JPH0827324B2

JPH0827324B2 - 電気機器の故障位置標定装置

Info

Publication number: JPH0827324B2
Application number: JP33375389A
Authority: JP
Inventors: 守山田; 俊英渡辺
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1989-12-22
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2011-03-21
Also published as: JPH03194479A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、変圧器や開閉装置などの高電圧機器にお
いて、高電圧部が収納されている容器の内部で発生する
閃絡などによる発光を検出することによって故障位置を
標定する故障位置標定装置に関する。

〔従来の技術〕

変圧器や開閉装置などの高電圧機器は絶縁媒体を封入
しておく必要があるために、密封容器内に高電圧部を収
納した構成が採られる。このような構成の電気機器にお
いて、内部で絶縁劣化のために部分放電が生じたり、更
に進んで高電圧導体同士あるいは高電圧導体と接地導体
との間で絶縁破壊が生じて閃絡現象が発生したりするこ
とがある。このような内部に生ずる絶縁上の異常、又は
故障を検出するために種々の方法が採られている。特に
一般にGISと略称されているガス絶縁開閉装置は絶縁ス
ペーサで複数の区画に仕切られた構成をしていて閃絡現
象によって生ずる発光箇所がどの区画で発生したのかの
位置標定を行うのによく使用されている。GISは円筒状
の容器を組み合わせてその中に高圧リードなどの高圧部
を収納し、異なる容器間を絶縁スペーサを介して電気的
機械的に接続するという構成になっていて、絶縁スペー
サで仕切られた容器が多数存在するような構成である。
万一、どれかの容器内で閃絡故障が発生した場合、故障
の生じた容器を電気的に位置標定することは困難であ
り、しかも修理の効率化のためには、故障した容器を標
定することが必須である。このようなGISの故障箇所の
標定のために、最近閃絡光を光センサで検出して故障位
置の標定を行う故障位置標定装置が実用化されている。

このような従来の閃絡光を検出する故障位置標定装置
の光センサとしては、ホトマルなどの受光素子で閃絡光
を直接受光し電気信号に変換した上で外部に引き出すと
いう方式と、集光レンズで光ファイバの先端に集光させ
てこの光ファイバを外部に引き出して所定の位置でホト
ダイオードなどの光電気変換素子を使用して電気信号に
変換する方式とがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述のように、光センサとしてホトマルを使用する方
式は、ホトマル自体光の入射角に制限があり、また、ホ
トマルはノイズに比較的弱く、開閉器の開閉操作時に発
生する開閉サージの伝播によって破壊されることが多く
信頼性の点で問題がある。更に、１つのケースの内部全
体をカバーするためには多数のホトマルを設置しなけれ
ばならないという問題がある。このように光センサの数
が多いとこれに対応して光信号が変換された電気信号を
電子回路的に処理して所要の判定を行う判定器の数が増
加しシステムとしての構成が複雑かつ高価になりしかも
信頼性に低くなるという問題が生ずる。

光センサとして集光レンズを使用して光ファイバで外
部に引き出す方式も集光範囲が狭いので、容器内の高電
圧部が複雑に配置されている場合などでは多数の光セン
サとこれに付随して多数の判定器を必要とするという前
述のホトマルと同様の問題がある。

この発明はこのような問題を解決し、複雑な構成の高
電圧部でも多数のセンサと判定器とを必要とせず、しか
も信頼性の高い電気機器の故障位置標定装置を提供する
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するためにこの発明によれば、遮光さ
れた容器内に収納された電気機器の高電圧部で発生する
光を検出することによってこの電気機器の故障位置を標
定する故障位置標定装置であって、前記容器内を引き回
してその両端を外部に引き出した蛍光ファイバからなる
検光ファイバと、この検光ファイバの両端部から導出し
た光信号をそれぞれ電気信号に変換する光電気変換器
と、これらの光電気変換器の出力信号を入力信号として
前記故障位置をこれら２つの入力信号の強度比を基に標
定しその結果を出力する判定器と、この判定器の出力信
号を基に所定の出力表示をする表示器とからなるものと
する。

