JP7003338B2 - 非接触電圧観測装置 - Google Patents

Description

本発明は、電線の芯線に印加された交流電圧を観測する非接触電圧観測装置に関する。

従来、プローブ電極を電線の芯線に接触させることなく、電線の芯線に印加された交流電圧を観測する技術がある。例えば、特許文献１には、電線の芯線に印加された交流電圧を、プローブ電極と電線の芯線との間に生じた結合容量を通じて観測する非接触電圧観測装置が記載されている。特許文献１に記載される非接触電圧観測装置においては、プローブ電極を用いて検出された交流電圧が分圧された後にバッファアンプに入力され、バッファアンプから出力された電圧値を用いて観測対象の交流電圧が算出される。

特開２００５－１４０５０６号公報

プローブ電極と電線の芯線との間に生じる結合容量は、芯線を被覆する被膜を誘電体と見なして見積もられる微小な容量であるため、非接触電圧観測装置の内部は、高いインピーダンス状態になる。このインピーダンス状態においては、非接触電圧観測装置の内部に存在する寄生成分に起因した交流電圧の位相ずれが発生するという課題があった。

例えば、バッファアンプとして機能するオペアンプの入力抵抗は、複素インピーダンスの実部となる寄生成分であり、オペアンプにおいて交流電圧の位相を９０°回転させる。また、非接触電圧観測装置の内部にオペアンプの入力抵抗に加えて、これ以外に寄生成分が存在する場合、これらの寄生成分の合成複素インピーダンスによって交流電圧の位相は９０°からさらにずれる可能性がある。

本発明は上記課題を解決するものであって、観測対象の交流電圧の位相ずれを抑制することができる非接触電圧観測装置を得ることを目的とする。

本発明に係る非接触電圧観測装置は、電線の芯線を被覆する被膜に配置されるプローブ電極と、入力端がプローブ電極に接続され、芯線から入力端までにおける複素インピーダンスを模擬するインピーダンス回路と、正極入力端子がグラウンドに接続され、負極入力端子がインピーダンス回路の入力端に接続されて、芯線に印加された交流電圧とは逆相の交流電圧を出力するオペアンプとを備える。

本発明によれば、インピーダンス回路が、電線の芯線から入力端までにおける複素インピーダンスを模擬するので、プローブ電極と芯線との間に生じる結合容量が微小な容量であっても、装置の内部が高いインピーダンス状態にならない。これにより、本発明に係る非接触電圧観測装置は、観測対象の交流電圧の位相ずれを抑制することができる。

実施の形態１に係る非接触電圧観測装置の構成を示すブロック図である。 図１の非接触電圧観測装置の等価回路を示す回路図である。 実施の形態１におけるインピーダンス回路（例１）の構成を示す回路図である。 実施の形態１におけるインピーダンス回路（例２）の構成を示す回路図である。 実施の形態１における位相補償回路の動作の概要を示す概要図である。 実施の形態２に係る非接触電圧観測装置の等価回路を示す回路図である。 実施の形態２における位相補償回路の動作の概要を示す概要図である。 実施の形態３に係る非接触電圧観測装置の構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る非接触電圧観測装置１の構成を示すブロック図である。図２は、図１の非接触電圧観測装置の等価回路を示す回路図である。非接触電圧観測装置１は、ケーブル導体２ａに印加された交流電圧Ｖ_ｉｎを観測する。ケーブル２Ａおよびケーブル２Ｂは２線一対の電線であり、交流電圧を伝送する。ケーブル導体２ａは、ケーブル２Ａおよびケーブル２Ｂにおける芯線である。ケーブル被膜２ｂは、ケーブル導体２ａを被覆する絶縁性の被膜である。ケーブル導体２ａには交流電源３が接続され、交流電源３によってケーブル導体２ａに交流電圧Ｖ_ｉｎが印加される。以降では、特に明記しない限り、ケーブル２Ａおよびケーブル２Ｂは、ケーブル２と総称される。

