JP4319523B2 - 保護継電装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば送電線路等の電力設備の事故時の保護等に用いられる光電流センサを備えた保護継電装置に関るものである。

従来、電力設備における保護継電装置として、光ＣＴ（変流器）を備えたものがある。このものは、複数の高電圧の導体の外周を周回して光ファイバーセンサをそれぞれ設け、信号処理部により各光ファイバーセンサのファラデー回転角の総和を求め、故障判定部では、信号処理部の出力信号を受けて、導体に流れる電流すなわち電力設備を流入流出する電流に基づいて電力設備の故障を判断する（例えば、特許文献１参照）。

このように、電流を光信号として検出して光信号のままで加算して故障を判断するようにすることにより、安価になりサージ対策が簡略化できるというものである。そして、故障の判断をする処理は、演算結果である光出力信号の総和を光電変換させ、電気信号として処理することにより実施している。

特開２０００−５９９８７公報（段落番号００１１〜００１５及び図１）

ところで、保護継電装置を構築するにあたって実用的な構成としては、最終の故障の判定までを現場にて実施することが望まれている。しかしながら従来のものにおいては、一部光で演算処理を行っているものの、最終的な判断には電気信号の処理を介在させており、電力分野における使用環境条件を考慮するとサージ等の電磁ノイズに対して厳重な対策が不可欠となり、低コスト化の要請に十分に応えることができないおそれがある。

この発明は、上記のような問題点を解決して、電磁ノイズ対策を容易に行うことができ、低コスト化が可能な保護継電装置を得ることを目的とする。

この発明に係る保護継電装置においては、電力設備に設けられた複数の導体の近傍にそれぞれ配設され各導体に流れる電流に応じてそれぞれ光信号を出力する複数の光電流センサ、この光電流センサの光信号を光学的に加算して光学的な合波信号を出力する光演算手段、合波信号を受光して電気信号を出力する光電変換手段と電気信号により駆動され光源から投射された投射光を透過させる割合を電気信号の電圧に応じて変化させる光透過率制御手段と光透過率制御手段を透過した光を分岐し合波信号に加算する光帰還手段とを有し合波信号のレベルが所定値を超えたとき電力設備が故障であると判定し所定の強さの光出力信号を出力する光判定処理手段、及び光出力信号に基づいて電力設備を保護する保護指令信号を発信する保護指令信号発信手段を備えたものである。

この発明は以上説明したように、電力設備に設けられた複数の導体の近傍にそれぞれ配設され各導体に流れる電流に応じてそれぞれ光信号を出力する複数の光電流センサ、この光電流センサの光信号を光学的に加算して光学的な合波信号を出力する光演算手段、合波信号を受光して電気信号を出力する光電変換手段と電気信号により駆動され光源から投射された投射光を透過させる割合を電気信号の電圧に応じて変化させる光透過率制御手段と光透過率制御手段を透過した光を分岐し合波信号に加算する光帰還手段とを有し合波信号のレベルが所定値を超えたとき電力設備が故障であると判定し所定の強さの光出力信号を出力する光判定処理手段、及び光出力信号に基づいて電力設備を保護する保護指令信号を発信する保護指令信号発信手段を備えたものであるので、光電流センサからの光信号を光学的に加算して合波信号を求めてこの合波信号に基づいて光判定処理手段により電力設備の故障の有無を判定するので、電磁ノイズ対策を容易に行うことができ、低コスト化が可能な保護継電装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１〜図５は、この発明の実施の一形態を示すものであり、図１は保護継電装置の構成を示す構成図、図２は光電流センサからの光出力波形を示す波形図、図３は三つの光電流センサの光出力信号を加算した合波波形図である。図４は液晶の動作特性を示す特性図、図５は判定処理部の動作を説明するための説明図である。

図１において、光源１−１，１−２，１−３と光電流センサ４−１，４−２，４−３とは、光ファイバ２−１，２−２，２−３によりそれぞれ接続されている。光電流センサ４−１，４−２，４−３は、磁界の強度に応じて偏光面が回転するファラデー効果を利用したもので、送電線路３−１、３−２、３−３を流れる電流に対応して強度変調された光信号を出力するものである。

光電流センサ４−１，４−２，４−３は、回路遮断器３８−１、３８−２、３８−３を介してＴ状に接続された送電線路３−１、３−２、３−３の導体の外周を周回して配設されている。電力設備としての送電線路３−１〜３−３は、この実施の形態における保護継電装置の保護監視対象であり、変電所内に設けられており、電圧は三相交流で５５０ｋＶである。そして、この実施の形態における保護継電装置は、送電線路３−１〜３−３の変電所内における地絡、短絡等の事故を検出して保護を行うものである。

各光電流センサ４−１〜４−３の出力側は光ファイバ５−１，５−２，５−３によって光演算手段としての合波器６に接続されている。合波器６から出た光信号である総和信号Ｃ１（詳細後述）は、ハーフミラー１６に供給され、ハーフミラー１６を透過した光信号は光判定処理部７の光電変換手段としての光電変換素子８に供給される。光判定処理部７は、光電変換素子８、液晶９、ビームスプリッター１３、ミラー１５及びハーフミラー１６により構成されている。

光電変換素子８と液晶９とは極めて接近して配置され、光電変換素子８の電気信号の出力側は信号線２３により液晶９に接続されるとともに電磁遮蔽がなされている。光透過率制御手段としての液晶９は、光源１０からのプローブ光Ｇ１によって常時照射されている。液晶９の光出力Ｈ１はビームスプリッター１３に入射されその一部が分岐され、分岐された帰還光Ｊ１はミラー１５を介して帰還のためにハーフミラー１６に入射される。

一方、液晶９の透過光Ｈ１のうち、ビームスプリッター１３を透過した出力光Ｋ１は、光電駆動素子１８に入射される。保護指令信号発信手段としての光電駆動素子１８の出力側は、電気信号を送受する制御線１９により回路遮断器３８−１，３８−２，３８−３の図示しない制御装置に接続されている。なお、ビームスプリッター１３、ミラー１５及びハーフミラー１６にて、この発明の帰還回路１７が構成されている。