また、少なくとも２個以上の区分容器に区分され、か
つ、遮光された容器内に収納された電気機器の高電圧部
で発生する光を検出することによってこの電気機器の故
障位置を標定する故障位置標定装置であって、前記各区
分容器の各々の内部に引き回される蛍光ファイバと、隣
接する前記各区分容器間の連結個所で前記各蛍光ファイ
バ相互間を接続する導光ファイバとにより形成される１
本の検光ファイバと、この検光ファイバの両端部から導
出した光信号をそれぞれ電気信号に変換する光電気変換
器と、これらの光電気変換器の出力信号を入力信号とし
て前記故障位置をこれら２つの入力信号の強弱比を基に
標定しその結果を出力する判定器と、この判定器の出力
信号を基に所定の出力表示をする表示器とからなるもの
とする。

更に、容器内に外部から制御可能の発光器を設けるも
のとする。

〔作用〕

この発明の構成において、蛍光ファイバは貫通する光
によって蛍光を発し、この蛍光が蛍光ファイバの中を両
側に同じ強度で放射され蛍光ファイバの減衰特性から決
まる減衰率で減衰しながら伝播し、両端部からそれぞれ
出光する。この蛍光ファイバを光センサとして容器内に
引き回し、その両端を外部に引き出して、それぞれの端
部からの出光を光電気変換器で電気信号に変換すると、
これらの電気信号は検出される光の強度に比例して強度
が変化するとともに、それぞれの電気信号の強度の比率
は蛍光ファイバ中の伝播距離の差に１対１の対応をして
いる。これら２つの電気信号を判定器に入力し、この判
定器によって強度の比率とこれに１対１の対応をする伝
播距離の差を演算することにより、発光位置を標定する
ことができる。この標定結果としての出力信号を表示器
によって表示してこの電気機器の運転、又は保守員に必
要とする情報を伝えることができる。また、容器内に外
部から制御可能の発光器を設け、この発光器を発光させ
て故障位置標定装置で位置標定させることにより、故障
位置標定装置が正常に動作しているかどうかを検査する
ことができるので、このような検査を定期的に行うこと
により常に信頼性の高い故障位置標定機能を維持するこ
とができる。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。第１図は
この発明の実施例を示すガス絶縁開閉器（GIS）の一部
の断面図を含む故障位置標定装置のブロック図である。
この図において、容器８の中に高電圧部としての高圧リ
ード81が配置されていて絶縁スペーサ91,92によって容
器８に固定支持されている。蛍光ファイバからなる検光
ファイバ１が容器８の中を高圧リード81に沿って配置さ
れていて、その両端が貫通端子21,22を介して導光レン
ズ31,32にそれぞれ接続されて光電気変換器41、42にそ
れぞれ入力され、この光電気変換器41,42によって電気
信号111,112に変換されて判定器５の入力信号となって
いる。判定器５はこれら入力信号を基に、後述の演算を
行って発光位置Ｐの貫通端子21からの距離ｘを求め、そ
の結果を表示器６で表示して保守員に知らせる。この表
示器６は、たとえば、GISの概略形状をCRTディスプレー
上に表示しておいて故障位置をこの上に表示する、とい
うような方式がある。また、簡単には距離ｘの値を数値
で表示することでもよい。

導光ファイバ31,32は容器８の外に設けるのでこの部
分で光が侵入するのを防止する必要があるとともに、こ
の部分で減衰量が大きいと位置標定の誤差が大きくな
る。そのためこの導光ファイバ31,32には通常のガラス
光ファイバを使用するのがよい。検光ファイバ１と導光
ファイバ31,32との接続位置は容器８の内外どちらでも
よいが、蛍光ファイバが外部にでる場合には遮光のため
の被覆が必要である。

