WO2022224325A1 - 非接触電圧センサ装置 - Google Patents

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WO2022224325A1
WO2022224325A1 PCT/JP2021/015935 JP2021015935W WO2022224325A1 WO 2022224325 A1 WO2022224325 A1 WO 2022224325A1 JP 2021015935 W JP2021015935 W JP 2021015935W WO 2022224325 A1 WO2022224325 A1 WO 2022224325A1
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WO
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capacitance
voltage
coupling capacitance
probe electrode
sensor device
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Application number
PCT/JP2021/015935
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English (en)
French (fr)
Inventor
雄三 玉木
慶洋 明星
Original Assignee
三菱電機株式会社
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof

Definitions

  • the present disclosure relates to a non-contact voltage sensor device.
  • a known technique is to observe the AC voltage applied to the core conductor of the electric wire without the electrodes coming into contact with the core conductor of the electric wire by arranging the electrodes on the insulating film that covers the core conductor of the electric wire.
  • a coupling capacitance is formed between the core conductor of the electric wire and the electrode.
  • This coupling capacitance is an unknown quantity that depends on the dimensions of the wire and the dimensions of the electrodes.
  • Patent Literature 1 describes a non-contact voltage measuring device that includes a first electrode, a second electrode, a switch, and an arithmetic unit.
  • a first capacitor is formed between the conductor to which the alternating voltage to be measured is applied and the first electrode, and a second capacitor is formed between the conductor and the second electrode.
  • the capacitance of the first capacitor and the capacitance of the second capacitor are correlated with each other. These capacitances are coupling capacitances.
  • an AC signal is applied between the first electrode and the first reference potential.
  • a first charge detection signal is generated according to the charge accumulated in the second capacitor by the AC signal while the second electrode is kept at a potential equal to the first reference potential.
  • a second charge detection signal is generated according to the charge accumulated in the second capacitor by the alternating voltage while the second electrode is kept at a potential equal to the second reference potential.
  • the calculator calculates a measured value of the AC voltage based on the first charge detection signal and the second charge detection signal.
  • the core conductor of the electric wire to which the AC voltage to be observed is applied is arranged close to the housing or frame ground (hereinafter referred to as FG) of the device.
  • FG housing or frame ground
  • a stray capacitance is formed between the core conductor of the electric wire and the FG, the magnitude of which cannot be ignored for the observation of the AC voltage. Since this stray capacitance is an unknown amount that is formed unintentionally, there is a problem that it becomes a factor that deteriorates the accuracy of AC voltage observation of the non-contact voltage measuring device described in Patent Document 1.
  • the present disclosure solves the above problems by calibrating the effect of the coupling capacitance formed between the conductor and the electrode on the observation of the alternating voltage applied to the conductor, and
  • An object of the present invention is to obtain a non-contact voltage sensor device capable of calibrating the influence of stray capacitance.
  • a non-contact voltage sensor device is a non-contact voltage sensor device having a frame ground in which a stray capacitance is formed between a conductor to which an alternating voltage to be observed is applied, wherein A first probe electrode in which a first coupling capacitance is formed between the conductor when arranged, and a first coupling capacitance and a correlation between the conductor while being arranged in a non-contact state with the conductor between a second probe electrode in which a second coupling capacitance is formed and the conductor in a state of being arranged in non-contact with the conductor, the first coupling capacitance and the second coupling capacitance correlated with With a third probe electrode forming a third coupling capacitance and a capacitive element with a known value of capacitance, the voltage observed by the first probe electrode is the first coupling capacitance, the capacitive A sensor circuit that calculates the AC voltage applied to the conductor by using the voltage signal divided by the composite capacitance including the capacitance
  • the sensor circuit detects that the voltage of the known calibration signal is reduced by a combined capacitance including the first coupling capacitance, the capacitance of the capacitive element, the stray capacitance and the second coupling capacitance or the third coupling capacitance. Observe the divided output voltage. Then, the sensor circuit calculates each capacitance value of the first coupling capacitance and the stray capacitance using the output voltage, the voltage of the calibration signal, and the capacitance of the capacitive element observed each time the output destination of the calibration signal is switched by the switch. The AC voltage to be observed is calculated using the capacitance values of the first coupling capacitance and the stray capacitance.
