JP2002303643A

JP2002303643A - 光変流器

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Publication number: JP2002303643A
Application number: JP2001108062A
Authority: JP
Inventors: Eiji Itakura; 英治板倉; Akira Ito; 明伊藤; Tomohiro So; 知宏岨; Takabumi Ito; 高文伊藤; Osamu Sano; 修佐野
Original assignee: Takaoka Electric Mfg Co Ltd
Current assignee: Takaoka Toko Co Ltd
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2002-10-18

Abstract

(57)【要約】【課題】被測定電流の磁界作用で回転する直線偏波光の
回転角から、被測定電流値を求める光変流器において、
外部磁界の影響を低減することにより、測定精度を向上
すること。【解決手段】入射ファイバと電流検出用光ファイバとを
偏光素子を介して一体に結合する偏光子部と、電流検出
用光ファイバと出射ファイバとを検光素子を介して一体
に結合する検光子部とを、被測定電流が流れる導体の軸
方向から見て、前記電流検出用光ファイバの両端がほぼ
一致するように、近接して配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はファラデー効果を利
用して、導体に流れる電流を測定する光変流器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】光の偏波面が磁界の作用により回転する
ファラデー効果を利用した光変流器には、ファラデー素
子に光ファイバを用いた周回積分型の光変流器がある。
その具体的構成は、例えば、特開平９−２８１１５４号
公報に示されている。その一例を図６および図７に示
す。図６の（ａ）は全体構成を示し、（ｂ）は電流検出
部の正面図を示している。また、図７は電流検出部を構
成する偏光子部と検光子部の詳細を示している。

【０００３】光変流器は電流検出部１００と、電子回路
部２００とにより構成されている。電流検出部１００
は、入射ファイバ１０と、偏光子部２０と、電流検出用
光ファイバ３０と、検光子部４０と、第１出射ファイバ
５１および第２出射ファイバ５２と、枠体６０とにより
構成されている。また、電子回路部２００は、光源素子
２１０，光電変換素子２２０および信号処理回路２３０
により構成される。

【０００４】電流検出部１００では、入射ファイバ１０
は偏光子部２０を介して電流検出用光ファイバ３０に接
続されている。また、電流検出用光ファイバ３０は検光
子部４０を介して第１および第２出射ファイバ５１，５
２に接続されている。枠体６０は被測定電流が流れる導
体１に、これを取り巻くように配置されている。電流検
出用光ファイバ３０は枠体６０の外周に沿って周回状に
配置されている。偏光子部２０は入射ファイバ１０と電
流検出用光ファイバ３０とが偏光素子２１を介して一体
に結合された構造となっている。検光子部４０は、第１
レンズ４１ａ、第２レンズ４１ｂおよび第３レンズ４１
ｃと、検光素子４２と、プリズム４３と、それらを収納
する収納箱４４とにより構成されている。

【０００５】光源素子２１０から出射した所定波長の光
は入射ファイバ１０を通過し、偏光素子２１により偏光
素子２１の主軸と同方位の直線偏波光となり、電流検出
用光ファイバ３０に入射する。電流検出用光ファイバ３
０から出射した光の偏波面は、導体１に流れる被測定電
流が発生する磁界により、入射光に対してθラジアン回
転されている。この光は第１レンズ４１ａで平行光にさ
れ、検光素子４２を通過することにより被測定電流の電
流値に依存した直線偏波方位の回転角度θを光の強度に
変調される。電流計測範囲を広くするために、導体１に
流れる電流が零アンペアのとき、検光素子４２の主軸と
偏光素子２１の主軸の相対角度がπ／４ラジアンになる
ように調整する。強度に変調された光のうち１方は第２
レンズ４１ｂにより集光されて第１出射ファイバ５１に
入射し、他方はプリズム４３を通過後、第３レンズ４１
ｃにより集光されて第２出射ファイバ５２に入射する。
第１出射ファイバ５１および第２出射ファイバ５２を伝
送した光は光電変換素子２２０により電気信号に変換さ
れた後、信号処理回路２３０で被測定電流値が演算され
る。

