JP4053677B2 - 光電流・電圧計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力分野における送配電の電流・電圧計測に用いて好適な光電流・電圧計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
〔電流計測〕
磁気光学素子、例えば鉛ガラスに外部から磁界を加え、磁界と同方向に偏光を通過させると、素子を通過中、偏光の偏波面が磁界の強さに比例して回転する。これをファラデー効果という。この回転角ψは、
ψ＝Ｖ・Ｈ・Ｌ ・・・・（１）
と表すことができる。ここで、Ｈは印加した磁界の強さ、Ｌは磁気光学素子中の光路長、Ｖはベルデ定数である。ベルデ定数は磁気光学素子に固有の定数であり、ファラデー効果の大きさを示す。
【０００３】
このファラデー効果を利用した光電流計測装置として図１０にその要部を示すような交流電流計測用の光電流計測装置がある。
同図において、１Ａは電流センサ、２−１，２−２は光ファイバ、３は発光器（光源）、４は受光器、５は光源駆動回路、６は受光器増幅回路、７は受光器増幅回路６からの受光出力の交流成分を増幅する増幅回路、８は受光器増幅回路６からの受光出力の直流成分を増幅する増幅回路、９は低域フィルタ、１０は割算回路、１１は実効値変換回路である。電流センサ１Ａは、図１１に示すように、磁気光学素子１Ａ−１と偏光子１Ａ−２と検光子１Ａ−３とを備えており、磁気光学素子１Ａ−１の長さ方向を磁界の作用方向として被測定通電部位の近傍に配置される。
【０００４】
この光電流計測装置において、発光器３からの光は光ファイバ２−１に発射され、光ファイバ２−１を通して電流センサ１Ａへ与えられる。電流センサ１Ａにおいて、光ファイバ２−１からの光は、偏光子１Ａ−２により偏光（直線偏光）された後、磁気光学素子１Ａ−１の長さ方向へと入射される。磁気光学素子１Ａ−１に入射された偏光の偏波面は、磁気光学素子１Ａ−１の長さ方向に作用する磁界の強さと磁気光学素子４中の光路長との積に比例して回転する。この場合、その回転方向は、磁界（交流磁界）の方向に応じて変化する。
【０００５】
この偏波面の回転角（ファラデー回転角）を光学的バイアスを４５゜与えた検光子１Ａ−３により、すなわち偏光子１Ａ−２に対してその透過偏光方向を４５゜傾けた検光子１Ａ−３により、光量の変化として検出し、光ファイバ２−２によって受光器４へと導き、光強度に応じた電気信号に変換する。
【０００６】
図１４にファラデー回転角に対する光強度特性を示す。特性Ｉは図１１において矢印Ａ方向へ光を通した場合の光強度特性、特性IIはＡ方向とは反対の矢印Ｂ方向へ光を通した場合の光強度特性である。すなわち、図１１において、Ｂ方向へ光を通してもＡ方向へ通した場合と同様にして、印加される磁界に応じた光強度の電気信号が得られる。この例では、１Ａ−２を偏光子、１Ａ−３を検光子として、Ａ方向へ光を通すようにしている。Ｂ方向へ光を通す場合には、１Ａ−３が偏光子、１Ａ−２が検光子となる。
【０００７】
そして、この電気信号を受光器増幅回路６によって増幅して受光出力とし、この受光出力の交流成分を増幅回路７により増幅する一方、直流成分を増幅回路８により増幅し、増幅回路７からの低域フィルタ９を介する交流成分と増幅回路８からの直流成分とを割算回路１０で除算して変調度を求め、この変調度を実効値変換回路１１へ与えることによって磁気光学素子１Ａ−１に作用している磁界の強さを求め、この磁界の強さから被測定通電部位に流れる交流電流を測定する。
【０００８】
〔電圧計測〕
一方、光を用いた電圧測定には、ポッケルス素子（電気光学素子）を利用したものがよく知られている。ある種の結晶に電界を印加すると、結晶の屈折率が変化する。この屈折率の変化は、結晶の種類および電界を印加する方向により異なる。したがって、この結晶に直線偏光した光を透過させておくと、この結晶を透過した後の光は結晶の屈折率が変化することによって、もとの偏光状態とは異なる光となる。この場合、この結晶（電気光学素子）において、入射される偏光の直交成分の位相差が加えられる電界の強さに応じて変化する。そこで、電気光学素子を透過した光に偏光板を作用させると、電気光学素子に印加された電界の強さを光の強弱として検知できるようになる。ここで、印加電界の大きさと電気光学素子を透過した光の強さには線形な関係があり、これをポッケルス効果という。
【０００９】
図１２にこのポッケルス効果を利用した電圧センサ１Ｂの要部構成を示す。図１０において、電流センサ１Ａに代えてこの電圧センサ１Ｂを用いることにより、交流電圧計測用の光電圧計測装置となる。図１２において、１Ｂ−１は電気光学素子（電気光学結晶）、１Ｂ−２は偏光子、１Ｂ−３はλ／４波長板、１Ｂ−４は検光子であり、検光子１Ｂ−４は偏光子１Ｂ−２に対してその透過偏光方向が９０゜傾けられている。また、電気光学素子１Ｂ−１には電極Ｓ１，Ｓ２が設けられており、この電極Ｓ１，Ｓ２が被測定通電部位に接続される。この例では、説明上、電極Ｓ１，Ｓ２を交流電源１００に接続している。また、電気光学素子１Ｂ−１と偏光子１Ｂ−２との間にλ／４波長板１Ｂ−３を挿入することによって光学的なバイアスを掛け、最も直線性の良い部分で変調をかけるようにしている。
【００１０】
発光器３からの光ファイバ２−１を介する無偏光状態の光（入射光）は、まず、偏光子１Ｂ−２で直線偏光とされ、λ／４波長板１Ｂ−３を通過して円偏光とされ、電気光学素子１Ｂ−１に入射される。電気光学素子１Ｂ−１を通過した光の偏光状態は、ポッケルス効果を受けて楕円偏光となる。この楕円偏光が検光子１Ｂ−４を通過して直線偏光とされる。この検光子１Ｂ−４を通して得られる直線偏光（出射光）の光強度は電気光学素子１Ｂ−１の電極Ｓ１，Ｓ２間に加えられる電圧の大きさに応じて変化する。
【００１１】
図１３に印加電圧に対する光強度特性を示す。この場合、図１２において矢印Ａ方向へ光を通した場合も、矢印Ｂ方向へ光を通した場合も、同一の光強度特性III となる。すなわち、図１２において、Ｂ方向へ光を通してもＡ方向へ通した場合と同じく、印加される電圧に応じた光強度の電気信号が得られる。この例では、１Ｂ−２を偏光子、１Ｂ−４を検光子として、Ａ方向へ光を通すようにしている。Ｂ方向へ光を通す場合には、１Ｂ−４が偏光子、１Ｂ−２が検光子となる。なお、図１３において、Ｖπは電気光学素子の種類、構成によって決まる半波長電圧と呼ばれる素子定数であり、λ／４波長板による光学的バイアスが与えられているため、−Ｖπ／２から＋Ｖπ／２の範囲で印加電圧に対応した光変調を掛けることができる。半波長電圧Ｖπについては文献１（応用物理学会光光学懇話会：結晶光学，森北出版，１９７５，２４５〜２４７頁）に説明されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の光電流計測装置では、電流のみで電圧を測定することができなかった。また、上述した従来の光電圧計測装置では、電圧のみで電流を測定することができなかった。すなわち、従来の光電流計測装置や光電圧計測装置では電流情報と電圧情報とを区別することができず、電流と電圧を同時に測定することができなかった。電流と電圧を同時に測定しようとした場合、個別に光電流計測装置と光電圧計測装置を設ける必要があり、光ファイバ２（２−１，２−２）を２組必要とし、コストがアップする。
【００１３】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、低コストで電流と電圧を同時に測定することのできる光電流・電圧計測装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明は、光結合された磁気光学素子と電気光学素子との直列接続路への偏光の入射端および出射端に第１および第２の光伝送路を光結合し、第１の光伝送路へ光を発射する第１の発光手段と、第２の光伝送路へ光を発射する第２の発光手段と、第１の発光手段から第１の光伝送路へ発射され偏光とされたうえ、磁気光学素子へ入り、電気光学素子を通り、第２の光伝送路を通って戻ってくる光を受光する第１の受光手段と、第２の発光手段から第２の光伝送路へ発射され偏光とされたうえ、電気光学素子へ入り、磁気光学素子を通り、第１の光伝送路を通って戻ってくる光を受光する第２の受光手段とを設け、第１の発光手段からの第１の光伝送路への光の発射と第２の発光手段からの第２の光伝送路への光の発射とを交互に行うようにし、第１の受光手段での受光出力と第２の受光手段での受光出力とを除算した結果に基づいて被測定通電部位に流れる電流を測定するようにし、また第１の受光手段での受光出力と第２の受光手段での受光出力とを加算した結果に基づいて被測定通電部位の電圧を測定するようにしたものである。
