JP7292555B2 - 非接触電圧センサ装置 - Google Patents

Description

本開示は、非接触電圧センサ装置に関する。

電線の芯線導体を被覆する絶縁膜に電極を配置することにより、電線の芯線導体に印加された交流電圧を、電極を電線の芯線導体に接触させることなく観測する技術が知られている。電線の芯線導体を被覆する絶縁膜に電極を配置すると、電線の芯線導体と電極との間には結合容量が形成される。この結合容量は、電線の寸法および電極の寸法に依存する未知量である。電線の芯線導体に印加された交流電圧を正確に観測するためには結合容量の値を事前に特定しておく必要がある。

例えば、特許文献１には、第１電極、第２電極、スイッチおよび演算部を備えた非接触電圧計測装置が記載されている。計測対象の交流電圧が印加される導体と第１電極との間には、第１のキャパシタが形成され、上記導体と第２電極との間には、第２のキャパシタが形成される。第１のキャパシタの静電容量と第２のキャパシタの静電容量とは、互いに相関関係を有する。これらの静電容量が結合容量である。また、第１電極と第１基準電位との間に交流信号が与えられる。

スイッチがオフであるとき、第２電極を第１基準電位と等しい電位に保った状態で、上記の交流信号によって第２キャパシタに蓄積される電荷に応じた第１電荷検出信号が生成される。スイッチがオンであるとき、第２電極を第２基準電位と等しい電位に保った状態で、交流電圧によって第２キャパシタに蓄積される電荷に応じた第２電荷検出信号が生成される。演算部は、第１電荷検出信号と第２電荷検出信号とに基づいて交流電圧の測定値が演算される。

国際公開第２０１６／１７５１２３号

特許文献１に記載された非接触電圧計測装置において、観測対象の交流電圧が印加される電線の芯線導体が機器の筐体またはフレームグランド（以下、ＦＧと記載する）に近接して配置されると、電線の芯線導体とＦＧとの間に、交流電圧の観測に与える影響が無視できない大きさの浮遊容量が形成される。この浮遊容量は、意図せずに形成される未知量であるため、特許文献１に記載された非接触電圧計測装置の交流電圧の観測精度を劣化させる要因になるという課題があった。

本開示は上記課題を解決するものであり、導体に印加された交流電圧の観測に対する、導体と電極との間に形成される結合容量の影響を校正し、導体とＦＧとの間に形成される浮遊容量の影響を校正することができる非接触電圧センサ装置を得ることを目的とする。

本開示に係る非接触電圧センサ装置は、観測対象の交流電圧が印加される導体との間で浮遊容量が形成されるフレームグランドを有した非接触電圧センサ装置であって、導体と非接触に配置された状態で、導体との間に第１の結合容量が形成される第１のプローブ電極と、導体と非接触に配置された状態で、導体との間に第１の結合容量と相関のある第２の結合容量が形成される第２のプローブ電極と、導体と非接触に配置された状態で、導体との間に、第１の結合容量および第２の結合容量と相関のある第３の結合容量が形成される第３のプローブ電極と、容量が既知の値である容量性素子を有し、第１のプローブ電極によって観測された電圧が、第１の結合容量、容量性素子の容量および浮遊容量を含む合成容量により分圧された電圧信号を用いて、導体に印加された交流電圧を算出するセンサ回路と、既知の校正用信号を出力する高周波発振器、および、校正用信号の出力先を第２のプローブ電極または第３のプローブ電極に切り替えるスイッチ、を有した校正回路と、を備え、センサ回路は、校正用信号の電圧が、第１の結合容量、容量性素子の容量および浮遊容量と、第２の結合容量または第３の結合容量を含む合成容量により分圧された出力電圧を観測し、スイッチによる校正用信号の出力先の切り替えごとに観測した出力電圧、校正用信号の電圧および容量性素子の容量を用いて、第１の結合容量および浮遊容量の各容量値を算出し、第１の結合容量および浮遊容量の各容量値を用いて、観測対象の交流電圧を算出する。

