JP3350280B2

JP3350280B2 - 光変流器

Info

Publication number: JP3350280B2
Application number: JP06453495A
Authority: JP
Inventors: 清寿寺井; 徹玉川; 栄生田; 正雄高橋; 景子丹羽; 宏三浦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-03-23
Filing date: 1995-03-23
Publication date: 2002-11-25
Anticipated expiration: 2017-11-25
Also published as: JPH08262065A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光のファラデー効果を
利用して電流を測定する光変流器に係わり、特に、大電
流測定に好適な光変流器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電力系統用の電流測定装置とし
て、光を利用した電力系統用電流測定装置、すなわち光
変流器が開発されている。この光変流器は、被測定電流
が流れる導体に近接して鉛ガラスのブロックをセンサと
して配置し、このセンサに直線偏光の光を通過させて、
被測定電流によって生ずるファラデー効果の旋光角を測
定するものである。

【０００３】図３は、従来の技術によるＧＩＳ用の光変
流器の一例を示している。この図３に示すように、接地
電位とされたタンク１の内部に、高電圧電流が流れる導
体２が配置されている。

【０００４】この導体２の全周を囲むようにして、ブロ
ック状のセンサ３が配置されている。このセンサ３は鉛
ガラスなどで構成されており、固定具４によって固定さ
れている。

【０００５】センサ３は、導体２が高電圧であるため、
絶縁筒５によってタンク１から絶縁して取り付けられて
いる。

【０００６】また、タンク１には光学系収納箱６が取り
付けられており、この光学系収納箱６内に結合光学系
７、送光用ファイバ８、および２本の受光用ファイバ９
ａ、９ｂが収納されている。

【０００７】結合光学系７は、レンズ７ａ、偏光子７ｂ
などから構成されており、この結合系７を介して各フィ
イバ８、９ａ、９ｂがセンサ３に光学的に結合されてい
る。

【０００８】送光用ファイバ８は、図示しない光源から
の測定用の光を伝送し、結合光学系７を介して、センサ
３に送るために使用される。また、受光用ファイバ９
ａ、９ｂは、センサ３から出射して結合光学系７で２方
向の偏光成分に分けられた光をそれぞれ入射し、図示し
ない信号処理部に送るために使用される。

【０００９】以上の構成を有する図３の光変流器におい
ては、以下の作用で導体２を流れる電流が測定される。

【００１０】まず、図示しない光源から発した光が、送
光用ファイバ８を通って結合光学系７に導かれる。この
光は、結合光学系７で、ほぼ平行光束の直線偏光ビーム
１０ａとなって空間を伝播してセンサ３に入射され、セ
ンサ３の内部で反射を繰り返す形で導体２の周囲を周回
した後、センサ３から出射される。この間、センサ３内
を通過する光は、導体２を流れる電流によって誘起され
るファラデー効果により、偏光面がある角度だけ回転す
る。

【００１１】この出射光は、直線偏光ビーム１０ｂとな
って空間を伝播した後、再び結合光学系７に入射し、こ
こで２方向の偏光成分に分けられた後、２つの受光用フ
ァイバ９ａ、９ｂにそれぞれ入射する。なお、ここで述
べている結合光学系７の構成や作用についてはすでに公
知の事項であるので、説明は省略する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＧＩＳ用の
光変流器には、高精度のて定常電流を測定する機能に加
えて、事故時の大電流を測定する機能が求められる。し
かし、以上のような従来の光変流器では、事故時の大電
流測定を精度よく対応することが困難であるという欠点
がある。