【００１５】
この発明によれば、第１の発光手段からの第１の光伝送路への光の発射と第２の発光手段からの第２の光伝送路への光の発射とが交互に行われ、第１の発光手段から発射された光は第１の光伝送路を通り偏光とされたうえ磁気光学素子へ入り、電気光学素子を通り、第２の光伝送路を通って第１の受光手段で受光され、第２の発光手段から発射された光は第２の光伝送路を通り偏光とされたうえ電気光学素子へ入り、磁気光学素子を通り、第１の光伝送路を通って第２の受光手段で受光され、この第１の受光手段での受光出力と第２の受光手段での受光出力とを除算した結果に基づいて被測定通電部位に流れる電流が測定され、また、この第１の受光手段での受光出力と第２の受光手段での受光出力とを加算した結果に基づいて被測定通電部位の電圧が測定される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態に基づき詳細に説明する。図１はこの発明の一実施の形態を示す光電流・電圧計測装置の要部を示すブロック図である。同図において、図１０と同一符号は同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。
【００１７】
この実施の形態では、電流センサ１Ａと電圧センサ１Ｂとを光ファイバ２−３を介して直列に光結合し、この直列接続路の一端（電流センサ１Ａ側）に光ファイバ２−１を、他端（電圧センサ１Ｂ側）に光ファイバ２−２を光結合している。
【００１８】
なお、電流センサ１Ａと電圧センサ１Ｂとは光ファイバ２−３を用いずに、直接光結合するようにしてもよい。また、電圧センサ１Ｂの偏光子１Ｂ−２は、電流センサ１Ａの検光子１Ａ−３と電圧センサ１Ｂの検光子１Ｂ−４との透過偏光方向が９０゜ずれている場合には省略してもよい。
【００１９】
また、この実施の形態では、光分岐結合器１２−１と１２−２を設け、光ファイバ２−１の端部を光分岐結合器１２−１の合流路１２−１ａに光結合し、光ファイバ２−２の端部を光分岐結合器１２−２の合流路１２−２ａに光結合している。
【００２０】
そして、光分岐結合器１２−１の分岐路１２−１ｂに光が入るように第１の発光器３−１を設け、光分岐結合器１２−２の分岐路１２−２ｂに光が入るように第２の発光器３−２を設けている。また、光分岐結合器１２−２の分岐路１２−２ｃからの光を受光するように第１の受光器４−１を設け、光分岐結合器１２−１の分岐路１２−１ｃからの光を受光するように第２の受光器４−２を設けている。
【００２１】
また、第１の発光器３−１に対して光源駆動回路５−１と発振回路１３−１を設け、第２の発光器３−２に対して光源駆動回路５−２と発振回路１３−２を設けている。図２（ａ）に発振回路１３−１からの発振波形を示し、図２（ｂ）に発振回路１３−２からの発振波形を示す。発振回路１３−１からの発振波形によって第１の発光器３−１から発射される光が変調され、その発振波形に応じたパルス光とされる。発振回路１３−２からの発振波形によって第２の発光器３−２から発射される光が変調され、その発振波形に応じたパルス光とされる。この場合、発振回路１３−１および１３−２からの発振波形に従い、第１の発光器３−１からのパルス光の発射と第２の発光器３−２からのパルス光の発射とは交互に行われ、発振回路１３−１と１３−２が光発射制御手段を構成している。
【００２２】
また、第１の受光器４−１に対して受光器増幅回路６−１を設け、第２の受光器４−２に対して受光器増幅回路６−２を設け、受光器増幅回路６−１からの受光出力をゲート回路１４−１を介して同期検波回路１５−１へ与え、受光器増幅回路６−２からの受光出力をゲート回路１４−２を介して同期検波回路１５−２へ与えるようにしている。
【００２３】
ゲート回路１４−１に対しては発振回路１３−１からの発振信号をゲート信号として与え、ゲート回路１４−２に対しては発振回路１３−２からの発振信号をゲート信号として与えるようにしている。ゲート回路１４−１は、発振回路１３−１からの発振信号が「Ｈ」レベルの間そのゲートを開き、受光器増幅回路６−１からの受光出力を通過させ同期検波回路１５−１へ与える。ゲート回路１４−２は、発振回路１３−２からの発振信号が「Ｈ」レベルの間そのゲートを開き、受光器増幅回路６−２からの受光出力を同期検波回路１５−２へ与える。
【００２４】
同期検波回路１５−１に対しては発振回路１３−１からの発振信号を参照信号として与え、同期検波回路１５−２に対しては発振回路１３−２からの発振信号を参照信号として与えるようにしている。同期検波回路１５−１は、発振回路１３−１からの発振信号を参照信号としてゲート回路１４−１からの受光出力を同期検波する。同期検波回路１５−２は、発振回路１３−２からの発振信号を参照信号としてゲート回路１４−２からの受光出力を同期検波する。
【００２５】
同期検波回路１５−１の検波出力▲１▼と同期検波回路１５−２の検波出力▲２▼は割算回路１６へ与えるようにしている。割算回路１６は、検波出力▲２▼を検波出力▲１▼で除算し、除算出力▲３▼を得る。この割算回路１６の除算出力▲３▼を電流値演算表示部１７へ与えるようにしている。電流値演算表示部１７は、対数変換回路１７−１，実効値変換回路１７−２および表示回路１７−３を備え、対数変換回路１７−１は除算出力▲３▼の対数をとって対数出力▲４▼を得る。対数変換回路１７−１の対数出力▲４▼は実効値変換回路１７−２を介して表示回路１７−３へ与られる。
【００２６】
また、同期検波回路１５−１の検波出力▲１▼と同期検波回路１５−２の検波出力▲２▼は、加算回路１８へも与えるようにしている。加算回路１８は、検波出力▲１▼と検波出力▲２▼とを加算し、加算出力▲５▼を得る。この加算回路１８の加算出力▲５▼を電圧値演算表示部１９へ与えるようにしている。電圧値演算表示部１９は、加算出力▲５▼の交流成分を増幅する増幅回路１９−１と、加算出力▲５▼の直流成分を増幅する増幅回路１９−２と、低域フィルタ１９−３と、割算回路１９−４と、実効値変換回路１９−５と、表示回路１９−６とを備えている。
【００２７】
次に、このように構成された光電流・電圧計測装置での電流および電圧の測定動作について説明する。
電流センサ１Ａを、その磁気光学素子１Ａ−１の長さ方向を磁界の作用方向として、被測定通電部位（交流）の近傍に配置する。
電圧センサ１Ｂの電極Ｓ１，Ｓ２を被測定通電部位（交流）に接続する。すなわち、電極Ｓ１を通電部位に接続し、電極Ｓ２を被測定電圧の基準となる電位位置に接続する。
【００２８】
主電源（図示せず）をオンとすると、発振回路１３−１および１３−２からの発振信号が光源駆動回路５−１および５−２へ与えられ、第１の発光器３−１および第２の発光器３−２から交互にパルス光が発射される。
【００２９】
第１の発光器３−１から発射されたパルス光は、光分岐結合器１２−１の分岐路１２−１ｂを介して光ファイバ２−１へ入り、光ファイバ２−１を通して電流センサ１Ａへ与えられる。
【００３０】
電流センサ１Ａにおいて、光ファイバ２−１からのパルス光は、図３（ａ）に示すように、偏光子１Ａ−２により偏光（直線偏光）された後、磁気光学素子１Ａ−１の長さ方向へと入射される。磁気光学素子１Ａ−１に入射された偏光の偏波面は、磁気光学素子１Ａ−１の長さ方向に作用する磁界の強さと磁気光学素子１Ａ−１中の光路長との積に比例して回転する。この場合、その回転方向は、磁界（交流磁界）の方向に応じて変化する。
【００３１】
