JP6050309B2 - 高電圧測定システム - Google Patents

Description

本発明は、高電圧測定システムに関し、より具体的には、非接触、ケーブルベースの交流高電圧測定システムに関する。

概して、高電圧および中電圧伝送および分配システムにおける交流電圧の測定方法は、主として４方法、即ち、例えば電圧変成器が用いられる磁気的方法、分圧器を利用する、またはインピーダンスを用いるタップを利用する方法、ポッケルスセルおよび液晶等を利用する光学的方法およびフィールドミル、振動リード等を利用する機械的方法が存在する。さらに、これらの方法は、高および中交流電圧を測定するさらなる方法を提供するために組み合わせ可能である。

高電圧システムにおける電圧測定は、伝統的に、電圧変成器または容量結合性の電圧変成器を用いて行われる。これらのデバイスは大型かつ高価であり、多くの用途で広く用いることができない。さらに、これらの変成器はいずれも、高圧配線への直接的な接続を必要とすることから、必要な絶縁要件を保証するために大々的な安全予防策を講じる必要がある。

分圧器は、抵抗性または容量性を問わず、より低い測定精度でも受け入れられる場合に用いられる二流のデバイスである。抵抗性分圧器には、高圧配線へのガルバニック接続が必要とされるという欠点がある。しかしながら、容量性の分圧器は、高電圧に対する必要な絶縁が既存設備によって既に行われている場合に実装が可能である。

高電圧ケーブル上の電位を測定するための容量的方法は既知である。

独国特許出願公開第３７０２７３５号明細書には、ケーブル系に沿った任意の位置において線間電圧を測定できるように、ケーブル上へ容量性素子および容量性分圧器を構築するための方法が記載されている。この方法では、高電圧キャパシタの絶縁耐力がケーブル自体の導線絶縁によって決定され、これに続いて、ケーブル網における任意数の検査ポイントで電圧を連続して測定できるようにケーブル網の任意のポイントに特殊形状の接続スリーブまたはケーブル終端部を装着することにより分圧器を設置可能である。

しかしながら、この方法には、ケーブル内の電界がこれらの追加的構造体によって摂動される場合があり、よってその耐用寿命が、最新技術による中電圧ケーブルには存在する半導体層が不在であるために低減されるという欠点がある。［「半導体層」という用語は、技術上周知であるように、抵抗材料、典型的には炭素含有ポリマーを意味する。事例によっては、これは電圧の増加に伴ってその抵抗性が低下する非線形材料である場合がある。］最新の高電圧ケーブルは、このような層を用いてケーブルにおける電界の不連続性を防止することで信頼性を高め、かつより薄い誘電体を使用できるようにする。さらに、この方法は、全容量性の分圧器を基礎とし、よって、電圧ベースの出力をもたらす。さらに、このような方法は、水分汚染に対して、またはごく少量であっても接地導電性を高める他の任意の効果に対して極めて感受性が高い。これは、僅かな汚染であっても、実行される測定に重大な誤差が生じることを意味する。これにより、機械的構造の完全性は、デバイス寿命に渡る安定性保持にとって極めて重要なものとなる。

米国登録特許第５０５１７３３号明細書には、既存のケーブル上に、高電圧回路の近傍内で漂遊電界を検出するための容量性素子を構築するための方法が記載されている。容量性素子は、既存のケーブル上へ半導体層、および半導体層への接触層を追加することを含む。この装置は、鉱山発電所または電気室内部で、個々の絶縁導体によって接続される高電圧回路用に用いられる。これらの絶縁導体は、典型的には、周囲のいずれの導電層によっても遮蔽されず、よって結果的に、導体の高電圧加圧に関連づけられる電界は、ケーブル自体を超えて、他の相導体および発電所エンクロージャ（power centre enclosure）内の周囲接地面まで広がる。この場合、これらの漂遊電界は、高電圧導体が加圧されている視覚表示を提供するために用いられる。実際には、絶縁導体の回りにキャパシタが構築され、これによりガス放電ランプを介する接地までの高インピーダンス回路が提供される。キャパシタを介する電流は、高電圧回路が加圧されると放電管を輝かせるに足るものであり、よって、保全要員に可視的警告が提供される。

しかしながら、この方法には、半導体層および接触材料層が既存のケーブルへ付加されなければならない、という欠点がある。加えて、システムへは、接地式の静電スクリーンが全く組み込まれない。このため、近接機器および／または他の導体に起因する干渉が存在することになる。さらに、層の追加は、全体構造の精度および安定性に関する問題を生じさせる可能性があり、装置の長期安定性を予測不可能にする。さらに、記載されている装置の目的は表示デバイスを提供することであって、電圧測定が目的ではない。

米国登録特許第５０６５１４２号明細書は、既存のケーブル上へ容量性素子を構築する、米国登録特許第５０５１７３３号明細書に記載されたものに類似する方法を記載している。導体のフレア式断面は、縁における穏やかな電界分布を生み出すために提供される。予め決められた電圧でのアバランシェ降伏を特徴とするキャパシタおよびネオン管または他のガス放電管は、整流器と並列に接続される。場合により、圧電または他の音発生デバイスがネオン管と直列になっていることもある。中心導線がＡＣ１０００ボルト以上で加圧されると、共に絶縁に沿った外部シースの長さに依存する周波数で、管が発光しかつ任意選択の音発生器も起動する。

米国登録特許第４２４１３７３号明細書は、全て固定接地式支持構造体へ取り付けられる鋳造エポキシハウジング（cast epoxy housing）内に埋め込まれる、真空遮断器、変流器および容量性電圧センサを含むスイッチギアアセンブリ（switchgear assembly）について記載している。これには、関連の絶縁を有する高圧配線を含んでユニットをデバイスの鋳造体の一部として製造する必要があり、分離した容量性素子を後日実装することができない、という欠点がある。

米国登録特許第４７９４３３１号明細書には、電力分配システムのための回路状態監視システムが記載されている。この分配システムは、コネクタコンポーネント内の導体の故障電流または電圧損失の監視を提供する一体形成式検査ポイントを有するコネクタコンポーネントを含む。コネクタコンポーネントは、システム導体への、かつモジュールに動作電力を提供するための検査ポイントとして機能するためのモジュールへの容量的結合が可能な回路監視モジュールを含む。検出プレートは、容量カップリングを提供するためにコネクタ本体へ埋め込まれる。しかしながら、この装置には、既存の設備におけるその実装が、ケーブルコネクタおよびソケットの交換または追加を要するという欠点がある。

米国登録特許第４７９４３２９号明細書には、回路状態を表示するインジケータデバイスが記載されている。このインジケータデバイスは、インジケータデバイスがぶら下がっている高圧配線における故障電流の発生を検出する。このデバイスは、外向きに突き出す１対のケーブル係合部材をその上端に有するハウジングを含む。係合部材は、弾性の絶縁材料で製造され、かつその各々が、外向きに突き出すベース部分と、ケーブルに係合しかつこれをハウジングの後壁に当てて保持する内向きに突き出す端部分とを含む。インジケータデバイスの動作電力は、導体を囲む電界の電位勾配から、ハウジング内に導体と隣接して位置合わせされる金属板、およびハウジングの下端内の金属リングおよび導電コーティングによって導出される。

この装置では、機械的安定性が制限され、かつ静電スクリーニングは装備されず、よって、隣接する構造体との干渉および近接効果が著しく高まる。このデバイスは、測定値を決定するために用いられるのではなく、純粋に、デバイスが取り付けられる高圧配線における故障電流の存在の表示を提供するために用いられる。

米国登録特許第３５３８４４０号明細書には、既存ケーブルの内部に、ケーブル誘電体の表面準位より下に置かれる電極を備える容量性素子を構築するための方法が記載されている。これには、容量性素子を付加する間にケーブル誘電体に障害が発生する、という欠点がある。多くの場合、ケーブル誘電体は既に薄いため、誘電体におけるこのような外乱が安全に行われ得る所定の事例に適用可能性が限定される。本質的に、この方法は、出力電圧を一定に保つ手段に関するものであるが、測定デバイスの場合、これは望ましくない。

米国登録特許第４１２１１５４号明細書には、交流伝送線路内の電圧量を測定するために用いられる高電圧測定デバイスが記載されている。この測定デバイスは、使用の際に高圧線へ近づけられる関連の増幅器を有する容量性素子を用いる。電圧出力は、ＡＣ信号から変換されているＤＣ信号から導出して提供される。しかしながら、このデバイスは、多くのケーブル設備での使用には不適であり、かつその精度は、デバイスにより検出される電界を乱す環境要因に強く依存する。