【００１３】本発明は、この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、大
電流測定を誤動作なく精度よく行うことができる高性能
の光変流器を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、被測定導体付近に配置さ
れたセンサと、測定用の光を発生して前記センサに送る
光源と、前記センサからの反射光を検出する検出器と、
前記センサと光源及び検出器とを光学的に結合する結合
光学系と、前記検出器からの信号を処理する信号処理部
とを備え、前記センサを通過する光のファラデー効果に
基づいて被測定導体に通電される電流を測定する光変流
器において、前記センサを光ファイバにより構成し、こ
の光ファイバを前記被測定導体の周りを囲む配置とし、
かつ前記光ファイバの材料、巻回数ｎ、波長λもしくは
ヴェルデ定数Ｖを前記被測定導体の定常電流値および事
故時の電流値に応じて適正化して前記センサの感度を調
整し、かつ前記検出器からの出力信号を定常電流測定お
よび事故電流測定用として、２つの信号処理回路にて各
々信号処理するようにしたことを特徴とする。

【００１５】請求項２記載の発明は、請求項１記載の光
変流器において、測定すべき事故時の最大電流は、被測
定導体に流れる絶対値が１２ｋＡ以上の電流であること
を特徴とする。

【００１６】請求項３記載の発明は、請求項１記載の光
変流器において、被測定導体の電流によって生ずるファ
ラデー効果の旋光角の大きさが４５度以下となるよう
に、センサとしての光ファイバの巻回数ｎもしくはヴェ
ルデ定数Ｖを設定したことを特徴とする。

【００１７】請求項４記載の発明は、請求項１または３
記載の光変流器において、光源の波長λを６３７ｎｍ以
上としたことを特徴とする。

【００１８】請求項５記載の発明は、請求項１または３
記載の光変流器において、センサとしての光ファイバ
を、石英ファイバとしたことを特徴とする。

【００１９】請求項６記載の発明は、請求項１記載の光
変流器において、センサとしての光ファイバ中を光が往
復するように光ファイバの終端部を反射端としたことを
特徴とする。

【００２０】請求項７記載の発明は、請求項１から６ま
でのいずれかに記載の光変流器において、光源の波長λ
を１３００もしくは１５５０ｎｍとし、センサとしての
光ファイバの巻回数ｎを、ほぼ１または２に設定したこ
とを特徴とする。

【００２１】

【００２２】

【００２３】

【作用】請求項１記載の発明に係る光変流器によれば、
センサを光ファイバにより構成し、被測定電流の周りを
囲む配置として、光ファイバの材料、巻回数ｎおよび波
長λを適切に選択することにより測定最大電流値に応じ
てセンサの感度を選択できるため、センサの性能を最大
限に発揮することができ、かつセンサのダイナミックレ
ンジを大きくすることができる。また、検出器からの出
力信号を定常電流測定および事故電流測定用の２つと
し、２つの信号処理回路にて各々信号処理するようにし
たことにより、事故電流測定と通常の定常電流測定とを
１つのセンサにより高精度で同時計測することができ
る。

【００２４】請求項２記載の発明によれば、絶対値が１
２ｋＡ以上の電流を測定できる構成とすることにより、
電力系統の高精度な保護用電流測定装置として作用する
ことができる。

【００２５】請求項３記載の発明によれば、被測定電流
によって生ずるファラデー効果の旋光角の大きさを４５
度以下とすることにより、測定電流と旋光角との関係を
１対１とすることができるため、測定に伴う誤動作を防
止することができる。

【００２６】請求項４または５記載の発明によれば、光
源の波長λを６３７ｎｍ以上とし、または石英ファイバ
を用いることにより、誤動作がなく、ダイナミックレン
ジが広く、かつ高性能の光変流器とすることができる。

【００２７】請求項６記載の発明によれば、光が光ファ
イバ中を往復する構成としたことにより、光の進行方向
に依存する旋光の影響を除去することができ、センサの
高精度化が図れる。

【００２８】請求項７記載の発明によれば、光源の波長
λを通信用に使用されている波長に設定することによ
り、光源の信頼性向上および低コスト化が図れる。ま
た、ファイバの巻回数ｎをほぼ１または２とすることに
より、典型的な電力系統の最大事故電流を精度よく測定
することができる。

