JP2015021743A

JP2015021743A - 電流波形測定装置

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Publication number: JP2015021743A
Application number: JP2013147736A
Authority: JP
Inventors: 康直鈴木; Yasunao Suzuki; 将樹香西; Masaki Kozai; 高谷　和宏; Kazuhiro Takatani; 和宏高谷; 服部　光男; Mitsuo Hattori; 光男服部; 森　敏則; Toshinori Mori; 敏則森; 佐藤　保; Tamotsu Sato; 保佐藤; 佐藤　薫; Kaoru Sato; 薫佐藤
Original assignee: NTT Advanced Technology Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Advanced Technology Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2015-02-02
Anticipated expiration: 2033-07-16
Also published as: JP5767673B2

Abstract

【課題】被測定電線に対して非接触なセンサにより電流および電圧を同時にモニタでき、電圧に同期した電流波形の測定が可能な、小型で簡単な構成の電流波形測定装置を提供すること。
【解決手段】電線Ｌ１、Ｌ２を囲むように、それぞれ円筒形の電極１０１および電極１０２を設ける。電線Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ電極１０１、１０２の内部を透過するようになっており、各電線は出来るだけ各電極の中心軸と一致するように、また電極と電線とは電気的接触をしないように配置する。電極１０１、１０２には、それらの間の電圧を測定するための、電圧測定装置１０５を設ける。電線Ｌ１および電極１０１の外側に設置する電流測定トランス１０３と、電流測定装置１０４を示しているが、これらの機能によって電線Ｌ１を流れる電流Ｉの値が測定可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は電源線などを流れる電流の時間波形を測定、記録する電流波形測定装置に関する。

近年、電力利用の効率化や省エネの観点から、一般家庭やオフィス等の電力需要家の宅内に電力センサを設置し、ピークカットなどの電力の効率的な利用や電気機器の遠隔制御を行うＨＥＭＳ（ＨｏｍｅＥｎｅｒｇｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ）や、電力網の制御を行うスマートグリッド技術に関する開発、検討が進んでいる。

一般に、ＨＥＭＳ等に使用する電力センサは、家庭内の分電盤や個々の家電機器に設置され、電流や電圧を測定することによって消費電力を算出している。最近の家電機器においては、低消費電力化に有利なスイッチング電源回路やインバータ制御回路等が多く用いられており、そのためその消費電流波形は正弦波と大きく異なる独特な波形になっていることが多い。

そのため、上記のような方法で消費電力を正確に計測するためには、電流波形が電圧波形に対してどのような波形になっているかという位相情報を含めた波形を計測することが重要であり、電圧と電流を同時に測定し、電圧に同期した電流波形が得られることが望ましい。

なお、一般に電圧波形は正弦波に近い形で供給されているので、特別の場合を除いては、電圧波形を測定する代わりに例えば交流電圧が０となる点であるゼロクロス点のタイミングを測定することによって、電圧に対して同期した形の電流波形が得られ、電圧波形を正弦波と近似するとほぼ正確な消費電力値が得られる。

一方で、家庭内の分電盤で取得した電源系統のトータルでの電流波形をもとに、その電源系統から電源供給を受けている複数の家電機器の種別や動作状態を識別する技術が、近年研究開発されている（非特許文献１、２参照）。このような技術においては、電源系統のトータルでの電流波形が各家電機器の消費する電流波形の総和となることを利用し、事前に取得した各家電機器の消費電力波形を教師データとして用いることで、電流波形やその特徴量の比較を行い、その結果から動作している機器の種別、状態等を識別している。

これらの機器識別手段においては、一般に個々の機器の電流波形は電圧に同期した周期波形として得られることが前提となっており、分電盤で電流波形を取得する際にも、電圧波形、もしくは、少なくとも電圧のゼロクロスタイミングなど、同期タイミングに関する情報が必要となる。

このように、家庭内の分電盤等で正確な電力の測定や、機器識別等のための電流波形の測定を行う場合には、電流と同時に電圧を取得する必要がある。その一方で、電圧を家庭内の分電盤から直接取得するためには、電源線に電圧を測定するプローブ等を直接接触させて取得するか、あらかじめ分電盤にプローブやセンサを組み込んでおく必要がある。

高谷和宏、鈴木康直、石山文彦、香西将樹、岩崎登、田島公博、"家電機器が発する伝導妨害波の特徴を活用した家電機器の動作状況推定に関する検討"、電子情報通信学会信学技報、２０１２年５月、ｖｏｌ．１１２、ｎｏ．７３、ＥＭＣＪ２０１２−１４、ｐｐ．２９−３４香西将樹、鈴木康直、石山文彦、秋山佳春、"ノーマルモード電流の周波数特性に基づく家電機器の識別"、電子情報通信学会２０１１総合大会講演論文集、Ｂ−４−２５

しかしながら、分電盤の電源線から直接電圧を取得する作業を行うためには、電気工事士の資格が必要であり、また安全のためにプローブやセンサの設置前に電源供給を止める必要もあるという課題があった。プローブやセンサの設置のために要する労力やコストが大きいことが、既存の分電盤にこのようなセンサシステムを設置する場合の導入障壁となっている。

