WO2021090479A1 - 測定補助装置、非接触電圧観測装置および非接触電圧観測システム - Google Patents
測定補助装置、非接触電圧観測装置および非接触電圧観測システム Download PDFInfo
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Definitions
- the present invention relates to a measurement auxiliary device that assists in measuring the coupling capacitance used for observing AC voltage, a non-contact voltage observation device and a non-contact voltage observation system that use the measurement auxiliary device.
- the non-contact voltage observation device described in Patent Document 1 detects an AC voltage applied to a core wire of an electric wire through a coupling capacitance generated between the core wire of the electric wire and a probe electrode.
- the AC voltage detected using the probe electrode is divided by the known capacitance that can be switched using the switch and the coupling capacitance generated between the core wire of the wire and the probe electrode, and is based on the divided voltage value.
- the coupling capacitance is measured, and the AC voltage applied to the core wire of the electric wire is calculated based on the measured coupling capacitance.
- the coupling capacitance generated between the probe electrode and the core wire of the electric wire is a minute capacitance estimated by regarding the insulating coating that covers the core wire of the electric wire as a dielectric. Therefore, the measurement of the binding capacitance is easily affected by the parasitic component existing inside the device.
- the non-contact voltage observation device described in Patent Document 1 measures the coupling capacitance using a switch having a relatively large parasitic capacitance. Therefore, there is a possibility that the coupled capacitance cannot be measured accurately due to an error in the voltage value obtained by dividing the AC voltage by the parasitic capacitance of the switch.
- the present invention solves the above problems, and an object of the present invention is to obtain a measurement auxiliary device capable of reducing parasitic components existing inside a non-contact voltage observation device, a non-contact voltage observation device using the measurement auxiliary device, and a non-contact voltage observation system. To do.
- the measurement assisting device observes the AC voltage applied to the core wire of the electric wire through the first coupling capacitance generated between the first probe electrode and the core wire arranged in the coating film covering the core wire. It is a measurement auxiliary device that assists the measurement of the first coupling capacitance by the non-contact voltage observation device, and is a signal oscillator that oscillates a test voltage signal of a known AC voltage waveform, and a second probe electrode arranged on the coating film.
- the test voltage signal is the second coupling generated between the first coupling capacitance, the known capacitance of the voltage dividing capacitor element, and the second probe electrode and the core wire in the non-contact voltage observation device.
- the voltage is divided by the capacitance, the first coupling capacitance is calculated based on the divided voltage, and the second probe electrode has the first coupling capacitance and the second coupling capacitance within a certain tolerance. It is characterized in that it is configured with a structure and a size suitable for the first probe electrode so as to have similar values.
- the test voltage signal of the known AC voltage waveform has the first coupling capacitance generated between the first probe electrode and the core wire provided in the non-contact voltage observation device, the known capacitance, and the measurement assistance.
- the first coupling capacitance is calculated based on the voltage divided by the second coupling capacitance generated between the second probe electrode and the core wire provided in the device.
- the second probe electrode has a structure and size adapted to the first probe electrode so that the first coupling capacitance and the second coupling capacitance have similar values within a certain margin of error. Since the first coupling capacitance is a value similar to that of the second coupling capacitance within a certain margin of error, it is possible to measure the first coupling capacitance without switching the known capacitance.
- the measurement auxiliary device according to the present invention can remove the switch having the parasitic component from the non-contact voltage observation device, so that the parasitic component existing inside the non-contact voltage observation device can be reduced.
- FIG. 5 is a waveform diagram showing a voltage waveform of an AC voltage to be observed and a voltage waveform of a test voltage signal in the first embodiment.
- FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of the non-contact voltage observation system 1 according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the non-contact voltage observation system 1 of FIG.
- the non-contact voltage observation system 1 includes a non-contact voltage observation device 2 and a measurement auxiliary device 3.
- Non-contact voltage observer 2 observes an AC voltage V in applied to the cable conductor 4a of the cable 4.
- the cable 4 is a pair of two wires and transmits an AC voltage.
- the cable conductor 4a is a core wire in the cable 4.
- the cable coating 4b is an insulating coating that covers the cable conductor 4a.
- the cable conductor 4a is connected AC power source 5, the AC voltage V in is applied to the cable conductor 4a by the AC power source 5.
- the non-contact voltage observation device 2 includes a probe electrode 21, a probe cable 22, and a sensor circuit 23.