【００２９】

【００３０】

【００３１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１および図２を
参照して説明する。

【００３２】図１は、本実施例による光変流器の構成を
示している。同図に示すように、本実施例の光変流器
は、センサ３０としての光ファイバを備え、この光ファ
イバが被測定導体２の周りを囲むように配置されてい
る。この光ファイバの巻回数ｎ、もしくはヴェルデ定数
Ｖを、被測定電流の絶対値が１２ｋＡ以上となる事故時
の最大電流値に応じて適正化し、センサ感度を調整して
いる。

【００３３】本実施例の光変流器は図１に示すように大
別して、センサ光学部１１、信号処理部１２、および伝
送用ファイバ１３から構成されている。このうち、信号
処理部１２は、測定光を発生する光源１４、センサ光学
部１１からの２つの光を検出し、その強度に応じた電気
信号に変換する検出器１５ａ、１５ｂ、検出器１５ａ、
１５ｂで得られた信号を演算処理する信号処理回路１６
ａ、１６ｂ、および処理結果を出力する出力端子１７
ａ、１７ｂを備えている。

【００３４】光源１４は、レーザダイオードまたはスー
パールミネセントダイオードによって構成されており、
その波長は１３００ｎｍである。

【００３５】また、信号処理部１２は、センサ光学部１
１から十分に（少なくとも１０ｍ以上）離れた位置に配
置されている。

【００３６】一方、伝送用ファイバ部１３は、信号処理
部１２内の光源１４からセンサ光学部１１に光を送る送
光用ファイバ１８と、センサ光学部１１から信号処理部
１２内の２つの検出部１５ａ、１５ｂに光を送る２本の
受光用ファイバ１９ａ、１９ｂとを備えている。

【００３７】センサ光学部１１は、結合光学系２１とセ
ンシングファイバ部３１とを備えている。

【００３８】結合光学系２１は、４つのレンズ２２ａ〜
２２ｄ、偏光子２３、２つのビームスプリッタ２４ａ、
２４ｂ、および２つの検光子２５ａ、２５ｂから構成さ
れている。このうち、４つのレンズ２２ａ〜２２ｄは、
送光用ファイバ１８からの光を平行ビームに変換する
か、または平行ビームを集光して各受光用ファイバ１９
ａ、１９ｂまたはセンシングファイバ部３１に入射する
ために使用される。

【００３９】偏光子２３は、光を水平方向に関して４５
度方向の直線偏光に変換するために使用され、２つのビ
ームスプリッタ２４ａ、２４ｂは、光をその入射方向に
応じて透過光と反射光とに分割するために使用される。
２つの検光子２５ａ、２５ｂは、各々水平方向および垂
直方向の直線偏光の光を透過させることにより、直交す
るｘ，Ｙ方向の各偏光成分を抽出するために使用され
る。

【００４０】この場合、この結合光学系２１は、送光用
ファイバ１８からの光を、第１のレンズ２２ａ、偏光子
２３、第１のビームスプリッタ２４ａ、および第２のレ
ンズ２２ｂを介してセンシングファイバ部３１の一端に
送るようになっている。

【００４１】また、このセンシングファイバ部３１から
の反射方向の光は、第２のレンズ２２ｂを透過した後、
第１のビームスプリッタ２４ａで反射して、第２のビー
ムスプリッタ２４ｂに送られ、２方向の光に分割するよ
うになっている。この一方の分割光は、第１の検光子２
５ａおよび第３のレンズ２２ｃを介して一方の受光用フ
ァイバ１８ａに送られる。他方の分割光は、第２の検光
子２５ｂおよび第４のレンズ２２ｄを介して他方の受光
用ファイバ１８ｂに送られる。

【００４２】一方、センシングファイバ部３１は、被測
定電流が流れる導体２の周囲にほぼ１回巻き付けられた
石英ファイバからなるセンサ３０とし、このセンサ３０
は終端部に反射端３２を備えている。反射端３２は、セ
ンシングファイバ部３１内を伝播してきた光を反射して
再びセンシングファイバ部３１内に戻し、反対方向に伝
播させるようになっている。