本開示によれば、センサ回路が、既知の校正用信号の電圧が、第１の結合容量、容量性素子の容量および浮遊容量と第２の結合容量または第３の結合容量を含む合成容量により分圧された出力電圧を観測する。そして、センサ回路が、スイッチによる校正用信号の出力先の切り替えごとに観測した出力電圧、校正用信号の電圧および容量性素子の容量を用いて第１の結合容量および浮遊容量の各容量値を算出し、第１の結合容量および浮遊容量の各容量値を用いて観測対象の交流電圧を算出する。これにより、本開示に係る非接触電圧センサ装置は、導体に印加された交流電圧の観測に対する、導体と電極との間に形成される結合容量の影響を校正し、導体とＦＧとの間に形成される浮遊容量の影響を校正することができる。

実施の形態１に係る非接触電圧センサ装置の構成を示す構成図である。 図１の非接触電圧センサ装置の等価回路を示す回路図である。 実施の形態１に係る非接触電圧センサ装置の変形例（１）の構成を示す構成図である。 実施の形態１に係る非接触電圧センサ装置の変形例（２）の構成を示す構成図である。 交流電圧信号の波形および校正用信号の波形を示す波形図である。 実施の形態２に係る非接触電圧センサ装置の構成を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る非接触電圧センサ装置１の構成を示す構成図である。図２は、非接触電圧センサ装置１の等価回路を示す回路図である。図１において、ケーブル２およびケーブル３は、２線一対の電線である。ケーブル２は、芯線導体２ａおよび当該芯線導体２ａを被覆する絶縁性の被膜２ｂによって構成され、ケーブル３は、芯線導体３ａおよび当該芯線導体３ａを被覆する絶縁性の被膜３ｂによって構成される。また、非接触電圧センサ装置１は、ケーブル２の芯線導体２ａとの間で浮遊容量が形成されるフレームグランド（ＦＧ）を有する。

ケーブル３は中性線であり、ケーブル３の芯線導体３ａはＦＧと同電位である。また、非接触電圧センサ装置１は、内部の回路上に形成されるシグナルグランド（以下、ＳＧと記載する）を有する。図１に示すように、ＳＧは、ＦＧと接続されている。ケーブル２の芯線導体２ａには、交流信号源４によって観測対象の交流電圧Ｖ_ｉｎが印加される。非接触電圧センサ装置１は、芯線導体２ａに印加された交流電圧Ｖ_ｉｎの波形を観測する。

また、非接触電圧センサ装置１は、コンソール５と接続されている。コンソール５は、非接触電圧センサ装置１から取得した情報を出力し、外部から情報の入力を受け付けて、非接触電圧センサ装置１に出力する入出力装置である。例えば、コンソール５は、非接触電圧センサ装置１によって観測された交流電圧波形を表示するディスプレイを備え、センサ回路１３に対する設定情報の入力を受け付けるキーボードおよびタッチパネルといった入力装置を備える。

非接触電圧センサ装置１は、第１のプローブ電極１１、プローブケーブル１２、センサ回路１３、第２のプローブ電極１４、プローブケーブル１５、第３のプローブ電極１６、プローブケーブル１７および校正回路１８を備える。第１のプローブ電極１１とセンサ回路１３との間は、プローブケーブル１２によって接続される。第２のプローブ電極１４と校正回路１８との間は、プローブケーブル１５によって接続される。第３のプローブ電極１６と校正回路１８との間は、プローブケーブル１７によって接続される。

第１のプローブ電極１１は、図１に示すように、ケーブル２の被膜２ｂに配置される。すなわち、第１のプローブ電極１１は、被膜２ｂによってケーブル２の芯線導体２ａと非接触の状態である。第１のプローブ電極１１とケーブル２の芯線導体２ａとの間には第１の結合容量が形成される。

第２のプローブ電極１４は、図１に示すように、ケーブル２の被膜２ｂに配置される。すなわち、第２のプローブ電極１４は、被膜２ｂによってケーブル２の芯線導体２ａと非接触の状態である。また、第２のプローブ電極１４とケーブル２の芯線導体２ａとの間には、第２の結合容量が形成される。

第３のプローブ電極１６は、図１に示すように、ケーブル２の被膜２ｂに配置される。すなわち、第３のプローブ電極１６は、被膜２ｂによってケーブル２の芯線導体２ａと非接触の状態である。また、第３のプローブ電極１６とケーブル２の芯線導体２ａとの間には、第３の結合容量が形成される。

第１の結合容量は、ケーブル２の被膜２ｂと第１のプローブ電極１１との間に意図せず形成される容量であり、上記浮遊容量も、ケーブル２の芯線導体２ａとＦＧとの間に意図せず形成される寄生容量である。このため、ケーブル２の芯線導体２ａに印加された交流電圧Ｖ_ｉｎの電圧振幅を観測する際に、第１の結合容量および浮遊容量の各容量値はともに未知である。

