JP6161349B2 - 電線の導体電圧を測定するためのプローブを用いた低電圧測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、プローブ（検出素子）を用いた電線導体に印加された電圧の測定に関し、更に特定すれば、交流電圧が印加される電線導体の電圧を直接接触することなく測定可能とする非接触型プローブを備える測定装置、および当該プローブに係るプローブ構造に関するものである。

電線に印加される電圧を測定するための従来技術には、電線の電線絶縁被覆を破るなどして電線導体を露出させ、この電線導体に計測器を配線し、すなわち、プローブを電線導体に直接接触させることで電線導体との導通を得るとする接触型の電圧測定技術がある。

他方、従来技術にはまた、電線導体と計測器の配線を直接接続することなく非接触で測定可能とする非接触型プローブを用いた電圧測定技術も存在する（特許文献１）。このような非接触式電圧測定技術は、一般的に、電線導体の近傍にプローブ電極を配置し、プローブ電極と電線導体との間に容量結合を形成することにより、プローブに誘起される電位から導体電位を求めることができるとするものである。

このような非接触式電圧測定技術を採用した場合、接触式の電圧測定技術が抱えていた次の課題を解決できる点で有利なものとなる。すなわち、
１）電線導体と導通を得るために電線被覆を破壊する必要がある点、
２）動作中の機器の配線に対し、新たに接触式での測定を適用することができない点、
３）計測器が故障し、配線への通電を停止する必要がある場合に、プローブの取り外しが容易ではない点、および
４）計測用配線の短絡故障が原因で、測定対象の電線にも被害が及んでしまう点、
である。

さらには、非接触式電圧測定技術の場合、電線被覆を破壊することなく、例えば被覆にプローブを近接させるだけで測定可能なことから、安全性の面でも非常に優れている。
図１は、このような従来技術の非接触型プローブを用いた電線電圧測定についての概略図である。図示のように、測定対象である電線導体１１および電線被覆１２からなる電線１０の近傍にプローブ１５が非接触で配置される。これにより、電線導体１１とプローブ１５が容量結合される（キャパシタＣｘ）。ここでは、電線導体１１とプローブ１５間の容量結合を一定値に保つために、電線１０に対しプローブ１５を強固に固定する必要がある。また、電線１０と非接触型プローブ１５間のエア・ギャップの状態も測定に大きく影響することになる。この点、このような非接触型プローブ１５を用いる場合には、異物等の対策を施す必要がある。即ち、従来技術の非接触式電圧測定では、プローブを固定して設置するのに多くの手間を必要としていた。

これらの課題に対処するための先行技術では、例えば、加熱可能な型を用意し、電線被覆を熱変形させることにより、電線導体１１とプローブ１５間のキャパシタンスを一定値に保ち、且つ、異物の混入を防ぐこと等の特別な対策が必要であった（特許文献２）。

さらに、電線導体１１に対してプローブ１５の位置関係を固定するための先行技術として、クランプ型の検出プローブ構造についても考案されてきた（特許文献３）。特許文献３では、例えば、検出プローブをクランプ型にして、絶縁被覆された電線を挟み込むことにより固定し、電線との間に容量結合を形成している。加えて、特許文献４においても、電線の電線被覆の周囲を導電体で覆うことにより、導電線と導電体によるコンデンサを形成している。このようにプローブを形成することにより、手間をかけることなくプローブを固定して非接触式電圧測定を実施することが可能となった。

一方で、仮にこのようにして非接触式電圧測定を実施したとしても、測定対象である電線導体に印加された電圧について、図１のような電線導体１１とプローブ１５間のキャパシタンスＣｘの幾何学的形状に基づき算出を行うことは尚も困難であり、電圧測定には特別な測定回路を必要としていた。例えば、特許文献４では、入力部１は結合容量１２に対し、２つのコンデンサ１３，１４が結合され、スイッチ１５の切り替え動作を伴うように構成することが必要であり、また、特許文献５では、係数求数手段２０を設けて測定時に接続して静電容量を調整するように構成することが必要である。

特開１９９８−３３９７５４号公報 特開２００１−２２１８１３号公報 ２００３−２８９００号公報 特開２００２−５５１２６号公報

本発明は、このような従来技術が有する課題を解決すべくなされたものであり、交流電圧が印加される電線導体の低電圧測定について有利なプローブを用いる。特に、上記特許文献３，４に開示されるプローブは導電線と導電体に１つのキャパシタのみを形成しているのに対し、本発明の測定装置が備えるプローブは２つの導体板およびこれらの間の誘電体を備え、プローブ単体で１つのキャパシタを形成する。そして、プローブを電線の周囲に設置することで、電線とプローブにより構成される特性が異なる２つのコンデンサが直列的に配置される。

特に本発明の測定装置が備えるこのようなプローブは、構造上、電線への設置の点で有利なものであり、電線とプローブの位置関係を容易に固定可能とするのみならず、測定対象の電線電圧の測定を容易な計算式で実施することを可能とする。さらに、これにより、定常的な電圧計測を可能にする。

