分解ガス検出装置
【課題】高感度に分解ガスを検出できるＣＮＴガスセンサを、ＧＩＳの設備診断におけるオフライン検査に利用する。
【解決手段】絶縁ガスが封入された密閉容器３１と、絶縁ガスを通気する通気口３２と、通気口３２に接続し絶縁ガスを導通する導管３３と、導管３３の中途部に配設され絶縁ガスの導通を調節するバルブ３４とを備えるガス絶縁開閉装置３０の設備診断を行う分解ガス検出装置であって、導管３３端部の開口部から供給される絶縁ガスが、真空又は負圧状態で導入される気密性容器２０と、気密性容器２０内に配設され、不平等電界を発生する縁部が設けられた一対のマイクロ電極と不平等電界にしたがったカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の架橋構造とを有し、ＣＮＴが絶縁ガスの分解により発生する分解ガスを吸着し、吸着により生じるマイクロ電極間の電気的特性の変化に基づいて分解ガスを検出するＣＮＴガスセンサ１とを備える。
【解決手段】絶縁ガスが封入された密閉容器３１と、絶縁ガスを通気する通気口３２と、通気口３２に接続し絶縁ガスを導通する導管３３と、導管３３の中途部に配設され絶縁ガスの導通を調節するバルブ３４とを備えるガス絶縁開閉装置３０の設備診断を行う分解ガス検出装置であって、導管３３端部の開口部から供給される絶縁ガスが、真空又は負圧状態で導入される気密性容器２０と、気密性容器２０内に配設され、不平等電界を発生する縁部が設けられた一対のマイクロ電極と不平等電界にしたがったカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の架橋構造とを有し、ＣＮＴが絶縁ガスの分解により発生する分解ガスを吸着し、吸着により生じるマイクロ電極間の電気的特性の変化に基づいて分解ガスを検出するＣＮＴガスセンサ１とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス絶縁開閉装置内の絶縁ガスが分解することで発生する分解ガスを、オフラインで検出する分解ガス検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス絶縁開閉装置（ＧＩＳ：Gas Insulating Switchgear）で用いられているＳＦ6（六フッ化硫黄）ガスは、高い絶縁性能を有するが、機器内で部分放電（ＰＤ：Partial Discharges）が発生すると、ＳＦ6ガスが分解され絶縁性能が低下してしまう。すなわち、ＰＤは絶縁破壊事故の原因であり、ＧＩＳの設備診断において機器内部で発生するＰＤの検出が重要となる。ＰＤの検出方法として、ＰＤによって発生する電磁波、音、分解ガスなどを検出する方法が提案され、一部では実用化されている。
【０００３】
発明者らはこれまでにＧＩＳの設備診断を目的として、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Carbon nanotube）ガスセンサによるＳＦ6中でのＰＤ検出法について研究・開発を重ねてきた（例えば、特許文献１−２を参照）。特許文献１に示すように、ＣＮＴガスセンサは、ＣＮＴをセンサ素子とし、ＳＦ6分解ガス（例えばＳＦ4、ＳＯＦ2、ＨＦ等）がＣＮＴに吸着することによるＣＮＴの電気的特性の変化を検出する。このセンサ素子は、常温において動作可能である。また、特許文献２に示すように、ＧＩＳの機器内部に複数の分解ガスセンサを配設し、分解ガスセンサの位置を基にＰＤが発生した位置を判定するオンライン検査が開示されている。図１４に、ＣＮＴガスセンサを模擬ＧＩＳタンク内に設置してＰＤを発生させた場合の応答例を示す。この図から分かるように、放電開始直後、すなわちＳＦ6の分解開始とほぼ同時にセンサが応答していることが分かる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３２９８０２号公報
【特許文献２】特許第４５００９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２に示すような、ＧＩＳをリアルタイムで設備診断するオンライン検査を行う場合、検出のためのセンサ素子等をＧＩＳの機器内部に設置する必要がある。既存のＧＩＳの機器内部にセンサ素子等を設置する場合、長年安定的に動作しているＧＩＳに対して物理的な加工を施す必要があり、安全性を確保するためには手間、時間、コストが非常に大きくなってしまい、設置が困難になってしまうという課題を有する。
【０００６】
一方、機器内部に発生したＳＦ6ガスの分解ガスをＧＩＳの機器外部で検出するオフライン検査は、機器内部の気体を回収することができればよいため、既存のＧＩＳに適用することができ、実際に定期設備診断に利用されている。しかし、オフライン検査において、例えば、ガス検知管を用いて分解ガスを検出する場合は、定量化が困難であるため、検出の正確性を保証できないという問題がある。また、ガスクロマトグラフ等の分析装置を用いて分解ガスを検出する場合は、分析装置が高コストであると共に、気体採取の現場ではなく分析室での検査になるため、オンサイトで結果を得られず、作業に手間が掛かってしまうという問題がある。
そこで、本発明は高感度に分解ガスを検出できるＣＮＴガスセンサを、ＧＩＳの設備診断におけるオフライン検査に利用することができる分解ガス検出装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願に開示する分解ガス検出装置は、絶縁ガスが封入された密閉容器と、前記絶縁ガスを通気する通気口と、当該通気口に接続し前記絶縁ガスを導通する導管と、当該導管の中途部に配設され前記絶縁ガスの導通を調節するバルブとを備えるガス絶縁開閉装置の設備診断を行う分解ガス検出装置であって、前記導管端部の開口部から供給される絶縁ガスが、真空又は負圧状態で導入される気密性容器と、前記気密性容器内に配設され、不平等電界を発生する縁部が設けられた一対の電極と前記不平等電界にしたがったカーボンナノ材料の架橋構造とを有し、前記カーボンナノ材料が前記絶縁ガスの分解により発生する分解ガスを吸着し、当該吸着により生じる前記電極間の電気的特性の変化に基づいて前記分解ガスを検出する分解ガス検出センサとを備えるものである。
【０００８】
このように、本願に開示する分解ガス検出装置においては、既存のＧＩＳに配設されている通気口からバルブを調整して機器内部の絶縁ガスを抜き出し、それを気密性容器に導入し、気密性容器内に設置されたＣＮＴを利用した分解ガスセンサにより、絶縁ガスが分解することで発生する分解ガスを検出するため、手間を掛けることなく既存のＧＩＳに適用することができると共に、ＣＮＴを利用した分解ガスセンサにより、絶縁ガスを確実に検出することができるという効果を奏する。また、特殊な装置を用いる必要がないため、信頼性の高い検査をオンサイトで行うことができるという効果を奏する。
【０００９】
本願に開示する分解ガス検出装置は、前記気密性容器が、内部容積を増減自在に形成され、前記絶縁ガスの導入当初に前記内部容積を零とするものである。
【００１０】
このように、本願に開示する分解ガス検出装置においては、気密性容器が、例えばシリンジや一部の壁が移動可能なチャンバ等のように、内部容積を増減自在に形成されており、ＧＩＳから絶縁ガスを導入する際に、導入当初の内部容積を零とするため、絶縁ガスを気密性容器にサンプリングするのと同時に分解ガスを検出することができ、作業を効率よく行うことができるという効果を奏する。また、内部容積を増減自在に形成されているため、サンプリング後の絶縁ガスに対して内部容積を減少させることで加圧することができ、ＣＮＴへの分解ガスの分子の吸着が促進され、分解ガスセンサを高感度にすることができるという効果を奏する。さらに、ＧＩＳの機器内部は通常４〜５気圧に設定されているため、サンプリング後の絶縁ガスを加圧することで、機器内部と同等又は近い条件で分解ガスの検出を行うことができ、センサの信頼性を向上させることができるという効果を奏する。
