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 PDF

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慶洋 明星
雄三 玉木
勇樹 野邊
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三菱電機株式会社
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    • G01—MEASURING; TESTING
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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

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
　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。
特開２００５－１４０５０６号公報
　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に係る非接触電圧観測システムの構成を示すブロック図である。 図１の非接触電圧観測システムの等価回路を示す回路図である。 実施の形態１における観測対象の交流電圧の電圧波形および試験電圧信号の電圧波形を示す波形図である。
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。
　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）
　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）
　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）
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　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)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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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