JP7486634B1 - 充電表示器 - Google Patents

Abstract

【課題】外部電源を用いることなく高圧ケーブルの充電状態を表示するエネルギーを高圧ケーブルの遮蔽層に装着した電極から安全に取り出す充電表示器を提供する。【解決手段】ケーブル１０の端末処理部Ｒの基端部近傍であって、ケーブル１０の少なくとも遮蔽層１５が形成されている対象領域にケーブル１０の外周の一部又は全部を周回して装着される電極２と、端末処理部Ｒにおいて遮蔽層１５が除去された心線１１ａと電極２との間の静電容量で誘起される電圧で駆動するＬＥＤ回路３とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、高圧ケーブルの充電状態を表示する充電表示器に関し、特に外部電源を必要としない充電表示器に関する。

高圧電路や特別高圧電路の充電状態を外部電源を必要とせずに表示する表示器が一般に販売されている。これらの表示器は、主にケーブルと静電結合することで外部電源の代わりに表示のためのエネルギーを取り出す構成となっているため、銅やアルミなどの導体からなるケーブルの遮蔽層（シールド）が除去された箇所に取り付けるのが前提となっている。

例えば特許文献１には、外部電源を必要とせずにケーブルの充電状態を発光素子で検知する技術が開示されており、中心導体が挿入される電極と、中心導体と電極の間で誘起された電圧によって発光する発光素子と、発光素子を点灯または点滅させる回路とを備え、電極形状と回路基盤の回路との組み合わせを最適化したので、外部電源がなくても充分な誘起電力が得られるものである。

また、例えば特許文献２には、電力ケーブルの遮蔽導体の接地不良を静電結合を用いて検出する技術が開示されており、電力ケーブルの遮蔽導体の接地不良検出装置は、電力ケーブルのシースに当てる電極と、電極の電位がある閾値を越えた時に、それを識別して例えば発光ダイオード等で報知する判別器とからなり、活線状態の電力ケーブルの遮蔽導体が断線して接地不良となった場合、遮蔽導体に電位が生じ、シースを介して遮蔽導体と静電結合している電極に電位が生じ、この電位が設定した閾値を越えた時、遮蔽導体の接地不良と判断できるものである。

特開２０１０－２３９８５９号公報 特開２００５－４５８９６号公報

しかしながら、外部電源の代わりに静電結合により十分なエネルギーを取得するためには、遮蔽層がない部分で静電結合する必要がある。そのため、既存の製品や特許文献１に示す技術の場合は、表示器を取り付けたりメンテナンス作業の際に停電操作を行う必要がある。すなわち、停電操作を行わずに通常運用のままで表示器の取り付けやメンテナンスを行うには、安全性を考慮して遮蔽層がある部分への設置が前提となるが、遮蔽層があることで十分なエネルギーを取り出すことができず、既存の製品や特許文献１に示す技術では機能させることができない。

特許文献２に示す技術は、ケーブルのシースの外側に電極を設置する構成であるが、この技術は遮蔽導体の接地不良を検出する技術であり、ケーブルの充電状態を検出対象とするものでもない。加えて、液晶パネルを無電源で表示させるためにケーブル電圧による誘起電圧を利用することが開示されているものの、このケーブル電圧による誘起電圧の利用は遮蔽導体が接地されていない状態で機能するものであることから、安全性を考慮して遮蔽層がある部分への電極の設置を前提とするものではない。

本発明は、外部電源を用いることなく高圧ケーブルの充電状態を表示するエネルギーを高圧ケーブルの遮蔽層に装着した電極から安全に取り出す充電表示器を提供することを目的とする。

本発明に係る充電表示器は、高圧ケーブルの端末処理部分の基端部近傍であって、前記高圧ケーブルの少なくとも遮蔽層が形成されている対象領域に前記高圧ケーブルの外周の一部又は全部を周回して装着される電極と、前記端末処理部分において前記遮蔽層が除去された心線と前記電極との間で誘起される電圧で駆動する表示手段とを備えるものである。

このように、本発明に係る充電表示器においては、高圧ケーブルの端末処理部分の基端部近傍であって、前記高圧ケーブルの少なくとも遮蔽層が形成されている対象領域に前記高圧ケーブルの外周の一部又は全部を周回して装着される電極と、前記端末処理部分において前記遮蔽層が除去された心線と前記電極との間の静電容量で誘起される電圧で駆動する表示手段とを備えるため、安全性が確保されている遮蔽層が形成された領域に電極を装着しつつ、端末処理で剥き出しとなった心線により生じる電場のエネルギーを効率よく取得することで、停電操作等を行うことなく且つ外部電源を不要とし、作業の安全も確保された状態でケーブルの充電状態を確認することができるという効果を奏する。

