JP2001033490A

JP2001033490A - 光変流器

Info

Publication number: JP2001033490A
Application number: JP11209850A
Authority: JP
Inventors: Nobuki Ito; 伸器伊藤; Onori Ishikawa; 大典石河; Koji Kasai; 孝二笠井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 1999-07-23
Publication date: 2001-02-09

Abstract

(57)【要約】【課題】ファラデー効果を応用した光電流センサにお
いて、被測定導電体を流れる電流を計測する時に、近接
する外部導電体等の発生する磁界の影響による測定誤差
を低減して、電流値を精度高く測定することのできる光
変流器を提供する。【解決手段】本発明に係る光変流器において、電磁誘
導により導電体に流れる電流を検出する変流器からの検
出電流を入力する光電流センサが、環状の一部に空隙部
分を有するコアとそのコアを巻回したコイルとを有し、
前記空隙部分にファラデー効果を用いて磁界を検出する
光磁界センサが設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ファラデー効果を
有する磁気光学素子を用いて磁界を検出し、その磁界強
度を測定する光磁界センサ、及びその光磁界センサを用
いて被測定物に流れる電流を測定する光電流センサに関
するものであり、特に変流器と光電流センサとを具備
し、高精度に電流を測定することのできる光変流器に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光ファイバ内の光の透過能力や透
過の割合の変化等により計測する光ファイバセンサが各
種分野において用いられてきている。特に電力分野にお
いては小型軽量で、高精度な高絶縁計測が可能であるた
め、光ファイバセンサの需要が高まってきている。光フ
ァイバセンサの中でも、特に、磁気光学素子のファラデ
ー効果を応用した光方式磁界センサや、その光方式磁界
センサを用いた光電流センサが実用化されつつある。以
下の説明において、上記の光方式磁界センサ及びその光
方式磁界センサを用いた光方式電流センサを単に光磁界
センサ及び光電流センサと呼ぶ。

【０００３】以下、従来の光磁界センサと光電流センサ
について説明する。図１５は、従来の光電流センサ１０
０の構成を示す斜視図である。図１５に示した従来の光
電流センサ１００は、一部に空隙部分１４０ａを有する
環状の鉄心コア１４０と、磁界を検知することのできる
光磁界センサ１１０と、光磁界センサ１１０からの光信
号を電気信号に変換する信号処理回路６１とを具備して
いる。鉄心コア１４０の貫通孔１４０ｂには、被測定電
流が流れる導電体１３が貫通して設置されている。光磁
界センサ１１０と信号処理回路６１は、入力光ファイバ
１２０と出力光ファイバ１３０とにより光伝送できるよ
う接続されている。鉄心コア１４０は、導電体１３に流
れる被測定電流により発生する導電体１３の回りの磁界
を効率よく集束させるために軟磁性材料を用いて形成さ
れている。

【０００４】光磁界センサ１１０は鉄心コア１４０の空
隙部分１４０ａに配置され、この空隙部分１４０ａに発
生する磁界を検知する。信号処理回路６１は、レーザー
ダイオード等の光源６２と、フォトダイオード等の光検
出素子６３と、内蔵した信号増幅回路（図示なし）を具
備している。また、信号処理回路６１は、光磁界センサ
１１０により検出された光信号を電気信号に変換して、
被測定電流値を表示するデジタル表示部６５と、被測定
電流値に比例した電圧信号を出力する出力端子６４と、
測定範囲を切り替える切り替えレンジ６６とを有してい
る。上記のように構成された従来の光電流センサ１００
において、信号処理回路６１の光源６２から出力された
光は、入力光ファイバ１２０を通過して、光磁界センサ
１１０に入力される。光磁界センサ１１０に入力された
光は、磁界強度に比例して光の強度変調を受ける。強度
変調された光は、出力光ファイバ１３０に導かれ、信号
処理回路６１の光検出素子６３で受光される。信号処理
回路６１は、受光した信号を増幅して、被測定電流値を
表示、或いは被測定電流に比例する電圧信号を出力端子
６４から出力する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の光電流センサ１
００において、被測定物である導電体１３に１０００Ａ
程度の大きな電流が流れる場合や、或いは三相一括の零
相電流を計測する場合、さらには被測定物である導電体
１３以外に電流が流れる他の導電体が近接している場
合、鉄心コア１４０が空隙部分１４０ａを有するため
に、他の導電体を流れる電流により発生する外部磁界の
影響を大きく受ける。その結果、従来の光電流センサ１
００は電流の測定精度が低下するという問題があった。
例えば、電力分野の配電線や送電線において、特に地中
送配電線や柱上開閉器近傍等の多くの配線が近接、或い
は密集しているところにおいて、一つの送配電線に光電
流センサ１００を設置して電流計測をする際に、近接す
る他相の配電線で発生する磁界の影響を受けて測定精度
が悪化するという問題があった。特に、光電流センサ１
００に内蔵された鉄心コアの空隙部分１４０ａに近い位
置に外部電線が設置された場合には、外部磁界の影響を
受けて測定精度が大きく低下するという問題があった。
或いは、地下送配電線の微小な零相電流を検出するよう
な場合にも、従来の光電流センサ１００を適用すること
が考えられるが、鉄心コアにギャップを有する磁気回路
構造では、近接した他相の電流の影響を受け易かった。
以上のように、この技術分野においては光電流センサを
用いて被測定導電体を流れる電流を精度高く測定するこ
とができる具体的な技術が開発されていなかった。

