JP2000088937A

JP2000088937A - 磁界センサ及びそれを用いた電流検出器

Info

Publication number: JP2000088937A
Application number: JP10263508A
Authority: JP
Inventors: Seigo Yokoi; 清吾横井; Shuichiro Motoyama; 修一郎本山; Yukio Mizuno; 幸夫水野
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】小型化、軽量化が実現でき、低コストで、ダ
イナミックレンジを大きくし、直流電流の測定も可能と
し、より性能の向上した電流計測を可能とする磁界セン
サとそれを用いた電流検出器を提供する。【解決手段】磁歪素子を用いてなる磁界センサであ
り、変電所または送電線における電流計測に適用するも
のである。磁歪素子１３及び圧電素子１４を組み合わせ
てなり、磁歪素子１３の伸びにより圧電素子１４を歪ま
せ電圧に変換する磁界センサ１１であり、変電所または
送電線における電流計測に適用するものである。磁歪素
子に予荷重をかけた状態で磁歪素子と圧電素子を貼りあ
わせてなり、磁歪素子の伸びにより圧電素子を歪ませ電
圧に変換する磁界センサである。磁歪素子にバイアス磁
界をかけた状態で磁歪素子と圧電素子を貼りあわせてな
り、磁歪素子の伸びにより圧電素子を歪ませ電圧に変換
する磁界センサである。磁歪素子に予荷重及びバイアス
磁界をかけた状態で磁歪素子と圧電素子を貼りあわせて
なり、磁歪素子の伸びにより圧電素子を歪ませ電圧に変
換する磁界センサである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、監視用、保護継
電器用等の変電所用電流計測や送電線用の電流計測、お
よび検電器などに好適に用いることができる磁界センサ
およびそれを用いた電流検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、送電線保護や母線保護、ま
たは変圧器保護などのために、変流器（ＣＴ）が使用さ
れている。変流器（ＣＴ）としては、磁気ＣＴ（貫通型
ＣＴ）、空心ＣＴ、光ＣＴ、あるいは無線ＣＴなどが知
られている。磁気ＣＴとしては、ブッシングＣＴ、自立
型ＣＴがあるが、設備が大型化し、重量も大で、コスト
が高いという問題がある。また、直流重畳による過渡誤
差や、磁気飽和による出力波形の歪みが生じるという問
題もあった。また、直流電流が測定できないという問題
もある。

【０００３】空心ＣＴは、ＵＨＶ等の大電流用として
適用されているが、直流電流が測定できないという問題
がある。光ＣＴは、システムが複雑で、オプト碍子が必
要であり、また、直流電流が測定できないという問題が
ある。また、無線ＣＴは、システムが複雑という問題が
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明
は、上記した従来における問題を解決するためになされ
たものであり、その目的とするところは、小型化、軽量
化が実現でき、低コストであるとともに、ダイナミック
レンジを大きくし、直流電流の測定も可能とし、より性
能の向上した電流計測を可能とする磁界センサとそれを
用いた電流検出器を提供することにある。また、本発明
の別の目的は、取付け・交換が容易で、直流重畳時の過
渡誤差が少なく、磁気飽和がない磁界センサとそれを用
いた電流検出器を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明によ
れば、磁歪素子を用いてなる磁界センサであって、変電
所または送電線における電流計測に適用したことを特徴
とする磁界センサが提供される。

【０００６】さらに本発明によれば、磁歪素子及び圧
電素子を組み合わせてなり、磁歪素子の伸びにより圧電
素子を歪ませ電圧に変換する磁界センサであって、変電
所または送電線における電流計測に適用したことを特徴
とする磁界センサが提供される。上記の磁気センサにお
いては、圧電素子として、ポリフッ化ビニリデン製圧電
フィルムの両側に電極を配置して構成されたものを用い
ることが好ましい。

【０００７】また、本発明によれば、磁歪素子に予荷
重をかけた状態で磁歪素子と圧電素子を貼りあわせてな
り、磁歪素子の伸びにより圧電素子を歪ませ電圧に変換
することを特徴とする磁界センサが提供される。さらに
本発明によれば、磁歪素子にバイアス磁界をかけた状態
で磁歪素子と圧電素子を貼りあわせてなり、磁歪素子の
伸びにより圧電素子を歪ませ電圧に変換することを特徴
とする磁界センサが提供される。

