JP3611975B2 - 故障判定機能を備えた光ｃｔ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、故障判定機能を備えた光ＣＴに関し、特に、電力機器や電力設備に適用される故障判定機能を備えた光ＣＴに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
変電所などに設置されている変圧器等の電力機器ないしは電力設備には、異常が発生した際に、これらの機器や設備を保護し、事故の拡大を防止するために、これらの作動を停止させる保護継電システムが設置されている。
【０００３】
図６には、この種の保護継電システムの代表的な例を示している。同図に示した保護継電システムは、電力設備１の機器本体に付設された変成器２と、変成器２の出力側に接続された変換器３と、変換器３の出力側に接続された保護継電器４とを備えている。
【０００４】
変成器２は、保護対象である電力設備の電流，電圧を測定する。変換器３は、変成器２の検出信号のレベルを変換して、保護継電器４に出力する。保護継電器４は、変換器３の出力信号を受けて、必要な演算処理をし、その結果から電力設備１の異常を判断する。
【０００５】
保護継電器４で電力設備１に異常が発生していると判断されると、トリップ信号を送出して、遮断器などを作動させて、電力設備１の作動を停止させる。しかしながら、このような従来の電力設備１の保護継電システムには、以下に説明する課題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、従来の保護継電システムは、保護継電器４の演算回路などに多数の電子部品を使用しているので、非常に高価になる。また、変成器２の電流，電圧の検出は、巻線型のものが外部磁界などの外乱を受け易く、保護継電システムに対するサージ対策が難しい。
【０００７】
さらに、電力設備１の電流，電圧が大きいので、これらを検出する変成器２が大型，大重量となり、システム全体の小型，軽量化が要請されていた。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、安価でかつサージ対策が簡略化でき、その上、システムの小型，軽量化が達成できる故障判定機能を備えたＣＴ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、電力設備に接続された複数の導体の外周に周回設置され、各導体の入出力電流を個別に測定する複数の光ファイバセンサと、光源，光電変換器，信号処理部および故障判定部とを有する電子回路部とを備え、前記光源と前記光ファイバセンサとの間，前記光ファイバセンサ同士の間および前記光ファイバセンサと前記光電変換器との間をそれぞれ直列接続する光ファイバ伝送路を設け、前記信号処理部で前記光ファイバセンサで測定された電流値の総和を求め、この電流値の総和から前記故障判定部で前記電力設備の異常を判断する故障判定機能を備えた光ＣＴにおいて、前記光ファイバセンサの入出力端に、当該光ファイバセンサ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、前記光ファイバ伝送路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偏波モード変換素子をそれぞれ設け、前記光ファイバセンサを鉛ガラスファイバで構成するとともに、前記光ファイバ伝送路を偏波面保持ファイバで構成し、これらの光ファイバセンサと光ファイバ伝送路内に、進行方向が相互に逆になる光を伝播させるようにした。
このように構成した故障判定機能を備えた光ＣＴによれば、電力設備に接続された複数の導体の外周に、光ファイバセンサを周回設置し、各導体の入出力電流を個別に測定する。
光ファイバセンサによる電流測定は、光ファイバセンサ中を伝播する光の偏波が、電流磁界の大きさに応じて回転するファラデー回転角を測定するため、事故時の直流分を含む大電流が流れた場合にも、鉄心の磁気飽和に起因する出力歪が生じない。
また、電流測定を光ファイバセンサで行い、光ファイバ伝送路で、光源と光ファイバセンサとの間，光ファイバセンサ同士の間および光ファイバセンサと光電変換器との間をそれぞれ直列接続するので、システム全体の小型，軽量化が達成されるとともに、サージ対策を簡略化することができる。
さらに、本発明では、キルヒホッフの第１法則に基づいて、信号処理部で光ファイバセンサで測定された電流値の総和を求め、この電流値の総和から故障判定部で電力設備の異常を判断するので、演算処理も簡単になる。
この場合、本発明では、ファラデー回転角を全部加算した後に、光電変換器で光量変化に変換するので、大電流集中に対する演算精度も確保することができる。
また、本発明では、前記光ファイバセンサの入出力端に、当該光ファイバセンサ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、前記光ファイバ伝送路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偏波モード変換素子をそれぞれ設け、前記光ファイバセンサを鉛ガラスファイバで構成するとともに、前記光ファイバ伝送路を偏波面保持ファイバで構成し、これらの光ファイバセンサと光ファイバ伝送路内に、進行方向が相互に逆になる光を伝播させる。
この構成によれば、光ファイバセンサを鉛ガラスファイバで構成しているので、磁界の外乱だけでなく、振動や温度に対する外乱も排除することができる。
また、光ファイバ伝送路を石英ガラスを材料とする偏波面保持ファイバで構成しているので、伝送路の損失を低減することができる。
さらに、上記構成の偏波モード変換素子を設置すると、伝送路を構成している偏波面保持ファイバの偏波モードの位相変動が、光ファイバ伝送路内に進行方向が相互に逆になる光を伝播させることで相殺される。
本発明の故障判定機能を備えた光ＣＴにおいては、最後部の前記光ファイバセンサの出力端に設けられた前記偏波モード変換素子の後部側に反射ミラーを設置することができる。
この構成によれば、光ファイバセンサと光ファイバ伝送路内に、進行方向が相互に逆になる光を伝播させる場合よりも構成が簡単になる。
また、本発明では、前記光源は、コヒーレンス長の短い光を発するようにすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴの基本的な構成の概要を示している。
【００１１】
同図に示した故障判定機能を備えた光ＣＴは、複数の光ファイバセンサ１０１〜４と、光ファイバ伝送路１２と、電子回路部１４とを有している。光ファイバセンサ１０１〜４は、保護対象となる電力設備１６に接続された複数の導体１８の外周をそれぞれ周回するように設置されている。
【００１２】
各光ファイバセンサ１０１〜４は、導体１８の入出力電流値Ｉ１〜４をそれぞれ測定する。この光ファイバセンサ１０１〜４の電流値Ｉ１〜４の測定原理は、導体１８の外周に周回設置された光ファイバセンサ１０１〜４中に光を伝播させると、伝播する光の偏波が、電流磁界の大きさに応じて回転するので、このファラデー回転角を測定して、各導体１８に流れている電流値Ｉ１〜４を求める。
【００１３】
電子回路部１４は、光源１４ａと、光電変換器１４ｂと、信号処理部１４ｃと、故障判定部１４ｄとを有している。光ファイバ伝送路１２は、光源１４ａと第１番目の光ファイバセンサ１０１との間，第２番目以後の光ファイバセンサ１０２〜４同士の間，および最後部の光ファイバセンサ１０４と光電変換器１４ｂとの間をそれぞれ直列接続するように設けられている。
【００１４】
信号処理部１４ｃでは、光電変換器１４ｂの出力信号を受けて、各光ファイバセンサ１０１〜４で測定された電流値Ｉ１〜４に対するファラデー回転角の総和を求める。
【００１５】
故障判定部１４ｄでは、信号処理部１４ｃの出力信号を受けて、キルヒホッフの第１法則に基づいて、電力設備１６の故障を判断する。すなわち、キルヒホッフの第１法則によれば、電力設備１６に流入，流出する電流値Ｉ１〜４の総和Ｓ＝ｋ（Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＋Ｉ４）は、異常がなければ零になる。
【００１６】
そこで、故障判定部１４ｄでは、電流値Ｉ１〜４の総和が零以外になったときに、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１６を停止させる。
【００１７】
さて、以上のように構成された故障判断機能を備えた光ＣＴによれば、光ファイバセンサ１０１〜４中を伝播する光の偏波が、電流磁界の大きさに応じて回転するファラデー回転角を測定して電流値Ｉ１〜４を求めるので、事故時の直流分を含む大電流が流れた場合にも、鉄心の磁気飽和に起因する出力歪を生じない。
【００１８】
また、電流測定を光ファイバセンサ１０１〜４で行い、光ファイバ伝送路１２で、光源１４ａと第１番目の光ファイバセンサ１０１との間，第２番目以後の光ファイバセンサ１０２〜４同士の間，および最後の光ファイバセンサ１０４と光電変換器１４ｂとの間を直列接続するので、電力設備１６に敷設する部分が全て光ファイバで構成され、システム全体の小型，軽量化が達成されるとともに、サージ対策を簡略化することができる。
【００１９】
さらに、本発明では、キルヒホッフの第１法則に基づいて、信号処理部１４ｃで光ファイバセンサ１０１〜４で測定された電流値Ｉ１〜４の総和を求め、この電流値Ｉ１〜４の総和から故障判定部１４ｄで電力設備１６の異常を判断するので、演算処理も簡単になる。
【００２０】
この場合、本発明では、ファラデー回転角を全部加算した後に、光電変換器１４ｂで光量変化に変換するので、大電流集中に対する演算精度も確保することができる。
【００２１】
ところで、本発明者らは、光ファイバセンサを用いる電流の測定方法を、例えば、特開平７−２８０８５０号公報などで、既に提案している。また、技術文献、電気学会技術報告ＩＩ部第１４９号、ｐｐ．５８−６０，１９８３には、２個ファラデー素子を用いた電流差動継電器の構成が発表されている。
【００２２】
さらに、技術文献、第４５回応物関係連合講演会予稿集，１９９８には、光ファイバ干渉計を応用して、光ファイバをファラデー素子に用いた電流の検出方法が発表されている。
【００２３】
このような公知文献から本発明の基本的な技術思想に想到することができたとしても、このような公知文献を単に組合せただけでは、以下の問題がある。
【００２４】
すなわち、電流の検出と光の伝送とを１本の光ファイバで行うと、例えば、石英ファイバを用いると、光ファイバの偏波が光弾性の影響を受けて、振動や温度に対して、非常に敏感になりすぎて、実用的なシステムの実現が困難になる。
【００２５】
また、石英ファイバに代えて鉛ガラスファイバを用いても、伝送損失が大きく、長距離の伝送や複数の電流に対して差動演算機能を持たせることができない。
【００２６】