上記課題を達成するために、本発明は電線の導体電圧を測定するためのプローブを用いた低電圧測定装置を提供する。
本発明の一実施形態による測定装置は、当該プローブと、電位差センサと、電位差センサに結合される導体電圧算出手段とを備えており、電線が電線導体とその周りの電線被覆からなり、プローブが、内側導体板と、外側導体板と、内側導体板および外側導体板間のプローブ誘電体とを備え、内側導体板および外側導体板にそれぞれ接続される一対の端子を通じて電位差センサに接続可能に構成される。そして、当該測定装置において、プローブが電線の一部を覆うように内側導体板を電線被覆の表面の周囲の少なくとも一部に密着して構造されたときに、直列に配置される第１のキャパシタおよび第２のキャパシタを形成し、第１キャパシタが、電線導体、内側導体板、およびその間の電線被覆により形成され、ならびに、第２キャパシタが、内側導体板、外側導体板、およびその間のプローブ誘電体により形成される。

本発明の測定装置は、導体電圧算出手段において、導体電圧が、電位差センサを用いて測定される第２キャパシタにおける電位差と電線およびプローブの構造パラメータとの値のみに基づいて算出可能とすることを特徴とする。

また、本発明の実施形態による測定装置において、電線が円柱形状であり、かつ、プローブが電線と同軸状の円筒形状または部分円筒形状となるように形成される。そして、上記電線の構造パラメータが、電線導体径、電線被覆径および電線被覆誘電率を、ならびに、上記プローブの構造パラメータが、プローブ外径およびプローブ誘電率を含むことを特徴とする。さらに、本発明の実施形態による測定装置において、上記プローブが、可撓性を有しており、電線被覆の周囲の全部または一部に巻き付けて固定するように形成されることを特徴とする。

本発明の他の実施形態による測定装置では、１本の電線に対し、この電線に沿って特性が異なる２つの上記プローブが直列的に配置されるように構成される。そして、導体電圧算出手段において、プローブに電位差センサをそれぞれ接続して測定される各プローブの第２キャパシタにおける電位差と各プローブの構造パラメータとの値に基づいて電線の導体電圧が算出されることを特徴とする。

本発明の更なる他の実施形態による測定装置では、測定対象の１本の電力線と電力線に併設された低圧配線中の１本の接地線との２本の電線のそれぞれに上記プローブが配置されるように構成される。電力線に配置されたプローブの外側導体板と接地線に配置されたプローブの外側導体板とが相互に電気的に接続され、接地線におけるプローブの外側導体板を接地電位として作用させ、電力線におけるプローブの内側導体板に接続された端子と接地線におけるプローブの内側導体板に接続された端子とが電位差センサに接続される。そして、導体電圧算出手段において、電力線におけるプローブの内側導体板と接地線におけるプローブの内側導体板との間で形成されるキャパシタに印加される、電位差センサを用いて測定される電位差の値に基づいて、電力線の導体電圧が算出されることを特徴とする。

本発明の更なる他の実施形態による測定装置では、測定対象の２本の第１および第２の電力線のそれぞれに上記プローブが配置され、低圧配線中の１本の接地線が、第１および第２の電力線の間に、導体板が接地線の電線被覆の一部に密着するように配置される。第１電力線のプローブの外側導体板、接地線の電線被覆、および第２電力線のプローブの外側導体板が相互に電気的に接続されている。そして、電位差センサを用いて測定される、
第１電力線のプローブの第２キャパシタにおける電位差、第１電力線のプローブの内側導体および第２電力線のプローブの内側導体との間における電位差、ならびに第２電力線のプローブの第２キャパシタにおける電位差と、第１電力線、第２電力線およびこれらのプローブ、並びに接地線に係る構造パラメータから算出される、第１電力線のプローブの第１および第２のキャパシタのキャパシタンス、第２電力線のプローブの第１および第２のキャパシタのキャパシタンス、ならびに接地線における電線導体、電線被覆の導体板およびその間の電線被覆によって形成されるキャパシタのキャパシタンスと、に部分的に基づいて、導体電圧算出手段において、第１および第２の電力線の導体電圧がそれぞれ算出可能であることを特徴とする。

さらに、本発明の電線の導体電圧を測定するためのプローブ構造を提供する。このプローブ構造は、電線が電線導体とその周りの電線被覆からなり、プローブが、内側導体板と、外側導体板と、該内側導体板および外側導体板間のプローブ誘電体とを備え、内側導体板および外側導体板にそれぞれ接続される一対の端子を通じて電位差センサに接続可能に構成される。プローブが電線の一部を覆うように内側導体板を電線被覆の表面の周囲の少なくとも一部に密着して構造されたときに、直列に配置される第１のキャパシタおよび第２のキャパシタを形成し、第１キャパシタが、電線導体、内側導体板、およびその間の電線被覆により形成され、ならびに、第２キャパシタが、内側導体板、外側導体板、およびその間のプローブ誘電体により形成され、プローブが可撓性を有しており、電線被覆の周囲の全部または一部に巻き付けて固定するように形成されることを特徴とする。

図１は、従来技術の非接触型プローブを用いた電線電圧測定についての概略図である。 図２は、本発明の各実施形態による円筒形状のプローブ構造を示している。 図３は、本発明の各実施形態によるプローブ構造について、電線への固定方法を示す概略図である。 図４は、本発明の各実施形態によるプローブ構造の形状および電線への装着例について示している。 図５は、本発明の各実施形態によるプローブ構造の変形例について示している。 図６は、本発明の第１実施形態によるプローブ構造を用いて構成した測定装置（測定回路）を示している。 図７は、本発明の第２実施形態によるプローブ構造を用いて構成した測定装置を示している。 図８は、本発明の第３実施形態によるプローブ構造を用いて構成した測定装置を示している。 図９は、本発明の第４実施形態によるプローブ構造を用いて構成した測定装置を示している。 図１０は、本発明の第４実施形態による測定回路の等価回路を示している。

