JP2020091209A - 非接触電圧計測装置および非接触電圧計測方法 - Google Patents
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Description
本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、本発明の非接触電圧計測装置は、導体の絶縁被覆表面に設けられた第1電極および第2電極と、第1電極に接続された第1電圧計測部と、第2電極に接続された第2電圧計測部と、第1電圧計測部および第2電圧計測部で計測されたデータを時間領域から周波数領域に変換する時間領域・周波数領域変換部と、時間領域・周波数領域変換部で周波数領域に変換されたデータから、周波数ごとの電圧値を演算する周波数ごと電圧値演算部と、周波数ごと電圧値演算部で得られた周波数ごとの電圧値のデータを、周波数領域から時間領域に変換する周波数領域・時間領域変換部と、周波数領域・時間領域変換部で時間領域に変換されたデータから、導体の電圧を演算する導体電圧演算部と、を備える。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下、本発明の第1の実施の形態例を、図1〜図6を参照して説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態例の非接触電圧計測装置501の等価回路を示す。
非接触電圧計測装置501は、ケーブル導体1の周囲が絶縁被覆されたケーブル2の絶縁被覆表面に、第1電極10と第2電極20を配置する。第1電極10と第2電極20とは、所定の距離だけ離してある。ケーブル導体1には電圧源Eが接続されている。なお、以下の説明では、ケーブル導体1は、導体1と略称する。
第1電極10と導体1との間には、静電容量C01が形成されている。同様に、第2電極20と導体1との間には、静電容量C02が形成されている。
また、第2電極20には、測定インピーダンスZ02、静電容量CC2、静電容量CM、および抵抗RMを並列に接続した等価回路で示される電圧計測回路が接続されている。
ここで、静電容量CC1およびCC2は、測定インピーダンスZ01およびZ02と、電圧計測回路を接続するケーブルのインピーダンスである。また、静電容量CMおよび抵抗RMは、電圧計測回路のインピーダンスである。
電圧計測回路は、この図1に示す等価回路の測定インピーダンスZ01およびZ02に基づいて電圧を計測する。このような等価回路による電圧計測回路としては、例えばオシロスコープやデータロガで代表される電圧波形測定器を用いることができる。
図2は、本発明の第1の実施の形態例の非接触電圧計測装置の全体構成を示すブロック図である。
非接触電圧計測装置は、第1非接触電圧検出部201と第2非接触電圧検出部202とを備える。第1非接触電圧検出部201および第2非接触電圧検出部202は、それぞれ図1に示すケーブル2の絶縁被覆表面に配置された第1電極10および第2電極20に相当する。
第2非接触電圧検出部202が検出した電圧は、第2電圧計測部212で計測される。第2非接触電圧計測部212は、図1に示す測定インピーダンスZ02、静電容量CC2、静電容量CM、および抵抗RMを並列に接続した等価回路で示される電圧計測回路に相当する。
演算部220は、マイクロコンピュータ等により構成され、図1に示すケーブル2の導体1の電圧を得る演算処理を行う。
演算部220は、時間領域・周波数領域変換部221、周波数ごとの電圧値演算部222、周波数領域・時間領域変換部223、および導体電圧演算部224を備える。
周波数ごとの電圧値演算部222は、時間領域に変換されたデータから、周波数ごとの電圧値を演算処理で算出する。
周波数領域・時間領域変換部223は、周波数ごとの電圧値演算部222で得られた演算結果を周波数領域から時間領域に変換する。この周波数領域から時間領域への変換は、例えば逆フーリエ変換により行われる。
このように比較的レベルが高い成分の周波数の電圧値について電圧値を算出して、時間領域に変換することで、ノイズ成分が多く含まれるレベルが高くない周波数領域については、時間領域に変換する処理が行われず、ノイズが除去された電圧検出が行われることになる。
そして、演算部220の導体電圧演算部224で得られた導体1の電圧のデータは、出力部230に供給され、出力部230から外部に出力される。あるいは、出力部230として、表示部を設け、算出された電圧値を表示するようにしてもよい。
図3は、導体1に印加される電圧を算出する処理の流れを示すフローチャートである。