【００１１】
本願に開示する分解ガス検出装置は、前記気密性容器に、前記分解ガス検出センサを初期化するための気体を導入し、前記気密性容器内に前記気体を流動させて排気する排気孔を備え、前記排気孔が排除された空間領域において前記分解検出センサが前記分解ガスを検出するものである。
【００１２】
このように、本願に開示する分解ガス検出装置においては、気密性容器に、分解ガス検出センサを初期化するための気体を流動させて排気する排気孔を備え、当該排気孔が排除された空間領域において分解ガスの検出を行うため、簡易的な構造で分解ガス検出センサの初期化を効率よく行うことができるという効果を奏する。また、初期化を行うことで分解ガス検出センサを繰り返して利用できるため、検知管のように検査の度に新品に取り替える必要がなく、低コストで使用することができるという効果を奏する。
【００１３】
本願に開示する分解ガス検出装置は、前記気密性容器が、前記導管端部の開口部に気密状態で接続され、内部を真空又は負圧にした状態で前記バルブの開放により前記絶縁ガスが導入されるものである。
【００１４】
このように、本願に開示する分解ガス検出装置においては、気密性容器が、ＧＩＳの導管端部の開口部に気密状態で接続され、内部を真空又は負圧にした状態でバルブの開放により前記絶縁ガスが導入されるため、絶縁ガスの導入と同時に分解ガスを検出することができるという効果を奏する。
【００１５】
本願に開示する分解ガス検出装置は、前記分解ガス検出センサにおけるカーボンナノ材料を有する面が、前記導管端部の開口部に対向して配設されているものである。
【００１６】
このように、本願に開示する分解ガス検出装置においては、分解ガス検出センサにおけるカーボンナノ材料を有する面が、導管端部の開口部に対向して配設されているため、ＧＩＳから供給される絶縁ガスの分子が確実にカーボンナノ材料に吸着すると共に、より多くの分子をカーボンナノ材料に接触させることができるため、分解ガス検出センサの感度を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る分解ガス検出装置におけるＣＮＴガスセンサ及びその作製過程の一部を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る分解ガス検出装置のブロック図である。
【図３】第１の実施形態に係る分解ガス検出装置における気密性容器を示す模式図である。
【図４】第１の実施形態に係る分解ガス検出装置における気密性容器の内部容積の増減を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係る分解ガス検出装置におけるＣＮＴガスセンサの初期化を示す図である。
【図６】実施例におけるチャンバ式の実験装置の概略図である。
【図７】実施例におけるチャンバ式の実験結果を示す第１の図である。
【図８】実施例におけるチャンバ式の実験結果を示す第２の図である。
【図９】実施例におけるチャンバ式の実験結果を示す第３の図である。
【図１０】実施例におけるシリンジ内蔵型の実験装置の概略図である。
【図１１】実施例におけるシリンジ内蔵型の実験結果を示す第１の図である。
【図１２】実施例におけるシリンジ内蔵型の実験結果を示す第２の図である。
【図１３】実施例におけるシリンジ内蔵型の実験結果を示す第３の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。
【００１９】
（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る分解ガス検出装置について、図１ないし図５を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る分解ガス検出装置におけるＣＮＴガスセンサ及びその作製過程の一部を示す図、図２は、本実施形態に係る分解ガス検出装置のブロック図、図３は、本実施形態に係る分解ガス検出装置における気密性容器を示す模式図、図４は、本実施形態に係る分解ガス検出装置における気密性容器の内部容積の増減を示す図、図５は、本実施形態に係る分解ガス検出装置におけるＣＮＴガスセンサの初期化を示す図である。
【００２０】
図１を用いてＣＮＴガスセンサ１の作製について説明する。図１（Ａ）に示す図は、クロム（Ｃｒ）の薄膜をガラス基板上に真空蒸着し、フォトリソグラフィ技術によってマイクロ電極２を作製したものである。図１（Ａ）からわかる通り、櫛歯型をしたマイクロ電極２ａ，２ｂが向かい合った構造をしており、４本のフィンガーによりギャップが３つ形成されている。この電極を用いて、図１（Ｂ）に示すような誘電泳動集積法（参考文献１
：J.Suehiro, G.Zhou, M.Hara :"Fabrication of a carbon nanotube-based gas sensor using dielectrophoresis and its application for ammonia detection by impedance spectroscopy", J.Phys. D:Appl.Phys., Vol.36, L109-L114, 2003）を行い、マイクロ電極２ａ，２ｂ間にＣＮＴ３を集積することで電気的接続を形成する。ＳＦ4等のようにＳＦ6が分解して発生した分解ガスがＣＮＴ３に吸着すると、ガス分子とＣＮＴ３との間で生じる電荷移動に起因してＣＮＴ３のコンダクタンスが変化する。その変化を計測することで分解ガスを検出する（参考文献２：C.Cantalini, L.Valentini, L.Lozzi, I.Armentano, J.M.Kenny, S.Santucci :"NO2 gas sensitivity of carbon nanotubes obtained by plasma enhanced chemical vapor deposotion", Sens.Act.B, Vol.93, pp.333-337, 2003、参考文献３：丁衛東、林亮太、末廣純也、原雅則：「ＧＩＳ配管内に設置したカーボンナノチューブガスセンサによる部分放電検出」、平成１７年電気学会電力・エネルギー部門大会講演論文集、３３６を参照）。
【００２１】
ＣＮＴガスセンサ１は、測定に使用する前に初期化する。初期化の方法は、窒素中で紫外線（２００Ｗ）を照射することで行う。これによりＣＮＴ３に吸着しているガス分子が脱離する。なお、加熱することでＣＮＴガスセンサ１を初期化するようにしてもよい。ＣＮＴガスセンサ１のより具体的な初期化の方法については詳細を後述する。
【００２２】
センサ応答は、マイクロ電極に、例えば１００ｋＨｚ、１Ｖｐｐの正弦波交流電圧を印加し、シャント抵抗（例えば、１００ｋΩ）を介して電流をロックインアンプにより測定する。センサ応答は、マイクロ電極２ａ，２ｂ間のコンダクタンス変化で表す（＝ＣＮＴのコンダクタンス変化）。ＣＮＴガスセンサ１の個体差をなくすため、センサ応答Ｓは次式のように規格化したものを用いる。
【００２３】
【数１】
【００２４】
ここで、Ｇ0：コンダクタンスの初期値、Ｇ：測定されたコンダクタンス、ΔＧ：コンダクタンスの変化量とする（参考文献４：J.Suehiro, G.Zhou, H.Imakiire, W.Ding, M.Hara :"Controlled fabrication of a carbon nanotube NO2 gas sensor using dielectrophoretic impedance measurement", Sens.Act.B, Vol.108, pp.398-403, 2005）。
【００２５】