この偏波面の回転角ψ１が検光子１Ａ−３により光量の変化に変換される。検光子１Ａ−３を出たパルス光（信号光）は光ファイバ２−３を介して電圧センサ１Ｂへ与えられる。電圧センサ１Ｂにおいて、電流センサ１Ａからのパルス光は、偏光子１Ｂ−２を通り、λ／４波長板１Ｂ−３を通過して円偏光とされ、電気光学素子１Ｂ−１に入射される。電気光学素子１Ｂ−１を通過した光の偏光状態は、ポッケルス効果を受けて楕円偏光となる。この楕円偏光が検光子１Ｂ−４を通過して直線偏光とされる。
【００３２】
この検光子１Ｂ−４を通して得られる直線偏光（出射光）の光強度は電気光学素子１Ｂ−１の電極Ｓ１，Ｓ２間に加えられる電圧（交流電圧）の大きさに応じて変化する。検光子１Ｂ−４を出たパルス光（信号光）は、光ファイバ２−２を通り、光分岐結合器１２−２の分岐路１２−２ｃを介して、第１の受光器４−１へ与えられる。
【００３３】
一方、第２の発光器３−２から発射されたパルス光は、光分岐結合器１２−２の分岐路１２−２ｂを介して光ファイバ２−２へ入り、光ファイバ２−２を通して電圧センサ１Ｂへ与えられる。
【００３４】
電圧センサ１Ｂにおいて、光ファイバ２−２からのパルス光は、検光子（偏光子）１Ｂ−４→電気光学素子１Ｂ−１→λ／４波長板１Ｂ−３→偏光子（検光子）１Ｂ−２を通って出射される。この検光子１Ｂ−２を通して得られる直線偏光（出射光）の光強度は電気光学素子１Ｂ−１の電極Ｓ１，Ｓ２間に加えられる電圧（交流電圧）の大きさに応じて変化する。
【００３５】
検光子１Ｂ−２を出たパルス光（信号光）は電流センサ１Ａへ与えられる。電流センサ１Ａにおいて、電圧センサ１Ｂからのパルス光は、図３（ｂ）に示すように、検光子（偏光子）１Ａ−３を通り、磁気光学素子１Ａ−１の長さ方向へと入射される。磁気光学素子１Ａ−１に入射された偏光の偏波面は、磁気光学素子１Ａ−１の長さ方向に作用する磁界の強さと磁気光学素子１Ａ−１中の光路長との積に比例して回転する。この場合、その回転方向は、磁界（交流磁界）の方向に応じて変化する。
【００３６】
この偏波面の回転角ψ２が偏光子（検光子）１−２により光量の変化に変換される。検光子１−２を出たパルス光（信号光）は、光ファイバ２−１を通り、光分岐結合器１２−１の分岐路１２−１ｃを介して、第２の受光器４−２へ与えられる。
【００３７】
図４（ａ）に受光器４−２での受光波形を示す。図４（ｂ）に受光器４−１での受光波形を示す。光分岐結合器１２（１２−１，１２−２）では少なからずクロストークがある。すなわち、発光器３−１を発光させると、その光の一部が受光器４−２側に漏れる。発光器３−２を発光させると、その光の一部が受光器４−１側に漏れる。
【００３８】
このため、図４（ａ）においては、発光器３−２からのパルス光による信号光Ｐ２の間に、発光器３−１からのクロストーク光ＰＣ２が生じている。また、図４（ｂ）においては、発光器３−１からのパルス光による信号光Ｐ１の間に、発光器３−２からのクロストーク光ＰＣ１が生じている。なお、実際には、電流センサ１Ａや電圧センサ１Ｂでの反射光などがクロストーク光ＰＣ１，ＰＣ２に含まれるものとなるが、ここでは説明を簡単とするために省略している。
【００３９】
受光器４−１および４−２は受光した光をその光強度に応じた電気信号に変換する。受光器４−１からの電気信号は、受光器増幅回路６−１によって増幅され、受光出力としてゲート回路１４−１へ与えられる。受光器４−２からの電気信号は、受光器増幅回路６−２によって増幅され、受光出力としてゲート回路１４−２へ与えられる。
【００４０】
ゲート回路１４−１は、発振回路１３−１からの発振信号が「Ｈ」レベルの間そのゲートを開き、受光器増幅回路６−１からの受光出力を通過させ同期検波回路１５−１へ与える。これにより、同期検波回路１５−１には、図５（ｂ）に示すように、信号光Ｐ１の光強度を示す受光出力のみが与えられる。
【００４１】
ゲート回路１４−２は、発振回路１３−２からの発振信号が「Ｈ」レベルの間そのゲートを開き、受光器増幅回路６−２からの受光出力を通過させ同期検波回路１５−２へ与える。これにより、同期検波回路１５−２には、図５（ａ）に示すように、信号光Ｐ２の光強度を示す受光出力のみが与えられる。
【００４２】
同期検波回路１５−１は、発振回路１３−１からの発振信号を参照信号としてゲート回路１４−１からの受光出力を同期検波する。
同期検波回路１５−２は、発振回路１３−２からの発振信号を参照信号としてゲート回路１４−２からの受光出力を同期検波する。
【００４３】
〔電流計測〕
同期検波回路１５−１の検波出力▲１▼と同期検波回路１５−２の検波出力▲２▼は割算回路１６へ与えられる。割算回路１６は、検波出力▲２▼を検波出力▲１▼で除算し、除算出力▲３▼を得る。この除算出力▲３▼は対数変換回路１７−１へ与えられる。対数変換回路１７−１は除算出力▲３▼の対数をとって対数出力▲４▼を得る。
【００４４】
図６に検波出力▲１▼，検波出力▲２▼，除算出力▲３▼および対数出力▲４▼を示す。同図において、横軸はファラデー回転角（磁気光学素子１Ａ−１での回転角ψ）、縦軸は検波出力▲１▼，▲２▼については光強度（電圧値）、除算出力▲３▼および対数出力▲４▼に対しては無名数（実際的には電気回路で扱っているので電圧値で表示される）である。例えば、磁気光学素子１Ａ−１に磁界が作用していない場合、検波出力▲１▼，▲２▼は５Ｖである。また、磁気光学素子１Ａ−１に磁界が作用していない場合、除算出力▲３▼（▲３▼＝▲２▼／▲１▼）は１となり、対数出力▲４▼は０となる。但し、対数出力▲４▼は、変化を分かりやすくするために全体を５倍している。
【００４５】
対数出力▲４▼は厳密にはファラデー回転角ψに対して直線ではないが、磁気光学素子１Ａ−１に磁界が作用していない場合を中心としてある程度の範囲では直線とみなすことができる。この直線性を利用することにより、対数出力▲４▼の値からそのときのファラデー回転角ψを簡単に求めることができ、この求めたファラデー回転角ψから被測定通電部位に流れる電流を測定することができる。この場合、被測定通電部位には交流電流が流れており、対数▲４▼の値が変動するので、その実効値を実効値変換回路１７−２で求める。そして、この求めた実効値から被測定通電部位に流れる電流値を求め、表示回路１７−３を介して表示する。
【００４６】
ここで、電圧センサ１Ｂの影響を考えてみる。電圧センサ１Ｂの印加電圧に対する光強度特性は、図１３に示されるように、Ａ方向へ光を通した場合もＢ方向へ光を通した場合も、同一の光強度特性III となる。すなわち、Ａ方向へ光を通した場合もＢ方向へ光を通した場合も、光強度信号は同じ割合だけ増加または減少する。一方、電流センサ１Ａのファラデー回転角に対する光強度特性は、図１４に示されるように、Ａ方向へ光を通した場合とＢ方向へ光を通した場合とでは特性ＩおよびIIのように逆特性となる。従って、検波出力▲１▼と検波出力▲２▼との比をとれば、電圧センサ１Ｂでの変化が消去される。これにより、電圧センサ１Ｂの影響を受けることなく、被測定通電部位の電流を測定することができるようになる。
【００４７】
〔電圧計測〕
同期検波回路１５−１の検波出力▲１▼と同期検波回路１５−２の検波出力▲２▼は加算回路１８へ与えられる。加算回路１８は、検波出力▲１▼と検波出力▲２▼とを加算し、加算出力▲５▼を得る。この加算出力▲５▼は、その交流成分が増幅回路１９−１によって増幅される一方、直流成分が増幅回路１９−２によって増幅される。増幅回路１９−１からの低域フィルタ１９−３を介する交流成分と増幅回路１９−２からの直流成分とは割算回路１０で除算される。これにより、変調度が求められ、この変調度が実効値変換回路１９−５において実効値に変換される。そして、この実効値から被測定通電部位の電圧値が求められ、表示回路１９−６を介して表示される。
【００４８】
