JP3219951B2

JP3219951B2 - 電流測定装置

Info

Publication number: JP3219951B2
Application number: JP31852894A
Authority: JP
Inventors: 潔黒澤; 知吉田; 礼志近藤; 和夫坂本
Original assignee: Hoya Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Hoya Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date: 1994-12-21
Filing date: 1994-12-21
Publication date: 2001-10-15
Anticipated expiration: 2016-10-15
Also published as: JPH08178967A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電流の測定装置に関
し、特に、電流磁界のファラデー効果を利用する電流測
定装置に関するものである。

【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電流測定装置が知られてお
り、このような測定原理に基づく電流の測定装置におい
て、周回積分型の電流測定装置が、例えば、ガス絶縁開
閉装置内における電流の測定に利用されている。

【０００３】この種の周回積分型の電流測定装置は、光
を利用しているために電磁雑音の影響がなく、電気的な
絶縁が容易に行なえるなどの利点があり、通常、被測定
電流が流れている導体の外周に周回状の光路を形成し、
この光路内に直線偏波光を通過させた時に、被測定電流
が作る磁界の大きさに比例して偏波面が回転するので、
この偏波面の回転角、すなわち、ファラデー回転角を測
定することにより、被測定電流の大きさを求める。

【０００４】ところで、このような構成の電流測定装置
では、一般的に、光路の形成材料として鉛ガラスを使用
し、この鉛ガラスを枠形のブロックに形成したファラデ
ーセンサが使用されていたが、このようなガラスブロッ
クを用いるセンサでは、周回させるための構造が複雑に
なり、しかも、重量が重く、小型化に限界があった。そ
こで、近時、光路に光ファイバ製のファラデーセンサを
用いることで、周回が簡単にでき、大幅に軽量かつ小型
化することができる電流測定装置が、例えば、特開昭６
２−１６１０５９号公報や特公平３−１３１７７号公報
などに提案されている。

【０００５】しかしながら、このような光ファイバをフ
ァラデーセンサとして使用する周回積分型の電流測定装
置には、以下に説明する技術的課題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、周回積分型
の電流測定装置では、直線偏波光の光路への入射端と、
同偏波光の光路からの出射端とが平面的に見て同一面上
に位置しておらず、光路のループが開放されていると、
外部磁界の影響や、ループと導体との相対的な位置関係
に起因する測定誤差が生じるので、光路のループが完全
に閉塞されていることが望ましい。

【０００７】ところが、光路に光ファイバセンサを用い
た場合には、光ファイバセンサの入射端側には、直線偏
波光を導入するための偏光子などの入射系光学部品が配
置され、また、光ファイバセンサの出射端側には、コリ
メータレンズ，検光子，プリズムなどの出射系光学部品
を配置しなければならないので、光ファイバセンサの入
射端と出射端とを一致させることが非常に困難な状態に
なっていた。

【０００８】このため、従来の光ファイバセンサを使用
する周回積分型の電流測定装置では、外部導体に流れた
電流などによる外部磁界の影響や測定対象導体中の電流
の不均一性に起因した誤差が発生するという問題があっ
た。本発明者らは、上述した従来の問題点を鋭意検討し
た結果、光ファイバセンサの入射端と出射端との間が、
磁界の影響を受けない状態に維持できれば、光ファイバ
センサの入射端と出射端との間が開放されていても、外
部磁界の影響や測定対象導体中の電流の不均一性の影響
を受けないことを知得し、この知得に基づいて本発明を
完成したものであって、本発明の目的は、外部磁界の影
響や測定対象導体中の電流の不均一性に起因した誤差を
排除することで高精度の測定ができる電流測定装置を提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、被測定電流が流れている導体の外周に光
ファイバで構成した非閉ループ状の光路を周回させ、前
記光ファイバ中に直線偏波光を通過させた際の、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電流測定装置において、前記光フ
ァイバへの前記直線偏波光の入射端と、前記光ファイバ
からの前記直線偏波光の出射端との外周を、前記入射端
と出射端との磁気的なポテンシャルが同一になるよう
に、透磁率の大きな部材で形成した箱体で囲繞したこと
を特徴とする。また、第二の発明として、被測定電流が
流れている導体の外周に光ファイバで構成した非閉ルー
プ状の光路を周回させ、前記光ファイバ中に直線偏波光
を通過させた際の、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電流測
定装置において、前記光ファイバへの前記直線偏波光の
入射端と、前記光ファイバからの前記直線偏波光の出射
端との間に透磁率の大きなブロック体を挿入し、前記入
射端と出射端との間を磁気的に短絡したことを特徴とす
る。

