JPH11118752A

JPH11118752A - ガス検出装置

Info

Publication number: JPH11118752A
Application number: JP9284031A
Authority: JP
Inventors: Tadao Minagawa; 忠郎皆川; Eiichi Nagao; 栄一永尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-10-16
Filing date: 1997-10-16
Publication date: 1999-04-30

Abstract

(57)【要約】【課題】電解液の枯渇による性能劣化や機能停止の心
配のないガス封入電気機器用ガス検出装置を得る。【解決手段】ガス遮断器１の内部のＳＦ₆ガス中に微
量存在する、不純物ガスを電気化学式センサ２により検
出する。センサ２は、非常に乾燥したＳＦ₆ガス雰囲気
と接触して使用されるので、センサ２内の電解液２１が
蒸発して減少していく。このとき電解液予備槽２０１に
貯蔵されている電解液２１を、電解液充填手段２０２に
よって、電気化学式センサ２へと補充する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、微量ガス成分を
検出するガス検出装置に関するもので、とりわけガス充
填電気機器内部に混入する、もしくはガス充填電気機器
内部で発生する微量不純物ガス成分を検出するガス検出
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば変圧器やＧＩＳなど高電圧の電力
機器においては、絶縁媒体としてＳＦ₆等のガスを機器
内部に充填して使用している。通常これらのガスは高純
度に管理されており、不純物ガスの濃度はｐｐｍオーダ
ーもしくはそれ以下の非常に少ない状態に維持されてい
る。しかしながら機器の長年に渡る運転による経時劣化
や、事故による絶縁破壊が生じた場合には、ＣＯやＣＯ
₂などのガスや、ＳＦ₆の分解生成物であるＳＦ₄、ＳＯ
Ｆ₂、ＳＯ₂Ｆ₂、ＨＦなどのＳＦ₆分解ガスが発生し、不
純物ガス成分としてＳＦ₆ガス中に混入する。従ってこ
れらの不純物ガス成分を計測することができれば、機器
の劣化度や事故の状況を機器の外部から確認することが
可能となる。

【０００３】従来この計測は、ガスをサンプリングして
分析装置にて測定を行うか、呈色反応を利用したガス検
知管にて現地で簡易的に測定するなどの方法が取られて
おり、手間と時間がかかって機敏性に欠けていた。この
ような計測を簡便にかつ機敏に行うという要求に対して
は、例えば図１１に示した特開昭６１−３０４０号公報
に記載されているように、ガスセンサを電気機器に直接
取り付ける方法も検討されている。図１１において１は
ガス封入電気機器であるガス遮断器、２はガスセンサ、
３ａ，３ｂはガスセンサからの信号を取り出す信号線で
あり、ガスセンサ２によって、ガス遮断器１内部のＳＦ
₆ガス中の微量不純物ガス成分を検出することを目的と
している。しかしながらこれらの方式においては、感度
や安定性の点で十分な特性が得られず、実用化されるに
至っていない。

【０００４】一方、微量ガスを検出するガス検出装置と
しては、半導体ガスセンサ、表面電位型センサ、接触燃
焼式センサ、電気化学式センサ、固体電解質センサなど
多くの方式のセンサが考案され、多様な用途において実
用化されている。これらのセンサはそれぞれ方式によっ
て、検出対象のガス種に違いがあり、また長所・短所が
あるために、使用目的に適した方式のセンサを選択する
必要がある。その中で電解液を用いた電気化学式センサ
は、常温動作が可能で、ガス選択性、感度、安定性にお
いて非常に優れているため、非常に広い分野で使用され
ている。図１２は例えば文献「化学センサー」（清山哲
郎ほか、講談社サイエンティフィック、ｐ１１２）に示
された定電位電解式の電気化学式センサの基本構成図で
ある。図１２において２１はＫＯＨ、ＫＣｌ、Ｈ₂ＳＯ₄
などの電解液、２２および２３はガス透過性のポリテト
ラフルオロエチレンなどでできたガス透過膜、２４は作
用極、２５は参照電極、２６は対極、２７はポテンシオ
スタット、２８は電極電位設定用基準電池、２９は電流
計である。作用極２４、参照電極２５、対極２６の３つ
の電極にはＰｔ、Ｐｄ、Ａｇなどの材料が用いられる。
以上の構成のセンサにおいて、検出対象ガスとして一酸
化炭素（ＣＯ）に対して応答する場合の動作例を次に示
す。