一方、特開平７−２８０８５０号公報に開示されているような光ファイバセンサで、検出部毎にファラテー効果を光量の変化に変換すると、検出部毎に３ｄＢ程度の損失が生じ、多数本の電流に対する差動演算機能を持たせられないし、大電流が１本の導体に集中した場合に、差動演算の精度が悪くなり、外部事故を内部事故と誤って判断する恐れがある。
【００２７】
そこで、本発明者らは、このような公知技術を考慮して、このような問題を解決できる光ＣＴを案出した。図２に示した光ＣＴがその一例である。なお、以下の説明では、上記基本構成と同一もしくは相当する部分に同一符号を付してその説明を省略するとともに、以下にその特徴点についてのみ説明する。
【００２８】
同図に示した故障判定機能を備えた光ＣＴは、図１と同様に、複数の光ファイバセンサ１０１−ｎと、光ファイバ伝送路１２０と、電子回路部１４とを有している。
【００２９】
各光ファイバセンサ１０１−ｎは、導体１８１−ｎの電流値Ｉ１−ｎをそれぞれ測定するものであって、この実施例の場合には、鉛ガラスファイバから構成されている。
【００３０】
電子回路部１４は、光源１４ａと、光電変換器１４ｂと、信号処理部１４ｃと、図示省略の故障判定部とを有している。光ファイバ伝送路１２０は、光源１４ａと第１番目の光ファイバセンサ１０１との間，第２番目以後の光ファイバセンサ１０２〜ｎ同士の間，および最後の光ファイバセンサ１０ｎと光電変換器１４ｂとの間をそれぞれ直列接続するように設けられている。
【００３１】
本実施例の場合には、光ファイバ伝送路１２０は、石英製の偏波面保持ファイバＰＭＦで構成されている。各光ファイバセンサ１０１−ｎ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。
【００３２】
この偏波モード変換素子λ／４は、光ファイバセンサ１０１−ｎ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１２０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。
【００３３】
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との前には、それぞれファラテー回転子１８，２０が設置されている。
【００３４】
また、これらのファラテー回転子１８，２０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１４ａとビームスプリッタＰＢＳとの間には、偏光子２２が設置されている。
【００３５】
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２４が設けられている。光電変換器１４ｂは、本実施例の場合には、一対のホトダイオードＰＤ１，ＰＤ２から構成されている。
【００３６】
また、信号処理部１４ｃは、バンドパスフィルタＢＰＦ，ローパスフィルタＬＰＦ，除算器÷，減算器を有している。
【００３７】
次に、上記構成の光ＣＴの作動について説明する。図２に示した実施例では、、単一モードファイバＰＭＦ用いるので、空間コヒーレンスのよい光源１４ａを用いる必要がある。そこで、半導体レーザを用いることを前提に以下の説明を行う。
【００３８】
ここで、まず、ビームスプリッタＰＢＳの膜へのｐ偏波入射の方位を０ｄｅｇとし、その方向の直線座標軸をｘ軸とする。また、同様に、ｓ偏波入射の方位を９０ｄｅｇとし、その方向の座標軸をｙ軸とする。
【００３９】
光源１４ａの光を方位４５ｄｅｇに設定した偏光子２２に導く。偏光子２２を通過した方位４５ｄｅｇの直線偏波は、偏光ビームスプリッタＰＢＳに導かれ、２本のビームに分離される。
【００４０】
この場合、ｐ偏波入射となる成分は、ビームスプリッタＰＢＳを通過し、方位０ｄｅｇの直線偏波光となる。ｓ偏波入射となる成分は、ビームスプリッタＰＢＳで反射し、方位９０ｄｅｇの直線偏波光となる。
【００４１】
このとき、ビームスプリッタＰＢＳへの入射光の方位が４５ｄｅｇであるので、分離された２つの光の強度は等しくなる。
【００４２】
ビームスプリッタＰＢＳを通過した光は、回転角４５ｄｅｇのファラデー回転子１８に入射し、４５ｄｅｇの偏波面の回転を受けた後、偏波面保持ファイバＰＭＦに入射し、偏波面保持ファイバＰＭＦで構成したファイバループを時計回りに進む光となる。
【００４３】
この時、偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波方位は４５ｄｅｇ傾けておき、同ファイバＰＭＦに入射する偏波の方位と同ファイバの２つの固有偏波方位のうちの一方を一致させておく。その結果、入射光は、偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波モードとなる。
【００４４】
次に、偏波面保持ファイバＰＭＦを伝搬した光は、２つの１／４波長板（以下波長板と記す。）λ／４と、鉛ガラスファイバで構成される第１番目の光ファイバセンサ１０１に入射する。
【００４５】
ここで、まず、偏波面保持ファイバＰＭＦを出射した直線偏波は、手前の波長板λ／４に入射する。波長板λ／４の方位は、偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波方位に対して４５ｄｅｇ傾けておく。
【００４６】
こうすると、波長板λ／４を通過した光は、光ファイバセンサ１０１内では、９０ｄｅｇの直線複屈折を受け、右回り円偏波モードとなる。第１番目の光ファイバセンサ１０１を通過した光は、第２の波長板λ／４に入射し、さらに９０ｄｅｇの直線複屈折を受けて直線偏波となる。
【００４７】
次に、光は、再び偏波面保持ファイバＰＭＦに入射する。この時、同偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波方位を、第２の波長板λ／４の固有偏波方位に対して４５ｄｅｇ傾けておく。
【００４８】
その結果、光は、偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波モードとなる。さらに、この偏波面保持ファイバＰＭＦを通過した光は、第２番目の光ファイバセンサ１０２に入射する。光ファイバセンサ１０２の構成は、第１番目と同じであり、その中での偏波のふるまいも同じである。
【００４９】
以下同様に、第ｎ番目の光ファイバセンサ１０ｎを通過した後、光は、最後のｎ＋１番目の偏波面保持ファイバＰＭＦを通過し、ファラデー回転子２０に入射する。
【００５０】
次にこの光は、ファラデー回転子２０で４５ｄｅｇの偏波面の回転を受けた後、ビームスプリッタＰＢＳに入射する。その際、入射光が、ＰＢＳの膜に対してｐ偏波入射となるように、ｎ＋１番目の偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波方位を調節しておく。そのようにすると、光は、ビームスプリッタＰＢＳを通過し、検光子２４に入射する。
【００５１】
一方、光源１２ａを発して偏光子２２を通過し、ビームスプリッタＰＢＳに入射する光のうち、ＰＢＳの膜に対してｓ偏波入射となる成分は、膜で反射してファラデー回転子２０に入射し、ファイバループを前記とは逆に、反時計回りに進む光となる。
【００５２】
ファラデー回転子２０を通過した光は、４５ｄｅｇのファラデー回転を受け、ｎ＋１番目の偏波面保持ファイバＰＭＦに入射する。その際、光は、同ファイバを時計回りに伝搬してくる光と同一の方位の偏波モードとなる。
【００５３】
次に、偏波面保持ファイバＰＭＦを通過した光は、まず、手前の波長板λ／４に入射し、円偏波に変換された後、第ｎ番目の光ファイバセンサ１０ｎに入射する。
【００５４】
その際、円偏波の回転方向は、光の進行する方向を基準に取った場合、ファイバループを反対側から進んでくる時計回り光と同一となる。第ｎ番目の光ファイバセンサ１０ｎを通過した光は、再び波長板λ／４に入射し、直線偏波に変換され、第ｎ本目の偏波面保持ファイバＰＭＦに入射する。この際、ファイバを伝わる偏波は、同ファイバを反対側から伝搬してくる時計回り光と同一のモードとなる。
【００５５】
以上の過程を繰り返し、最後に第１番目の光ファイバセンサ１０１と波長板λ／４を通過した後、光は、第１番目の偏波面保持ファイバＰＭＦを通過し、ファラデー回転子１８に入射する。
【００５６】
ファラデー回転子１８で、光は、再び４５ｄｅｇの偏波面の回転を受け、ビームスプリッタＰＢＳに入射する。その際、光は、ＰＢＳに対してｓ偏波入射となり、ＰＢＳの膜面で反射し、検光子２４に入射する。
【００５７】
以上の結果、時計回り光は、方位０ｄｅｇの直線偏波となって検光子２４に入射し、反時計回り光は、方位９０ｄｅｇの直線偏波となって検光子２４に入射する。
【００５８】
ここで、最終出力と光ファイバセンサ１０１−ｎに流れる電流Ｉ１−ｎの関係を求めるため、検光子２４を通過した光の強度を求める。まず、時計回り光の成分を添字ｃｗで表し、反時計回り成分を添字ｃｃｗで表す。
【００５９】
いま、第ｉ番目の光ファイバセンサ１０ｉに電流Ｉｉが流れている場合には、時計回り光と反時計回り光が、光ファイバセンサ１０ｉ中を通過する際に、ファラデー効果によって受ける位相は、次式で表される。ただし、光ファイバセンサ１０ｉの巻数は１とする。
（φｉ）ｃｗ＝θｉ … （１．１ａ）
（φｉ）ｃｃｗ＝−θｉ … （１．１ｂ）
θｉ＝ＶＩｉ … （１．１ｃ）
【００６０】
ただし、
φｉ；光ファイバセンサを円偏波が通過する際のファラデー効果により発生する位相
θｉ；光ファイバセンサを光が通過する際に発生するファラデー回転角
Ｖ；ベデル定数
Ｉｉ；電流
【００６１】
ここで、検光子２４への入射場所における時計回り光Ｅｃｗと、反時計回り光Ｅｃｃｗは、次の通りとなる。なお、両者の振幅は、等しくなるように調整して有るものとする。
Ｅｃｗ＝ａ・ｅｘｐ｛ｉ（ωｔ＋Ψｃｗ）｝ … （１．２ａ）
Ｅｃｃｗ＝ａ・ｅｘｐ｛ｉ（ωｔ＋Ψｃｃｗ）｝ … （１．２ｂ）
Ψｃｗ＝（θ１＋θ２＋…＋θｎ）
＋δＰＭＦ＋δＦＧＦ＋δＳＰＣ−（π／４） … （１．２ｃ）
Ψｃｃｗ＝−（θ１＋θ２＋…＋θｎ）
＋δＰＭＦ＋δＦＧＦ＋δＳＰＣ＋（π／４） … （１．２ｃ）
【００６２】
ここに、
ａ；振幅
Ψｃｗ；時計回りの光に発生する位相の総量
Ψｃｃｗ；反時計回りの光に発生する位相の総量
δＰＭＦ；ｎ＋１本の偏波面保持ファイバＰＭＦの中で共通に発生する位相の総量
δＦＧＦ；ｎ本の光ファイバセンサ１０の中で共通に発生する位相の総量
δＳＰＣ；光が空間を伝播する間に共通に発生する位相の総量
【００６３】
検光子２４は、偏光分離機能を有するものとし、その方位は４５ｄｅｇである。この場合、検光子２４を通過する２つの光の電界成分ＥＡとＥＢは、次式に示す通りとなる。
ＥＡ＝（ＥＣＷ＋ＥＣＣＷ）／√２ … （１．３ａ）
ＥＢ＝（ＥＣＷ−ＥＣＣＷ）／√２ … （１．３ｂ）
【００６４】
また、それらの強度ＰＡとＰＢは、次の通りとなる。
ＰＡ＝｜ＥＡ｜２＝Ｐ０｛１−ｃｏｓ（Ψｃｗ−Ψｃｃｗ）｝ … （１．４ａ）