ここで、電流センサ１Ａの影響を考えてみる。電圧センサ１Ｂの印加電圧に対する光強度特性は、図１３に示されるように、Ａ方向へ光を通した場合もＢ方向へ光を通した場合も、同一の光強度特性III となる。すなわち、Ａ方向へ光を通した場合もＢ方向へ光を通した場合も、光強度信号は同じ割合だけ増加または減少する。一方、電流センサ１Ａのファラデー回転角に対する光強度特性は、図１４に示されるように、Ａ方向へ光を通した場合とＢ方向へ光を通した場合とでは特性ＩおよびIIのように逆特性となり、ファラデー回転角に拘わらずその和は常に一定値となる。従って、検波出力▲１▼と検波出力▲２▼との和の変化は、電圧センサ１Ｂでの光強度の変化を示す。これにより、電流センサ１Ａの影響を受けることなく、被測定通電部位の電圧を測定することができるようになる。
【００４９】
なお、上述した実施の形態においては、発振回路１３−１および１３−２からの発振波形を図２（ａ）および（ｂ）に示すような波形としたが、この波形に限定されるものではない。例えば、図７（ａ）および（ｂ）に示すような波形としてもよく、この場合、受光器４−２および４−１での受光波形は図８（ａ）および（ｂ）に示すものとなり、ゲート回路１４−２および１４−１からの出力波形は図９（ａ）および（ｂ）に示すようになる。
【００５０】
また、上述した実施の形態においては、ゲート回路１４−１および１４−２を設け、発振回路１３−１からの発振信号が「Ｈ」レベルである間ゲート回路１４−１のゲートを開き、発振回路１３−２からの発振信号が「Ｈ」レベルである間ゲート回路１４−２のゲートを開くようにしたが、ゲート回路１４−１および１４−２に代えてサンプルホールド回路を設けるようにしてもよい。すなわち、発振回路１３−１からの発振信号が「Ｈ」レベルとなった直後の所定タイミングで受光器増幅回路６−１からの受光出力をサンプルホールドし、発振回路１３−２からの発振信号が「Ｈ」レベルとなった直後の所定タイミングで受光器増幅回路６−２からの受光出力をサンプルホールドし、このサンプルホールドした受光出力を割算回路１６へ与えて除算するようにしてもよい。
【００５１】
また、上述した実施の形態において、磁気光学素子１Ａ−１の材料としては、ＹＩＧ（Yttrium Iron Garnet ）やＲＩＧ（Rare Earth Iron Garnet ）などの他、鉛ガラス、マルチモードの鉛ガラスファイバなどを利用することができる。マルチモードの鉛ガラスファイバは、シングルモードの鉛ガラスファイバと比較して、光が入り易く、振動にも強く、発光器３（３−１，３−２）として安価な発光ダイオードを使用することができる。
【００５２】
また、上述した実施の形態では、交流電流・交流電圧を測定する場合について説明したが、直流電流・直流電圧の測定も可能である。
直流電流を測定する場合、対数出力▲４▼の正負はファラデー回転角ψの正負、すなわち電流の方向を示しているので、対数出力▲４▼から被測定通電部位に流れる直流電流の値だけではなく、その電流の方向も測定することができるようになる。この場合、実効値変換回路１７−２は省略できる。なお、割算回路１６における除算の分母，分子は、電流の方向をどちらを順方向とするか逆方向とするかで定義すればよいので、問題とはならない。
直流電圧を測定する場合、加算出力▲５▼が電圧センサ１Ｂでの変化分だけ増大あるいは減少するので、電圧値演算表示部１９の構成を変えることによって、その電圧値を測定することができる。
【００５３】
また、上述した実施の形態では、電極Ｓ１を通電部位に接続し、電極Ｓ２を被測定電圧の基準となる電位位置に接続するようにしたが、必ずしも電極Ｓ１を通電部位に接続しなくてもよい。例えば、被測定通電部位の近傍に電気光学素子１Ｂ−１を配置し、これによって被測定通電部位からの電界の強さを測定し、この電界の強さから被測定通電部位の電圧を求めるようにしてもよい。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように本発明によれば、第１の発光手段からの第１の光伝送路への光の発射と第２の発光手段からの第２の光伝送路への光の発射とが交互に行われ、第１の発光手段から発射された光は第１の光伝送路を通り偏光とされたうえ磁気光学素子へ入り、電気光学素子を通り、第２の光伝送路を通って第１の受光手段で受光され、第２の発光手段から発射された光は第２の光伝送路を通り偏光とされたうえ電気光学素子へ入り、磁気光学素子を通り、第１の光伝送路を通って第２の受光手段で受光され、この第１の受光手段での受光出力と第２の受光手段での受光出力とを除算した結果に基づいて被測定通電部位に流れる電流が測定され、また、この第１の受光手段での受光出力と第２の受光手段での受光出力とを加算した結果に基づいて被測定通電部位の電圧が測定されるものとなり、電流の測定に際して電気光学素子の影響を受けないものとし、電圧の測定に際して磁気光学素子の影響を受けないものとし、１組の光ファイバを用い低コストで電流と電圧を同時に測定することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態を示す光電流・電圧計測装置の要部を示すブロック図である。
【図２】 この光電流・電圧計測装置における発振回路からの発振波形を示す図である。
【図３】 この光電流・電圧計測装置における電流センサでの磁界による偏光の偏波面の回転状況を示す図である。
【図４】 この光電流・電圧計測装置における受光器での受光波形を示す図である。
【図５】 この光電流・電圧計測装置におけるゲート回路からの出力波形を示す図である。
【図６】 検波出力▲１▼，検波出力▲２▼，除算出力▲３▼および対数出力▲４▼を示すグラフである。
【図７】 この光電流・電圧計測装置における発振回路からの発振波形の別の例を示す図である。
【図８】 発振波形を図７とした場合の受光器での受光波形を示す図である。
【図９】 発振波形を図７とした場合のゲート回路からの出力波形を示す図である。
【図１０】 従来の交流電流計測用の光電流計測装置（光電圧計測装置）を示すブロック図である。
【図１１】 この光電流計測装置における電流センサの要部構成を示す図である。
【図１２】 この光電圧計測装置における電圧センサの要部構成を示す図である。
【図１３】 電圧センサの印加電圧に対する光強度特性を示す図である。
【図１４】 電流センサのファラデー回転角に対する光強度特性を示す図である。
【符号の説明】
１Ａ…電流センサ、１Ａ−１…磁気光学素子、１Ａ−２…偏光子（検光子）、１Ａ−３…検光子（偏光子）、１Ｂ…電圧センサ、１Ｂ−１…電気光学素子、１Ｂ−２…偏光子（検光子）、１Ｂ−３…λ／４波長板、１Ｂ−４…検光子（偏光子）、Ｓ１，Ｓ２…電極、２−１，２−２，２−３…光ファイバ、３−１，３−２…発光器、４−１，４−２…受光器、５−１，５−２…光源駆動回路、６−１，６−２…受光器増幅回路、１２−１，１２−２…光分岐結合器、１２−１ａ，１２−２ａ…合流路、１２−１ｂ，１２−１ｃ，１２−２ｂ，１２−２ｃ…分岐路、１３−１，１３−２…発振回路、１４−１，１４−２…ゲート回路、１５−１，１５−２…同期検波回路、１６…割算回路、１７…電流値演算表示部、１７−１…対数変換回路、１７−２…実効値変換回路、１７−３…表示回路、１８…加算回路、１９…電圧値演算表示部、１９−１…増幅回路（交流）、１９−２…増幅回路（直流）、１９−３…低域フィルタ、１９−４…割算回路、１９−５…実効値変換回路、１９−６…表示回路。
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力分野における送配電の電流・電圧計測に用いて好適な光電流・電圧計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
〔電流計測〕
磁気光学素子、例えば鉛ガラスに外部から磁界を加え、磁界と同方向に偏光を通過させると、素子を通過中、偏光の偏波面が磁界の強さに比例して回転する。これをファラデー効果という。この回転角ψは、
ψ＝Ｖ・Ｈ・Ｌ ・・・・（１）
と表すことができる。ここで、Ｈは印加した磁界の強さ、Ｌは磁気光学素子中の光路長、Ｖはベルデ定数である。ベルデ定数は磁気光学素子に固有の定数であり、ファラデー効果の大きさを示す。
【０００３】
このファラデー効果を利用した光電流計測装置として図１０にその要部を示すような交流電流計測用の光電流計測装置がある。
