電源と、前記コンデンサの静電容量の状態を監視する監視部とを備えたコンデンサ容量監視装置であって、
   　前記コンデンサの充電時の充電電流を計測する電流センサーを設け、
   　前記監視部は、前記電流センサーから、充電時の充電電流波高値と前記コンデンサが所定電圧に達した時点の充電電流値とを入力し、前記充電電流波高値と前記充電電流値との電流差に基づいて前記コンデンサの状態を監視するコンデンサ静電容量監視装置。
8. 　請求項７に記載されたコンデンサ静電容量監視装置において、
   　前記監視部は、電源電圧を入力し、前記電流差に前記電源電圧を積算した値に基づいて、前記コンデンサの静電容量の状態を監視することを特徴とするコンデンサ静電容量監視装置。
9. 　請求項８に記載されたコンデンサ静電容量監視装置において、
   　前記監視部は、前記コンデンサが正常であるか否かを判断する基準となる基準値を設定しておき、前記電流差と前記基準値とを比較した結果に基づき、前記コンデンサの静電容量の状態を監視することを特徴とするコンデンサ静電容量監視装置。
10. 　請求項８に記載されたコンデンサ静電容量監視装置において、
    表示装置を設け、前記監視部は、前記コンデンサの状態を前記表示装置に表示することを特徴とするコンデンサ静電容量監視装置。
11. 　請求項８に記載されたコンデンサ静電容量監視装置において、
    　前記監視部は、前記コンデンサの状態の履歴データを時系列的に記憶する記憶部を設け、前記履歴データに基づいて前記コンデンサの状態を監視することを特徴とするコンデンサ静電容量監視装置。
12. 　請求項８に記載されたコンデンサ静電容量監視装置において、前記コンデンサにより電磁石の励磁コイルを駆動することを特徴とするコンデンサ静電容量監視装置。

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