JP2005315815A - 高電圧測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、電圧の絶対測定を精度良くかつ簡易に行える高電圧測定装置を提供するものである。
【解決手段】 センサ部３の取付部５を送電線６に引っかけると、センサ部３は、空中に保持される。この状態では、取付部５を介して、センサ部３のポッケルス材料に電圧が印加される。一方、発光部１により、入力光をポッケルス材料に照射する。照射された入力光の偏波面は、印加電圧に対応して変化する。偏光子を用いることにより、偏波面の変化を出力光強度の変化に変換できる。ポッケルス材料を通過した光（出力光）の強度に基づいて、ポッケルス材料に印加された電圧を算出することができる。
この発明では、ポッケルス材料の両端に配置された第１電極と第２電極とで挟まれた領域（つまり電圧印加領域）を通過した光を出力光として取り出すことができる。これにより、電圧測定の精度を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポッケルス材料を利用した高電圧測定装置に関するものである。

高電圧（例えば１０００Ｖ以上の電圧）を測定するためには、計測装置の絶縁耐圧や、計測機器を通じた漏洩電流が問題となるため、一般には、高電圧を、測定容易な低電圧に変換してから測定している。実用的な高電圧測定器としては、計器用変圧器、抵抗分圧器、容量分圧器が開発されている。

しかしながら、計器用変圧器は、通常は、商用周波数以上の周波数を有する交流電圧しか計測できない。また、抵抗分圧器や容量分圧器は、測定できる高電圧波形がかなり限定されてしまう。

さらに、分圧を用いた場合の分圧比（高電圧から低電圧への変換の割合）は、気象条件や、周囲に存在する構造物の配置状況などの条件によって変化する。このため、この方式では、電圧の絶対測定は原理的に望めない。

また、近年、ポッケルス材料（ポッケルス効果を有する物質をいう）と容量分圧器とを併用した電圧測定器が開発されている。しかしながら、この技術においても、容量分圧器を使用するために、電圧の絶対測定は困難である。

さらに、容量分圧器を用いずにポッケルス材料で電圧測定を行う技術も開発されている。しかしながら、従来の装置では、２点間の絶縁を確保するために極めて大きな容器内にポッケルス材料を収納した上で絶縁性の高いガスを封入しており、装置が大型であるという問題があった。

また、ポッケルス材料を用いて電圧測定を行う場合に、従来の技術では、電極の位置を避けて光を入力し、その光における偏波状態の変化から電圧を算出している。この技術では、電圧印加箇所（つまり電極で挟まれた部分）ではなく、それに隣接した領域を光が通過する。すると、周辺環境に起因する近接効果によって外部から電気力線が加わったり、電気力線が逃げたりすることがあり、電圧測定の精度が劣化するという問題もあった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、電圧の絶対測定を精度良くかつ簡易に行える高電圧測定装置を提供しようとするものである。

本発明に係る高電圧測定装置は、発光部と、検出部と、センサ部とを備えている。前記センサ部は、ポッケルス材料と、第１電極と、第２電極とを備えている。前記ポッケルス材料は、第１端部と第２端部とを備えている。前記第１電極は、前記第１端部に接触して取り付けられている。かつ、前記第１電極は、前記発光部からの光に対して透明となっている。前記第２電極は、前記第２端部に接触して取り付けられている。前記発光部は、この発光部からの光が、前記第１電極および前記ポッケルス材料を通過して前記第２電極に達するように、前記光を照射する構成となっている。前記検出部は、前記ポッケルス材料を通過して前記第２電極に達した光の特性変化に基づいて、前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電圧を測定するものとなっている。

前記光の特性変化とは、例えば、光の偏波面の変化である。

前記高電圧測定装置は、さらに取付部を備えていてもよい。前記取付部は、前記センサ部に取り付けられており、フック状に形成されており、かつ、導電性を有している。さらに、前記取付部は、前記第１電極または第２電極のうちの一方に電気的に接続されている。前記第１電極または第２電極の他方は、基準電位に対して電気的に接続されている。