ＰＢ＝｜ＥＢ｜２＝Ｐ０｛１＋ｃｏｓ（Ψｃｗ−Ψｃｃｗ）｝ … （１．４ｂ）
Ｐ０＝ａ２／２ … （１．４ｃ）
【００６５】
（１．４）式に、（１．２ｃ）式と（１．２ｄ）式を代入すると、次式が得られ
る。
ＰＡ＝Ｐ０［１＋ｓｉｎ｛２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）｝］ … （１．５ａ）
ＰＢ＝Ｐ０［１−ｓｉｎ｛２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）｝］ … （１．５ｂ）
【００６６】
ここで、θ１＋θ２＋…＋θｎが小さいと近似できる範囲で、次式が成立する。
ＰＡ＝Ｐ０［１＋２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）］ … （１．５ｃ）
ＰＢ＝Ｐ０［１−２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）］ … （１．５ｄ）
【００６７】
ここで、電流を交流とすると、次の信号Ａ、ＢおよびＳは次式の通りとなる。
Ａ＝２（θ１＋θ２＋…＋θｎ） … （１．６ａ）
Ｂ＝−２（θ１＋θ２＋…＋θｎ） … （１．６ｂ）
Ｓ＝（Ａ−Ｂ）／２
＝２（θ１＋θ２＋…＋θｎ） … （１．６ｃ）
（１．６ｃ）式に（１．１ｂ）式を代入すると、次式が得られる。
Ｓ＝４Ｖ（Ｉ１＋Ｉ２＋…＋Ｉｎ） … （１．６ｄ）
この式から、本実施例では、各光ファイバセンサ１０１−ｎに流れる電流Ｉ１−ｎの総和に等しい出力Ｓが得られることが分る。
【００６８】
ここで、上記（１．１）〜（１．６）式を見ると、時計回り光Ｅｃｗと反時計回り光Ｅｃｃｗの干渉の結果、ファイバループを光が進行する間に発生する位相のうち、光ファイバセンサ１０１−ｎ内部のファラデー効果以外のものは、補償されて信号に現れなくなることが分る。
【００６９】
このことは、光の伝送に用いる偏波面保持ファイバＰＭＦに振動や温度の変動などの外乱が加わり、同ファイバ中を光が通過する際に発生する位相が変化しても、システムの特性は、影響を受けないことを示している。
【００７０】
従ってシステムの特性は安定である。この特性が得られる理由は、図３に示すように、時計回り光Ｅｃｗと反時計回り光Ｅｃｃｗが偏波面保持ファイバＰＭＦの内部で共通の偏波モードとなるように、システムを構成したことによる。
【００７１】
図４は、本発明にかかる故障判断機能を備えた光ＣＴの他の実施例を示しており、上記実施例と同一もしくは相当する部分には、同一符号を付してその説明を省略するとともに、以下にその特徴点についてのみ説明する。
【００７２】
同図に示した実施例では、図２示した実施例がループ型であったのに対して、反射型になっている。この実施例の場合には、図２の実施例の偏光ビームスプリッタＰＢＳに代えて、ハーフミラーＨＭを設置し、一対のファラデー回転子１８，２０を除去し、最後部の光ファイバセンサ１０ｎの出射端側に設けた波長板λ／４の後方に反射ミラーＭを設置している。
【００７３】
この実施例の作動は、以下のようになる。作動説明に当たって、偏波に関する方位を次の通りに定める。ハーフミラーＨＭへのｐ偏波入射の方位を０ｄｅｇとし、その方向の直線座標軸をｘ軸とする。また、ｓ偏波入射の方位を９０ｄｅｇとし、その方向の座標軸をｙ軸とする。
【００７４】
光源１４ａの光を偏光子２２（ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）に導き、さらにハーフミラーＨＭを通過させる。偏光子２２の方位は、次式が成立するように設定する。
【００７５】
τｐｒｓ＝τｓｒｐ … （２．１）
ここに、
τｐ；ｐ偏波振幅透過率、ｒｐ；ｐ偏波振幅反射率
τｓ；ｓ偏波振幅透過率、ｒｓ；ｓ偏波振幅反射率
【００７６】
ハーフミラーＨＭを通過した光は、第１番目の偏波面保持ファイバＰＭＦに入射する。その際、偏波面保持ファイバＰＭＦの２つの固有偏波方位は、ハーフミラーＨＭを通過した光のｐ偏波成分とｓ偏波成分の方位に一致させておく。こうすると、入射光の２つの偏波成分は、それぞれ互いに方位が直交する偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波モードとなる。
【００７７】
はじめに、光の進行に伴うｐ偏波成分の変化を説明する。ｐ偏波成分は、第１の偏波面保持ファイバＰＭＦを直線偏波状態で通過し、２つの波長板λ／４と光ファイバセンサ１０１とで構成される第１番目の電流検出部に入射する。
【００７８】
このとき、まず光は、偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波方位に対して方位を４５ｄｅｇ傾けた手前の波長板λ／４に入射する。その結果、波長板λ／４を通過した光は、９０ｄｅｇの直線複屈折を受け、右回り円偏波となる。
【００７９】
次に、光は、光ファイバセンサ１０１に入射し、同ファイバの右回り円偏波モードとなる。光ファイバセンサ１０１を通過した光は、第２の波長板ＰＭＦに入射する。
【００８０】
第２の波長板λ／４を通過した光は、さらに９０ｄｅｇの直線複屈折を受け、直線偏波となる。その後光は、第２の偏波面保持ファイバＰＭＦに入射する。この時、第２の偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波方位を、第２の波長板λ／４の固有偏波方位に対して４５ｄｅｇ傾けておく。その結果、光は、第２の偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波モードとなる。
【００８１】
さらに、第２の偏波面保持ファイバＰＭＦを通過した光は、第２番目の電流検出部に入射する。第２番目の電流検出部の構成は、第１番目の電流検出部と同一であり、その中での偏波のふるまいも同じである。
【００８２】
以下同様に、偏波の変換を繰り返し、光は最後の第ｎ番目の電流検出部に入射する。第ｎ番目の電流検出部の光ファイバセンサ１０ｎの終端には、ミラーＭが設けられている。
【００８３】
その結果、光は、ミラーＭで反射されて、光路を逆に進む円偏波光となる。その際、反射後の円偏波の回転方向は、光の進行方向を基準に取った場合、反射前とは逆になる。ここで、反射される前の光を「前進光」と称し、反射後の光を「戻り光」と称することにする。
【００８４】
第ｎ番目の電流検出部の光ファイバセンサ１０ｎを通過した戻り光は、波長板λ／４に入射し、直線偏波に変換され、第ｎ番目の偏波面保持ファイバＰＭＦに再び入射する。以下同様に、偏波の変換を繰り返し、光は、第１番目の偏波面保持ファイバＰＭＦから再度出射する。
【００８５】
ここで、偏波の変換を繰り返しながら進む前進光と戻り光の偏波モードには、各光ファイバセンサ１０１−ｎと各偏波面保持ファイバＰＭＦの中で、次の関係がある。
【００８６】
光ファイバセンサ１０１−ｎ中においては、前進光と戻り光は、互いに回転方向（光の進行方向を基準に取る）が逆の円偏波モードとなる。
【００８７】
偏波面保持ファイバＰＭＦ中においては、前進光と戻り光は、互いに方位が直交した直線偏波モードとなる。
【００８８】
従って、第１番目の偏波面保持ファイバＰＭＦを出射した戻り光は、ハーフミラーＨＭにｓ偏波となって入射する。ハーフミラーＨＭで反射した成分は、波長板λ／４を通過した後、検光子２４に入射する。その際、波長板の方位は０ｄｅｇ、検光子２４の方位は４５ｄｅｇに設定しておく。
【００８９】
次に、光源を発して偏光子２２を通過した光のうち、ハーフミラーＨＭにｓ偏波出入射し、これを通過した成分について説明する。ｓ偏波入射成分は、ｐ偏波入射成分に対して直角の方位をもって、第１の偏波面保持ファイバＰＭＦに入射し、偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波モードとなる。
【００９０】
その後、光は、ｐ偏波入射成分と同様に、偏波の変換を繰り返しながら伝搬し、第ｎ番目の光ファイバセンサ１０ｎに到達する。さらに、光は、ミラーＭで反射し、戻り光となって伝搬し、第１の偏波面保持ファイバＰＭＦの入射端から直線偏波となって再度出射し、ハーフミラーＨＭに入射する。
【００９１】
その際、各光ファイバセンサ１０１−ｎと各偏波面保持ファイバＰＭＦの中での、前進光と戻り光の偏波モードの関係も、ｐ偏波入射した成分の場合と同じである。従って、偏波の方位は、ハーフミラーＨＭに対してｐ偏波となる。
【００９２】
ハーフミラーＨＭに入射した戻り光のうち、反射した成分は、やはり波長板λ／４を通過した後、検光子２４に入射する。
【００９３】
ここで、システムの検光子２４の通過光の強度を求める。まず、光源１４ａを
発し、偏光子２２を通過後、ハーフミラーＨＭにｐ偏波入射する偏波成分を添字
Ｈで表し、ｓ偏波入射する成分を添字Ｖで表す。
【００９４】
いま、第ｉ番目の検出部に電流が流れている場合に、偏波の電界成分ＥＨとＥＶが、光ファイバセンサ１０１−ｎを一回通過する際に、ファラデー効果により受ける位相は、次式で表すことができる。ただし、光ファイバセンサ１０１−ｎの巻数は１とする。
（φｉ）Ｈ＝θｉ … （２．２ａ）
（φｉ）Ｖ＝−θｉ … （２．２ｂ）
θｉ＝ＶＩｉ … （２．２ｃ）
【００９５】
ただし、
φｉ；光ファイバセンサを円偏波が通過する際のファラデー効果により発生する位相
θｉ；光ファイバセンサを光が通過する際に発生するファラデー回転角
Ｖ；ベデル定数
Ｉｉ；電流
【００９６】
ここで、検光子２４への入射場所における偏波成分ＥＨとＥＶは、光が光路を往復していることを考慮すると、次の通りとなる。なお、（２．１）式が成立するように偏光子２２の方位を調整してあることから、両者の振幅は等しい。
ＥＨ＝ａ・ｅｘｐ｛ｉ（ωｔ＋ΨＨ）｝ … （２．３ａ）
ＥＶ＝ａ・ｅｘｐ｛ｉ（ωｔ＋ΨＶ）｝ … （２．３ｂ）
ΨＨ＝２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）
＋２δＰＭＦ＋２δＦＧＦ＋２δＳＰＣ−（π／４） … （２．３ｃ）
ΨＶ＝−２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）
＋２δＰＭＦ＋２δＦＧＦ＋２δＳＰＣ＋（π／４） … （２．３ｄ）
【００９７】
ここに、
ａ；振幅
ΨＨ；偏波成分Ｈに発生する位相の総量
ΨＶ；偏波成分Ｖに発生する位相の総量
δＰＭＦ；ｎ＋１本の偏波面保持ファイバＰＭＦの中で共通に発生する位相の総量
δＦＧＦ；ｎ本の光ファイバセンサ１０の中で共通に発生する位相の総量
δＳＰＣ；光が空間を伝播する間に共通に発生する位相の総量
【００９８】
検光子２４は、偏光分離機能を有するものとし、その方位は４５ｄｅｇである。この場合、検光子２４を通過する２つの光の電界成分ＥＡとＥＢは、次式に示す通りとなる。
ＥＡ＝（ＥＨ＋ＥＶ）／√２ … （２．４ａ）
ＥＢ＝（ＥＨ−ＥＶ）／√２ … （２．４ｂ）
【００９９】
