JP2017227552A - 絶縁電圧プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁モード除去比に優れた絶縁電圧プローブを提供する。
【解決手段】正極リードと負極リードとが抵抗で接続されて構成された導体と、導体を流れる電流により生じる磁界を非接触で測定する磁気センサと、磁気センサの出力に基づく信号を伝送する同軸ケーブルと、を備えた絶縁電圧プローブ。
【選択図】図１

Description

本発明は絶縁電圧プローブに関し、特に、絶縁モード除去比に優れた絶縁電圧プローブに関する。

高電圧機器等を電圧測定対象とした際の安全性を確保するための一手法として絶縁電圧測定がある。絶縁電圧測定を行なうことで、測定対象と測定器とで接地電位の異なる電圧を安全に扱うことができるようになる。すなわち、大地アースに対して絶縁状態（フローティング）におかれている測定対象が高電圧レベルであっても、接地された測定器側の安全が維持される。また、絶縁電圧測定では、測定対象と測定器とのグランドループを切ることで、グランドインピーダンスに起因するノイズを除去することができる。

絶縁性能を表すパラメータのひとつに絶縁モード除去比（ＩＭＲＲ：Isolation Mode Rejection Ratio）がある。ＩＭＲＲは、周波数に対する絶縁の程度を示す重要な指標であり、正／負入力に同一信号を印加したときの入力振幅に対する出力振幅の割合で規定される。

正／負入力に同一信号を印加した場合、理想的には出力信号はゼロになるが、実際には、入力信号の影響が出力信号に現れる。ＩＭＲＲは、その程度を示している。

絶縁電圧測定において、絶縁回路は測定器が有することが多く、絶縁回路の代表的な方式としては、フォトカプラを利用する光結合方式、トランス等を利用する磁気結合方式、コンデンサを利用する容量結合方式が挙げられる。

いずれの絶縁回路方式を採用した場合でも、絶縁電圧測定に際しては、信号をピックアップし、測定器まで伝送するために、電圧プローブが使用される。電圧プローブは、例えば、図４に示すような構成となっている。

本図に示すように、電圧プローブ４００は、プローブヘッド４０１、同軸ケーブル４０２、コネクタ４０３を備えている。絶縁回路は内蔵していないため、絶縁電圧測定を行なう場合、絶縁回路を備えた測定器４１０に接続される。この場合、電圧プローブ４００全体がフローティング側となる。

プローブヘッド４０１は、信号をピックアップする正極リードと負極リードとを備えている。正極リードには抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１とが並列に接続されており、電圧プローブ４００は不平衡な回路構成となっている。負荷効果低減のため、抵抗Ｒ１は数ＭΩの高抵抗で構成されており、電圧プローブ４００の特性は容量成分の影響を受けやすい。

正極リードは、同軸ケーブル４０２の内部導体に接続され、負極リードは同軸ケーブル４０２の外部導体に接続されている。同軸ケーブル４０２は、コネクタ４０３を介して測定器４１０の入力端子に接続される。測定器４１０の入力端子間には、入力抵抗Ｒ２と入力容量Ｃｉが存在しているものとする。

調整用にＣ１、Ｃｉの少なくとも一方は可変容量となっている。電圧プローブ４００の分圧比はＲ２／（Ｒ１＋Ｒ２）で定まるが、周波数特性をフラットにするため、容量による分圧比が抵抗の分圧比と同じになるように、Ｃ１あるいはＣｉを調整する。具体的には、Ｃ２＝Ｃｃ＋Ｃｉとすると、Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）＝Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）、すなわち、Ｒ１・Ｃ１＝Ｒ２・Ｃ２となるようにする。

Ｃ１が調整可能であるとすると、容量Ｃ２は、同軸ケーブル４０２の容量Ｃｃと測定器４１０の入力容量Ｃｉとで物理的に付加される容量であり、この容量Ｃ２と抵抗による分圧比によりＣ１が決定される。

