JP4412138B2

JP4412138B2 - 発光検出装置

Info

Publication number: JP4412138B2
Application number: JP2004285959A
Authority: JP
Inventors: 清佳末長
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: JP2005241624A

Description

本発明は、発光による紫外線発生位置を検出するための発光検出装置に係り、特に送電線用鉄塔などの電気設備などにおける、コロナ放電の発生を検出するのに有効な発光検出装置に関する。

電気設備においては、電気絶縁の劣化に伴い微小なコロナ放電を発生する場合がある。すなわち、コロナ放電を検出することで、電気的な絶縁劣化を早期に検出することができる。
このコロナ放電を検出する装置としては、例えば特許文献１に記載されている検出装置がある。この検出装置では、コロナ放電が発生する際の超音波音を検出し、その検出に基づき音響の発生方向を特定してコロナ放電の有無及び位置を検出する。
特開平９−２３３６７９号公報

しかし、上記放電時の音による検出方法では、検査する被写体に対し音響検出部をスキャニングするように移動させる必要があるため、被写体が大きいほど検査に時間が掛かる。
また、磁歪振動音等が放電音に近似することから、コロナ放電が無いにもかかわらずコロナ放電を検出したと誤検出することがある。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、より正確に且つより簡易な構成でコロナ放電等による異常発光の検出が可能な発光検出装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載した発明は、鏡筒と、その鏡筒に入射した光を反射する凹面鏡と、その凹面鏡と対面配置されたＵＶ−Ｃ領域の紫外線だけを通過させる光学フィルタと、光学フィルタ通過後の紫外線像を可視化する可視化変換手段と、その可視化変換手段が可視化した紫外線像を取得する第１画像取得手段と、上記光学フィルタで反射した光による可視像を取得する第２画像取得手段と、を備えることを特徴とする発光検出装置を提供するものである。

次に、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した構成に対し、上記２つの画像取得手段で取得した画像に基づきコロナ放電の有無及び位置を特定することを特徴とするものである。
次に、請求項３に記載した発明は、請求項１または２に記載した発光検出装置において、前記光学フィルタは、波長２４０ｎｍ〜２８０ｎｍの範囲に存在する１または２以上のＮｅ（ネオン）の輝線を通過させる狭帯域通過フィルタであることを特徴とするものである。

本発明によれば、反射鏡で集光することで、紫外線に感度を有する高価なＵＶレンズ（ＵＶ−Ｃだけを通過させるレンズ）の使用枚数を抑えることができる。また、同一の光軸からの入射光によって可視像と紫外線像とを取得することができる。つまり、上記可視像及び紫外線像に、被写体との距離によるずれの発生を抑えられる。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
まず、放電現象と紫外線について説明する。
放電現象は、電磁波や超音波のほかに紫外線の放出を伴うことが知られている。放電は電界の影響を受けて励起状態になった気体の原子が自由電子を放出しイオン化されることによって引き起こされる。この時、イオン化された原子が自由電子を受け取って励起状態から基底状態に戻る過程で光が放射される。
ここで、電子の軌道がｎ＝ｉからｎ＝ｊに遷移した場合に放射される光の波長は次の式（１）で与えられる。

ただし、λ：放射される光の波長、ｍ：電子の運動質量、ｅ：電子の電荷（１．６０２×１０^−１９Ｃ）、ε_０：真空の誘電率（８．８５４×１０^−１２Ｆ／ｍ）、ｈ：プランクの定数（６．６２４×１０^−３４Ｊ・ｓｅｃ）、ｃ：光速（３×１０^８ｍ／ｓｅｃ）
ここで、本願発明者は、各原子のイオン化電圧は、下記式（２）で与えられることに着目し、式（１）と式（２）からイオン化電圧が既知の気体の発光波長は下記式（３）で求めることができると考えた。

図１に式（３）で求めた代表的な気体の発光スペクトルを示す。同図から、放電で生じる光の波長は４００ｎｍ以下の紫外線領域に離散的に分布することがわかる。一方、紫外線はその波長によって４００ｎｍ〜３１５ｎｍがＵＶ−Ａ、３１５ｎｍ〜２８０ｎｍがＵＶ−Ｂ、２８０ｎｍ〜１００ｎｍがＵＶ−Ｃに分類される。