また、それらの強度ＰＡとＰＢは、次の通りとなる。
ＰＡ＝｜ＥＡ｜２＝Ｐ０｛１−ｃｏｓ（ΨＨ−ΨＶ）｝ … （２．５ａ）
ＰＢ＝｜ＥＢ｜２＝Ｐ０｛１＋ｃｏｓ（ΨＨ−ΨＶ）｝ … （２．５ｂ）
Ｐ０＝ａ２／２ … （２．５ｃ）
（２．４）式に、（２．２ｃ）式と（２．２ｄ）式を代入すると、次式が得られる。
【０１００】
ＰＡ＝Ｐ０［１＋ｓｉｎ｛２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）｝］ … （２．６ａ）
ＰＢ＝Ｐ０［１−ｓｉｎ｛２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）｝］ … （２．６ｂ）
ここで、θ１＋θ２＋…＋θｎが小さいと近似できる範囲で、次式が成立する。
ＰＡ＝Ｐ０［１＋２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）］ … （２．６ｃ）
ＰＢ＝Ｐ０［１−２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）］ … （２．６ｄ）
【０１０１】
ここで、電流を交流とすると、次の信号Ａ、ＢおよびＳは次式の通りとなる。
Ａ＝２（θ１＋θ２＋…＋θｎ） … （２．７ａ）
Ｂ＝−２（θ１＋θ２＋…＋θｎ） … （２．７ｂ）
Ｓ＝（Ａ−Ｂ）／２
＝２（θ１＋θ２＋…＋θｎ） … （２．７ｃ）
（２．７ｃ）式に（２．２ｃ）式を代入すると、次式が得られる。
Ｓ＝４Ｖ（Ｉ１＋Ｉ２＋…＋Ｉｎ） … （２．６ｄ）
【０１０２】
この式から、本実施例では、各光ファイバセンサ１０１−ｎに流れる電流Ｉ１−ｎの総和に等しい出力Ｓが得られることが分る。以上のように構成された光ＣＴによれば、図２および図３に示した実施例の作用効果に加えて、構成がより簡単になる。
【０１０３】
図５は、本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴのさらに別の実施例を示しており、上記実施例と同一もしくは相当する部分には、同一符号を付してその説明を省略するとともに、以下にその特徴点についてのみ説明する。
【０１０４】
上記実施例の説明に於いては、光学部品の偏波特性と配置が完全であるとして説明を行った。しかし、図２及び図４の構成において、それらは多少なりとも不完全であると考える必要がある。
【０１０５】
この場合には、偏波のクロストーク（以下「クロストーク」と記す）が発生する。クロストークがあると、最終的に検光子２４に入射する光の偏波成分に、上記の説明で行ったものと異なる偏波モードの経路を通過した成分が混入する。その結果、システムの出力が（１．６ｄ）式および（２．７ｄ）式に示したものと異なったものとなる。
【０１０６】
そこで、以下に、この問題に対する対策を提案する。提案する対策は、図２（ループ型）または図４（反射型）のシステムに、次の２つを組み合わせて適用することである。
Ａ．時間コヒーレンスの低い光源の使用
Ｂ．信号処理方式の変更（偏波面変調法）
以下に、反射型のシステムについて対策を施す場合について説明する。
（１）時間コヒーレンスの低い光源の使用
図４において、いずれかの場所でクロストークが発生すると、最終出力が式に示したものと異なることになる。その原因は、検光子２４に入射する光の偏波成分に、上記の説明で行ったものと異なる偏波モードの経路を通過した成分が混入し、それらの成分と図４で説明した理論通りの成分（以下「主成分」）との干渉、およびクロストークによって発生した成分（以下「クロストーク成分」）同志の干渉により、検光子２４を通過した光の強度が変化するからである。
【０１０７】
この問題を解決する第１の対策として、高い空間コヒーレンスをもちながら、時間コヒーレンスの低い光を発する光源、すなわちコヒーレンス長の短い光を発する光源を使用することがある。
【０１０８】
このような光源のうち、実用的なものとして、スーパルミネセントダイオードがある。時間コヒーレンスの低い光源を用いると、クロストーク成分は、他の成分（主成分および他のクロストーク成分）と異なる偏波モードの経路を通過するため、光源から検光子２４に至る光路に、光のコヒーレンス長を超える長さの差（光路長差）が発生し、干渉しなくなる。
【０１０９】
一方、主成分同士に発生する光路長差は、光ファイバセンサ１０の中で発生するファラデー効果に起因するもののみであるため、コヒーレンス長より光路長差が極短いので、干渉する。
【０１１０】
しかし、以下の理由から、対策は、これでは不十分である。図４における信号処理回路では、ホトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の出力信号を帯域通過フィルタＢＰＦと低域通過フィルタＬＰＦに導き、両者を通過した信号の比を割り算回路によって求めている。
【０１１１】
このような処理を行う目的は、ホトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に入射する光量の変動を補償するためである。図４のシステムで、コヒーレンス長の短い光源を用いた場合、電気信号にクロストーク成分の強度に相当するものが追加されることになるからである。
【０１１２】
この問題を解決するための信号処理の方法を以下に説明する。
（２）信号処理方式の変更（偏波面変調法）
図５に示した実施例では、光源１４ａに、前述した時間コヒーレンスの低いものを用いる。偏光子２２，ハーフミラーＨＭ，偏波面保持ファイバＰＭＦ、および光ファイバセンサ１０１−ｎを主構成部品とする電流検出部については、図４と同じである。
【０１１３】
異なっているのは、ハーフミラーＨＭで反射した後に、光が通過する光学系と、信号処理回路である。図５において、ハーフミラーＨＭで反射した光は、ポッケルス素子３０と検光子３２を通過する。
【０１１４】
ポッケルス素子３０は、光の変調を行うために設けてあり、電圧印加によって発生する複屈折主軸は０ｄｅｇに設定する。検光子３２の方位は−４５ｄｅｇ（１３５ｄｅｇと等価）とする。ポッケルス素子３２には、商用電源３４と増幅器３６とを介して、交流電圧を印加して、偏波の変調を行う。
【０１１５】
受光素子ＰＤの出力（検光子３２を通過する光の強度に比例）と、図に示す通り、ポッケルス素子３２に印加する交流電圧を参照信号とする同期検波回路３８に導く。
【０１１６】
また同時に、中心周波数を変調角周波数の２倍の角周波数に設定した帯域通過フィルタ４０に導き、さらにその出力を平滑回路４２に導く。次に、同期検波回路３８と平滑回路４０の出力を割り算回路４６に導き、両者の比を最終出力として得る。
【０１１７】
このようにすると、ファラデー回転角の総量に比例した最終出力が得られることを以下に示す。受光素子ＰＤの出力Ｐは、ファラデー回転角の総量（θ１＋θ２＋…＋θｎ）とポッケスル効果による位相変調角が小さい範囲で、次式で表される。
Ｐ＝Ｐ１＋Ｐ２（ｓｉｎδ）２
＝Ｐ１＋Ｐ２δ２ … （３．１）
δ＝δＰ＋ δＦ … （３．２）
【０１１８】
ここに、
Ｐ１；偏波のクロストーク成分の強度に比例する量
Ｐ２；偏波の主成分の強度に比例する量
δ；ファラデー効果による光波位相の変調
δＰ；ポケッスル効果による光波位相の変調
δＦ；ファラデー効果による光波位相の変調の総量４（θ１＋θ２＋…＋θｎ）
【０１１９】
また、ポッケルス素子３０には、高周波の正弦波交流電圧を印加する。そのため、δＰは、次式で表される変調を受ける。
δＰ＝ｂ・ｃｏｓ（ωｍｔ） … （３．３）
【０１２０】
ここに、
ｂ；位相変調角の振幅、ωｍ；変調角周波数、ｔ；時刻
（３．２）式と（３．３）式を（３．１）式に代入すると、次式が得られる。
Ｐ＝Ｐ１＋Ｐ２δ２
＝Ｐ１＋Ｐ２δＦ ２＋（１／２）Ｐ２ｂ２ （直流成分）
＋２Ｐ２ｂδＦｃｏｓ（ωｍｔ） （基本波成分）
＋（１／２）Ｐ２ｂ２ｃｏｓ（２ωｍｔ） （第２高調波成分）…（３．４）
【０１２１】
同期検波回路３８により（３．４）式の基本波成分を取り出すことができ、また帯域通過フィルタ４０と平滑回路４２を組みあわせた回路により同式の第２高調波成分を取り出すことができる。
【０１２２】
従って同期検波回路の出力Ｖωおよび平滑回路の出力Ｖ２ωは、次式で表される。
Ｖω＝２Ｐ２ｂδＦ （基本波成分） …（３．５）
Ｖ２ω＝（１／２）Ｐ２ｂ２ （第２高調波成分）…（３．６）
【０１２３】
最後に、割り算回路によって（３．５）式と（３．６）式の比を求めると、最終出力Ｓが求まる。
Ｓ＝Ｖω／Ｖ２ω
＝（４／ｂ）δＦ …（３．７）
（３．７）式を見ると、最終出力Ｓは、ファラデー効果による光波位相の変調の総量δＦに比例することが判る。また、最終出力Ｓは、偏波のクロストーク成分の強度に比例量Ｐ１および偏波の主成分の強度に比例する量Ｐ２に無関係になり、安定した検出が可能になる。
【０１２４】
また、（３．７）式から、本実施例の場合には、交流電流のみならず、直流電流の正確な検出が可能になり、直流の電力設備の故障判定にも適用することができる。
【０１２５】
【発明の効果】
以上実施例で詳細に説明したように、本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴによれば、安価でかつサージ対策が簡略化でき、その上、システムの小型，軽量化が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴの一実施例を示す説明図である。
【図２】本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴの他の実施例を示す全体構成図である。
【図３】図２の光ＣＴの光ファイバセンサと偏波面保持ファイバ内の偏波モードの説明図である。
【図４】本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴの他の実施例を示す全体構成図である。
【図５】本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴの他の実施例を示す全体構成図である。
【図６】従来の保護継電システムの説明図である。
【符号の説明】
１０ 光ファイバセンサ
１２ 光ファイバ伝送路
１４ 電子回路部
１４ａ 光源
１４ｂ 光電変換器
１４ｃ 信号処理部
１４ｄ 判定部
１６ 電力設備
【発明の属する技術分野】
本発明は、故障判定機能を備えた光ＣＴに関し、特に、電力機器や電力設備に適用される故障判定機能を備えた光ＣＴに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
変電所などに設置されている変圧器等の電力機器ないしは電力設備には、異常が発生した際に、これらの機器や設備を保護し、事故の拡大を防止するために、これらの作動を停止させる保護継電システムが設置されている。
【０００３】
図６には、この種の保護継電システムの代表的な例を示している。同図に示した保護継電システムは、電力設備１の機器本体に付設された変成器２と、変成器２の出力側に接続された変換器３と、変換器３の出力側に接続された保護継電器４とを備えている。