本発明の実施形態による電線導体電圧を測定するためのプローブを用いた測定装置について、以下に図２以降を参照しながら詳細に説明する。
まず、図２〜５を参照して、プローブにより形成される本発明のプローブ構造について、いくつかの変形例と共に説明する。

このようなプローブ構造の一例を図２に示す。測定対象の電線は円柱形状を有しており、プローブは、電線の周りに同軸状の円筒形状となるように密着して配置されプローブ構造が形成される。図２（ａ）は、このようなプローブ構造の斜視図であり、図２（ｂ）はその平面図、図２（ｃ）はその等価回路を示している。

図２（ａ）のとおり、電線１０は円柱形状の電線導体１１の周囲を電線被覆１２により被覆している。また、プローブ２０は、内側導体板２１、外側導体板２２、およびこれら内側導体板および外側導体板の間のプローブ誘電体２５を備え、プローブ２０それ自身でキャパシタ（Ｃ２）を形成するように構成されている。さらに、一対の測定端子２３，２４が内側導体板２１および外側導体板２２に接続される。この測定端子は、後述する電位差センサに接続される。

当該プローブ２０は、電線の一部（長さＬの電線部分）の周囲を覆うように内側導体板２１を電線被覆表面１２に密着して配置される。このように構造すると、当該プローブ２０と電線導体１０との間に直列に接続された２つのキャパシタＣ１およびキャパシタＣ２を形成して電線およびプローブ間の電圧を分圧する。

これらキャパシタについてより詳細に説明する。キャパシタＣ１は、電線導体、プローブの内側導体板、およびその間の電線被覆（絶縁被覆）から形成され、また、キャパシタＣ２は、プローブの内側導体板、プローブの外側導体板、およびその間のプローブ誘電体から形成される。そして、このようにして設けた２つのキャパシタは、直列的に接続されることになるため、これらキャパシタＣ１，Ｃ２に関する等価回路は図２（ｃ）のようになる。

このようなプローブ構造とすることにより、プローブを電線に固定させることができ、また、プローブと電線の幾何学的な構造も固定的なものとすることができる。これは、定常的な導体低電圧計測を可能とする点で有利である。

また、このプローブ構造により、次のような測定対象の導体電圧の算出を可能とする。ここで、図２（ｂ）に示すように、電線およびプローブの構造パラメータについて、電線の導体径ａ、電線の被覆径ｂ、プローブの外径ｃ、電線被覆の誘電率ε_１、プローブ構造体の誘電率ε_２とし、またプローブ長Ｌとする。

キャパシタＣ１，Ｃ２は同軸円筒状のキャパシタとして形成されることから、これらのキャパシタンスＣ_１，Ｃ_２は、

となる。また、これらは直列接続されることから、電線・プローブ間のキャパシタンスは、１／Ｃ＝１／Ｃ_１＋１／Ｃ_２を用いて計算される。すなわち、これらキャパシタンスは、電線およびプローブについての構造パラメータに基づいて算出されることが分かる。

そして、キャパシタＣ２に印加される電位差Ｖ_２、測定対象の導体電圧Ｖとすると、導体電圧Ｖは、Ｖ／Ｖ_２＝Ｃ_２／Ｃに上記を代入して整理することで、

として計算でき、測定対象の導体電圧Ｖは、この数式を用いることで算出可能となる。
上記数式（２）によれば、導体電圧Ｖは、キャパシタＣ２における電位差Ｖ_２（一対の端子２３，２４を介して接続された電位差センサを用いて測定される）と電線およびプローブについての構造パラメータとの値のみに基づいて算出可能となる。即ち、導体電圧Ｖの算出に際し数式（１）のようなキャパシタンスの算出が不要となる点で有利である。

次に、図３および図４を用いて、本発明の実施形態による上記プローブの形成および配置について説明する。図３は、電線にプローブを巻き付けて接着により固定する方法を示す概略図である。導体板（導体簿膜）２１，２２および厚さｄの誘電体２５からなるプローブ２０は可撓性を有するように形成され、図３に示すように、プローブ２０の内側導体板２１を電線被覆１２表面に密着させながら周囲の全部または一部に巻き付けるように固定して、プローブ２０が電線１０を覆うように配置することができる。

このようにして、図４に示すようなプローブ構造が、電線被覆表面上のプローブの内側導体板２１、プローブの外側導体板２２、およびこれらの間の誘電体２５からなるキャパシタを形成する。なお、図４（ａ）は、円筒形状のプローブ構造を示しており、他方、図４（ｂ）は、部分円筒形状のプローブ構造を示している。本発明の実施形態では、プローブ端子（２３，２４）に後述の電位差センサを配線して測定を行う。電位差センサの一例のポッケルス・センサは、電気回路を用いないため高インピーダンスなものとなる。この点、ポッケルス・センサとの接続が測定対象に与える影響は少ないものと考えられることから、図４（ａ）や（ｂ）に示すような形状にすることが可能である。また、実際には、図４（ａ）に示すプローブ構造はクランプ型として、図４（ｂ）に示すプローブ構造は嵌め込み型として製造および装着固定される。この他、電線被覆上に予め導体装着部分を設けておく等の対応によりプローブ形成の効率化を図ることも可能である。