前記第２電極は、前記発光部からの光に対して透明となっていてもよい。

前記高電圧測定装置において、前記第２電極が、前記発光部からの光を反射する材質であり、前記検出部が、前記ポッケルス材料を通過して前記第２電極に達し、さらに前記第２電極で反射されて前記第１電極を通過した光に基づいて前記電圧の測定を行う構成であっても良い。

前記第１電極および前記第２電極が、前記第１端部および第２端部の全面に接触して形成されていてもよい。

前記ポッケルス材料が柱状に形成されていてもよい。

前記高電圧測定装置において、前記発光部からの光が位相変調されており、前記検出部が、前記発光部からの光を同期検波により検出する構成であってもよい。

前記高電圧測定装置において、前記発光部から照射される光が複数の波長の光を含んでおり、前記検出部が、前記複数の波長の光におけるそれぞれの特性変化に基づいて、前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電圧を測定するものである構成であっても良い。

前記ポッケルス材料は、前記取付部を被計測部位に取り付けることにより空中に保持される構成となっていてもよい。

本発明に係る高電圧測定方法は、以下のステップを備えている：
（１）ポッケルス材料における第１端部と第２端部とにそれぞれ形成された第１電極と第２電極との間に電圧を印加するステップ；
（２）前記ステップ（１）の前後またはこれと同時に、前記電圧が印加された部分であって、かつ、前記第１電極と第２電極とで挟まれる領域内において、前記ポッケルス材料に光を透過させるステップ；
（３）前記ポッケルス材料を透過した光の特性変化に基づいて、印加された前記電圧を測定するステップ。

本発明によれば、第１電極と第２電極で挟まれた領域（つまり電圧が印加される領域）において、計測用の光を通過させることができる。このため、近接効果により電気力線が増減することはない。したがって、本発明によれば、電圧の絶対測定を精度良く行える。

また、フック状の取付部を設けることにより、このフックを送電線などの高電位部分に引っかけて、電圧測定を行うことができる。このため、電圧測定が簡易となるという効果もある。

（第１実施形態の構成）
以下、本発明の第１実施形態を図１および図２に基づいて説明する。この実施形態に係る高電圧測定装置は、発光部１と、検出部２と、センサ部３と、取付部５とを備えている。

発光部１は、光源１１と、入力用導波路１２とを備えている。光源１は、コヒーレント光を発することができる適宜な発光素子を用いて構成されている。使用できる発光素子としては、例えば、ＬＤ（レーザダイオード）やＬＥＤ（発光ダイオード）である。この実施形態では、光源１として、二つの波長（例えば１３００ｎｍと１５５０ｎｍ）の光をそれぞれ発光できるものが用いられている。このような光源は、それぞれの波長の光を発するＬＤやＬＥＤを複数用いることにより構成できる。

入力用導波路１２は、この実施形態では、光ファイバにより構成されている。導波路１２は、光源から発せられた光（入力光）を、センサ部３のポッケルス材料３１（後述）に入射できるように延長されている。ただし、導波路１２としては、光ファイバに限らず、例えば、ミラーを用いて空間中を伝搬させる構成でも、あるいは導波管を用いる構成でも良い。

この構成により、発光部１は、この発光部１からの光が、後述する第１電極３２およびポッケルス材料３１を通過して第２電極３３に達するように、入力光を照射する構成となっている。

センサ部３は、図２に示すように、ポッケルス材料３１と、第１電極３２と、第２電極３３と、筒体３４と、入力用レンズ３５と、入力用の偏光子３６と、出力用レンズ３７と、出力用の偏光子３８とを主な構成として備えている。

ポッケルス材料３１は、長尺な柱状（例えば円柱状や角柱状）とされている。ポッケルス材料３１は、第１端部３１１と第２端部３１２とを備えている（図２参照）。ポッケルス材料３１は、ポッケルス効果を有する物質により構成されている。ポッケルス効果を有する物質としては、例えば、Ｂｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２結晶（いわゆるＢＧＯ結晶）がある。

