JP2013217759A - 電圧検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信号処理回路の接続個数が変更され分圧部の接続条件が変動した場合でも、電圧を精度よく検出することが可能な電圧検出装置を提供すること。
【解決手段】電圧検出装置は、中心導体１とタンク３との間に配置された中間電極２と、中間電極２とタンク３との間に設けられた抵抗Ｒと、タンク３および中間電極２に互いに並列に接続され入力インピーダンス５を有して中間電極２に分圧された電圧である分圧部電圧Ｅ２から中心導体１に印加された電圧を検出する１または複数個の信号処理回路４とを備え、各信号処理回路４は、信号処理回路４の接続個数を検知する個数検知部と、この個数検知部の検知した接続個数が２以上の場合は、分圧部電圧Ｅ２が接続個数を１としたときの値から接続個数に応じて変動する電圧変動分を補正するように分部圧電圧Ｅ２に乗ずるゲインを接続個数に応じて調整するゲイン補正部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧検出装置に関し、特に、ガス絶縁開閉装置（ＧＩＳ）等の中心導体の電圧を検出する電圧検出装置に関するものである。

特許文献１では、ガス絶縁開閉装置等のタンクの中に設けられた中心導体の電圧を検出するための電圧検出装置が開示されている。この従来の電圧検出装置では、中心導体とタンクとの間に中間電極を設けて分圧部を構成し、この分圧部の電圧を信号処理回路にて信号処理することにより中心導体の電圧を検出している。

特開２００４−３４７３９７号公報

上記のように、従来の電圧検出装置では、分圧部の電圧を信号処理回路に入力することにより電圧検出を行っているが、ガス絶縁開閉装置の電圧検出の信頼性を向上させるために、信号処理回路を複数個設けて多重化することが要求されることがある。

しかしながら、例えば信号処理回路を二重化した場合、分圧部の接続条件（信号処理回路の接続個数）が単一の信号処理回路を接続していた場合から変化し、これにより分圧部の回路定数が変動し、その結果、分圧部に発生する電圧も変動することとなる。つまり、分圧部に発生する電圧はその接続条件に応じて変動するため、従来の電圧検出装置では、信号処理回路の接続個数を変更した場合は、接続個数に応じた電圧変動誤差により、中心導体の電圧を精度よく測定することが困難となっていた。

この発明は、上記に鑑みてなされたもので、信号処理回路の接続個数が変更され分圧部の接続条件が変動した場合でも、電圧を精度よく検出することが可能な電圧検出装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電圧検出装置は、接地された第１の導体と電圧が印加される第２の導体との間に配置された中間電極と、この中間電極と前記第１の導体との間に設けられた抵抗と、前記第１の導体および前記中間電極に互いに並列に接続され所定の入力インピーダンスを有して前記中間電極に分圧された電圧である分圧部電圧から前記第２の導体に印加された電圧を検出する１または複数個の信号処理回路とを備えた電圧検出装置であって、前記各信号処理回路は、前記信号処理回路の接続個数を検知する個数検知部と、この個数検知部の検知した前記接続個数が２以上の場合は、前記分圧部電圧が前記接続個数を１としたときの値から前記接続個数に応じて変動する電圧変動分を補正するように前記分部圧電圧に乗ずるゲインを前記接続個数に応じて調整するゲイン補正部と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、信号処理回路の接続個数が変更され分圧部の接続条件が変動した場合でも、電圧を精度よく検出することができる。

図１は、実施の形態１に係る電圧検出装置の構成を示す模式図である。 図２は、実施の形態１の信号処理回路の詳細構成を示すブロック図である。 図３は、実施の形態２の信号処理回路の詳細構成を示すブロック図である。 図４は、実施の形態２のアナログ回路の詳細構成を示すブロック図である。

以下に、本発明に係る電圧検出装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る電圧検出装置の構成を示す模式図である。本実施の形態の電圧検出装置は、例えばガス絶縁開閉装置の中心導体１の電圧を検出するものである。図１では、ガス絶縁開閉装置の中心導体１（第２の導体）の一部とタンク３（第１の導体）の一部がそれぞれ示されている。中心導体１は高電圧が印加され、タンク３は接地電位にある。本実施の形態の電圧検出装置は分圧方式を採用しているため、分圧部を構成する中間電極２が中心導体１とタンク３との間に設けられている。これにより、中心導体１と中間電極２との間に静電容量Ｃ１が形成され、中間電極２とタンク３との間に静電容量Ｃ２が形成される。また、中間電極２とタンク３との間には二次抵抗としての抵抗Ｒが設けられている。この電圧検出装置は、中心導体１の電圧である対地電圧Ｅ１を直接測定する代わりに、分圧部の電圧である分圧部電圧Ｅ２を測定し、この分圧部電圧Ｅ２から対地電圧Ｅ１を求める。また、この電圧検出装置は、商標周波数での適用を考慮した回路構成となっている。