【００１０】

【作用】上記構成の電流測定装置によれば、入射端と
出射端との間が開放されていて、非閉ループ状の光路が
周回していたとしても、光ファイバへの直線偏波光の入
射端と、光ファイバからの直線偏波光の出射端との外周
を透磁率の大きな部材で形成した箱体で囲繞しているの
で、入射端と出射端との磁気的なポテンシャルが同一と
なって、実質上、光ファイバの光路は、完全に閉塞した
状態と見做すことができる。また、請求項２の構成に
よれば、光ファイバへの直線偏波光の入射端と、光ファ
イバからの直線偏波光の出射端との間に透磁率の大きな
ブロック体を挿入し、入射端と出射端との間を磁気的に
短絡しているので、入射端と出射端との間が開放されて
いて、非閉ループ状の光路が周回していたとしても、請
求項１と同様に、入射端と出射端との磁気的なポテンシ
ャルが同一となって、実質上、光ファイバの光路は、完
全に閉塞した状態と見做すことができる。

【００１１】

【実施例】以下本発明の好適な実施例について添附図面
を参照して詳細に説明する。図１は、本発明にかかる電
流測定装置の第１実施例を示している。同図に示す電流
測定装置は、被測定電流Ｉが流れている導体１の外周
に、周回するように配置された光ファイバセンサ２を有
している。光ファイバセンサ２は、導体１の外周を周回
させるようにして直線偏波光を通過させるものであっ
て、直線偏波光の入射端２ａと、直線偏波光の出射端２
ｂとは、平面的に見て平行な位置に設定されているが、
この光ファイバセンサ２で構成した光路は、開放されて
いて、非閉ループ状になっている。

【００１２】光ファイバセンサ２の入射端２ａ側には、
入射系光学部品３が近接配置されていて、この入射系光
学部品３には、図外の光源、例えば、半導体レーザから
発射された光を導く光ファイバ４の一端が配設されてい
る。なお、この入射系光学部品３には、例えば、光源か
ら発射された光から所定の偏波面角度の直線偏波光のみ
を透過させる偏光子などが含まれている。

【００１３】一方、光ファイバセンサ２の出射端２ｂ側
には、出射系光学部品５が近接配置されていて、この出
射系光学部品５には、光ファイバセンサ２を通過した光
から、所定の偏波面角度の直線偏波光を抽出するコリメ
ータレンズ，検光子や、この検光子で検出された光を直
交する２つの偏光成分に分離するローションプリズムな
どが含まれていて、出射系光学部品５には、分離された
光を図外の光電変換素子に導出する光ファイバ６が近接
配置されている。

【００１４】そして、本実施例の電流測定装置では、光
ファイバセンサ２への直線偏波光の入射端２ａと、光フ
ァイバセンサ２からの直線偏波光の出射端２ｂとの外周
を取り囲むようにして透磁率の大きな部材、例えば、フ
ェライトで形成された箱体７が設置されている。このよ
うに構成された本実施例の電流測定装置によれば、光フ
ァイバセンサ２の入射端２ａと出射端２ｂとの間が開放
されていて、非閉ループ状の光路が周回していたとして
も、光ファイバセンサ２への直線偏波光の入射端２ａ
と、光ファイバセンサ２からの直線偏波光の出射端２ｂ
との外周を透磁率の大きな箱体７で囲繞しているので、
箱体７中の磁界は殆ど零になり、入射端２ａと出射端２
ｂとの磁気的なポテンシャルが同一となって、実質上、
光ファイバセンサ２の光路は、完全に閉塞した状態と見
做すことができる。