【００４３】以上の構成を有する本実施例においては、
まず、信号処理部１２の光源１４から発した光が、送光
用ファイバ１８を通って、センサ光学部１１の結合光学
系２１に送られる。

【００４４】この送光用ファイバ１８からの光が、第１
のレンズ２２ａによって平行ビームに変換され、偏光子
２３によって直線偏光に変換された後、第１のビームス
プリッタ２４ａを透過して第２のレンズ２２ｂによって
集光され、センシングファイバ部３１の始端部に入射す
る。

【００４５】センシングファイバ部３１に入射した光
は、センシングファイバ部３１内を伝播して反射端３２
で反射された後、再びセンシングファイバ部３１内に戻
され、反対方向に伝播して結合光学系２１側の始端部で
ある入射端から出射する。この場合、センシングファイ
バ部３１内を往復する形で通過する光は、導体２を流れ
る被測定電流によって誘起されるファラデー効果により
偏光面が回転する。

【００４６】そして、センシングファイバ部３１からの
出射光は、結合光学系２１の第２のレンズ２２ｂで平行
ビームに変換された後、第１のビームスプリッタ２４ａ
で反射され、第２のビームスプリッタ２４ｂで２方向の
光に分割される。

【００４７】この一方の分割光は、第１の検光子２５ａ
によってｘ方向の偏光成分を抽出された後、第３のレン
ズ２２ｃおよび受光用ファイバ１９ａを介して、信号処
理部１２の一方の検出器１５ａに送られる。

【００４８】また、他方の分割光は、第２の検光子２５
ｂによってｙ方向の偏光成分を抽出された後、第４のレ
ンズ２２ｄおよび受光用ファイバ１９ｂを介して、他方
の検出器１５ｂに送られる。

【００４９】さらに、このようにして、ｘ方向とｙ方向
の偏光成分の光は、各検出器１５ａ、１５ｂに送られ、
これらの検出器１５ａ、１５ｂで得られた各偏光成分の
信号は、信号処理回路１６ａ、１６ｂに送られて演算処
理され、得られた処理結果、すなわち測定結果は、出力
端子１７ａ、１７ｂによって出力される。

【００５０】この時、出力端子１７ａからは事故電流値
までの出力が行われ、最大出力は２００ｋＡ相当であ
る。また、出力端子１７ｂからは定常電流の２倍までの
出力が行われ、最大出力は２０ｋＡ相当となるように設
定されている。

【００５１】ここで、本実施例において、測定される定
常電流は実効値で８ｋＡであるため、電流の最大値の絶
対値で１２ｋＡ以上は事故電流となる。また、その最大
値は短絡時で

【数１】であり、本実施例はこの電流値を測定できる構成となっ
ている。

【００５２】また、被測定電流の周りを取り囲む光ファ
イバの巻回数ｎを１以上のほぼ整数倍とすることにより
光ファイバが閉ループとなるため、他相の通電電流がつ
くる磁場、または光ファイバループの外側に流れる電流
によってつくられる磁場の影響を少なくすることができ
る。

【００５３】ところで、本実施例のように、センサ３０
として被測定電流が流れる導体２の周囲に光ファイバを
巻回数ｎで取り囲んだ場合、センシングファイバ部３１
内における被測定電流Ｉによるファラデー旋光角φは、
次の式（１）によって表される。

【００５４】

【数２】φ＝ｍ・ｎＶＩ ……（１）ここで、Ｖはヴェルデ定数であり、またｍは片道光路の
時１、往復光路の時２である。

【００５５】ヴェルデ定数Ｖは、センサ３０の素材、光
源の波長λ等に依存する。それ故、被測定電流Ｉによ
り、光路に依存する数ｍ、巻回数ｎ、ヴェルデ定数Ｖ、
すなわちセンサの材質または光源の波長λを適切に選択
することにより、大電流を精度よく測定することが可能
となる。