【０００６】なお、一般に光源素子２１０にはＳＬＤ、
入射ファイバ１０にはＰＭＦ、電流検出用光ファイバ３
０にはファラデー効果を有した低複屈折の単一モード光
ファイバ、例えば鉛ガラスを主成分とする光ファイバを
使用している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記電流計測用光ファ
イバを用いた光変流器は、導体１を電流検出用光ファイ
バ３０で周回することにより、導体１が発生する磁界を
積分し電流値を求める。そのため、被測定電流を正確に
測定するためには、電流検出用光ファイバ３０を完全に
閉ループにする必要がある。しかし、電流検出用光ファ
イバ３０の両端には、偏光子部２０および検光子部３０
を接続する必要があるため、完全な閉ループを実現する
ことはできない。

【０００８】この課題に対し、特開平７−１７４７９１
号公報では外部磁界の影響を低減する方法として、電流
検出用光ファイバ３０の両端を軸方向から見て重なるよ
うに配置することを開示している。しかしながら、この
方法では電流検出用光ファイバ３０のループ外で発生し
た磁界のうち、導体１に垂直な成分の磁界に対しては影
響は受けないが、導体１に平行な成分の磁界に対して
は、電流検出用光ファイバ３０の両端にできる間隙（未
周回部）の距離ｂに比例した誤差を生じる。

【０００９】電力分野においては、三相導体の電流を計
測する用途が多いため、光変流器にとって最も強い外部
磁界は他相の導体に流れる電流により発生する磁界であ
る。三相導体が無限に平行配置されている場合の他相磁
界は、光変流器が周回する導体１から発生する磁界と直
交する成分が無いため影響を受けることはない。しか
し、三相導体が平行でない場合には、光変流器が周回す
る導体１から発生する磁界に対して直交する磁界が発生
するため、この磁界の影響を受ける。特に、三相一括形
ガス絶縁開閉装置（三相一括形ＧＩＳ）の遮断器タンク
内に光変流器を適用する場合には、同一タンク内に三相
導体が複雑に入り組んで配置されているため、その影響
は無視できない。

【００１０】上記従来の光変流器では、導体１の径方向
に対し、少なくとも距離ｂの未周回部が存在する。未周
回部の距離ｂは、偏光子部２０および検光子部４０の寸
法により決まる。偏光子部２０は、偏光素子２１に積層
型偏光子や、微粒子配向分散型偏光子などを用いること
により直径３〜４ｍｍ程度のパイプ形状にすることがで
きる。しかし、検光子部４０は検光素子４２により２つ
の直線偏波光を取り出すため、第１、第２および第３レ
ンズ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ、検光素子４２およびプリ
ズム４３を収納する収納箱４４の寸法は必然的に大きく
なる。従来技術における電流検出用光ファイバ３０の未
周回部の距離ｂは２０ｍｍ程度となる。そのため、光変
流器の未周回部をできるだけ小さくすることが望まれて
いる。

【００１１】上記従来技術の光変流器において、電流検
出用光ファイバ３０の未周回部ｂが大きくなる理由は、
電流検出部１００から第１、第２出射ファイバ５１，５
２を用いて２つの光信号を取り出していることに起因す
る。すなわち、電流検出部１００から２つの光信号を取
り出すには、検光素子４２として、主軸に平行な光と主
軸と垂直な光とを取り出せる機能を有した検光素子４２
を用いる必要がある。このような検光素子４２には、方
解石や、偏光ビームスプリッタなどがあるが、いずれも
光路が３〜１０ｍｍと長い。そのため、電流検出用光フ
ァイバ３０を検光素子４２を介して第１出射ファイバ５
１および第２出射ファイバと一体固定することは困難で
ある。そこで、電流検出用光ファイバ３０の出射端と、
第１および第２出射ファイバ５１，５２の入射端に第
１、第２および第３レンズ４１ａ，４１ｂ，４１ｃを置
き、電流検出用光ファイバ３０から第１および第２出射
ファイバ５１，５２までの間を空間伝送している。さら
に、第１、第２および第３レンズ４１ａ，４１ｂ，４１
ｃ、検光素子４２、プリズム４３の光学部品は光軸のズ
レが生じないように収納箱４４に収納する必要があるた
め、一層検光子部４０を大型化させ、結果的に電流検出
用光ファイバ３０の未周回部の距離ｂを大きくしてい
る。

