(57)【要約】  交流電圧導体システムの少なくとも２つの導体間の電圧を測定するための非接触型電圧変換器（２）であって、変換器は、２つ以上の容量性電流測定ユニット（３）を含み、各前記容量性電流測定ユニットは、交流電圧導体システムのそれぞれの前記導体を受容するための通路（６）を取り囲む電極（４）と、電極（４）を取り囲む電極シールド（８）と、アナログ測定信号を出力するように構成された、電極シールド（８）および電極（４）に接続された電極信号処理回路部分（１６）と、電極シールドに接続され、基準電圧源信号を生成するように構成された基準電圧信号生成器（１０）と、を含み、２つ以上の容量性電流測定ユニットの基準電圧信号生成器（１０）は、共通の浮動電圧接続点で互いに接続されている。
2020528153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧導体システムの少なくとも２つの導体間の電圧を測定するための非接触型電圧変換器（２）において、前記変換器は、２つ以上の容量性電流測定ユニット（３）を含み、各前記容量性電流測定ユニットは、
前記交流電圧導体システムのそれぞれの前記導体を受容するための通路（６）を取り囲む電極（４）と、
前記電極（４）を取り囲む電極シールド（８）と、
アナログ測定信号を出力するように構成された、前記電極シールド（８）および前記電極（４）に接続された電極信号処理回路部分（１６）と、
前記電極シールドに接続され、基準電圧源信号を生成するように構成された基準電圧信号生成器（１０）と、
を含み、
前記２つ以上の容量性電流測定ユニットの前記基準電圧信号生成器（１０）は、共通の浮動電圧接続点で互いに接続されている、非接触型電圧変換器。
【請求項２】
前記導体システムは多相導体システムであり、前記変換器は、電気伝導システムの各相に対する１つの容量性電流測定ユニット（３）と、さらに、中性導体（１ｎ）に対する１つの容量性電流測定ユニットと、を含む、請求項１に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項３】
前記導体システムは、２相または３相導体システムである、請求項２に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項４】
前記２つ以上の容量性電流測定ユニット（３）を取り囲む外部静電シールド（１４）と、前記外部静電シールドおよび前記共通の浮動電圧接続点に接続された追加の基準電圧信号生成器と、をさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項５】
前記基準電圧信号生成器は、前記導体システムの交流電圧周波数よりも高い周波数で前記基準電圧源信号を生成するように構成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項６】
前記基準電圧信号生成器のうちの少なくとも２つは、互いに異なる周波数で前記基準電圧源信号を生成するように構成されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項７】
前記基準電圧信号生成器の各々は、その他のものとは異なる周波数で前記基準電圧源信号を生成するように構成されている、請求項６に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項８】
前記基準電圧源信号、および前記容量性電流測定ユニットによって出力された関連する電流から電極−導体アドミタンス行列Ｙを計算するように構成されたマイクロコントローラ回路を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項９】
前記マイクロコントローラ回路は、基準電圧信号を生成するためのデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）と、各電極からの出力容量性電流からのアナログ測定信号応答を受信し処理するためのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）と、を含む、請求項８に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項１０】
前記変換器は、測定される前記システムの前記導体から電力を収集するように構成されたエネルギー収集ユニットを含み、前記エネルギー収集ユニットは、前記導体のうちの１つ以上の周りに取り付けるために、前記電極のうちの１つ以上に軸方向に隣接して、またはその周りに同軸に配置された１つ以上の誘導コイルを含む、請求項９に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項１１】
前記変換器は、バッテリの形態の自律電源を含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項１２】
前記変換器は、前記測定信号を無線で送信し、外部システムからコマンドまたは要求を受信するために、前記変換器のプロセッサに接続された無線通信モジュールを含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項１３】
外部システムの交流電圧導体システムの少なくとも２つの導体間の電圧を測定するための、外部システムへの直接電気接続のない完全自律型の非接触型電圧変換器（２）において、前記変換器は、測定信号を無線送信する無線通信モジュールと、２つ以上の容量性電流測定ユニット（３）と、を含み、各前記容量性電流測定ユニットは、
前記交流電圧導体システムのそれぞれの前記導体を受容するための通路（６）を取り囲む電極（４）と、
前記電極（４）を取り囲む電極シールド（８）と、
