JPH08338806A

JPH08338806A - 油中ガス濃度測定装置

Info

Publication number: JPH08338806A
Application number: JP14480895A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Sasaki; 立雄佐々木; Masaaki Kurihara; 正明栗原; Teruyuki Nakamura; 晃之中村
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 1995-06-12
Filing date: 1995-06-12
Publication date: 1996-12-24

Abstract

(57)【要約】【目的】絶縁油の温度が変化しても正確に油中ガス濃
度が測定できる油中ガス濃度測定装置を提供する。【構成】絶縁油の温度を検出する温度センサ２５を設
け、この温度センサ２５の検出した絶縁油の温度と上記
ガスセル内のガス濃度とから接続部２内の溶存ガスの濃
度を測定する測定部１９を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＯＦケーブル内の絶縁
油中の溶存ガスを測定する油中ガス濃度測定装置に係
り、特に、絶縁油の温度が変化しても正確に油中ガス濃
度が測定できる油中ガス濃度測定装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ＯＦケーブルの劣化診断のために絶縁油
中の溶存ガスを測定することが行われている。絶縁油中
の溶存ガスは、主に炭化水素系のガス、他に水素、一酸
化炭素、二酸化炭素である。これらを測定するには接続
部内の絶縁油を採油して行われる。採油のときにはＯＦ
ケーブル線路を一旦停電させ、接続部の注油孔を開いて
この注油孔より採油する。採油された絶縁油を工場等へ
持ち帰り、ガスクロマトグラフィで分析する。こうして
測定された種々のガスの濃度を基にして絶縁油の劣化、
即ち、ＯＦケーブルの劣化の診断を行っている。

【０００３】上記の方式は一旦ＯＦケーブル線路を停止
させる必要があることや、対象となるＯＦケーブル線路
が長大であるため採油に手間がかかることから、近年で
は接続部の注油孔に油中の溶存ガスを検出するセンサを
取り付け、そのセンサの検知情報を常時監視する方式が
検討されつつある。

【０００４】例えば、図３に示される方式は、ガスの光
学的性質を利用すると共に、光ファイバを利用して遠隔
から油中溶存ガス濃度を測定するものである。具体的に
は、ＯＦケーブル１の接続部２に油中ガスセンサ３が取
り付けられており、この油中ガスセンサ３内で検出され
るガスデータ信号は、光ファイバ３１を伝送路としてガ
スデータ処理部１３へ伝送される。ガスデータ処理部１
３はガスデータ信号からガス濃度を求める。このガス濃
度情報が劣化診断部１４に送られ、劣化診断部１４では
ＯＦケーブル１の劣化診断がなされる。

【０００５】油中ガスセンサ３の構造は、簡単に述べる
と絶縁油３２が満たされる油セル５と、その絶縁油中の
ガスが透過してくるガスセル７とで構成されている。油
セル５とガスセル７とは、ステンレス焼結金属に弗素樹
脂をコーティングしたもの等の透過膜６によって隔てら
れている。接続部２の絶縁油が油セル５に導入され、こ
の絶縁油３２に溶存しているガスが透過膜６により透過
してガスセル７内に分離される。分離されたガスの濃度
は、ガスセル７内に特定の波長の光を透過させ、その光
の吸収量を基に検出される。この特定の波長の光を出射
する光源は図示されていないが、光ファイバ３１はこの
特定の波長の光をガスセル７まで導く伝送路であると共
に油中ガスセンサ３内で検出されたガスデータ信号をガ
スデータ処理部に導く伝送路である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術におい
て、透過膜で分離されたガスの濃度から油中溶存ガス濃
度を測定しているが、油温によってガスが透過膜を透過
する速度が異なるため、油中溶存ガス濃度を正確に測定
することは困難であった。

【０００７】油温によって透過膜の透過性がどのように
異なってくるかを、実験結果に基づいて説明する。ここ
では、ステンレス焼結金属に弗素樹脂の一種であるＰＦ
Ａを静電塗装した膜を用いた。

【０００８】ガスが溶存している油を油セルに入れ、ガ
スセル内にガスが透過してくるようにする。このとき、
油中ガスの透過式は次式（１）で表される。

【０００９】

【数１】

【００１０】ここに、Ｐ₂：ガスセル側のガス分圧（Ｐ
ａ）Ｐ₀：ガスセル内の初期分圧（Ｐａ）ｋ：定数（Ｐａ／ｐｐｍ）Ｎ：油中ガス濃度（ｐｐｍ） α ：油中ガス透過係数（ｌ・ｍ／ｍ²・ｓ・Ｐ
ａ）ｄ：膜厚（ｍ）Ａ：膜面積（ｍ²） τ ：透過時間（ｓ）Ｖ：ガスセル側容積（ｌ）である。

