(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３０から５０ｐｐｍ／℃の負の温度係数を示す高電圧抵抗器を熱硬化性樹脂でモールドしたことを特徴とする抵抗素子。
【請求項２】
負の温度係数を示す高電圧抵抗器として２０ＭΩ〜１００ＭΩの抵抗器を用いたことを特徴とする請求項１に記載の抵抗素子。
【請求項３】
熱硬化性樹脂として熱硬化性樹脂に無機充填材を含有させたものを用いたことを特徴とする請求項１又は２に記載の抵抗素子。
【請求項４】
高電圧抵抗器とこの高電圧抵抗器の両端に電気的に接続された端子を一体にモールドするとともに、前記端子のうち一方の端子の周囲にガード電極を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の抵抗素子。
【請求項５】
周囲にガード電極を設けた端子とガード電極間にサージアレスタを設けたことを特徴とする請求項４に記載の抵抗素子。
【請求項６】
高電圧を印加する分圧抵抗として請求項１ないし５のいずれかに記載の抵抗素子を用いたことを特徴とする電圧センサ。
【請求項７】
請求項１ないし５のいずれかに記載の抵抗素子に高電圧を印加したとき、前記抵抗素子に流れる電流を電流−電圧変換回路により電圧に変換して前記高電圧を測定することを特徴とする電圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧配電盤等の高電圧主回路の電圧を測定するための抵抗素子及びこれを用いた電圧センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電力計は高負担であるため、高圧配電盤等の高電圧主回路の電圧測定には計器用変圧器が用いられてきたが、近年、低負担の電子式電力計の普及により、抵抗素子等を用いた電圧センサが用いられるようになってきた。
【０００３】
図９は特開平１１−２８３８０１号公報に開示されている従来の電圧センサに用いられる抵抗素子１１０の構成を示す断面図であり、図中１１１は抵抗体、１１２は絶縁体、１１３は電極を示す。抵抗体１１１はポリプロピレン又はポリブチルテレフタレート等の熱可塑性高分子材料に導電性材料、例えば導電性カーボン又は金属粉末を均一に混合攪拌した後、熱可塑性高分子材料を溶融し、円柱状に一体成形して構成する。その軸方向の一端面全面にＡｌ、Ａｇ又はＣｕ製の電極１１３を設け、抵抗体１１１の側周面の全面及び軸方向の他端面の周縁部にわたって合成樹脂製の絶縁体１１２をいぐるみ形成して、抵抗素子１１０を構成する。測定対象の電圧は、電極１１３を被測定導体に接続した抵抗素子１１０の他端と接地間にインピーダンス要素を挿入して、この両端の電圧を測定し、分圧比で演算して求める。抵抗値の温度補正は、抵抗体１１１の温度をモニタリングして、予め測定された温度と抵抗値の関係から補正演算する手段を用いている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電圧センサは、専用の抵抗素子を製作する必要があるので量産性が低く、また抵抗素子の抵抗値を温度補正するために補正演算回路を設けなければならなかった。さらに、抵抗素子の絶縁体の表面が汚損・吸湿して表面抵抗が低下した場合、電圧センサの測定誤差になるなどの問題点があった。
【０００５】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、量産性が高く、かつ温度特性に優れた抵抗素子を用いた電圧センサを提供することを目的としており、さらに、汚損・吸湿等による表面抵抗の変化に対して測定精度が低下しない抵抗素子を用いた電圧センサを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のうち請求項１に記載の抵抗素子は、３０から５０ｐｐｍ／℃の負の温度係数を示す高電圧抵抗器を熱硬化性樹脂でモールドしたものである。
【０００７】
また、本発明のうち請求項２に記載の抵抗素子は、請求項１に記載の抵抗素子であって、負の温度係数を示す高電圧抵抗器として２０ＭΩ〜１００ＭΩの抵抗器を用いたものである。
【０００８】
また、本発明のうち請求項３に記載の抵抗素子は、請求項１又は２に記載の抵抗素子であって、熱硬化性樹脂として熱硬化性樹脂に無機充填材を含有させたものを用いたものである。
【０００９】
また、本発明のうち請求項４に記載の抵抗素子は、請求項１ないし３のいずれかに記載の抵抗素子であって、高電圧抵抗器とこの高電圧抵抗器の両端に電気的に接続された端子を一体にモールドするとともに、端子のうち一方の端子の周囲にガード電極を設けたものである。
【００１０】