アナログ測定信号を出力するように構成された、前記電極シールド（８）および前記電極（４）に接続された電極信号処理回路部分（１６）と、
前記電極シールドに接続され、基準電圧源信号を生成するように構成された基準電圧信号生成器（１０）と、
を含み、
前記２つ以上の容量性電流測定ユニットの前記基準電圧信号生成器（１０）は、共通の浮動電圧接続点で互いに接続されている、完全自律型の非接触型電圧変換器。
【請求項１４】
請求項２から１２の特徴のいずれか１つ以上をさらに含む、請求項１３に記載の自律型の非接触型電圧変換器。
【請求項１５】
ガルバニック接続のない交流電圧導体システムの少なくとも２つの導体間の電圧を測定する方法において、
請求項１から１４のいずれか一項に記載の非接触型電圧変換器を提供することと、
基準電圧信号
【数１】
2020528153.tif 000030
を生成し、前記電極の対応する出力容量性電流信号
【数２】
2020528153.tif 000031
を測定することと、
前記変換器の処理回路において、前記基準電圧信号および対応する出力容量性電流信号に基づいてアドミタンスＹ行列を識別することと、
前記変換器の前記処理回路において、前記アドミタンス行列Ｙから得られるインピーダンス行列Ｚを計算し、前記導体システムの識別を提供することと、
を含む、方法。
【請求項１６】
前記導体システムの電極電流
【数３】
2020528153.tif 000032
を測定することと、
前記変換器の処理回路において、前記インピーダンス行列Ｚを使用して、前記少なくとも２つの導体間で測定される交流電圧を計算することと、
を含む、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【開示の内容】
【０００１】
〔発明の分野〕
本発明は、交流電圧を非接触式に測定するための変換器に関する。
【０００２】
〔発明の背景〕
２つ以上の導体（典型的には３つの相導体および中性導体）間の交流（ＡＣ）電圧および相対位相を、導体を遮断および接触させることなく測定することが知られている。導体は、例えば、電気ケーブルの形態であってよく、例えば、分割電極を有する容量型変換器が、ケーブルの各々の周りに配置される。非接触型変換器は、危険な電圧印加において特に、設置を容易にし、人員および設備に対する危険を低減する。
【０００３】
ケーブルと変換器との間の未知の結合容量の影響を低減し、したがって測定精度を高めるために、米国特許第５，４７３，２４４号に記載されているように、２つ（またはそれ以上）の基準電圧源を使用することができる。
【０００４】
米国特許第５，４７３，２４４号に記載されているシステム、および米国特許第６，４７０，２８３号に記載されているような他の非接触型電圧測定システムの主な欠点は、接地端子を有する必要があることである。電圧測定変換器の設置位置における接地接続へのアクセスは、容易には利用できず、ガルバニック接続を設置する必要性は、電圧測定準備のコストおよび複雑さを増大させる。
【０００５】
さらに、危険な電圧印加では、ガルバニック接続を実施する必要性は、測定設備を設置、維持、または使用する人員の安全に対する危険性を増大させ得る。
【０００６】
〔発明の概要〕
上記に鑑みて、本発明の目的は、接地接続を必要とせずに、正確で信頼性のある非接触型電圧変換器を提供することである。
【０００７】
安全で設置が容易な非接触型電圧変換器を提供することが有利であろう。
【０００８】
製造および設置するのに費用効果のある非接触型電圧変換器を提供することが有利であろう。
【０００９】
本発明の目的は、請求項１または請求項１３に記載の非接触型電圧変換器、および請求項１５に記載の方法を提供することによって達成された。
【００１０】
本明細書で開示されるのは、交流電圧導体システムの少なくとも２つの導体間の電圧を測定するための非接触型電圧変換器であり、変換器は、２つ以上の容量性電流測定ユニットを含み、各前記容量性電流測定ユニットは、
交流電圧導体システムのそれぞれの前記導体を受容するための通路を取り囲む電極と、
電極を取り囲む電極シールドと、
アナログ測定信号を出力するように構成された、電極シールドおよび電極に接続された電極信号処理回路部分と、
電極シールドに接続され、基準電圧源信号を生成するように構成された基準電圧信号生成器と、
を含み、
２つ以上の容量性電流測定ユニットの基準電圧信号生成器は、共通の浮動電圧接続点で互いに接続されている。
【００１１】
また、本明細書で開示されるのは、外部システムの交流電圧導体システムの少なくとも２つの導体間の電圧を測定するための、外部システムへの直接電気接続のない完全自律型の非接触型電圧変換器であり、変換器は、測定信号を無線で送信する無線通信モジュールと、２つ以上の容量性電流測定ユニットと、を含み、各前記容量性電流測定ユニットは、
交流電圧導体システムのそれぞれの前記導体を受容するための通路を取り囲む電極と、
電極を取り囲む電極シールドと、
アナログ測定信号を出力するように構成された、電極シールドおよび電極に接続された電極信号処理回路部分と、
電極シールドに接続され、基準電圧源信号を生成するように構成された基準電圧信号生成器と、
を含み、
２つ以上の容量性電流測定ユニットの基準電圧信号生成器は、共通の浮動電圧接続点で互いに接続されている。
【００１２】
有利な実施形態では、導体システムは、多相導体システムであり、変換器は、電気伝導システムの各相に対する１つの容量性電流測定ユニットと、さらに、中性導体に対する１つの容量性電流測定ユニットと、を含む。
【００１３】
有利な実施形態では、変換器は、前記２つ以上の容量性電流測定ユニットを取り囲む外部静電シールドと、外部静電シールドおよび共通の浮動電圧接続点に接続された追加の基準電圧信号生成器と、をさらに含むことができる。