【０００４】
変成器２は、保護対象である電力設備の電流，電圧を測定する。変換器３は、変成器２の検出信号のレベルを変換して、保護継電器４に出力する。保護継電器４は、変換器３の出力信号を受けて、必要な演算処理をし、その結果から電力設備１の異常を判断する。
【０００５】
保護継電器４で電力設備１に異常が発生していると判断されると、トリップ信号を送出して、遮断器などを作動させて、電力設備１の作動を停止させる。しかしながら、このような従来の電力設備１の保護継電システムには、以下に説明する課題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、従来の保護継電システムは、保護継電器４の演算回路などに多数の電子部品を使用しているので、非常に高価になる。また、変成器２の電流，電圧の検出は、巻線型のものが外部磁界などの外乱を受け易く、保護継電システムに対するサージ対策が難しい。
【０００７】
さらに、電力設備１の電流，電圧が大きいので、これらを検出する変成器２が大型，大重量となり、システム全体の小型，軽量化が要請されていた。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、安価でかつサージ対策が簡略化でき、その上、システムの小型，軽量化が達成できる故障判定機能を備えたＣＴ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、電力設備に接続された複数の導体の外周に周回設置され、各導体の入出力電流を個別に測定する複数の光ファイバセンサと、光源，光電変換器，信号処理部および故障判定部とを有する電子回路部とを備え、前記光源と前記光ファイバセンサとの間，前記光ファイバセンサ同士の間および前記光ファイバセンサと前記光電変換器との間をそれぞれ直列接続する光ファイバ伝送路を設け、前記信号処理部で前記光ファイバセンサで測定された電流値の総和を求め、この電流値の総和から前記故障判定部で前記電力設備の異常を判断する故障判定機能を備えた光ＣＴにおいて、前記光ファイバセンサの入出力端に、当該光ファイバセンサ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、前記光ファイバ伝送路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偏波モード変換素子をそれぞれ設け、前記光ファイバセンサを鉛ガラスファイバで構成するとともに、前記光ファイバ伝送路を偏波面保持ファイバで構成し、これらの光ファイバセンサと光ファイバ伝送路内に、進行方向が相互に逆になる光を伝播させるようにした。
このように構成した故障判定機能を備えた光ＣＴによれば、電力設備に接続された複数の導体の外周に、光ファイバセンサを周回設置し、各導体の入出力電流を個別に測定する。
光ファイバセンサによる電流測定は、光ファイバセンサ中を伝播する光の偏波が、電流磁界の大きさに応じて回転するファラデー回転角を測定するため、事故時の直流分を含む大電流が流れた場合にも、鉄心の磁気飽和に起因する出力歪が生じない。
また、電流測定を光ファイバセンサで行い、光ファイバ伝送路で、光源と光ファイバセンサとの間，光ファイバセンサ同士の間および光ファイバセンサと光電変換器との間をそれぞれ直列接続するので、システム全体の小型，軽量化が達成されるとともに、サージ対策を簡略化することができる。
さらに、本発明では、キルヒホッフの第１法則に基づいて、信号処理部で光ファイバセンサで測定された電流値の総和を求め、この電流値の総和から故障判定部で電力設備の異常を判断するので、演算処理も簡単になる。
この場合、本発明では、ファラデー回転角を全部加算した後に、光電変換器で光量変化に変換するので、大電流集中に対する演算精度も確保することができる。
また、本発明では、前記光ファイバセンサの入出力端に、当該光ファイバセンサ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、前記光ファイバ伝送路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偏波モード変換素子をそれぞれ設け、前記光ファイバセンサを鉛ガラスファイバで構成するとともに、前記光ファイバ伝送路を偏波面保持ファイバで構成し、これらの光ファイバセンサと光ファイバ伝送路内に、進行方向が相互に逆になる光を伝播させる。
この構成によれば、光ファイバセンサを鉛ガラスファイバで構成しているので、磁界の外乱だけでなく、振動や温度に対する外乱も排除することができる。
また、光ファイバ伝送路を石英ガラスを材料とする偏波面保持ファイバで構成しているので、伝送路の損失を低減することができる。
さらに、上記構成の偏波モード変換素子を設置すると、伝送路を構成している偏波面保持ファイバの偏波モードの位相変動が、光ファイバ伝送路内に進行方向が相互に逆になる光を伝播させることで相殺される。
本発明の故障判定機能を備えた光ＣＴにおいては、最後部の前記光ファイバセンサの出力端に設けられた前記偏波モード変換素子の後部側に反射ミラーを設置することができる。
この構成によれば、光ファイバセンサと光ファイバ伝送路内に、進行方向が相互に逆になる光を伝播させる場合よりも構成が簡単になる。
また、本発明では、前記光源は、コヒーレンス長の短い光を発するようにすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴの基本的な構成の概要を示している。
【００１１】
同図に示した故障判定機能を備えた光ＣＴは、複数の光ファイバセンサ１０１〜４と、光ファイバ伝送路１２と、電子回路部１４とを有している。光ファイバセンサ１０１〜４は、保護対象となる電力設備１６に接続された複数の導体１８の外周をそれぞれ周回するように設置されている。
【００１２】
各光ファイバセンサ１０１〜４は、導体１８の入出力電流値Ｉ１〜４をそれぞれ測定する。この光ファイバセンサ１０１〜４の電流値Ｉ１〜４の測定原理は、導体１８の外周に周回設置された光ファイバセンサ１０１〜４中に光を伝播させると、伝播する光の偏波が、電流磁界の大きさに応じて回転するので、このファラデー回転角を測定して、各導体１８に流れている電流値Ｉ１〜４を求める。
【００１３】
電子回路部１４は、光源１４ａと、光電変換器１４ｂと、信号処理部１４ｃと、故障判定部１４ｄとを有している。光ファイバ伝送路１２は、光源１４ａと第１番目の光ファイバセンサ１０１との間，第２番目以後の光ファイバセンサ１０２〜４同士の間，および最後部の光ファイバセンサ１０４と光電変換器１４ｂとの間をそれぞれ直列接続するように設けられている。
【００１４】
信号処理部１４ｃでは、光電変換器１４ｂの出力信号を受けて、各光ファイバセンサ１０１〜４で測定された電流値Ｉ１〜４に対するファラデー回転角の総和を求める。
【００１５】
故障判定部１４ｄでは、信号処理部１４ｃの出力信号を受けて、キルヒホッフの第１法則に基づいて、電力設備１６の故障を判断する。すなわち、キルヒホッフの第１法則によれば、電力設備１６に流入，流出する電流値Ｉ１〜４の総和Ｓ＝ｋ（Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＋Ｉ４）は、異常がなければ零になる。
【００１６】
そこで、故障判定部１４ｄでは、電流値Ｉ１〜４の総和が零以外になったときに、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１６を停止させる。
【００１７】
さて、以上のように構成された故障判断機能を備えた光ＣＴによれば、光ファイバセンサ１０１〜４中を伝播する光の偏波が、電流磁界の大きさに応じて回転するファラデー回転角を測定して電流値Ｉ１〜４を求めるので、事故時の直流分を含む大電流が流れた場合にも、鉄心の磁気飽和に起因する出力歪を生じない。
【００１８】
また、電流測定を光ファイバセンサ１０１〜４で行い、光ファイバ伝送路１２で、光源１４ａと第１番目の光ファイバセンサ１０１との間，第２番目以後の光ファイバセンサ１０２〜４同士の間，および最後の光ファイバセンサ１０４と光電変換器１４ｂとの間を直列接続するので、電力設備１６に敷設する部分が全て光ファイバで構成され、システム全体の小型，軽量化が達成されるとともに、サージ対策を簡略化することができる。
【００１９】
さらに、本発明では、キルヒホッフの第１法則に基づいて、信号処理部１４ｃで光ファイバセンサ１０１〜４で測定された電流値Ｉ１〜４の総和を求め、この電流値Ｉ１〜４の総和から故障判定部１４ｄで電力設備１６の異常を判断するので、演算処理も簡単になる。
【００２０】
この場合、本発明では、ファラデー回転角を全部加算した後に、光電変換器１４ｂで光量変化に変換するので、大電流集中に対する演算精度も確保することができる。
【００２１】
ところで、本発明者らは、光ファイバセンサを用いる電流の測定方法を、例えば、特開平７−２８０８５０号公報などで、既に提案している。また、技術文献、電気学会技術報告ＩＩ部第１４９号、ｐｐ．５８−６０，１９８３には、２個ファラデー素子を用いた電流差動継電器の構成が発表されている。
【００２２】
さらに、技術文献、第４５回応物関係連合講演会予稿集，１９９８には、光ファイバ干渉計を応用して、光ファイバをファラデー素子に用いた電流の検出方法が発表されている。
【００２３】
このような公知文献から本発明の基本的な技術思想に想到することができたとしても、このような公知文献を単に組合せただけでは、以下の問題がある。
【００２４】
すなわち、電流の検出と光の伝送とを１本の光ファイバで行うと、例えば、石英ファイバを用いると、光ファイバの偏波が光弾性の影響を受けて、振動や温度に対して、非常に敏感になりすぎて、実用的なシステムの実現が困難になる。
【００２５】
また、石英ファイバに代えて鉛ガラスファイバを用いても、伝送損失が大きく、長距離の伝送や複数の電流に対して差動演算機能を持たせることができない。
【００２６】
一方、特開平７−２８０８５０号公報に開示されているような光ファイバセンサで、検出部毎にファラテー効果を光量の変化に変換すると、検出部毎に３ｄＢ程度の損失が生じ、多数本の電流に対する差動演算機能を持たせられないし、大電流が１本の導体に集中した場合に、差動演算の精度が悪くなり、外部事故を内部事故と誤って判断する恐れがある。
【００２７】
そこで、本発明者らは、このような公知技術を考慮して、このような問題を解決できる光ＣＴを案出した。図２に示した光ＣＴがその一例である。なお、以下の説明では、上記基本構成と同一もしくは相当する部分に同一符号を付してその説明を省略するとともに、以下にその特徴点についてのみ説明する。
【００２８】
同図に示した故障判定機能を備えた光ＣＴは、図１と同様に、複数の光ファイバセンサ１０１−ｎと、光ファイバ伝送路１２０と、電子回路部１４とを有している。