  • the non-contact voltage sensor device calibrates the influence of the coupling capacitance formed between the conductor and the electrode on the observation of the alternating voltage applied to the conductor, and The effects of stray capacitances that are formed can be calibrated.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of a non-contact voltage sensor device according to Embodiment 1;
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the non-contact voltage sensor device of FIG. 1;
  • FIG. FIG. 4 is a configuration diagram showing a configuration of a modification (1) of the non-contact voltage sensor device according to Embodiment 1;
  • FIG. 8 is a configuration diagram showing a configuration of a modification (2) of the non-contact voltage sensor device according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a waveform diagram showing the waveform of an AC voltage signal and the waveform of a calibration signal;
  • FIG. 9 is a configuration diagram showing the configuration of a non-contact voltage sensor device according to Embodiment 2;
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of a non-contact voltage sensor device 1 according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the non-contact voltage sensor device 1.
  • cables 2 and 3 are a pair of electric wires.
  • the cable 2 is composed of a core conductor 2a and an insulating coating 2b covering the core conductor 2a
  • the cable 3 is composed of a core conductor 3a and an insulating coating 3b covering the core conductor 3a.
  • the non-contact voltage sensor device 1 has a frame ground (FG) in which a stray capacitance is formed between itself and the core conductor 2a of the cable 2.
  • FG frame ground
  • the cable 3 is a neutral wire, and the core conductor 3a of the cable 3 has the same potential as FG.
  • the non-contact voltage sensor device 1 also has a signal ground (hereinafter referred to as SG) formed on an internal circuit. As shown in FIG. 1, SG is connected to FG.
  • An AC voltage V in to be observed is applied to the core conductor 2 a of the cable 2 by an AC signal source 4 .
  • the non-contact voltage sensor device 1 observes the waveform of the AC voltage Vin applied to the core conductor 2a.
  • the non-contact voltage sensor device 1 is connected to the console 5 .
  • the console 5 is an input/output device that outputs information acquired from the non-contact voltage sensor device 1 , receives input of information from the outside, and outputs the information to the non-contact voltage sensor device 1 .
  • the console 5 has a display that displays the AC voltage waveform observed by the non-contact voltage sensor device 1 and has input devices such as a keyboard and a touch panel that receive input of setting information for the sensor circuit 13 .
  • the non-contact voltage sensor device 1 comprises a first probe electrode 11, a probe cable 12, a sensor circuit 13, a second probe electrode 14, a probe cable 15, a third probe electrode 16, a probe cable 17 and a calibration circuit 18.
  • a probe cable 12 connects between the first probe electrode 11 and the sensor circuit 13 .
  • a probe cable 15 connects between the second probe electrode 14 and the calibration circuit 18 .
  • a probe cable 17 connects between the third probe electrode 16 and the calibration circuit 18 .
  • the first probe electrode 11 is arranged on the coating 2b of the cable 2, as shown in FIG. That is, the first probe electrode 11 is out of contact with the core conductor 2a of the cable 2 due to the coating 2b. A first coupling capacitance is formed between the first probe electrode 11 and the core conductor 2 a of the cable 2 .
  • the second probe electrode 14 is arranged on the coating 2b of the cable 2, as shown in FIG. That is, the second probe electrode 14 is out of contact with the core conductor 2a of the cable 2 due to the coating 2b. A second coupling capacitance is formed between the second probe electrode 14 and the core conductor 2 a of the cable 2 .
  • the third probe electrode 16 is arranged on the coating 2b of the cable 2, as shown in FIG. That is, the third probe electrode 16 is out of contact with the core conductor 2a of the cable 2 due to the coating 2b. A third coupling capacitance is formed between the third probe electrode 16 and the core conductor 2 a of the cable 2 .
  • the first coupling capacitance is a capacitance that is unintentionally formed between the coating 2b of the cable 2 and the first probe electrode 11, and the stray capacitance is also formed between the core conductor 2a of the cable 2 and FG. It is a parasitic capacitance that is formed unintentionally. Therefore, when observing the voltage amplitude of the AC voltage Vin applied to the core conductor 2a of the cable 2, both the first coupling capacitance and the stray capacitance are unknown.
  • the non-contact voltage sensor device 1 can be represented by the equivalent circuit shown in FIG.
  • the first probe electrode 11, the second probe electrode 14 and the third probe electrode 16 each have a first coupling capacitance, a second coupling capacitance and a third coupling capacitance.