【００１４】
有利な実施形態では、基準電圧信号生成器は、導体システムの交流電圧周波数よりも高い周波数で前記基準電圧源信号を生成するように構成される。
【００１５】
有利な実施形態では、基準電圧信号生成器のうちの少なくとも２つは、互いに異なる周波数で前記基準電圧源信号を生成するように構成される。
【００１６】
一実施形態では、基準電圧信号生成器の各々は、その他のものとは異なる周波数で前記基準電圧源信号を生成するように構成され得る。
【００１７】
一実施形態では、電圧変換器は、基準電圧源信号、および容量性電流測定ユニットによって出力された関連する電流から電極−導体アドミタンス行列Ｙを計算するように構成されたマイクロコントローラ回路を含むことができる。
【００１８】
一実施形態では、マイクロコントローラ回路は、基準電圧信号を生成するためのデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）と、各電極からの出力容量性電流からのアナログ測定信号応答を受信し処理するためのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）と、を含む。
【００１９】
また、本明細書に開示されているのは、ガルバニック接続のない交流電圧導体システムの少なくとも２つの導体間の電圧を測定する方法であり、この方法は、
前述のような非接触型電圧変換器を提供することと、
基準電圧信号
【数１】
2020528153.tif 000003
を生成し、電極の対応する出力容量性電流信号
【数２】
2020528153.tif 000004
を測定することと、
変換器の処理回路において、基準電圧信号および対応する出力容量性電流信号に基づいてアドミタンス行列Ｙを識別することと、
変換器の処理回路において、アドミタンス行列Ｙから得られるインピーダンス行列Ｚを計算し、導体システムの識別を提供することと、
を含む。
【００２０】
本方法は、
導体システムの電極電流
【数３】
2020528153.tif 000005
を測定することと、
変換器の処理回路において、インピーダンス行列Ｚを使用して、前記少なくとも２つの導体間で測定される交流電圧を計算することと、
をさらに含むことができる。
【００２１】
本発明のさらなる目的および有利な態様は、特許請求の範囲、以下の詳細な説明、および添付図面から明らかとなるであろう。
【００２２】
本発明は、添付図面を参照して説明され、添付図面は、例として本発明を例示する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態による非接触型電圧変換器の電気的レイアウトの概略的簡易図である。
【図２】相のうちの１つに関する図１の非接触型電圧変換器の概略的簡易図であり、変換器の導電性素子間の容量結合を示している。
【図３】非接触型電圧変換器を表す等価回路の概略的簡易図である。
【００２４】
〔発明の実施形態の詳細な説明〕
図を参照すると、本発明の一実施形態による非接触型電圧変換器２は、２つ以上の容量性電流測定ユニット３を含み、各容量性電流測定ユニットは、少なくとも２つの導体を含む導体システムのそれぞれの導体１、１ｎを受容するための通路６を取り囲む電極を含み、導体のうちの少なくとも１つは、交流電圧を搬送する。
【００２５】
一実施形態では、導体システムの導体は、多相交流電圧電気伝導システムに属することができる。電気伝導システムは、２相、３相であるか、または４つ以上の相を有することができ、さらに、中性導体を含むことができる。しかしながら、本発明は、多相システムに限定されず、測定される導体間で相対的な交流電圧を示す任意の導体に適用されてもよいことに留意されたい。
【００２６】
導体は、例えば、従来の絶縁ワイヤもしくはケーブル、または絶縁導体ロッドもしくはバーの形態であってよく、あるいは、それ自体既知の他の構成を有してよい。変形例では、導体は絶縁されていなくてもよく、非接触型電圧変換器は、電極を絶縁されていない導体から誘電的に分離するように構成された絶縁層を電極上に含む。
【００２７】
電極４は、導体通路６を完全に取り囲んでもよいし、導体通路６を部分的にのみ取り囲んで、例えば、通路６内に導体を挿入することができるギャップを残してもよい。
【００２８】
電極は、測定される導体を電極の対応する通路６内に挿入するのを可能にするために可動部分を有するハウジング内に提供され得る。
【００２９】
非接触型電圧変換器２は、伝導システムの任意の２つ以上の導体１、１ｎ間の相対的な交流電圧を測定するように構成される。非接触型電圧変換器２は、伝導システムの任意の２つ以上の導体１、１ｎ間の相対位相を測定するように構成されてもよい。
【００３０】
各容量性電流測定ユニット３は、電極４を取り囲む電極シールド８と、アナログ測定信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を出力するように構成された、電極シールド８および電極４に接続された電極信号処理回路と、測定シールドに接続され、電圧信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４を生成するように構成された電圧信号生成器１０と、をさらに含む。複数の容量性電流測定ユニットの電圧信号生成器１０は、共通の浮動電圧接続点１１で互いに接続されている。
【００３１】
非接触型電圧変換器２は、アナログ測定信号Ｓ１・・・Ｓ４を処理するように構成されたアナログ−デジタル処理回路１２をさらに含み得る。
【００３２】
一実施形態では、電圧変換器は、複数の容量性電流測定ユニット３を取り囲む外部シールド１４をさらに含むことができる。
【００３３】
