JP5727074B1

JP5727074B1 - 直流電圧検出器

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Publication number: JP5727074B1
Application number: JP2014115842A
Authority: JP
Inventors: 弘山田
Original assignee: Hasegawa Electric Co Ltd
Current assignee: Hasegawa Electric Co Ltd
Priority date: 2014-06-04
Filing date: 2014-06-04
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2034-06-04
Also published as: JP2015230214A; DE112015002634B4; DE112015002634T5; WO2015186485A1; US20170082664A1

Abstract

【課題】電力線のような絶縁被覆電線を被検出対象物とすることを可能にし、接地線が無くても直流電圧の有無を検出可能にする。【解決手段】筐体２３の内部に設けられた検知電極１１を被検出対象物２１に近接させることにより、被検出対象物２１における直流電圧の有無を検出する直流電圧検出器であって、被検出対象物２１と検知電極１１との間に形成される電極間浮遊静電容量Ｃ1と、筐体２３の内部シールド３０と大地との間に形成される対地間浮遊静電容量Ｃ2との間に、静電容量を可変することにより直流電圧に応じた交流電流を発生させる交流発生部１２を具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば電鉄沿線や一般家庭、工場などに設置された電力設備の充電部について、その充電部における直流電圧の有無を検出する直流電圧検出器に関する。

例えば電鉄沿線や一般家庭、工場などに設置された電力設備には、直流電圧が印加された充電部としての電車線や電力線がある。これらの電力設備では、保守点検や交換工事などの電気関係作業を停電中に実施する場合がある。この場合、電力設備の充電部における直流電圧の有無を判別した上で、電気関係作業を実施することにより、作業者の接触による感電事故を未然に防止するようにしている。

この電力設備の充電部における直流電圧の有無を判別する直流電圧検出器として、例えば特許文献１に開示されたものがある。この特許文献１に開示された直流電圧検出器は、電鉄沿線に設置された電力設備の充電部としての電車線（架線）における直流電圧の有無を検出する直流用検電器である。

この直流用検電器は、絶縁筒の先端部にフック状の検電金具を有すると共に絶縁筒の後端部から導出された接地線を有し、前述の検電金具に検出抵抗を介して接地線が接続され、前述の検出抵抗の端子電圧を測定することにより、電車線の直流電圧の有無を検出する検出部を具備したものである。

この直流用検電器の使用時、作業者は、絶縁筒の後端部から導出された接地線をレール等にアース接続した上で、絶縁筒の先端部にある検電金具を電車線に引掛け係止させる。これにより、電車線に引掛けられた検電金具を検出抵抗を介して接地線でアースし、その検出抵抗の端子電圧を検出部で測定することにより、電車線における直流電圧の有無を検出することができる。その電車線が充電状態であれば、検出部に付設されたランプまたはブザー等により作業者に報知するようにしている。

特開２００２−３７２５５３号公報

ところで、直流用検電器として使用される従来の直流電圧検出器では、その被検出対象物である電車線が裸線であり、裸線である電車線に絶縁筒の先端部にある検電金具を接触させるようにしている。このように、直流電圧検出器の被検出対象物としては裸線である必要があることから、電力線のような絶縁被覆電線を被検出対象物とすることが困難であった。つまり、電力線のような絶縁被覆電線について直流電圧の有無を検出しようとすると、絶縁被覆電線の絶縁被覆部分を除去して芯線に検電金具を接触させなければならないことになり、絶縁被覆部分を除去せずに絶縁被覆電線を被検出対象物とすることができないというのが現状であった。

また、接地系回路で構成された被検出対象物に対して使用される直流電圧検出器では、電車線が充電状態である場合にその電車線から検出部を介して大地へ流れる直流電流を検出するために接地線をアース接続する必要がある。つまり、直流電圧検出器の使用時、作業者にとって、絶縁筒の後端部から導出された接地線をレール等にアース接続する作業が必要である。この接地線をアース接続する作業が煩雑であり、作業性の向上を図ることが困難であった。

そこで、本発明は、前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、電力線のような絶縁被覆電線を被検出対象物とすることを可能にし、接地線が無くても直流電圧の有無を検出可能にし得る直流電圧検出器を提供することにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、筐体の内部に設けられた検知電極を被検出対象物に近接させることにより、その被検出対象物における直流電圧の有無を検出する直流電圧検出器であって、被検出対象物と検知電極との間に形成される電極間浮遊静電容量と、筐体の内部シールドと大地との間に形成される対地間浮遊静電容量との間に、静電容量を可変することにより直流電圧に応じた交流電流を発生させる交流発生部を具備したことを特徴とする。