交流電圧Ｖ_ｉｎの観測に与える影響が無視できない程度に第１の結合容量および浮遊容量の各容量値が大きい場合、非接触電圧センサ装置１は、図２に示す等価回路で表すことができる。非接触電圧センサ装置１において、第１のプローブ電極１１、第２のプローブ電極１４および第３のプローブ電極１６は、第１の結合容量、第２の結合容量および第３の結合容量の各容量値が互いに既知の相関関係を持つように構成される。例えば、第１の結合容量、第２の結合容量および第３の結合容量の各容量値は比例関係にある。

図１および図２において、第１のプローブ電極１１および第２のプローブ電極１４は、例えば、ケーブル２の被膜２ｂとの間隔（距離）およびケーブル２の被膜２ｂに対向する電極面積が互いに同じになるように構成されている。これにより、第１の結合容量の容量値がＣ_０である場合、第２の結合容量の容量値はＣ_０となる。

第３のプローブ電極１６における被膜２ｂと対向する電極面積は、第１のプローブ電極１１における上記電極面積の２倍に形成されている。これにより、第１の結合容量の容量値がＣ_０であると、第３の結合容量の容量値は２Ｃ_０である。第１の結合容量、第２の結合容量および第３の結合容量は、未知の容量値であるが、これらは既知の相関を有する。

センサ回路１３は、分圧用キャパシタ素子１３１、オペアンプ１３２、ＡＤ変換器１３３および制御回路１３４を備えている。分圧用キャパシタ素子１３１は、容量が既知の値Ｃ_１である容量性素子である。分圧用キャパシタ素子１３１の一方の端子は、センサ回路１３の入力端子とオペアンプ１３２の正極入力端子（＋）が接続され、他方の端子には、ＳＧが接続されている。

第１のプローブ電極１１によって検出された交流電圧Ｖ_ｉｎは、第１の結合容量（容量値Ｃ_０）、分圧用キャパシタ素子１３１の容量（容量値Ｃ_１）および浮遊容量（容量値Ｃ_ＦＧ）を含む合成容量により分圧され、分圧された交流電圧信号がオペアンプ１３２の正極入力端子に入力される。

オペアンプ１３２は、ユニティ利得バッファアンプとして機能するオペアンプであり、負極入力端子（－）が出力端子に接続され、第１のプローブ電極１１が、プローブケーブル１２を介して、オペアンプ１３２の正極入力端子に接続されている。第１の結合容量、分圧用キャパシタ素子１３１の容量および浮遊容量を含む合成容量により分圧された交流電圧信号は、オペアンプ１３２の正極入力端子に入力されると、そのままの波形で出力される。

ＡＤ変換器１３３は、オペアンプ１３２から出力された交流電圧信号のアナログ信号をデジタル信号に変換する。制御回路１３４は、ＡＤ変換器１３３によってデジタル変換された交流電圧信号に基づいて、観測対象の交流電圧Ｖ_ｉｎを算出する。具体的には、制御回路１３４が、第１の結合容量（容量値Ｃ_０）、分圧用キャパシタ素子１３１の容量（容量値Ｃ_１）および浮遊容量（容量値Ｃ_ＦＧ）を用いて、交流電圧Ｖ_ｉｎを算出する。

分圧用キャパシタ素子１３１の容量（容量値Ｃ_１）は既知であるが、第１の結合容量（容量値Ｃ_０）および浮遊容量（容量値Ｃ_ＦＧ）は未知である。ただし、第１の結合容量、第２の結合容量および第３の結合容量は既知の相関関係を有するので、芯線導体２ａに印加された交流電圧Ｖ_ｉｎを観測するために、第１の結合容量（容量値Ｃ_０）および浮遊容量（容量値Ｃ_ＦＧ）を事前に決定しておくことが可能である。

校正回路１８は、図１に示すように、高周波発振器１８１、バッファ回路１８２およびスイッチ１８３を備える。高周波発振器１８１は、既知の電圧波形を有した校正用信号を生成して出力する。バッファ回路１８２は、高周波発振器１８１から出力された校正用信号を一時的に記憶する。スイッチ１８３は、バッファ回路１８２から出力された校正用信号の出力先を、第２のプローブ電極１４または第３のプローブ電極１６のいずれかに切り替える。例えば、スイッチ１８３は、制御回路１３４から出力された制御パルス信号Ｗ１に同期して校正用信号の出力先を切り替える。

