JP2015230171A

JP2015230171A - 避雷素子及びそれを覆う碍管からなる避雷器における避雷素子の温度測定方法

Info

Publication number: JP2015230171A
Application number: JP2014114850A
Authority: JP
Inventors: 信隆荒岡; Nobutaka Araoka; 竜太染谷; Ryuta Someya
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2015-12-21

Abstract

【課題】避雷素子及びそれを覆う碍管からなる避雷器において、その内部に位置する避雷素子の温度を高精度かつ逐次的に、避雷器の特性を変化させることなく測定する方法を提供する。【解決手段】実施形態の避雷素子及びそれを覆う碍管からなる避雷器における避雷素子の温度測定方法は、前記避雷器の前記碍管に超音波を励起し、前記碍管の超音波伝播速度及び温度伝播特性の関係に基づいて、前記碍管の温度を計測するステップを具える。また、前記碍管及び前記避雷素子間の温度伝播特性に基づいて、前記避雷素子の温度を計測するステップを具える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、避雷素子及びそれを覆う碍管からなる避雷器における避雷素子の温度測定方法に関する。

避雷器は、雷や過雷圧のサージに起因する高雷圧による雷力機器の損傷を防止することを目的として設置される装置である。この避雷器の開発試験においては、碍管で覆われた避雷素子の温度変化測定を実施する必要がある。

従来の測定方法としては、サーモテープや光による測定方法がある。サーモテープは特定温度に達したときに色が変色する不可逆性の指温材を複数個用いて、避雷素子の最高到達温度を推定する。しかしながら、温度刻み幅は５度前後であり、正確な温度上昇を測定することができず、また逐次測定ではないため最高到達温度に関する情報しか得ることができない。

光測定は避雷器碍管に光ファイバを挿入し、戻ってくる反射光を見ることで温度を逐次測定する。しかしながら、光ファイバを挿入するための穴加工を施す必要があるため、雷気的ストレスを増大させ、開発試験に影響を及ぼす可能性がある。したがって、従来では碍管により覆われた避雷素子温度を高精度かつ逐次的に避雷器の特性を変化させることなく測定する方法がなく、これを解決するために非接触で内部の避雷素子温度を測定する方法を開発する必要性がある。

また、特開２０１１−１４９８３９号公報には、超音波の速度と温度との関係式ｖ（Ｔ）が予め求められた媒体に超音波を励起し、媒体を伝播した超音波を非接触的に検出して、媒体の二次元又は三次元温度分布を算出する超音波を用いた温度測定方法が開示されている。この方法においては、超音波の検出点を固定しつつ超音波の励起点を移動させて、励起点と検出点との間の超音波の伝播時間を算出する。また、媒体の二次元又は三次元温度分布を算出するために、励起点の各点と検出点との間の一次元温度分布を数値解析によって夫々算出することが開示されている。しかしながら、当該方法も、碍管により覆われた避雷素子温度を高精度かつ逐次的に測定することについては何ら言及していない。

特開２０１１−１４９８３９号公報

本発明は、避雷素子及びそれを覆う碍管からなる避雷器において、その内部に位置する避雷素子の温度を高精度かつ逐次的に、避雷器の特性を変化させることなく測定する方法を提供することを目的とする。

実施形態の避雷素子及びそれを覆う碍管からなる避雷器における避雷素子の温度測定方法は、前記避雷器の前記碍管に超音波を励起し、前記碍管の超音波伝播速度及び温度伝播特性の関係に基づいて、前記碍管の温度を計測するステップを具える。また、前記碍管及び前記避雷素子間の温度伝播特性に基づいて、前記避雷素子の温度を計測するステップを具える。

実施形態の避雷素子及びそれを覆う碍管からなる避雷器における避雷素子の温度測定方法を実施するための概略構成図である。

図１は、本実施形態の避雷素子及びそれを覆う碍管からなる避雷器における避雷素子の温度測定方法を実施するための概略構成図である。

図１に示すように、本実施形態においては、避雷素子の温度測定を行うための測定装置１０と、避雷素子２１及びそれを覆う碍管２２からなるとともに、避雷素子２１の両端部に配設された電極２３，２４からなる避雷器２０とが配設されている。