第１の実施形態に係る充電表示器の構成を示す図である。 典型的な高圧ケーブルの構造の一例を示す図である。 遮蔽層が除去されている心線から漏れてくる電界の電気力線を示すイメージ図である。 第１の実施形態に係る充電表示器において遮蔽層の上層に電極を装着した場合の構成の一例を示すイメージ図である。 第１の実施形態に係る充電表示器を三相ケーブルの端末処理部に設置する場合の設置例を示す図である。 第１の実施形態に係る充電表示器の電極形状の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る充電表示器の電極形状のバリエーションを示す第１の図である。 第１の実施形態に係る充電表示器の電極形状のバリエーションを示す第２の図である。 第１の実施形態に係る充電表示器において誘電体を用いた場合の電極構造の一例を示す図である。 実施例において実際に試作した電極で得られるエネルギーを計測した場合の回路構成を示す図である。

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る充電表示器について、図１ないし図９を用いて説明する。本実施形態に係る充電表示器は、高圧ケーブルや特別高圧ケーブル（以下、単にケーブルという）の充電状態を表示する表示器であり、端末処理の基端部分においてケーブルの心線とシースとの間で生じる電界のエネルギーを利用して表示器を駆動するものである。すなわち、表示器が駆動状態にあることを確認することで、ケーブルが充電状態であることを検知するものである。

図１は、本実施形態に係る充電表示器の構成を示す図である。図１（Ａ）は充電表示器１の機能ブロック図、図１（Ｂ）は充電表示器１の回路構成を示す図である。図１（Ａ）に示すように、充電表示器１は、ケーブル１０に装着される電極２と、電極２を介して取り出したケーブル１０の電界エネルギーにより駆動するＬＥＤ回路３とを備える。充電表示器１は外部電源を有していない構成であるため、図１（Ｂ）に示すように、ケーブル１０の心線１１が充電された場合に生じる電界のエネルギーを利用し、心線１１と電極２とが静電結合することで電圧を誘起し、ＬＥＤ回路３を駆動するための電源として機能させる構成となっている。すなわち、心線１１が充電されている場合はＬＥＤ回路３が点灯又は点滅し、停電状態になっている場合はＬＥＤ回路３が点灯しないため、ケーブル１０の充電状態を検知することが可能となっている。

ここで、ケーブル１０について説明する。図２は、典型的な高圧ケーブルの構造の一例を示す図である。ケーブル１０は、内側から導電性の心線１１、心線１１の凹凸による電界の集中を平滑にしつつ外側の絶縁層１３との隙間を埋める内部半導電層１２、絶縁層１３、電界の均一化及び層間の隙間を埋める外側半導電層１４、終端部で接地させることで感電を防止するための遮蔽層１５、最外層に内側の各層を保護するシース１６が形成された構造となっている。典型的にはケーブル１０が上記のような構造を有することから、安全に作業ができるのは心線１１に対して遮蔽層１５までが被覆されている状態であり、遮蔽層１５が除去されている場合は感電のリスクがあるため停電状態で作業を行う必要がある。

一方で、遮蔽層１５が形成されている外側の領域において、特にケーブル１０の末端以外の領域では心線１１に充電される電力による電界が生じないため、心線１１からの電界エネルギーを取得することは不可能となっている。そのため、本実施形態に係る充電表示器１においては、ケーブル１０の端末処理により遮蔽層１５が除去されている箇所から生じる（漏れてくる）電界のエネルギーを利用して、ＬＥＤ回路３を駆動するための電圧を誘起する構成となっている。すなわち、ケーブル１０の端末処理により遮蔽層１５が除去されている箇所とされていない箇所との境界からケーブル１０の基端側の所定範囲内のいずれかの箇所に電極２を装着することで、遮蔽層１５から除去された箇所から生じる電界エネルギーを取り出す。

図３は、遮蔽層１５が除去されている心線１１から漏れてくる電界の電気力線を示すイメージ図である。図３において、一点鎖線で示す境界Ｂは、ケーブル１０において遮蔽層１５がある領域とない領域との境界を示す線であり、この境界Ｂよりもケーブル１０の先端側は端末処理されて遮蔽層１５がなく、基端側は遮蔽層１５がある。すなわち、境界Ｂよりも基端側は遮蔽層１５により感電のリスクが排除されている領域であり、この部分に電極２を装着する場合には停電操作を行う必要がなく、通常運用の状態で装着が可能となる。