一般的に、電圧プローブ４００の分圧比は１０：１以上であり、Ｃ１≪Ｃ２となるため、正極リードから見た入力容量はほぼＣ１となる。負荷効果は入力容量を小さくするほど削減される。このため、分圧比を大きくするか、同軸ケーブル４０２の容量を小さくすることで入力容量Ｃ１を小さくして負荷効果を低減することができる。

しかしながら、分圧比を大きくすると測定器４１０を高感度にする必要があり、容易に分圧比を大きくすることはできない。また、同軸ケーブル４０２の容量を減らすためには同軸ケーブル４０２の長さを短くする必要があり、利便性が損なわれる。

一方、特許文献１には、図５に示すような絶縁回路４４３を備えた電圧プローブ４４０が開示されている。電圧プローブ４４０は、プローブヘッド４４１、インピーダンス回路４４２、絶縁回路４４３を備えており、測定器４５０に接続されて使用される。この場合、絶縁回路４４３からプローブヘッド４４１側がフローティング側となる。

ここで、インピーダンス回路４４２は、電圧プローブ４４０自体の波形補償や分圧のために用いられており、正極リードにコイルと２つの抵抗が直列に接続され、抵抗の接続点と負極リードとが容量で結合された構成となっている。

実公平６−２２２１７号公報

絶縁測定システムのＩＭＲＲ特性は、最も悪い部分の特性がシステム全体の特性として現われるため、絶縁回路がいかに優れた特性を実現しても、電圧プローブの特性がそれに見合うものでなければ、絶縁測定システムのＩＭＲＲ特性は、電圧プローブの特性で決まってしまうことになる。

電圧プローブ４００は、図６に示すように、負極リードについては抵抗成分を含んでいないため接地容量の影響を受けないが、正極リードは抵抗Ｒ１と接地容量（信号経路と接地間の寄生容量）によりローパスフィルタを形成し、周波数特性を有する。

このため、正極リードと負極リードの伝送特性にアンバランスが生じ、正極リードと負極リードとに同じ信号を入力しても、出力に信号が現われることになる。この信号は、本来不要な成分であり、除去すべき成分である。

このようにフローティング側に不平衡回路を含むと、接地容量の影響によりＩＭＲＲ特性が劣化する。図５示した絶縁回路４４３を備えた電圧プローブ４４０においても、フローティング側に配置されたインピーダンス回路４４２が不平衡回路となっており、接地容量の影響によりＩＭＲＲ特性が劣化するという問題が生じる。

そこで、本発明は、絶縁モード除去比に優れた絶縁電圧プローブを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の絶縁電圧プローブは、正極リードと負極リードとが抵抗で接続されて構成された導体と、前記導体を流れる電流により生じる磁界を非接触で測定する磁気センサと、前記磁気センサの出力に基づく信号を伝送する同軸ケーブルと、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記磁気センサは、磁界に応じた電流を出力し、前記磁気センサが出力する電流を電圧に変換して前記同軸ケーブルを伝送させるＩ／Ｖ変換回路をさらに備えていてもよい。
また、前記抵抗は、特性の等しい２本の抵抗素子で構成されていてもよい。

本発明によれば、絶縁モード除去比に優れた絶縁電圧プローブが提供される。

本実施形態に係る電圧プローブの構成を示す図である。 １本の抵抗で構成した導体を示す図である。 フラックスゲート式磁気センサを示す図である。 従来の電圧プローブの構成を示す図である。 従来の絶縁型電圧プローブの構成を示す図である。 接地容量の影響によるＩＭＲＲの劣化を説明する図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る電圧プローブ１００の構成を示す図である。本図に示すように、電圧プローブ４００は、プローブヘッド１１０、同軸ケーブル１２０、コネクタ１３０を備えている。後述するようにプローブヘッド１１０が絶縁構造となっているため、接続される測定器２００は絶縁回路を備えていなくてもよい。

プローブヘッド１１０は、正極リード１１１と負極リード１１２との間を直列接続する特性の等しい２本の抵抗素子Ｒａ、磁気センサ１１６、Ｉ／Ｖ変換回路１１７を備えている。負荷効果を低減するため、抵抗素子Ｒａは十分大きな値を用いるものとする。リード間の測定電圧をＶとすると、正極リード１１１から負極リード１１２までの経路である導体１１３には、Ｖ／２Ｒａの電流が流れることになる。