【０００５】まずセンサの近傍に到達したＣＯガスはガ
ス透過膜２２を透過し、作用極２４において下記（１）
式に従って酸化される。ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ・・・（１）ここで発生したＣＯ₂は再びガス透過膜２２を透過して
センサの外部へと出て行き、同時に発生した２Ｈ⁺イオ
ンは、基準電池２８による作用極−対極間の電圧に従っ
て対極へと運ばれる。一方、対極側では空気中の酸素Ｏ
₂がガス透過膜２３を透過しており、Ｈ⁺イオンと下記
（２）式に示す反応を生ずる。（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ→Ｈ₂Ｏ・・・（２）この（１）および（２）式において発生した電子ｅは、
作用極２４、対極２５から電流として取り出され、この
電流は電流計２９において計測される。ここで計測され
る電流値はＣＯガスの濃度に比例するので、電流値から
ガス濃度を求めることが可能となる。

【０００６】以上のような電解反応では、反応する化学
種すなわち検出ガスによって電解電圧が異なっているの
で、基準電池２８により印加する電圧を制御することに
より検出するガス種をある程度選択することが可能とな
る。この時作用極２４の電位は、ポテンシオスタット２
７によって参照電極２５に対して一定に保たれている。
上記文献「化学センサー」ｐ１１２の図２．５７は例え
ばガスＡとガスＢという電解電圧の異なる２種類のガス
を区分して検出する概念図である。以上述べたように、
電気化学反応を用いたセンサは、多様なガスに対する選
択性に優れ、感度、安定性も他のセンサに比べて同等以
上であり、さらに常温動作が可能であるという面でも優
れている。

【０００７】以上述べたことから、電気化学式センサ
は、変圧器やＧＩＳなどのガス封入機器における、ガス
中の微量不純物ガス成分の測定用として、感度、安定性
の面で十分な特性を有していることがわかる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように電気化学
式センサは、ガス封入電気機器におけるガス中不純物の
測定用として、非常に優れた特性を有しているが、以下
のような点から、そのまま機器に適用できない。すなわ
ち原理上、センサ内部に電解液が必要であり、かつその
電解液はガス透過性の膜で封入されているため、電解液
が蒸発し、蒸発した蒸気はガス透過膜を透過してセンサ
外へと散逸してしまう。従って時間の経過とともに電解
液が減少し、最終的には電解液がなくなってセンサとし
て機能しなくなるという問題点があった。

【０００９】本発明は上記のような問題点を解決するた
めになされたもので、ガス封入電気機器のガス中不純物
を安定して高感度に検出でき、かつ電解液の枯渇による
性能劣化や機能停止の心配のないガス検出装置を提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、ガス
封入電気機器に設置されるとともに、電解液を充填した
電気化学式センサによって、前記ガス封入電気機器内ガ
スの不純物ガス測定をおこなうガス検出装置において、
前記電解液を貯蔵しておく電解液予備槽と、前記電解液
予備槽内の電解液を電気化学式センサ内に充填可能な電
解液充填手段とを設けたことを特徴とするガス検出装置
である。

【００１１】また本発明は、電気化学式センサ内の電解
液の量をモニタし、その信号をもとに電解液を電気化学
式センサに充填するようにしたことを特徴とする前記の
ガス検出装置である。