図３に示すように、遮蔽層１５が除去されている心線１１（以下、この部分の心線を心線１１ａという）からは複数の電気力線が出ているが、遮蔽層１５が残存している箇所の心線１１からは電気力線が出ていない。そのため、充電表示器３の電極２は、心線１１ａから漏れてくる電気力線のエネルギーをできるだけ効率よく取り出す必要がある。心線１１ａから漏れてくる電気力線のエネルギーを効率よく取り出すには、電極２を電位が高い箇所に装着することや多くの電気力線と交わる構成にする必要があり、そのためには、表面積が大きい電極２をできるだけ心線１１ａに近い位置に装着することが望ましい。

図４は、本実施形態に係る充電表示器において遮蔽層１５の上層に電極２を装着した場合の構成の一例を示すイメージ図である。図４に示すように、境界Ｂの近傍に装着された電極２は、電気力線で示す電界からエネルギーを静電結合により取り出し、電圧を誘起する。境界Ｂよりも先端側の心線１１ａから生じる電界は距離が大きくなるに連れて減衰するため、電極２は境界Ｂの近傍（理想的には境界Ｂに電極２の端部が接する状態）に装着される必要がある。発明者らによる検証結果では、境界Ｂよりも基端側に電極２を装着した場合に誘起される電圧は、境界Ｂよりも先端側に電極２を装着した場合に誘起される電圧の１／１０程度であり、すなわち静電エネルギーとしては１／１００程度であることが分かっている。このことから、境界Ｂよりも基端側ではエネルギーの取り出しが極めて難しいものとなっているが、後述する実験結果でも明らかなように、境界Ｂの近傍であればＬＥＤ回路３を発光するのに必要な電圧を誘起することが可能となっている。

なお、電極２はケーブル１０のシース１６に直接接触させて装着してもよいが、図４に示すように樹脂などからなる保護層５を介して装着されるようにしてもよい。保護層５はクッション性があるような樹脂を用いることが望ましい。そうすることで、ケーブル１０や電極２を振動、変形、衝撃などの機械的な外力から保護することが可能になる。

図５は、本実施形態に係る充電表示器を三相ケーブルの端末処理部分に設置する場合の設置例を示す図である。高圧ケーブルを接続する場合には、電界の偏りをなくしたりケーブル１０を保護するために一般的に図５に示すような端末処理が行われる。なお、この端末処理については一般的な事項であるため詳細な説明は省略する。

図５に示すように、端末処理がなされた領域を端末処理部Ｒとし、当該端末処理部Ｒの基端部分に電極２が設置されている。電極２の近傍には、当該電極２に誘起された電圧で駆動するＬＥＤ回路３が接続した状態で設置される。ＬＥＤ回路３の設置箇所は、境界Ｂよりもケーブル１０の基端側であればどこに設置されてもよい。

上述したように、電極２はケーブル１０の心線１１と静電結合されるが、電極２が装着される箇所の内側には遮蔽層１５があるため、電極２が存在している箇所に対応する部分の心線１１から電界エネルギーを取り出すことはできない。そのため、図４に示したように心線１１ａから漏れ出す電界からエネルギーを取り出す。このとき、電極２は、ＬＥＤ回路３を発光できる最低限の電圧が確保できる境界Ｂからの距離の範囲内に装着される必要がある。具体的には、例えば図５に示すように、ケーブル１０を固定するためのクランプ４が配設される位置よりもケーブル１０の先端側に装着することで、上記電圧を確保することが可能である。

次に、電極２の形状について説明する。上述したように、電極２で心線１１ａから生じる電界のエネルギーを効果的に取り込むには、心線１１ａとの距離を近くすることが重要である。加えて、電極２の表面積をできるだけ大きくすることや誘電率を高くすることも重要である。図６は、本実施形態に係る充電表示器の電極形状の一例を示す図である。例えば図４や図５に示したような電極２の装着箇所において、電気力線の電界から効率よくエネルギーを取得するためには、図６（Ａ）に示すような円筒形や図６（Ｂ）に示す円盤形にすることが望ましい。なお、図６（Ａ）、（Ｂ）のそれぞれにおいて、上の図は電極２の上面図であり、下の図が矢印aから見た断面図である。