本発明では、交流発生部で、静電容量を可変することにより被検出対象物における直流電圧に応じた交流電流を発生させる。この交流発生部に発生した交流電流が、交流発生部−対地間浮遊静電容量−被検出対象物−電極間浮遊静電容量−交流発生部で構成される閉ループ回路を流れることになる。これにより、交流発生部から出力される交流電流に基づいて被検出対象物における直流電圧の有無を検出することが可能となる。このように、電極間浮遊静電容量および対地間浮遊静電容量を通して交流電流が流れることから、電力線のような絶縁被覆電線を被検出対象物とすることが可能となり、また、直流電圧検出器の接地線も不要となる。

本発明における交流発生部は、検知電極の出力側に接続された可変コンデンサと、その可変コンデンサの静電容量を変化させる圧電素子とで構成されていることが望ましい。このように、交流発生部を可変コンデンサと圧電素子で構成すれば、圧電素子が持つ発振周波数での振動を可変コンデンサに付与することでその可変コンデンサの静電容量を変化させることができ、この可変コンデンサの静電容量を可変することにより交流電流を容易に発生させることができる。

本発明における内部シールドは、筐体の内部で検知電極を除く部位に形成された構成とすることが望ましい。このようにすれば、内部シールドと大地との間に形成される対地間浮遊静電容量を筐体容積の最大限まで大きくすることができるので、交流電流をより一層容易に発生させることができる。

本発明に係る直流電圧検出器は、接地系回路で構成されている被検出対象物に適用可能である。この場合、直流電圧検出器の接地線を必要としていた被検出対象物に対して、直流電圧検出器の接地線を不要とすることができる。また、本発明に係る直流電圧検出器は、非接地系回路で構成されている被検出対象物にも適用可能である。この場合、直流電圧の有無を検出することができなかった被検出対象物に対して、その直流電圧の有無を検出することが可能となる。

本発明によれば、被検出対象物と検知電極との間に形成される電極間浮遊静電容量と、筐体の内部シールドと大地との間に形成される対地間浮遊静電容量との間に、静電容量を可変することにより直流電圧に応じた交流電流を発生させる交流発生部を具備したことにより、その交流発生部から出力される交流電流に基づいて被検出対象物における直流電圧の有無を検出することができるので、電力線のような絶縁被覆電線を被検出対象物とすることが可能となり、直流電圧検出器の汎用性が向上する。また、直流電圧検出器の接地線も不要となるので、この直流電圧検出器を使用する電気関係作業における作業性の向上が図れる。

本発明の実施形態で、直流電圧検出器を示す回路構成ブロック図である。直流電圧検出器の筐体の内部構造を示す組立分解斜視図である。直流電圧検出器の筐体の内部構造を示す断面図である。可変コンデンサと圧電素子の一体構造例を示す組立分解斜視図である。可変コンデンサと圧電素子の一体構造例を示す断面図である。直流電圧が＋４００Ｖの場合について、（Ａ）は図１の同期検波回路の入力電圧を示す波形図、（Ｂ）は図１の同期検波回路の出力電圧を示す波形図である。直流電圧が−４００Ｖの場合について、（Ａ）は図１の同期検波回路の入力電圧を示す波形図、（Ｂ）は図１の同期検波回路の出力電圧を示す波形図である。直流電圧が０Ｖの場合について、（Ａ）は図１の同期検波回路の入力電圧を示す波形図、（Ｂ）は図１の同期検波回路の出力電圧を示す波形図である。本発明の他の実施形態で、直流電圧検出器を示す回路構成ブロック図である。

本発明に係る直流電圧検出器の実施形態を図面に基づいて以下に詳述する。

図１はこの実施形態における直流電圧検出器の概略回路構成を示す。同図に示す直流電圧検出器は、銅板などの導電性部材からなる検知電極１１と、その検知電極１１に接続された交流発生部１２である可変コンデンサ１３およびその可変コンデンサ１３に付設された圧電素子１４と、交流発生部１２を構成する圧電素子１４に接続された発振回路１５と、交流発生部１２を構成する可変コンデンサ１３に接続された電流電圧変換回路１６と、その電流電圧変換回路１６および発振回路１５に接続された同期検波回路１７と、その同期検波回路１７に接続された平滑回路１８と、発振回路１５、電流電圧変換回路１６、同期検波回路１７および平滑回路１８の各構成回路に接続された電源回路１９と、例えば電池などの電源２０とで主要部が構成されている。図１に示す実施形態は、被検出対象物２１が接地系回路で構成されている場合での直流電圧検出器の適用例である。