同図において、１Ａは電流センサ、２−１，２−２は光ファイバ、３は発光器（光源）、４は受光器、５は光源駆動回路、６は受光器増幅回路、７は受光器増幅回路６からの受光出力の交流成分を増幅する増幅回路、８は受光器増幅回路６からの受光出力の直流成分を増幅する増幅回路、９は低域フィルタ、１０は割算回路、１１は実効値変換回路である。電流センサ１Ａは、図１１に示すように、磁気光学素子１Ａ−１と偏光子１Ａ−２と検光子１Ａ−３とを備えており、磁気光学素子１Ａ−１の長さ方向を磁界の作用方向として被測定通電部位の近傍に配置される。
【０００４】
この光電流計測装置において、発光器３からの光は光ファイバ２−１に発射され、光ファイバ２−１を通して電流センサ１Ａへ与えられる。電流センサ１Ａにおいて、光ファイバ２−１からの光は、偏光子１Ａ−２により偏光（直線偏光）された後、磁気光学素子１Ａ−１の長さ方向へと入射される。磁気光学素子１Ａ−１に入射された偏光の偏波面は、磁気光学素子１Ａ−１の長さ方向に作用する磁界の強さと磁気光学素子４中の光路長との積に比例して回転する。この場合、その回転方向は、磁界（交流磁界）の方向に応じて変化する。
【０００５】
この偏波面の回転角（ファラデー回転角）を光学的バイアスを４５゜与えた検光子１Ａ−３により、すなわち偏光子１Ａ−２に対してその透過偏光方向を４５゜傾けた検光子１Ａ−３により、光量の変化として検出し、光ファイバ２−２によって受光器４へと導き、光強度に応じた電気信号に変換する。
【０００６】
図１４にファラデー回転角に対する光強度特性を示す。特性Ｉは図１１において矢印Ａ方向へ光を通した場合の光強度特性、特性IIはＡ方向とは反対の矢印Ｂ方向へ光を通した場合の光強度特性である。すなわち、図１１において、Ｂ方向へ光を通してもＡ方向へ通した場合と同様にして、印加される磁界に応じた光強度の電気信号が得られる。この例では、１Ａ−２を偏光子、１Ａ−３を検光子として、Ａ方向へ光を通すようにしている。Ｂ方向へ光を通す場合には、１Ａ−３が偏光子、１Ａ−２が検光子となる。
【０００７】
そして、この電気信号を受光器増幅回路６によって増幅して受光出力とし、この受光出力の交流成分を増幅回路７により増幅する一方、直流成分を増幅回路８により増幅し、増幅回路７からの低域フィルタ９を介する交流成分と増幅回路８からの直流成分とを割算回路１０で除算して変調度を求め、この変調度を実効値変換回路１１へ与えることによって磁気光学素子１Ａ−１に作用している磁界の強さを求め、この磁界の強さから被測定通電部位に流れる交流電流を測定する。
【０００８】
〔電圧計測〕
一方、光を用いた電圧測定には、ポッケルス素子（電気光学素子）を利用したものがよく知られている。ある種の結晶に電界を印加すると、結晶の屈折率が変化する。この屈折率の変化は、結晶の種類および電界を印加する方向により異なる。したがって、この結晶に直線偏光した光を透過させておくと、この結晶を透過した後の光は結晶の屈折率が変化することによって、もとの偏光状態とは異なる光となる。この場合、この結晶（電気光学素子）において、入射される偏光の直交成分の位相差が加えられる電界の強さに応じて変化する。そこで、電気光学素子を透過した光に偏光板を作用させると、電気光学素子に印加された電界の強さを光の強弱として検知できるようになる。ここで、印加電界の大きさと電気光学素子を透過した光の強さには線形な関係があり、これをポッケルス効果という。
【０００９】
図１２にこのポッケルス効果を利用した電圧センサ１Ｂの要部構成を示す。図１０において、電流センサ１Ａに代えてこの電圧センサ１Ｂを用いることにより、交流電圧計測用の光電圧計測装置となる。図１２において、１Ｂ−１は電気光学素子（電気光学結晶）、１Ｂ−２は偏光子、１Ｂ−３はλ／４波長板、１Ｂ−４は検光子であり、検光子１Ｂ−４は偏光子１Ｂ−２に対してその透過偏光方向が９０゜傾けられている。また、電気光学素子１Ｂ−１には電極Ｓ１，Ｓ２が設けられており、この電極Ｓ１，Ｓ２が被測定通電部位に接続される。この例では、説明上、電極Ｓ１，Ｓ２を交流電源１００に接続している。また、電気光学素子１Ｂ−１と偏光子１Ｂ−２との間にλ／４波長板１Ｂ−３を挿入することによって光学的なバイアスを掛け、最も直線性の良い部分で変調をかけるようにしている。
【００１０】
発光器３からの光ファイバ２−１を介する無偏光状態の光（入射光）は、まず、偏光子１Ｂ−２で直線偏光とされ、λ／４波長板１Ｂ−３を通過して円偏光とされ、電気光学素子１Ｂ−１に入射される。電気光学素子１Ｂ−１を通過した光の偏光状態は、ポッケルス効果を受けて楕円偏光となる。この楕円偏光が検光子１Ｂ−４を通過して直線偏光とされる。この検光子１Ｂ−４を通して得られる直線偏光（出射光）の光強度は電気光学素子１Ｂ−１の電極Ｓ１，Ｓ２間に加えられる電圧の大きさに応じて変化する。
【００１１】
図１３に印加電圧に対する光強度特性を示す。この場合、図１２において矢印Ａ方向へ光を通した場合も、矢印Ｂ方向へ光を通した場合も、同一の光強度特性III となる。すなわち、図１２において、Ｂ方向へ光を通してもＡ方向へ通した場合と同じく、印加される電圧に応じた光強度の電気信号が得られる。この例では、１Ｂ−２を偏光子、１Ｂ−４を検光子として、Ａ方向へ光を通すようにしている。Ｂ方向へ光を通す場合には、１Ｂ−４が偏光子、１Ｂ−２が検光子となる。なお、図１３において、Ｖπは電気光学素子の種類、構成によって決まる半波長電圧と呼ばれる素子定数であり、λ／４波長板による光学的バイアスが与えられているため、−Ｖπ／２から＋Ｖπ／２の範囲で印加電圧に対応した光変調を掛けることができる。半波長電圧Ｖπについては文献１（応用物理学会光光学懇話会：結晶光学，森北出版，１９７５，２４５〜２４７頁）に説明されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の光電流計測装置では、電流のみで電圧を測定することができなかった。また、上述した従来の光電圧計測装置では、電圧のみで電流を測定することができなかった。すなわち、従来の光電流計測装置や光電圧計測装置では電流情報と電圧情報とを区別することができず、電流と電圧を同時に測定することができなかった。電流と電圧を同時に測定しようとした場合、個別に光電流計測装置と光電圧計測装置を設ける必要があり、光ファイバ２（２−１，２−２）を２組必要とし、コストがアップする。
【００１３】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、低コストで電流と電圧を同時に測定することのできる光電流・電圧計測装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明は、光結合された磁気光学素子と電気光学素子との直列接続路への偏光の入射端および出射端に第１および第２の光伝送路を光結合し、第１の光伝送路へ光を発射する第１の発光手段と、第２の光伝送路へ光を発射する第２の発光手段と、第１の発光手段から第１の光伝送路へ発射され偏光とされたうえ、磁気光学素子へ入り、電気光学素子を通り、第２の光伝送路を通って戻ってくる光を受光する第１の受光手段と、第２の発光手段から第２の光伝送路へ発射され偏光とされたうえ、電気光学素子へ入り、磁気光学素子を通り、第１の光伝送路を通って戻ってくる光を受光する第２の受光手段とを設け、第１の発光手段からの第１の光伝送路への光の発射と第２の発光手段からの第２の光伝送路への光の発射とを交互に行うようにし、第１の受光手段での受光出力と第２の受光手段での受光出力とを除算した結果に基づいて被測定通電部位に流れる電流を測定するようにし、また第１の受光手段での受光出力と第２の受光手段での受光出力とを加算した結果に基づいて被測定通電部位の電圧を測定するようにしたものである。
【００１５】