非接触電圧観測装置１は、プローブ電極１０、プローブケーブル１１およびセンサ回路１２を備える。プローブ電極１０とセンサ回路１２の間は、プローブケーブル１１により接続される。プローブ電極１０は、ケーブル２のうち、グラウンドに接続されていないケーブル２Ａのケーブル被膜２ｂに配置される。ケーブル被膜２ｂによってケーブル導体２ａとプローブ電極１０は非接触の状態である。プローブ電極１０は、ケーブル被膜２ｂに接触した状態で配置されてもよいし、ケーブル被膜２ｂからわずかな距離を隔てて配置されてもよい。

非接触電圧観測装置１は、交流電源３によってケーブル導体２ａに印加された交流電圧Ｖ_ｉｎを、ケーブル導体２ａとプローブ電極１０との間に生じた結合容量Ｃ_０を通じて観測する。例えば、長さおよび幅が１（ｃｍ）であるプローブ電極１０とケーブル導体２ａとの間に生じる結合容量Ｃ_０は、数（ｐＦ）程度の微小な容量である。

センサ回路１２は、位相補償回路１３を備える。位相補償回路１３は、インピーダンス回路１４および第１のオペアンプ１５を備える。位相補償回路１３から出力された交流電圧は、第２のオペアンプ１６に入力される。

第２のオペアンプ１６は、負極入力端子が出力端子に接続され、正極入力端子が第１のオペアンプ１５の出力端子に接続された出力用オペアンプであり、ユニティ利得バッファアンプとして機能する。例えば、第１のオペアンプ１５から出力された交流電圧は、第２のオペアンプ１６の正極入力端子に入力されると、そのままの波形で第２のオペアンプ１６から出力される。ＡＤ変換器１７は、第２のオペアンプ１６から出力された交流電圧のアナログ信号をデジタル信号へ変換する。

インピーダンス回路１４の入力端は、プローブケーブル１１を介してプローブ電極１０に接続されており、インピーダンス回路１４の出力端は、第１のオペアンプ１５の出力端子に接続されている。第１のオペアンプ１５の正極入力端子は、グラウンドに接続され、第２のオペアンプ１６の負極入力端子は、インピーダンス回路１４の入力端に接続されている。これにより、インピーダンス回路１４の入力端は、図２に示すように仮想短絡された状態（ＶＳ）になっている。

インピーダンス回路１４は、例えば、インダクタンスＬ_１を有する第１のインダクタ素子と、容量Ｃ_１を有する第１のキャパシタ素子と、抵抗Ｒ_１を有する第１の抵抗素子とを備えている。第１のインダクタ素子と第１のキャパシタ素子は、直列に接続され、第１の抵抗素子は、第１のキャパシタ素子と並列に接続されている。インピーダンス回路１４において、第１のインダクタ素子におけるケーブル２側の端部がインピーダンス回路１４の入力端であり、第１のキャパシタ素子における第１のオペアンプ１５側の端部がインピーダンス回路１４の出力端である。

インピーダンス回路１４の入力端から出力端までの複素インピーダンスＺ_ｉｎｔは、第１のインダクタ素子のインダクタンスＬ_１、第１のキャパシタ素子の容量Ｃ_１および第１の抵抗素子の抵抗Ｒ_１の各複素インピーダンスから構成されている。インピーダンス回路１４の複素インピーダンスＺ_ｉｎｔは、ケーブル導体２ａからインピーダンス回路１４の入力端までにおける複素インピーダンスＺ_ｏｂｓ（以下、観測系の複素インピーダンスＺ_ｏｂｓと記載する）を模擬したものである。

なお、抵抗Ｒ_０は、一方の端部がインピーダンス回路１４の入力端に接続され、他方の端部がグラウンドに接続されている。抵抗Ｒ_０は、センサ回路１２の内部のノード電位が直流的に不安定になることを避けるために設けられたプルダウン抵抗であり、複素インピーダンスＺ_ｏｂｓを模擬するインピーダンスには含まれない。