また、本発明のうち請求項５に記載の抵抗素子は、請求項４に記載の抵抗素子であって、周囲にガード電極を設けた端子とガード電極間にサージアレスタを設けたものである。
【００１１】
また、本発明のうち請求項６に記載の電圧センサは、高電圧を印加する分圧抵抗として請求項１ないし５のいずれかに記載の抵抗素子を用いたものである。
【００１２】
また、本発明のうち請求項７に記載の電圧センサは、請求項１ないし５のいずれかに記載の抵抗素子に高電圧を印加したとき、抵抗素子に流れる電流を電流−電圧変換回路により電圧に変換して高電圧を測定するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による抵抗素子の断面図である。図１において、１は高電圧抵抗器、２、３は端子であり、高電圧抵抗器１と端子２、端子３は、例えば半田付けにより電気的に接続されている。以下、本発明では高圧配電盤の主回路高電圧側に接続される端子２を高圧端子と呼び、抵抗素子の信号処理回路に接続される端子３を低圧端子と呼ぶ。予め接続された高電圧抵抗器１、高圧端子２、低圧端子３は金型にセットされて、熱硬化性樹脂４で一体モールドされる。図２〜４は、高電圧抵抗器１、例えば多摩電気工業（株）製のＧＳ形高電圧高抵抗厚膜抵抗器の温度特性を、高電圧抵抗器１のみ（モールド前）と、エポキシ樹脂で一体モールドした後について測定した結果であり、図２は２０ＭΩ、図３は５０ＭΩ、図４は１００ＭΩの特性である。
【００１４】
図２〜４に示すように、抵抗値によって温度特性が異なることが分かる。一般に、抵抗値の低い抵抗器（２０ＭΩ以下）の温度特性は金属の性質である、温度が上がると抵抗値が上がる正の温度係数を示し、抵抗値が高く（２０ＭΩ以上）なると絶縁物の性質である、温度が上がると抵抗値が下がる負の温度係数を示す傾向にある。図２〜４の高電圧抵抗器１（モールド前）の温度特性はその傾向が認められた。エポキシ樹脂（ナガセケムテックス（株）製：ＸＮＲ４１５３／ＸＮＨ４１５３）でモールドして、８０℃×１６時間＋１３０℃×１６時間熱硬化した後の特性（図２〜４）は、それぞれの抵抗値においてモールド前の高電圧抵抗器と比較して、温度係数が３０ｐｐｍ〜５０ｐｐｍ減少する（１００℃の温度変化に対して抵抗値が０．３％〜０．５％の割合で減少する）ことを示している。これは、エポキシ樹脂の熱収縮により高電圧抵抗器１に圧縮歪みが加わり、その結果生じた温度係数の減少であり、図２〜４に示すように、エポキシ樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）より低い温度でこの現象が現れる。高電圧抵抗器１のみで負の温度係数を示す５０ＭΩ（図３）と１００ＭΩ（図４）は、エポキシ樹脂でモールドすることにより、高電圧抵抗器１のみより温度係数の小さい抵抗素子を得ることができる。
【００１５】
高圧配電盤に使用される抵抗素子の電圧測定精度は、絶対精度（２０℃における精度）と温度係数（５℃〜９５℃の範囲）を含めて±１％以内が要求されている。高電圧抵抗器１の絶対精度±０．５％のものは比較的安価に入手できる、例えば多摩電気工業（株）製のＧＳ形が使えるが、抵抗値によっては温度係数の大きい場合もある。一方、温度係数の小さい抵抗器は高価である。しかし、高電圧抵抗器１として抵抗値が２０ＭΩ〜１００ＭΩのＧＳ形抵抗器を使用し、エポキシ樹脂でモールドすることによって、５℃〜９５℃における抵抗値の温度変化を±０．５％以内にすることができる。さらに図３に示すように、抵抗値が５０ＭΩの場合はモールド後の温度係数が非常に小さいものを製作可能であり、エポキシ樹脂で一体モールドして抵抗素子を得るには最適な抵抗値である。
【００１６】
なお、熱硬化性樹脂４はエポキシ樹脂以外のシリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂のいずれかでもよい。また、熱硬化性樹脂は無機充填材として二酸化ケイ素、アルミナ、水酸化アルミニウム、炭酸カルシウム、ガラス短繊維（一般にはガラスチョップとも呼ぶ）のいずれか、あるいはそれらの混合物を含有してもよい。熱硬化性樹脂と無機充填材の配合比を調整して、熱硬化後の高電圧抵抗器１に加わる圧縮歪みを変化させることにより、モールド後の高電圧抵抗器１の温度係数を自由に設定でき、最適な温度係数の抵抗素子を得ることができる。
【００１７】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２による抵抗素子の断面図である。図１と同一または相当部分は同一の符号を付している。図５において、５はガード電極である。ガード電極５は低圧端子３の外周を取り囲むように設けられ、熱硬化性樹脂４で高電圧抵抗器１、高圧端子２、低圧端子３とともに一体モールドされている。
【００１８】