まず、第1電圧計測部211での電圧計測工程(第1電圧計測工程)と、第2電圧計測部212での電圧計測工程(第2電圧計測工程)とを、同時に実行する(ステップS11)。ここでの電圧の計測は、第1電圧計測部211と第2電圧計測部212で別々に測定してもよいが、導体1の電圧が時間変化する場合もあるため、同時に電圧を測定することが好ましい。
その後、周波数領域・時間領域変換部223が、周波数ごとの電圧値演算部222での演算結果を、周波数領域から時間領域へ変換する(ステップS14:時間領域変換工程)。さらに、導体電圧演算部224が、時間領域で導体1の電圧(波形)を算出する(ステップS15:導体電圧演算工程)。
次に、本実施の形態例を用いた電圧の算出法の一例を説明する。
図4は、図1に示す電圧計測回路部分を簡略化した非接触電圧計測装置502の例を示す。図4では、第1非接触電圧計測部211のインピーダンスをZ1、第2非接触電圧計測部212のインピーダンスをZ2として示す。また、第1非接触電圧計測部211および第2非接触電圧計測部212の端子電圧をV1、V2とする。また、第1電極10と導体1との間の静電容量をC01、第2電極20と導体1との静電容量をC02とする。
ここで、第1電圧検出部201および第2電圧検出部202の静電容量C01、C02に関し、[数5]式のように静電容量の比を表すαを導入すると、導体1の電圧Eは、[数6]式で算出することができる。
このようにして測定された電圧V1、V2を用いて、導体1の電圧Eを算出することができる。なお、静電容量C01、C02を等しく設定して、α=1とすることで、演算処理を簡単に行うことができるようになる。
図5に示すように、第1非接触電圧計測部211および第2非接触電圧計測部212のインピーダンスに静電容量C1、C2を適用した場合、導体1の電圧周波数が低い場合でも、計測される電圧V1、V2を高くすることができる。また、第1非接触電圧計測部211および第2非接触電圧計測部212の静電容量C1、C2を適正に調整することで、2つの計測される電圧V1、V2に位相差を設けることができる。
この図6に示す電圧検出構成の場合、導体1の電圧周波数によらず、容易に2つの計測電圧の位相差を設けることができる。また、インピーダンスZ1を抵抗R1とした第1非接触電圧検出部201では、導体1の電圧周波数が高い場合に、計測電圧を高くできるようになる。
また、本実施の形態例の非接触電圧計測装置は、周波数領域への変換および時間領域への変換処理として、フーリエ変換および逆フーリエ変換を適用することで、データ処理の簡易化や安価なシステム構成が実現可能となる。
以下、本発明の第2の実施の形態例を、図7〜図8を参照して説明する。本発明の第2の実施の形態例を説明する図7〜図8において、第1の実施の形態例で説明した図1〜図6と同一箇所には同一符号を付し、重複説明は省略する。
図7は、本発明の第2の実施の形態例の非接触電圧計測装置505の等価回路を示す。
非接触電圧計測装置505は、導体1の周囲が絶縁被覆されたケーブル2の絶縁被覆表面に、第1電極10および第2電極20を配置している。そして、第1電極10に、電圧計測回路として、測定インピーダンスZ1と測定インピーダンスZ1aを接続し、インピーダンスZ1またはZ1及びZ1aを選択可能とする。
また、第2電極20に、測定インピーダンスZ2と測定インピーダンスZ2aを接続し、インピーダンスZ2またはZ2及びZ2aを選択可能とする。
図8は、本発明の第2の実施の形態例の非接触電圧計測装置の全体構成を示すブロック図である。
非接触電圧計測装置は、第1非接触電圧検出部201と第2非接触電圧検出部202とを備える。第1非接触電圧検出部201および第2非接触電圧検出部202は、それぞれ図7に示すケーブル2の絶縁被覆表面に配置された第1電極10および第2電極20に相当する。
第2非接触電圧検出部202には、第2インピーダンス選択部242が接続される。第2インピーダンス選択部242は、測定インピーダンスZ2を適用した場合と、測定インピーダンスZ2と測定インピーダンスZ2aとの合成インピーダンスZ2′を適用した場合を選択する。
但し、本実施の形態例の場合には、4つの計測部243〜246があり、この4つの計測部243〜246の内の2つの計測部(例えば計測部243と計測部244)を選択して電圧を算出する。計測部243〜246を選択する具体的な例については、次の算出法で説明する。
次に、本実施の形態例を用いた電圧の算出法の一例を、数式を用いて説明する。
