JP2003525829A - 電流の測定方法および装置 - Google Patents

電流の測定方法および装置

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JP2003525829A JP2000592647A JP2000592647A JP2003525829A JP 2003525829 A JP2003525829 A JP 2003525829A JP 2000592647 A JP2000592647 A JP 2000592647A JP 2000592647 A JP2000592647 A JP 2000592647A JP 2003525829 A JP2003525829 A JP 2003525829A
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    • C03C13/00—Fibre or filament compositions
    • C03C13/04—Fibre optics, e.g. core and clad fibre compositions
    • C03C13/041—Non-oxide glass compositions
    • C03C13/042—Fluoride glass compositions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/245—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G01R15/246—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect based on the Faraday, i.e. linear magneto-optic, effect

Abstract

(57)【要約】 低ベルデ定数と約０．２５（ｎｍ／ｃｍ）（ｋｇ／ｃｍ2 ）を越えない光弾性係数を有する弗化ガラスからなるガラスファイバー（３）センサーで、電流により生じた磁場内の、光源（１、２）から出た偏光（６、７、８）の回転角度を測定する工程を含む、導体（４）の過大電流の大きさを決定する方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本出願は１９９９年１月５日出願のヨーロッパ特許出願第９９４０００１６．
４号および１９９９年１月２２日出願の米国仮特許出願Ｓ．Ｎ．６０／１１６７
０６号から米国特許法（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．）１１９条の優先権を主張して出願さ
れたものである。
【０００２】発明の分野 本発明は過大電流の測定とその目的のための装置の製造に関する。
【０００３】関連技術の説明 ファラデー効果に基づく光ファイバー電流センサーは大電流の遠隔測定に多く
の利点を有する。これらの利点には、広範なダイナミックレインジ、高速応答、
電磁妨害雑音に対する抵抗性、小さなサイズおよび低いコストが含まれる。その
結果、近年多くの光ファイバー電流センサーが研究されてきた。これらは、主と
して、シリカのクラッドを有する単一モード光ファイバー（ＳＭＦ）を使用して
きた。
【０００４】 これらのセンサーは精度と安定性が足りないのでいまだ実用段階に達していな
かった。この原因は主として測定中のファラデー回転を歪ませる固有のおよび誘
導性の線形複屈折に起因している。シリカファイバーでサージ電流や故障電流の
ような大電流を正確に測定することが不可能なため特に重大な問題が発生する。
このような電流は過大で、ある環境では１８０ｋＡにまで大きくなる。これらは
一般に短絡のような故障により発生する。
【０００５】 ファラデー効果とは直線偏光が、磁場の中に該磁場に平行に置かれている透明
材料の中を通るとき偏光面が回転する現象である。回転角度の大きさ（θ）は次
式のように度（°）で示される。
【０００６】 θ＝ＶＨＬ ここでＨは磁場の強さ（Ａ／ｍ）、Ｖは材料のベルデ定数、Ｌは磁場が作用す
る伝搬路の長さ（ｍ）である。
【０００７】 磁場の強さはアンペア（Ａ）と単位長さ（ｍ）当たりの巻数（Ｔ）との積（Ａ
Ｔ／ｍ）で測定される。各値は１巻（one turn）分として表されるので、通常
は、この要素は独立して表されるものではなく包含されているものである。この