本実施の形態の電圧検出装置は、共通の分圧部に対して互いに並列に接続された信号処理回路４−１〜４−Ｎを備えている。ここで、Ｎは１以上の整数であり、電圧検出装置の冗長化の要請に応じて適宜その接続個数を調整可能な構成となっている。例えばＮ＝２とした場合は、二重化の構成に相当する。この場合、例えば１系に信号処理回路４−１を割り当て、２系に信号処理回路４−２を割り当てた構成である。例えばＮ＝４とした場合は、１〜４系にそれぞれ信号処理回路４−１〜４−４を割り当てた四重化の構成、あるいは、１系に信号処理回路４−１，４−２を割り当て、２系に信号処理回路４−３，４−４を割り当てた二重化を二つ設けた構成に相当する。信号処理回路４−１〜４−Ｎはいずれも同一特性で同じ内部構成を有する。なお、以下では、信号処理回路４と記載した場合は、信号処理回路４−１〜４−Ｎを総称するものとする。

信号処理回路４は、中間電極２およびタンク３と接続されている。信号処理回路４は、入力インピーダンス５がＲｉｎとなるアナログ回路６、アナログ回路６の出力が入力されるＡ／Ｄ変換器７、およびＡ／Ｄ変換器７の出力が入力される制御処理部としてのマイコン（マイクロコンピュータ）８を備えている。また、信号処理回路４は、上位装置２０と通信可能に接続されている。

アナログ回路６は、中心導体１の電圧を検出するための分圧部電圧Ｅ２を検出する。ここで、分圧部の出力波形は、例えば中心導体１の電圧波形の時間微分波形となる。そのため、アナログ回路６は、中心導体１に発生する一次電圧の時間微分に比例した電圧信号を積分処理することによって一次電圧に比例した電圧信号を出力する。すなわち、アナログ回路６は、分圧部の出力をアナログ的に積分する機能を有する。また、アナログ回路６は、その積分値を後段の処理で取り扱いが可能な値とするようにゲインを調整する機能を有する。アナログ回路６は、例えばオペアンプ（増幅演算器）等により構成することができる。

Ａ／Ｄ変換器７は、アナログ回路６の出力をアナログデータからデジタルデータへ変換して出力する。マイコン８は、Ａ／Ｄ変換器７の出力に基づいて中心導体１の対地電圧Ｅ１を検出する処理を行う。また、マイコン８は、上位装置２０と通信可能に接続され、その検出結果を上位装置２０へ送信するとともに、対地電圧Ｅ１の検出の際に必要なデータを上位装置２０から得ることもできる。マイコン８の機能構成については後述する。

次に、分圧方式を用いた電圧検出の原理について説明する。まず、Ｎ＝１の場合、すなわち、信号処理回路４の接続個数が１個の場合について説明する。この場合、分圧部の発生電圧は、次式で与えられる。
Ｅ２＝ω・Ｃ１・Ｒｐ・Ｅ１／√｛１＋ω^２（Ｃ１＋Ｃ２）^２・Ｒｐ^２｝・・・（１）
ここで、Ｅ１は一次電圧（中心導体１の対地電圧）、Ｅ２は分圧部電圧、Ｃ１は中心導体１と中間電極２との間の静電容量、Ｃ２は中間電極２とタンク３との間の静電容量、Ｒｐは中間電極２とタンク３との間に設けられた外付けの抵抗ＲとＲｉｎとの合成抵抗（Ｒｐ＝１／（１／Ｒ＋１／Ｒｉｎ））である。

ここで、例えば特許文献１に記載された数値として、角周波数ω＝２πｆ（ｆ＝６０Ｈｚ），Ｃ１＝１０ｐＦ，Ｃ２＝１５０ｐＦ，Ｒ＝３ｋΩを用い、また、信号処理回路４の入力インピーダンスとしてＲｉｎ＝１ＭΩとすると、Ｅ１＝２７５／√３ｋＶ時の分圧部の出力は、Ｅ２＝１．７９０２９Ｖとなる。信号処理回路４では、このＥ２の値に対して、アナログ回路６にて所定のゲインが設定された後、Ａ／Ｄ変換器７にてＡ／Ｄ変換するように設計されている。

