(57)【要約】【課題】短時間の急激な漏水を検出できる漏水検出装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る漏水検出装置は、電力変換装置を冷却する冷却システムの冷却水の漏水を検出する漏水検出装置であって、冷却水を貯水するサージタンクの水位を逐次検出して、前記水位のデータを検出するごとに記録するデータ記録回路と、前記データ記録回路に記録された前記水位のデータの単位時間あたりの変化量を演算する変化量演算回路と、演算された前記変化量と、あらかじめ設定された第１判定値とを比較する変化量比較回路と、を備える。前記変化量が前記第１判定値以上の場合に、前記変化量比較回路は、過剰な漏水を検出した旨の第１警報信号を生成する。【選択図】図１
2019158750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置を冷却する冷却システムの冷却水の漏水を検出する漏水検出装置であって、
冷却水を貯水するサージタンクの水位を逐次検出して、前記水位のデータを検出するごとに記録するデータ記録回路と、
前記データ記録回路に記録された前記水位のデータの単位時間あたりの変化量を演算する変化量演算回路と、
演算された前記変化量と、あらかじめ設定された第１判定値とを比較する変化量比較回路と、
を備え、
前記変化量が前記第１判定値以上の場合に、前記変化量比較回路は、過剰な漏水を検出した旨の第１警報信号を生成する漏水検出装置。
【請求項２】
前記変化量比較回路は、前記変化量と、あらかじめ設定され、前記第１判定値よりも大きさが小さい第２判定値とを比較し、
前記変化量が、前記第２判定値以上の場合に、漏水を検出した旨の第２警報信号を生成し、
前記第１警報信号は、前記電力変換装置の動作を停止する信号を生成するのに用いられ、
前記第２警報信号は、前記電力変換装置および前記冷却システムの動作を監視する監視装置に対して前記冷却システムの点検をうながす警告を表示するための指令を生成するのに用いられる請求項１記載の漏水検出装置。
【請求項３】
前記データ記録回路に記録された前記水位のデータと、あらかじめ設定された第３判定値とを比較する請求項１または２に記載の漏水検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、水冷式の電力変換装置の冷却水の漏水を検出する漏水検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力系統や電気鉄道、産業プラントにおいて、整流器や、電力補償装置、系統連系装置、電動機駆動装置など多くのパワーエレクトロニクス変換器が適用されている。パワーエレクトロニクス変換器の主回路に用いられるサイリスタやＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）、ＧＣＴ（Gate Commutated Turn?off thyristor）などのパワーエレクトロニクス素子は大容量化が進んでおり、パワーエレクトロニクス変換器の容量は数メガワットあるいは数百メガワットの大容量に達している。
【０００３】
これら大容量のパワーエレクトロニクス変換器は、主回路を通電している運転時の発生熱量が大きいため、冷却方式は水冷とされることが多い。主回路冷却に用いる冷却水は、水の絶縁を高めるため純水が用いられる。冷却水は、熱交換器を介して循環冷却する方式が用いられる場合がある。
【０００４】
このような水冷の変換器の課題の１つに、変換器を収納した変換器盤のなかでの冷却水の漏水（水漏れ）が挙げられる。冷却水は、テフロン（登録商標）などの絶縁材料を用いたパイプや、素子冷却用の金属導体、集合配管など経由して通水される。
【０００５】
漏水箇所はさまざまであるが、パイプどうし、あるいはパイプと金属導体のつなぎ目のパッキンが経年劣化して亀裂を生じ、ゆっくりと漏水することが多い。こうしたケースでは、単位時間あたりの漏水量が少なく、変換器盤内に漏れ出た冷却水は、主回路が発生する熱によって蒸発して、それほど問題にならない。