また、電流センサに加えて電圧センサを設置することは、限られた分電盤内のスペースに入れるセンサの数が増えることになり、分電盤によっては設置できないケースも出てくるという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、被測定電線に対して非接触なセンサにより電流および電圧を同時にモニタでき、電圧に同期した電流波形の測定が可能な、小型で簡単な構成の電流波形測定装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、交流電圧が印加された２本の電線の間に接続された負荷を流れる電流波形を測定するための電流波形測定装置であって、前記２本の電線の第１の電線とは電気的に接続せず、前記第１の電線と一定の間隔を有して前記第１の電線を取り囲むように設置した第１の電極と、前記２本の電線の第２の電線とは電気的に接続せず、前記第２の電線と一定の間隔を有して前記第２の電線を取り囲むように設置した第２の電極と、前記交流電圧からの静電誘導によって前記第１の電極と前記第２の電極との間に生じる交流電圧を測定する電圧測定部と、前記第１の電線を流れる電流によって生じる磁界の変動から誘導電流を発生させる第１の電流測定トランスと、前記第１の電流測定トランスで発生した誘導電流の変動から第１の交流電流を測定する第１の電流測定部と、を備え、前記第１の交流電圧の測定値と前記第１の交流電流の測定値とから、前記交流電流の時間波形および前記交流電流の交流電圧に対する位相差を測定することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電流波形測定装置において、前記第２の電線を流れる電流によって生じる磁界の変動から誘導電流を発生させる第２の電流測定トランスと、前記第２の電流測定トランスで発生した誘導電流の変動から第２の交流電流を測定する第２の電流測定部と、をさらに備え、前記交流電圧の測定値と前記第２の交流電流の測定値とから、前記第２の交流電流の時間波形および前記交流電流の前記交流電圧に対する位相差を測定することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の電流波形測定装置において、前記第１の電線とは電気的に接続せず、前記第１の電線と一定の間隔を有して前記第１の電線および前記電流測定トランスを取り囲むように設置した第１のシールド電極をさらに備え、前記第１のシールド電極と前記第２の電極とを電気的に接続したことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の電流波形測定装置において、前記第１の電線とは電気的に接続せず、前記第１の電線と一定の間隔を有して前記第１の電線および前記電流測定トランスを取り囲むように設置した第１のシールド電極と、前記第２の電線とは電気的に接続せず、前記第２の電線と一定の間隔を有して前記第２の電線および前記電流測定トランスを取り囲むように設置した第２のシールド電極と、をさらに備え、前記第１のシールド電極と前記第２のシールド電極とを電気的に接続したことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４記載の電流波形測定装置において、前記第１の電線と前記第１の電極との間の静電容量Ｃ１０と、前記第１の電極と前記第１のシールド電極との間の静電容量Ｃ１１と、前記第２の電線と前記第２の電極との間の静電容量Ｃ２０と、前記第２の電極と前記第２のシールド電極との間の静電容量Ｃ２１と、の間の関係が、Ｃ１０／Ｃ１１＝Ｃ２０／Ｃ２１を満たすように、前記第１の電線に対して前記第１の電極および前記第１のシールド電極が配置され、前記第２の電線に対して前記第２の電極および前記第２のシールド電極が配置されたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、交流電圧が印加された２本の電線の間に接続された負荷を流れる電流の波形を測定するための電流波形測定装置であって、前記２本の電線の第１の電線とは電気的に接続せず、前記第１の電線と一定の間隔を有して前記第１の電線を取り囲むように設置した第１の電極と、前記２本の電線の第２の電線とは電気的に接続せず、前記第２の電線と一定の間隔を有して前記第２の電線を取り囲むように設置した第２の電極と、前記第１の電線を流れる電流によって生じる磁界の変動から誘導電流を発生させる第１の電流測定トランスと、前記第１の電流測定トランスで発生した誘導電流の変動から第１の交流電流を測定する第１の電流測定部と、前記第２の電線を流れる電流によって生じる磁界の変動から誘導電流を発生させる第２の電流測定トランスと、前記第２の電流測定トランスで発生した誘導電流の変動から第２の交流電流を測定する第２の電流測定部と、前記第１の電線とは電気的に接続せず、前記第１の電線と一定の間隔を有して前記第１の電線および前記電流測定トランスを取り囲むように設置した第１のシールド電極と、前記第２の電線とは電気的に接続せず、前記第２の電線と一定の間隔を有して前記第２の電線および前記電流測定トランスを取り囲むように設置した第２のシールド電極と、前記第１のシールド電極１と前記第２のシールド電極２とを電気的に接続する手段と、前記第１の電極の前記第１のシールド電極に対する第１の交流電圧を測定する第１の電圧測定部と、前記第２の電極の前記第２のシールド電極に対する第２の交流電圧を測定する第２の電圧測定部と、を備え、前記第１の交流電圧の測定値と前記第２の交流電圧の測定値との差分として算出した前記第１の電線と前記第２の電線との間の第３の交流電圧の測定値、前記第１の交流電流の測定値および前記第２の交流電流の測定値から、前記第１の交流電流の時間波形、前記第２の交流電流の時間波形およびそれらの前記第３の交流電圧に対する位相情報を測定することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の電流波形測定装置において、前記第１の電極と前記第２の電極との間に接続された、静電容量Ｃ１０、Ｃ２０のいずれよりも大きな静電容量を持ったコンデンサをさらに備えたことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の電流波形測定装置において、前記第１の電極および前記第１の電流測定トランスは、前記第１の電線に対して重なり合うことのないように、前記第１の電線の長手方向にずらして設置されたことを特徴とする。

本発明は、被測定電線に対して非接触なセンサにより電流および電圧を同時にモニタでき、電圧に同期した電流波形の測定が可能で、特別な資格や電源断の必要なしに既存の分電盤に容易に取り付けることができる。

本発明の実施形態１に係る電流波形測定装置の基本構成を示す図である。電流測定手段を用いて測定した電流波形の例を示す図である。（ａ）は電気機器Ａの単独動作時の電流波形と電圧波形を示す図であり、（ｂ）は電気機器Ｂの単独動作時の電流波形と電圧波形を示す図であり、（ｃ）は電気機器Ａ、Ｂが同時に動作した時の合成電流波形と電圧波形を示す図である。本発明の実施形態１に係る電流波形測定装置の基本構成する図を示す。本発明の実施形態１に係る電流波形測定装置の等価回路を示す図である。実施形態１における電圧波形測定装置１０５を作製し、その周波数特性を測定した結果と、Ｃ１、Ｃ２、Ｃｐ、Ｒｐの各パラメータをフィッティングした場合の（１）式に基づく計算の結果を示す図である。本発明の実施形態２に係る電流波形測定装置の構成を示す図である。本発明の実施形態３に係る電流波形測定装置の基本構成を示す図である。実施形態３における電流波形測定装置の等価回路を示す図である。本発明の実施形態４に係る電流波形測定装置の基本構成を示す図である。実施形態４における電流波形測定装置の等価回路を示す図である。実施形態４における電流波形測定装置の簡略化した等価回路を示す図である。本発明の実施形態５に係る電流波形測定装置の基本構成を示す図である。実施形態５における電流波形測定装置の等価回路を示す図である。実施形態５においてシールドケーブルを用いて系全体のシールド効果を高めた電流波形測定装置の構成例を示す図である。実施形態５における電流波形測定装置の別の構成例を示す図である。本発明の実施形態６に係る電流波形測定装置の基本構成を示す図である。実施形態６における電流波形測定装置の等価回路を示す図である。（７）式および（８）式で表される検出電圧の振幅、位相の周波数特性の計算結果を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、電極や電流測定トランスを備えたクランプ型プローブの構成を示す図である。本発明の実施形態７に係る電流波形測定装置の基本構成を示す。本発明の実施形態８に係る電流波形測定装置の構成例１を示す。本発明の実施形態８に係る電流波形測定装置の構成例２を示す。電流測定トランスと電圧測定用の電極との位置をずらしたクランプ型プローブの構成例を示す図である。家電機器（冷蔵庫）の電源線の電源電圧波形と、その電源線を流れる電流波形の一例を示す図である。図２５の電流波形について計算した電力値の真の電力値に対する相対値と、電圧と電流の位相差との関係を示す図である。