第２図は検光ファイバ１に使用される蛍光ファイバと
その機能を説明するための模式的な断面図であり、断面
を示すための斜線を施すのはかえって図を複雑にするの
でこれを省略してある。この図において、蛍光ファイバ
は蛍光物質を含んだコア201とこのコアを包んだクラッ
ド202からなっている。このような構成は蛍光物質を含
むことを除いては光ファイバ一般に採用されている構成
であり、クラッド202の屈折率をコア201のそれよりも小
さくすることによって、伝播光205で図示しているよう
に、クラッド202の内面で全反射しながらコア201の中を
光ファイバの先端まで伝播してゆき、この先端部から外
部に出光する。通常の光ファイバでは伝播する光を先端
部から入光させることはできるが、図の入射光203のよ
うに光ファイバを貫通する光はただ貫通するだけで光フ
ァイバの軸に平行な方向に伝播する伝播光になることは
ない。ところが、蛍光ファイバの場合は、入射光203に
よってコア201に含まれている蛍光物質200に蛍光を発光
させ、この蛍光は入射光203の入射方向に関係なく周囲
に平等に放散する。そのうちの軸に対して所定の角度以
下の成分だけが伝播光205になり、この角度以上の角度
で放散した蛍光は全てクラッド202を貫通して外部に出
てしまう。この角度はクラッド202とコア201との屈折率
の比率で決まる値である。

光ファイバは一般にその直径は1mm前後と細いものな
ので屈曲性に富み、また絶縁特性が良好なので、高電圧
導体近傍を引き回しても絶縁性能に余り影響を与えるこ
とはない。第３図は第１図の光電気変換器41,42の出力
信号としての電気信号111,112の波形図である。光電気
変換器41,42は後述のようにホトダイオードであり、入
力光の強度に比例した電気信号を出力する特性を持って
いるので、電気信号111,112の波形は光電気変換器41,42
の入力光の波形でもある。

第４図は判定器５のブロック図である。この図におい
て、導光ファイバ31,32の端面から出光した光が照射さ
れたホトダイオードからなる光電気変換器41,42は前述
のように電気信号111,112を出力し、これらが判定器５
の入力信号となる。電気信号111は対数増幅器51に入力
されて電気信号111の対数に比例した電気信号121を出力
する。電気信号111は微弱な電流信号なので、対数増幅
器51はこの微弱電流を増幅する前置増幅器の役割も果た
している。現在市販されている蛍光ファイバの減衰率は
3.0db/m程度のものなので、検光ファイバ１の長さが長
いと発光位置Ｐに位置によって電気信号111の強度が大
幅に変化するので線形増幅器ではレンジオーバの可能性
があるために、対数増幅器51の対数をとる機能によって
信号強度の最大と最小の比率を圧縮する構成としたもの
である。後述のように、距離ｘを求めるためには対数演
算が必要となるので、対数増幅器51を使用するのは一石
二鳥の効果がある。

電気信号112も電気信号111と同様に対数増幅器52で増
幅されるとともに対数演算されて電気信号122に変換さ
れる。電気信号121,122は減算器53に入力されて電気信
号121から電気信号122が減算されその結果が電気信号13
0として出力される。この電気信号130は掛算器55に入力
され後述する検光ファイバ１の減衰率に関する値（1/
（２α））が掛け算されて電気信号140となる。この掛
算器55は実際には増幅率が1/（２α）に設定された増幅
器である。電気信号140は減算器57に入力されて検光フ
ァイバ１の全長Ｌの２分の１に相当する値（L/2）から
減算されて電気信号150が得られる。この電気信号150は
後述のように距離ｘに比例する電気信号であり、この電
気信号150が第１図の表示器６に入力される。

以上の演算の理論的根拠は次の通りである。第１図に
おいて、位置Ｐでの検光ファイバ１の内部で発光して両
側に伝播する蛍光の強度をP₀、光電気変換器41に入力さ
れる光の強度をP₁、光電気変換器42に入力される光の強
度をP₂、検光ファイバ１の全長をＬ、位置Ｐの図の左端
からの距離をｘとそれぞれすると、次式が成立する。

