JP4330256B2

JP4330256B2 - 非接触式電圧測定方法および装置

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Publication number: JP4330256B2
Application number: JP2000240763A
Authority: JP
Inventors: 裕二中井
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2000-08-09
Filing date: 2000-08-09
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2020-08-09
Also published as: JP2002055126A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電圧が印加される導電線の電圧を、直接接触することなく測定可能な非接触式電圧測定方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、電力会社の送配電線、需要家構内の配電線、電力機器内部配線における電圧測定は、電圧測定用配線を当該電線の接続端子や遮断器端子などの導体露出部に直接接続し、または計測用端子台を増設して計測器まで配線を施して行っている。計測器は、計測誤差や電力消費を避けるために、一般に高インピーダンスであり、微小な電流でも電磁的に指針を振らせることが可能であったり、信号処理用の電子回路を備えていたりするものが用いられている。
【０００３】
図９は、現状の電圧計測方法の概要を示す。工場などで用いる商用電源は、通常三相交流として、３本の電線で供給される。上位側電線１と下位側電線２との間に遮断器３などが設けられ、電圧測定を行う場合には遮断器３の端子など、導電体が露出している部分に電圧計測用電線４を接続して行う。上位側電線１および下位側電線２に印加される交流電圧は高電圧である場合が多く、直接接続すると危険な場合があるので、この場合はトランス５で電気的に絶縁するとともに、一定の比率で電圧を下げ、測定器６で測定する。
【０００４】
なお、一部では、電線に対して非接触で電圧計測が可能な方式も考案されている。これらの方式では、電線のまわりに電圧に応じて光学特性が変化する材料を配置し、光の特性を利用して電圧計測を行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
電圧測定を行うために、電圧計測用電線を測定対象の電線に直接接続するには、工事もしくは改造が必要となる。この工事もしくは改造には、多大な労力と費用が必要となる。また、通電状態での接続は危険を伴うので、電圧計測用電線を接続する際には、上位の遮断器などを開放し、通電停電状態としておく必要がある。このため、測定対象の導電線の下位に接続されている電気機器は停電状態となってしまう。
【０００６】
さらに、計測器の故障または計測用電線短絡などが発生すると、その影響は測定対象の電線にも及び、場合によっては停電などが発生する要因となってしまう。
【０００７】
図９に示すような従来の電圧計測方法で、電圧を測定する場合には、電圧計測用電線４の接続時に遮断器３を遮断させなくてはならない。下位側電線２に遮断器３が無い場合には、上位側電線１の遮断器を遮断しなければならないので、工事を行うのに手間と費用が発生する。さらに、上位側電線１を遮断すると、その遮断の影響は広い範囲に及んでしまう。
【０００８】
光を利用した非接触方式の電圧計測を行う場合は、工事や改造の労力は削減することができても、特殊なセンサや装置を必要とするため、必要な構成要素が複雑で、高価なものとなり、電圧測定のために必要な費用が増大してしまう。
【０００９】
本発明の目的は、従来の方法と比較して安価に、かつ容易に電圧測定が可能な非接触式電圧測定方法および装置を提供することである。
【００２０】
本発明は、交流電圧が印加される導電線のまわりを、前記導電線と絶縁状態で覆うように形成される導電体と、
該導電体を含む電流経路で電流値を計測する電流計測手段と、
予め設定される演算処理で、電流計測手段によって計測される電流値を電圧値に換算し、電圧測定結果を算出する演算手段と、
前記導電線の電圧を直接計測し、その測定結果に基づいて、交流電圧のゼロクロス点を基準に該交流電圧と前記演算手段から出力される電圧との位相比較を行い、さらに前記交流電圧値と前記演算手段から出力される電圧値とのゲイン比較を行ない、前記電流計測手段によって計測される電流を電圧に換算するための係数を予め求めておく係数求数手段とを含み、