非接触電圧センサ装置１は、高周波発振器１８１から出力された校正用信号を用いて、第１の結合容量（容量値Ｃ_０）および浮遊容量（容量値Ｃ_ＦＧ）を決定する。例えば、センサ回路１３が、第１の結合容量（容量値Ｃ_０）、分圧用キャパシタ素子１３１の容量（容量値Ｃ_１）および浮遊容量（容量値Ｃ_ＦＧ）と、第２の結合容量（容量値Ｃ_０）または第３の結合容量（容量値２Ｃ_０）とを含む合成容量によって校正用信号の電圧が分圧された出力電圧を観測する。

センサ回路１３は、スイッチ１８３を制御して校正用信号の出力先を切り替えることにより、互いに異なる出力電圧Ｖ_１および出力電圧Ｖ_２を観測する。例えば、センサ回路１３は、スイッチ１８３を制御して校正用信号の出力先を第２のプローブ電極１４に切り替えることにより、第１の結合容量、分圧用キャパシタ素子１３１の容量、浮遊容量および第２の結合容量を含む合成容量によって校正用信号の電圧が分圧された出力電圧Ｖ_１を観測する。また、センサ回路１３は、スイッチ１８３を制御して校正用信号の出力先を第３のプローブ電極１６に切り替えることで、第１の結合容量、分圧用キャパシタ素子１３１の容量、浮遊容量および第３の結合容量を含む合成容量によって校正用信号の電圧が分圧された出力電圧Ｖ_２を観測する。

校正用信号の出力先の切り替えに応じて互いに異なる出力電圧Ｖ_１および出力電圧Ｖ_２を観測するためには、第２の結合容量の容量値と第３の結合容量の容量値とが互いに異なる必要がある。すなわち、第２のプローブ電極１４および第３のプローブ電極１６は、第２の結合容量の容量値と第３の結合容量の容量値が異なる値になるように構成されている。センサ回路１３は、観測した出力電圧Ｖ_１および出力電圧Ｖ_２を用いて、第１の結合容量（容量値Ｃ_０）および浮遊容量（容量値Ｃ_ＦＧ）を算出する。

非接触電圧センサ装置１において、高周波発振器１８１から出力された校正用信号は、センサ回路１３が備えるＡＤ変換器１３３まで伝達される。例えば、スイッチ１８３が、校正用信号の出力先を第２のプローブ電極１４に切り替えたときに、高周波発振器１８１から出力された校正用信号Ｖ_ＯＳＣの電圧が、第２の結合容量（容量値Ｃ_０）と、第１の結合容量（容量値Ｃ_０）と、分圧用キャパシタ素子１３１の容量（容量値Ｃ_１）と、芯線導体２ａとＦＧとの間の浮遊容量（容量値Ｃ_ＦＧ）との合成容量によって分圧される。校正用信号Ｖ_ＯＳＣの電圧が上記合成容量によって分圧された出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、ＡＤ変換器１３３に入力される。

第１の結合容量（容量値Ｃ_０）が第２の結合容量（容量値Ｃ_０）の１倍の容量値であり、第３の結合容量（容量値２Ｃ_０）が、第１の結合容量および第２の結合容量の２倍の容量値である。このため、第２の結合容量と第１の結合容量との合成容量をＣ_Ａ１とし、第３の結合容量と第１の結合容量との合成容量をＣ_Ａ２とすると、Ｃ_Ａ１およびＣ_Ａ２は、下記式（１）および下記式（２）によって表される。

スイッチ１８３によって校正用信号の出力先が第２のプローブ電極１４に切り替えられたときに観測された出力電圧Ｖ_ｏｕｔをＶ_１とし、スイッチ１８３によって校正用信号の出力先が第３のプローブ電極１６に切り替えられたときに観測された出力電圧Ｖ_ｏｕｔをＶ_２とすると、合成容量Ｃ_Ａ１は、下記式（３）によって表され、合成容量Ｃ_Ａ２は、下記式（４）によって表される。下記式（３）および下記式（４）において、出力電圧Ｖ_１およびＶ_２は、センサ回路１３によって観測された観測値であり、校正用信号Ｖ_ＯＳＣの電圧および分圧用キャパシタ素子１３１の容量値Ｃ_１は既知の値である。制御回路１３４は、出力電圧Ｖ_１およびＶ_２の各観測値、校正用信号Ｖ_ＯＳＣの既知の電圧および分圧用キャパシタ素子１３１の容量値Ｃ_１を下記式（３）および下記式（４）に代入して得られる連立方程式を用いて、第１の結合容量（容量値Ｃ_０）および浮遊容量（容量値Ｃ_ＦＧ）を算出することができる。