【００２９】
各光ファイバセンサ１０１−ｎは、導体１８１−ｎの電流値Ｉ１−ｎをそれぞれ測定するものであって、この実施例の場合には、鉛ガラスファイバから構成されている。
【００３０】
電子回路部１４は、光源１４ａと、光電変換器１４ｂと、信号処理部１４ｃと、図示省略の故障判定部とを有している。光ファイバ伝送路１２０は、光源１４ａと第１番目の光ファイバセンサ１０１との間，第２番目以後の光ファイバセンサ１０２〜ｎ同士の間，および最後の光ファイバセンサ１０ｎと光電変換器１４ｂとの間をそれぞれ直列接続するように設けられている。
【００３１】
本実施例の場合には、光ファイバ伝送路１２０は、石英製の偏波面保持ファイバＰＭＦで構成されている。各光ファイバセンサ１０１−ｎ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。
【００３２】
この偏波モード変換素子λ／４は、光ファイバセンサ１０１−ｎ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１２０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。
【００３３】
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との前には、それぞれファラテー回転子１８，２０が設置されている。
【００３４】
また、これらのファラテー回転子１８，２０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１４ａとビームスプリッタＰＢＳとの間には、偏光子２２が設置されている。
【００３５】
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２４が設けられている。光電変換器１４ｂは、本実施例の場合には、一対のホトダイオードＰＤ１，ＰＤ２から構成されている。
【００３６】
また、信号処理部１４ｃは、バンドパスフィルタＢＰＦ，ローパスフィルタＬＰＦ，除算器÷，減算器を有している。
【００３７】
次に、上記構成の光ＣＴの作動について説明する。図２に示した実施例では、、単一モードファイバＰＭＦ用いるので、空間コヒーレンスのよい光源１４ａを用いる必要がある。そこで、半導体レーザを用いることを前提に以下の説明を行う。
【００３８】
ここで、まず、ビームスプリッタＰＢＳの膜へのｐ偏波入射の方位を０ｄｅｇとし、その方向の直線座標軸をｘ軸とする。また、同様に、ｓ偏波入射の方位を９０ｄｅｇとし、その方向の座標軸をｙ軸とする。
【００３９】
光源１４ａの光を方位４５ｄｅｇに設定した偏光子２２に導く。偏光子２２を通過した方位４５ｄｅｇの直線偏波は、偏光ビームスプリッタＰＢＳに導かれ、２本のビームに分離される。
【００４０】
この場合、ｐ偏波入射となる成分は、ビームスプリッタＰＢＳを通過し、方位０ｄｅｇの直線偏波光となる。ｓ偏波入射となる成分は、ビームスプリッタＰＢＳで反射し、方位９０ｄｅｇの直線偏波光となる。
【００４１】
このとき、ビームスプリッタＰＢＳへの入射光の方位が４５ｄｅｇであるので、分離された２つの光の強度は等しくなる。
【００４２】
ビームスプリッタＰＢＳを通過した光は、回転角４５ｄｅｇのファラデー回転子１８に入射し、４５ｄｅｇの偏波面の回転を受けた後、偏波面保持ファイバＰＭＦに入射し、偏波面保持ファイバＰＭＦで構成したファイバループを時計回りに進む光となる。
【００４３】
この時、偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波方位は４５ｄｅｇ傾けておき、同ファイバＰＭＦに入射する偏波の方位と同ファイバの２つの固有偏波方位のうちの一方を一致させておく。その結果、入射光は、偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波モードとなる。
【００４４】
次に、偏波面保持ファイバＰＭＦを伝搬した光は、２つの１／４波長板（以下波長板と記す。）λ／４と、鉛ガラスファイバで構成される第１番目の光ファイバセンサ１０１に入射する。
【００４５】
ここで、まず、偏波面保持ファイバＰＭＦを出射した直線偏波は、手前の波長板λ／４に入射する。波長板λ／４の方位は、偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波方位に対して４５ｄｅｇ傾けておく。
【００４６】
こうすると、波長板λ／４を通過した光は、光ファイバセンサ１０１内では、９０ｄｅｇの直線複屈折を受け、右回り円偏波モードとなる。第１番目の光ファイバセンサ１０１を通過した光は、第２の波長板λ／４に入射し、さらに９０ｄｅｇの直線複屈折を受けて直線偏波となる。
【００４７】
次に、光は、再び偏波面保持ファイバＰＭＦに入射する。この時、同偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波方位を、第２の波長板λ／４の固有偏波方位に対して４５ｄｅｇ傾けておく。
【００４８】
その結果、光は、偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波モードとなる。さらに、この偏波面保持ファイバＰＭＦを通過した光は、第２番目の光ファイバセンサ１０２に入射する。光ファイバセンサ１０２の構成は、第１番目と同じであり、その中での偏波のふるまいも同じである。
【００４９】
以下同様に、第ｎ番目の光ファイバセンサ１０ｎを通過した後、光は、最後のｎ＋１番目の偏波面保持ファイバＰＭＦを通過し、ファラデー回転子２０に入射する。
【００５０】
次にこの光は、ファラデー回転子２０で４５ｄｅｇの偏波面の回転を受けた後、ビームスプリッタＰＢＳに入射する。その際、入射光が、ＰＢＳの膜に対してｐ偏波入射となるように、ｎ＋１番目の偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波方位を調節しておく。そのようにすると、光は、ビームスプリッタＰＢＳを通過し、検光子２４に入射する。
【００５１】
一方、光源１２ａを発して偏光子２２を通過し、ビームスプリッタＰＢＳに入射する光のうち、ＰＢＳの膜に対してｓ偏波入射となる成分は、膜で反射してファラデー回転子２０に入射し、ファイバループを前記とは逆に、反時計回りに進む光となる。
【００５２】
ファラデー回転子２０を通過した光は、４５ｄｅｇのファラデー回転を受け、ｎ＋１番目の偏波面保持ファイバＰＭＦに入射する。その際、光は、同ファイバを時計回りに伝搬してくる光と同一の方位の偏波モードとなる。
【００５３】
次に、偏波面保持ファイバＰＭＦを通過した光は、まず、手前の波長板λ／４に入射し、円偏波に変換された後、第ｎ番目の光ファイバセンサ１０ｎに入射する。
【００５４】
その際、円偏波の回転方向は、光の進行する方向を基準に取った場合、ファイバループを反対側から進んでくる時計回り光と同一となる。第ｎ番目の光ファイバセンサ１０ｎを通過した光は、再び波長板λ／４に入射し、直線偏波に変換され、第ｎ本目の偏波面保持ファイバＰＭＦに入射する。この際、ファイバを伝わる偏波は、同ファイバを反対側から伝搬してくる時計回り光と同一のモードとなる。
【００５５】
以上の過程を繰り返し、最後に第１番目の光ファイバセンサ１０１と波長板λ／４を通過した後、光は、第１番目の偏波面保持ファイバＰＭＦを通過し、ファラデー回転子１８に入射する。
【００５６】
ファラデー回転子１８で、光は、再び４５ｄｅｇの偏波面の回転を受け、ビームスプリッタＰＢＳに入射する。その際、光は、ＰＢＳに対してｓ偏波入射となり、ＰＢＳの膜面で反射し、検光子２４に入射する。
【００５７】
以上の結果、時計回り光は、方位０ｄｅｇの直線偏波となって検光子２４に入射し、反時計回り光は、方位９０ｄｅｇの直線偏波となって検光子２４に入射する。
【００５８】
ここで、最終出力と光ファイバセンサ１０１−ｎに流れる電流Ｉ１−ｎの関係を求めるため、検光子２４を通過した光の強度を求める。まず、時計回り光の成分を添字ｃｗで表し、反時計回り成分を添字ｃｃｗで表す。
【００５９】
いま、第ｉ番目の光ファイバセンサ１０ｉに電流Ｉｉが流れている場合には、時計回り光と反時計回り光が、光ファイバセンサ１０ｉ中を通過する際に、ファラデー効果によって受ける位相は、次式で表される。ただし、光ファイバセンサ１０ｉの巻数は１とする。
（φｉ）ｃｗ＝θｉ … （１．１ａ）
（φｉ）ｃｃｗ＝−θｉ … （１．１ｂ）
θｉ＝ＶＩｉ … （１．１ｃ）
【００６０】
ただし、
φｉ；光ファイバセンサを円偏波が通過する際のファラデー効果により発生する位相
θｉ；光ファイバセンサを光が通過する際に発生するファラデー回転角
Ｖ；ベデル定数
Ｉｉ；電流
【００６１】
ここで、検光子２４への入射場所における時計回り光Ｅｃｗと、反時計回り光Ｅｃｃｗは、次の通りとなる。なお、両者の振幅は、等しくなるように調整して有るものとする。
Ｅｃｗ＝ａ・ｅｘｐ｛ｉ（ωｔ＋Ψｃｗ）｝ … （１．２ａ）
Ｅｃｃｗ＝ａ・ｅｘｐ｛ｉ（ωｔ＋Ψｃｃｗ）｝ … （１．２ｂ）
Ψｃｗ＝（θ１＋θ２＋…＋θｎ）
＋δＰＭＦ＋δＦＧＦ＋δＳＰＣ−（π／４） … （１．２ｃ）
Ψｃｃｗ＝−（θ１＋θ２＋…＋θｎ）
＋δＰＭＦ＋δＦＧＦ＋δＳＰＣ＋（π／４） … （１．２ｃ）
【００６２】
ここに、
ａ；振幅
Ψｃｗ；時計回りの光に発生する位相の総量
Ψｃｃｗ；反時計回りの光に発生する位相の総量
δＰＭＦ；ｎ＋１本の偏波面保持ファイバＰＭＦの中で共通に発生する位相の総量
δＦＧＦ；ｎ本の光ファイバセンサ１０の中で共通に発生する位相の総量
δＳＰＣ；光が空間を伝播する間に共通に発生する位相の総量
【００６３】
検光子２４は、偏光分離機能を有するものとし、その方位は４５ｄｅｇである。この場合、検光子２４を通過する２つの光の電界成分ＥＡとＥＢは、次式に示す通りとなる。
ＥＡ＝（ＥＣＷ＋ＥＣＣＷ）／√２ … （１．３ａ）
ＥＢ＝（ＥＣＷ−ＥＣＣＷ）／√２ … （１．３ｂ）
【００６４】
また、それらの強度ＰＡとＰＢは、次の通りとなる。
ＰＡ＝｜ＥＡ｜２＝Ｐ０｛１−ｃｏｓ（Ψｃｗ−Ψｃｃｗ）｝ … （１．４ａ）
ＰＢ＝｜ＥＢ｜２＝Ｐ０｛１＋ｃｏｓ（Ψｃｗ−Ψｃｃｗ）｝ … （１．４ｂ）
Ｐ０＝ａ２／２ … （１．４ｃ）
【００６５】
（１．４）式に、（１．２ｃ）式と（１．２ｄ）式を代入すると、次式が得られ
る。
ＰＡ＝Ｐ０［１＋ｓｉｎ｛２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）｝］ … （１．５ａ）
ＰＢ＝Ｐ０［１−ｓｉｎ｛２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）｝］ … （１．５ｂ）
【００６６】
ここで、θ１＋θ２＋…＋θｎが小さいと近似できる範囲で、次式が成立する。
