JP7249631B2

JP7249631B2 - 電圧計測装置

Info

Publication number: JP7249631B2
Application number: JP2019081129A
Authority: JP
Inventors: 章夫鈴木; 淳藤本
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2019-04-22
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2023-03-31
Anticipated expiration: 2039-04-22
Also published as: JP2020176982A

Description

本発明は、交流電圧を計測する装置に関するものである。

これまでに、測定対象に対して非接触な状態で交流電圧や電力を測定する技術が種々考案されており、例えば特許文献１には非接触型の電力測定装置が開示されている。

特開２０１５－１３５３１９号公報

特許文献１に示された上記の電力測定装置では、同文献の図３に記されているように、参照電圧Ｖｒｅｆやフィードバック型の制御回路ＣＮＴ１が用いられているため、消費電力が大きいという課題がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、参照電圧を発生させるための装置やそれを制御する回路を必要とせず、消費電力が抑えられた電圧計測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、電線の表面に設けられた検出電極と上記電線を構成する導体との間に生じるインピーダンスを利用して、上記導体を流れる交流電流の電圧を計測する電圧計測装置であって、基準電位を設定するための電圧源と、上記電圧を分圧し、交流電流の第一の中性点が上記電圧源により設定された上記基準電位とされたＹ結線分圧回路と、交流電流の第二の中性点が上記電圧源により設定された上記基準電位とされたＹ結線インピーダンス回路を含み、Ｙ結線インピーダンス回路を構成する各インピーダンスの両端電圧を計測する電圧計測部と、電圧計測部により計測された上記両端電圧の値から交流電流の線間電圧を算出する電圧算出部を備えた電圧計測装置を提供する。

また、上記課題を解決するため、本発明は、電線の表面に設けられた検出電極と上記電線を構成する導体との間に生じるインピーダンスを利用して、上記導体を流れる交流電流の電圧を計測する電圧計測装置であって、基準電位を設定するための電圧源と、上記電圧を分圧するデルタ結線分圧回路と、交流電流の中性点が上記電圧源により設定された上記基準電位とされたＹ結線インピーダンス回路を含み、Ｙ結線インピーダンス回路を構成する各インピーダンスの両端電圧を計測する電圧計測部と、電圧計測部により計測された上記両端電圧の値から交流電流の線間電圧を算出する電圧算出部を備えた電圧計測装置を提供する。

本発明によれば、消費電力が抑えられた電圧計測装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る電圧計測装置１の全体構成を示すブロック図である。図１に示された交流電源Ａｖが三相交流電源である場合における電圧計測部４の構成を示す図である。既存の交流電圧計測回路の構成を示す図である。図２に示された電圧計測部４における対地浮遊容量の影響を説明するための第一の図である。図２に示された電圧計測部４における対地浮遊容量の影響を説明するための第二の図である。図１に示された交流電源Ａｖが三相交流電源である場合における本発明の実施の形態２に係る電圧計測装置に含まれた電圧計測部４Ａの構成を示す図である。図６に示された電圧計測部４Ａにおける対地浮遊容量の影響を説明するための図である。

以下において、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る電圧計測装置１の全体構成を示すブロック図である。図１に示された電圧計測装置１は、電線Ｌの表面に設けられた検出電極と電線Ｌを構成する導体との間に生じるインピーダンスを利用して、電線Ｌを流れる交流電流の電圧を計測するものである。

本発明の実施の形態１に係る電圧計測装置１は、接地された交流電源Ａｖに電線Ｌを介して接続された入力端子２と、バス３と、入力端子２に接続された電圧計測部４と、バス３を介して電圧計測部４に接続された電圧算出部５、記憶部６、及び表示部７を備える。

図２は、図１に示された交流電源Ａｖが例えば三相交流電源である場合における電圧計測部４の構成を示す図である。図２において、Ｚａ，Ｚｂ，Ｚｃはそれぞれ、各相における上記検出電極と電線Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを構成する導体との間のインピーダンスを示す。また、Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃはそれぞれ、三相交流の線間電圧、すなわち電線Ｌａ，Ｌｂ間、電線Ｌｂ，Ｌｃ間、電線Ｌｃ，Ｌａ間の線間電圧を示す。なお、線間電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃの和は常にゼロとなる。