ところで、紫外線は、太陽及び高輝度ランプなどの人工照明から放射される、波長４００ｎｍ以下の短波長の電磁波であるが、特に地表に届く太陽光放射の場合は、図２に示される発光分布のように、波長が短いほど太陽光放射中の専有割合が小さく、特に、ＵＶ−Ｃ領域の電磁波は大気中のオゾン層で吸収されるため地表にはほとんど到達しない。一方、コロナ放電による発光分布は、同図２に示すようになっており、紫外線全域に亘って放射している。したがって、地表に届く太陽光放射には存在しない、ＵＶ−Ｃ領域の紫外線を検出することで、太陽光放射に影響を受けることなく、微弱な放電光でも太陽光に影響されずコロナ放電等の発生による被写体自体からの発光に伴う紫外線を検出することができる。

次に、本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、以下の全実施形態では、紫外線発光の検出による発光検出装置の例として、コロナ放電の検出を行う放電検出装置を説明する。もちろん、何らかの不具合によって紫外線発光を発生する部位の検出であれば、コロナ放電の検出に限定されない。
まず、本実施形態の放電検出装置の構造について説明する。図３は、本装置の構成概要図である。

筒状の鏡筒１内に、同軸に凹面鏡２が配置されている。その凹面鏡２と対面且つ同軸にＵＶフィルタ３が配設されている。そのＵＶフィルタ３の後側には同軸にＩＣＣＤカメラ４が配設されている。このＩＣＣＤカメラ４は、イメージインテンシファイア４Ａと、第１画像取得手段を構成するＣＣＤカメラ本体４Ｂとから構成され、ＣＣＤカメラ本体４Ｂで撮像された画像データは、画像処理部５に出力される。なお、上記ＵＶフィルタ３及びＩＣＣＤカメラ４は、不図示のスパイダによって鏡筒１に支持される。
イメージインテンシファイア４Ａは、可視化変換手段を構成し、微弱な紫外線像を検知・増倍してコントラストのついた像、つまり可視化した像に変換する装置である。なお、通常のＣＣＤカメラは紫外線に対する感度を持っていないため放電現象を撮像することはできない。

イメージインテンシファイア４Ａは、受光した光を電子に変換する受光面と、直径２５ｍｍ、厚さ０．４８ｍｍの薄いガラスの板にφ１２μｍの細い穴（チャンネル）を無数に加工し光電子を倍増するＭＣＰ（マルチチャンネルプレート）と、倍増した電子を再度光に変換し後段に伝えるファイバプレートとを備えて構成されている。本実施形態では、イメージインテンシファイア４Ａの受光面に、紫外線に感度を持つＣｅ−Ｔｅを材料に選定した。Ｃｅ−Ｔｅ受光面は３２０ｎｍ以上の波長の光に対する感度が抑制され２５０ｎｍ付近に最大感度を有している。そして、ＭＣＰは微弱な放電光を考えて２段にすることで電子倍増率を１０^６倍とした。ここで、イメージインテンシファイア４Ａは増幅率が高いため、僅かな光でも結像し本来観測したい放電光の弁別を阻害する。そこでイメージインテンシファイア４Ａの前段にＵＶ−Ｃ光のみを通過させるＵＶフィルタ３を設置し、不要な光を遮断している。

ところで、通常、フィルタには、特定の波長帯を通過させる帯域通過フィルタと、特定の波長のみ通過させる狭帯域通過フィルタがある（例えば図１参照）が、上記ＵＶフィルタ３には、波長２４０〜２８０ｎｍの範囲のＵＶ−Ｃ紫外線だけを通過させるフィルタが好適である。特に、本実施形態でのフィルタ選定では５種類の狭帯域通過フィルタにてラボ試験を行った結果、図４に示す通り、２４９．７ｎｍを通過させる狭帯域通過フィルタが最もＳ／Ｎ比が良好で放電の可視化に適していた。なお、同図の例では画面中央下で放電が発生しているが、２６０ＢＰおよび２４９．７ＮＢ７以外のフィルタでは放電光と背景の太陽光との弁別が困難であることがわかる。