【００５６】また、本実施例の信号処理回路では、次の
式（２）に基づいてファラデー旋光角φ、すなわち被測
定電流Ｉを演算する。すなわち、ｘ方向偏光成分の光強
度を検出する検出器１５ａの出力をＩx 、ｙ方向偏光成
分を検出する検出器１５ｂの出力をＩy とすると、

【数３】で表される。ただし、被測定電流が０Ａの時、Ｉx ＝Ｉ
y である。

【００５７】したがって、正弦関数の性質により、被測
定電流が非常に大きくなり、２φ＝９０度を越えると、
２φが９０度を越えたか、または９０度よりも減少した
のかがわからなくなる。この場合、これを判定するべき
新たな判定回路が必要になる。たとえば、φの値の時間
的変化を検出し判断するような回路が新たに必要にな
る。しかし、そのような新たな回路を追加するのは誤動
作の原因となりやすい。

【００５８】よって、本実施例では、φの絶対値を４５
度以下とすることにより光変流器の信頼性を向上させる
ことができる。

【００５９】光ファイバの材料によりヴェルデ定数Ｖが
変化するが、先に述べたように電力機器の短絡電流は１
７８ｋＡ程度と非常に大きいため、材料としては従来の
鉛ガラスブロックに比べて同一波長でのヴェルデ定数Ｖ
が低い石英ファイバが好ましい。

【００６０】また、石英ファイバは通信用で幅広く使用
されており、ファイバ強度、信頼性等もセンサとして問
題がない。もちろん、被測定電流Ｉの大きさにより、石
英ファイバ以外の光ファイバの使用も可能であり、また
光源の波長λによりセンサ感度を調整もできる。

【００６１】ここで、石英ファイバのヴェルデ定数Ｖ
は、光源の波長λにより、

【数４】と表わされる。

【００６２】よって、最大被測定電流を１７８ｋＡと
し、片道光路（ｍ＝１）、巻回数（ｎ＝１）で、ファラ
デー旋光角φを４５度以下とすると、式（１）、（３）
より光源の波長λは６３７ｎｍ以上となる。

【００６３】ところで、光ファイバの終端部を反射端３
２とすることにより、光ファイバ中を光に往復させるこ
とができ、光の進行方向に依存する旋光の影響を除去す
ることができるため、センサの精度を高くすることがで
きる。

【００６４】図２は、石英ファイバを用いて往復光路と
した場合の、光源波長λとファラデー旋光角（φ＝４５
度）を与える最大測定電流の関係を示す。図２より、低
コストで信頼性が高い通信用の光源波長１３００ｎｍも
しくは１５５０ｎｍを用いて、１７８ｋＡの最大電流を
測定するには、巻回数ｎをほぼ１もしくは２とすること
が好ましいことがわかる。したがって、本実施例はこの
条件を満足している。

【００６５】さらに、検出器からの出力を複数とし、各
々異なった信号処理回路、すなわち事故電流計測用と定
常電流計測用により信号処理することにより、各々異な
った測定電流領域を設定できるため、事故電流計測と通
常の定常電流計測を１つのセンサにより同時計測が各々
精度よく実現できる。

【００６６】すなわち、ダイナミックレンジが同じとす
ると、測定電流領域を小さくした定常電流計測用信号処
理回路の出力電流値は、事故電流計測用のものに比べて
小電流領域まで出力できる。

【００６７】本実施例によれば、定常電流計測用信号処
理回路の出力は、事故電流計測用のものの１／１０だけ
小さい電流値まで出力できる。特に、信号処理回路の出
力信号がデジタル信号であり、ビット数が限られている
場合に、本方式は有効である。

【００６８】以上のように、本実施例によれば、事故時
の大電流を高精度、高信頼性で測定することが可能にな
る。

【００６９】なお、上記の一実施例では、偏光面の回転
を利用した光変流器について述べたが、導体２の周囲を
光が２方向に周回するサニャック干渉型の光変流器とし
てもよい。この際、ファラデー旋光角φを表す式（１）
は偏光面回転方式で往復光路をとったものと同等の式で
表される。