【００１２】上記従来技術の光変流器において、電流検
出部１００から２つの光信号を取り出す理由について以
下に述べる。導体１に商用周波電流（Ｉｓｉｎωｔ）が
流れると、第１出射ファイバ５１の出射光量ＰＡおよび
第２出射ファイバ５２の出射光量ＰＢは、式（１）およ
び（２）により表すことができる。ＰＡ＝Ａ（１＋２ｓｉｎ（δ＋Ｖｒ・Ｉｓｉｎωｔ））・・・（１）ＰＢ＝Ｂ（１−２ｓｉｎ（δ＋Ｖｒ・Ｉｓｉｎωｔ））・・・（２）また、δ＋Ｉｓｉｎωｔが小さいとき（１）、（２）式
は（１）’、（２）’式に近似することが出来る。ＰＡ＝Ａ（１＋２（δ＋Ｖｒ・Ｉｓｉｎωｔ））・・・（１）’ ＰＢ＝Ｂ（１−２（δ＋Ｖｒ・Ｉｓｉｎωｔ））・・・（２）’ ここで、Ｖｒは電流検出用光ファイバ３０のヴェルデ定
数、Ａ，Ｂは光源素子２１０の発光量の変動や入射ファ
イバ１０から第１および第２出射ファイバ５１，５２に
至までの光伝送損失により変化する係数、δは電流検出
用光ファイバ３０に加わる応力が、温度変化や振動の影
響により変化することにより生じる光の偏波面の回転角
度である。従来法では、Ａ，Ｂおよびδを補正するため
に以下の手法を採用している。

【００１３】式（１）’において、δは変化する速度が
Ｉｓｉｎωｔに比べ十分遅いため、１＋２δを直流分、
２Ｖｒ・Ｉｓｉｎωｔを交流分と見なすことが出来る。
直流分を交流分で除した値を変調度ＭＡとすると、第１
出射ファイバ５１から出射する光は（３）式により表す
ことができる。（３）式により得られる情報は、係数Ａ
の影響を受けない。ＭＡ＝２Ｖｒ・Ｉｓｉｎωｔ／（１＋２δ） ≒２Ｖｒ・Ｉｓｉｎωｔ（１−２δ）・・・（３）また、第１出射ファイバ５２から出射する光は同様に
（４）式により表すことができる。ＭＢ＝２Ｖｒ・Ｉｓｉｎωｔ／（１−２δ） ≒２Ｖｒ・Ｉｓｉｎωｔ（１＋２δ）・・・（４）

【００１４】さらに、（３）式と（４）式の差動平均値
Ｍを求めることにより、δの影響を取り除いている。

【００１５】そのため、第１出射ファイバ５１と第２出
射ファイバ５２の出射光のどちらか一方を測定していた
場合、電流検出用光ファイバ３０に加わる応力が、温度
変化や振動の影響により変化することにより生じる光の
偏波面の回転角δが補償できないため、測定する電流値
に誤差を生じる。