【００１２】さらに本発明は、電気化学式センサ内の電
解液を電解液予備槽に回収する電解液回収手段を設けた
ことを特徴とする前記のガス検出装置である。

【００１３】さらにまた本発明は、ガス封入電気機器と
電気化学式センサを収納した筺体との間にバルブを設け
たことを特徴とする前記のガス検出装置である。

【００１４】また本発明は、濃度の異なる電解液が貯蔵
されている電解液予備槽を少なくとも２つ以上備え、か
つ電気化学式センサ内の電解質濃度を測定する濃度測定
素子を備え、測定した電気化学式センサ内の電解液濃度
に対応して、濃度の異なる電解液を電解液予備槽から電
気化学式センサ内に充填可能な電解液充填手段を設けた
ことを特徴とする前記のガス検出装置である。

【００１５】さらに本発明は、ガス封入電気機器に封入
されるガスが、ＳＦ₆、窒素、空気もしくはそれらの混
合物であることを特徴とする前記のガス検出装置であ
る。

【００１６】さらにまた本発明は、測定を行うガス封入
電気機器内ガスの不純物ガス成分が、ＳＦ₆分解ガス、
ＣＯ、ＣＯ₂、ＣＨ₄、ＣＦ₄およびＯ₂からなる群から選
択された１種以上であることを特徴とする前記のガス検
出装置である。

【００１７】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１を示す全
体構成図である。図において、１はガス封入電気機器で
あるガス遮断器であり、ＳＦ₆ガスを内部に加圧封入し
てある。２はＳＦ₆ガス中に微量存在する不純物ガス成
分を検出するための電気化学式センサ、２００は内部に
電気化学式センサ２を収納し、ガス遮断器１とガス空間
として連通して接続されたセンサ筺体、２０１は電気化
学式センサに補充するための電解液を貯蔵しておく電解
液予備槽、２０２は電解液予備槽から電気化学式センサ
へ電解液を補充するための電解液充填手段、３ａ、３
ｂ、３ｃは電気化学式センサからの出力信号を取り出す
ための信号線である。図２は電気化学式センサ２、電解
液予備槽２０１、電解液充填手段２０２およびその他周
辺部を詳細に説明するための図である。図２において２
０は電気化学式センサの内部と外部の圧力を平衡状態に
保つための呼吸口、２１はＫＯＨ、ＫＣｌ、Ｈ₂ＳＯ₄な
どの電解液、２２および２３はガス透過性のポリテトラ
フルオロエチレンなどでできたガス透過膜、２４は作用
極、２５は参照電極、２６は対極、２０１は電気化学式
センサに補充するための電解液を貯蔵しておく電解液予
備槽、２０２は電解液予備槽から電気化学式センサへ電
解液を補充するための電解液充填手段、２０３および２
０４は電解液の補充のための配管である。

【００１８】次に実施の形態１の機能について説明す
る。ガス封入電気機器であるガス遮断器１の内部には、
絶縁媒体としてＳＦ₆ガスが加圧充填されており、機器
組み立て直後や正常時には、そのガス純度は高純度に保
たれている。しかしながら、機器内部で異常を生じた場
合には、ＳＦ₆分解ガス成分として、ＳＦ₄、ＳＯＦ₂、
ＳＯ₂Ｆ₂、ＨＦなどの不純物ガスが発生する。この時発
生するガスの濃度は、異常の程度、機器のガス容量、異
常の期間の長さ等に依存するが、現状の一般的分析装置
を用いたガス管理においては、一般的にサブｐｐｍから
数千ｐｐｍ程度の濃度範囲について計測を行っている。
上述のようにガス遮断器１内部において不純物ガスが発
生すると、時間の経過とともに不純物ガスが拡散し、電
気化学式センサ２のガス検出面に到達する。その時電気
化学式センサ２からは、不純物ガスに対する応答を示す
信号が出力される。