前記演算手段は、位相特性およびゲインの調整に利用可能な手段を有し、
前記係数求数手段は、前記演算手段に着脱可能であることを特徴とする非接触式電圧測定装置である。
【００２１】
本発明に従えば、非接触式電圧測定装置は、導電体と、電流計測手段と、演算手段と、係数求数手段とを含む。導電体は、交流電圧が印加される導電線のまわりを、導電線と絶縁状態で覆うように形成される。電流計測手段は、導電体を含む電流経路で、電流値を計測する。演算手段は、予め設定される演算処理で、電流計測手段によって計測される電流値を電圧値に換算し、電圧測定結果を算出する。係数求数手段は、導電線の電圧を直接計測し、その測定結果に基づいて、交流電圧のゼロクロス点を基準に交流電圧と演算手段から出力される電圧との位相比較を行い、さらに交流電圧値と演算手段から出力される電圧値とのゲイン比較を行う。導電線と導電体との間にはコンデンサが形成され、このコンデンサと導電体を含む電流経路には、交流電圧に対応する電流が流れる。このため、係数求数手段において交流電圧のゼロクロス点を基準に交流電圧と演算手段から出力される電圧との位相比較を行い、さらに交流電圧値と演算手段から出力される電圧値とのゲイン比較を行うことにより電流計測手段によって計測される電流を電圧に換算するための係数を予め求めておくことにより、演算手段によって、電流計測手段によって計測される電流値を前記係数に基づいて予め設定される演算処理で電圧値に換算できるので、交流電圧が印加される導電線には非接触で、印加される電圧を測定することができる。
【００２３】
また、演算手段はゲインおよび位相特性の調整に利用可能な手段を有するため、演算手段の演算処理において、電流計測手段が計測する電流値に対し、位相特性とゲインとを調整可能であり、電流計測手段によって計測される電流値を電圧値に換算することができる。さらに、演算手段に着脱可能な係数求数手段は、前述の通り電流経路のインピーダンスに対応する係数を求めて設定するので、一旦係数求数手段を演算手段に装着して係数を設定しておけば、係数求数手段は演算手段から切り離し、印加される導電線に対しては非接触で、交流電圧を精度よく測定することが可能となる。
【００２４】
また本発明で前記電流計測手段は、
前記電流値に対応する信号を増幅する増幅手段と、
該電流値に対応する信号からノイズを除去するノイズ除去手段とを備えることを特徴とする。
【００２５】
本発明に従えば、電流計測手段は、増幅手段とノイズ除去手段とを備える。増幅手段は電流値に対応する信号を増幅するので、微小な電流から電圧値に換算するために必要な信号を容易に得ることができる。ノイズ除去手段は、電流値に対応する信号からノイズを除去するので、導電体および電流経路に印加されるノイズの影響を受けにくくして、測定精度を高めることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態としての非接触式電圧測定方法の基本的な構成を示す。図１（ａ）は、非接触で電圧を測定する基本的な形態を示し、図１（ｂ）はその等価的な電気回路を示す。電圧測定を行う交流電圧が印加される電線１０は、導電線１１の周囲を電気絶縁物質から成る電線被覆１２で覆って形成される。本発明では、電線１０の電線被覆１２の周囲を導電体１３で覆って導電線１１と導電体１３によるコンデンサを形成させる。導電体１３と接地１４との間に計測手段１５を設置する。これらにより、図１（ｂ）に示すように、導電線１１と導電体１３との間には静電容量Ｃを有するコンデンサが形成される。また計測手段１５の入力インピーダンスをＺとし、浮遊キャパスタンスや浮遊リアクタンスなどの導電体設置状況や周囲環境による定まるインピーダンスをＺ１とすると、導電線１１と接地１４との間には、静電容量Ｃのコンデンサ、インピーダンスＺ１およびＺが直列に接続されていると考えられる。
【００２７】
図２は、導電線１１と導電体１３との間に形成されるコンデンサの構造を示す。図２（ａ）は側面断面を示し、図２（ｂ）は正面断面を示す。静電容量Ｃは、導電線１１に対する導電体１３の設置や、電線被覆１２の誘電率などに従って定まる。
【００２８】
図１（ｂ）の等価回路で、導電線１１に電圧がＶで角周波数がωである交流電圧が印加されると、次の式１に示すような関係で電流Ｉが導電体１３と接地１４との間に流れる。
Ｖ＝（１／ｊωＣ＋Ｚ１＋Ｚ） × Ｉ …（１）
【００２９】
式１は複素数を含むので、次の式２のように書き表すことができる。
Ｖ＝Ｉ×Ｋｅ^ｊθ …（２）