【００１６】そこで本発明は、温度変化や振動の影響に
より電流検出用光ファイバに加わる応力が変化しないよ
うに電流検出用光ファイバを配置すれば、電流検出部か
ら取り出す光信号を１つにできることに着目した。すな
わち、電流検出用光ファイバと枠体との間に弾性体を配
置する。これにより温度変化により枠体が変形しても、
電流検出用光ファイバの複屈折の大きさに変化は生じな
い。従って、電流検出部から取り出す光信号を１つにす
ることができ、これにより検光素子に光路が極めて短
く、空間伝送を必要としない薄膜型検光子を用いること
ができる。そのため、電流検出用光ファイバと、検光素
子と、出射ファイバを一体に結合することができ、検光
子部を小型化することができる。本発明は、このような
構成により光変流器の未周回部の距離ｂを小さくするこ
とで、外部磁界の影響を小さくし、計測精度の高い光変
流器を提供するものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１では、
被測定電流が流れる導体の外周にファラデー効果を有す
る単一モード光ファイバで形成した電流検出用光ファイ
バを周回させ、前記電流検出用光ファイバに直線偏波光
を通過させた際に、前記被測定電流の磁界作用で回転す
る前記直線偏波光のファラデー回転角を測定することに
より、被測定電流を求める光変流器において、所定波長
の光を前記電流検出用光ファイバに供給するための入射
ファイバと前記電流検出用光ファイバとを偏光素子を介
して一体に結合する偏光子部と、前記電流検出用光ファ
イバと前記電流検出用光ファイバから出射した光を電子
回路部に供給するための出射ファイバとを検光素子を介
して一体に結合する検光子部とを備え、前記偏光子部と
前記検光子部とを前記電流検出用光ファイバの両端に接
続し、少なくとも前記電流検出用光ファイバの固定面に
弾性体を配置するとともに、前記導体の軸方向から見
て、前記電流検出用光ファイバの両端がほぼ一致するよ
うに、前記偏光子部と前記検光子部とを近接して配置す
ることを特徴とする。

【００１８】本発明の請求項２では、請求項１の光変流
器において、前記偏光子部と前記検光子部とを、平行し
て配置することを特徴とする。

【００１９】本発明の請求項３では、請求項１の光変流
器において、前記偏光子部と前記検光子部とを、交差し
て配置することを特徴とする。

【００２０】本発明の請求項４では、請求項１、請求項
２または請求項３の光変流器において、前記偏光素子お
よび前記検光素子に薄膜偏光素子を使用したことを特徴
とする。

【００２１】上記構成による光変流器では、偏光子部お
よび検光子部を小さくするとともに、被測定電流が流れ
る導体の軸方向から見て、前記電流検出用光ファイバの
両端がほぼ一致するように、前記偏光子部と前記検光子
部とを、近接して配置することにより、電流検出用光フ
ァイバの未周回部の距離を小さくすることができる。そ
のため、外部磁界の影響を受けにくく、計測精度が高い
光変流器を提供することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。図１から図６に本発明の
実施の形態である光変流器の構造を示す。尚、以下の説
明では、上記従来の技術で参照した図において、同一も
しくは相当する部分には同一符号を付してその説明は省
略している。

【００２３】図３は入射ファイバ１０と、偏光子部７０
と、電流検出用光ファイバ３０と、検光子部８０と、出
射ファイバ５０の構成を示している。偏光子部７０は所
定波長の光を電流検出用光ファイバ３０に供給するため
の入射ファイバ１０と、電流検出用光ファイバ３０とを
偏光素子７１を介して一体に結合している。また、検光
子部８０は電流検出用光ファイバ３０と、電流検出用光
ファイバ３０から出射した光を電子回路部に供給するた
めの出射ファイバ５０とを検光素子８１を介して一体に
結合している。偏光素子７１および検光素子８１には積
層型偏光子や、微粒子配向分散型偏光子などの薄膜偏光
素子を用いることができる。

【００２４】図４は図３のうち、偏光子部７０の詳細構
成を示している。偏光子部７０において、入射ファイバ
１０と電流検出用光ファイバ３０とを偏光素子７１を介
して一体に結合させる方法として、入射ファイバ１０お
よび電流検出用光ファイバ３０の先端にフェルール７２
ａ，７２ｂを取り付け、どちらか一方のフェルールの先
端に偏光素子７１を固定した後、２つのフェルール７２
ａ，７２ｂをスリーブ７３ａ内で結合させた状態で固定
する方法がある。固定方法には接着固定、溶接固定また
はハンダ固定などがある。この方法は検光子部８０にお
いて、出射ファイバ５０と電流検出用光ファイバ３０と
を検光素子８１を介して一体に結合させる方法にも使用
できる。この場合、図２に示すように、フェルール７２
ｃ，７２ｄおよびスリーブ７３ｂを使用する。また、電
流検出用光ファイバ３０には鉛ガラスを主成分とする光
ファイバなどが使用できる。