  • the values are arranged to have a known correlation with each other.
  • the capacitance values of the first coupling capacitance, the second coupling capacitance, and the third coupling capacitance are proportional.
  • the first probe electrode 11 and the second probe electrode 14 have, for example, the same spacing (distance) from the coating 2b of the cable 2 and the same electrode area facing the coating 2b of the cable 2. is configured to be Accordingly, when the capacitance value of the first coupling capacitance is C0 , the capacitance value of the second coupling capacitance is C0 .
  • the electrode area of the third probe electrode 16 facing the film 2b is twice the electrode area of the first probe electrode 11 .
  • the capacitance value of the third coupling capacitance is 2C0 .
  • the first coupling capacitance, the second coupling capacitance and the third coupling capacitance are unknown capacitance values, but they have a known correlation.
  • the sensor circuit 13 includes a voltage dividing capacitor element 131 , an operational amplifier 132 , an AD converter 133 and a control circuit 134 .
  • the voltage dividing capacitor element 131 is a capacitive element having a known value C1.
  • One terminal of the voltage dividing capacitor element 131 is connected to the input terminal of the sensor circuit 13 and the positive input terminal (+) of the operational amplifier 132, and the other terminal is connected to SG.
  • the AC voltage V in detected by the first probe electrode 11 includes the first coupling capacitance (capacitance value C 0 ), the capacitance of the voltage dividing capacitor element 131 (capacitance value C 1 ), and the stray capacitance (capacitance value C FG ). , and the divided AC voltage signal is input to the positive input terminal of the operational amplifier 132 .
  • the operational amplifier 132 is an operational amplifier that functions as a unity gain buffer amplifier, the negative input terminal (-) is connected to the output terminal, and the first probe electrode 11 is connected to the positive input terminal of the operational amplifier 132 via the probe cable 12. It is connected.
  • the AC voltage signal divided by the combined capacitance including the first coupling capacitance, the capacitance of the voltage dividing capacitor element 131 and the floating capacitance is input to the positive input terminal of the operational amplifier 132, the AC voltage signal is output without changing the waveform.
  • the AD converter 133 converts the analog AC voltage signal output from the operational amplifier 132 into a digital signal.
  • the control circuit 134 calculates the AC voltage Vin to be observed based on the AC voltage signal digitally converted by the AD converter 133 . Specifically, the control circuit 134 uses the first coupling capacitance (capacitance value C 0 ), the capacitance (capacitance value C 1 ) of the voltage dividing capacitor element 131 and the stray capacitance (capacitance value C FG ) to Calculate Vin .
  • the capacitance (capacitance value C 1 ) of the voltage dividing capacitor element 131 is known, the first coupling capacitance (capacitance value C 0 ) and the stray capacitance (capacitance value C FG ) are unknown. However, since the first coupling capacitance, the second coupling capacitance and the third coupling capacitance have a known correlation, the first coupling capacitance (capacitance value C 0 ) and stray capacitance (capacitance value C FG ) can be determined in advance.
  • the calibration circuit 18 includes a high frequency oscillator 181, a buffer circuit 182 and a switch 183, as shown in FIG.
  • a high-frequency oscillator 181 generates and outputs a calibration signal having a known voltage waveform.
  • the buffer circuit 182 temporarily stores the calibration signal output from the high frequency oscillator 181 .
  • the switch 183 switches the output destination of the calibration signal output from the buffer circuit 182 to either the second probe electrode 14 or the third probe electrode 16 . For example, the switch 183 switches the output destination of the calibration signal in synchronization with the control pulse signal W1 output from the control circuit 134 .
  • the non-contact voltage sensor device 1 uses the calibration signal output from the high-frequency oscillator 181 to determine the first coupling capacitance (capacitance value C 0 ) and the stray capacitance (capacitance value C FG ).
  • the sensor circuit 13 includes the first coupling capacitance (capacitance value C 0 ), the capacitance (capacitance value C 1 ) and stray capacitance (capacitance value C FG ) of the voltage dividing capacitor element 131, and the second coupling capacitance (capacitance value C FG ).
  • the output voltage obtained by dividing the voltage of the calibration signal by the composite capacitance including the value C 0 ) or the third coupling capacitance (capacitance value 2C 0 ) is observed.