ＰＡ＝Ｐ０［１＋２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）］ … （１．５ｃ）
ＰＢ＝Ｐ０［１−２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）］ … （１．５ｄ）
【００６７】
ここで、電流を交流とすると、次の信号Ａ、ＢおよびＳは次式の通りとなる。
Ａ＝２（θ１＋θ２＋…＋θｎ） … （１．６ａ）
Ｂ＝−２（θ１＋θ２＋…＋θｎ） … （１．６ｂ）
Ｓ＝（Ａ−Ｂ）／２
＝２（θ１＋θ２＋…＋θｎ） … （１．６ｃ）
（１．６ｃ）式に（１．１ｂ）式を代入すると、次式が得られる。
Ｓ＝４Ｖ（Ｉ１＋Ｉ２＋…＋Ｉｎ） … （１．６ｄ）
この式から、本実施例では、各光ファイバセンサ１０１−ｎに流れる電流Ｉ１−ｎの総和に等しい出力Ｓが得られることが分る。
【００６８】
ここで、上記（１．１）〜（１．６）式を見ると、時計回り光Ｅｃｗと反時計回り光Ｅｃｃｗの干渉の結果、ファイバループを光が進行する間に発生する位相のうち、光ファイバセンサ１０１−ｎ内部のファラデー効果以外のものは、補償されて信号に現れなくなることが分る。
【００６９】
このことは、光の伝送に用いる偏波面保持ファイバＰＭＦに振動や温度の変動などの外乱が加わり、同ファイバ中を光が通過する際に発生する位相が変化しても、システムの特性は、影響を受けないことを示している。
【００７０】
従ってシステムの特性は安定である。この特性が得られる理由は、図３に示すように、時計回り光Ｅｃｗと反時計回り光Ｅｃｃｗが偏波面保持ファイバＰＭＦの内部で共通の偏波モードとなるように、システムを構成したことによる。
【００７１】
図４は、本発明にかかる故障判断機能を備えた光ＣＴの他の実施例を示しており、上記実施例と同一もしくは相当する部分には、同一符号を付してその説明を省略するとともに、以下にその特徴点についてのみ説明する。
【００７２】
同図に示した実施例では、図２示した実施例がループ型であったのに対して、反射型になっている。この実施例の場合には、図２の実施例の偏光ビームスプリッタＰＢＳに代えて、ハーフミラーＨＭを設置し、一対のファラデー回転子１８，２０を除去し、最後部の光ファイバセンサ１０ｎの出射端側に設けた波長板λ／４の後方に反射ミラーＭを設置している。
【００７３】
この実施例の作動は、以下のようになる。作動説明に当たって、偏波に関する方位を次の通りに定める。ハーフミラーＨＭへのｐ偏波入射の方位を０ｄｅｇとし、その方向の直線座標軸をｘ軸とする。また、ｓ偏波入射の方位を９０ｄｅｇとし、その方向の座標軸をｙ軸とする。
【００７４】
光源１４ａの光を偏光子２２（ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）に導き、さらにハーフミラーＨＭを通過させる。偏光子２２の方位は、次式が成立するように設定する。
【００７５】
τｐｒｓ＝τｓｒｐ … （２．１）
ここに、
τｐ；ｐ偏波振幅透過率、ｒｐ；ｐ偏波振幅反射率
τｓ；ｓ偏波振幅透過率、ｒｓ；ｓ偏波振幅反射率
【００７６】
ハーフミラーＨＭを通過した光は、第１番目の偏波面保持ファイバＰＭＦに入射する。その際、偏波面保持ファイバＰＭＦの２つの固有偏波方位は、ハーフミラーＨＭを通過した光のｐ偏波成分とｓ偏波成分の方位に一致させておく。こうすると、入射光の２つの偏波成分は、それぞれ互いに方位が直交する偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波モードとなる。
【００７７】
はじめに、光の進行に伴うｐ偏波成分の変化を説明する。ｐ偏波成分は、第１の偏波面保持ファイバＰＭＦを直線偏波状態で通過し、２つの波長板λ／４と光ファイバセンサ１０１とで構成される第１番目の電流検出部に入射する。
【００７８】
このとき、まず光は、偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波方位に対して方位を４５ｄｅｇ傾けた手前の波長板λ／４に入射する。その結果、波長板λ／４を通過した光は、９０ｄｅｇの直線複屈折を受け、右回り円偏波となる。
【００７９】
次に、光は、光ファイバセンサ１０１に入射し、同ファイバの右回り円偏波モードとなる。光ファイバセンサ１０１を通過した光は、第２の波長板ＰＭＦに入射する。
【００８０】
第２の波長板λ／４を通過した光は、さらに９０ｄｅｇの直線複屈折を受け、直線偏波となる。その後光は、第２の偏波面保持ファイバＰＭＦに入射する。この時、第２の偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波方位を、第２の波長板λ／４の固有偏波方位に対して４５ｄｅｇ傾けておく。その結果、光は、第２の偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波モードとなる。
【００８１】
さらに、第２の偏波面保持ファイバＰＭＦを通過した光は、第２番目の電流検出部に入射する。第２番目の電流検出部の構成は、第１番目の電流検出部と同一であり、その中での偏波のふるまいも同じである。
【００８２】
以下同様に、偏波の変換を繰り返し、光は最後の第ｎ番目の電流検出部に入射する。第ｎ番目の電流検出部の光ファイバセンサ１０ｎの終端には、ミラーＭが設けられている。
【００８３】
その結果、光は、ミラーＭで反射されて、光路を逆に進む円偏波光となる。その際、反射後の円偏波の回転方向は、光の進行方向を基準に取った場合、反射前とは逆になる。ここで、反射される前の光を「前進光」と称し、反射後の光を「戻り光」と称することにする。
【００８４】
第ｎ番目の電流検出部の光ファイバセンサ１０ｎを通過した戻り光は、波長板λ／４に入射し、直線偏波に変換され、第ｎ番目の偏波面保持ファイバＰＭＦに再び入射する。以下同様に、偏波の変換を繰り返し、光は、第１番目の偏波面保持ファイバＰＭＦから再度出射する。
【００８５】
ここで、偏波の変換を繰り返しながら進む前進光と戻り光の偏波モードには、各光ファイバセンサ１０１−ｎと各偏波面保持ファイバＰＭＦの中で、次の関係がある。
【００８６】
光ファイバセンサ１０１−ｎ中においては、前進光と戻り光は、互いに回転方向（光の進行方向を基準に取る）が逆の円偏波モードとなる。
【００８７】
偏波面保持ファイバＰＭＦ中においては、前進光と戻り光は、互いに方位が直交した直線偏波モードとなる。
【００８８】
従って、第１番目の偏波面保持ファイバＰＭＦを出射した戻り光は、ハーフミラーＨＭにｓ偏波となって入射する。ハーフミラーＨＭで反射した成分は、波長板λ／４を通過した後、検光子２４に入射する。その際、波長板の方位は０ｄｅｇ、検光子２４の方位は４５ｄｅｇに設定しておく。
【００８９】
次に、光源を発して偏光子２２を通過した光のうち、ハーフミラーＨＭにｓ偏波出入射し、これを通過した成分について説明する。ｓ偏波入射成分は、ｐ偏波入射成分に対して直角の方位をもって、第１の偏波面保持ファイバＰＭＦに入射し、偏波面保持ファイバＰＭＦの固有偏波モードとなる。
【００９０】
その後、光は、ｐ偏波入射成分と同様に、偏波の変換を繰り返しながら伝搬し、第ｎ番目の光ファイバセンサ１０ｎに到達する。さらに、光は、ミラーＭで反射し、戻り光となって伝搬し、第１の偏波面保持ファイバＰＭＦの入射端から直線偏波となって再度出射し、ハーフミラーＨＭに入射する。
【００９１】
その際、各光ファイバセンサ１０１−ｎと各偏波面保持ファイバＰＭＦの中での、前進光と戻り光の偏波モードの関係も、ｐ偏波入射した成分の場合と同じである。従って、偏波の方位は、ハーフミラーＨＭに対してｐ偏波となる。
【００９２】
ハーフミラーＨＭに入射した戻り光のうち、反射した成分は、やはり波長板λ／４を通過した後、検光子２４に入射する。
【００９３】
ここで、システムの検光子２４の通過光の強度を求める。まず、光源１４ａを
発し、偏光子２２を通過後、ハーフミラーＨＭにｐ偏波入射する偏波成分を添字
Ｈで表し、ｓ偏波入射する成分を添字Ｖで表す。
【００９４】
いま、第ｉ番目の検出部に電流が流れている場合に、偏波の電界成分ＥＨとＥＶが、光ファイバセンサ１０１−ｎを一回通過する際に、ファラデー効果により受ける位相は、次式で表すことができる。ただし、光ファイバセンサ１０１−ｎの巻数は１とする。
（φｉ）Ｈ＝θｉ … （２．２ａ）
（φｉ）Ｖ＝−θｉ … （２．２ｂ）
θｉ＝ＶＩｉ … （２．２ｃ）
【００９５】
ただし、
φｉ；光ファイバセンサを円偏波が通過する際のファラデー効果により発生する位相
θｉ；光ファイバセンサを光が通過する際に発生するファラデー回転角
Ｖ；ベデル定数
Ｉｉ；電流
【００９６】
ここで、検光子２４への入射場所における偏波成分ＥＨとＥＶは、光が光路を往復していることを考慮すると、次の通りとなる。なお、（２．１）式が成立するように偏光子２２の方位を調整してあることから、両者の振幅は等しい。
ＥＨ＝ａ・ｅｘｐ｛ｉ（ωｔ＋ΨＨ）｝ … （２．３ａ）
ＥＶ＝ａ・ｅｘｐ｛ｉ（ωｔ＋ΨＶ）｝ … （２．３ｂ）
ΨＨ＝２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）
＋２δＰＭＦ＋２δＦＧＦ＋２δＳＰＣ−（π／４） … （２．３ｃ）
ΨＶ＝−２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）
＋２δＰＭＦ＋２δＦＧＦ＋２δＳＰＣ＋（π／４） … （２．３ｄ）
【００９７】
ここに、
ａ；振幅
ΨＨ；偏波成分Ｈに発生する位相の総量
ΨＶ；偏波成分Ｖに発生する位相の総量
δＰＭＦ；ｎ＋１本の偏波面保持ファイバＰＭＦの中で共通に発生する位相の総量
δＦＧＦ；ｎ本の光ファイバセンサ１０の中で共通に発生する位相の総量
δＳＰＣ；光が空間を伝播する間に共通に発生する位相の総量
【００９８】
検光子２４は、偏光分離機能を有するものとし、その方位は４５ｄｅｇである。この場合、検光子２４を通過する２つの光の電界成分ＥＡとＥＢは、次式に示す通りとなる。
ＥＡ＝（ＥＨ＋ＥＶ）／√２ … （２．４ａ）
ＥＢ＝（ＥＨ−ＥＶ）／√２ … （２．４ｂ）
【００９９】
また、それらの強度ＰＡとＰＢは、次の通りとなる。
ＰＡ＝｜ＥＡ｜２＝Ｐ０｛１−ｃｏｓ（ΨＨ−ΨＶ）｝ … （２．５ａ）
ＰＢ＝｜ＥＢ｜２＝Ｐ０｛１＋ｃｏｓ（ΨＨ−ΨＶ）｝ … （２．５ｂ）
Ｐ０＝ａ２／２ … （２．５ｃ）
（２．４）式に、（２．２ｃ）式と（２．２ｄ）式を代入すると、次式が得られる。
【０１００】
ＰＡ＝Ｐ０［１＋ｓｉｎ｛２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）｝］ … （２．６ａ）
ＰＢ＝Ｐ０［１−ｓｉｎ｛２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）｝］ … （２．６ｂ）
ここで、θ１＋θ２＋…＋θｎが小さいと近似できる範囲で、次式が成立する。
ＰＡ＝Ｐ０［１＋２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）］ … （２．６ｃ）
