JP4987055B2

JP4987055B2 - 簡潔な光ファイバ・ファラデー効果センサの補償

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Publication number: JP4987055B2
Application number: JP2009233665A
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Inventors: ラース・ネルゴー・ビエルン
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Description

本発明は、偏光の検出を備えるファラデー光学式電流センサに関する。さらに、本発明は、ファラデー光学式電流センサを備える電流センサ・システムを較正する方法に関する。

電力業界には、電力の急変および大電流パルスの測定に関して変電所を監視するというニーズが存在する。これらの目的に対して、ファラデー効果電流センサは、いくつかの利点を有している。ファラデー効果電流センサは、誘電体から構成することができ、大きな電磁干渉の存在下での大電流の測定において非常に重要である。ファラデー効果電流センサには、電流によって生成される磁界に応答してファラデー効果を呈する材料で形成された光ファイバのコイルまたは複数の光ファイバを使用することができる。米国特許第４，８９４，６０８号、米国特許第５，０５１，５７７号、米国特許第５，４８６，７５４号、米国特許第５，８１１，９６４号、および米国特許第６，０４３，６４８号など、いくつかの先行技術の特許文献が、ファラデー光学式電流センサを開示しており、これらはここで言及することによって本明細書に組み込まれたものとする。

ファラデー効果電流センサにおいては、偏光している入射光の偏光面が回転にされ、この回転が、測定しようとしている電流によって生み出された磁界の関数である。

測定しようとしている電流を、当該光学式センサの出力側における光の偏光面の回転の角度を測定することによって、割り出すことができる。光がガラス棒を通過するとき、その光は回転される。回転の角度は、下記の式
β＝Ｖ×Ｂ×ｄ
によって表現することができ、ここで、βは回転の角度であり、ｄは検出素子の長さであり、Ｖはガラス棒の材料定数であってベルデ定数と呼ばれ、Ｂはベクトルとして記載された磁界である。ベルデ定数は、温度および波長の両者について依存性を有する。

ファラデー効果電流センサにおいては、光源が光を生成し、その光が、磁気‐光学感受性材料を通過して移動する前に、偏光フィルタを通過し、あるいは他の方法で偏光させられる。偏光した入射光が回転され、この回転が、測定しようとしている電流が生成している磁界の関数である。測定しようとしている電流を、ファラデー光学式電流センサの出力側における光の偏光面の回転の角度を測定することによって、割り出すことができる。
米国特許第４，８９４，６０８号公報米国特許第５，０５１，５７７号公報米国特許第５，４８６，７５４号公報米国特許第５，８１１，９６４号公報米国特許第６，０４３，６４８号公報

光源および検出器を備えてなる光ファイバ電流センサは、何よりもまず、検出回路における光学的ノイズ、光源における電気的ノイズ、近傍のインダクタおよびシステムからの磁界の干渉、センサの取り付けおよび設定、導体（コンダクタ）の形状および直径、センサの製造公差、ベルデ定数に対する温度の影響、光源および検出器に対する温度の影響、ならびに製品寿命にわたる光源および検出器の劣化の影響を受けやすい。

測定しようとする電流の割り出しは、いくつかの誤差の原因となりやすい。光学または電気回路に基づくあらゆるシステムは、光学的ノイズや電磁源からの干渉など、ノイズおよび他の信号劣化の影響を受けやすい。光源、光検出ユニット、および光ファイバなどの光学的経路を有するシステムは、レンズや光ファイバなどの光学的経路または装置を形成するために使用されている材料中の欠陥によって引き起こされる光学的減衰によって、感度の喪失を受ける可能性がある。光源および光検出回路は、電気的ノイズあるいは近傍のインダクタまたはシステムからの磁界の干渉にさらされ、あるいは電源の変動によって引き起こされるノイズにさらされうる。さらに、温度などの環境条件が、ベルデ定数などの材料の特性に影響し、光源および光検出回路において生じるノイズにも影響する。さらに、すべての電気部品および光源ならびに光検出素子は、経時劣化の問題を抱えている。以上述べたすべての要因が、システムによって実行される測定の正確さを低下させる原因となっている。

