(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定試料に接続され、当該測定試料に交流電圧を印加する電源と、前記電源に一端が接続される標準コンデンサと、前記標準コンデンサの他端に接続され、可変静電容量及び可変抵抗からなる並列回路と、前記測定試料に一端が接続される差動入力抵抗と、前記差動入力抵抗の一端に第１の端子が接続され、前記標準コンデンサの他端に第２の端子が接続され、当該第１の端子及び第２の端子の差動入力に基づいて前記測定試料に流れるｎ次高調波電流（ｎは２以上の自然数）を測定する測定部と、前記電源、並列回路及び測定部を制御する制御部と、を備える測定装置を用いて、前記ｎ次高調波電流を測定するｎ次高調波電流測定方法であって、
前記制御部の制御により、測定するｎ次高調波成分の周波数の交流電圧を前記電源から印加した状態で、前記標準コンデンサの静電容量、前記並列回路の可変静電容量及び可変抵抗、前記測定試料の静電容量、並びに、前記差動入力抵抗からなるブリッジ回路における、前記可変静電容量及び可変抵抗を調整して、前記ブリッジ回路を平衡状態にする第１のステップと、
前記制御部の制御により、第１のステップで調整した前記ブリッジ回路の平衡状態における、基本波成分の周波数の交流電圧を前記電源から印加した状態で、前記測定部が前記ｎ次高調波電流を測定する第２のステップと、
を含むことを特徴とするｎ次高調波電流測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載のｎ次高調波電流測定方法において、
前記第１のステップは、前記測定試料に流れる電流を前記差動入力抵抗で電圧に変換して前記測定部が検出し、前記標準コンデンサに流れる電流を前記並列回路で電圧に変換して前記測定部が検出して、前記測定部の第１の端子及び第２の端子間の差動電圧が最小になるように、前記制御部が可変静電容量及び可変抵抗を調整することを特徴するｎ次高調波電流測定方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のｎ次高調波電流測定方法において、
前記第１のステップの前に、前記制御部が、前記測定部の第１の端子と前記差動入力抵抗の一端との接点を開放し、前記可変静電容量を０に設定し、前記可変抵抗を任意の値に設定して、前記測定部が、前記標準コンデンサに流れる電流を前記可変抵抗で電圧に変換して、前記ｎ次高調波成分の周波数の交流電圧を調整するステップを含むことを特徴とするｎ次高調波電流測定方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のｎ次高調波電流測定方法において、
前記第１のステップと前記第２のステップとの間に、前記制御部が、前記測定部の第１の端子と前記差動入力抵抗の一端との接点を開放し、前記可変静電容量を０に設定し、前記可変抵抗を任意の値に設定して、前記測定部が、前記標準コンデンサに流れる電流を前記可変抵抗で電圧に変換して、前記基本波成分の周波数の交流電圧を調整するステップを含むことを特徴とするｎ次高調波電流測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ケーブル及び電気機器等の絶縁材料の特性を評価する際に用いる高調波電流を測定することができるｎ次高調波電流（ｎは２以上の自然数）の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の絶縁体の損失電流測定方法は、電流比較型損失電流ブリッジにより、試料絶縁体に流れる電流波形から基本波電圧位相に対して９０°進んだ基本波電流成分を除去した電流、および、試料絶縁体の静電容量、誘電正接を測定する。また、分圧器により、試料絶縁体に印加される電圧を測定する。波形解析用コンピュータは、上記電圧、静電容量、誘電正接に基づき、上記電流に含まれる上記電圧の高調波成分により生ずる高調波成分を算出する。差動増幅器は、上記電流から算出した高調波成分を差し引くことにより、試料絶縁体に流れる損失電流を求める。