【００３０】
すなわち、計測手段１５で計測される電流値Ｉに一定の係数を乗算することによって、対地電圧Ｖを算出することが可能となる。一定の係数は、ゲイン係数Ｋと位相係数ｅ^j ^θとの積として表すことができる。
【００３１】
図３は、本実施形態で非接触で電圧を測定する非接触電圧計１６としての概略的な電気的構成を示す。非接触電圧計１６は、計測手段１５と、増幅手段１７、ノイズ除去手段１８および演算手段１９とを含む。計測手段１５は導電体１３と接地１４との間の電流経路に流れる電流を計測し、増幅手段１７は計測された電流値に対応する信号を増幅し、ノイズ除去手段１８は増幅手段１７が増幅した信号中のノイズ成分を除去する。演算手段１９は、増幅手段１７とともに式２のゲイン係数Ｋに相当する増幅演算と、式２の位相係数ｅ^j ^θに対応する演算処理を行う。ただし導電体１３の設置状況や周囲環境によって、ゲイン係数Ｋおよび位相係数ｅ^j ^θは一意に求めることはできず、設置箇所毎に異なることとなる。そこで、式２に示すようなゲイン係数Ｋおよび位相係数ｅ^j ^θを容易に求める手段として、係数求数手段２０を内蔵もしくは別途接続可能とする。
【００３２】
係数求数手段２０は、導電線１１の接続端子２１から電圧を直接計測する直接電圧計測手段２２と、位相比較手段２３およびゲイン比較手段２４を含む。接続端子２１は、電線１０で導電線１１が露出している部分と、接地１４との間に、ワニ口クリップなどで直接電圧計測用電線を接続し、対地電圧計測を行う。位相比較手段２３では、直接電圧計測手段２２から出力される対地電圧位相と非接触電圧計１６の演算手段１９から出力される対地電圧位相とを比較し、位相係数ｅ^ｊθを求め、演算手段１９にフィードバックする。この位相係数ｅ^ｊθの求数が行われたあと、ゲイン比較手段２４で直接電圧計測手段２２から出力される対地電圧値と、非接触電圧計１６の演算手段１９から出力される対地電圧値とを比較し、ゲイン係数Ｋの値を求め、演算手段１９にフィードバックする。これらの求数は、フェーズロックドループ（ＰＬＬ）回路などを用いて自動で行ってもよいし、可変容量や可変抵抗などの物理的手段を用いて手動で行う方式も可能である。
【００３３】
図４は、図３に示す係数求数手段２０を非接触電圧計１６とは別体で着脱可能とし、式２に示す係数を求める手順を示す。ステップｓ１から手順を開始し、ステップｓ２では係数求数手段２０を非接触電圧計１６に接続する。ステップｓ３では、電線１０の露出部の接続端子２１と接地１４とに、それぞれ計測用電線を一時的に接続し、それらを直接電圧計測手段２２に入力する。ステップｓ４では、位相比較手段２３と演算手段１９とで、位相比較を行う。位相比較は、交流電圧のゼロクロス点を基準に行うことができる。交流電圧がたとえば−から＋への変化点となるゼロクロス点のずれが許容値内である場合には、たとえば発光ダイオード（ＬＥＤ）を点灯させるような表示を行う。ステップｓ５の位相係数調整は、演算手段１９に内蔵される可変コンデンサなどを手動で調整することによって行うことができ、位相差が許容値に入った時点においてＬＥＤが点灯する。ＬＥＤが点灯すると、ステップｓ６で位相調整完了表示が行われたことになり、ステップｓ７のゲイン比較に移る。
【００３４】
ステップｓ７のゲイン比較では、比較の結果、ゲイン差が許容値内でない場合にステップｓ８で、演算手段１９における調整が必要となる。演算手段１９は、たとえば可変抵抗を内蔵し、ゲインを手動で調整することができる。電圧の大きさの差が許容値に入ると、ＬＥＤが点灯し、ステップｓ９でゲイン調整完了表示が行われることとなる。ステップｓ９で、ゲイン調整完了とともに係数求数手段２０を取り外すことが可能となる。ステップｓ１０では、電線露出部である接続端子２１と接地１４とから計測用電線を取り外す。ステップｓ１１では、係数求数手段２０を非接触電圧計１６から取り外し、ステップｓ１２で係数設定の手順を終了する。なお係数求数手段２０が非接触電圧計１６に内蔵されている場合には、ステップｓ２の係数求数手段接続と、ステップｓ１１の係数求数手段取り外しの手順は省略することができる。以上説明したような手順で、容易に換算係数を求めることができ、導電体１３から接地１４へ流れる電流値に基づいて対地電圧を測定することができる。
【００３５】