【０００６】
いっぽう発生頻度は少ないながら、地震などによりパイプが接合部からまるごとはずれて、短時間に多量の冷却水が変換器盤内へ放出されることがある。この場合には、放出された冷却水は、蒸発する時間がないため、変換器盤内の充電部へ飛散するおそれがある。充電部に水が浸入した場合には、結果として、変換器盤内の電気回路の絶縁が低下し、場合によっては絶縁破壊によってアーク発生や回路短絡が生じ、変換器破損など大きな被害を生じるおそれがある。
【０００７】
変換器盤内の冷却水の漏水に対する検出・保護の方法としては、冷却水の絶対量を監視し、それが一定レベルまで低下したことをもって漏水発生と判断して、警報を発報し、または変換器を電源から解列する、などの保護動作を行うものが一般的である（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２９９２１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述した従来の漏水検出の保護回路は、簡単な回路で具現できる長所がある反面、以下の短所がある。
【００１０】
前述のように、通水回路のパッキン劣化などで、ゆっくりと漏水する場合には、単位時間あたりの漏水量が少ないので、漏れ出た水は、変換器内で蒸発して、さほど問題にならない。ゆえに従来の漏水検出保護回路の、サージタンク内の冷却水水位の監視をすることで、保護としては十分である。言いかたを変えれば、従来の漏水検出保護回路は、冷却水の漏れを検出するというよりは、冷却水の目減り（不足による冷却不良）を回避する考え方にもとづいている。
【００１１】
いっぽう、地震等の振動で、冷却パイプがフランジから脱落するような極端なケースだと、多量の冷却水が短時間に変換器盤内に放出されてしまう。従来の漏水検出保護回路だとサージタンク水位が、設定値以下にならないと警報が発報しない。すなわち、設定値以下に到達するまでは、冷却水は変換器盤内に放出され続けてしまう。冷却水は蒸発せずに盤内の主回路導体（充電部）に飛散することになる。通常、冷却水に使用される純水は、水道水や工業用水に比べれば導電率が低いものの、充電部を濡らしてしまうといっきに絶縁は下がってしまう。結果、最悪は変換器盤内の充電部どうし、または充電部と大地間でアークの発生や地絡・短絡が発生する。その箇所に電源から大きなエネルギーが供給されれば機器の破損など、変換器盤は多大なダメージを受けることになる。
【００１２】
実施形態は、上記課題を解決するためになされたものであり、短時間の急激な漏水を検出できる漏水検出装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
実施形態に係る漏水検出装置は、電力変換装置を冷却する冷却システムの冷却水の漏水を検出する漏水検出装置であって、冷却水を貯水するサージタンクの水位を逐次検出して、前記水位のデータを検出するごとに記録するデータ記録回路と、前記データ記録回路に記録された前記水位のデータの単位時間あたりの変化量を演算する変化量演算回路と、演算された前記変化量と、あらかじめ設定された第１判定値とを比較する変化量比較回路と、を備える。前記変化量が前記第１判定値以上の場合に、前記変化量比較回路は、過剰な漏水を検出した旨の第１警報信号を生成する。
【発明の効果】
【００１４】
本実施形態では、前記水位のデータの単位時間あたりの変化量を演算して、あらかじめ設定された第１判定値と比較して、比較結果にもとづいて、第１警報信号を生成するので、短時間の急激な漏水を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に係る漏水検出装置を例示する模式的なブロック図である。
【図２】実施形態の漏水検出装置の動作を説明するためのフローチャートの例である。
【図３】比較例の漏水検出装置を例示する模式的なブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。