次に、図５を参照して本発明の実施形態によるプローブ構造の変形例について説明する。
図５（ａ）では、電線導体５１ａが平型形状であり、その周囲を電線被覆５２ａにより被覆した平型平板型の電線に対し、プローブが電線の一部を覆うように内側導体板５３ａを電線被覆５２ａの表面に密着して配置され、プローブと電線導体との間に直列に接続された２つのキャパシタＣ１，Ｃ２を形成してプローブ・電線間のキャパシタンスを分圧するように形成される。ここでのプローブ構造は、図示のとおり平行平板構造であり、キャパシタＣ１およびキャパシタＣ２は、共に平行平板型キャパシタとして形成される。

平行平板型キャパシタの場合、電線およびプローブの構造パラメータについて、電線導体とプローブの内側導体板の距離ｄ_１、プローブの内側導体板とプローブの外側導体板の距離ｄ_２、電線被覆の誘電率ε_１、プローブ構造体の誘電率ε_２とし、またプローブ平板の面積Ｓとすると、キャパシタＣ１，Ｃ２のキャパシタンスＣ_１，Ｃ_２は、

となる。また、キャパシタＣ１，Ｃ２は、上記同軸円筒形状キャパシタと同様に直列接続されることから、キャパシタＣ２に印加される電位差Ｖ_２、測定対象の導体電圧Ｖとすると、導体電圧Ｖは、

と計算でき、測定対象の導体電圧Ｖは、この数式を用いて算出可能となる。
上記数式（４）によれば、測定対象の導体電圧Ｖは、キャパシタＣ２の電位差Ｖ_２（一対の端子２３，２４を介して接続された電位差センサを用いて測定される）と、電線およびプローブについての構造パラメータの値のみに基づいて算出可能となる。即ち、導体電圧Ｖの算出に際し上記数式（３）のようなキャパシタンスの算出がやはり不要となる。

他方、図５（ｂ）では、電線は平型形状の電線導体５１ｂのみを有し、絶縁被覆を有さない。この場合のプローブ構造は、平行平板構造として形成され、内側導体板５３ｂ、外側導体板５４ｂ、内側導体板５３ｂ上のプローブ誘電体５２ｂ、ならびに内側導体板および外側導体板の間のプローブ誘電体５５ｂを備える。そして、プローブが、電線導体の一部を覆うようにプローブ誘電体５２ｂを電線導体表面に密着して配置されて、プローブ構造が形成される。

このようなプローブ構造とすることにより、プローブと電線導体との間に直列に接続されたキャパシタＣ１およびキャパシタＣ２を形成してプローブ・電線間のキャパシタンスを分圧するように構成される。この例では、電線導体が平型形状であり、当該プローブが平行平板構造として形成されることから、第１キャパシタおよび第２キャパシタが、共に平行平板型キャパシタとして形成される。すなわち、キャパシタＣ１が、電線導体５１ｂ、内側導体板５３ｂ、およびその間のプローブ誘電体５２ｂから形成され、ならびに、キャパシタＣ２が、内側導体板５３ｂ、外側導体板５４ｂ、およびその間のプローブ誘電体５５ｂから形成される。

図５（ｂ）の場合も、図５（ａ）と同様にして測定対象の導体電圧Ｖが算出される。すなわち、上記数式（４）により、キャパシタＣ２における電位差Ｖ_２と電線およびプローブについての構造パラメータとの値のみに基づいて算出可能となり、やはり、上記数式（３）のようなキャパシタンスの算出は不要となる。

このように本発明の実施形態によるプローブ構造は、電線の一部を覆うように電線被覆の表面の少なくとも一部に密着して構造できるものであればよく、任意の電線の形状に応じて柔軟にプローブの形状を採用することができる。

上述したようないずれのプローブの形状を採用してプローブ構造を形成しても、従来の非接触式の電位差計測で必要とされた電線とプローブの位置関係の固定が容易になる。また、このようなプローブは電線に固定されるため定常的な計測を可能にする。さらに、プローブ単体で１つのキャパシタを形成し、電線とプローブにより構成される特性が異なる２つのコンデンサを直列的に配置することによって、電位の算出に必要な電線・プローブ間のキャパシタンスを幾何学的形状から求めることが可能になるのみならず、電線の導体径、電線の被覆径、プローブの外径、電線導体とプローブの内側導体板の距離、プローブの内側導体板とプローブの外側導体板の距離を含む、電線およびプローブについての構造パラメータを用いて、キャパシタＣ２における電位差Ｖ_２（一対の端子２３，２４を介して接続された電位差センサを用いて測定される）に基づき簡単に測定対象の導体電力の算出を実施できる。

そこで、以下の実施形態１〜４では、例えば図２に示した円筒形状のプローブ２０を１つ以上用いてその端子２３，２４を通じて当該プローブと電位差センサを接続し、また、導体電圧算出手段を用いて実際に低電圧測定を行うための測定装置（測定回路）について説明する。
第１の実施形態
図６は、図２に示した円筒形状のプローブを１つ用いて構成した測定装置に関する本発明の第１実施形態を示している。なお、以下では、本プローブの構造により形成されるキャパシタＣ２をピックアップ・キャパシタ、または単にピックアップと称することもある。