図５は、本発明の実施の他の形態として、計測手段１５の他にもう１つの計測手段２５を備える非接触電圧計２６の概略的な構成を示す。非接触電圧計２６には、計測手段１５のほかに、計測手段２５も含まれているので、計測手段２５の記録信号を増幅する増幅手段２７とノイズ除去手段２８とをさらに含む。また演算手段２９は、ノイズ除去手段１８，２８からの出力を演算処理して、２つの電線１０，３０間の線間電圧を測定する。２つ目の電線３０に対しても、導電線３１には非接触状態で電圧を測定するために、電線被覆３２の周囲に導電体３３を覆うように設け、接地１４との間の電流経路に流れる電流は演算手段２９は、図３に示す演算手段１９のように２組の電線１０，３０の対地電圧をそれぞれ算出し、さらに減算機能で線間電圧を算出する。
【００３６】
図６は、本発明の実施のさらに他の形態として、２つの電線１０，３０間の線間電圧を接地を介さずに直接測定する構成を示す。図６（ａ）は線間電圧測定のために必要な構成要素を示し、図６（ｂ）はその電気的な等価回路を示す。本実施形態で、図５に示す実施形態に対応する部分には同一の参照符を付し、重複する説明を省略する。本実施形態では、図６（ｂ）に示すように、電線１０に関して形成される静電容量をＣ１とし、電線３０に関して形成される静電容量をＣ２とする。２つの導電線１１，３１の間には、２つの静電容量Ｃ１，Ｃ２と、インピーダンスＺ１，Ｚが直列に接続されることになる。本実施形態の計測手段３５は、接地から浮いた状態で電圧測定を行う必要がある。このため、絶縁形の入力部を有する必要がある。
【００３７】
図７は、図６（ａ）に示す計測手段３５を有する非接触電圧計３６の概略的な電気的構成を示す。計測手段３５が絶縁形の入力部を有することを除いて、基本的には図３に示す非接触電圧計１６と同等な電気的構成を有する。
【００３８】
非接触電圧計３６には、図３の非接触電圧計１６と同様に、係数求数手段４０を接続して演算手段１９の係数を設定することもできる。本実施形態の係数求数手段４０は、電線１０側に設ける接続端子２１と、電線３０側に設ける接続端子４１との間の電圧を直接計測可能な直接電圧計測手段４２を備える。直接電圧計測手段４２も、入力部は絶縁されている。
【００３９】
入力部が電気的に絶縁される計測手段３５や直接電圧計測手段４２は、たとえば接地から浮いた状態の入力部で処理した出力を、絶縁トランスや光信号に変換したあとで、接地電位を基準に動作する増幅手段１７や位相比較手段２３に入力するようにすればよい。
【００４０】
以上の各実施形態で用いる計測手段は、微小電流を直接検出可能なものでもよいし、抵抗やリアクトルなどを流れる電流値に比例して両端に電圧を発生させるものでもよい。電流値を増幅するために、トランジスタ等の半導体素子に直接接続することもできる。また、導電体１３から接地１４や他の導電体３３に流れる電流は微小なものであるので、電流増幅手段を計測手段１５，２５，３５の後部に設けることも可能である。
【００４１】
ノイズ除去手段１８，２８は、ローパスフィルタや帯域フィルタを用いることができ、増幅手段１７，２７と演算手段１９，２９の間ばかりではなく、計測手段１５，２５，３５よりも前段側に設けたり、計測手段１５，２５，３５に電流増幅手段を内蔵するときにはその電流増幅手段後部に設けることもできる。また、導電体１３，３３は、施工性を向上させるため、分割可能なものとすることが好ましい。
【００４２】
図８は、以上説明した各実施形態で非接触で電圧測定が可能な原理を示す。電線１０の周囲に導電体１３を設置し、接地１４と導電体１３とを電気的に接続すれば、電線１０と導電体１３との間にはコンデンサが形成されているので、電線被覆を通じて導電体１３には電荷が誘起される。電線１０の導電線には交流電圧が印加されるので、電線１０の導電線と導電体１３との間の静電容量をＣとすると、次の式３のような関係が成立する。
Ｖ＝Ｉ／ｊωＣ …（３）
【００４３】
ただし静電容量Ｃは、電線１０の導電線の直径や電線被覆の厚みや誘電率、さらに導電体１３の形状などによって変わり得るので、本発明を適用する非接触電圧計１６，２６，３６では、係数求数手段２０，４０を用いて調整を行っている。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、導電線に印加される交流電圧を、導電線のまわりを絶縁状態で覆う導電体のコンデンサを介して流れる電流を計測し、計測した電流に対し、予め電流経路のインピーダンスに基づいて求められる係数を用いて電圧を測定するので、導電線に対して非接触で印加電圧を測定することができる。
【００４５】
また本発明によれば、導電体と接地との間の電流経路に流れる電流を計測して、導電線の対地電圧を非接触で測定することができる。
【００４６】
また本発明によれば、複数の導電線にそれぞれ導電体を設け、導電体と接地との間の電流経路に流れる電流をそれぞれ計測して、各導電線の対地電圧を測定し、対地電圧の差として導電線間の線間電圧を非接触で求めることができる。