上記分解ガス検出センサを備えるオフライン検査用の分解ガス検出装置について、図２を用いて説明する。分解ガス検出装置１０は、気密性容器２０と、気密性容器２０内に配設されたＣＮＴガスセンサ１と、ＣＮＴガスセンサ１のマイクロ電極２ａ，２ｂ間に測定用の交流電圧を印加する電源部１１と、マイクロ電極２ａ，２ｂ間のインピーダンスを測定する測定部１２と、マイクロプロセッサ等から構成され、プログラムやデータを読み込んで機能し、少なくとも電源部１１及び測定部１２を制御すると共に演算を行う演算制御部１３と、測定結果等を表示する表示部１４と、プログラムやデータを記憶するメモリ部１５と、分解ガスのコンダクタンス変化の校正データを格納した校正データ部１５ａとを備える。検査の際は、ＧＩＳ３０からサンプルとなる絶縁ガスを抽出し、気密性容器２０に抽出した絶縁ガスが導入された状態で行われる。
【００２６】
測定部１２には１ｋΩ程度の電流検出用の抵抗が設けられ、回路に直列に挿入されている。交流の場合、電流の大きさと電圧との位相差を測定してマイクロ電極２ａ，２ｂ間のインピーダンスを算出する。これによりＣＮＴ３が分解ガスと反応して生じたインピーダンス変化のコンダクタンス成分とキャパシタンス成分とを算出している。本実施形態ではコンダクタンス成分を用いるものとするが、キャパシタンス成分を用いてもよい。一方、
直流の場合、電流検出用の抵抗によって電流の大きさのみを測定して、マイクロ電極２ａ，２ｂ間のコンダクタンスを算出する。算出されたコンダクタンスを用いて、校正データ部１５ａの校正データから分解ガス濃度を求めることができる。
【００２７】
なお、実際には、測定部１２が検出したコンダクタンスの測定値には変動があり、限度を越えた変動が分解ガスの発生を意味する。そこで、予め部分放電が確認できるときのインピーダンス変化（ここではコンダクタンス変化）の限度となる基準値を取得しておき、これをメモリ部１５に記憶し、演算制御部１３は測定部１２が検出したインピーダンス変化と基準値を比較し、基準値を越えたときに分解ガスが発生したと判定する。
【００２８】
本実施形態においては、ＣＮＴガスセンサ１は気密性容器２０内に配設されている。ここで、気密性容器２０について図３を用いて説明する。ここでは、気密性容器２０の具体例としてチャンバ（図３（Ａ）：チャンバ式）とシリンジ（図３（Ｂ）：シリンジ内蔵型）とを示す。いずれの場合においても、容器内にＣＮＴガスセンサ１が配設されており、ＧＩＳ３０の密閉容器３１に封入されているＳＦ6ガスを、通気口３２に接続する導管３３を介して抽出し、サンプルガス（ＳＦ6及びその分解ガスが混合された気体）としてそれぞれの容器に導入する。導管３３の中途部にはＳＦ6ガスの導通を調節するバルブ３４が配設されており、バルブ３４を開放することで、サンプルガスのサンプリングを行うことができる。
【００２９】
なお、チャンバ式の場合は、図３（Ａ）に示すように一旦シリンジのようなものでＧＩＳ３０からサンプルガスを抽出してからチャンバに導入するようにしてもよいし、ＧＩＳ３０とチャンバとを気密状態で接続し、ＧＩＳ３０のバルブ３４を開放してチャンバ内にサンプルガスを導入するようにしてもよい。このとき、チャンバ内は真空又は負圧の状態にしておく。また、シリンジ内蔵型の場合は、ＧＩＳ３０に接続する導管３３とシリンジの針とを気密状態で接続し、バルブ３４を開放すると共に、プランジャを引いてサンプリングを行うようにする。
【００３０】
ＣＮＴガスセンサ１は、チャンバ式の場合、チャンバ内のいずれかの場所であってサンプルガスとＣＮＴ３が接触可能な場所に配設され、シリンジ内蔵型の場合、バレル内であってプランジャの先端部に配設される。
【００３１】
なお、ＣＮＴガスセンサ１をＣＮＴ３を有する面に対してチャンバに流入される気体が直接接触する位置に配置することで、気体を導入する初期の段階で一旦センサ応答のピーク値を得ることができる。すなわち、チャンバ式においては、ＧＩＳ３０とチャンバとが気密状態で接続されている場合、図３（Ａ）に示すようにＣＮＴガスセンサ１におけるＣＮＴ３を有する面が、導管３３端部の開口部に対向して配設されるようにしてもよく、一旦シリンジのようなものでＧＩＳ３０からサンプルガスを抽出してからチャンバに導入する場合、ＣＮＴガスセンサ１におけるＣＮＴ３を有する面が、チャンバにおける気体の注入口に対向して配設されるようにしてもよい。
【００３２】
チャンバ式の場合もシリンジ内蔵型の場合も、サンプルガスが導入された時点でそれに含まれる分解ガスを検出することが可能である。ここでは、ＣＮＴガスセンサ１の感度をより高めるために、シリンジ内蔵型における気密性容器２０の内部容積を増減させた場合の分解ガス検出について図４を用いて説明する。
【００３３】
図４に示すように、図４（Ａ）の初期状態ではプランジャを押して、バレル内を真空又は真空に近い状態にしておく。サンプルガスをサンプリングする際は、図４（Ｂ）に示すようにプランジャを引いてサンプルガスをバレル内に導入する。上述したように、この時点で分解ガスを検出することは可能である。しかしながら、分解ガスが発生しているにも
関わらず、検出感度ギリギリで分解ガスが検出されない場合もあるため、図４（Ｃ）のように針からのサンプルガスの流出をロックすると共に、プランジャを押してサンプルガスに加圧する。バレルの内部容積が減少し圧力が加わることで、分解ガスの分子がＣＮＴガスセンサ１のＣＮＴ３に吸着されやすくなり、ＣＮＴガスセンサ１の検出感度が向上する。また、ＧＩＳ３０内は４〜５気圧に保たれていることから、サンプルガスに加圧することでＧＩＳ３０内と同等又は近い条件での分解ガスの検出を行うことが可能となる。
【００３４】
なお、チャンバ式の場合においても、チャンバの一部の壁が移動可能で内部容積が増減自在となる構成とし、サンプルガスに加圧できるようにしてもよい。
【００３５】
上記に示したように、ＣＮＴガスセンサ１は初期化を行うことで繰り返して使用することができる。図５にＣＮＴガスセンサ１の初期化の処理を示す。初期化する際は、上述した通り窒素中で紫外線（２００Ｗ）を照射する。具体的には、図５（Ａ）に示すように、紫外線を透過する材質で形成されたバレルの先端部に、サンプルガスを流入するための針２１と窒素を流入するためのチューブ２２を接続し、それらをコック２３で切替可能とする。バレルの側面には、窒素を流出するための排気孔２４を設け、プランジャ先端が排気孔２４よりも引かれた状態でチューブ２２から窒素の流入を行うと共に、紫外線をＣＮＴガスセンサ１に照射する。すなわち、排気孔２４が含まれる空間ｓを利用して初期化を行う。
【００３６】
初期化が完了すると分解ガスの検出を行うが、その際には図５（Ｂ）に示すように、プランジャ先端が排気孔２４よりも押された状態で分解ガスの検出が行われる。すなわち、排気孔２４が排除された空間ｔを利用して検出を行う。
【００３７】
なお、チャンバ式において一部の壁を移動可能として内部容積が増減自在となる構成とした場合もシリンジ内蔵型の場合と同様に、移動しないいずれかの壁面に窒素の排気孔を設け、移動する壁面の位置に応じて、排気孔を含む空間領域を用いてＣＮＴガスセンサ１の初期化を行い、排気孔が排除された空間領域を用いて分解ガスの検出が行われるようにしてもよい。
【実施例】
【００３８】
ＣＮＴガスセンサ１をオフラインで設備診断を行う装置に使用した場合のセンサ特性を調べるために、以下の実験を行った。ＧＩＳ３０については、ステンレス製チャンバ（内容積：３０Ｌ）内にギャップ長が１０ｍｍの針対平板電極を設置し、チャンバ内にＳＦ6ガスを封入（０．１ＭＰａ）した状態で針電極に２０ｋＶｒｍｓを印加して、コロナ放電（模擬ＰＤ）を発生させる模擬的なＧＩＳ３０（ＳＦ6分解放電装置）を使用する。
【００３９】
ＣＮＴガスセンサ１については、櫛歯電極のフィンガー長を１２ｍｍ、フィンガー幅を５０ｍｍとし、４本のフィンガーが５μｍのギャップを３つ形成しているもの（図１（Ａ）を参照）を用いた。
【００４０】
（チャンバ式の実験）
ＳＦ6分解放電装置内で任意の時間ＳＦ6をコロナ放電に暴露した後、内部にＣＮＴガスセンサ１を設置したステンレス製の小型チャンバ（内容積：５５ｍＬ）とＳＦ6分解放電装置とを接続し、ＳＦ6ガスを予め減圧した小型チャンバ内に流入させてＣＮＴガスセンサ１の応答を取得した。図６に実験装置の概略図、図７に実験結果を示す。
【００４１】