ゆえに、磁場の強さは慣例上、伝搬路の単位長さ（ｍ）当たりのアンペア（Ａ）
またはキロアンペア（ｋＡ）で与えられる。
【０００８】 ベルデ定数Ｖは、単位長さ当たりの磁場強度により割り算された回転角度であ
る。この角度は習慣的に使用される角度測定単位のいずれでも表現できるが、こ
こでは度が使用されている。ベルデ定数値は、特に指定しない限り、磁場の強さ
（ｋＡ×Ｔ／ｍ）ｍで割り算された度で表示される。
【０００９】 無限に長い直線導体の周りの磁束密度（Ｂ）の大きさは次式で表示される。
【００１０】 Ｂ＝（μ0 ／４π）（２Ｉ／ａ） ここでＩは電流、μ0 は真空の透磁率、ａは導体から磁場までの径方向距 離である。磁場は以下の簡単な関係で磁束密度と関連付けられる。
【００１１】 Ｂ＝μ0 Ｈ （１）（２）（３）の式を組み合わせると回転角度と電流の間に以下の比例関
係を与えられる。
【００１２】 θ＝ＶＩ ここでθは度、Ｖはベルデ定数、Ｉはキロアンペア（ｋＡ）である。したがっ
て、電流測定方法の感度は回転角度を如何に正確に測定できるかにより変わる。
【００１３】 回転角度の測定感度は、また別の要素である複屈折により影響される。複屈折
は主としてファイバーが被りやすい曲げその他の歪みにより生ずる内部応力から
誘発される。単一モードファイバーにおける線形複屈折の原因には、製造過程か
らの残留応力、曲げ、接触、熱応力が含まれる（山下、他；「電流センサーのた
めの極めて小さい応力光学係数を有する単一モードガラスファイバー」；光ファ
イバーセンサー：日本国札幌；論文Ｗｅ２‐４；１６８頁（１９９６年）（『山
下』））。
【００１４】 応力から誘発された複屈折は光弾性定数（または光弾性係数）と呼ばれる係数
で表示されている。光弾性係数（Ｂp ）は、応力方向（ｎ（ｐａｒ））の屈折
率と垂直方向（ｎ（ｐｅｒ））の屈折率との差と、加えられる応力とを関係付け
る係数として定義されている。
【００１５】 ｎ（ｐａｒ）−ｎ（ｐｅｒ）＝Ｂp σ これは、また、応力（ｋｇ／ｃｍ2 ）により割り算された、伝搬路長さ（ｃ
ｍ）当たりの波長（ｎｍ）の単位で測定される位相シフトとみなされる。よって
、この値の単位は（ｋｇ／ｃｍ2 で割り算されるｎｍ／ｃｍ）となる。
【００１６】 理想的なガラスファイバーは光弾性係数がゼロであり、よって応力から誘発さ
れた複屈折の影響作用は全く存在しない。しかし、これはその他の望ましい特性
と共に得ることは困難であることが分かっている。故に、ゼロに近い値、例えば
−０．２乃至０．２の範囲内の値が、いくつかの目的については十分であると考
えられている。
【００１７】 サージ電流の測定において、回転角度を９０度以下に保つことが重要である。
高い値のベルデ定数を有するガラスファイバーでは、故障電流測定が９０度以上
の回転角度を生み出し易い。９０度以上の回転角度は９０度以下の回転角度と同
一と記録する。対照的に、低いベルデ定数のガラスファイバーを有する装置は大
きな故障電流の測定時に大きな回転角度を持たないであろう。したがって、この
ような電流を正確に測定する。
【００１８】 サージ電流および故障電流のような大電流を測定するための進歩性のある方法
および装置を提供することが本発明の１つの目的である。
【００１９】 このような進歩性のある方法および装置に使用するに適したガラスを提供する
ことが別の目的である。
【００２０】 低ベルデ定数と共にゼロに近い光弾性係数を有するガラスを作る方法を提供す
ることが更に別の目的である。
【００２１】 低ベルデ定数を有するガラスの光弾性係数を減少させる方法を提供することが
なお更に別の目的である。
【００２２】発明の概要 本発明は、その一部として、測定に適する波長において低いベルデ定数を有し
且つ組成の主要成分として弗化ジルコニウムを含む弗化ガラスの光弾性係数を低
下させる方法であって、ガラス組成の中に少量の弗化鉛を含ませる工程を有する
方法に関する。
【００２３】 本発明は、さらに、サージ電流や故障電流の大きさ約２００ｋＡまでを求める
方法であって、 ガラスが主として弗化ジルコニウムからなり、約３％までの弗化鉛を含有する
組成を有し且つ測定に使用する波長において低いベルデ定数を有し、その波長に
おいて、通過当たりｋＡ当たり０．４５度未満の偏光の角度回転を生じさせるこ
とができるガラスファイバー電流センサーを提供する工程と、 導体に電流を流してこの導体を囲繞する磁場を作る工程と、 このようにして作られた磁場の中に前記電流センサーを配置し、前記ガラスフ