また、図２において、Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃはそれぞれ、各相の電線Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを流れる電流を示す。また、Ｖａｂ，Ｖｂｃ，Ｖｃａはそれぞれ、ノードｎａ，ｎｂ間、ノードｎｂ，ｎｃ間、ノードｎｃ，ｎａ間の電圧を示し、Ｖａｎ，Ｖｂｎ，Ｖｃｎはそれぞれ、ノードｎａ，ｎ２間、ノードｎｂ，ｎ２間、ノードｎｃ，ｎ２間の電圧を示す。

図２に示されるように、電圧計測部４は、中性点であるノードｎに基準電位を設定するための電圧源Ｅ０と、計測対象となる電圧を分圧し、当該交流電流の第一の中性点（ノードｎ１）が、ノードｎに接続されることにより上記基準電位とされたＹ結線分圧回路と、上記交流電流の第二の中性点（ノードｎ２）が、ノードｎに接続されることにより上記基準電位とされたＹ結線インピーダンス回路を含む。なお、以下では、電圧源Ｅ０の電圧がゼロである場合について説明する。

ここで、上記Ｙ結線分圧回路は、ノードｎａ，ｎ１間に接続されインピーダンスＺ１を有する第一の素子と、ノードｎｂ，ｎ１間に接続されインピーダンスＺ２を有する第二の素子と、ノードｎｃ，ｎ１間に接続されインピーダンスＺ３を有する第三の素子により構成される。

また、上記Ｙ結線インピーダンス回路は、ノードｎａ，ｎ２間に接続されインピーダンスＺ４を有する第四の素子と、ノードｎｂ，ｎ２間に接続されインピーダンスＺ５を有する第五の素子と、ノードｎｃ，ｎ２間に接続されインピーダンスＺ６を有する第六の素子により構成される。なお、本Ｙ結線インピーダンス回路は、上記のように第四から第六の独立した素子により構成する他、ノードｎａ，ｎ２間の電圧、ノードｎｂ，ｎ２間の電圧、ノードｎｃ，ｎ２間の電圧を計測する差動アンプ等の計測回路の入力インピーダンスを利用するようにしてもよい。

上記のような構成を有する電圧計測部４は、上記Ｙ結線インピーダンス回路を構成する各インピーダンスＺ４～Ｚ６の両端の電圧Ｖａｎ，Ｖｂｎ，Ｖｃｎを計測する。

図１に示された電圧算出部５は、上記電圧Ｖａｎ，Ｖｂｎ，Ｖｃｎの値に基づいて、以下のような方法により当該交流電圧、より具体的には線間電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃを算出する。

インピーダンスＺ１，Ｚ４の並列結合インピーダンスをＺ_１ｙ、インピーダンスＺ２，Ｚ５の並列結合インピーダンスをＺ_２ｙ、インピーダンスＺ３，Ｚ６の並列結合インピーダンスをＺ_３ｙとすると、電圧Ｖａｎ，Ｖｂｎ，Ｖｃｎの値はそれぞれ、インピーダンスＺ_１ｙと電流Ｉａの積、インピーダンスＺ_２ｙと電流Ｉｂの積、インピーダンスＺ_３ｙと電流Ｉｃの積となる。このとき、電圧Ｖａｎ，Ｖｂｎ，Ｖｃｎと線間電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃの関係は、以下の式（１）から（３）のように示される。

なお、インピーダンスＺ_１ｙ，Ｚ_２ｙ，Ｚ_３ｙは、それぞれ以下の値となる。

また、電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃの和がゼロになるという関係を利用して電圧Ｖｃｎを消去すると、線間電圧Ｅｂは電圧Ｖａｎ，Ｖｂｎのみを用いて次式のように表すこともできる。

以上より、電圧算出部５は、上記の式（１）～（３）、又は式（１），（３），（５）を用いて線間電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃを算出する。

次に、上記電圧計測装置１は、対地浮遊容量に起因した計測精度の低下を抑えることができる点について説明する。

図３は、電力系統１０、検出電極１１、及びセンサー分圧回路１２からなる既存の交流電圧計測回路の構成を示す図である。電力系統１０は線間電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃの三相交流であり、各相における電線導体と検出電極間の容量結合の値をそれぞれ、値Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃとする。また、センサー分圧回路１２は、上記各相における電線導体間に接続された容量値が値Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３の分圧用コンデンサからなる。