- the probe electrode 21 and the sensor circuit 23 are connected by a probe cable 22.
- the probe electrode 21 is the first probe electrode and is arranged on the cable coating 4b of the cable 4 which is not connected to the ground.
- the cable conductor 4a and the probe electrode 21 are in non-contact state due to the cable coating 4b.
- Non-contact voltage monitoring device 2 the AC voltage V in applied to the cable conductor 4a by an AC power source 5 is observed through the first coupling capacitor C 0 that occur between the cable conductors 4a and the probe electrode 21 .
- the first coupling capacitance C 0 generated between the square probe electrode 21 having a length and width of 1 (cm) and the cable conductor 4a is a minute capacitance of about several (pF).
- the observation of the AC voltage V in by the non-contact voltage observer 2 means that sequentially detects an AC voltage V in applied to the cable conductor 4a, the measurement of the coupling capacitance, the coupling capacitance It means to make a fixed decision.
- the sensor circuit 23 includes a voltage dividing capacitor element 231, an operational amplifier 232, an AD converter 233, and a calculation unit 234.
- Dividing capacitor element 231 is a capacitor element having a known capacitance C 1, one end connected to the positive input terminal of the input terminal and an operational amplifier 232 of the sensor circuit 23, the other end connected to ground ing.
- AC voltage V in detected by the probe electrode 21 is divided by a first coupling capacitor C 0 capacitor C 1 and, the divided voltage is input to the positive input terminal of the operational amplifier 232.
- the operational amplifier 232 is an operational amplifier that functions as a unity gain buffer amplifier, and the negative electrode input terminal is connected to the output terminal, and the positive electrode input terminal is connected to the probe electrode 21 via the probe cable 22.
- the AC voltage divided by the first coupling capacitance C 0 and the capacitance C 1 is input to the positive electrode input terminal of the operational amplifier 232 and output as it is.
- the AD converter 233 converts the AC voltage analog signal output from the operational amplifier 232 into a digital signal. For example, the output voltage V out in which the AC voltage Vin is divided by the first coupling capacitance C 0 and the capacitance C 1 is converted into a digital signal.
- Calculation unit 234 based on the output voltage V out which is converted into a digital signal by the AD converter 233, and calculates the AC voltage V in to be observed.
- the arithmetic unit 234, the AC voltage V in to be observed is calculated according to the following equation (1).
- the first coupling capacitor C 0 and the capacitor C 1 is a known value.
- the output voltage V out is an observed value.
- V in ⁇ (C 0 + C 1 ) / C 0 ⁇ ⁇ V out ... (1)
- the measurement assist device 3 is a device that assists the measurement of the coupling capacitance by the non-contact voltage observation device 2.
- the measurement auxiliary device 3 includes a probe electrode 31, a probe cable 32, and a measurement auxiliary circuit 33.
- the probe cable 32 connects the probe electrode 31 and the measurement auxiliary circuit 33.
- the probe electrode 31 is a second probe electrode, and is arranged on the cable coating 4b of the cable on the side where the probe electrode 21 is arranged among the pair of two-wire cables included in the cable 4. Therefore, the cable conductor 4a and the probe electrode 31 are in a non-contact state due to the cable coating 4b. Further, as shown in FIG. 1, a second coupling capacitance C 0 is generated between the probe electrode 31 and the cable conductor 4a.
- the probe electrode 31 has a structure and a size suitable for the probe electrode 21 so that the first coupling capacitance C 0 and the second coupling capacitance C 0 have similar values within a certain margin of error. ..
- the structure of the probe electrode includes, for example, the shape of the electrode, the material of the electrode, the structure of attaching the electrode to the cable 4, and the state of attaching the electrode to the cable 4.
- the size of the probe electrode includes the area of the electrode facing or contacting the cable coating 4b, the thickness of the electrode, and the size of the entire electrode.
- a value in which the first coupling capacitance C 0 and the second coupling capacitance C 0 are similar within a certain margin of error means that the first coupling capacitance C 0 and the second coupling capacitance C 0 are completely the same. It includes cases of matching and also includes similar values within a certain margin of error.
- the phrase "the probe electrode 31 is configured to have a structure and size suitable for the probe electrode 21" includes a case where the probe electrode 21 and the probe electrode 31 have a completely matching structure and size, and is more constant. It is also included that the structure and size of the probe electrode 21 and the probe electrode 31 are similar within the range in which a similar first coupling capacitance C 0 and a second coupling capacitance C 0 can be obtained within the tolerance of. ..
