JP2009141667A - アーク放電監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アーク発生直後のアーク挙動とアーク発生前後の異物などのアーク以外の挙動とを一台の高速度カメラで撮影し、アーク及びアーク以外の位置の時間変化などを抽出し定量的に評価できるアーク放電監視装置を提供することである。
【解決手段】光を受光する感光部が複数列配置され高速に測定対象物の２次元画像を読み取ることができる高速度カメラ２２と、測定対象物２３に高輝度均一の光を照射する照明装置２４と、照明装置２４の光源部の前面及び高速度カメラ２２のレンズの前面に配置されアーク放電の主な波長領域の光が減衰帯に位置するバンドパスフィルタ２５と、高速度カメラ２２で読み取られた画像を処理し表示する画像処理表示装置２７とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発変電所や開閉所等における変圧器や開閉器あるいは高圧導体などの変電機器のアーク放電の監視に好適なアーク放電監視装置に関する。

一般に、発変電所及び開閉所等において用いられている変圧器及び開閉器などの変電機器において、短絡・地絡事故が発生すると、アーク放電によるアーク電流が数千Ａから場合によっては数万Ａの大電流が流れるため、変圧器の焼損や遮断器の爆発などの大きな設備災害を引き起こす恐れがある。短絡・地絡事故の原因として密閉空間内の導電性異物混入が挙げられる。特に異物が電界によって高電圧導体近傍を浮遊するファイヤフライ現象に至った場合には絶縁耐力は著しく低下するため事故の危険性が高くなる。

このような異物混入による短絡・地絡にいたる現象を解明しようとする場合、高速度撮影により異物とアークの相互の位置関係などを同時に定量的に測定できれば非常に有用である。従来のＣＣＤカメラによるアーク撮影では、アークの強い光によりＣＣＤがハレーションを起こさないように遮光する必要がある。その方法として、レンズを絞る方法がある。また、カメラ自体が持つ感度の波長域を低減させるＮＤフィルタをレンズに設置するなどがある。また、アークの挙動は非常に高速であるため、撮影速度が４０００ｆｐｓ以上の高速度カメラによる撮影が必要である。

ここで、溶接中における溶接状態を充分に監視し得る溶接監視装置として、ＣＣＤカメラに、このＣＣＤカメラ自体が持つ感度の波長域の光量を低減させるＮＤフィルタと、波長が３８０〜４００ｎｍの光を透過し得るフィルタとを具備させたものがある（例えば、特許文献１参照）。これを用いると、アーク放電時のアークとそれ以外の対象物とを撮影できる。

図６は、従来のアーク撮影システムの概略図である。タングステン電極棒１１の前方には、溶接ワイヤ（溶加材）１２が配置されるとともに、その先端部が溶融池（溶融プールともいう）１３に挿入されている。そして、このＴＩＧ溶接中に、その溶接状態すなわち溶接アーク１５の状態、母材１４の溶融状態（溶融池の形状）、溶接ワイヤ１２の挿入位置、溶融池１３の前方部の開先形状、タングステン電極棒１１の劣化状態を可視化して監視するための溶接監視装置１６が配置されている。

溶接監視装置１６は３台のＣＣＤカメラ装置１７ａ〜１７ｃからなり、ＣＣＤカメラ装置１７ａにＮＤフィルタ１８とアークの波長領域の光のみを透過する第１のフィルタ１９、ＣＣＤカメラ装置１７ｂにＮＤフィルタ１８と赤外域に近い波長領域の光のみを透過する第２のフィルタ２０、ＣＣＤカメラ装置１７ｃにＮＤフィルタ１８と赤外域のみを透過する第３のフィルタ２１を装着する。これにより、アークの挙動及びアーク以外の電極棒の形状などを同時に撮影することができる。
特開平９−１４１４３２号公報

しかし、アークの強い光によりＣＣＤがハレーションを起こさないようにアークによる光を遮光する方法では、アークの撮影は可能であるが、映像が全体的に暗くなるため、異物の挙動または周囲の状況を撮影することはできない。特に、高速度カメラは高輝度照明での撮影が要求されるので、アーク以外のものを撮影する場合には、むしろ遮光してはならない。

また、特許文献１の撮影方法では、アーク挙動を撮影するカメラとそれ以外のものを撮影するカメラを用いることにより、アークとアーク以外の挙動を同時に撮影することができるが、複数台のカメラを用意する必要があり、さらに、それぞれのカメラ位置が異なるため、アークとアーク以外の位置関係が不明となり、現象解明には役立たない。