インピーダンス回路１４は、交流電源３からケーブル導体２ａに印加される交流電圧の周波数に応じた構成とすることができる。図３は、実施の形態１におけるインピーダンス回路（例１）の構成を示す回路図である。例１であるインピーダンス回路１４Ａは、交流電源３によってケーブル導体２ａに印加される交流電圧Ｖ_ｉｎの周波数が高い場合（例えば、数ＧＨｚ）に対応した回路である。インピーダンス回路１４Ａは、互いに直列に接続された第１のキャパシタ素子１４１および第１のインダクタ素子１４２を備える。

第１のキャパシタ素子１４１は、ケーブル導体２ａとプローブ電極１０との間に生じる結合容量Ｃ_０を模擬する素子であり、結合容量Ｃ_０と第１のキャパシタ素子１６１の容量Ｃ_１は等価である。例えば、事前に測定された結合容量Ｃ_０の測定値と容量が等価であるキャパシタ素子が、第１のキャパシタ素子１４１として選択される。

第１のインダクタ素子１４２は、プローブケーブル１１のインダクタンスを模擬する素子であり、プローブケーブル１１のインダクタンスと第１のインダクタ素子１４２のインダクタンスＬ_１は等価である。例えば、プローブケーブル１１のインダクタンスは、プローブケーブル１１のケーブル長に基づいて事前に見積もられるか、またはプローブケーブル１１から実測される。このようにして得られたインダクタンスとインダクタンスが等価であるインダクタ素子が、第１のインダクタ素子１４２として選択される。

インピーダンス回路１４Ａの複素インピーダンスＺ_ｉｎｔは、観測系の複素インピーダンスＺ_ｏｂｓに対して下記式（１）および下記式（２）が成立する。下記式（１）において、Ｖ_ｉｎは、ケーブル導体２ａに印加された交流電圧の振幅であり、Ｖ_ｏｕｔは、センサ回路１２によって観測された交流電圧の振幅である。下記式（２）において、利得Ｇは、センサ回路１２によって観測された交流電圧の利得であり、実数値である。
Ｖ_ｏｕｔ＝－Ｇ×Ｖ_ｉｎ ・・・（１）
Ｇ＝Ｚ_ｉｎｔ／Ｚ_ｏｂｓ ・・・（２）

上記式（２）に示すように、インピーダンス回路１４Ａによって模擬される複素インピーダンスＺ_ｉｎｔは、観測系の複素インピーダンスＺ_ｏｂｓの実数倍（Ｇ倍）である。また、上記式（１）に示すように、Ｖ_ｏｕｔは、複素インピーダンスＺ_ｉｎｔの値に依存し、利得Ｇによって反転増幅または反転減衰される。Ｖ_ｏｕｔを反転増幅する場合、利得Ｇは１よりも大きな実数となり、複素インピーダンスＺ_ｉｎｔは複素インピーダンスＺ_ｏｂｓよりも大きくなる。ただし、利得Ｇには、センサ回路１２に存在する寄生成分によるＶ_ｏｕｔの位相回転が生じない範囲の値が設定される。

また、図４は、実施の形態１におけるインピーダンス回路（例２）の構成を示す回路図である。例２であるインピーダンス回路１４Ｂは、交流電源３によってケーブル導体２ａに印加される交流電圧Ｖ_ｉｎの周波数が低い場合（例えば、商用交流電源から印加される５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）に対応した回路である。インピーダンス回路１４Ｂは、互いに並列に接続された第１のキャパシタ素子１４１および第１の抵抗素子１４３を備える。

第１のキャパシタ素子１４１は、図３に示した回路と同様に、ケーブル導体２ａとプローブ電極１０との間に生じる結合容量Ｃ_０を模擬する。第１の抵抗素子１４３は、ケーブル被膜２ｂの絶縁抵抗を模擬する素子であり、ケーブル被膜２ｂの絶縁抵抗と第１の抵抗素子１４３の抵抗Ｒ_１は等価である。例えば、ケーブル被膜２ｂの絶縁抵抗は、ケーブル被膜２ｂの絶縁材料とプローブ電極１０のサイズに基づいて事前に見積もられる。この絶縁抵抗と抵抗Ｒ_１が等価である抵抗素子が、第１の抵抗素子１４３として選択される。インピーダンス回路１４Ｂにおける複素インピーダンスＺ_ｉｎｔは、観測系の複素インピーダンスＺ_ｏｂｓに対して上記式（１）および上記式（２）が成立する。

