(57)【要約】【課題】非接触で、絶縁ガス中の水分を簡易に検出できる絶縁機器用水分検出システムを提供すること。【解決手段】本発明の一態様に係る絶縁機器用水分検出システムは、絶縁ガスが充填された容器と、赤外線を発光する赤外線発光素子と、赤外線を受光する赤外線受光素子と、絶縁ガスを介して赤外線受光素子で受光した赤外線のスペクトルを解析し、絶縁ガスに含まれる水分を検出する検出器と、を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁ガスが充填された容器と、
赤外線を発光する赤外線発光素子と、
前記赤外線を受光する赤外線受光素子と、
前記絶縁ガスを介して前記赤外線受光素子で受光した赤外線のスペクトルを解析し、前記絶縁ガスに含まれる水分を検出する検出器と、
を具備する絶縁機器用水分検出システム。
【請求項２】
前記容器の内部に設けられ、前記赤外線発光素子および前記赤外線受光素子を前記絶縁ガスから隔離する隔離部材と、
前記赤外線の光路上で、かつ前記隔離部材に設けられたサファイアガラスと、
をさらに具備したことを特徴とする請求項１に記載の絶縁機器用水分検出システム。
【請求項３】
前記赤外線の光路上で、かつ前記容器に設けられたサファイアガラスをさらに具備し、
前記赤外線発光素子および前記赤外線受光素子は、前記容器の外部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の絶縁機器用水分検出システム。
【請求項４】
前記絶縁ガスは、
六フッ化硫黄ガスを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の絶縁機器用水分検出システム。
【請求項５】
前記絶縁ガスは、
窒素ガス、炭酸ガス、希ガスまたは空気のうち少なくとも１つをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の絶縁機器用水分検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁ガスに含まれる水分を検出する絶縁機器用水分検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、変電設備に絶縁性能に優れた六フッ化硫黄ガス（以下、ＳＦ６ガス）が充填されたガス絶縁開閉装置（Gas Insulated Switchgear、以下ＧＩＳ）、ガス遮断器（Gas Circuit Breaker、以下ＧＣＢ）等が普及している。ＳＦ６ガスは、電界および圧力が同一の条件下であれば、空気の約３倍の絶縁耐力をもつ無毒、無臭、不活性の気体である。
【０００３】
変電設備には、設備診断（例えば、部分放電や地絡等）が必要であり、ＳＦ６ガスが分解反応して生成されるガスの分析測定も設備診断として重要である。また、ＳＦ６ガスの分解反応において、水素の供給源となると考えられているＧＩＳやＧＣＢ系内の水分についての測定も重要である。この水分測定には、半導体センサ、露点計や検出管が用いられている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１６３２５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体センサは、高い感度で水分を検出できる。しかし絶縁ガスとセンサ部が直接接触して水分を検出するため、ＳＦ６ガスが分解して生成されるＨＦ（フッ化水素）などの腐食性ガスに極めて弱い。また、圧力、温度等の補正に手間がかかる。露点計は、安価でかつ操作性が優れているため一般にも広く使われているが、重要な部品である鏡の表面がＨＦ（フッ化水素）などの腐食性ガスにより汚損する。また、磨耗粉などの塵埃が鏡の表面に付着すると水分の測定精度、感度に問題が生じる可能性がある。検出管（ガスチェッカー）は、構造が簡易でかつ安価であるものの、定量性や感度が悪く、水分をリアルタイムに検出するのは困難である。
【０００６】