次に、動作について説明する。光源１−１〜１−３は一定レベルの強度で発光し、光源１−１〜１−３から出射された光Ａ１は、光ファイバ２−１〜２−３を介して光電流センサ４−１〜４−３に入射される。入射された光Ａ１は光電流センサ４−１〜４−３内を伝搬しておのおの光出力信号Ｂ１として光ファイバ５−１〜５−３を通って合波器６に入射される。そして、送電線路３−１〜３−３の導体に電流が流れるとその電流の大きさに応じて光電流センサ４−１〜４−３内を伝搬する光の強度が変化した光出力信号Ｂ１として、合波器６に供給されることになる。

合波器６において各光電流センサ４−１〜４−３からの光出力信号Ｂ１を光学的に加算して光信号としての総和信号Ｃ１として出力する。総和信号Ｃ１は、光判定処理部７のハーフミラー１６に出射される。光判定処理部７においては、入射する総和信号Ｃ１のレベルが所定の閾値ＴＨ１を超えるとその光出力である透過光Ｈ１の強度レベルがステップ状に立ち上がる。この動作の詳細は後述する。

そして、これも詳細は後述するが、図１に示すように変電所内において相互にＴ状に接続されている送電線路３−１〜３−３に、変電所内部で事故が発生すると総和信号Ｃ１のレベルが閾値ＴＨ１（図５（ａ）参照、後述）を超えるので、光判定処理部７の液晶９の透過光Ｈ１の強度がステップ状に立ち上がる。透過光Ｈ１の強度がステップ状に立ち上がると、透過光Ｈ１が入射される光駆動素子１８の電気出力も急速に立ち上がりオン動作をし、制御線１９を介して回路遮断器３８−１〜３８−３の制御装置に制御信号を送って開閉動作をさせ、送電線路３−１〜３−３の故障を除去し、保護する。

ここで、光判定処理部７が内部故障の発生を判定する動作について説明する。
まず、総和信号Ｃ１が、送電線路３−１〜３−３の状態によってどのように変化するかを説明する。
まず、各送電線路３−１〜３−３に流れる電流Ｉｍは
Ｉｍ（ｔ）＝Ａｍ・ｃｏｓ（ωｏ・ｔ＋αｍ） ・・（１）
で表される。

このとき、各光電流センサ４−１〜４−３からの光出力信号Ｂ１の波形を縦軸に出力レベル、横軸に時間をとって示すと図２のようになり、直流成分Ｌと交流成分Ｒｍ（ｔ）が重畳されたものとなっている。これを数式にて示すと、
Ｓｍ（ｔ）＝Ｒｍ（ｔ）＋Ｌ ・・（２）
＝βＩｍ（ｔ）＋Ｌ
＝β・Ａｍ・ｃｏｓ（ωｏ・ｔ＋αｍ）＋Ｌ ・・（３）
となる。なお、βは光電流センサの変換効率を示す。

このように、光電流センサ４−１〜４−３からの各光出力信号Ｂ１は、式（２）中の直流信号成分Ｌと、交流信号成分Ｒｍ（ｔ）とが重畳された形で出力される。直流信号成分Ｌは、光電流センサ４−１〜４−３へ入力される光源１−１〜１−３からの光Ａ１の強度と光電流センサ４−１〜４−３が有する変調特性によって決まるレベルで一定値となる。一方、交流信号成分Ｒｍ（ｔ）は導体を流れる電流波形に対応した波形となる。

このような光電流センサを、ノードに接続された送電線路のすべてにとりつけ（ここでは３つ）、各光電流センサからの光出力信号の総和をとると、
ΣＳｍ（ｔ）＝Σ［β・Ａｍ・ｃｏｓ（ωｏ・ｔ＋αｍ）＋Ｌ］
＝βΣＡｍ・ｃｏｓ（ωｏ・ｔ＋αｍ）＋ｎ・Ｌ
・・（４）
と表される。ここで、ｎはセンサの総数を示す。

次に、送電線路の各種状態における上記合波器６から出力される光信号である総和信号Ｃ１について説明する。
（ｉ）無負荷状態
どこにも負荷がつながっていない場合、電流は流れず、
Ａｍ＝０
となる。その結果、光電流センサからの光出力信号Ｂ１の総和信号Ｃ１は
ΣＳｍ（ｔ）＝ ｎ・Ｌ ・・（５）
となり、交流成分はなく、ＤＣ成分のみとなる。

（ｉｉ）正常負荷・外部事故が発生した状態
電流は流れるが、キルヒホッフの定理により、１つのノードに対して流入する電流と流出する電流の和は０となる。つまり、
ΣＡｍ・ｃｏｓ（ωｏ・ｔ＋αｍ）＝０
となることから、光電流センサからの光出力信号Ｂ１の総和信号Ｃ１は、
ΣＳｍ（ｔ）＝ ｎ・Ｌ ・・（６）
と、ＤＣ信号となる。このレベルは、一定値である。

（ｉｉｉ）内部事故が発生した場合
キルヒホッフの定理が成り立たず、光電流センサからの光出力信号Ｂ１の総和信号Ｃ１は、
ΣＳｍ（ｔ）＝βΣＡｍ−ｃｏｓ（ωｏ・ｔ＋αｍ）＋ｎ・Ｌ
・・（７）
となり、周波数ωｏの交流成分が発生する。

これら状態における光電流センサからの各光出力信号Ｂ１の総和信号Ｃ１を縦軸に出力レベル、横軸に区間をとって模式的に示すと図３のようになる。つまり、無負荷状態（区間ＫＵ１）並びに正常負荷及び外部事故状態（区間ＫＵ２）においては、総和信号はＤＣ信号となる。一方、内部事故時（区間ＫＵ３）においては、交流信号成分Ｒｍ（ｔ）が発生することになる。

ところで、保護監視区域内における送電線路保護の観点から、異常状態発生時において、内部事故の有無の判定が重要なポイントとなる。このような送電線路や母線の保護のために必要な内部事故は、上で述べたように総和信号Ｃ１中の交流波信号の発生の有無を監視にすることにより検出可能となる。図１において、送電線路３−１〜３−３に異常が発生した場合、上記のような変化を示す光の総和信号Ｃ１は、ハーフミラー１６を透過しかつミラー１５を介して帰還された帰還光Ｒ１と加算されて光信号Ｄ１として光電変換素子８に入射する。