【０００８】さらにまた、本発明によれば、磁歪素子
に予荷重及びバイアス磁界をかけた状態で磁歪素子と圧
電素子を貼りあわせてなり、磁歪素子の伸びにより圧電
素子を歪ませ電圧に変換することを特徴とする磁界セン
サが提供される。これらの磁気センサにおいては、圧電
素子として、ポリフッ化ビニリデン製圧電フィルムの両
側に電極を配置して構成されたものを用いることが好ま
しい。本発明において、これらの磁界センサは、変電所
または送電線における電流計測、すなわち、電力用とし
て適用することが好ましい。さらに、本発明によれば、
上記した磁界センサを用いたことを特徴とする電流検出
器が提供される。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明す
る。本発明に係る磁界センサは、５種類あり、順次説明
する。第１の磁界センサは、磁歪素子を用いるもので、
変電所または送電線における電流計測に適用した電力用
の磁界センサである。

【００１０】磁歪素子は、導電体に流れる電流により
作られる磁場に対して歪む素子であり、このような磁歪
素子としては、従来から開発されているＦｅ−Ｎｉ系、
Ｆｅ−Ｃｏ系などの磁歪材料や、最近開発された、従来
に比して歪み率が４０倍（１６００ｐｐｍ）と大きい超
磁歪材料（販売元：ＭＯＲＩＴＥＸ）が挙げられる。こ
の超磁歪材料は、組成が、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプ
ロシウム（Ｄｙ）、鉄（Ｆｅ）を主成分とするＴｂＤｙ
Ｆｅ合金であり、大きな磁場（数百Ｏｅ）においても線
形的な歪み特性を有しており、大きな磁場に対して極め
て有効である。一方、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｃｏ系など
の磁歪材料は、素子の伸び率は小さいが、透磁率が高い
ため、小さい磁場に対し感度が良く、小さい磁場に有効
である。なお、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｃｏ系などの磁歪
材料は、透磁率が大きいため、数Ｏｅで磁気飽和が起こ
り、それ以上の磁場を測定することは不可能である。な
お、磁歪素子の歪みの測定は、歪みゲージ、圧電体、光
計測などを用いて行うことができる。

【００１１】第２の磁界センサは、磁歪素子及び圧電
素子を組み合わせて用いるもので、磁歪素子の伸びによ
り圧電素子を歪ませ電圧に変換する磁界センサである。
この磁界センサも、変電所または送電線における電流計
測に適用した電力用のものである。ここで、磁歪素子に
貼り合わせ等により組み合わせて用いる圧電素子として
は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン亜鉛）、ＢａＴｉＯ
₃（チタン酸バリウム）などのセラミック材料からなる
圧電素子も使用することができるが、このセラミック材
料と比較して、有機系の圧電体であるポリフッ化ビニリ
デン（ＰＶＤＦ）製の圧電素子は、機械的な歪みを電気
信号に変換する効率（圧電応力定数：ｇ₃₁）、すなわ
ち、小さな伸びに対して大きな電圧が発生できるため、
より感度に優れ、好ましく用いることができる。

【００１２】ここで、ＰＶＤＦとＰＺＴ、ＢａＴｉＯ
₃の圧電応力定数を示すと、ＰＶＤＦが２１６（単位：
１０^-3Ｖｍ／Ｎ）であるのに対し、ＰＺＴは１０、Ｂａ
ＴｉＯ₃は３であり、発生する電圧Ｖは、Ｖ＝ｇ₃₁×素
子の厚さ×応力であり、圧電応力定数（ｇ₃₁）が大きい
ほど発生する電圧が大きくなる。さらに、ＰＶＤＦは、
ＰＺＴ、ＢａＴｉＯ₃などに比べて、誘電率が小さく、
軽く柔らかいため、大面積化が可能という特性を備えて
いる。

【００１３】以上のことから、用いる圧電素子として
は、ＰＶＤＦ製のものが好ましく、具体的には、ＰＶＤ
Ｆ製圧電フィルムの両側に電極を配置して構成されたも
のが好ましく、通常は、該電極の外側をポリエチレンテ
レフタレート製保護材（プロテクションマイラー）など
で封止した構造を取る。また、通常の歪み測定手段であ
る歪みゲージと比較しても、ＰＶＤＦは感度に優れ、し
かも、光計測に比べても、機構が簡単で安価である。

【００１４】第３の磁界センサは、磁歪素子に所定の
適正な予荷重をかけた状態で磁歪素子と圧電素子を貼り
あわせて用いるもので、磁歪素子の伸びにより圧電素子
を歪ませ電圧に変換する磁界センサである。磁歪素子に
予荷重をかけると、図５に示すように、低磁場領域で磁
歪勾配が急峻（磁界に敏感）になるとともに、飽和磁歪
の水準が高くなるため、磁場の大きさに対する直線性を
示す領域を大きくでき、したがって、ダイナミックレン
ジを大きくすることが可能となる。