一実施形態では、アナログ−デジタル処理回路１２は、基準電圧信号を生成するためのデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）と、アナログ測定信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４応答を受信し処理するためのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）と、を含むマイクロコントローラ回路を含む。
【００３４】
本発明は、最初は未知のキャパシタンスにわたって導体と電極との間の容量性電流を測定する原理に依拠する。これらのキャパシタンスを測定するために、追加の（小さい）既知の電圧信号が電圧生成器によって電極シールドに印加され、電圧および電流が決定され得、次にインピーダンスを計算することができる。
【００３５】
電極は、互いに比較的近接して電位にあり、したがって、単一の電子システムが、多導体伝導システムの全ての導体からの測定値を処理することを可能にする。全ての電極および電極の周りの静電シールドは、結合インピーダンスのシステムを単純化する。
【００３６】
先行技術のシステムでは、未知の対地容量を介して通過する容量性電流を決定し、したがって調整するために、変換器は、対地電位に接続された電圧源を使用して較正され、２つの電極間に既知の高周波電圧を注入する。しかしながら、本発明では、接地接続は必要とされず、それにより、電圧源は浮動小数点電圧に接続される。本発明の実施形態による変換器は、外部導体への接続なしに提供され得る。したがって、本発明の実施形態による変換器は、測定される導体、または変換器を設置することができるデバイスもしくは設備への電気接続なしに設置することができる。利点には、設置の容易さが増し、安全性が増すことが含まれる。
【００３７】
図を参照すると、図示の実施形態では、各導体１は、電極４に容量結合され（キャパシタンスＣ１）、電極は、電極４（キャパシタンスＣ２）および導体１（キャパシタンスＣ３）に容量結合されたシールド８によって取り囲まれている。電圧生成器１０によってシールド８に電圧が印加されると、電極を通る関連する容量性電流が、信号処理回路部分１６によって測定され得る。信号処理回路部分は、例えば、電流−電圧変換回路であってよく、これは、最も単純な形態では、容量性電流に対応する電圧出力が測定される抵抗器にあってもよい。図示の実施形態では、信号処理回路は、容量性電流を入力として受け取り、容量性入力電流に比例する出力電圧を与える演算増幅器を含む。図示の例示的な回路構成は、トランス抵抗増幅器としても知られている。
【００３８】
各電圧生成器１０は、基準交流電圧源を電極シールドに供給し（例えば、１ｋＨｚの周波数を有する正弦波形）、電極シールドは、これらの電圧源Ｖ１・・・Ｖ４によって駆動される電流Ｉ１・・・Ｉ４に対応する出力信号Ｓ１・・・Ｓ４を生成する。基準交流電圧源Ｖ１・・・Ｖ４および測定された出力電流Ｉ１・・・Ｉ４は、以前は未知であった電極−導体アドミタンス行列Ｙを得るために使用され得る。
【００３９】
一実施形態では、変換器の最も外側の静電シールド１４を駆動するために、追加の電圧源Ｖ５を使用することもできる。変形例では、システムは、シールドケーブルを介して中央シールドユニットに接続された電極を有する複数の組み立てられたシールドエンクロージャを含むことができ、各シールドエンクロージャは、容量性電流測定ユニット３のうちの１つまたは複数を封入する。
【００４０】
アドミタンス行列Ｙは、インピーダンス行列Ｚを得るために、変換器のマイクロコントローラにおいて処理される。インピーダンス行列Ｚにより、導体１、１ｎ上の未知の電圧は、既知のまたは識別された交流電圧周波数ｆで導体１、１ｎから電極４に流れる電流の測定値から決定することができる。既知のまたは識別された周波数ｆは、例えば、本質的に正弦波の特性を有する５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの電源周波数であってよい。しかし、本発明は、他の交流電圧周波数を有する導体システム、またはマルチトーン電圧信号を搬送する導体システム、または非正弦波特性を示す交流電圧を有する導体システムにおいて実施することができる。
【００４１】
本発明では、電圧基準信号を使用してシステム識別の品質を推定することも可能であり、この品質が劣化した場合、様々な条件下でシステムを識別するための最適な応答を提供するために、フィルタリング時定数または他のプロセスパラメータを変更することによって、例えば電圧基準信号を変更することによって、処理方法を自動的かつ適応的に変更することも可能である。例えば、システムが急速に変化するとき、長い時定数は、より良好な推定には役立たず、そのような場合、システム時定数と一致するフィルタ時定数に切り替えるほうが良い。誤差は、安定したシステムの場合よりも高くてもよいが、最適でないフィルタリングを適用する場合よりも小さくてもよい。
【００４２】
駆動される最も外側のシールドを含む２導体システム（例えば、中性および位相または位相間）を有する非接触型電圧変換器のための信号処理を、例として以下に説明する。２導体システムのための例示された処理は、より多くの導体を有するシステムに容易に適合させることができ、それによって、アドミタンス行列は、対応する数の列および行で増強される。
【００４３】
本発明による信号処理は、変換器の処理回路によって実行される以下の２つの重要な処理ステップを含む：
・基準／較正電圧源
【数４】
2020528153.tif 000006
を使用する測定からのアドミタンスＹ行列識別
・アドミタンスＹ行列識別から得られるインピーダンスＺ行列、および測定された電極電流
【数５】
2020528153.tif 000007
を使用した導体電圧計算。
