JP2004301769A - 光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システム - Google Patents
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Abstract
【課題】端子間の距離が離れていても低コストで構成可能であり、大電流計測時の鉄心の磁気飽和に起因する出力歪を発生せず、サージ対策が簡略化可能な光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを提供する。
【解決手段】光電流センサ素子である２つのセンサファイバ１００ａ，１００ｂは、それぞれセンサ部１０１ａ，１０１ｂを構成しており、センサファイバ１００ａ，１００ｂ間は、光伝送用のシングルモードファイバ１２０ａｂにより接続されている。第１のセンサ部１０１ａは、信号処理部３０１とともに、Ａ端子光保護装置部４０１を構成しており、第２のセンサ部１０１ｂは、Ｂ端子保護装置部５０１を構成している。センサファイバ１００ａ，１００ｂは、捻りを加えた石英製の低複屈折シングルモードファイバから構成されており、第１の被測定導体６０１ａを周回するように配置されている。
【選択図】 図１
【解決手段】光電流センサ素子である２つのセンサファイバ１００ａ，１００ｂは、それぞれセンサ部１０１ａ，１０１ｂを構成しており、センサファイバ１００ａ，１００ｂ間は、光伝送用のシングルモードファイバ１２０ａｂにより接続されている。第１のセンサ部１０１ａは、信号処理部３０１とともに、Ａ端子光保護装置部４０１を構成しており、第２のセンサ部１０１ｂは、Ｂ端子保護装置部５０１を構成している。センサファイバ１００ａ，１００ｂは、捻りを加えた石英製の低複屈折シングルモードファイバから構成されており、第１の被測定導体６０１ａを周回するように配置されている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の光電流素子から構成されるサニャック干渉形の光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
変電所内の母線、線路および変電所間を結ぶ送電線には、異常が発生した際に、変電所に設置された電力機器ないしは電力設備を保護し、事故の拡大を防止するために、これらの動作を停止させるための電流計測器とそれを用いた電流差動保護システムが設置されている。一般に、電流差動保護システムとしては、電流計測器に巻線変流器を用いた電磁形のものが実用化されているが、電流計測器として光電流計測器を用い、外部磁界などの外乱を受けにくくサージ対策が簡略できるシステムも提案されている。
【０００３】
図８は、従来のＡ、Ｂ端からなる１回線２端子系統におけるＰＣＭ電流差動保護システムの一例を示す構成図である（特許文献１参照）。この図８において、ＣＢ−Ａ、ＣＢ−Ｂは遮断器、ＣＴ−Ａ、ＣＴ−Ｂは巻線形変流器、８７はＰＣＭ電流差動保護システム、をそれぞれ示しており、この構成により、ＰＣＭ電流差動保護システムは、次のように動作する。
【０００４】
すなわち、巻線形変流器ＣＴ−Ａ、ＣＴ−Ｂの２次電流は、Ｉ／Ｖによりレベル変換され、帯域フィルタＢＰＦを経てＡ／Ｄ変換により符号化された信号が、通信装置によりマイクロ回線等を通じて相手端へ伝送される。相手端からの符号化された受信信号と自端の伝送時間だけ遅延させた信号にてデジタル演算を行い、差動判定により出力を得て遮断器ＣＢ−Ａ、ＣＢ−Ｂを引外す。
【０００５】
この場合の差動判定式は、巻線形変流器ＣＴ−Ａ、ＣＴ−Ｂで測定された電流値を各々、ｉＡ、ｉＢとすると、｜ｉＡ＋ｉＢ｜−ｋ１（｜ｉＡ｜＋｜ｉＢ｜）＞ｋ２、の比率差動である。平常時および外部事故（ＣＴ−Ａ、ＣＴ−Ｂ間外の事故）時は、ｉＡ＝−ｉＢであるため出力を生じないが、内部事故（ＣＴ−Ａ、ＣＴ−Ｂ間内の事故）時には判定式が成立し、出力を生じる。
【０００６】
次に、図９は、従来の故障判定機能を備えた光電流計測器の一例を示す構成図である（特許文献２参照）。この図９に示すように、故障判定機能を備えた光電流計測器は、電力設備に流入、流出する電流を計測するための複数の光ファイバセンサ１１〜１ｎと、光ファイバ伝送路２と、電子回路部３を有している。各部の構成の概略は次の通りである。
【０００７】
まず、各光ファイバセンサ１１〜１ｎは、導体４１〜３ｎの電流値Ｉ１〜Ｉｎをそれぞれ測定するために設けられており、鉛ガラスファイバから構成されている。また、電子回路部３は、光源３ａ、光電変換器３ｂ、信号処理部３ｃ、および図示していない故障判定部等を備えている。
【０００８】
一方、光ファイバ伝送路２は、光源３ａと第１番目の光ファイバセンサ１１との間、第２番目以降の光ファイバセンサ１２〜１ｎにおける隣接する２つの光ファイバセンサ同士の間、および最後の光ファイバセンサ〜１ｎと光電変換器３ｂとの間、をそれぞれ直列接続するように設けられている。なお、この光ファイバ伝送路２は、石英製の偏波面保持（維持）ファイバＰＭＦで構成されている。以下にはさらに、光源３ａから光電変換器３ｂに至る光学系統の詳細な構成と、信号処理部３ｃの詳細について順次説明する。
【０００９】
まず、各光ファイバセンサ１１〜１ｎの入出力端には、偏波モード変換素子（具体的には、λ／４波長板）λ／４がそれぞれ設けられている。この偏波モード変換素子λ／４は、光ファイバセンサ１１〜１ｎ内を伝播させる光の偏波モードを円偏波に変更させるとともに、光ファイバ伝送路２内を伝播させる光の偏波モードを直線偏波に変更させるようになっている。
【００１０】
また、第１番目の偏波モード変換素子λ／４に光を導く偏波面保持ファイバＰＭＦと、最後部の偏波モード変換素子λ／４に光を導く偏波面保持ファイバＰＭＦの前には、それぞれファラデー回転子４、５が設置されている。そしてまた、これらのファラデー回転子４、５の前には、偏光ビームスプリッタＰＢＳが設置されるとともに、光源３ａとビームスプリッタＰＢＳとの間には、偏光子６が設置されている。さらに、ビームスプリッタＰＢＳの出射端側には、偏波モード変換素子λ／４と検光子７が設けられている。
【００１１】
一方、光電変換器３ｂは、一対のホトダイオードＰＤ１、ＰＤ２から構成されている。また、信号処理器３ｃは、バンドパスフィルタＢＰＦ、ローパスフィルタＬＰＦ、除算器÷、減算器（Ａ−Ｂ）、等を備えている。
【００１２】
以上の構成を有する図９の光電流計測器において、第ｉ番目の光ファイバセンサ１ｉに電流Ｉｉが流れている場合には、時計回り（ｃｗ）の光と反時計回り（ｃｃｗ）の光が、光ファイバセンサ１ｉ中を円偏波で通過する際に、ファラデー効果によって位相が発生する。
【００１３】
この場合に、発生する位相φｉは、光ファイバセンサを円偏波が通過する際に発生するファラデー回転角をθｉ、ベルデ定数をＶとすると、次のように表現できる。ここで、光ファイバセンサの巻き数は１としている。
【数１】
（φｉ）ｃｗ＝θｉ
（φｉ）ｃｃｗ＝−θｉ
θｉ＝ＶＩｉ
【００１４】
時計回り（ｃｗ）の光と反時計回り（ｃｃｗ）の光がすべての光ファイバセンサを通過させ干渉させた結果として得られる出力Ｓは、電流を交流としてθ１＋θ２＋．．．＋θｎが小さいと仮定すると、次のように表現できる。
【数２】
Ｓ＝４Ｖ（Ｉ１＋Ｉ２＋．．．＋Ｉｎ）
【００１５】
したがって、信号処理部３ｃでは、光電変換器３ｂの出力信号を得ることにより、その出力信号から、各光ファイバセンサ１１〜１ｎに流れる電流Ｉ１〜Ｉｎの総和に等しい出力Ｓを求めることができる。
【００１６】
さらに、図示されていない故障判定部では、信号処理部３ｃの出力信号を受けて、キルヒホッフの第１法則に基づき、電力設備に流入、流出する電流Ｉ１〜Ｉｎの総和が零以外になった場合に異常があると判断して外部にその旨の信号を送出し、この送出信号に基づいて電力設備を停止させる。
【００１７】
【特許文献１】
特開平５−１３７２３６号公報
【特許文献２】
特開２０００−５９９８７号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８、図９に示したような従来の電流差動保護システムや光電流計測器には、それぞれ、一長一短ともいえるような相反する利点と問題点がある。以下には、この点について順次説明する。
【００１９】
まず、図８に示す従来のＰＣＭ電流差動保護システムは、マイクロ回線等により通信するため、距離が離れた端子間でもコストが過度に増大することはなく、経済的に保護システムを構成できるという利点がある一方で、次のようないくつかの問題点がある。すなわち、この従来のＰＣＭ電流差動保護システムにおいては、巻線形変流器の出力をデジタル変換する手段、端子間を通信する手段、差動判定する手段、等の複数の手段を、端子毎に専用に設けているため、システム中の電子部品数が増大し、その結果、システムが大型化するとともに高価となり、費用対効果を考慮しても適切ではないという問題点がある。
【００２０】
この従来のＰＣＭ電流差動保護システムにはまた、鉄心入り巻線形変流器を使用した場合には、事故電流時に鉄心が飽和するために出力が歪むという問題点がある。さらに、空芯の巻線形変流器を使用した場合に、外部磁界などの外乱を受け易く、保護システムに対するサージ対策が難しいという問題点がある。
【００２１】
これに対して、図９に示す故障判定機能を備えた光電流計測器においては、図８のＰＣＭ電流差動保護システムとは逆に、電子部品の数を減らすことができる、鉄心入り巻線形電流計測器でないため大電流計測時の鉄心の磁気飽和に起因する出力歪を生じない、外部磁界などの外乱を受けにくく、サージ対策が簡略できる、という利点がある。
【００２２】
その一方で、この従来の光電流計測器においては、図８のＰＣＭ電流差動保護システムにおいて得られる利点、すなわち、距離が離れた端子間でも保護システムを構成できるという利点を得ることはできない。すなわち、図９に示す光電流計測器においては、光ファイバセンサ間を高価な偏波面保持ファイバを用いて接続しているため、費用対効果の観点から、距離の離れた端子間ではコストが過度に増大してしまい、経済的に保護システムを構成できないという問題点がある。この従来の光電流計測器には、他にも、次のようないくつかの問題点がある。
【００２３】
まず、光ファイバセンサとして伝送損失の大きい鉛ガラスファイバで構成し、かつ異種材質である石英製の偏波面保持ファイバと接続して構成するため、接続点での光量損失が大きくなり、接続する光ファイバセンサの数に制限があり、広く差動保護システムに適用できないという問題点がある。
【００２４】
また、時計回りと反時計回りの光を干渉させる構成であるが、時計回りの光はビームスプリッタＰＢＳを２回透過し、反時計回りの光はビームスプリッタＰＢＳで２回反射されることから、両光が通過する光路は完全に同一ではないため、ファラデー効果以外の効果が出力に現れるとともに、時計回りの光と反時計回りの光の光量を同一にすることが困難である。さらに、ビームスプリッタＰＢＳ等、バルクの光学素子を用いていることから、光を空間中で伝搬させる領域が存在するため、外部環境変化に伴う光電流計測器自体の安定性を向上させることも困難である。
【００２５】
そしてまた、電力設備の故障判断においては、電流量の総和が零以外になった場合に異常があるとしているが、電力設備に流れる電流量によって誤差の度合いが異なるため、正しい判定ができないという問題がある。
【００２６】
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、端子間の距離が離れていても低コストで構成可能であり、大電流計測時の鉄心の磁気飽和に起因する出力歪を発生せず、サージ対策が簡略化可能で、さらに、システムの安定化、小型・軽量化に貢献でき、光量の損失問題を克服可能な光電流計測器を提供するとともに、そのような光電流計測器を用いた信頼性の高い電流差動保護システムを提供することである。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光電流計測器は、上記のような目的を達成するために、光電流センサ素子間をシングルモードファイバで接続することにより、端子間の距離が離れていても、長距離の光伝送路を低コストで構成することができるようにしたものである。
【００２８】
請求項１の発明は、光源と、光源から出射される光を２分岐する第１の光分岐器と、第１の光分岐器から出射される光を偏光する第１の偏光フィルタと、第１の偏光フィルタから出射される光を２分岐する第２の光分岐器と、第２の光分岐器の一方の端部に接続する位相変調器と、第２の光分岐器および位相変調器を介して逆方向に周回する２方向の光を送り込まれる複数の光電流センサ素子とを備えたサニャック干渉形の光電流計測器において、前記複数の光電流センサ素子中における隣接する２つの光電流センサ素子間がシングルモードファイバで接続されたことを特徴としている。
【００２９】
この発明によれば、光電流センサ素子間をシングルモードファイバで接続することにより、端子間の距離が離れていても、高価な偏波面保持ファイバで接続した場合に比べて、長距離の光伝送路を持つ光電流計測器を格段に低コストで実現できる。また、光電流計測器であるため、大電流計測時の鉄心の磁気飽和に起因する出力歪を発生せず、かつサージ対策が簡略化できる。
【００３０】
請求項２の発明は、請求項１の光電流計測器において、前記複数の光電流センサ素子のうち、所定の近接条件を満たす位置関係にある光電流センサ素子間が偏波面保持ファイバで接続され、前記近接条件を満たす位置関係にない光電流センサ素子間がシングルモードファイバで接続されたことを特徴としている。この発明によれば、高価な偏波面保持ファイバを長く使用することもなく、光量損失を抑制可能な光電流計測器を実現できる。
【００３１】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の光電流計測器において、前記隣接する２つの光電流センサ素子間が次のように構成されたことを特徴としている。すなわち、前記隣接する２つの光電流センサ素子において、各光電流センサ素子には、１／４波長板と偏光フィルタがこの順で接続され、隣接する偏光フィルタ間にデポラライザが挿入され、シングルモードファイバで接続される。
【００３２】
この発明によれば、最初の光電流センサ素子内に円偏波の光もしくは楕円偏波の光を伝搬させ、最初の測定電流によりファラデー効果を受けた後、１／４波長板で直線偏波の光として偏光フィルタにより直線偏波の消光比を高めた後、無偏波な光にしてシングルモードファイバを伝搬させることができる。この際、シングルモードファイバを伝搬させた後、無偏波な光としても同様な作用があるため、デポラライザはシングルモードファイバの任意の位置に配置すればよい。無偏波の光は、次の偏光フィルタにより直線偏波の光にされた後、１／４波長板により円偏波の光もしくは楕円偏波の光にされ、次の光電流センサ素子内に円偏波の光もしくは楕円偏波の光を伝搬させ、次の測定電流によりファラデー効果を受けることができる。なお、光の伝搬方向が逆となった場合でも同様な作用が得られる。
【００３３】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかの光電流計測器において、光増幅器が挿入されたことを特徴としている。この発明によれば、挿入された光増幅器により、光量損失を補うことができる。
【００３４】
請求項５の発明は、請求項４の光電流計測器において、前記光増幅器がシングルモードファイバもしくはデポラライザ中に配置されたことを特徴としている。この発明によれば、光源から離れた位置で、かつ光電流センサ、１／４波長板および偏光フィルタでない場所に光増幅器を配置することにより、非干渉光を受光器に戻さないようにするとともに、精度よい電流測定を行いながら、光量損失を補うことができる。
【００３５】
請求項６の発明は、請求項３の光電流装置において、前記デポラライザが偏波面保持ファイバにより構成され、デポラライザに生じた直交成分間の群遅延時間差が光コヒーレント時間より大となるように構成されたことを特徴としている。この発明によれば、時間差を利用した無偏光化が実現でき、複数の光電流センサ素子間をシングルモードファイバで接続して光レベルでの和もしくは差の電流演算が可能となる。
【００３６】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかの光電流計測器において、前記光電流センサ素子が、被測定導体を周回するように配置されたセンサファイバであることを特徴としている。この発明によれば、省スペ−ス化を図りながら被測定導体の回りに光電流センサ素子を取り付けることができるため、外部磁界の影響を受けにくい精度のよい測定が可能となる
【００３７】
請求項８の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかの光電流計測器において、前記光電流センサ素子が、被測定導体に電磁結合された巻線コイルの２次出力を検出するように配置されたセンサファイバであることを特徴としている。この発明によれば、既設の電力設備等に対しても、大きな変更なしに簡易に光電流計測器を取り付けることが可能になる。
【００３８】
請求項９の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかの光電流計測器において、前記１／４波長板が、センサファイバの一部を曲げることによって製作されたファイバ素子であることを特徴としている。この発明によれば、接接続点をなくすことができるので接続損失を低減できる。
【００３９】
請求項１０の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかの光電流計測器において、前記１／４波長板が偏波面保持ファイバであることを特徴としている。この発明によれば、光電流計測器を全ファイバ化でき、外部環境変化に対して安定にすることができる。