【００１７】
図１は、実施形態に係る漏水検出装置を例示する模式的なブロック図である。
図１に示すように、実施形態の漏水検出装置６は、変換器１の主回路１０を冷却する冷却システムのサージタンク４に設けられた水位検出センサ５から、サージタンク４中の冷却水３の水位のデータを取得する。漏水検出装置６は、冷却水３の水位のデータを、たとえば、定周期で取得し、単位時間あたりの水位の変化量を演算し、変化量が所定値以上の場合に過大な漏水が発生している旨の警報を発するための警報信号を生成する。
【００１８】
変換器１の冷却システムでは、循環用の配管２１に冷却水３が充填され、ポンプ２３によって、冷却水３を主回路１０と冷却装置２との間で循環させる。冷却装置２は、主回路１０で発生した熱を吸熱し、循環されてもどってきた冷却水３を再度冷却する熱交換器等を含んでいる。
【００１９】
冷却水３は、配管２１に接続され、鉛直方向に延伸された配管２２にも満たされており、配管の上端に設けられたサージタンク４の所定の水位まで満たされている。冷却水３は、このような閉じた流体の経路中を循環するので、冷却水３の水量は一定である。そのため、通常の状態では、サージタンク４の冷却水３の水位は、所定の水位でほぼ一定である。サージタンク４の冷却水３の水位は、冷却水３の漏水の程度に応じて減少し得る。
【００２０】
サージタンク４の冷却水３の水位は、水位検出センサ５によって検出される。水位検出センサ５は、たとえばレーザ等を用いた光学式レベルセンサ等である。水位検出センサ５は、検出した冷却水３の水位のデータを漏水検出装置６に送信する。
【００２１】
漏水検出装置６の構成について詳細に説明する。
実施形態の漏水検出装置６は、データ記録回路６ａと、変化量演算回路６ｂと、変化量比較回路６ｃと、保護動作回路６ｄと、を備える。データ記録回路６ａは、サージタンク４に設けられた水位検出センサ５が検出した水位データを入力し、取得時刻に関連付けて記憶する。
【００２２】
変化量演算回路６ｂは、データ記録回路６ａから時系列で蓄えられた水位データを関連付けられている取得時刻のデータとともに逐次読み出す。変化量演算回路６ｂは、読み出した２組の水位データおよび取得時刻のデータにもとづいて、水位の単位時間あたりの変化量を演算する。つまり、水位の単位時間あたりの変化量ΔＸは、水位Ｘとすると、以下の式（１）で表される。
【００２３】
ΔＸ＝ｄＸ／ｄｔ        （１）
【００２４】
より具体的には、水位Ｘは、時間の関数であり、データの定周期取得のために、時間は離散的なので、Ｘ＝Ｘ（ｔｉ）と表される。ｔｉは、時系列のうち、ｉ番目の取得時刻を表しており、ｔ１，ｔ２，…と、ｉ（＝自然数）が大きくなるほど新しいデータであることを示す。式（１）を書き換えると、以下の式（１’）のようになる。
【００２５】
ΔＸ＝｛Ｘ（ｔｉ＋１）−Ｘ（ｔｉ）｝／｛（ｔｉ＋１）−（ｔｉ）｝    （１’）
【００２６】
変化量比較回路６ｃは、変化量演算回路６ｂによって計算された変化量ΔＸのデータを入力する。変化量比較回路６ｃには、変化量判定値ΔＸｓがあらかじめ設定されている。変化量比較回路６ｃは、変化量ΔＸのデータと、変化量判定値Ｘｓとを比較する。変化量ΔＸのデータが変化量判定値ΔＸｓ以上の場合には、アクティブな判定結果信号を生成して、保護動作回路６ｄに供給する。変化量比較回路６ｃは、変化量ΔＸのデータが変化量判定値ΔＸｓよりも小さい場合には、判定結果信号を非アクティブにする。
【００２７】
保護動作回路６ｄは、変化量比較回路６ｃからアクティブな判定結果を受けた場合に、警報信号を生成する。警報信号は、たとえば、変換器１の制御装置に対して主回路１０の動作を停止するゲートブロック信号を生成させる。主回路１０は、ゲートブロック信号によって、動作停止となる。
【００２８】
実施形態の漏水検出装置６は、水位変化量の判定を行うだけでなく、サージタンクの水位Ｘ（ｔｉ）が最低水位レベルＸｓ以上であるか否かを合わせて判定してもよい。
【００２９】