なお、実施の形態１におけるインピーダンス回路１４は、図３および図４に示した構成に限定されるものではない。例えば、インピーダンス回路１４は、結合容量Ｃ_０、プローブケーブル１１のインダクタンスおよびケーブル被膜２ｂの絶縁抵抗に加え、これら以外の寄生成分を模擬する素子を含む。例えば、インピーダンス回路１４は、プローブケーブル１１の導体抵抗を模擬する抵抗素子を含む場合があり、プローブケーブル１１をセンサ回路１２に接続するコネクタ部の寄生容量を模擬する抵抗素子を含む場合がある。

図５は、位相補償回路１３の動作の概要を示す概要図である。第１のオペアンプ１５の正極入力端子は、グラウンドに電気的に接続され、負極入力端子が、インピーダンス回路１４の入力端に接続されている。これにより、インピーダンス回路１４の入力端は、グラウンドに対して仮想短絡された状態（ＶＳ）となっている。このとき、第１のオペアンプ１５は、正極入力端子と負極入力端子が同電圧となるように、プローブ電極１０によって検出されてインピーダンス回路１４に入力された交流電圧を打ち消し合う交流電圧を出力する。すなわち、第１のオペアンプ１５は、観測対象の交流電圧Ｖ_ｉｎに対して出力電圧Ｖ_ｏｕｔが位相反転（逆相）した状態で追随するように動作する。

利得Ｇは、上記式（２）に示したように、複素インピーダンスＺ_ｉｎｔと複素インピーダンスＺ_ｏｂｓの比率で決定される実数である。図５の例では、交流電圧Ｖ_ｉｎの振幅よりも出力電圧Ｖ_ｏｕｔの振幅が小さくなっており、利得Ｇは１より小さい実数である。出力電圧Ｖ_ｏｕｔの波形は、図５に示すように、交流電圧Ｖ_ｉｎを反転減衰させた波形となる。

例えば、ケーブル導体２ａには、交流電源３によって５０（Ｈｚ）で±１００（Ｖ）の交流電圧Ｖ_ｉｎが印加されているものと仮定する。この交流電圧Ｖ_ｉｎは、低い周波数かつ大振幅であるので、図４に示したインピーダンス回路１４Ｂには、例えば、利得Ｇ＝１／５０が設定される。このとき、第１のオペアンプ１５の出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、上記式（１）に従って±２（Ｖ）となる。観測系の複素インピーダンスＺ_ｏｂｓが、結合容量Ｃ_０＝５（ｐＦ）とケーブル被膜２ｂの絶縁抵抗Ｒ＝２５（ＭΩ）の各インピーダンスから構成される場合、インピーダンス回路１４Ｂにおいて、第１のキャパシタ素子１４１の容量Ｃ_１は２５０（ｐＦ）となり、第１の抵抗素子１４３の抵抗Ｒ_１は５００（ｋΩ）となる。

第１のオペアンプ１５から出力される交流電圧は、交流電圧Ｖ_ｉｎとは逆相の交流電圧である。第２のオペアンプ１６は、第１のオペアンプ１５から出力された上記交流電圧をそのままの波形で出力電圧Ｖ_ｏｕｔとして出力する。ＡＤ変換器１７は、第２のオペアンプ１６から出力された出力電圧Ｖ_ｏｕｔをデジタル信号に変換する。ＡＤ変換器１７によって変換されたデジタル信号は交流電圧Ｖ_ｉｎとは逆相の状態であるが、このデジタル信号の符号を反転させるだけで、観測対象の交流電圧Ｖ_ｉｎのデジタル信号が得られる。