【００１５】第４の磁界センサは、磁歪素子に所定の
適正なバイアス磁界をかけた状態で磁歪素子と圧電素子
を貼りあわせて用いるもので、磁歪素子の伸びにより圧
電素子を歪ませ電圧に変換する磁界センサである。この
ように、磁歪素子にバイアス磁界をかけると、図６に示
すように、磁場に対して直線性を示す領域での測定を可
能とする。すなわち、図６のように、磁場に対する歪み
は、低磁場領域において非線形性を示すため、歪み測定
が困難であるため、このように、バイアス磁界をかける
ことにより、低磁場での線形範囲が拡大し、その領域で
の測定が可能となる。また、磁場の方向によって伸びと
縮みを分けることができ、電流の正負を確認することが
できる。

【００１６】第５の磁界センサは、磁歪素子に所定の
適正な予荷重及びバイアス磁界をかけた状態で磁歪素子
と圧電素子を貼りあわせて用いるもので、磁歪素子の伸
びにより圧電素子を歪ませ電圧に変換する磁界センサで
ある。上記のように、磁歪素子に、予荷重及びバイアス
磁界の双方を適正にかけることにより、より性能のよい
測定が可能になる。

【００１７】これらの第３〜第５の磁界センサにおい
て、磁歪素子に貼りあわせる圧電素子としては、上述し
たＰＶＤＦ製の圧電素子が好ましい。なお、これら第３
〜第５の磁界センサは、変電所または送電線における電
流計測に適用した電力用に好ましいものであるが、これ
に限られず、その他の磁場の測定にも使用することがで
きる。

【００１８】このような磁界センサは、導体に流れる
電流により発生する磁場を測定するものであり、したが
って、この磁界センサを用いて電流を検出する電流検出
器として使用することができる。磁場と電流との関係
は、図４に示すように、導体１に流れる電流をＪ（Ａ）
とし、導体１からの距離をｒ（ｍ）とすると、磁場（Ａ／ｍ）Ｈ＝Ｊ／（２πｒ）で表される。

【００１９】以下、本発明を実施例により説明する
が、これらの実施例は、本発明を限定するものではな
い。

【００２０】

【実施例】（実施例１）図２に示すように、ブッシング
外壁１０に、磁界センサ１１を設置し、これにより中心
導体１２の電流を検出する電流検出器として用いた。こ
こで、磁界センサ１１は、図１のように、磁歪素子１３
と圧電体１４を貼りあわせて構成されており、磁歪素子
１３はＴｂＤｙＦｅ合金からなり、予荷重１５×１０⁶
（Ｎ／ｍ²）、バイアス磁界６５０（Ｏｅ）をかけた状
態で、圧電体１４と貼り合わせた。また、圧電体１４は
ＰＶＤＦ製の圧電フィルムの両側に銀電極を取り付け、
その外側をプロテクションマイラーで封止した５層構造
を用いた。この圧電体１４の銀電極には電圧計１５が接
続されており、電圧を検出できるようになっている。

【００２１】上記構成の磁界センサ１１においては、
外部磁場Ｈ（Ｏｅ）として、Ｈ＝０で、歪み９００（ｐｐｍ）、Ｈ＝−５００（Ｏｅ）で、歪み４００（ｐｐｍ）、Ｈ＝５００（Ｏｅ）で、歪み１４００（ｐｐｍ）の範囲で、外部磁場Ｈに対して、歪みが直線性を示す。
したがって、外部磁場Ｈが１（Ｏｅ）変化することによ
り、磁歪素子１３は約１（ｐｐｍ）歪むこととなる。

【００２２】変電所または送電線において通常流れる
電流は数ｋＡで、故障時（事故時）での最大短絡電流
は、現在のところ６３ｋＡまで許容される状況である。
そこで、磁界センサ１１の中心導体１２からの距離（位
置）を下記表１のように変え、かつ中心導体１２に流れ
る電流を表１のように変化させた場合に発生する磁場を
測定した。その結果を表１に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】表１から、磁界センサ１１の位置を中心
導体１２から０．５ｍの距離に置き、通常時、例えば５
ｋＡの電流が流れたとした場合、外部磁場は約２０（Ｏ
ｅ）変化し、事故時に、例えば８０ｋＡの電流が流れた
とした場合には、外部磁場Ｈは約３２０（Ｏｅ）変化す
ることが分かる。このように、本実施例の磁界センサ１
１を用いれば、通常流れる電流の測定から、事故時の大
電流まで測定可能であることが確認された。

【００２５】次に、ＰＶＤＦ製圧電フィルムからなる
圧電体１４には、定常時に流れる電流を５ｋＡとする
と、±２０（Ｏｅ）の磁場により±２０（ｐｐｍ）の歪
みが生じ、また、短絡事故時に流れる電流が８０ｋＡの
場合、±３２０（Ｏｅ）の磁場により±３２０（ｐｐ
ｍ）の歪みが生じた。圧電体１４に発生する電圧は、下
記表２に示すように数Ｖから数十Ｖとなった。なお、Ｐ
ＶＤＦ製圧電フィルムの厚さは１００（μｍ）で、ヤン
グ率は２．５０Ｅ＋０９（Ｎ／ｍ²）であった。