図７（Ａ）は、各時間（４時間、８時間、１２時間、１６時間、２０時間）コロナ放電に暴露したＳＦ6分解ガスを、予め減圧した小型チャンバに注入したときのＣＮＴガスセンサ１の応答を示しており、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の結果から横軸を放電時間、縦軸
をガス注入から１０分後におけるセンサ応答としてプロットしたグラフを示す。図７（Ａ）の結果から、放電時間が長くなるにつれてＣＮＴガスセンサ１の応答が増加していることがわかる。また図７（Ｂ）の結果から、その増加率が放電時間に対して直線的であることがわかる。すなわち、コロナ放電によるＳＦ6の分解は継続的に進行し、且つ分解ガス中のセンサ応答に寄与するガス分子（例えば、ＳＦ4、ＳＯＦ2、ＨＦ等）が、ＳＦ6分解放電装置内に残留していることを示すと共に、小型チャンバ内で分解ガスをオフライン検出可能であることが示される。
【００４２】
次に、コロナ放電を２５時間行った後、ＳＦ6分解放電装置内の気体を予め減圧した小型チャンバへ注入した。このとき、注入量を調整して小型チャンバ内の全圧を調整し、各チャンバ内全圧に対するＣＮＴガスセンサ１の応答を取得した。その結果を図８に示す。
【００４３】
図８（Ａ）は、２５時間放電した後の分解ガスを予め減圧した小型チャンバに全圧が０．２ａｔｍ、０．４ａｔｍ、０．６ａｔｍ、０．８ａｔｍ、１．０ａｔｍとなるように注入したときのＣＮＴガスセンサ１の応答を示しており、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の結果から横軸を全圧、縦軸をガス注入から１０分後におけるセンサ応答をプロットしたグラフを示す。これらの結果から、センサ応答がガスの気圧に比例して増加していることがわかる。ＣＮＴガスセンサ１の応答は、分解ガス分子のＣＮＴ３表面への物理吸着に起因しており、ガス圧力の増加によって物理吸着量が増加したことがセンサ応答の増加の原因である。
【００４４】
次に、分解ガスを急速に（ＣＮＴ３に直接接触するように）小型チャンバに導入したときのセンサ応答を取得した。その結果を図９に示す。図９より分解ガスの導入の初期段階でセンサ応答のピークが現われ、その後一旦減少し、再び緩やかに増加して飽和している。初期段階で現われているピーク値と再び緩やかに増加して飽和した値とがほぼ同値となっている。すなわち、分解ガスがＣＮＴ３に直接接触する位置にＣＮＴガスセンサ１を配設することで、早い段階で分解ガスのセンサ応答を得ることができることがわかる。
【００４５】
（シリンジ内蔵型の実験）
ラテックス製シリンジ（５０ｍＬ）のプランジャ先端にＣＮＴガスセンサ１を配置する。シリンジの先端には、サンプルガスをサンプリングするための針と気体を流入するためのチューブとを接続でき、コックにより切り替える。バレル側面には気体を流出させるための排気孔を設ける。マイクロ電極２ａ，２ｂまでのリード線はプランジャ側面に這わせて外部装置と接続する。図１０に実験装置の概略図を示す。
【００４６】
図１０の実験装置を用いてＣＮＴガスセンサ１の初期化を行った。まず、プランジャを排気孔よりも引いた状態にし、気体を流入するためのチューブから窒素を流入する（流速：０．２Ｌ／ｍｉｎ）。このとき、シリンジの先端より流入された窒素は、シリンジ内部を通り排気孔より流出される。そして、窒素を流入しながらＣＮＴガスセンサ１にシリンジ外部から紫外線を照射した。このとき、ＣＮＴガスセンサ１のコンダクタンス変化をモニタした結果を図１１に示す。
【００４７】
図１１は、ＣＮＴガスセンサ１の初期化におけるコンダクタンス変化を示す。コロナ放電（２０ｋＶ、３時間）によって発生させた分解ガスの分子をＣＮＴ３に吸着させた状態のＣＮＴガスセンサ１に対して初期化を行った。測定開始から５分間はＣＮＴガスセンサ１をシリンジ内に静置した状態である。次の５分間は窒素流入のみを行い、その後１０分間に窒素流入と紫外線照射を行った。図１１の結果から、窒素下での紫外線照射によるＣＮＴガスセンサ１の初期化がシリンジ内で可能であることが示された。
【００４８】
次に、プランジャの先端が排気孔よりもシリンジ先端側になる状態で分解ガスの検出を
行った。図１２は、ＳＦ6ガス単体（純度９９．９％）とコロナ放電（２０ｋＶ、１時間）に暴露したＳＦ6ガスのそれぞれでのセンサ応答を示す。検出の開始前に初期化に使用した窒素の残留をなるべく少なくするため、初期化を行った後のシリンジ内を減圧ポンプで０．０５ＭＰａまで減圧した。この状態でセンサ応答を測定した。５分間静置した後、およそ２０秒かけてシリンジ内にサンプルガスを導入した。図１２より、純ＳＦ6ガスに対しては、導入時にわずかな変化があるものの、明確なコンダクタンスの変化は見られない。一方、ＳＦ6分解ガスに対しては、導入直後からコンダクタンスが増加し、２分程度でその増加が止まった。この結果は、シリンジ内蔵型の装置を用いてオフライン検出が可能であることを示している。
【００４９】
次に、サンプルガスをシリンジ内に導入後、プランジャーを押して内部容積を小さくし、サンプルガスを圧縮した場合のＣＮＴガスセンサ１の応答を検出した。サンプルガスへの加圧は、チャンバ式の場合に比べてシリンジ内蔵型の方が非常に容易に行うことができる。図１３に、シリンジ内にサンプルガスを導入後に加圧したときのセンサ応答の変化を示す。ここでは、シリンジにサンプルガスを５０ｍＬ導入後、シリンジの内部容積が２５ｍＬ、１６．７ｍＬとなるように加圧した場合のセンサ応答である。図１３から明らかなように、サンプルガスを加圧することでセンサ応答量が増加している。すなわち、センサ感度が向上していることがわかる。
【００５０】
以上の実験結果から、シンプルな構成の装置で簡便な操作を行うだけで、サンプルガスのサンプリングと同時にセンサ応答を得ることができるオンサイトでの検査が実現可能であることと、内部容積を小さくする又は圧縮することで、ＣＮＴガスセンサ１の応答量を増加させることができ、センサ感度を向上させることが可能であることが示された。
【符号の説明】
【００５１】
１ ＣＮＴガスセンサ
２ａ，２ｂ マイクロ電極
３ ＣＮＴ
１０ 分解ガス検出装置
１１ 電源部
１２ 測定部
１３ 演算制御部
１４ 表示部
１５ メモリ部
１５ａ 校正データ部
２０ 気密性容器
２１ 針
２２ チューブ
２３ コック
２４ 排気孔
３０ ＧＩＳ
３１ 密閉容器
３２ 通気口
３３ 導管
３４ バルブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス絶縁開閉装置内の絶縁ガスが分解することで発生する分解ガスを、オフラインで検出する分解ガス検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス絶縁開閉装置（ＧＩＳ：Gas Insulating Switchgear）で用いられているＳＦ6（六フッ化硫黄）ガスは、高い絶縁性能を有するが、機器内で部分放電（ＰＤ：Partial Discharges）が発生すると、ＳＦ6ガスが分解され絶縁性能が低下してしまう。すなわち、ＰＤは絶縁破壊事故の原因であり、ＧＩＳの設備診断において機器内部で発生するＰＤの検出が重要となる。ＰＤの検出方法として、ＰＤによって発生する電磁波、音、分解ガスなどを検出する方法が提案され、一部では実用化されている。
【０００３】
発明者らはこれまでにＧＩＳの設備診断を目的として、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Carbon nanotube）ガスセンサによるＳＦ6中でのＰＤ検出法について研究・開発を重ねてきた（例えば、特許文献１−２を参照）。特許文献１に示すように、ＣＮＴガスセンサは、ＣＮＴをセンサ素子とし、ＳＦ6分解ガス（例えばＳＦ4、ＳＯＦ2、ＨＦ等）がＣＮＴに吸着することによるＣＮＴの電気的特性の変化を検出する。このセンサ素子は、常温において動作可能である。また、特許文献２に示すように、ＧＩＳの機器内部に複数の分解ガスセンサを配設し、分解ガスセンサの位置を基にＰＤが発生した位置を判定するオンライン検査が開示されている。図１４に、ＣＮＴガスセンサを模擬ＧＩＳタンク内に設置してＰＤを発生させた場合の応答例を示す。この図から分かるように、放電開始直後、すなわちＳＦ6の分解開始とほぼ同時にセンサが応答していることが分かる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３２９８０２号公報