この発明によれば、第１の発光手段からの第１の光伝送路への光の発射と第２の発光手段からの第２の光伝送路への光の発射とが交互に行われ、第１の発光手段から発射された光は第１の光伝送路を通り偏光とされたうえ磁気光学素子へ入り、電気光学素子を通り、第２の光伝送路を通って第１の受光手段で受光され、第２の発光手段から発射された光は第２の光伝送路を通り偏光とされたうえ電気光学素子へ入り、磁気光学素子を通り、第１の光伝送路を通って第２の受光手段で受光され、この第１の受光手段での受光出力と第２の受光手段での受光出力とを除算した結果に基づいて被測定通電部位に流れる電流が測定され、また、この第１の受光手段での受光出力と第２の受光手段での受光出力とを加算した結果に基づいて被測定通電部位の電圧が測定される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態に基づき詳細に説明する。図１はこの発明の一実施の形態を示す光電流・電圧計測装置の要部を示すブロック図である。同図において、図１０と同一符号は同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。
【００１７】
この実施の形態では、電流センサ１Ａと電圧センサ１Ｂとを光ファイバ２−３を介して直列に光結合し、この直列接続路の一端（電流センサ１Ａ側）に光ファイバ２−１を、他端（電圧センサ１Ｂ側）に光ファイバ２−２を光結合している。
【００１８】
なお、電流センサ１Ａと電圧センサ１Ｂとは光ファイバ２−３を用いずに、直接光結合するようにしてもよい。また、電圧センサ１Ｂの偏光子１Ｂ−２は、電流センサ１Ａの検光子１Ａ−３と電圧センサ１Ｂの検光子１Ｂ−４との透過偏光方向が９０゜ずれている場合には省略してもよい。
【００１９】
また、この実施の形態では、光分岐結合器１２−１と１２−２を設け、光ファイバ２−１の端部を光分岐結合器１２−１の合流路１２−１ａに光結合し、光ファイバ２−２の端部を光分岐結合器１２−２の合流路１２−２ａに光結合している。
【００２０】
そして、光分岐結合器１２−１の分岐路１２−１ｂに光が入るように第１の発光器３−１を設け、光分岐結合器１２−２の分岐路１２−２ｂに光が入るように第２の発光器３−２を設けている。また、光分岐結合器１２−２の分岐路１２−２ｃからの光を受光するように第１の受光器４−１を設け、光分岐結合器１２−１の分岐路１２−１ｃからの光を受光するように第２の受光器４−２を設けている。
【００２１】
また、第１の発光器３−１に対して光源駆動回路５−１と発振回路１３−１を設け、第２の発光器３−２に対して光源駆動回路５−２と発振回路１３−２を設けている。図２（ａ）に発振回路１３−１からの発振波形を示し、図２（ｂ）に発振回路１３−２からの発振波形を示す。発振回路１３−１からの発振波形によって第１の発光器３−１から発射される光が変調され、その発振波形に応じたパルス光とされる。発振回路１３−２からの発振波形によって第２の発光器３−２から発射される光が変調され、その発振波形に応じたパルス光とされる。この場合、発振回路１３−１および１３−２からの発振波形に従い、第１の発光器３−１からのパルス光の発射と第２の発光器３−２からのパルス光の発射とは交互に行われ、発振回路１３−１と１３−２が光発射制御手段を構成している。
【００２２】
また、第１の受光器４−１に対して受光器増幅回路６−１を設け、第２の受光器４−２に対して受光器増幅回路６−２を設け、受光器増幅回路６−１からの受光出力をゲート回路１４−１を介して同期検波回路１５−１へ与え、受光器増幅回路６−２からの受光出力をゲート回路１４−２を介して同期検波回路１５−２へ与えるようにしている。
【００２３】
ゲート回路１４−１に対しては発振回路１３−１からの発振信号をゲート信号として与え、ゲート回路１４−２に対しては発振回路１３−２からの発振信号をゲート信号として与えるようにしている。ゲート回路１４−１は、発振回路１３−１からの発振信号が「Ｈ」レベルの間そのゲートを開き、受光器増幅回路６−１からの受光出力を通過させ同期検波回路１５−１へ与える。ゲート回路１４−２は、発振回路１３−２からの発振信号が「Ｈ」レベルの間そのゲートを開き、受光器増幅回路６−２からの受光出力を同期検波回路１５−２へ与える。
【００２４】
同期検波回路１５−１に対しては発振回路１３−１からの発振信号を参照信号として与え、同期検波回路１５−２に対しては発振回路１３−２からの発振信号を参照信号として与えるようにしている。同期検波回路１５−１は、発振回路１３−１からの発振信号を参照信号としてゲート回路１４−１からの受光出力を同期検波する。同期検波回路１５−２は、発振回路１３−２からの発振信号を参照信号としてゲート回路１４−２からの受光出力を同期検波する。
【００２５】
同期検波回路１５−１の検波出力▲１▼と同期検波回路１５−２の検波出力▲２▼は割算回路１６へ与えるようにしている。割算回路１６は、検波出力▲２▼を検波出力▲１▼で除算し、除算出力▲３▼を得る。この割算回路１６の除算出力▲３▼を電流値演算表示部１７へ与えるようにしている。電流値演算表示部１７は、対数変換回路１７−１，実効値変換回路１７−２および表示回路１７−３を備え、対数変換回路１７−１は除算出力▲３▼の対数をとって対数出力▲４▼を得る。対数変換回路１７−１の対数出力▲４▼は実効値変換回路１７−２を介して表示回路１７−３へ与られる。
【００２６】
また、同期検波回路１５−１の検波出力▲１▼と同期検波回路１５−２の検波出力▲２▼は、加算回路１８へも与えるようにしている。加算回路１８は、検波出力▲１▼と検波出力▲２▼とを加算し、加算出力▲５▼を得る。この加算回路１８の加算出力▲５▼を電圧値演算表示部１９へ与えるようにしている。電圧値演算表示部１９は、加算出力▲５▼の交流成分を増幅する増幅回路１９−１と、加算出力▲５▼の直流成分を増幅する増幅回路１９−２と、低域フィルタ１９−３と、割算回路１９−４と、実効値変換回路１９−５と、表示回路１９−６とを備えている。
【００２７】
次に、このように構成された光電流・電圧計測装置での電流および電圧の測定動作について説明する。
電流センサ１Ａを、その磁気光学素子１Ａ−１の長さ方向を磁界の作用方向として、被測定通電部位（交流）の近傍に配置する。
電圧センサ１Ｂの電極Ｓ１，Ｓ２を被測定通電部位（交流）に接続する。すなわち、電極Ｓ１を通電部位に接続し、電極Ｓ２を被測定電圧の基準となる電位位置に接続する。
【００２８】
主電源（図示せず）をオンとすると、発振回路１３−１および１３−２からの発振信号が光源駆動回路５−１および５−２へ与えられ、第１の発光器３−１および第２の発光器３−２から交互にパルス光が発射される。
【００２９】
第１の発光器３−１から発射されたパルス光は、光分岐結合器１２−１の分岐路１２−１ｂを介して光ファイバ２−１へ入り、光ファイバ２−１を通して電流センサ１Ａへ与えられる。
【００３０】
電流センサ１Ａにおいて、光ファイバ２−１からのパルス光は、図３（ａ）に示すように、偏光子１Ａ−２により偏光（直線偏光）された後、磁気光学素子１Ａ−１の長さ方向へと入射される。磁気光学素子１Ａ−１に入射された偏光の偏波面は、磁気光学素子１Ａ−１の長さ方向に作用する磁界の強さと磁気光学素子１Ａ−１中の光路長との積に比例して回転する。この場合、その回転方向は、磁界（交流磁界）の方向に応じて変化する。
【００３１】
この偏波面の回転角ψ１が検光子１Ａ−３により光量の変化に変換される。検光子１Ａ−３を出たパルス光（信号光）は光ファイバ２−３を介して電圧センサ１Ｂへ与えられる。電圧センサ１Ｂにおいて、電流センサ１Ａからのパルス光は、偏光子１Ｂ−２を通り、λ／４波長板１Ｂ−３を通過して円偏光とされ、電気光学素子１Ｂ−１に入射される。電気光学素子１Ｂ−１を通過した光の偏光状態は、ポッケルス効果を受けて楕円偏光となる。この楕円偏光が検光子１Ｂ−４を通過して直線偏光とされる。
【００３２】
この検光子１Ｂ−４を通して得られる直線偏光（出射光）の光強度は電気光学素子１Ｂ−１の電極Ｓ１，Ｓ２間に加えられる電圧（交流電圧）の大きさに応じて変化する。検光子１Ｂ−４を出たパルス光（信号光）は、光ファイバ２−２を通り、光分岐結合器１２−２の分岐路１２−２ｃを介して、第１の受光器４−１へ与えられる。
【００３３】