ここで、図４に示す２４９．７ＮＢ７フィルタを通した画像は、図１を参照してわかる様に、主にＮｅ（ネオン）の輝線を観測していることになる。ネオンは窒素（大気中の容積比７８．０８８％）、酸素（同２０．９４９％）、アルゴン（同０．９３％）に次いで大気中の容積比が大きな気体（同１．８×１０^−３％）であり、ＵＶ−Ｃ領域に輝線を持つ気体の中では最も容積比が大きい。そのため、Ｎｅ（ネオン）の輝線を観測すれば発光量が多いことから弁別する上で好ましい。さらに、本実施形態では、波長２４０〜２８０ｎｍの範囲に存在するＵＶ−Ｃ紫外線のうち、特に、この２４９．７ｎｍ、すなわちＮｅ（ネオン）の１または２以上の輝線を通過させる狭帯域通過フィルタをＵＶフィルタ３として採用している。そのため、このような狭帯域通過フィルタを採用することによって放電光と背景の太陽光との弁別をより確実なものとすることができる。

そして、ＵＶフィルタ３の前面（入射面）と対向する位置に、当該ＵＶフィルタ３表面から反射した光による可視像を撮像する可視光ＣＣＤカメラ６が配設されている。この可視光ＣＣＤカメラ６は第２画像取得手段を構成する。可視光ＣＣＤカメラ６は撮像した可視化画像データを画像処理部５に出力する。ここで、可視光ＣＣＤカメラ６は、凹面鏡２から光フィルタに至る光路を遮らない位置及び大きさのものを使用する。この可視光ＣＣＤカメラ６は、ＵＶフィルタ３のケース、若しくは鏡筒１に支持されている。ここで、上記可視光ＣＣＤカメラで取得した可視像は、図５（ａ）のイメージのような画像となり、ＩＣＣＤカメラで取得した紫外線像は、図５（ｂ）のイメージのような画像となる。なお、紫外線像は、紫外線の部分だけが白っぽくなっているので、図５（ｂ）は、実際には、コロナ放電による発光部分Ａだけが白っぽく、その背景が黒くなった画像となる。

上記画像処理部５は、同期して入力された、つまり、同一の入射光に基づく、ＩＣＣＤカメラ４からの紫外線像と、可視光ＣＣＤカメラ６からの可視化像（被写体１０の可視像）とを重ねるように合成処理を行い、表示部７に出力する。なお、可視光ＣＣＤカメラ６からの可視化像とＩＣＣＤカメラ４からの紫外線像との合成は、ビデオミキサーで、ミキシングのレベルを任意に調整することで放電画像の視認性が向上できる様にしている。

次に、上記構成の放電検出装置の動作や作用・効果などについて説明する。
本装置は、被写体１０に鏡筒１の開口部を向け、その状態で２つのカメラ４，６の同期をとって作動させることで使用される。
被写体１０からの光が鏡筒１に入射されると、その入射光は主反射鏡である凹面鏡２で反射し、対面配置されたＵＶフィルタ３の入射面に集中する。ＵＶフィルタ３の入射面に入射した光のうち、ＵＶ−Ｃ領域の紫外線だけはＵＶフィルタ３を通過してＩＣＣＤカメラ４で受光され、当該ＩＣＣＤカメラ４で撮像された紫外線像は、画像処理部５に供給される。ここで、ＵＶ−Ｃ領域の紫外線は、地上に届いた太陽光には存在していないので、ＵＶフィルタ３を通過した上記紫外線は、被写体１０の発光による紫外線だけである。すなわち、ＩＣＣＤカメラ４から出力される画像は、コロナ放電に対応した紫外線だけを表示する画像となる。