【特許文献２】特許第４５００９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２に示すような、ＧＩＳをリアルタイムで設備診断するオンライン検査を行う場合、検出のためのセンサ素子等をＧＩＳの機器内部に設置する必要がある。既存のＧＩＳの機器内部にセンサ素子等を設置する場合、長年安定的に動作しているＧＩＳに対して物理的な加工を施す必要があり、安全性を確保するためには手間、時間、コストが非常に大きくなってしまい、設置が困難になってしまうという課題を有する。
【０００６】
一方、機器内部に発生したＳＦ6ガスの分解ガスをＧＩＳの機器外部で検出するオフライン検査は、機器内部の気体を回収することができればよいため、既存のＧＩＳに適用することができ、実際に定期設備診断に利用されている。しかし、オフライン検査において、例えば、ガス検知管を用いて分解ガスを検出する場合は、定量化が困難であるため、検出の正確性を保証できないという問題がある。また、ガスクロマトグラフ等の分析装置を用いて分解ガスを検出する場合は、分析装置が高コストであると共に、気体採取の現場ではなく分析室での検査になるため、オンサイトで結果を得られず、作業に手間が掛かってしまうという問題がある。
そこで、本発明は高感度に分解ガスを検出できるＣＮＴガスセンサを、ＧＩＳの設備診断におけるオフライン検査に利用することができる分解ガス検出装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願に開示する分解ガス検出装置は、絶縁ガスが封入された密閉容器と、前記絶縁ガスを通気する通気口と、当該通気口に接続し前記絶縁ガスを導通する導管と、当該導管の中途部に配設され前記絶縁ガスの導通を調節するバルブとを備えるガス絶縁開閉装置の設備診断を行う分解ガス検出装置であって、前記導管端部の開口部から供給される絶縁ガスが、真空又は負圧状態で導入される気密性容器と、前記気密性容器内に配設され、不平等電界を発生する縁部が設けられた一対の電極と前記不平等電界にしたがったカーボンナノ材料の架橋構造とを有し、前記カーボンナノ材料が前記絶縁ガスの分解により発生する分解ガスを吸着し、当該吸着により生じる前記電極間の電気的特性の変化に基づいて前記分解ガスを検出する分解ガス検出センサとを備えるものである。
【０００８】
このように、本願に開示する分解ガス検出装置においては、既存のＧＩＳに配設されている通気口からバルブを調整して機器内部の絶縁ガスを抜き出し、それを気密性容器に導入し、気密性容器内に設置されたＣＮＴを利用した分解ガスセンサにより、絶縁ガスが分解することで発生する分解ガスを検出するため、手間を掛けることなく既存のＧＩＳに適用することができると共に、ＣＮＴを利用した分解ガスセンサにより、絶縁ガスを確実に検出することができるという効果を奏する。また、特殊な装置を用いる必要がないため、信頼性の高い検査をオンサイトで行うことができるという効果を奏する。
【０００９】
本願に開示する分解ガス検出装置は、前記気密性容器が、内部容積を増減自在に形成され、前記絶縁ガスの導入当初に前記内部容積を零とするものである。
【００１０】
このように、本願に開示する分解ガス検出装置においては、気密性容器が、例えばシリンジや一部の壁が移動可能なチャンバ等のように、内部容積を増減自在に形成されており、ＧＩＳから絶縁ガスを導入する際に、導入当初の内部容積を零とするため、絶縁ガスを気密性容器にサンプリングするのと同時に分解ガスを検出することができ、作業を効率よく行うことができるという効果を奏する。また、内部容積を増減自在に形成されているため、サンプリング後の絶縁ガスに対して内部容積を減少させることで加圧することができ、ＣＮＴへの分解ガスの分子の吸着が促進され、分解ガスセンサを高感度にすることができるという効果を奏する。さらに、ＧＩＳの機器内部は通常４〜５気圧に設定されているため、サンプリング後の絶縁ガスを加圧することで、機器内部と同等又は近い条件で分解ガスの検出を行うことができ、センサの信頼性を向上させることができるという効果を奏する。
【００１１】
本願に開示する分解ガス検出装置は、前記気密性容器に、前記分解ガス検出センサを初期化するための気体を導入し、前記気密性容器内に前記気体を流動させて排気する排気孔を備え、前記排気孔が排除された空間領域において前記分解検出センサが前記分解ガスを検出するものである。
【００１２】
このように、本願に開示する分解ガス検出装置においては、気密性容器に、分解ガス検出センサを初期化するための気体を流動させて排気する排気孔を備え、当該排気孔が排除された空間領域において分解ガスの検出を行うため、簡易的な構造で分解ガス検出センサの初期化を効率よく行うことができるという効果を奏する。また、初期化を行うことで分解ガス検出センサを繰り返して利用できるため、検知管のように検査の度に新品に取り替える必要がなく、低コストで使用することができるという効果を奏する。
【００１３】
本願に開示する分解ガス検出装置は、前記気密性容器が、前記導管端部の開口部に気密状態で接続され、内部を真空又は負圧にした状態で前記バルブの開放により前記絶縁ガスが導入されるものである。
【００１４】
このように、本願に開示する分解ガス検出装置においては、気密性容器が、ＧＩＳの導管端部の開口部に気密状態で接続され、内部を真空又は負圧にした状態でバルブの開放により前記絶縁ガスが導入されるため、絶縁ガスの導入と同時に分解ガスを検出することができるという効果を奏する。
【００１５】
本願に開示する分解ガス検出装置は、前記分解ガス検出センサにおけるカーボンナノ材料を有する面が、前記導管端部の開口部に対向して配設されているものである。
【００１６】
このように、本願に開示する分解ガス検出装置においては、分解ガス検出センサにおけるカーボンナノ材料を有する面が、導管端部の開口部に対向して配設されているため、ＧＩＳから供給される絶縁ガスの分子が確実にカーボンナノ材料に吸着すると共に、より多くの分子をカーボンナノ材料に接触させることができるため、分解ガス検出センサの感度を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る分解ガス検出装置におけるＣＮＴガスセンサ及びその作製過程の一部を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る分解ガス検出装置のブロック図である。
【図３】第１の実施形態に係る分解ガス検出装置における気密性容器を示す模式図である。
【図４】第１の実施形態に係る分解ガス検出装置における気密性容器の内部容積の増減を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係る分解ガス検出装置におけるＣＮＴガスセンサの初期化を示す図である。
【図６】実施例におけるチャンバ式の実験装置の概略図である。
【図７】実施例におけるチャンバ式の実験結果を示す第１の図である。
【図８】実施例におけるチャンバ式の実験結果を示す第２の図である。
【図９】実施例におけるチャンバ式の実験結果を示す第３の図である。
【図１０】実施例におけるシリンジ内蔵型の実験装置の概略図である。
【図１１】実施例におけるシリンジ内蔵型の実験結果を示す第１の図である。
【図１２】実施例におけるシリンジ内蔵型の実験結果を示す第２の図である。
【図１３】実施例におけるシリンジ内蔵型の実験結果を示す第３の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。
【００１９】