- the measurement auxiliary circuit 33 includes a buffer circuit 331 and a high-frequency oscillator 332.
- the buffer circuit 331 inputs the test voltage signal Vosc oscillated by the high-frequency oscillator 332 and outputs the waveform as it is to the probe cable 32.
- the high frequency oscillator 332 is a signal oscillator that oscillates a test voltage signal Vosc having a known AC voltage waveform.
- Test voltage signal V osc is, for example, a high frequency sinusoidal signal than the frequency of the AC voltage V in.
- the probe electrode 21 included in the non-contact voltage observation device 2 is arranged on the cable coating 4b of the cable 4, and the probe electrode 31 included in the measurement auxiliary device 3 is provided by the probe electrode 21. It is arranged on the cable coating 4b of the same arranged cable 4. As a result, the equivalent circuit shown in FIG. 2 is configured.
- the test voltage signal Vosc output from the high-frequency oscillator 332 transmits the buffer circuit 331, the probe cable 32, the probe electrode 31, the cable coating 4b, the probe electrode 21 and the probe cable 22 in this order, and is input to the sensor circuit 23.
- the test voltage signal Vosc is used for the second coupling capacitance C 0 , the first coupling capacitance C 0, and the voltage division. It is divided by the capacitance C 1 of the capacitor element 231.
- the divided voltage is input to the AD converter 233 and converted into a digital value by the AD converter 233.
- the test voltage signal Vosc is divided by the second coupling capacitance C 0 , the first coupling capacitance C 0, and the capacitance C 1 of the voltage dividing capacitor element 231 according to the following equation (2).
- the first coupling capacitance C 0 is calculated using the voltage (output voltage V out). However, the test voltage signal Vosc and the capacitance C 1 are known quantities.
- the output voltage V out is an observed value.
- the calculation unit 234 can calculate the first coupling capacitance C 0 , which is an unknown quantity, according to the following equation (2).
- V out ⁇ C 0 / (2C 1 + C 0 ) ⁇ ⁇ Vosc ⁇ ⁇ ⁇ (2)
- the measurement auxiliary device 3 can be a device having a housing different from that of the non-contact voltage observation device 2.
- the auxiliary measurement of the first coupling capacitance C 0 by the measurement auxiliary device 3 is performed only once when the non-contact voltage observation device 2 is arranged on the cable 4. If the non-contact voltage observation device 2 and the measurement auxiliary device 3 are devices having separate housings, the measurement auxiliary device 3 can be removed from the cable 4 when the measurement assistance of the first coupling capacitance C 0 is completed. it can.
- the non-contact voltage observation system 1 is provided with one measurement auxiliary device 3 for a plurality of non-contact voltage observation devices 2, only one measurement auxiliary device 3 is used to provide a plurality of non-contact voltages.
- the measurement of the first coupling capacitance C 0 by each of the observation devices 2 is assisted.
- the non-contact voltage observation device 2 does not require a switch for switching the known capacitance for voltage division described in Patent Document 1, a plurality of non-contact voltage observation devices are provided in a system having the above switches. In comparison, the circuit scale of the entire non-contact voltage observation system 1 is reduced. Further, since the switch having the parasitic capacitance is removed from each of the plurality of non-contact voltage observation devices 2, the first coupling capacitance C 0 can be accurately measured in each of the plurality of non-contact voltage observation devices 2.
- the frequency of the test voltage signal V osc of the high-frequency oscillator 332 oscillates may be an integral multiple of the frequency of the AC voltage V in to be observed.
- the AC voltage V in is possible to calculate the first coupling capacitor C 0 be output test voltage signal V osc while being applied to the cable conductor 2a.
- Figure 3 is a waveform diagram showing a voltage waveform and a test voltage signal V osc of the voltage waveform of the AC voltage V in to be observed.
- the frequency of the AC voltage V in is the 50 (Hz)
- the period of the sinusoidal signal of the AC voltage V in is 20 (ms).
- High-frequency oscillator 332 is twice the frequency of the AC voltage V in, that is, outputs a test voltage signal V osc of 100 (Hz).
- the waveform of the output voltage V out of the operational amplifier 232 as shown in the following formula (3), the waveform of the AC voltage V in and the waveform of the test voltage signal V osc is one synthesized.