第１実施形態では、図６（ａ）のとおり、プローブの内側導体２１および外側導体２２が多重反射型ポッケルス電位差センサ６０に接続され、更に、プローブの外側導体２２を接地電位としている。当該多重反射型ポッケルス電位差センサ６０とは、電気光学効果（ポッケルス効果）を利用した光電位差センサのことであり、高インピーダンス測定器の一種である。

以下に、当該多重反射型ポッケルス電位差センサ６０の構成について簡単に説明するが、本発明の測定装置が備える電位差センサは、高インピーダンス測定器であれば如何なるものでもよく、光電位差センサや多重反射型ポッケルス電位差センサ６０に限定されないことは言うまでもない。

多重反射型ポッケルス電位差センサ６０は、対向する第１および第２の表面を有する光学結晶であって第１および第２の表面が光学研磨された光学結晶、光学結晶の第１または第２の表面の端部の近傍に配置される、この表面上に密着被覆される第１および第２の透明電極であって計測光が入射および出射される透明電極、ならびに、光学結晶の第１および第２の表面のうち第１および第２の透明電極以外の表面上に密着被覆される、反射ミラーとして機能する第１および第２の金属電極であって、電位差を計測すべき一対の被測定端子に接続される金属電極を備えており、第２透明電極から出射される計測光の強度に基づいて、一対の被測定端子の間の電位差を算出可能とすることを特徴とするものである。また、上記電位差センサは縦型変調方式の配置とすることができる。すなわち、出射される光の強度が、対向する第１および第２の表面に対する垂直方向の電界成分に基づいて変化する。本発明の実施形態では、例えばこのような多重反射型ポッケルス電位差センサ６０を採用すると、電磁無誘導性、電気絶縁性、広帯域性などの光測定の特徴を生かした測定を、素子サイズを大きくすることなく低電位差領域で実施をすることができる点で有利である。

本実施形態では、図６（ａ）のとおり、更に、この多重反射型ポッケルス・センサ６０から出射された計測光を光信号から電気信号に変換するためのＯ／Ｅ（光信号−電気信号）変換器６１、発振器６３、およびロック・イン・アンプ６２を備える。発振器６３は、ポッケルス・センサ６０とロック・イン・アンプ５７に結合され、電位差センサ６０に入射した計測光を変調すると共に、ロック・イン・アンプ６２に参照信号を供給するように構成される。ロック・イン・アップ６２は、このように変調および出射され、Ｏ／Ｅ（光信号−電気信号）変換器６１で電気信号に変換された計測光について、この発振器６３から供給される参照信号を用いて同期検波を行うように構成される。ロック・イン・アンプ６２の出力は、導体電圧算出手段６５に入力される。

図６（ｂ）は、図６（ａ）で示した本実施形態の測定装置の等価回路を示している。図示のとおり、本実施形態における測定は、測定対象電線・プローブ間の電位差をキャパシタ分圧して外部に取り出し、ピックアップ・キャパシタにおける電位差を測定する。これは、上記数式（２）を用いて説明した原理に基づくものである。導体電圧算出手段６５を用いて測定電圧を算出する。なお、測定を行う際には、ピックアップ・キャパシタＣ２のキャパシタンスをポッケルス・センサＣ３のそれよりも大きく設定する必要がある。

第１実施形態におけるこのような測定回路を用いて、電線構造およびプローブ構造の材質が測定に与える影響について評価する。ここでは、構造パラメータについて、例えば、電線の導体径ａ＝５ｍｍ、電線の被覆径ｂ＝８ｍｍ、プローブの外径ｃ＝１２ｍｍ、電線被覆の誘電率ε_１＝３、プローブ構造体の誘電率ε_２＝３とする。

上記数式（２）に基づけば、次のように評価できる。すなわち、
１）プローブ誘電体の厚さが変化した場合（すなわち、ｃ／ｂが変化した場合）には、測定電圧Ｖの値の変化量は、ｃ／ｂの変化量の約１／２０となる。このことは、プローブ誘電体の厚さが１ｍｍ変化したとしても測定電圧Ｖの値は０．３％程度しか変化しないことを示す。即ち、プローブ誘電体の厚さの変化の測定電圧Ｖへの影響は小さいものと考えられる。

２）また、電線の構造（導体径と被覆径のｂ／ａ）が変化した場合には、測定値Ｖの変化量は、ｂ／ａの変化量の約１／３となる。そして、電線の主要構造はＪＩＳ規格に定められていることから、電線設計による変化は小さいものと考えられる。実際に、電線構造の変化要因のうち主要なものである気温変化による体積変動の変化の影響について検討しても、銅の線膨張係数は、１６．６×１０^（−６）（ｍｍ／ｍｍ度）であることから気温差４０度での体積膨張は０．０７％程度であり、やはり測定電圧Ｖへの影響は小さい。

３）さらに、誘電比率が変化した場合（すなわち、ε_２／ε_１が変化した場合）には、測定値Ｖの変化量は、ε_２／ε_１の変化量の約１／４である。このことが測定電圧Ｖに与える影響はやはり大きくはないものと想定される。

このように、本発明の円筒形状のプローブ構造を１つ用いて構成した第１実施形態の測定装置は、電線構造およびプローブ構造の材質がもたらす影響を考慮しても、測定対象の電線導体電圧を適切に測定できるという点で有利である。