【００４４】
Ｙ行列識別
アドミタンス行列Ｙは、システムにおける電圧と電流との間の関係を与える（図３参照）。
【数６】
2020528153.tif 000008
そして
【数７】
2020528153.tif 000009
【００４５】
【数８】
2020528153.tif 000010
は、ブランチｊの基準源によって生成されたブランチｊ内の電流である。
【数９】
2020528153.tif 000011
はブランチｊの基準源である。
【数１０】
2020528153.tif 000012
は複素数である。
【００４６】
注入された基準電圧Ｖｒｅｆと、測定された結果として生じる容量性電流Ｉｒｅｆと、アドミタンス行列との間の関係は、以下のように一般化されたコンパクトな形式で表すことができる：
Ｉｒｅｆ＝Ｙ（ｊω）Ｖｒｅｆ
【００４７】
Ｙｉｊは、一般的な場合、複素数であるか、または周波数Ｙ（ω）の複素関数でさえある。この例では、１つの周波数においてのみアドミタンス行列Ｙを識別し、他の周波数についてそれを補正、変換、またはスケーリングする（以下の
【数１１】
2020528153.tif 000013
を参照）。電極−導体システムが単に容量性である場合、アドミタンス行列Ｙの実数部はゼロである（すなわち、抵抗損失がないと仮定される）。しかしながら、これは、導体を取り囲む誘電体（ＰＶＣまたは他のもの）が損失を有する場合には当てはまらない。ここで、
【数１２】
2020528153.tif 000014
は、ｋと標識された源が、
【数１３】
2020528153.tif 000015
源から、例えばこれらの源が１つずつスイッチオンされる場合に、または各源が異なる周波数もしくは様々な他の特性を有する正弦波信号である場合に、区別することができることを意味する。例えば、電圧基準生成器が（相互相関が０の）直交信号を生成するようにしてもよい。これらの信号は、測定される信号の帯域幅をカバーするが、測定される信号との相互相関のための確率分布がほとんどの時間にわたって非常に低い値に近いままであるのに十分に長い、帯域幅が制限された擬似ランダムシーケンスの形態とすることができる。重要な点は、基準電圧波形を使用して、ブランチｊ内の源
【数１４】
2020528153.tif 000016
によって生成されるブランチｉ内の電流
【数１５】
2020528153.tif 000017
を、いかなる曖昧さもなく決定することができるようにすることである。同じことは、基準電圧波形および測定電圧波形（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの伝導システムおよびそれらの可能な高調波など）にも当てはまる。
【００４８】
一実施形態では、例えば、１００Ｈｚをちょうど超える異なる周波数（すなわち、１２７Ｈｚ、１１３Ｈｚ、および１０９Ｈｚ）を有する基準電圧源のための正弦波形（sinus waveforms）を使用することができる。このようにして、基準電圧源は、互いに、および測定される電圧波形（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの電力システムおよびそれらの可能な高調波など）から容易に区別することができる。しかしながら、変形例では、他の方法を使用して、システムを識別し、特徴付けることができる。
【００４９】
一実施形態では、基準電圧信号は、変化する電圧がシステムの識別されたインピーダンスに及ぼし得る影響を考慮して、システムをより良く識別し特徴付けるための複数のアドミタンス行列を生成するために、対応する電圧生成器によって各ライン上の複数の異なる周波数、例えば、４０Ｈｚ、６０Ｈｚ、８０Ｈｚ、１００Ｈｚ、および１２０Ｈｚで生成され得る。一実施形態では、基準電圧信号は、マルチトーン信号、または非正弦波形を含む信号の形態とすることができる。
【００５０】
より一般的には、基準電圧信号は、測定する信号に少なくとも部分的に直交し、その他の基準信号に少なくとも部分的に直交する信号の任意のシーケンスを生成することができる。この基準電圧信号シーケンスに対する応答は、相関によって抽出することができる。
【００５１】
一実施形態では、アドミタンス行列Ｙは、（実数部と虚数部とが必ずしも同じ周波数依存性を有するわけではないが）以下の概算方法で計算することができる。誘電損失に関連し得る実数部は小さいはずであると概算する（approximate）ことができる。容量性導体−電極結合に関連する虚数部は、周波数に依存する。この単純化された概算方法は、誘電損失が小さい場合に良好な結果を与える（しかし、誘電損失が高い場合には調整されるべきである）。
【数１６】
2020528153.tif 000018
【００５２】
インピーダンス行列Ｚを用いた導体電圧計算
インピーダンス行列Ｚは、アドミタンス行列Ｙから計算される。一般的な場合、インピーダンス行列Ｚは、アドミタンス行列Ｙの擬似逆行列である。
Ｚ＝ｐｉｎｖ（Ｙ）
【００５３】
本例では、以下を使用する。
Ｚ＊＝ｐｉｎｖ（Ｙ＊）Ｆ
【００５４】
インピーダンス行列Ｚでは、導体電圧
【数１７】
2020528153.tif 000019
を、電極内のこれらの源によって生成された電流
【数１８】
2020528153.tif 000020
から計算することができる。
【数１９】
2020528153.tif 000021
【００５５】
コンパクトな形態では、これは、次のように一般化することができる：
Ｖｍｅａｓ＝Ｚ＊  Ｉｍｅａｓ
【００５６】
導体ｉと導体ｊとの間の電圧差は、以下によって与えられる（外側シールドについても当てはまる）
【数２０】
2020528153.tif 000022
【００５７】
上述の例では、アドミタンス行列は、シールドの基準電圧
【数２１】
