JP5777600B2

JP5777600B2 - 非接触電圧測定プローブ

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Publication number: JP5777600B2
Application number: JP2012275916A
Authority: JP
Inventors: 康直鈴木; 将樹香西; 高谷　和宏; 和宏高谷
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2032-12-18
Also published as: JP2014119384A

Description

本発明は、２本の電線の線間に加わる交流電圧波形を、それらの芯線に電気的に接触することなく、非接触で測定する非接触電圧測定プローブに関する。

近年、電力利用の効率化や省エネの観点から、一般家庭やオフィス等の電力需要家の宅内に電力センサを設置し、電力の効率的利用や電気機器の遠隔制御を図るＨＥＭＳ（ＨｏｍｅＥｎｅｒｇｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ）や、電力網の制御を行うスマートグリッド技術に関する開発、検討が進んでいる。一般に、ＨＥＭＳ等に使用する電力センサは、家庭内の分電盤や個々の家電機器に設置されるが、消費電力の正確な測定には、少なくとも商用電源の１周期分の電流波形と電圧波形が必要である。

電力線を流れる電流を非接触で測定する手段としては、トランスの原理を用いた電流プローブや、ホール素子などの磁気検出素子を用いた電流センサが知られており、ＨＥＭＳ用のセンサとして実用化されている。

一方、２線間の電力をモニタするには、直接２つの電源線に接触して電圧を測定できれば正確な電圧波形が得られるが、既存の分電盤などに新たなセンサを取り付けたい場合など、直接電源線に接触する工事を行うためには電気工事士の資格が必要であったり、また安全のためには一旦通電を停止してから工事を行う必要があったりするなど、実際上の制約や負担が大きく、センサ導入の障壁となっている。

実際には電流値のみをモニタし、電圧は正弦波で近似して電力を算出することが行われている場合もあるが、商用電源の電圧波形は歪んで正弦波と異なる波形となっていることも多く、また電流波形は電圧波形と同期した形で電力を計算しないと精度の良い電力値が得られないことから、少なくとも電圧のゼロクロス点等の同期タイミングを検出できることが望ましい。

以上のようなことから、電源線等に非接触で電圧波形の取得が可能な手段が必要とされている。

非接触で電圧を測定する従来の手段としては、容量結合の原理を利用した容量性電圧プローブ（非特許文献１）が知られている。容量性電圧プローブは、電力線や通信線に重畳されているコモンモード電圧（対象の電線と大地間に生じた電圧）を測定するのに適した手段であり、ＥＭＣに関連した妨害波測定等に用いられている。

小林、田島、広島、桑原、服部、「容量性電圧プローブの開発とその特性」、社団法人電子情報通信学会、１９９８年、電子情報通信学会技術報告、ＥＭＣＪ９８−２５（１９９８−０６）

しかしながら、この容量性電圧プローブは、２線間の電圧を非接触で測定する用途に適用できる形態になってはいないという課題がある。

また、非接触で交流電圧を測定する別の手段として、容量結合を用いて検知した誘導電圧の測定結果から基準電圧を算出し、その基準電圧をセンサにフィードバックし、フィードバック利得を変化させることで電圧値を測定する方法が知られている。このような方法は、電圧測定のばらつきは少なくなるものの、可変容量回路や発振回路を用いた基準電圧生成手段やフィードバック回路が必要となり、回路規模や消費電力が増加すると共に、センサ自体も大きくなるという課題がある。

また、電線の近傍に電界強度に応じて光学特性が変化する材料を配置し、光の特性を利用して電圧計測を行う方法もあるが、光の送受信装置が必要となることから、大きさやコストが大きくなるという課題がある。