制御回路１３４は、第１のプローブ電極１１によって観測された交流電圧信号と、分圧用キャパシタ素子１３１の既知の容量（容量値Ｃ_１）と、事前に算出した第１の結合容量（容量値Ｃ_０）および浮遊容量（容量値Ｃ_ＦＧ）を用いて、芯線導体２ａに印加された観測対象の交流電圧Ｖ_ｉｎの波形を算出する。例えば、制御回路１３４により算出された交流電圧Ｖ_ｉｎの波形は、コンソール５に表示される。

なお、第１の結合容量が第２の結合容量の１倍の容量値であり、第３の結合容量が、第１の結合容量および第２の結合容量の２倍の容量値である場合を示したが、これは一例である。すなわち、第１のプローブ電極１１、第２のプローブ電極１４および第３のプローブ電極１６は、第１の結合容量、第２の結合容量および第３の結合容量の各容量値が互いに既知の相関関係を持つように構成されていればよい。

図３は、非接触電圧センサ装置１の変形例（１）である非接触電圧センサ装置１Ａの構成を示す構成図である。図３において、図１と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する。非接触電圧センサ装置１Ａは、第１のプローブ電極１１、プローブケーブル１２、センサ回路１３、第２のプローブ電極１４、プローブケーブル１５、第３のプローブ電極１６、プローブケーブル１７および校正回路１８Ａを備える。

校正回路１８Ａは、高周波発振器１８１、バッファ回路１８２およびスイッチ１８４を備える。校正回路１８Ａにおいて、第２のプローブ電極１４は、スイッチ１８４を介さずにバッファ回路１８２に接続されている。このため、高周波発振器１８１から出力されてバッファ回路１８２に記憶された校正用信号は、第２のプローブ電極１４に常に出力される。スイッチ１８４は、第３のプローブ電極１６が接続され、第３のプローブ電極１６に校正用信号を出力するか否かを切り替える。

センサ回路１３は、スイッチ１８４を制御して第３のプローブ電極１６への校正用信号の出力をオフすることにより、第１の結合容量、分圧用キャパシタ素子１３１の容量、浮遊容量および第２の結合容量を含む合成容量によって校正用信号の電圧が分圧された出力電圧Ｖ_１を観測する。さらに、センサ回路１３は、スイッチ１８４を制御して第３のプローブ電極１６への校正用信号の出力をオンすることにより、第１の結合容量、第２の結合容量、分圧用キャパシタ素子１３１の容量、浮遊容量および第３の結合容量を含む合成容量によって校正用信号の電圧が分圧された出力電圧Ｖ_２を観測する。

例えば、第２の結合容量の容量値をＣ_０とした場合に、図３に示すように、第３の結合容量の容量値が第２の結合容量と同じＣ_０になるように、第３のプローブ電極１６を構成することにより、センサ回路１３は、上記式（３）および上記式（４）に従って、第１の結合容量（容量値Ｃ_０）および浮遊容量（容量値Ｃ_ＦＧ）を算出することができる。

図４は、非接触電圧センサ装置１の変形例（２）である非接触電圧センサ装置１Ｂの構成を示す構成図である。図４において、図１と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する。非接触電圧センサ装置１Ｂは、第１のプローブ電極１１、プローブケーブル１２、センサ回路１３、第２のプローブ電極１４、プローブケーブル１５、第３のプローブ電極１６、プローブケーブル１７および校正装置６を備える。

第２のプローブ電極１４、プローブケーブル１５、第３のプローブ電極１６、プローブケーブル１７および校正回路１８は、非接触電圧センサ装置１Ｂとは別に設けられた校正装置６が備える。すなわち、非接触電圧センサ装置１Ｂにおいて、センサ回路１３と校正回路１８が別々の筐体に設けられている。第１の結合容量（容量値Ｃ_０）および浮遊容量（容量値Ｃ_ＦＧ）を算出するときに、スイッチ１８３による校正用信号の出力先の切り替えは、制御回路１３４とは別に、例えば、ユーザ設定により実行される。