【００１１】（ａ）Ａ／Ｖが小さい場合上式（１）において、Ｖ、Ｎ、Ａ、ｄは定数であり、Ｐ
₂、Ｐ₀は実験で求められるので、必然的に透過係数α
を求めることができる。定数ｋはガスの種類、油温によ
って決定される定数であり、ここでは既に実験によって
求められている定数ｋを用いた。また、膜厚ｄは不確か
であるため透過係数をα／ｄで表すことにした。

【００１２】実験で求めたメタンガスの透過係数α／ｄ
と油温Ｔとの関係を図４に示す。図４から油温によって
透過係数が異なっていることが確認できる。例えば、油
温４０℃と８０℃の場合を比較する。底面直径５４ｍ
ｍ、肉厚２ｍｍ、長さ１０ｃｍの円筒形の油中ガスセン
サを想定し、膜面積Ａ＝０．０１７ｍ²、ガスセル側容
積Ｖ＝０．１９６ｌとし、油中ガス濃度Ｎ＝２００ｐｐ
ｍとする。ガスセル内の初期分圧Ｐ₀＝０Ｐａとし、５
００時間（１８０００００ｓ）経過後の透過圧力及びガ
ス濃度を求める。図４を近似した直線式から、油温４０
℃の場合の透過係数は８．２×１０^-11ｌ・ｍ／ｍ²・
ｓ・Ｐａ、８０℃の場合の透過係数は２．９×１０^-10
ｌ・ｍ／ｍ²・ｓ・Ｐａとなる。式（１）を用いて透過
圧力を求めると、４０℃の場合、透過圧力は３６．４Ｐ
ａ、ガス濃度は３５９ｐｐｍとなり、８０℃の場合、５
７．０Ｐａ、５６２ｐｐｍとなる。２つの場合で２０．
６Ｐａ（２０３ｐｐｍ）も違うことがわかる。

【００１３】油中溶存ガス濃度を測定する際には、この
透過圧力或いはガス濃度を検知し、検知結果から逆算
し、油中溶存ガス濃度を求めなければならない。油中溶
存ガス濃度を求める式は、式（１）を展開することによ
り次式（２）となる。

【００１４】

【数２】

【００１５】ここで、通常の油温を４０℃、過渡期の油
温を８０℃とする。油温を検知できないとすれば、過渡
期に油温が８０℃に上昇していたことは不明であるか
ら、過渡期であっても通常の油温４０℃の条件で油中溶
存ガス濃度を求めることになる。油温が８０℃で透過圧
力５７．０Ｐａ（５６２ｐｐｍ）であるときに、油温４
０℃と考えて上記逆算により油中溶存ガス濃度を算出す
ると３１３ｐｐｍになる。最初に仮定したように油中ガ
ス濃度Ｎ＝２００ｐｐｍであるから、逆算の結果は実際
とはかなり違った値になることがわかる。

【００１６】（ｂ）Ａ／Ｖが大きい場合透過膜の面積が大きく、ガスセルの体積が小さい場合、
式（２）の第２項の分母は１となり、油中ガス濃度の算
出式は、式（３）のようになる。

【００１７】

【数３】

【００１８】油中ガス濃度は、ガスセル内のガス分圧と
ｋによって算出できる。この場合、透過膜自体の透過特
性（透過係数）とは無関係となる。但し、ｋは油温、ガ
スの種類で決定される定数であり、メタンガスの場合、
次式（４）で与えられる。

【００１９】

【数４】

【００２０】ここに、ｔ：油温（℃）ｋ：定数（Ｐａ）よって、４０℃の場合、ｋ＝０．２５０２７、８０℃の
場合、ｋ＝０．２８９８２となる。ガスセル内のガス分
圧を同じとすると、算出される油中ガス濃度は、４０℃
の場合で８０℃の場合の１．２倍となる。

【００２１】以上述べたように、（ａ）のＡ／Ｖが小さ
い場合も、（ｂ）のＡ／Ｖが大きい場合もガスセル内の
ガス分圧（濃度）から油中ガス濃度を求めると、油温に
よって不正確になることがわかる。

【００２２】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、絶縁油の温度が変化しても正確に油中ガス濃度が測
定できる油中ガス濃度測定装置を提供することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、ＯＦケーブルの接続部に接続部内の絶縁油
から溶存ガスを分離するガスセルを設け、このガスセル
に光ファイバを接続し、ガスセル内のガス濃度を上記光
ファイバからの光の透過により検出するようにした油中
ガス濃度測定装置において、絶縁油の温度を検出する温
度センサを設け、この温度センサの検出した絶縁油の温
度と上記ガスセル内のガス濃度とから接続部内の溶存ガ
スの濃度を測定する測定部を設けたものである。