上記のような構成を有する交流電圧計測回路において、電力系統１０はノードｎＢで接地され、センサー分圧回路１２のシグナルグラウンドはノードｎｂとされる。このとき、電力系統１０の線間電圧Ｅａは、センサー分圧回路１２における電圧Ｖａｂ，Ｖｂｃ，Ｖｃａにより次式を用いて算出することができる。

実際には、図３に示されるような対地浮遊容量Ｃｆが存在するため、ノードｎＢ，ｎｂ間の静電容量値は値Ｃｂではなく、値Ｃｂの電極静電容量と対地浮遊容量Ｃｆの並列結合の値となる。ここで、電極静電容量は通常数ｐＦ程度の大きさであるのに対して、未知である対地浮遊容量の大きさはその数十から数百倍にもなり得る。このため、図３に示された交流電圧計測回路では、上式（６）における値Ｃｂに誤差が生じることからも分かるように、計測された交流電圧に大きな誤差を発生させてしまう。

これに対し、上記実施の形態１に係る電圧計測装置１において、シグナルグラウンドと大地間に浮遊容量Ｃｆが存在する場合の影響について説明する。三相交流の一相が大地に接地されている場合、ｊを虚数単位、ωを計測対象となる交流電流の角速度とすると、図４に示されるようにノードｎＢ，ｎ間にインピーダンスＺｆ（＝１／ｊωＣｆ）が並列接続されることになる。このとき、線間電圧Ｅａ，Ｅｂはそれぞれ次式（７），（８）により算出される。

ここで、Ｚ_Ｂｎは図５に示されたノードｎＢ，ｎ間のインピーダンスであり、次式により示される。なお、図５では、図２に示されたインピーダンスＺ２，Ｚ５により並列結合インピーダンスＺ_２ｙが形成される部分４ｐが破線の枠で示されている。

また、図４における電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｂ１，Ｉｂ２間には、次式の関係が成立する。

このことから、電流Ｉｂは次式により表すことができる。

式（１１）を上記の式（７），（８）に代入すると、それぞれ次式（１２），（１３）を得ることができる。

ここで、式（１２），（１３）はそれぞれ、上記の式（１），（２）と一致することから、上記のような浮遊容量が存在する場合であっても、実施の形態１に係る電圧計測装置１は、当該交流電圧の計測精度において何らの影響も受けないことが分かる。

次に、図２に示された電圧計測部４において、各相の検出電極と電線導体間のインピーダンスが等しい大きさの静電容量Ｃａのみからなり、Ｙ結線分圧回路が静電容量Ｃ_１を有する等しいコンデンサからなり、Ｙ結線インピーダンス回路のインピーダンスが等しい、すなわち以下の関係が成立する場合について説明する。

式（１４）の関係が成立する場合には、上記の式（１），（２）はそれぞれ、次式（１５），（１６）と表記することができる。

さらに、次式の関係が成立する場合には、式（１），（２）で示された線間電圧Ｅａ，Ｅｂはそれぞれ式（１８），（１９）と表すことができる。

ここで、式（１８），（１９）及び式（３）から、上記のような条件下では三相交流電圧（線間電圧）が測定電圧の差の定数倍となることが分かる。

また、この場合には、図１に示された電圧計測部４は、図２に示されたノードｎａ，ｎｂ間の線間電圧Ｖａｂとノードｎｂ，ｎｃ間の線間電圧Ｖｂｃを計測し、図１に示された電圧算出部５は上記計測により得られた線間電圧Ｖａｂ，Ｖｂｃの値から式（１８），（１９）及び式（３）を利用して三相交流電圧、すなわち線間電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃを算出するようにしてもよい。

以上より、本発明の実施の形態１に係る電圧計測装置１によれば、以下の効果を得ることができる。

第一に、計測対象とされる三相交流電流が流れる全ての線との接続が容量結合とされるため、電力系統に直接接続するための工事が不要であり、安全かつ容易に設置することができる。

第二に、三相交流電流の各相における電圧（線間電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃ）を同時に得ることができる。

第三に、参照電圧を発生させるための装置やそれを制御する回路を必要としないため、消費電力を抑えることができる。なお、消費電力を抑えることによって、電圧計測装置１を駆動するためのエネルギー源として電池を使用する場合にはその交換頻度を下げることができ、また再生可能エネルギーを利用する場合には最低限必要な設置環境の基準を下げることにより汎用性を高めることができる。