ァイバー電流センサーの中に偏光を伝搬させ、前記ガラスファイバー電流センサ
ー中における偏光の回転角度を測定する工程と、 前記偏光の回転角度から電流の大きさを決定する工程と、 を有する方法に関する。
【００２４】 発明の詳細な説明 本発明は過大電流の大きさを決定する方法および装置に関する。電流の大きさ
は偏光が磁場内のファイバーを通って伝搬するとき電流が該偏光中に与える回転
の角度を測定して決定される。回転角度はファイバーが線引されるガラスが低い
ベルデ定数を有する場合に小さい。特に、本発明の弗化ガラスから作られるファ
イバーのベルデ定数は０．４５度／ｋＡ未満である。したがって、ファイバーが
少なくとも２００ｋＡまでの電流に曝されると、９０度未満の回転角度を記録し
且つ電流を正確に測定する。
【００２５】 ファイバーとは、本質的にファイバーコアと、その外側のクラッド層とからで
きているクラッドファイバー（clad fiber）を意味している。ファイバーコア
は電流測定の機能を果たす部材である。しかしながら、良く知られているように
、ファイバーコアは伝搬中にここから光が損失するのを防止するため低屈折率の
クラッドを必要とする。
【００２６】 屈折率以外に関しては、クラッドの特性はコア用ガラスの特性に緊密に整合し
ていることが望ましい。したがって、コアとクラッドの両方に同一の組成系統の
ガラスを使用することが一般的である。クラッド用ガラスは、低屈折率を付与す
るため改質されることを除いては、コア用ガラスと同一の組成を有している。
【００２７】 ファイバーコアの製造のため、弗化鉛（ＰｂＦ2 ）が弗化ナトリウム（ＮａＦ
）と置換されて弗化ガラスの組成に加えられる。ＰｂＦ2が除去され、代わりに
ＮａＦが含有させられた同一組成のガラスがクラッド用ガラスとして使用され得
る。クラッド用ガラスの屈折率を低下させるため、その他の変更、例えば弗化バ
リウムおよび／または弗化亜鉛に対する変更もなされ得る。例えば、ＮａＦまた
はその他のアルカリ土類金属弗化物、例えば弗化カルシウムまたは弗化マグネシ
ウムが、低屈折率の実現のため、弗化バリウムまたは弗化亜鉛と置換される。両
ガラスは溶融され、且つ公知の二重るつぼ法（double crucible technique
）を使用してクラッドファイバーが線引される。
【００２８】 図１は本発明の装置の実施の形態を示す。好ましくは上記のクラッドファイバ
ー３が使用される。しかし、例えば塊状のガラス片（図示せず）のような任意の
ガラス部材を使用することができる。ファイバー３は偏光の伝搬路となる。磁場
を作るため導体４が電流を伝搬する。好ましくは、ファイバー３は光路の長さを
増大するため、図示のように導体４の周囲に巻かれている。また、ファイバー３
は導体４から絶縁されることが望ましい。
【００２９】 また、前記装置は光線源１を有し、この光線源は光線がファイバー３の入力端
に向かうよう配置されている。光線源１の代表的なものはレーザである。光線が
直線状に偏光されるよう、偏光子２が光線源１の近くに配置されている。アナラ
イザー５がファイバー３の出力端に配置されている。
【００３０】 アナライザー５は導体４を流れる電流に比例して作られる回転偏光成分を導出
する。また、アナライザー５の出力に対応する測定電流を示す装置８を有する。
装置８は代表的に光検出器６と表示装置７である。光検出器６がアナライザー５
の出力を受け入れて検出する。表示装置７は光検出器６の出力を受け入れて表示
する。
【００３１】 選択肢の１つとして、アナライザー５は「山下」に開示されているウォラスト
ンプリズムであってもよい。ファイバーからの光線出力は、互いに直交する２つ
の偏光成分に分割される。装置８が各信号の出力を検知し、出力に対応する測定
電流を示す。
【００３２】 電流は通常の発電所動作において、好ましくはクラッドファイバーの形態をし
たガラス電流センサーを使用して決定される。複屈折の影響を排除するため、好
ましくは、ゼロまたはゼロに近い低い光弾性係数を有するガラスを使用すること
が望ましい。ガラスのベルデ定数は、通常、測定の感度を高めるためできるだけ
大きくされる。しかし、ここでは先に述べたように過大電流を測定するため低い
ベルデ定数が必要である。これによって偏光の回転角度が９０度を越えることが
なくなる。
【００３３】 これまでのところ、溶融シリカが無機ガラスで得られる最小のベルデ定数、１
１５０ｎｍで０．１度／ｋＡを実現していた。しかしながら、溶融シリカは、ま