【０００６】本発明は従来技術における上記の問題を解
決することを課題としている。本発明では、光電流セン
サが被測定物を流れる電流を計測するとき、近接する外
部導電体等の発生する磁界の影響による測定誤差を低減
し、被測定物の電流値を精度高く計測することのできる
光変流器を提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る光変流器は、電磁誘導により被測定導
電体に流れる電流を検出する変流器及び前記変流器の出
力を光信号に変換して電流検出信号を出力する光電流セ
ンサを具備する。上記のように構成された本発明の光変
流器は、外部磁界の影響を受けることなく、被測定導電
体を流れる電流を高精度に測定し、測定精度と感度を高
めることができる。

【０００８】本発明に係る光変流器は、前記光電流セン
サが前記変流器の出力が入力されるコイルと、環状の一
部に空隙部分を有して前記コイルが巻回された光電流セ
ンサコアと、前記空隙部分に配置されて前記光電流セン
サコアによる磁界を検出するためのファラデー効果を用
いた光磁界センサとを具備することができる。

【０００９】本発明に係る光変流器は、前記変流器が軟
磁性材料を用いて形成された変流器コアを有することが
好ましい。本発明に係る光変流器は、前記光電流センサ
が軟磁性材料を用いて形成された光電流センサコアを有
することが好ましい。本発明に係る光変流器において、
前記変流器は変流器コアが分割された形状を有してもよ
い。本発明に係る光変流器において、前記変流器は光電
流センサコイルの巻き数が変流器コイルの巻き数以上で
あることが好ましい。本発明に係る光変流器において、
前記変流器は変流器コアが非磁性材料で形成され、空心
形変流器であってもよい。本発明に係る光変流器におい
て、前記光電流センサが被測定導電体に流れる電流によ
り発生する磁界を感受しない方向に設置されることが好
ましい。本発明に係る光変流器は、前記光電流センサが
前記変流器と一体に取り付けられ、固定されていてもよ
い。

【００１０】本発明に係る光変流器は、前記変流器が被
測定導電体として三相一括の交流導電線を収納し、零相
電流を検出するよう構成してもよい。本発明に係る光変
流器は、前記光磁界センサが希土類鉄ガーネット材料を
用いて形成してもよい。本発明に係る光変流器は、前記
変流器コアがパーマロイ材料であってもよく、前記光電
流センサコアがフェライト材料であってもよい。そし
て、本発明に係る光変流器は、前記変流器コアがフェラ
イト材料であってもよく、前記光電流センサコアもフェ
ライト材料であってもよい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る光変流器の好
ましい実施例について添付の図面を参照しつつ説明す
る。

【００１２】《第１の実施例》以下、本発明に係る第１
の実施例の光変流器について、図１を用いて説明する。
図１は、第１の実施例の光変流器を示す構成図である。
第１の実施例の光変流器は、変流器１１Ａ、光電流セン
サ１２Ａ、及び信号処理回路２１を有している。図１に
おいて、変流器１１Ａ及び光電流センサ１２Ａは、一点
鎖線により囲む部分である。測定すべき電流が流れる被
測定物である導電体１３は、円環状の変流器１１Ａを貫
通するよう配置されている。この変流器１１Ａは、軟磁
性材料で円環状に形成された変流器コア１４と、この変
流器コア１４に均等に巻き付けられた変流器コイル１５
とを有している。変流器１１Ａからは、変流器コイル１
５に接続された２本の端子線１６ａ、１６ｂが光電流セ
ンサ１２Ａに導出されている。光電流センサ１２Ａは、
円環の一部に空隙部分を有する軟磁性材料の円環状の光
電流センサコア１８と、この光電流センサコア１８に均
等に巻き付けられた光電流センサコイル１９と、光電流
センサコア１８の空隙部分に配置された光磁界センサ１
７とを有している。第１の実施例において、変流器コア
１４は内径が１００ｍｍであり、材質はパーマロイであ
る。また、光電流センサコア１８は内径が４０ｍｍであ
り、材質はパーマロイである。

【００１３】光磁界センサ１７からは入力光ファイバ２
０ａと出力光ファイバ２０ｂが信号処理回路２１に導出
されている。入力光ファイバ２０ａは信号処理回路２１
の光源２２に接続されており、出力光ファイバ２０ｂは
受光素子２３に接続されている。第１の実施例における
信号処理回路２１は、光磁界センサ１７からの光信号を
受けて電気信号に変換する。第１の実施例の信号処理回
路２１の構成は、前述の図１５に示した信号処理回路６
１の構成と同じである。信号処理回路２１は、レーザー
ダイオード等の光源２２と、フォトダイオード等の光検
出素子２３と、内蔵した既知の信号増幅回路（図示省
略）を具備している。また、信号処理回路２１は、光磁
界センサ１７により検出された光信号を電気信号に変換
して出力するよう構成されている。信号処理回路２１の
光源２２から出力された光は、入力光ファイバ２０ａを
通過して、光磁界センサ１７に入力される。光磁界セン
サ１７に入力された光は、磁界強度に比例して光の強度
変調を受ける。強度変調された光は、出力光ファイバ２
０ｂに導かれ、信号処理回路２１の光検出素子２３で受
光される。信号処理回路２１は、受光した信号を増幅し
て、被測定電流値を表示し、或いは被測定電流に実質的
に比例する電圧信号を出力する。