【００４７】
また本発明によれば、２つの導電線にそれぞれ導電体を絶縁状態で設けて、導電体間を流れる電流を計測して、導電体間の線間電圧を非接触で測定することができる。
【００４８】
また本発明によれば、導電体の形状および設置状況と周囲環境からの影響とを除去するように調整して係数を求めるので、非接触の電圧測定であっても測定精度を高めることができる。
【００４９】
さらに本発明によれば、導電線のまわりを導電線とは絶縁状態の導電体で覆うので、導電線と導電体との間にはコンデンサが形成され、導電線に印加される交流電圧に対応して電流が流れる。電流計測手段は、導電体を含む電流経路で電流値を計測し、演算手段は計測される電流値を予め設定される演算処理で電圧値に換算し、電圧測定結果を算出するので、導電線に印加される交流電圧を非接触で測定することができる。
【００５０】
また、係数求数手段を演算手段に接続し、電流計測手段が計測する電流を演算処理で電圧に換算するために用いる係数を、交流電圧のゼロクロス点を基準とした交流電圧と演算手段が出力する電圧値との位相比較、および交流電圧値と演算手段から出力される電圧値とのゲイン比較により求め設定することができる。係数求数手段を演算手段から取り外せば、導電線に印加される交流電圧を非接触で精度よく測定することができる。
【００５１】
また本発明によれば、微小な電流にも電流値に対応する信号を増幅手段で増幅し、ノイズ除去手段でノイズを除去するので、導電線のまわりに形成する導電体を通じて流れる微小な電流に基づいて、精度よく電圧を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態での非接触で電圧を測定するために必要な構成を示す図およびその等価的な電気回路図である。
【図２】図１の実施形態で、電線１０のまわりに導電体１３を巻き付けて静電容量が形成される状態を示す側面断面図および正面断面図である。
【図３】図１の基本的な考え方に基づいて非接触で電圧測定を行う非接触電圧計１６の概略的な電気的構成を示すブロック図である。
【図４】図３の非接触電圧計１６の演算手段１９で用いる係数を、係数求数手段２０を接続して設定する手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の他の形態としての非接触電圧計２６の概略的な電気的構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施のさらに他の形態として、２つの電線間で線間電圧を測定するための基本的な原理を示す図、およびその等価回路図である。
【図７】図６の考え方に基づいて線間電圧を算出する非接触電圧計３６の電気的構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の実施の各形態で非接触で電圧測定が可能な原理を示す図である。
【図９】従来からの電圧計測方法を示す電気回路図である。
【符号の説明】
１０，３０電線
１１，３１導電線
１２，３２電線被覆
１３，３３導電体
１４接地
１５，２５，３５計測手段
１６，２６，３６非接触電圧計
１７，２７増幅手段
１８，２８ノイズ除去手段
１９，２９演算手段
２０，４０係数求数手段
２２，４２直接電圧計測手段
２３位相比較手段
２４ゲイン比較手段

Claims

交流電圧が印加される導電線のまわりを、前記導電線と絶縁状態で覆うように形成される導電体と、
該導電体を含む電流経路で電流値を計測する電流計測手段と、
予め設定される演算処理で、電流計測手段によって計測される電流値を電圧値に換算し、電圧測定結果を算出する演算手段と、
前記導電線の電圧を直接計測し、その測定結果に基づいて、交流電圧のゼロクロス点を基準に該交流電圧と前記演算手段から出力される電圧との位相比較を行い、さらに前記交流電圧値と前記演算手段から出力される電圧値とのゲイン比較を行ない、前記電流計測手段によって計測される電流を電圧に換算するための係数を予め求めておく係数求数手段とを含み、
前記演算手段は、位相特性およびゲインの調整に利用可能な手段を有し、
前記係数求数手段は、前記演算手段に着脱可能であることを特徴とする非接触式電圧測定装置。
前記電流計測手段は、
前記電流値に対応する信号を増幅する増幅手段と、
該電流値に対応する信号からノイズを除去するノイズ除去手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の非接触式電圧測定装置。