【００２４】また、上記光ファイバを自身に沿った温度
分布を測定する温度分布センサとし、この光ファイバを
上記ガスセルの周囲を通るように布設して同一の光ファ
イバでガス濃度と絶縁油の温度とを検出させてもよい。

【００２５】

【作用】上記構成により、温度センサは絶縁油の温度を
検出する。他方、ガスセル内のガス濃度は光ファイバか
らの光の透過により検出される。前記のように、透過膜
の温度特性が分かっているので、温度センサの検出結果
から透過係数を求め、この透過係数を用いれば、油中ガ
ス濃度の正確な測定ができる。

【００２６】また、温度分布センサ、例えばラマン散乱
光を利用した光ファイバ分布型温度センサを用いるよう
にし、その光ファイバとガス濃度検出用の光ファイバを
兼用とすることもできる。即ち、光ファイバをガスセル
の周囲を通るように布設し、光ファイバに沿った温度分
布からガスセルの位置での温度を取り出すようにする。

【００２７】

【実施例】以下本発明の一実施例を添付図面に基づいて
詳述する。

【００２８】図１に示されるように、ＯＦケーブル１に
はその長手方向に沿って間隔を隔てて接続部（ＪＢ）２
が設けられている。図１では接続部２が２つ示されてい
るので、以下区別する場合は２ａ，２ｂのように符号に
ａ，ｂを加える。本発明に係る油中ガスセンサ３は、接
続部２の採油孔４に装着されている。油中ガスセンサ３
は接続部２に連通する油セル５と、ステンレス焼結金属
に弗素樹脂をコーティングした膜等のガス分離膜６と、
ガス分離膜により油セルから隔てられているガスセル７
とからなり、ガスセル７にはガス濃度測定用の光が透過
できるように入射窓８と出射窓９とが対向させて設けら
れている。

【００２９】一方、接続部２の遠隔にある中央監視所１
０には、光スイッチ１１、油温測定部１２、ガスデータ
処理部１３、劣化診断部１４が設けられており、油温測
定部１２とガスデータ処理部１３とは光スイッチ１１に
光結合されている。送信用光ファイバ１５（１５ａ，１
５ｂ）が光スイッチ１１から各ガスセル３の入射窓８ま
で布設されており、受信用光ファイバ１６がガスデータ
処理部１３から各ガスセル３の出射窓側に設けた光スイ
ッチ１７の一方の出力端まで布設されている。各ガスセ
ル７の出射窓に結合されている光ファイバ１８が、油中
ガスセンサ３の周囲に螺旋状に巻き付けられ、それから
上記光スイッチ１７の入力端に結合されている。光スイ
ッチ１７の他方の出力端は、その下流側の接続部２ｂの
ための送信用光ファイバ１５に結合されている。

【００３０】油温測定部１２は、送信用光ファイバ１５
中で発生するラマン散乱光から送信用光ファイバ１５に
沿った温度分布を測定するものである。油温測定部１２
が測定動作をしているとき、光ファイバ１８は絶縁油の
温度を検出する温度センサ２５となる。ガスデータ処理
部１３は、送信用光ファイバ１５からガスセル７を経由
し受信用光ファイバ１６で受けとった光からガスセル７
中のガス濃度を測定するものである。また、油温測定部
１２及びガスデータ処理部１３には図示しないがそれぞ
れ光源が内蔵されている。劣化診断部１４は、ガス濃度
に絶縁油の温度を加味して接続部２内の溶存ガスの濃度
を測定する測定部１９を有し、その溶存ガスの濃度の測
定結果からＯＦケーブル１の劣化を診断するものであ
る。

【００３１】次に実施例の作用を述べる。

【００３２】ガスデータ処理部１３内の光源から出射さ
れた光は、送信用光ファイバ１５ａで油中ガスセンサ３
ａ内に伝送され、ガス濃度情報の検出に使用される。こ
こで検出されたガス濃度情報は、受信用光ファイバ１６
でガスデータ処理部１３に伝送される。光スイッチ１１
を切り換えることにより、他の油中ガスセンサ３ｂの情
報を得ることができる。

【００３３】一方、油中ガスセンサ３の周囲に巻き付け
た光ファイバ１８で検出される温度情報も同時に受信用
光ファイバ１６を介してガスデータ処理部１３に伝送さ
れる。温度情報はガス濃度情報と一緒に劣化診断部１４
に送られる。

【００３４】１つの油中ガスセンサ３ａで、ガス濃度を
求める際には、ガスデータ処理部１３内の光源、光スイ
ッチ１１、送信用光ファイバ１５ａ、光ファイバ１８、
受信用光ファイバ１６、ガスデータ処理部１３が動作
し、このとき光スイッチ１７によって他の油中ガスセン
サ３ｂへの伝送路は遮断される。従って、１つの油中ガ
スセンサ３ａで検出された情報のみが受信用光ファイバ
１６を介してガスデータ処理部１３に伝送され、ガスデ
ータ処理部１３でガスセル７内のガス濃度が求められ
る。