前述の検知電極１１は、例えば電力線や電車線などの被検出対象物２１との間で浮遊静電容量Ｃ₁（以下、電極間浮遊静電容量と称す）を形成する。交流発生部１２は、圧電素子１４を発振回路１５により駆動し、その圧電素子１４が持つ共振周波数で発生する振動でもって可変コンデンサ１３の静電容量を変化させるように構成されている。電流電圧変換回路１６は、可変コンデンサ１３から出力される交流電流を交流電圧に変換するように構成されている。同期検波回路１７は、電流電圧変換回路１６からの出力と発振回路１５からの出力とを同期させて検波するように構成されている。平滑回路１８は、同期検波回路１７からの出力を平滑するように構成されている。電源回路１９は、発振回路１５、電流電圧変換回路１６、同期検波回路１７および平滑回路１８の各構成回路に、電池に基づく電源電圧を供給するように構成されている。

以上で説明した交流発生部１２の可変コンデンサ１３と圧電素子１４、発振回路１５、電流電圧変換回路１６、同期検波回路１７、平滑回路１８および電源回路１９からなる各構成回路は、配線基板２２に実装される。この配線基板２２は、図２および図３に示すように、例えば樹脂などの絶縁材料で成形された筐体２３の内部に収容される。筐体２３は、上部ハウジング２４と下部ハウジング２５とで構成された二分割構造をなす。上部ハウジング２４と下部ハウジング２５とは、凹壁部２７に突壁部２６を嵌合させるようにして接着剤などにより接合一体化される。なお、図２および図３に示す筐体２３の二分割構造は、一つの構造例を示すものであって、他の構造例を採用することも可能である。

筐体２３において、短冊状の検知電極１１は、直流電圧検出器の使用時に被検出対象物２１と対向配置されるように筐体２３の突壁部２６の内面に接着剤などにより貼着固定され、配線基板２２に実装された可変コンデンサ１３に電気的に接続されている。筐体２３の上部ハウジング２４および下部ハウジング２５のそれぞれの内面には、銅などの導電性部材からなるシート状あるいは板状のシールド部材２８，２９が接着剤などにより貼着固定されている。上部ハウジング２４のシールド部材２８と下部ハウジング２５のシールド部材２９は、上部ハウジング２４と下部ハウジング２５とを接合一体化することにより、筐体２３の内部に配置された配線基板２２を囲撓する内部シールド３０を構成する。

この内部シールド３０は、検知電極１１を除く部位、つまり、その検知電極１１が貼着された下部ハウジング２５の突壁部２６および上部ハウジング２４の凹壁面２７を除くようにして形成されている。内部シールド３０は、配線基板２２に実装された電源回路１９に電気的に接続され、大地との間で浮遊静電容量Ｃ₂（以下、対地間浮遊静電容量と称す）を形成する（図１参照）。

また、交流発生部１２を構成する可変コンデンサ１３と圧電素子１４は、図４および図５に示すように、例えば樹脂などの絶縁材料で成形されたケース４４の内部に収容された一体構造をなす。ケース４４は、蓋状の上部ケース４２と台状の下部ケース４３とで構成された二分割構造をなし、上部ケース４２と下部ケース４３とは、接着剤などにより接合一体化される。なお、図４および図５に示すケース４４の二分割構造は、一つの構造例を示すものであって、他の構造例を採用することも可能である。

圧電素子１４は、絶縁性フィルム３１の裏面（図中下面）の中央部に一方の円形電極３２を形成すると共に、その円形電極３２の周囲に環形電極３３を形成することにより構成されている。一方、可変コンデンサ１３は、一方の電極３４が絶縁性フィルム３５の表面（図中上面）に形成された固定電極部３６と、この固定電極部３６に対して隙間を介して対向配置され、他方の電極３７が絶縁性フィルム３８の表面（図中上面）に形成された可動電極部３９とで構成されている。

固定電極部３６の一方の電極３４および可動電極部３９の他方の電極３７は、導電性部材を絶縁性フィルム３５，３８に蒸着するか、あるいは板状の導電性部材を絶縁性フィルム３５，３８に貼着することにより実現可能である。固定電極部３６の一方の電極３４の中央部からリード線４０が導出され、可動電極部３９の他方の電極３７の端部からリード線４１が導出されている。なお、図示の例では、可変コンデンサ１３および圧電素子１４は円形状をなすが、矩形状であってもよい。