本発明は、かかる従来の問題を解消すべくなされたもので、非接触で、絶縁ガス中の水分を簡易に検出できる絶縁機器用水分検出システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る絶縁機器用水分検出システムは、絶縁ガスが充填された容器と、赤外線を発光する赤外線発光素子と、赤外線を受光する赤外線受光素子と、絶縁ガスを介して赤外線受光素子で受光した赤外線のスペクトルを解析し、絶縁ガスに含まれる水分を検出する検出器と、を具備する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、非接触で、絶縁ガス中の水分を簡易に検出できる絶縁機器用水分検出システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係る水分検出システムの構成を示した図である。
【図２】サファイアガラスの取り付け部の拡大図である。
【図３】赤外線発光素子および赤外線受光素子を示した図である。
【図４】赤外線のスペクトルの一例（透過率）を示した図である。
【図５】赤外線のスペクトルの一例（吸光率）を示した図である。
【図６】第２の実施形態に係る水分検出システムの構成を示した図である。
【図７】第３の実施形態に係る水分検出システムの構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１に示すように、第１の実施形態に係る水分検出システム１（絶縁機器用水分検出システム）は、ボックス１０、赤外線発光素子１０１、赤外線受光素子１０２、サファイアガラス１０４ａ，１０４ｂ、仕切り板１０５ａ，１０５ｂ（隔離部材）、ＬＤ（Laser Diode）ドライバ１０６、検出器１０７、信号ケーブル１０８、信号ケーブル１０９を具備する。
【００１１】
赤外線発光素子１０１、赤外線受光素子１０２、サファイアガラス１０４ａ、１０４ｂおよび仕切り板１０５ａ、１０５ｂは、絶縁ガスとしてＳＦ６ガスが充填されたＧＩＳやＧＣＢなどのボックス１０（容器）の内部（以下、系内）に設けられている。なお、絶縁ガスとして、ＳＦ６ガスに、窒素ガス（Ｎ２）、炭酸ガス（ＣＯ２）、空気、または希ガス（Ｈｅ，Ｎｅなど）のいずれか１種類以上を混合したガス（以下、混合ガス）を用いてもよい。この場合、このＳＦ６ガスまたは混合ガスを５０ｍｏｌ％以上含有することが望ましい。
【００１２】
系内には、絶縁性能に優れたＳＦ６ガスが充填されている。このＳＦ６ガスは、放電等のエネルギによって分解し、系内に水分（Ｈ２Ｏ）が存在すると分解により生成したフッ素と反応してＨＦ（フッ化水素）となる。このフッ化水素は、ガラスをも溶かす腐食性の強いガスである。
【００１３】
そこで、この第１の実施形態では、赤外線発光素子１０１および赤外線受光素子１０２を、それぞれ仕切り板１０５ａおよび仕切り板１０５ｂで覆い、絶縁ガスから隔離するとともに、赤外線受光素子１０２から発光される赤外線１０３を透過するサファイアガラス１０４ａ、サファイアガラス１０４ｂを、赤外線１０３の光路上で、かつ仕切り板１０５ａ、１０５ｂにそれぞれ設けている。
【００１４】
仕切り板１０５ａ、１０５ｂは、ステンレスやフッ素系樹脂等、酸性物質に対して耐食性がある材料で構成されている。赤外線発光素子１０１および赤外線受光素子１０２は、それぞれ仕切り板１０５ａおよび仕切り板１０５ｂの内部に収容される。仕切り板１０５ａは、赤外線発光素子１０１を取り囲み、赤外線発光素子１０１を絶縁ガスから隔離する。仕切り板１０５ｂは、赤外線受光素子１０２を取り囲み、赤外線受光素子１０２を絶縁ガスから隔離する。
【００１５】
サファイアガラス１０４ａ，１０４ｂは、フッ化水素に対する耐腐食性があり、かつ赤外線１０３を透過する物質である。なお、フッ化水素に対する耐腐食性があり、かつ赤外線１０３を透過する物質であればサファイアガラス１０４ａ，１０４ｂに限られず他の物質を用いてもよい。
【００１６】
図２に示すように、サファイアガラス１０４ａは、仕切り板１０５ａに設けられた溝部１０５ｇに取り付けられたパッキン１１０を介して、留め具１１１およびボルト１１２により仕切り板１０５ａへ固定される。なお、パッキン１１０の材質には、酸性物質に対して耐食性があるもの、例えばフッ化物を添加したゴムなどが適する。