上記分圧器を設ける代わりに、標準コンデンサに流れる電流から上記電圧を復元してもよい（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、従来の電力ケーブルの劣化診断方法は、試料、標準コンデンサに対して、電源から少なくとも２種類の電圧値の交流電圧を印加し、損失電流測定ブリッジにより試料に流れる電流から電源電圧位相より９０°進んだ成分を除去し、得られた損失電流信号を波形解析装置に入力する。そして、印加交流電圧および損失電流に含まれる高調波成分の上記交流電圧基本波成分に対する重畳位相を測定し、上記印加交流電圧および損失電流に含まれる高調波成分の重畳位相を比較するとともに、少なくとも２種類の交流電圧を印加したときの損失電流に含まれる高調波成分の重畳位相の変化の程度を測定し、これらの結果から電力ケーブルの劣化を診断する（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３２５１６４号公報
【特許文献２】特開平１１−６８５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ブリッジ回路を用いて高調波電流を測定する従来の方法は、基本波成分の周波数の交流電圧を印加した状態でブリッジ回路の平衡を取り、その平衡状態で、ブリッジ回路で検出される差動信号を周波数解析又は測定する高調波成分の周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタを通過させることで、高調波電流を測定されており、測定信号のレベルに対して電圧歪の影響が無視できる電源が必要となる。
また、絶縁材料が並列等価回路で表される場合は問題ないが、実際には絶縁材料に生じる水トリー劣化などにより抵抗成分と静電容量成分とが直並列に複雑に接続された等価回路となり、周波数依存性を示す。このような絶縁材料の特性をブリッジ回路を用いて測定すると、周波数に応じて平衡条件が異なり、例えば、基本波成分の周波数でブリッジ回路の平衡を取っても、測定する高調波成分の周波数では平衡状態から逸脱してしまい、正確な高調波電流の測定ができないばかりか、電源に含まれる高調波電圧の影響まで受けてしまうという課題がある。
【０００６】
この発明は、前述のような課題を解決するためになされたもので、高調波電流の測定を精度よく行うことができるｎ次高調波電流の測定方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係るｎ次高調波電流の測定方法においては、測定試料に接続され、当該測定試料に交流電圧を印加する電源と、前記電源に一端が接続される標準コンデンサと、前記標準コンデンサの他端に接続され、可変静電容量及び可変抵抗からなる並列回路と、前記測定試料に一端が接続される差動入力抵抗と、前記差動入力抵抗の一端に第１の端子が接続され、前記標準コンデンサの他端に第２の端子が接続され、当該第１の端子及び第２の端子の差動入力に基づいて前記測定試料に流れるｎ次高調波電流（ｎは２以上の自然数）を測定する測定部と、前記電源、並列回路及び測定部を制御する制御部と、を備える測定装置を用いて、前記ｎ次高調波電流を測定するｎ次高調波電流測定方法であって、前記制御部の制御により、測定するｎ次高調波成分の周波数の交流電圧を前記電源から印加した状態で、前記標準コンデンサの静電容量、前記並列回路の可変静電容量及び可変抵抗、前記測定試料の静電容量、並びに、前記差動入力抵抗からなるブリッジ回路における、前記可変静電容量及び可変抵抗を調整して、前記ブリッジ回路を平衡状態にする第１のステップと、前記制御部の制御により、第１のステップで調整した前記ブリッジ回路の平衡状態における、基本波成分の周波数の交流電圧を前記電源から印加した状態で、前記測定部が前記ｎ次高調波電流を測定する第２のステップと、を含む。
【発明の効果】
【０００８】
開示のｎ次高調波電流の測定方法においては、高調波電流の測定を精度よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係るｎ次高調波電流測定方法に用いる測定装置の概略構成を示す概略構成図である。
