JP2001153896A

JP2001153896A - 光ファイバ型電流変成器

Info

Publication number: JP2001153896A
Application number: JP33379199A
Authority: JP
Inventors: Yuji Ichinose; 祐治一ノ瀬; Mitsuji Abe; 充志阿部
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-11-25
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2001-06-08

Abstract

(57)【要約】【課題】タンクの気密性を保持し、センシングファイ
バに外力を与えることなく導体を周回させ、高精度に通
電電流を計測すると共に、簡便な構造とすることにあ
る。【解決手段】絶縁ガス２４が充填されたタンク１と、
タンク内にタンクから絶縁されて支持され、タンクの軸
方向に延びる導体２を有するガス絶縁機器の導体を流れ
る電流を測定する光ファイバ型電流変成器において、フ
ァラデー効果を有する光ファイバ５を非磁性体かつ耐腐
食性材質からなる被覆管３によつて被覆し、タンク外部
より被覆管をタンク内部に挿入し、被覆管を導体に周回
させ、被覆管の片端を再びタンク外部に引き出す構造と
し、気密端子１２によって被覆管表面とタンクとの間で
ガスの気密性を確保し、光ファイバに光を伝播させて電
流を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導体にセンシンフ
ァイバを周回させ、伝播する光のファラデー効果から導
体に流れる電流を計測する光ファイバ型電流変成器に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、導体がガス中に設けられるガス絶
縁機器の電流を計測する方法としては、鉄心にコイルを
巻いた巻線型電流変成器の外に、ファラデー効果を有す
るセンシングファイバあるいは光学素子を導体の周囲に
配置して検出する光電流変成器がある。具体的には、ガ
ス絶縁機器において３相の通電導体が絶縁ガスによって
充填されたタンク内に設置され、各導体の通電電流を計
測するに際し、センシングファイバを各導体にそれぞれ
周回させる。光源からの光を直線偏光に変換し、センシ
ングファイバの一端から直線偏光を入射し、他端より伝
播光を検光子に入射することによって、ファラデー効果
により通電電流に比例して回転する光の偏波面の変化を
光の強度変化に変換する。そして、光強度を電気信号に
変換し、電流を検出する。このような光電流変成器は、
巻線型電流変成器に比べて小型化することが可能であ
り、例えば特開平１０−１４２２６５号公報、特開平５
−２３２１４５号公報、特開平５−１６４７８７号公報
などに示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術では、センシ
ングファイバに外力が加わると、複屈折が発生し、電流
感度が変化するため、測定誤差の原因となる。また、タ
ンク内で放電が発生すると、絶縁ガスが活性化し、セン
シングファイバを劣化させる恐れがある。さらに、タン
クの外に光を引き出す部分においては、絶縁ガスが外部
に漏洩しないようにする必要がある。このため、従来
は、引き出し部を気密構造にしたり、３相の通電導体を
タンクに固定支持している絶縁支持材にセンシングファ
イバを埋め込む構造にしたり、あるいは、絶縁支持材に
溝を設け、センシングファイバを敷設する構造が提案さ
れてきた。しかし、これらの従来技術は、光電流変成器
を導体に取り付ける構造が複雑となる問題があった。