以上のように、実施の形態１に係る非接触電圧観測装置１において、インピーダンス回路１４が、観測系の複素インピーダンスＺ_ｏｂｓを模擬するので、結合容量Ｃ_０が微小な容量であっても、装置の内部が高いインピーダンス状態にならない。これにより、非接触電圧観測装置１は、交流電圧Ｖ_ｉｎの位相ずれを抑制することができる。
また、第１のオペアンプ１５は、正極入力端子がグラウンドに接続され、負極入力端子がインピーダンス回路１４の入力端に接続されている。これにより、インピーダンス回路１４の入力端は仮想短絡された状態になり、第１のオペアンプ１５は、観測対象の交流電圧Ｖ_ｉｎに対して出力電圧Ｖ_ｏｕｔが逆相で正確に追随するように動作するので、交流電圧Ｖ_ｉｎとは逆相の交流電圧が高精度に観測される。観測された逆相の交流電圧の符号を反転させることで、観測対象の交流電圧Ｖ_ｉｎを算出することが可能である。

なお、特許文献１に記載された非接触電圧観測装置は、ケーブル被膜２ｂの抵抗成分に起因した交流電圧の位相回転を補正する。しかしながら、特許文献１に記載された非接触電圧観測装置においても、結合容量Ｃ_０が微小な容量であることに伴い、装置内部が高いインピーダンス状態になり、装置内部に存在する寄生成分に起因した交流電圧の位相ずれが発生する。このため、特許文献１に記載された非接触電圧観測装置は、観測対象の交流電圧Ｖ_ｉｎおよびその位相を精度よく観測できない。これに対して、実施の形態１に係る非接触電圧観測装置１は、交流電圧Ｖ_ｉｎの位相ずれ自体を抑制することができるので、観測対象の交流電圧Ｖ_ｉｎおよびその位相を精度よく観測することが可能である。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る非接触電圧観測装置１Ａの等価回路を示す回路図である。非接触電圧観測装置１Ａは、非接触電圧観測装置１と同様に、交流電源３によりケーブル導体２ａに印加された交流電圧Ｖ_ｉｎを観測する装置であり、図１に示した構成における位相補償回路１３の代わりに位相補償回路１３Ａを備える。位相補償回路１３Ａは、インピーダンス回路１４Ｃおよび第１のオペアンプ１５Ａを有した第１の回路である。なお、図６にはＡＤ変換器１７の記載が省略されているが、非接触電圧観測装置１Ａは、非接触電圧観測装置１と同様に、ＡＤ変換器１７を備えているものとする。

インピーダンス回路１４Ｃは、観測系の複素インピーダンスＺ_ｏｂｓを模擬する回路であり、第２の抵抗素子１４４、第３の抵抗素子１４５および第２のキャパシタ素子１４６を備える。第２の抵抗素子１４４は、一方の端部がインピーダンス回路１４Ｃの入力端（ケーブル２側の端部）に接続され、他方の端部が第１のオペアンプ１５Ａの出力端子に接続されている。第１のオペアンプ１５Ａの正極入力端子は、グラウンドに電気的に接続されており、負極入力端子は、インピーダンス回路１４Ｃの入力端に接続されている。これにより、インピーダンス回路１４Ｃの入力端とこれに接続する第２の抵抗素子１４４の端部は、仮想短絡された状態（ＶＳ）になっている。

第３の抵抗素子１４５と第２のキャパシタ素子１４６は直列に接続されており、第２のオペアンプ１６の正極入力端子が、第３の抵抗素子１４５と第２のキャパシタ素子１４６との接続点に接続されている。第３の抵抗素子１４５における、第２のキャパシタ素子１４６との接続点とは反対側の端部は、第１のオペアンプ１５Ａの出力端子に接続されている。第２のキャパシタ素子１４６における、第３の抵抗素子１４５との接続点とは反対側の端部は、グラウンドに接続されている。

位相補償回路１３Ａにおいて、第１のオペアンプ１５Ａの出力電圧Ｖ_１は、第３の抵抗素子１４５の抵抗Ｒ_３と第２のキャパシタ素子１４６の容量Ｃ_２によって分圧され、分圧された電圧が、第２のオペアンプ１６の正極入力端子に入力され、出力電圧Ｖ_ｏｕｔとして出力される。