本発明の目的は、アーク発生直後のアーク挙動とアーク発生前後の異物などのアーク以外の挙動とを一台の高速度カメラで撮影し、アーク及びアーク以外の位置の時間変化などを抽出し定量的に評価できるアーク放電監視装置を提供することである。

本発明のアーク放電監視装置は、光を受光する感光部が複数列配置され高速に測定対象物の２次元画像を読み取ることができる高速度カメラと、測定対象物に高輝度均一の光を照射する照明装置と、前記照明装置の光源部の前面及び前記高速度カメラのレンズの前面に配置されアーク放電の主な波長領域の光が減衰帯に位置するバンドパスフィルタと、前記高速度カメラで読み取られた画像を処理し表示する画像処理表示装置とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、アーク発生直後のアーク挙動とアーク発生前後の異物などのアーク以外の挙動とを一台の高速度カメラで撮影し、アーク及びアーク以外の位置の時間変化などを抽出し定量的に評価できる。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態のアーク放電監視装置の概略図である。高速度カメラ２２は、光を受光する感光部が複数列配置され、高速に測定対象物２３の２次元画像を読み取るものである。照明装置２４は、測定対象物２３に高輝度均一の光を照射するものであり、照明装置２４で照明された測定対象物２３の画像を高速度カメラ２２により撮影する。図１では測定対象物２３として３相ガス絶縁母線である場合を示している。なお、測定対象物２３は変電機器に限定されるものではない。

照明装置２４の光源部の前面及び高速度カメラ２２のレンズの前面には、バンドパスフィルタ２５が設けられている。バンドパスフィルタ２５は、アーク放電の主な波長領域の光が減衰帯に位置するような特性を有する。そして、高速度カメラ２２で読み取られた画像は、画像データ用ケーブル２６を介して画像処理表示装置２７に入力され、画像処理表示装置２７により、高速度カメラ２２で取得した画像データをデジタルデータに変換し、さらには、デジタルデータ処理及び結果表示などを行う。

画像処理表示装置２７は、高速度カメラ２２で取得した画像データを画像変換装置２８に入力し、画像変換装置２８によりデジタルデータへ変換し演算装置２９に出力する。演算装置２９は、キーボードやマウスなどの入力手段３０からの指令に基づき、デジタルデータを処理して任意の数値データを抽出しグラフ化などをしてモニタ部３１に表示する。記憶部３２は、演算装置２９で抽出した数値データや入力手段３０から入力したデータを記憶する。通常、画像処理表示装置２７は、小型で持ち運びが容易なもの、例えば、パーソナルコンピュータで構成される。

図２は、図１のバンドパスフィルタ(band pass filter)２５の透過曲線の一例を示す特性図である。図２に示すように、バンドパスフィルタ２５は、波長が５００nm〜５５０nm（アーク放電の主な波長領域）の光は減衰帯に位置する特性を有し、波長が５００nm〜５５０nm以外の領域（ｆ１〜ｆ２）での光を透過する。

このように構成されたアーク放電監視装置で、測定対象物２３のアークを監視するにあたっては、測定対象物２３が撮影できるように高速度カメラ２２及び照明装置２４を配置する。特にレンズ絞りに関しては、測定対象物２３が撮影できるように十分調整する。高速度カメラ２２により撮影されたアーク発生前後の映像データは、画像データ用ケーブル３を介して画像処理表示装置２７へと転送され、画像変換装置２８で一フレーム毎の画像デジタルデータへと変換される。

図３はアーク発生前後の映像図であり、図３（ａ）はアーク発生前の映像図、図３（ｂ）はアーク発生後の映像図である。アーク発生前は、照明装置２４から照射した光は照明装置２４の前面に設置したバンドパスフィルタ２５を通過し測定対象物２３に照射される。そして、その反射光は高速度カメラ２２のレンズに設置したバンドパスフィルタ２５を通過できるので、図３（ａ）に示すように、アーク発生前映像３３は異物３４の挙動などを撮影することができる。

アーク発生直後では、図３（ｂ）に示すように、アーク３６の主な波長領域は５００nm〜５５０nmであるため、アーク３６から放射される強い光は高速度カメラ２２のレンズに設置したバンドパスフィルタ２５を通過する際に減衰されるため、ＣＣＤはハレーションを起こすことなく、図３（ｂ）のアーク発生後映像３５のようにアーク３６の発生状況を撮影することができる。