センサ回路１３と校正回路１８とを別々の筐体に設けることにより、非接触電圧センサ装置１Ｂは、校正回路１８が省略された必要最小限の回路規模に抑えることができる。
なお、非接触電圧センサ装置１Ｂにおいて、第１の結合容量（容量値Ｃ_０）および浮遊容量（容量値Ｃ_ＦＧ）を算出するときに、校正装置６を用いればよい。
すなわち、非接触電圧センサ装置１Ｂは、ケーブル２の芯線導体２ａに印加された交流電圧Ｖ_ｉｎを観測する際に、校正装置６を用いて第１の結合容量（容量値Ｃ_０）および浮遊容量（容量値Ｃ_ＦＧ）を事前に一度だけ算出すればよく、校正装置６をケーブル２に常設しなくてもよい。

図５は、交流電圧信号Ｖ_ｉｎの波形および校正用信号Ｖ_ＯＳＣの波形を示す波形図である。非接触電圧センサ装置１、１Ａおよび１Ｂが備える高周波発振器１８１は、交流電圧信号Ｖ_ｉｎの周波数の整数倍の周波数を有した校正用信号Ｖ_ＯＳＣを出力してもよい。
例えば、ケーブル２が配電系統ケーブルである場合に、観測対象の交流電圧信号Ｖ_ｉｎの周波数を５０Ｈｚ（周期２０ｍｓ）とする。また、校正用信号Ｖ_ＯＳＣの周波数を、図５に示すように、交流電圧信号Ｖ_ｉｎの周波数の２倍の１００Ｈｚとする。

例えば、非接触電圧センサ装置１において、ＡＤ変換器１３３に出力される出力電圧信号Ｖ_ｏｕｔは、交流電圧信号Ｖ_ｉｎと校正用信号Ｖ_ＯＳＣの合成波信号となる。制御回路１３４は、交流電圧信号Ｖ_ｉｎの１周期（２０ｍｓ）に対応する時間区分で、出力電圧信号Ｖ_ｏｕｔをフーリエ変換に相当する処理を行う。校正用信号Ｖ_ＯＳＣの周波数が交流電圧信号Ｖ_ｉｎの周波数の整数倍であるので、交流電圧信号Ｖ_ｉｎの波形と校正用信号Ｖ_ＯＳＣの波形は、互いに直交した関係になる。

交流電圧信号Ｖ_ｉｎの波形と校正用信号Ｖ_ＯＳＣの波形が互いに直交した関係にある場合、上記合成波信号にフーリエ変換に相当する処理を施すことにより、各波形を分離することが可能である。これにより、交流電圧信号Ｖ_ｉｎの観測と同時に、第１の結合容量（容量値Ｃ_０）および浮遊容量（容量値Ｃ_ＦＧ）を算出する校正処理も実行できる。

以上のように、実施の形態１に係る非接触電圧センサ装置１は、既知の校正用信号の電圧が、第１の結合容量、分圧用キャパシタ素子１３１の容量および浮遊容量と、第２の結合容量または第３の結合容量を含んだ合成容量によって分圧された出力電圧を観測する。スイッチ１８３または１８４による校正用信号の出力先の切り替えごとに観測された出力電圧、校正用信号の電圧、および分圧用キャパシタ素子１３１の容量を用いて算出した第１の結合容量および浮遊容量の各容量値を用いて、観測対象の交流電圧Ｖ_ｉｎを算出する。これにより、非接触電圧センサ装置１は、ケーブル２の芯線導体２ａに印加された交流電圧Ｖ_ｉｎの観測に対する、芯線導体２ａと第１のプローブ電極１１との間の第１の結合容量の影響を校正し、芯線導体２ａとＦＧとの間の浮遊容量の影響を校正することが可能である。

実施の形態１に係る非接触電圧センサ装置１Ａにおいて、第２のプローブ電極１４は、スイッチ１８４を介さずに校正用信号が出力される。スイッチ１８４は、第３のプローブ電極１６が接続され、第３のプローブ電極１６に校正用信号を出力するか否かを切り替える。これにより、非接触電圧センサ装置１Ａは、ケーブル２の芯線導体２ａに印加された交流電圧Ｖ_ｉｎの観測に対する、芯線導体２ａと第１のプローブ電極１１との間の第１の結合容量の影響を校正し、芯線導体２ａとＦＧとの間の浮遊容量の影響を校正することが可能である。