そして、画像処理部５で同期をとって入力した２つの画像が合成されて表示部７に表示される。なお、表示部７の代わりに記録部に記録して、後で再生して確認するようにしても良い。
上記表示部７に表示される画像は、被写体１０にコロナ放電の発生が無ければ、被写体１０の可視像と真っ黒な画像との合成であるので、全体が均一的に若干薄暗くなった被写体１０の画像である。一方、被写体１０の一部で微小なコロナ放電が発生している場合には、紫外線像は、黒背景に対しそのコロナ放電が発生している部分だけが白っぽくなった画像となっているので、合成後の表示される画像にあっては、コロナ放電部分だけが白っぽく（明るく）表示される合成像となることで、コロナ放電の発生の有無及び位置を検出することができる。

また、本実施形態では、凹面鏡２によって像の倍率を稼いでいるので、高価なＵＶレンズ（例えば、ＵＶ用石英レンズ）の使用枚数を減らすことができて、装置がその分だけ安価となる。なお、適宜、紫外線像の可視化の具合に応じてＵＶレンズを使用する。また、通常のレンズでは紫外線を吸収してまう。
また、光軸が同一となっている同一の入射した光から、上記紫外線像及び可視像を取得しているので、両画像と被写体１０との間の距離によるずれがないので、合成がしやすい。なお、画像処理部５に入力される紫外線像と可視像との倍率が異なる場合には、等倍率となるように画像処理を行うが、同一視点からの像であるので、単に倍率を変更すればよい。

ここで、上記実施形態では、ＵＶフィルタ３の入射面が平面仕上となっているので、ＵＶフィルタ３で反射した光の焦点が凹面鏡２の前に位置する。このため、可視光ＣＣＤカメラ６を凹面鏡２の前方に配設したが、これに限定されない。凹面鏡２と同位置若しくはそれよりも後方位置に可視光ＣＣＤカメラ６を配設し、ＵＶフィルタ３からの反射光を、光学的要素（凸レンズや凹レンズ、反射鏡、プリズムなど）を介して光ＣＣＤの受光面まで導くように設定しても良い。

また、画像処理によって、コロナ放電による紫外線像についてだけ色変換処理を行い、つまり白色部分を赤色などに変換して、コロナ放電部分を更に強調するようにしても良い。
また、上記実施形態では、紫外線像と可視像とを画像処理部５で合成して表示部２に表示するようにしているが、これに限定されない。たとえば、紫外線像と可視像とを画像処理部５で等倍の大きさにして（画像処理部５への入力時点で等倍の場合には、この処理は不要である）、両画像を並べて表示部７に表示するようにしても良い。コロナ放電の位置の精度は若干劣るものの、コロナ放電の有無及びコロナ放電のだいたいの位置が特定可能となる。

また、上記実施形態では、鏡筒１に対し、当該鏡筒１の軸上で凹面鏡２及びＵＶフィルタ３を同軸に配置させているが、これに限定されない。例えば図６のように、凹面鏡２の軸を鏡筒１の軸に対し傾斜させて、凹面鏡２からの反射光を凹面鏡２に向かう光路外に集光させ、その集光部近傍にＵＶフィルタ３を配置しても良い。
また、上記実施形態の例では、ＵＶフィルタ３には、２４９．７ｎｍのＮｅ（ネオン）の輝線を通過させる狭帯域通過フィルタを採用したが、これに限定されず、狭帯域通過フィルタは、波長２４０〜２８０ｎｍの範囲に存在するＵＶ−Ｃ紫外線のうち、他の波長のの１または２以上のＮｅ（ネオン）の輝線を通過させる狭帯域通過フィルタによって観測してもよい。

次に、第２実施形態について図面を参照して説明する。なお、上記実施形態と同様な部品などについては、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の基本構成は、図７に示すように、上記第１実施形態と同様であるが、上記ＵＶフィルタ３の入射側表面３ａを凸面仕上にした点が異なる。
凸面仕上にすることで、ＵＶフィルタ３の表面で反射した光の焦点を凹面鏡２の後方位置に設定し、可視光ＣＣＤカメラ６を凹面鏡２の後に配設した例である。
図７中、符号８はＵＶレンズを表し、紫外線像の倍率をさらに高めている例である。符号９は通常のレンズである。
その他の構成や作用・効果などは上記実施形態と同様である。