【図２】本実施形態に係るｎ次高調波電流測定方法による測定結果及び効果を説明するための表である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る測定装置１０は、変圧器１１を介して測定試料２０に接続され、当該測定試料２０に交流電圧を印加する電源１と、電源１に一端が接続される標準コンデンサ２と、標準コンデンサ２の他端に接続され、可変静電容量Ｃｖ及び可変抵抗Ｒｖからなる並列回路３と、測定試料２０に一端が接続される差動入力抵抗Ｒｄと、接地との接続を切り替える接点１２を介して差動入力抵抗Ｒｄの一端に第１の端子Ａが接続され、標準コンデンサ２の他端に第２の端子Ｂが接続され、当該第１の端子Ａ及び第２の端子Ｂの差動入力に基づいて測定試料２０に流れるｎ次高調波電流（ｎは２以上の自然数）を測定する測定部４と、電源１、並列回路３（可変静電容量Ｃｖ、可変抵抗Ｒｖ）及び測定部４を制御する制御部５と、を備える。
【００１１】
本実施形態に係る測定装置１０は、標準コンデンサ２の静電容量Ｃｓ、並列回路３（可変静電容量Ｃｖ、可変抵抗Ｒｖ）、測定試料２０の静電容量Ｃｘ、及び、差動入力抵抗Ｒｄが、ブリッジ回路を構成する。
【００１２】
測定試料２０は、ケーブルや電気機器等に使用される絶縁材料であり、測定装置１０は、測定試料２０の絶縁材料の特性を評価する際に用いる高調波電流の測定や、測定試料２０の絶縁材料の劣化診断に適用可能である。
【００１３】
電源１は、図示しない発振器及びアンプを備え、制御部５の制御信号に基づいて、交流電圧及び周波数を変化することができる周波数可変電源である。
なお、電源１は、変圧器１１を介して、例えば、周波数が３００Ｈｚ以下であり、２０ｋＶ以下である交流電圧を、測定試料２０に印加する。
また、電源１は、電源１が発生する交流電圧と測定部４が検出する交流電圧との同期を取り、測定部４での位相測定のための同期信号を、測定部４に出力する。
【００１４】
測定部４は、信号電源周波数（基本波成分の周波数ｆｍ）、又は、信号電源周波数（基本波成分の周波数ｆｍ）を基準としたｎ次高調波成分の周波数ｆｂ（＝ｎ×ｆｍ）を中心周波数に設定可能なバンドパスフィルタ（不図示）を内蔵する。
【００１５】
つぎに、測定装置１０を用いた本実施形態に係るｎ次高調波電流測定方法は、（１）バランス調整用電圧調整ステップ、（２）ブリッジ回路のバランス調整ステップ、（３）測定用電圧調整ステップ、（４）ｎ次高調波電流測定ステップ、の順に処理されるものであり、以下の説明では、各ステップを順に説明する。
【００１６】
まず、（１）バランス調整用電圧調整ステップについて説明する。
測定部４は、制御部５の制御信号に基づき、第１の端子Ａと差動入力抵抗Ｒｄの一端との接点１２を開放し、第２の端子Ｂのみの単入力とする。
また、測定部４は、制御部５の制御信号に基づき、測定するｎ次高調波成分の周波数ｆｂ（＝ｎ×ｆｍ）にバンドパスフィルタの中心周波数を設定する。
また、制御部５は、可変静電容量Ｃｖを０Ｆに設定し、可変抵抗Ｒｖを任意の値に設定する。
そして、電源１は、制御部５の制御信号に基づき、測定するｎ次高調波成分の周波数ｆｂ（＝ｎ×ｆｍ）の交流電圧Ｖｂを発生する。
また、測定部４は、標準コンデンサ２の静電容量Ｃｓと可変抵抗Ｒｖとの分圧回路により、標準コンデンサ２に流れる電流を可変抵抗Ｒｖで電圧に変換してバンドパスフィルタを介して検出し、検出結果を制御部５にフィードバックする。
そして、制御部５は、測定部４の検出結果に基づき、測定部４の検出値が所定の電圧値になるように、電源１の発振器の出力を調整して、バランス調整用電圧である交流電圧Ｖｂを調整する。
【００１７】
つぎに、（２）ブリッジ回路のバランス調整ステップについて説明する。
測定部４は、制御部５の制御信号に基づき、第１の端子Ａと差動入力抵抗Ｒｄの一端との接点１２を投入し、第１の端子Ａ及び第２の端子Ｂの差動入力とする。
また、測定部４は、制御部５の制御信号に基づき、測定するｎ次高調波成分の周波数ｆｂ（＝ｎ×ｆｍ）にバンドパスフィルタの中心周波数を設定する。