【００１５】すなわち、図１に示した電流測定装置にお
いて、いま例えば、箱体７を設置しないとすれば、光フ
ァイバセンサ２（ファラデー素子）で検出されるファラ
デー回転角（光ファイバセンサ２中で発生するファラデ
ー回転）θ_Fは、光ファイバセンサ２のベルデ定数を
Ｖ、導体１に流れる電流Ｉによる磁界の大きさをＨとす
ると、以下の式で表される。

【００１６】

【数１】ここで、光ファイバセンサ２の光路が閉ループを形成し
ていて、完全な周回積分（ａ＝ｂ）が行なわれたとする
と、

【００１７】

【数２】となる。つまり、光ファイバセンサ２の入射端２ａと出
射端２ｂとが一致していれば、導体１の位置に関係な
く、また、光ファイバセンサ２が囲まない導体に流れる
電流の影響を受けずに、光ファイバセンサ２が囲む導体
１に流れる電流Ｉのみを光ファイバセンサ２で検出する
ことができる。ところが、光ファイバセンサ２の入射端
２ａと出射端２ｂとが一致していなければ、光ファイバ
センサ２で検出されるファラデー回転角θ_F’は、

【００１８】

【数３】となる。ここで、図１に示したように、光ファイバセン
サ２の入射端２ａと出射端２ｂとを１つの透磁率の大き
な箱体７で囲繞し、箱体７内の磁界を非常に小さくし、
箱体７内の磁界の大きさが、箱体７の外部に比べでｒ倍
（ｒ≪１）となるようにしたとすると、箱体７の外部の
磁界をＨ₀（Ｈ₀は位置の関数）とすれば、上記式は、

【００１９】

【数４】となり、θF ’は、完全な周回積分が行なわれた場合の
θF とほぼ等しくなる。

【００２０】なお、本実施例における箱体７の囲繞状態
は、光ファイバセンサ２の入射端２ａと出射端２ｂとの
間の磁界が非常に小さく、殆ど零と見做される状態であ
ればよく、必ずしも入射端２ａと出射端２ｂとの外周を
全周に渡って囲繞する必要はない。図２は、本発明にか
かる電流測定装置の第２実施例を示しており、以下にそ
の特徴点についてのみ説明する。同図に示す実施例で
は、光ファイバセンサ２への直線偏波光の入射端２ａ
と、光ファイバセンサ２からの直線偏波光の出射端２ｂ
との外周を取り囲むようにして設けた透磁率の大きな箱
体７に代えて、入射端２ａと出射端２ｂとの間に透磁率
μｓの大きなブロック体８を挿入配置している。

【００２１】ブロック体８は、入射系光学部品３と出射
系光学部品５とにそれぞれ近接し、かつ、入射端２ａと
出射端２ｂとの間を結ぶ線上に交差するように配置され
ていて、入射端２ａと出射端２ｂとの間を磁気的に短絡
している。このように構成された電流測定装置において
は、光ファイバセンサ２で検出されるファラデー回転角
θ_F”は、ブロック体８の外部空間中の磁界をＨ₀とす
れば、

【００２２】

【数５】となり、μｓが大きい場合（例えば、ブロック体８をフ
ェライトで構成すると、μｓは、約数千程度になる）に
は、式中の右辺第２項が殆ど零になるので、θ_F”も完
全な周回積分が行なわれた場合のθ_Fとほぼ等しくな
る。本発明者らは、上述した構成の電流測定装置の作用
効果を確認するために、図３に示すセンサユニット１０
を作成し、以下に説明する２つの実験を試みた。図３に
示したセンサユニットは、鉛ガラス光ファイバセンサ１
２と、センサ保持具１４と、入射系光学部品１６および
出射系光学部品１８とから構成されている。センサ保持
具１４は、アルミニウム製の円環状の中空枠１４ａと、
この中空枠１４ａの外周端に突設された合成樹脂製のプ
レート１４ｂとから構成されていて、中空枠１４ａの外
周に光ファイバセンサ１２が巻き付けられていて、光フ
ァイバセンサ１２の入射端１２ａと出射端１２ｂとがプ
レート１４ｂ上に配置されている。

