JPH0668520B2

JPH0668520B2 - 電力線電位測定装置

Info

Publication number: JPH0668520B2
Application number: JP60194720A
Authority: JP
Inventors: ルーズヴエルト・アドルフオ・フアーナンデス; ウイリアム・レイド・スミス―ヴアニズ; ジヨン・エマーソン・バーバンク・ザ・サード; リチヤード・レオナード・シーロン
Original assignee: ナイアガラ・モホ−ク・パワ−・コ−ポレ−シヨン
Priority date: 1984-11-08
Filing date: 1985-09-03
Publication date: 1994-08-31
Anticipated expiration: 2009-08-31
Also published as: DE3573170D1; EP0181054A1; EP0181054B1; JPS61129580A; CA1265844A; ATE46577T1

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は電力線の電位を測定する（電力線に取り付けら
れる）装置に関する。さらに詳しく云うと、本発明は、
電力線に取り付けた（好ましくは被監視負荷につながる
全ての電力導体に取り付けた）、絶縁タイプの無線送信
モジユールを用いて、大電力の交流(AC)伝送線電圧を測
定することに関する。

各モジユールはモジユールを取り付けた電力導体の瞬時
電圧を測定する手段を有している。瞬時電圧の測定値
は、トロイダルモジユールの外形構造上の、電力線と関
連する電界により生じる電位差から導き出される。

本書に開示する新規な電圧測定装置によれば、上記のモ
ジユールをホツト・ステイツク(hot stick)に取り付け
た電力線電圧の検出体（プローブ）として利用できる。

関連出願本願は、Howard R.StillwellとRoosevelt A.Fernandes
による、1983年５月17日発行の米国特許第4,384,289号
“ARANSPONDER UNIT FOR MEASURIG TEMPERATURE AND CU
RRENT ON LIVE TRANSMISSION LINES”と関連する。更に
本願は同一出願人（本願発明者）に係る、1983年４月13
日出願の米国特許出願第484,681号“SYSTEM AND APPARA
TUS FOR MONITORING AND CONTROL OF A BULK ELECTRIC
POWER DELIVERY SYSTEM”（特願昭59-73154号）及び198
3年12月23日出願の米国特許出願第564,924号“APPARATU
S FOR MEASURING THE TEMPERATURE AND OTHER PARAMETE
RS OF AN ELETRIC POWER CONDUCTOR”（特願昭59-73155
号）と関連する出願である。

背景技術一般に、大電力交流伝送線の電位測定は、高圧一次巻線
の一端を高圧の電力線に電気接続した降圧絶縁変圧器
（変成器）を使用することによつてなされてきた。この
方式では、電力線の高電圧と大地間に、導線によるリン
クが存在するため、電圧測定装置に高電圧のストレス
（特に落雷の場合）がかかつてしまう。こうした高電圧
によるストレスを連続的に受けるため、この種の電圧測
定装置は必然的に大きくて高価な構造を必要とし、その
ようにしないと長期間にわたり動作の信頼性、装置の安
全性を確保することができない。

電力線上の任意の位置で短かい周期であるいは連続的に
電位を測定できることは望ましいことである。こうして
測定した電圧を利用して、フーリエ周波数成分や、電
力、力率等電力線の使用状態に関する情報を得ることが
でき、更には電力系統における異常や故障の位置割り出
しや識別を行うことができる。

種々の電力線センサーが従来技術として知られている。
例えば、米国特許第3,438,896，第3,633,191，第4,158,
810，第4,268,818号を参照されたい。この種のセンサー
に大巾な改良（電力伝送線のダイナミツクラインレーテ
イングに関して）をほどこしたものが先に挙げたStill
wellとFernandesの米国特許第4,384,289号に示されてい
る。また、最初にあげた米国出願には、改良された電力
線電圧センサーが記載されている。詳細に述べると、こ
の出願では、電力線電圧を、２つの直列コンデンサ間の
電圧比から求めている（２つのコンデンサの一方はモジ
ユールの内部構造により形成され、他方はモジユールの
外表面と大地間に形成される）。しかしながら、本願発
明者の見い出したところによれば、上記の一方のコンデ
ンサは、同コンデンサを形成する構造上に導電性のくず
が付着することにより、更には電力線と関連する高電圧
勾配の近接効果により、その容量（キヤパシタンス）が
変化して了う。こうした容量の変化は両コンデンサ間の
容量比を変えてしまい、電圧測定の精度を落してしま
う。