米国登録特許第４０５２６６５号明細書には、既存のケーブル上に、ケーブル周囲にクランプされる同心電極で構成される容量性素子を構築するための方法が記載されている。絶縁導体へは、容量性のピックアップデバイスがクランプされ、導体における脈動高電圧の大きさの線形関数である測定可能な電圧が導出される。高電圧とは、内燃機関の点火系において遭遇するような約１５キロボルトから４０キロボルトまでである。

しかしながら、この方法には、クランプが電界の縁を管理せず、かつデバイスが絶縁導体へ永続的に接続される場合には経時的に誘電体の完全性について問題を引き起こし得る、という欠点がある。

既知の容量性電圧測定方法は、実際には、２つの要因に起因して機能しない。１つには、分圧器ベースの容量的方法は極めて汚染されやすく、もう１つには、最新のケーブルは、内部電界を不連続が生じないように保ちかつ誘電体の機能停止を防止するために薄い誘電体を用い、かつ電場勾配の制御に依存する。

独国特許出願公開第３７０２７３５号明細書 米国登録特許第５０５１７３３号明細書 米国登録特許第５０６５１４２号明細書 米国登録特許第４２４１３７３号明細書 米国登録特許第４７９４３３１号明細書 米国登録特許第４７９４３２９号明細書 米国登録特許第３５３８４４０号明細書 米国登録特許第４１２１１５４号明細書 米国登録特許第４０５２６６５号明細書

したがって、本発明の目的は、測定が行われるべき電気ケーブル全体を測定システムの一部として利用する、かつより精確な測定を達成することができる高電圧測定システムを提供することにある。

この目的は、請求項１に記載されている技術的特徴を示す高電圧測定システムによって達成される。

本発明によれば、少なくとも１つの中心導体と、前記少なくとも１つの中心導体を取り囲む第１の誘電体層と、前記第１の誘電体層を取り囲む半導体層と、前記半導体層を取り囲むケーブルシールドとを含む、絶縁された電気ケーブルの電圧を測定するための測定装置が提供される。本装置は、ケーブル周囲に配置される、半導体層へ接続される検出電極素子を備える検出電極アセンブリ（sensing electrode assembly）を備え、よって検出キャパシタは、半導体層により、絶縁電気ケーブルの少なくとも１つの中心導体および少なくとも第１の誘電体層と共に形成される。電気回路は、検出電極素子へ接続される。本装置はさらに、検出電極アセンブリの有効検出面積を画定するための装置を備える。電気回路は、電流モード信号調整回路（current-mode signal conditioning circuit）を備え、電流モード信号調整回路の入力は、検出電極素子へ接続されてケーブルシールドが接続される電流モード信号調整回路の回路基準電位を参照され、電流モード信号調整回路は、半導体層の寄生インピーダンスを、その入力インピーダンスをゼロへと能動的に駆動することにより補償するように配置される。

本発明は、高電圧または中電圧ケーブルの既存の構造体を、絶縁電気ケーブル上の電圧測定に用いられるセンサユニットのカップリングキャパシタの重要部分として用いる容量性カップリングを基礎とする。容量性カップリングの使用に起因して、電気導体ではガルバニック接触が不要である。本発明によれば、ケーブル構造は、特にケーブルおよびその付属要素の所定のセクションの固有のサイズ的および機械的安定性に関連して有利になるよう用いられる。

理想的には、既存の半導体層は、電界を平滑化するために用いることが可能であり、かつこれは、電界の一様性を提供すべく電極の縁をフレア（flare）にしなければならない機械的複雑さを排除する。

本発明の測定装置において、高電圧ケーブルは、既に導体および付属の絶縁を提供していることから、それ自体が測定装置の一部として利用される。電極アセンブリの形式であるセンサは、これらの既存の構造体の上部に構築され、故に、追加的な高電圧絶縁体を必要としない。したがって、センサを組み込む分離したユニットへ高圧接続部を追加製造する必要はなく、また高電圧導体自体と相互作用する必要もない。さらに、半導体層は原形を保つことができるため、ケーブル内部の電界の外乱は回避可能、または最小限に抑制可能である。

先行技術による幾つかの測定装置とは対照的に、本発明の測定装置は、ケーブル上へ固定式構造物を形成し、よって、電圧測定の達成を可能にすべく製造される一時的接続部の機械的安定性に関連するあらゆる問題を克服する。

本発明に従って用いられる電流モード信号調整回路は、検出電極素子から入力電流を取得し、かつ前記素子へ、典型的には接地されたケーブルシールドである効果的に選択された基準電位に対する理想に近いゼロオーム入力インピーダンスを提示する。この状態は、基準電位に対する入力電位差をゼロまたはゼロに近い電位へ能動的に駆動することによって達成される。この参照される電流入力信号調整をセンサと共に使用することにより、半導体層自体の高い導電性、汚れ、水分汚染、半導体層の経時劣化および半導体層における熱誘導性の導電性変化に起因する測定誤差を大幅に低減することが可能であり、かつこれにより、おそらくはセンサの機械的構造を単純化することができる。

第２の誘電体層は、好ましくは、少なくとも電極素子上へ置かれる。さらに、好ましくは、第２の誘電体層上へ静電シールドが置かれる。

ある実施形態において、静電シールドは、絶縁電気ケーブル上のシールドへ接続される。これにより、静電シールドの接地を提供することができる。

別の実施形態において、静電シールドは、絶縁電気ケーブル上にシールドを備え、これが、電気ケーブルおよび少なくとも電極素子を覆う第２の誘電体層上に及ぶ。静電シールドは、電気ケーブルのシールドを備えてもよい。

スクリーンされたケーブルをベースとして用いることにより、半導体層は、接地電位に近接する。これにより、大規模なシステム過渡の場合のシステムの電気的安定性および電子機器の残存力を増大することができ、かつ環境からの干渉が減少する。

ある実施形態において、検出電極アセンブリの有効検出面積を画定するための装置は、電極素子の両側に位置合わせされる第１および第２の追加的電極素子を備える。これは、検出電極素子の電気形状の画定を改良し、かつこれにより、有効検出面積をより精確に画定する。

ある代替実施形態において、検出電極アセンブリの有効検出面積を画定するための装置は、検出電極素子の両側で、ケーブルシールドの縁部分の周りに第１および第２のクランプデバイスを備える。

温度補償に関しては、検出電極素子と熱接合される、信号調整回路に関連づけられる適切な回路素子、例えば積分キャパシタが、電流モード動作で利用されてもよい。さらに、電極素子に関連づけられる温度センサが、単独で、または熱接合される回路素子と共に用いられてもよい。

効果的には、本発明の測定装置の電極素子への接続部が、多軸導体によって作られてもよい。

本発明およびその好適な実施形態は、既知の測定システムを凌ぐ下記の優位点のうちの１つまたはそれ以上を提供する場合がある。
1. 接地基準電流入力信号調整（ground-referenced current-input signal conditioning）
をセンサと共に使用することにより、半導体層自体の高い導電性、汚れ、水分汚染、半導体層の経時劣化、センサ素子と他の構造体との間の寄生キャパシタンスおよび半導体層における熱誘導性の導電性変化に起因する測定誤差を大幅に低減することが可能であり、これにより、センサの機械的構造が単純化される。
2. センサジオメトリ（sensor geometry）の熱誘導性変動、ひいては熱誘導性測定誤差の補正技術は、適切な回路素子によって、例えば熱接合積分キャパシタ（thermally joined integrating capacitor）によって容易に実装されてもよい。これらの技術は、変化する動作条件に対してデバイスの精度を大幅に向上させることができる。
3. 検出電極素子の電気形状は、検出電極素子の両側の追加的電極素子によって容易かつ精確に画定することが可能である。
4. センサは、最新技術による高電圧ケーブルの構造を最適利用する。ケーブル絶縁は、カップリングキャパシタの一次誘電体として用いられ、よって、センサの不可欠な高電圧絶縁は、自動的に達成することが可能である。
5. ケーブル上に存在する半導体層は、第２のキャパシタ電極の機械的安定性を補償するために用いられ、かつ、ケーブルの接地シールドへインピーダンスを提供することによってシステム過渡の間の過電圧保護を促進することができる。
6. 半導体層の存在は、単純で薄く、尖った電極の使用を可能にする。このような層がなければ、電極の縁をフレアにする必要があり、または他の措置を講じて滑らかな電界勾配を保証しなければならない。この層を保持することにより、ケーブル内の電界は、ほぼ非摂動状態に置かれることが可能であり、電極の縁が追加されることによる尖った電界勾配に起因する誘電体故障の危険性は低減する。
7. 本発明は、測定の安定性にとって極めて重要である既存の構造体を用いることから、センサの設置を大幅に単純化することが可能である。
8. 構造物を覆って、センサ素子を超えて広がりかつセンサ素子の両末端でケーブルシールドおよび半導体層の双方に接触する静電シールドを装着することにより、他のケーブル、機器および構造体に起因する電気的干渉および近接効果を大幅に低減かつ／または回避することが可能である。