【００２５】図１は図３に示した構造の入射ファイバ１
０、偏光子部７０、電流検出用光ファイバ３０、検光子
部８０および出射ファイバ５０を、枠９０へ固定する方
法を示しており、（ａ）が正面図、（ｂ）が側面図であ
る。また、図２は図１の偏光子部７０と検光子部８０の
取付部の詳細を示している。電流検出用光ファイバ３０
は弾性体９１を介して枠９０の外側面に沿って導体１を
周回するように巻き付け、偏光子部７０と検光子部８０
とが近接して平行になるように配置する。このとき、偏
光子部７０に収納された電流検出用光ファイバ３０の先
端と、検光子部８０に収納された電流検出用光ファイバ
３０の先端とが、被測定電流が流れる導体１の軸方向か
ら見て、ほぼ一致するようにする。

【００２６】枠９０と電流検出用光ファイバ３０の間
に、弾性体９１を配置したため、温度変化等により生じ
る枠９０の膨張、収縮等の変形により発生する応力を電
流検出用光ファイバ３０に伝達しない。弾性体９１には
ゴムやスポンジを用いることができる。また、弾性体９
１として硬化型の液状ゴムを使用し、電流検出用光ファ
イバ３０の外周を覆うように充填しても同様の効果を得
ることができる。

【００２７】フェルール７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２
ｄの径は、例えばＦ０１形単心光ファイバコネクタ（Ｊ
ＩＳＣ５９７０）に定められた物を使用すればφ
２．４９９ｍｍとなる。また、このフェルール７２ａ，
７２ｂ，７２ｃ，７２ｄの突き合わせに使用するスリー
ブ７３ａ，７３ｂの外径は、材質がジルコニアの場合、
φ３．２ｍｍが一般的に用いられる。このフェルール７
２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄおよびスリーブ７３ａ，
７３ｂを使用して、偏光子部７０および検光子部８０を
製作することにより、電流検出用光ファイバ３０の未周
回部の距離ａは３．２ｍｍにすることができる。

【００２８】光源素子２１０から出射した所定波長の光
は入射ファイバ１０を通過し、偏光素子７１により偏光
素子７１の主軸と同方位の直線偏波光となり電流検出用
光ファイバ３０に入射する。電流検出用光ファイバ３０
から出射した光の偏波面は、導体１に流れる被測定電流
（Ｉｓｉｎωｔ）により発生する磁界により、入射光に
対してθラジアン回転されている。電流検出用光ファイ
バ３０を出射した光は、検光素子８１で導体１に流れる
被測定電流の電流値に依存した直線偏波方位の回転角度
θを光の強度に変調された後、出射ファイバ５０により
電子回路部２００に伝送される。電子回路部２００で
は、光は光電変換素子２２０により電気信号に変換され
た後、信号処理回路２３０で被測定電流値が演算され
る。

【００２９】検光素子８１を通過後の光量は、（６）式
で表すことができる。ＰＡ＝Ａ（１＋２ｓｉｎ（Ｖｒ・Ｉｓｉｎωｔ）） ≒Ａ（１＋２（Ｖｒ・Ｉｓｉｎωｔ））・・・（６）本発明では、電流検出用光ファイバ３０を弾性体９１に
より保護している。そのため、温度変化等により生じる
応力の変化は弾性体９１により吸収でき、電流検出用光
ファイバ３０の複屈折の大きさに変化が生じることはな
い。そのため（６）式には（１）式または（２）式に見
られた、電流検出用光ファイバ３０に加わる応力が温度
変化や振動の影響により変化することにより生じる光の
偏波面の回転角度δの項が無く、電流計測精度を一定に
保つことができる。