（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る分解ガス検出装置について、図１ないし図５を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る分解ガス検出装置におけるＣＮＴガスセンサ及びその作製過程の一部を示す図、図２は、本実施形態に係る分解ガス検出装置のブロック図、図３は、本実施形態に係る分解ガス検出装置における気密性容器を示す模式図、図４は、本実施形態に係る分解ガス検出装置における気密性容器の内部容積の増減を示す図、図５は、本実施形態に係る分解ガス検出装置におけるＣＮＴガスセンサの初期化を示す図である。
【００２０】
図１を用いてＣＮＴガスセンサ１の作製について説明する。図１（Ａ）に示す図は、クロム（Ｃｒ）の薄膜をガラス基板上に真空蒸着し、フォトリソグラフィ技術によってマイクロ電極２を作製したものである。図１（Ａ）からわかる通り、櫛歯型をしたマイクロ電極２ａ，２ｂが向かい合った構造をしており、４本のフィンガーによりギャップが３つ形成されている。この電極を用いて、図１（Ｂ）に示すような誘電泳動集積法（参考文献１
：J.Suehiro, G.Zhou, M.Hara :"Fabrication of a carbon nanotube-based gas sensor using dielectrophoresis and its application for ammonia detection by impedance spectroscopy", J.Phys. D:Appl.Phys., Vol.36, L109-L114, 2003）を行い、マイクロ電極２ａ，２ｂ間にＣＮＴ３を集積することで電気的接続を形成する。ＳＦ4等のようにＳＦ6が分解して発生した分解ガスがＣＮＴ３に吸着すると、ガス分子とＣＮＴ３との間で生じる電荷移動に起因してＣＮＴ３のコンダクタンスが変化する。その変化を計測することで分解ガスを検出する（参考文献２：C.Cantalini, L.Valentini, L.Lozzi, I.Armentano, J.M.Kenny, S.Santucci :"NO2 gas sensitivity of carbon nanotubes obtained by plasma enhanced chemical vapor deposotion", Sens.Act.B, Vol.93, pp.333-337, 2003、参考文献３：丁衛東、林亮太、末廣純也、原雅則：「ＧＩＳ配管内に設置したカーボンナノチューブガスセンサによる部分放電検出」、平成１７年電気学会電力・エネルギー部門大会講演論文集、３３６を参照）。
【００２１】
ＣＮＴガスセンサ１は、測定に使用する前に初期化する。初期化の方法は、窒素中で紫外線（２００Ｗ）を照射することで行う。これによりＣＮＴ３に吸着しているガス分子が脱離する。なお、加熱することでＣＮＴガスセンサ１を初期化するようにしてもよい。ＣＮＴガスセンサ１のより具体的な初期化の方法については詳細を後述する。
【００２２】
センサ応答は、マイクロ電極に、例えば１００ｋＨｚ、１Ｖｐｐの正弦波交流電圧を印加し、シャント抵抗（例えば、１００ｋΩ）を介して電流をロックインアンプにより測定する。センサ応答は、マイクロ電極２ａ，２ｂ間のコンダクタンス変化で表す（＝ＣＮＴのコンダクタンス変化）。ＣＮＴガスセンサ１の個体差をなくすため、センサ応答Ｓは次式のように規格化したものを用いる。
【００２３】
【数１】
【００２４】
ここで、Ｇ0：コンダクタンスの初期値、Ｇ：測定されたコンダクタンス、ΔＧ：コンダクタンスの変化量とする（参考文献４：J.Suehiro, G.Zhou, H.Imakiire, W.Ding, M.Hara :"Controlled fabrication of a carbon nanotube NO2 gas sensor using dielectrophoretic impedance measurement", Sens.Act.B, Vol.108, pp.398-403, 2005）。
【００２５】
上記分解ガス検出センサを備えるオフライン検査用の分解ガス検出装置について、図２を用いて説明する。分解ガス検出装置１０は、気密性容器２０と、気密性容器２０内に配設されたＣＮＴガスセンサ１と、ＣＮＴガスセンサ１のマイクロ電極２ａ，２ｂ間に測定用の交流電圧を印加する電源部１１と、マイクロ電極２ａ，２ｂ間のインピーダンスを測定する測定部１２と、マイクロプロセッサ等から構成され、プログラムやデータを読み込んで機能し、少なくとも電源部１１及び測定部１２を制御すると共に演算を行う演算制御部１３と、測定結果等を表示する表示部１４と、プログラムやデータを記憶するメモリ部１５と、分解ガスのコンダクタンス変化の校正データを格納した校正データ部１５ａとを備える。検査の際は、ＧＩＳ３０からサンプルとなる絶縁ガスを抽出し、気密性容器２０に抽出した絶縁ガスが導入された状態で行われる。
【００２６】
測定部１２には１ｋΩ程度の電流検出用の抵抗が設けられ、回路に直列に挿入されている。交流の場合、電流の大きさと電圧との位相差を測定してマイクロ電極２ａ，２ｂ間のインピーダンスを算出する。これによりＣＮＴ３が分解ガスと反応して生じたインピーダンス変化のコンダクタンス成分とキャパシタンス成分とを算出している。本実施形態ではコンダクタンス成分を用いるものとするが、キャパシタンス成分を用いてもよい。一方、
直流の場合、電流検出用の抵抗によって電流の大きさのみを測定して、マイクロ電極２ａ，２ｂ間のコンダクタンスを算出する。算出されたコンダクタンスを用いて、校正データ部１５ａの校正データから分解ガス濃度を求めることができる。
【００２７】
なお、実際には、測定部１２が検出したコンダクタンスの測定値には変動があり、限度を越えた変動が分解ガスの発生を意味する。そこで、予め部分放電が確認できるときのインピーダンス変化（ここではコンダクタンス変化）の限度となる基準値を取得しておき、これをメモリ部１５に記憶し、演算制御部１３は測定部１２が検出したインピーダンス変化と基準値を比較し、基準値を越えたときに分解ガスが発生したと判定する。
【００２８】
本実施形態においては、ＣＮＴガスセンサ１は気密性容器２０内に配設されている。ここで、気密性容器２０について図３を用いて説明する。ここでは、気密性容器２０の具体例としてチャンバ（図３（Ａ）：チャンバ式）とシリンジ（図３（Ｂ）：シリンジ内蔵型）とを示す。いずれの場合においても、容器内にＣＮＴガスセンサ１が配設されており、ＧＩＳ３０の密閉容器３１に封入されているＳＦ6ガスを、通気口３２に接続する導管３３を介して抽出し、サンプルガス（ＳＦ6及びその分解ガスが混合された気体）としてそれぞれの容器に導入する。導管３３の中途部にはＳＦ6ガスの導通を調節するバルブ３４が配設されており、バルブ３４を開放することで、サンプルガスのサンプリングを行うことができる。
【００２９】
なお、チャンバ式の場合は、図３（Ａ）に示すように一旦シリンジのようなものでＧＩＳ３０からサンプルガスを抽出してからチャンバに導入するようにしてもよいし、ＧＩＳ３０とチャンバとを気密状態で接続し、ＧＩＳ３０のバルブ３４を開放してチャンバ内にサンプルガスを導入するようにしてもよい。このとき、チャンバ内は真空又は負圧の状態にしておく。また、シリンジ内蔵型の場合は、ＧＩＳ３０に接続する導管３３とシリンジの針とを気密状態で接続し、バルブ３４を開放すると共に、プランジャを引いてサンプリングを行うようにする。
【００３０】
ＣＮＴガスセンサ１は、チャンバ式の場合、チャンバ内のいずれかの場所であってサンプルガスとＣＮＴ３が接触可能な場所に配設され、シリンジ内蔵型の場合、バレル内であってプランジャの先端部に配設される。
【００３１】