入射された光信号Ｄ１は光電変換素子８によって出力電圧Ｅ１に変換され、電線２３を介して液晶９の電極に印加される。液晶９の特性は、縦軸に透過率、横軸に電極への印加電圧Ｖをとって示すと図４の曲線ＣＲのごとくであり、印加電圧Ｖが高くなり動作点ＴＨ２を超えると、透過率が増加し始める。液晶９には予め光源１０からのプローブ光Ｇ１を投射させておく。

総和信号Ｃ１の強度が増加し、光信号Ｃ１すなわち光電変換素子８からの出力電圧Ｅ１のレベルが図４に示す液晶９の動作点ＴＨ２を超えると、液晶９を透過する透過光Ｈ１の強度が増加し始める。また、液晶９からの透過光Ｈ１のうち一部はビームスプリッター１３によって帰還のために分岐され、分岐された帰還光Ｊ１は、ミラー１５、ハーフミラー１６を介して帰還光として総和信号Ｃ１に加算され、光信号Ｄ１となる。

この結果、総和信号Ｃ１の強度が動作点ＴＨ１（後述、図５（ａ）参照）を超えると、光電変換素子８からの電気信号Ｅ１のレベルが急激に上昇する。このように、透過光Ｈ１の一部をフィードバックすることにより、液晶９への印加電圧が増加し、液晶９の透過率が急激に高くなることから、液晶９の透過光Ｈ１の強度も上限値まで急激に増加する。

一方、総和信号Ｃ１のレベルが低下した場合、光電変換素子８への光信号Ｄ１の強度も低下した分減少するが、プローブ光Ｇ１の強さを総和信号Ｃ１の強度と比較して非常に高く設定しておくと、光電変換素子８の出力電圧Ｅ１が低下しても十分な透過光Ｈ１のレベルを保持することができる。この結果、総和信号Ｃ１が減衰しても、液晶９の透過光Ｈ１はその上限値を保持することとなる。

以上のように、光判定処理部７が出力する透過光Ｈ１のレベルは、図５（ａ）のように入力される総和信号Ｃ１が変化し、ある閾値ＴＨ１を超えると、図５（ｂ）に示すようにこの時点においてステップ状に立ち上がり、そのレベルを保持する。すなわち、光判定処理部７は入力される総和信号Ｃ１に対してある閾値ＴＨ１を有する光スイッチ機能を有していることになる。透過光Ｈ１の強度レベルは、光源１０の選択によって自由な設定が可能である。なお、光電変換素子８からの電気信号である出力電圧Ｅ１に送電線路３−１〜３−３からサージ等によるノイズが発生しても、液晶９の動作時間遅れによる電磁ノイズに対するフィルタ作用により、誤動作を防ぐことができる。

このような液晶９からのステップ状に立ち上がる透過光Ｈ１はビームスプリッタ１３に入射される。そして、ビームスプリッタ１３を透過した出力光Ｋ１は光電駆動部１８に入力され、出力光Ｋ１のハイ、ローのレベル変化に応じて光電駆動部１８から電磁ノイズよりも十分に高いレベルの電気信号のオン、オフ信号が出力される。この電気信号のオン、オフ信号は、制御線１９によって伝送され、各回路遮断器３８−１〜３８−３を開閉制御することにより、送電線路３−１〜３−３の保護を行う。

なお、この実施の形態では、総和信号Ｃ１が変化し、ある閾値ＴＨ１を超えたときに故障と判断してそのレベルがステップ状に立ち上がる出力光Ｋ１を出力するものを示したが、故障の有無の判断はこれに限られるものではなく、他の判定方法、例えば総和信号Ｃ１中に所定値以上の交流分があるかどうかなどにより判定することもできる。

このように、この実施の形態においては、送電線路３−１〜３−３の導体を流れる電流の測定及び加算を光信号で行い、事故の判定を光判定処理部７の液晶９の光透過現象とその透過現象が液晶特有の時間遅れを有することを利用して電磁ノイズに対してフィルタ作用を有する光スイッチとして動作するものとしたので、構成が簡易で耐電磁ノイズ性の高い保護リレー装置を構築できる。

実施の形態２．
図６は、この発明の他の実施の形態である保護継電装置の主要部の構成を示す主要部構成図である。図６において、光判定処理部１００は、図１における光判定処理部７の代わりに設けられたものであり、次のように構成されている。フィルタ１０１は、光電変換素子８から信号線２３を介して入力された出力信号Ｅ１の交流成分のみを抽出し、電気信号Ｗ１として信号線２４を介して液晶９へ出力する。

光源１０からの出射されるプローブ光Ｇ１は光変調器１０２により変調されて交流光信号Ｘ１として液晶９へ入力される。なお、ビームスプリッター１３、ミラー１５及びハーフミラー１６にて、帰還回路１７が構成されている。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

実施の形態１に示したものと同様に、合波器６（図１）からの総和信号Ｃ１は、内部事故時のみ交流成分をもち、その他の場合はＤＣ成分のみの光信号となる。フィルタ１０１は、光電変換素子８によって出力電圧Ｅ１に変換された総和信号ＣｌのうちのＤＣ成分をカットし、交流成分を抽出して電気信号Ｗ１として液晶９に印加する。つまり、内部事故時のみ交流の電気信号Ｗ１が液晶９に印加され、その他の場合は電圧は印加されない。また、光源１０からのプローブ光Ｇｌは光変調器１０２によって変調され、光強度が電気信号における交流と同じように変化する交流光信号Ｘ１として液晶９に入射される。

液晶９の透過光Ｈ１は、ビームスプリッター１３、ミラー１５、ハーフミラー１６を介して交流光信号Ｊ１として帰還され総和信号Ｃ１に重畳される。重畳された光は光電変換素子８、フィルタ１０１を介して交流成分が取り出されて液晶９に印加される。入力される総和信号Ｃ１が増加し、所定の閾値を超えると、液晶９の透過光Ｈ１の強度がステップ状に立ち上がる。

透過光Ｈ１の強度がステップ状に立ち上がると、以下実施の形態１と同様に、ビームスプリッター１３を透過した出力光Ｋ１が入射される光駆動素子１８の電気出力も急速に立ち上がりオン動作をし、制御線１９を介して回路遮断器３８−１〜３８−３の制御装置に制御信号を送って開閉させ、送電線路３−１〜３−３の故障を除去し、保護する。

