(57)【要約】【課題】電力線の印加電圧を非接触で高精度に測定可能とした電圧測定装置を提供する。【解決手段】電力線１の芯線１ａと検出電極２との結合容量を介して流れる電流を、スイッチング素子のオン／オフにより被測定電圧よりも高い周波数に変調する変調回路４と、スイッチング素子の駆動回路８と、スイッチング素子に直列に接続されて被測定電圧と参照電位との電位差に比例した検出信号を生成するトランス３２と、前記検出信号から被測定電圧の周波数成分を抽出する復調回路４と、後段の増幅回路５と、その出力信号に基づいてトランス３２の一次巻線を流れる電流を減少させる参照電位を生成して前記一次巻線に印加する高電圧生成回路６とを備え、前記電位差が所定値以下になったときの参照電位に基づいて被測定電圧を同定し、検出電極２は、絶縁部材２ｂに金属薄膜２ａを内蔵することにより、電力線１の外周面に巻き付け可能な可撓性を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力線の芯線に印加された被測定電圧を、前記電力線に装着される検出電極を用いて測定する電圧測定装置において、
前記芯線と前記検出電極との結合容量を介して流れる電流を、スイッチング素子のオン／オフにより前記被測定電圧の周波数よりも高い周波数に変調する変調回路と、前記スイッチング素子を駆動するための駆動信号を生成する駆動回路と、前記スイッチング素子に直列に接続されて前記被測定電圧と参照電位との電位差に比例した大きさの検出信号を生成する電流検出回路と、前記検出信号から前記被測定電圧の周波数成分を抽出する復調回路と、前記復調回路の出力信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力信号に基づいて前記電流検出回路を流れる電流が減少するような前記参照電位を生成して前記電流検出回路に印加する電圧生成回路と、を備え、
前記電位差が所定値以下になったときの前記参照電位に基づいて前記被測定電圧を同定すると共に、
前記検出電極は、前記スイッチング素子に接続される金属薄膜を絶縁部材に内蔵することにより、前記電力線の外周面に巻き付け可能な可撓性を有することを特徴とする電圧測定装置。
【請求項２】
電力線の芯線に印加された被測定電圧を、前記電力線に装着される検出電極を用いて測定する電圧測定装置において、
前記芯線と前記検出電極との結合容量を介して流れる電流を、スイッチング素子のオン／オフにより前記被測定電圧の周波数よりも高い周波数に変調する変調回路と、前記スイッチング素子を駆動するための駆動信号を生成する駆動回路と、前記スイッチング素子に並列に接続されて前記被測定電圧と前記参照電位との電位差に比例した大きさの検出信号を生成する電流検出回路と、前記検出信号から前記被測定電圧の周波数成分を抽出する復調回路と、前記復調回路の出力信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力信号に基づいて前記電流検出回路を流れる電流が減少するような前記参照電位を生成して前記電流検出回路に印加する電圧生成回路と、を備え、
前記電位差が所定値以下になったときの前記参照電位に基づいて前記被測定電圧を同定すると共に、
前記検出電極は、前記スイッチング素子に接続される金属薄膜を絶縁部材に内蔵することにより、前記電力線の外周面に巻き付け可能な可撓性を有することを特徴とする電圧測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した電圧測定装置において、
前記電流検出回路は、前記スイッチング素子に流れる電流により励磁される一次巻線と、前記復調回路に接続される二次巻線と、を備えたトランスであることを特徴とする電圧測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載した電圧測定装置において、
前記増幅回路が、前記復調回路の出力信号の位相を電気角で９０°遅らせる機能を備えたことを特徴とする電圧測定装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載した電圧測定装置において、