なお、ＣＮＴガスセンサ１をＣＮＴ３を有する面に対してチャンバに流入される気体が直接接触する位置に配置することで、気体を導入する初期の段階で一旦センサ応答のピーク値を得ることができる。すなわち、チャンバ式においては、ＧＩＳ３０とチャンバとが気密状態で接続されている場合、図３（Ａ）に示すようにＣＮＴガスセンサ１におけるＣＮＴ３を有する面が、導管３３端部の開口部に対向して配設されるようにしてもよく、一旦シリンジのようなものでＧＩＳ３０からサンプルガスを抽出してからチャンバに導入する場合、ＣＮＴガスセンサ１におけるＣＮＴ３を有する面が、チャンバにおける気体の注入口に対向して配設されるようにしてもよい。
【００３２】
チャンバ式の場合もシリンジ内蔵型の場合も、サンプルガスが導入された時点でそれに含まれる分解ガスを検出することが可能である。ここでは、ＣＮＴガスセンサ１の感度をより高めるために、シリンジ内蔵型における気密性容器２０の内部容積を増減させた場合の分解ガス検出について図４を用いて説明する。
【００３３】
図４に示すように、図４（Ａ）の初期状態ではプランジャを押して、バレル内を真空又は真空に近い状態にしておく。サンプルガスをサンプリングする際は、図４（Ｂ）に示すようにプランジャを引いてサンプルガスをバレル内に導入する。上述したように、この時点で分解ガスを検出することは可能である。しかしながら、分解ガスが発生しているにも
関わらず、検出感度ギリギリで分解ガスが検出されない場合もあるため、図４（Ｃ）のように針からのサンプルガスの流出をロックすると共に、プランジャを押してサンプルガスに加圧する。バレルの内部容積が減少し圧力が加わることで、分解ガスの分子がＣＮＴガスセンサ１のＣＮＴ３に吸着されやすくなり、ＣＮＴガスセンサ１の検出感度が向上する。また、ＧＩＳ３０内は４〜５気圧に保たれていることから、サンプルガスに加圧することでＧＩＳ３０内と同等又は近い条件での分解ガスの検出を行うことが可能となる。
【００３４】
なお、チャンバ式の場合においても、チャンバの一部の壁が移動可能で内部容積が増減自在となる構成とし、サンプルガスに加圧できるようにしてもよい。
【００３５】
上記に示したように、ＣＮＴガスセンサ１は初期化を行うことで繰り返して使用することができる。図５にＣＮＴガスセンサ１の初期化の処理を示す。初期化する際は、上述した通り窒素中で紫外線（２００Ｗ）を照射する。具体的には、図５（Ａ）に示すように、紫外線を透過する材質で形成されたバレルの先端部に、サンプルガスを流入するための針２１と窒素を流入するためのチューブ２２を接続し、それらをコック２３で切替可能とする。バレルの側面には、窒素を流出するための排気孔２４を設け、プランジャ先端が排気孔２４よりも引かれた状態でチューブ２２から窒素の流入を行うと共に、紫外線をＣＮＴガスセンサ１に照射する。すなわち、排気孔２４が含まれる空間ｓを利用して初期化を行う。
【００３６】
初期化が完了すると分解ガスの検出を行うが、その際には図５（Ｂ）に示すように、プランジャ先端が排気孔２４よりも押された状態で分解ガスの検出が行われる。すなわち、排気孔２４が排除された空間ｔを利用して検出を行う。
【００３７】
なお、チャンバ式において一部の壁を移動可能として内部容積が増減自在となる構成とした場合もシリンジ内蔵型の場合と同様に、移動しないいずれかの壁面に窒素の排気孔を設け、移動する壁面の位置に応じて、排気孔を含む空間領域を用いてＣＮＴガスセンサ１の初期化を行い、排気孔が排除された空間領域を用いて分解ガスの検出が行われるようにしてもよい。
【実施例】
【００３８】
ＣＮＴガスセンサ１をオフラインで設備診断を行う装置に使用した場合のセンサ特性を調べるために、以下の実験を行った。ＧＩＳ３０については、ステンレス製チャンバ（内容積：３０Ｌ）内にギャップ長が１０ｍｍの針対平板電極を設置し、チャンバ内にＳＦ6ガスを封入（０．１ＭＰａ）した状態で針電極に２０ｋＶｒｍｓを印加して、コロナ放電（模擬ＰＤ）を発生させる模擬的なＧＩＳ３０（ＳＦ6分解放電装置）を使用する。
【００３９】
ＣＮＴガスセンサ１については、櫛歯電極のフィンガー長を１２ｍｍ、フィンガー幅を５０ｍｍとし、４本のフィンガーが５μｍのギャップを３つ形成しているもの（図１（Ａ）を参照）を用いた。
【００４０】
（チャンバ式の実験）
ＳＦ6分解放電装置内で任意の時間ＳＦ6をコロナ放電に暴露した後、内部にＣＮＴガスセンサ１を設置したステンレス製の小型チャンバ（内容積：５５ｍＬ）とＳＦ6分解放電装置とを接続し、ＳＦ6ガスを予め減圧した小型チャンバ内に流入させてＣＮＴガスセンサ１の応答を取得した。図６に実験装置の概略図、図７に実験結果を示す。
【００４１】
図７（Ａ）は、各時間（４時間、８時間、１２時間、１６時間、２０時間）コロナ放電に暴露したＳＦ6分解ガスを、予め減圧した小型チャンバに注入したときのＣＮＴガスセンサ１の応答を示しており、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の結果から横軸を放電時間、縦軸
をガス注入から１０分後におけるセンサ応答としてプロットしたグラフを示す。図７（Ａ）の結果から、放電時間が長くなるにつれてＣＮＴガスセンサ１の応答が増加していることがわかる。また図７（Ｂ）の結果から、その増加率が放電時間に対して直線的であることがわかる。すなわち、コロナ放電によるＳＦ6の分解は継続的に進行し、且つ分解ガス中のセンサ応答に寄与するガス分子（例えば、ＳＦ4、ＳＯＦ2、ＨＦ等）が、ＳＦ6分解放電装置内に残留していることを示すと共に、小型チャンバ内で分解ガスをオフライン検出可能であることが示される。
【００４２】
次に、コロナ放電を２５時間行った後、ＳＦ6分解放電装置内の気体を予め減圧した小型チャンバへ注入した。このとき、注入量を調整して小型チャンバ内の全圧を調整し、各チャンバ内全圧に対するＣＮＴガスセンサ１の応答を取得した。その結果を図８に示す。
【００４３】
図８（Ａ）は、２５時間放電した後の分解ガスを予め減圧した小型チャンバに全圧が０．２ａｔｍ、０．４ａｔｍ、０．６ａｔｍ、０．８ａｔｍ、１．０ａｔｍとなるように注入したときのＣＮＴガスセンサ１の応答を示しており、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の結果から横軸を全圧、縦軸をガス注入から１０分後におけるセンサ応答をプロットしたグラフを示す。これらの結果から、センサ応答がガスの気圧に比例して増加していることがわかる。ＣＮＴガスセンサ１の応答は、分解ガス分子のＣＮＴ３表面への物理吸着に起因しており、ガス圧力の増加によって物理吸着量が増加したことがセンサ応答の増加の原因である。
【００４４】
次に、分解ガスを急速に（ＣＮＴ３に直接接触するように）小型チャンバに導入したときのセンサ応答を取得した。その結果を図９に示す。図９より分解ガスの導入の初期段階でセンサ応答のピークが現われ、その後一旦減少し、再び緩やかに増加して飽和している。初期段階で現われているピーク値と再び緩やかに増加して飽和した値とがほぼ同値となっている。すなわち、分解ガスがＣＮＴ３に直接接触する位置にＣＮＴガスセンサ１を配設することで、早い段階で分解ガスのセンサ応答を得ることができることがわかる。
【００４５】
（シリンジ内蔵型の実験）
ラテックス製シリンジ（５０ｍＬ）のプランジャ先端にＣＮＴガスセンサ１を配置する。シリンジの先端には、サンプルガスをサンプリングするための針と気体を流入するためのチューブとを接続でき、コックにより切り替える。バレル側面には気体を流出させるための排気孔を設ける。マイクロ電極２ａ，２ｂまでのリード線はプランジャ側面に這わせて外部装置と接続する。図１０に実験装置の概略図を示す。
【００４６】
図１０の実験装置を用いてＣＮＴガスセンサ１の初期化を行った。まず、プランジャを排気孔よりも引いた状態にし、気体を流入するためのチューブから窒素を流入する（流速：０．２Ｌ／ｍｉｎ）。このとき、シリンジの先端より流入された窒素は、シリンジ内部を通り排気孔より流出される。そして、窒素を流入しながらＣＮＴガスセンサ１にシリンジ外部から紫外線を照射した。このとき、ＣＮＴガスセンサ１のコンダクタンス変化をモニタした結果を図１１に示す。
【００４７】