- V out ⁇ C 0 / (C 0 + C 1 ) ⁇ V in + ⁇ C 0 / (2C 1 + C 0 ) ⁇ Vosc ... (3)
- Calculation unit 234 corresponds to a Fourier transform on the output voltage V out at a period corresponding to (a time 20 (ms) between time T1 and time T2) AC voltage V in a sine wave signal of 1 cycle A of The process (time integration of the value obtained by multiplying V out and Vosc) is executed.
- the frequency of the test voltage signal V osc is an integer multiple of the frequency of the AC voltage V in to be observed, an orthogonal relationship with one another waveform of the AC voltage V in and the test voltage signal V osc waveform .. Therefore, the output voltage V out by a process corresponding to the Fourier transform, the it is possible to separate the waveform of the AC voltage V in and the waveform of the test voltage signal V osc.
- the calculation unit 234 calculates the first coupling capacitance C 0 according to the following equation (4) using the observed output voltage V out and the test voltage signal Vosc whose output waveform is known.
- the sensor circuit 23 shown in FIG. 1 includes a calculation unit 234, but the calculation unit 234 may be provided with a device provided separately from the non-contact voltage observation device 2. Further, the function of the arithmetic unit 234 may be realized by dedicated hardware, or may be realized by a processor and a memory that execute software.
- the test voltage signal of the known AC voltage waveform is generated between the probe electrode 21 included in the non-contact voltage observation device 2 and the cable conductor 4a.
- the first based on the voltage divided by the second coupling capacitance C 0 generated between the coupling capacitance C 0 of 1 and the known capacitance C 1 and the probe electrode 31 and the cable conductor 4a provided in the measurement auxiliary device 3.
- the coupling capacity C 0 of 1 is calculated.
- the probe electrode 31 has a structure and a size adjusted to the probe electrode 21 so that the first coupling capacitance and the second coupling capacitance have similar values within a certain margin of error.
- the measurement auxiliary device 3 can remove the switch having the parasitic component from the non-contact voltage observation device 2.
- the parasitic component existing inside the non-contact voltage observation device 2 can be reduced.