ＰＢ＝Ｐ０［１−２（θ１＋θ２＋…＋θｎ）］ … （２．６ｄ）
【０１０１】
ここで、電流を交流とすると、次の信号Ａ、ＢおよびＳは次式の通りとなる。
Ａ＝２（θ１＋θ２＋…＋θｎ） … （２．７ａ）
Ｂ＝−２（θ１＋θ２＋…＋θｎ） … （２．７ｂ）
Ｓ＝（Ａ−Ｂ）／２
＝２（θ１＋θ２＋…＋θｎ） … （２．７ｃ）
（２．７ｃ）式に（２．２ｃ）式を代入すると、次式が得られる。
Ｓ＝４Ｖ（Ｉ１＋Ｉ２＋…＋Ｉｎ） … （２．６ｄ）
【０１０２】
この式から、本実施例では、各光ファイバセンサ１０１−ｎに流れる電流Ｉ１−ｎの総和に等しい出力Ｓが得られることが分る。以上のように構成された光ＣＴによれば、図２および図３に示した実施例の作用効果に加えて、構成がより簡単になる。
【０１０３】
図５は、本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴのさらに別の実施例を示しており、上記実施例と同一もしくは相当する部分には、同一符号を付してその説明を省略するとともに、以下にその特徴点についてのみ説明する。
【０１０４】
上記実施例の説明に於いては、光学部品の偏波特性と配置が完全であるとして説明を行った。しかし、図２及び図４の構成において、それらは多少なりとも不完全であると考える必要がある。
【０１０５】
この場合には、偏波のクロストーク（以下「クロストーク」と記す）が発生する。クロストークがあると、最終的に検光子２４に入射する光の偏波成分に、上記の説明で行ったものと異なる偏波モードの経路を通過した成分が混入する。その結果、システムの出力が（１．６ｄ）式および（２．７ｄ）式に示したものと異なったものとなる。
【０１０６】
そこで、以下に、この問題に対する対策を提案する。提案する対策は、図２（ループ型）または図４（反射型）のシステムに、次の２つを組み合わせて適用することである。
Ａ．時間コヒーレンスの低い光源の使用
Ｂ．信号処理方式の変更（偏波面変調法）
以下に、反射型のシステムについて対策を施す場合について説明する。
（１）時間コヒーレンスの低い光源の使用
図４において、いずれかの場所でクロストークが発生すると、最終出力が式に示したものと異なることになる。その原因は、検光子２４に入射する光の偏波成分に、上記の説明で行ったものと異なる偏波モードの経路を通過した成分が混入し、それらの成分と図４で説明した理論通りの成分（以下「主成分」）との干渉、およびクロストークによって発生した成分（以下「クロストーク成分」）同志の干渉により、検光子２４を通過した光の強度が変化するからである。
【０１０７】
この問題を解決する第１の対策として、高い空間コヒーレンスをもちながら、時間コヒーレンスの低い光を発する光源、すなわちコヒーレンス長の短い光を発する光源を使用することがある。
【０１０８】
このような光源のうち、実用的なものとして、スーパルミネセントダイオードがある。時間コヒーレンスの低い光源を用いると、クロストーク成分は、他の成分（主成分および他のクロストーク成分）と異なる偏波モードの経路を通過するため、光源から検光子２４に至る光路に、光のコヒーレンス長を超える長さの差（光路長差）が発生し、干渉しなくなる。
【０１０９】
一方、主成分同士に発生する光路長差は、光ファイバセンサ１０の中で発生するファラデー効果に起因するもののみであるため、コヒーレンス長より光路長差が極短いので、干渉する。
【０１１０】
しかし、以下の理由から、対策は、これでは不十分である。図４における信号処理回路では、ホトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の出力信号を帯域通過フィルタＢＰＦと低域通過フィルタＬＰＦに導き、両者を通過した信号の比を割り算回路によって求めている。
【０１１１】
このような処理を行う目的は、ホトダイオードＰＤ１，ＰＤ２に入射する光量の変動を補償するためである。図４のシステムで、コヒーレンス長の短い光源を用いた場合、電気信号にクロストーク成分の強度に相当するものが追加されることになるからである。
【０１１２】
この問題を解決するための信号処理の方法を以下に説明する。
（２）信号処理方式の変更（偏波面変調法）
図５に示した実施例では、光源１４ａに、前述した時間コヒーレンスの低いものを用いる。偏光子２２，ハーフミラーＨＭ，偏波面保持ファイバＰＭＦ、および光ファイバセンサ１０１−ｎを主構成部品とする電流検出部については、図４と同じである。
【０１１３】
異なっているのは、ハーフミラーＨＭで反射した後に、光が通過する光学系と、信号処理回路である。図５において、ハーフミラーＨＭで反射した光は、ポッケルス素子３０と検光子３２を通過する。
【０１１４】
ポッケルス素子３０は、光の変調を行うために設けてあり、電圧印加によって発生する複屈折主軸は０ｄｅｇに設定する。検光子３２の方位は−４５ｄｅｇ（１３５ｄｅｇと等価）とする。ポッケルス素子３２には、商用電源３４と増幅器３６とを介して、交流電圧を印加して、偏波の変調を行う。
【０１１５】
受光素子ＰＤの出力（検光子３２を通過する光の強度に比例）と、図に示す通り、ポッケルス素子３２に印加する交流電圧を参照信号とする同期検波回路３８に導く。
【０１１６】
また同時に、中心周波数を変調角周波数の２倍の角周波数に設定した帯域通過フィルタ４０に導き、さらにその出力を平滑回路４２に導く。次に、同期検波回路３８と平滑回路４０の出力を割り算回路４６に導き、両者の比を最終出力として得る。
【０１１７】
このようにすると、ファラデー回転角の総量に比例した最終出力が得られることを以下に示す。受光素子ＰＤの出力Ｐは、ファラデー回転角の総量（θ１＋θ２＋…＋θｎ）とポッケスル効果による位相変調角が小さい範囲で、次式で表される。
Ｐ＝Ｐ１＋Ｐ２（ｓｉｎδ）２
＝Ｐ１＋Ｐ２δ２ … （３．１）
δ＝δＰ＋ δＦ … （３．２）
【０１１８】
ここに、
Ｐ１；偏波のクロストーク成分の強度に比例する量
Ｐ２；偏波の主成分の強度に比例する量
δ；ファラデー効果による光波位相の変調
δＰ；ポケッスル効果による光波位相の変調
δＦ；ファラデー効果による光波位相の変調の総量４（θ１＋θ２＋…＋θｎ）
【０１１９】
また、ポッケルス素子３０には、高周波の正弦波交流電圧を印加する。そのため、δＰは、次式で表される変調を受ける。
δＰ＝ｂ・ｃｏｓ（ωｍｔ） … （３．３）
【０１２０】
ここに、
ｂ；位相変調角の振幅、ωｍ；変調角周波数、ｔ；時刻
（３．２）式と（３．３）式を（３．１）式に代入すると、次式が得られる。
Ｐ＝Ｐ１＋Ｐ２δ２
＝Ｐ１＋Ｐ２δＦ ２＋（１／２）Ｐ２ｂ２ （直流成分）
＋２Ｐ２ｂδＦｃｏｓ（ωｍｔ） （基本波成分）
＋（１／２）Ｐ２ｂ２ｃｏｓ（２ωｍｔ） （第２高調波成分）…（３．４）
【０１２１】
同期検波回路３８により（３．４）式の基本波成分を取り出すことができ、また帯域通過フィルタ４０と平滑回路４２を組みあわせた回路により同式の第２高調波成分を取り出すことができる。
【０１２２】
従って同期検波回路の出力Ｖωおよび平滑回路の出力Ｖ２ωは、次式で表される。
Ｖω＝２Ｐ２ｂδＦ （基本波成分） …（３．５）
Ｖ２ω＝（１／２）Ｐ２ｂ２ （第２高調波成分）…（３．６）
【０１２３】
最後に、割り算回路によって（３．５）式と（３．６）式の比を求めると、最終出力Ｓが求まる。
Ｓ＝Ｖω／Ｖ２ω
＝（４／ｂ）δＦ …（３．７）
（３．７）式を見ると、最終出力Ｓは、ファラデー効果による光波位相の変調の総量δＦに比例することが判る。また、最終出力Ｓは、偏波のクロストーク成分の強度に比例量Ｐ１および偏波の主成分の強度に比例する量Ｐ２に無関係になり、安定した検出が可能になる。
【０１２４】
また、（３．７）式から、本実施例の場合には、交流電流のみならず、直流電流の正確な検出が可能になり、直流の電力設備の故障判定にも適用することができる。
【０１２５】
【発明の効果】
以上実施例で詳細に説明したように、本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴによれば、安価でかつサージ対策が簡略化でき、その上、システムの小型，軽量化が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴの一実施例を示す説明図である。
【図２】本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴの他の実施例を示す全体構成図である。
【図３】図２の光ＣＴの光ファイバセンサと偏波面保持ファイバ内の偏波モードの説明図である。
【図４】本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴの他の実施例を示す全体構成図である。
【図５】本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴの他の実施例を示す全体構成図である。
【図６】従来の保護継電システムの説明図である。
【符号の説明】
１０ 光ファイバセンサ
１２ 光ファイバ伝送路
１４ 電子回路部
１４ａ 光源
１４ｂ 光電変換器
１４ｃ 信号処理部
１４ｄ 判定部
１６ 電力設備
Claims (3)
- 電力設備に接続された複数の導体の外周に周回設置され、各導体の入出力電流を個別に測定する複数の光ファイバセンサと、光源，光電変換器，信号処理部および故障判定部とを有する電子回路部とを備え、前記光源と前記光ファイバセンサとの間，前記光ファイバセンサ同士の間および前記光ファイバセンサと前記光電変換器との間をそれぞれ直列接続する光ファイバ伝送路を設け、前記信号処理部で前記光ファイバセンサで測定された電流値の総和を求め、この電流値の総和から前記故障判定部で前記電力設備の異常を判断する故障判定機能を備えた光ＣＴにおいて、
前記光ファイバセンサの入出力端に、当該光ファイバセンサ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、前記光ファイバ伝送路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偏波モード変換素子をそれぞれ設け、
前記光ファイバセンサを鉛ガラスファイバで構成するとともに、前記光ファイバ伝送路を偏波面保持ファイバで構成し、これらの光ファイバセンサと光ファイバ伝送路内に、進行方向が相互に逆になる光を伝播させることを特徴とする故障判定機能を備えた光ＣＴ。 - 請求項１記載の故障判定機能を備えた光ＣＴにおいて、
最後部の前記光ファイバセンサの出力端に設けられた前記偏波モード変換素子の後部側に反射ミラーを設置したことを特徴とする故障判定機能を備えた光ＣＴ。 - 前記光源は、コヒーレンス長の短い光を発することを特徴とする請求項１または２記載の故障判定機能を備えた光ＣＴ。
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