図１１は、ＣＮＴガスセンサ１の初期化におけるコンダクタンス変化を示す。コロナ放電（２０ｋＶ、３時間）によって発生させた分解ガスの分子をＣＮＴ３に吸着させた状態のＣＮＴガスセンサ１に対して初期化を行った。測定開始から５分間はＣＮＴガスセンサ１をシリンジ内に静置した状態である。次の５分間は窒素流入のみを行い、その後１０分間に窒素流入と紫外線照射を行った。図１１の結果から、窒素下での紫外線照射によるＣＮＴガスセンサ１の初期化がシリンジ内で可能であることが示された。
【００４８】
次に、プランジャの先端が排気孔よりもシリンジ先端側になる状態で分解ガスの検出を
行った。図１２は、ＳＦ6ガス単体（純度９９．９％）とコロナ放電（２０ｋＶ、１時間）に暴露したＳＦ6ガスのそれぞれでのセンサ応答を示す。検出の開始前に初期化に使用した窒素の残留をなるべく少なくするため、初期化を行った後のシリンジ内を減圧ポンプで０．０５ＭＰａまで減圧した。この状態でセンサ応答を測定した。５分間静置した後、およそ２０秒かけてシリンジ内にサンプルガスを導入した。図１２より、純ＳＦ6ガスに対しては、導入時にわずかな変化があるものの、明確なコンダクタンスの変化は見られない。一方、ＳＦ6分解ガスに対しては、導入直後からコンダクタンスが増加し、２分程度でその増加が止まった。この結果は、シリンジ内蔵型の装置を用いてオフライン検出が可能であることを示している。
【００４９】
次に、サンプルガスをシリンジ内に導入後、プランジャーを押して内部容積を小さくし、サンプルガスを圧縮した場合のＣＮＴガスセンサ１の応答を検出した。サンプルガスへの加圧は、チャンバ式の場合に比べてシリンジ内蔵型の方が非常に容易に行うことができる。図１３に、シリンジ内にサンプルガスを導入後に加圧したときのセンサ応答の変化を示す。ここでは、シリンジにサンプルガスを５０ｍＬ導入後、シリンジの内部容積が２５ｍＬ、１６．７ｍＬとなるように加圧した場合のセンサ応答である。図１３から明らかなように、サンプルガスを加圧することでセンサ応答量が増加している。すなわち、センサ感度が向上していることがわかる。
【００５０】
以上の実験結果から、シンプルな構成の装置で簡便な操作を行うだけで、サンプルガスのサンプリングと同時にセンサ応答を得ることができるオンサイトでの検査が実現可能であることと、内部容積を小さくする又は圧縮することで、ＣＮＴガスセンサ１の応答量を増加させることができ、センサ感度を向上させることが可能であることが示された。
【符号の説明】
【００５１】
１ ＣＮＴガスセンサ
２ａ，２ｂ マイクロ電極
３ ＣＮＴ
１０ 分解ガス検出装置
１１ 電源部
１２ 測定部
１３ 演算制御部
１４ 表示部
１５ メモリ部
１５ａ 校正データ部
２０ 気密性容器
２１ 針
２２ チューブ
２３ コック
２４ 排気孔
３０ ＧＩＳ
３１ 密閉容器
３２ 通気口
３３ 導管
３４ バルブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁ガスが封入された密閉容器と、前記絶縁ガスを通気する通気口と、当該通気口に接続し前記絶縁ガスを導通する導管と、当該導管の中途部に配設され前記絶縁ガスの導通を調節するバルブとを備えるガス絶縁開閉装置の設備診断を行う分解ガス検出装置であって、
前記導管端部の開口部から供給される絶縁ガスが、真空又は負圧状態で導入される気密性容器と、
前記気密性容器内に配設され、不平等電界を発生する縁部が設けられた一対の電極と前記不平等電界にしたがったカーボンナノ材料の架橋構造とを有し、前記カーボンナノ材料が前記絶縁ガスの分解により発生する分解ガスを吸着し、当該吸着により生じる前記電極間の電気的特性の変化に基づいて前記分解ガスを検出する分解ガス検出センサとを備えることを特徴とする分解ガス検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の分解ガス検出装置において、
前記気密性容器が、内部容積を増減自在に形成され、前記絶縁ガスの導入当初に前記内部容積が零であることを特徴とする分解ガス検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の分解ガス検出装置において、
前記気密性容器に、前記分解ガス検出センサを初期化するための気体を導入し、前記気密性容器内に前記気体を流動させて排気する排気孔を備え、前記排気孔が排除された空間領域において前記分解検出センサが前記分解ガスを検出することを特徴とする分解ガス検出装置。
【請求項４】
請求項１に記載の分解ガス検出装置において、
前記気密性容器が、前記導管端部の開口部に気密状態で接続され、内部を真空又は負圧にした状態で前記バルブの開放により前記絶縁ガスが導入されることを特徴とする分解ガス検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の分解ガス検出装置において、
前記分解ガス検出センサにおけるカーボンナノ材料を有する面が、前記導管端部の開口部に対向して配設されていることを特徴とする分解ガス検出装置。
【請求項１】
絶縁ガスが封入された密閉容器と、前記絶縁ガスを通気する通気口と、当該通気口に接続し前記絶縁ガスを導通する導管と、当該導管の中途部に配設され前記絶縁ガスの導通を調節するバルブとを備えるガス絶縁開閉装置の設備診断を行う分解ガス検出装置であって、
前記導管端部の開口部から供給される絶縁ガスが、真空又は負圧状態で導入される気密性容器と、
前記気密性容器内に配設され、不平等電界を発生する縁部が設けられた一対の電極と前記不平等電界にしたがったカーボンナノ材料の架橋構造とを有し、前記カーボンナノ材料が前記絶縁ガスの分解により発生する分解ガスを吸着し、当該吸着により生じる前記電極間の電気的特性の変化に基づいて前記分解ガスを検出する分解ガス検出センサとを備えることを特徴とする分解ガス検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の分解ガス検出装置において、
前記気密性容器が、内部容積を増減自在に形成され、前記絶縁ガスの導入当初に前記内部容積が零であることを特徴とする分解ガス検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の分解ガス検出装置において、
前記気密性容器に、前記分解ガス検出センサを初期化するための気体を導入し、前記気密性容器内に前記気体を流動させて排気する排気孔を備え、前記排気孔が排除された空間領域において前記分解検出センサが前記分解ガスを検出することを特徴とする分解ガス検出装置。
【請求項４】
請求項１に記載の分解ガス検出装置において、
前記気密性容器が、前記導管端部の開口部に気密状態で接続され、内部を真空又は負圧にした状態で前記バルブの開放により前記絶縁ガスが導入されることを特徴とする分解ガス検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の分解ガス検出装置において、
前記分解ガス検出センサにおけるカーボンナノ材料を有する面が、前記導管端部の開口部に対向して配設されていることを特徴とする分解ガス検出装置。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１】
【公開番号】特開２０１２−１５４６９２（Ｐ２０１２−１５４６９２Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２１８３（Ｐ２０１１−１２１８３）
【出願日】平成２３年１月２４日（２０１１．１．２４）
【出願人】（５０４１４５３４２）国立大学法人九州大学 (960)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２４日（２０１１．１．２４）
【出願人】（５０４１４５３４２）国立大学法人九州大学 (960)
【Ｆターム（参考）】
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