なお、液晶９の動作は、印加される光及び電極に印加される印加電圧の極性が正負の変化を繰り返す交流信号の方が、液晶９の特性上安定して動作を継続する。すなわち、液晶９の電極に正あるいは負のいずれか一方の極性の電圧をかけ続けると、電極間に電荷がたまり動作しなくなるが、液晶９に交流電圧信号を印加すると、正負の電圧の印加が繰り返されることにより、電荷の飽和が解消され動作の保持時間が長くなる。

このとき、液晶９の電極への印加される交流電圧信号が液晶９が応答できない周波数であれば、交流電圧信号の正弦波振動には応答せず、液晶９の透過率は交流電圧信号の振幅に対応して変化し透過させる光の量が変化することになり、このオープンな状態が長く保持されることになる。この結果、内部事故発生時において液晶９の透過率が大きい状態の持続時間を長くすることが可能となる。従って、スイッチング動作の保持時間の長時間化が可能となり、保護リレーを安定に動作させることができる。

以上のように、この実施の形態によれば、光判定処理部１００において、光電変換素子８からの出力電圧Ｅ１を液晶９へ印加するにあたって交流成分Ｗ１のみを抽出し液晶９に印加する交流成分抽出手段としてのフィルタ１０１を設け、また光の強さが正負両方向に変化する交流光を供給する交流光供給手段としての光源１０及び光変調器１０２を設けたので、安定した動作をする保護リレーを実現できる。

実施の形態３．
図７及び図８は、この発明の他の実施の形態を示すもので、図７は保護継電装置の構成を示す構成図、図８は光判定処理部の動作を説明するための説明図である。図７において、光判定処理部８０は、ハーフミラー１６、光学素子８１、ハーフミラー８７、ミラー８８にて構成されている。また、ビームスプリッター８７、ミラー８８及びハーフミラー１６にて、この発明の帰還回路８９が構成されている。

さらに、光モジュール８１は、透明電極８２，８５、この両透明電極８２，８５間に設けられた光伝導体８３及び液晶８４が一体にされて構成されたものである。なお、この光モジュール８１が、この発明における第１の透明電極と光伝導体と液晶と第２の透明電極とが光学的及び電気的に直列に接続された直列回路である。

合波器６から出た総和信号Ｃ１はハーフミラー１６に供給されハーフミラー１６を透過し、この総和信号Ｃ１と後述するハーフミラー８７から帰還される帰還光Ｒ１とが加算され、光信号Ｍ１となる。光信号Ｍ１は、光モジュール８１に供給され、透明電極８２を透過し、光伝導素子８３に入射される。光伝導素子８３は、入射する光の強度により導電率が変化するもので、入射光強度が強いと導電率が増加、つまり抵抗値が減少する。

直流の電源８６は透明電極８２，８５に接続され、光伝導素子８３を介して液晶８４に電圧が印加される。液晶８４を透過した透過光Ｐ１はハーフミラー８７によってその一部が帰還光Ｒ１として分岐される。帰還光Ｒ１は、ミラー８８を介してハーフミラー１６に供給され、総和出力Ｃ１に重畳される。また、ハーフミラー８７を透過した光は出力光Ｑ１として光駆動素子１８に入力される。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

このように構成されたものにおいて、液晶８４の印加電圧は、伝導素子８３と液晶８４との抵抗比による分圧比によって決まることとなる。総和信号Ｃ１のレベルが低い場合、光伝導素子８３の抵抗が高くなり、液晶８４に印加される電圧が低いことから、液晶８４の透過率は低くなる。このため、液晶８４を透過した光の強度は低い。一方、総和信号Ｃ１の光強度が高くなるにともない、光伝導素子８３の導電率が高くなり、液晶８４の両端にかかる電圧が上昇し始める。

液晶８４は、図１に示した液晶９と同様に図４に示すような光の透過特性を有し、総和信号Ｃ１の強度が高くなり、光伝導素子８３を介して液晶８４に加わる電圧が、図８（ａ）に示すように駆動レベルＴＨ３を超えた時点で、液晶８４を透して出てくる透過光Ｐ１のレベルが急激に増加し始める。透過光Ｐ１の一部は、ハーフミラー８７により一部が帰還光Ｒ１として分岐され、ミラー８８、ハーフミラー１６を介してフィードバックされ、総和信号Ｃ１に加算され、光信号Ｍ１として光伝導素子８３に入射する。

この結果、液晶８４への印加電圧が急激に増加することから、液晶８４の透過率も増加し、透過光Ｐ１の強度は光信号Ｍ１が所定の強度を超えた時点で、すなわち液晶８４に加わる電圧が上記閾値ＴＨ３を超えた時点で、上限値までステップ状に立ちあがることとなる。つまり、予め設定した光信号Ｍ１についての所定の閾値による信号レベルの判定処理が行われる。そして、ステップ状に立ち上がった透過光Ｐ１がハーフミラー８７に供給され、ハーフミラー８７を透過した出力光Ｑ１が図示しない光電駆動部により電気信号のオン信号に変換される。この電気信号により、回路遮断器が開閉制御される。

なお、光から電気へ、そして再び光へ信号変換を行う光モジュール８１は、要すれば薄い磁性鋼板などの電磁シールド材にて電磁遮蔽をすることもできる。また、直流の電源８６の代わりに交流電源を用いて透明電極８２，８５に交流電圧を印加するようにすれば、実施の形態２と同様に、液晶８４の透過率が大きい状態の持続時間を長くすることが可能となり、スイッチング動作の保持時間の長時間化が可能となり、安定した保護リレー動作を実現できる。

このように、この実施の形態においては、送電線路３−１〜３−３を流れる電流の測定及び加算を光信号で行い、光判定処理部８０を光伝導体８３と液晶８４とを一体にして両者の電気抵抗に印加する電源８６の電圧を分圧してこの分圧で液晶８４の透過率を変化させるようにするともにスイッチング作用を有するものとしたので、構成が簡易で耐電磁ノイズ性の高い保護リレー装置を構築できる。

