JP2012163394A - 非接触電圧検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電線に取り付ける検出プローブの装着が容易に行え、測定電圧の変動が少なく信頼性が高い非接触電圧検出装置を提供する。
【解決手段】検出プローブ１０は、電線１５の絶縁被覆１７の外面に密着させて巻き付け可能な可撓性を有する絶縁部材１１中に、電線１５側の大面積の第１電極１２と、この第１電極１２の一部に対向させる電圧検出用の小面積の第２電極１３を、予め定めた間隔を保って配置すると共に、第２電極１３に接続された測定線１４を引き出して構成している。検出プローブ１０の第１電極１２と前記第２電極１３間で形成する補助コンデンサ部分の静電容量は、電線１５の芯線１６と第１電極１２間の静電容量に比べて十分小さくしている。電線１５の絶縁被覆１７の外周面に、検出プローブ１０密着させて取り付け、補助コンデンサ部分に検出用コンデンサ及び電圧検出回路を接続し、電線１５の芯線に印加される交流電圧を測定する。
【選択図】図２

Description

本発明は非接触電圧検出装置に係り、特に絶縁被覆した電線の芯線に印加された電圧を、非接触で測定するのに好適な非接触電圧検出装置に関する。

一般に、芯線を絶縁被覆した電線を使用するとき、芯線に印加された交流電圧を、絶縁被覆を破らずに測定できると、安全に測定作業が行えるため有利であり、しかも簡便に測定できる利点がある。しかし、継続して芯線に印加された交流電圧を測定するには、電線の絶縁被覆上に検出プローブを配置する必要がある。

検出プローブを、電線の絶縁被覆を損傷させずに固定するには、固定する手段を工夫せねばならないし、検出プローブの形状にも制約が生じている。このため、外側を絶縁部材とした検出プローブを使用し、安全性を確保できるようにすることが求められている。

電線の絶縁被覆上から芯線に印加された交流電圧を計測する非接触電圧検出装置としては、特許文献１に記載された非接触電圧検出装置が知られている。この特許文献１の非接触電圧検出装置では、図４（ａ）に示す如く絶縁部材２内にシールド３と補助コンデンサ電極となる導電部材４とを設け、かつ絶縁部材２の外面に測定電極５を設けて平板状の検出プローブ１を構成し、導電部材４と測定電極５との間に所定の静電容量の補助コンデンサを形成するようにしている。

この検出プローブ１は、図４（ｂ）の等価回路に示す如く測定対象となる被測定電線８に配置し、測定電極５に検出用コンデンサを含む検出回路７Ａと検出器７Ｂを有する電圧測定部６を接続して使用する。この配置では、被測定電線８の種類と測定電極５の形状によって、両者間の結合静電容量Ｃｘは凡そ定まり、結合静電容量Ｃｘの最大値程度である補助コンデンサの静電容量Ｃａを直列に挿入することで、被測定電線８との結合静電容量Ｃｘの変動値の影響を半分以下に抑えられるとされている。

この等価回路の被測定電線８と検出回路７Ａ間の合成静電容量Ｃｔｏｔａｌは、結合静電容量Ｃｘの変動分Ｃｙを考慮した以下の式で表される。そして、検出回路７Ａの基準コンデンサと合成静電容量Ｃｔｏｔａｌとで被測定電圧が分圧され、電圧測定部１に印加される。

［式１］

ここで、結合静電容量Ｃｘの変動分Ｃｙを含めて１〜１０ＰＦ、補助コンデンサの静電容量Ｃａを１０ＰＦにして考えた場合、合成静電容量Ｃｔｏｔａｌの値は表１に示すようになる。つまり、見かけ上の結合した静電容量（合成静電容量Ｃｔｏｔａｌ）の変化の程度は、０．９１ＰＦが最大５．０ＰＦに変化するため、補助コンデンサの静電容量Ｃａがない場合の１ＰＦから１０ＰＦへの変化に比べて結合容量の変化は半分となる。

ただし、変動分Ｃｙを含む結合静電容量Ｃｘの変化が、通常は最小値に対して最大値は１０倍程度の開きが考えられるから、電圧測定部６の検出回路７Ａで検知する信号のレベルは、検出回路７Ａの静電容量と合成静電容量の比で決まる。そして、その変化分は最大で約５倍となり、検出電圧は結合静電容量の変動にかなり大きく依存することになる。