2020528153.tif 000023
を含むが、これはオプションであってよく、そのような場合、アドミタンス行列Ｙの計算は、以下のように簡略化される：
【数２２】
2020528153.tif 000024
【００５８】
この場合、システムは平方になり、以下の関係に基づいて導体１と導体２との間の電圧差
【数２３】
2020528153.tif 000025
を計算することができる：
【数２４】
2020528153.tif 000026
【００５９】
一実施形態では、変換器は、バッテリなどの搭載された自律電源をさらに含むことができる。変形例では、変換器は、測定されるシステムの導体から変換器の動作のための電力を収集するように構成されたエネルギー収集ユニットを含み得る。エネルギー収集ユニットは、例えば、導体のうちの１つ以上の周りに取り付けるために、電極のうちの１つ以上に軸方向に隣接して、またはその周りに同軸に配置された１つ以上の誘導コイルを含み得る。
【００６０】
一実施形態では、変換器は、測定信号を無線で送信し、外部システムからコマンドまたは要求を受信するために、変換器のプロセッサに接続された無線通信モジュールをさらに含むことができる。
【００６１】
したがって、ガルバニック接続のない完全自律型の無線変換器を、容易で汎用性のある設置のために提供することができる。
【００６２】
〔図面中の参照符号のリスト〕
２  電圧変換器
３  容量電流測定ユニット
４  測定電極
１６  電極信号処理回路
１８  演算増幅器
２０  入力（−Ｖｉｎ、＋Ｖｉｎ）
２２  出力
６  通路
８  静電電極シールド
１０  電圧信号生成器
１６  電極信号処理回路
１２  アナログ／デジタル処理回路
１４  外部静電シールド
Ｖ  電圧
Ｉ  電流
【００６３】
〔実施の態様〕
（１）  交流電圧導体システムの少なくとも２つの導体間の電圧を測定するための非接触型電圧変換器（２）において、前記変換器は、２つ以上の容量性電流測定ユニット（３）を含み、各前記容量性電流測定ユニットは、
前記交流電圧導体システムのそれぞれの前記導体を受容するための通路（６）を取り囲む電極（４）と、
前記電極（４）を取り囲む電極シールド（８）と、
アナログ測定信号を出力するように構成された、前記電極シールド（８）および前記電極（４）に接続された電極信号処理回路部分（１６）と、
前記電極シールドに接続され、基準電圧源信号を生成するように構成された基準電圧信号生成器（１０）と、
を含み、
前記２つ以上の容量性電流測定ユニットの前記基準電圧信号生成器（１０）は、共通の浮動電圧接続点で互いに接続されている、非接触型電圧変換器。
（２）  前記導体システムは多相導体システムであり、前記変換器は、電気伝導システムの各相に対する１つの容量性電流測定ユニット（３）と、さらに、中性導体（１ｎ）に対する１つの容量性電流測定ユニットと、を含む、実施態様１に記載の非接触型電圧変換器。
（３）  前記導体システムは、２相または３相導体システムである、実施態様２に記載の非接触型電圧変換器。
（４）  前記２つ以上の容量性電流測定ユニット（３）を取り囲む外部静電シールド（１４）と、前記外部静電シールドおよび前記共通の浮動電圧接続点に接続された追加の基準電圧信号生成器と、をさらに含む、実施態様１から３のいずれかに記載の非接触型電圧変換器。
（５）  前記基準電圧信号生成器は、前記導体システムの交流電圧周波数よりも高い周波数で前記基準電圧源信号を生成するように構成されている、実施態様１から４のいずれかに記載の非接触型電圧変換器。
【００６４】
（６）  前記基準電圧信号生成器のうちの少なくとも２つは、互いに異なる周波数で前記基準電圧源信号を生成するように構成されている、実施態様１から５のいずれかに記載の非接触型電圧変換器。
（７）  前記基準電圧信号生成器の各々は、その他のものとは異なる周波数で前記基準電圧源信号を生成するように構成されている、実施態様６に記載の非接触型電圧変換器。
（８）  前記基準電圧源信号、および前記容量性電流測定ユニットによって出力された関連する電流から電極−導体アドミタンス行列Ｙを計算するように構成されたマイクロコントローラ回路を含む、実施態様１から７のいずれかに記載の非接触型電圧変換器。
（９）  前記マイクロコントローラ回路は、基準電圧信号を生成するためのデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）と、各電極からの出力容量性電流からのアナログ測定信号応答を受信し処理するためのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）と、を含む、実施態様８に記載の非接触型電圧変換器。
（１０）  前記変換器は、測定される前記システムの前記導体から電力を収集するように構成されたエネルギー収集ユニットを含み、前記エネルギー収集ユニットは、前記導体のうちの１つ以上の周りに取り付けるために、前記電極のうちの１つ以上に軸方向に隣接して、またはその周りに同軸に配置された１つ以上の誘導コイルを含む、実施態様９に記載の非接触型電圧変換器。
【００６５】
（１１）  前記変換器は、バッテリの形態の自律電源を含む、実施態様１から１０のいずれかに記載の非接触型電圧変換器。
（１２）  前記変換器は、前記測定信号を無線で送信し、外部システムからコマンドまたは要求を受信するために、前記変換器のプロセッサに接続された無線通信モジュールを含む、実施態様１から１１のいずれかに記載の非接触型電圧変換器。
（１３）  外部システムの交流電圧導体システムの少なくとも２つの導体間の電圧を測定するための、外部システムへの直接電気接続のない完全自律型の非接触型電圧変換器（２）において、前記変換器は、測定信号を無線送信する無線通信モジュールと、２つ以上の容量性電流測定ユニット（３）と、を含み、各前記容量性電流測定ユニットは、