た、大きな光弾性係数、５６０ｎｍで３．５（ｎｍ／ｃｍ）（ｋｇ／ｃｍ2 ）
を有する。このため、匹敵するベルデ定数およびゼロに近い低い光弾性係数を併
せ持つガラスが求められていた。
【００３４】 ある種類の弗化ガラスが比較的低い光弾性係数を有することが観察されていた
。更に、これらのガラスは低いベルデ定数も持っている。ここで、頭字語ＺＢＬ
ＡＮで知られている弗化ガラスを特に参照する。このガラスはモル％において５
３ＺｒＦ4 、２０ＢａＦ2 、４ＬａＦ3 、３ＡｌＦ3 、２０ＮａＦからなる
組成を有する。このガラスを測定すると、６３３ｎｍで０．２２度／ｋＡという
望ましい低いベルデ定数と、５４６ｎｍで０．３４（ｎｍ／ｃｍ）（ｋｇ／ｃｍ 2 ）という光弾性係数を示す。
【００３５】 過度に大きな電流を測定するため、一層低い光弾性係数が望ましい。弗化鉛（
ＰｂＦ2 ）は約３モル％までの量でＺＢＬＡＮ型ガラス組成に添加されること
ができると判明した。好ましくは、この添加は弗化ナトリウム（ＮａＦ）との置
換によるものである。
【００３６】 更にこのような添加は低い光弾性係数を有するガラスを作ることが判明した。
これらの発見に基づいて、本発明のためのファイバーコアは好ましくは、モル％
で計算して、実質的に、 ５２−５６％ ＺｒＦ4 １４−２４％ ＢａＦ2 ３−６％ ＬａＦ3 ３−６％ ＡｌＦ3 １４−２２％ ＮａＦ 約３％までの ＰｂＦ2 からなる。
【００３７】 特定の実施の形態 ＺＢＬＡＮの組成に基づいて３個のガラスが調整された。このガラス組成のう
ちの二つの組成において、少量の弗化鉛（ＰｂＦ2 ）が弗化ナトリウム（Ｎａ
Ｆ）に置換された。その他の点ではＺＢＬＡＮの組成に変更がなかった。
【００３８】 一つのガラスについて６３３ｎｍと１１５０ｎｍにおいてベルデ定数の測定が
行われ、５４６ｎｍで光弾性係数（Ｂ）の測定が行われた。表１はモル％と重量
％でのＰｂＦ2 含有量と、ベルデ定数および光弾性係数の測定値を示す。
【００３９】 表１ ＰｂＦ 2 モル％ 重量％ Ｖ（６３３ｎｍ）Ｖ（１１５０ｎｍ）Ｂ（５４６ｎｍ） ０．０ ０．０ ０．２２ − ０．３４ ０．７ １．４３ ０．２２ ０．１２ ０．２５ ２．０ ４．２８ ０．２０ − ０．１８ これらのデータは、ＰｂＦ2 の置換率が増加すると光弾性係数がゼロに近づ
くことを示している。しかし、組成物の溶融がますます困難になっている。
【００４０】 表１に示すガラスは、弗化組成物の適当な塊を混合し、この塊を弗素を保持す
るためカバーされた白金るつぼに入れ、８００℃で約４０分間溶解して整えられ
た。つぎにるつぼのカバーが取り去られ、溶融物は六弗化硫黄ガスで覆われなが
ら２−３時間熱処理された。つぎに溶融物は２６０℃に加熱された金型の中に注
入され且つその温度でガラスが焼きなまされた。焼きなまされたガラスは透明で
あり、表１に示す測定作業のテストピースが整えられた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の方法を実施するための装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＥ，ＡＬ，Ａ Ｍ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ， ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，Ｈ Ｕ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ， ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，Ｎ Ｚ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 コーネリアス，ローレン ケイ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14870 ペインテッド ポスト デイヴィス ス トリート 140 (72)発明者 ネッター，ポール エル フランス国 Ｆ−75009 パリ ル ドゥ デルタ 13 (72)発明者 リコルト，ダニエル エル アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14845 ホースヘッズ バリントン ロード 29 (72)発明者 ティック，ポール