第１電極３２は、ポッケルス材料３１の第１端部３１１の全面に接触して取り付けられている。また、第１電極３２は、発光部１からの入力光に対して透明となっている。第１電極３２は、配線３９により、基準電位としての零電位（グラウンド）に電気的に接続されている。基準電位は、計測に支障がなければ、必ずしも零電位でなくてもよい。

第１電極３２として用いることができる材質としては、例えば、ＩＴＯ、ＺｎＯ系、ＳｎＯ_２系、Ｉｎ_２Ｏ_３系、導電性透明ポリマーなどの材料がある。

第２電極３３は、ポッケルス材料３１の第２端部３１２の全面に接触して取り付けられている。本実施形態では、第２電極３３も、発光部１からの入力光に対して透明となっている。第２電極３３の材質としては、第１電極３２と同じであっても異なっていても良い。

筒体３４は、筒状に形成されており、ポッケルス材料３１は、筒体３４の内部に収納されている（図２参照）。筒体３４は、絶縁体により構成されていることが好ましい。

入力用レンズ３５および入力用偏光子３６は、図２に示されるように、入力用導波路１２と第１電極３２との間に配置されている。

出力用レンズ３７および出力用偏光子３８は、第２電極３３と出力用導波路２２（後述）との間に配置されている。

検出部２は、検出部２１と出力用導波路２２とを備えている（図１参照）。出力用導波路２２は、入力用導波路１２と同様に、光ファイバにより構成されている。もちろん、光ファイバ以外の導波路を用いても良い。出力用導波路２２は、出力用レンズ３７および偏光子３８を通過した光（出力光）を検出器２１に伝搬するようになっている（図２参照）。

検出部２１は、導波路２２により伝搬された出力光の特性変化に基づいて、第１電極３２と第２電極３３との間に印加された電圧を測定する構成となっている。具体的には、検出部２１は、出力光の偏波面の変化を、光強度の変化として検出している。詳しい動作原理は後述する。

取付部５は、センサ部３の筒体３４の上部外面に取り付けられている（図２参照）。取付部５は、フック状に形成されている。さらに、取付部５は、導電性材料により構成されており、導電性を有している。導電性材料としては、例えば、金属（例えばアルミニウム合金や銅合金）、導電性樹脂などの適宜なものを用いることができる。ただし、取付部５は、取付部５を被測定部位に引っかけた状態において、センサ部３の重量に耐えるだけの剛性を有していることが好ましい。さらに、取付部５は、配線４０により、第２電極３３に電気的に接続されている。

（第１実施形態の動作）
つぎに、第１実施形態に係る高電圧測定装置の動作を説明する。以下の例では、電圧測定の対象としての被測定部位が、図１に示される送電線６となっている。

まず、センサ部３を持ち上げて、フック状の取付部５を送電線６に引っかける。この作業は、例えば、絶縁用の手袋を装着した作業員により容易に行うことができる。この実施形態では、従来と異なり、絶縁用のガスを用いていない。このため、センサ部３が非常に軽量となり、これを作業員が容易に持ち上げることができる。

この作業により、センサ部３は、取付部５によって、空中に保持される（図１参照）。この状態では、取付部５を介して、第２電極３３と第１電極３２との間に、送電線６からの電圧が印加される。第１電極３２は接地されているが、ポッケルス材料３１には絶縁性があるので、第２電極３３と第１電極３２とがショートとなることはない。

一方、発光部１の光源１１から、入力用導波路１２を介して、入力光を入力用レンズ３５に照射する。このとき、この実施形態では、二つの波長の光が入力光として光源１１からレンズ３５に照射される。

入力用レンズ３５に照射された入力光は、レンズ３５により集光された後、入力用の偏光子３６を通過する。これにより、入力光は直線偏波とされる。

偏光子３６を通過した入力光は、第１電極３２を透過して、ポッケルス材料３１に照射される。ポッケルス材料３１に照射された入力光は、ポッケルス材料３１の内部において、印加電圧に対応した偏波面の変化を生じる。偏波面は、通常、楕円偏波となる。これは、電位勾配があると、その勾配の方向に対応した屈折率変化が生じるからである。