一方、第２の発光器３−２から発射されたパルス光は、光分岐結合器１２−２の分岐路１２−２ｂを介して光ファイバ２−２へ入り、光ファイバ２−２を通して電圧センサ１Ｂへ与えられる。
【００３４】
電圧センサ１Ｂにおいて、光ファイバ２−２からのパルス光は、検光子（偏光子）１Ｂ−４→電気光学素子１Ｂ−１→λ／４波長板１Ｂ−３→偏光子（検光子）１Ｂ−２を通って出射される。この検光子１Ｂ−２を通して得られる直線偏光（出射光）の光強度は電気光学素子１Ｂ−１の電極Ｓ１，Ｓ２間に加えられる電圧（交流電圧）の大きさに応じて変化する。
【００３５】
検光子１Ｂ−２を出たパルス光（信号光）は電流センサ１Ａへ与えられる。電流センサ１Ａにおいて、電圧センサ１Ｂからのパルス光は、図３（ｂ）に示すように、検光子（偏光子）１Ａ−３を通り、磁気光学素子１Ａ−１の長さ方向へと入射される。磁気光学素子１Ａ−１に入射された偏光の偏波面は、磁気光学素子１Ａ−１の長さ方向に作用する磁界の強さと磁気光学素子１Ａ−１中の光路長との積に比例して回転する。この場合、その回転方向は、磁界（交流磁界）の方向に応じて変化する。
【００３６】
この偏波面の回転角ψ２が偏光子（検光子）１−２により光量の変化に変換される。検光子１−２を出たパルス光（信号光）は、光ファイバ２−１を通り、光分岐結合器１２−１の分岐路１２−１ｃを介して、第２の受光器４−２へ与えられる。
【００３７】
図４（ａ）に受光器４−２での受光波形を示す。図４（ｂ）に受光器４−１での受光波形を示す。光分岐結合器１２（１２−１，１２−２）では少なからずクロストークがある。すなわち、発光器３−１を発光させると、その光の一部が受光器４−２側に漏れる。発光器３−２を発光させると、その光の一部が受光器４−１側に漏れる。
【００３８】
このため、図４（ａ）においては、発光器３−２からのパルス光による信号光Ｐ２の間に、発光器３−１からのクロストーク光ＰＣ２が生じている。また、図４（ｂ）においては、発光器３−１からのパルス光による信号光Ｐ１の間に、発光器３−２からのクロストーク光ＰＣ１が生じている。なお、実際には、電流センサ１Ａや電圧センサ１Ｂでの反射光などがクロストーク光ＰＣ１，ＰＣ２に含まれるものとなるが、ここでは説明を簡単とするために省略している。
【００３９】
受光器４−１および４−２は受光した光をその光強度に応じた電気信号に変換する。受光器４−１からの電気信号は、受光器増幅回路６−１によって増幅され、受光出力としてゲート回路１４−１へ与えられる。受光器４−２からの電気信号は、受光器増幅回路６−２によって増幅され、受光出力としてゲート回路１４−２へ与えられる。
【００４０】
ゲート回路１４−１は、発振回路１３−１からの発振信号が「Ｈ」レベルの間そのゲートを開き、受光器増幅回路６−１からの受光出力を通過させ同期検波回路１５−１へ与える。これにより、同期検波回路１５−１には、図５（ｂ）に示すように、信号光Ｐ１の光強度を示す受光出力のみが与えられる。
【００４１】
ゲート回路１４−２は、発振回路１３−２からの発振信号が「Ｈ」レベルの間そのゲートを開き、受光器増幅回路６−２からの受光出力を通過させ同期検波回路１５−２へ与える。これにより、同期検波回路１５−２には、図５（ａ）に示すように、信号光Ｐ２の光強度を示す受光出力のみが与えられる。
【００４２】
同期検波回路１５−１は、発振回路１３−１からの発振信号を参照信号としてゲート回路１４−１からの受光出力を同期検波する。
同期検波回路１５−２は、発振回路１３−２からの発振信号を参照信号としてゲート回路１４−２からの受光出力を同期検波する。
【００４３】
〔電流計測〕
同期検波回路１５−１の検波出力▲１▼と同期検波回路１５−２の検波出力▲２▼は割算回路１６へ与えられる。割算回路１６は、検波出力▲２▼を検波出力▲１▼で除算し、除算出力▲３▼を得る。この除算出力▲３▼は対数変換回路１７−１へ与えられる。対数変換回路１７−１は除算出力▲３▼の対数をとって対数出力▲４▼を得る。
【００４４】
図６に検波出力▲１▼，検波出力▲２▼，除算出力▲３▼および対数出力▲４▼を示す。同図において、横軸はファラデー回転角（磁気光学素子１Ａ−１での回転角ψ）、縦軸は検波出力▲１▼，▲２▼については光強度（電圧値）、除算出力▲３▼および対数出力▲４▼に対しては無名数（実際的には電気回路で扱っているので電圧値で表示される）である。例えば、磁気光学素子１Ａ−１に磁界が作用していない場合、検波出力▲１▼，▲２▼は５Ｖである。また、磁気光学素子１Ａ−１に磁界が作用していない場合、除算出力▲３▼（▲３▼＝▲２▼／▲１▼）は１となり、対数出力▲４▼は０となる。但し、対数出力▲４▼は、変化を分かりやすくするために全体を５倍している。
【００４５】
対数出力▲４▼は厳密にはファラデー回転角ψに対して直線ではないが、磁気光学素子１Ａ−１に磁界が作用していない場合を中心としてある程度の範囲では直線とみなすことができる。この直線性を利用することにより、対数出力▲４▼の値からそのときのファラデー回転角ψを簡単に求めることができ、この求めたファラデー回転角ψから被測定通電部位に流れる電流を測定することができる。この場合、被測定通電部位には交流電流が流れており、対数▲４▼の値が変動するので、その実効値を実効値変換回路１７−２で求める。そして、この求めた実効値から被測定通電部位に流れる電流値を求め、表示回路１７−３を介して表示する。
【００４６】
ここで、電圧センサ１Ｂの影響を考えてみる。電圧センサ１Ｂの印加電圧に対する光強度特性は、図１３に示されるように、Ａ方向へ光を通した場合もＢ方向へ光を通した場合も、同一の光強度特性III となる。すなわち、Ａ方向へ光を通した場合もＢ方向へ光を通した場合も、光強度信号は同じ割合だけ増加または減少する。一方、電流センサ１Ａのファラデー回転角に対する光強度特性は、図１４に示されるように、Ａ方向へ光を通した場合とＢ方向へ光を通した場合とでは特性ＩおよびIIのように逆特性となる。従って、検波出力▲１▼と検波出力▲２▼との比をとれば、電圧センサ１Ｂでの変化が消去される。これにより、電圧センサ１Ｂの影響を受けることなく、被測定通電部位の電流を測定することができるようになる。
【００４７】
〔電圧計測〕
同期検波回路１５−１の検波出力▲１▼と同期検波回路１５−２の検波出力▲２▼は加算回路１８へ与えられる。加算回路１８は、検波出力▲１▼と検波出力▲２▼とを加算し、加算出力▲５▼を得る。この加算出力▲５▼は、その交流成分が増幅回路１９−１によって増幅される一方、直流成分が増幅回路１９−２によって増幅される。増幅回路１９−１からの低域フィルタ１９−３を介する交流成分と増幅回路１９−２からの直流成分とは割算回路１０で除算される。これにより、変調度が求められ、この変調度が実効値変換回路１９−５において実効値に変換される。そして、この実効値から被測定通電部位の電圧値が求められ、表示回路１９−６を介して表示される。
【００４８】
ここで、電流センサ１Ａの影響を考えてみる。電圧センサ１Ｂの印加電圧に対する光強度特性は、図１３に示されるように、Ａ方向へ光を通した場合もＢ方向へ光を通した場合も、同一の光強度特性III となる。すなわち、Ａ方向へ光を通した場合もＢ方向へ光を通した場合も、光強度信号は同じ割合だけ増加または減少する。一方、電流センサ１Ａのファラデー回転角に対する光強度特性は、図１４に示されるように、Ａ方向へ光を通した場合とＢ方向へ光を通した場合とでは特性ＩおよびIIのように逆特性となり、ファラデー回転角に拘わらずその和は常に一定値となる。従って、検波出力▲１▼と検波出力▲２▼との和の変化は、電圧センサ１Ｂでの光強度の変化を示す。これにより、電流センサ１Ａの影響を受けることなく、被測定通電部位の電圧を測定することができるようになる。
【００４９】
なお、上述した実施の形態においては、発振回路１３−１および１３−２からの発振波形を図２（ａ）および（ｂ）に示すような波形としたが、この波形に限定されるものではない。例えば、図７（ａ）および（ｂ）に示すような波形としてもよく、この場合、受光器４−２および４−１での受光波形は図８（ａ）および（ｂ）に示すものとなり、ゲート回路１４−２および１４−１からの出力波形は図９（ａ）および（ｂ）に示すようになる。