次に、本発明をより良く理解するために、添付の図面を単に例として参照する。
あるケーブルセクションの端に構築される、本発明によるセンサを示す模式断面図である。 あるケーブルセクションに沿って構築される、本発明によるセンサを示す模式断面図である。 第１のセンサ電極の構造を示す略図である。 図３の第１のセンサ電極の構造に対応する回路図である。 接地基準電流モード調整ユニット（ground-referenced current-mode conditioning unit）が用いられる場合のセンサを示す簡易回路図である。 接地基準電流モード信号調整ユニット（ground-referenced current-mode signal conditioning unit）を示す模式図である。 電流モード動作の温度補償を示す模式図である。 第１のセンサ・シミュレーション・モデルを示す回路図である。 図８のセンサ・シミュレーション・モデルのシミュレートされた周波数応答を示すグラフである。 第２のセンサ・シミュレーション・モデルを示す回路図である。 図１０のセンサ・シミュレーション・モデルのシミュレートされた周波数応答を示すグラフである。 第３のセンサ・シミュレーション・モデルを示す回路図である。 図１２のセンサ・シミュレーション・モデルのシミュレートされた周波数応答を示すグラフである。 センサ電流モード・シミュレーション・モデルを示す回路図である。 図１４のセンサ・シミュレーション・モデルのシミュレートされた周波数応答を示すグラフである。 電流モードセンサのセンサ直線性を示すグラフである。 本発明による信号調整回路を示す。

特定の実施形態に関連し、かつ所定の図面を参照して本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。記載されている図面は、単なる略図であり、かつ非限定的である。図面において、幾つかの要素のサイズは、例示を目的として誇張され、縮尺通りに描かれていない場合がある。寸法および相対的寸法は、必ずしも、発明の現実の実施化に対応していない。

さらに、明細書本文および特許請求の範囲における第１、第２、第３、等々の用語は、類似の要素間を区別するために用いられるものであって、必ずしも、順序または発生順を説明するものではない。これらの用語は、適切な状況下では互換的であり、よって本発明の実施形態は、本明細書において説明または例示されるもの以外の順序でも動作することができる。

さらに、明細書本文および特許請求の範囲における上部、底部、より上、より下、等々の用語は、説明を目的として用いられ、よって必ずしも、相対的な位置を説明するためのものではない。このように用いられるこれらの用語は、適切な状況下では互換的であり、よって本明細書に記載される本発明の実施形態は、本明細書において説明または例示されるもの以外の方向性でも動作することができる。

さらに、様々な実施形態は、「好適な」と言及されるものでも、発明の範囲を限定するものとしてではなく、発明が実施され得る例示的方法として解釈されるべきである。

特許請求の範囲において用いられる「を備える」という言い回しは、その後に列挙される要素またはステップに制限されるものとして解釈されるべきではなく、これにより他の要素またはステップは排除されない。これは、言及される通りの記載された特徴、完全体、ステップまたは構成要素の存在を明示するものとして解釈される必要のあるものであるが、１つまたはそれ以上の他の特徴、完全体、ステップまたは構成要素、またはこれらのグループの存在または追加を除外するものではない。したがって、「ＡとＢとを備えるデバイス」という表現の範囲は、構成要素ＡおよびＢのみから成るデバイスに限定されるべきではなく、むしろ本発明の場合、デバイスの構成要素としてＡおよびＢが挙げられているに過ぎず、請求の範囲はさらにこれらの構成要素の等価物を含むものとして解釈されるべきである。

本発明による検出デバイスは、カップリングキャパシタの第１の部分を高電圧キャパシタへ実装するために、多くの最新の高電圧ケーブル内に存在する既存のケーブル構造体を用いる。ケーブルの中心導体は、第１のキャパシタプレートを形成し、ケーブル誘電体は、キャパシタの誘電体を形成し、かつケーブルの半導体層は、第２のキャパシタプレートを形成する。この第２のプレートの性能は、材料に金属導体またはその他半導体層より優れた他の導体を適用することによって向上しうる。この第２のプレートへは、接続部が作られる。既存のケーブル誘電体を用いることにより、このようなアセンブリの高価で安全な最重要部分、即ち高電圧絶縁が自動的に提供される。

上述のようなキャパシタは、誘電体層で覆われ、次に、誘電体層の頂部が、近傍の他の機器および電流伝送導体に起因する近接効果および電気的干渉等の環境による影響により測定品質が低減されることを防止するために静電シールドで覆われる。好ましくは、静電シールドは、キャパシタ断面の両側で半導体層へ付着される金属導体を備える。静電シールドは、接地されるケーブルシールドへ接続することも可能である。キャパシタ電極が金属断面で増強される実施形態において、シールド取付は、シールドの第２のキャパシタプレートへの直接的短絡または短すぎる半導体層断面を介する短絡を防止するために、金属断面の縁から幾分か距離を隔てている。あるいは、ケーブルシールドは、静電シールドと同様に用いることが可能である。

静電シールドは、第１のプレートが追加導体を有する、または有しない半導体層を備え、かつ第２のプレートが接地された静電シールドを備える第２の寄生キャパシタを形成してもよい。誘電体は、この実施形態において、装着された誘電体層を備える。このキャパシタが半導体層の、静電シールドのこの半導体層への取付ポイントから延びるセクションのインピーダンスに並行し、かつ金属導体の両端が半導体層に、または半導体層への取付ポイントに装着されることは留意されるべきである。

センサのこの構造において、キャパシタの有効サイズは、半導体層が存在する場合の検出電極素子の長さを超えて広がる。この有効サイズは、半導体層の特性、およびこれがケーブルシールド（基準電位）と電気接触する方法および場所の関数である。結果的に得られるキャパシタの有効サイズは、場合により、測定の結果的な精度および安定性を大幅に向上させる幾つかの方法でより良く画定されてもよく、本明細書ではこれを、検出電極アセンブリの有効検出面積を画定するための処理と称する。

提案する一方法は、検出素子の両側で半導体層を短距離に渡って中断するものである。そうすることにより、検出素子に、検出素子の各端における半導体層の個々の間隙までの延伸部を加えた機械的全長は、検出素子の電気的長さに等しい。半導体層の中断はケーブル内部の電界を乱すことから、結果的に生じる間隙は、正常な動作電圧に渡って高い抵抗率を保持しかつ過電圧状態の間は低い抵抗率に戻る非線形的抵抗材料で再充填されてもよい。したがって、ケーブル内部の電界分布の完全性は、異常な動作状態の間、こうした状態の間のセンサ精度を犠牲にして保全されてもよい。

他の方法は、検出電極の両側に２つの追加的な電極を提供することを基礎とし、これらの追加的電極の双方が基準電位へ、典型的にはケーブルシールドおよび／または静電シールドへ電気接続される。これらは、センサの好適な実施形態である。次に、キャパシタの有効サイズが、キャパシタセクションの金属部分、および両側のこの金属部分と半導体層への金属接点または接地接続部との間の距離の半分によって画定される。このような電極は、半導体層の頂部へ直に装着されることが可能である。あるいは、ケーブルシールドまたは静電シールドは、半導体層と直に電気接触するようにクランプされることが可能であり、同様の機能性が提供される。

本文において論じる電極はいずれも、概して金属として記載されているが、金属および特別調製ポリマー等の多くの異なるタイプの高導電性物質から製造され得ることは、容易に認識される場合がある。

本発明によるセンサは、ケーブルの半導体層の頂部に構築されることに起因して、ケーブル内部の電界は、事実上影響を受けない。半導体層の、高電圧導体に面する側は、損傷されないままでいることが可能である。これは、センサ内の静電シールドの可能性に起因するケーブルシールドの構造体に渡る連続性の可能性と相まって、ケーブル自体の機能に何の影響もないことを効果的に保証する。ケーブル誘電体を取り囲む構造体の不連続性は、経時的に、誘電体の品質を低下させかつ損傷およびフラッシュオーバの原因となり得る局所化された強い電界を生じさせる場合があることから、この点は重要である。