前記交流電圧導体システムのそれぞれの前記導体を受容するための通路（６）を取り囲む電極（４）と、
前記電極（４）を取り囲む電極シールド（８）と、
アナログ測定信号を出力するように構成された、前記電極シールド（８）および前記電極（４）に接続された電極信号処理回路部分（１６）と、
前記電極シールドに接続され、基準電圧源信号を生成するように構成された基準電圧信号生成器（１０）と、
を含み、
前記２つ以上の容量性電流測定ユニットの前記基準電圧信号生成器（１０）は、共通の浮動電圧接続点で互いに接続されている、完全自律型の非接触型電圧変換器。
（１４）  実施態様２から１２の特徴のいずれか１つ以上をさらに含む、実施態様１３に記載の自律型の非接触型電圧変換器。
（１５）  ガルバニック接続のない交流電圧導体システムの少なくとも２つの導体間の電圧を測定する方法において、
実施態様１から１４のいずれかに記載の非接触型電圧変換器を提供することと、
基準電圧信号
【数２５】
2020528153.tif 000027
を生成し、前記電極の対応する出力容量性電流信号
【数２６】
2020528153.tif 000028
を測定することと、
前記変換器の処理回路において、前記基準電圧信号および対応する出力容量性電流信号に基づいてアドミタンスＹ行列を識別することと、
前記変換器の前記処理回路において、前記アドミタンス行列Ｙから得られるインピーダンス行列Ｚを計算し、前記導体システムの識別を提供することと、
を含む、方法。
【００６６】
（１６）  前記導体システムの電極電流
【数２７】
2020528153.tif 000029
を測定することと、
前記変換器の処理回路において、前記インピーダンス行列Ｚを使用して、前記少なくとも２つの導体間で測定される交流電圧を計算することと、
を含む、実施態様１５に記載の方法。
【図１】
2020528153.tif 000033
【図２】
2020528153.tif 000034
【図３】
2020528153.tif 000035
【手続補正書】
【提出日】令和2年3月13日(2020.3.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧導体システムの少なくとも２つの導体間の電圧を測定するための非接触型電圧変換器（２）において、前記変換器は、２つ以上の容量性電流測定ユニット（３）を含み、各前記容量性電流測定ユニットは、
前記交流電圧導体システムのそれぞれの前記導体を受容するための通路（６）を取り囲む電極（４）と、
前記電極（４）を取り囲む電極シールド（８）と、
アナログ測定信号を出力するように構成された、前記電極シールド（８）および前記電極（４）に接続された電極信号処理回路部分（１６）と、
前記電極シールドに接続され、基準電圧源信号を生成するように構成された基準電圧信号生成器（１０）と、
を含み、
前記２つ以上の容量性電流測定ユニットの前記基準電圧信号生成器（１０）は、共通の浮動電圧接続点で互いに接続されている、非接触型電圧変換器。
【請求項２】
前記導体システムは多相導体システムであり、前記変換器は、電気伝導システムの各相に対する１つの容量性電流測定ユニット（３）と、さらに、中性導体（１ｎ）に対する１つの容量性電流測定ユニットと、を含む、請求項１に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項３】
前記導体システムは、２相または３相導体システムである、請求項２に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項４】
前記２つ以上の容量性電流測定ユニット（３）を取り囲む外部静電シールド（１４）と、前記外部静電シールドおよび前記共通の浮動電圧接続点に接続された追加の基準電圧信号生成器と、をさらに含む、請求項１に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項５】
前記基準電圧信号生成器は、前記導体システムの交流電圧周波数よりも高い周波数で前記基準電圧源信号を生成するように構成されている、請求項１に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項６】
前記基準電圧信号生成器のうちの少なくとも２つは、互いに異なる周波数で前記基準電圧源信号を生成するように構成されている、請求項１に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項７】
前記基準電圧信号生成器の各々は、その他のものとは異なる周波数で前記基準電圧源信号を生成するように構成されている、請求項６に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項８】
前記基準電圧源信号、および前記容量性電流測定ユニットによって出力された関連する電流から電極−導体アドミタンス行列Ｙを計算するように構成されたマイクロコントローラ回路を含む、請求項１に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項９】
前記マイクロコントローラ回路は、基準電圧信号を生成するためのデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）と、各電極からの出力容量性電流からのアナログ測定信号応答を受信し処理するためのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）と、を含む、請求項８に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項１０】