発明の開示本発明による大電力交流伝送線の高電圧測定装置は、電
力線と近接し、金属性包囲体（電力線を包んだモジユー
ル）に内蔵させた電子装置を有しこの装置は電力線の電
圧の瞬時値を測定し、デジタイズし、受信機に送信す
る。こうした構成によれば電力線の動作と関連する高電
圧に対する対策としての大きな絶縁装置は不要となる。
絶縁の確保は、電力線より大地へ直接導線（導体）を接
続する従来の方式に換え無線リンク（２点間の通信路を
形成する無線通信系）方式により達成できる。

第１図に示す電圧測定装置は、測定装置を介して電力線
３の高電圧を大地に導線接続するようなリンクは一切も
つていない。測定した電圧は符号化され、測定装置、す
なわちトロイダル状のモジユール５より無線周波数信号
で地上の受信機に送信される。受信機との間には充分な
エアギヤツプがとれるから、電力線と大地間の大きな電
位差によつて高圧ストレス（ひずみ力）が測定回路に加
わるという従来の問題は解消される。

電力線の電圧測定は、電力線の高電圧によりつくられる
交流電界と、ほぼトロイダル形状のモジユール５の外表
面との相互作用により発生するもれ電流（即ち対地容量
の充電電流）とを測定することによりなされる。大地面
とモジユールとの空間関係が一定であればその空間関係
よりもれ電流（充電電流）の大きさが決まつてしまう。

モジユール５の外表面２の電位は、モジユールの幾何学
的形状及び大地面に対する空間関係により、電力線の電
位と大地電位との間のどこかになる。この発明によれ
ば、モジユール内部の電子回路の作用により、外表面２
の電位と電力線の電位との差は１ボルトより小さい（サ
ブボルト）値に抑えることができる。

トロイダルモジユールの外表面より大地に流れるもれ電
流は電力線と大地との電位差（電力線の対地電位）に比
例するものである。本発明では、モジユール５の外表面
と電力導体とがほぼ等しい電圧となるようにしているた
め、電力導体の電圧(V)に変化が生じた場合その変化
（ΔＶ）はモジユール５より大地に流れるもれ電流即ち
（対地容量C₁の）充電電流(I)の変化（ΔＩ）となつて
表われる（ΔV/V＝ΔI/I）。

従つて、あらかじめ、電力線の電圧変化（ΔＶ）に対す
る充電電流の変化（ΔＩ）の比（γ＝ΔＶ／ΔＩ）を知
ることにより、測定した充電電流値（もれ電流値）を正
確な電力線電圧値に変換することができる。

同一出願人（本願発明者）に係る、最初にあげた米国特
許出願では、ドーナツ状のモジユールの内部に、モジユ
ールの外表面と電気的に絶縁した細長い弓状のコンデン
サ電極を埋め込んだ。この構成では気候の変化、特に雨
や雪により測定値が若干変動することを、本願発明者は
見い出した。

本願に開示する装置はこうした問題を解決したものであ
つて、その解決手段として、トロイダルケース全体を
（電荷を集める）コンデンサ電極で構成している。更
に、電力導体のくわえ部に薄い硬質セラミツクコーテイ
ングを施すことにより、電力導体とトロイダルケースと
をＤＣ絶縁している。そして、この絶縁層（セラミツク
コーテイング）の両端を積分回路構成のオペアンプの入
力に接続することにより、硬質セラミツクコーテイング
の両端に極めて低い入力インピーダンスが接続されるよ
うにし、絶縁層の両側間の差電圧（電力導体とトロイダ
ルケースとの差電圧）が１ボルトより小さな値（サブボ
ルト）に保たれるようにしている。従つて、電力線から
モジユールのケース（外表面）に流れる電流は実質上す
べてがオペアンプを通ることになり、デジタル化され、
電圧測定値として読み取られることになる。