本発明によるセンサ構造物の別の優位点は、センサ装置の最も重要な大部分のカップリングキャパシタ素子の構築に既存のケーブル構造体が広く用いられることにある。これらの構造体は、導体周囲に互いに鋳造され、結果として全体が機械的に安定しかつ弾性的になる。この全体に手を加えることなく、検出キャパシタのキャパシタプレート間の臨界スペーシング（critical spacing）は良好に制御され、かつ機械的に安定している。さらにこれにより、センサの設置時間を大幅に短縮し、かつ接着の緩み、環境汚染または不適切な設置に起因する経時的な誤差および品質低下の機会も減少する。特に後者は、電界勾配および電位に起因する問題を生じさせ、結果的に誘電体の品質低下をもたらす場合がある。

構築の結果として、高電圧導体への十分に画定された小値カップリングキャパシタが生じる。このキャパシタは、次に、高電圧導体上の電位の測定値を入手するために、広範な回路と共に用いられてもよい。しかしながら、この好適な実施形態は、電流分割器と共に用いられる場合もされない場合もある接地基準電流入力信号調整デバイス（ground-referenced current-input signal conditioning device）となり、よって、カップリングキャパシタの第２のプレートは、正常動作の間、接地電位に、または接地電位に直近して保たれてもよく、かつ半導体層および第２のキャパシタのインピーダンスにより生成される負荷はごく僅かにしてもよい。半導体層および第２のキャパシタのインピーダンスは十分に画定されず、よって、これらが経時的に一定のままであることを保証するような配慮が必要である。電流ベースの方法を用いることにより、測定に関してこれらの要因は無視できるものとなる。しかしながら、これらの寄生コンポーネントは、過渡効果および帯電をそらすことから、幾分かの優位点を提供する。

また、温度補正技術も、センサ温度の直接的測定および信号調整における補正を介して、または信号調整における偏差を補正する温度依存素子を追加することによるいずれかによって追加されてもよい。後者の手法による１つの実装は、幾つかの形式の信号調整回路において必要とされる積分キャパシタを、これがセンサと熱接合されるように統合することによって達成されてもよい。適切なタイプ、またはタイプのコンビネーションを選ぶことにより、その熱依存性は、カップリングキャパシタンスの熱誘導変化を補償するように選択することが可能である。この適切性は、用いられる信号調整に依存する。両方法は、所望の要求性能に依存して別々に、または互いに共同して用いることが可能である。

以下の説明において、「同軸」という用語は、連続性のシールドが導体と同軸式に存在し、シールドと導体とがアイソレータにより分離されるケーブルを指す。

先に述べたように、「半導体層」という用語は、抵抗材料、典型的には炭素含有ポリマーを指し、または印加電圧の増加と共に抵抗率が下がる非線形抵抗材料を指す。最新の高電圧ケーブルは、このような層を用いてケーブルにおける電界の不連続性を防止する。これにより、信頼性は高まり、かつより薄い誘電体の使用が可能である。

以下の図面に関する詳細な説明において、各図における同一の要素には、同様の参照符号を付している。

本発明は、中電圧または高電圧ケーブル上へカップリングキャパシタを構築することに関する。このようなカップリングキャパシタを構築する場合、短い長さのケーブルを使用することができる。例えば、空間的制約に起因して、１ｃｍから５ｃｍまでの範囲内の長さが用いられる可能性もある。構築されるキャパシタは、効果的には、ケーブルの中心導体が内筒を形成しかつ追加電極が外筒を形成する同軸キャパシタである。構築されるキャパシタの誘電体は、これらの２筒間のケーブルコンポーネントによって形成される。実際のケーブルにおいて、誘電体は、２から３までの間の比誘電率を有し、かつ０．５ｃｍから１ｃｍまでの間の筒間スペーシングで、５ｐＦから２０ｐＦまでの間のキャパシタンスを有するカップリングキャパシタを提供することができる。典型的には、１５ｋＶまで定格される架橋ポリエチレン（ＸＬＰＥ）ケーブルで約１５ｐＦのキャパシタンスを達成することができる。しかしながら、このキャパシタンスは、その精確な値に関わらず、グリッドの基本波５０Ｈｚで用いるセンサを構築する場合に遭遇する寄生効果に比較すれば極小であり、よって、根本的な問題点は、相対インピーダンスのものにまで、即ち構造物における寄生素子のインピーダンスに対する５０Ｈｚでのカップリングキャパシタのインピーダンスにまで低減されることが可能である。図１には、構築されたカップリングキャパシタの一例が示されている。

キャパシタンス１５ｐＦの５０Ｈｚにおけるインピーダンスは、公式、
［式］

を用いて決定することができる。

ここで、Ｚはインピーダンスであり、ωは周波数であり、かつＣ_{ｃｏｕｐｌｉｎｇ}はキャパシタンスである。先に記載された値の場合、Ｚは２１２ＭΩとなる。これは、誘電体上の指紋、少量の水分および空気湿度、センサ構造物およびその誘電体の不完全性、配線および電極からケーブルシールドまでに起因する寄生キャパシタンス等の汚染効果に匹敵する極端に高いインピーダンスである。

寄生インピーダンスは信号調整において補正可能であることから、問題は、寄生インピーダンスが存在することではなく、その多くが未知でありかつ時変性である点にある、ということが認識されるであろう。これは、回路が寄生インピーダンスについて較正されるとしても、較正は経時的に精確さを保てないことを意味する。

これらの寄生インピーダンスの大部分が、印加電極と接地との間に位置決めされることは留意されなければならない。印加電極とケーブル中心導体との間で実際に重要である唯一の寄生効果は、誘電体の導電性である。これは、典型的には、ＸＬＰＥ等の最新のポリマー誘電体でおよそ数百ＧΩから数千ＧΩであり、よってグリッド基本波（grid fundamental）のカップリングキャパシタのインピーダンスの大きさの優に１０００倍である。また、最新の材料は、実際には存在しない水分に対して吸収性が極めて低く、その絶縁特性を劣化させる。したがって、実際には、大部分の状況で、誘電導電率を無視することができる。

構築されるカップリングキャパシタの熱安定性は、熱補正を信号処理に使用できるように、キャパシタ誘電体のジオメトリおよび誘電定数の熱誘導変化に忠実に追従する類のものである必要がある。これは、センサ環境と熱結合されると偏差を補償する、信号処理回路において適切に選ばれるコンポーネントの形式をとることができる。あるいは、システムの温度を監視し、補正に用いることも可能である。熱誘導のジオメトリ変化がセンサに与える影響は比較的少なく、よって、これらの変化は以下の想定、即ち、ジオメトリ変化は、主として主要構造体、即ちケーブル中心導体（アルミニウムであるものとされる）、誘電体（ＸＬＰＥであるものとされる）およびカップリングキャパシタ電極（銅であるものとされる）によって誘導される、という想定を用いて推定可能である。特定の膨張は、ケーブル長さに対して半径方向および軸方向の膨張である。これらの組合せがカップリングキャパシタに与える影響は、周囲温度の関数として表現することができる。２５℃で用いられる材料の線膨張係数の典型的な値は、元素アルミニウムで２３．１μｍｍ^−１Ｋ^−１、元素銅で１６．５１μｍｍ^−１Ｋ^−１、およびＸＬＰＥで２００１μｍｍ^−１Ｋ^−１である。

同軸キャパシタ構造体のキャパシタンスを制御する方程式は、次式によって与えられる。
［式］

ここで、Ｌは単位メートルの構造体長さであり、Ａは単位メートルの中心導体の外径であり、Ｂは単位メートルの外部電極の内径であり、ε_ｒは誘電体の比誘電率である。架橋ポリエチレンの場合、ε_ｒ＝２．２、およびε_０＝８．８５４２×１０^−１２Ｆｍ^−１、即ち真空の誘電率、である。

カップリングキャパシタンスの温度依存性の単純な近似式は、材料特性がこの温度範囲で一定のままであるものと想定して得ることができる。第１の部分は軸方向成分であって、上述のＬによって与えられる。ここで、銅筒を通って延びるケーブルは無限に長いものと考えられ得ることから、調査しなければならない唯一の部分は、ケーブルに装着される銅筒の軸方向長さである。
［式］

ここで、Ｌはセンサ素子の長さであり、Δｔは単位度の温度変化であり、σ_ｓは単位ｍｍ^−１Ｋ^−１のセンサ素子の熱膨張係数である。結果はＬΔ_ｔ、温度効果を含む単位メートルの素子の有効長さ、である。