すなわち、ｚ方向に光が入射されたとすれば、光は、ｘ軸方向とｙ軸方向とに分かれて進むことになる。このとき、ｘ軸を進む光とｙ軸を進む光とでは、電位勾配に対応して、光の伝搬速度が変わる。すると、ポッケルス材料３１を通過した光においては、偏波面が変動する。このポッケルス効果に基づく偏波面の変動自体は知られている現象なので、これ以上詳細な説明は省略する。

ポッケルス材料３１を通過した光（出力光）は、第２電極３３を透過して、出力用レンズ３７で集光され、偏光子３８を通過する。偏光子３８は、直線偏波成分のみを通過させるので、偏光子３８を通過した光の強度は、ポッケルス材料３１による偏波変動に対応して弱まる。

出力光は、出力用導波路２２を介して検出器２１に伝搬される。検出器２１は、検出した光の強度に基づいて、ポッケルス材料３１に印加された電圧を算出する。つまり、検出器２１は、出力光における偏波面の変動を、光強度の変化として検出している。

この実施形態では、第１電極３２を透明とし、そこから入力光をポッケルス材料３１に照射している。このため、第１電極３２と第２電極３３とで挟まれた領域（つまり電圧が印加された領域）において光を通過させることができる。

もし、図３に示されるように、二つの電極の間の領域でなくて、この領域に隣接する領域（図３中２点鎖線で示す）を光が通過したときは、電圧測定の精度が劣化するという問題がある。図３では、電極の中央に形成された穴から光を入力している。

電極の間の領域であれば、外乱電界が存在したとしても、電極間では、電気力線の総和は一定となる。これに対して、電極間の領域の外側では、近接効果により、電気力線の増減を生じる。このため、電圧測定の精度が劣化する。これに対して、本実施形態では、第１および第２電極３２・３３を透明とし、一方の電極から他方の電極に向けて入力光を透過させている。このため、本実施形態では、出力光が通過した経路上においては、電圧に近接効果が発生せず、電圧を正確に測定することが可能となる。

（実験例）
つぎに、本実施形態の装置を用いた実験例を、図４〜図９に基づいて説明する。まず、ポッケルス材料３１における、印加電圧と出力光強度との関係を図４に示す。この図には、二つの波長（１３００ｎｍと１５００ｎｍ）における特性が共に示されている。このように、印加電圧の増加に応じて、出力光強度はほぼサインカーブ状に変化する。この理由は、前記したように、印加電圧の強度に応じて、出力光の偏波状態が変動するからである。

ついで、交流８０ｋＶと交流２５０ｋＶにおける時間（横軸）と出力光強度（縦時）との関係を図５と図６に示す。図４に示す特性に基づいて、光の波長に応じて、出力光強度の波形における振幅が異なる。図中dividerとあるのは、分圧器による測定結果である。

図７には、検出された光強度から電圧を求めるための較正曲線を示す。まず、一方の波長における光強度に対応する印加電圧（候補値）を得る。ついで、他方の波長における光強度に対応する印加電圧（候補値）を得る。二つの候補値が重なった点が印加電圧を示す。複数の点で候補値が重なることも理論的にはありうるが、想定される電圧の範囲を超える候補値を排除することにより、目的の範囲での印加電圧を測定することができる。得られた電圧波形を図８および図９に示す。この波形は、参照として用いた分圧器での電圧とほぼ同じ形状となった。

本実施形態では、異なる波長の光を同時に入力しているので、電圧が変動している場合でも、電圧を正確に測定することができるという利点もある。

もちろん、一つの波長の光を用いても、電圧測定は可能である。ただし、この場合は、想定される電圧の範囲を狭く絞り込んでおく必要がある。これに対し、本実施形態では、複数波長の光を同時に用いているので、極めて広い範囲において変動しうる印加電圧を正確に測定することができるという利点がある。