次に、Ｎ＝２の場合、すなわち、信号処理回路４の接続個数が２個の場合について説明する。信号処理系の二重化の要請から、分圧部は共通で同一特性の信号処理回路４を一枚追加し並列接続する場合がよくある。この場合、信号処理回路４−１，４−２のトータルの入力インピーダンスはＲｉｎ／２＝５００ｋΩとなり、分圧部電圧はＥ２＝１．７８４９５Ｖとなる。信号処理回路４が１個接続されていた場合の値を基準にすると、２個並列に接続された場合の分圧部の電圧変動は、（１．７９０２９−１．７８４９５）／１．７９０２９×１００＝０．２９８[％]となる。つまり、０．２９８[％]の変動誤差が発生してしまう。ＩＥＣ規格で規定されている計測用途の階級の一つであるＣｌａｓｓ０．２を適用した場合、その判定基準である精度範囲の０．２[％]から逸脱してしまう。

さらに、Ｎ＝４の場合、すなわち、信号処理回路４が４個並列に接続されている場合は（例えば、１系、２系でそれぞれ二つの信号処理回路４が接続されて各系が二重系の場合）、信号処理回路４−１〜４−４のトータルの入力インピーダンスはＲｉｎ／４＝２５０ｋΩとなり、分圧部電圧はＥ２＝１．７７４３７Ｖとなる。信号処理回路４が１個接続されていた場合の値を基準にすると、４個並列に接続された場合の分圧部の電圧変動は、２．５６５[％]となり、非常に大きな変動誤差となる。Ｎが４より大きい場合は、変動誤差はさらに大きくなる。

このように、分圧部に接続される信号処理回路４の個数が増加すると、分圧部電圧Ｅ２が接続個数に応じて変動してしまい、変動誤差が生ずるという問題がある。

そこで、本実施の形態では、このような変動誤差を補正し高精度の電圧計測を実施するために、信号処理回路４の内部構成を図２に示す構成とする。図２は、信号処理回路４の詳細構成を示すブロック図である。図２において、入力インピーダンス５、アナログ回路６については上記と同様であるので、以下ではマイコン８の内部構成について説明する。図２に示すように、マイコン８は、Ａ／Ｄ変換データ記憶部３０、個数検知部９、およびゲイン補正部１０を備えている。以下、図２を参照して、マイコン８の内部構成および変動誤差のデジタル補正処理について説明する。

Ａ／Ｄ変換データ記憶部３０は、Ａ／Ｄ変換器７から出力されるデジタルデータであるＡ／Ｄ変換データを記憶するメモリ等である。

個数検知部９は、分圧部に接続される信号処理回路４−１〜４−Ｎの接続個数Ｎを検知し認識する機能を有する。個数検知部９は、当該信号処理回路４外から信号処理回路４の接続個数Ｎに関する情報を得ることができ、例えば上位装置２０から信号処理回路４の接続個数Ｎに関する情報を通信により得ることができる。この場合、上位装置２０は、予め接続個数Ｎに関する情報を有している。あるいは、個数検知部９は、信号処理回路４に外付けされたスイッチ（図示せず）による設定情報から接続個数Ｎに関する情報を得ることができる。具体的には、例えばオンまたはオフの設定が可能な複数個のスイッチを外付けで設けておき、これらのスイッチの設定の組み合わせで接続個数Ｎを設定しておくことにより、個数検知部９は接続個数Ｎに関する情報を得ることができる。なお、個数検知部９は、信号処理回路４内でかつマイコン８外に設ける構成でもよい。

ゲイン補正部１０は、Ａ／Ｄ変換データ記憶部３０に記憶されたデジタルデータに対し、個数検知部９が検知した接続個数Ｎに関する情報に基づいて、接続個数Ｎが１と異なる場合に生ずる変動誤差を補正するようにゲインの補正を行う。ゲイン補正部１０は、Ａ／Ｄ変換データ記憶部３０および個数検知部９に接続されている。