上記のように、従来、２線間の交流電圧波形を非接触で測定する簡易な手段が存在せず、電力の精度の良いセンシングや高電圧の安全な測定に支障をきたしていた。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、簡単な非接触なセンサ構成で２線間の電圧波形を測定する非接触電圧測定プローブを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、２本の電線の線間に加わる交流電圧波形を測定するための非接触電圧測定プローブであって、第１の電線を囲む円筒形の第１の電極であって、前記第１の電線とは電気的に接続しないよう設置した第１の電極と、第２の電線を囲む円筒形の第２の電極であって、前記第２の電線とは電気的に接続しないように設置した第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧を測定する電圧測定器と、前記第１の電極の外側を囲む円筒形の第１のシールド電極であって、前記第１の電線および前記第１の電極と電気的に接続しないように設置した第１のシールド電極と、前記第１のシールド電極と前記第２の電極とを電気的に接続する手段と、を備え、前記電圧測定器によって測定された電圧が、前記第１の電線と前記第２の電線との間に生じる電圧が前記第１の電線と前記第１の電極との間の静電容量Ｃ１と、前記第２の電線と前記第２の電極との間の静電容量Ｃ２と、前記電圧測定器の入力容量Ｃｐおよび入力抵抗Ｒｐが並列接続された入力インピーダンスとが直列に接続された回路によって分圧された結果であることに基づき、前記第１の電極と前記第２の電極との間に生じる電圧を検出することによって、前記第１の電線と前記第２の電線との間の交流電圧波形を間接的に測定することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、２本の電線の線間に加わる交流電圧波形を測定するための非接触電圧測定プローブであって、第１の電線を囲む円筒形の第１の電極であって、前記第１の電線とは電気的に接続しないよう設置した第１の電極と、第２の電線を囲む円筒形の第２の電極であって、前記第２の電線とは電気的に接続しないように設置した第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧を測定する電圧測定器と、前記第１の電極の外側を囲む円筒形の第１のシールド電極であって、前記第１の電線および前記第１の電極と電気的に接続しないように設置した第１のシールド電極と、前記第２の電極の外側を囲む円筒形の第２のシールド電極であって、前記第２の電線および前記第２の電極と電気的に接続しないように設置した第２のシールド電極と、前記第１のシールド電極と前記第２のシールド電極とを電気的に接続する手段と、を備え、前記電圧測定器によって測定された電圧が、前記第１の電線と前記第２の電線との間に生じる電圧が前記第１の電線と前記第１の電極との間の静電容量Ｃ１と、前記第２の電線と前記第２の電極との間の静電容量Ｃ２と、前記電圧測定器の入力容量Ｃｐおよび入力抵抗Ｒｐが並列接続された入力インピーダンスとが直列に接続された回路によって分圧された結果であることに基づき、前記第１の電極と前記第２の電極との間に生じる電圧を検出することによって、前記第１の電線と前記第２の電線との間の交流電圧波形を間接的に測定することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、２本の電線の線間に加わる交流電圧を測定するための非接触電圧測定プローブであって、第１の電線を囲む円筒形の第１の電極であって、前記第１の電線とは電気的に接続しないよう設置した第１の電極と、第２の電線を囲む円筒形の第２の電極であって、前記第２の電線とは電気的に接続しないように設置した第２の電極と、前記第１の電極の外側を囲む円筒形の第１のシールド電極であって、前記第１の電線および前記第１の電極と電気的に接続しないように設置した第１のシールド電極と、前記第２の電極の外側を囲む円筒形の第２のシールド電極であって、前記第２の電線および前記第２の電極と電気的に接続しないように設置した第２のシールド電極と、前記第１のシールド電極と前記第２のシールド電極とを電気的に接続する手段と、前記第１の電極と前記第１のシールド電極との間の電圧を測定する第１の電圧測定器と、前記第２の電極と前記第２のシールド電極との間の電圧を測定する第２の電圧測定器と、を備え、前記第１の電圧測定器により測定した電圧と前記第２の電圧測定器により測定した電圧との差分が、前記第１の電線と前記第２の電線との間に生じる電圧が前記第１の電線と前記第１の電極との間の静電容量Ｃ１と、前記第２の電線と前記第２の電極との間の静電容量Ｃ２と、前記第１の電圧測定器の入力容量Ｃｐ１および入力抵抗Ｒｐ１が並列接続された第１の入力インピーダンスと、前記第２の電圧測定器の入力容量Ｃｐ２および入力抵抗Ｒｐ２が並列接続された第２の入力インピーダンスとが直列に接続された回路によって分圧された結果であることに基づき、前記第１の電線と前記第２の電線との間の交流電圧波形を間接的に測定することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の非接触電圧測定プローブにおいて、前記第１の電線と前記第１の電極との間の静電容量をＣ１０、前記第１の電極と前記第１のシールド電極との間の静電容量をＣ１１、前記第２の電線と前記第２の電極との間の静電容量をＣ２０、前記第２の電極と前記第２のシールド電極との間の静電容量をＣ２１としたとき、それらがＣ１０／Ｃ１１＝Ｃ２０／Ｃ２１の関係を満たすよう構成されたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の非接触電圧測定プローブにおいて、前記電圧測定器は、出力インピーダンスが入力インピーダンスよりも低くなるよう構成されたバッファ回路を備えたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の非接触電圧測定プローブにおいて、前記電圧測定器の出力信号から所望の周波数帯域より高い周波数成分を除去するローパスフィルタを備えたことを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、第１の電線を囲む円筒形の第１の電極であって、前記第１の電線とは電気的に接続しないよう設置した第１の電極と、第２の電線を囲む円筒形の第２の電極であって、前記第２の電線とは電気的に接続しないように設置した第２の電極と、前記第１の電極の外側を囲む円筒形の第１のシールド電極であって、前記第１の電線および前記第１の電極と電気的に接続しないように設置した第１のシールド電極と、前記第２の電極の外側を囲む円筒形の第２のシールド電極であって、前記第２の電線および前記第２の電極と電気的に接続しないように設置した第２のシールド電極と、前記第１のシールド電極と前記第２のシールド電極とを電気的に接続する手段と、前記第１の電極と前記第１のシールド電極との間の電圧を測定する第１の電圧測定器と、前記第２の電極と前記第２のシールド電極との間の電圧を測定する第２の電圧測定器とを備えた非接触電圧測定プローブを用いて、２本の電線の線間に加わる交流電圧を測定するための非接触電圧測定方法であって、前記第１の電圧測定器により測定した電圧と前記第２の電圧測定器により測定した電圧との差分が、前記第１の電線と前記第２の電線との間に生じる電圧が前記第１の電線と前記第１の電極との間の静電容量Ｃ１と、前記第２の電線と前記第２の電極との間の静電容量Ｃ２と、前記第１の電圧測定器の入力容量Ｃｐ１および入力抵抗Ｒｐ１が並列接続された第１の入力インピーダンスと、前記第２の電圧測定器の入力容量Ｃｐ２および入力抵抗Ｒｐ２が並列接続された第２の入力インピーダンスとが直列に接続された回路によって分圧された結果であることに基づき、前記第１の電線と前記第２の電線との間の交流電圧波形を間接的に測定することを特徴とする。