そして、電源１は、制御部５の制御信号に基づき、前述の（１）バランス調整用電圧調整ステップで調整した、測定するｎ次高調波成分の周波数ｆｂ（＝ｎ×ｆｍ）の交流電圧Ｖｂを発生する。
また、測定部４は、測定試料の静電容量Ｃｘと差動入力抵抗Ｒｄとの分圧回路により、測定試料に流れる電流を差動入力抵抗Ｒｄで電圧に変換してバンドパスフィルタを介して検出し、標準コンデンサ２の静電容量Ｃｓと並列回路３（可変静電容量Ｃｖ、可変抵抗Ｒｖ）との分圧回路により、標準コンデンサ２に流れる電流を並列回路３（可変静電容量Ｃｖ、可変抵抗Ｒｖ）で電圧に変換してバンドパスフィルタを介して検出して、検出結果を制御部５にフィードバックする。
そして、制御部５は、測定部４の検出結果に基づき、測定部４の第１の端子Ａ及び第２の端子Ｂの差動電圧が最小（ブリッジ回路が平衡状態）になるように、可変静電容量Ｃｖ及び可変抵抗Ｒｖを調整する。
【００１８】
つぎに、（３）測定用電圧調整ステップについて説明する。
測定部４は、制御部５の制御信号に基づき、第１の端子Ａと差動入力抵抗Ｒｄの一端との接点１２を開放し、第１の端子Ａのみの単入力とする。
また、測定部４は、制御部５の制御信号に基づき、基本波成分の周波数ｆｍにバンドパスフィルタの中心周波数を設定する。
また、制御部５は、可変静電容量Ｃｖを０Ｆに設定し、可変抵抗Ｒｖを任意の値に設定する。
そして、電源１は、制御部５の制御信号に基づき、基本波成分の周波数ｆｍの交流電圧Ｖｍを発生する。
また、測定部４は、標準コンデンサ２の静電容量Ｃｓと可変抵抗Ｒｖとの分圧回路により、標準コンデンサ２に流れる電流を可変抵抗Ｒｖで電圧に変換してバンドパスフィルタを介して検出し、検出結果を制御部５にフィードバックする。
そして、制御部５は、測定部４の検出結果に基づき、測定部４の検出値が所定の電圧値になるように、電源１の発振器の出力を調整して、測定用電圧である交流電圧Ｖｍを調整する。
【００１９】
最後に、（４）ｎ次高調波電流測定ステップについて説明する。
測定部４は、制御部５の制御信号に基づき、第１の端子Ａと差動入力抵抗Ｒｄの一端との接点１２を投入し、第１の端子Ａ及び第２の端子Ｂの差動入力とする。
また、測定部４は、制御部５の制御信号に基づき、測定するｎ次高調波成分の周波数ｆｂ（＝ｎ×ｆｍ）にバンドパスフィルタの中心周波数を設定する。
また、制御部５は、前述の（２）ブリッジ回路のバランス調整ステップで調整したブリッジ回路の平衡状態における可変静電容量Ｃｖ及び可変抵抗Ｒｖに設定する。
さらに、電源１は、制御部５の制御信号に基づき、前述の（３）測定用電圧調整ステップで調整した、基本波成分の周波数ｆｍの交流電圧Ｖｍを発生する。
【００２０】
そして、測定部４は、ｎ次高調波電流Ｉｎと、基本波成分の電圧位相に対するｎ次高調波電流Ｉｎの重畳位相θｎに対応した電圧Ｖｎと、その位相θｖｎと、を測定する。
なお、ｎ次高調波電流Ｉｎと電圧Ｖｎ及び重畳位相θｎと電圧位相θｖｎの関係は、次式（１）の関係がある。
【００２１】
〔数１〕
Ｉｎ＝Ｖｎ／Ｒｄ
θｎ＝θｖｎ／ｎ  ・・・（１）
【００２２】
つぎに、本実施形態に係るｎ次高調波電流測定方法による測定結果及び効果について、図２を用いて説明する。
実験では、標準コンデンサ２の静電容量Ｃｓを２．００×１０−１０Ｆに設定し、測定試料２０の静電容量Ｃxを１．００×１０−９Ｆ（実施例４は９．９９×１０−１０Ｆ）に設定し、測定するｎ次高調波電流の次数ｎを３次に設定している。
【００２３】
また、図２における、比較例１、比較例２及び比較例３は、ブリッジ回路のバランス調整で使用する周波数ｆｂをｎ次高調波電流に対応する基本波成分の周波数ｆｍに合わせた従来の測定方法を用いた例であり、バランス調整周波数ｆｂと測定周波数ｆｍとが一致している。
【００２４】
これに対し、図２における、実施例１−１、実施例１−２、実施例２及び実施例３は、ブリッジ回路のバランス調整で使用する周波数ｆｂを測定時に印加する周波数ｆｍのｎ次高調波成分の周波数に合わせた本実施形態に係るｎ次高調波電流測定方法を用いた例であり、バランス調整周波数ｆｂが測定周波数ｆｍのｎ倍（ここでは、３倍）に設定している。