【００４０】
請求項１１の発明は、保護対象設備の複数箇所の電流を計測する複数の電流計測器と、それらにより計測された電流の和もしくは差を算出する演算回路と、その演算結果に基づき保護対象設備の異常を判定する判定回路を備えた電流差動保護システムにおいて、前記複数の電流計測器が、請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の光電流計測器であることを特徴としている。
【００４１】
この発明によれば、請求項１乃至請求項１０のいずれかの光電流計測器を使用することにより、端子間の距離が離れていても、光電流計測器を用いた電流差動保護システムを低コストで構成することができる。また、システムの安定化、小型化、軽量化、さらに光量の損失問題の解決が可能な光電流計測器を用いた信頼性の高い電流差動保護システムが実現できる。
【００４２】
請求項１２の発明は、請求項１１の電流差動保護システムにおいて、前記保護対象設備に設けられた各端子の３相電流量を標本量とすることを特徴としている。この発明によれば、使用するシングルモードファイバケーブルの本数を削減することができる。
【００４３】
請求項１３の発明は、請求項１１または請求項１２の電流差動保護システムにおいて、抑制量として保護対象設備の片端の電流値、特に電流値のスカラ量を用いることを特徴としている。この発明によれば、保護対象設備に流れる電流量に係わらず信頼度の高い異常判定をすることができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下には、本発明を適用した光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムの実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００４５】
［第１の実施形態］
図１は、本発明を適用した第１の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図である。図１において、光電流センサ素子である２つのセンサファイバ１００ａ，１００ｂは、それぞれセンサ部１０１ａ，１０１ｂを構成しており、センサファイバ１００ａ，１００ｂ間は、光伝送用のシングルモードファイバ１２０ａｂにより接続されている。また、第１のセンサ部１０１ａは、信号処理部３０１とともに、Ａ端子光保護装置部４０１を構成しており、第２のセンサ部１０１ｂは、Ｂ端子保護装置部５０１を構成している。以下には、各部の構成の詳細について順次説明する。
【００４６】
Ａ端子光保護装置部４０１側に設けられた信号処理部３０１は、まず、光信号を送出するために、光源８、入射光を２分岐する第１の光分岐器９、入射光を無偏光に変換する第１のデポラライザ１０、入射する無偏光を直線偏光に変換する第１の偏光フィルタ１１、入射光を２分岐する第２の光分岐器１２、入射光を位相変調する位相変調器１３、光伝送用のシングルモードファイバ１４ａ，１４ｂ、等を備えている。
【００４７】
信号処理部３０１の第２の光分岐器１２から分岐した一方のシングルモードファイバ１４ａは、入射光を無偏光に変換する第２のデポラライザ１５ａ、入射光を直線偏光に変換する第２の偏光フィルタ１６ａ、を介して、第１のセンサ部１０１ａに接続されている。
【００４８】
第１のセンサ部１０１ａは、光電流センサ素子である第１のセンサファイバ１００ａと、その両端に配置された第１、第２の１／４波長板１７ａ，１８ａから構成されている。ここで、第１のセンサファイバ１００ａは、捻りを加えた石英製の低複屈折シングルモードファイバから構成されており、第１の被測定導体６０１ａを周回するように配置されている。また、第１、第２の１／４波長板１７ａ，１８ａは、接続による損失を抑えるためにセンサファイバの一部を曲げることにより製作されているか、もしくは、石英製の偏波面保持ファイバ（例えば、楕円コアファイバ）で構成されている。
【００４９】
第１のセンサ部１０１ａを挟んで第２の偏光フィルタ１６ａと対向する位置には、入射光を直線偏光に変換する第３の偏光フィルタ１９ａが配置されており、光伝送用のシングルモードファイバ１２０ａｂに接続されている。Ａ端子光保護装置部４０１は、このシングルモードファイバ１２０ａｂを介して、Ｂ端子光保護装置部５０１に接続されている。
【００５０】
ここで、光伝送用のシングルモードファイバ１２０ａｂは、Ｂ端子光保護装置部５０１において、入射光を無偏光に変換する第３のデポラライザ１５ａｂ、入射光を直線偏光に変換する第４の偏光フィルタ１６ｂ、を介して、第２のセンサ部１０１ｂに接続されている。
【００５１】
第２のセンサ部１０１ｂは、光電流センサ素子である第２のセンサファイバ１００ｂと、その両端に配置された第３、第４の１／４波長板１７ｂ，１８ｂから構成されており、第２のセンサファイバ１００ｂは、第２の被測定導体６０１ｂを周回するように配置されている。ここで、第２のセンサ部１０１ｂは、本質的に、第１のセンサ部１０１ａと同様の構成を有する。すなわち、第２のセンサファイバ１００ｂは、第１のセンサファイバ１００ａと同様に構成されており、また、第３、第４の１／４波長板１７ｂ，１８ｂは、第１、第２の１／４波長板１７ａ，１８ａと同様に構成されている。
【００５２】
第２のセンサ部１０１ｂを挟んで第４の偏光フィルタ１６ｂと対向する位置には、入射光を直線偏光に変換する第５の偏光フィルタ１９ｂが配置されており、入射光を無偏光に変換する第４のデポラライザ１５ｂａを介して、光伝送用のシングルモードファイバ１２０ｂａに接続されている。すなわち、Ｂ端子光保護装置部５０１は、このシングルモードファイバ１２０ｂａを介して、Ａ端子光保護装置部４０１の位相変調器１３側に接続されている。
【００５３】
Ａ端子光保護装置部４０１側に設けられた信号処理部３０１はまた、第１、第２のセンサ部１０１ａ，１０１ｂを通過して戻ってきた光を検出するための受光器２４、検波回路２５を備えるとともに、位相変調器１３用の発振回路２６を備えている。Ａ端子光保護装置部４０１にはさらに、信号処理部３０１から出力された出力信号を判定する判定部２７が設けられている。
【００５４】
なお、Ａ端子およびＢ端子の２端子からなる保護対象設備の場合、第１、第２のセンサ部１０１ａ，１０１ｂで測定対象とする第１、第２の被測定導体６０１ａ，６０１ｂは同一の被測定導体であり、符号「６０１ａ」はＡ端子側の位置、「６０１ｂ」はＢ端子側の位置を示している。
【００５５】
本実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムの構成は上記の通りであるが、さらに、本実施形態の構成をより明瞭に示す観点から、以下には、「デポラライザ」および「無偏光」について補足説明する。
【００５６】
まず、「無偏光」とは、直交モード間の光量が等しく、直交モード間の光がインコヒーレントである条件を満足する光をいう。この条件を満足する光は、図２に示されるデポラライザを通過させることにより得られる。図２に示すように、デポラライザは、偏波面保持ファイバＬ１，Ｌ２を使用し、これらの偏波面保持ファイバＬ１，Ｌ２の端面同士を接合することにより構成される。
【００５７】
具体的には、第１の偏波面保持ファイバＬ１の長さと第２の偏波面保持ファイバＬ２の長さの比を１：２に設定し、両偏波保持ファイバの固有軸ｘ、ｙを４５°捻った状態で両偏波保持ファイバＬ１，Ｌ２の端面を相互融着する。ここに構成されたデポラライザは、リオ型デポラライザと称され、このリオ型デポラライザの単位長さＬＳは、通常、偏波面保持ファイバの２本の固有軸ｘ、ｙを光が伝播することにより生ずる直交成分間の群遅延時間差を光のコヒーレント時間以上に設定する長さとされる。
【００５８】
通常、複数のデポラライザを用いるときには、偏波面保持ファイバの長さＬｓ（＝Ｌ１＋Ｌ２）に比率を持たせ（例えば、４つのデポラライザを用いる場合は１：２：４：８の比率とする）、すべてのデポラライザにより生じた直交成分間の群遅延時間差が、光のコヒーレント時間より大きくなるようにして、偏光成分による零点ドリフトを抑制する。例えば、光源として、スーパールミネッセントダイオードを用いた場合には、比率１のリオ型デポラライザの単位長さを２０ｃｍ程度とすれば、一般的に、コヒーレント時間以上の直交成分の群遅延時間差を得ることができる。
【００５９】
次に、本実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムの作用について説明する。なお、図１中では、Ａ端子光保護装置部４０１とＢ端子光保護装置部５０１におけるセンサ部１０１ａ，１０１ｂについて、それぞれの符号の末尾に、「ａ」、「ｂ」を付しているが、これらの符号は、所属先の各光保護装置部４０１，５０１の別を示すために使用されているにすぎず、各センサ部１０１ａ，１０１ｂの構成は、本質的に同一である。また、センサ部１０１ａ，１０１ｂの両側の偏光フィルタ１６ａ，１９ａ，１６ｂ，１９ｂ、等の構成も、本質的に同一である。
【００６０】
そのため、後述する第２の実施形態以降の各実施形態を含め、以下の説明中においては、簡略化の観点から、各センサ部１０１ａ，１０１ｂ等の、同一の構成を有する要素について共通する内容を説明する場合には、これらの末尾の符号「ａ」、「ｂ」を省略した共通の符号を適宜使用するものとする。例えば、「センサ部１０１」は、第１のセンサ部１０１ａと第２のセンサ部１０１ｂを共通的に表現している。
【００６１】
まず、Ａ端子光保護装置部４０１側に設けられた信号処理部３０１において、光源８から出射された光は、第１の光分岐器９に導かれる。第１の光分岐器９において分岐した光は、第１のデポラライザ１０に入射し、透過して直交モード間の光量が等しい無偏光の光に変換される。第１のデポラライザ１０から出射された無偏光の光は、第１の偏光フィルタ１１に入射して、この第１の偏光フィルタ１１で、ある所定の偏光面内における直線偏光の光に変換される。第１の偏光フィルタ１１で変換された直線偏光の光は、第２の光分岐器１２に入射し、時計回りの光および反時計回りの光に２分岐される。
【００６２】
第２の光分岐器１２を介して分岐された反時計回りの光は、シングルモードファイバ１４ｂを通って位相変調器１３において位相変調される。位相変調された反時計回りの光は、Ａ端子光保護装置部４０１から出射し、シングルモードファイバ１２０ｂａを通ってＢ端子光保護装置部５０１に達する。Ｂ端子光保護装置部５０１に達した光は、第４のデポラライザ１５ｂａに入射して無偏光に変換され、次に、第５の偏光フィルタ１９ｂに入射して、ある所定の偏光面内における直線偏光の光に変換された後、第２のセンサ部１０１ｂに入射する。
【００６３】
第２のセンサ部１０１ｂに入射した直線偏光の光は、第４の１／４波長板１８ｂを通過して円偏光の光もしくは楕円偏波の光に変換される。この円偏光の光もしくは楕円偏波の光は、捻りを加えた低複屈折シングルモードファイバよりなる第２のセンサファイバ１００ｂに入射して、第２の被測定導体６０１ｂに流れる電流によって形成される磁界によりファラデー効果を受けた後、第３の１／４波長板１７ｂを通過して第２のセンサ部１０１ｂから出射し、第４の偏光フィルタ１６ｂを通過して、ある所定の偏光面内における直線偏光の光に変換される。
【００６４】
第４の偏光フィルタ１６ｂで変換された直線偏光の光は、第３のデポラライザ１５ａｂを通過して、直交モード間の光量が等しい無偏光の光に変換される。変換された無偏光の光は、Ｂ端子光保護装置部５０１から出射し、シングルモードファイバ１２０ａｂを通ってＡ端子光保護装置部４０１に達する。Ａ端子光保護装置部４０１に達した無偏光の光は、第３の偏光フィルタ１９ａに入射して、ある所定の偏光面内における直線偏光の光に変換された後、第１のセンサ部１０１ａに入射する。
【００６５】
第１のセンサ部１０１ａに入射した直線偏光の光は、第２の１／４波長板１８ａを通過して円偏光の光もしくは楕円偏波の光に変換される。この円偏光の光もしくは楕円偏波の光は、捻りを加えた低複屈折シングルモードファイバよりなる第１のセンサファイバ１００ａに入射して、第１の被測定導体６０１ａに流れる電流によって形成される磁界によりファラデー効果を受けた後、第１の１／４波長板１７ａを通過して第１のセンサ部１０１ａから出射し、第２の偏光フィルタ１６ａを通過して、ある所定の偏光面内における直線偏光の光に変換される。
【００６６】
第２の偏光フィルタ１６ａで変換された直線偏光の光は、第２のデポラライザ１５ａに入射して無偏光の光に変換され、信号処理部３０１の第２の光分岐器１２に入射し、分岐する。第２の光分岐器１２で分岐した光は、第１の偏光フィルタ１１および第１のデポラライザ１０をこの順に通過して無偏光の光に変換され、第１の光分岐器９において分岐して受光器２４に到達し、受光される。
【００６７】
一方、第２の光分岐器１２を介して分岐された時計回りの光は、シングルモードファイバ１４ａを通過して信号処理部３０１から出射した後、第２のデポラライザ１５ａに入射して無偏光の光に変換され、次に、第２の偏光フィルタ１６ａに入射して、ある所定の偏光面内における直線偏光の光に変換された後、第１のセンサ部１０１ａに入射する。
【００６８】
第１のセンサ部１０１ａに入射した直線偏光の光は、第１の１／４波長板１７ａを通過して円偏光の光もしくは楕円偏波の光に変換される。この円偏光の光もしくは楕円偏波の光は、捻りを加えた低複屈折シングルモードファイバよりなる第１のセンサファイバ１００ａに入射して、第１の被測定導体６０１ａに流れる電流によって形成される磁界によりファラデー効果を受けた後、第２の１／４波長板１８ａを通過して第１のセンサ部１０１ａから出射し、第３の偏光フィルタ１９ａを通過して、ある所定の偏光面内における直線偏光の光に変換される。
【００６９】
第３の偏光フィルタ１９ａで変換された直線偏光の光は、Ａ端子光保護装置部４０１から出射し、シングルモードファイバ１２０ａｂを通ってＢ端子光保護装置部５０１に達する。Ｂ端子光保護装置部５０１に達した直線偏光の光は、第３のデポラライザ１５ａｂに入射して無偏光の光に変換され、次に、第４の偏光フィルタ１６ｂに入射して、ある所定の偏光面内における直線偏光の光に変換された後、第２のセンサ部１０１ｂに入射する。
【００７０】
第２のセンサ部１０１ｂに入射した直線偏光の光は、第３の１／４波長板１７ｂを通過して円偏光の光もしくは楕円偏波の光に変換される。この円偏光の光もしくは楕円偏波の光は、捻りを加えた低複屈折シングルモードファイバよりなる第２のセンサファイバ１００ｂに入射して、第２の被測定導体６０１ｂに流れる電流によって形成される磁界によりファラデー効果を受けた後、第４の１／４波長板１８ｂを通過して第２のセンサ部１０１ｂから出射し、第５の偏光フィルタ１９ｂを通過して、ある所定の偏光面内における直線偏光の光に変換される。
【００７１】
第５の偏光フィルタ１９ｂで変換された直線偏光の光は、第４のデポラライザ１５ｂａに入射して無偏光の光に変換された後、Ｂ端子光保護装置部５０１から出射し、シングルモードファイバ１２０ｂａを通ってＡ端子光保護装置部４０１に達する。Ａ端子光保護装置部４０１に達した光は、信号処理部３０１の位相変調器１３に入射して位相変調される。この位相変調された時計回りの光は、第２の光分岐器１２において分岐し、第１の偏光フィルタ１１および第１のデポラライザ１０をこの順に通過して無偏光の光に変換され、第１の光分岐器９を通過して受光器２４に到達し、受光される。
【００７２】
以上のようにして、第２の光分岐器１２を介して分岐された時計回りの光と反時計回りの光は、第１、第２のセンサ部１０１ａ，１０１ｂの両方を通過して最終的に受光器２４に到達する。この場合に、各センサ部１０１において被測定導体６０１の電流により発生した磁界がセンサファイバ１００に印加されると、そのセンサファイバ１００に入射される直前において、偏光フィルタ１６と１／４波長板１７（もしくは、偏光フィルタ１９と１／４波長板１８）により円偏光もしくは楕円偏光に変換された時計回りの光および反時計回りの光の間には、磁界に応じてファラデー効果による位相差が生じる。
【００７３】
例えば、時計回りの光に対してファラデー効果がプラスに作用した場合、反時計回りの光にはファラデー効果はマイナスに作用する。この結果、ファラデー効果により、時計回りの光および反時計回りの光が干渉合成した場合、両光の間に位相差が生じる。すなわち、これら反時計回りの光および時計回りの両光を第２の光分岐器１２および第１の光分岐器９において干渉させた結果、受光器２４においては、光強度変化した位相変調光が受光されることになる。
【００７４】
そして、受光器２４に到達した位相変調光は、この受光器２４において電気信号に光電変換されて電気信号となり、同期検波器２５に入力される。同期検波器２５においては、発振回路２６から供給される信号を参照信号として、第１のセンサファイバ１００ａと第２のセンサファイバ１００ｂの各々に印加される磁界に比例する位相差の合計位相差を検波出力として得る。
【００７５】
ここで、センサファイバｉのベルデ定数をＶｉ、被測定導体周りのセンサファイバの巻数をＮｉ、被測定導体に流れる電流をＩｉとした場合に、ファラデー回転角θｉとファラデー効果により生ずる時計回りに伝播する光と反時計回りに伝播する光の位相差φｉとの間には、次の式（１）、（２）で示されるような関係が存在する。
【数３】
θｉ＝ＶｉＮｉＩｉ … （１）
φｉ＝２θｉ … （２）
【００７６】
したがって、これらの式（１）、（２）を用いて、光の位相差φｉから被測定導体に流れる電流Ｉｉを求めることができる。
【００７７】