【０００４】本発明の課題は、タンクの気密性を保持
し、センシングファイバに外力を与えることなく導体を
周回させ、高精度に通電電流を計測し、簡便な構造の光
ファイバ型電流変成器を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、センシングファイバを非磁性体でかつ絶縁ガスに対
する耐腐食性のある材質で作られた被覆管で被覆する。
被覆管とセンシングファイバの間に緩衝材を充填する。
そして、ガス絶縁機器のタンク外部より被覆管をタンク
内に挿入し、被覆管を導体に周回させ、被覆管の片端を
再びタンク外に引き出す構造とする。被覆管表面とタン
クとの間でガスの気密性を確保する構造とする。ここ
で、プラズマを発生させる真空容器のプラズマ電流計測
装置に上述した構造を適用する。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態による光
ファイバ型電流変成器の構成とガス絶縁機器の断面構造
を示す。タンク１の中に絶縁ガス２４が充填され、３相
分の導体２ａ、２ｂ、２ｃが設置されている。各導体の
通電電流をそれぞれ計測するために光電流変成器が設け
られる。本実施形態の光電流変成器は、センシングファ
イバ５、偏光子６、検光子７、送光ファイバ８、受光フ
ァイバ９、光源１０、電流検出回路１１からなる。光源
１０から出力される光を送光ファイバ８を介して偏光子
６に入力し、光を直線偏光に変換してセンシングファイ
バ５に入力する。センシングファイバ５はファラデー効
果を有し、複屈折性が小さなシングルモードファイバで
ある。ファラデー効果とは磁気光学効果の一つであり、
磁界中に置かれたファラデー材質中に光を伝播させる
と、光の偏波面が磁界の強さに比例して回転する。導体
２に電流が流れると、その周りに磁界が発生し、各導体
を周回するようにセンシングファイバ５を設置し、光を
伝播させると、磁界を周回積分することと等価となるた
め、そのファラデー回転角θは電流に比例する。θを検
出するため、無通電時の伝播光の偏波面に対して４５°
傾けた直交する光学軸を持つ検光子７で光を検出すれ
ば、その光強度Ｉｐ、Ｉｓは次式となる。Ｉｐ＝Ａ（１―ｓｉｎ２θ）（１）Ｉｓ＝Ａ（１＋ｓｉｎ２θ）（２） θ＝ｎＶｅ・Ｉ（３）ここで、Ａは比例定数、ｎはセンシングファイバの導体
への巻数、Ｖｅは電流感度を表すベルデ定数、Ｉは導体
に流れる電流を示す。このように検光子７で検出した光
を受光ファイバ９を介して電流検出回路１１に入力し、
ここで光強度から通電電流に比例した電流値に変換す
る。図１に示すように、本実施形態は、センシングファ
イバ５を被覆管３によって被覆し、被覆管３をタンク１
のフランジ部４から中に入れ、導体２に被覆管３を周回
させ、再びタンク１の外に引き出すことに特徴がある。

【０００７】さらに、図２に、本実施形態の被覆管３と
フランジ部４の構造を示す。タンク１に設けたフランジ
部４に気密端子１２を取り付け、被覆管３は気密端子１
２の貫通孔を通り、タンク１の中に挿入される。被覆管
３と貫通孔の気密性を確保するため、Ｏリング１３を貫
通孔の上部に置き、押さえ板１４及びボルト１５でＯリ
ング１３を気密端子１２に押しつける。ここでは、被覆
管３のみをタンク内に設ける構造であり、非常に簡便な
構造でセンシングファイバ５を導体に周回させることが
できる。被覆管３は、絶縁ガス２４に対する耐食性ある
材質であり、電流に対する感度を低下させないために、
非磁性体であることが必要である。このような材質とし
ては、例えばステンレススチール鋼などがある。センシ
ングファイバ５に力が加わると、複屈折が発生し、電流
に対する感度が変化する。本実施形態では、図２に示す
ように、被覆管３にセンシングファイバ５が挿入され、
その間に緩衝材１６を充填することにより、センシング
ファイバ５に加えられる振動などによる外力を低減する
ことができる。以上のように、本実施形態によれば、タ
ンク１内部には被覆管３のみを設ける構造であるため、
非常に簡便に光電流変成器を構成でき、また、センシン
グファイバ５に与えられる外力の影響を除去できる。な
お、図１においては、被覆管３ａ、３ｂ、３ｃは各導体
２ａ、２ｂ、２ｃを周回しており、被覆管のそれぞれに
上述した光学系及び電流検出回路を設ければ、同様に電
流を検出できることは言うまでもない。

【０００８】図３は、本発明の他の実施形態を示し、図
１の光学系に反射ミラー１８、ビームスプリッタ１９を
加えてなる光電流変成器に適用した形態を示す。光源１
０から出力される光を偏光子６で直線偏光にし、ビーム
スプリッタ１９を介して被覆管３に挿入されたセンシン
グファイバ５に入射する。センシングファイバ５の反対
側の端面には反射ミラー１８を設け、センシングファイ
バ５を伝播した光はそこで反射され、ファイバ５中を往
復伝播した後、ビームスプリッタ１９を介して検光子７
に入力され、上述したように電流に比例した光強度を検
出する。導体２に周回するために、センシングファイバ
５が曲げられると、ファラデー効果と同様に偏波面が回
転する。図１の実施形態においては、このような偏波面
の回転はセンシングファイバ５を取り付け後に、偏光子
６及び検光子７の光軸を回転させることにより、調整す
る。これに対し、本実施形態では、反射ミラー１８を設
け、往復伝播させると、ファイバ５の曲がりによる偏波
面の回転は旋光性のために相殺することができ、センシ
ングファイバ５を取り付けた後に光学系を構成する必要
がない。