磁気センサ１１６は、導体１１３を流れる電流Ｖ／２Ｒａで発生する磁界を非接触で検出する。磁気センサ１１６は、磁界に応じた値の電流を出力するものとし、このときの、磁気センサ１１６の出力電流を（Ｖ／２Ｒａ）／Ｎとする。

Ｉ／Ｖ変換回路１１７は、磁気センサ１１６が出力する電流信号を電圧信号に変換し、抵抗を介して接続された同軸ケーブル１２０をドライブする。ここでは、オペアンプＯＰを用い、出力電圧を直列接続された２本の抵抗素子Ｒｂで負帰還を行なっている。オペアンプＯＰの非反転入力端子は同軸ケーブル１２０の外部導体に接続されている。この場合Ｉ／Ｖ変換回路１１７の出力電圧は、（Ｖ／Ｎ）・（Ｒｂ／Ｒａ）となる。Ｒｂ＝Ｒａとすると、出力電圧はＶ／Ｎとなる。

導体１１３と磁気センサ１１６とは非接触であり、電気的に絶縁されている。このため、正極リード１１１と負極リード１１２と２本の抵抗素子Ｒａを含んで構成される導体１１３がフローティング側となっている。絶縁電圧測定を行なうフローティング側であるから接地リードは不要である。

ここで、電圧プローブ１００のフローティング側は２本の抵抗素子が接続された平衡回路となっている。このため、接地容量の影響によりＩＭＲＲ特性が劣化することを防ぐことができる。また、フローティング側は、抵抗素子のみで構成し、容量を用いていないため、負荷効果を低減することができる。

なお、２本の抵抗素子Ｒａを用いたのは、平衡回路であることを強調するためであり、実装上は、図２に示すように抵抗Ｒ１（＝２Ｒａ）で構成することができる。Ｉ／Ｖ変換回路１１７に用いられている２本の抵抗素子Ｒｂについても同様に抵抗Ｒ２（＝２Ｒｂ）で構成することができる。

導体１１３と磁気センサ１１６との位置関係は、例えば、導体１１３の近傍に磁気センサ１１６を配置したり、導体１１３の周りにロゴスキーセンサ等のフレキシブルな形状の磁気センサ１１６を非接触で巻き付けたりすることができる。

あるいは、図３に示すように、導体１１３の周りを磁気コア１１６ａで囲み、電流が発生させる磁束を集めて検出してもよい。本図では、励磁信号発生器１１６ｂと検波器１１６ｃとを備え、磁性材１１６ｄに巻き付けた励磁コイル１１６ｅで両者を接続したフラックスゲート式磁気センサ１１６を例にしている。

上記の例では、磁気センサ１１６は磁界に応じた値の電流を出力するものとしたが、磁気センサが、磁界に応じた値の電圧を出力し、さらに同軸ケーブル１２０をドライブする能力を持つ場合にはＩ／Ｖ変換回路１１７は省略することができる。また、磁気センサが磁界に応じた値の電流を出力する場合であっても、測定器２００が電流入力であれば、Ｉ／Ｖ変換回路１１７は省略することができる。

１００…電圧プローブ
１１０…プローブヘッド
１１１…正極リード
１１２…負極リード
１１３…導体
１１６…磁気センサ
１１７…Ｉ／Ｖ変換回路
１２０…同軸ケーブル
１３０…コネクタ
２００…測定器

Claims (3)

1. 正極リードと負極リードとが抵抗で接続されて構成された導体と、
   前記導体を流れる電流により生じる磁界を非接触で測定する磁気センサと、
   前記磁気センサの出力に基づく信号を伝送する同軸ケーブルと、
   を備えたことを特徴とする絶縁電圧プローブ。
2. 前記磁気センサは、磁界に応じた電流を出力し、
   前記磁気センサが出力する電流を電圧に変換して前記同軸ケーブルを伝送させるＩ／Ｖ変換回路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の絶縁電圧プローブ。
3. 前記抵抗は、特性の等しい２本の抵抗素子で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁電圧プローブ。