ここで、第１のセンサファイバ１００ａと第２のセンサファイバ１００ｂが、ベルデ定数Ｖの石英ファイバで構成され、同じ巻数Ｎで、第１の被測定導体６０１ａおよび第２の被測定導体６０１ｂの周りにそれぞれ巻かれていると仮定する。異常がない場合、第１の被測定導体６０１ａおよび第２の被測定導体６０１ｂには同一電流ＩがＡ端子からＢ端子へ流れるものとすると、各々の電流値Ｉａ，Ｉｂは、Ｉａ＝Ｉ、かつ、Ｉｂ＝Ｉとなる。
【００７８】
そして、第１のセンサファイバ１００ａと第２のセンサファイバ１００ｂにおいて、各センサファイバ１００ａ，１００ｂを各被測定導体６０１ａ，６０１ｂの周りに同一方向に同一巻数だけ周回した場合、第１のセンサファイバ１００ａのみでファラデー効果により生ずる時計回りの光と反時計回りの光の位相差φａと、第２のセンサファイバ１００ｂのみで生ずる光の位相差φｂは等しくなる。すなわち、φａ＝φ、かつ、φｂ＝φ、となる。
【００７９】
この場合、検波出力Ｓは、次の式（３）で表現できる。
【数４】
【００８０】
一方、第１のセンサファイバ１００ａと第２のセンサファイバ１００ｂにおいて、各センサファイバ１００ａ，１００ｂを各被測定導体６０１ａ，６０１ｂの周りに互いに逆方向（巻数Ｎｉの符号を“−”にする）に同一巻数だけ周回した場合、第１のセンサファイバ１００ａのみでファラデー効果により生ずる時計回りの光と反時計回りの光の位相差φａと、第２のセンサファイバ１００ｂのみで生ずる光の位相差φｂは大きさが等しく符号が逆となる。すなわち、φａ＝φ、かつ、φｂ＝−φ、となる。
【００８１】
この結果、検波出力Ｓは、次の式（４）で表現できる。
【数５】
【００８２】
したがって、第１、第２のセンサファイバ１００ａ，１００ｂの巻数を同一にした場合、正常動作時の検波出力Ｓとして、上記の式（３）もしくは式（４）の結果が得られる。
【００８３】
さらに、以上のようにして得られた検波出力を判定部２７に入力して、Ａ端子光保護装置部４０１とＢ端子光保護装置部５０１の間（より厳密には、第１のセンサファイバ１００ａと第２のセンサファイバ１００ｂの間）の事故検出の判定を行う。すなわち、上記の式（３）もしくは式（４）と異なる出力が得られた場合、その逸脱量を判定部２７で求めて、許容値を超えた場合には、判定部２７で事故判定をする。なお、実際の構成において、Ａ端子光保護装置部４０１とＢ端子光保護装置部５０１の間は、数ｋｍから数十ｋｍ程度離れている場合もある。
【００８４】
以上のように、本実施形態によれば、信号処理部３０１を含むＡ端子光保護装置部４０１とＢ端子光保護装置部５０１の間を光ファイバで接続し、両者の間において電流情報を光伝送して端子間異常の差動判定を行うことにより、信号処理部３０１のないＢ端子光保護装置部５０１には電力供給が不要となり、保護システム全体の電子部品の数を少なくすることができる。
【００８５】
特に、光電流センサ素子である第１、第２のセンサファイバ１００ａ，１００ｂ間を安価なシングルモードファイバ１２０ａｂ，２０１ｂａで接続することにより、端子間の距離が離れていても、高価な偏波面保持ファイバで接続した場合に比べて、長距離の光伝送路を格段に低コストで構成することができる。また、光電流計測器を用いているため、従来技術について説明したように、大電流計測時の鉄心の磁気飽和に起因する出力歪を発生せず、かつサージ対策が簡略化できることは明らかである。
【００８６】
したがって、端子間の距離が離れていても低コストで構成可能であり、大電流計測時の鉄心の磁気飽和に起因する出力歪を発生せず、サージ対策が簡略化可能な光電流計測器およびそれを用いた信頼性の高い電流差動保護システムを実現することができる。
【００８７】
さらに、光電流センサ素子であるセンサファイバに石英ファイバを用いることにより、伝送損失を少なくすることができ、かつ、時計回りに伝播する光と反時計回りの光の光量を同一にすることができる。その上、全ファイバ構成としているために、外部環境変化に伴う光電流計測器自体の安定性を向上させることができる。
【００８８】
したがって、システムの安定化、小型化、軽量化、さらに光量の損失問題の解決が可能な光電流計測器およびそれを用いた信頼性の高い電流差動保護システム（ケーブル区間保護リレーシステム、短距離線路保護リレーシステムや構内母線保護リレーシステムなど）を実現することができる。
【００８９】
［第２の実施形態］
図３は、本発明を適用した第２の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、第１の実施形態と異なる点は、信号処理部３０１内部から第１のセンサ部１０１ａに至るまでの光伝送路を、偏波面保持ファイバを用いて構成している点である。
【００９０】
すなわち、本実施形態においては、第１の実施形態における光伝送用のシングルモードファイバ１４ａ，１４ｂに代えて、偏波面保持ファイバ１４１ａ、１４１ｂを使用すると共に、第１の光分岐器９ａ、第２の光分岐器１２ａを、偏波面保持ファイバにより構成しており、図中においては、偏波面保持ファイバを使用したそれらの部分を破線で表現している。
【００９１】
また、位相変調器１３とシングルモードファイバ１２０ｂａとの間の、偏波面保持ファイバ１４１ｂからシングルモードファイバ１２０ｂａに変わる部分には、偏光フィルタ１６０を配置している。なお、図３においては、信号処理部３０１と第１のセンサ部１０１ａの間における偏波面保持ファイバの使用に伴い、図１でこの部分に用いている第１の偏光フィルタ１６ａを省略した場合を示しているが、第１の偏光フィルタ１６ａを配置してもよい。すなわち、本実施形態では、Ａ端子光保護装置部４０１内部ではできる限り偏波面保持ファイバで光を伝送して、デポラライザを用いない構成としている。
【００９２】
また、光源８より出射された光の直線偏光の方位に合せて偏波面保持ファイバを取り付けることにより、光の偏波面方向を一定として第１のセンサ部１０１ａと偏光フィルタ１６０に入射するようになっている。ここで、光の偏波面は、第１の偏光フィルタ１１の出力が最大となり、第１のセンサ部１０１ａの第１の１／４波長板１７ａが１／４波長板として動作し、また、偏光フィルタ１６０の出力が最大となるように調整されている。なお、他の部分の構成は第１の実施形態と同様である。
【００９３】
以上のような構成を有する本実施形態によれば、前述した第１の実施形態と同様の効果が得られることに加えて、さらに、次のような効果が得られる。すなわち、本実施形態によれば、Ａ端子光保護装置部４０１内部の光伝送路としてできる限り偏波面保持ファイバを用いることにより、光源８の光を損失なくセンサ部１０１ａとシングルモードファイバ１２０ｂａに伝送することができる。具体的には、第１の実施形態と比較して約４倍の光量とすることができる。したがって、本実施形態によれば、光量の損失を抑制し、これに伴い最低測定電流量（Ｓ／Ｎ比で決まる電流量）を増加させることができる。
【００９４】
［第３の実施形態］
図４は、本発明を適用した第３の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、第１の実施形態と異なる点は、まず、３つ以上の光保護装置部、すなわち、Ａ端子光保護装置部４０１、Ｂ端子光保護装置部５０１ｂ、Ｃ端子光保護装置部５０１ｃ、…、Ｎ端子光保護装置部５０１ｎから構成されている点である。これに伴い、隣接する各２つの光保護装置部間は、シングルモードファイバ１２０ａｂ，２０１ｂｃ，２０１ｃｄ，…，２０１ｎａでそれぞれ接続されている。
【００９５】
本実施形態においてはまた、光源８と第１の光分岐器９の間、および各シングルモードファイバ１２０ａｂ，２０１ｂｃ，２０１ｃｄ，…，２０１ｎａ中に、光増幅器３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…，３０ｎがそれぞれ配置されている。なお、このような光増幅器は、第１の実施形態に示すような２つの光保護装置部から構成される光電流計測器に配置してもよい。
【００９６】
また、本実施形態において増設されたＣ端子光保護装置部５０１ｃ、…、Ｎ端子光保護装置部５０１ｎは、Ｂ端子光保護装置部５０１ｂと同等に構成されている。すなわち、ｉがｂからｎを表すとすると、Ｉ端子光保護装置部５０１ｉは、デポラライザ１５ｈｉ（ｈはＩ端子光保護装置部５０１ｉの１つ前の光保護装置部の各構成要素を表す記号である）、偏光フィルタ１６ｉ、被測定導体６０１ｉ、センサ部１０１ｉ、偏光フィルタ１９ｉ、光増幅器３０ｉ、より構成されている。ここで、センサ部１０１ｉは、１／４波長板１７ｉ、センサファイバ１００ｉ、１／４波長板１８ｉより構成されている。
【００９７】
なお、光増幅器３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…，３０ｎは、必ずしもすべて配置する必要はなく、１つ以上配置すればよい。また、光増幅器３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…，３０ｎは、シングルモードファイバ中でなく、デポラライザ中に配置してもよい。
【００９８】
さらに、本実施形態において、光増幅器３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…，３０ｎの各々の小信号利得係数（％／ｃｍ）をｇ０，ｇ０ａ，ｇ０ｂ，ｇ０ｃ，…，ｇ０ｎ、各々の利得長（ｃｍ）をＬ、Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ、…、Ｌｎとすると、光電流計測器の光源からみた全体におけるレーザ発振を防ぐために、以下の条件式（５）を満足するようになっている。
【数６】
Ｒ１・Ｒ２・ｅｘｐ（ｇ０・Ｌ＋ｇ０ａ・Ｌａ＋ｇ０ｂ・Ｌｂ＋ｇ０ｃ・Ｌｃ＋…＋ｇ０ｎ・Ｌｎ−α ）＜ １ ．．． （５）
【００９９】
なお、この条件式（５）において、Ｒ１，Ｒ２は、レーザ発振のもととなる共振器を構成する２つの部分（光電流計測器中に存在する）の反射率である。また、α（≧０）は、光源８から出射された光が第１の光分岐器９、第２の光分岐器を通り、時計回りもしくは反時計回りに各光保護装置部を通過して再び光源８に戻って来た時の光の全損失量（％）を表している。
【０１００】
また、本実施形態の光電流計測器は、光電流計測器の光源から見た全体の発振を防ぐ条件ではなく、任意の区間でのレーザ発振を防ぐために、以下の条件式（６）を満足するようになっている。
【数７】
Ｒ３・Ｒ４・ｅｘｐ（Σ（ｇ０ｉ・Ｌｉ−αｉ））＜ １ ．．． （６）
【０１０１】
なお、この条件式（６）において、Ｒ３，Ｒ４は、共振器を構成する任意区間の各端における光の反射率を表しており、Σは、その区間内にあるすべての利得ｇ０ｉ・Ｌｉと損失αｉ（≧０）の差を示している。
【０１０２】
図５に、光増幅器３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…，３０ｎの構成例を示す。光増幅器３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…，３０ｎは、増幅用光ファイバ（例えば、エルビウムドープ光ファイバ）３１、励起用半導体レーザ（エルビウムドープ光ファイバを励起するには、波長０．９８μｍもしくは１．４８μｍの光を出力する）３２と波長選択性（ＷＤＭ）光ファイバカプラ３３、光フィルタ３４，３５から構成されている。
【０１０３】
このような光増幅器において、光源８の光（この場合、波長１．５５μｍ）は、図５中における右側もしくは左側から入力され、左側もしくは右側から出力される。波長選択性（ＷＤＭ）光ファイバカプラ３３は、光源８の光を分岐することなく通過させ、励起用半導体レーザ３２の出力光を分岐するようになっている。
【０１０４】
すなわち、この光増幅器において、励起用半導体レーザ３２から出力された光は、波長選択性（ＷＤＭ）光ファイバ３３を通ることにより増幅用光ファイバ３１に導かれ、増幅用光ファイバ３１を励起して、増幅用光ファイバ３１を通過する光源８の光を増幅するようになっている。また、光フィルタ３４，３５は、出力から雑音要因となるＡＳＥ雑音を取り除くための光バンドパスフィルタである。
【０１０５】
なお、光増幅器３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…，３０ｎのうち、光源８と第１の光分岐器９の間に配置される光増幅器３０については、分光器９の方向のみへ光を通過させればよいため、光フィルタ３４の代わりに一方向にしか光を透過しないアイソレータ（ファラデー回転子）を配置し、増幅用光ファイバ３１と光フィルタ３５の間にもアイソレータを配置して、戻り光の影響を抑える構成としてもよい。
【０１０６】
以上のような構成を有する本実施形態によれば、光増幅器をシングルモードファイバもしくはデポラライザ中に配置することにより、各々のデポラライザと偏光フィルタの組み合わせによる光量損失（光量が各々１／２に減少する光量損失）を補うことができる。また、光源の近くの光増幅器にはアイソレータを配置し、他の光増幅器については、光源から離れた位置で、かつセンサファイバ、１／４波長板および偏光フィルタでない場所に配置することにより、非干渉光を受光器に戻さないようにするとともに、精度よい電流測定を行いながら、光量損失を補うことができる。
【０１０７】
したがって、本実施形態によれば、前述した第１の実施形態と同様の効果が得られることに加えて、さらに、２端子以上の多くの光保護装置部に適用でき、光量損失を光増幅器により補うことができる、という優れた効果が得られる。
【０１０８】
なお、本実施形態の変形例として、光増幅器は、シングルモードファイバ、デポラライザのどの位置に配置してもよいことは明らかである。また、光増幅器を、偏光フィルタ、１／４波長板、センサファイバ等の光学素子中に挿入したり、これらの光学素子そのものを増幅用光ファイバと兼用したりしても同様な効果が得られる。さらに、増幅用光ファイバとしてプラセオジウム（Ｐｒ）ドープ光ファイバ増幅器、ツリウム（Ｔｍ）ドープ光ファイバ増幅器を用いてもよい。また、シングルモードファイバ中に、誘導ラマン散乱を利用する光ファイバラマン増幅器を用いてもよい。
【０１０９】
［第４の実施形態］
図６は、本発明を適用した第４の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、第１の実施形態と異なる点は、まず、２つの光電流計測器７０１，７０２で電流差動保護システムが構成されている点である。これらの光電流計測器７０１，７０２においては、近接する（所定の近接条件を満たす位置関係にある）３つの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に各相のセンサ部が配置され、隣接するセンサ部間が偏波面保持ファイバで接続されるとともに、近接しない（所定の近接条件を満たす位置関係にない）センサ部間がシングルモードファイバで接続されている。
【０１１０】
本実施形態においてはまた、保護対象設備に設けられたＡ端子およびＢ端子の３相電流量を標本量とするとともに、保護対象設備の片端の電流値、特に電流値のスカラ量の和を抑制量とする。さらに、零相の光電流計測器も構成している。以下には、２つの光電流計測器７０１，７０２の詳細な構成について順次説明する。
【０１１１】
図６において、まず、第１の光電流計測器７０１は、第１の実施形態の光電流計測器におけるＡ端子光保護装置部４０１とＢ端子保護装置部５０１の各センサ部１０１を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の各センサ部１０１〜１０３と、その間を接続する偏波面保持ファイバ１５０，１５１からなる３相センサ部（１０１〜１０３，１５０，１５１）に置き換えたものであり、これ以外の構成は、基本的に第１の実施形態の光電流計測器と同様である。
【０１１２】
すなわち、Ａ端子光保護装置部４０１の３相センサ部（１０１ａ〜１０３ａ，１５０ａ，１５１ａ）と、Ｂ端子光保護装置部５０１の３相センサ部（１０１ｂ〜１０３ｂ，１５０ｂ，１５１ｂ）の間は、光伝送用のシングルモードファイバ１２０ａｂ，１２０ｂａで接続されている。また、３相センサ部（１０１〜１０３，１５０，１５１）の片側に設けられたデポラライザ１１５と偏光フィルタ１１６、および反対側に設けられた偏光フィルタ１１９は、第１の実施形態における、デポラライザ１５と偏光フィルタ１６，１９にそれぞれ対応する。さらに、信号処理部３０１もまた、第１の実施形態における信号処理部３０１と同一である。
【０１１３】
また、３相の各センサ部１０１〜１０３は、第１の実施形態における各センサ部１０１と同様に、１／４波長板、センサファイバ、１／４波長板より構成されている。ただし、第１の光電流計測器７０１の各センサ部１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂの光電流センサ素子であるセンサファイバの巻数の比は、１：２：３：−１：−２：−３（ここで、「−」は被測定導体の回りを逆向きに巻いた状態を示す）となっており、標本量（各相毎で光電流計測器を構成するのではなく、１つの光電流計測器で保護システムを構成できるようにしている）をとることで、保護対象設備の短絡専用の検出を行うようになっている。
【０１１４】
また、各センサ部１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂの巻数比は、２：−１：−１：−２：１：１等であってもよい。さらに、２：０：１：−２：０：−１とすれば、短絡・地絡共用の検出を行うことができる。
【０１１５】
一方、６０１ａは第１のＵ相被測定導体、６０２ａは第１のＶ相被測定導体、６０３ａは第１のＷ相被測定導体であり、６０１ｂは第２のＵ相被測定導体、６０１２ｂは第２のＶ相被測定導体、６０３ｂは第２のＷ相被測定導体である。そして、各センサ部１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｂ〜１０３ｂのセンサファイバは、各々、被測定導体６０１ａ〜６０３ａ、６０１ｂ〜６０３ｂを周回するように配置されている。