発明の目的従つて、本発明の目的は大地と電力線の導体間の瞬時電
位差を測定する装置を提供することである。

さらにホツト・ステイツク(hot stick)に取り付けられ
る上記の装置を提供することを目的とする。

さらに、長期間（半永久的に）電力導体に取り付けつぱ
なしにできる上記の装置を提供することを目的とする。

さらに気候の変化による誤差を生じない上記の装置を提
供することを目的とする。

本発明のその他の目的のうち一部はすでに明らかであ
り、残りは後述する記載において明らかとなる。

実施例第１図はホツト・ステイツクに取り付けた電圧センサー
５を示す。このモジユール５はほぼトロイダル状であ
る。モジユール５はハウジング２を有し、それには、10
で示すくわえ部（あご部）10が径方向ウエブを介して取
り付けられている。RF（無線周波数）インピーダンス整
合回路１がこのくわえ部の近くに取り付けられており、
関連する同軸ケーブル部品６，７，８を介してモジユー
ル５内部の電子装置４に接続されている。後述するよう
に導線32が電力導体３と電子装置４とを接続している。
電子装置４はモジユール５の外表面（導電性）と電気的
につながつている。

電力ケーブル締付用くわえ部10はハウジング２のウエブ
11に取り付けられる。このくわえ部10の内径は用途に合
わせて選定され、0.5〜２インチ（１インチ＝2.54cm）
の径の異なる電力ケーブルに対応できるようにしてい
る。

電力ケーブルくわえ部10は、第４〜第６図に示すように
２つの金属部材と一つの導電性弾性（エラストマ）部材
で構成される。すなわち、 1)外側のリング13（２つの半片より成る） 2)内側のリング（２つの半片より成る） 3)導電性弾性のネオプレンのリング17（２つの半片より
なる）外側の２つの半リング14の各々の背部12は、第４図と第
５図に示すように、ハウジング２のハブの隣接リング30
に形成した溝にはまるようになつている（第８図参照）第６図に示すように外側の半リング13内に内側の半リン
グ14が取り付けられるようになつている。内側の半リン
グ14（これに導線32が第９図に示すように接続される）
と、外側の半リング13とは内側リング14の外表面を覆う
硬質の絶縁性セラミツク被膜37により電気的に絶縁され
ている。このセラミツクのコーテイングは陽極酸化等の
膜形成処理により行うことができる、あるいは、コーテ
イング材としてフルオロカーボン（テフロン）のような
非吸水性のポリマーを使用してもよい。第６図に示すよ
うに、外側リング14と内側リングを連結するボルト16
は、絶縁性インサート15（典型的にはテフロン等のフル
オロカーボン系でできている）により、外側リングと接
触しないよう絶縁がとられている。この絶縁インサート
は外側リングと内側リングを機械的に密着させるのに必
要なボルト16の締付力に耐えることができる。

グラフアイト（黒鉛）入りの導電性ネオプレンリング17
（第６図）は、内側リング14の絶縁を施こしていないス
ペース39内にはめ込められ、電力導体そのものと接触す
る。リング17は２つの機能をもつている。第１に、小電
流を電圧測定回路に導くこと、第２に機械的摩擦力によ
り、強風下で電力ケーブルに沿つて装置５全体がすべる
のを防止することである。

電圧検出回路からのリード線32は、第６図と第９図に示
すように、タツプ穴38に取り付けたねじ34を介して内側
リング14に接続される。

半リング14は第６図に示すようにボルト16によりリング
13に固定される。ボルト16は絶縁インサート15とワツシ
ヤ９により導電体である外側リングから絶縁されてい
る。このボルト16の絶縁により、コーテイング37の絶縁
機能が確保でき、リング13と14間に低抵抗の経路が形成
されることはなくなる。

リング13はボルト35により（第７図〜第８図）、ウエブ
11のリング30に固定される。半リング14をクリアランス
穴29を介してリング13に合わせた後ボルト35を入れる。
ボルト35はウエブ11の一部を成すリング30に形成したね
じ穴28と螺合する。クリアランス穴29の底のところは頭
部より径が小さくなつているため（リング13をリング30
に固定するため）、ボルト35の頭をリング13に圧着させ
るところにシヨルダーが形成されている。ボルト35の作
用により、背部12はリング30内に強固に固定される。