本発明は、簡単な非接触なセンサ構成で２線間の電圧波形を測定可能にする効果を奏する。

（ａ）は、本発明の実施形態１に係る非接触電圧測定プローブの基本構成の模式図であり、（ｂ）は、その原理を説明する図である。本発明の実施形態１に係る非接触電圧測定プローブの周波数特性を測定した結果を示す図である。本発明の実施形態２に係る非接触電圧測定プローブの構成図である。本発明の実施形態２に係る非接触電圧測定プローブの等価回路を示す図である。本発明の実施形態３に係る非接触電圧測定プローブの構成図である。本発明の実施形態３に係る非接触電圧測定プローブの等価回路を示す図である。本発明の実施形態３に係る非接触電圧測定プローブの、入力抵抗Ｒｐ、入力容量Ｃｐ、および電圧源Ｖｏを省略し、簡略化した等価回路を示す図である。本発明の実施形態４に係る非接触電圧測定プローブの構成図である。本発明の実施形態４に係る非接触電圧測定プローブの等価回路を示す図である。本発明の実施形態４に係る非接触電圧測定プローブにおいて、シールドケーブルを用いて系全体のシールド効果を高めた構成例を示す構成図である。本発明の実施形態５に係る非接触電圧測定プローブの構成図である。本発明の実施形態６に係る非接触電圧測定プローブの構成図である。

上記に述べた課題を解決するため、本発明の非接触電圧測定プローブにおいては、２本の電線のそれぞれを取り囲むように設置した、２つの円筒状の電極を用いて、それらの電極間に生じる静電誘導電圧を測定することにより、上記電線の線間に加わる交流電圧波形を間接的に測定するものである。静電結合を利用した測定を行うため、電線に電気的に接触することなく測定が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
図１（ａ）に、本発明の実施形態１に係る非接触電圧測定プローブの基本構成の模式図を示し、図１（ｂ）に、その原理を説明する図を示す。

本発明の非接触電圧測定プローブの基本構成は、図１（ａ）に示すように、測定対象の２本の電線Ｌ１、Ｌ２のそれぞれを取り囲み、またそれぞれの電線と中心軸がほぼ一致する状態で、円筒形をした電極１０１、電極１０２をそれぞれ設けたものである。この電極１０１と電極１０２との間の電圧を、電圧測定器１１０を用いて測定することにより、電線Ｌ１と電線Ｌ２との間の線間電圧Ｖｏを間接的に測定する。