【０１１６】
第１の実施形態と同様に、Ａ端子およびＢ端子の２端子からなる保護対象設備の場合、第１の被測定導体６０１ａ〜６０３ａと第２の被測定導体６０１ｂ〜６０３ｂは、いずれも、同一の被測定導体であり、６０１ａ〜６０３ａはＡ端子側の位置、６０１ｂ〜６０３ｂはＢ端子側の位置を示している。
【０１１７】
さらに、第１のＵ相被測定導体６０１ａ、第１のＶ相被測定導体６０２ａ、第１のＷ相被測定導体６０３ａには、各相の巻線形変流器（巻線形ＣＴ）１７０ｕ，１７０ｖ，１７０ｗがそれぞれ取り付けられており、各巻線形変流器１７０ｕ，１７０ｖ，１７０ｗの出力は、各信号変換器４０ｕ，４０ｖ，４０ｗにそれぞれ導かれている。そして、各信号変換器４０ｕ，４０ｖ，４０ｗからの出力（電流値）は、判定部２７に送られるようになっている。
【０１１８】
判定部２７では、各信号変換器４０ｕ，４０ｖ，４０ｗの出力、すなわち、第１のＵ相被測定導体６０１ａ、第１のＶ相被測定導体６０２ａ、第１のＷ相被測定導体６０３ａの各電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのスカラ和であるΣ｜Ｉ｜＝｜Ｉｕ｜＋｜Ｉｖ｜＋｜Ｉｗ｜を保護対象設備の保護のための抑制量として用いている（電流値に応じて光電流計測器の信号処理部３０１，３０２の出力が異常かどうかを判断する）。
【０１１９】
ここで、各巻線形変流器１７０ｕ，１７０ｖ，１７０ｗを光変流器（光電流センサ）としてもよいことはいうまでもない。また、各巻線形変流器（巻線形ＣＴ）１７０ｕ，１７０ｖ，１７０ｗの出力を、各信号変換器４０ｕ，４０ｖ，４０ｗに直接導く代わりに、でなく、各巻線形変流器１７０ｕ，１７０ｖ，１７０ｗの出力の一部を、各信号変換器４０ｕ，４０ｖ，４０ｗに導くように構成してもよい。
【０１２０】
次に、第２の光電流計測器７０２は、第１の光電流計測器７０１と基本的に同等の構成を有しており、Ａ端子光保護装置部４０１とＢ端子保護装置部５０１には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の各センサ部２０１〜２０３と、その間を接続する偏波面保持ファイバ２５０，２５１からなる３相センサ部（２０１〜２０３，２５０，２５１）を備えている。
【０１２１】
そして、Ａ端子光保護装置部４０１の３相センサ部（２０１ａ〜２０３ａ，２５０ａ，２５１ａ）と、Ｂ端子光保護装置部５０１の３相センサ部（２０１ｂ〜２０３ｂ，２５０ｂ，２５１ｂ）の間は、光伝送用のシングルモードファイバ２２０ａｂ，２２０ｂａで接続されている。また、３相センサ部（２０１〜２０３，２５０，２５１）の片側に設けられたデポラライザ２１５と偏光フィルタ２１６、および反対側に設けられた偏光フィルタ２１９は、第１の光電流計測器７０１における、デポラライザ１１５と偏光フィルタ１１６，１１９にそれぞれ対応する。さらに、信号処理部３０２もまた、第１の光電流計測器７０２の信号処理部３０１と同等の構成を有する。
【０１２２】
また、３相の各センサ部２０１〜２０３が、１／４波長板、センサファイバ、１／４波長板より構成されている点も第１の光電流計測器７０１と同様である。ただし、第２の光電流計測器７０２において、各センサ部２０１ａ，２０２ａ，２０３ａ，２０１ｂ，２０２ｂ，２０３ｂの光電流センサ素子であるセンサファイバの巻数の比は、１：１：１：−１：−１：−１（ここで、「−」は被測定導体の回りを逆向きの巻いた状態を示す）となっており、零相の電流を検出することで、保護対象設備の地絡の検出を行うようになっている。
【０１２３】
そして、各センサ部２０１ａ〜２０３ａ，２０１ｂ〜２０３ｂのセンサファイバは、各々、被測定導体６０１ａ〜６０３ａ、６０１ｂ〜６０３ｂを周回するように配置されている。また、各センサ部２０１ａ〜２０３ａ，２０１ｂ〜２０３ｂは、それぞれ、第１の光電流計測器７０１の各センサ部１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｂ〜１０３ｂの近傍に設置されている。
【０１２４】
この場合、第１の実施形態と同様に、第１の被測定導体６０１ａ〜６０３ａと第２の被測定導体６０１ｂ〜６０３ｂは、いずれも、同一の被測定導体であり、６０１ａ〜６０３ａはＡ端子側の位置、６０１ｂ〜６０３ｂはＢ端子側の位置を示している点については、前述した通りである。
【０１２５】
なお、零相の電流検出において、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の被測定導体の周囲を１つのセンサファイバで取り囲むことにより電流検出する場合は、第２の光電流計測器７０２の構成を、第１の実施形態に係る光電流計測器の構成と同様にすることができる。ただし、この場合、３相の被測定導体６０１〜６０３は、単一のセンサ部１０１のセンサファイバで周回されるのではなく、各相のセンサ部１０１〜１０３のセンサファイバでそれぞれ周回されるようにする。
【０１２６】
また、第２の光電流計測７０２においても、第１の光電流計測器７０１と同様に、巻線形変流器もしくは光変流器等により各相の電流値を測定して、その電流値、特に各相の電流値のスカラ和を抑制量として用いてもよい。
【０１２７】
以上のような構成を有する本実施形態によれば、第１の光電流計測器７０１による信号処理部３０１の出力、もしくは第２の光電流計測器７０２による信号処理器３０２の出力と、信号変換器４０ｕ，４０ｖ，４０ｗの出力とを、判定部２７に導くことにより、電流差動保護システムを構成することができ、保護対象設備の異常判断を行うことができる。この際、信号変換器４０ｕ，４０ｖ，４０ｗの出力を判定部２７に導かない構成をとることもできる。
【０１２８】
また、第１の光電流計測器７０１のように保護対象設備に設けられた各端子の３相の電流量を標本量とすることにより、システムで使用する光伝送用のシングルモードファイバケーブルの本数を削減できる。そして、各相のセンサファイバの巻数に応じて短絡専用もしくは短絡・地絡共用の異常検出を行うことができる。
【０１２９】
また、保護対象設備の片端の電流値、特に電流値のスカラ量を抑制量とすることにより、保護対象設備に流れる電流量に関わらず信頼度が高い異常判定をすることができる。さらに、第２の光電流計測器７０２のように零相検出の電流差動保護システムを構成することにより、地絡専用の異常検出を行うことができる。
【０１３０】
したがって、本実施形態によれば、前述した第１の実施形態と同様の効果が得られることに加えて、さらに、光伝送用のシングルモードファイバの本数を削減できるとともに、保護対象設備に流れる電流量に関わらず信頼度が高い異常判定が可能となる、という効果が得られる。
【０１３１】
なお、本実施形態の保護対象設備に対する適用リレーの種類としては、第１の実施形態と同様に、ケーブル区間保護リレーシステム、短距離線路保護リレーシステムや構内母線保護リレーシステムなどがある。
【０１３２】
［第５の実施形態］
図７は、本発明を適用した第５の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図である。本実施形態は、第４の実施形態の変形例であり、第４の実施形態と異なる点は、被測定導体の周りにセンサファイバを周回するのではなく、巻線形変流器（被測定導体に電磁結合された巻線コイル）の２次出力をセンサファイバに周回することにより、２つの光電流計測器８０１，８０２を構成した点である。
【０１３３】
図７に示すように、Ａ端、Ｂ端を結ぶ３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電力ケーブル（もしくは線路、もしくは母線）が敷設されている。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相は、各々被測定導体６０１ａ〜６０３ａと表されている（２端子であるため、Ａ端、Ｂ端とも同一の被測定導体である）。Ａ端には巻線形変流器１７０ｕａ，１７０ｖａ，１７０ｗａが、Ｂ端には巻線形変流器１７０ｕｂ，１７０ｖｂ，１７０ｗｂが、それぞれ、被測定導体６０１ａ〜６０３ａに取り付けられている。
【０１３４】
このうち、Ａ端の巻線形変流器１７０ｕａ，１７０ｖａ，１７０ｗａは、第１の光電流計測器８０１の要素となるコイル１１１ａ〜１１３ａに接続され、さらに、第２の光電流計測器８０２の要素となるコイル２１１ａ〜２１３ａに接続された後、各信号変換器４０ｕａ，４０ｖａ，４０ｗａに接続されている。そして、各信号変換器４０ｕａ，４０ｖａ，４０ｗａの出力は、電流差動保護システムの判定部を有するリレー２７０に導かれるようになっている。
【０１３５】
同様に、Ｂ端の巻線形変流器１７０ｕｂ，１７０ｖｂ，１７０ｗｂは、第１の光電流計測器８０１の要素となるコイル１１１ｂ〜１１３ｂに接続され、さらに第２の光電流計測器８０２の要素となるコイル２１１ｂ〜２１３ｂに接続された後、各信号変換器４０ｕｂ，４０ｖｂ，４０ｗｂに接続されている。そして、各信号変換器４０ｕｂ，４０ｖｂ，４０ｗｂの出力は、電流差動保護システムの判定部を持たないリレー２８０に導かれるようになっている。
【０１３６】
また、第１の光電流計測器８０１は、第４の実施形態における第１の光電流計測器７０１におけるセンサ部の構成を変更したものである。すなわち、第１の光電流計測器８０１は、第４の実施形態の光電流計測器７０１における各センサ部１０１〜１０３と、その間を接続する偏波面保持ファイバ１５０，１５１からなる３相センサ部の構成に代えて、コイル１１１〜１１３を取り付けたセンサファイバ１００を使用したものである。
【０１３７】
すなわち、第１の光電流計測器８０１のセンサファイバ１００ａにはコイル１１１ａ〜１１３ａが、センサファイバ１００ｂにはコイル１１１ｂ〜１１３ｂが、それぞれ周回するように取り付けられている。ここで、各コイル１１１ａ，１１２ａ，１１３ａ，１１１ｂ，１１２ｂ，１１３ｂの巻数の比は、１：２：３：−１：−２：−３（ここで、「−」はセンサファイバ１００ａもしくは１００ｂの回りを逆向きに巻いた状態を示す）となっており、標本量（各相毎で光電流計測器を構成するのではなく、１つの光電流計測器で保護システムを構成できるようにしている）をとることで、保護対象設備の短絡専用の検出を行うようになっている。
【０１３８】
また、各コイル１１１ａ，１１２ａ，１１３ａ，１１１ｂ，１１２ｂ，１１３ｂの巻数比は、２：−１：−１：−２：１：１等であってもよい。さらに、２：０：１：−２：０：−１とすれば、短絡・地絡共用の検出を行うことができる。
【０１３９】
一方、電流差動保護システムの判定部を有するリレー２７０では、信号変換器４０ｕａ，４０ｖａ，４０ｗａの出力、すなわち、被測定導体６０１ａ〜６０３ａの各電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのスカラ和であるΣ｜Ｉ｜＝｜Ｉｕ｜＋｜Ｉｖ｜＋｜Ｉｗ｜を保護対象設備の保護のための抑制量として用いている（電流値に応じて光電流計測器の信号処理器３０１，３０２の出力が異常かどうかを判断する）。
【０１４０】
一方、第２の光電流計測器８０２は、第１の光電流計測器８０１と基本的に同等の構成を有している。すなわち、第２の光電流計測器８０２のセンサファイバ２００ａにはコイル２１１ａ〜２１３ａが、センサファイバ２００ｂにはコイル２１１ｂ〜２１３ｂが、それぞれ周回するように取り付けられている。ここで、各コイル２１１ａ，２１２ａ，２１３ａ，２１１ｂ，２１２ｂ，２１３ｂの巻数の比は、１：１：１：−１：−１：−１（ここで−はセンサファイバ２９ａもしくは２９ｂの回りを逆向きの巻いた状態を示す）となっており、零相の電流検出を行うことで、保護対象設備の地絡の検出を行うようになっている。
【０１４１】
以上のような構成を有する本実施形態によれば、第１の光電流計測器８０１による信号処理部３０１の出力、もしくは第２の光電流計測器８０２による信号処理器３０２の出力と、信号変換器４０ｕａ，４０ｖａ，４０ｗａの出力とを、判定部を有するリレー２７０に導くことにより、電流差動システムを構成することができ、保護対象設備の異常判断を行うことができる。
【０１４２】
この際、信号変換器４０ｕａ，４０ｖａ，４０ｗａの出力を判定の条件に使わないようにしてもよい。ただし、信号変換器４０ｕｂ，４０ｖｂ，４０ｗｂの出力は、判定部を持たないリレー２８０に導かれており、ここでは電流差動システムを構成していない。
【０１４３】
また、第１の光電流計測器８０１のように保護対象設備に設けられた各端子の３相の電流量を標本量とすることにより、システムで使用する光伝送用のシングルモードファイバケーブルの本数を削減できる。そして、各相のセンサファイバの巻数に応じて短絡専用もしくは短絡・地絡共用の異常検出を行うことができる。
【０１４４】
また、保護対象設備の片端の電流値、特に電流値のスカラ量を抑制量とすることにより、保護対象設備に流れる電流量に関わらず信頼度が高い異常判定をすることができる。さらに、第２の光電流計測器のように零相検出の電流差動保護システムを構成することにより地絡専用の異常検出を行うことができる。
【０１４５】
したがって、本実施形態によれば、前述した第４の実施形態と同様に、光伝送用のシングルモードファイバの本数を削減できるとともに、保護対象設備に流れる電流量に関わらず信頼度が高い異常判定が可能となる、という効果が得られる。これに加えて、本実施形態によれば、巻線形変流器の２次出力を使って光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを構成することにより、新規の保護対象設備のみならず既設の保護対象設備にも適用可能となる。
【０１４６】
［他の実施形態］
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で他にも多種多様な形態が実施可能である。例えば、前記の第１〜第５の実施形態に係る構成を適宜組み合わせて用いた場合には、その組み合わせに応じて、同等もしくは組み合わせによる相乗的な効果が得られることは言うまでもない。
【０１４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、端子間の距離が離れていても低コストで構成可能であり、大電流計測時の鉄心の磁気飽和に起因する出力歪を発生せず、サージ対策が簡略化可能で、さらに、システムの安定化、小型・軽量化に貢献でき、光量の損失問題を克服可能な光電流計測器を提供するとともに、そのような光電流計測器を用いた信頼性の高い電流差動保護システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図。
【図２】図１に示す光電流計測器に使用するデポラライザを示す構成図。
【図３】本発明を適用した第２の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図。
【図４】本発明を適用した第３の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図。
【図５】図４に示す光電流計測器に使用する光増幅器を示す構成図。
【図６】本発明を適用した第４の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図。
【図７】本発明を適用した第５の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図。
【図８】従来のＰＣＭ電流差動保護システムを示す構成図。
【図９】従来の故障判定機能を備えた光電流計測器を示す構成図。
【符号の説明】
８…光源
９…第１の光分岐器
１０…第１のデポラライザ
１１…第１の偏光フィルタ
１２…第２の光分光器
１３…位相変調器
１４ａ，１４ｂ…シングルモードファイバ
１５ａ…第２のデポラライザ
１５ａｂ…第３のデポラライザ
１５ｂａ…第４のデポラライザ
１６ａ…第２の偏光フィルタ
１６ｂ…第４の偏光フィルタ
１７ａ…第１の１／４波長板
１７ｂ…第３の１／４波長板
１８ａ…第２の１／４波長板
１８ｂ…第４の１／４波長板
１９ａ…第３の偏光フィルタ
１９ｂ…第５の偏光フィルタ
２４…受光器
２５…検波回路
２６…発振回路
２７…判定部
３０，３０ａ〜３０ｎ…光増幅器
４０ｕ，４０ｖ，４０ｗ…信号変換器
１００ａ，１００ｂ…ファイバセンサ（光電流センサ素子）
１０１ａ，１０１ｂ…センサ部
１１１ａ〜１１３ａ，１１１ｂ〜１１３ｂ…コイル
１２０ａｂ，１２０ｂａ…シングルモードファイバ
１４１ａ，１４１ｂ…偏波面保持ファイバ
１７０ｕ，１７０ｖ，１７０ｗ…巻線形変流器
２１１ａ〜２１３ａ，２１１ｂ〜２１３ｂ…コイル
３０１，３０２…信号処理部
４０１…Ａ端子光保護装置部
５０１…Ｂ端子光保護装置部
６０１ａ…第１の被測定導体
６０１ｂ…第２の被測定導体
７０１，８０１…第１の光電流計測器
７０２，８０２…第２の光電流計測器
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の光電流素子から構成されるサニャック干渉形の光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
変電所内の母線、線路および変電所間を結ぶ送電線には、異常が発生した際に、変電所に設置された電力機器ないしは電力設備を保護し、事故の拡大を防止するために、これらの動作を停止させるための電流計測器とそれを用いた電流差動保護システムが設置されている。一般に、電流差動保護システムとしては、電流計測器に巻線変流器を用いた電磁形のものが実用化されているが、電流計測器として光電流計測器を用い、外部磁界などの外乱を受けにくくサージ対策が簡略できるシステムも提案されている。
【０００３】