次に、第３実施形態を図面を参照しつつ説明する。なお、上記各実施形態と同様な部品については同一の符号を付して説明する。
本実施形態では、図８に示すように、ＵＶフィルタ３の位置に副反射鏡としての凸面鏡１１を配設し、当該凸面鏡１１で反射した光を凹面鏡２の後方に集光させている。そして、上記凸面鏡１１で反射した光を分光器１２で２つの光路に分光し、一方の分光した光をＵＶフィルタ３に送り、他方を可視光ＣＣＤカメラ６に送っている。ＵＶフィルタ３の後方には、上記第２実施形態のように、ＵＶレンズ８を介してＩＣＣＤカメラ４が配設されている。

他の構成は、上記各実施形態と同様である。
本実施形態では、凹面鏡２で入射した光を反射して凸面鏡１１（副反射鏡）に集光させ、その凸面鏡１１で反射させた光を分光器１２に送っている。続いて、分光器１２で分光させて、それぞれのカメラ４，６に光が送られる。
その他の構成や、作用・効果は同様である。

次に、本発明の実施例について説明する。
上記第１実施形態の発光検出装置を、発電機の開放点検に持ち込み、部分放電の撮影を行なった。
この例の発電機は、約１５年間に渡って稼働している発電機であり、近年、部分放電の上昇が認められたため、上記第１実施形態の発光検出装置で開放点検を実施した。点検に先立ち、発光検出装置で監視しながら部分放電試験を実施し、放電部位の特定を試みたところ、コイルエンドで発生していた部分放電を捉える事ができた。部分放電はコイルエンドのスロット出口付近でスポット的に発生していた。

部分放電試験終了後、発生部位を点検したところコイルとスロットの間に約０．２ｍｍの隙間が生じていた。そこで、スロットに生じた空隙に導電性の材料を挿入し樹脂で固める補修を行ったところ、補修後に行った部分放電試験では、放電の可視像は認められなかった。
このように、本発明の発光検出装置は、例えば、発電機・電動機等の部分放電試験に適用することで、放電部位の特定が容易にできると共に、補修が成功したか否かの確認も容易に行うことができることが確認された。

代表的な気体の発光スペクトルを示す説明図である。発光分布を説明する図である。本発明に基づく第１実施形態に係る放電検出装置の構成概要図である。フィルタ選定のためのラボ試験の結果を説明する図である。２種類の紫外線像のイメージを説明する図である。本発明に基づく第１実施形態に係る放電検出装置の別の配置の構成概要図である。本発明に基づく第２実施形態に係る放電検出装置の構成概要図である。本発明に基づく第３実施形態に係る放電検出装置の構成概要図である。

符号の説明

１鏡筒
２凹面鏡
３ＵＶフィルタ
４ＩＣＣＤカメラ
４Ａイメージインデンシファイア
４Ｂカメラ本体
５画像処理部
６可視光ＣＣＤカメラ
７表示部
８ＵＶレンズ
９レンズ
１０被写体
１１凸面鏡（副反射鏡）
１２分光器

Claims

鏡筒と、その鏡筒に入射した光を反射する凹面鏡と、その凹面鏡と対面配置されてＵＶ−Ｃ領域の紫外線だけを通過させる光学フィルタと、光学フィルタ通過後の紫外線像を可視化する可視化変換手段と、その可視化変換手段が可視化した紫外線像を取得する第１画像取得手段と、上記光学フィルタで反射した光による可視像を取得する第２画像取得手段と、を備えることを特徴とする発光検出装置。
上記２つの画像取得手段で取得した画像に基づきコロナ放電の有無及び位置を特定することを特徴とする請求項１に記載した発光検出装置。
前記光学フィルタは、波長２４０ｎｍ〜２８０ｎｍの範囲に存在する１または２以上のＮｅ（ネオン）の輝線を通過させる狭帯域通過フィルタであることを特徴とする請求項１または２に記載した発光検出装置。