なお、前記の例では、印加電圧を交流としたが、本実施形態の装置によれば、直流、インパルス状、三角波状などの任意の波形の電圧を測定することができる。

また、前記の例では、出力用レンズ３７を用いているが、出力用導波路２２として大口径の光ファイバを用いれば、集光しなくとも、出力光の大部分を出力用導波路２２に導入することが可能となる。したがって、このように構成すれば、出力用レンズ３７を省略して、装置の構成をさらに簡易とすることも可能である。

（第２実施形態）
つぎに、本発明の第２実施形態に係る高電圧測定装置を、図１０および図１１に基づいて説明する。この実施形態の説明においては、前記第１実施形態の装置と基本的に共通する構成については、同一符号を用いて説明を簡略化する。

この実施形態では、第２電極３３（図１１）が、発光部１からの光を反射する材質となっている。光を反射する材質とは、例えば、導電性のある金属（アルミニウムや金など）である。

また、この実施形態では、第１電極３２と入力用導波路１２との間に、分岐部４２が配置されている。分岐部４２は、入力用導波路１２からの入力光を透過させるようになっている。さらに、分岐部４２は、第２電極３３で反射して戻ってきた光（出力光）を反射して、分岐部４２の近傍に配置された出力用導波路２２に出力光を入射するようになっている。この構成により、検出部２は、ポッケルス材料３１を通過して第２電極３３に達し、さらに第２電極３３で反射されて第１電極３２を通過した光に基づいて前記電圧の測定を行う構成となっている。このような分岐部４２は、例えばハーフミラーにより構成できる。

第２実施形態の装置においては、入力用導波路１２から照射された光は、分岐部４２、偏光子３６、レンズ３５を通過してポッケルス材料３１に入射される。ポッケルス材料３１の内部を進む光は、印加された電圧に応じて偏波面が変動する。この点は第１実施形態と同様である。

第２電極３３に達した光は、第２電極３３で反射して、第１電極３２に戻る。第１電極３２を再び透過した出力光は、レンズ３５、偏光子３６、分岐部４２を介して、出力用導波路２２に入射される。その後の動作は第１実施形態と同様である。

第２実施形態の装置によれば、入力用の導波路と出力用の導波路とを、センサ部３の一端側にまとめて配置することができる。このため、センサ部３を持ち上げる等の作業が容易となる。他の構成および利点は第１実施形態と同様なので、詳細な説明を省略する。

なお、前記第２実施形態においては、分岐部４２としてハーフミラーを例示したが、分岐部４２として偏光ビームスプリッタを用いることも可能である。偏光ビームスプリッタは、分岐部と偏光子の両方の機能を兼ねることができる。したがって、偏光ビームスプリッタを用いることにより、偏光子３６と分岐部４２とを別途に設ける必要がなくなり、これらのうちの一方を省略できる。このため、装置の構成をさらに簡略とすることができる。

なお、前記発光部１からの光を位相変調することもできる。この場合、検出部２の検出器２１は、出力光のうち、発光部１からの光を、同期検波により検出する。このようにすると、ノイズを除去できるので、出力として得られる電圧値のＳＮ比を向上させることができる。

本発明の高電圧測定装置は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得るものである。

本発明の第１実施形態に係る高電圧測定装置の概略的な構成を示す説明図である。 第１実施形態におけるセンサ部の構造を示す拡大縦断面図である。 比較例として示したセンサ部の構造を概略的に示す拡大縦断面図である。 印加電圧と出力光強度との関係を示すグラフである。 印加電圧が交流８０ｋＶの場合における、出力光強度の変動を示すグラフであり、縦軸が出力光強度、横軸が時間である。 印加電圧が交流２５０ｋＶの場合における、出力光強度の変動を示すグラフであり、縦軸が出力光強度、横軸が時間である。 出力光強度から印加電圧を算出するための較正曲線を示すグラフであり、縦軸は出力光強度、横軸は電圧である。 実験例により測定された電圧（交流８０ｋＶ）の波形を示すグラフである。 実験例により測定された電圧（交流２５０ｋＶ）の波形を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る高電圧測定装置の概略的な構成を示す説明図である。 第２実施形態におけるセンサ部の構造を示す拡大縦断面図である。