図８は、従来のＡ、Ｂ端からなる１回線２端子系統におけるＰＣＭ電流差動保護システムの一例を示す構成図である（特許文献１参照）。この図８において、ＣＢ−Ａ、ＣＢ−Ｂは遮断器、ＣＴ−Ａ、ＣＴ−Ｂは巻線形変流器、８７はＰＣＭ電流差動保護システム、をそれぞれ示しており、この構成により、ＰＣＭ電流差動保護システムは、次のように動作する。
【０００４】
すなわち、巻線形変流器ＣＴ−Ａ、ＣＴ−Ｂの２次電流は、Ｉ／Ｖによりレベル変換され、帯域フィルタＢＰＦを経てＡ／Ｄ変換により符号化された信号が、通信装置によりマイクロ回線等を通じて相手端へ伝送される。相手端からの符号化された受信信号と自端の伝送時間だけ遅延させた信号にてデジタル演算を行い、差動判定により出力を得て遮断器ＣＢ−Ａ、ＣＢ−Ｂを引外す。
【０００５】
この場合の差動判定式は、巻線形変流器ＣＴ−Ａ、ＣＴ−Ｂで測定された電流値を各々、ｉＡ、ｉＢとすると、｜ｉＡ＋ｉＢ｜−ｋ１（｜ｉＡ｜＋｜ｉＢ｜）＞ｋ２、の比率差動である。平常時および外部事故（ＣＴ−Ａ、ＣＴ−Ｂ間外の事故）時は、ｉＡ＝−ｉＢであるため出力を生じないが、内部事故（ＣＴ−Ａ、ＣＴ−Ｂ間内の事故）時には判定式が成立し、出力を生じる。
【０００６】
次に、図９は、従来の故障判定機能を備えた光電流計測器の一例を示す構成図である（特許文献２参照）。この図９に示すように、故障判定機能を備えた光電流計測器は、電力設備に流入、流出する電流を計測するための複数の光ファイバセンサ１１〜１ｎと、光ファイバ伝送路２と、電子回路部３を有している。各部の構成の概略は次の通りである。
【０００７】
まず、各光ファイバセンサ１１〜１ｎは、導体４１〜３ｎの電流値Ｉ１〜Ｉｎをそれぞれ測定するために設けられており、鉛ガラスファイバから構成されている。また、電子回路部３は、光源３ａ、光電変換器３ｂ、信号処理部３ｃ、および図示していない故障判定部等を備えている。
【０００８】
一方、光ファイバ伝送路２は、光源３ａと第１番目の光ファイバセンサ１１との間、第２番目以降の光ファイバセンサ１２〜１ｎにおける隣接する２つの光ファイバセンサ同士の間、および最後の光ファイバセンサ〜１ｎと光電変換器３ｂとの間、をそれぞれ直列接続するように設けられている。なお、この光ファイバ伝送路２は、石英製の偏波面保持（維持）ファイバＰＭＦで構成されている。以下にはさらに、光源３ａから光電変換器３ｂに至る光学系統の詳細な構成と、信号処理部３ｃの詳細について順次説明する。
【０００９】
まず、各光ファイバセンサ１１〜１ｎの入出力端には、偏波モード変換素子（具体的には、λ／４波長板）λ／４がそれぞれ設けられている。この偏波モード変換素子λ／４は、光ファイバセンサ１１〜１ｎ内を伝播させる光の偏波モードを円偏波に変更させるとともに、光ファイバ伝送路２内を伝播させる光の偏波モードを直線偏波に変更させるようになっている。
【００１０】
また、第１番目の偏波モード変換素子λ／４に光を導く偏波面保持ファイバＰＭＦと、最後部の偏波モード変換素子λ／４に光を導く偏波面保持ファイバＰＭＦの前には、それぞれファラデー回転子４、５が設置されている。そしてまた、これらのファラデー回転子４、５の前には、偏光ビームスプリッタＰＢＳが設置されるとともに、光源３ａとビームスプリッタＰＢＳとの間には、偏光子６が設置されている。さらに、ビームスプリッタＰＢＳの出射端側には、偏波モード変換素子λ／４と検光子７が設けられている。
【００１１】
一方、光電変換器３ｂは、一対のホトダイオードＰＤ１、ＰＤ２から構成されている。また、信号処理器３ｃは、バンドパスフィルタＢＰＦ、ローパスフィルタＬＰＦ、除算器÷、減算器（Ａ−Ｂ）、等を備えている。
【００１２】
以上の構成を有する図９の光電流計測器において、第ｉ番目の光ファイバセンサ１ｉに電流Ｉｉが流れている場合には、時計回り（ｃｗ）の光と反時計回り（ｃｃｗ）の光が、光ファイバセンサ１ｉ中を円偏波で通過する際に、ファラデー効果によって位相が発生する。
【００１３】
この場合に、発生する位相φｉは、光ファイバセンサを円偏波が通過する際に発生するファラデー回転角をθｉ、ベルデ定数をＶとすると、次のように表現できる。ここで、光ファイバセンサの巻き数は１としている。
【数１】
（φｉ）ｃｗ＝θｉ
（φｉ）ｃｃｗ＝−θｉ
θｉ＝ＶＩｉ
【００１４】
時計回り（ｃｗ）の光と反時計回り（ｃｃｗ）の光がすべての光ファイバセンサを通過させ干渉させた結果として得られる出力Ｓは、電流を交流としてθ１＋θ２＋．．．＋θｎが小さいと仮定すると、次のように表現できる。
【数２】
Ｓ＝４Ｖ（Ｉ１＋Ｉ２＋．．．＋Ｉｎ）
【００１５】
したがって、信号処理部３ｃでは、光電変換器３ｂの出力信号を得ることにより、その出力信号から、各光ファイバセンサ１１〜１ｎに流れる電流Ｉ１〜Ｉｎの総和に等しい出力Ｓを求めることができる。
【００１６】
さらに、図示されていない故障判定部では、信号処理部３ｃの出力信号を受けて、キルヒホッフの第１法則に基づき、電力設備に流入、流出する電流Ｉ１〜Ｉｎの総和が零以外になった場合に異常があると判断して外部にその旨の信号を送出し、この送出信号に基づいて電力設備を停止させる。
【００１７】
【特許文献１】
特開平５−１３７２３６号公報
【特許文献２】
特開２０００−５９９８７号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８、図９に示したような従来の電流差動保護システムや光電流計測器には、それぞれ、一長一短ともいえるような相反する利点と問題点がある。以下には、この点について順次説明する。
【００１９】
まず、図８に示す従来のＰＣＭ電流差動保護システムは、マイクロ回線等により通信するため、距離が離れた端子間でもコストが過度に増大することはなく、経済的に保護システムを構成できるという利点がある一方で、次のようないくつかの問題点がある。すなわち、この従来のＰＣＭ電流差動保護システムにおいては、巻線形変流器の出力をデジタル変換する手段、端子間を通信する手段、差動判定する手段、等の複数の手段を、端子毎に専用に設けているため、システム中の電子部品数が増大し、その結果、システムが大型化するとともに高価となり、費用対効果を考慮しても適切ではないという問題点がある。
【００２０】
この従来のＰＣＭ電流差動保護システムにはまた、鉄心入り巻線形変流器を使用した場合には、事故電流時に鉄心が飽和するために出力が歪むという問題点がある。さらに、空芯の巻線形変流器を使用した場合に、外部磁界などの外乱を受け易く、保護システムに対するサージ対策が難しいという問題点がある。
【００２１】
これに対して、図９に示す故障判定機能を備えた光電流計測器においては、図８のＰＣＭ電流差動保護システムとは逆に、電子部品の数を減らすことができる、鉄心入り巻線形電流計測器でないため大電流計測時の鉄心の磁気飽和に起因する出力歪を生じない、外部磁界などの外乱を受けにくく、サージ対策が簡略できる、という利点がある。
【００２２】
その一方で、この従来の光電流計測器においては、図８のＰＣＭ電流差動保護システムにおいて得られる利点、すなわち、距離が離れた端子間でも保護システムを構成できるという利点を得ることはできない。すなわち、図９に示す光電流計測器においては、光ファイバセンサ間を高価な偏波面保持ファイバを用いて接続しているため、費用対効果の観点から、距離の離れた端子間ではコストが過度に増大してしまい、経済的に保護システムを構成できないという問題点がある。この従来の光電流計測器には、他にも、次のようないくつかの問題点がある。
【００２３】
まず、光ファイバセンサとして伝送損失の大きい鉛ガラスファイバで構成し、かつ異種材質である石英製の偏波面保持ファイバと接続して構成するため、接続点での光量損失が大きくなり、接続する光ファイバセンサの数に制限があり、広く差動保護システムに適用できないという問題点がある。
【００２４】
また、時計回りと反時計回りの光を干渉させる構成であるが、時計回りの光はビームスプリッタＰＢＳを２回透過し、反時計回りの光はビームスプリッタＰＢＳで２回反射されることから、両光が通過する光路は完全に同一ではないため、ファラデー効果以外の効果が出力に現れるとともに、時計回りの光と反時計回りの光の光量を同一にすることが困難である。さらに、ビームスプリッタＰＢＳ等、バルクの光学素子を用いていることから、光を空間中で伝搬させる領域が存在するため、外部環境変化に伴う光電流計測器自体の安定性を向上させることも困難である。
【００２５】
そしてまた、電力設備の故障判断においては、電流量の総和が零以外になった場合に異常があるとしているが、電力設備に流れる電流量によって誤差の度合いが異なるため、正しい判定ができないという問題がある。
【００２６】
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、端子間の距離が離れていても低コストで構成可能であり、大電流計測時の鉄心の磁気飽和に起因する出力歪を発生せず、サージ対策が簡略化可能で、さらに、システムの安定化、小型・軽量化に貢献でき、光量の損失問題を克服可能な光電流計測器を提供するとともに、そのような光電流計測器を用いた信頼性の高い電流差動保護システムを提供することである。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光電流計測器は、上記のような目的を達成するために、光電流センサ素子間をシングルモードファイバで接続することにより、端子間の距離が離れていても、長距離の光伝送路を低コストで構成することができるようにしたものである。
【００２８】
請求項１の発明は、光源と、光源から出射される光を２分岐する第１の光分岐器と、第１の光分岐器から出射される光を偏光する第１の偏光フィルタと、第１の偏光フィルタから出射される光を２分岐する第２の光分岐器と、第２の光分岐器の一方の端部に接続する位相変調器と、第２の光分岐器および位相変調器を介して逆方向に周回する２方向の光を送り込まれる複数の光電流センサ素子とを備えたサニャック干渉形の光電流計測器において、前記複数の光電流センサ素子中における隣接する２つの光電流センサ素子間がシングルモードファイバで接続されたことを特徴としている。
【００２９】
この発明によれば、光電流センサ素子間をシングルモードファイバで接続することにより、端子間の距離が離れていても、高価な偏波面保持ファイバで接続した場合に比べて、長距離の光伝送路を持つ光電流計測器を格段に低コストで実現できる。また、光電流計測器であるため、大電流計測時の鉄心の磁気飽和に起因する出力歪を発生せず、かつサージ対策が簡略化できる。
【００３０】
請求項２の発明は、請求項１の光電流計測器において、前記複数の光電流センサ素子のうち、所定の近接条件を満たす位置関係にある光電流センサ素子間が偏波面保持ファイバで接続され、前記近接条件を満たす位置関係にない光電流センサ素子間がシングルモードファイバで接続されたことを特徴としている。この発明によれば、高価な偏波面保持ファイバを長く使用することもなく、光量損失を抑制可能な光電流計測器を実現できる。
【００３１】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の光電流計測器において、前記隣接する２つの光電流センサ素子間が次のように構成されたことを特徴としている。すなわち、前記隣接する２つの光電流センサ素子において、各光電流センサ素子には、１／４波長板と偏光フィルタがこの順で接続され、隣接する偏光フィルタ間にデポラライザが挿入され、シングルモードファイバで接続される。
【００３２】
この発明によれば、最初の光電流センサ素子内に円偏波の光もしくは楕円偏波の光を伝搬させ、最初の測定電流によりファラデー効果を受けた後、１／４波長板で直線偏波の光として偏光フィルタにより直線偏波の消光比を高めた後、無偏波な光にしてシングルモードファイバを伝搬させることができる。この際、シングルモードファイバを伝搬させた後、無偏波な光としても同様な作用があるため、デポラライザはシングルモードファイバの任意の位置に配置すればよい。無偏波の光は、次の偏光フィルタにより直線偏波の光にされた後、１／４波長板により円偏波の光もしくは楕円偏波の光にされ、次の光電流センサ素子内に円偏波の光もしくは楕円偏波の光を伝搬させ、次の測定電流によりファラデー効果を受けることができる。なお、光の伝搬方向が逆となった場合でも同様な作用が得られる。
【００３３】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかの光電流計測器において、光増幅器が挿入されたことを特徴としている。この発明によれば、挿入された光増幅器により、光量損失を補うことができる。
【００３４】
請求項５の発明は、請求項４の光電流計測器において、前記光増幅器がシングルモードファイバもしくはデポラライザ中に配置されたことを特徴としている。この発明によれば、光源から離れた位置で、かつ光電流センサ、１／４波長板および偏光フィルタでない場所に光増幅器を配置することにより、非干渉光を受光器に戻さないようにするとともに、精度よい電流測定を行いながら、光量損失を補うことができる。
【００３５】
請求項６の発明は、請求項３の光電流装置において、前記デポラライザが偏波面保持ファイバにより構成され、デポラライザに生じた直交成分間の群遅延時間差が光コヒーレント時間より大となるように構成されたことを特徴としている。この発明によれば、時間差を利用した無偏光化が実現でき、複数の光電流センサ素子間をシングルモードファイバで接続して光レベルでの和もしくは差の電流演算が可能となる。
【００３６】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかの光電流計測器において、前記光電流センサ素子が、被測定導体を周回するように配置されたセンサファイバであることを特徴としている。この発明によれば、省スペ−ス化を図りながら被測定導体の回りに光電流センサ素子を取り付けることができるため、外部磁界の影響を受けにくい精度のよい測定が可能となる
【００３７】
請求項８の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかの光電流計測器において、前記光電流センサ素子が、被測定導体に電磁結合された巻線コイルの２次出力を検出するように配置されたセンサファイバであることを特徴としている。この発明によれば、既設の電力設備等に対しても、大きな変更なしに簡易に光電流計測器を取り付けることが可能になる。
【００３８】
請求項９の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかの光電流計測器において、前記１／４波長板が、センサファイバの一部を曲げることによって製作されたファイバ素子であることを特徴としている。この発明によれば、接接続点をなくすことができるので接続損失を低減できる。
【００３９】
請求項１０の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかの光電流計測器において、前記１／４波長板が偏波面保持ファイバであることを特徴としている。この発明によれば、光電流計測器を全ファイバ化でき、外部環境変化に対して安定にすることができる。
【００４０】
請求項１１の発明は、保護対象設備の複数箇所の電流を計測する複数の電流計測器と、それらにより計測された電流の和もしくは差を算出する演算回路と、その演算結果に基づき保護対象設備の異常を判定する判定回路を備えた電流差動保護システムにおいて、前記複数の電流計測器が、請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の光電流計測器であることを特徴としている。
【００４１】
この発明によれば、請求項１乃至請求項１０のいずれかの光電流計測器を使用することにより、端子間の距離が離れていても、光電流計測器を用いた電流差動保護システムを低コストで構成することができる。また、システムの安定化、小型化、軽量化、さらに光量の損失問題の解決が可能な光電流計測器を用いた信頼性の高い電流差動保護システムが実現できる。
【００４２】
請求項１２の発明は、請求項１１の電流差動保護システムにおいて、前記保護対象設備に設けられた各端子の３相電流量を標本量とすることを特徴としている。この発明によれば、使用するシングルモードファイバケーブルの本数を削減することができる。
【００４３】
請求項１３の発明は、請求項１１または請求項１２の電流差動保護システムにおいて、抑制量として保護対象設備の片端の電流値、特に電流値のスカラ量を用いることを特徴としている。この発明によれば、保護対象設備に流れる電流量に係わらず信頼度の高い異常判定をすることができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下には、本発明を適用した光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムの実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００４５】
［第１の実施形態］
図１は、本発明を適用した第１の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図である。図１において、光電流センサ素子である２つのセンサファイバ１００ａ，１００ｂは、それぞれセンサ部１０１ａ，１０１ｂを構成しており、センサファイバ１００ａ，１００ｂ間は、光伝送用のシングルモードファイバ１２０ａｂにより接続されている。また、第１のセンサ部１０１ａは、信号処理部３０１とともに、Ａ端子光保護装置部４０１を構成しており、第２のセンサ部１０１ｂは、Ｂ端子保護装置部５０１を構成している。以下には、各部の構成の詳細について順次説明する。
【００４６】