前記スイッチング素子としてＭＯＳ−ＦＥＴを用いたことを特徴とする電圧測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力線の芯線に印加された電圧を、電力線に装着される検出電極を用いて測定する電圧測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力線の芯線と検出プローブ内の電極との結合容量を利用して電力線への印加電圧を非接触にて測定する電圧測定装置が知られている。
この種の電圧測定装置では、電力線に対する検出プローブの位置関係や電力線の絶縁被覆の材質、温湿度等の周囲環境による誘電率の違いに起因して前記結合容量が変化し、これが測定誤差となるため、電力線の電圧を高精度に測定できない場合があった。
このため、上記の問題を解決する電圧測定装置として、特許文献１〜３に記載された従来技術が知られている。
【０００３】
特許文献１，２に記載された電圧測定装置は、検出電極、ダイオードやコンデンサ等の容量変化機能体及びその駆動回路からなる可変容量回路、電流検出器、増幅回路、同期検波回路、積分回路、電圧生成回路等を備えている。
これらの電圧測定装置では、容量変化機能体の容量を変化させ、測定対象、例えば電力線と検出電極との結合容量を介して流れる電流が容量変化機能体の動作周波数に応じて変化するように構成されている。上記の電流を、電流検出器を介して電圧に変換し、同期検波回路、増幅回路、積分回路等を介して電力線の電圧に応じた信号を生成すると共に、この信号を電圧生成回路により増幅する。
【０００４】
そして、検出電極、容量変化機能体、電流検出器、電圧生成回路を直列に接続することにより、電流検出器に流れる電流が減少してゼロになるように電圧生成回路の出力を電流検出器側にフィードバックし、電圧生成回路の出力電圧が電力線の電圧と等しくなるように制御している。
この従来技術によれば、電圧生成回路の出力電圧が被測定電圧と等しくなるようにフィードバック制御されるため、測定対象と検出電極との結合容量が変動した場合の影響を抑制することができる。
【０００５】
次に、特許文献３に記載された電圧測定装置では、芯線に絶縁被覆を施した電力線に、所定の静電容量の補助コンデンサを備えた検出プローブを取り付けると共に、補助コンデンサに検出用コンデンサ及び電圧検出回路を接続し、この電圧検出回路によって芯線に印加された交流電圧を測定している。ここで、検出プローブは、電力線の絶縁被覆の外側に巻き付け可能な可撓性を有する絶縁部材に、電力線側の大面積の第１電極とその一部に対向する電圧検出用の第２電極とを所定の間隔を置いて配置し、第２電極から測定線を引き出すことによって全体が一体的に形成されている。なお、補助コンデンサの容量は、電力線の芯線と第１電極との間の静電容量に比べて十分小さい値に設定されている。
【０００６】
特許文献３では、上記のような検出プローブを用いることで、電圧検出回路の入力電圧は第１電極，第２電極間の静電容量と検出用コンデンサの容量との比によってほぼ決定されるので、結合容量の変動の影響を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１６３４１５号公報（段落［００３６］〜［００５４］、図１等）
【特許文献２】特開２００９−１６２６０８号公報（段落［００３７］〜［００５１］、図１等）
【特許文献３】特開２０１２−１６３３９４号公報（段落［００２２］〜［００３５］、図１〜図３等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１，２に係る電圧測定装置では、電流検出器側にフィードバックされる電圧生成回路の出力電圧を制御することにより、この電圧を電力線の電圧に一致させている。しかし、フィードバック制御には比例制御に基づく誤差が発生し、この誤差は電流検出器により得られる検出信号の大きさとその後段の増幅回路の利得によって変化する。
ここで、電流検出器により得られる検出信号の大きさが大きいほど、また、その後の増幅回路の利得が大きいほど、上記誤差は小さくなる。このため、この種の電圧測定装置では、測定精度等を考慮して許容できる誤差を決定し、その誤差に対応するように増幅回路の利得を決定している。