【０００９】図４は、本発明の他の実施形態を示し、フ
ァラデー効果によって変化する伝播光の位相差を検出す
る光電流変成器に適用した形態を示す。上述までの光学
系は、ファラデー効果による偏波面の回転角を検出して
いた。ファラデー効果では伝播光の位相差も同時に変化
する。本実施形態の光学系は、その位相差を検出するも
のである。本実施形態の光電流変成器は、センシングフ
ァイバ５、光ファイバ９、光源１０、電流検出回路１
１、カップラ２０、光位相変調器２５からなる。光源１
０から出た光はカップラ２０を介してＹ型光導波路から
なる光位相変調器２５で２つに分岐され、センシングフ
ァイバ５の両端からそれぞれ逆方向に伝播し、再び光位
相変調器２５に戻り、その干渉光を電流検出回路１１に
よって検出する。両方向の伝播光は全く同一の光路を伝
播するため、電流に比例して変化する位相差のみが干渉
強度の変化として検出できる。従って、図３の反射ミラ
ー１８を設けた場合と同様に、センシングファイバ５を
取り付けた後に光学系を調整する必要がない。なお、通
常、干渉強度は位相差のｃｏｓ関数に比例するため、こ
れをｓｉｎ関数に比例した出力とするため、伝播光を位
相変調する。このような光学系はサニャック光学系と呼
ばれ、回転角速度を検出するジャイロでは公知の技術で
ある。

【００１０】図５は、本発明の実施形態による被覆管３
を固定、支持する方法を示す。上述の本発明の実施形態
では、導体２に周回させる被覆管３の固定、支持法に関
しては特に説明していないが、導体２との絶縁性を確保
できる位置に設置すべきことは言うまでもない。図５に
おいて、絶縁支持材１７は、導体２を支持するためにガ
ス絶縁機器に設けられた既設の部材である。この既設の
絶縁支持材１７を利用して被覆管３を固定する。このよ
うな取り付け構造とすることによつて、絶縁支持材１７
が何らかの原因で移動しても、導体２との絶縁を阻害す
る恐れを除去でき、そして、既設の絶縁支持材１７を利
用することで光電流変成器の構造を簡素化できる。

【００１１】図６は、本発明の実施形態による被覆管３
を２重管構造とした断面図を示す。上述の本発明の実施
形態では、センシングファイバ５を被覆管３によって被
覆する構造であったが、図６では、被覆管３を３ａと３
ａ’の２重管とし、被覆管３ａと３ａ’の間に緩衝材１
６を充填し、その中心部にセンシングファイバ５を設け
る。被覆管３ａ’とセンシングファイバ５の間は中空と
する。または、緩衝材を充填してもよい。このように被
覆管３を２重管構造とすることにより、振動などによる
影響を低減することができる。また、ガス絶縁機器の電
流変成器には高い信頼性が要求され、同一箇所に複数個
の電流変成器が設けられることも多い。そこで、複数の
センシングファイバを同一の被覆管に設け、導体を周回
する位置に被覆管を取り付けることにより、複数の光電
流変成器をタンク内に簡便に設置することができる。

【００１２】上述までの本発明の実施形態では、ガス絶
縁機器の光電流変成器に関して説明したが、真空あるい
はその他のガスで充填された容器の内部に流れる電流を
測定するために、本発明が利用できることは言うまでも
ない。図７は、本発明をトカマク型の核融合装置に適用
した他の実施形態であり、その核融合装置の断面図を示
す。ここで、真空容器２１の内部に発生させるプラズマ
電流を安定に発生するためには、その電流値を検出する
必要がある。従来は、ロゴスキーコイルによって電流を
検出していたが、このロゴスキーコイルによる方法では
電流の微分値を検出するため、その出力を積分して電流
を検出する必要があった。このような方法では、積分器
のドリフトが発生するため、直流電流の高精度な検出は
困難である。一方、光電流変成器は、光強度が電流に比
例するため上述の問題はない。図７に示すように、本実
施形態では、被覆管３を真空容器２１の外側から気密端
子１２を介して挿入し、プラズマ２２が発生する領域の
外側に被覆管３を周回、設置する。そして、上述したよ
うな光学系の構成によってセンシングファイバ５に光を
伝播させることにより、プラズマ電流を検出することが
できる。また、プラズマ２２は、真空容器２１の中心部
に通常は発生するが、プラズマは高温であり、真空容器
２１の壁面に衝突すると、壁面を損傷する恐れがある。
このため、壁面には耐熱タイル２３が取り付けられてい
る。本実施形態では、被覆管３を真空容器２１と耐熱タ
イル２３の間の部分に設ける。これにより、被覆管３の
損傷を押さえることができる。