実施の形態４．
図９及び図１０は、さらにこの発明の他の実施の形態を示すものであり、図９は保護継電装置の主要部の構成を示す主要部構成図、図１０は磁気カー効果素子の偏光面回転特性を示す特性図である。図９において、光判定処理部９０は、図１における光判定処理部７の代わりに設けられたものであり、次のように構成されている。合波器６から出た合波信号である総和信号Ｃｌが、ハーフミラー９５を介して磁気カー効果光学素子９２上に照射される。一方、光源１０からの光Ｒｌは偏光子９１によりある方向の偏光方向のみが選択され、磁気カー効果光学素子９２上に照射される。そして、その反射光Ｔｌは予め決められた方向に設置された検光子９３により特定方向の偏光成分が選択され、透過する。

この透過光Ｕｌはハーフミラー９４により一部が分岐されハーフミラー９５を介して帰還されて総和出力信号Ｃｌに重畳され、磁気カー効果光学素子９２上に照射される。また、ハーフミラー９４を透過した光Ｋｌは光駆動素子１８に入力される。光判定処理部９０は、以上のように構成されている。なお、ハーフミラー９５及びハーフミラー９４にて、この発明の帰還回路９７が構成されている。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

また、図１０は磁気カー効果光学素子９２がもつ偏光面回転特性を示すもので、特性曲線ＳＡは入射する光強度に対する反射光の偏光面回転角度変化を示す。磁気カー効果光学素子９２は、図１０に示すように予め膜面に垂直に磁化しておくと、照射した光の強度があるレベル以上で、照射ポイントが過熱によりキュリー点以上になると、その部分の磁化方向が反転する。この照射ポイントに直線偏光特性を有する光を照射すると、反射光の偏光面が回転する。

予め磁気カー効果光学素子９２には光源１０からの光を偏光子９１を介して一方向の偏光成分のみを選択して照射し、その反射位置に検光子９３を設置し、その透過光Ｕｌの一部が総和信号Ｃｌに重畳するよう光帰還回路９７が形成されてる。このとき検光子９３はその偏光面が、磁気カー効果光学素子９２による偏光の最大回転方向と一致するよう設置する。内部事故ではないために、総和信号ＣｌがＤＣ信号でありその値が所定のレベル以下にある場合は、磁気カー効果光学素子９２による偏光面の回転はなく、反射光Ｔｌは検光子９３で遮断され、透過する光はない。

一方、内部事故発生により総和信号Ｃｌに交流成分が出力され強度が増加し、ある所定レベルを超えると、磁気カー効果光学素子９２からの反射光Ｔｌは、磁気カー効果光学素子９２がもつ偏光面回転特性曲線ＳＡ（図１０）に従って偏光面が回転し、検光子９３からの透過光Ｕｌの強度も増加する。この透過光Ｕｌは、ハーフミラー９４、９５を介して総和信号Ｃｌに重畳され、結果として磁気カー効果光学素子９２へ入射する光信号Ｄｌが増加することになり、透過光Ｕｌの強度はさらに増加する。

このように反射光Ｔｌを光信号Ｄｌに帰還することにより、入射光強度は急激に立上り、その結果、検光子９３の透過光Ｕｌもステップ状に立ち上がり、その高レベルが保持される。この透過光Ｕｌの一部はハーフミラー９４を透過し、光駆動素子１８に入力される。透過光Ｕ１のレベルが高レベルになると、光駆動素子１８が動作し、電磁ノイズよりも十分に高いレベルの電気信号であるオン信号を制御線１９を介して回路遮断器３８−１〜３８−３の制御装置に与え、回路遮断器３８−１〜３８−３を開閉することにより送電線路３−１〜３−３の保護を行う。

以上この実施の形態においては、光判定処理部９０において、合波器６（図１）から出た合波信号である総和信号Ｃ１を受光する磁気カー効果光学素子９２と、この磁気カー効果光学素子９２に直線偏光特性を有する光Ｓ１を投射する投光手段としての光源１０及び偏光子９１、磁気カー効果光学素子９２からの反射光Ｔ１のうち一方向の偏光成分を抽出して光出力信号としての反射光Ｕ１を出力する偏光抽出手段としての検光子９３、抽出した反射光Ｕ１の一部を分岐し合波器６の総和信号Ｃ１に重畳させる帰還手段としてのハーフミラー９４及び９５を設け、検光子９３が抽出した反射光Ｕ１の残りを光駆動素子１８に入力するようにし、総和信号Ｃ１のレベルが所定値を超えたとき上記電力設備が故障であると判定し光出力信号がある一定値を超えるようにした。従って、電流測定、光信号の総和演算、処理判定まで全てを光信号にて行うことができ、耐電磁ノイズ対策が容易となるとともに、安価に製作できる。

実施の形態５．
図１１及び図１２は、さらにこの発明の他の実施の形態を示すものであり、図１１は保護継電装置の構成を示す構成図、図１２は保護継電装置の動作を説明するための説明図である。図１１において、送電線路３−１，３−２，３−３は、回路遮断器３８−１，３８−２，３８−３を介してＴ状に接続されている。光電流センサとしての磁気光学素子４１，４５，４８を電流の測定対象となる送電線路３−１，３−２，３−３の導体が周回しており、導体を流れる電流によって発生する磁界が磁気光学素子４２，４５，４８に印加される。

光源１から出射された光は、ハーフミラー３５−１，３５−２を介して二つの光に分岐され、それぞれ偏光方向が相直交するようして配置された検光子３６−１，３６−２を透過して第１及び第２の光Ａ２１，Ａ２２として出射され、ミラー３７を介して偏光ビームスプリッター３９により合波される。合波された第１及び第２の光Ｂ２１，Ｂ２２は、偏波面保存ファイバ４０内を伝播し、偏波モード偏光手段としての１／４波長板４１−１を透過し、磁気光学素子４２に入射し、その偏光方向が回転して出力される。なお、磁気光学素子４２は、送電線路３−１の導体に流れる電流が発生する磁界によって偏波方向を回転させる特性を有する。

磁気光学素子４２からの第１及び第２の光は、同じく偏波モード偏光手段としての１／４波長板４１−２を透過して第１及び第２の光Ｃ２１，Ｃ２２となり、偏波面保存ファイバ４３によって伝送され、１／４波長板４４−１を透過し、磁気光学素子４５に入射される。磁気光学素子４５からの第１及び第２の光は、１／４波長板４４−２を透過して第１及び第２の光Ｄ２１，Ｄ２２となり、偏波面保存ファイバ４６を伝播し、１／４波長板４７−１を介して磁気光学素子４８に入射する。磁気光学素子４８からの第１及び第２の光は、１／４波長板４７−２を透過して第１及び第２の光Ｅ２１，Ｅ２２となり、偏波面保存ファイバ４９中を伝播し、偏光ビームスプリッター５２に入射される。