上記に述べた課題を解決するため、本発明の電流波形測定装置では、被測定電線からの電磁誘導により電線を流れる電流を測定する電流測定トランスと、２本の被測定電線をそれぞれ取り囲む電極の間に生じる静電誘導電圧を測定する電圧測定プローブの双方を同時に用いることで、これらの被測定電線に接触することなく電流と電圧を同時に測定することを可能とするものである。また、これらを一体として構成することで、小型で簡単な構成のセンサが実現できる。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１に係る電流波形測定装置の基本構成を示す。図１では、２本の電線Ｌ１、Ｌ２に本発明の電流波形測定装置を設置する場合の例を示している。この例は、商用ＡＣ電源などの電源線に電気機器などの負荷Ｌｏａｄが接続しているときに、その電源供給回路（閉回路）を流れる電流の時間波形を測定するケースを示したものである。

一般に、このような電線を流れる電流を測定する手段としては、電磁誘導を利用した電流測定トランスや、ホール効果を用いた電流測定手段が知られている。これらの手段では一般に、測定対象の電線を取り囲むように、円筒状やドーナツ状の磁性体のコアを設置し、電流が流れるときにこの磁性体コアに発生する磁束やその変化量を検出することで、電流やその波形の測定を行う。電流測定トランスでは、磁性体コアに巻いたコイルに誘導起電力が発生することを利用している。図１の図中には、この電流測定トランス１０３を用いた電流測定装置１０４を示している。

図１中の２本の電線Ｌ１、Ｌ２の線間には被測定電圧Ｖｏが印加されている。これらの電線を囲むように、それぞれ円筒形の電極１０１および電極１０２を設ける。電線Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ電極１０１、１０２の内部を透過するようになっており、各電線は出来るだけ各電極の中心軸と一致するように、また電極と電線とは電気的接触をしないように配置する。すなわち、電極は電線と一定の間隔を有して電線を取り囲むように設置する。

なお、一般にこれらの電線には絶縁体の被覆がある場合が多く、その場合電極とは電気的に接触しないが、被覆のない電線を測定する場合などには、電極と電線の間の接触を防ぐために、絶縁体や誘電体をスペーサとして挟んでも良い。誘電体を挟む場合には、それが無い場合に比べて静電容量Ｃ１、Ｃ２の値が大きくなり、感度が向上する。また、これらのスペーサの形状を電線に合わせて適切に設計すれば、電極の中心軸上に電線を固定することが容易になる。

電極１０１、１０２には、それらの間の電圧を測定するための、電圧測定装置１０５を設ける。前述の通り、電圧測定装置１０５の入力インピーダンスは出来るだけ高くしておくことが、感度向上の点で望ましい。電圧測定装置１０５としては、高い入力インピーダンスを持つオペアンプやバッファアンプ、計測用アンプ等を用いることが出来る。また、電圧測定装置１０５では、読み取った電圧値Ｖをそのまま表示させても良いし、電圧値やアナログ・ディジタル変換した電圧値を出力し、後段に接続する装置で処理や表示を行っても良い。

電圧測定装置１０５は、電極１０１、１０２と出来るだけ近い位置に設けることが、外来雑音の侵入防止や感度向上の面で有利であるが、電極１０１、１０２に測定用ケーブルを接続し、離れた場所に電圧測定装置１０５を設けて、測定ケーブルを介した測定を行っても良い。ただしこの場合、測定ケーブルによって電極１０１、１０２との間の浮遊容量が増加し、感度の悪化等につながるため、このような場合は必要に応じて浮遊容量の小さい測定ケーブルを選択すると良い。

図１中には、電線Ｌ１および電極１０１の外側に設置する電流測定トランス１０３と、電流測定装置１０４を示しているが、これらの機能によって電線Ｌ１を流れる電流Ｉの値が測定可能である。電線Ｌ１、Ｌ２が電源線であり、その間に電気機器などの負荷Ｌｏａｄが接続されている場合には、その負荷を流れる電流の時間波形が測定できる。

このとき、上述したように、消費電力の測定を正確に行う場合や、接続している電気機器の識別推定を行う場合においては、電流波形の電圧に対する位相差を情報として取得しておく必要がある。ここで、上記の電圧測定装置１０５の出力情報から、電圧波形から電圧のゼロクロス点などのタイミング情報を得ることが出来る。図６に示した位相特性がほぼフラットな周波数範囲（図６では１ｋＨｚ以下および１００ｋＨｚ以上の領域）においては、予め電流波形と電圧波形の位相差を、純抵抗を負荷とした測定などによって測定、把握しておくことにより、この位相差を補正し、電流波形を電圧と同期した形で取得することが出来る。

以上述べたように、本発明の電流波形測定装置においては、電流値と、電流の電圧に対する位相差の情報を同時に測定することが出来、電圧に同期した形での電流波形が、非接触で測定可能である。

図２に、電流測定手段を用いて測定した電流波形の例を示す。一般に、電気機器等で消費される電流の波形は、図２（ａ）のように、供給電圧の波形（商用ＡＣ電源の場合ほぼ正弦波）に同期した周期波形となる。図２（ａ）に示したように、電圧に同期した形で電流波形を測定することが出来れば、電圧と電流の積を時間積分することで、負荷の消費電力の値を正確に算出することができる。一方で、図２（ｂ）に示したように、測定系の位相特性などによって、電流波形の測定値と電圧の測定値との間に位相差が生じた場合、消費電力の算出結果にはこの位相差に基づく誤差が生じることになる。