通常、気中高圧配電盤に使われる抵抗素子は外気と遮断されておらず、外気による汚損（海岸隣接地での塩害、排ガス中の窒素酸化物、工場排煙中の硫黄酸化物や塵埃）と湿度の影響で、長い年月使用するとモールド表面の絶縁抵抗が低下する場合がある。この絶縁抵抗の低下は抵抗素子の抵抗値に誤差を生じる。本実施の形態はその誤差を防ぐためのものであり、低圧端子３の周囲にガード電極５を設けて低圧端子３をシールドすることにより、表面抵抗の影響をなくして抵抗値誤差を小さくすることができる。
【００１９】
なお、本実施の形態ではガード電極５を低圧端子３と別に設けた場合について説明したが、市販の一体型の同軸端子を低圧端子として用いても、同様の効果が得られる。
【００２０】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３による抵抗素子の断面図である。図５と同一または相当部分は同一の符号を付している。図６において、６はサージアレスタである。サージアレスタ６は低圧端子３とガード電極５の間に電気的に接続され、熱硬化性樹脂４で一体モールドされている。
【００２１】
抵抗素子の高圧端子２は高圧配電盤の主回路高電圧側に接続されるので、抵抗素子には雷によるインパルスサージ電圧、配電盤内の遮断器、断路器からの開閉サージ電圧等の侵入がある。一方、低圧端子３は抵抗素子の信号処理回路に接続されるので、前述のサージ電圧に対する保護が必要になる。低圧端子３とガード電極５の間にサージアレスタ６、例えば多摩電気工業（株）製のＮＶ形バリスタを用いると、低圧端子３とガード電極５間の電圧は制限され、信号処理回路の保護が可能になる。
【００２２】
なお、本実施の形態ではガード電極５と低圧端子３が別個の抵抗素子にサージアレスタ６を設けた場合について説明したが、市販の一体型の同軸端子を低圧端子として用い、同軸端子の中心導体と外部導体間にサージアレスタを設けても、同様の効果が得られる。
【００２３】
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４による抵抗素子を用いた電圧センサの構成図である。図５と同一または相当部分は同一の符号を付している。図７において、７はシールド線（同軸ケーブル）、８は演算増幅器（ＯＰアンプ）、９はフィードバック抵抗器であり、ＯＰアンプ８とフィードバック抵抗器９で電流−電圧（Ｉ−Ｖ）変換回路１０を形成している。シールド線の一端の中心導体を低圧端子３に、シースをガード電極５に接続し、シールド線の他端の中心導体をＯＰアンプ８のインバース入力（−）に、シースをＯＰアンプ８の接地に接続する。
【００２４】
抵抗素子による高圧配電盤の主回路高電圧の測定は、従来の技術で述べたように、低圧端子３と接地間にインピーダンス要素を挿入し、この両端の電圧を測定して、分圧比から求める方法がある。高電圧を印加する分圧抵抗として実施の形態１〜３で述べた抵抗素子を用いれば、従来の技術と比べて温度特性に優れ、抵抗素子の表面抵抗に影響されにくい測定ができる。しかしこの方法では、インピーダンス要素以外に部品の構成上の、例えばインピーダンス要素から信号処理回路までの信号線の浮遊インピーダンス等が含まれ、抵抗素子との分圧の誤差になる。本実施の形態では、抵抗素子に流れる電流をＯＰアンプ８とフィードバック抵抗器９で構成したＩ−Ｖ変換回路１０により電圧に変換して測定するので、ＯＰアンプ８の入力電圧（インバース入力（−）と接地間の電圧）はほぼ０になる（ＯＰアンプ８の増幅率は１００ｄＢ以上あるため、図７に示すフィードバック回路を構成すれば、入力電圧は出力電圧の１／１００，０００になり、ほぼ０と見なせる）。したがってシールド線７の浮遊インピーダンス等は無視でき、抵抗素子に流れる電流のみを正確に測定できる。
【００２５】
ＯＰアンプ８として、例えばアナログ・デバイセズ（株）製のＡＤ７４１、フィードバック抵抗器９として、例えば多摩電気工業（株）製のJF形金属被膜抵抗器（絶対精度±０．１％、温度係数±１０ｐｐｍ）を用いてＩ−Ｖ変換回路１０を構成すると、安価で精度の良い信号処理回路が構成できる。この信号処理回路を用いて電圧測定の精度を測定したところ、高圧配電盤の電圧センサとして要求される±１％以内の精度が得られた。
【００２６】
なお、本実施の形態では電流−電圧変換回路として、ＯＰアンプ８とフィードバック抵抗器９で構成した回路について説明したが、抵抗素子に流れる電流のみを正確に測定できれば、どのような電流−電圧変換回路であってもよい。また、本実施の形態では実施の形態２による抵抗素子を用いたが、他の実施の形態による抵抗素子を用いてもよい。
【００２７】
実施の形態５．
図８は、本発明の実施の形態５による抵抗素子を用いた電圧センサの構成図である。図７と同一または相当部分は同一の符号を付している。図８において、１１はサージ保護素子、例えば金属酸化物バリスタあるいはクランピングダイオードであり、ＯＰアンプ８のインバース入力（−）と接地間に接続する。