【００３５】このとき、ガス分離膜６の透過性は、従来
例で説明したように油温によって異なる。そこで、ガス
濃度検出後、次のように温度検出が行われる。

【００３６】光スイッチ１１を切り換えることにより、
油温測定部１２内の光源から出射された光が送信用光フ
ァイバ１５ａを介して油中ガスセンサ３ａに導かれる。
この光はガスセル７ａを透過し、光ファイバ１８を経由
して光スイッチ１７に至る。このとき光スイッチ１７に
より光を油中ガスセンサ３ｂに導く。光は、各ガスセル
７を透過する。各ガスセル７内のガス分子によって起き
るラマン散乱光は、送信用光ファイバ１５ａを介して油
温測定部１２に伝送される。油温測定部１２では伝送路
に沿った温度分布が得られ、各ガスセル７の距離に応じ
て各ガスセル７の温度、即ち各油中ガスセンサ３の絶縁
油の温度が測定される。なお、各油中ガスセンサ３の距
離は、油温測定部１２から出射される光が往復する時間
より求まる。

【００３７】以上のように、同一の光ファイバを使用し
て油温とガス濃度の双方が求められる。劣化診断部１４
では油温とガス濃度により、ＯＦケーブル１の劣化診断
が行われる。

【００３８】次に、本発明の他の実施例を図２を用いて
説明する。

【００３９】この例では、ＯＦケーブル１の接続部２が
３つ示されている。各接続部２に装着された油中ガスセ
ンサ３は、前記実施例と同じように油セル５、ガス分離
膜６及びガスセル７から構成されている。但し、ガスセ
ル７には入射窓８に対向させて反射部２０が形成されて
いる。各油中ガスセンサ３の入射窓８に結合されている
光ファイバ２２が１つの濃度測定用光ファイバ２１に結
合され、濃度測定用光ファイバ２１が中央監視所１０の
ガスデータ処理部１３まで布設されている。

【００４０】一方、中央監視所１０の油温測定部１２か
らは、１本の油温測定用光ファイバ２３が各油中ガスセ
ンサ３の油セル５を貫通して布設されている。各油中ガ
スセンサ３の油セル５内では、油温測定用光ファイバ２
３が所定のファイバ長を内蔵させるべくループに形成さ
れている。

【００４１】この例では、ガスデータ処理部１３は、濃
度測定用光ファイバ２１を介して各ガスセル７のガスデ
ータを得る。ガスデータ処理部１３で各ガスセル７内の
ガス濃度が求められ、これらは劣化診断部１４に送られ
る。油温測定部１２は、油温測定用光ファイバ２３を用
いて一定の時間間隔毎に各油セル５の絶縁油の温度を測
定する。これらも劣化診断部１４に送られる。劣化診断
部１４内の測定部１９は、ガス濃度に絶縁油の温度を加
味して各接続部２内の溶存ガスの濃度を測定する。そし
て、劣化診断部１４でＯＦケーブル１の劣化診断が行わ
れる。

【００４２】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００４３】（１）絶縁油の温度が変化しても正確に油
中ガス濃度が測定できる。

【００４４】（２）ガス濃度と油温とが同じ光ファイバ
で測定でき、経済的である。

【００４５】（３）光ファイバを用いているので電磁界
の影響を受けずに測定ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すＯＦケーブルの劣化診
断システムのブロック図である。

【図２】本発明の他の実施例を示すＯＦケーブルの劣化
診断システムのブロック図である。

【図３】従来例を示すＯＦケーブルの劣化診断システム
のブロック図である。

【図４】メタンガスの透過係数と油温の関係を表わした
グラフである。

【符号の説明】

２接続部７ガスセル１９測定部２５温度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中村晃之茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社オプトロシステム研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＯＦケーブルの接続部に接続部内の絶縁
油から溶存ガスを分離するガスセルを設け、このガスセ
ルに光ファイバを接続し、ガスセル内のガス濃度を上記
光ファイバからの光の透過により検出するようにした油
中ガス濃度測定装置において、絶縁油の温度を検出する
温度センサを設け、この温度センサの検出した絶縁油の
温度と上記ガスセル内のガス濃度とから接続部内の溶存
ガスの濃度を測定する測定部を設けたことを特徴とする
油中ガス濃度測定装置。
【請求項２】上記光ファイバを自身に沿った温度分布
を測定する温度分布センサとし、この光ファイバを上記
ガスセルの周囲を通るように布設して同一の光ファイバ
でガス濃度と絶縁油の温度とを検出させることを特徴と
する請求項１記載の油中ガス濃度測定装置。