このように得られたアーク発生前後の映像３３、３５から、画像処理表示装置２７において異物位置の時間変化、アークの発生位置、または、アーク長の時間変化などを抽出することができる。これにより、アーク発生状況を定量的に評価することができる。

ここで、高速度カメラ２２のレンズ及び照明装置２４の前面に設置するバンドパスフィルタ２５の代わりに、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、バンドエリミネートフィルタを用いてもよい。この場合、アーク放電の主な波長領域の光が減衰帯に位置する特性とすることはいうまでもない。

図４は、本発明の第１の実施の形態の他の一例で用いるハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、バンドエリミネートフィルタの特性図である。図４（ａ）はバンドパスフィルタ２５の代わりに用いるハイパスフィルタ(high frequency pass filter)の特性図であり、ハイパスフィルタの透過曲線Ｓ１に示すように、波長が５５０nm以上の任意の波長領域以上の光を透過するハイパスフィルタを用いても、図２の特性のバンドパスフィルタ２５を用いた場合と同様の効果を得ることができる。

また、図４（ｂ）は高速度カメラ２２のレンズ及び照明装置２４の前面に設置するバンドパスフィルタ２５の代わりに用いるローパスフィルタ(low frequency pass filter)の特性図であり、ローパスフィルタの透過曲線Ｓ２に示すように波長が５００nm以下の任意の波長領域以下の光を透過するローパスフィルタを用いても、図２の特性のバンドパスフィルタ２５を用いた場合と同様の効果を得ることができる。

また、図４（ｃ）は高速度カメラ２２のレンズ及び照明装置２４の前面に設置するバンドパスフィルタ２５の代わりに用いるバンドエリミネートフィルタ(band eliminate filter)の特性図であり、バンドエリミネートフィルタの透過曲線Ｓ３に示すように波長が５００nm〜５５０nmの波長領域の光を透過しないバンドエリミネートフィルタを用いても、図２の特性のバンドパスフィルタ２５を用いた場合と同様の効果を得ることができる。

本発明の実施の形態はアーク発生前後の状況を撮影する場合のみでなく、強い光の波長領域が既知であれば、その強い光の発生前後の状況を撮影し、その定量的評価を行うことができる。例えば、移動体へ落雷する状況を撮影し、落雷前の移動***置の時間変化、及び雷位置の時間変化など抽出し定量的評価を行うことができる。

第１の実施の形態によれば、一台の高速度カメラ２２により、アーク発生直後のアーク挙動とアーク発生前後の異物などのアーク以外の挙動を撮影し、アーク発生状況を定量的に評価することができる。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係わるアーク放電監視装置の構成図である。図１に示した第１の実施の形態に対し、バンドパスフィルタ２５を、照明装置２４の光源部の前面及び高速度カメラ２２のレンズの前面に代えて、測定対象物２３の前面に設けたものである。図１と同一構成要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

ここで、第１の実施の形態では、高速度カメラ２２のレンズの前面と、照明装置２４の光源の前面にバンドパスフィルタ２５を設置するため、複数のバンドパスフィルタ２５が必要となる。特に高速度カメラ２２による撮影では、露光時間を短く切るために多くの光が必要なため、複数台の照明装置２４を設置するので、さらに数多くのバンドパスフィルタ２５が必要となる。

そこで、本発明の第２の実施の形態では、一枚のバンドパスフィルタ２５を測定対象物２３の前面に設ける。第２の実施の形態のアーク放電監視装置で、測定対象物２３のアークを監視するにあたっては、まず、測定対象物２３が撮影できるように高速度カメラ２２及び照明装置２４を設置する。また、バンドパスフィルタ２５は、測定対象物２３の前面に、つまり、高速度カメラ２２及び照明装置２４と測定対象物２３との間に配置する。さらに、照明装置２４から照射された光はバンドパスフィルタ２５を透過し、測定対象物２３へ照射されるように、また、高速度カメラ２２はバンドパスフィルタ２５越しに撮影できるように各機器を調整する。

アーク発生前は、照明装置２４から照射した光はバンドパスフィルタ２５を通過し、測定対象物２３に照射される。そして、その反射光はバンドパスフィルタ２５を通過できるので、図３（ａ）のアーク発生前映像３３のように異物３４の挙動などを撮影することができる。さらに、アーク発生直後では、図２に示すようにアークの主な波長領域は５００nm〜５５０nmであるため、アークから放射される強い光はバンドパスフィルタ２５を通過する際に減衰されるため、ＣＣＤはハレーションを起こすことなく、図３（ｂ）のアーク発生後映像５のようにアーク３６の発生状況を撮影することができる。