図６（Ａ）に示す円筒形の場合は、ケーブル１０の全周を覆うように装着し、高さを有することで表面積を大きくして電気力線を多く吸収することができる。図６（Ｂ）に示す円盤形の場合は、できるだけ心線１１ａに近い距離に表面積が大きい面を配置することが可能となるため、電位が高い位置で電気力線を多く吸収することができる。

なお、電極２の形状は図６に示す円筒形や円盤形に限られるものではなく、楕円や多角形の筒状であったり、楕円や多角形の面状に形成されてもよい。また、図７及び図８は、本実施形態に係る充電表示器の電極形状のバリエーションを示す図である。図７（Ａ）は、帯状（又は針金状でもよい）の電極２を水平方向に渦巻状に形成したもの、図７（Ｂ）は、針金状（又は帯状でもよい）の電極２を垂直方向に螺旋状に形成したもの、図７（Ｃ）は、平板状（又は幅広の帯状でもよい）の電極２をロール状に巻いて形成したもの、図７（Ｄ）は、円筒形の側面の一部が開放されてＵ字状に形成したものである。

図７（Ｄ）のＵ字状の場合は、側面の開放部分がケーブル１０の径の大きさ以上に開放することで、取り付けの際に横からスライドするだけで装着することが可能となり、作業性を格段に向上させることが可能である。なお、図７（Ｄ）のようにケーブル１０の径に対して十分に大きい開放部分を設けるようにしてもよいし、ケーブル１０を側面からスライドさせて挿通できる程度の切れ目や割れ目を形成するようにしてもよい。また、図７（Ｄ）はＵ字の柱状に形成しているが、Ｕ字の面状に形成されたものでもよい。

図８（Ａ）は、ケーブル１０の先端側を頂点とする円錐面状（漏斗状）に形成したもの、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の円錐面状の電極２の内側に円筒形の電極２を配置して形成したもの、図８（Ｃ）は、図８（Ａ）の円錐面を湾曲させて半球状に形成したもの、図８（Ｄ）は、円筒形の外周に垂直方向に平面を有する平板状の羽を数枚（図８（Ｄ）では６枚）配設して形成したものである。

ここで、例えば図５に示したような端末処理においては、碍子６と電極２との距離を確保することが要求される。すなわち、図８（Ａ）～（Ｃ）のように、電極２がケーブル１０の基端側に後退しながら円錐面状や球状を形成する場合は、上記の要求を満たしつつ心線１１ａとの距離を最大限に保ち、且つ大きい表面積を確保できるため有効的である。

なお、図８（Ｄ）に示した形状については、図６（Ｂ）の円盤形の外周に平板状の羽（この場合は水平方向に平面を有する羽とする）を数枚配設して形成したものであってもよい。また、上記各形状の電極２に対して表面を凹凸状に加工した電極２を用いてもよい。表面を凹凸状にすることで、電界を凸部分に集中させて多くのエネルギーを取り出すことが可能となる。凹凸状の形成は、例えば突起状のものを外周面に接着するようにしてもよいし、表面をヤスリなどで荒く削って凹凸を形成するようにしてもよい。

図９は、本実施形態に係る充電表示器において誘電体を用いた場合の電極構造の一例を示す図である。図９（Ａ）は円筒形の電極２を用いた場合、図９（Ｂ）は円盤形の電極２を用いた場合の構造を示す図である。いずれの場合においても、心線１１ａと電極２との間に誘電体７を介する構成とすることで、効率よくエネルギーを取り出すことが可能となる。

このように、本実施形態に係る充電表示器１における電極２の形状は円筒形や円盤形に限らず、様々な形状で適用することが可能である。また、必ずしもケーブル１０の全周を覆う必要がなく、ケーブル１０を側面方向からスライドさせて挿通できる程度の開放部分や切れ目を設けることでケーブル１０への装着を容易にすることができる。さらに、電極２と誘電体５とを組み合わせて装着することで、より効率よく電界エネルギーを取り出すことが可能となる。なお、電極２は、上記のような様々な形状を単一の電極２で形成してもよいし、複数の電極２で形成するようにしてもよい。