実施の形態１に係る非接触電圧センサ装置１Ｂにおいて、センサ回路１３と校正回路１８が別々の筐体に設けられている。これにより、非接触電圧センサ装置１Ｂは、ケーブル２の芯線導体２ａに印加された交流電圧Ｖ_ｉｎの観測に対する、芯線導体２ａと第１のプローブ電極１１との間の第１の結合容量の影響を校正し、芯線導体２ａとＦＧとの間の浮遊容量の影響を校正することが可能である。また、非接触電圧センサ装置１Ｂは、校正回路１８が省略された必要最小限の回路規模に抑えることができる。

実施の形態１に係る非接触電圧センサ装置１、１Ａおよび１Ｂにおいて、高周波発振器１８１が、芯線導体２ａに印加された交流電圧信号Ｖ_ｉｎの周波数の整数倍の周波数を有した校正用信号Ｖ_ＯＳＣを出力する。これにより、観測対象の交流電圧信号Ｖ_ｉｎと校正用信号Ｖ_ＯＳＣが直交した関係になる。このため、ＡＤ変換器１３３に出力される、観測対象の交流電圧信号Ｖ_ｉｎと校正用信号Ｖ_ＯＳＣとの合成波信号に対して、有限時間長（交流電圧信号Ｖ_ｉｎの１周期）でフーリエ変換に相当する処理を施すことにより、各信号を分離して抽出することが可能である。これにより、交流電圧信号Ｖ_ｉｎの観測と同時に、第１の結合容量（容量値Ｃ_０）および浮遊容量（容量値Ｃ_ＦＧ）を算出する校正処理も実行できる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る非接触電圧センサ装置１Ｃの構成を示す構成図である。図６において、図１と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する。非接触電圧センサ装置１Ｃは、第１のプローブ電極１１、プローブケーブル１２、センサ回路１３Ａ、第２のプローブ電極１４、プローブケーブル１５、第３のプローブ電極１６、プローブケーブル１７および校正回路１８を備える。

センサ回路１３Ａは、分圧用キャパシタ素子１３１の代わりに、ダイオード素子１３５を備える。ダイオード素子１３５は、分圧用キャパシタ素子１３１の静電容量値と同じ値の接合容量値を有した容量性素子である。ダイオード素子１３５は、２つのダイオードを備える。ダイオード素子１３５において、１つのダイオードのアノード端子がオペアンプ１３２の正極入力端子に接続され、カソード端子がもう１つのダイオードのアノード端子に接続され、当該ダイオードのカソード端子がＦＧに接続されている。

ダイオード素子１３５は、ケーブル２の芯線導体２ａに印加された交流電圧Ｖ_ｉｎの観測を行う際には、分圧用キャパシタ素子１３１として機能する。また、第１のプローブ電極１１を介してノイズなどの過電圧が入力されたときに、ダイオード素子１３５が過電圧をクランプすることにより、センサ回路１３Ａは、過電圧から保護される。

なお、センサ回路が備える容量性素子は、ダイオード素子１３５の代わりに、バリスタ素子などに代表されるＥＳＤ保護素子を用いても同様の効果が得られる。

また、図３に示した非接触電圧センサ装置１Ａまたは図４に示した非接触電圧センサ装置１Ｂにおける分圧用キャパシタ素子１３１の代わりに、ダイオード素子１３５を設けてもよい。このように構成された非接触電圧センサ装置１Ａおよび１Ｂにおいても、非接触電圧センサ装置１Ｃと同様の効果が得られる。

さらに、非接触電圧センサ装置１Ｃにおいて、センサ回路１３Ａと校正回路１８とを別々の筐体に設けられてもよい。このように構成しても、このように構成された非接触電圧センサ装置１Ｃにおいても、非接触電圧センサ装置１Ｂと同様の効果が得られる。

さらに、非接触電圧センサ装置１Ｃにおいて、高周波発振器１８１が、芯線導体２ａに印加された交流電圧信号Ｖ_ｉｎの周波数の整数倍の周波数を有した校正用信号Ｖ_ＯＳＣを出力する高周波発振器であってもよい。このように構成された非接触電圧センサ装置１Ｃにおいても、交流電圧信号Ｖ_ｉｎの観測と同時に、第１の結合容量（容量値Ｃ_０）および浮遊容量（容量値Ｃ_ＦＧ）を算出する校正処理も実行できる。