温度変化が、温度平均を中心として５０℃の範囲が予期される配電変電所で典型的である±２５℃に渡り、かつ銅センサ素子の長さが５ｃｍである場合、０．０４％の軸方向長さ（および延てはキャパシタンス）の変化が得られる。

導出の第２の部分は、ＡとＢとの割合によって与えられる半径方向成分である。但し、Ａは単位メートルの中心導体の外径であり、Ｂは単位メートルの外部電極の内径であり、Δｔは単位度の温度変化であり、かつσ_ｃおよびσ_ｄは単位ｍｍ^−１Ｋ^−１の各々中心導体および誘電体の熱膨張係数である。結果的に得られる新たな割合（Ｂ／Ａ）_Δｔは、温度効果を包含している。但し、
［式］

である。

上述のキャパシタンスの方程式においてこれら２つの部分を組み合わせると、所望される温度変化に曝されるカップリングキャパシタの値の基本式になる。
［式］

これから、Ａ＝１８ｍｍおよびＢ＝２８ｍｍおよびセンサ素子の長さが５ｃｍである典型的な中電圧ケーブルに関して、平均温度を中心とする同じ±２５℃、合計５０℃の温度変化でのキャパシタンスを温度補償のないキャパシタンスと比較した変動は、０．９５％である。

この変動は、±２５℃の温度範囲に渡って±１％であり、多くのアプリケーションで容認できるものである。

ケーブル絶縁の誘電定数の熱誘導変化は、典型的には、ジオメトリ変動より遙かに重要である。しかしながら、これによる影響は、典型的なケーブル誘電体に関して周知であり、よって既に言及された方法で容易に補償可能である。

半導体層は、高い導電性を有し、典型的には、最新のケーブルで１ｋΩｃｍ^−１以下の値が得られる。この層は、極度に温度依存性でもあり、かつケーブル電圧に対する線形的または非線形的依存性を有し、よってセンサ構造物においてはほとんど知られていない。

この層は、ケーブル内部の電界の連続性、およびケーブル上へのカップリングキャパシタ電極の構築を保証するために、効果的には非摂動状態に置かれることから、ケーブルシールドおよび延ては接地へ接続されるこの層は、事実上、グリッド基本波のカップリングキャパシタの２１２ＭΩインピーダンスへの近似短絡を提供する。半導体層の抵抗が十分に画定されかつ安定していれば、このこと自体が問題となることはない。よってこれは、単に、センサ内に必要とされる電流分割器の一部となる。これらの問題は、後述するように、接地基準電流モード信号調整回路を用いることによって解決される。

本発明によれば、キャパシタは、ケーブル上へ、ケーブル自体の誘電体を用いて構築される。構築されるキャパシタは、接地への限流インピーダンスとしても用いられる場合がある。この電流は、積分後に、ケーブル導体上の電圧の測度となる。この場合、積分キャパシタは、その熱依存性を補正するためにカップリングキャパシタの温度依存性に整合するように選ばれてもよい。これは、これらのキャパシタンスとカップリングキャパシタとの間にサーマルリンクを必要とする。他の方法では、センサ温度の測定値を用いて間接的に熱誤差を補正する場合がある。

図１および図２には、本発明によるデバイスの構築が示されている。両図の相違は、センサ構造物の位置にある。図１では、構造物が端に近く、よってケーブルシールドを終端処理する必要がある。図２では、ケーブルの長さに沿ってデバイスが構築され、よってケーブルシールドはこれを覆って連続性である必要がある。

図１には、高電圧ケーブル１１０の一方の端１１２にセンサ１５０が位置決めされるセンサ装置１００が示されている。ケーブル１１０は、誘電体層１１６によって覆われるケーブル中心導体１１４を備える。誘電体層１１６の上には、半導体層１１８が存在する。端１１２では、半導体層１１８を覆ってケーブルシールド１２０も提供される。センサ１５０は、半導体層１１８上へ位置合わせされる検出電極１５２と、誘電体層１５８と、静電シールド１６０とを備える。静電シールド１６０は、電気接続部１６２によってケーブルシールド１２０へ接続される。

静電シールド１６０は、ケーブルシールド１２０の延長部を含んでもよく、かつこの場合、電気接続部１６２が不要となることは認識されるであろう。

また、任意選択の導体電極１６６、１６８も提供される場合がある。この場合、導体電極１６６、１６８は、各々検出電極１５２の両側に位置決めされる。これらの電極１６６、１６８は、検出電極１５２の、静電シールド１６０の接地抵抗に対する精細度を向上させるために用いられ、よって静電シールド１６０と電気接続される。

センサ装置１００は、検出電極１５２へ接続部１８２で示される電気接続部を、かつ静電シールド１６０へ接続部１８６で示される電気接続部を提供する同軸導体１８０を含む。

本発明の最も単純な実施形態では、検出電極１５２は不要である。この実施形態では、ケーブル１１０の中心導体１１４が第１のキャパシタプレートを形成し、ケーブル１１０の誘電体１１６がキャパシタ誘電体を形成し、かつケーブル１１０の半導体層１１８が第２のキャパシタプレートを形成する。半導体層１１８への電気接続部（不図示）は、任意選択である導体電極１６６、１６８の各位置から等間隔の位置に作られる。しかしながら、検出電極１５２の使用は、センサ１５０の性能を向上させる。

ケーブル１１０は、円形断面を有する円筒であることから、電極１５２、１６６および１６８および静電シールド１６０が好ましくは円筒として実装されることは容易に認識されるであろう。とはいえ、他の形状も使用可能であるが、センサ１５０の性能が劣化する結果となる場合もある。

誘電体層１５８は、好ましくは、任意選択の電極１６６、１６８とある程度重なり合って、半導体層１１８のこれらの電極と検出電極１５２との間のセクションが静電シールド１６０から適切に絶縁されることを保証する。

次に、図２を参照すると、センサ装置２００がケーブル１１０の一セクションに沿って位置決めされて示されている。ケーブル１１０およびセンサ１５０は共に、図１を参照して説明した通りのものであるが、この場合、センサ１５０は、連続するケーブルシールド２２０が提供され得るようにケーブルシールド２２０の下側に位置決めされている。電気接続部は、図１を参照して説明した通りに作られる。このようなセンサ装置２００は、測定ポイントが高電圧ケーブルのシールド長さに沿って挿入されることになっている場合に利用される。

図３には、簡易式のセンサ電極装置３００が示されている。装置３００は、半導体層の一セクションを覆って半導体層１１８の２つの部分３２０、３３０を露出させたままにする検出電極３１０を備える。ケーブルシールド３４０は、半導体層３２０、３３０の周りへ、検出電極３１０から遠隔に提供される。ケーブルシールド３４０は、接地される。

図４は、図３に示されているセンサ電極装置３００の、ケーブル１１０の中心導体１１４からケーブルシールド３４０までの等価回路４００を示す。抵抗器４１０、４２０は、半導体層３２０、３３０における、検出電極３１０とケーブルシールド３４０との間の個々のセクションを表す。キャパシタ４３０は、高電圧ケーブル１１０の中心導体１１４（図１および図２）と検出電極３１０との間に形成される主要な検出キャパシタを表し、かつキャパシタ４４０は、検出電極３１０とケーブルシールド３４０との間の寄生キャパシタを表す。

必要な唯一の要素は、ケーブル導体１１４へ接続されるキャパシタ４３０である。これは、ケーブル誘電体上へ検出電極の追加によって構築されるキャパシタである。しかしながら、この電極は、ケーブルシールドへ接続される半導体層の頂部へ構築される。半導体層のこの長さは、ケーブルシールド３４０を介して接地接続される抵抗器４１０および４２０によってモデリングされている。先に述べたように、半導体層は温度感受性が高く、かつその導電性は、センサデバイスの正常な動作範囲に渡って広く変わる。さらに、構造物の汚染も、抵抗器４１０、４２０にさらなる未知の可変性を追加する。実際には、抵抗器４１０、４２０の抵抗値は低く、典型的には数百オームである。グリッド基本波の場合、カップリングキャパシタ４３０のインピーダンスは何桁分も大きい。明らかに、抵抗器４１０、４２０上での寄生インピーダンスによる可変かつ未知の負荷は、センサデバイス全体の精度を大幅に下げる。