【００１４】図２は、図１に示した第１の実施例の光磁
界センサ１７の内部構成を示す断面図である。光磁界セ
ンサ１７は、磁気光学素子３１のファラデー効果によ
り、磁界の強度変化を光の強度変化に変換する。光磁界
センサ１７は、入力光ファイバ２０ａ、偏光子３２、磁
気光学素子３１、検光子３３、及び出力光ファイバ２０
ｂを有し、収納ケース３４に収められている。収納ケー
ス３４の横幅は１０ｍｍであり、この光磁界センサ１７
は光電流センサコア１８の空隙部分に配置されている。
光磁界センサ１７に入力された光は、入力光ファイバ２
０ａ、偏光子３２、磁気光学素子３１、検光子３３、及
び出力光ファイバ２０ｂの順に通過する。第１の実施例
の磁気光学素子３１には、希土類鉄ガーネット材料がフ
ァラデー素子の材料として用いられている。磁気光学素
子３１の他の材料としては、鉛ガラス、ＺｎＳｅ、Ｂｉ
₁₂ＳｉＯ₂₀、Ｂｉ₁₂ＧｅＯ₂₀、ＣｄＭｎＴｅ等のファラ
デー素子材料を用いることができる。

【００１５】図２に示した光磁界センサ１７において、
偏光子３２と検光子３３には小型化が可能なガラス製偏
光板が用いられている。なお、第１の実施例において、
入力光ファイバ２０ａと出力光ファイバ２０ｂには、図
２に示したように屈曲光ファイバを用いた例で示した
が、本発明は必ずしも屈曲光ファイバを用いる必要はな
く、図３に示すような直線タイプの光ファイバを用いて
も光磁界センサ１７を構成することができる。図３は直
線タイプの光ファイバを用いた光磁界センサを示す構成
図である。また、第１の実施例においては、入力光ファ
イバ２０ａを偏光子３２、出力光ファイバ２０ｂを検光
子３３に結合する構成であるが、光の結合効率をさらに
向上させるために、２つの結合用レンズ３５ａ、３５ａ
を用いて図４のように光磁界センサを構成することもで
きる。図４は結合レンズを用いた場合の光磁界センサを
示す構成図である。図５は図４に示した光磁界センサに
全反射ミラー３６を用いた場合を示す構成図である。図
５に示したように光磁界センサの光学系をコの字状に構
成すれば、横幅４ｍｍの光磁界センサを得ることができ
る。さらに、光磁界センサへ入出力するための伝送媒体
としては光ファイバではなくともよく、光ファイバーと
同様に光を伝送する機能を有する光導波路を用いても光
磁界センサを構成することが可能である。

【００１６】次に、上記のように構成された第１の実施
例の動作について、図１を用いて説明する。被測定物で
ある導電体１３は、円環状の変流器コア１４の内側に形
成された貫通穴を貫通するよう設置されている。導電体
１３に電流が流れる時に、その電流に比例した２次電流
信号が変流器１１Ａからの端子線１６ａ、１６ｂに流れ
る。端子線１６ａ、１６ｂに流れる電流は、光電流セン
サ１２Ａの１次入力電流となる。このため、光電流セン
サ１２Ａの光電流センサコイル１９には電流が流れ、円
環状の光電流センサコア１８の空隙部分にその電流に比
例した磁界が発生する。その磁界を光磁界センサ１７に
より計測する。光磁界センサ１７と信号処理回路部２１
との間は、入力光ファイバ２０ａと出力光ファイバ２０
ｂとにより光伝送される。

【００１７】光磁界センサ１７においては、信号処理回
路部２１の光源２２から出た光が、入力光ファイバ２０
ａを介して入力され、磁界強度による変調を受けた光信
号に変換される。その光信号は、出力光ファイバ２０ｂ
を通って受光素子２３により受光される。このように受
光された後、その光信号は信号処理されて再び電気信号
として出力される。

【００１８】第１の実施例において、変流器１１Ａの２
次側出力を光電流センサ１２Ａの１次電流とするため
に、変流器１１Ａと光電流センサ１２Ａは端子線１６
ａ、１６ｂにより接続されて、互いに結線されている。
被測定物である導電体１３に電流が流れている場合、変
流器１１Ａと光電流センサ１２Ａとの結線が外れないよ
う端子線１６ａ、１６ｂは確実に取り付けられている。
もし、端子線１６ａ、１６ｂが外れた場合、変流器１１
Ａの１次電流は流れるが、２次電流が流れなくなるた
め、２次側に高電圧が誘起され、温度が上昇する。極度
に温度が上昇すると、２次側コイルが絶縁破壊し、焼損
事故になる可能性がある。このため、端子線１６ａ、１
６ｂによる変流器１１Ａと光電流センサ１２Ａとの結線
は確実に行われている。このように変流器１１Ａと光電
流センサ１２Ａとを組み合わせて光変流器を構成するこ
とにより、広い電流検出範囲を有する高精度な光変流器
を実現することが可能となる。また、第１の実施例の光
変流器は、変流器１１Ａと光電流センサ１２Ａを組み合
わせることにより、変流器１１Ａに均一に巻き付けられ
た巻線コイルにおいて、入力電流を電磁誘導の原理で誘
起される２次電流に変換して光電流センサ１２の入力電
流に使用している。このように構成されているために、
第１の実施例の光変流器は、外部磁界の影響を受けない
信頼性の高い装置となっている。