【００２３】入射系光学部品１６は、積層型の偏光子１
６ａと、一端が図外の光源に接続される偏波面保持ファ
イバ１６ｂとを有していて、偏光子１６ａは、プレート
１４ｂ上に固定された筒状のホルダー１６ｃの中心に配
置され、その前後面に偏波面保持ファイバ１６ｂの他端
と光ファイバセンサ１２の入射端１２ａとが近接配置さ
れている。

【００２４】出射系光学部品１８は、検光子１８ａと、
１／２λ板１８ｂと、プリズム１８ｃと、２本のマルチ
モード光ファイバ１８ｄ，１８ｅとから構成されてい
て、１／２λ板１８ｂの前面側に光ファイバセンサ１２
の出射端１２ｂが近接配置されている。図４は、このよ
うに構成されたセンサユニット１０を用いて、周回積分
型の電流測定装置における外部磁界の影響がどのように
現れるかを確認するために行なった第１実験の実験状態
を示している。

【００２５】同図に示す実験では、センサユニット１０
の２本のマルチモード光ファイバ１８ｄ，１８ｅの端部
に一対の光電変換素子２０，２１を設置し、各光電変換
素子２０，２１の出力側にそれぞれ並列接続された被測
定商用交流用ハイパスフィルター２２とローパスフィル
ター２４とを設け、一対のハイパスフィルター２２とロ
ーパスフィルター２４との出力側にそれぞれ除算器２６
を接続し、各除算器２６の出力側に加算器２８を接続
し、この加算器２８の出力側にノイズ除去用のバンドパ
スフィルター３０を介装して、バンドパスフィルター３
０から出力信号が得られるようにした。

【００２６】一方、センサユニット１０の中空枠１４ａ
に近接してループ状の導体３２を配置し、この導体３２
には、一対の標準ＣＴ３４，３６を設けた。一方の標準
ＣＴ３４には、可変抵抗３８を介してスライダックトラ
ンス４０の二次側捲線を接続し、スライダックトランス
４０の一次側には、商用電源４２を接続した。他方の標
準ＣＴには、導体３２に流れる電流を測定するために電
流計４４と、波形観察用のオシロスコープとを接続し
た。

【００２７】導体３２の位置は、図５に示すように、中
空枠１４ａの外周の３箇所（Ａ〜Ｃ）に設定した。この
実験では、まず、光ファイバセンサ１２の入射端１２ａ
と出射端１２ｂとが開放され、光ファイバセンサ１２が
非閉ループになっている状態で、外部磁界が作用したと
きの影響を確認するために、中空枠１４ａの外周の３箇
所（Ａ〜Ｃ）の位置で、導体３２に２７０Ａの電流を通
電してみた。

【００２８】その結果、導体３２をＡに位置させた状態
では、センサユニット１０の出力信号が７８．５ｍｖ、
同Ｂでは、９．１ｍｖ、同Ｃでは、４９．８ｍｖ出力さ
れた。このとき得られた導体３２の通電電流と出力信号
との信号波形を図８，１１，１３にそれぞれ示してい
る。この試験から明らかなように、周回積分型の電流測
定装置において、光ファイバセンサ１２が閉ループにな
っていない場合には、外部磁界の影響を大きく受けるこ
とが確認された。

【００２９】そこで、本発明者らは、図６に示す２種類
のフェライトコア５０，５０ａ（株式会社ＴＯＫＩＮ
製：商品名２５００Ｂ、初比透磁率２５００、以下、図
６（Ａ）に示したものをヨ形、同（Ｂ）に示したものを
コ形と指称する）と、アルミニウム製の箱（図示省略）
とを準備し、これらの部材を図７に示す位置に設置した
場合に、センサユニット１０の出力がどのように変化す
るか観察してみた。２種類のフェライトコア５０，５０
ａの設置箇所は、プレート１４ｂ上において、光ファイ
バセンサ１２の端部側を横切るような位置，と、光
ファイバセンサ１２の側面側の位置の３箇所とし、特
に、光ファイバセンサ１２を横切る位置では、入，出射
端１２ａ，１２ｂから若干離れた位置と、光ファイバ
センサ１２の入，出射端１２ａ，１２ｂに近接した位置
とを設定した。