第四に、対地浮遊容量が存在する場合においても、計測精度の低下を小さく抑えることができる。

［実施の形態２］
本発明の実施の形態２に係る電圧計測装置は、図１に示された電圧計測装置１と同様な構成を有するため、以下においては相違点についてだけ説明し、共通する部分については説明を省略する。

図６は、図１に示された交流電源Ａｖが三相交流電源である場合における本発明の実施の形態２に係る電圧計測装置に含まれた電圧計測部４Ａの構成を示す図である。図６において、Ｚａ，Ｚｂ，Ｚｃはそれぞれ、各相における上記検出電極と電線Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを構成する導体との間のインピーダンスを示す。また、Ｚ４，Ｚ５，Ｚ６はそれぞれ、後述するＹ結線インピーダンス回路を構成する各素子のインピーダンス、Ｚ７，Ｚ８，Ｚ９はそれぞれ、後述するデルタ結線分圧回路を構成する各素子のインピーダンスを示す。また、Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃはそれぞれ、三相交流の線間電圧、すなわち電線Ｌａ，Ｌｂ間、電線Ｌｂ，Ｌｃ間、電線Ｌｃ，Ｌａ間の線間電圧を示す。なお、線間電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃの和は常にゼロとなる。

また、図６において、Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉ４，Ｉ５，Ｉ６，Ｉａｂ，Ｉｂｃ，Ｉｃａはそれぞれ、電線Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ、インピーダンスＺ４，Ｚ５，Ｚ６_，Ｚ７，Ｚ８，Ｚ９を流れる電流を示す。また、Ｖａｂ，Ｖｂｃ，Ｖｃａはそれぞれ、ノードｎａ，ｎｂ間、ノードｎｂ，ｎｃ間、ノードｎｃ，ｎａ間の電圧を示し、Ｖａｎ，Ｖｂｎ，Ｖｃｎはそれぞれ、ノードｎａ，ｎ間、ノードｎｂ，ｎ間、ノードｎｃ，ｎ間の電圧を示す。

図６に示されるように、電圧計測部４Ａは、中性点であるノードｎに基準電位を設定するための電圧源Ｅ０と、計測対象となる電圧を分圧するデルタ結線分圧回路と、交流電流の中性点（ノードｎ）が上記基準電位とされたＹ結線インピーダンス回路を含む。なお、以下では、電圧源Ｅ０の電圧がゼロである場合について説明する。

ここで、上記デルタ結線分圧回路は、ノードｎａ，ｎｂ間に接続されインピーダンスＺ７を有する第一の素子と、ノードｎｂ，ｎｃ間に接続されインピーダンスＺ８を有する第二の素子と、ノードｎｃ，ｎａ間に接続されインピーダンスＺ９を有する第三の素子により構成される。

また、上記Ｙ結線インピーダンス回路は、ノードｎａ，ｎ間に接続されインピーダンスＺ４を有する第四の素子と、ノードｎｂ，ｎ間に接続されインピーダンスＺ５を有する第五の素子と、ノードｎｃ，ｎ間に接続されインピーダンスＺ６を有する第六の素子により構成される。なお、本Ｙ結線インピーダンス回路は、上記のように第四から第六の独立した素子により構成する他、ノードｎａ，ｎ間の電圧、ノードｎｂ，ｎ間の電圧、ノードｎｃ，ｎ間の電圧を計測する差動アンプ等の計測回路の入力インピーダンスを利用するようにしてもよい。

上記のような構成を有する電圧計測部４Ａは、上記Ｙ結線インピーダンス回路を構成する各インピーダンスＺ４～Ｚ６の両端の電圧Ｖａｎ，Ｖｂｎ，Ｖｃｎを計測する。なお、これらの電圧Ｖａｎ，Ｖｂｎ，Ｖｃｎはそれぞれ、インピーダンスＺ４と電流Ｉ４の積、インピーダンスＺ５と電流Ｉ５の積、インピーダンスＺ６と電流Ｉ６の積に該当する。

図１に示された電圧算出部５は、上記電圧Ｖａｎ，Ｖｂｎ，Ｖｃｎの値に基づいて、以下の式を用いて当該交流電圧、より具体的には線間電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃを算出する。

また、以下の関係が成立する。

ここで、式（２２），（２３）を式（２０），（２１）に代入すると、次式を得ることができる。

以上より、電圧算出部５は、上記の式（２４），（２５）、及び式（３）を用いて線間電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃを算出する。