【００１９】図６は第１の実施例の光変流器における入
力電流［Ａ］に対する誤差の比率［％］を表したグラフ
である。図６においては定格電流１０００Ａの場合に得
られる光変流器における比誤差の直線性を示している。
図６において、横軸は入力電流［Ａ］であり、縦軸は比
誤差［％］である。図６のグラフから明らかなように、
第１の実施例の光変流器は、ほぼ全域において比誤差が
０％で優れた直線性を有している。

【００２０】なお、第１の実施例においては、変流器１
１Ａの変流器コア１４と光電流センサ１２Ａの光電流セ
ンサコア１８をパーマロイ材料を使用して構成したが、
本発明の変流器コアと光電流センサコアの材料として
は、パーマロイだけでなく、無方向性ケイ素鋼、方向性
ケイ素鋼、フェライト、アモルファス合金等のコアに適
した軟磁性材料でもよい。さらに、第１の実施例におい
ては、コアの形状を円環状のもので説明したが、長方形
状、馬蹄形状、楕円形状などの形状を有するコアを用い
てもよい。本発明のコアの形状としては、必ずしも円環
状である必要はなく、他の形状においても第１の実施例
と同様に優れた測定精度を実現することが可能である。

【００２１】《第２の実施例》次に、本発明に係る第２
の実施例の光変流器について、図７と図８を用いて説明
する。図７は第２の実施例の光変流器を示す構成図であ
る。図８は第２の実施例の光変流器を被測定物が三相一
括送電線に使用した場合の構成を示す図である。図にお
いて、前述の第１の実施例と同じ機能、構成を有するも
のには同じ符号を付してその説明は省略する。図７に示
すように、第２の実施例の光変流器における変流器１１
Ｂは、分割形の変流器コア４１ａ、４１ｂを有してい
る。第２の実施例の光変流器は、前述の第１の実施例と
同様に、変流器１１Ｂ、光電流センサ１２Ｂ、及び信号
処理回路２１により構成されている。

【００２２】被測定物である導電体１３は、分割された
変流器コア４１ａ、４１ｂが円環状に配置された変流器
１１Ｂを貫通するよう設けられている。図７に示した変
流器コア４１ａ、４１ｂは、説明のため分割された各コ
ア４１ａ、４１ｂが開いた状態を図示しているが、実際
に取り付けられた場合の２つの変流器コア４１ａ、４１
ｂは実質的に円環状となるよう互いに隙間なく取り付け
られる。実施例２の変流器１１Ｂは、軟磁性材料で形成
された２つの変流器コア４１ａ、４１ｂと、各変流器コ
ア４１ａ、４１ｂに均等に巻き付けられた変流器コイル
１５ａ、１５ｂとを有している。２つの変流器コイル１
５ａ、１５ｂは電気的に接続されるよう構成されてい
る。変流器１１Ｂからは、変流器コイル１５ａ、１５ｂ
に接続された２本の端子線１６ａ、１６ｂが光電流セン
サ１２に導出されている。第２の実施例の光電流センサ
１２Ｂは、第１の実施例と同様に円環の一部に空隙部分
を有する円環状の光電流センサコア１８と、この光電流
センサコア１８に均等に巻き付けられた光電流センサコ
イル１９と、光電流センサコア１８の空隙部分に配置さ
れた光磁界センサ１７とを有している。

【００２３】上記のように、第２の実施例の光変流器
は、変流器コア４１ａ、４１ｂが変流器コイル１５ａ、
１５ｂとともに２つに分かれるよう構成されている。そ
のために、測定する際には、それぞれに変流器コイル１
５ａ、１５ｂを有する分割された変流器コア４１ａ、４
１ｂにより導電体１３を挟み込み、その後に、各変流器
コア４１ａ、４１ｂの端面を合せて固定し、２つの変流
器コイル１５ａ、１５ｂを電気的に接続する。このよう
に変流器１１Ｂを被測定物である導電体１３に取り付け
て２次出力を得るよう、第２の実施例の光変流器は構成
されている。このように構成することにより、測定した
い配電線や送電線に対して設置工事を容易に行うことが
可能となり、かつ高精度に電流を計測することができ
る。

【００２４】図８に示すように、第２の実施例の光変流
器を三相一括送電線の零相電流を計測するときに用いる
構成図である。地中送電線の三相一括の微小な零相電流
を計測する場合、第２の実施例の光変流器を零相電流計
測用として適用することができる。第２の実施例におい
て、組み合わされた円環状の変流器コア４１ａ、４１ｂ
は、その内径が１００ｍｍである。また、変流器コア４
１ａ、４１ｂの材質はパーマロイである。光電流センサ
１２Ｂの光電流センサコア１８は、その内径が４０ｍｍ
であり、材質がパーマロイである。第２の実施例の光変
流器は、定格電流や電流測定範囲が変流器１１Ｂの変流
器コイル１５ａ、１５ｂの２次巻き数Ｎ₁、光電流セン
サ１２Ｂの光電流センサコイル１９の巻き数Ｎ₂、及び
光電流センサコア１８の空隙部分の対向面間距離Ｗの数
値等の組み合わせにより異なってくる。