図３（ａ）、（ｂ）に電気機器Ａ、Ｂの単独動作時の電流波形と電圧波形を示し、図３（ｃ）に電気機器Ａ、Ｂが同時に動作した時の合成電流波形と電圧波形を示す。一般には図３（ａ）、（ｂ）に示すように、電気機器の種類や動作状態によって、その電流波形は異なるものとなる。一方で、上述の電気機器の識別技術においては、分電盤での合成電流波形は図３（ｃ）に示すようにこれらそれぞれの波形の和になる。そのため、予め取得した各電気機器が単体で動作しているときの電流波形と、これらの合成電流波形とを比較対照することで、家庭内で使用されている電気機器の種別や動作状態を分電盤上でも識別することができる。但し、このような場合についても、機器の識別推定を精度良く行うためには、電流波形の電圧に対する位相差が一定の値に保たれている必要がある。

以上のように、これらの用途では、電源線などの電流波形を測定する場合に、電流に関する測定値だけではなく、電圧に対する電流波形の位相差の情報が必要となり、電流に加えて電圧波形、もしくは少なくとも、周期波形において等間隔で出現するゼロクロス点などのタイミング情報を取得しておく必要がある。

図４に、本発明の実施形態１に係る電流波形測定装置の基本構成を示す。図４中には、電圧測定装置１０５の入力端子間の入力容量Ｃｐおよび入力抵抗Ｒｐを示している。また、電線Ｌ１と電極１０１との間の静電容量をＣ１、電線Ｌ２と電極１０２との間の静電容量をＣ２として示している。図４においては、電線Ｌ１を流れる電流を電流測定トランス１０３及び電流測定装置１０４で測定し、電線Ｌ１、Ｌ２の間の電圧を電圧測定装置１０５で測定することとなる。なお、電線Ｌ２は、電源線の中性線等の場合、接地させてもよい。

図５に、本発明の実施形態１に係る電流波形測定装置の等価回路を示す。測定する対象である線間電圧Ｖｏは、Ｃ１と電圧測定装置１０５の入力インピーダンス（ＣｐおよびＲｐ）とＣ２が直列に接続された回路に加わっている。測定電圧Ｖは、これらのインピーダンスによって線間電圧Ｖｏが分圧された結果として、

と表される。ここで、Ｃ１２はＣ１とＣ２を直列にした場合の合成容量で
Ｃ１２＝Ｃ１Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）
であり、ωは各周波数を示している。（ｊは虚数単位）
（１）式より、電圧測定装置の入力インピーダンスが十分に高い場合、すなわちＣｐが小さく、Ｒｐが大きな場合には、分母の値はＣ１２に近づき、測定結果Ｖは線間電圧Ｖｏとほぼ等しくなる。

また、被測定電圧の周波数が高い領域（ω≧１／（Ｒｐ（Ｃ１２＋Ｃｐ））となる場合）では、（１）式は

と近似でき、高周波領域では電圧の変換感度が周波数に依存しない一定値になる。

図６に、実施形態１における電圧波形測定装置１０５を作製し、その周波数特性を測定した結果と、Ｃ１、Ｃ２、Ｃｐ、Ｒｐの各パラメータをフィッティングした場合の（１）式に基づく計算の結果を示す。図６に示した振幅特性は、線間電圧Ｖｏと検出電圧Ｖとの比であり、電圧の変換感度に相当するものであるが、上記に示した通り、１０ｋＨｚを超える高周波領域では、フラットな振幅周波数特性を示している。

以上のように、電圧測定装置１０５で測定された電圧Ｖは、電圧測定装置１０５の入力インピーダンスが十分に高い場合には線間電圧Ｖｏにほぼ等しくなり、電線Ｌ１と電極１０１、電線Ｌ２と電極１０２の間の静電容量Ｃ１、Ｃ２の値に関わらず線間電圧Ｖｏを測定することが可能である。また、電圧測定装置１０５の入力インピーダンスとして上記のような十分に高い値が得られない場合についても、周波数が十分に高い領域であれば、電圧の感度は周波数に依らずほぼ一定値となることから、歪みのない電圧波形の測定が可能となる。

なお、一般商用電源のように周波数の低い領域（５０／６０Ｈｚ）においても、高周波領域に比べて電圧の変換感度は落ちるものの、電圧波形や位相情報を（１）式に応じた出力電圧Ｖとして計測することが出来る。

以上に述べたような電圧測定装置１０５の入力インピーダンスの高い測定系においては、外部で発生した高周波ノイズを拾いやすく、ノイズの多い場所では測定結果に影響が出る場合がある。本発明の電流波形測定装置１０４においては、電極１０１、１０２の外側に、同心円筒状のシールド電極を設け、シールド電極の接続や、各電極との間の静電容量Ｃ１、Ｃ２の設計を特定の条件で行うことで、外部から誘導するノイズの影響を抑えることができ、精度の高い電圧波形測定が可能となる。

また、一般商用電源のように周波数の低い領域（５０／６０Ｈｚ）での電圧測定においては、適切な静電容量のコンデンサを、電圧を測定する電極間に接続することによって、位相周波数特性を低周波領域までフラットにすることができ、電圧測定装置１０５の入力インピーダンスにかかわらず、電圧波形および位相情報を正確に測定することが可能である。

加えて、電圧測定用の電極１０１と、電流測定トランス１０３とを一体化し、クランプ式に既存の電線に取り付けられる構成とすることで、小型で設置が容易な測定装置が実現できる。

（実施形態２）
図７に、本発明の実施形態２に係る電流波形測定装置の構成を示す。図７では、例として一般家庭の単相三線式の電源系統に本電流波形測定装置を適用した場合の構成例を示しており、電線Ｌ１、Ｌ２と、中性線である電線Ｅとの間には、それぞれ逆相のＡＣ１００Ｖの電圧が印加されている。