具体的には、例えば、接続個数Ｎに対してゲインの補正のための補正係数をテーブル化して予めゲイン補正部１０に付与しておくことができる。すなわち、Ｎ＝１に対しては補正をする必要がないので補正係数ｋ１＝１とし、Ｎが２以上に対してはＮの値ごとに予め計算した補正係数ｋｉ（ｉ＝２，３，・・・）を与えておく。ここで、一次電圧Ｅ１、静電容量Ｃ１，Ｃ２、抵抗Ｒ、入力インピーダンスＲｉｎ、周波数ｆは既知であるため、システム構成つまり接続個数Ｎが決まれば分圧部に発生する電圧も決まり、分圧部電圧Ｅ２の変動誤差を補正するための補正係数を予め計算することができる。例えば、Ｎ＝２の場合は、Ｎ＝１の場合の分圧部電圧Ｅ２とＮ＝２の場合の分圧部電圧Ｅ２との比として補正係数ｋ２を求めることができる。あるいは、ゲイン補正部１０は、個数検知部９から得た接続個数Ｎに関する情報をもとに、接続個数Ｎに応じた補正係数をその都度算出するようにしてもよい。上記のように、一次電圧Ｅ１、静電容量Ｃ１，Ｃ２、抵抗Ｒ、入力インピーダンスＲｉｎ、周波数ｆは既知であるため、接続個数Ｎが決まれば分圧部に発生する電圧も決まり、分圧部電圧Ｅ２の変動誤差を補正するための補正係数を接続個数Ｎに応じて計算することができる。

ゲイン補正部１０は、Ａ／Ｄ変換データに対して、接続個数Ｎの１からの変動に起因する電圧変動分の逆数である補正係数を乗算することにより、分圧部電圧Ｅ２をデジタル的に補正し、この補正された分圧部電圧Ｅ２から中心導体１の対地電圧Ｅ１を検出することができる。これにより、ゲイン補正部１０は、接続個数Ｎによる変動誤差を含まないデータを上位装置２０へ送出することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、信号処理回路４内に信号処理回路４の分圧部への接続個数Ｎを検知する個数検知部９を設け、その接続条件（接続個数Ｎ）に応じて分圧部電圧Ｅ２の変動誤差をデジタル的に補正するようにしたので、信号処理回路４の接続個数Ｎが変更され分圧部の接続条件が変動した場合でも、中心導体１の電圧を変動誤差によらずに精度よく検出することができる。

実施の形態２．
図３は、本実施の形態の信号処理回路４の詳細構成を示すブロック図である。また、図４は、本実施の形態のアナログ回路６の詳細構成を示すブロック図である。なお、本実施の形態の電圧検出装置の構成は図１に示す実施の形態１の構成と同様である。

図３に示すように、信号処理回路４は、入力インピーダンス５がＲｉｎとなるアナログ回路６、アナログ回路６の出力が入力されるＡ／Ｄ変換器７、およびＡ／Ｄ変換器７の出力が入力される制御処理部としてのマイコン（マイクロコンピュータ）８を備えている。入力インピーダンス５およびＡ／Ｄ変換器７については実施の形態１と同様である。マイコン８は、実施の形態１と同様に、Ａ／Ｄ変換データ記憶部３０を備えている。ただし、本実施の形態では、マイコン８内には、図１のゲイン補正部１０および個数検知部９が設けられていない。

本実施の形態では、個数検知部１１は、信号処理回路４内のマイコン８外に設けられており、アナログ回路６と接続されている。なお、個数検知部１１をマイコン８内に設けることもでき、この場合でも、個数検知部１１はアナログ回路６に接続される。個数検知部１１は、実施の形態１の個数検知部９と同様に、分圧部に接続される信号処理回路４−１〜４−Ｎの接続個数Ｎを検知し認識する機能を有する。個数検知部１１は、例えば上位装置２０から信号処理回路４の接続個数Ｎに関する情報を通信により取得し、あるいは、信号処理回路４に外付けされたスイッチ（図示せず）による設定情報から接続個数Ｎに関する情報を取得することができる。個数検知部１１は、接続個数Ｎを検出すると、接続個数Ｎに応じて互いに異なる信号であるゲイン切替信号をアナログ回路６に出力する。