可変コンデンサ１３を構成する一方の固定電極部３６は、一方の電極３４が形成された面を上にした状態で上部ケース４２に収納固定される。この固定電極部３６から延びるリード線４０は、上部ケース４２の上面から導出されて検知電極１１に接続される。また、可変コンデンサ１３を構成する他方の可動電極部３９は、他方の電極３７が形成された面を上にした状態で圧電素子１４の非電極形成面に貼着固定される。この可動電極部３９から延びるリード線４１は、上部ケース４２と下部ケース４３の接合部位から側方へ導出されて配線基板２２上で電流電圧変換回路１６に接続される。

可変コンデンサ１３の可動電極部３９が固定された圧電素子１４は電極形成面を下にした状態で下部ケース４３に収納固定される。下部ケース４３に設けられた２本のリード端子４５，４６のうち、一方のリード端子４５は圧電素子１４の円形電極３２に接続され、他方のリード端子４６は圧電素子１４の環形電極３３に接続される。下部ケース４３から導出された２本のリード端子４５，４６を配線基板２２に半田付けすることにより、その配線基板２２に可変コンデンサ１３および圧電素子１４が実装される。

図１〜図５に示すような回路構成、筐体２３および交流発生部１２の構造を具備する直流電圧検出器の動作について、図６〜図８の波形図を参照しながら以下に詳述する。図６は、被検出対象物２１が直流電圧＋４００Ｖの充電状態にある場合、図７は、被検出対象物２１が直流電圧−４００Ｖの充電状態にある場合を示す。このように、被検出対象物２１は、電極間浮遊静電容量Ｃ₁が形成される側が正極となる場合（図６参照）と、電極間浮遊静電容量Ｃ₁が形成される側が負極となる場合（図７参照）とがある。図８は、被検出対象物２１が直流電圧０Ｖの停電状態にある場合をそれぞれ示す。

この直流電圧検出器を使用するに際しては、筐体２３の突壁部２６の外側面を被検出対象物２１に近接させる。この時、被検出対象物への近接は、接触あるいは非接触のいずれであってもよい。これにより、筐体２３の突壁部２６の内側に設けられた検知電極１１がその筐体２３の突壁部２６を介して被検出対象物２１に対向するように配置される。この被検出対象物２１としては、電車線のような裸線だけでなく電力線のような絶縁被覆電線が適用可能である。検知電極１１は、裸線、あるいは絶縁被覆部分を除去した芯線に直接的に接触させる必要はない。

この使用状態において、図１に示す交流発生部１２では、発振回路１５から出力される発振周波数でもって圧電素子１４を駆動し、その圧電素子１４が持つ共振周波数（例えば４ｋＨｚ）での振動を可変コンデンサ１３に付与することでその可変コンデンサ１３の静電容量を変化させる。具体的には、図４および図５に示すように、圧電素子１４の電極３２，３３への通電によりその圧電素子１４に固定された可変コンデンサ１３の可動電極部３９を固定電極部３６に対して振動させることにより、固定電極部３６に対する可動電極部３９の離間距離を変動させることで可変コンデンサ１３の静電容量を変化させる。この可変コンデンサ１３の静電容量を可変することにより交流電流を発生させる。

この交流発生部１２で発生した交流電流は、交流発生部１２−電流電圧変換回路１６−電源回路１９−対地間浮遊静電容量Ｃ₂−大地−被検出対象物２１−電極間浮遊静電容量Ｃ₁−交流発生部１２で構成される閉ループ回路を流れることになる。このようにして、交流発生部１２の可変コンデンサ１３から出力される交流電流を電流電圧変換回路１６により交流電圧に変換する。この電流電圧変換回路１６から出力される交流電圧を同期検波回路１７により発信回路１５から出力される発振周波数で同期させて検波する。

この時、同期検波回路１７の入力電圧は、被検出対象物２１が直流電圧＋４００Ｖの充電状態にある場合は図６（Ａ）に示す波形となる。また、被検出対象物２１が直流電圧−４００Ｖの充電状態にある場合は図７（Ａ）に示す波形となる。さらに、被検出対象物２１が直流電圧０Ｖの停電状態にある場合は図８（Ａ）に示す波形となる。図６（Ａ）、図７（Ａ）および図８（Ａ）の波形は、同期検波回路１７での同期検波により半波のみが反転される。つまり、同期検波回路１７の出力電圧は、被検出対象物２１が直流電圧＋４００Ｖの充電状態にある場合は図６（Ｂ）に示す波形となる。また、被検出対象物２１が直流電圧−４００Ｖの充電状態にある場合は図７（Ｂ）に示す波形となる。さらに、被検出対象物２１が直流電圧０Ｖの停電状態にある場合は図８（Ｂ）に示す波形となる。