【００２５】発明者は、定格１次電流を１０００Ａとし
て、零相１次電流が１００ｍＡ程度でも、光電流センサ
１２Ｂの光電流センサコイル１９に流れる電流が１ｍＡ
程度に設計することにより、この光変流器は光磁界セン
サ１７からの変調信号を十分なＳＮ比で得ることがで
き、精度よく零相電流を検出できた。変流器コイル１５
ａ、１５ｂの２次巻き数Ｎ₁、光電流センサコイル１９
の巻き数Ｎ₂、空隙部分の対向面間距離Ｗの間には、次
のような関係がある。すなわち、変流器１１Ｂへの入力
１次電流をＩ₁、変流器１１Ｂの２次電流をＩ₂とする
と、変流器１１Ｂの磁気回路に殆ど漏洩磁界がない場合
には、２次電流（Ｉ₂）は次式（１）で表される。ただ
し、変流器１１Ｂの１次巻き数は１とする。

【００２６】２次電流（Ｉ₂）＝１次電流（Ｉ₁）×１次巻き数（１）／２次巻き数（Ｎ₁）＝Ｉ₁／Ｎ₁−−−（１）

【００２７】さらに、変流器１１Ｂの２次電流Ｉ₂は光
電流センサ１２Ｂの１次電流となるので、光電流センサ
コア１８の空隙部分の対向面間距離をＷとすると、空隙
部分に発生する磁界強度Ｈ_gは、光電流センサコア１８
の比透磁率が１よりも十分に大きい場合、次式（２）に
より表される。

【００２８】Ｈ_g＝Ｎ₂×Ｉ₂／Ｗ＝（Ｉ₁／Ｗ）×（Ｎ₂／Ｎ₁） −−−（２）

【００２９】式（２）から、光磁界センサ１７の感度が
一定であれば、光電流センサコア１８の空隙部分の対向
面間距離Ｗが小さいほど、また変流器コイル１５ａ、１
５ｂの２次巻き数Ｎ₁よりも光電流センサコイル１９の
巻き数Ｎ₂が大きいほど、光変流器の感度が高くなると
理解できる。発明者は、第２の実施例の光変流器の具体
的な装置として、Ｎ₁＝１００、Ｎ
_{2＝１００、Ｗ＝１５ｍｍ、Ｉ} ₁＝１００ｍＡの光変流器
を製作した。この場合の光変流器の磁界強度Ｈ_gは、次
式（３）となる。

【００３０】Ｈ_g＝１００ｍＡ／１５ｍｍ＝６.６７Ａ／ｍ −−−（３）

【００３１】したがって、光磁界センサが十分に検出可
能な磁界強度となる。ただし、式（３）においてｍはメ
ートルである。また、Ｎ₁よりもＮ₂の巻き数が大きい条
件、すなわち、Ｎ₁≦Ｎ₂の条件では、光電流センサ１２
Ｂの空隙部分に発生する磁界強度Ｈ_gを高めることがで
きる。例えば、Ｎ₁＝１００、Ｎ₂＝２００、Ｗ＝１５ｍ
ｍ、Ｉ₁＝１００ｍＡの場合、磁界強度Ｈ_gは次式（４）
となる。

【００３２】Ｈ_g＝１００ｍＡ／１５ｍｍ×２＝１３．３Ａ／ｍ −−−（４）

【００３３】したがって、この場合には式（３）の場合
に対し実質的に感度を２倍にすることが可能となる。以
上のように、第２の実施例の光変流器は、変流器１１Ｂ
の２次巻き数Ｎ₁よりも光電流センサ１２Ｂの巻き数Ｎ₂
を大きくすることにより感度を高めることができる。た
だし、その際には、光電流センサコア１８が磁気的に飽
和しない範囲で使用することに注意が必要である。以上
のように、変流器１１Ｂと光電流センサ１２Ｂの巻き線
の組み合わせを好ましく設定することにより、第２の実
施例の光変流器の感度を高めることが可能となる。

【００３４】《第３の実施例》次に、本発明に係る第３
の実施例の光変流器について、図９を用いて説明する。
図９は第３の実施例の光変流器を示した構成図である。
図９において、前述の第１の実施例と同じ機能、構成を
有するものには同じ符号を付してその説明は省略する。
第３の実施例の光変流器は、前述の第１の実施例及び第
２の実施例の光変流器と同じ構成であるが、変流器１１
Ｃと光電流センサ１２Ｃの配設方向に特徴がある。

【００３５】図９に示すように、分割形の変流器１１Ｃ
の貫通孔に被測定物である導電体１３を配置する。第３
の実施例の光変流器は、導電体１３の発生する磁界Ｈに
影響を受けない向きに光電流センサ１２Ｃが設置され
る。光電流センサ１２Ｃにおいて光電流センサコア１８
の空隙部分に設置された光磁界センサ１７は、光電流セ
ンサコア１８の空隙部分の両端面の向かい合う方向と同
じ向きに発生する磁界を計測することができる。しかし
ながら、上記向かい合う方向に垂直な向きの磁界に対し
ては、光磁界センサ１７は計測することができない。す
なわち、上記向かい合う方向に垂直な向きの磁界に対し
て、光磁界センサ１７の出力は影響されることがない。