【０００９】
しかし、許容できる誤差を小さくするために増幅回路の利得を大きくし過ぎると、フィードバック回路の安定性や耐ノイズ性が低下し、十分な測定精度や信頼性を得ることができなくなる。また、増幅回路の利得をできるだけ小さくして目的の精度を得るための他の方法として、電流検出器による検出信号を大きくすることが考えられるが、電力線の芯線と検出電極との結合容量は数［ｐＦ］程度と小さいため、電流検出器に流れる電流は上記結合容量によってほぼ決定されてしまう。この結合容量は検出電極の面積と誘電率とに比例し、芯線と検出電極との間の距離に反比例するので、芯線と検出電極との間の距離をできるだけ短くすると共に、検出電極の面積や誘電率をできるだけ大きくする必要がある。
【００１０】
ところが、特許文献１，２に開示された技術では、電力線を貫通させる貫通孔を有すると共に形状が定まったケースに検出電極を内蔵する構造となっている。このため、例えば太い電力線径に適合させた貫通孔を有するケースを細い電力線径に適用した場合、電力線の芯線と検出電極との間の距離が長くなり、また、芯線と検出電極との間に存在する空気によって誘電率が低下し、結合容量が小さくなるため十分な測定精度を得ることができない。
【００１１】
更に、特許文献１，２に係る電圧測定装置においては、検出信号を変調するためにインピーダンスを変化させる容量変化機能体が検出電極と電流検出器との間に直列に接続されるため、容量変化機能体の駆動信号（駆動電流）が電流検出器にノイズ成分として検出され、測定精度に影響を与える場合がある。その対策として、これらの電圧測定装置では、容量変化機能体をダイオード等からなるブリッジにより構成して駆動信号成分が電流検出器によって検出されないようにしているが、ブリッジの平衡状態を厳密に管理しなくてはならず、製造上または調整上のコストが増大するおそれがある。
【００１２】
また、特許文献３に開示されている電圧測定装置において、検出信号は補助コンデンサの容量と検出コンデンサの容量との比によって決定されるため、各コンデンサの容量を常に高精度に保つ必要がある。しかしながら、周囲温度の影響等により絶縁部材の誘電率が変化するので、この絶縁部材の内部に形成される補助コンデンサ及び検出コンデンサの容量を常に高精度に保つことは困難である。
更に、取り付け時に可撓性の検出プローブに加わる応力の影響によって検出電極の位置関係がずれ、特に小容量が求められる補助コンデンサの容量が変化しやすい点を考慮すると、電圧を高精度に測定することは一層困難である。
【００１３】
そこで、本発明の解決課題は、電力線の芯線への印加電圧を低コストかつ高精度に測定可能とした電圧測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電力線の芯線に印加された被測定電圧を、前記電力線に装着される検出電極を用いて測定する電圧測定装置において、
前記芯線と前記検出電極との結合容量を介して流れる電流を、スイッチング素子のオン／オフにより前記被測定電圧の周波数よりも高い周波数に変調する変調回路と、前記スイッチング素子を駆動するための駆動信号を生成する駆動回路と、前記スイッチング素子に直列に接続されて前記被測定電圧と参照電位との電位差に比例した大きさの検出信号を生成する電流検出回路と、前記検出信号から前記被測定電圧の周波数成分を抽出する復調回路と、前記復調回路の出力信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力信号に基づいて前記電流検出回路を流れる電流が減少するような前記参照電位を生成して前記電流検出回路に印加する電圧生成回路と、を備え、
前記電位差が所定値以下になったときの前記参照電位に基づいて前記被測定電圧を同定すると共に、前記検出電極は、前記スイッチング素子に接続される金属薄膜を絶縁部材に内蔵することにより、前記電力線の外周面に巻き付け可能な可撓性を有するものである。
【００１５】
請求項２に係る発明は、電力線の芯線に印加された被測定電圧を、前記電力線に装着される検出電極を用いて測定する電圧測定装置において、