- the present invention is not limited to the above-described embodiment, and within the scope of the present invention, it is possible to modify any component of the embodiment or omit any component of the embodiment.
- the measurement auxiliary device according to the present invention can be used, for example, as a non-contact voltage observation device for observing the AC voltage of a distribution system cable.
- 1 non-contact voltage observation system 2 non-contact voltage observation device, 3 measurement auxiliary device, 4 cable, 4a cable conductor, 4b cable coating, 5 AC power supply, 21,31 probe electrode, 22, 32 probe cable, 23 sensor circuit, 33 Measurement auxiliary circuit, 231 voltage dividing capacitor element, 232 operational amplifier, 233 AD converter, 234 arithmetic unit, 331 buffer circuit, 332 high frequency oscillator.
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Abstract
測定補助装置(3)は、既知の交流電圧波形の試験電圧信号が、非接触電圧観測装置(2)が備えるプローブ電極(21)とケーブル導体(4a)との間に生じた第1の結合容量と、既知容量と、測定補助装置(3)が備えるプローブ電極(31)とケーブル導体(4a)との間に生じた第2の結合容量とによって分圧された電圧に基づいて第1の結合容量が算出される。プローブ電極(31)は、第1の結合容量と第2の結合容量とが一定の許容誤差内で類似した値となるようにプローブ電極(21)に合わせた構造およびサイズである。
Description
本発明は、交流電圧の観測に使用される結合容量の測定を補助する測定補助装置、これを用いる非接触電圧観測装置および非接触電圧観測システムに関する。
従来、プローブ電極を電線の芯線に接触させることなく、電線の芯線に印加された交流電圧を観測する技術がある。例えば、特許文献1に記載される非接触電圧観測装置は、電線の芯線に印加された交流電圧を、電線の芯線とプローブ電極との間に生じた結合容量を介して検出する。プローブ電極を用いて検出された交流電圧が、スイッチを用いて切り替えられる既知容量と、電線の芯線とプローブ電極との間に生じた結合容量とによって分圧され、分圧された電圧値に基づいて結合容量が測定され、測定された結合容量に基づいて、電線の芯線に印加された交流電圧が算出される。
プローブ電極と電線の芯線との間に生じる結合容量は、電線の芯線を被覆する絶縁性の被膜を誘電体と見なして見積もられる微小な容量である。このため、結合容量の測定は、装置内部に存在する寄生成分による影響を受けやすい。しかしながら、特許文献1に記載された非接触電圧観測装置は、比較的大きな寄生容量を持つスイッチを用いて結合容量を測定している。このため、スイッチが持つ寄生容量によって交流電圧が分圧された電圧値に誤差が生じて結合容量を精度よく測定できない可能性があった。
本発明は上記課題を解決するものであり、非接触電圧観測装置内部に存在する寄生成分を低減できる測定補助装置、これを用いる非接触電圧観測装置および非接触電圧観測システムを得ることを目的とする。
本発明に係る測定補助装置は、電線の芯線に印加された交流電圧を、芯線を被覆する被膜に配置された第1のプローブ電極と芯線との間に生じた第1の結合容量を通じて観測する非接触電圧観測装置による第1の結合容量の測定を補助する測定補助装置であって、既知の交流電圧波形の試験電圧信号を発振する信号発振部と、被膜に配置される第2のプローブ電極とを備え、試験電圧信号は、非接触電圧観測装置において、第1の結合容量と、分圧用キャパシタ素子が有する既知容量と、第2のプローブ電極と芯線との間に生じた第2の結合容量とによって分圧され、分圧された電圧に基づいて第1の結合容量が算出され、第2のプローブ電極は、第1の結合容量と第2の結合容量とが一定の許容誤差内で類似した値となるように第1のプローブ電極に合わせた構造およびサイズで構成されていることを特徴とする。