本実施形態においては、電線Ｌ１および電極２０１の外側に、電流測定トランス２０３と、電流測定装置２０５を設置すると共に、電線Ｌ２のおよび電極２０２の外側に、電流測定トランス２０４と、電流測定装置２０６を設置したことが特徴である。このような実施形態においては、電線Ｌ１と電線Ｅとの間に接続される電気機器等の負荷Ｌｏａｄ１に流れる電流Ｉ１を電流測定トランス２０３および電流測定装置２０５を用いて測定し、電線Ｌ２と電線Ｅとの間に接続される負荷Ｌｏａｄ２に流れる電流Ｉ２を電流測定トランス２０４および電流測定装置２０６を用いて、それぞれ個別に測定する。このような測定により、２つの電源系統（電線Ｌ１〜電線Ｅ、および電線Ｌ２〜電線Ｅ）に接続されている負荷Ｌｏａｄ１、Ｌｏａｄ２に流れる電流を、それぞれ個別に測定することが可能である。

一方で、電源電圧については、電線Ｌ１および電線Ｌ２を囲むようにそれぞれ設置された、円筒形の電極２０１および電極２０２との間の電圧を、電圧測定装置２０７により測定する。このときの電線Ｌ１〜電線Ｌ２間の電圧はＡＣ２００Ｖとなるが、２つの電源系統（電線Ｌ１〜電線Ｅ、および電線Ｌ２〜電線Ｅ）の電圧の位相が反転しているため、この線間電圧Ｖｏの測定により両電源系統の位相情報を同時に得ることができる。

（実施形態３）
図８に、本発明の実施形態３に係る電流波形測定装置の基本構成を示す。また、図９に、実施形態３における電流波形測定装置の等価回路を示す。

本実施形態においては、図４で示した実施形態に加えて、電極３０１および電流測定トランス３０３の外側に、これと中心軸が一致するように円筒形のシールド電極３０４を設ける。シールド電極３０４は、電線Ｌ１にも電極３０１にも電気的に接触させないが、電線３０５等により電極３０２と電気的に接触させる。なお、電線Ｌ１と電極３０１との間の位置関係は固定しておくことが望ましいため、間隙にスペーサ等を設けて物理的に固定しても良い。なお、電極３０１とシールド電極３０４の間の静電容量を、容量Ｃ１および係数αを用いてαＣ１とした。

一般家庭向けの商用電源（単相３線）の電圧を測定する場合、ＡＣ１００Ｖの片側（コールド側）は中性点として接地されている。このような場合は、コールド側を電線Ｌ２として使用することが望ましい。また、被測定電線が通信線等の場合でも、片線が回路アース等に接続されている場合については、アース側を電線Ｌ２として使用することが望ましい。これは、シールド電極３０４が外来ノイズ、特にコモンモードノイズの影響を防ぐために設置するものであり、それが電極３０２と接続されていることから、電極３０２の大地に対するインピーダンスが低い方が、ノイズ除去効果が高くなるためである。

なお、電圧測定装置３０７の片側は、シールド電極３０４に接続しても、電極３０２に接続しても、どちらでも構わない。

図８中には、ノイズ源として、コモンモードのノイズ電圧Ｖ_Ｎが生じている導体Ｎが示してある。ノイズ源Ｎは静電誘導によってノイズの影響をもたらすが、図ではそれを左右する導体Ｎとシールド電極３０４の間の結合容量をＣ_Ｎとして示している。

コモンモードのノイズ電圧Ｖ_Ｎは、電線Ｌ１や電線Ｌ２の大地に対するコモンモードインピーダンスが高い場合、電極３０１とシールド電極３０４のコモンモードインピーダンスはほぼ同等とみなせるため、ノイズ電圧Ｖ_Ｎが電極３０１とシールド電極３０４間の電圧である測定電圧Ｖに及ぼす影響は小さい。

一方で商用電源線などでは、前述の通りその一方（この場合電線Ｌ２）が接地されているため、電極３０２のコモンモードインピーダンスは低く、それに接続しているシールド電極３０４も同様である。ノイズ電圧Ｖ_Ｎによるノイズ電流はＣ_ＮからＣ２を介してアースに流れるため、容量Ｃ２がＣ_Ｎに比べて十分大きな値であれば、ノイズ電圧Ｖ_Ｎが測定電圧Ｖに与える影響を小さくすることが出来る。なお、構成上可能であれば、電極３０２を接地するか、電極３０２と接地されている電線Ｌ２とを直接接続させることが出来れば、理想的なノイズのシールドが可能である。

（実施形態４）
図１０に、本発明の実施形態４に係る電流波形測定装置の基本構成を示す。また、図１１に、実施形態４における電流波形測定装置の等価回路を示す。

図１０では、円筒形の電極４０２および電流測定トランス４０４の外側に、これと中心軸が一致するように円筒形のシールド電極４０６を設ける。シールド電極４０６は、電線Ｌ２にも電極４０２にも電気的に接触させないが、電線４０７等でシールド電極４０５と電気的に接触させる。なお、電極４０１とシールド電極４０５の間の静電容量を係数α１および容量Ｃ１を用いてα１Ｃ１とし、電極４０２とシールド電極４０６の間の静電容量を係数α２および容量Ｃ２を用いてα２Ｃ２とした。

図１０には、前述の図８に示した実施形態３と同様に、ノイズ源Ｎのコモンモードノイズ電圧Ｖ_Ｎが結合容量Ｃ_Ｎを介して影響を与える様子を示している。本実施例では、シールド電極４０５とシールド電極４０６が電気的に接続されており、その等価回路は図１１のようになる。

図１２に、実施形態４における電流波形測定装置においてノイズ電圧Ｖ_Ｎが測定電圧Ｖに与える影響のみを調べるため、Ｒｐ、Ｃｐ、および電圧源Ｖｏを省略し、簡略化した等価回路を示す。図１２には、電極４０１および電極４０２にノイズ電圧Ｖ_Ｎによって生じるアースに対する電圧を、それぞれＶ１、Ｖ２と示してある。このとき、

がそれぞれ成立するため、測定電圧Ｖは

となる。α１＝α２のとき、（３）式はＶ＝０となり、測定電圧Ｖはノイズ電圧Ｖ_Ｎの影響を受けなくなる。以上のことから、電極およびシールド電極の構造や位置関係を、α１＝α２となるように設計しておくことにより、外来ノイズをキャンセルすることができる。