符号の説明

１ 発光部
１１ 光源
１２ 入力用導波路
２ 検出部
２１ 検出器
２２ 出力用導波路
３ センサ部
３１ ポッケルス材料
３１１ 第１端部
３１２ 第２端部
３２ 第１電極
３３ 第２電極
３４ 筒体
３５ 入力用レンズ
３６ 入力用偏光子
３７ 出力用レンズ
３８ 出力用偏光子
３９ 接地用の配線
４０ 取付部とポッケルス材料との間の配線
４２ 分岐部
５ 取付部
６ 送電線（被測定箇所）

Claims (11)

1. 発光部と、検出部と、センサ部とを備えており、
   前記センサ部は、ポッケルス材料と、第１電極と、第２電極とを備えており、
   前記ポッケルス材料は、第１端部と第２端部とを備えており、
   前記第１電極は、前記第１端部に接触して取り付けられており、かつ、前記第１電極は、前記発光部からの光に対して透明となっており、
   前記第２電極は、前記第２端部に接触して取り付けられており、
   前記発光部は、この発光部からの光が、前記第１電極および前記ポッケルス材料を通過して前記第２電極に達するように、前記光を照射する構成となっており、
   前記検出部は、前記ポッケルス材料を通過して前記第２電極に達した光の特性変化に基づいて、前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電圧を測定するものである
   ことを特徴とする高電圧測定装置。
2. 前記光の特性変化とは、光の偏波面の変化であることを特徴とする請求項１記載の高電圧測定装置。
3. さらに取付部を備えており、
   前記取付部は、前記センサ部に取り付けられており、
   前記取付部は、フック状に形成されており、
   前記取付部は、導電性を有しており、
   さらに、前記取付部は、前記第１電極または第２電極のうちの一方に電気的に接続されており、
   前記第１電極または第２電極の他方は、基準電位に対して電気的に接続されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の高電圧測定装置。
4. 前記第２電極は、前記発光部からの光に対して透明となっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高電圧測定装置。
5. 前記第２電極は、前記発光部からの光を反射する材質であり、
   前記検出部は、前記ポッケルス材料を通過して前記第２電極に達し、さらに前記第２電極で反射されて前記第１電極を通過した光に基づいて前記電圧の測定を行う構成となっている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高電圧測定装置。
6. 前記第１電極および前記第２電極は、前記第１端部および第２端部の全面に接触して形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の高電圧測定装置。
7. 前記ポッケルス材料は柱状に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の高電圧測定装置。
8. 前記発光部からの光は位相変調されており、
   前記検出部は、前記発光部からの光を同期検波により検出する構成となっている
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の高電圧測定装置。
9. 前記発光部から照射される光は、複数の波長の光を含んでおり、
   前記検出部は、前記複数の波長の光におけるそれぞれの特性変化に基づいて、前記第１電極と前記第２電極との間に印加された電圧を測定するものである
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の高電圧測定装置。
10. 前記ポッケルス材料は、前記取付部を被計測部位に取り付けることにより空中に保持される構成となっていることを特徴とする請求項２記載の高電圧測定装置。
11. 以下のステップを備えることを特徴とする高電圧測定方法：
    （１）ポッケルス材料における第１端部と第２端部とにそれぞれ形成された第１電極と第２電極との間に電圧を印加するステップ；
    （２）前記ステップ（１）の前後またはこれと同時に、前記電圧が印加された部分であって、かつ、前記第１電極と第２電極とで挟まれる領域内において、前記ポッケルス材料に光を透過させるステップ；
    （３）前記ポッケルス材料を透過した光の特性変化に基づいて、印加された前記電圧を測定するステップ。
    

Images