しかしながら、上記３）のε_２／ε_１が変化した場合について、電線被覆の誘電率ε_１はＪＩＳ規格による標準化がなされておらず、これは電線メーカに固有の値となる点に注意が必要である。一般的に仕様値が不明であることも多く容易に明らかにできるものでもない。上記数式（２）のとおり、本実施形態の測定方法は、ε_１の影響を少なからず受けるものであるから、本発明の円筒形状のプローブ構造を用いて、かつ、ε_１の値に依存することのない測定回路の構成についても検討すべきである。
第２の実施形態
このような観点から、本発明の第２実施形態では、電線被覆の誘電率ε_１の値に依存することなく測定対象の電線導体電圧を適切に測定するための測定装置を構成する。

図７は、図２に示した本発明のプローブ構造を用いて構成した測定装置について示している。図示のとおり、測定装置は、図２に示した本発明の円筒形状のプローブを２つ用いて構成される。２つのプローブ７１，７２は、それぞれ特性（特に誘電率）が異なるものを用意し、１本の電線上に当該電線に沿って直列的に配置される。２つのピックアップ・キャパシタは、それぞれ電位差センサに接続され電位差が測定される。

なお、第２実施形態の測定装置が備える多重反射型ポッケルス電位差センサ、Ｏ／Ｅ（光信号−電気信号）変換器、発振器、およびロック・イン・アンプは、第１実施形態のものと同様であるため、ここでは説明を省略する。

電線被覆の誘電率ε_１、２つのピックアップ７１，７２の誘電率ε_２１，ε_２２、ピックアップ７１，７２について測定される各電圧Ｖ_ＡＢ（１），Ｖ_ＡＢ（２）として、以下に、測定対象の電線導体電圧Ｖａの算出式について説明する。上記数式（２）に基づけば、ピックアップ７１，７２の各電圧Ｖ_ＡＢ（１），Ｖ_ＡＢ（２）は次の数式で表すことができる。

上記２つの式は、Ｖａおよびε_１を未知とする連立方程式と考えることができるので、これを解くことにより、電線導体電圧Ｖａについて、

と計算でき、電線導体電圧Ｖａは上記数式を用いて算出可能となることが分かる。なお、この算出は、導体電圧算出手段７５で行う。
この数式（６）からも明らかなように、本実施形態の測定装置を用いた測定方法では、電線被覆の誘電率ε_１をはじめとした電線の構造パラメータを用いることなく、各ピックアップに印加された電圧とこれらの構造パラメータとの値に基づいて電線導体電圧Ｖａが算出可能である。

また、上記数式（５）の連立方程式を解くことにより、電線被覆の誘電率ε_１についても、

と計算できるから、上記数式（７）を用いてプローブ接地時にε_１の値を算出し、この値を用いて１つのプローブによる上述した数式（２）から電線導体電圧Ｖａの値を算出することも可能である。
第３の実施形態
図８は、図２に示した本発明のプローブ構造を用いて構成した測定装置の第３実施形態を示している。第３実施形態では、一般的に、プローブ構造が電力量計として採用され、電力量計における低電圧測定に用いられることを考慮している。すなわち、本実施形態の測定装置は、本発明のプローブ構造を、電力量計に通常配置されている接地線を利用しながら適用するものである。

上記第１実施形態のプローブ構造ではプローブの外側導体を接地電位とする必要があったのに対し、本実施形態のプローブ構造ではこのような接地線を利用することにより、測定回路内に専用接地線を別途設ける必要がなくなるという利点を有する。

図８（ａ）に示すとおり、図２に示した本発明の円筒形状のプローブ８２，８３が、１本の電力線８０（ｐｏｗｅｒｅｄ ｌｉｎｅ）および低圧配線中の１本の接地線８１（ｇｒｏｕｎｄｅｄ ｌｉｎｅ）の双方に設置されている。そして、電力線に配置されたプローブの外側導体板と接地線に配置されたプローブの外側導体板とが相互に接続され、また、接地線の内側導体板を接地電位として作用させている。

なお、本実施形態で用いる測定装置が備える多重反射型ポッケルス電位差センサ、Ｏ／Ｅ（光信号−電気信号）変換器、発振器、およびロック・イン・アンプは、第１実施形態のものと同様であるため、説明は省略する。

図８（ｂ）は、本実施形態の測定回路の等価回路を示している。この等価回路からも分かるように、測定対象の電力線の導体電圧Ｖは、電力線に配置されたプローブの内側導体板と接地線に配置されたプローブの内側導体板との間で形成されるキャパシタに印加され、多重反射型ポッケルス電位差センサで測定される電位差に基づいて算出可能となる。具体的には、上記数式（２）と同様の計算式で算出することができる。

すなわち、図８（ｂ）に示した直列回路の３つのコンデンサの合成容量Ｃ_ｓは、次のように表わすことができる。

ここで、電圧Ｖが印加されている合成容量Ｃ_ｓに蓄えられる電荷量はＱ＝Ｃ_ｓ×Ｖで計算され、かつ、コンデンサＣ_２／２の両端の電位差は、Ｖ_ｂ＝Ｑ／Ｃ_２／２で計算されることから、これらをまとめて整理すると、上記数式（２）と同じ数式が導き出される。

なお、この算出は、導体電圧算出手段８５で行う。
第４の実施形態
第４の実施形態は、更に、図２で説明したプローブ構造を単相三線式の電力量計に適用した場合の測定装置である。上記第３実施形態同様、測定装置に専用接地線を別途設ける必要がない点で有利である。