本発明によれば、既知の交流電圧波形の試験電圧信号が、非接触電圧観測装置が備える第1のプローブ電極と芯線との間に生じた第1の結合容量と、既知容量と、測定補助装置が備える第2のプローブ電極と芯線との間に生じた第2の結合容量とによって分圧された電圧に基づいて、第1の結合容量が算出される。第2のプローブ電極は、第1の結合容量と第2の結合容量とが一定の許容誤差内で類似した値となるように第1のプローブ電極に合わせた構造およびサイズである。第1の結合容量が第2の結合容量と一定の許容誤差内で類似した値であるので、既知容量を切り替えなくても第1の結合容量を測定することが可能である。これにより、本発明に係る測定補助装置は、寄生成分を持つスイッチを非接触電圧観測装置から除くことができるので、非接触電圧観測装置内部に存在する寄生成分を低減できる。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る非接触電圧観測システム1の構成を示すブロック図である。また、図2は、図1の非接触電圧観測システム1の等価回路を示す回路図である。非接触電圧観測システム1は、図1に示すように、非接触電圧観測装置2と測定補助装置3を備える。非接触電圧観測装置2は、ケーブル4のケーブル導体4aに印加された交流電圧Vinを観測する。ケーブル4は2線一対の電線であり、交流電圧を伝送する。ケーブル導体4aは、ケーブル4における芯線である。ケーブル被膜4bは、ケーブル導体4aを被覆する絶縁性の被膜である。ケーブル導体4aには交流電源5が接続され、交流電源5によって交流電圧Vinがケーブル導体4aに印加される。
図1は、実施の形態1に係る非接触電圧観測システム1の構成を示すブロック図である。また、図2は、図1の非接触電圧観測システム1の等価回路を示す回路図である。非接触電圧観測システム1は、図1に示すように、非接触電圧観測装置2と測定補助装置3を備える。非接触電圧観測装置2は、ケーブル4のケーブル導体4aに印加された交流電圧Vinを観測する。ケーブル4は2線一対の電線であり、交流電圧を伝送する。ケーブル導体4aは、ケーブル4における芯線である。ケーブル被膜4bは、ケーブル導体4aを被覆する絶縁性の被膜である。ケーブル導体4aには交流電源5が接続され、交流電源5によって交流電圧Vinがケーブル導体4aに印加される。
非接触電圧観測装置2は、プローブ電極21、プローブケーブル22およびセンサ回路23を備える。プローブ電極21とセンサ回路23との間は、プローブケーブル22によって接続されている。プローブ電極21は、第1のプローブ電極であり、ケーブル4のうち、グラウンドに接続されてない方のケーブルのケーブル被膜4bに配置される。ケーブル被膜4bによってケーブル導体4aとプローブ電極21は非接触の状態である。
非接触電圧観測装置2は、交流電源5によってケーブル導体4aに印加された交流電圧Vinを、ケーブル導体4aとプローブ電極21との間に生じた第1の結合容量C0を介して観測する。例えば縦横1(cm)の正方形のプローブ電極21とケーブル導体4aとの間に生じる第1の結合容量C0は、数(pF)程度の微小な容量である。実施の形態1において、非接触電圧観測装置2による交流電圧Vinの観測は、ケーブル導体4aに印加された交流電圧Vinを逐次検出することを意味し、結合容量の測定は、結合容量を固定的に決定することを意味する。
センサ回路23は、分圧用キャパシタ素子231、オペアンプ232、AD変換器233および演算部234を備える。分圧用キャパシタ素子231は、既知の容量C1を有するキャパシタ素子であり、一方の端部がセンサ回路23の入力端およびオペアンプ232の正極入力端子に接続され、他方の端部がグラウンドに接続されている。プローブ電極21によって検出された交流電圧Vinは、第1の結合容量C0と容量C1とによって分圧され、分圧された電圧がオペアンプ232の正極入力端子に入力される。
オペアンプ232は、ユニティ利得バッファアンプとして機能するオペアンプであり、負極入力端子が出力端子に接続され、プローブケーブル22を介して正極入力端子がプローブ電極21に接続されている。第1の結合容量C0と容量C1とによって分圧された交流電圧は、オペアンプ232の正極入力端子に入力され、そのままの波形で出力される。AD変換器233は、オペアンプ232から出力された交流電圧のアナログ信号をデジタル信号へ変換する。例えば、交流電圧Vinが第1の結合容量C0と容量C1とによって分圧された出力電圧Voutが、デジタル信号に変換される。
演算部234は、AD変換器233によってデジタル信号に変換された出力電圧Voutに基づいて、観測対象の交流電圧Vinを算出する。例えば、演算部234は、観測対象の交流電圧Vinを、下記式(1)に従い算出する。交流電圧Vinの観測において、第1の結合容量C0および容量C1は、既知の値である。出力電圧Voutは観測値である。
Vin={(C0+C1)/C0}・Vout ・・・(1)
Vin={(C0+C1)/C0}・Vout ・・・(1)
上記式(1)に示すように、第1の結合容量C0が未知量であると交流電圧Vinを算出することができない。このため、非接触電圧観測装置2による交流電圧Vinの観測では第1の結合容量C0を事前に決定しておく必要がある。第1の結合容量C0の測定には、測定補助装置3が用いられる。測定補助装置3は、非接触電圧観測装置2による結合容量の測定を補助する装置である。