【００２８】
実施の形態３で述べたように、高圧配電盤に用いられる抵抗素子には雷によるインパルスサージ電圧、配電盤内の遮断器、断路器からの開閉サージ電圧等が侵入するので、サージ保護素子１１を用いてＯＰアンプ８の入力電圧（インバース入力（−）と接地間の電圧）を制限することにより、前述のサージ電圧から信号処理回路を保護することができる。また、実施の形態４で説明したように、ＯＰアンプ８の入力電圧はほぼ０であるので、ＯＰアンプ８の入力にサージ保護素子１１を挿入してもほとんど測定誤差にはならない。
【００２９】
サージ保護素子１１として、例えば多摩電気工業（株）製のＮＶ形バリスタを用いると、ＯＰアンプ８の入力電圧は制限され、Ｉ−Ｖ変換回路１０の保護が可能になる。また、サージ保護素子１１として、例えば三菱電機（株）製のダイオードＭＣ−３０１を、順方向電流のドロップ電圧でクランプするように、極性が互いに逆になるように２個並列に接続したものをＯＰアンプ８のインバース入力（−）と接地間に接続すれば、十分な保護が可能になる。
【００３０】
なお、実施の形態３による抵抗素子を用いて、実施の形態４による電圧センサを構成しても、同様の効果が得られる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のうち請求項１に係る抵抗素子によれば、３０から５０ｐｐｍ／℃の負の温度係数を示す高電圧抵抗器を熱硬化性樹脂でモールドしたので、高電圧抵抗器のみより温度係数の小さい抵抗素子を得ることができる。
【００３２】
また、本発明のうち請求項２に係る抵抗素子によれば、負の温度係数を示す高電圧抵抗器として２０ＭΩ〜１００ＭΩの抵抗器を用いたので、５℃〜９５℃における抵抗値の温度変化を±０．５％以内にすることができる。
【００３３】
また、本発明のうち請求項３に係る抵抗素子によれば、熱硬化性樹脂として熱硬化性樹脂に無機充填材を含有させたものを用いたので、熱硬化性樹脂と無機充填材の配合比を調整して、最適な温度係数の抵抗素子を得ることができる。
【００３４】
また、本発明のうち請求項４に係る抵抗素子によれば、高電圧抵抗器とこの高電圧抵抗器の両端に電気的に接続された端子を一体にモールドするとともに、端子のうち一方の端子の周囲にガード電極を設けたので、モールド表面の絶縁抵抗の低下による抵抗素子の抵抗値誤差を小さくすることができる。
【００３５】
また、本発明のうち請求項５に係る抵抗素子によれば、周囲にガード電極を設けた端子とガード電極間にサージアレスタを設けたので、低圧端子とガード電極間の電圧は制限され、信号処理回路の保護が可能になる。
【００３６】
また、本発明のうち請求項６に係る電圧センサによれば、高電圧を印加する分圧抵抗として請求項１ないし５のいずれかに記載の抵抗素子を用いたので、温度変化の影響が少ない精度の高い測定ができる。
【００３７】
また、本発明のうち請求項７に係る電圧センサによれば、抵抗素子に高電圧を印加したとき、抵抗素子に流れる電流を電流−電圧変換回路により電圧に変換して高電圧を測定するので、信号線の浮遊インピーダンス等を無視でき、より精度の高い測定ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１による抵抗素子の断面図である。
【図２】  ２０ＭΩの高電圧抵抗器のモールド前とモールド後の温度特性図である。
【図３】  ５０ＭΩの高電圧抵抗器のモールド前とモールド後の温度特性図である。
【図４】  １００ＭΩの高電圧抵抗器のモールド前とモールド後の温度特性図である。
【図５】  本発明の実施の形態２による抵抗素子の断面図である。
【図６】  本発明の実施の形態３による抵抗素子の断面図である。
【図７】  本発明の実施の形態４による抵抗素子を用いた電圧センサの構成図である。
【図８】  本発明の実施の形態５による抵抗素子を用いた電圧センサの構成図である。
【図９】  従来の抵抗素子の断面図である。
【符号の説明】
１  高電圧抵抗器、２  端子、３  端子、４  熱硬化性樹脂、５  ガード電極、６  サージアレスタ、１０  電流−電圧変換回路。
【図１】
0003829711.tif 000002
【図２】
0003829711.tif 000003
【図３】
0003829711.tif 000004
【図４】
0003829711.tif 000005
【図５】
0003829711.tif 000006
【図６】
0003829711.tif 000007
【図７】
0003829711.tif 000008
【図８】
0003829711.tif 000009
【図９】
0003829711.tif 000010