【００１９】一方ガス遮断器１においては、通常はＳＦ
₆ガスは非常に高純度に管理されており、水分濃度も吸
着剤によって数百ｐｐｍ以下と低濃度に抑制され、非常
に乾燥した雰囲気となっている。このような乾燥した雰
囲気で使用される電気化学式センサ２においては、電解
液２１が蒸発して液量が経時的に減少していく。電解液
２１の減少はセンサ機能に著しい影響をおよぼすため、
この時電解液予備槽２０１に充填されている電解液を、
電解液充填手段２０２によって、電気化学式センサ２へ
と補充する。電解液充填手段２０２による電解液の充填
は、例えば以下の方法によって行うことができる。すな
わち図３に示したように、電解液予備槽２０１を電解液
充填手段２０２より上方に配置することにより、電解液
が自然に滴下するように構成する。別の電解液充填方法
は、図４に示したように、電解液予備槽２０１および電
解液充填手段２０２をシリンダ２２２とピストン２２３
で構成することによって、電解液を充填するものであ
り、さらに別の充填方法は図５に示すように電解液充填
手段２０２を送液ポンプ２２４とするものである。いず
れの充填方法においても、充填する電解液の最適量は、
電気化学式センサ２に設けた液面窓２２６で確認しなが
ら、バルブ２２１によって調整する。また図６は、上記
３種類の電解液充填方法において、電気化学式センサ２
内に電解液面に追従するフロート２２５を設け、その動
きによってバルブ２２１の開閉を行うようにしたもので
ある。この例においては、電解液の減少にともなってフ
ロート２２５が下降してバルブ２２１が開き電解液が補
充される。電解液が設定された量まで充填されるとフロ
ート２２５が上昇し、バルブ２２１が閉じる。以上のい
ずれの方法によっても、電解液が常に最適量となるよう
に補充されることによって、電気化学式センサ２は常に
正常に動作することが可能となる。

【００２０】以上の実施の形態１．においては、電気化
学式センサには予め電解液を充填しておき、常に計測可
能な状態とする形態について示したが、常時は電気化学
式センサ内には電解液を充填しておかず、例えば電気機
器の異常時などに、測定の直前に電解液を電気化学式セ
ンサ内部へと充填してから測定を行うように使用しても
当然なんら問題はない。

【００２１】実施の形態２．図７はこの発明のガス検出
装置における実施の形態２．を詳細に説明するための図
であり、ガス封入電気機器内部の不純物ガス測定にかか
わる機能については、実施の形態１．と同様である。図
７において、２０５は電気化学式センサ２内の電解液の
液量をモニタする液量計であり、２０６は液量計２０５
からの信号をもとに、電気化学式センサ２へと電解液を
補充する電解液補充制御装置である。この実施の形態
２．においては、電気化学式センサ２に充填された電解
液の液量を液量計２０５によって検出し、電解液が減少
したことを検出すれば電解液補充制御装置２０６から、
電解液補充手段２０２へ電解液補充の司令を出し、電気
化学式センサ２へ電解液の補充を行う。電解液の補充と
しては、実施の形態１．において説明したものと同様で
あり、バルブ２２１を電気信号により動作する自動開閉
弁とする。これによって電気化学式センサ２の電解液量
は常に最適値に調節することが可能となる。

【００２２】実施の形態３．図８はこの発明のガス検出
装置における実施の形態３．を詳細に説明するための図
であり、ガス封入電気機器内部の不純物ガス測定にかか
わる機能については、実施の形態１．と同様である。図
４において２０７は電気化学式センサ内の電解液を電解
液予備槽２０１へと回収するための電解液回収手段、２
０８は電解液を回収するための配管である。この実施の
形態３．においては、電気化学式センサにおいて、不純
物ガス成分の計測を行う直前に、電解液予備槽２０１か
ら電気化学式センサ２内へと電解液が充填され、測定終
了後には電解液回収手段２０７によって再び電解液予備
槽２０１へと電解液を回収する。電解液回収手段２０７
には送液ポンプを用いることができる。従って電解液は
測定の間のみ電気化学式センサ内に存在することになる
ため、ガス透過膜２２、２３からの電解液の蒸発、散逸
を抑制することが可能になる。これによって電解液の消
耗量を大幅に低減することが可能になり、常に正しいセ
ンサ出力を得ることができる。