このように得られたアーク発生前後の映像から、画像処理表示装置２７において異物位置の時間変化、アークの発生位置、またはアーク長の時間変化などを抽出することができ、アーク発生状況を定量的に評価することができる。このように第２の実施の形態では、一枚のバンドパスフィルタ２５で、アーク発生直後のアーク挙動とアーク発生前後の異物などのアーク以外の挙動を撮影し、アーク発生状況を定量的に評価することができる。

また、測定対象物２３をのぞき窓より撮影する場合は、バンドパスフィルタ２５はのぞき窓に装着することにより同様の効果を得ることができる。また、第１の実施の形態と同様に、大型なバンドパスフィルタの代わりに、図４（ａ）のハイパスフィルタの透過曲線Ｓ１に示すように波長が５５０nm以上の任意の波長領域以上の光を透過するハイパスフィルタでも、同様な効果を得ることができる。また、第１の実施の形態と同様に、大型なバンドパスフィルタの代わりに、図４（ｂ）のローパスフィルタの透過曲線Ｓ２に示すように波長が５００nm以下の任意の波長領域以下の光を透過するローパスフィルタでも、同様な効果を得ることができる。さらにまた、第１の実施の形態と同様に、大型なバンドパスフィルタの代わりに、図４（ｃ）のバンドエリミネートフィルタの透過曲線Ｓ３に示すように波長が５００nm〜５５０nmの波長領域の光を透過しないバンドエリミネートフィルタを用いても、同様の効果を得ることができる。

なお、第２の実施の形態はアーク発生前後の状況を撮影する場合だけでなく、強い光の波長領域が既知であれば、その強い光の発生前後の状況を撮影し、その定量的評価を行うことができる。例えば移動体へ落雷する状況を撮影し、落雷前の移動***置の時間変化、及び雷位置の時間変化など抽出し、定量的評価を行うことができる。

本発明の第１の実施の形態のアーク放電監視装置の概略図。 図１のバンドパスフィルタの透過曲線の一例を示す特性図。 アーク発生前後の映像の一例を示す映像図。 本発明の第１の実施の形態の他の一例で用いるハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、バンドエリミネートフィルタの特性図。 本発明の第２の実施の形態に係わるアーク放電監視装置の構成図。 従来のアーク撮影システムの概略図。

符号の説明

１１…タングステン電極棒、１２…溶接ワイヤ、１３…溶融池、１４…母材、１５…溶接アーク、１６…溶接監視装置、１７…ＣＣＤカメラ装置、１８…ＮＤフィルタ、１９…第１のフィルタ、２０…第２のフィルタ、２１…第３のフィルタ、２２…高速度カメラ、２３…測定対象物、２４…照明装置、２５…バンドパスフィルタ、２６…画像データ用ケーブル、２７…画像処理表示装置、２８…画像変換装置、２９…演算装置、３０…入力手段、３１…モニタ部、３２…記憶部、３３…アーク発生前映像３３、３４…異物、３５…アーク発生後映像、３６…アーク

Claims (5)

1. 光を受光する感光部が複数列配置され高速に測定対象物の２次元画像を読み取ることができる高速度カメラと、測定対象物に高輝度均一の光を照射する照明装置と、前記照明装置の光源部の前面及び前記高速度カメラのレンズの前面に配置されアーク放電の主な波長領域の光が減衰帯に位置するバンドパスフィルタと、前記高速度カメラで読み取られた画像を処理し表示する画像処理表示装置とを備えたことを特徴とするアーク放電監視装置。
2. 前記バンドパスフィルタは、前記照明装置の光源部の前面及び前記高速度カメラのレンズの前面に代えて、前記測定対象物の前面に設けたことを特徴とする請求項１記載のアーク放電監視装置。
3. 前記バンドパスフィルタに代えて、アーク放電の主な波長領域の光が減衰帯に位置するハイパスフィルタを用いることを特徴とする請求項１または２記載のアーク放電監視装置。
4. 前記バンドパスフィルタに代えて、アーク放電の主な波長領域の光が減衰帯に位置するローパスフィルタを用いることを特徴とする請求項１または２記載のアーク放電監視装置。
5. 前記バンドパスフィルタに代えて、アーク放電の主な波長領域の光が減衰帯に位置するバンドエリミネートフィルタを用いることを特徴とする請求項１または２記載のアーク放電監視装置。

Images