なお、一般にこれらの電線Ｌ１、Ｌ２には絶縁体の被覆がある場合が多く、その場合電極１０１、１０２とは電気的に接触しないが、被覆のない電線Ｌ１、Ｌ２を測定する場合などには、電極１０１、１０２と電線Ｌ１、Ｌ２の間の接触を防ぐために、絶縁体や誘電体をスペーサとして挟んでも良い。誘電体を挟む場合には、それが無い場合に比べて静電容量Ｃ１、Ｃ２の値が大きくなり、感度が向上する。また、これらのスペーサの形状を電線Ｌ１、Ｌ２に合わせて適切に設計すれば、電極１０１、１０２の中心軸上に電線を固定することが容易になる。

電極１０１と電極１０２には、それらの間の電圧を測定するための、電圧測定器１１０を設ける。前述の通り、電圧測定器１１０の入力インピーダンスは出来るだけ高くしておくことが、感度向上の点で望ましい。電圧測定器１１０としては、高い入力インピーダンスを持つオペアンプやバッファアンプ、計測用アンプ等を用いることが出来る。また、電圧測定器１１０では、読み取った測定電圧値Ｖをそのまま表示させても良いし、電圧値やアナログ・ディジタル変換した電圧値を出力し、後段に接続する装置で処理や表示を行っても良い。

電圧測定器１１０は、電極１０１および電極１０２と出来るだけ近い位置に設けることが、外来雑音の侵入防止や感度向上の面で有利であるが、電極１０１および電極１０２に測定用ケーブルを接続し、離れた場所に電圧測定機能を設けて、測定ケーブルを介した測定を行っても良い。ただしこの場合、測定ケーブルによって電極１０１と電極１０２との間の浮遊容量が増加し、感度の悪化等につながるため、浮遊容量がなるべく増えないような測定ケーブルの配置等を工夫する必要がある。

図１（ｂ）は、図１（ａ）の断面図および等価回路であり、Ｃ１およびＣ２は、それぞれ電線Ｌ１と電極１０１との間、および電線Ｌ２と電極１０２との間の静電容量を示している。また、図１（ｂ）には電圧測定器１１０の入力容量をＣｐ、入力抵抗をＲｐとして示している。

図１（ｂ）に示すように、測定する対象である線間電圧Ｖｏは、Ｃ１と電圧測定器１１０の入力インピーダンス（ＣｐおよびＲｐ）とＣ２が直列に接続された回路に印加されている。そのため、測定電圧ＶはこれらのインピーダンスによってＶｏが分圧された結果として、

と表される。ここで、Ｃ１２はＣ１とＣ２とを直列接続した場合の合成容量で
Ｃ１２＝Ｃ１Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）
であり、ωは各周波数を示している。（ｊは虚数単位）
（１）式より、電圧測定器１１０の入力インピーダンスが高くなる、すなわち入力容量Ｃｐが小さく、入力抵抗Ｒｐが大きくなるに従って、分母は合成容量Ｃ１２に近づき、測定電圧Ｖは線間電圧Ｖｏに近づく。

また、被測定電圧の周波数が高い場合（ω＞＞１／（Ｒｐ（Ｃ１２＋Ｃｐ））となる場合）には、（１）式は、

と近似でき、高周波領域では電圧の変換感度が周波数に依存しない一定値になる。

実際に、図１（ａ）に示す構成の非接触電圧測定プローブを作成し、その周波数特性を測定した結果を図２に示す。図２には、静電容量Ｃ１、Ｃ２、入力容量Ｃｐ、入力抵抗Ｒｐの各パラメータをフィッティングした場合の（１）式に基づく計算の結果も併せて示している。図２の振幅特性は電圧の変換感度を示したものであるが、上述した通り、１０ｋＨｚを超える高周波領域では、フラットな振幅周波数特性が得られている。

以上のように、電圧測定器１１０で測定された測定電圧Ｖは、電圧測定器１１０の入力インピーダンスが十分に高い場合には線間電圧Ｖｏにほぼ等しくなり、静電容量Ｃ１、Ｃ２の値に関わらず線間電圧値Ｖｏを測定することが可能である。また、入力インピーダンスとして上記のような十分に高い値が得られない場合についても、周波数が十分に高い領域であれば、電圧の感度は周波数に依らずほぼ一定値をとることから、歪みのない電圧波形の測定が可能となる。

なお、一般商用電源のように周波数の低い（５０／６０Ｈｚ）の領域においても、商用電源のように周波数帯域が狭い信号であれば、電圧の変換感度は落ちるものの、電圧波形や位相情報を（１）式に応じた測定電圧Ｖとして得られることになる。