このようして得られた同期検波回路１７からの出力電圧を平滑回路１８で平滑（直流化）することにより、図６（Ｂ）、図７（Ｂ）および図８（Ｂ）の出力レベルでの被検出対象物２１の直流電圧を出力する。この平滑回路１８からの出力電圧に基づいて、図示しないが、平滑回路１８に接続されて筐体２３に設けられたランプあるいはブザーを作動させる。例えば、被検出対象物２１が直流電圧＋４００Ｖまたは−４００Ｖの充電状態にある場合には、ランプを点灯させたり、ブザーを鳴動させることにより作業者に報知する。また、被検出対象物２１が直流電圧０Ｖの停電状態にある場合には、ランプを消灯したり、ブザーを鳴動させないようにして作業者に報知する。

以上のようにして、交流発生部１２から出力される交流電流に基づいて被検出対象物２１における直流電圧の有無を検出することが可能となる。このように、被検出対象物２１と検知電極１１との間に形成される電極間浮遊静電容量Ｃ₁と、内部シールド３０と大地との間に形成される対地間浮遊静電容量Ｃ₂を通して交流電流が流れることから、電車線のような裸線だけでなく電力線のような絶縁被覆電線も被検出対象物２１とすることが可能となり、直流電圧検出器の汎用性が向上する。また、直流電圧検出器の接地線も不要となるので、この直流電圧検出器を使用する電気関係作業における作業性の向上、直流電圧検出器の小型軽量化も図れる。

また、内部シールド３０は、検知電極１１を除く部位、つまり、その検知電極１１が貼着された下部ハウジング２５の突壁部２６および上部ハウジング２４の凹壁面２７を除くようにして形成されていることから、配線基板２２に実装された各構成部品を外部ノイズから保護する機能だけでなく、その内部シールド３０と大地との間に形成される対地間浮遊静電容量Ｃ₂を筐体容積の最大限まで大きくすることができるので、交流発生部１２で交流電流を容易に発生させることができる。

なお、図１に示す実施形態では、被検出対象物２１が接地系回路で構成されている場合について説明したが、本発明は、被検出対象物２１が接地系回路で構成されている場合に限らず、その被検出対象物２１が中性点接地系回路や非接地系回路で構成されている場合についても適用可能である。図９は、本発明に係る直流電圧検出器を、非接地系回路で構成された被検出対象物２１に適用した実施形態を示す。なお、図９における直流電圧検出器の構成および動作については、図１に示す実施形態の場合と同様であるため、重複説明は省略する。

被検出対象物２１が接地系回路で構成されている場合には、従来のように接地線をアース接続することにより直流電圧の有無を検出することが可能であったが、この被検出対象物２１が非接地系回路で構成されている場合には、直流電圧の有無を検出することが不可能であった。これに対して、交流発生部１２を具備した本発明の直流電圧検出器を使用すれば、図９に示すように、被検出対象物２１の対地間浮遊静電容量Ｃ₃が電極間浮遊静電容量Ｃ₁よりも非常に大きいことから、被検出対象物２１が非接地系回路で構成されている場合でも、直流電圧の有無を検出することが可能となる。

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

１１検知電極
１２交流発生部
１３可変コンデンサ
１４圧電素子
２１被検出対象物
２３筐体
３０内部シールド
Ｃ₁ 電極間浮遊静電容量
Ｃ₂ 対地間浮遊静電容量

Claims

筐体の内部に設けられた検知電極を被検出対象物に近接させることにより、前記被検出対象物における直流電圧の有無を検出する直流電圧検出器であって、
前記被検出対象物と検知電極との間に形成される電極間浮遊静電容量と、前記筐体の内部シールドと大地との間に形成される対地間浮遊静電容量との間に、静電容量を可変することにより直流電圧に応じた交流電流を発生させる交流発生部を具備したことを特徴とする直流電圧検出器。
前記交流発生部は、前記検知電極の出力側に接続された可変コンデンサと、前記可変コンデンサの静電容量を変化させる圧電素子とで構成されている請求項１に記載の直流電圧検出器。
前記内部シールドは、前記筐体の内部で検知電極を除く部位に形成されている請求項１又は２に記載の直流電圧検出器。
前記被検出対象物は、接地系回路で構成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の直流電圧検出器。
前記被検出対象物は、非接地系回路で構成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の直流電圧検出器。