【００３６】図９に示すように、導電体１３から発生す
る磁界Ｈに対して光磁界センサ１７がその磁界を感受し
ない方向、すなわち導電体１３の導出方向と光電流セン
サコア１８の両端面の向かい合う方向が平行となるよう
変流器１１Ｃと光電流センサ１２Ｃを配置して組み合わ
せ、第３の実施例の光変流器は構成されている。このよ
うに構成されているため、第３の実施例は被測定物であ
る導電体１３の発生する磁界Ｈや、その導電体１３に平
行に配線されている他の導電体からの外部磁界の影響を
除去することが可能となる。その結果、第３の実施例の
光変流器は、極めて高精度で信頼性の高い変流器を実現
することができる。

【００３７】図１０は、第３の実施例の光変流器の具体
的な構成を示す斜視図である。図１０において、光電流
センサ５２はケース５３に収納されている。このケース
５３は分割形の変流器５１に接して配置され一体化して
形成されている。このケース５３は分割形の変流器５１
の土台となっている。変流器５１及び光電流センサ５２
は、共に耐候性を考慮してエポキシ樹脂モールドで形成
され一体形構造となっている。変流器５１及び光電流セ
ンサ５２は、図９に示した変流器１１Ｃと光電流センサ
１２Ｃと同じ構成である。

【００３８】図１０に示すように、光電流センサ５２か
らは２心線のノンメタリック光ファイバケーブル５４が
導出している。このノンメタリック光ファイバケーブル
５４は、図９に示した信号処理回路２１に接続されてい
る。変流器５１と光電流センサ５２は、図９に示したよ
うに、各々が電気的に接続されており、変流器５１の出
力が光電流センサ５２の入力となるように結線されてい
る。図１０において、変流器５１の側面部分に記載され
ている「Ｋ」と「Ｌ」の文字は、貫通する導電体の配設
方向を示すものである。「Ｋ」は導電体の電源側であ
り、「Ｌ」は負荷側を示している。このように導電体に
対する光変流器の設置方向を規定しておくことにより、
設置したときの出力の極性が反転することがなく、位相
特性が変わることがない。なお、図１０において、変流
器５１の上部に設けられている端子Ｋｔ、Ｌｔは、試験
用のコイル端子であり、校正時や試験時に試験電流を流
すために使用される。なお、変流器５１の側面に設けら
れている端子は上下に分割されているコイルを電気的に
接続するものである。

【００３９】図１０のように構成された光変流器におい
て、変流器５１のコイルの巻数Ｎ₁と、光電流センサ５
２のコイルの巻数Ｎ₂、及び光電流センサ５２のコアに
おける空隙部分の対向面間距離Ｗ（図９参照）を設定す
ることにより、光変流器の入力電流の測定範囲と測定感
度が決定される。また、変流器５１のコアと光電流セン
サ５２のコアの材質の組み合わせによっても、測定範囲
と周波数特性は異なる。本発明者は、下記具体的な仕様
の光変流器を製作し、その感度を計測した。図１０に示
した光変流器において、変流器５１のコアはパーマロイ
材により形成し、コイルの巻数Ｎ₁を１００ターンとし
た。光電流センサ５２のコアはフェライト材により形成
し、コイルの巻数Ｎ₂を２００ターンとした。また、光
電流センサ５２のコアの空隙部分の対向面間距離Ｗ（図
９参照）を５ｍｍとした。このように設定した数値によ
り光り変流器を製作することにより、例えば、定格１次
電流が１０００Ａで三相一括の交流に対する零相電流が
１００ｍＡ程度でも、極めて高精度に零相電流を検出で
きた。特に、第３の実施例の光変流器において、図１０
のように構成することにより、ＳＮ比が高くなり、磁気
シールド効果が向上した。磁気シールド効果について
は、電流に対する光電流センサ５２の出力のアイソレー
ション比で表すことができる。図１１にアイソレーショ
ン比の測定結果を示す。

【００４０】図１１は、図１０に示した第３の実施例の
光変流器を示す正面図である。図１１において、変流器
５１の貫通穴の中心軸上に、ある電流値Ｉ_INの電流を流
した被測定物である導電体を設置する。このとき第３の
実施例の光変流器が出力するセンサ出力をＩ_OUTとす
る。一方、同じ電流値Ｉ_INの電流を流した他の導電体を
変流器５１の外側近傍に配置した場合に誘起されるセン
サ出力をＩ_EXT、とする。これらのセンサ出力（Ｉ_OUT、
Ｉ_EXT）を用いて、本発明の磁気シールド効果を下記式
（５）に示す外部磁界に対するアイソレーション比ｂで
表すことができる。

【００４１】ｂ（ｄＢ）＝２０ｌｏｇ（Ｉ_EXT／Ｉ_IN） −−−（５）

【００４２】従って、アイソレーション比の値が高いほ
ど、シールド効果が高いことが理解できる。例えば、あ
る電流を被測定物である導電体に流したときに光電流器
のセンサ出力が１００を示したとする。同じ電流値の電
流が流れる別の導電体が光変流器の外側近傍に配置され
た場合に、光変流器のセンサ出力が１を誘起したとす
る。この場合の計測誤差は、１％（＝１／１００）であ
る。故に、その時のアイソレーション比は下記式（６）
で表され、−４０ｄＢが計測誤差１％に相当する。