【００７０】また、上記の一実施例では、検出器の出力
信号を２つにして事故電流計測用と定常電流計測用との
出力に分けたが、受光用ファイバの光信号のところで信
号を各計測用に分けてもよく、また検出器の出力信号を
１つとして１つの信号処理回路の中で２つの信号に分
け、各計測用の出力信号を２つの出力端子に出力しても
同等な効果がある。

【００７１】

【発明の効果】以上で詳述したように、本発明によれ
ば、センサを光ファイバにより構成し、被測定電流の周
りを囲む配置として、光ファイバの材料、巻回数ｎおよ
び波長λを適切に選択することにより測定最大電流値に
応じてセンサの感度を選択できるため、センサの性能を
最大限に発揮することができ、かつセンサのダイナミッ
クレンジを大きくすることができる。また、検出器から
の出力信号を定常電流測定および事故電流測定用の２つ
とし、２つの信号処理回路にて各々信号処理するように
したことにより、事故電流測定と通常の定常電流測定と
を１つのセンサにより高精度で同時計測することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光変流器の一実施例を示す模式
図。

【図２】同実施例の作用を説明する特性図。

【図３】従来の光変流器の一例を示す模式図。

【符号の説明】

２導体１１センサ光学部１４光源１５ａ、１５ｂ検出器１６ａ、１６ｂ信号処理回路１７ａ、１７ｂ出力端子３０センサ３１センシングファイバ部３２反射端

フロントページの続き (72)発明者高橋正雄神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号株式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者丹羽景子神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号株式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者三浦宏神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号株式会社東芝浜川崎工場内 (56)参考文献特開昭62−161059（ＪＰ，Ａ) 特開平６−289063（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 15/22 - 15/24 G01R 33/032

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定導体付近に配置されたセンサと、
測定用の光を発生して前記センサに送る光源と、前記セ
ンサからの反射光を検出する検出器と、前記センサと光
源及び検出器とを光学的に結合する結合光学系と、前記
検出器からの信号を処理する信号処理部とを備え、前記
センサを通過する光のファラデー効果に基づいて被測定
導体に通電される電流を測定する光変流器において、前
記センサを光ファイバにより構成し、この光ファイバを
前記被測定導体の周りを囲む配置とし、かつ前記光ファ
イバの材料、巻回数ｎおよび波長λを前記被測定導体の
定常電流値および事故時の電流値に応じて適正化して前
記センサの感度を調整し、かつ前記検出器からの出力信
号を定常電流測定および事故電流測定用として、２つの
信号処理回路にて各々信号処理するようにしたことを特
徴とする光変流器。
【請求項２】請求項１記載の光変流器において、測定
すべき事故時の最大電流は、被測定導体に流れる絶対値
が１２ｋＡ以上の電流であることを特徴とする光変流
器。
【請求項３】請求項１記載の光変流器において、被測
定導体の電流によって生ずるファラデー効果の旋光角の
大きさが４５度以下となるように、センサとしての光フ
ァイバの巻回数ｎもしくはヴェルデ定数Ｖを設定したこ
とを特徴とする光変流器。
【請求項４】請求項１または３記載の光変流器におい
て、光源の波長λを６３７ｎｍ以上としたことを特徴と
する光変流器。
【請求項５】請求項１または３記載の光変流器におい
て、センサとしての光ファイバを、石英ファイバとした
ことを特徴とする光変流器。
【請求項６】請求項１記載の光変流器において、セン
サとしての光ファイバ中を光が往復するように光ファイ
バの終端部を反射端としたことを特徴とする光変流器。
【請求項７】請求項１から６までのいずれかに記載の
光変流器において、光源の波長λを１３００もしくは１
５５０ｎｍとし、センサとしての光ファイバの巻回数ｎ
を、ほぼ１または２に設定したことを特徴とする光変流
器。