【００２５】
まず、実施例１−１と比較例１とを比較した結果について説明する。
実施例１−１では、ｎ次高調波電流を測定するための周波数ｆｍを１５Ｈｚに設定したために、ブリッジ回路のバランス調整のための周波数ｆｂを４５Ｈｚに設定し、前述の（１）バランス調整用電圧調整ステップにより、バランス調整用電圧Ｖｂを２３００Ｖに調整し、前述の（３）測定用電圧調整ステップにより、測定用電圧Ｖｍを２３００Ｖに調整した。その結果、実施例１−１では、前述の（４）ｎ次高調波電流測定ステップにより、ｎ次高調波電流Ｉｎが、１．０４×１０−９Ａ、１．０９×１０−９Ａ、及び、１．０２×１０−９Ａであった。
【００２６】
これに対し、比較例１では、ｎ次高調波電流を測定するための周波数ｆｍを１５Ｈｚに設定したために、ブリッジ回路のバランス調整のための周波数ｆｂを１５Ｈｚに設定し、前述の（１）バランス調整用電圧調整ステップ（但し、バランス調整周波数ｆｂ＝測定周波数ｆｍとする）により、バランス調整用電圧Ｖｂを２３００Ｖに調整し、前述の（３）測定用電圧調整ステップにより、測定用電圧Ｖｍを２３００Ｖに調整した。その結果、比較例１では、前述の（４）ｎ次高調波電流測定ステップにより、ｎ次高調波電流Ｉｎが、４．１７×１０−９Ａ、４．４０×１０−９Ａ、及び、４．２２×１０−９Ａであった。
【００２７】
このため、本実施形態に係るｎ次高調波電流測定方法（実施例１−１）では、測定する高調波（次数）の周波数でブリッジ回路のバランスを取ることで、比較例１と比較して、測定結果に対する電源高調波の影響を低減できることが分かる。
【００２８】
また、実施例１−１及び比較例１に対してバランス調整用電圧Ｖｂ、測定用電圧Ｖｍ及び測定周波数ｆｍを２倍又は３倍に増加させた、実施例２と比較例２とを比較した結果や実施例３と比較例３とを比較した結果についても同様に、本実施形態に係るｎ次高調波電流測定方法（実施例２、実施例３）では、比較例２及び比較例３と比較して、測定結果に対する電源高調波の影響を低減できることが分かる。
【００２９】
つぎに、実施例１−２と比較例１とを比較した結果について説明する。
実施例１−２では、実施例１−１のバランス調整用電圧Ｖｂ（２３００Ｖ）を１０分の１（２３０Ｖ）に減少させた例であり、ｎ次高調波電流Ｉｎが、１．０１×１０−９Ａ、１．０８×１０−９Ａ、及び、９．３６×１０−１０Ａであった。
この結果から明らかなように、バランス調整を行う際の印加電圧（バランス調整用電圧Ｖｂ）を測定用電圧の１０分の１程度にしても、電源高調波の影響を低減できることが分かる。
【００３０】
なお、本実施形態に係るｎ次高調波電流測定方法においては、（１）バランス調整用電圧調整ステップ、（２）ブリッジ回路のバランス調整ステップ、（３）測定用電圧調整ステップ、（４）ｎ次高調波電流測定ステップ、の順に処理される場合について説明したが、少なくとも（２）ブリッジ回路のバランス調整ステップ、及び、（４）ｎ次高調波電流測定ステップを含んでいればよい。
すなわち、（１）バランス調整用電圧調整ステップ、及び、（３）測定用電圧調整ステップは、測定試料２０に印加する電圧（バランス調整用電圧Ｖｂ、測定用電圧Ｖｍ）を調整するステップであり、（１）バランス調整用電圧調整ステップ、及び、（３）測定用電圧調整ステップによることなく、測定試料２０に印加する電圧を適宜設定してもよい。
しかしながら、（１）バランス調整用電圧調整ステップ、及び、（３）測定用電圧調整ステップにより、測定試料２０に印加する電圧を検出することは、劣化したｎ次高調波電流が印加電圧に依存するために、電圧特性を把握する上で好ましい。
【符号の説明】
【００３１】
１      電源
２      標準コンデンサ
３      並列回路
４      測定部
５      制御部
６      変圧器
１０    測定装置
１１    変圧器
１２    接点
２０    測定試料
【図１】
0006626766.tif 000002
【図２】
0006626766.tif 000003