測定装置１０は、レーザ光源１１、及びこのレーザ光源１１の先端部に取り付けられ、当該レーザ光源１１より発射されたレーザ光を導波するための光ファイバ１２、避雷器２０で発生した超音波を受信するための超音波検出装置１３、当該超音波検出装置１３で受信された超音波信号が雷気信号に変換された後、当該雷気信号を伝播させるための雷気信号ケーブル１４、雷気信号を測定するための測定装置１５（例えば二光波混合型干渉計）及び演算装置（例えば、PC）１６からなる。

レーザ光源１１から照射されたレーザ光は、光ファイバ１２を介して、避雷器２０の表面に照射される。避雷器２０に導入されたレーザ光は、避雷器２０の外周に位置する碍管２２の所定の地点にて超音波を非接触的に励起し、当該超音波は碍管２２内を伝播した後、碍管２２より外部に出力され、超音波検出装置１３で検出される。その後、超音波検出装置１３で検出した超音波信号は電気信号に変換された後、雷気信号ケーブル１４を介して、測定装置１５に送られる。測定装置１５では検出された雷気信号波形をアナログ／デジタル変換して離散化された波形データに変換し、その波形データを演算装置１６に転送する。

なお、本実施形態では、超音波を非接触的に検出する方法として、本実施形態のレーザ超音波による測定手法の他に、電磁超音波や空気超音波による測定手法を採用してもよい。しかしながら、レーザ超音波測定手法は、上記他の測定手法に比べＳＮ比が高く取れるため、高精度測定としてより好適な手法である。また、計測対象に照射するレーザは、短パルス高エネルギーのレーザ光、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザが挙げられるが、他のレーザ光を用いることも可能である。

また、超音波信号（電気信号）の転送手段は、本実施形態のように、電気信号ケーブル１４を用いて測定装置１５と演算装置１６とを接続した有線接続による方法の他に、測定装置１５から雷子記憶媒体（例えば、USBメモリ）を介してデータを演算装置１６へ転送する方法などを用いても同様に実施可能である。

なお、碍管２２の温度は、碍管２２内における超音波伝播特性と温度伝播特性との相関から測定する。例えば、碍管２２内における超音波の伝播速度と碍管２２の温度との相関を予め導出しておき、この相関関係から碍管２２の温度を推定し、碍管２２の温度の測定値とする。

一般に、ある媒体に入射させられた超音波の伝播速度は、超音波が通過する媒体の温度分布に依存する。そこで、測定対象の媒体における超音波伝播速度の温度依存性が既知であれば、媒体に伝播した超音波の伝播速度を測定することで媒体の温度を逆算することが可能である。

また、本実施形態では、碍管２２及び避雷素子２１間の温度伝播特性、例えばこれらの間の界面を介した熱伝導特性を用いて避雷素子２１の温度を推定し、避雷素子２１の温度の測定値とする。

したがって、本実施形態によれば、碍管２２及び避雷素子２１間の熱伝導特性等の温度伝播特性を予め既知としておくことにより、避電器２０を構成する外側の碍管２２の超音波特性（超音波信号）を検出して、その内部の避雷素子２１の温度を測定することができる。すなわち、避雷素子２１及びそれを覆う碍管２２からなる避雷器２０において、その内部に位置する避雷素子２１の温度を高精度かつ逐次的に、避雷器２０の加工等に依存した特性変化を生じることなく、測定することができる。

なお、上述した碍管２２及び避雷素子２１間の熱伝導特性等の温度伝播特性を用いることなく、レーザ光源１１からのレーザ照射によって避雷素子２１内に超音波を励起するには、高出力のレーザ光を用いる必要があるが、この場合、測定装置１０の全体が高価になるとともに、安全上の問題も生じるようになる。

しかしながら、上述のように、碍管２２及び避雷素子２１間の熱伝導特性等の温度伝播特性を用いれば、外面に位置する碍管２２に対してレーザ光源１１からレーザ照射によって超音波を励起すれば足りるので、低出力のレーザ光を用いても避雷素子２１の温度測定が可能となる。したがって、測定装置１０の全体が高価になることを回避できるとともに、安全上の問題も回避することができる。