また、上述したような入力インピーダンスの高い測定系においては、外部で発生した高周波ノイズを拾いやすく、ノイズの多い場所では測定結果に影響が出る場合がある。本発明の非接触電圧測定プローブにおいては、上記の電極１０１、電極１０２の外側に、同心円筒状のシールド電極を設け、シールド電極の接続や、各電極１０１、１０２との間の静電容量を特定の値に設計することで、外部から誘導されるノイズの影響を抑えることができ、精度の高い電圧波形測定が可能となる。

（実施形態２）
図３に、本発明の実施形態２に係る非接触電圧測定プローブの構成図を示す。また、図４に、本発明の実施形態２に係る非接触電圧測定プローブの等価回路を示す。

図３では、円筒形の電極１０１の外側に、これと中心軸が一致するように円筒形のシールド電極１０３を設ける。シールド電極１０３は、電線Ｌ１にも電極１０１にも電気的に接触させないが、電線等により電極１０２と電気的に接触させる。なお、電線Ｌ１にも電極１０１との物理的配置は固定しておくことが望ましいため、間隙にスペーサ等を設けて物理的に固定しても良い。なお、電極１０１とシールド電極１０３の間の静電容量を、容量Ｃ１および係数αを用いてαＣ１とした。

なお、一般家庭向けの商用電源（単相３線）の電圧を測定する場合、ＡＣ１００Ｖの片側（コールド側）は中性点として接地されている。このような場合は、コールド側を電線Ｌ２として使用することが望ましい。また、通信線等でも片線が回路アース等に接続されている場合については、アース側を電線Ｌ２として使用することが望ましい。これは、シールド電極１０３が外来ノイズ、特にコモンモードノイズの影響を防ぐために設置するものであり、それが電極１０２と接続されていることから、電極１０２の大地に対するインピーダンスが低い方が、ノイズ除去効果が高くなるためである。

なお、電圧測定器１１０の片側は、シールド電極１０３に接続しても、電極１０２に接続しても（図中点線）、どちらでも構わない。

図３中には、ノイズ源として、コモンモードのノイズ電圧Ｖ_Nが生じている導体Ｎが示してある。ノイズ源である導体Ｎは静電誘導によってノイズの影響をもたらすが、図３ではそれを左右する導体Ｎとシールド電極１０３の間の結合容量をＣ_Nとしている。

コモンモードのノイズ電圧Ｖ_Nは、電線Ｌ１や電線Ｌ２の大地に対するコモンモードインピーダンスが高い場合、電極１０１とシールド電極１０３のコモンモードインピーダンスはほぼ同等とみなせるため、ノイズ電圧Ｖ_Nが電極１０１とシールド電極１０３間の電圧である測定電圧Ｖに及ぼす影響は小さい。

一方で商用電源線などでは、前述の通りその一方（この場合電線Ｌ２）が接地されているため、電極１０２のコモンモードインピーダンスは低く、それに接続しているシールド電極１０１も同様である。ノイズ電圧Ｖ_Nによるノイズ電流は結合容量Ｃ_NからＣ₂を介してアースに流れるため、容量Ｃ２が結合容量Ｃ_Nに比べて十分大きな値であれば、ノイズ電圧Ｖ_Nが測定電圧Ｖに与える影響を小さくすることが出来る。なお、可能であれば電極１０２の接地を取るか、接地されている電線Ｌ２と接続させることが出来れば、理想的なノイズのシールドが可能である。

（実施形態３）
次に、図５に、本発明の実施形態３に係る非接触電圧測定プローブの構成図を示す。また、図６に、本発明の実施形態３に係る非接触電圧測定プローブの等価回路を示す。

図５では、実施形態２と同様に円筒形の電極１０１の外側にシールド電極１０３を設けたことに加え、円筒形の電極１０２の外側に、これと中心軸が一致するように円筒形のシールド電極１０４を設ける。シールド電極１０４は、電線Ｌ２にも電極１０２にも電気的に接触させないが、電線等によりシールド電極１０３と電気的に接触させる。なお、電極１０１とシールド電極１０３の間の静電容量を係数α１および容量Ｃ１を用いてα１Ｃ１とし、電極１０２とシールド電極１０４の間の静電容量を係数α２および容量Ｃ２を用いてα２Ｃ２とした。