P₁＝P₀EXP｛−αｘ｝ ……（１） P₂＝P₀EXP｛−α（Ｌ−ｘ）｝ ……（２）両式から距離ｘを求めると結果として次式が得られ
る。

ｘ＝（L/2）−（1/2α）ln（P₁/P₂） ……（３）したがって、検光ファイバ１の全長Ｌとその減衰率α
が既知であれば、光電気変換器41,42にそれぞれ入力さ
れた光強度P₁,P₂の比率を求めてその対数をとることに
より発光位置Ｐまでの距離ｘを求めることができる。

検光ファイバ１の全長は当然既知である。ただ、実際
には検光ファイバ１と導光ファイバ31,32との接続部の
減衰、導光ファイバ31,32そのものによる減衰などが存
在するので、前式に使用される検光ファイバ１の全長と
しては、これら検光ファイバ１以外で光の減衰量を検光
ファイバの長さに換算して加えた等価的な長さを採用す
ることになる。

前述の電気信号130は（３）式におけるln（P₁/P₂）に
比例し、電気信号140は（1/2α）ln（P₁/P₂）に比例
し、電気信号150がｘに比例する強度になっており、判
定器５の演算回路は（３）式に基づいた演算を行うもの
である。

検光ファイバ１の減衰率が小さいか全長が短いために
電気信号111,112の最大最小比が余り大きくないときに
は、第４図の対数増幅器51,52の代わりに増幅率一定の
通常の前置増幅器を使用し、演算器130の代わりに除算
器を使用して（P₁/P₂）に比例する電気信号を得、これ
を対数器に入力して対数をとることによって電気信号13
0を得る構成を採用することができる。このようなアナ
ログ演算回路で構成される判定器５の構成は第４図や前
述の構成以外に種々のものが可能であり、この発明の目
的に反しない範囲でどのような演算回路の構成を採用し
てもよい。

（３）式を演算するための判定器５としてディジタル
演算器としてのコンピュータを使用し、（３）式の演算
をソフトウエアで処理する方式を採用することもでき
る。この場合でも対数増幅器51,52の出力信号をＡ−Ｄ
変換器でディジタル信号に変換した上でコンピュータの
入力信号する方式でも、増幅率一定の前置増幅器の出力
信号をＡ−Ｄ変換器でディジタル信号に変換した上でコ
ンピュータの入力信号する方式でもよく、その選択は前
述と同じく光電気変換器41,42の出力信号である電気信
号111,112の最大最小比を基に判断される。

検光ファイバ１内を伝播する光は閃絡光そのものでは
なく、検光ファイバ１内で発光した蛍光なので単色光と
考えてよい。蛍光ファイバの減衰率は波長によって異な
るが、単色光に対しては一定の減衰率となるから、伝播
長さが異なって減衰比が異なっても波形の変化は生じな
い。したがって、電気信号111,112の波形は相似となる
ので、どの時点においても（３）式の（P₁/P₂）の値は
一定となることから、光信号が光電気変換器41,42に入
力されている間電気信号150としてこの波形に関係しな
い距離ｘに比例する一定の値が継続して得られる。