【００１３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
タンク内部にはセンシングファイバが挿入された被覆管
のみを設ける構造であるので、光電流変成器を簡便に構
成でき、また、タンクの気密性を保持し、被覆管とセン
シングファイバの間に充填された緩衝材により振動など
による外力の影響を除去することができる。この結果、
通電電流を高精度に計測することができる。また、プラ
ズマを発生させる真空容器においても、上述したと同様
に、光電流変成器を簡便に構成でき、また、真空容器の
気密性を保持し、センシングファイバに対する振動など
による外力の影響を除去することができ、この結果、プ
ラズマ電流を高精度に計測することができる。また、被
覆管を真空容器と耐熱タイルの間の部分に設けることに
より、被覆管の損傷を押さえることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による光ファイバ型電流変
成器の構成図

【図２】本発明のファイバ型光電流変成器の被覆管と気
密端子部の構造図

【図３】本発明の他の実施形態

【図４】本発明の他の実施形態

【図５】本発明の実施形態による被覆管３の固定、支持
法を示す図

【図６】本発明の実施形態による被覆管３を２重管構造
とした断面図

【図７】本発明をトカマク型の核融合装置に適用した他
の実施形態

【符号の説明】

１・・・タンク、２・・・導体、３・・・被覆管、４・・・フランジ
部、５・・・センシングファイバ、６・・・偏光子、７・・・検
光子、８・・・送光ファイバ、９・・・受光ファイバ、１０・・
・光源、１１・・・電流検出回路、１２・・・気密端子、１３・
・・Ｏリング、１４・・・押さえ板、１５・・・ボルト、１６・・
・緩衝材、１７・・・絶縁支持材、１８・・・反射ミラー、１
９・・・ビームスプリッタ、２０・・・カップラ、２１・・・真
空容器、２２・・・プラズマ、２３・・・耐熱タイル、２４・・
・絶縁ガス、２５・・・光位相変調器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁ガスが充填されたタンクと、前記タ
ンク内に該タンクから絶縁されて支持され、該タンクの
軸方向に延びる導体を有するガス絶縁機器の該導体を流
れる電流を測定する光ファイバ型電流変成器において、
ファラデー効果を有する光ファイバを非磁性体かつ耐腐
食性材質からなる被覆管によつて被覆し、前記タンク外
部より前記被覆管を前記タンク内部に挿入し、前記被覆
管を前記導体に周回させ、前記被覆管の片端を再び前記
タンク外部に引き出す構造とすることを特徴とする光フ
ァイバ型電流変成器。
【請求項２】請求項１において、前記被覆管と前記光
ファイバの間に緩衝材を充填し、前記被覆管の両端を前
記タンク外部に引き出す手段と、前記被覆管と前記タン
クとの間を気密にする手段を設けることを特徴とする光
ファイバ型電流変成器。
【請求項３】真空容器の内部にプラズマを発生させ、
その熱を取り出す核融合装置のプラズマ電流計測装置に
おいて、ファラデー効果を有する光ファイバを非磁性体
からなる被覆管によって被覆し、前記真空容器外部より
前記被覆管を前記真空容器内部に挿入し、前記被覆管を
前記プラズマが発生する領域の外側に周回させ、前記被
覆管の片端を再び前記真空容器外部に引き出す構造とす
ることを特徴とする光ファイバ型電流変成器。
【請求項４】請求項３において、前記被覆管を前記真
空容器と該真空容器の壁面に取り付けた耐熱タイルとの
間に設置すると共に、前記被覆管と前記光ファイバの間
に緩衝材を充填し、前記被覆管の両端を前記真空容器外
部に引き出す手段と、前記被覆管と前記真空容器との間
を気密にする手段を設けることを特徴とする光ファイバ
型電流変成器。