なお、α１＝α２という条件を言い換えると、電線Ｌ１と電極４０１との間の静電容量をＣ１０、電極４０１とシールド電極４０５との間の静電容量をＣ１１、電線Ｌ２と電極４０２との間の静電容量をＣ２０、電極４０２とシールド電極４０６との間の静電容量をＣ２１、とそれぞれしたときに、これらの静電容量の間に

の関係があることと同様である。

（４）式が成り立つように設計を行った場合、上記のように外来ノイズの影響を受けにくい電圧測定が可能となり、位相情報に関しての測定精度が向上し、より精度の高い電流波形の測定が可能となる。

（実施形態５）
図１３に、本発明の実施形態５に係る電流波形測定装置の基本構成を示す。また、図１４に、実施形態５における電流波形測定装置の等価回路を示す。

図１３では、電極とシールド電極については図１０に示す実施形態４と同等であるが、２つの電圧測定装置５１０、５１１を設け、電圧測定装置５１０で電極５０１とシールド電極５０５の間の電圧を測定し、電圧測定装置５１１で電極５０２とシールド電極５０６の間の電圧を測定する。それぞれの電圧の測定結果をＶｐ１、Ｖｐ２としたときに、その差分
Ｖ＝Ｖｐ１−Ｖｐ２・・・（５）
を測定結果とするものである。

電圧測定装置をそれぞれの電線毎に分けたことにより、２本の電線の距離が離れているときでも、近接した電極とシールド電極との間の電圧を測定すればよいことから、電線間にハイインピーダンスな測定ケーブルを引き回すことで外部ノイズを拾いやすくなる問題が無くなり、感度が良く、しかもノイズの影響を受けにくい測定が可能となる。

また、シールド電極５０５、５０６を図１３、図１４に鎖線ａで示したように接地することができれば、装置全体での理想的なシールド効果が期待できる。

図１５に、実施形態５においてシールドケーブルを用いて系全体のシールド効果を高めた電流波形測定装置の構成例を示す。この例では、シールド電極５０５、５０６を、シールドケーブル５１３を介して電線５０７で電気的に接触させている。電圧測定装置５１０、５１１で測定された測定結果Ｖｐ１、Ｖｐ２は差分算出装置５１２に送られ、（５）式のようにそれらの差分から測定電圧Ｖを算出する。

図１６に、実施形態５における電流波形測定装置の別の構成例を示す。図１６では、電圧測定装置５１０、５１１は、高い入力インピーダンスで電圧を測定し、その結果を低い出力インピーダンスで出力するアンプ回路、もしくはバッファ回路を備える。また、圧測定装置５１０、５１１は、電極５０１、５０２やシールド電極５０５、５０６に直接接続して電圧を測定する。

この構成では、外来ノイズを拾い易いハイインピーダンスな部分が極力短く出来るため、ノイズの影響を受けにくくなる。また、出力インピーダンスが低いため、ペアケーブル等のシールドの無い安価なケーブルを用いた場合でもノイズの影響を受けることが少なくなる。

（実施形態６）
図１７に、本発明の実施形態６に係る電流波形測定装置の基本構成を示す。実施形態６では、実施形態１の構成に対して、電極６０１、６０２の間に静電容量Ｃ３のコンデンサが接続された構成とする。静電容量Ｃ３は、電線Ｌ１と電極１との間の静電容量Ｃ１や、電線Ｌ２と電極２との間の静電容量Ｃ２に比べて十分大きいものとする。

図１８に、実施形態６における電流波形測定装置の等価回路を示す。図１８に示すように、測定する対象である線間電圧Ｖｏは、Ｃ１と、電圧測定装置の入力インピーダンス（ＣｐおよびＲｐ）とＣ３の並列回路と、Ｃ２が直列に接続された回路に加わっており、測定電圧ＶはこれらのインピーダンスによってＶｏが分圧された結果として、

と表される。ここで、Ｃ１２はＣ１とＣ２を直列にした場合の合成容量で
Ｃ１２＝Ｃ１Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）
であり、ωは各周波数を示している。（ｊは虚数単位）
（６）式より、電圧測定装置の入力インピーダンスの抵抗成分Ｒｐが十分に大きく、被測定電圧の周波数が高い領域（ω≧１／（Ｒｐ（Ｃ１２＋Ｃ３＋Ｃｐ））となる場合）では、（７）式は

と近似でき、高周波領域では電圧の変換感度が周波数に依存しない一定値になる。一方で、（６）式の位相θは、

但し、

と表されるが、（８）式より、ωがωｏより十分に大きい場合にはθ＝０となり、ωがωｏより十分に小さい場合にはθ＝２／πとなる。このことから、ωがωｏより十分に大きい場合には、入力電圧と出力電圧の間に位相差が生じないことがわかる。

図１９に、（７）式および（８）式で表される検出電圧の振幅、位相の周波数特性の計算結果を示す。図１９に示すように、Ｃ３がない場合においては、ｆｏ＝ωｏ／２π＝９．５ｋＨｚよりも高い周波数領域で振幅特性がほぼフラットとなり、実際の電圧と検出電圧の位相差はほぼ０°となる。このように、本発明の電流波形測定装置はｆｏよりも高い周波数領域での測定に用いる場合、感度が良く、しかも位相特性も良好な測定ができる。

一方で、ｆｏよりも低い周波数範囲においては、位相特性が最大９０°まで変化していくため、位相特性を測定後に位相差を補正する必要が生じる。このとき、十分大きな静電容量を持ったＣ３を接続し、ｆｏを測定対象とする信号の周波数よりも十分に低く設定しておくことにより、実際の電圧と検出された電圧の間の位相差を十分小さな値に抑えることができる。図１９では、例として商用電源を測定する場合において、Ｃ３の値を０．０１μＦ（Ｃ１＝Ｃ２＝１ｐＦ）としておくことで、５０Ｈｚ〜６０Ｈｚの周波数領域での位相差を十分小さな値に抑えることができることを示している。このことにより、電圧の位相情報の測定精度が向上し、結果としてより精度の高い電流波形の測定が可能となる。