【００２３】実施の形態４．図９はこの発明のガス検出
装置における実施の形態４．を説明するための概略構成
図を示すものであり、ガス封入電気機器内部の不純物ガ
ス測定にかかわる機能については、実施の形態１と同様
である。図９において２１１は、ガス封入電気機器であ
るガス遮断器１とガス検出部の配管接続部に挿入された
バルブである。このバルブ２２１は常時は閉じた状態に
保持しておき、ガス成分の分析を行うに際してバルブ２
２１を開放する。このことによって、電気化学式センサ
を収納した筺体２００は常時はガス遮断器１から独立し
たごく小さな空間を形成することになる。このような状
態においても電気化学式センサでは電解液の蒸発、散逸
が生ずるが、筺体２００内の容積が小さいため、比較的
短期間の内に蒸気圧が飽和し、それ以降は電解液の蒸発
はほとんど進まなくなる。従ってこのようにバルブ２２
１を挿入することによって、電気化学式センサ２からの
電解液蒸発、散逸を抑制することが可能になる。

【００２４】実施の形態５．図１０はこの発明のガス検
出装置における実施の形態５．を詳細に説明するための
図であり、ガス封入電気機器内部の不純物ガス測定にか
かわる機能については、実施の形態１と同様である。図
１０において２０１ａ、２０１ｂはそれぞれ濃度の異な
った電解液を充填した電解液予備槽であり、２０２ａ、
２０２ｂは電解液充填手段である。２０９は電気化学式
センサ内の電解液の濃度を測定する濃度測定素子、２０
６は濃度測定素子からの信号をもとに、２つの電解液予
備槽２０１ａ、２０１ｂから最適な割合で電気化学式セ
ンサへ電解液を充填するための電解液充填制御装置であ
る。ここで電解液の充填方法は、実施の形態１．および
２．で説明したものと同様である。電気化学式センサ内
の電解液が蒸発していくと、通常電解液濃度は高くなっ
ていく。すなわち、水溶液の場合には、溶媒である水の
みが蒸発していき、溶質分の濃度が次第に高くなってい
く。このような状態にある電解液に、電解液を補充して
最適な濃度を維持するためには、本来の濃度よりも薄い
濃度の電解液を補充する必要がある。ただし補充すべき
電解液の濃度は、その蒸発の状況によって変化するた
め、濃度の異なる２種類以上の電解液を適当に混合して
補充すれば、電解液が減少していかなる濃度に変化して
も、最適濃度に戻すことが可能である。この実施の形態
５．では、電解液の濃度を濃度測定素子２０９によって
測定し、２０６において２種類の濃度の電解液の充填す
べき液量を計算し、最適量を充填するようにした。

【００２５】なお以上の説明においては、測定対象雰囲
気ガスがＳＦ₆ガスであるようなガス封入電気機器につ
いて説明したが、同様に窒素、空気もしくはこれらの混
合ガスを絶縁ガスとして用いた電気機器においても、同
様に適用可能である。またＳＦ₆分解ガスを測定対象ガ
スとした場合について説明したが、その他にＣＯ、ＣＯ
₂、ＣＨ₄、ＣＦ₄、Ｏ₂を対象とした場合にも適用可能で
ある。

【００２６】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、ガス検出
に用いる電気化学式センサに対して、必要に応じて電解
液を充填可能なように構成したので、ガス封入電気機器
のガス中不純物を安定して高感度に検出でき、かつ電解
液の枯渇による性能劣化や機能停止の心配がない。

【００２７】請求項２に係る発明によれば、電解液の液
量をモニタし、自動的に液を補充するように構成したの
で、電解液量を常に最適値に調節することが可能にな
り、ガス封入電気機器のガス中不純物を一層安定して高
感度に検出できる。