  • the sensor circuit 13 By controlling the switch 183 to switch the output destination of the calibration signal, the sensor circuit 13 observes the output voltage V1 and the output voltage V2 which are different from each other. For example, the sensor circuit 13 controls the switch 183 to switch the output destination of the calibration signal to the second probe electrode 14, so that the first coupling capacitance, the capacitance of the voltage dividing capacitor element 131, the stray capacitance and the second Observe the output voltage V1 obtained by dividing the voltage of the calibration signal by the composite capacitance including the coupling capacitance of .
  • the sensor circuit 13 controls the switch 183 to switch the output destination of the calibration signal to the third probe electrode 16, so that the first coupling capacitance, the capacitance of the voltage dividing capacitor element 131, the stray capacitance and the third Observe the output voltage V2 obtained by dividing the voltage of the calibration signal by the composite capacitance including the coupling capacitance of .
  • the capacitance value of the second coupling capacitance and the capacitance value of the third coupling capacitance must be different from each other. There is a need. That is, the second probe electrode 14 and the third probe electrode 16 are configured such that the capacitance value of the second coupling capacitance and the capacitance value of the third coupling capacitance are different values.
  • the sensor circuit 13 uses the observed output voltage V 1 and output voltage V 2 to calculate the first coupling capacitance (capacitance value C 0 ) and stray capacitance (capacitance value C FG ).
  • the calibration signal output from the high frequency oscillator 181 is transmitted to the AD converter 133 included in the sensor circuit 13 .
  • the switch 183 switches the output destination of the calibration signal to the second probe electrode 14
  • the voltage of the calibration signal V OSC output from the high-frequency oscillator 181 changes to the second coupling capacitance (capacitance value C 0 ), the first coupling capacitance (capacitance value C 0 ), the capacitance of the voltage dividing capacitor element 131 (capacitance value C 1 ), and the stray capacitance (capacitance value C FG ) between the core conductor 2a and FG.
  • An output voltage V out obtained by dividing the voltage of the calibration signal V OSC by the combined capacitance is input to the AD converter 133 .
  • the first coupling capacitance (capacitance value C 0 ) is one times the second coupling capacitance (capacity value C 0 ), and the third coupling capacitance (capacity value 2C 0 ) is the first coupling capacitance. and twice the capacitance value of the second coupling capacitance. Therefore, if the combined capacity of the second coupling capacity and the first coupling capacity is C A1 and the combined capacity of the third coupling capacity and the first coupling capacity is C A2 , then C A1 and C A2 are , are represented by the following equations (1) and (2).
  • the output voltage V out observed when the switch 183 switches the output destination of the calibration signal to the second probe electrode 14 is V 1
  • the switch 183 switches the output destination of the calibration signal to the third probe electrode 16 Assuming that the output voltage V out observed when the switching is switched to V2, the combined capacitance CA1 is expressed by the following equation (3), and the combined capacitance CA2 is expressed by the following equation (4).
  • the output voltages V1 and V2 are the observed values observed by the sensor circuit 13, the voltage of the calibration signal V OSC and the capacitance value of the voltage dividing capacitor element 131 .
  • C1 is a known value.
  • the control circuit 134 converts the observed values of the output voltages V1 and V2, the known voltage of the calibration signal V OSC and the capacitance value C1 of the voltage dividing capacitor element 131 into the following equations ( 3 ) and (4).
  • the first coupling capacitance (capacitance value C 0 ) and the stray capacitance (capacitance value C FG ) can be calculated using simultaneous equations obtained by substitution.
  • the control circuit 134 outputs the AC voltage signal observed by the first probe electrode 11, the known capacitance (capacitance value C 1 ) of the voltage dividing capacitor element 131, and the previously calculated first coupling capacitance (capacitance value C 0 ) and the stray capacitance (capacitance value C FG ), the waveform of the AC voltage V in to be observed applied to the core conductor 2a is calculated. For example, the waveform of the AC voltage Vin calculated by the control circuit 134 is displayed on the console 5 .
  • the first coupling capacitance is one times the second coupling capacitance
  • the third coupling capacitance is twice the first coupling capacitance and the second coupling capacitance.