なお、碍管３２及び避雷素子３１間の温度伝播特性、例えば熱伝導特性（碍管３２の温度をＴ_３２、避雷素子３１の温度をＴ_３１とした場合、避雷器の熱伝導特性はＴ_３１＝Ｃ_１×Ｔ_３２＋Ｃ_２と表現できる線形性を示す）は、実験によって予め求めた測定値を用いることもできるし、数値解析（例えば有限要素法解析による熱伝導解析）によって求めてもよい。数値解析を用いる場合、碍管３２は避雷素子３１と比較して厚さが薄いため温度分布は一様とみなしても問題ないと考えられる。

また、レーザ光照射等により、碍管２２内に超音波が励起されるのは、レーザエネルギーの吸収による熱応力あるいは気化（アブレーション）圧縮力が発生し、その作用による歪みが超音波（表面波やバルク波）を励起するものである。

さらに、上述のようにして励起される超音波においては、表面波よりもバルク波の方が好ましい。これは、バルク波の方が碍管２２の内部にまで伝播するようになるので、碍管２２の温度により依存した超音波信号を超音波検出装置１３で検出できることによるものであり、これによって、碍管２２の温度、すなわち避雷素子２１の温度をより高精度に測定することができるためである。

本実施形態の避雷器２０は、避雷素子２１及び碍管３２から成る二層構造であるため、測定器側碍管表面、測定器側碍管と避雷素子境界、避雷素子と非測定器側碍管境界、非測定器側碍管表面と境界が複数あり、境界面での複雑な超音波反射波の応答が検出される。したがって、避雷素子２１を碍管２２の材質で替えることにより、避雷器２０と同じ形状及び同じ大きさであり、碍管２２と同じ材料からなる避雷器ダミーを作製し、この避雷器ダミーに対して、上述のようにレーザ光源１１よりレーザ光を照射して超音波を励起して、この超音波信号を超音波検出装置１３で検出するとともに、電気信号ケーブル１４で検出装置１５に伝送し、演算装置１６に伝送して、避雷器ダミーの超音波信号を得る。

避雷器ダミーは、避雷素子２１を有していないので、避雷素子２１及び碍管２２間において境界面が存在しない。したがって、上述のようにして得た避雷器２０の超音波信号（電気信号）から避雷器ダミーの超音波信号（電気信号）を差し引くことにより、これらの差分を得ることができ、避雷器２０の避雷素子２１及び碍管２２間の界面での超音波の反射に起因した超音波信号（電気信号）を得ることができる。したがって、超音波信号（電気信号）を高いＳＮ比で得ることができるので、碍管２２の温度、すなわち避雷素子２１の温度をより高精度に測定することができる。

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掲示したものであり、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、その他の様々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とその均等の範囲に含まれる。

１０測定装置
１１レーザ光源
１２光ファイバ
１３超音波検出装置
１４電気信号ケーブル
１５測定装置
１６演算装置

Claims

避雷素子及びそれを覆う碍管からなる避雷器における避雷素子の温度測定方法であって、
前記避雷器の前記碍管に超音波を励起し、前記碍管の超音波伝播速度及び温度伝播特性の関係に基づいて、前記碍管の温度を計測するステップと、
前記碍管及び前記避雷素子間の温度伝播特性に基づいて、前記避雷素子の温度を計測するステップと、
を具えることを特徴とする、避雷素子及びそれを覆う碍管からなる避雷器における避雷素子の温度測定方法。
前記避雷器と同一の形状及び同一の大きさであって、前記碍管と同じ材質からなる避雷器ダミーを準備し、当該避雷器ダミーに超音波を励起して当該避雷器ダミーの超音波伝播特性を得るステップと、
前記碍管の超音波伝播速度と前記避雷器ダミーの超音波伝播特性との差分を取ることにより、前記碍管と前記避雷素子との界面における前記超音波の反射波を検出するステップと、
を具えることを特徴とする、請求項１に記載の避雷素子及びそれを覆う碍管からなる避雷器における避雷素子の温度測定方法。
前記超音波は、前記避雷器へのレーザ光の照射により、非接触で励起することを特徴とする、請求項１又は２に記載の避雷素子及びそれを覆う碍管からなる避雷器における避雷素子の温度測定方法。
前記超音波はバルク波であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の避雷素子及びそれを覆う碍管からなる避雷器における避雷素子の温度測定方法。