図２は、実施形態の漏水検出装置の動作を説明するためのフローチャートの例である。
実施形態の漏水検出装置６は、２つの判定フローを実行する。判定フローは、サージタンク４の冷却水３の水位の変化量ΔＸの異常の有無を判定するステップＳ１１〜Ｓ１３、および、水位Ｘの絶対的なレベル低下を判定するステップＳ２１〜Ｓ２２を含んでいる。これらのフローは、ステップＳ０１において、漏水検出装置６が、サージタンク４の冷却水３の水位Ｘのデータを取得した後、たとえば並行して実行される。
【００３０】
まず、サージタンク４の冷却水３の水位の変化量ΔＸの異常の有無に対する判定フローについて説明する。
図２に示すように、ステップＳ０１では、水位Ｘのデータを取得した後、データ記録回路６ａは、水位Ｘのデータを取得時刻に関連付けて、記録する。
【００３１】
ステップＳ１１において、変化量演算回路６ｂは、データ記録回路６ａから、隣接する取得時刻ｔｉ＋１，ｔｉとこれらに関連付けられた水位Ｘのデータ（Ｘ（ｔｉ＋１），Ｘ（ｔｉ））を読み出す。変化量演算回路６ｂは、読み出した取得時刻ｔｉ＋１，ｔｉおよび水位Ｘのデータ（Ｘ（ｔｉ＋１），Ｘ（ｔｉ））から水位の変化量ΔＸを演算する（式（１’））。
【００３２】
ステップＳ１２において、変化量比較回路６ｃは、変化量演算回路６ｂによって計算された変化量ΔＸと、あらかじめ設定された変化量判定値ΔＸｓとを比較する。変化量比較回路６ｃは、変化量ΔＸが変化量判定値ΔＸｓよりも大きい場合には、次のステップＳ１３に処理を遷移させる。変化量ΔＸが変化量判定値ΔＸｓ以下の場合には、ステップＳ１１に処理を戻して、次に隣接する取得時刻に関する演算を実行する。
【００３３】
ステップＳ１３において、保護動作回路６ｄは、変化量ΔＸが、変化量判定値ΔＸｓよりも大きいことにしたがって、大量の漏水が発生したものと判断し、大量漏水の場合に発報する警報信号を生成して出力する。
【００３４】
警報信号は、たとえば、変換器１または制御装置に送信される。ステップＳ３１において、変換器１または制御装置は、変換器１を停止させるゲートブロック信号やインタロック信号を生成して、変換器１を停止させる。
【００３５】
次に、水位Ｘの絶対的なレベル低下を判定するフローについて説明する。
ステップＳ２１において、漏水検出装置６は、データ記録回路６ａからたとえば最新の取得時刻およびその取得時刻に関連付けられた水位Ｘのデータを読み出す。漏水検出装置６は、読み出した水位Ｘのデータを、あらかじめ設定された水位判定値Ｘｓと比較する。漏水検出装置６は、水位Ｘが、水位判定値Ｘｓよりも小さい（低い）場合には、次のステップＳ２２に処理を遷移させる。漏水検出装置６は、水位Ｘが、水位判定値Ｘｓ以上の場合には、ステップＳ２１に戻って、次の取得時刻および水位Ｘのデータを読み出す処理を繰り返す。
【００３６】
ステップＳ２２において、漏水検出装置６は、冷却水３が不足していると判断し、冷却水３が不足していることを表す警報信号を生成して出力する。
【００３７】
この場合の警報信号は、たとえば、変換器１およびその冷却システム等を監視するＨＭＩ端末に送信され、ＨＭＩ端末の監視画面上に、「冷却水レベル低下」等の表示によりオペレータに注意を喚起する。
【００３８】
このように、実施形態の漏水検出装置６では、サージタンク４の冷却水３の水位の変化量ΔＸの異常を検出した場合と、サージタンク４の冷却水３の水位Ｘの絶対的なレベル低下を検出した場合とで、保護動作の程度を変えることができる。
【００３９】
上述では、サージタンク４の冷却水３の水位の変化量ΔＸの検出においては、１つの変化量判定値ΔＸｓの設定に限らず、複数の変化量判定値を設定してもよい。複数の変化量判定値を設定することによって、異なるレベルの保護動作を実行するようにできる。
【００４０】
上述では、水位Ｘのデータは、定周期で取得されるものとして説明したが、水位Ｘのデータは、非定周期で取得され、式（１）または式（１’）にしたがって、変化量ΔＸを算出するようにしてももちろんかまわない。
【００４１】