【００３０】以下の表１にフェライトコア５０，５０ａ
およびアルミニウム製の箱を設置したときの出力信号の
変化を示しており、図９に実験６の波形、図１０に実験
９の波形、図１２に実験１４の波形、図１４に実験２０
の波形をそれぞれ示している。

【００３１】

【表１】

【表２】表１，２および図８〜図１４に示した実験結果から明ら
かなように、導電性の箱で光学部（入射系および出射系
光学部品１６，１８）を囲むと、実験９に示したよう
に、出力信号が低下するとともに、透磁率の大きなフェ
ライトコア５０，５０ａを設置すると、例えば、実験６
に示したように、同様に出力信号が大きく低下し、本発
明の有効性が確認された。

【００３２】この場合、アルミニウム製の箱よりもフェ
ライトコア５０，５０ａの方がより効果が顕著であり、
特に、光ファイバセンサ１２の入，出射端１２ａ，１２
ｂの近傍をフェライトコア５０，５０ａで接続するよう
に設置することがより一層効果的であった。また、形状
の異なる２つのフェライトコア５０，５０ａでは、効果
上殆ど相違が認められなかった。さらに、実験６，８，
１０などに示すように、フェライトコア５０，５０ａ同
士を密着させて、光ファイバセンサ１２の入，出射端１
２ａ，１２ｂを囲むようにすることがさらに一層効果的
であることも判明した。

【００３３】第２の実験は、光ファイバセンサ１２内に
おいて、電流が流れる導体の位置により出力がどのよう
に変化するかを確認するために行なったものであって、
図４に示した導体３２は、中空枠１４ａの内部を挿通す
るように設置した。導体３２の設置箇所は、図１５に示
すように、中空枠１４ａを周方向に沿って４分割した位
置Ｄ〜Ｇと、中空枠１４ａの中心位置Ｈの５箇所にし
た。

【００３４】この実験では、前述した実験で形状の異な
る２つのフェライトコア５０，５０ａで効果上殆ど差が
なかったので、ヨ形コア５０だけを使用し、その設置位
置も図７に示したととだけで行なった。得られた試
験結果を以下の表２に示している。

【００３５】

【表３】表３に示した実験結果から明らかなように、フェライト
コア５０を設置しない場合（試験２２，２５，２８，３
１，３４）には、出力信号のバラツキが非常に大きくな
っているが、フェライトコア５０を設置した場合には、
出力信号のバラツキがおよびのいずれの場合も小さ
く、透磁率の大きなフェライトコア５０を光ファイバセ
ンサ１２の入，出射端１２ａ，１２ｂ間に設けること
で、導体３２の挿通位置に起因する測定値のバラツキが
非常に少なくなることが判る。

【００３６】また、表２に示した実験結果から、フェラ
イトコア５０を設置しない場合、フェライトコア５０を
に設置した場合、フェライトコア５０を，に設置
した場合のそれぞれについて、最大誤差を算出してみ
た。その結果、フェライトコア５０を設置しない場合、１７９６−１６
８６＝１１０フェライトコア５０をに設置した場合、１８１１−１
７７２＝３９フェライトコア５０を，に設置した場合、１８２６
−１８２０＝６となり、フェライトコア５０を設置しない場合を１００
％とすると、に設置した場合には３５％、，に設
置した場合には５％にそれぞれ低減することが判った。

【００３７】なお、上記実施例および実験では、本発明
を交流電流の測定に適用した場合を例示したが、本発明
の実施はこれに限定されることはなく、導電性の箱で囲
む場合を除き、直流電流の測定にも適用することができ
る。また、上記以外にも、別の型の光電流センサに対し
て、フェライト、パーマロイ（７８パーマロイ）、鉄で
できた磁気しゃへい用のブロック体を使用した実験を行
って、良好な結果が得られている。以下の表４にそれら
の強磁性体の例とその一般的な透磁率を示す。