【００１７】
赤外線発光素子１０１は、ＬＤドライバ１０６から入力される信号に応じて、赤外線１０３を発光するレーザダイオードである。赤外線受光素子１０２は、赤外線発光素子１０１から発信された赤外線１０３を受光し電気信号に変換する。赤外線発光素子１０１および赤外線受光素子１０２は、どちらもＩｎＧａＡｓ系のIII‐Ｖ族化合物半導体により構成される。
【００１８】
赤外線発光素子１０１は、レーザダイオードであるため発光される赤外線１０３の発光スペクトルのピークは非常に鋭い。このため、赤外線発光素子１０１から発光される赤外線の発光スペクトルが、水分の吸収スペクトルのピーク付近の帯域に含まれる。その結果、赤外線発光素子１０１から発光される赤外線は、絶縁ガス中に水分が存在する場合、そのほとんどが吸収され、水分の検出感度が高くなる。
【００１９】
仕切り板１０５ａは、赤外線発光素子１０１を腐食性ガス（ＨＦ）や塵埃から保護する。仕切り板１０５ｂは、赤外線受光素子１０２を腐食性ガス（ＨＦ）や塵埃から保護する。
【００２０】
ＬＤドライバ１０６および検出器１０７は、絶縁ガスとしてＳＦ６ガスが充填されたＧＩＳやＧＣＢ外（以下、系外）に設けられている。赤外線発光素子１０１および赤外線受光素子１０２は、それぞれ信号ケーブル１０９および信号ケーブル１０８を介して、ＬＤドライバ１０６および検出器１０７と接続される。
【００２１】
ＬＤドライバ１０６は、赤外線発光素子１０１の電流および温度を制御し、赤外線発光素子１０１から出力される赤外線１０３の出力強度を一定に保つ。また、ＬＤドライバ１０６は、赤外線発光素子１０１へのノイズ等の侵入を防止する保護装置としても機能する。さらに、ＬＤドライバ１０６は、正弦波、三角波、矩形波（パルス波）、鋸歯状波など任意の信号波形を生成する機能を有する。
【００２２】
上述したように赤外線発光素子１０１から発光される赤外線１０３の発光ピークが非常に鋭くなる。赤外線発光素子１０１から出力される赤外線１０３の波長がシフトした場合、絶縁ガスに含まれる水分を検出できなくなる可能性が考えられる。そこで第１の実施形態では、ＬＤドライバ１０６に任意の信号波形を生成する機能を設け、赤外線発光素子１０１から出力される赤外線１０３の波長を変更している。このため、赤外線１０３の波長がシフトした場合でも安定して絶縁ガスに含まれる水分を検出できる。
【００２３】
検出器１０７は、赤外線受光素子１０２で変換された電気信号から赤外線受光素子１０２が受光した赤外線のスペクトルを解析し、絶縁ガスに含まれている水分濃度を検出する。
【００２４】
次に、図３から図５を参照して水分検出の方法について説明する。
図３に示すように、赤外線発光素子１０１から発光された赤外線１０３は、ＧＩＳ、ＧＣＢに充填されている絶縁ガス（ＳＦ６）を通過する。この絶縁ガス中に水分（水蒸気）が含まれている場合、赤外線１０３の特定の波長が系内の水蒸気に吸収される。この吸収は、系内の水蒸気濃度に略比例するため、吸収される特定の波長の強度（以下、エネルギ）の変化量を赤外線検出素子１０２で検出することで、系内の水蒸気濃度を測定できる。
【００２５】
図４では、縦軸に赤外線１０３の透過率、横軸に赤外線１０３の波長を示している。図４には、水分濃度が１０ｐｐｍにおける赤外線１０３の透過率を実線で示している。また、水分濃度が１ｐｐｍにおける赤外線１０３の透過率を鎖線で示している。図４からは、水分濃度が１０ｐｐｍの場合の方が、水分濃度が１ｐｐｍに比べて、赤外線１０３の特定の波長における透過率が低いことが理解できる。
【００２６】
図５では、縦軸に赤外線１０３の吸光率、横軸に赤外線１０３の波長を示している。図５には、水分濃度が１０ｐｐｍにおける赤外線１０３の吸光率を実線で示している。また、水分濃度が１ｐｐｍにおける赤外線１０３の吸光率を鎖線で示している。図５からは、水分濃度が１０ｐｐｍの場合の方が、水分濃度が１ｐｐｍに比べて、赤外線１０３の特定の波長における吸光率が高いことが理解できる。
【００２７】