第５図はこの発明の別の実施例を示すGISの断面図を
含む故障位置標定装置のブロック図である。この図にお
いて、容器80は絶縁スペーサ93,94,95,96で仕切られた
３つの区分容器82,83,84からなっている。図の両側にも
区分容器が続いているが、図の簡単化のために省略して
ある。区分容器82には検光ファイバ11が挿入されてお
り、同様にして区分容器83にみ検光ファイバ12が、区分
容器84には検光ファイバ13がそれぞれ挿入されていて、
それぞれが貫通端子24,25,26,27を介して導光ファイバ3
4,35で１本に接続されて光学的に１本の検光ファイバ10
を構成している。検光ファイバ11の左端でもある検光フ
ァイバ10の左端は貫通端子23を介して導光ファイバ33に
接続されて光電気変換器41に接続され、検光ファイバ13
の右端でもある検光ファイバ10の右端は貫通端子28を介
して導光ファイバ36に接続されて光電気変換器42に接続
されており、これら光電気変換器41,42の出力信号とし
ての電気信号113,114は第１図と同様に判定器51、に入
力され判定器51の出力信号が表示器61に入力されてい
る。この図の導光ファイバ33,36は第１図の導光ファイ
バ31,32と基本的に同じものであり、光電気変換器41,42
は同じ参照符号で示すように第１図のそれと同じであ
る。また、判定器51と表示器61も第１図の判定器５や表
示器６と類似である。ただ、第５図の場合、許容される
光信号の最大最小比の範囲内でなるべく多くの区分容器
を１本の検光ファイバ10でつなぐようにして、GIS全体
の判定器51、表示器61の数をなるべく少なくするような
構成が採られるので、電気信号113,114の増幅には第３
図に示した対数増幅器51,52の使用が適当であり、実際
のGISでの故障位置標定は区分容器単位での位置標定が
重要であって、１つの区分容器内の位置の標定は余り重
要でないことから、おのずから、演算結果の取扱や表示
の方式に関して第１図の場合とは異なる点が生ずること
になる。

導光ファイバ34,35は普通の光ファイバでも被覆して
光が侵入しないようにした蛍光ファイバでもよい。

第６図はこの発明の異なる実施例を示すGISの断面図
を含む故障位置標定装置のブロック図であり、第１図と
同じ構成要素については同じ参照符号を付けることによ
り詳しい説明を省略する。この図において、容器85に開
口部74を設け、この中に光源73を取付けて容器85の外に
設けた電源71から開口部74のふた72を貫通して光源73に
電力を供給する構成からなる発光器７を設けてある。開
口部74を設ける位置は検光ファイバ１の中央位置に最も
近い位置が最適である。光源73に電源71から電力を供給
して点灯させると、光源71から発した光101は検光ファ
イバ１によって検出され、第１図で述べたように検光フ
ァイバ１内で蛍光が発し両側に伝播して結果的に判定器
５によって発光位置の標定が行われる。全ての構成要素
が製作された初期状態を維持しているときには、判定器
５が演算した発光位置は光源73を取付けた位置に一致す
る。一方、光電気変換器41,42の変換効率が変化した
り、第４図に示す対数増幅器51,52の増幅特性が変化し
たりなどの何らかの回路定数の変化が生ずると判定器５
が求めた発光位置は本来の位置からずれるという現象が
生じ、このことは故障位置標定装置の異常の検出が可能
であることを意味する。したがって、発光器７を用いて
定期的に検査をすることにより故障位置標定装置が正常
であることを確認することにより常に信頼性の高い故障
位置検出機能を維持することができる。また、この発光
器７を用いて故障位置標定装置に製作した時点で判定器
５の校正に使用することもできる。すなわち、光電気変
換器41,42や対数増幅器51,52などの同じ特性を持ってい
なければならない回路要素が実際に検出不可能な程度に
特性が一致しているとは限らないので、位置が明らかな
発光器７での発光に基づいた位置標定を判定器５に行わ
せてその結果を基に前述の対になった回路要素の変換効
率や増幅特性などの調整を行うことにより、初期条件を
設計通りに合わせる校正が可能である。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、蛍光ファイバからなる光セ
ンサとしての検光ファイバを容器内に引き回し、その両
端を外部に引き出して、それぞれの端部からの出光を光
電気変換器で電気信号に変換すると、これらの電気信号
は検出される光の強度に比例して強度が変化する。これ
らの電気信号の強度の比率は検光ファイバ中を伝播する
ことによる減衰によって一義的に決まるものなので、発
光位置から両側に別れて伝播する蛍光の伝播距離の差に
１対１の対応をしている。これら２つの電気信号を判定
器に入力し、この判定器によって強度の比率とこれに１
対１の対応をする伝播距離の差を所定の演算式に基づい
て演算することにより、発光位置を標定することができ
る。この標定結果としての判定器の出力信号を表示器に
よって表示してこの電気機器の運転、又は保守員に必要
とする情報を伝えることができる。検光ファイバを構成
する蛍光ファイバは容器内に挿入されている全部の長さ
が光センサとして働くので、この検光ファイバを故障検
出を必要とする容器内に引き回すことによって、広い範
囲を１本の検光ファイバで故障位置の標定が可能にな
る。１本の検光ファイバに対して１組の電子回路が必要
であるが、１本の検光ファイバで複数の容器の故障位置
標定も可能なので、電気機器全体として少なくすること
ができ、低価格でかつ信頼性の高い故障位置判定装置と
なるという効果が得られる。