図５には前述と同様のノイズ源Ｎのコモンモードノイズ電圧Ｖ_Nが、結合容量Ｃ_Nを介して影響を与える場合を示している。本実施例では、シールド電極１０３とシールド電極１０４が電気的に接続されており、その等価回路は図６のようになる。

図６においてノイズ電圧Ｖ_Nが測定電圧Ｖに与える影響のみを調べるため、図７に、入力抵抗Ｒｐ、入力容量Ｃｐ、および電圧源Ｖｏを省略し、簡略化した本実施形態の等価回路を示す。図７には、電極１０１および電極１０２にノイズ電圧Ｖ_Nによって生じるアースに対する電圧を、それぞれＶ１、Ｖ２と示してある。このとき、

がそれぞれ成立するため、測定電圧Ｖは、

となる。α１＝α２のとき、（５）式はＶ＝０となり、測定電圧Ｖはノイズ電圧Ｖ_Ｎの影響を受けなくなる。以上のことから、電極およびシールド電極の構造を、α１＝α２となるように設計しておくことにより、外来ノイズをキャンセルすることができる。

なお、α１＝α２という条件を言い換えると、電線Ｌ１と電極１０１との間の静電容量をＣ１０、電極１０１とシールド電極１０３との間の静電容量をＣ１１、電線Ｌ２と電極１０２との間の静電容量をＣ２０、電極１０２とシールド電極１０４との間の静電容量をＣ２１、とそれぞれしたときに、これらの静電容量の間に

の関係があることと同様である。

（実施形態４）
次に、図８に、本発明の実施形態４に係る非接触電圧測定プローブの構成図を示す。また、図９に、本発明の実施形態４に係る非接触電圧測定プローブの等価回路を示す。

図８では、電極とシールド電極については図５に示した実施形態３と同等であるが、２つの電圧測定器１１３ａ、１１３ｂを設け、電圧測定器１１３ａで電極１０１とシールド電極１０３の間の電圧を測定し、電圧測定器１１３ｂで電極１０２とシールド電極１０４の間の電圧を測定する。差分算出装置１３０は、それぞれの電圧の測定結果をＶｐ１、Ｖｐ２としたときに、その差分
Ｖ＝Ｖｐ１−Ｖｐ２
を測定結果として出力する。

電圧測定器１１３ａ、１１３ｂとそれぞれの電線Ｌ１、Ｌ２毎に分けたことにより、２本の電線Ｌ１、Ｌ２の距離が離れているときでも、近接した電極とシールド電極との間の電圧を測定すればよいことから、電線間にハイインピーダンスな測定ケーブルを引き回すことで外部ノイズを拾いやすくなる問題を防ぐことができる。

また、シールド電極を図８、図９に一点鎖線で示したように接地することができれば、装置全体でのシールド効果を高めることができる。

図１０に、このような構成で、シールドケーブルを用いて系全体のシールド効果を高めた構成例を示す。円筒形の電極１０２の外側に、これと中心軸が一致するように円筒形のシールド電極１０４を設ける。シールド電極１０４は、電線Ｌ２にも電極１０２にも電気的に接触させないが、電線等によりシールド電極１０３と電気的に接触させる。なお、電極１０１とシールド電極１０３の間の静電容量を係数α１および容量Ｃ１を用いてα１Ｃ１とし、電極１０２とシールド電極１０４の間の静電容量を係数α２および容量Ｃ２を用いてα２Ｃ２とした。

電極１０１、シールド電極１０３と電圧測定器１１３ａとの間、および電極１０２、シールド電極１０４と電圧測定器１１３ｂとの間は、シールドケーブル１２０で接続し、シールドケーブル１２０のシールド部分を接地している。

（実施形態５）
図１１に、本発明の実施形態５に係る非接触電圧測定プローブの構成図を示す。

図１１では、電圧測定器１１４ａ、１１４ｂが、高い入力インピーダンスで電圧を測定し、その結果を低い出力インピーダンスで出力するアンプ回路、もしくはバッファ回路を備えている。電圧測定器１１４ａ、１１４ｂは、そのアンプ回路もしくはバッファ回路を電極１０１、１０２およびシールド電極１０３、１０４に直接接続して電圧を測定する。電圧測定器１１４ａ、１１４ｂと差分算出装置１３０との間は、ローインピーダンス伝送線路で接続する。

実施形態５では、ハイインピーダンスな部分が極力短く出来るため、外来ノイズを拾いにくい。また、出力インピーダンスが低いため、ペアケーブル等のシールドの無い安価なケーブルを用いて測定結果を送ることができる。