Ａ端子光保護装置部４０１側に設けられた信号処理部３０１は、まず、光信号を送出するために、光源８、入射光を２分岐する第１の光分岐器９、入射光を無偏光に変換する第１のデポラライザ１０、入射する無偏光を直線偏光に変換する第１の偏光フィルタ１１、入射光を２分岐する第２の光分岐器１２、入射光を位相変調する位相変調器１３、光伝送用のシングルモードファイバ１４ａ，１４ｂ、等を備えている。
【００４７】
信号処理部３０１の第２の光分岐器１２から分岐した一方のシングルモードファイバ１４ａは、入射光を無偏光に変換する第２のデポラライザ１５ａ、入射光を直線偏光に変換する第２の偏光フィルタ１６ａ、を介して、第１のセンサ部１０１ａに接続されている。
【００４８】
第１のセンサ部１０１ａは、光電流センサ素子である第１のセンサファイバ１００ａと、その両端に配置された第１、第２の１／４波長板１７ａ，１８ａから構成されている。ここで、第１のセンサファイバ１００ａは、捻りを加えた石英製の低複屈折シングルモードファイバから構成されており、第１の被測定導体６０１ａを周回するように配置されている。また、第１、第２の１／４波長板１７ａ，１８ａは、接続による損失を抑えるためにセンサファイバの一部を曲げることにより製作されているか、もしくは、石英製の偏波面保持ファイバ（例えば、楕円コアファイバ）で構成されている。
【００４９】
第１のセンサ部１０１ａを挟んで第２の偏光フィルタ１６ａと対向する位置には、入射光を直線偏光に変換する第３の偏光フィルタ１９ａが配置されており、光伝送用のシングルモードファイバ１２０ａｂに接続されている。Ａ端子光保護装置部４０１は、このシングルモードファイバ１２０ａｂを介して、Ｂ端子光保護装置部５０１に接続されている。
【００５０】
ここで、光伝送用のシングルモードファイバ１２０ａｂは、Ｂ端子光保護装置部５０１において、入射光を無偏光に変換する第３のデポラライザ１５ａｂ、入射光を直線偏光に変換する第４の偏光フィルタ１６ｂ、を介して、第２のセンサ部１０１ｂに接続されている。
【００５１】
第２のセンサ部１０１ｂは、光電流センサ素子である第２のセンサファイバ１００ｂと、その両端に配置された第３、第４の１／４波長板１７ｂ，１８ｂから構成されており、第２のセンサファイバ１００ｂは、第２の被測定導体６０１ｂを周回するように配置されている。ここで、第２のセンサ部１０１ｂは、本質的に、第１のセンサ部１０１ａと同様の構成を有する。すなわち、第２のセンサファイバ１００ｂは、第１のセンサファイバ１００ａと同様に構成されており、また、第３、第４の１／４波長板１７ｂ，１８ｂは、第１、第２の１／４波長板１７ａ，１８ａと同様に構成されている。
【００５２】
第２のセンサ部１０１ｂを挟んで第４の偏光フィルタ１６ｂと対向する位置には、入射光を直線偏光に変換する第５の偏光フィルタ１９ｂが配置されており、入射光を無偏光に変換する第４のデポラライザ１５ｂａを介して、光伝送用のシングルモードファイバ１２０ｂａに接続されている。すなわち、Ｂ端子光保護装置部５０１は、このシングルモードファイバ１２０ｂａを介して、Ａ端子光保護装置部４０１の位相変調器１３側に接続されている。
【００５３】
Ａ端子光保護装置部４０１側に設けられた信号処理部３０１はまた、第１、第２のセンサ部１０１ａ，１０１ｂを通過して戻ってきた光を検出するための受光器２４、検波回路２５を備えるとともに、位相変調器１３用の発振回路２６を備えている。Ａ端子光保護装置部４０１にはさらに、信号処理部３０１から出力された出力信号を判定する判定部２７が設けられている。
【００５４】
なお、Ａ端子およびＢ端子の２端子からなる保護対象設備の場合、第１、第２のセンサ部１０１ａ，１０１ｂで測定対象とする第１、第２の被測定導体６０１ａ，６０１ｂは同一の被測定導体であり、符号「６０１ａ」はＡ端子側の位置、「６０１ｂ」はＢ端子側の位置を示している。
【００５５】
本実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムの構成は上記の通りであるが、さらに、本実施形態の構成をより明瞭に示す観点から、以下には、「デポラライザ」および「無偏光」について補足説明する。
【００５６】
まず、「無偏光」とは、直交モード間の光量が等しく、直交モード間の光がインコヒーレントである条件を満足する光をいう。この条件を満足する光は、図２に示されるデポラライザを通過させることにより得られる。図２に示すように、デポラライザは、偏波面保持ファイバＬ１，Ｌ２を使用し、これらの偏波面保持ファイバＬ１，Ｌ２の端面同士を接合することにより構成される。
【００５７】
具体的には、第１の偏波面保持ファイバＬ１の長さと第２の偏波面保持ファイバＬ２の長さの比を１：２に設定し、両偏波保持ファイバの固有軸ｘ、ｙを４５°捻った状態で両偏波保持ファイバＬ１，Ｌ２の端面を相互融着する。ここに構成されたデポラライザは、リオ型デポラライザと称され、このリオ型デポラライザの単位長さＬＳは、通常、偏波面保持ファイバの２本の固有軸ｘ、ｙを光が伝播することにより生ずる直交成分間の群遅延時間差を光のコヒーレント時間以上に設定する長さとされる。
【００５８】
通常、複数のデポラライザを用いるときには、偏波面保持ファイバの長さＬｓ（＝Ｌ１＋Ｌ２）に比率を持たせ（例えば、４つのデポラライザを用いる場合は１：２：４：８の比率とする）、すべてのデポラライザにより生じた直交成分間の群遅延時間差が、光のコヒーレント時間より大きくなるようにして、偏光成分による零点ドリフトを抑制する。例えば、光源として、スーパールミネッセントダイオードを用いた場合には、比率１のリオ型デポラライザの単位長さを２０ｃｍ程度とすれば、一般的に、コヒーレント時間以上の直交成分の群遅延時間差を得ることができる。
【００５９】
次に、本実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムの作用について説明する。なお、図１中では、Ａ端子光保護装置部４０１とＢ端子光保護装置部５０１におけるセンサ部１０１ａ，１０１ｂについて、それぞれの符号の末尾に、「ａ」、「ｂ」を付しているが、これらの符号は、所属先の各光保護装置部４０１，５０１の別を示すために使用されているにすぎず、各センサ部１０１ａ，１０１ｂの構成は、本質的に同一である。また、センサ部１０１ａ，１０１ｂの両側の偏光フィルタ１６ａ，１９ａ，１６ｂ，１９ｂ、等の構成も、本質的に同一である。
【００６０】
そのため、後述する第２の実施形態以降の各実施形態を含め、以下の説明中においては、簡略化の観点から、各センサ部１０１ａ，１０１ｂ等の、同一の構成を有する要素について共通する内容を説明する場合には、これらの末尾の符号「ａ」、「ｂ」を省略した共通の符号を適宜使用するものとする。例えば、「センサ部１０１」は、第１のセンサ部１０１ａと第２のセンサ部１０１ｂを共通的に表現している。
【００６１】
まず、Ａ端子光保護装置部４０１側に設けられた信号処理部３０１において、光源８から出射された光は、第１の光分岐器９に導かれる。第１の光分岐器９において分岐した光は、第１のデポラライザ１０に入射し、透過して直交モード間の光量が等しい無偏光の光に変換される。第１のデポラライザ１０から出射された無偏光の光は、第１の偏光フィルタ１１に入射して、この第１の偏光フィルタ１１で、ある所定の偏光面内における直線偏光の光に変換される。第１の偏光フィルタ１１で変換された直線偏光の光は、第２の光分岐器１２に入射し、時計回りの光および反時計回りの光に２分岐される。
【００６２】
第２の光分岐器１２を介して分岐された反時計回りの光は、シングルモードファイバ１４ｂを通って位相変調器１３において位相変調される。位相変調された反時計回りの光は、Ａ端子光保護装置部４０１から出射し、シングルモードファイバ１２０ｂａを通ってＢ端子光保護装置部５０１に達する。Ｂ端子光保護装置部５０１に達した光は、第４のデポラライザ１５ｂａに入射して無偏光に変換され、次に、第５の偏光フィルタ１９ｂに入射して、ある所定の偏光面内における直線偏光の光に変換された後、第２のセンサ部１０１ｂに入射する。
【００６３】
第２のセンサ部１０１ｂに入射した直線偏光の光は、第４の１／４波長板１８ｂを通過して円偏光の光もしくは楕円偏波の光に変換される。この円偏光の光もしくは楕円偏波の光は、捻りを加えた低複屈折シングルモードファイバよりなる第２のセンサファイバ１００ｂに入射して、第２の被測定導体６０１ｂに流れる電流によって形成される磁界によりファラデー効果を受けた後、第３の１／４波長板１７ｂを通過して第２のセンサ部１０１ｂから出射し、第４の偏光フィルタ１６ｂを通過して、ある所定の偏光面内における直線偏光の光に変換される。
【００６４】
第４の偏光フィルタ１６ｂで変換された直線偏光の光は、第３のデポラライザ１５ａｂを通過して、直交モード間の光量が等しい無偏光の光に変換される。変換された無偏光の光は、Ｂ端子光保護装置部５０１から出射し、シングルモードファイバ１２０ａｂを通ってＡ端子光保護装置部４０１に達する。Ａ端子光保護装置部４０１に達した無偏光の光は、第３の偏光フィルタ１９ａに入射して、ある所定の偏光面内における直線偏光の光に変換された後、第１のセンサ部１０１ａに入射する。
【００６５】
第１のセンサ部１０１ａに入射した直線偏光の光は、第２の１／４波長板１８ａを通過して円偏光の光もしくは楕円偏波の光に変換される。この円偏光の光もしくは楕円偏波の光は、捻りを加えた低複屈折シングルモードファイバよりなる第１のセンサファイバ１００ａに入射して、第１の被測定導体６０１ａに流れる電流によって形成される磁界によりファラデー効果を受けた後、第１の１／４波長板１７ａを通過して第１のセンサ部１０１ａから出射し、第２の偏光フィルタ１６ａを通過して、ある所定の偏光面内における直線偏光の光に変換される。
【００６６】
第２の偏光フィルタ１６ａで変換された直線偏光の光は、第２のデポラライザ１５ａに入射して無偏光の光に変換され、信号処理部３０１の第２の光分岐器１２に入射し、分岐する。第２の光分岐器１２で分岐した光は、第１の偏光フィルタ１１および第１のデポラライザ１０をこの順に通過して無偏光の光に変換され、第１の光分岐器９において分岐して受光器２４に到達し、受光される。
【００６７】
一方、第２の光分岐器１２を介して分岐された時計回りの光は、シングルモードファイバ１４ａを通過して信号処理部３０１から出射した後、第２のデポラライザ１５ａに入射して無偏光の光に変換され、次に、第２の偏光フィルタ１６ａに入射して、ある所定の偏光面内における直線偏光の光に変換された後、第１のセンサ部１０１ａに入射する。
【００６８】
第１のセンサ部１０１ａに入射した直線偏光の光は、第１の１／４波長板１７ａを通過して円偏光の光もしくは楕円偏波の光に変換される。この円偏光の光もしくは楕円偏波の光は、捻りを加えた低複屈折シングルモードファイバよりなる第１のセンサファイバ１００ａに入射して、第１の被測定導体６０１ａに流れる電流によって形成される磁界によりファラデー効果を受けた後、第２の１／４波長板１８ａを通過して第１のセンサ部１０１ａから出射し、第３の偏光フィルタ１９ａを通過して、ある所定の偏光面内における直線偏光の光に変換される。
【００６９】
第３の偏光フィルタ１９ａで変換された直線偏光の光は、Ａ端子光保護装置部４０１から出射し、シングルモードファイバ１２０ａｂを通ってＢ端子光保護装置部５０１に達する。Ｂ端子光保護装置部５０１に達した直線偏光の光は、第３のデポラライザ１５ａｂに入射して無偏光の光に変換され、次に、第４の偏光フィルタ１６ｂに入射して、ある所定の偏光面内における直線偏光の光に変換された後、第２のセンサ部１０１ｂに入射する。
【００７０】
第２のセンサ部１０１ｂに入射した直線偏光の光は、第３の１／４波長板１７ｂを通過して円偏光の光もしくは楕円偏波の光に変換される。この円偏光の光もしくは楕円偏波の光は、捻りを加えた低複屈折シングルモードファイバよりなる第２のセンサファイバ１００ｂに入射して、第２の被測定導体６０１ｂに流れる電流によって形成される磁界によりファラデー効果を受けた後、第４の１／４波長板１８ｂを通過して第２のセンサ部１０１ｂから出射し、第５の偏光フィルタ１９ｂを通過して、ある所定の偏光面内における直線偏光の光に変換される。
【００７１】
第５の偏光フィルタ１９ｂで変換された直線偏光の光は、第４のデポラライザ１５ｂａに入射して無偏光の光に変換された後、Ｂ端子光保護装置部５０１から出射し、シングルモードファイバ１２０ｂａを通ってＡ端子光保護装置部４０１に達する。Ａ端子光保護装置部４０１に達した光は、信号処理部３０１の位相変調器１３に入射して位相変調される。この位相変調された時計回りの光は、第２の光分岐器１２において分岐し、第１の偏光フィルタ１１および第１のデポラライザ１０をこの順に通過して無偏光の光に変換され、第１の光分岐器９を通過して受光器２４に到達し、受光される。
【００７２】
以上のようにして、第２の光分岐器１２を介して分岐された時計回りの光と反時計回りの光は、第１、第２のセンサ部１０１ａ，１０１ｂの両方を通過して最終的に受光器２４に到達する。この場合に、各センサ部１０１において被測定導体６０１の電流により発生した磁界がセンサファイバ１００に印加されると、そのセンサファイバ１００に入射される直前において、偏光フィルタ１６と１／４波長板１７（もしくは、偏光フィルタ１９と１／４波長板１８）により円偏光もしくは楕円偏光に変換された時計回りの光および反時計回りの光の間には、磁界に応じてファラデー効果による位相差が生じる。
【００７３】
例えば、時計回りの光に対してファラデー効果がプラスに作用した場合、反時計回りの光にはファラデー効果はマイナスに作用する。この結果、ファラデー効果により、時計回りの光および反時計回りの光が干渉合成した場合、両光の間に位相差が生じる。すなわち、これら反時計回りの光および時計回りの両光を第２の光分岐器１２および第１の光分岐器９において干渉させた結果、受光器２４においては、光強度変化した位相変調光が受光されることになる。
【００７４】
そして、受光器２４に到達した位相変調光は、この受光器２４において電気信号に光電変換されて電気信号となり、同期検波器２５に入力される。同期検波器２５においては、発振回路２６から供給される信号を参照信号として、第１のセンサファイバ１００ａと第２のセンサファイバ１００ｂの各々に印加される磁界に比例する位相差の合計位相差を検波出力として得る。
【００７５】
ここで、センサファイバｉのベルデ定数をＶｉ、被測定導体周りのセンサファイバの巻数をＮｉ、被測定導体に流れる電流をＩｉとした場合に、ファラデー回転角θｉとファラデー効果により生ずる時計回りに伝播する光と反時計回りに伝播する光の位相差φｉとの間には、次の式（１）、（２）で示されるような関係が存在する。
【数３】
θｉ＝ＶｉＮｉＩｉ … （１）
φｉ＝２θｉ … （２）
【００７６】
したがって、これらの式（１）、（２）を用いて、光の位相差φｉから被測定導体に流れる電流Ｉｉを求めることができる。
【００７７】
ここで、第１のセンサファイバ１００ａと第２のセンサファイバ１００ｂが、ベルデ定数Ｖの石英ファイバで構成され、同じ巻数Ｎで、第１の被測定導体６０１ａおよび第２の被測定導体６０１ｂの周りにそれぞれ巻かれていると仮定する。異常がない場合、第１の被測定導体６０１ａおよび第２の被測定導体６０１ｂには同一電流ＩがＡ端子からＢ端子へ流れるものとすると、各々の電流値Ｉａ，Ｉｂは、Ｉａ＝Ｉ、かつ、Ｉｂ＝Ｉとなる。
【００７８】
そして、第１のセンサファイバ１００ａと第２のセンサファイバ１００ｂにおいて、各センサファイバ１００ａ，１００ｂを各被測定導体６０１ａ，６０１ｂの周りに同一方向に同一巻数だけ周回した場合、第１のセンサファイバ１００ａのみでファラデー効果により生ずる時計回りの光と反時計回りの光の位相差φａと、第２のセンサファイバ１００ｂのみで生ずる光の位相差φｂは等しくなる。すなわち、φａ＝φ、かつ、φｂ＝φ、となる。
【００７９】
この場合、検波出力Ｓは、次の式（３）で表現できる。
【数４】
一方、第１のセンサファイバ１００ａと第２のセンサファイバ１００ｂにおいて、各センサファイバ１００ａ，１００ｂを各被測定導体６０１ａ，６０１ｂの周りに互いに逆方向（巻数Ｎｉの符号を“−”にする）に同一巻数だけ周回した場合、第１のセンサファイバ１００ａのみでファラデー効果により生ずる時計回りの光と反時計回りの光の位相差φａと、第２のセンサファイバ１００ｂのみで生ずる光の位相差φｂは大きさが等しく符号が逆となる。すなわち、φａ＝φ、かつ、φｂ＝−φ、となる。
【００８１】
この結果、検波出力Ｓは、次の式（４）で表現できる。
【数５】
したがって、第１、第２のセンサファイバ１００ａ，１００ｂの巻数を同一にした場合、正常動作時の検波出力Ｓとして、上記の式（３）もしくは式（４）の結果が得られる。
【００８３】
さらに、以上のようにして得られた検波出力を判定部２７に入力して、Ａ端子光保護装置部４０１とＢ端子光保護装置部５０１の間（より厳密には、第１のセンサファイバ１００ａと第２のセンサファイバ１００ｂの間）の事故検出の判定を行う。すなわち、上記の式（３）もしくは式（４）と異なる出力が得られた場合、その逸脱量を判定部２７で求めて、許容値を超えた場合には、判定部２７で事故判定をする。なお、実際の構成において、Ａ端子光保護装置部４０１とＢ端子光保護装置部５０１の間は、数ｋｍから数十ｋｍ程度離れている場合もある。
【００８４】
以上のように、本実施形態によれば、信号処理部３０１を含むＡ端子光保護装置部４０１とＢ端子光保護装置部５０１の間を光ファイバで接続し、両者の間において電流情報を光伝送して端子間異常の差動判定を行うことにより、信号処理部３０１のないＢ端子光保護装置部５０１には電力供給が不要となり、保護システム全体の電子部品の数を少なくすることができる。
【００８５】