検出電極３１０とケーブルシールド３４０との間に接続されるキャパシタ４４０は、構造に依存し、よってキャパシタ４３０ほど十分には画定されない。キャパシタ４３０は、ケーブル誘電体１１６と、中心導体１１４と、半導体層１１８との間の密な結合によって、十分に画定されかつ厳格なジオメトリを有する。用いられる材料は低い温度係数を有することから、キャパシタ４３０は安定し、かつ十分に画定される。

抵抗器４１０、４２０およびキャパシタ４４０の影響は、精確な測定を達成するために補償されなければならない。図５には、接地基準電流モード信号調整ユニットと共用するための図４の簡易バージョン５００が示されている。ここで、信号調整は、大部分の寄生キャパシタンスを分路する、接地へのほぼ完全な短絡を提供する。高電圧ケーブル１１０の中心導体１１４、および接地されたケーブルシールド５１０が示されている。キャパシタ５２０は、導体１１４と検出電極（不図示）との間に接続される検出キャパシタを表す。抵抗器５３０は、ケーブル１１０の誘電体層１１６に起因する漏れ電流を表す。センサからの出力を表す電流出力５４０が示されているが、これは、ケーブル１１０の電圧を取得するために信号調整ユニット（不図示）により積分されなければならない。

図５において、抵抗器５３０は、先に記載していない、概して無視できる寄生インピーダンスを表す。効果的には、抵抗器５３０は、ケーブル１１０自体の誘電体層１１６の導電性に関連する。しかしながら、回路を図示されている簡易さまで縮約する主たる方法は、保護する方法、つまりこの場合は黙示的保護の方法である。センサの出力が接地へと短絡され、かつこの接続において重大な電圧上昇を引き起こすことなく電流を測定することが可能であれば、システムを損なう寄生コンポーネントは、もはや自身に電位がなくなり、よってその効果は、センサ応答から効果的に除去される。

実際には、このような回路は、電荷増幅器を用いて構築可能である。これは、電流モードで用いられるカップリングキャパシタに起因するデバイスの微分挙動を補償するために必要とされる積分関数も提供する。積分キャパシタが十分に選ばれ、かつセンサのカップリングキャパシタと熱連結されると、温度依存性の自動補正はすぐに達成される。実際の実装に関わらず、測定ポイントと接地されるケーブルシールドとの間に電位を誘発することなくケーブル電圧を測定する方法を提供するために、接地基準電流入力回路（ground-referenced current-input circuit）が必要とされる。これは、基本原理が後の図１４に示されかつ図１４を参照して説明される図６に示されている。信号調整ユニット上でゼロに近い電圧降下が維持される限り、図５に示す簡易化は有効である。

図６は、接地基準電流モード信号調整ユニット６００を示している。ユニット６００は、電流−電圧変換器６１０と、積分器６２０と、利得段６３０とを備える。これらの要素は、別々に記載されているが、これらのユニットが単一要素として組み合わされ得ることは認識されるであろう。変換器６１０には、積分器６２０へ入力される出力電圧信号６１５を提供する入力６０５が設けられる。変換器６１０が、電流出力も有し得ることは理解されるであろう。積分出力６２５は利得段６３０へ提供され、利得段６３０は、次に出力６３５を提供する。

センサの寄生キャパシタンスを打ち消すために必要とされる短絡の想定を保全するために、入力６０５上での電圧降下が可能な限りゼロに近いままであることは重要である。さらに、積分器６２０の精度およびドリフトは、全体精度にとって極めて重要である。したがって、アナログ処理よりもデジタル処理の方が有益である場合がある。

また、保護の使用を介する温度依存性は、カップリングキャパシタのキャパシタンスの変化に起因して低減されることから、温度補償もセンサへ容易に追加可能である。精確かつ一様に補正することがより重要でかつ遙かに困難である、寄生コンポーネントの変化は、センサ応答から効果的に除去される。

温度補償は、多くの方法で達成可能である。しかしながら、センサの場合、図７に示されている２つの極めて実際的な方法が即座に用いられ得る。第１に、単純にデバイス温度を測定することができるが、実際のセンサ自体を除く大部分の寄生コンポーネントは補償されることから、温度測定からの信号処理における読取り値しか補正する必要はない。より洗練されかつ経済的な第２の方法は、信号処理回路の熱可変コンポーネントをセンサ内に、センサの構造温度を共用し得るように、かつ補正を達成できるように置くことである。

電荷増幅器が用いられる場合、温度補償の選定は明白である。センサの分割比を直接設定する積分キャパシタは、その値がケーブル上に構築されるキャパシタと同じ比率で偏向するように、適切な熱特性を有して選定可能である。したがって、その比は同一のままであり、センサは効果的に温度を補償される。

図７には、電流モード動作のための２つの温度補償スキーム（temperature compensation scheme）を有するセンサ装置１１００が示されている。これらの２つの補償スキームは、併せて用いられても、別々に用いられてもよい温度センサと積分キャパシタとを備える。備えられる温度センサ１１１０の出力は、温度関連誤差を補正するために信号処理において用いることが可能である。温度センサ１１１０は、センサカップリング電極１１２０内に位置決めされる。電極１１２０は、半導体層の２つの領域１１３０、１１３５間に位置決めされる。電極１１２０は、信号調整ユニット内でセンサ出力を使用可能な信号に変換するために電荷増幅器と共に用いられる積分キャパシタ１１４０を備える。温度関連誤差は、キャパシタ１１４０をセンサカップリングキャパシタ電極１１２０と熱接合させ、かつそのタイプの選定を慎重に行うことにより、補正されてもよい。実際には、いずれか、または両方が用いられてもよい。

キャパシタ１１４０へは、シールド接続部１１４５が設けられ、かつ温度センサ１１１０へは、シールド接続部１１１５が設けられる。センサ電極１１２０へは、シールド接続部１１２５も設けられる。積分キャパシタ１１４０が利用されると、センサ電極１１２０へのシールド接続部１１２５も積分キャパシタ１１４０と電気接合される。実際には、温度センサまたは積分キャパシタのうちの一方だけが設けられるのであれば、３つのシールド接続部１１１５、１１２５、１１４５は全て単一のシールド・ケーブル・アセンブリ内、例えば三軸または同軸ケーブル内に接合されてもよく、その内部でこれらの電気接続部は各々他の接続部から遮蔽される。しかしながら、図７では、明瞭さおよび説明の容易さのためにこれらのシールド接続部が別々に示されていることは認識されるであろう。図７には、既存ケーブル（不図示）の接地シールド１１５０および装着シールド１１６０も示されている。装着シールド１１６０は、センサ装置１１００上に、装着シールド１１６０とセンサ装置１１００との間の絶縁（不図示）を伴って装着される。

温度補償に関連して、電界勾配制御を超えて半導体層を用いる優位点は、実際のケーブルにおいて、半導体層が典型的には誘電体層へ鋳造され、その結果、密な機械的結合が生じることにある。これを頂部へ構築することにより、センサジオメトリはより良く画定され、かつより容易にケーブルの熱膨張および収縮に追随する。さらに、カップリングキャパシタの構築に用いられる金属電極が、装着に不均一性を有していても、それが接触する半導体層は、有効キャパシタ筒が、実際には銅が接触する半導体層セクションであり、よって、常に滑らかで誘電体層に完全に付着されることを保証する。これにより、センサの機械的強化に関する要件が減少する。

ばね状または弾性の電極アセンブリの使用は、設置を容易にするために、かつ前記ケーブルの自由な熱膨張および収縮を許容しながら、その全体にケーブルと接触したままにするより良い容量を与えるために実装される可能性もある。構造物の下の半導体層は、機能的なキャパシタ筒導体として働き、一方でばね状または弾性の電極は、前記層との密な電気接触を保ち、半導体層へ導電性が十分な接触面を提供しかつさらに膨張／収縮に追随する十分な可撓性をも許容する働きをする。こうしたことが可能であるのは、半導体層の導電性がカップリングキャパシタのインピーダンスよりも高く、かつ半導体層の短いセクションに起因する追加抵抗を無視できるものとみなしうるからである。

半導体層の頂部に構築される容量性カップリングが遭遇する主たる問題点は、先に述べたように、グリッド基本波のカップリングキャパシタにより提供される極めて高いインピーダンス、および接地に際しての半導体層の高可変性インピーダンスである。