【００５０】
また、上述した実施の形態においては、ゲート回路１４−１および１４−２を設け、発振回路１３−１からの発振信号が「Ｈ」レベルである間ゲート回路１４−１のゲートを開き、発振回路１３−２からの発振信号が「Ｈ」レベルである間ゲート回路１４−２のゲートを開くようにしたが、ゲート回路１４−１および１４−２に代えてサンプルホールド回路を設けるようにしてもよい。すなわち、発振回路１３−１からの発振信号が「Ｈ」レベルとなった直後の所定タイミングで受光器増幅回路６−１からの受光出力をサンプルホールドし、発振回路１３−２からの発振信号が「Ｈ」レベルとなった直後の所定タイミングで受光器増幅回路６−２からの受光出力をサンプルホールドし、このサンプルホールドした受光出力を割算回路１６へ与えて除算するようにしてもよい。
【００５１】
また、上述した実施の形態において、磁気光学素子１Ａ−１の材料としては、ＹＩＧ（Yttrium Iron Garnet ）やＲＩＧ（Rare Earth Iron Garnet ）などの他、鉛ガラス、マルチモードの鉛ガラスファイバなどを利用することができる。マルチモードの鉛ガラスファイバは、シングルモードの鉛ガラスファイバと比較して、光が入り易く、振動にも強く、発光器３（３−１，３−２）として安価な発光ダイオードを使用することができる。
【００５２】
また、上述した実施の形態では、交流電流・交流電圧を測定する場合について説明したが、直流電流・直流電圧の測定も可能である。
直流電流を測定する場合、対数出力▲４▼の正負はファラデー回転角ψの正負、すなわち電流の方向を示しているので、対数出力▲４▼から被測定通電部位に流れる直流電流の値だけではなく、その電流の方向も測定することができるようになる。この場合、実効値変換回路１７−２は省略できる。なお、割算回路１６における除算の分母，分子は、電流の方向をどちらを順方向とするか逆方向とするかで定義すればよいので、問題とはならない。
直流電圧を測定する場合、加算出力▲５▼が電圧センサ１Ｂでの変化分だけ増大あるいは減少するので、電圧値演算表示部１９の構成を変えることによって、その電圧値を測定することができる。
【００５３】
また、上述した実施の形態では、電極Ｓ１を通電部位に接続し、電極Ｓ２を被測定電圧の基準となる電位位置に接続するようにしたが、必ずしも電極Ｓ１を通電部位に接続しなくてもよい。例えば、被測定通電部位の近傍に電気光学素子１Ｂ−１を配置し、これによって被測定通電部位からの電界の強さを測定し、この電界の強さから被測定通電部位の電圧を求めるようにしてもよい。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように本発明によれば、第１の発光手段からの第１の光伝送路への光の発射と第２の発光手段からの第２の光伝送路への光の発射とが交互に行われ、第１の発光手段から発射された光は第１の光伝送路を通り偏光とされたうえ磁気光学素子へ入り、電気光学素子を通り、第２の光伝送路を通って第１の受光手段で受光され、第２の発光手段から発射された光は第２の光伝送路を通り偏光とされたうえ電気光学素子へ入り、磁気光学素子を通り、第１の光伝送路を通って第２の受光手段で受光され、この第１の受光手段での受光出力と第２の受光手段での受光出力とを除算した結果に基づいて被測定通電部位に流れる電流が測定され、また、この第１の受光手段での受光出力と第２の受光手段での受光出力とを加算した結果に基づいて被測定通電部位の電圧が測定されるものとなり、電流の測定に際して電気光学素子の影響を受けないものとし、電圧の測定に際して磁気光学素子の影響を受けないものとし、１組の光ファイバを用い低コストで電流と電圧を同時に測定することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態を示す光電流・電圧計測装置の要部を示すブロック図である。
【図２】 この光電流・電圧計測装置における発振回路からの発振波形を示す図である。
【図３】 この光電流・電圧計測装置における電流センサでの磁界による偏光の偏波面の回転状況を示す図である。
【図４】 この光電流・電圧計測装置における受光器での受光波形を示す図である。
【図５】 この光電流・電圧計測装置におけるゲート回路からの出力波形を示す図である。
【図６】 検波出力▲１▼，検波出力▲２▼，除算出力▲３▼および対数出力▲４▼を示すグラフである。
【図７】 この光電流・電圧計測装置における発振回路からの発振波形の別の例を示す図である。
【図８】 発振波形を図７とした場合の受光器での受光波形を示す図である。
【図９】 発振波形を図７とした場合のゲート回路からの出力波形を示す図である。
【図１０】 従来の交流電流計測用の光電流計測装置（光電圧計測装置）を示すブロック図である。
【図１１】 この光電流計測装置における電流センサの要部構成を示す図である。
【図１２】 この光電圧計測装置における電圧センサの要部構成を示す図である。
【図１３】 電圧センサの印加電圧に対する光強度特性を示す図である。
【図１４】 電流センサのファラデー回転角に対する光強度特性を示す図である。
【符号の説明】
１Ａ…電流センサ、１Ａ−１…磁気光学素子、１Ａ−２…偏光子（検光子）、１Ａ−３…検光子（偏光子）、１Ｂ…電圧センサ、１Ｂ−１…電気光学素子、１Ｂ−２…偏光子（検光子）、１Ｂ−３…λ／４波長板、１Ｂ−４…検光子（偏光子）、Ｓ１，Ｓ２…電極、２−１，２−２，２−３…光ファイバ、３−１，３−２…発光器、４−１，４−２…受光器、５−１，５−２…光源駆動回路、６−１，６−２…受光器増幅回路、１２−１，１２−２…光分岐結合器、１２−１ａ，１２−２ａ…合流路、１２−１ｂ，１２−１ｃ，１２−２ｂ，１２−２ｃ…分岐路、１３−１，１３−２…発振回路、１４−１，１４−２…ゲート回路、１５−１，１５−２…同期検波回路、１６…割算回路、１７…電流値演算表示部、１７−１…対数変換回路、１７−２…実効値変換回路、１７−３…表示回路、１８…加算回路、１９…電圧値演算表示部、１９−１…増幅回路（交流）、１９−２…増幅回路（直流）、１９−３…低域フィルタ、１９−４…割算回路、１９−５…実効値変換回路、１９−６…表示回路。
Claims (1)
- 入射される偏光の偏波面を加えられる磁界の強さに応じて回転する磁気光学素子と、この磁気光学素子に光結合され入射される偏光の直交成分の位相差を加えられる電界の強さに応じて変化する電気光学素子と、この光結合された磁気光学素子と電気光学素子との直列接続路への偏光の入射端および出射端に光結合された第１および第２の光伝送路とを備え、前記磁気光学素子を被測定通電部位の近傍に配置することによってその被測定通電部位に流れる電流を測定し、前記電気光学素子を被測定通電部位に対して任意の位置に配置することによってその被測定通電部位の電圧を測定する光電流・電圧計測装置であって、
前記第１の光伝送路へ光を発射する第１の発光手段と、
前記第２の光伝送路へ光を発射する第２の発光手段と、
前記第１の発光手段から前記第１の光伝送路へ発射され偏光とされたうえ、前記磁気光学素子へ入り、前記電気光学素子を通り、前記第２の光伝送路を通って戻ってくる光を受光する第１の受光手段と、
前記第２の発光手段から前記第２の光伝送路へ発射され偏光とされたうえ、前記電気光学素子へ入り、前記磁気光学素子を通り、前記第１の光伝送路を通って戻ってくる光を受光する第２の受光手段と、
前記第１の発光手段からの前記第１の光伝送路への光の発射と前記第２の発光手段からの前記第２の光伝送路への光の発射とを交互に行わせる光発射制御手段と、
前記第１の受光手段での受光出力と前記第２の受光手段での受光出力とを除算した結果に基づいて被測定通電部位に流れる電流を測定する電流測定手段と、
前記第１の受光手段での受光出力と前記第２の受光手段での受光出力とを加算した結果に基づいて被測定通電部位の電圧を測定する電圧測定手段と
を備えたことを特徴とする光電流・電圧計測装置。
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