前記芯線と前記検出電極との結合容量を介して流れる電流を、スイッチング素子のオン／オフにより前記被測定電圧の周波数よりも高い周波数に変調する変調回路と、前記スイッチング素子を駆動するための駆動信号を生成する駆動回路と、前記スイッチング素子に並列に接続されて前記被測定電圧と前記参照電位との電位差に比例した大きさの検出信号を生成する電流検出回路と、前記検出信号から前記被測定電圧の周波数成分を抽出する復調回路と、前記復調回路の出力信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力信号に基づいて前記電流検出回路を流れる電流が減少するような前記参照電位を生成して前記電流検出回路に印加する電圧生成回路と、を備え、
前記電位差が所定値以下になったときの前記参照電位に基づいて前記被測定電圧を同定すると共に、前記検出電極は、前記スイッチング素子に接続される金属薄膜を絶縁部材に内蔵することにより、前記電力線の外周面に巻き付け可能な可撓性を有するものである。
【００１６】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した電圧測定装置において、前記電流検出回路は、前記スイッチング素子に流れる電流により励磁される一次巻線と、前記復調回路に接続される二次巻線と、を備えたトランスであることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した電圧測定装置において、前記増幅回路が、前記復調回路の出力信号の位相を電気角で９０°遅らせる機能を備えたものである。
【００１８】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載した電圧測定装置において、前記スイッチング素子としてＭＯＳ−ＦＥＴを用いたものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ブリッジ回路により構成された容量変化機能体に代えてスイッチング素子をオン／オフさせることにより検出信号を変調する構成であるため、ブリッジの平衡状態の厳密な管理を不要にして製造上または調整上のコストを低減することができる。
更に、絶縁部材に金属薄膜を内蔵して構成される検出電極が、電力線の外周面に巻き付け可能な可撓性を有することにより、検出電極を電力線に密着させた状態で装着することができる。これにより、芯線と検出電極（金属薄膜）との位置関係がずれる恐れもなく、両者間の結合容量が変化する心配がないため、電力線の電圧を高精度に測定することができる。加えて、可撓性を有する検出電極は様々な径を有する電力線に装着可能であるから、被測定電圧の範囲が広いという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電圧測定装置の構成図である。
【図２】本発明の各実施形態における電力線及び検出電極の構造を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態における検出回路の構成図である。
【図４】本発明の各実施形態における増幅回路の構成図である。
【図５】本発明の第２実施形態における検出回路の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る電圧測定装置の全体的な構成図である。
この電圧測定装置は、系統電源Ｇにより電力線１の芯線１ａに印加されている交流電圧ｖ１を芯線１ａに対し非接触にて測定する検出電極（検出プローブ）２と、この検出電極２に接続された検出回路３とを備えている。なお、Ｃ０は、電力線１に検出電極２を装着した際に形成される、芯線１ａと検出電極２との結合容量である。
以下では、芯線１ａの電圧（被測定電圧）ｖ１を「電力線１の電圧」と同義なものとして説明する。
【００２２】
図２は、電力線１及び検出電極２の構造を示す図である。
電力線１は、前述した芯線１ａと絶縁被覆１ｂとを備えている。検出電極２は、後述する変調回路３１内のスイッチング素子３１１に接続される金属薄膜２ａを絶縁部材２ｂに内蔵してなるもので、全体として可撓性、柔軟性を有することにより、様々な径を有する電力線１に対して、絶縁被覆１ｂの外周面に密着させた状態で巻き付け可能に構成されている。