ここでは、インピーダンス(Z1)計測部243で計測される電圧V1と、インピーダンス(Z1′)計測部245で計測される電圧V1 ′は、[数7]式、[数8]式で示される。
本実施の形態例を適用した測定により、それぞれの非接触電圧検出部201,202の
インピーダンスC01、C02を算出することが可能になるため、その後の測定では、計測回路のインピーダンスをZ1、Z2と固定した場合でも、導体1の電圧を精度良く算出できるようになる。
また、本実施の形態例を適用した測定を実施することにより、非接触電圧検出部201,202の静電容量の変化を把握することが可能となり、検出部201,202の劣化予兆を的確に診断することができる。
これにより、簡便にそれぞれの非接触電圧検出部201,202のインピーダンスを算出することが可能となるため、その後の測定では、計測回路のインピーダンスを固定しても、導体1の電圧を精度良く算出できるようになる。
また、本実施の形態例として説明した2種類のインピーダンスを適用した測定を行うことにより、非接触電圧検出部201,202の静電容量の変化を把握することが可能となり、非接触電圧検出部201,202の劣化予兆を的確に診断できるようになる。
本発明は、上述した実施の形態例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上述した第1の実施の形態例や第2の実施の形態例では、非接触電圧検出部と電圧計測部のインピーダンスを用いて、非接触で導体の電圧を算出するようにしたが、電圧計測部の端子電圧を調整するためのインピーダンスを、非接触電圧検出部と電圧計測部の間に設けるようにしてもよい。端子電圧を調整するためのインピーダンスとしては、図9に示すように静電容量(コンデンサ)を接続する場合と、図10に示すように抵抗を接続する場合が考えられる。
Claims (7)
- 導体の絶縁被覆表面に設けられた第1電極および第2電極と、
前記第1電極に接続された第1電圧計測部と、
前記第2電極に接続された第2電圧計測部と、
前記第1電圧計測部および第2電圧計測部で計測されたデータを時間領域から周波数領域に変換する時間領域・周波数領域変換部と、
前記時間領域・周波数領域変換部で周波数領域に変換されたデータから、周波数ごとの電圧値を演算する周波数ごと電圧値演算部と、
前記周波数ごと電圧値演算部で得られた周波数ごとの電圧値のデータを、周波数領域から時間領域に変換する周波数領域・時間領域変換部と、
前記周波数領域・時間領域変換部で時間領域に変換されたデータから、前記導体の電圧を演算する導体電圧演算部と、を備える
非接触電圧計測装置。 - 前記第1電極と前記導体との静電容量と、前記第2電極と前記導体との静電容量を等しくして、前記導体電圧演算部が前記導体の電圧を演算する
請求項1に記載の非接触電圧計測装置。 - 前記周波数ごと電圧値演算部は、ノイズが含まれる周波数成分以外の周波数成分についての電圧値を演算する
請求項1に記載の非接触電圧計測装置。 - 前記第1電圧計測部および前記第2電圧計測部は、それぞれ少なくとも2種類のインピーダンスを選択可能とした
請求項1に記載の非接触電圧計測装置。 - 前記第1電極と前記第1電圧計測部との間、および前記第2電極と前記第2電圧計測部との間に、所定の静電容量値または抵抗値のインピーダンスを接続した
請求項1に記載の非接触電圧計測装置。 - 前記時間領域・周波数領域変換部は、フーリエ変換により周波数領域に変換し、
前記周波数領域・時間領域変換部は、逆フーリエ変換により時間領域に変換するようにした
請求項1に記載の非接触電圧計測装置。 - 導体と非接触で前記導体の電圧を計測する非接触電圧計測方法であって、
前記導体の絶縁被覆表面に設けられた第1電極の電圧を計測する第1電圧計測工程と、
前記第1電極とは離れた箇所の前記導体の絶縁被覆表面に設けられた第2電極の電圧を計測する第2電圧計測工程と、
前記第1電圧計測工程および第2電圧計測工程で計測されたデータを時間領域から周波数領域に変換する時間領域・周波数領域変換工程と、
前記時間領域・周波数領域変換工程で周波数領域に変換されたデータから、周波数ごとの電圧値を演算する周波数ごと電圧値演算工程と、
前記周波数ごと電圧値演算工程で得られた周波数ごとの電圧値のデータを、周波数領域から時間領域に変換する周波数領域・時間領域変換工程と、
前記周波数領域・時間領域変換工程で時間領域に変換されたデータから、前記導体の電圧を演算する導体電圧演算工程と、を含む
非接触電圧計測方法。
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