測定補助装置3は、プローブ電極31、プローブケーブル32および測定補助回路33を備える。プローブケーブル32によって、プローブ電極31と測定補助回路33との間は接続される。プローブ電極31は、第2のプローブ電極であり、ケーブル4に含まれる2線一対のケーブルのうち、プローブ電極21が配置された側のケーブルのケーブル被膜4bに配置される。従って、ケーブル被膜4bによって、ケーブル導体4aとプローブ電極31は非接触の状態である。また、プローブ電極31とケーブル導体4aとの間には、図1に示すように、第2の結合容量C0が生じる。
プローブ電極31は、第1の結合容量C0と第2の結合容量C0とが一定の許容誤差内で類似した値となるように、プローブ電極21に合わせた構造およびサイズで構成されている。プローブ電極の構造には、例えば、電極の形状、電極の材質、ケーブル4への電極の取り付け構造およびケーブル4への電極の取り付け状態がある。また、プローブ電極のサイズには、ケーブル被膜4bに対向または接触する電極の面積、電極の厚みおよび電極全体のサイズがある。「一定の許容誤差内で第1の結合容量C0と第2の結合容量C0とが類似した値」とは、第1の結合容量C0と第2の結合容量C0とが完全に一致する場合が含まれ、さらに、一定の許容誤差内で類似した値であることも含まれる。「プローブ電極31が、プローブ電極21に合わせた構造およびサイズで構成されている」とは、プローブ電極21とプローブ電極31とが完全に一致した構造およびサイズである場合が含まれ、さらに、一定の許容誤差内で類似した第1の結合容量C0と第2の結合容量C0が得られる範囲内で、プローブ電極21とプローブ電極31との構造およびサイズが類似している場合も含まれる。
測定補助回路33は、図1に示すように、バッファ回路331および高周波発振器332を備えている。バッファ回路331は、高周波発振器332により発振された試験電圧信号Voscを入力し、そのままの波形でプローブケーブル32へ出力する。高周波発振器332は、既知の交流電圧波形の試験電圧信号Voscを発振する信号発振部である。試験電圧信号Voscは、例えば、交流電圧Vinの周波数よりも高い周波数の正弦波信号である。
第1の結合容量C0を測定する場合、非接触電圧観測装置2が備えるプローブ電極21を、ケーブル4のケーブル被膜4bに配置し、測定補助装置3が備えるプローブ電極31を、プローブ電極21が配置された同じケーブル4のケーブル被膜4bに配置する。これにより、図2に示す等価回路が構成される。
高周波発振器332から出力された試験電圧信号Voscは、バッファ回路331、プローブケーブル32、プローブ電極31、ケーブル被膜4b、プローブ電極21およびプローブケーブル22を順に伝達しセンサ回路23へ入力される。測定補助装置3から非接触電圧観測装置2が備えるセンサ回路23まで伝達される過程で、試験電圧信号Voscは、第2の結合容量C0と、第1の結合容量C0と、分圧用キャパシタ素子231の容量C1とによって分圧される。分圧された電圧はAD変換器233に入力され、AD変換器233によってデジタル値に変換される。
演算部234は、下記式(2)に従って、第2の結合容量C0と、第1の結合容量C0と、分圧用キャパシタ素子231の容量C1とによって試験電圧信号Voscが分圧された電圧(出力電圧Vout)を用いて、第1の結合容量C0を算出する。ただし、試験電圧信号Voscおよび容量C1は既知量である。出力電圧Voutは観測値である。演算部234は、下記式(2)に従って、未知量である第1の結合容量C0を算出することができる。
Vout={C0/(2C1+C0)}・Vosc ・・・(2)
Vout={C0/(2C1+C0)}・Vosc ・・・(2)
測定補助装置3は、非接触電圧観測装置2とは異なる筐体の装置とすることができる。測定補助装置3による第1の結合容量C0の測定の補助は、非接触電圧観測装置2がケーブル4に配置されたときに一度だけ実施される。非接触電圧観測装置2と測定補助装置3とが別々の筐体の装置であれば、第1の結合容量C0の測定補助が完了したときに、測定補助装置3をケーブル4から取り外すことができる。
また、非接触電圧観測システム1が、複数の非接触電圧観測装置2に対して一台の測定補助装置3を備える場合に、一台の測定補助装置3のみを用いて、複数の非接触電圧観測装置2のそれぞれによる第1の結合容量C0の測定が補助される。この場合、非接触電圧観測装置2には、特許文献1に記載された分圧用の既知容量を切り替えるためのスイッチが不要であるので、複数の非接触電圧観測装置がそれぞれ上記スイッチを備えるシステムに比べて、非接触電圧観測システム1全体の回路規模が削減される。さらに、複数の非接触電圧観測装置2のそれぞれから、寄生容量を持つスイッチが除かれるので、複数の非接触電圧観測装置2のそれぞれにおいても、第1の結合容量C0を精度よく測定できる。
なお、高周波発振器332が発振する試験電圧信号Voscの周波数は、観測対象の交流電圧Vinの周波数の整数倍とすることができる。この場合、交流電圧Vinがケーブル導体2aに印加された状態で試験電圧信号Voscが出力されても第1の結合容量C0を算出できる。