電圧検出回路の動作は、第11図と、第12図から理解する
ことができる。第11図からわかるように装置の目的は電
力導体３と大地18間の電位差（電力導体の対地電圧）を
測定することである。モジユール５の外表面２と大地18
間にコンデンサC₁（等価キヤパシタンスC₁）が形成され
る。オペアンプ19とコンデンサ21とで構成される積分回
路20を電力導体３とモジユール５の外表面（外皮）２と
の間に挿入してある。積分構成のオペアンプ19の有する
低入力インピーダンスと高利得により、外表面２の電位
は電力導体３の電位と殆んど等しくなる。すなわち、外
表面２と大地18間の電位差は大地と電力導体３との電位
差Ｖに等しいことになる。従つて、等価キヤパシタンス
C₁を通る電流は電圧導体３の対地電圧Ｖと正比例するこ
とになる。従つて、オペアンプ19と積分コンデンサ21の
構成する積分回路の低入力インピーダンスの電流出力は
キヤパシタンス（対地容量）C₁を流れる電流と正確に比
例する交流出力電圧（従つて、対地電圧Ｖと正比例する
電圧）を与えることになる。

さて第12図には、上記の電圧変換に必要な全ての回路及
び関連する機械的構造を図示してある。積分回路となる
よう接続したオペアンプ20を含め、全ての回路はトロイ
ダルモジユール５内部の金属ハウジング４内に収められ
ている（第１図も参照）、ハウジング４はモジユール５
の外表面（外皮）２に電気的かつ機械的に接続されてい
る。オペアンプ19の非反転側は金属ハウジング４に直接
接続されており、一方、反転側はサージ制限回路22に接
続されている。サージ制御回路22の入力は、リード線3
2、タツプ穴38にはめ込んだボルト34、リング14の金属
部分、及び導電性ネオプレンリング17を介して電力導体
３につながつている。トロイダルモジユール５の外ケー
ス２は、リング13と14間に介在する絶縁層37により電力
導体３から絶縁されている。従つて、電力導体３から外
ケース（外皮）２を通つて大地18に流れるべき電荷は必
らず積分回路20を通ることになる。金属リング13と14間
の絶縁層により形成されるキヤパシタンス36は積分回路
20の低インピーダンスによりシヤントされる。電力線の
動作周波数は低いため、コンデンサ36は事実上オープン
回路（積分回路20の入力インピーダンスが非常に低いた
め）に等しくなる。この積分回路の作用により絶縁層両
端の電圧（即ちキヤパシタンス36両端の電圧は非常に小
さな値（サブボルト）に制限されてしまう。

第10図はサージ制限回路22の構成を詳細に示したもので
ある。

サージ制限回路22は、 1)直流(DC)阻止用の無極性電解コンデンサ23：これは充
分大きな容量をもち標遊DC電流を阻止し、電力線周波数
において電気的にトランスペアラントにする（存在しな
いようにする）。

2)電流制限抵抗25：電圧サージに対してダイオード26を
通る電流を制限するためのもの。典型的には100オー
ム。

3)逆並列接続のクランピングダイオード24（例、1N400
3）：抵抗25にかかる電圧が約１ボルトを超えないよう
に、電圧サージを防止するためのもの。

4)フイードスルー・コンデンサ27：速い立上り時間の電
圧サージ（何れの極性に対しても）を大地に分流させる
ためのもの。

より成る。

第８図と第９図に示すリング13と14間の絶縁層の形成す
るキヤパシタンス層を第10図では等価コンデンサ40とし
て示してある。このコンデンサ40の機能はモジユール５
の外皮２と電力導体３を高周波において結合することで
あり、送信機33より出力される高周波は、同軸ケーブル
８の導線６，７とコネクタ８を通り、インピーダンス整
合回路１を経て空中に送信される。インピーダンス整合
回路１と外皮２が近接しているため両者間にキヤパシタ
ンス31ができる。このキヤパシタンスを利用して外皮２
を高周波（典型的には950MHZ）で共振させる。コンデン
サ40の存在はオペアンプ19の電圧変換機能すなわち電圧
測定の精度になんら影響を与えないことに注目された
い。