【００２３】
図１に戻って、検出回路３は、検出電極２に接続された変調回路３１と、電流検出回路としての絶縁型パルストランス等のトランス３２とを有する。
図３は、変調回路３１の構成図であり、この変調回路３１は、検出電極２とトランス３２の一次巻線との間で互いに逆方向に直列接続された２個のスイッチング素子３１１，３１２を備えている。なお、トランス３２の一次巻線の他端は、後述する高電圧生成回路６の出力側に接続されている。
【００２４】
この実施形態の測定対象となる芯線１ａの電圧ｖ１は、例えば商用周波数の交流電圧であるため、スイッチング素子３１１，３１２を流れる電流は正負の両方向となる。スイッチング素子３１１，３１２は、上記の電流を電圧ｖ１の周波数よりも十分に高い周波数で変調するためのものであり、電流制御素子であるバイポーラトランジスタより電圧制御素子であるＦＥＴ（Field Effect Transistor）を用いることが望ましい。
【００２５】
ＦＥＴにはＪ−ＦＥＴ（接合型ＦＥＴ）とＭＯＳ−ＦＥＴ（金属酸化物半導体型ＦＥＴ）とがあり、また、ドレイン電流を遮断するためにゲート電圧にマイナスバイアスが必要なディプレッションタイプとゲート電圧を０［Ｖ］にしてドレイン電流を遮断可能なエンハンスメントタイプとがある。本実施形態において、スイッチング素子３１１，３１２にエンハンスメントタイプのＭＯＳ−ＦＥＴを使用すれば、後述する駆動回路８の構成を簡略化することができる。
また、ＭＯＳ−ＦＥＴは、逆方向の電流を素子内部の寄生ダイオードを通して通流できるので、図３に示す如くスイッチング素子３１１，３１２を逆方向に直列接続すれば、両方向の電流のオン／オフが可能となる。
【００２６】
図３において、スイッチング素子３１１，３１２のゲート・ソース間に正のバイアスが加わり、電流が矢印Ａ方向に流れる場合は、スイッチング素子３１１のドレインからソースに向かって電流が流れ、更に、スイッチング素子３１２のソース・ドレイン間の寄生ダイオードに電流が流れる。また、スイッチング素子３１１，３１２のゲート・ソース間に負のバイアスが加わり、電流が矢印Ｂ方向に流れる場合は、スイッチング素子３１２のドレインからソースに向かって電流が流れ、更に、スイッチング素子３１１のソース・ドレイン間の寄生ダイオードに電流が流れる。
なお、図３における３１３は、スイッチング素子３１１，３１２のゲート・ソース間に接続された抵抗である。
【００２７】
図１，図３に示すように、スイッチング素子３１１，３１２のゲート・ソース間には、駆動回路８内のトランス８２の二次巻線が接続されている。また、駆動回路８は、トランス８２の一次巻線に接続された発振回路８１を備えている。
この発振回路８１は、商用周波数（５０または６０[Ｈｚ]）の電圧ｖ１より充分に高い周波数（数百[ｋＨｚ]〜数[ＭＨｚ]）の矩形波状の駆動信号Ｓ１を出力し、トランス８２を介してスイッチング素子３１１，３１２をオン／オフさせる。
【００２８】
このため、結合容量Ｃ０を介してスイッチング素子３１１，３１２に流れる電流は、上記駆動信号Ｓ１の周波数によって変調される。これにより、スイッチング素子３１１，３１２に流れる電流の大きさに比例し、かつ、高周波数の検出信号Ｓ２がトランス３２を介してＣ−ＭＯＳマルチプレクサ等からなる復調回路４に伝送される。ここで、トランス３２の二次巻線から出力される検出信号Ｓ２は、電力線１の電圧ｖ１と、後述する高電圧生成回路６から出力される参照電位との電位差に比例した大きさを有する。
【００２９】
復調回路４により電力線１の電圧ｖ１の商用周波数成分が復調されると共に、復調後の信号は後段の増幅回路５により増幅される。なお、復調回路４において、前述した発振回路８１からの駆動信号Ｓ１は、検出信号Ｓ２を検波するタイミングの設定に用いられる。
【００３０】
図４は、増幅回路５の構成例を示す回路図である。
この増幅回路５は、増幅率を決定する抵抗５１ｂ〜５１ｅ及び演算増幅器５１ａを備えた差動増幅部５１と、演算増幅器５２ａ，抵抗５２ｂ〜５２ｄ及びコンデンサ５２ｅ，５２ｆを備えた二次のアクティブローパスフィルタ機能付き増幅部５２と、演算増幅器５３ａ，抵抗５３ｂ〜５３ｄ及びコンデンサ５３ｅを備えた一次のハイパスフィルタ機能付き増幅部５３と、を有する。