図８には、補償技術が実装されない場合に、半導体層（または汚染）がセンサに与える有害効果を例示するために、容量性分圧器の基本構造が示されている。図示されている電圧センサ回路１３００の理想化されたモデルは、１５ｐＦのキャパシタンスを有するカップリングキャパシタ１３１０を有し、カップリングキャパシタ１３１０は、１０ｋＶおよび５０Ｈｚで動作する電圧源１３２０から入力を受け入れる。カップリングキャパシタ１３１０からケーブルシールドへの寄生キャパシタンスは、キャパシタンス１３３０で表現され、かつこれは、典型的には１５０ｐＦである。負荷キャパシタ１３４０は、電圧分割比を設定するために用いられ、かつキャパシタ１３５０および抵抗器１３６０は、信号調整回路（不図示）の入力特性の公正な近似を表現する。負荷キャパシタ１３４０は、１５０ｎＦのキャパシタンスを有してもよく、キャパシタ１３５０は、１０ｐＦのキャパシタンスを有してもよく、かつ抵抗器１３６０は、１００ＭΩの抵抗値を有してもよい。

図９は、図１３の回路の周波数応答を示す。本図において、Ｘ軸の単位はＨｚであり、Ｙ軸は比Ｖ_ｏｕｔ／Ｖ_ｉｎを表し、かつ右側のＹ軸の単位は度である。性能は、広範な周波数範囲に渡って極めて良好である。この構成は、先に論じた独国特許出願公開第３７０２７３５号明細書に記載されている装置に密接に関連している。この点から開始して、センサ汚染および半導体層使用の問題を、図１０から図１３までを参照して説明する。

図１０は、幾分かの汚染が追加される以外は図８に等しい電圧センサ回路１５００を示す。この汚染は、抵抗器１５１０によって表現され、かつ１ＭΩの値を有する。この値は、構造体内の少量の水分の存在によって容易に取得可能である。図１１には、結果として劣化された周波数応答が示されている。軸のラベリングは、図９と同一であり、かつ縮尺も等しい。

汚染の補償は、汚染が通常未知であり、かつ時変性であり得ることから困難である。図１１に示されているように、僅かな汚染であってもセンサ精度を崩壊させることが容易に分かる。

さらに、図１２には、半導体層による効果が示されている。図１２は、図８の回路に等しい電圧センサ回路１７００を示しているが、半導体層の効果を表現する抵抗器１７１０が加わっている。抵抗器１７１０は、典型的には１ｋΩの値を有する。前記層は、極端なケースの汚染として考えられてもよい。この場合は、図１３に示されているようにひどく劣化されたセンサ応答が得られる。図１３において、軸のラベリングは図９と同一であり、かつ縮尺も等しい。先と同様に、半導体層の導電性は温度によって大幅に変わり、汚染追加の可能性もあることから、これらは共に時変性であり、よって補償は困難な可能性がある。

比較を容易にするために、図９、図１１および図１３で用いられている縮尺は同じである。しかしながら、後続の諸図面で用いられる縮尺は、異なる場合がある。

黙示的な保護技術を用いる電流モード動作が用いられる場合、図１４および図１５を参照して記載されかつこれらの図に示されているように、センサ性能の大幅な向上の達成が可能である。半導体層は、各事例において用いられる。

図１４には、信号調整回路を有するセンサ回路の理想化された電流モード実装１９００が示されている。この場合、センサ回路１９００は、黙示的保護を含む。また、顕著なセンサ寄生インピーダンスも示されている。この事例では、電荷増幅器を用いて接地基準電流入力信号調整が実装される。先に述べた図８、図１０および図１２と比較すると、負荷キャパシタ１９１０が、演算増幅器１９３０の周囲をベースとする積分器１９２０の一部として実装されている。キャパシタ１９４０、１９５０は、各々、寄生キャパシタンスおよび負荷キャパシタンスを表現する。抵抗器１９６０は、ケーブル誘電体導電性を表現し、かつ抵抗器１９７０は、半導体層の導電性を表現する。入力１９８０は、先に述べた図８、図１０および図１２のそれと同一である。この回路における積分も、ケーブル中心導体上の出力電圧のスケーリングされた逆バージョンである出力電圧を提供するために、カップリングキャパシタの微分効果を補償する。図１５には、軸のラベリングは図９と同じであるが、いずれも図９とは縮尺が異なる両側のＹ軸によって、シミュレーションの結果が示されている。センサ回路１９００は反転式であることから、１８０゜の位相オフセットが存在する点は留意されるべきである。しかしながら、センサ応答は、大幅に改善されている。

図１４および図１５を参照して先に述べたように、黙示的保護を用いる双方の電流モードは、実際のセンサにおける半導体層の使用を可能にする。

このようなセンサの実際の使用を検証するために、プロトタイプセンサを構築した。中電圧ケーブルセクションの半導体層の頂部に、電流モードプロトタイプを構築した。センサを、広範な周波数に渡り４００Ｖｐｐで検査した。センサは良好に機能することが示され、基本的なプロトタイプであっても良好な性能を示した。Ｄｒａｎｅｔｚ３０５（ＰＡ３００９、プラグイン）位相／振幅メータを用いると、さらに詳細な結果が得られた。取得された結果を、下表１に示す。

理想的には、位相誤差がゼロ、および振幅比が４０ｄＢ（１：１００００）であるべきである。

次に、デバイスを高電圧で評価した。この場合、励起は５０Ｈｚでのみ可能だが、それでも、電圧増加に対するデバイスの線形性を評価することができた。基準測定値にはＨａｅｆｅｌｙＤＭＩ５５１を用いたが、この比較のためにセンサ出力の較正は行わなかった。数百Ｖｒｍｓから８ｋＶｒｍｓまでにおいて、デバイスは、利用可能な計装の精度より高い（数パーセント）精度で良好に機能することが分かった。より高い入力値は、比較に用いた単純な調整用増幅器を飽和状態にし始め、基準値とセンサ値との間の理想の線形的関係性から曲線を偏向させることが分かった。この結果を図１６に示す。理想の線形的関係性からのこの偏向は、技術を限定するものではなく、単に特有のプロトタイプの実装および選定された分割比に過ぎないことは留意されるべきである。

図１７は、センサにより取得された信号を処理するための信号調整回路２０００を示す。これは、センサのカップリングキャパシタンスと組み合わされてケーブル上電圧のスケーリングされた逆数を産出する漏れのある積分器を実装する。

信号調整回路の入力における電圧は、ケーブルシールドの基準電位に可能な限り近いものであるべきである。これは、実際には、接地電位である。したがって、回路は、その入力上に、入力を介して流れる電流に起因する電圧を作り出さない。

回路は、入力としてカップリングキャパシタからの電流を取り込むことから、これは、入力インピーダンスが、入力上に電流の結果として電圧が生み出されないように、可能な限りゼロに近くなければならないことを意味する。さらに、回路はケーブルシールドの基準電位を基準としなければならない。実際には、回路は、これをミラー積分器により演算増幅器を基礎として達成する。上述の条件を有効にするためには、特定の周波数範囲に渡って少なくとも１０^６という高利得が必要とされる。さらに、回路の出力ドライバは、演算増幅器の負端子における仮想接地点でゼロ入力電圧状態が達成され得るように、入力電流に整合することができなければならない。これらの組合せ要件は、概して、市販の演算増幅器では実行が不可能である。そのＤＣ利得は、実際のところ、要求される利得を容易に超過するが、急速にロールオフして電力系の基本周波数およびこれを超えるものとしては不十分となる。

信号調整回路２０００は、２つの演算増幅器（ＯＰＡＭＰ）が利得、精度および駆動能力を結合して、結果的に本出願の電圧測定センサ用に良好なミラー積分器を実装するに足る利得および出力電流を有する利得段を生じさせる、複合増幅器の形式である。

基本的なミラー積分器は、要求される周波数において無限反転利得近似に可能な限り近いものであるに足るオープンループ利得を有する反転利得段を基礎とする。キャパシタを介するフィードバックは、積分器時定数に関連する。電流−電圧変換は、演算増幅器の負端子において得られる仮想接地上で発生する。通常、この入力は、抵抗器を介して信号源へ接続され、印加電圧を入力電流に変換する。この入力電流は、演算増幅器の出力から積分キャパシタを介して整合され、積分関数が産出される。図１７に示されている回路では、この抵抗器が省かれ、反転入力はカップリングキャパシタへ直に接続されて、電荷増幅器型回路がもたらされる。