特に、光電流センサ素子である第１、第２のセンサファイバ１００ａ，１００ｂ間を安価なシングルモードファイバ１２０ａｂ，２０１ｂａで接続することにより、端子間の距離が離れていても、高価な偏波面保持ファイバで接続した場合に比べて、長距離の光伝送路を格段に低コストで構成することができる。また、光電流計測器を用いているため、従来技術について説明したように、大電流計測時の鉄心の磁気飽和に起因する出力歪を発生せず、かつサージ対策が簡略化できることは明らかである。
【００８６】
したがって、端子間の距離が離れていても低コストで構成可能であり、大電流計測時の鉄心の磁気飽和に起因する出力歪を発生せず、サージ対策が簡略化可能な光電流計測器およびそれを用いた信頼性の高い電流差動保護システムを実現することができる。
【００８７】
さらに、光電流センサ素子であるセンサファイバに石英ファイバを用いることにより、伝送損失を少なくすることができ、かつ、時計回りに伝播する光と反時計回りの光の光量を同一にすることができる。その上、全ファイバ構成としているために、外部環境変化に伴う光電流計測器自体の安定性を向上させることができる。
【００８８】
したがって、システムの安定化、小型化、軽量化、さらに光量の損失問題の解決が可能な光電流計測器およびそれを用いた信頼性の高い電流差動保護システム（ケーブル区間保護リレーシステム、短距離線路保護リレーシステムや構内母線保護リレーシステムなど）を実現することができる。
【００８９】
［第２の実施形態］
図３は、本発明を適用した第２の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、第１の実施形態と異なる点は、信号処理部３０１内部から第１のセンサ部１０１ａに至るまでの光伝送路を、偏波面保持ファイバを用いて構成している点である。
【００９０】
すなわち、本実施形態においては、第１の実施形態における光伝送用のシングルモードファイバ１４ａ，１４ｂに代えて、偏波面保持ファイバ１４１ａ、１４１ｂを使用すると共に、第１の光分岐器９ａ、第２の光分岐器１２ａを、偏波面保持ファイバにより構成しており、図中においては、偏波面保持ファイバを使用したそれらの部分を破線で表現している。
【００９１】
また、位相変調器１３とシングルモードファイバ１２０ｂａとの間の、偏波面保持ファイバ１４１ｂからシングルモードファイバ１２０ｂａに変わる部分には、偏光フィルタ１６０を配置している。なお、図３においては、信号処理部３０１と第１のセンサ部１０１ａの間における偏波面保持ファイバの使用に伴い、図１でこの部分に用いている第１の偏光フィルタ１６ａを省略した場合を示しているが、第１の偏光フィルタ１６ａを配置してもよい。すなわち、本実施形態では、Ａ端子光保護装置部４０１内部ではできる限り偏波面保持ファイバで光を伝送して、デポラライザを用いない構成としている。
【００９２】
また、光源８より出射された光の直線偏光の方位に合せて偏波面保持ファイバを取り付けることにより、光の偏波面方向を一定として第１のセンサ部１０１ａと偏光フィルタ１６０に入射するようになっている。ここで、光の偏波面は、第１の偏光フィルタ１１の出力が最大となり、第１のセンサ部１０１ａの第１の１／４波長板１７ａが１／４波長板として動作し、また、偏光フィルタ１６０の出力が最大となるように調整されている。なお、他の部分の構成は第１の実施形態と同様である。
【００９３】
以上のような構成を有する本実施形態によれば、前述した第１の実施形態と同様の効果が得られることに加えて、さらに、次のような効果が得られる。すなわち、本実施形態によれば、Ａ端子光保護装置部４０１内部の光伝送路としてできる限り偏波面保持ファイバを用いることにより、光源８の光を損失なくセンサ部１０１ａとシングルモードファイバ１２０ｂａに伝送することができる。具体的には、第１の実施形態と比較して約４倍の光量とすることができる。したがって、本実施形態によれば、光量の損失を抑制し、これに伴い最低測定電流量（Ｓ／Ｎ比で決まる電流量）を増加させることができる。
【００９４】
［第３の実施形態］
図４は、本発明を適用した第３の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、第１の実施形態と異なる点は、まず、３つ以上の光保護装置部、すなわち、Ａ端子光保護装置部４０１、Ｂ端子光保護装置部５０１ｂ、Ｃ端子光保護装置部５０１ｃ、…、Ｎ端子光保護装置部５０１ｎから構成されている点である。これに伴い、隣接する各２つの光保護装置部間は、シングルモードファイバ１２０ａｂ，２０１ｂｃ，２０１ｃｄ，…，２０１ｎａでそれぞれ接続されている。
【００９５】
本実施形態においてはまた、光源８と第１の光分岐器９の間、および各シングルモードファイバ１２０ａｂ，２０１ｂｃ，２０１ｃｄ，…，２０１ｎａ中に、光増幅器３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…，３０ｎがそれぞれ配置されている。なお、このような光増幅器は、第１の実施形態に示すような２つの光保護装置部から構成される光電流計測器に配置してもよい。
【００９６】
また、本実施形態において増設されたＣ端子光保護装置部５０１ｃ、…、Ｎ端子光保護装置部５０１ｎは、Ｂ端子光保護装置部５０１ｂと同等に構成されている。すなわち、ｉがｂからｎを表すとすると、Ｉ端子光保護装置部５０１ｉは、デポラライザ１５ｈｉ（ｈはＩ端子光保護装置部５０１ｉの１つ前の光保護装置部の各構成要素を表す記号である）、偏光フィルタ１６ｉ、被測定導体６０１ｉ、センサ部１０１ｉ、偏光フィルタ１９ｉ、光増幅器３０ｉ、より構成されている。ここで、センサ部１０１ｉは、１／４波長板１７ｉ、センサファイバ１００ｉ、１／４波長板１８ｉより構成されている。
【００９７】
なお、光増幅器３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…，３０ｎは、必ずしもすべて配置する必要はなく、１つ以上配置すればよい。また、光増幅器３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…，３０ｎは、シングルモードファイバ中でなく、デポラライザ中に配置してもよい。
【００９８】
さらに、本実施形態において、光増幅器３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…，３０ｎの各々の小信号利得係数（％／ｃｍ）をｇ０，ｇ０ａ，ｇ０ｂ，ｇ０ｃ，…，ｇ０ｎ、各々の利得長（ｃｍ）をＬ、Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ、…、Ｌｎとすると、光電流計測器の光源からみた全体におけるレーザ発振を防ぐために、以下の条件式（５）を満足するようになっている。
【数６】
Ｒ１・Ｒ２・ｅｘｐ（ｇ０・Ｌ＋ｇ０ａ・Ｌａ＋ｇ０ｂ・Ｌｂ＋ｇ０ｃ・Ｌｃ＋…＋ｇ０ｎ・Ｌｎ−α ）＜ １ ．．． （５）
【００９９】
なお、この条件式（５）において、Ｒ１，Ｒ２は、レーザ発振のもととなる共振器を構成する２つの部分（光電流計測器中に存在する）の反射率である。また、α（≧０）は、光源８から出射された光が第１の光分岐器９、第２の光分岐器を通り、時計回りもしくは反時計回りに各光保護装置部を通過して再び光源８に戻って来た時の光の全損失量（％）を表している。
【０１００】
また、本実施形態の光電流計測器は、光電流計測器の光源から見た全体の発振を防ぐ条件ではなく、任意の区間でのレーザ発振を防ぐために、以下の条件式（６）を満足するようになっている。
【数７】
Ｒ３・Ｒ４・ｅｘｐ（Σ（ｇ０ｉ・Ｌｉ−αｉ））＜ １ ．．． （６）
【０１０１】
なお、この条件式（６）において、Ｒ３，Ｒ４は、共振器を構成する任意区間の各端における光の反射率を表しており、Σは、その区間内にあるすべての利得ｇ０ｉ・Ｌｉと損失αｉ（≧０）の差を示している。
【０１０２】
図５に、光増幅器３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…，３０ｎの構成例を示す。光増幅器３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…，３０ｎは、増幅用光ファイバ（例えば、エルビウムドープ光ファイバ）３１、励起用半導体レーザ（エルビウムドープ光ファイバを励起するには、波長０．９８μｍもしくは１．４８μｍの光を出力する）３２と波長選択性（ＷＤＭ）光ファイバカプラ３３、光フィルタ３４，３５から構成されている。
【０１０３】
このような光増幅器において、光源８の光（この場合、波長１．５５μｍ）は、図５中における右側もしくは左側から入力され、左側もしくは右側から出力される。波長選択性（ＷＤＭ）光ファイバカプラ３３は、光源８の光を分岐することなく通過させ、励起用半導体レーザ３２の出力光を分岐するようになっている。
【０１０４】
すなわち、この光増幅器において、励起用半導体レーザ３２から出力された光は、波長選択性（ＷＤＭ）光ファイバ３３を通ることにより増幅用光ファイバ３１に導かれ、増幅用光ファイバ３１を励起して、増幅用光ファイバ３１を通過する光源８の光を増幅するようになっている。また、光フィルタ３４，３５は、出力から雑音要因となるＡＳＥ雑音を取り除くための光バンドパスフィルタである。
【０１０５】
なお、光増幅器３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，…，３０ｎのうち、光源８と第１の光分岐器９の間に配置される光増幅器３０については、分光器９の方向のみへ光を通過させればよいため、光フィルタ３４の代わりに一方向にしか光を透過しないアイソレータ（ファラデー回転子）を配置し、増幅用光ファイバ３１と光フィルタ３５の間にもアイソレータを配置して、戻り光の影響を抑える構成としてもよい。
【０１０６】
以上のような構成を有する本実施形態によれば、光増幅器をシングルモードファイバもしくはデポラライザ中に配置することにより、各々のデポラライザと偏光フィルタの組み合わせによる光量損失（光量が各々１／２に減少する光量損失）を補うことができる。また、光源の近くの光増幅器にはアイソレータを配置し、他の光増幅器については、光源から離れた位置で、かつセンサファイバ、１／４波長板および偏光フィルタでない場所に配置することにより、非干渉光を受光器に戻さないようにするとともに、精度よい電流測定を行いながら、光量損失を補うことができる。
【０１０７】
したがって、本実施形態によれば、前述した第１の実施形態と同様の効果が得られることに加えて、さらに、２端子以上の多くの光保護装置部に適用でき、光量損失を光増幅器により補うことができる、という優れた効果が得られる。
【０１０８】
なお、本実施形態の変形例として、光増幅器は、シングルモードファイバ、デポラライザのどの位置に配置してもよいことは明らかである。また、光増幅器を、偏光フィルタ、１／４波長板、センサファイバ等の光学素子中に挿入したり、これらの光学素子そのものを増幅用光ファイバと兼用したりしても同様な効果が得られる。さらに、増幅用光ファイバとしてプラセオジウム（Ｐｒ）ドープ光ファイバ増幅器、ツリウム（Ｔｍ）ドープ光ファイバ増幅器を用いてもよい。また、シングルモードファイバ中に、誘導ラマン散乱を利用する光ファイバラマン増幅器を用いてもよい。
【０１０９】
［第４の実施形態］
図６は、本発明を適用した第４の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、第１の実施形態と異なる点は、まず、２つの光電流計測器７０１，７０２で電流差動保護システムが構成されている点である。これらの光電流計測器７０１，７０２においては、近接する（所定の近接条件を満たす位置関係にある）３つの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に各相のセンサ部が配置され、隣接するセンサ部間が偏波面保持ファイバで接続されるとともに、近接しない（所定の近接条件を満たす位置関係にない）センサ部間がシングルモードファイバで接続されている。
【０１１０】
本実施形態においてはまた、保護対象設備に設けられたＡ端子およびＢ端子の３相電流量を標本量とするとともに、保護対象設備の片端の電流値、特に電流値のスカラ量の和を抑制量とする。さらに、零相の光電流計測器も構成している。以下には、２つの光電流計測器７０１，７０２の詳細な構成について順次説明する。
【０１１１】
図６において、まず、第１の光電流計測器７０１は、第１の実施形態の光電流計測器におけるＡ端子光保護装置部４０１とＢ端子保護装置部５０１の各センサ部１０１を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の各センサ部１０１〜１０３と、その間を接続する偏波面保持ファイバ１５０，１５１からなる３相センサ部（１０１〜１０３，１５０，１５１）に置き換えたものであり、これ以外の構成は、基本的に第１の実施形態の光電流計測器と同様である。
【０１１２】
すなわち、Ａ端子光保護装置部４０１の３相センサ部（１０１ａ〜１０３ａ，１５０ａ，１５１ａ）と、Ｂ端子光保護装置部５０１の３相センサ部（１０１ｂ〜１０３ｂ，１５０ｂ，１５１ｂ）の間は、光伝送用のシングルモードファイバ１２０ａｂ，１２０ｂａで接続されている。また、３相センサ部（１０１〜１０３，１５０，１５１）の片側に設けられたデポラライザ１１５と偏光フィルタ１１６、および反対側に設けられた偏光フィルタ１１９は、第１の実施形態における、デポラライザ１５と偏光フィルタ１６，１９にそれぞれ対応する。さらに、信号処理部３０１もまた、第１の実施形態における信号処理部３０１と同一である。
【０１１３】
また、３相の各センサ部１０１〜１０３は、第１の実施形態における各センサ部１０１と同様に、１／４波長板、センサファイバ、１／４波長板より構成されている。ただし、第１の光電流計測器７０１の各センサ部１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂの光電流センサ素子であるセンサファイバの巻数の比は、１：２：３：−１：−２：−３（ここで、「−」は被測定導体の回りを逆向きに巻いた状態を示す）となっており、標本量（各相毎で光電流計測器を構成するのではなく、１つの光電流計測器で保護システムを構成できるようにしている）をとることで、保護対象設備の短絡専用の検出を行うようになっている。
【０１１４】
また、各センサ部１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ，１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂの巻数比は、２：−１：−１：−２：１：１等であってもよい。さらに、２：０：１：−２：０：−１とすれば、短絡・地絡共用の検出を行うことができる。
【０１１５】
一方、６０１ａは第１のＵ相被測定導体、６０２ａは第１のＶ相被測定導体、６０３ａは第１のＷ相被測定導体であり、６０１ｂは第２のＵ相被測定導体、６０１２ｂは第２のＶ相被測定導体、６０３ｂは第２のＷ相被測定導体である。そして、各センサ部１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｂ〜１０３ｂのセンサファイバは、各々、被測定導体６０１ａ〜６０３ａ、６０１ｂ〜６０３ｂを周回するように配置されている。
【０１１６】
第１の実施形態と同様に、Ａ端子およびＢ端子の２端子からなる保護対象設備の場合、第１の被測定導体６０１ａ〜６０３ａと第２の被測定導体６０１ｂ〜６０３ｂは、いずれも、同一の被測定導体であり、６０１ａ〜６０３ａはＡ端子側の位置、６０１ｂ〜６０３ｂはＢ端子側の位置を示している。
【０１１７】
さらに、第１のＵ相被測定導体６０１ａ、第１のＶ相被測定導体６０２ａ、第１のＷ相被測定導体６０３ａには、各相の巻線形変流器（巻線形ＣＴ）１７０ｕ，１７０ｖ，１７０ｗがそれぞれ取り付けられており、各巻線形変流器１７０ｕ，１７０ｖ，１７０ｗの出力は、各信号変換器４０ｕ，４０ｖ，４０ｗにそれぞれ導かれている。そして、各信号変換器４０ｕ，４０ｖ，４０ｗからの出力（電流値）は、判定部２７に送られるようになっている。
【０１１８】
判定部２７では、各信号変換器４０ｕ，４０ｖ，４０ｗの出力、すなわち、第１のＵ相被測定導体６０１ａ、第１のＶ相被測定導体６０２ａ、第１のＷ相被測定導体６０３ａの各電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのスカラ和であるΣ｜Ｉ｜＝｜Ｉｕ｜＋｜Ｉｖ｜＋｜Ｉｗ｜を保護対象設備の保護のための抑制量として用いている（電流値に応じて光電流計測器の信号処理部３０１，３０２の出力が異常かどうかを判断する）。
【０１１９】
ここで、各巻線形変流器１７０ｕ，１７０ｖ，１７０ｗを光変流器（光電流センサ）としてもよいことはいうまでもない。また、各巻線形変流器（巻線形ＣＴ）１７０ｕ，１７０ｖ，１７０ｗの出力を、各信号変換器４０ｕ，４０ｖ，４０ｗに直接導く代わりに、でなく、各巻線形変流器１７０ｕ，１７０ｖ，１７０ｗの出力の一部を、各信号変換器４０ｕ，４０ｖ，４０ｗに導くように構成してもよい。
【０１２０】
次に、第２の光電流計測器７０２は、第１の光電流計測器７０１と基本的に同等の構成を有しており、Ａ端子光保護装置部４０１とＢ端子保護装置部５０１には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の各センサ部２０１〜２０３と、その間を接続する偏波面保持ファイバ２５０，２５１からなる３相センサ部（２０１〜２０３，２５０，２５１）を備えている。
【０１２１】
そして、Ａ端子光保護装置部４０１の３相センサ部（２０１ａ〜２０３ａ，２５０ａ，２５１ａ）と、Ｂ端子光保護装置部５０１の３相センサ部（２０１ｂ〜２０３ｂ，２５０ｂ，２５１ｂ）の間は、光伝送用のシングルモードファイバ２２０ａｂ，２２０ｂａで接続されている。また、３相センサ部（２０１〜２０３，２５０，２５１）の片側に設けられたデポラライザ２１５と偏光フィルタ２１６、および反対側に設けられた偏光フィルタ２１９は、第１の光電流計測器７０１における、デポラライザ１１５と偏光フィルタ１１６，１１９にそれぞれ対応する。さらに、信号処理部３０２もまた、第１の光電流計測器７０２の信号処理部３０１と同等の構成を有する。