すべての物質は、特定の波長の光を吸収することが知られており、水の場合、波長範囲０．５μｍから２．５μｍの間では、波長が１．４５μｍ、１．９４μｍ、２．５μｍ近傍にそれぞれ光吸収のピークがあることが知られている。この第１の実施形態では、この原理を利用して絶縁ガスに含まれる水分を検出している。
【００２８】
赤外線発光素子１０１には、それぞれ１．４μｍから１．５μｍの赤外線１０３を発光する素子を用いることが望ましい。この帯域の赤外線１０３を発光する赤外線発光素子は、光通信用の半導体レーザとして既に使用されており、安定性、信頼性、価格ともに優れているためである。１．４μｍから１．５μｍの赤外線１０３を発光する素子を用いた場合、波長が１．４５μｍ近傍に光吸収のピークが現れることになる。
【００２９】
以上のように、この第１の実施形態に係る水分検出システム１では、赤外線発光素子１０１および赤外線受光素子１０２を、それぞれステンレスやフッ素系樹脂等、酸性物質に対して耐食性がある材料で構成されている仕切り板１０５ａおよび仕切り板１０５ｂで覆うとともに、赤外線受光素子１０２から発光される赤外線１０３を透過するサファイアガラス１０４ａ、サファイアガラス１０４ｂを、それぞれ仕切り板１０５ａ、１０５ｂに設けている。
【００３０】
このため、非接触で、絶縁ガス中の水分を簡易に検出できる。また、腐食性ガスが発生する環境下においても系内の水分を検出できる。さらに、赤外線発光素子１０１および赤外線検出素子１０２のみを系内に設置し、ＬＤドライバ１０６および検出器１０７を系外に設けているため系内における設置に必要な体積を抑制できる。また、水分検出において、地球温暖化ガスであるＳＦ６ガスを系外に取り出す必要がないため、環境破壊の恐れもない。
【００３１】
また、ＬＤドライバ１０６に正弦波、三角波、矩形波（パルス波）、鋸歯状波など任意の信号波形を生成する機能を有するので、赤外線１０３の波長がシフトした場合でも安定して絶縁ガスに含まれる水分を検出することができる。また、赤外線発光素子１０１としてレーザダイオードを用いているため水分の検出感度が高い。
【００３２】
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係る水分検出システム２（絶縁機器用水分検出システム）の構成を示した図である。第２の実施形態に係る水分検出システム２は、赤外線発光素子１０１、赤外線受光素子１０２、サファイアガラス１０４ａ，１０４ｂ、仕切り板１０５、ＬＤドライバ１０６、検出器１０７、信号ケーブル１０８、信号ケーブル１０９を具備する。なお、図１で説明した構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００３３】
図６に示すように、この第２の実施形態では、赤外線発光素子１０１、赤外線受光素子１０２、サファイアガラス１０４ａ，１０４ｂ、仕切り板１０５ａ，１０５ｂ、ＬＤドライバ１０６、検出器１０７、信号ケーブル１０８および信号ケーブル１０９がＧＩＳやＧＣＢ内（系内）に設けられている。
【００３４】
この第２の実施形態では、ＬＤドライバ１０６および検出器１０７を系内に収納しているため、水分検出システム２の取り付けや取り外し作業の効率がよくなる。特に、赤外線受光素子１０２と検出器１０７および赤外線発光素子１０１とＬＤドライバ１０６を、それぞれ信号ケーブル１０８，１０９で接続する手間が省ける。その他の効果は、第１の実施形態と同様である。
【００３５】
（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態に係る水分検出システム３（絶縁機器用水分検出システム）の構成を示した図である。第３の実施形態に係る水分検出システム３は、赤外線発光素子１０１、赤外線受光素子１０２、サファイアガラス１０４ａ，１０４ｂ、検出器１０７、信号ケーブル１０８、信号ケーブル１０９、気密室１１３（容器）を具備する。なお、図１で説明した構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００３６】