図７は、実施の形態２における位相補償回路１３Ａの動作の概要を示す概要図である。非接触電圧観測装置１Ａにおいて、観測系の複素インピーダンスＺ_ｏｂｓは、結合容量Ｃ_０のリアクタンスＺ_Ｃ０である。第２の抵抗素子１４４におけるインピーダンス回路１４Ｃの入力端に接続している端部は仮想短絡された状態であるので、交流電圧Ｖ_ｉｎと第１のオペアンプ１５Ａの出力電圧Ｖ_１とは、下記式（３）の関係を有する。
Ｖ_１＝－（Ｒ_２／Ｚ_ｏｂｓ）×Ｖ_ｉｎ ・・・（３）

第１のオペアンプの出力電圧Ｖ_１と第２のオペアンプ１６の出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、下記式（４）の関係を有する。下記式（４）において、Ｚ_Ｃ２は、第２のキャパシタ素子１４６のリアクタンスである。
Ｖ_ｏｕｔ＝Ｚ_Ｃ２／（Ｒ_３＋Ｚ_Ｃ２）×Ｖ_１ ・・・（４）

第１のオペアンプ１５Ａの出力電圧Ｖ_１は、第３の抵抗素子１４５の抵抗Ｒ_３と第２のキャパシタ素子１４６の容量Ｃ_２とによって分圧される。このため、位相補償回路１３Ａから出力される出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、下記式（５）の関係を有する。
Ｖ_ｏｕｔ＝－Ｚ_Ｃ２／（Ｒ_３＋Ｚ_Ｃ２）×（Ｒ_２／Ｚ_Ｃ０）×Ｖ_ｉｎ ・・・（５）

抵抗Ｒ_３がリアクタンスＺ_Ｃ２よりも十分に大きい（Ｒ_３＞＞Ｚ_Ｃ２）と仮定すると、上記式（５）は、下記式（６）の関係を有する。
Ｖ_ｏｕｔ＝－（Ｒ_２／Ｒ_３）×（Ｚ_Ｃ２／Ｚ_Ｃ０）×Ｖ_ｉｎ ・・・（６）

第１のオペアンプ１５Ａは、図７に示すように、出力電圧Ｖ_１が交流電圧Ｖ_ｉｎに対して逆相で追随するように動作する。出力電圧Ｖ_１は、第３の抵抗素子１４５の抵抗Ｒ_３と第２のキャパシタ素子１４６の容量Ｃ_２によって分圧され、分圧された電圧である出力電圧Ｖ_ｏｕｔが第２のオペアンプ１６に出力される。出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、上記式（６）に示すように、観測対象の交流電圧Ｖ_ｉｎに対して逆相で正確に追随する。上記式（６）における（Ｒ_２／Ｒ_３）×（Ｚ_Ｃ２／Ｚ_Ｃ０）は利得Ｇであり、実数値である。

以上のように、実施の形態２に係る非接触電圧観測装置１Ａにおいて、インピーダンス回路１４Ｃが、観測系の複素インピーダンスＺ_ｏｂｓを模擬するので、装置内部が高いインピーダンス状態にならず、寄生成分に起因した交流電圧Ｖ_ｉｎの位相ずれが抑制される。
また、第１のオペアンプ１５Ａは、正極入力端子がグラウンドに接続され、負極入力端子がインピーダンス回路１４Ｃの入力端に接続されている。これにより、インピーダンス回路１４Ｃの入力端は仮想短絡された状態になり、第１のオペアンプ１５Ａが、観測対象の交流電圧Ｖ_ｉｎに対して出力電圧Ｖ_１が逆相で正確に追随するように動作するので、交流電圧Ｖ_ｉｎとは逆相の出力電圧Ｖ_１が高精度に観測される。観測された出力電圧Ｖ_１を用いることで、観測対象の交流電圧Ｖ_ｉｎを算出することが可能である。