特開２００５−２１４６８９号公報

通常、測定対象である被測定電線８は断面円形であるから、この被測定電線８上に従来のような平板状の検出プローブ１を押し当てるように取り付けると、平面での接触ではなく部分的な点接触或いは線接触となってしまうことになる。この結果、被測定電線８に局部的な力が掛かり絶縁被覆の変形等が懸念され、安全上好ましくないし、また測定電極５が被測定電線８の絶縁被覆に平均的に接近していないと、結合容量が十分確保できない、或いは不安定になる等の不具合が懸念される。

更に、結合静電容量Ｃｘは被測定電線８の線径や材質、検出プローブ１の取り付け状態などの条件により変わった値となるから、電圧の分圧比が変化することから測定電圧の信頼性が低くなる問題があった。

しかも、上記した従来の検出プローブ１では、補助コンデンサを測定電極５と被測定電線８との間の結合静電容量の最大値程度にして直列に挿入している。この場合、測定電極５と被測定電線８間の結合静電容量が、補助コンデンサの静電容量の約１０分の１からほぼ同容量であるが、上記した如く合成結合静電容量の最小値／最大値の比は５倍強の開きとなる。このため、電圧測定部の検出回路で検知する信号レベルの変化も同様に５倍強となり、測定電圧の変動が大きくなって信頼性が低くなる問題があった。

また、芯線に印加されている電圧測定を継続して行うには、電線８の絶縁被覆上に検出プローブ１を設置しなければならないから、被測定電線８の絶縁被覆を傷めずに、かつ安全に電線に固定する手段が必要である。一般的に、電圧測定が必要な被測定電線８が収納されている配電盤の内部は、十分な空間的な余裕がないから、検出プローブ１は固定手段も含めて小形化し、取り付けの容易化を図ることが望まれている。

本発明の目的は、電線に取り付ける検出プローブの装着が容易に行え、検出プローブに内蔵された検出電極と絶縁被覆された芯線との間に形成される結合静電容量を安定化でき、測定電圧の変動が少なく信頼性が高い非接触電圧検出装置を提供することにある。

本発明の非接触電圧検出装置は、芯線に絶縁被覆を施した電線に、所定の静電容量の補助コンデンサを形成した検出プローブを取り付け、前記補助コンデンサに検出用コンデンサ及び電圧測定部を接続し、前記電圧測定部で前記電線の芯線に印加される交流電圧を測定する際、前記検出プローブは、前記電線の絶縁被覆の外面に密着させて巻き付け可能な可撓性を有する絶縁部材中に、前記電線側の大面積の第１電極と前記第１電極の一部に対向させる電圧検出用の小面積の第２電極とを予め定めた間隔を保って配置すると共に、前記第２電極に接続された測定線を引き出して一体に構成し、前記第１電極と前記第２電極間で作る補助コンデンサ部分の静電容量は、前記電線の芯線と前記第１電極間の静電容量に比べて十分小さくしたことを特徴としている。

好ましくは、前記電線の芯線と前記第１電極間の静電容量は１０〜１００ＰＦとし、前記第１電極と前記第２電極間の静電容量は、前記電線の芯線と前記第１電極間の静電容量の１／１００〜１／１０の値に設定したことを特徴とし、また前記絶縁部材はポリイミド樹脂材であることを特徴としている。

また好ましくは、前記検出用コンデンサの静電容量は、前記第１電極と前記第２電極間の静電容量に対して１００〜１０００倍としたことを特徴としている。

本発明の非接触電圧検出装置によれば、検出プローブは可撓性があり薄くて軽量なため、電線の直径が異なっても装着が容易であり、電線に密着させて安定した状態で取り付けることができる。このため、検出プローブ内の電圧検出用の第２電極と絶縁被覆した電線の芯線間に形成される結合静電容量の安定化を図ることができ、静電容量の違いによって生じる検出電圧の変動が極めて少なくなり、高精度で信頼性の高い電圧測定が行える。また、電線に取り付ける検出プローブの装着が容易に行え、検出プローブに内蔵された検出電極と絶縁被覆された芯線との間に形成される結合静電容量を安定化できから、測定電圧の変動が少なく信頼性が高い非接触電圧検出装置とすることができる。

（ａ）は本発明の非接触電圧検出装置に用いる検出プローブを示す正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線の断面図である。 （ａ）は図１の検出プローブを電線に装着した本発明の非接触電圧検出装置を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線の断面図、（ｃ）は（ａ）の側面図である。 （ａ）は本発明の非接触電圧検出装置の概略構成図、（ｂ）は（ａ）の等価回路図である。 （ａ）は従来の非接触電圧検出装置の検出プローブの概略構成図、（ｂ）は（ａ）の等価回路図である。