なお、（７）式や図１９からわかるように、Ｃ３の値を増やすとそれに伴って電圧感度が低下することから、位相差と電圧感度を考慮して、適切なＣ３の値を選定することが望ましい。

（実施形態７）
図２０に、本発明の実施形態７に係る電流波形測定装置の基本構成を示す。特にＡＣ電源電圧などの低周波な電圧波形を測定する場合、図６に示す周波数特性のように、高周波領域の電圧感度は低周波領域に比べて高いために高周波の外来ノイズの影響を受けやすい。また、測定対象の線間電圧波形Ｖｏが正弦波に近い形状であっても、測定後の波形にノイズや歪みが発生していることがある。このような場合、所望の周波数帯域より高い周波数成分を除去する機能を持ったローパスフィルタを通すことで、高周波ノイズや歪みの影響を抑圧し、図２０中のグラフに示したように元の電圧波形に近い波形を再生することが出来る。

以上述べてきた電流波形測定装置において、電極や電流測定トランスを備えるセンサ部分は、クランプ型の構成とすることも出来る。図２１（ａ）〜（ｃ）に、電極や電流測定トランスを備えたクランプ型プローブの構成を示す。電流測定トランスについては、被測定電線の周りが磁性体コア８０１で囲まれるような構成をとることで、効率良く電流測定が可能である。また、電極部分は、図２１（ｃ）のようにクランプの両側に電極８０４を備え、それをクランプが閉じたときに電気的に接触している状態にしておくことにより、精度の良い電圧検出が可能である。電流測定トランス８０２と電極８０４とを図２１（ｃ）のように一体化して構成することによって、小型であり、かつ既存の電線に手を加えることなしに非接触な形で容易に取り付けることのできる電流波形測定装置が実現可能である。

（実施形態８）
図２２、２３に、本発明の実施形態８に係る電流波形測定装置の構成例を示す。これらの図では、電流測定トランス９０３、１００３、１００４と電圧測定用の電極９０１、９０２、１００１、１００２を、被測定電線Ｌ１、Ｌ２の長手方向に対して位置をずらして構成している。

本発明の電流波形測定装置においては、検出される電流値は電流測定トランス９０３、１００３、１００４と電線間の相互誘導係数によって左右され、また検出される電圧値は電圧測定用の電極９０１、９０２、１００１、１００２と電線間の静電容量によって左右される。このとき、電流測定トランスと電圧測定用電極とは、お互いに電磁気的な影響を及ぼし合うために、上記の相互誘導係数や静電容量はこれらの位置関係によって複雑に変化し、電流や電圧の検出感度などの性能に関する設計値と、実際に作製した装置での値とは、必ずしも精度良く一致するとは限らない。

このとき、図２２、２３に示したように、電流測定トランス９０３、１００３、１００４と電圧測定用の電極９０１、９０２、１００１、１００２の位置をずらすことによって、これら相互の電磁気的な影響を最小限に抑えることが出来、事前の設計通りの性能が得やすくなる。

図２４に、このように電流測定トランスと電圧測定用の電極との位置をずらしたクランプ型プローブの構成例を示す。図２４では、クランプ型のセンサの半分が電流測定トランス１１０２を実装した電流測定部分になっており、残りの半分が電圧測定用の電極１１０１を実装した電圧測定部分となっている。このような構成とすることで、既存の電線に取り付け可能で、かつ設計した性能を得ることが容易な、小型の電流波形測定装置を実現することができる。

最後に図２５、２６を用いて、本発明の電流波形測定装置で交流消費電力を測定する場合、電流と電圧との測定を同時に行うことで、電力測定精度が向上する効果について説明する。

図２５に、家電機器（冷蔵庫）の電源線の電源電圧波形と、その電源線を流れる電流波形の一例を示す。図２５中の太い実線で示した電流波形は、電圧と電流の位相差がない測定系で電流を測定した実測値を示している。このときの電圧波形を、図２５中に薄い点線で示している。また、図２５にはこの電流波形の実測値をもとに、電圧と電流の位相差をそれぞれ１／１０周期分遅らせた波形および１／１０周期分進ませた波形（共に計算値）を示している。

図２５に示した家電機器で消費される電力は、電流と電圧の積を１周期にわたって積分した値として得ることができる。実際の測定を行なう際に、電圧と電流の測定結果に位相差が生じた場合には、図に示したように時間軸上でずれた波形が測定されることになり、このような波形をもとに電力計算をすると、電力算出結果に誤差が生じることとなる。

図２６に、図２５の電流波形について計算した電力値の真の電力値に対する相対値と、電圧と電流の位相差との関係を示す。ここでは、位相差がない場合の電力値を真の電力値とし、１００％として相対表示している。このように、電圧と電流の位相差によって電力の計算値は大きく変動し、位相差が４５度の場合に５０％近い誤差が生じている。

このようなことから、電流と電圧の測定値の位相差をできるだけ小さくすることが、電力値の測定や、有効電力、無効電力や力率の測定精度を上げるために重要である。本発明の電流波形測定装置では、電流波形に加えて電圧を測定することにより、電圧の周期に同期した電流波形を測定することができ、正確な電力等の測定が可能となる。

以上述べたように、本発明の電流波形測定装置を用いることで、電源線や通信線などを流れる電流波形を、その電圧との間の位相関係も含めて測定することができる。このとき、電圧測定については、従来では直接これらの電線に接触させる必要があり、感電の危険が伴ったり、通信機能に影響を与えたりする問題があったが、本発明の電流波形測定装置では電圧測定を非接触で行うことが出来ることからこれらの問題が生じず、既存の被測定系にほとんど影響を与えることなく、安全な測定が可能となる。

また、本発明の電流波形測定装置では、外来ノイズをシールドする効果やキャンセルする効果が得られ、外来ノイズの影響を受けにくく、精度の高い電圧測定が可能となる。

特に、商用電源のように周波数の低い（５０／６０Ｈｚ）領域についても、電圧と電流の位相差が少ない測定を行うことができ、正確な消費電力の測定や、機器電力の推定技術に用いるための、電圧と同期した電流波形の測定が可能となる。