エイ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14830 コーニング レノックス ドライヴ 10615 Ｆターム(参考） 2G025 AB10 AB12 AC06 2H050 AB18 AD06 4G062 AA06 BB17 CC10 DA01 DB03 DC01 DD01 DE01 DF03 EA01 EB04 EC01 ED01 EE01 EF01 EG04 FA01 FB01 FC06 FD01 FE01 FF01 FG01 FH01 FJ01 FK03 FL01 GA01 GB01 GC01 GD01 GE08 HH01 HH03 HH05 HH07 HH09 HH11 HH13 HH15 HH17 HH20 JJ01 JJ03 JJ05 JJ07 JJ10 KK01 KK03 KK05 KK07 KK10 MM21 NN40

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 測定に適当な波長において低いベルデ定数を有し、組成の
    主成分として弗化ジルコニウムを含有している弗化ガラスの光弾性係数を低下さ
    せる方法において、該ガラス組成に少量の弗化鉛を含有させる工程を含むことを
    特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 前記ガラス組成の中に約３．０モル％を越えない量の弗化鉛
    を含有させる工程を含むことを特徴とする請求項１記載 の方法。
  3. 【請求項３】 主として弗化ジルコニウムであり、且つ少量の弗化バリウム
    、弗化ランタン、弗化アルミニウムおよび弗化ナトリウムを含む弗化ガラス組成
    の中に、弗化鉛を含有させる工程を含むことを特徴とする請求項１記載 の方法
    。
  4. 【請求項４】 モル％で５３％のＺｒＦ4 、２０％のＢａＦ2 、４％のＬ
    ａＦ3 、３％のＡｌＦ3 および２０％のＮａＦから実質的になるガラス組成の
    中に、弗化鉛を含有させる工程を含むことを特徴とする請求項３記載 の方法。
  5. 【請求項５】 光弾性係数を約０．２０（ｎｍ／ｃｍ）（ｋｇ／ｃｍ2 ）
    より低い値に低下させる工程を包含することを特徴とする請求項１記載 の方法
    。
  6. 【請求項６】 約２００ｋＡまでの過大電流の大きさを求める方法において
    、 コア用ガラスが主として弗化ジルコニウムからなり、約３．０モル％までの量
    の弗化鉛を含有する組成を有し且つ測定に使用する波長において低いベルデ定数
    を有し、その波長において、通過当たりｋＡ当たり０．４５度未満の偏光の角度
    回転を発生させることができるガラスファイバー電流センサーを提供する工程と
    、 導体に電流を流してこの導体を囲繞する磁場を作る工程と、 このようにして作られた磁場の中に前記電流センサーを配置し、前記ガラスフ
    ァイバー電流センサーの中に偏光を伝搬させ、前記ガラスファイバー電流センサ
    ー中における偏光の回転角度を測定する工程と、 前記偏光の回転角度から電流の大きさを決定する工程と、 を有することを特徴とする方法。
  7. 【請求項７】 前記導体が中を延びているコイルとして前記ガラス電流セン
    サーを形成する工程を有することを特徴とする請求項６記載 の方法。
  8. 【請求項８】 光弾性係数が０．２５（ｎｍ／ｃｍ）（ｋｇ／ｃｍ2 ）を越
    えないガラスファイバー電流センサーを提供する工程を有することを特徴とする
    請求項６記載 の方法。
  9. 【請求項９】 コア用ガラスが弗化ガラス組成を有し、該弗化ガラス組成が
    主成分としてＺｒＦ4 を含み且つ３モル％までのＰｂＦ2 を含み、よってガラ
    スの光弾性係数が０．２５（ｎｍ／ｃｍ）（ｋｇ／ｃｍ2 ）を越えない値に低下
    していることを特徴とする、磁場内において過大電流を測定するためのガラスフ
    ァイバーセンサー。
  10. 【請求項１０】 前記コア用ガラスが、モル％で計算して、実質的に ５２−５６％ ＺｒＦ4 １４−２４％ ＢａＦ2 ３−６％ ＬａＦ3 ３−６％ ＡｌＦ3 １４−２２％ ＮａＦ 約３％までの ＰｂＦ2 からなることを特徴とする請求項９記載 のガラスファイバーセンサー。
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