（実施形態６）
図１２に、本発明の実施形態６に係る非接触電圧測定プローブの構成図を示す。

特にＡＣ電源電圧などの低周波な電圧波形を測定する場合、測定対象の線間電圧波形Ｖｏが正弦波に近い形状であっても、図２に示したような周波数特性のために、測定系に重畳する特に高周波の外来ノイズなどの影響を受けやすく、測定後の波形にノイズや歪みが発生していることがある。このような場合、高周波ノイズの影響を抑圧するために、所望の周波数帯域より高い周波数成分を除去する機能を持ったローパスフィルタ１４０を通すことで、図１２に示したように元の波形に近い波形を再生することが出来る。

なお、本発明における電極１０１、１０２の直径や長さは、電線Ｌ１、Ｌ２からの静電誘導が必要十分な強度で検出できるものであれば良い。

以上述べたように、本発明の非接触電圧プローブを用いることで、電源線の電圧波形や、通信信号電圧波形などの測定を、電源線や通信線の通常の動作に影響を与えずに、非接触で測定することができる。また、電気的接触による測定を行う際に電気工事士などの資格が必要な場合や、測定に危険を伴う高電圧の測定などについても、非接触であるため特殊な資格や技能なく測定でき、これらのモニタ、監視や確認試験を簡易に行うことができる。

また、本発明の非接触電圧プローブには、外来ノイズをシールドする効果やキャンセルする効果があることから、外来ノイズの影響を受けにくく、精度の高い電圧測定が可能となる。