図3は、観測対象の交流電圧Vinの電圧波形および試験電圧信号Voscの電圧波形を示す波形図である。図3において、交流電圧Vinの周波数が50(Hz)であり、交流電圧Vinの正弦波信号の周期が20(ms)である。高周波発振器332は、交流電圧Vinの2倍の周波数、すなわち100(Hz)の試験電圧信号Voscを出力する。このとき、オペアンプ232の出力電圧Voutの波形は、下記式(3)に示すように、交流電圧Vinの波形と試験電圧信号Voscの波形とが合成されたものとなる。
Vout={C0/(C0+C1)}Vin+{C0/(2C1+C0)}Vosc・・・(3)
Vout={C0/(C0+C1)}Vin+{C0/(2C1+C0)}Vosc・・・(3)
演算部234は、交流電圧Vinの正弦波信号の1周期A(時刻T1と時刻T2との間の時間である20(ms))に対応する期間で出力電圧Voutにフーリエ変換に相当する処理(VoutとVoscとを乗算した値の時間積分)を実行する。この処理において、試験電圧信号Voscの周波数が観測対象の交流電圧Vinの周波数の整数倍である場合、交流電圧Vinの波形と試験電圧信号Voscの波形とは互いに直交した関係にある。従って、出力電圧Voutにフーリエ変換に相当する処理を実行することで、交流電圧Vinの波形と試験電圧信号Voscの波形とを分離することが可能である。演算部234は、観測値である出力電圧Voutと、出力波形が既知の試験電圧信号Voscとを用いて、下記式(4)に従い第1の結合容量C0を算出する。
なお、図1に示すセンサ回路23は演算部234を備えるが、演算部234は、非接触電圧観測装置2とは別に設けられた装置が備えてもよい。また、演算部234の機能は、専用のハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアを実行するプロセッサおよびメモリによって実現されてもよい。
以上のように、実施の形態1に係る測定補助装置3において、既知の交流電圧波形の試験電圧信号が、非接触電圧観測装置2が備えるプローブ電極21とケーブル導体4aとの間に生じた第1の結合容量C0と、既知容量C1と、測定補助装置3が備えるプローブ電極31とケーブル導体4aとの間に生じた第2の結合容量C0によって分圧された電圧に基づいて第1の結合容量C0が算出される。プローブ電極31は、第1の結合容量と第2の結合容量とが一定の許容誤差内で類似した値となるようにプローブ電極21に合わせた構造およびサイズである。第1の結合容量が第2の結合容量と一定の許容誤差内で類似した値であるので、測定補助装置3は、寄生成分を持つスイッチを、非接触電圧観測装置2から除くことができ、非接触電圧観測装置2の内部に存在する寄生成分を低減できる。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
本発明に係る測定補助装置は、例えば、配電系統ケーブルの交流電圧を観測する非接触電圧観測装置に利用可能である。
1 非接触電圧観測システム、2 非接触電圧観測装置、3 測定補助装置、4 ケーブル、4a ケーブル導体、4b ケーブル被膜、5 交流電源、21,31 プローブ電極、22,32 プローブケーブル、23 センサ回路、33 測定補助回路、231 分圧用キャパシタ素子、232 オペアンプ、233 AD変換器、234 演算部、331 バッファ回路、332 高周波発振器。
Claims (5)
- 電線の芯線に印加された交流電圧を、前記芯線を被覆する被膜に配置された第1のプローブ電極と前記芯線との間に生じた第1の結合容量を通じて観測する非接触電圧観測装置による前記第1の結合容量の測定を補助する測定補助装置であって、
既知の交流電圧波形の試験電圧信号を発振する信号発振部と、
前記被膜に配置される第2のプローブ電極とを備え、
前記試験電圧信号は、前記非接触電圧観測装置において、前記第1の結合容量と、分圧用キャパシタ素子が有する既知容量と、前記第2のプローブ電極と前記芯線との間に生じた第2の結合容量とによって分圧され、分圧された電圧に基づいて前記第1の結合容量が算出され、
前記第2のプローブ電極は、前記第1の結合容量と前記第2の結合容量とが一定の許容誤差内で類似した値となるように前記第1のプローブ電極に合わせた構造およびサイズで構成されていること
を特徴とする測定補助装置。 - 前記試験電圧信号の周波数は、前記芯線に印加された交流電圧の周波数の整数倍であること
を特徴とする請求項1記載の測定補助装置。 - 電線の芯線を被覆する被膜に配置される第1のプローブ電極と、
既知容量を有する分圧用キャパシタ素子と、
既知の交流電圧波形の試験電圧信号が、前記第1のプローブ電極と前記芯線との間に生じた第1の結合容量と、前記既知容量と、測定補助装置が備える第2のプローブ電極と前記芯線との間に生じた第2の結合容量とによって分圧された電圧に基づいて、前記第1の結合容量を算出する演算部とを備え、
前記第1のプローブ電極は、前記第1の結合容量と前記第2の結合容量とが一定の許容誤差内で類似した値となるように前記第2のプローブ電極に合わせた構造およびサイズで構成されていること
を特徴とする非接触電圧観測装置。 - 請求項1または請求項2記載の測定補助装置と、
請求項3記載の非接触電圧観測装置とを備えたこと
を特徴とする非接触電圧観測システム。 - 前記測定補助装置と前記非接触電圧観測装置とは筐体が異なること
を特徴とする請求項4記載の測定補助システム。
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