前記変換器は、測定される前記システムの前記導体から電力を収集するように構成されたエネルギー収集ユニットを含み、前記エネルギー収集ユニットは、前記導体のうちの１つ以上の周りに取り付けるために、前記電極のうちの１つ以上に軸方向に隣接して、またはその周りに同軸に配置された１つ以上の誘導コイルを含む、請求項９に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項１１】
前記変換器は、バッテリの形態の自律電源を含む、請求項１に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項１２】
前記変換器は、前記測定信号を無線で送信し、外部システムからコマンドまたは要求を受信するために、前記変換器のプロセッサに接続された無線通信モジュールを含む、請求項１に記載の非接触型電圧変換器。
【請求項１３】
外部システムの交流電圧導体システムの少なくとも２つの導体間の電圧を測定するための、外部システムへの直接電気接続のない完全自律型の非接触型電圧変換器（２）において、前記変換器は、測定信号を無線送信する無線通信モジュールと、２つ以上の容量性電流測定ユニット（３）と、を含み、各前記容量性電流測定ユニットは、
前記交流電圧導体システムのそれぞれの前記導体を受容するための通路（６）を取り囲む電極（４）と、
前記電極（４）を取り囲む電極シールド（８）と、
アナログ測定信号を出力するように構成された、前記電極シールド（８）および前記電極（４）に接続された電極信号処理回路部分（１６）と、
前記電極シールドに接続され、基準電圧源信号を生成するように構成された基準電圧信号生成器（１０）と、
を含み、
前記２つ以上の容量性電流測定ユニットの前記基準電圧信号生成器（１０）は、共通の浮動電圧接続点で互いに接続されている、完全自律型の非接触型電圧変換器。
【請求項１４】
前記導体システムは多相導体システムであり、前記変換器は、電気伝導システムの各相に対する１つの容量性電流測定ユニットと、さらに、中性導体に対する１つの容量性電流測定ユニットと、を含む、請求項１３に記載の自律型の非接触型電圧変換器。
【請求項１５】
ガルバニック接続のない交流電圧導体システムの少なくとも２つの導体間の電圧を測定する方法において、
請求項１から１１のいずれか一項に記載の非接触型電圧変換器を提供することと、
基準電圧信号
【数１】
2020528153.tif 000036
を生成し、前記電極の対応する出力容量性電流信号
【数２】
2020528153.tif 000037
を測定することと、
前記変換器の処理回路において、前記基準電圧信号および対応する出力容量性電流信号に基づいてアドミタンスＹ行列を識別することと、
前記変換器の前記処理回路において、前記アドミタンス行列Ｙから得られるインピーダンス行列Ｚを計算し、前記導体システムの識別を提供することと、
を含む、方法。
【請求項１６】
前記導体システムの電極電流
【数３】
2020528153.tif 000038
を測定することと、
前記変換器の処理回路において、前記インピーダンス行列Ｚを使用して、前記少なくとも２つの導体間で測定される交流電圧を計算することと、
を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記導体システムは、２相または３相導体システムである、請求項１４に記載の自律型の非接触型電圧変換器。
【請求項１８】
前記２つ以上の容量性電流測定ユニットを取り囲む外部静電シールドと、前記外部静電シールドおよび前記共通の浮動電圧接続点に接続された追加の基準電圧信号生成器と、をさらに含む、請求項１３に記載の自律型の非接触型電圧変換器。
【請求項１９】
前記基準電圧信号生成器は、前記導体システムの交流電圧周波数よりも高い周波数で前記基準電圧源信号を生成するように構成されている、請求項１３に記載の自律型の非接触型電圧変換器。
【請求項２０】
前記基準電圧信号生成器のうちの少なくとも２つは、互いに異なる周波数で前記基準電圧源信号を生成するように構成されている、請求項１３に記載の自律型の非接触型電圧変換器。
【請求項２１】
前記基準電圧信号生成器の各々は、その他のものとは異なる周波数で前記基準電圧源信号を生成するように構成されている、請求項２０に記載の自律型の非接触型電圧変換器。
【請求項２２】
前記基準電圧源信号、および前記容量性電流測定ユニットによって出力された関連する電流から電極−導体アドミタンス行列Ｙを計算するように構成されたマイクロコントローラ回路を含む、請求項１３に記載の自律型の非接触型電圧変換器。
【請求項２３】
前記マイクロコントローラ回路は、基準電圧信号を生成するためのデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）と、各電極からの出力容量性電流からのアナログ測定信号応答を受信し処理するためのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）と、を含む、請求項２２に記載の自律型の非接触型電圧変換器。
【請求項２４】
前記変換器は、測定される前記システムの前記導体から電力を収集するように構成されたエネルギー収集ユニットを含み、前記エネルギー収集ユニットは、前記導体のうちの１つ以上の周りに取り付けるために、前記電極のうちの１つ以上に軸方向に隣接して、またはその周りに同軸に配置された１つ以上の誘導コイルを含む、請求項２３に記載の自律型の非接触型電圧変換器。
【請求項２５】
前記変換器は、バッテリの形態の自律電源を含む、請求項１３に記載の自律型の非接触型電圧変換器。
【国際調査報告】
2020528153.tif 000039
2020528153.tif 000040
2020528153.tif 000041