  • the first probe electrode 11, the second probe electrode 14, and the third probe electrode 16 are arranged such that the respective capacitance values of the first coupling capacitance, the second coupling capacitance, and the third coupling capacitance have a known correlation with each other. It is sufficient if they are configured to have a relationship.
  • FIG. 3 is a configuration diagram showing the configuration of a non-contact voltage sensor device 1A, which is a modified example (1) of the non-contact voltage sensor device 1.
  • FIG. 3 the same components as in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
  • Non-contact voltage sensor device 1A includes first probe electrode 11, probe cable 12, sensor circuit 13, second probe electrode 14, probe cable 15, third probe electrode 16, probe cable 17 and calibration circuit 18A. .
  • the calibration circuit 18A includes a high frequency oscillator 181, a buffer circuit 182 and a switch 184.
  • the second probe electrode 14 is connected to the buffer circuit 182 without going through the switch 184.
  • FIG. Therefore, the calibration signal output from the high frequency oscillator 181 and stored in the buffer circuit 182 is always output to the second probe electrode 14 .
  • the switch 184 is connected to the third probe electrode 16 and switches whether or not to output the calibration signal to the third probe electrode 16 .
  • the sensor circuit 13 controls the switch 184 to turn off the output of the calibration signal to the third probe electrode 16, so that the first coupling capacitance, the capacitance of the voltage dividing capacitor element 131, the stray capacitance and the second An output voltage V1 obtained by dividing the voltage of the calibration signal by the composite capacitance including the coupling capacitance is observed. Furthermore, the sensor circuit 13 controls the switch 184 to turn on the output of the calibration signal to the third probe electrode 16 , so that the first coupling capacitance, the second coupling capacitance, and the voltage dividing capacitor element 131 are An output voltage V2 obtained by dividing the voltage of the calibration signal by a combined capacitance including capacitance, stray capacitance and third coupling capacitance is observed.
  • the sensor circuit 13 calculates the first coupling capacitance (capacitance value C 0 ) and the stray capacitance (capacitance value C FG ) according to the above equations (3) and (4). can do.
  • FIG. 4 is a configuration diagram showing the configuration of a non-contact voltage sensor device 1B, which is a modified example (2) of the non-contact voltage sensor device 1. As shown in FIG. In FIG. 4, the same components as those in FIG. 1 are assigned the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
  • the non-contact voltage sensor device 1B includes a first probe electrode 11, a probe cable 12, a sensor circuit 13, a second probe electrode 14, a probe cable 15, a third probe electrode 16, a probe cable 17 and a calibration device 6. .
  • the second probe electrode 14, the probe cable 15, the third probe electrode 16, the probe cable 17 and the calibration circuit 18 are provided in a calibration device 6 provided separately from the non-contact voltage sensor device 1B. That is, in the non-contact voltage sensor device 1B, the sensor circuit 13 and the calibration circuit 18 are provided in separate housings.
  • the switch 183 When calculating the first coupling capacitance (capacitance value C 0 ) and stray capacitance (capacitance value C FG ), switching of the output destination of the calibration signal by the switch 183 is performed separately from the control circuit 134, for example, by user setting. Executed by
  • the non-contact voltage sensor device 1B can be reduced to the minimum required circuit scale without the calibration circuit 18 .
  • the calibration device 6 may be used when calculating the first coupling capacitance (capacitance value C 0 ) and floating capacitance (capacitance value C FG ). That is, when the non-contact voltage sensor device 1B observes the AC voltage V in applied to the core conductor 2a of the cable 2, the calibration device 6 is used to measure the first coupling capacitance (capacitance value C 0 ) and the stray capacitance. (Capacitance value C FG ) may be calculated only once in advance, and the calibrating device 6 does not have to be permanently installed on the cable 2 .
  • FIG. 5 is a waveform diagram showing the waveform of the AC voltage signal Vin and the waveform of the calibration signal V OSC .
  • the high frequency oscillator 181 included in the non-contact voltage sensor devices 1, 1A and 1B may output a calibration signal V OSC having a frequency that is an integral multiple of the frequency of the AC voltage signal Vin.
  • the frequency of the AC voltage signal Vin to be observed is assumed to be 50 Hz (period 20 ms).
  • the frequency of the calibration signal V OSC is set to 100 Hz, which is twice the frequency of the AC voltage signal Vin.
  • the output voltage signal Vout output to the AD converter 133 is a composite wave signal of the AC voltage signal Vin and the calibration signal VOSC .