以上のように、実施の形態２に係る非接触電圧センサ装置１Ｃにおいて、容量性素子がダイオード素子１３５である。ダイオード素子１３５は、分圧用キャパシタ素子１３１として機能し、さらに過電圧保護機能も有する。このため、非接触電圧センサ装置１Ｃは、過電圧保護を行う専用回路が不要であり、回路規模を小さく維持できる。

なお、実施の形態１および２において、交流電圧の観測対象がケーブル２である場合を示した。しかしながら、実施の形態１および２に係る非接触電圧センサ装置１，１Ａ～１Ｃは、交流電圧が印加される導体であれば、ケーブル２に限定されず、交流電圧の観測が可能である。

なお、各実施の形態の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。

本開示に係る非接触電圧センサ装置は、例えば、配電系統の高圧交流電源における交流電圧の観測に利用可能である。

１，１Ａ～１Ｃ 非接触電圧センサ装置、２，３ ケーブル、２ａ，３ａ 芯線導体、２ｂ，３ｂ 被膜、４ 交流信号源、５ コンソール、６ 校正装置、１１ 第１のプローブ電極、１２，１５，１７ プローブケーブル、１３，１３Ａ センサ回路、１４ 第２のプローブ電極、１６ 第３のプローブ電極、１８，１８Ａ 校正回路、１３１ 分圧用キャパシタ素子、１３２ オペアンプ、１３３ ＡＤ変換器、１３４ 制御回路、１３５ ダイオード素子、１８１ 高周波発振器、１８２ バッファ回路、１８３，１８４ スイッチ。

Claims (6)

1. 観測対象の交流電圧が印加される導体との間で浮遊容量が形成されるフレームグランドを有した非接触電圧センサ装置であって、
   前記導体と非接触に配置された状態で、前記導体との間に第１の結合容量が形成される第１のプローブ電極と、
   前記導体と非接触に配置された状態で、前記導体との間に前記第１の結合容量と相関のある第２の結合容量が形成される第２のプローブ電極と、
   前記導体と非接触に配置された状態で、前記導体との間に、前記第１の結合容量および前記第２の結合容量と相関のある第３の結合容量が形成される第３のプローブ電極と、
   容量が既知の値である容量性素子を有し、前記第１のプローブ電極によって観測された電圧が、前記第１の結合容量、前記容量性素子の容量および前記浮遊容量を含む合成容量により分圧された電圧信号を用いて、前記導体に印加された交流電圧を算出するセンサ回路と、
   既知の校正用信号を出力する高周波発振器、および、前記校正用信号の出力先を、前記第２のプローブ電極または前記第３のプローブ電極に切り替えるスイッチ、を有した校正回路と、
   を備え、
   前記センサ回路は、
   前記校正用信号の電圧が、前記第１の結合容量、前記容量性素子の容量および前記浮遊容量と、前記第２の結合容量または前記第３の結合容量を含む合成容量により分圧された出力電圧を観測し、
   前記スイッチによる前記校正用信号の出力先の切り替えごとに観測した前記出力電圧、前記校正用信号の電圧および前記容量性素子の容量を用いて、前記第１の結合容量および前記浮遊容量の各容量値を算出し、前記第１の結合容量および前記浮遊容量の各容量値を用いて、観測対象の交流電圧を算出すること、
   を特徴とする非接触電圧センサ装置。
2. 前記第２のプローブ電極は、前記スイッチを介さずに前記校正用信号が出力され、
   前記スイッチは、前記第３のプローブ電極が接続され、当該第３のプローブ電極に前記校正用信号を出力するか否かを切り替えること、
   を特徴とする請求項１に記載の非接触電圧センサ装置。
3. 前記センサ回路と前記校正回路は、別々の筐体に設けられていること、
   を特徴とする請求項１に記載の非接触電圧センサ装置。
4. 前記高周波発振器は、前記導体に印加された交流電圧信号の周波数の整数倍の周波数を有した前記校正用信号を出力すること、
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の非接触電圧センサ装置。
5. 前記容量性素子は、キャパシタ素子であること、
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の非接触電圧センサ装置。
6. 前記容量性素子は、ダイオード素子であること、
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の非接触電圧センサ装置。

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