偏光ビームスプリッター５２は、入射された第１及び第２の光Ｅ２１，Ｅ２２を第１及び第２の光Ｆ２１，Ｆ２２に分離する。偏光ビームスプリッター５２によって分離された第１及び第２の光Ｆ２１，Ｆ２２は、それぞれミラー５３−１、５３−２を介して検光子５４−１、５４−２によって１方向の第１及び第２の偏光成分のみが取り出され、ハーフミラー５５によって合波され、合波光Ｋ２０として光判定処理部７に入力され、その出力信号が光駆動素子１８に出力される。光電駆動素子１８の出力側は、制御線１９により回路遮断器３８−１，３８−２，３８−３の制御装置に接続されている。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

ここで、図１２において、偏波面の方向を定義する方向軸をそれぞれ、直交する二軸である水平軸Ｘ及び垂直軸Ｙの方向にとる。すると、１／４波長板４１−１に入射する第１の光（光Ｂ２１）の偏光状態は、図１２（ａ）の直線ＬＮ１となる。磁気光学素子４２に入射する第１の光の偏光状態は、図１２（ｂ）の右回りの円偏光を示す円ＣＲ１となる。磁気光学素子４２を透過した第１の光の偏光状態は、図１２（ｃ）の右回りの円偏光を示す円ＣＲ２となる。１／４波長板４１−２を透過した第１の光（光Ｃ２１）の偏光状態は、図１２（ｄ）の直線ＬＮ２となる。

また、１／４波長板４４−１に入射する第２の光（光Ｃ２２）の偏光状態は、図１２（ｅ）の直線ＬＮ３となる。磁気光学素子４５に入射する第２の光の偏光状態は、図１２（ｆ）の左回りの円偏光を示す円ＣＲ３となる。磁気光学素子４５を透過した第２の光の偏光状態は、図１２（ｇ）の左回りの円偏光を示す円ＣＲ４となる。１／４波長板４４−２を透過した第２の光（光Ｄ２２）の偏光状態は、図１２（ｈ）の直線ＬＮ４となる。

このような構成において、光源１から出射された光は検光子３６−１によって、ある方向の偏光成分ＬＮ１（図１２（ａ））のみが透過され、ミラー３７を介して偏光ビームスプリッター３９に入射される。また、光源１から出射された光は、検光子３６−２によって検光子３６−１と偏光方向が相直交する方向の偏光成分ＬＮ３（図１２（ｅ））が透過され、偏光ビームスプリッタ３９に入射される。偏光ビームスプリッター３９は入射された偏光方向が相直交する２つの偏光成分ＬＮ１，ＬＮ３を効率よく合波し、偏波面保存ファイバ４０に入射する。

偏波面保存ファイバ４０は、相直交する２つの（直線）偏光成分ＬＮ１，ＬＮ３を互いに混入させずに伝送させるもので、ファイバの伝播させる偏光軸の方向が入射された光の偏光方向と一致するようファイバの回転方向を調整している。１／４波長板４１−１に入射した一方の偏光成分例えば偏光成分ＬＮ１は円偏光ＣＲ１（図１２（ｂ））に変換され、磁気光学素子４２に入射される。

磁気光学素子４２は、印加される磁界に応じて素子を透過する円偏光に位相変化を与える特性を有するものであり、右回りの円偏光と左回りの円偏光とで変化量が異なるものである。そして、１／４波長板４１−１により円偏光ＣＲ１に変換して磁気光学素子４２に入射することにより、上記送電線路３−１の導体を流れる電流に応じた位相変化が磁気光学素子４２の透過する円偏光に与えられることとなる。磁気光学素子４２の透過光である右回りの円偏光ＣＲ２（図１２（ｃ））は１／４波長板４１−２を透過することにより、再度直線偏光ＬＮ２（図１２（ｄ））に変換され、偏波面保存ファイバ４３に入射され、伝播される。

伝播された光は、上記と同様に以下の１／４波長板４４−１、磁気光学素子４５、１／４波長板４４−２、偏波面保存ファイバ４６を伝播する。さらに、１／４波長板４７−１、磁気光学素子４８、１／４波長板４７−２、偏波面保存ファイバ４９を伝播する。各磁気光学素子４２，４５，４８を通過するごとに各送電線３−１，３−２，３−３の電流値に対応した位相変化を加算していくことになる。

一方、偏波面保存ファイバ４０に入射した、もう一方直交する直線偏光ＬＮ３についても、電流に対する位相変化を受けて透過することとなる。円偏光ＣＲ３が受ける位相変化は、右回りの円偏光ＣＲ２と比較して係数が変わるものの、印可する磁界強度に対応した変化量となる。ここでは、両者の位相変化量の和に注目することから、これ以降の説明の便宜上、一方の光のみに位相変化が起こる（変化量は両者の和である）こととして説明を行う。

この現象を数式で示すと次のようになる。
上記のように、相直交する偏波方向をもつ２つの直線偏光を磁気光学素子（ファラデー素子）に１／４波長板を通して入力し、さらに１／４波長板を通して出力する。偏光ＬＮ１（図１２（ａ））の場合、ファラデー素子から出力した光は、流れている電流値に対応した分の位相変化が発生し、１／４波長板を透過させると、ｘ，ｙ成分ともに同じ位相変化が加えられた直線偏光ＬＮ２（図１２（ｄ））に変換される。一方，直線偏光ＬＮ３（図１２（ｅ））の場合、磁気光学素子から出力した光には、位相差は発生しないとみなす。