  • the control circuit 134 performs a process corresponding to Fourier transform on the output voltage signal Vout in a time segment corresponding to one cycle (20 ms) of the AC voltage signal Vin. Since the frequency of the calibration signal V OSC is an integral multiple of the frequency of the AC voltage signal Vin , the waveforms of the AC voltage signal Vin and the waveforms of the calibration signal V OSC are orthogonal to each other.
  • the voltage of the known calibration signal is the first coupling capacitance, the capacitance of the voltage dividing capacitor element 131 and the stray capacitance, and the second coupling capacitance.
  • the output voltage divided by the capacitance or the composite capacitance including the third coupling capacitance Observe the output voltage divided by the capacitance or the composite capacitance including the third coupling capacitance.
  • Each of the first coupling capacitance and stray capacitance calculated using the output voltage observed each time the switch 183 or 184 switches the output destination of the calibration signal, the voltage of the calibration signal, and the capacitance of the voltage dividing capacitor element 131 Using the capacitance value, the AC voltage V in to be observed is calculated.
  • the non-contact voltage sensor device 1 detects the effect of the first coupling capacitance between the core conductor 2a and the first probe electrode 11 on the observation of the AC voltage Vin applied to the core conductor 2a of the cable 2. can be calibrated to calibrate the influence of the stray capacitance between the core conductor 2a and FG.
  • the second probe electrode 14 outputs the calibration signal without passing through the switch 184 .
  • the switch 184 is connected to the third probe electrode 16 and switches whether or not to output the calibration signal to the third probe electrode 16 .
  • the non-contact voltage sensor device 1A detects the effect of the first coupling capacitance between the core conductor 2a and the first probe electrode 11 on the observation of the AC voltage Vin applied to the core conductor 2a of the cable 2. can be calibrated to calibrate the influence of the stray capacitance between the core conductor 2a and FG.
  • non-contact voltage sensor device 1B In non-contact voltage sensor device 1B according to Embodiment 1, sensor circuit 13 and calibration circuit 18 are provided in separate housings. As a result, the non-contact voltage sensor device 1B detects the effect of the first coupling capacitance between the core conductor 2a and the first probe electrode 11 on the observation of the AC voltage Vin applied to the core conductor 2a of the cable 2. can be calibrated to calibrate the influence of the stray capacitance between the core conductor 2a and FG. In addition, the non-contact voltage sensor device 1B can be reduced to the minimum required circuit scale with the calibration circuit 18 omitted.
  • high-frequency oscillator 181 generates calibration signal V OSC having a frequency that is an integral multiple of the frequency of AC voltage signal Vin applied to core conductor 2a. to output As a result, the AC voltage signal V in to be observed and the calibration signal V OSC are orthogonal to each other. For this reason, for a composite wave signal of the AC voltage signal Vin to be observed and the calibration signal V OSC , which is output to the AD converter 133, Fourier Each signal can be separated and extracted by performing a process corresponding to conversion. Accordingly, calibration processing for calculating the first coupling capacitance (capacitance value C 0 ) and stray capacitance (capacitance value C FG ) can be performed simultaneously with the observation of the AC voltage signal V in .
  • FIG. 6 is a configuration diagram showing the configuration of a non-contact voltage sensor device 1C according to the second embodiment.
  • Non-contact voltage sensor device 1C includes first probe electrode 11, probe cable 12, sensor circuit 13A, second probe electrode 14, probe cable 15, third probe electrode 16, probe cable 17 and calibration circuit 18. .
  • the sensor circuit 13A includes a diode element 135 instead of the voltage dividing capacitor element 131.
  • the diode element 135 is a capacitive element having the same junction capacitance value as the electrostatic capacitance value of the voltage dividing capacitor element 131 .
  • Diode element 135 comprises two diodes. In the diode element 135, the anode terminal of one diode is connected to the positive input terminal of the operational amplifier 132, the cathode terminal is connected to the anode terminal of another diode, and the cathode terminal of the diode is connected to FG.
  • the diode element 135 functions as the voltage dividing capacitor element 131 when observing the AC voltage Vin applied to the core conductor 2 a of the cable 2 . Moreover, when an overvoltage such as noise is input through the first probe electrode 11, the diode element 135 clamps the overvoltage, thereby protecting the sensor circuit 13A from the overvoltage.