本発明の非接触電圧検出装置は、芯線に絶縁被覆を施した電線に、所定の静電容量の補助コンデンサを形成した検出プローブを取り付け、前記補助コンデンサに検出用コンデンサ及び電圧測定部を接続し、前記電圧測定部により前記電線の芯線に印加される交流電圧を測定するものである。しかも、前記検出プローブは、前記電線の絶縁被覆の外面に巻き付け可能な可撓性を有する絶縁部材中に、前記電線側の大面積の第１電極と前記第１電極の一部に対向させる電圧検出用の小面積の第２電極とを予め定めた間隔を保って配置すると共に、前記第２電極に接続された測定線を引き出して一体に構成している。このとき、前記第１電極と前記第２電極間で作る補助コンデンサ部分の静電容量は、前記電線の芯線と前記第１電極間の静電容量に比べて十分小さくしている。

以下、本発明の非接触電圧検出装置を、図１から図３を用いて説明する。本発明では図１（ａ）、（ｂ）に示す構成の検出プローブ１０を用い、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の如く電線１５の絶縁被覆１７の外周面に密着させて取り付け、電線１５の芯線１６に印加された交流電圧を測定する。

検出プローブ１０は、電線１５の絶縁被覆１７の外周面に巻き付けて取り付けることが可能な、可撓性を有する厚みが０．１〜１ｍｍのごく薄い絶縁部材１１を用いている。そして、電線１５側に位置する絶縁部材１１内に大面積の第１電極１２を配置し、この第１電極１２に対向するように電圧検出用の小面積とした小円形の第２電極１３を配置し、第２電極１３には測定線１４が接続されて絶縁部材１１外に引き出て検出プローブ１０を一体に構成している。

第２電極１３は第１電極１２との一部、例えば図１の如く中央の下部の位置で対向させる電圧検出用の小面積の第２電極を、予め定めた間隔を保って配置している。この間隔を維持する第１電極１２と第２電極１３の配置で、両者間で作る補助コンデンサ部分の静電容量を後述するような値に設定している。なお、第１電極１２と第２電極１３は、銅箔等の金属箔を用いることができる。

また、絶縁部材１１は、例えばポリイミド樹脂やポリエチレン樹脂製のフイルム或いはシートを積層して接着剤を介在させて一体に形成することができる。望ましくは、電気機器等に市販され一般的に使用されている厚さ１００〜２００μｍのポリイミド樹脂製のフイルム材或いはシート材を用い、例えばフイルム材或いはシート材面に接着剤を塗布して積層し、第１電極１２と第２電極１３を予め定めた間隔を維持するように配置して一体にする。

上記のように、検出プローブ１０は絶縁部材１１内に第１電極１２と第２電極１３の両者を対向配置して構成するものであるから、約０．２ｍｍ程度の厚みで、数ｇ程度の質量で形成することができる。このため、直径の異なる電線１５であっても、電圧測定時に検出プローブ１０を絶縁部材１１面に巻きつけて、例えば接着剤にて簡単な接着或いは絶縁物紐で軽く縛着することにより、絶縁被覆１７の外周面上に密着させて容易に取り付けることができ、絶縁被覆１７を損傷させる恐れもなく安全に使用できる。

検出プローブ１０は、電線１５の絶縁被覆１７側と対向する第１電極１２の面積が、第２電極１３の面積よりはるかに広く形成している。このことから、電線１５の芯線１６と第１電極１２間の静電容量に比較して、第１電極１２と第２電極１３間で作る補助コンデンサ部分の静電容量が十分小さくなるよう構成される。具体的には、芯線１６と第１電極１２間の静電容量は１０〜１００ＰＦ、第１電極１２と第２電極１３間の補助コンデンサ部分の静電容量は、前記した１０〜１００ＰＦの１／１００〜１／１０の値に設定する。

検出プローブ１０を用いて電線１５の芯線１６に印加される交流電圧を測定する際には、図３（ａ）に示すように検出プローブ１０の第１電極１２が電線１５側となるようにして、絶縁被覆１７の外周面の形状に沿うように密着させて取り付ける。そして、第２電極１３に連なる測定線１４に、所定の静電容量の検出用コンデンサ２１、及び検出用コンデンサ２１と並列接続する電圧検出回路２２を設けて接続を実施する。この場合、検出用コンデンサ２１の静電容量は、第１電極１２と第２電極１３間で作る補助コンデンサの静電容量に対して１００〜１０００倍にして電圧を測定する。