実施形態の漏水検出装置６は、たとえば記憶装置（図示せず）等に格納されたプログラムを読み出して、逐次実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）等を含んでもよい。実施形態の漏水検出装置６は、プログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）によって実現されてもよい。上述した各ブロック（回路）の一部または全部は、プログラムを構成する１つまたは複数のステップにより実現される。
【００４２】
実施形態の漏水検出装置６の効果について、比較例の漏水検出装置と比較しつつ説明する。
図３は、比較例の漏水検出装置を例示する模式的なブロック図である。
図３に示すように、漏水検出装置１０６は、保護動作回路１０６ｄを有している。保護動作回路１０６ｄは、サージタンク４に設けられた水位検出センサ５に接続されている。
【００４３】
比較例の場合には、水位検出センサ５は、たとえばレベルスイッチ等の水位センサであり、サージタンク４内の冷却水３が水位検出センサ５で設定された水位判定値Ｘｓまで低下したときに、レベル低下信号を出力する。
【００４４】
保護動作回路１０６ｄは、レベル低下信号が供給されることによって、所定の保護動作を実行する。所定の保護動作は、たとえば、変換器１の解列指令や、ＨＭＩ端末に対する警告表示のための信号の生成、出力等である。
【００４５】
比較例の場合には、サージタンク４の冷却水３の水位が、１つのしきい値に達したことをもって、漏水判定を行う。そのため微小な漏水が長期間にわたって生じた場合に、冷却水３の減少により冷却性能の低下を生じないように、点検、補修等を行うことには適している。たとえば、微小な漏水が変換器１の周囲に発生しても、通常の場合には、蒸発して絶縁破壊等の不具合を生じることはない。しかしながら、地震等の自然災害等によって、配管が破断することによって、短時間に大量の漏水が発生した場合には、漏水した水は蒸発する期間がないので、変換器１内に漏水が浸入すると、絶縁破壊等生じて、事故につながるおそれがある。
【００４６】
実施形態の漏水検出装置６では、サージタンク４の冷却水３の水位Ｘのデータを逐次取得し、取得時刻に関連付けて記録する。取得時刻およびそれに関連付けた水位Ｘのデータを用いて、水位の変化量ΔＸを演算し、所定の変化量判定値ΔＸｓよりも大きい場合には、配管破断等による大量の漏水があったものと判定して、緊急に変換器１の停止等することができる。大量の漏水によって変換器１に冷却水が浸入しても、変換器１は停止しているので、それ以上の被害の拡大を阻止することができる。
【００４７】
施工時の配管接続作業等の不備等によって、配管の破断によるものに及ばないものの、顕著な漏水を生じる場合や、さまざまな漏水の要因、漏水のレベルが生じ得る。実施形態の漏水検出装置６では、変化量判定値ΔＸｓを複数設定することができるので、多様な災害、事故、施工不良等による漏水に対処することができ、漏水の程度に応じて、異なる警報レベルを容易に設定することができる。
【００４８】
実施形態の漏水検出装置６では、水位Ｘのデータを取得時刻とともに記録するので、水位の変化量ΔＸばかりでなく、水位Ｘの絶対的なレベルの低下判定も同時に行うことができ、より確実に安全な冷却システムを構築することができる。
【００４９】
以上説明した実施形態によれば、短時間の急激な漏水を検出できる漏水検出装置を実現することができる。
【００５０】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１  変換器、２  冷却装置、３  冷却水、４  サージタンク、５  水位検出センサ、６  漏水検出装置、６ａ  データ記録回路、６ｂ  変化量演算回路、６ｃ  変化量比較回路、６ｄ  保護動作回路、１０  主回路、２１，２２  配管、２３  循環ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2019158750.tif 000005