【００４３】２０ｌｏｇ（１／１００）＝−４０ｄＢ −−−（６）

【００４４】図１１に示した変流器５１の外側近傍の地
点Ｂ、Ｃ、Ｄ、及びＥは、その位置に外部導電体が配置
された場合を示しており、各位置に示した数値はその位
置のアイソレーション比を測定した結果である。図１１
に示すように、変流器５１の外側近傍の任意の位置に外
部導電体が設置されていてもアイソレーション比は７０
ｄＢを保持している。従って、第３の実施例の光変流器
は高いシールド効果を保持していることが理解できる。
また、図１１に示す変流器５１の貫通孔における地点
Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｊ、及びＫは、導電体が配置された位置を
示しており、各位置における数値は地点Ｋに導電体が配
置された場合との比較結果である。図１１に示すよう
に、変流器５１の貫通孔における任意の位置に導電体が
設置されていても、センサ出力に変化が無く０ｄＢであ
った。

【００４５】なお、第３の実施例の光変流器は光電流セ
ンサ５２が横置きの場合について説明したが、本発明は
上記のような構成に限定されるものではなく、光電流セ
ンサが縦置きの場合であっても、上記実施例と同様の効
果を奏する。図１２は光電流センサが縦置きの場合の光
変流器の構成を示す斜視図である。図１２において、図
１０と同様に導電体から発生する磁界Ｈに対して光電流
センサ５２における光磁界センサが感受しない方向、す
なわち導電体の導出方向と光電流センサコアの両端面の
対向する方向とが平行となるよう、この光変流器は構成
されている。このように、図１２に示した光変流器は、
変流器５１と縦形の光電流センサ５２とを組み合わして
構成されている。以上のように、第３の実施例の光変流
器は、外部導電体が近傍に配置されていたとしても、セ
ンサ出力にはほとんど影響を受けることがなく、また、
導電体が変流器の貫通孔の内部に配置されていればセン
サ出力にばらつきがない。このため、第３の実施例の光
変流器は、信頼性が高く、優れた精度を有する光変流器
である。

【００４６】《第４の実施例》次に、本発明に係る第４
の実施例の光変流器について、図１３を用いて説明す
る。図１３は第４の実施例の光変流器を示す構成図であ
る。図１３に示した第４の実施例の変流器１１Ｄが前述
の第１の実施例の変流器１１Ａと異なる点は、変流器１
１Ｄの変流器コア５５を非磁性材料で形成して、空心の
コイル１５で構成した点である。第４の実施例における
その他の構成は、前述の第１の実施例と同じ構成であ
る。従って、図１３において、第１の実施例の光変流器
と同じ機能、構成を有するものには同じ符号を付し、そ
の説明は省略する。

【００４７】従って、第４の実施例の光変流器は、鉄心
コアを使用せず、空心のコイル１５を用いている。これ
により、第４の実施例における変流器１１Ｄは飽和特性
がなくなり、変流器１１Ｄからの出力特性の直線性と周
波数特性が向上する。発明者の測定によれば、出力特性
の直線性と周波数特性は極めて優れた結果が得られた。
図１４は、第４の実施例の光変流器の周波数特性を示し
た図である。図１４において、横軸が周波数［ｋＨｚ］
であり、縦軸が出力相対変化［ｄＢ］である。図１４に
示すように、第４の実施例の光変流器は、ほとんど変化
の少ない出力特性を有しており、特に約１００Ｈｚ以上
の周波数において出力変化はなく、０［ｄＢ］において
直線性を示した。図１４に示した測定において、変流器
１１Ｄの変流器コアは空心コイルであり、光電流センサ
１２Ｄの空隙部分を有する光電流センサコアにはフェラ
イトを使用した。このように構成することにより、第４
の実施例の光変流器は、数Ｈｚから数１００ｋＨｚの広
い範囲に渡って単相や三相一括の微小な高周波電流を測
定することが可能となる。

【００４８】《第５の実施例》次に、本発明に係る第５
の実施例の光変流器について説明する。第５の実施例の
光変流器は、前述の第１の実施例の光変流器と実質的に
同じ構成であり、形成材料のみが異なる。そのため、第
１の実施例において用いた図１を参照して説明する。第
５の実施例の光変流器は、特に高調波成分を含有した電
流を検出するために、変流器コア１４と光電流センサコ
ア１８について、各々の材質の組み合わせに関して工夫
を施した。微小電流に対して高感度な光変流器を得るた
めに、前述の第４の実施例に示したように、変流器コア
や光電流センサコアに軟磁性材料を使用せずに空心コイ
ルとした構成が可能である。しかし、コア材質となるパ
ーマロイ、無方向性ケイ素鋼、方向性ケイ素鋼、フェラ
イト、アモルファス合金等の鉄心に適した軟磁性材料を
組み合わせて、変流器のコイルの巻数Ｎ₁と光電流セン
サの巻数Ｎ₂を適切に選択することにより、微小電流に
対して高感度で広帯域な光変流器を提供することが可能
である。