次に、上記実施の形態１に係る電圧計測装置１と同様に、図６に示された電圧計測部４Ａにおいてシグナルグラウンドと大地間に浮遊容量Ｃｆが存在する場合の影響について説明する。三相交流の一相が大地に接地されている場合、ｊを虚数単位、ωを計測対象となる交流電流の角速度とすると、図７に示されるようにノードｎＢ，ｎ間にインピーダンスＺｆ（＝１／ｊωＣｆ）が並列接続されることになる。このとき、線間電圧Ｅａ，Ｅｂはそれぞれ次式（２６），（２７）により算出される。

また、式（２２）が成立し、式（２３）は以下のようになる。

ここで、式（２２），（２８）を式（２６），（２７）に代入すると、線間電圧Ｅａ，Ｅｂはそれぞれ、式（２４），（２５）と一致することから、上記浮遊容量に全く影響されずに算出されることが分かる。

次に、図６に示された電圧計測部４Ａにおいて、各相の検出電極と電線導体間のインピーダンスが等しい大きさの静電容量Ｃａのみからなり、デルタ結線分圧回路が静電容量Ｃ_７を有する等しいコンデンサからなり、Ｙ結線インピーダンス回路のインピーダンスが等しい、すなわち以下の関係が成立する場合について説明する。

このとき、式（２４），（２５）はそれぞれ以下のようになる。

さらに、次式の関係が成立する場合、線間電圧Ｅａ，Ｅｂはそれぞれ式（３３），（３４）のように表すことができる。

ここで、式（３３），（３４）及び式（３）から、上記のような条件下では三相交流電圧（線間電圧）が測定電圧の差の定数倍となることが分かる。

また、この場合には、図６に示された電圧計測部４Ａは、図６に示されたノードｎａ，ｎｂ間の線間電圧Ｖａｂとノードｎｂ，ｎｃ間の線間電圧Ｖｂｃを計測し、図１に示された電圧算出部５は上記計測により得られた線間電圧Ｖａｂ，Ｖｂｃの値から式（３３），（３４）及び式（３）を利用して線間電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃを算出するようにしてもよい。

以上より、本発明の実施の形態２に係る電圧計測装置によっても、上記実施の形態１に係る電圧計測装置１と同様な効果を得ることができる。

１電圧計測装置、４，４Ａ電圧計測部、５電圧算出部、Ｅ０電圧源、Ｌ，Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ電線、ｎ，ｎ１，ｎ２ノード、Ｚ１～Ｚ９インピーダンス。

Claims

電線の表面に設けられた検出電極と前記電線を構成する導体との間に生じるインピーダンスを利用して、前記導体を流れる交流電流の前記電線間における電圧を算出する電圧計測装置であって、
基準電位を設定するための電圧源と、前記交流電流の第一の中性点が前記基準電位とされ、各々の前記電線と前記第一の中性点との間でインピーダンスを有するＹ結線第一回路と、前記交流電流の第二の中性点が前記基準電位とされ、各々の前記電線と前記第二の中性点との間でインピーダンスを有するＹ結線第二回路を含み、前記Ｙ結線第二回路における各インピーダンスの両端電圧を計測する電圧計測部と、
前記電圧計測部により計測された前記両端電圧の値から前記交流電流の前記電線間における電圧を算出する電圧算出部を備えた電圧計測装置。
電線の表面に設けられた検出電極と前記電線を構成する導体との間に生じるインピーダンスを利用して、前記導体を流れる交流電流の前記電線間における電圧を算出する電圧計測装置であって、
基準電位を設定するための電圧源と、前記電線間のそれぞれにおいてインピーダンスを有するデルタ結線回路と、前記交流電流の中性点が前記基準電位とされ、各々の前記電線と前記中性点との間でインピーダンスを有するＹ結線回路を含み、前記Ｙ結線回路における各インピーダンスの両端電圧を計測する電圧計測部と、
前記電圧計測部により計測された前記両端電圧の値から前記交流電流の前記電線間における電圧を算出する電圧算出部を備えた電圧計測装置。
前記Ｙ結線第二回路、若しくは前記Ｙ結線回路における各インピーダンスは、独立した素子のインピーダンス、若しくは電圧を計測する回路の入力インピーダンスである、請求項１又は２に記載の電圧計測装置。
前記電圧源の電圧はゼロである、請求項１又は２に記載の電圧計測装置。
前記交流電流は三相交流電流であり、前記電線は三線からなる、請求項１から４のいずれかに記載の電圧計測装置。