実施の形態３．
図８は、実施の形態３に係る非接触電圧観測装置１Ｂの構成を示すブロック図である。非接触電圧観測装置１Ｂは、図８に示すように、２線一対のケーブル２Ａおよびケーブル２Ｂの各ケーブル導体２ａに印加された交流電圧の差分を観測する装置である。ケーブル２Ａおよびケーブル２Ｂは、交流電圧を伝送する電線である。ケーブル導体２ａは、ケーブル２Ａおよびケーブル２Ｂの芯線である。ケーブル被膜２ｂは、ケーブル導体２ａを被覆する絶縁性の被膜である。ケーブル２Ａおよびケーブル２Ｂのケーブル導体２ａに交流電源３が接続されている点で図１と異なっており、ケーブル導体２ａには、交流電源３によって交流電圧Ｖ_ｉｎが印加される。

非接触電圧観測装置１Ｂは、プローブ電極１０Ａ、プローブ電極１０Ｂ、プローブケーブル１１Ａ、プローブケーブル１１Ｂおよびセンサ回路１２Ａを備えている。プローブ電極１０Ａとセンサ回路１２Ａとの間は、プローブケーブル１１Ａによって接続され、プローブ電極１０Ｂとセンサ回路１２Ａとの間は、プローブケーブル１１Ｂによって接続されている。

センサ回路１２Ａは、位相補償回路１３Ａ、位相補償回路１３Ｂ、第２のオペアンプ１６Ａ、第２のオペアンプ１６ＢおよびＡＤ変換器１７Ａを備える。プローブ電極１０Ａ、位相補償回路１３Ａおよび第２のオペアンプ１６Ａが、第１のユニットを構成し、プローブ電極１０Ｂ、位相補償回路１３Ｂおよび第２のオペアンプ１６Ｂが、第２のユニットを構成している。

位相補償回路１３Ａおよび位相補償回路１３Ｂは、それぞれ、インピーダンス回路１４および第１のオペアンプ１５を有した第１の回路である。位相補償回路１３Ａから出力された交流電圧は、第２のオペアンプ１６Ａに入力され、位相補償回路１３Ｂから出力された交流電圧は、第２のオペアンプ１６Ｂに入力される。

プローブ電極１０Ａは、ケーブル２Ａのケーブル被膜２ｂに配置され、プローブ電極１０Ｂは、ケーブル２Ｂのケーブル被膜２ｂに配置される。第１のユニットは、ケーブル被膜２ｂを介してケーブル導体２ａとプローブ電極１０Ａとの間に生じた結合容量Ｃ_０を通じて、ケーブル導体２ａに印加された交流電圧Ｖ_ｉｎを観測する。第２のユニットは、ケーブル被膜２ｂを介してケーブル導体２ａとプローブ電極１０Ｂとの間に生じた結合容量Ｃ_０を通じて、ケーブル導体２ａに印加された交流電圧Ｖ_ｉｎを観測する。

位相補償回路１３Ａおよび位相補償回路１３Ｂにおいて、第１のオペアンプ１５の正極入力端子は、グラウンドに電気的に接続され、負極入力端子が、インピーダンス回路１４の入力端に接続されている。これにより、インピーダンス回路１４の入力端は、グラウンドに対して仮想短絡された状態（ＶＳ）となっている。また、第１のオペアンプ１５は、交流電圧Ｖ_ｉｎに対して出力電圧Ｖ_ｏｕｔが逆相で追随するように動作する。

第２のオペアンプ１６Ａおよび第２のオペアンプ１６Ｂは、ユニティ利得バッファアンプとして機能する出力用オペアンプであり、負極入力端子が出力端子に接続され、正極入力端子が第１のオペアンプ１５の出力端子に接続されている。第１のオペアンプ１５から第２のオペアンプ１６Ａの正極入力端子に入力された交流電圧は、そのままの波形で第２のオペアンプ１６Ａから出力電圧Ｖ_ｏｕｔとして出力される。同様に、第１のオペアンプ１５から第２のオペアンプ１６Ｂの正極入力端子に入力された交流電圧は、そのままの波形で第２のオペアンプ１６Ｂから出力電圧Ｖ_ｏｕｔとして出力される。ＡＤ変換器１７Ａは、差動入力のＡＤ変換部であり、第２のオペアンプ１６Ａの出力電圧Ｖ_ｏｕｔと第２のオペアンプ１６Ｂの出力電圧Ｖ_ｏｕｔとの電圧差をデジタル信号へ変換する。