【００４９】特に、第５の実施例では、変流器コア１４
に高透磁率で高い周波数において優れた特性を有するパ
ーマロイ材料、或いはフェライト材料を用い、光電流セ
ンサコア１８に優れた高周波特性を有するフェライト材
料を用いて形成した。発明者は、これらの変流器コア１
４と光電流センサコア１８を組み合わせることにより、
数１０ｍＡ程度の微小な電流を感度よく、広帯域に測定
できることを確認した。特に、発明者は、変流器コア１
４にフェライト材料を使用し、光電流センサコア１８に
もフェライト材料を使用してこれらを組み合わせた場合
には、１００ＭＨｚ程度の広帯域な光変流器を構成する
ことが可能であった。従って、第５の実施例の光変流器
は、被測定導電体に流れる電流を精度高く測定すること
が可能である。この結果、第５の実施例の光変流器は、
光電流センサコア１８の内径を測定したい導電体である
電線に応じて設計することにより、電力管理システムに
適用することが可能である。例えば、第５の実施例の光
変流器を配電盤や分電盤に後づけ設置し、電力量計、電
子式電力量計、マルチ指示計器、電力量トランスデュー
サ等と組み合わせて、その電線による電力量を計測する
ことにより、省エネルギー管理システムに適用すること
が可能である。

【００５０】

【発明の効果】以上、実施例について詳細に説明したと
ころから明らかなように、本発明は次の効果を有する。
本発明によれば、高精度な変流器と光電流センサとを独
自の構成で組み合わせることにより、被測定導電体に流
れる微小な電流を感度高く検出することができるととも
に、三相一括の零相電流を検出することが可能となる。
また、本発明によれば、光電流センサが磁界の影響を受
けない位置に配置されるため、計測誤差を大幅に低減で
きる高精度な光変流器を得ることができる。さらに、本
発明の光変流器は、広い測定範囲にわたって電流を高精
度に計測することできる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施例の光変流器を示す構
成図である。

【図２】本発明に係る第１の実施例における光磁界セン
サの構成を示す図である。

【図３】本発明に係る第１の実施例において、直線タイ
プの光ファイバを用いた光磁界センサを示す構成図であ
る。

【図４】本発明に係る第１の実施例において、結合レン
ズを用いた場合の光磁界センサを示す構成図である。

【図５】図４に示した光磁界センサに全反射ミラーを用
いた場合を示す構成図である。

【図６】本発明に係る第１の実施例の光変流器における
入力電流［Ａ］に対する比誤差［％］の直線性を示すグ
ラフである。

【図７】本発明に係る第２の実施例の光変流器を示す構
成図である。

【図８】本発明に係る第２の実施例の光変流器において
三相一括の送配電線を測定する場合を示す構成図であ
る。

【図９】本発明に係る第３の実施例の光変流器の構成を
示す斜視図である。

【図１０】本発明に係る第３の実施例の光変流器の具体
的な構成を示す斜視図である。

【図１１】第３の実施例の光電流センサにおけるアイソ
レーション比の測定時の外部導電体の位置を示す説明図
である。

【図１２】本発明に係る第３の実施例の光変流器の他の
具体的な構成を示す斜視図である。

【図１３】本発明に係る第４の実施例の光変流器を示す
構成図である。

【図１４】本発明に係る第４の実施例の光変流器の周波
数特性を示すグラフである。

【図１５】従来の光電流センサの構成を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１１Ａ変流器１２Ａ光電流センサ１３導電体１４変流器コア１５変流器コイル１６ａ、１６ｂ端子線１７光磁界センサ１８光電流センサコア１９光電流センサコイル２０ａ入力光ファイバ２０ｂ出力光ファイバ２１信号処理回路２２光源２３受光素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者笠井孝二大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 2G025 AA01 AA07 AA11 AB10 AB14 AC06 5E081 AA05 AA19 BB03 BB08 CC05 DD06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電磁誘導により被測定導電体に流れる電
流を検出する変流器及び前記変流器の出力を光信号に変
換して電流検出信号を出力する光電流センサ、を具備す
ることを特徴とする光変流器。
【請求項２】前記光電流センサは、前記変流器の出力
が入力されるコイルと、環状の一部に空隙部分を有して
前記コイルが巻回された光電流センサコアと、前記空隙
部分に配置されて前記光電流センサコアによる磁界を検
出するためのファラデー効果を用いた光磁界センサとを
具備する請求項１記載の光変流器。
【請求項３】前記変流器が、軟磁性材料を用いて形成
された変流器コアを有する請求項１記載の光変流器。
【請求項４】前記光電流センサが、軟磁性材料を用い
て形成された光電流センサコアを有する請求項１記載の
光変流器。
【請求項５】前記変流器は、変流器コアが分割された
形状を有する分割形である請求項１記載の光変流器。
【請求項６】前記変流器は、光電流センサコイルの巻
き数が変流器コイルの巻き数以上であることを特徴とす
る請求項１記載の光変流器。
【請求項７】前記変流器は、変流器コアが非磁性材料
で形成され、空心形変流器である請求項１記載の光変流
器。
【請求項８】前記光電流センサが、被測定導電体に流
れる電流により発生する磁界を感受しない方向に設置さ
れている請求項１記載の光変流器。
【請求項９】前記光電流センサが、前記変流器と一体
に取り付けられて固定されている請求項１記載の光変流
器。
【請求項１０】前記変流器が、被測定導電体として三
相一括の交流導電線を収納し、零相電流を検出する請求
項１記載の光変流器。
【請求項１１】前記光磁界センサが、希土類鉄ガーネ
ット材料を用いて形成された請求項２記載の光変流器。
【請求項１２】前記変流器コアがパーマロイ材料であ
り、前記光電流センサコアがフェライト材料であること
を特徴とする請求項２記載の光変流器。
【請求項１３】前記変流器コアがフェライト材料であ
り、前記光電流センサコアがフェライト材料であること
を特徴とする請求項２記載の光変流器。