図９および図１０は、図２に示した本発明のプローブ構造を用いて構成した測定装置に関する第４実施形態を示している。図９（ａ）に第４実施形態による測定装置の構成を示す。図示のとおり、２本の測定対象の電力線９０，９１のそれぞれに本発明の円筒形状のプローブ９３，９４が配置されている。

また、低圧配線中の１本の接地線９２が、これら２本の電力線９０，９１の間に配置さており、プローブ９３の外側導体板、接地線９２の電線被覆に密着して配置された導体板９５、およびプローブ９１の外側導体板が相互に電気的に接続されている。なお、この接地線９２は、電力量計に通常配置される接地線を利用したものであり、本測定のために特別に専用の接地線を設けていない点に留意すべきである。

図９（ｂ）は、本実施形態の図９（ａ）に示した本発明のプローブ構造を用いた測定装置に関する平面図である。電位差Ｖ_２，Ｖ_２’，Ｖ_ｍは、例えば第１実施形態で説明した多重反射型ポッケルス電位差センサを用いて測定するのがよいがこれに限定されない。本実施形態では、これら測定される電位差Ｖ_２，Ｖ_２’，Ｖ_ｍの値に基づいて測定対象の電力線９０，９１の電圧Ｖ，Ｖ’を算出可能とする。

図１０（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態による測定装置の等価回路を示している。
図１０（ａ）のＣ_１Ａ，Ｃ_１ＢおよびＣ_１Ｎは、それぞれ電線被覆にしたがって形成されるキャパシタのキャパシタンスを示しており、またＣ_２は、プローブの内側導体板、プローブの外側導体板、およびその間のプローブ誘電体から形成されるキャパシタのキャパシタンスを示している。

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示される点Ｐを中心としたＹ結線の等価回路を示している。この構成から、キャパシタンスＣ_３ＡおよびＣ_３Ｂは、次の式で計算される。

また、図１０（ｃ）は電力線を含むＹ−Ｙ結線の等価回路を示している。点Ｐにおける電位Ｖ_ｐは、図１０（ｃ）における電源側中性点Ｎと負荷側中間点Ｐの間の電位差Ｖ_ＮＮ’を考慮すると、次のように表わすことができる。

Ｖ_２はＶ−Ｖｐを容量Ｃ_１ＡとＣ_２で分圧した値であり、また、Ｖ_２’は、−Ｖ’-Ｖ_ｐを容量Ｃ_１ＢとＣ_２で分圧した値となることから、すなわち、

のようにまとめることができる。
さらに、Ｖ_ｍ＝Ｖ_２−Ｖ_２’の関係から、Ｖ_ｍを計算および整理してＶおよびＶ’についてまとめ直すと次のような計算式になる。

上記数式（８）からも分かるように、Ｖ_２，Ｖ_２’およびＶ_ｍの係数はいずれも各測定素子のキャパシタンスのみで構成されており、これらキャパシタンスは、構造パラメータに基づくものである。すなわち、これらは幾何学的形状から一意に計算可能である。

したがって、測定対象の電線電圧ＶおよびＶ’は、測定した電位差Ｖ_２，Ｖ_２’およびＶ_ｍの値ら決定することができる。
さらに、測定対象の各電線９０，９１の構造が等しく単位長さ当たりのキャパシタンスが等しいと仮定すると、以下の関係が成り立つ。

上記数式を用いて数式（８）のＶおよびＶ’を再度整理し直すと、最終的に以下のように整理できる。

再び図９（ｂ）を参照すると、Ｖ_ｍ＝Ｖ_２−Ｖ_２’であるから、Ｖ’をＶ_２とＶ_ｍの値から計算することも可能であることが分かる。これは、数式（８）や数式（９）以外にもＶ’を算出できることを意味している。すなわち、このように複数の方法から得られる値を比較することを通じて、Ｖ’の算出値の精度向上を図ることが可能になる。

産業上の利用分野

本発明の実施形態による低電圧測定装置に用いられるプローブの特徴は、プローブが２つの導体板およびこれらの間の誘電体を備えており、プローブ単体で１つのキャパシタＣ２を形成し、このようなプローブを電線の周囲に設置することで、電線の周囲に２つのキャパシタＣ１，Ｃ２を直列に配置する構造を持つ点である。特に、電線を対象とすることで、キャパシタＣ１の誘電体は電線被覆そのものとなる点が利用できる。このようにして構成されるプローブは、電線外側表面に固定することができるので、既に配線が終了し使用中の電力線に対しても停電や被覆除去を行うことなくプローブを設置し電圧計測を行うことが可能となる。さらには、定常的な観察も容易に実施可能である。このことから、本発明の測定装置は、家庭用電圧に対する低電圧測定装置として有効なものと言える。

より具体的には、本発明の実施形態による測定装置に用いられるプローブ構造は、クランプ型のＣＴ素子やホール素子と併用して非接触の電力量計を構成できる。これにより既存の配線を切断、破壊等をすることなく、また、通電を停止することなく着脱可能な電力量計を構成ことができるようになる。さらに、設置時の電気工事に伴う工事者の電気工事士資格も必要ではなくなり、短期間の計測や電力量モニタ箇所の増設に対応可能なものとなる。