  • a diode element 135 may be provided instead of the voltage dividing capacitor element 131 in the non-contact voltage sensor device 1A shown in FIG. 3 or the non-contact voltage sensor device 1B shown in FIG.
  • the non-contact voltage sensor devices 1A and 1B configured in this manner also provide the same effects as the non-contact voltage sensor device 1C.
  • the sensor circuit 13A and the calibration circuit 18 may be provided in separate housings. Even with such a configuration, the non-contact voltage sensor device 1C having such a configuration can obtain the same effect as the non-contact voltage sensor device 1B.
  • the high-frequency oscillator 181 is a high-frequency oscillator that outputs a calibration signal V OSC having a frequency that is an integral multiple of the frequency of the AC voltage signal Vin applied to the core conductor 2a. good too. Also in the non-contact voltage sensor device 1C configured in this way, calibration processing for calculating the first coupling capacitance (capacitance value C 0 ) and the stray capacitance (capacitance value C FG ) is performed simultaneously with the observation of the AC voltage signal Vin. can also be executed.
  • the capacitive element is the diode element 135.
  • Diode element 135 functions as voltage dividing capacitor element 131 and also has an overvoltage protection function. Therefore, the non-contact voltage sensor device 1C does not require a dedicated circuit for overvoltage protection, and the circuit scale can be kept small.
  • Embodiments 1 and 2 the case where the AC voltage is observed is the cable 2 is shown.
  • the non-contact voltage sensor devices 1, 1A to 1C according to the first and second embodiments are not limited to the cable 2, and can observe AC voltage as long as it is a conductor to which an AC voltage is applied.
  • a non-contact voltage sensor device can be used, for example, to observe AC voltage in a high-voltage AC power supply in a distribution system.
  • Non-contact voltage sensor device 1, 1A to 1C Non-contact voltage sensor device, 2, 3 Cable, 2a, 3a Core wire conductor, 2b, 3b Coating, 4 AC signal source, 5 Console, 6 Calibration device, 11 First probe electrode, 12, 15, 17 probe cable, 13, 13A sensor circuit, 14 second probe electrode, 16 third probe electrode, 18, 18A calibration circuit, 131 voltage dividing capacitor element, 132 operational amplifier, 133 AD converter, 134 control circuit, 135 diode Element, 181 high frequency oscillator, 182 buffer circuit, 183, 184 switch.

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Abstract

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、芯線導体（２ａ）と第２のプローブ電極（１４）との間の第２の結合容量または芯線導体（２ａ）と第３のプローブ電極（１６）との間の第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、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分圧用キャパシタ素子（１３１）の容量を用いて算出された第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を算出する。

Description

非接触電圧センサ装置
　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Ｖｉｎ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Ｖｉｎ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Ｖｉｎ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Ｖｉｎ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Ｃ０である場合、第２の結合容量の容量値はＣ０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Ｃ０であると、第３の結合容量の容量値は２Ｃ０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Ｃ１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Ｖｉｎは、第１の結合容量（容量値Ｃ０）、分圧用キャパシタ素子１３１の容量（容量値Ｃ１）および浮遊容量（容量値ＣＦＧ）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Ｖｉｎ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Ｃ０）、分圧用キャパシタ素子１３１の容量（容量値Ｃ１）および浮遊容量（容量値ＣＦＧ）を用いて、交流電圧Ｖｉｎを算出する。