コンデンサ40の直流及び低周波帯での絶縁特性（阻止特
性）のため、電力線からの使用周波数のもれ電流はコン
デンサ40には流れず実質上すべてオペアンプ19を経由し
てモジユールの外皮２より大地に流れることになるので
もれ電流を電圧に変換し、更にデジタル化することがで
きる。積分回路20の作用により、コンデンサ40両端にか
かる電力線からの低周波電圧はサブボルトという小さな
値に抑えられ、コンデンサ40（高インピーダンス）は積
分回路20の低入力インピーダンスによつてシヤント（無
視）されてしまうので、コンデンサ40が電圧測定に与え
る影響は無視できる程度にすぎない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う、電力導体と大地間の電位差（電
線の対地電圧）を測定する装置の斜視図、第２図は第１図に示すモジユール３つを３相系統の３本
の電力導体に取り付けたようすを示す斜視図、第３図は、電力導体と接触する、本発明によるくわえ部
（トロイダルモジユールのハブ部）の正面図、第４図は第３図のくわえ部の左側面図、第５図は第３図の線５−５に沿う、一方のくわえ部を示
す図、第６図は第５図に示す一方のくわえ部（半片）の分解斜
視図、第７図は第１図に示すトロイダルモジユールのハブに第
３図のくわえ部を取り付けた、一部切り欠き正面図、第８図は第７図の線８−８に沿う部分断面図、第９図は第８図と同様な部分断面図で電圧センサーと、
電力導体接触構造体との接続を示し、第10図は第１図のモジユールに内蔵した回路の構成図、第11図と第12図は対地電圧を検出するのに用いる種々の
電子回路素子間の接続関係を示す図である。３：電力導体、２：導電性ハウジング、10：くわえ部、
20：積分回路（低インピーダンス電流測定手段）、37：
硬質セラミツクコート（絶縁膜）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジヨン・エマーソン・バーバンク・ザ・サードアメリカ合衆国コネチカツト州06877，リツジフイールド，ハヴイランド・ロード 106 (72)発明者リチヤード・レオナード・シーロンアメリカ合衆国コネチカツト州06430，フエアフイールド，メルヴイル・アベニユー 1470 (56)参考文献特開昭52−6932（ＪＰ，Ａ) 特公平１−50305（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】地上の電力線導体の電圧を測定する装置で
あって、前記導体に取り付けられる導電性ハウジングと、前記導体と電気的に接触する第１の導電性部分、前記ハ
ウジングと電気的に接触する第２の導電性部分、及び前
記第１及び第２導電性部分を分離する電気的絶縁手段を
含み、前記ハウジングを前記導体に取り付ける取付手段
と、前記第１導電性部分及び前記ハウジングに電気的に接続
される低インピーダンス電流測定手段であって、前記ハ
ウジングが電荷収集板として作用し、前記電流測定手段
が前記導体から前記ハウジングに流れる電流を測定し、
該電流が前記電力線導体の電圧に比例する、低インピー
ダンス電流測定手段と、から構成される電圧測定装置。
【請求項２】前記取付手段が、外側リングと該外側リング内に符合する内側リングとを
含む一対の入れ子式の弧状金属部品と、前記内側リングに固着され、前記内側リングを前記外側
リングから電気的に分離する絶縁材料膜と、から構成される特許請求の範囲第１項記載の電圧測定装
置。
【請求項３】前記絶縁膜が硬質のコートセラミックであ
る特許請求の範囲第２項記載の電圧測定装置。
【請求項４】前記絶縁膜がポリマーである特許請求の範
囲第２項記載の電圧測定装置。
【請求項５】前記絶縁膜がフルオロカーボンである特許
請求の範囲第４項記載の電圧測定装置。
【請求項６】前記ハウジングが前記導体に取り付けられ
るとき、前記内側リング内に符合し、前記導体と接触す
る導電性ネオプレン・インサートを含む特許請求の範囲
第２項記載の電圧測定装置。
【請求項７】前記ハウジングがほぼトロイダル状であ
り、前記導体に取り付けられるとき該導体を取り巻く、
特許請求の範囲第１項記載の電圧測定装置。
【請求項８】前記測定手段は第１及び第２入力を有する
オペアンプを含む特許請求の範囲第１項記載の電圧測定
装置。
【請求項９】前記オペアンプの第１入力と前記導体との
間に接続されるサージ抑圧回路網を含み、前記オペアン
プの第２入力が前記ハウジングに接続される、特許請求
の範囲第８項記載の電圧測定装置。
【請求項１０】前記オペアンプが積分器として構成され
る特許請求の範囲第８項記載の電圧測定装置。