図３（ａ）の如く構成した非接触電圧検出装置は、図３（ｂ）の等価回路となる。この回路における電線１５の芯線１６と第１電極１２間の静電容量をＣｓ、第１電極１２と第２電極１３間の静電容量をＣａとすれば、双方の静電容量Ｃｓ、Ｃａを含めた検出プローブ１０の合成静電容量Ｃｐは、Ｃｐ＝Ｃｓ×Ｃａ／Ｃｓ＋Ｃａで表される。このとき、静電容量Ｃｓ≫Ｃａであることから、Ｃｐ≒Ｃａであってほぼ静電容量Ｃａに等しい。

この等価回路で、電圧検出回路２２の入力電圧Ｖｉｎは、被測定電圧をＶ、検出用コンデンサ２１の静電容量をＣｉｎとすれば、Ｖｉｎ＝｛Ｃｐ／（Ｃｐ＋Ｃｉｎ）｝Ｖで表される。Ｃｉｎ≫Ｃａ、Ｃｐ≒Ｃａであることから、Ｖｉｎ≒（Ｃａ／Ｃｉｎ）Ｖとなり、電圧検出回路２２の入力電圧Ｖｉｎは、第１電極１２と第２電極間の静電容量Ｃａと検出用コンデンサ静電容量Ｃｉｎとの比でほぼ決まり、結合静電容量Ｃｓには殆ど依存しないことになる。従って、測定される電線１５の形状や材質等の条件によって、結合静電容量Ｃｓが変化したとしても、電圧検出回路２２の入力電圧Ｖｉｎの変化が殆どないため、芯線１６に印加される交流電圧の電圧測定を高精度で行うことができる。

本発明の図３に示す検出プローブ１０と電圧検出回路２２を用いた非接触電圧検出装置において、最適かつ妥当な（イ）静電容量の変動分を含む結合静電容量Ｃｓ、（ロ）第１電極−第２電極間静電容量Ｃａ、（ハ）検出プローブの合成結合静電容量Ｃｐ、（ニ）検出用コンデンサの静電容量Ｃｉｎ、における電圧検出回路の入力電圧真値Ｖｉｎ（１）と同値の比、及び電圧検出回路の入力電圧近似値Ｖｉｎ（２）を求めた例を、表２に示している。

この表２に示す如く、検出プローブ１０の結合静電容量Ｃｓを１０〜１００ＰＦと変化させてみると、これが１０倍に変化しても電圧検出回路２２の入力電圧真値Ｖｉｎ（１）の比が１対１．０２８であるため、電圧検出回路２２の入力電圧近似値Ｖｉｎ（２）は３％以下の変化に抑えることができる。

上記した本発明の非接触電圧検出装置は、検出プローブ１０自体に柔軟性を持たせており、しかも小形で薄形化しているから、被測定電線の芯線に非接触で絶縁被覆上に容易に取り付けることができ、安全かつ簡便に精度の高い電圧測定が行える。このため、例えば工場等の配電線路毎の電力計測を行うために、電流センサーと合わせて用いる電圧センサーとしても使用することができ、活用の用途を広げることができる。

１０…検出プローブ、１１…絶縁部材、１２…第１電極、１３…第２電極、１４…測定線、 １５…電線、１６…芯線、１７…絶縁被覆、２１…検出用コンデンサ、２２…電圧検出回路。

Claims (4)

1. 芯線に絶縁被覆を施した電線に、所定の静電容量の補助コンデンサを形成した検出プローブを取り付け、前記補助コンデンサに検出用コンデンサ及び電圧測定部を接続し、前記電圧測定部で前記電線の芯線に印加される交流電圧を測定する非接触電圧検出装置において、前記検出プローブは、前記電線の絶縁被覆の外面に密着させて巻き付け可能な可撓性を有する絶縁部材中に、前記電線側の大面積の第１電極と前記第１電極の一部に対向させる電圧検出用の小面積の第２電極とを予め定めた間隔を保って配置すると共に、前記第２電極に接続された測定線を引き出して構成し、前記第１電極と前記第２電極間で作る補助コンデンサ部分の静電容量は、前記電線の芯線と前記第１電極間の静電容量に比べて十分小さくしたことを特徴とする非接触電圧検出装置。
2. 請求項１において、前記電線の芯線と前記第１電極間の静電容量は１０〜１００ＰＦとし、前記第１電極と前記第２電極間の静電容量は、前記電線の芯線と前記第１電極間の静電容量の１／１００〜１／１０の値に設定したことを特徴とする非接触電圧検出装置。
3. 請求項１又は２において、前記絶縁部材はポリイミド樹脂材であることを特徴とする非接触電圧検出装置。
4. 請求項１から３のいずれかにおいて、前記検出用コンデンサの静電容量は、前記第１電極と前記第２電極間の静電容量に対して１００〜１０００倍としたことを特徴とする非接触電圧検出装置。

Images