また、このような測定装置を用いて、非接触で電流、電圧および位相を測定することができるコンパクトな非接触ハンディ電気量測定装置を構成することができる。
さらに、周波数特性の良い高インピーダンスの測定器を用いて測定することにより、非接触でのＰＬＣ通信信号の検出も可能になる。特に、危険エリアでの電気量測定装置に応用することができ、採掘現場や危険物貯蔵所での計測装置（光ファイバを使用し電気回路の要らないセンサとする）を構成でき、高圧電線下や変電所周辺の環境測定にも利用できる。

以上、図面を参照して本発明を詳細に説明したが、上記の説明は例示的な目的でなされたものであり、特徴を限定することを意図するものではない。上記の説明は、単に好適な実施形態を示し説明するためのものであって、本発明の技術的範囲内のすべての変更及び変形は、保護されるべきものである。

電線 １０
電線導体 １１，５１ａ，５１ｂ
電線被覆 １２，５２ａ，５２ｂ
プローブ １５，２０，７０，７１，８２，８３，９３，９４
内側導体板 ２１，５３ａ，５３ｂ
外側導体板 ２２，５４ａ，５４ｂ
プローブ誘電体 ２５，５５ａ，５２ｂ，５５ｂ
端子 ２３，２４
多重反射型ポッケルス電位差センサ ６０
Ｏ／Ｅ（光信号−電気信号）変換器 ６１
発振器 ６３
ロック・イン・アンプ ６２
電力線 ８０，９０，９１
接地線 ８１，９２

Claims (2)

1. 電線の導体電圧を測定するためのプローブを用いた低電圧測定装置であって、前記プローブと、電位差センサと、該電位差センサに結合される導体電圧算出手段とを備えており、
   前記電線が電線導体とその周りの電線被覆からなり、
   前記プローブが、内側導体板と、外側導体板と、該内側導体板および外側導体板間のプローブ誘電体とを備え、前記内側導体板および前記外側導体板にそれぞれ接続される一対の端子を通じて前記電位差センサに接続可能に構成され、
   前記プローブが、前記電線の一部を覆うように前記内側導体板を前記電線被覆の表面の周囲の少なくとも一部に密着して構造されたときに、直列に配置される第１のキャパシタおよび第２のキャパシタを形成し、
   前記第１キャパシタが、前記電線導体、前記内側導体板、およびその間の前記電線被覆により形成され、ならびに、前記第２キャパシタが、前記内側導体板、前記外側導体板、およびその間の前記プローブ誘電体により形成され、
   測定対象の１本の電力線と該電力線に併設された低圧配線中の１本の接地線との２本の電線のそれぞれに当該プローブが配置されるように構成され、
   前記電力線に配置された前記プローブの外側導体板と前記接地線に配置された前記プローブの外側導体板とが相互に電気的に接続され、
   前記接地線におけるプローブの内側導体板を接地電位として作用させ、
   前記電力線におけるプローブの内側導体板に接続された端子と前記接地線における前記プローブの内側導体板に接続された端子とが前記電位差センサに接続され、
   前記導体電圧算出手段において、前記電力線における前記プローブの内側導体板と前記接地線における前記プローブの内側導体板との間で形成されるキャパシタに印加される、前記電位差センサを用いて測定される電位差の値に基づいて、前記電力線の導体電圧が算出されることを特徴とする、低電圧測定装置。
2. 電線の導体電圧を測定するためのプローブを用いた低電圧測定装置であって、前記プローブと、電位差センサと、該電位差センサに結合される導体電圧算出手段とを備えており、
   前記電線が電線導体とその周りの電線被覆からなり、
   前記プローブが、内側導体板と、外側導体板と、該内側導体板および外側導体板間のプローブ誘電体とを備え、前記内側導体板および前記外側導体板にそれぞれ接続される一対の端子を通じて前記電位差センサに接続可能に構成され、
   前記プローブが、前記電線の一部を覆うように前記内側導体板を前記電線被覆の表面の周囲の少なくとも一部に密着して構造されたときに、直列に配置される第１のキャパシタおよび第２のキャパシタを形成し、
   前記第１キャパシタが、前記電線導体、前記内側導体板、およびその間の前記電線被覆により形成され、ならびに、前記第２キャパシタが、前記内側導体板、前記外側導体板、およびその間の前記プローブ誘電体により形成され、
   測定対象の２本の第１および第２の電力線のそれぞれに当該プローブが配置され、
   低圧配線中の１本の接地線が、前記第１および第２の電力線の間に、導体板が前記接地線の電線被覆の一部に密着するように配置され、
   前記第１電力線のプローブの外側導体板、前記接地線の電線被覆に密着する導体板、および前記第２電力線のプローブの外側導体板が相互に電気的に接続されており、
   前記電位差センサを用いて測定される、
   前記第１電力線のプローブの第２キャパシタにおける電位差、
   前記第１電力線のプローブの内側導体および前記第２電力線のプローブの内側導体との間における電位差、ならびに
   前記第２電力線のプローブの第２キャパシタにおける電位差と、
   前記第１電力線、前記第２電力線およびこれらのプローブ、並びに前記接地線に係る構造パラメータから算出される、
   前記第１電力線のプローブの第１および第２のキャパシタのキャパシタンス、
   前記第２電力線のプローブの第１および第２のキャパシタのキャパシタンス、ならびに
   前記接地線における前記電線導体、前記電線被覆の導体板およびその間の前記電線被覆によって形成されるキャパシタのキャパシタンスと、
   に部分的に基づいて、前記導体電圧算出手段において第１および第２の電力線の導体電圧がそれぞれ算出可能であることを特徴とする、低電圧測定装置。