【００２８】請求項３に係る発明によれば、電解液を任
意に充填、抜き取りするように構成したので、電解液の
散逸そのものを防止することができ、電解液の枯渇によ
る機能劣化が生じない。

【００２９】請求項４に係る発明によれば、電気化学式
センサを収納した筺体と、ガス充填電気機器との間にバ
ルブを設けたので、電解液の蒸発が抑制され、電解液の
枯渇による機能劣化が生じない。

【００３０】請求項５に係る発明によれば、濃度の異な
る電解液を貯蔵し、電解液の濃度の変化に対応してそれ
ぞれの電解液を適当量、電気化学式センサに充填可能に
しているので、電解液の蒸発の状況が如何に変化しても
これを最適濃度に戻すことができ、ガス封入電気機器の
ガス中不純物を一層安定して高感度に検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１．を示す全体構成図
である。

【図２】この発明の実施の形態１．を詳細に説明する
ための図である。

【図３】この発明の実施の形態１．を詳細に説明する
ための図である。

【図４】この発明の実施の形態１．を詳細に説明する
ための図である。

【図５】この発明の実施の形態１．を詳細に説明する
ための図である。

【図６】この発明の実施の形態１．を詳細に説明する
ための図である。

【図７】この発明の実施の形態２．を詳細に説明する
ための図である。

【図８】この発明の実施の形態３．を詳細に説明する
ための図である。

【図９】この発明の実施の形態４．を詳細に説明する
ための図である。

【図１０】この発明の実施の形態５．を詳細に説明す
るための図である。

【図１１】従来のガスセンサを示す全体構成図であ
る。

【図１２】従来の電気化学式センサの基本構成図であ
る。

【符号の説明】

１ガス遮断器、２電気化学式センサ、３信号線、
２０呼吸口、２１電解液、２２，２３ガス透過膜、
２４作用極、２５参照電極、２６対極、２００
センサ筺体、２０１電解液予備槽、２０２電解液充
填手段、２０３，２０４，２０８配管、２０５液量
計、２０６電解液補充制御装置、２０７電解液回収
手段、２１１，２２１バルブ、２２２シリンダ、２
２３ピストン、２２４送液ポンプ、２２５フロー
ト、２２６液面窓。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス封入電気機器に設置されるととも
に、電解液を充填した電気化学式センサによって、前記
ガス封入電気機器内ガスの不純物ガス測定をおこなうガ
ス検出装置において、前記電解液を貯蔵しておく電解液
予備槽と、前記電解液予備槽内の電解液を電気化学式セ
ンサ内に充填可能な電解液充填手段とを設けたことを特
徴とするガス検出装置。
【請求項２】電気化学式センサ内の電解液の量をモニ
タし、その信号をもとに電解液を電気化学式センサに充
填するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のガ
ス検出装置。
【請求項３】電気化学式センサ内の電解液を電解液予
備槽に回収する電解液回収手段を設けたことを特徴とす
る請求項１に記載のガス検出装置。
【請求項４】ガス封入電気機器と電気化学式センサを
収納した筺体との間にバルブを設けたことを特徴とする
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガス検出装
置。
【請求項５】濃度の異なる電解液が貯蔵されている電
解液予備槽を少なくとも２つ以上備え、かつ電気化学式
センサ内の電解質濃度を測定する濃度測定素子を備え、
測定した電気化学式センサ内の電解液濃度に対応して、
濃度の異なる電解液を電解液予備槽から電気化学式セン
サ内に充填可能な電解液充填手段を設けたことを特徴と
する請求項１ないし４のいずれか１項に記載のガス検出
装置。
【請求項６】ガス封入電気機器に封入されるガスが、
ＳＦ₆、窒素、空気もしくはそれらの混合物であること
を特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の
ガス検出装置。
【請求項７】測定を行うガス封入電気機器内ガスの不
純物ガス成分が、ＳＦ₆分解ガス、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｃ
Ｈ₄、ＣＦ₄およびＯ₂からなる群から選択された１種以
上であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか
１項に記載のガス検出装置。