　分圧用キャパシタ素子１３１の容量（容量値Ｃ１）は既知であるが、第１の結合容量（容量値Ｃ０）および浮遊容量（容量値ＣＦＧ）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Ｖｉｎを観測するために、第１の結合容量（容量値Ｃ０）および浮遊容量（容量値ＣＦＧ）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Ｃ０）および浮遊容量（容量値ＣＦＧ）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Ｃ０）、分圧用キャパシタ素子１３１の容量（容量値Ｃ１）および浮遊容量（容量値ＣＦＧ）と、第２の結合容量（容量値Ｃ０）または第３の結合容量（容量値２Ｃ０）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Ｖ１および出力電圧Ｖ２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Ｖ１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Ｖ２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Ｖ１および出力電圧Ｖ２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Ｖ１および出力電圧Ｖ２を用いて、第１の結合容量（容量値Ｃ０）および浮遊容量（容量値ＣＦＧ）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ＶＯＳＣの電圧が、第２の結合容量（容量値Ｃ０）と、第１の結合容量（容量値Ｃ０）と、分圧用キャパシタ素子１３１の容量（容量値Ｃ１）と、芯線導体２ａとＦＧとの間の浮遊容量（容量値ＣＦＧ）との合成容量によって分圧される。校正用信号ＶＯＳＣの電圧が上記合成容量によって分圧された出力電圧Ｖｏｕｔは、ＡＤ変換器１３３に入力される。
　第１の結合容量（容量値Ｃ０）が第２の結合容量（容量値Ｃ０）の１倍の容量値であり、第３の結合容量（容量値２Ｃ０）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ＣＡ１とし、第３の結合容量と第１の結合容量との合成容量をＣＡ２とすると、ＣＡ１およびＣＡ２は、下記式（１）および下記式（２）によって表される。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　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ＶｏｕｔをＶ１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ＶｏｕｔをＶ２とすると、合成容量ＣＡ１は、下記式（３）によって表され、合成容量ＣＡ２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Ｖ１およびＶ２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ＶＯＳＣの電圧および分圧用キャパシタ素子１３１の容量値Ｃ１は既知の値である。制御回路１３４は、出力電圧Ｖ１およびＶ２の各観測値、校正用信号ＶＯＳＣの既知の電圧および分圧用キャパシタ素子１３１の容量値Ｃ１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Ｃ０）および浮遊容量（容量値ＣＦＧ）を算出することができる。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　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Ｃ１）と、事前に算出した第１の結合容量（容量値Ｃ０）および浮遊容量（容量値ＣＦＧ）を用いて、芯線導体２ａに印加された観測対象の交流電圧Ｖｉｎ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Ｖｉｎ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Ｖ１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Ｖ２を観測する。
　例えば、第２の結合容量の容量値をＣ０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Ｃ０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Ｃ０）および浮遊容量（容量値ＣＦＧ）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Ｃ０）および浮遊容量（容量値ＣＦＧ）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Ｃ０）および浮遊容量（容量値ＣＦＧ）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Ｖｉｎ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Ｃ０）および浮遊容量（容量値ＣＦＧ）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Ｖｉｎの波形および校正用信号ＶＯＳＣ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Ｖｉｎの周波数の整数倍の周波数を有した校正用信号ＶＯＳＣ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Ｖｉｎの周波数を５０Ｈｚ（周期２０ｍｓ）とする。また、校正用信号ＶＯＳＣの周波数を、図５に示すように、交流電圧信号Ｖｉｎ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Ｖｏｕｔは、交流電圧信号Ｖｉｎと校正用信号ＶＯＳＣの合成波信号となる。制御回路１３４は、交流電圧信号Ｖｉｎの１周期（２０ｍｓ）に対応する時間区分で、出力電圧信号Ｖｏｕｔをフーリエ変換に相当する処理を行う。校正用信号ＶＯＳＣの周波数が交流電圧信号Ｖｉｎの周波数の整数倍であるので、交流電圧信号Ｖｉｎの波形と校正用信号ＶＯＳＣの波形は、互いに直交した関係になる。
　交流電圧信号Ｖｉｎの波形と校正用信号ＶＯＳＣ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Ｖｉｎの観測と同時に、第１の結合容量（容量値Ｃ０）および浮遊容量（容量値ＣＦＧ）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Ｖｉｎ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Ｖｉｎ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Ｖｉｎ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Ｖｉｎ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Ｖｉｎの周波数の整数倍の周波数を有した校正用信号ＶＯＳＣを出力する。これにより、観測対象の交流電圧信号Ｖｉｎと校正用信号ＶＯＳＣ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Ｖｉｎと校正用信号ＶＯＳＣとの合成波信号に対して、有限時間長（交流電圧信号Ｖｉｎ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Ｖｉｎの観測と同時に、第１の結合容量（容量値Ｃ０）および浮遊容量（容量値ＣＦＧ）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Ｖｉｎ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Ｖｉｎの周波数の整数倍の周波数を有した校正用信号ＶＯＳＣ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Ｖｉｎの観測と同時に、第１の結合容量（容量値Ｃ０）および浮遊容量（容量値ＣＦＧ）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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