【０１２２】
また、３相の各センサ部２０１〜２０３が、１／４波長板、センサファイバ、１／４波長板より構成されている点も第１の光電流計測器７０１と同様である。ただし、第２の光電流計測器７０２において、各センサ部２０１ａ，２０２ａ，２０３ａ，２０１ｂ，２０２ｂ，２０３ｂの光電流センサ素子であるセンサファイバの巻数の比は、１：１：１：−１：−１：−１（ここで、「−」は被測定導体の回りを逆向きの巻いた状態を示す）となっており、零相の電流を検出することで、保護対象設備の地絡の検出を行うようになっている。
【０１２３】
そして、各センサ部２０１ａ〜２０３ａ，２０１ｂ〜２０３ｂのセンサファイバは、各々、被測定導体６０１ａ〜６０３ａ、６０１ｂ〜６０３ｂを周回するように配置されている。また、各センサ部２０１ａ〜２０３ａ，２０１ｂ〜２０３ｂは、それぞれ、第１の光電流計測器７０１の各センサ部１０１ａ〜１０３ａ，１０１ｂ〜１０３ｂの近傍に設置されている。
【０１２４】
この場合、第１の実施形態と同様に、第１の被測定導体６０１ａ〜６０３ａと第２の被測定導体６０１ｂ〜６０３ｂは、いずれも、同一の被測定導体であり、６０１ａ〜６０３ａはＡ端子側の位置、６０１ｂ〜６０３ｂはＢ端子側の位置を示している点については、前述した通りである。
【０１２５】
なお、零相の電流検出において、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の被測定導体の周囲を１つのセンサファイバで取り囲むことにより電流検出する場合は、第２の光電流計測器７０２の構成を、第１の実施形態に係る光電流計測器の構成と同様にすることができる。ただし、この場合、３相の被測定導体６０１〜６０３は、単一のセンサ部１０１のセンサファイバで周回されるのではなく、各相のセンサ部１０１〜１０３のセンサファイバでそれぞれ周回されるようにする。
【０１２６】
また、第２の光電流計測７０２においても、第１の光電流計測器７０１と同様に、巻線形変流器もしくは光変流器等により各相の電流値を測定して、その電流値、特に各相の電流値のスカラ和を抑制量として用いてもよい。
【０１２７】
以上のような構成を有する本実施形態によれば、第１の光電流計測器７０１による信号処理部３０１の出力、もしくは第２の光電流計測器７０２による信号処理器３０２の出力と、信号変換器４０ｕ，４０ｖ，４０ｗの出力とを、判定部２７に導くことにより、電流差動保護システムを構成することができ、保護対象設備の異常判断を行うことができる。この際、信号変換器４０ｕ，４０ｖ，４０ｗの出力を判定部２７に導かない構成をとることもできる。
【０１２８】
また、第１の光電流計測器７０１のように保護対象設備に設けられた各端子の３相の電流量を標本量とすることにより、システムで使用する光伝送用のシングルモードファイバケーブルの本数を削減できる。そして、各相のセンサファイバの巻数に応じて短絡専用もしくは短絡・地絡共用の異常検出を行うことができる。
【０１２９】
また、保護対象設備の片端の電流値、特に電流値のスカラ量を抑制量とすることにより、保護対象設備に流れる電流量に関わらず信頼度が高い異常判定をすることができる。さらに、第２の光電流計測器７０２のように零相検出の電流差動保護システムを構成することにより、地絡専用の異常検出を行うことができる。
【０１３０】
したがって、本実施形態によれば、前述した第１の実施形態と同様の効果が得られることに加えて、さらに、光伝送用のシングルモードファイバの本数を削減できるとともに、保護対象設備に流れる電流量に関わらず信頼度が高い異常判定が可能となる、という効果が得られる。
【０１３１】
なお、本実施形態の保護対象設備に対する適用リレーの種類としては、第１の実施形態と同様に、ケーブル区間保護リレーシステム、短距離線路保護リレーシステムや構内母線保護リレーシステムなどがある。
【０１３２】
［第５の実施形態］
図７は、本発明を適用した第５の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図である。本実施形態は、第４の実施形態の変形例であり、第４の実施形態と異なる点は、被測定導体の周りにセンサファイバを周回するのではなく、巻線形変流器（被測定導体に電磁結合された巻線コイル）の２次出力をセンサファイバに周回することにより、２つの光電流計測器８０１，８０２を構成した点である。
【０１３３】
図７に示すように、Ａ端、Ｂ端を結ぶ３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電力ケーブル（もしくは線路、もしくは母線）が敷設されている。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相は、各々被測定導体６０１ａ〜６０３ａと表されている（２端子であるため、Ａ端、Ｂ端とも同一の被測定導体である）。Ａ端には巻線形変流器１７０ｕａ，１７０ｖａ，１７０ｗａが、Ｂ端には巻線形変流器１７０ｕｂ，１７０ｖｂ，１７０ｗｂが、それぞれ、被測定導体６０１ａ〜６０３ａに取り付けられている。
【０１３４】
このうち、Ａ端の巻線形変流器１７０ｕａ，１７０ｖａ，１７０ｗａは、第１の光電流計測器８０１の要素となるコイル１１１ａ〜１１３ａに接続され、さらに、第２の光電流計測器８０２の要素となるコイル２１１ａ〜２１３ａに接続された後、各信号変換器４０ｕａ，４０ｖａ，４０ｗａに接続されている。そして、各信号変換器４０ｕａ，４０ｖａ，４０ｗａの出力は、電流差動保護システムの判定部を有するリレー２７０に導かれるようになっている。
【０１３５】
同様に、Ｂ端の巻線形変流器１７０ｕｂ，１７０ｖｂ，１７０ｗｂは、第１の光電流計測器８０１の要素となるコイル１１１ｂ〜１１３ｂに接続され、さらに第２の光電流計測器８０２の要素となるコイル２１１ｂ〜２１３ｂに接続された後、各信号変換器４０ｕｂ，４０ｖｂ，４０ｗｂに接続されている。そして、各信号変換器４０ｕｂ，４０ｖｂ，４０ｗｂの出力は、電流差動保護システムの判定部を持たないリレー２８０に導かれるようになっている。
【０１３６】
また、第１の光電流計測器８０１は、第４の実施形態における第１の光電流計測器７０１におけるセンサ部の構成を変更したものである。すなわち、第１の光電流計測器８０１は、第４の実施形態の光電流計測器７０１における各センサ部１０１〜１０３と、その間を接続する偏波面保持ファイバ１５０，１５１からなる３相センサ部の構成に代えて、コイル１１１〜１１３を取り付けたセンサファイバ１００を使用したものである。
【０１３７】
すなわち、第１の光電流計測器８０１のセンサファイバ１００ａにはコイル１１１ａ〜１１３ａが、センサファイバ１００ｂにはコイル１１１ｂ〜１１３ｂが、それぞれ周回するように取り付けられている。ここで、各コイル１１１ａ，１１２ａ，１１３ａ，１１１ｂ，１１２ｂ，１１３ｂの巻数の比は、１：２：３：−１：−２：−３（ここで、「−」はセンサファイバ１００ａもしくは１００ｂの回りを逆向きに巻いた状態を示す）となっており、標本量（各相毎で光電流計測器を構成するのではなく、１つの光電流計測器で保護システムを構成できるようにしている）をとることで、保護対象設備の短絡専用の検出を行うようになっている。
【０１３８】
また、各コイル１１１ａ，１１２ａ，１１３ａ，１１１ｂ，１１２ｂ，１１３ｂの巻数比は、２：−１：−１：−２：１：１等であってもよい。さらに、２：０：１：−２：０：−１とすれば、短絡・地絡共用の検出を行うことができる。
【０１３９】
一方、電流差動保護システムの判定部を有するリレー２７０では、信号変換器４０ｕａ，４０ｖａ，４０ｗａの出力、すなわち、被測定導体６０１ａ〜６０３ａの各電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのスカラ和であるΣ｜Ｉ｜＝｜Ｉｕ｜＋｜Ｉｖ｜＋｜Ｉｗ｜を保護対象設備の保護のための抑制量として用いている（電流値に応じて光電流計測器の信号処理器３０１，３０２の出力が異常かどうかを判断する）。
【０１４０】
一方、第２の光電流計測器８０２は、第１の光電流計測器８０１と基本的に同等の構成を有している。すなわち、第２の光電流計測器８０２のセンサファイバ２００ａにはコイル２１１ａ〜２１３ａが、センサファイバ２００ｂにはコイル２１１ｂ〜２１３ｂが、それぞれ周回するように取り付けられている。ここで、各コイル２１１ａ，２１２ａ，２１３ａ，２１１ｂ，２１２ｂ，２１３ｂの巻数の比は、１：１：１：−１：−１：−１（ここで−はセンサファイバ２９ａもしくは２９ｂの回りを逆向きの巻いた状態を示す）となっており、零相の電流検出を行うことで、保護対象設備の地絡の検出を行うようになっている。
【０１４１】
以上のような構成を有する本実施形態によれば、第１の光電流計測器８０１による信号処理部３０１の出力、もしくは第２の光電流計測器８０２による信号処理器３０２の出力と、信号変換器４０ｕａ，４０ｖａ，４０ｗａの出力とを、判定部を有するリレー２７０に導くことにより、電流差動システムを構成することができ、保護対象設備の異常判断を行うことができる。
【０１４２】
この際、信号変換器４０ｕａ，４０ｖａ，４０ｗａの出力を判定の条件に使わないようにしてもよい。ただし、信号変換器４０ｕｂ，４０ｖｂ，４０ｗｂの出力は、判定部を持たないリレー２８０に導かれており、ここでは電流差動システムを構成していない。
【０１４３】
また、第１の光電流計測器８０１のように保護対象設備に設けられた各端子の３相の電流量を標本量とすることにより、システムで使用する光伝送用のシングルモードファイバケーブルの本数を削減できる。そして、各相のセンサファイバの巻数に応じて短絡専用もしくは短絡・地絡共用の異常検出を行うことができる。
【０１４４】
また、保護対象設備の片端の電流値、特に電流値のスカラ量を抑制量とすることにより、保護対象設備に流れる電流量に関わらず信頼度が高い異常判定をすることができる。さらに、第２の光電流計測器のように零相検出の電流差動保護システムを構成することにより地絡専用の異常検出を行うことができる。
【０１４５】
したがって、本実施形態によれば、前述した第４の実施形態と同様に、光伝送用のシングルモードファイバの本数を削減できるとともに、保護対象設備に流れる電流量に関わらず信頼度が高い異常判定が可能となる、という効果が得られる。これに加えて、本実施形態によれば、巻線形変流器の２次出力を使って光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを構成することにより、新規の保護対象設備のみならず既設の保護対象設備にも適用可能となる。
【０１４６】
［他の実施形態］
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で他にも多種多様な形態が実施可能である。例えば、前記の第１〜第５の実施形態に係る構成を適宜組み合わせて用いた場合には、その組み合わせに応じて、同等もしくは組み合わせによる相乗的な効果が得られることは言うまでもない。
【０１４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、端子間の距離が離れていても低コストで構成可能であり、大電流計測時の鉄心の磁気飽和に起因する出力歪を発生せず、サージ対策が簡略化可能で、さらに、システムの安定化、小型・軽量化に貢献でき、光量の損失問題を克服可能な光電流計測器を提供するとともに、そのような光電流計測器を用いた信頼性の高い電流差動保護システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図。
【図２】図１に示す光電流計測器に使用するデポラライザを示す構成図。
【図３】本発明を適用した第２の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図。
【図４】本発明を適用した第３の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図。
【図５】図４に示す光電流計測器に使用する光増幅器を示す構成図。
【図６】本発明を適用した第４の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図。
【図７】本発明を適用した第５の実施形態に係る光電流計測器およびそれを用いた電流差動保護システムを示す構成図。
【図８】従来のＰＣＭ電流差動保護システムを示す構成図。
【図９】従来の故障判定機能を備えた光電流計測器を示す構成図。
【符号の説明】
８…光源
９…第１の光分岐器
１０…第１のデポラライザ
１１…第１の偏光フィルタ
１２…第２の光分光器
１３…位相変調器
１４ａ，１４ｂ…シングルモードファイバ
１５ａ…第２のデポラライザ
１５ａｂ…第３のデポラライザ
１５ｂａ…第４のデポラライザ
１６ａ…第２の偏光フィルタ
１６ｂ…第４の偏光フィルタ
１７ａ…第１の１／４波長板
１７ｂ…第３の１／４波長板
１８ａ…第２の１／４波長板
１８ｂ…第４の１／４波長板
１９ａ…第３の偏光フィルタ
１９ｂ…第５の偏光フィルタ
２４…受光器
２５…検波回路
２６…発振回路
２７…判定部
３０，３０ａ〜３０ｎ…光増幅器
４０ｕ，４０ｖ，４０ｗ…信号変換器
１００ａ，１００ｂ…ファイバセンサ（光電流センサ素子）
１０１ａ，１０１ｂ…センサ部
１１１ａ〜１１３ａ，１１１ｂ〜１１３ｂ…コイル
１２０ａｂ，１２０ｂａ…シングルモードファイバ
１４１ａ，１４１ｂ…偏波面保持ファイバ
１７０ｕ，１７０ｖ，１７０ｗ…巻線形変流器
２１１ａ〜２１３ａ，２１１ｂ〜２１３ｂ…コイル
３０１，３０２…信号処理部
４０１…Ａ端子光保護装置部
５０１…Ｂ端子光保護装置部
６０１ａ…第１の被測定導体
６０１ｂ…第２の被測定導体
７０１，８０１…第１の光電流計測器
７０２，８０２…第２の光電流計測器
Claims (13)
- 光源と、光源から出射される光を２分岐する第１の光分岐器と、第１の光分岐器から出射される光を偏光する第１の偏光フィルタと、第１の偏光フィルタから出射される光を２分岐する第２の光分岐器と、第２の光分岐器の一方の端部に接続する位相変調器と、第２の光分岐器および位相変調器を介して逆方向に周回する２方向の光を送り込まれる複数の光電流センサ素子とを備えたサニャック干渉形の光電流計測器において、
前記複数の光電流センサ素子中における隣接する２つの光電流センサ素子間がシングルモードファイバで接続された、
ことを特徴とする光電流計測器。 - 前記複数の光電流センサ素子のうち、所定の近接条件を満たす位置関係にある光電流センサ素子間が偏波面保持ファイバで接続され、前記近接条件を満たす位置関係にない光電流センサ素子間がシングルモードファイバで接続された、
ことを特徴とする請求項１に記載の光電流計測器。 - 前記隣接する２つの光電流センサ素子において、各光電流センサ素子には、１／４波長板と偏光フィルタがこの順で接続され、隣接する偏光フィルタ間にデポラライザが挿入され、シングルモードファイバで接続された、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光電流計測器。
- 光増幅器が挿入されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光電流計測器。
- 前記光増幅器がシングルモードファイバもしくはデポラライザ中に配置された、
ことを特徴とする請求項４に記載の光電流計測器。 - 前記デポラライザが偏波面保持ファイバにより構成され、デポラライザに生じた直交成分間の群遅延時間差が光コヒーレント時間より大となるように構成された、
ことを特徴とする請求項３に記載の光電流装置。 - 前記光電流センサ素子が、被測定導体を周回するように配置されたセンサファイバである、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光電流計測器。 - 前記光電流センサ素子が、被測定導体に電磁結合された巻線コイルの２次出力を検出するように配置されたセンサファイバである、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光電流計測器。 - 前記１／４波長板が、センサファイバの一部を曲げることによって製作されたファイバ素子である、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光電流計測器。 - 前記１／４波長板が偏波面保持ファイバであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光電流計測器。
- 保護対象設備の複数箇所の電流を計測する複数の電流計測器と、それらにより計測された電流の和もしくは差を算出する演算回路と、その演算結果に基づき保護対象設備の異常を判定する判定回路を備えた電流差動保護システムにおいて、
前記複数の電流計測器が、請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の光電流計測器である、
ことを特徴とする電流差動保護システム。 - 前記保護対象設備に設けられた各端子の３相電流量を標本量とすることを特徴とする請求項１１に記載の電流差動保護システム。
- 抑制量として保護対象設備の片端の電流値、特に電流値のスカラ量を用いることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の電流差動保護システム。
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