また、検光ファイバ１を引き回した容器内に外部から
制御可能の発光器を設け、これを発光させて検光ファイ
バに検出させ故障位置標定装置で位置標定させることに
より、故障位置標定装置が正常に動作しているかどうか
を検査することができるので、このような検査を定期的
に行うことにより常に信頼性の高い故障位置標定機能を
維持することができるという効果が得られる。なお、こ
の発明の実施例においてはGIS（ガス絶縁開閉装置）に
限って述べたが、このほかにガス絶縁ブスバー（GIB）
やガス絶縁ケーブル（GIC）なども同様な構造を持って
いるので、この発明を適用して同様の効果を上げること
ができる。更にガス絶縁変圧器のように中身の高電圧部
の構造が複雑で故障の可能性のある箇所が広い範囲で分
布するようなものでも、検光ファイバを高電圧部近辺に
引き回すことにより、少ない電子回路装置で詳しい故障
位置標定が可能になり、GISなどと同様にこの発明の効
果をあげることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す断面図を含む故障位置
標定装置のブロック図、第２図は蛍光ファイバの模式的
な断面図、第３図は第１図の電気信号の波形図、第４図
は第１図に示す判定器のブロック図、第５図はこの発明
の別の実施例を示す断面図を含む故障位置標定装置のブ
ロック図、第６図はこの発明の異なる実施例を示す断面
図を含む故障位置標定装置のブロック図でである。 1,10,11,12,13……検光ファイバ、21,22,23,24,25,26,2
7,28……貫通端子、31,32,33,34,35,36……導光ファイ
バ、41,42……光電気変換器、5,51……判定器、6,61…
…表示器、７……発光器、8,80,85……容器、82,83,84
……区分容器、91,92,93,94,95,96……絶縁スペーサ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】遮光された容器内に収納された電気機器の
高電圧部で発生する光を検出することによってこの電気
機器の故障位置を標定する故障位置標定装置であって、
前記容器内を引き回してその両端を外部に引き出した蛍
光ファイバからなる検光ファイバと、この検光ファイバ
の両端部から導出した光信号をそれぞれ電気信号に変換
する光電気変換器と、これらの光電気変換器の出力信号
を入力信号として前記故障位置をこれら２つの入力信号
の強弱比を基に標定しその結果を出力する判定器と、こ
の判定器の出力信号を基に所定の出力表示をする表示器
とからなることを特徴とする電気機器の故障位置標定装
置。
【請求項２】少なくとも２個以上の区分容器に区分さ
れ、かつ、遮光された容器内に収納された電気機器の高
電圧部で発生する光を検出することによってこの電気機
器の故障位置を標定する故障位置標定装置であって、前
記各区分容器の各々の内部に引き回される蛍光ファイバ
と、隣接する前記各区分容器間の連結個所で前記各蛍光
ファイバ相互間を接続する導光ファイバとにより形成さ
れる１本の検光ファイバと、この検光ファイバの両端部
から導出した光信号をそれぞれ電気信号に変換する光電
気変換器と、これらの光電気変換器の出力信号を入力信
号として前記故障位置をこれら２つの入力信号の強弱比
を基に標定しその結果を出力する判定器と、この判定器
の出力信号を基に所定の出力表示をする表示器とからな
ることを特徴とする電気機器の故障位置標定装置。
【請求項３】容器内に外部から制御可能の発光器を設け
たことを特徴とする請求項１ないし請求項２記載の電気
機器の故障位置標定装置。