この結果、出力された光は以下のようになる。
Ｅ１ｘ＝ｅｘｐ（ｉ（ωｔ＋φｍ）） ・・（２１）
Ｅ１ｙ＝ｅｘｐ（ｉ（ωｔ＋φｍ）） ・・（２２）
Ｅ２ｘ＝ｅｘｐ（ｉ（ωｔ）） ・・（２３）
Ｅ２ｙ＝ｅｘｐ（ｉ（ωｔ＋π）） ・・（２４）
ここで、Ｅ１は直線偏光ＬＮ１による電場、Ｅ２は直線偏光ＬＮ３による電場を示す。
φｍ：ｍ番目の磁気光学素子で発生した位相変化＝β・Ｉｍ
＝β・Ａｍ・ｃｏｓ（ωｏ・ｔ＋α１） ・・（２５）
ここに、β：電流・屈折率変換係数，ωｏ＝２πｆｏ：ｆｏ＝商用周波数
である。

そして、順次、磁気光学素子を透過させると、透過後の光は以下のようにあらわされる。
Ｅ１ｘ＝ｅｘｐ（ｉ（ωｔ＋Σφｍ）） ・・（２６）
＝ｅｘｐ（ｉ（ωｔ＋Σβ・Ｉｍ）） ・・（２７）
Ｅ１ｙ＝ｅｘｐ（ｉ（ωｔ＋Σφｍ）） ・・（２８）
＝ｅｘｐ（ｉ（ωｔ＋Σβ・Ｉｍ）） ・・（２９）
Ｅ２ｘ＝ｅｘｐ（ｉ（ωｔ）） ・・（３０）
Ｅ２ｙ＝ｅｘｐ（ｉ（ωｔ＋π）） ・・（３１）
ここで、Σは透過した磁気光学素子にわたる総和を示す。

このように、相直交する２つの偏光のうち、一方についての最終素子の透過光は各磁気光学素子における位相変化が加算された光となる。他方の光については、相対的に位相変化がないとみなすことができる。
最終の磁気光学素子から出力され、偏波面保存ファイバ４９を伝播する光には、上記２つの光Ｅ２１，Ｅ２２が含まれている。この出力光を偏光ビームスプリッター５２にて２つの直線偏光Ｆ２１，Ｆ２２に分離し、それぞれを検光子５４−１，５４−２を透過させることにより、両光の同一方向成分のみを取りだし、ハーフミラー５５によって合波することにより、両光を干渉させる。

これは２つの光Ｅ２１，Ｅ２２のｘ成分同士の干渉を取ることとなり、その干渉の光強度Ｉは数式的に
Ｉ＝│Ｅ１＋Ｅ２│^２ ・・（３２）
＝│ｅｘｐ（ｉ（ωｔ＋Σφｍ））＋ｅｘｐ（ｉ（ωｔ）│×ｅｘｐ（ｉ（ωｔ＋Σφｍ））＋ｅｘｐ（ｉ（ωｔ）│ ・・（３３）
＝２＋２Ｒｅ（Ａ１１ｘ・Ａ１２ｘ）・ｃｏｓ（Σφｍ）
・・（３４）
となる。

このうち光信号中の交流成分に着目すると
ｃｏｓ（Σφｍ）＝ｃｏｓ［Σβ・Ｉｍ］ ・・（３５）
＝ｃｏｓ［Σβ・Ａｍ・ｃｏｓ（ωｏ・ｔ＋αｍ）］
・・（３６）
ここに、ωｏ＝２π・６０（Ｈｚ）
となる。

従って、実施の形態１と同様に、送電線路３−１〜３−３の状況に対する交流成分の信号波形は、次のように状況に応じた変動を示すこととなる。
（ｉ）無負荷
無負荷の場合、Ａｍ＝０であることから、
Σφｍ＝Σβ・Ｉｍ
＝Σβ・Ａｍ・ｃｏｓ（ωｏ・ｔ＋αｍ）＝０ ・・（３７）
ｃｏｓ（Σφｍ）＝１
となり、干渉強度信号は
Ｉ＝│Ｅ１＋Ｅ２│^２＝２＋２Ｒｅ（Ａ１１ｘ・Ａ１２ｘ）
・・（３８）
で表わされ、交流成分が０となる。

（ｉｉ）正常負荷（事故発生なし）、或いは外部事故発生の場合
キルヒホッフの法則により
Σβ・Ｉｍ＝０
が成り立ち、無負荷時と同様に
ｃｏｓ（Σφｍ）＝１
となることから、干渉強度信号は無負荷時と同様に
Ｉ＝│Ｅ１＋Ｅ２│^２＝２＋２Ｒｅ（Ａ１１ｘ・Ａ１２ｘ）
・・（３９）
となり、交流成分が０となる。

（ｉｉｉ）内部事故発生の場合
キルヒホッフの法則が成り立たず、
Σβ・Ｉｍ ≠０
であることから干渉強度信号は、
Ｉ＝２＋２Ｒｅ（Ａ１ｘ・Ａ２ｘ）・cｏｓ［Σβ・Ａｍ・ｃｏｓ（ωｏ・ｔ＋αｍ）］ ・・（４０）
となり、交流信号成分が発生する。

従って、変電所内の送電線路３−１〜３−３に短絡や地絡などの内部事故が発生すると、出力光Ｊ２０に交流成分が発生する。実施の形態１と同様の光判定処理部７及び光駆動素子１８を使用し、この出力光Ｊ２０を光判定処理部７に入力することにより、内部事故発生の場合、光判定処理部７の出力光Ｋ２０が急峻に立ち上がる。この高レベルの出力光Ｋ２０が光駆動素子１８に入力され、急峻に立ち上がる電気信号であるオン信号に変換され、制御線１９を介して各回路遮断器３８−１〜３８−３を開閉制御することにより、送電線路３−１〜３−３の保護を行う。なお、光判定処理部７の代わりに図６の光判定処理部１００や図７の光判定処理部８０を用いてもよい。

この実施の形態においては、磁気光学素子を１／４波長板ではさみ、各磁気光学素子を偏波面保存ファイバで直列に接続し、出力光の干渉を行なわせることにより、光信号の領域で電流の和を演算している。このように、電流の測定及び加算を光信号で行い、光判定処理部を実施の形態１や２と同様に構成することにより、電磁サージに対する対策を容易に行うことができる。