【００３１】
前述した検出回路３では、スイッチング素子３１１，３１２のオン／オフにより結合容量Ｃ０を介して流れる電流から電力線１の電圧ｖ１を検出しており、変調回路４の出力信号の位相は電圧ｖ１の位相より９０°進んでいる。このため、前記各増幅部５１〜５３における複数の抵抗やコンデンサの時定数を適宜設定して変調回路４の出力信号の位相を９０°遅らせれば、増幅回路５により、電圧ｖ１と同位相のアナログ信号を生成することができる。また、各増幅部５２，５３からなる一種のバンドパスフィルタは商用周波数帯のみを通過させるので、スイッチング素子３１１，３１２のオン／オフに伴って発生する高周波ノイズを確実に除去することができる。
【００３２】
増幅回路５の出力信号は、例えばＤ級増幅を行う高電圧生成回路６により増幅され、参照電位として前記トランス３２の一次巻線の他端（非変調回路３１側）に印加されている。
高電圧生成回路６は、トランス３２の一次巻線の一端に印加される電圧ｖ１との電位差が小さくなるように、すなわち、一次巻線を流れる電流が少なくなるように参照電位を出力し、  分圧回路９は、参照電位を予め設定された分圧比により分圧して出力する。このため、例えば、増幅回路５の出力信号のゼロクロス点をＡ／Ｄコンバータ（図示せず）により検出し、その時点の分圧回路９の出力電圧から電力線１の電圧ｖ１を測定可能である。
【００３３】
この電圧測定装置によれば、フィードバック制御によって発生する偏差に起因した測定誤差を低減することができ、その結果、電力線１（芯線１ａ）の電圧ｖ１を高精度に測定することができる。また、前述した特許文献１〜３のように、ブリッジ構成の容量変化機能体を用いないことにより、ブリッジの平衡状態の管理が不要であり、製造上または調整上のコストが増大する恐れもない。
【００３４】
更に、検出電極２が有する可撓性を利用して、検出電極２を電力線１に密着させた状態で装着することができる。これにより、芯線１ａと金属薄膜２ａとの位置関係がずれる恐れもなく、両者間の結合容量Ｃ０が変化する心配がないため、電圧ｖ１を高精度に測定することができる。加えて、可撓性を有する検出電極２は様々な径の電力線１に装着可能であるから、被測定電圧の範囲も広くなる等の利点がある。
【００３５】
次に、図５は、本発明の第２実施形態における検出回路の構成図である。
本実施形態の検出回路３Ａでは、電流検出回路としてのトランス３２の一次巻線と抵抗３１４との直列回路に対して並列に、スイッチング素子３１１，３１２を備えた変調回路３１が接続されている。その他の構成は第１実施形態における検出回路３と同一である。
本実施形態によれば、スイッチング素子３１１，３１２がオフである時にトランス３２が励磁されるため、復調回路４では駆動信号Ｓ１を反転させた信号に基づいて検波タイミングを設定することで検出信号Ｓ２の検波が可能となる。
【００３６】
本発明の電圧測定装置は単体で使用しても良いし、この電圧測定装置と公知の電流測定装置とを組み合わせれば、電力測定装置を構成することもできる。
【符号の説明】
【００３７】
Ｇ：系統電源
１：電力線
１ａ：芯線
１ｂ：絶縁被覆
２：検出電極
２ａ：金属薄膜
２ｂ：絶縁部材
３，３Ａ：検出回路
３１：変調回路
３１１，３１２：半導体スイッチング素子
３１３，３１４：抵抗
３２：トランス（電流検出回路）
４：復調回路
５：増幅回路
５１：差動増幅部
５１ａ：演算増幅器
５１ｂ〜５１ｅ：抵抗
５２：アクティブローパスフィルタ機能付き増幅部
５２ａ：演算増幅器
５２ｂ〜５２ｄ：抵抗
５２ｅ，５２ｆ：コンデンサ
５３：ハイパスフィルタ機能付き増幅部
５３ａ：演算増幅器
５３ｂ〜５３ｄ：抵抗
５３ｅ：コンデンサ
６：高電圧生成回路
８：駆動回路
８１：発振回路
８２：トランス
９：分圧回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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