以上のように、実施の形態３に係る非接触電圧観測装置１Ｂは、２線一対のケーブル２Ａおよび２Ｂのそれぞれに印加された交流電圧Ｖ_ｉｎの電圧差を観測するので、例えば、三相３線または単相２線といった様々な種類の配電ケーブルにおける電圧測定に利用することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、実施の形態のそれぞれの自由な組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。

本発明に係る非接触電圧観測装置は、様々な種類の配電ケーブルに印加された交流電圧の観測に利用可能である。

１，１Ａ，１Ｂ 非接触電圧観測装置、２，２Ａ，２Ｂ ケーブル、２ａ ケーブル導体、２ｂ ケーブル被膜、３ 交流電源、１０，１０Ａ，１０Ｂ プローブ電極、１１，１１Ａ，１１Ｂ プローブケーブル、１２，１２Ａ センサ回路、１３，１３Ａ，１３Ｂ 位相補償回路、１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ インピーダンス回路、１５，１５Ａ 第１のオペアンプ、１６，１６Ａ，１６Ｂ 第２のオペアンプ、１７，１７Ａ ＡＤ変換器、１４１ 第１のキャパシタ素子、１４２ 第１のインダクタ素子、１４３ 第１の抵抗素子、１４４ 第２の抵抗素子、１４５ 第３の抵抗素子、１４６ 第２のキャパシタ素子、１６１ 第１のキャパシタ素子。

Claims (5)

1. 電線の芯線を被覆する被膜に配置されるプローブ電極と、
   入力端が前記プローブ電極に接続され、前記芯線から前記入力端までにおける複素インピーダンスを模擬するインピーダンス回路と、
   正極入力端子がグラウンドに接続され、負極入力端子が前記インピーダンス回路の前記入力端に接続されて、前記芯線に印加された交流電圧とは逆相の交流電圧を出力するオペアンプと、
   を備えたことを特徴とする非接触電圧観測装置。
2. 前記インピーダンス回路は、前記芯線から前記入力端までにおける複素インピーダンスの実数倍を模擬すること
   を特徴とする請求項１記載の非接触電圧観測装置。
3. 前記インピーダンス回路は、互いに直列に接続されたインダクタ素子とキャパシタ素子とを備え、
   前記インダクタ素子は、前記プローブ電極に接続された配線が有するインダクタンスを模擬する素子であり、
   前記キャパシタ素子は、前記プローブ電極と前記電線の芯線との間に生じる結合容量を模擬する素子であること
   を特徴とする請求項１記載の非接触電圧観測装置。
4. 前記インピーダンス回路は、互いに並列に接続されたキャパシタ素子と抵抗素子とを備え、
   前記キャパシタ素子は、前記プローブ電極と前記芯線との間に生じる結合容量を模擬する素子であり、
   前記抵抗素子は、前記被膜の絶縁抵抗を模擬する素子であること
   を特徴とする請求項１記載の非接触電圧観測装置。
5. 前記プローブ電極、前記インピーダンス回路、前記オペアンプおよび出力用オペアンプをそれぞれ有した第１のユニットおよび第２のユニットと、
   差動入力のＡＤ変換部とを備え、
   前記出力用オペアンプは、負極入力端子が出力端子に接続され、正極入力端子に入力された交流電圧を出力し、
   前記第１のユニットが有する前記プローブ電極は、２線一対の一方の前記電線における前記被膜に配置され、
   前記第２のユニットが有する前記プローブ電極は、２線一対の他方の前記電線における前記被膜に配置され、
   前記ＡＤ変換部は、前記第１のユニットが有する前記出力用オペアンプの出力電圧と、前記第２のユニットが有する前記出力用オペアンプの出力電圧との電圧差をデジタル信号に変換すること
   を特徴とする請求項１記載の非接触電圧観測装置。

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