この発明の実施の一形態である保護継電装置の構成を示す構成図である。 図１の光電流センサからの光出力波形を示す波形図である。 図１の三つの光電流センサの光出力信号を加算した合波波形図である。 図１の液晶の動作特性を示す特性図である。 図１の判定処理部の動作を説明するための説明図である。 この発明の他の実施の形態である保護継電装置の主要部の構成を示す主要部構成図である。 さらに、この発明の他の実施の形態である保護継電装置の構成を示す構成図である。 図７の光判定処理部の動作を説明するための説明図である。 さらに、この発明の他の実施の形態である保護継電装置の主要部の構成を示す主要部構成図である。 図９の磁気カー効果素子の偏光面回転特性を示す特性図である。 さらに、この発明の他の実施の形態である保護継電装置の構成を示す構成図である。 図１１の保護継電装置の動作を説明するための説明図である。

符号の説明

３−１〜３−３ 送電線路、４−１〜４−３ 光電流センサ、６ 合波器、
７ 光判定処理部、８ 光電変換素子、９ 液晶、１７ 帰還回路、
１８ 光駆動素子、４１−１，４１−２ １／４波長板、４２ 磁気光学素子、４４−１，４４−２ １／４波長板、４５ 磁気光学素子、
４７−１，４７−２ １／４波長板、４８ 磁気光学素子、
５０ 光判定処理部、８０ 光判定処理部、８１ 光モジュール、
８２，８５ 透明電極、８３ 光伝導素子、８４ 液晶、８９ 帰還回路、
９０ 光判定処理部、９１ 偏光子、９３ 検光子、１００ 光判定処理部、
１０１ フィルタ、１０２ 光変調器。

Claims (6)

1. 電力設備に設けられた複数の導体の近傍にそれぞれ配設され上記各導体に流れる電流に応じてそれぞれ光信号を出力する複数の光電流センサ、
   この光電流センサの上記光信号を光学的に加算して光学的な合波信号を出力する光演算手段、
   上記合波信号を受光して電気信号を出力する光電変換手段と上記電気信号により駆動され光源から投射された投射光を透過させる割合を上記電気信号の電圧に応じて変化させる光透過率制御手段と上記光透過率制御手段を透過した光を分岐し上記合波信号に加算する光帰還手段とを有し上記合波信号のレベルが所定値を超えたとき上記電力設備が故障であると判定し所定の強さの光出力信号を出力する光判定処理手段、及び
   上記光出力信号に基づいて上記電力設備を保護する保護指令信号を発信する保護指令信号発信手段
   を備えた保護継電装置。
2. 上記光電流センサは磁気光学素子であり、
   上記光演算手段は、相直交する方向に偏光する２つの直線光を生成した後両者を合波して合波光として上記磁気光学素子に入射させる投光ビーム発生手段、上記光演算手段は上記各磁気光学素子の入力側に設けられ上記磁気光学素子に入力される上記合成光の偏波を円偏光に偏光させる第１の偏波モード偏光手段、上記各磁気光学素子の出力側に設けられ上記磁気光学素子から出た光の偏波を直線偏光に偏光させる第２の偏波モード偏光手段、上記磁気光学素子のうちの一の磁気光学素子の出力側に設けられた上記第２の偏波モード偏光手段と上記一の磁気光学素子とは別の磁気光学素子の入力側に設けられた上記第１の偏波モード偏光手段とを光学的に接続するものであって偏波面の保存が可能な偏波面保存光ファイバを有し、上記一の磁気光学素子の上記光信号と上記別の磁気光学素子の上記光信号とが光学的に加算された光加算信号を上記別の磁気光学素子の出力側に設けられた上記第２の偏波モード偏光手段の出力側から得て、得られた上記光加算信号を上記相直交する方向に偏光する２つの直線偏光に分離し上記２つの直線偏光について同一方向の偏光成分を取り出し合波し干渉させて上記合波信号として出力するものである
   ことを特徴とする請求項１に記載の保護継電装置。
3. 上記光判定処理手段は、上記光電変換手段の上記電気信号から交流成分を抽出してこの交流成分により上記光透過率制御手段を駆動する交流成分抽出手段を有するものであることを特徴とする請求項１に記載の保護継電装置。
4. 電力設備に設けられた複数の導体の近傍にそれぞれ配設され上記各導体に流れる電流に応じてそれぞれ光信号を出力する複数の光電流センサ、
   この光電流センサの上記光信号を光学的に加算して光学的な合波信号を出力する光演算手段、
   上記合波信号を受光する磁気カー効果光学素子と、この磁気カー効果光学素子に別途直線偏光特性を有する光を投射する投光手段と、上記磁気カー効果光学素子からの反射光のうち一方向の偏光成分を抽出して光出力信号として出力する偏光抽出手段とを有し、上記合波信号のレベルが所定値を超えたとき上記電力設備が故障であると判定し上記光出力信号が所定の強さになるようにされたものである光判定処理手段、及び
   上記光出力信号に基づいて上記電力設備を保護する保護指令信号を発信する保護指令信号発信手段
   を備えた保護継電装置。
5. 電力設備に設けられた複数の導体の近傍にそれぞれ配設され上記各導体に流れる電流に応じてそれぞれ光信号を出力する複数の光電流センサ、
   この光電流センサの上記光信号を光学的に加算して光学的な合波信号を出力する光演算手段、
   直列回路と電源と光帰還手段とを有し、上記直列回路は第１の透明電極と光伝導体と光透過率制御手段と第２の透明電極とが光学的及び電気的に直列に接続されたものであり、上記電源は上記第１及び第２の電極間に所定の電圧を印加するものであり、上記光伝導体は上記光演算手段から上記合波信号が入射され上記入射された合波信号の強さに応じてその電気抵抗が変化するものであり、上記光透過率制御手段は上記光透過率制御手段と上記光伝導体との直列回路により上記電源の電圧を電気的に分圧した分圧が印加されるとともに入射された上記合波信号を透過させる割合を上記分圧に応じて変化させて光出力信号として出力するものであり、上記合波信号のレベルが所定値を超えたとき上記電力設備が故障であると判定し上記光出力信号が所定の強さになるようにされたものである光判定処理手段、及び
   上記光出力信号に基づいて上記電力設備を保護する保護指令信号を発信する保護指令信号発信手段
   を備えた保護継電装置。
6. 上記光判定処理手段は、上記電源が交流電源であって上記光透過率制御手段に上記交流電源の電圧を電気的に分圧した電圧が印加されるものであることを特徴とする請求項５に記載の保護継電装置。

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