Ｌ１、Ｌ２電線
１０１、１０２、２０１、２０２、３０１、３０２、４０１、４０２、５０１、５０２、６０１、６０２、７０１、７０２、８０４、９０１、９０２、１００１、１００２、１１０１電極
１０３、２０３、２０４、３０３、４０３、４０４、５０３、５０４、６０３、７０３、７０４、８０２、９０３、１００３、１００４、１１０２電流測定トランス
１０４、２０５、２０６、３０６、４０８、４０９、５０８、５０９、６０４、７０８７０９、８０３、９０４、１００５、１００６、１１０４電流測定装置
１０５、２０７、３０７、４１０、５１０、５１１、６０５、７１０、８０５、９０５、１００５、１００６、１１０５電圧測定装置
３０５、４０７、５０７、７０７電線
８００クランプ型プローブ
８０１、１１０３磁性体コア
Ｌｏａｄ負荷

Claims

交流電圧が印加された２本の電線の間に接続された負荷を流れる電流波形を測定するための電流波形測定装置であって、
前記２本の電線の第１の電線とは電気的に接続せず、前記第１の電線と一定の間隔を有して前記第１の電線を取り囲むように設置した第１の電極と、
前記２本の電線の第２の電線とは電気的に接続せず、前記第２の電線と一定の間隔を有して前記第２の電線を取り囲むように設置した第２の電極と、
前記交流電圧からの静電誘導によって前記第１の電極と前記第２の電極との間に生じる交流電圧を測定する電圧測定部と、
前記第１の電線を流れる電流によって生じる磁界の変動から誘導電流を発生させる第１の電流測定トランスと、
前記第１の電流測定トランスで発生した誘導電流の変動から第１の交流電流を測定する第１の電流測定部と、
を備え、
前記第１の交流電圧の測定値と前記第１の交流電流の測定値とから、前記交流電流の時間波形および前記交流電流の交流電圧に対する位相差を測定することを特徴とする電流波形測定装置。
前記第２の電線を流れる電流によって生じる磁界の変動から誘導電流を発生させる第２の電流測定トランスと、
前記第２の電流測定トランスで発生した誘導電流の変動から第２の交流電流を測定する第２の電流測定部と、
さらに備え、
前記交流電圧の測定値と前記第２の交流電流の測定値とから、前記第２の交流電流の時間波形および前記交流電流の前記交流電圧に対する位相差を測定することを特徴とする請求項１に記載の電流波形測定装置。
前記第１の電線とは電気的に接続せず、前記第１の電線と一定の間隔を有して前記第１の電線および前記電流測定トランスを取り囲むように設置した第１のシールド電極をさらに備え、
前記第１のシールド電極と前記第２の電極とを電気的に接続したことを特徴とする請求項１に記載の電流波形測定装置。
前記第１の電線とは電気的に接続せず、前記第１の電線と一定の間隔を有して前記第１の電線および前記電流測定トランスを取り囲むように設置した第１のシールド電極と、
前記第２の電線とは電気的に接続せず、前記第２の電線と一定の間隔を有して前記第２の電線および前記電流測定トランスを取り囲むように設置した第２のシールド電極と、
をさらに備え、
前記第１のシールド電極と前記第２のシールド電極とを電気的に接続したことを特徴とする請求項２に記載の電流波形測定装置。
前記第１の電線と前記第１の電極との間の静電容量Ｃ１０と、
前記第１の電極と前記第１のシールド電極との間の静電容量Ｃ１１と、
前記第２の電線と前記第２の電極との間の静電容量Ｃ２０と、
前記第２の電極と前記第２のシールド電極との間の静電容量Ｃ２１と、
の間の関係が、Ｃ１０／Ｃ１１＝Ｃ２０／Ｃ２１を満たすように、前記第１の電線に対して前記第１の電極および前記第１のシールド電極が配置され、前記第２の電線に対して前記第２の電極および前記第２のシールド電極が配置されたことを特徴とする請求項４記載の電流波形測定装置。
交流電圧が印加された２本の電線の間に接続された負荷を流れる電流の波形を測定するための電流波形測定装置であって、
前記２本の電線の第１の電線とは電気的に接続せず、前記第１の電線と一定の間隔を有して前記第１の電線を取り囲むように設置した第１の電極と、
前記２本の電線の第２の電線とは電気的に接続せず、前記第２の電線と一定の間隔を有して前記第２の電線を取り囲むように設置した第２の電極と、
前記第１の電線を流れる電流によって生じる磁界の変動から誘導電流を発生させる第１の電流測定トランスと、
前記第１の電流測定トランスで発生した誘導電流の変動から第１の交流電流を測定する第１の電流測定部と、
前記第２の電線を流れる電流によって生じる磁界の変動から誘導電流を発生させる第２の電流測定トランスと、
前記第２の電流測定トランスで発生した誘導電流の変動から第２の交流電流を測定する第２の電流測定部と、
前記第１の電線とは電気的に接続せず、前記第１の電線と一定の間隔を有して前記第１の電線および前記電流測定トランスを取り囲むように設置した第１のシールド電極と、
前記第２の電線とは電気的に接続せず、前記第２の電線と一定の間隔を有して前記第２の電線および前記電流測定トランスを取り囲むように設置した第２のシールド電極と、
前記第１のシールド電極１と前記第２のシールド電極２とを電気的に接続する手段と、
前記第１の電極の前記第１のシールド電極に対する第１の交流電圧を測定する第１の電圧測定部と、
前記第２の電極の前記第２のシールド電極に対する第２の交流電圧を測定する第２の電圧測定部と、
を備え、
前記第１の交流電圧の測定値と前記第２の交流電圧の測定値との差分として算出した前記第１の電線と前記第２の電線との間の第３の交流電圧の測定値、前記第１の交流電流の測定値および前記第２の交流電流の測定値から、前記第１の交流電流の時間波形、前記第２の交流電流の時間波形およびそれらの前記第３の交流電圧に対する位相情報を測定することを特徴とする電流波形測定装置。
前記第１の電極と前記第２の電極との間に接続された、静電容量Ｃ１０、Ｃ２０のいずれよりも大きな静電容量を持ったコンデンサをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電流波形測定装置。
前記第１の電極および前記第１の電流測定トランスは、前記第１の電線に対して重なり合うことのないように、前記第１の電線の長手方向にずらして設置されたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の電流波形測定装置。