Ｌ１、Ｌ２電線
１０１、１０２電極
１０３、１０４シールド電極
１１０〜１１４電圧測定器
１２０シールドケーブル
１３０差分算出装置
１４０ローパスフィルタ

Claims

２本の電線の線間に加わる交流電圧波形を測定するための非接触電圧測定プローブであって、
第１の電線を囲む円筒形の第１の電極であって、前記第１の電線とは電気的に接続しないよう設置した第１の電極と、
第２の電線を囲む円筒形の第２の電極であって、前記第２の電線とは電気的に接続しないように設置した第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧を測定する電圧測定器と、
前記第１の電極の外側を囲む円筒形の第１のシールド電極であって、前記第１の電線および前記第１の電極と電気的に接続しないように設置した第１のシールド電極と、
前記第１のシールド電極と前記第２の電極とを電気的に接続する手段と、
を備え、
前記電圧測定器によって測定された電圧が、前記第１の電線と前記第２の電線との間に生じる電圧が前記第１の電線と前記第１の電極との間の静電容量Ｃ１と、前記第２の電線と前記第２の電極との間の静電容量Ｃ２と、前記電圧測定器の入力容量Ｃｐおよび入力抵抗Ｒｐが並列接続された入力インピーダンスとが直列に接続された回路によって分圧された結果であることに基づき、前記第１の電極と前記第２の電極との間に生じる電圧を検出することによって、前記第１の電線と前記第２の電線との間の交流電圧波形を間接的に測定することを特徴とする非接触電圧測定プローブ。
２本の電線の線間に加わる交流電圧波形を測定するための非接触電圧測定プローブであって、
第１の電線を囲む円筒形の第１の電極であって、前記第１の電線とは電気的に接続しないよう設置した第１の電極と、
第２の電線を囲む円筒形の第２の電極であって、前記第２の電線とは電気的に接続しないように設置した第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧を測定する電圧測定器と、
前記第１の電極の外側を囲む円筒形の第１のシールド電極であって、前記第１の電線および前記第１の電極と電気的に接続しないように設置した第１のシールド電極と、
前記第２の電極の外側を囲む円筒形の第２のシールド電極であって、前記第２の電線および前記第２の電極と電気的に接続しないように設置した第２のシールド電極と、
前記第１のシールド電極と前記第２のシールド電極とを電気的に接続する手段と、
を備え、
前記電圧測定器によって測定された電圧が、前記第１の電線と前記第２の電線との間に生じる電圧が前記第１の電線と前記第１の電極との間の静電容量Ｃ１と、前記第２の電線と前記第２の電極との間の静電容量Ｃ２と、前記電圧測定器の入力容量Ｃｐおよび入力抵抗Ｒｐが並列接続された入力インピーダンスとが直列に接続された回路によって分圧された結果であることに基づき、前記第１の電極と前記第２の電極との間に生じる電圧を検出することによって、前記第１の電線と前記第２の電線との間の交流電圧波形を間接的に測定することを特徴とする非接触電圧測定プローブ。
２本の電線の線間に加わる交流電圧を測定するための非接触電圧測定プローブであって、
第１の電線を囲む円筒形の第１の電極であって、前記第１の電線とは電気的に接続しないよう設置した第１の電極と、
第２の電線を囲む円筒形の第２の電極であって、前記第２の電線とは電気的に接続しないように設置した第２の電極と、
前記第１の電極の外側を囲む円筒形の第１のシールド電極であって、前記第１の電線および前記第１の電極と電気的に接続しないように設置した第１のシールド電極と、
前記第２の電極の外側を囲む円筒形の第２のシールド電極であって、前記第２の電線および前記第２の電極と電気的に接続しないように設置した第２のシールド電極と、
前記第１のシールド電極と前記第２のシールド電極とを電気的に接続する手段と、
前記第１の電極と前記第１のシールド電極との間の電圧を測定する第１の電圧測定器と、
前記第２の電極と前記第２のシールド電極との間の電圧を測定する第２の電圧測定器と、
を備え、
前記第１の電圧測定器により測定した電圧と前記第２の電圧測定器により測定した電圧との差分が、前記第１の電線と前記第２の電線との間に生じる電圧が前記第１の電線と前記第１の電極との間の静電容量Ｃ１と、前記第２の電線と前記第２の電極との間の静電容量Ｃ２と、前記第１の電圧測定器の入力容量Ｃｐ１および入力抵抗Ｒｐ１が並列接続された第１の入力インピーダンスと、前記第２の電圧測定器の入力容量Ｃｐ２および入力抵抗Ｒｐ２が並列接続された第２の入力インピーダンスとが直列に接続された回路によって分圧された結果であることに基づき、前記第１の電線と前記第２の電線との間の交流電圧波形を間接的に測定することを特徴とする非接触電圧測定プローブ。
前記第１の電線と前記第１の電極との間の静電容量をＣ１０、前記第１の電極と前記第１のシールド電極との間の静電容量をＣ１１、前記第２の電線と前記第２の電極との間の静電容量をＣ２０、前記第２の電極と前記第２のシールド電極との間の静電容量をＣ２１としたとき、それらが
Ｃ１０／Ｃ１１＝Ｃ２０／Ｃ２１
の関係を満たすよう構成されたことを特徴とする請求項２又は３に記載の非接触電圧測定プローブ。
前記電圧測定器は、出力インピーダンスが入力インピーダンスよりも低くなるよう構成されたバッファ回路を備えたことを特徴とする請求項３に記載の非接触電圧測定プローブ。
前記電圧測定器の出力信号から所望の周波数帯域より高い周波数成分を除去するローパスフィルタを備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の非接触電圧測定プローブ。
第１の電線を囲む円筒形の第１の電極であって、前記第１の電線とは電気的に接続しないよう設置した第１の電極と、
第２の電線を囲む円筒形の第２の電極であって、前記第２の電線とは電気的に接続しないように設置した第２の電極と、
前記第１の電極の外側を囲む円筒形の第１のシールド電極であって、前記第１の電線および前記第１の電極と電気的に接続しないように設置した第１のシールド電極と、
前記第２の電極の外側を囲む円筒形の第２のシールド電極であって、前記第２の電線および前記第２の電極と電気的に接続しないように設置した第２のシールド電極と、
前記第１のシールド電極と前記第２のシールド電極とを電気的に接続する手段と、
前記第１の電極と前記第１のシールド電極との間の電圧を測定する第１の電圧測定器と、
前記第２の電極と前記第２のシールド電極との間の電圧を測定する第２の電圧測定器とを備えた非接触電圧測定プローブを用いて、
２本の電線の線間に加わる交流電圧を測定するための非接触電圧測定方法であって、
前記第１の電圧測定器により測定した電圧と前記第２の電圧測定器により測定した電圧との差分が、前記第１の電線と前記第２の電線との間に生じる電圧が前記第１の電線と前記第１の電極との間の静電容量Ｃ１と、前記第２の電線と前記第２の電極との間の静電容量Ｃ２と、前記第１の電圧測定器の入力容量Ｃｐ１および入力抵抗Ｒｐ１が並列接続された第１の入力インピーダンスと、前記第２の電圧測定器の入力容量Ｃｐ２および入力抵抗Ｒｐ２が並列接続された第２の入力インピーダンスとが直列に接続された回路によって分圧された結果であることに基づき、前記第１の電線と前記第２の電線との間の交流電圧波形を間接的に測定することを特徴とする非接触電圧測定方法。