【表４】

【００３８】

【発明の効果】以上、実施例および実験で詳細に説明し
たように、本発明にかかる電流測定装置によれば、外部
磁界の影響や測定対象導体中の電流の不均一性に起因し
た誤差を排除することで高精度の測定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる電流測定装置の第１実施例を示
す原理説明図である。

【図２】本発明にかかる電流測定装置の第２実施例を示
す原理説明図である。

【図３】本発明の作用効果を確認するための実験に使用
したセンサユニットの平面説明図である。

【図４】本発明の作用効果を確認するために行なった実
験の説明図である。

【図５】本発明の作用効果を確認するために行なった第
１実験の導体と光ファイバセンサとの位置関係を示す説
明図である。

【図６】同第１実験に使用したフェライトコアの斜視図
である。

【図７】同第１実験におけるフェライトコアの設置箇所
を示す説明図である。

【図８】同第１実験の試験Ｎｏ．１における導体への通
電電流（２７０Ａｒｍｓ）の波形（上）と出力信号の波
形（下）とを示す波形図である。

【図９】同第１実験の試験Ｎｏ．６における導体への通
電電流（２７０Ａｒｍｓ）の波形（上）と出力信号の波
形（下）とを示す波形図である。

【図１０】同第１実験の試験Ｎｏ．９における導体への
通電電流（２７０Ａｒｍｓ）の波形（上）と出力信号の
波形（下）とを示す波形図である。

【図１１】同第１実験の試験Ｎｏ．１１における導体へ
の通電電流（２７０Ａｒｍｓ）の波形（上）と出力信号
の波形（下）とを示す波形図である。

【図１２】同第１実験の試験Ｎｏ．１４における導体へ
の通電電流（２７０Ａｒｍｓ）の波形（上）と出力信号
の波形（下）とを示す波形図である。

【図１３】同第１実験の試験Ｎｏ．１５における導体へ
の通電電流（２７０Ａｒｍｓ）の波形（上）と出力信号
の波形（下）とを示す波形図である。

【図１４】同第１実験の試験Ｎｏ．２０における導体へ
の通電電流（２７０Ａｒｍｓ）の波形（上）と出力信号
の波形（下）とを示す波形図である。

【図１５】本発明の作用効果を確認するために行なった
第２実験の導体と光ファイバセンサとの位置関係を示す
説明図である。

【符号の説明】

１導体２光ファイバセンサ２ａ入射端２ｂ出射端３入射系光学部品４光ファイバ５出射系光学部品６光ファイバ７箱体（透磁率の大きな部材）８ブロック体（透磁率の大きな部材）

フロントページの続き (72)発明者近藤礼志神奈川県横浜市鶴見区江ケ崎町４番１号東京電力株式会社電力技術研究所内 (72)発明者坂本和夫東京都新宿区中落合２丁目７番５号ホーヤ株式会社内 (56)参考文献特開昭64−53169（ＪＰ，Ａ) 特開平５−232145（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 15/24 G02F 1/095

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定電流が流れている導体の外周に光
ファイバで構成した非閉ループ状の光路を周回させ、前
記光ファイバ中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電流測定装置において、前記光ファイバへの前記直線偏波光の入射端と、前記光
ファイバからの前記直線偏波光の出射端との外周を、前
記入射端と出射端との磁気的なポテンシャルが同一にな
るように、透磁率の大きな部材で形成した箱体で囲繞し
たことを特徴とする電流測定装置。
【請求項２】被測定電流が流れている導体の外周に光
ファイバで構成した非閉ループ状の光路を周回させ、前
記光ファイバ中に直線偏波光を通過させた際の、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電流測定装置において、前記光ファイバへの前記直線偏波光の入射端と、前記光
ファイバからの前記直線偏波光の出射端との間に透磁率
の大きなブロック体を挿入し、前記入射端と出射端との
間を磁気的に短絡したことを特徴とする電流の測定装
置。