6.6kVの高圧ケーブルに対して円筒形及び円盤形の電極２を用いて実際の計測を行った。図１０は、実際に試作した電極２で得られるエネルギーを計測した場合の回路構成を示す図である。図１０（Ａ）は円筒形の電極２を用いた場合の回路構成を示し、図１０（Ｂ）は円盤形の電極２を用いた場合の回路構成を示す図である。図１０の回路構成において、心線１１に3.8kVの電圧を印加し、遮蔽層１５はグランドプレーンに接地する。計測は、電極２と遮蔽層１５との間に掛かる電圧を測定する。ケーブル１０の径は1.8cmのものを使用した。このような計測環境において、（１）円筒形の電極２の長さを可変した場合のそれぞれの測定電圧、（２）円盤形の電極２の設置位置を可変した場合のそれぞれの測定電圧、（３）円筒形の電極２の径を可変した場合のそれぞれの測定電圧、（４）円盤形の電極２の内径と外径とを可変した場合のそれぞれの測定電圧を計測した。

（１）の計測結果について、円筒形の電極２の直径をD=3.5cmとし、遮蔽層１５の先端部からの距離であるオフセットをd=3cmとして、電極２の長さ（ケーブル１０に沿った長さ）Lを可変させた場合の測定電圧を以下の表１に示す。

表１から明らかなように、電極２の長さを長くするほど電圧が大きくなり、効率よくエネルギーを取り出すことができる。

（２）の計測結果について、円盤形の電極２の直径をD2=5cmとし、オフセットdを可変させた場合の測定電圧を以下の表２に示す。

表２から明らかなように、オフセットの値が小さいほど、すなわち電極２が心線１１ａに近いほど電圧が大きくなり、効率よくエネルギーを取り出すことができる。

（３）の計測結果について、円筒形の電極２の長さをL=5cmとし、オフセットをd=3cmとして、電極２の内側に配設する樹脂の厚さを変えて直径Dを可変させた場合の測定電圧を以下の表３に示す。

表３から明らかなように、電極２の直径を大きくするほど電圧が大きくなり、効率よくエネルギーを取り出すことができる。

（４）の計測結果について、円盤形の電極２のオフセットをd=3cmとし、円盤の内径D1と外径D2を可変させた場合の測定電圧を以下の表４に示す。

表４から明らかなように、円盤の外径D2が大きいほど電圧が大きくなる。一方で、外径D2の大きさを変えずに内径D1のみ可変させた場合はほとんど変化が見られなかった。このことから、内径D1の大きさの変化による表面積の変化が、外径D2の大きさの変化による表面積の変化に比べて小さいものであるため、取り出すエネルギーへの影響が少なかったものと考えられる。

なお、図１０に示した円筒形や円盤形以外に図７及び図８に示した各形状の電極２についても同様の実験を行ったが、いずれの電極２についてもＬＥＤ回路３を点灯することができ、オフセットdが小さいほど大きい電圧を得ることができた。

以上のことから、端末処理の基端部近傍における遮蔽層１５が形成されている領域に、できるだけ表面積が大きく、遮蔽層１５が形成されていない心線１１ａの近くに電極２を装着することで、効率よく心線１１ａからの電界エネルギーを取り出すことが可能となり、心線１１の充電状態をＬＥＤ回路３で表示することが可能である。

Ｂ 境界
Ｒ 端末処理部
１ 充電表示器
２ 電極
３ ＬＥＤ回路
４ クランプ
５ 保護層
６ 碍子
７ 誘電体
１０ ケーブル
１１、１１ａ 心線
１２ 内部半導電層
１３ 絶縁層
１４ 外側半導電層
１５ 遮蔽層
１６ シース

Claims (5)

1. 高圧ケーブルの端末処理部分の基端部近傍であって、前記高圧ケーブルの少なくとも遮蔽層が形成されている対象領域に前記高圧ケーブルの外周の一部又は全部を周回して装着される電極と、
   前記端末処理部分において前記遮蔽層が除去された心線と前記電極との間の静電容量で誘起される電圧で駆動する表示手段とを備えることを特徴とする充電表示器。
2. 請求項１に記載の充電表示器において、
   前記電極が前記高圧ケーブルを固定するためのクランプと前記端末処理部分との間の領域に装着されることを特徴とする充電表示器。
3. 請求項１又は２に記載の充電表示器において、
   前記電極が誘電体を介して前記対象領域に装着されることを特徴とする充電表示器。
4. 請求項１又は２に記載の充電表示器において、
   前記電極が前記高圧ケーブルの先端側を頂点とする円錐面状に形成されていることを特徴とする充電表示器。
5. 請求項１又は２に記載の充電表示器において、
   前記電極の外表面に凹凸が形成されていることを特徴とする充電表示器。
   

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