図１７の回路において、利得段は、演算増幅器ＩＣ１およびＩＣ２で構成され、一方で積分器キャパシタはＣ５である。

基本的なミラー回路の第１の問題点は、実際のところ、増幅器は完全なオフセット電圧を保持し得ないことにある。増幅器の入力と出力との間には、常に小さいＤＣ電圧誤差が存在し続け、その結果、積分キャパシタにより積分される小さいＤＣ項が生じる。これにより、結果的に、増幅器が飽和するまで、このキャパシタ上でＤＣ電圧が増大する。したがって、この誤差電流を放電できるようにする漏れ経路が設けられる。伝達関数の観点から、その目的は、積分器のＤＣ利得を１より下に下げることであり、よって、ＤＣ項はＡＣ利得に影響することなく減衰される。

典型的には、この漏れ経路は、積分キャパシタＣ５と並行する単一の抵抗器によって実装される。しかしながら、これは、結果的に、この場合は基本電力周波数にとって不十分な低周波数性能をもたらす。実装は、Ｃ５に架橋する周波数依存Ｔネットワークを基礎とするものが利用される。コンポーネントＲ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｃ９およびＣ１０は、このネットワークを構成する。架橋されたＴは、「漏れ」が周波数依存となるように選ばれる周波数応答を有し、特定の電力系周波数において十分な利得が残ることが可能になる。

直観的には、このネットワークは、より高い周波数の場合、Ｃ９およびＣ１０で構成される単極キャパシタが効果的には短絡となり、ＴをＲ４、Ｒ５およびＲ６で構成される古典的な抵抗ケースへと縮小する、と理解されてもよい。この抵抗構造は、超高値インピーダンスを遙かに低い値の抵抗を用いて構成する手段として知られ、効果的には、通常の高値抵抗器が生み出すものより遙かに少ないノイズを生み出す抵抗増倍効果を達成する。この抵抗Ｔは、Ｃ５に並行し、Ｃ５は、これらのより高い周波数における比較的低いインピーダンスからＴの超高インピーダンスまで有する。その結果、Ｔが積分器伝達関数に与える効果は無視できるものである。

次に、低い周波数の場合、単極キャパシタＣ９およびＣ１０は、効果的には開路となり、Ｔの接地脚を開放する。その結果、Ｃ５は、これらの低周波数の場合のＣ５に比べて超低インピーダンスであるＲ４およびＲ５の直列結合のみによって並列されることになる。この場合、抵抗コンポーネントは、伝達関数に優越する。センサのカップリングキャパシタの超高インピーダンスと結合されて、積分器の全体利得はＤＣで１を遙かに下回り、よって、オフセットドリフトおよび付随する飽和の問題が排除される。

基本的なミラー回路に伴う第２の問題点は、より高い周波数には十分なオープンループ利得、並びに十分な出力駆動能力を達成することにある。特定の周波数の場合で１２０ｄＢを超える、この要求される高いＡＣ利得を取得するために、ＩＣ１およびＩＣ２を用いて複合増幅器が構築される。これらのパーツは、高いＤＣ精度、低ドリフト、低ノイズ、高利得および十分な出力電流を達成するために選ばれている。安定性は、低周波数でＲ２およびＲ３により８０ｄＢを提供するように設定されるＩＣ２の利得をＣ６のバイパスを介してロールオフすることによって保持される。

ダイオードＤ３およびＤ４は、入力過渡後の安定性を保持する支援を提供し、これらのイベントの間の飽和を防止するように複合増幅器を手助けし、かつ持続振動を回避しながら回復を大幅に加速する。こうした効果は、積分器キャパシタ上の電圧を両ＯＰＡＭＰの出力飽和を防止するレベルにまで制限することによって達成される。しかしながら、これらのダイオードは、この実行を部分的にその定格電圧より前に開始し、結果的に、回路へのより高い入力振幅に誤差を生じさせる。

ある試験で、回路を±５Ｖの対称電源で加圧した。より高い供給電圧、例えば±１５Ｖで回路を動作させ、かつ供給電圧に対するＤ３およびＤ４のツェナー電圧を例えば１２Ｖまで増大すると、実用に足る線形的入力範囲を保持しながら問題を解決できるであろう。

キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ７、Ｃ８は、演算増幅器用の電源バイパスキャパシタである。ダイオードＤ１およびＤ２は、増幅器の入力保護網を提供し、入力を、ダイオードの順電圧降下、約０．７Ｖにクリップする。最後に、Ｒ１は、積分器のＤＣドリフトを最小限に抑えるための複合増幅器のオフセットヌル調整であり、積分器漏れ網に対する要件の最小化を可能にする。

本発明を、半導体層および電流モード黙示保護技術（implicit guard techniques）の使用に関連して説明したが、これらの２技術を同時に用いる必要のないことは認識されるであろう。しかしながら、これらを組み合せて用いれば、著しい優位点が達成される場合がある。

電圧測定は、これまでに述べた具体的なセンサ装置を用いて達成することができるが、電圧が測定されるべき電気ケーブルの構造を利用する他のセンサ装置も実装可能であることは認識されるであろう。

Claims (13)

1. 少なくとも１つの中心導体（１１４）と、前記少なくとも１つの中心導体（１１４）を取り囲む第１の誘電体層（１１６）と、前記第１の誘電体層（１１６）を取り囲む半導体層（１１８）と、前記半導体層（１１８）を取り囲むケーブルシールド（１２０，２２０，３４０，５１０）とを含む、絶縁された電気ケーブル（１１０）の電圧を測定するための測定装置であって、
   前記絶縁された電気ケーブル（１１０）と、
   前記ケーブルの前記半導体層の周囲に配置される検出電極アセンブリであって、前記半導体層（１１８）上に位置合わせされるとともに前記半導体層（１１８）に接続される検出電極素子（１５０，１５２，３１０）を備え、検出キャパシタが、前記半導体層（１１８）により、前記絶縁電気ケーブル（１１０）の前記少なくとも１つの中心導体（１１４）および少なくとも前記第１の誘電体層（１１６）と共に形成される検出電極アセンブリと、
   前記検出電極素子へ接続される電気回路と、を備え、
   当該装置は、前記検出電極アセンブリの有効検出面積を画定するための装置をさらに備え、
   前記電気回路は、電流モード信号調整回路（６００）を備え、
   前記電流モード信号調整回路（６００）の入力（６０５）は、前記検出電極素子（１５２）へ接続されて前記ケーブルシールド（１２０）が接続される前記電流モード信号調整回路の接地電位を参照され、前記電流モード信号調整回路は、前記半導体層の寄生インピーダンスを、その入力インピーダンスをゼロへと能動的に駆動することにより補償するように配置されることを特徴とする測定装置。
2. 前記有効検出面積を画定するための前記装置は、前記検出電極素子（１５２）の両側に位置合わせされかつ前記半導体層（１１８）へ接続される第１および第２の追加的な電極素子（１６６，１６８）によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記有効検出面積を画定するための前記装置は、前記検出電極素子（１５２）の両側で前記ケーブルシールド（１２０）の縁部分の周りに第１および第２のクランプデバイスによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
4. 前記アセンブリは、少なくとも前記検出電極素子上へ置かれる第２の誘電体層（１５８）をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の測定装置。
5. 前記アセンブリは、第２の誘電体層（１５８）上へ置かれる静電シールド（１６０）をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の測定装置。
6. 前記静電シールド（１６０）は、前記ケーブルシールド（１２０）へ接続されることを特徴とする請求項５に記載の測定装置。
7. 前記静電シールド（１６０）は、前記電気ケーブルに沿って、かつ少なくとも前記検出電極素子（１５２）を覆う前記第２の誘電体層（１５８）上に広がる、前記絶縁電気ケーブルの前記ケーブルシールド（１２０）の一部であることを特徴とする請求項５に記載の測定装置。
8. 前記電流モード信号調整回路（６００）は、その入力（６０５）上で検出される入力電流を、前記少なくとも１つの中心導体（１１４）上の電圧を示す出力電圧（６１５）に変換するために提供されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の測定装置。
9. 前記電流モード信号調整回路（６００）は、積分キャパシタを有する電荷増幅器を備えることを特徴とする請求項８に記載の測定装置。
10. 前記積分キャパシタは、前記検出キャパシタの温度依存性が補償されるように前記検出キャパシタと熱連結されることを特徴とする請求項９に記載の測定装置。
11. 前記電流モード信号調整回路（６００）は、電流−電圧変換器（６１０）と、積分器（６２０）と、利得段（６３０）とを備えることを特徴とする請求項８に記載の測定装置。
12. 前記電流モード信号調整回路（６００）は、演算増幅器を基礎とするミラー積分器を備えることを特徴とする請求項８に記載の測定装置。
13. 前記電極素子に関連づけられる温度センサ（１１１０）をさらに備えることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の測定装置。

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