気密室１１３は、ガス導入口１１３ａおよびガス排出口１１３ｂを備える。気密室１１３内には、ガス導入口１１３ａから絶縁ガス（ＳＦ６）が導入されガス排出口１１３ｂから気密室１１３外へ排気される。上記絶縁ガスは、図示しないＧＩＳやＧＣＢなどのボックス１０から導入される。なお、気密室１１３内の大気を、ＧＩＳやＧＣＢなどのボックス１０から導入される絶縁ガスに置換できれば、ガス排出口１１３ｂは無くてもよい。
【００３７】
気密室１１３には、サファイアガラス１０４ａ，１０４ｂが設けられている。サファイアガラス１０４ａ，１０４ｂの気密室１１３への取り付け方法は、図２で説明したため、重複した説明を省略する。赤外線発光素子１０１より発光された赤外線１０３が、気密室１１３内へ導入された絶縁ガスを介して赤外線受光素子１０２で受光される。
【００３８】
図４および図５を参照して説明したように、気密室１１３内に導入された絶縁ガス中に水分（水蒸気）が含まれている場合、赤外線１０３の特定の波長のエネルギが系内の水蒸気に吸収される。吸収されるエネルギの変化量を赤外線検出素子１０２で検出することで、気密室１１３内を通過、または充填された絶縁ガス中の水蒸気濃度を測定できる。
【００３９】
以上のように、この第３の実施形態に係る水分検出システム３では、気密室１１３にＧＩＳやＧＣＢなどに充填されている絶縁ガスを導入し、この気密室１１３に導入された絶縁ガスに含まれる水分を検出している。つまり、水分検出システム３をＧＩＳやＧＣＢなどに設置する必要がないため、水分検出システム３を携帯できる。その他の効果は、第１の実施形態と同じである。
【００４０】
（その他の実施形態）
変電設備において油入りケーブル（Oil Filledケーブル）や油入り変圧器に使用されている絶縁油は、熱による酸化（劣化）や、放電による分解等により水素ガスやアセチレンガスなどの可燃性ガスを生成する。このアセチレンガスなどの可燃性ガスの検出は、変電設備の設備診断において上記水分の検出と同様、非常に重要である。
【００４１】
ここで、すべての物質が特定の波長の光を吸収することから、赤外線受光素子１０２で変換された電気信号から赤外線受光素子１０２が受光した赤外線のスペクトルを解析することで水分以外の成分、例えばアセチレンガスを検出することも可能である。アセチレンガス（Ｃ２Ｈ２）の光吸収のピークは、１．５１５μｍから１．５２５μｍ（第１の帯域）、および１．５２６μｍから１．５４０μｍ（第１の帯域）にある。このため、赤外線発光素子１０１として、上記第１または第２の帯域の少なくとも一方の帯域を含む赤外線を発光する素子を用いればアセチレンガスを検出できる。
【００４２】
この実施形態では、絶縁油をバブリング等によりサンプリングしたガスを収容した検出用ガスセルを透過した赤外線から得られる電気信号と、基準ガス（例えば窒素ガス）を収容した基準用ガスセルを透過した赤外線から得られる電気信号を差分処理して得られた信号からガス雰囲気圧力とガス濃度とを測定する。
【００４３】
このように、検出用ガスセルの電気と検出用ガスセルの電気信号との差をとることでアセチレンガスに起因する信号成分のみを抽出でき、干渉ノイズ等を除去できる。このため、アセチレンガスの濃度を正確に求めることができる。なお、基準用ガスセルを透過した赤外線から得られる電気信号を予め記憶しておき、この記憶されている電気信号と検出用ガスセルを透過した赤外線から得られる電気信号とを差分処理するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１〜３…水分検出システム、１０…ボックス、１０１…赤外線発光素子、１０２…赤外線受光素子、１０３…赤外線、１０４…サファイアガラス、１０５…仕切り板（隔離部材）、１０６…ＬＤドライバ、１０７…検出器、１０８，１０９…信号ケーブル、１１０…パッキン、１１１…留め具、１１２…ボルト、１１３…気密室（容器）、１１３ａ…ガス導入口、１１３ｂ…ガス排出口。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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