次に、図４を参照してアナログ回路６の詳細構成について説明する。アナログ回路６は、実施の形態１で説明した機能の他、ゲイン補正部１５を有する。ゲイン補正部１５は個数検知部１１から出力されたゲイン切替信号に応じてゲインの切り替えを行うゲイン切替部２５を有する。ゲイン切替部２５は信号処理回路４の接続個数Ｎによる電圧変動分を補正するようにゲインの選択を行う。すなわち、ゲイン補正部１５は、接続個数Ｎに応じてゲインＧ１〜ＧＮを切り替え可能に設定することができ、ゲインＧ１〜ＧＮはそれぞれ接続個数１〜Ｎに対応したゲインであり、これらのゲインがアナログ回路６の入力データまたはその積分後のデータに乗じられることにより、接続個数Ｎに依存した電圧の変動誤差を補正するようにしている。例えばＮ＝２の場合は、ゲイン切替信号はゲインＧ２に切り替えるように指示する信号であり、この信号を受けたゲイン補正部１５は、ゲイン切替部２５の制御によりゲインＧ２を選択するように回路構成を設定する。なお、ゲイン補正部１５にてゲインＧ１〜ＧＮを切り替える方式としては、例えばオペアンプのフィードバック抵抗を切り替えることにより実現することができる。

このように、本実施の形態では、信号処理回路４の接続条件によらずに分圧部電圧Ｅ２が検出できるようにアナログ回路６内でゲインの補正を行っている。これにより、アナログ回路６の出力は、電圧の変動誤差を含まないアナログデータとなり、このアナログデータをＡ／Ｄ変換器７にてデジタルデータへ変換した後、マイコン８を経て変動誤差を含まないデジタルデータを上位装置２０へ提供することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、信号処理回路４内に信号処理回路４の分圧部への接続個数Ｎを検知する個数検知部１１を設け、アナログ回路６内でその接続条件（接続個数Ｎ）に応じて分圧部電圧Ｅ２の変動誤差をアナログ的に補正するようにしたので、信号処理回路４の接続個数Ｎが変更され分圧部の接続条件が変動した場合でも、中心導体１の電圧を変動誤差によらずに精度よく検出することができる。

なお、上記説明では、電圧検出装置の適用対象を例えばガス絶縁開閉装置としたが、これに限定されず、本発明の電圧検出装置はその他の電圧機器の電圧測定にも適用することができる。

本発明は、ガス絶縁開閉装置の電圧検出装置として好適である。

１ 中心導体
２ 中間電極
３ タンク
４ 信号処理回路
５ 入力インピーダンス
６ アナログ回路
７ Ａ／Ｄ変換器
８ マイコン
９，１１ 個数検知部
１０，１５ ゲイン補正部
２０ 上位装置
２５ ゲイン切替部
３０ Ａ／Ｄ変換データ記憶部

Claims (3)

1. 接地された第１の導体と電圧が印加される第２の導体との間に配置された中間電極と、この中間電極と前記第１の導体との間に設けられた抵抗と、前記第１の導体および前記中間電極に互いに並列に接続され所定の入力インピーダンスを有して前記中間電極に分圧された電圧である分圧部電圧から前記第２の導体に印加された電圧を検出する１または複数個の信号処理回路とを備えた電圧検出装置であって、
   前記各信号処理回路は、
   前記信号処理回路の接続個数を検知する個数検知部と、
   この個数検知部の検知した前記接続個数が２以上の場合は、前記分圧部電圧が前記接続個数を１としたときの値から前記接続個数に応じて変動する電圧変動分を補正するように前記分部圧電圧に乗ずるゲインを前記接続個数に応じて調整するゲイン補正部と、
   を備えることを特徴とする電圧検出装置。
2. 前記各信号処理回路は、
   前記中間電極および前記第１の導体に接続され、前記入力インピーダンスを有するとともに、前記第２の導体に印加された電圧の時間微分に比例する入力信号を時間積分する機能を有するアナログ回路と、
   このアナログ回路の出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
   このＡ／Ｄ変換器の出力であるデジタルデータを記憶する記憶部、この記憶部に接続され前記個数検知部の検知した前記接続個数に応じて前記デジタルデータに対して前記電圧変動分の補正を行う前記ゲイン補正部、およびこのゲイン補正部に接続された前記個数検知部を有するマイクロコンピュータと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の電圧検出装置。
3. 前記各信号処理回路は、
   前記中間電極および前記第１の導体に接続され、前記入力インピーダンスを有するとともに、前記第２の導体に印加された電圧の時間微分に比例する入力信号を時間積分する機能、および前記個数検知部の検知した前記接続個数に応じて前記入力信号またはその時間積分に対して前記電圧変動分の補正を行うように前記接続個数に応じたゲインを選択する前記ゲイン補正部を有するアナログ回路と、
   このアナログ回路の出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
   このＡ／Ｄ変換器の出力であるデジタルデータを記憶する記憶部を有するマイクロコンピュータと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の電圧検出装置。

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