【００３０】そのため、従来電流計測を安定に行うため
に必要としていた２つの出射ファイバ５０は１つにする
ことができる。その結果、偏光子部７０と検光子部８０
を近接して配置することが可能となる。

【００３１】図５は本発明の光変流器の他の実施の形態
を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−
Ａ断面図を示している。図１では枠９０の側面に導体１
を周回するように電流検出用光ファイバ３０を配置する
とともに、偏光子部７０と検光子部８０とを近接して配
置しているが、図５では枠９０の正面または裏面に導体
１を周回するように電流検出用光ファイバ３０を配置す
るとともに、偏光子部７０と検光子部８０とを交差して
配置している。

【００３２】図５に示した構造で偏光子部７０と検光子
部８０とを交差して配置しているため、電流検出部１０
０から入射ファイバ１０および出射ファイバ５０を、導
体１に対して径方向に引き出しが容易にできる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による光変
流器によれば、電流検出用光ファイバの未周回部の距離
を少なくすることができるため、光変流器の測定精度を
向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる、光変流器
の構成図である。

【図２】図１の偏光子部および検光子部の枠への取付部
の詳細を示した構成図である。

【図３】図１の入射ファイバ、偏光子部、電流検出用光
ファイバ、検光子部および出射ファイバを示す構成図で
ある。

【図４】図３の偏光子部の詳細を示した構成図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態に係わる、光変流器
の構成図である。

【図６】従来の光変流器の一例を示す構成図である。

【図７】図６の偏光子部および検光子部の枠への取付部
の詳細を示した構成図である。

【符号の説明】

１０入射ファイバ３０電流検出用光ファイバ５０出射ファイバ７０偏光子部７１偏光素子８０検光子部８１検光素子９０枠９１弾性体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岨知宏愛知県西春日井郡西枇杷島町芳野町３丁目１番地株式会社高岳製作所技術開発センター内 (72)発明者伊藤高文愛知県西春日井郡西枇杷島町芳野町３丁目１番地株式会社高岳製作所技術開発センター内 (72)発明者佐野修愛知県西春日井郡西枇杷島町芳野町３丁目１番地株式会社高岳製作所技術開発センター内Ｆターム(参考） 2G017 AA01 AA13 AB07 AD12 2G025 AB10 AC06 2G035 AA01 AD35 AD37

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定電流が流れる導体の外周にファラデ
ー効果を有する単一モード光ファイバで形成した電流検
出用光ファイバを周回させ、前記電流検出用光ファイバ
に直線偏波光を通過させた際に、前記被測定電流の磁界
作用で回転する前記直線偏波光のファラデー回転角を測
定することにより、被測定電流を求める光変流器におい
て、所定波長の光を前記電流検出用光ファイバに供給するた
めの入射ファイバと前記電流検出用光ファイバとを偏光
素子を介して一体に結合する偏光子部と、前記電流検出用光ファイバと前記電流検出用光ファイバ
から出射した光を電子回路部に供給するための出射ファ
イバとを検光素子を介して一体に結合する検光子部とを
備え、前記偏光子部と前記検光子部とを前記電流検出用光ファ
イバの両端に接続し、少なくとも前記電流検出用光ファイバの固定面に弾性体
を配置するとともに、前記導体の軸方向から見て、前記電流検出用光ファイバ
の両端がほぼ一致するように、前記偏光子部と前記検光
子部とを近接して配置することを特徴とした光変流器。
【請求項２】前記偏光子部と前記検光子部とを、平行し
て配置することを特徴とする請求項１記載の光変流器。
【請求項３】前記偏光子部と前記検光子部とを、交差し
て配置することを特徴とする請求項１記載の光変流器。
【請求項４】前記偏光素子および前記検光素子に薄膜偏
光素子を使用したことを特徴とする請求項１、請求項２
または請求項３記載の光変流器。