【００２６】

【表２】

【００２７】表２から、定常時の電流及び事故時の電
流に対し、大きな起電圧が発生しており、その測定は誤
差が少なく、高精度であることがわかる。このように、
本発明の磁界センサ、電流検出器を適用したブッシング
ＣＴは、従来のブッシングＣＴに比べて極端に小型化で
きるとともに、ブッシング自体の小型化にも繋がるとい
う大きな利点を有する。また、故障時には、その取り替
えも容易である。

【００２８】（実施例２）なお、上記はブッシングＣＴ
として、本発明の磁界センサ、電流測定器を適用した実
施例について説明したが、そのほか、ＧＩＳの外管に適
用することにより、磁場を容易に測定することが可能で
ある。

【００２９】（実施例３）本発明の磁界センサ、電流測
定器を送電線に適用した例を図３に示す。図３におい
て、３ヶ所の変電所２０を接続する送電線２１に対し、
所定箇所に磁界センサを適用した非接触ＣＴ２２を設け
ることにより、送電線２１に流れる電流を非接触且つ低
コストで測定することが可能となる。したがって、送電
線２１自体の信頼性に悪影響（送電線２１に接触してい
ると事故を起こす可能性が生じる。）を及ぼすことな
く、通電電流を測定することができる。このことから、
故障区間の評定、検電器への応用も可能となる。さら
に、非接触ＣＴ２２を送電線２１に取り付けることによ
り、概略の事故箇所を評定することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る磁
界センサ及び電流検出器によれば、小型化、軽量化が可
能で、低コストであり、しかもダイナミックレンジが大
きくなり、より性能の向上した電流計測が可能となると
いう優れた効果を奏する。また、従来の磁気ＣＴ、空心
ＣＴ及び光ＣＴに対して、直流電流も計測可能という利
点を有する。さらに、本発明の磁界センサ、電流検出器
は、磁気ＣＴに比べ、取付け・交換が容易で、直流重畳
時の過渡誤差が少なく、磁気飽和がないという利点を有
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る磁界センサの構成の一例を示す
概略説明図である。

【図２】本発明の磁界センサをブッシングに適用した
例を示す概略説明図である。

【図３】本発明の磁界センサ（電流測定器）を送電線
に適用した例を示す概略説明図である。

【図４】磁場と電流との関係を示す説明図である。

【図５】磁界と歪みとの関係を示すとともに、予荷重
の効果を示すグラフである。

【図６】電流と変位（歪み）との関係を示すととも
に、バイアス磁界の効果を示すグラフである。

【符号の説明】

１０…ブッシング外壁、１１…磁界センサ、１２…中心
導体、１３…磁歪素子、１４…圧電体、１５…電圧計、
２０…変電所、２１…送電線、２２…非接触ＣＴ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁歪素子を用いてなる磁界センサであっ
て、変電所または送電線における電流計測に適用したこ
とを特徴とする磁界センサ。
【請求項２】磁歪素子及び圧電素子を組み合わせてな
り、磁歪素子の伸びにより圧電素子を歪ませ電圧に変換
する磁界センサであって、変電所または送電線における
電流計測に適用したことを特徴とする磁界センサ。
【請求項３】圧電素子が、ポリフッ化ビニリデン製圧
電フィルムで構成されたことを特徴とする請求項２記載
の磁界センサ。
【請求項４】磁歪素子に予荷重をかけた状態で磁歪素
子と圧電素子を貼りあわせてなり、磁歪素子の伸びによ
り圧電素子を歪ませ電圧に変換することを特徴とする磁
界センサ。
【請求項５】磁歪素子にバイアス磁界をかけた状態で
磁歪素子と圧電素子を貼りあわせてなり、磁歪素子の伸
びにより圧電素子を歪ませ電圧に変換することを特徴と
する磁界センサ。
【請求項６】磁歪素子に予荷重及びバイアス磁界をか
けた状態で磁歪素子と圧電素子を貼りあわせてなり、磁
歪素子の伸びにより圧電素子を歪ませ電圧に変換するこ
とを特徴とする磁界センサ。
【請求項７】圧電素子が、ポリフッ化ビニリデン製圧
電フィルムで構成されたことを特徴とする請求項４〜６
のいずれか１項に記載の磁界センサ。
【請求項８】変電所または送電線における電流計測に
適用する請求項４〜７のいずれか１項に記載の磁界セン
サ。
【請求項９】請求項１〜８のいずれか１項に記載の磁
界センサを用いたことを特徴とする電流検出器。