ファラデー光学式電流センサの使用による変電所の測定および監視の開始に先立つ較正が、導体中の電流のより正確な測定をもたらすものと考えられる。さらに、正確な測定は、一定の量の光を出力する安定した光源を備えることに依存し、あるいは光源からの光の強度の変化ならびに温度変化によって生じる光強度の変化を割り出すことに依存する。

さらに本発明は、導電体中の電圧電流を測定するための、電圧電流が発生する磁界によって偏光面が回転された光を出力するファラデー効果電流測定システムを較正する方法であって、
電圧電流を伝える導電体を設けるステップと、
光源を設けるステップと、
前記光源が接続された第１の端部および反対側の第２の端部を定めており、前記光源の放射する光が進入する第１の光経路を設けるステップと、
第１の端部および反対側の第２の端部を定めており、該第１の端部が前記第１の光経路の前記第２の端部に接続されており、前記第１の光経路からの光を受信する前記ファラデー効果電流測定システムを導電体に設けるステップと、
第１の端部および反対側の第２の端部を定めており、該第１の端部が前記ファラデー効果電流測定システムの前記第２の端部に接続され、前記ファラデー効果電流測定システムで偏光面が回転された光が進入する第２の光経路を設けるステップと、
前記第２の光経路の前記第２の端部に接続され、前記第２の光経路からの光を第１の電気信号に変換するための光検出手段を設けるステップと、
前記導電体中の電流を測定して対応する第２の電気信号を出力する、前記ファラデー効果電流測定システムとは別の電流測定装置を導電体に設けるステップと、
第１および第２の電気信号に基づいて前記ファラデー効果電流測定システムの電圧電流測定結果を較正するための較正定数の初期値を算出するステップと、
前記第１の電気信号のＡＣおよびＤＣ成分を測定し、前記較正定数の初期値を算出したときに且つ磁界が発生していないときに測定されたＤＣ成分の初期値と、測定されたＤＣ成分から、測定されたＡＣ成分に含まれるＤＣ成分を減算して得られた値との比を、前記較正定数の初期値に乗算することにより、前記較正定数を補正するステップと、
を含んでいる方法に関する。

本発明の特定の態様によれば、この方法が、
前記較正定数を補正したときの前記第１の電気信号のＤＣ成分を測定し、以後は前記第１の電気信号のＤＣ成分を周期的に測定するステップ、および
測定したＡＣ成分を、前記較正定数を補正したときのＤＣ成分と前記周期的に測定されたＤＣ成分との比で乗算することによって、実際のＡＣ成分を前記ファラデー効果電流測定システムの測定結果として算出するステップをさらに含んでいる。

本発明による方法は、好ましくは、本明細書に記載するファラデー電流測定装置を使用して実装される。

以下、本発明を、図面を参照しつつさらに説明する。

図１は、ファラデー光学式電流センサ１０の概略断面図であり、図２は、図１のファラデー光学式電流センサ１０を拡大した概略断面図である。ファラデー光学式電流センサ１０は、第１の端部および反対側の第２の端部（それぞれ符号１４および１６で指し示されている）を定める細長いハウジング１２を有している。ハウジング１２の第１の端部１４に、第１のシーリング１８が取り付けられており、第１のシーリング１８は、第１の光ファイバ２０を受け入れるための開口を有している。第１のファイバ固定具２２が、ハウジング１２内に取り付けられている。第１のファイバ固定具２２は、光ファイバ２０を受け入れるための開口を有している。光学レンズ２４が、光ファイバ２０およびファイバ固定具２２を受け入れるための収容部を有している。第１の偏光フィルタ２６が、光学レンズ２４に光学的に連続して取り付けられている。ガラス棒２８が、第１の偏光フィルタ２６と光学的に連続している。ガラス棒２８の他端には、第２の偏光フィルタ３０が、ガラス棒２８に光学的に連続して取り付けられている。第２の光学レンズ３２が、第２の偏光フィルタ３０に光学的に連続して取り付けられている。第２の光学レンズ３２は、第２のファイバ固定具３４を受け入れるための収容部を有している。第２のシーリング３６が、第２の光ファイバ３８を受け入れるための開口を有している。

２つの光ファイバ２０、３８が、それぞれ第１および第２のシーリング１８、３６を通って第１および第２のファイバ固定具２２、３４に挿入される。光ファイバ２０、３８は、２つのセンサ蓋４０、４２によってそれぞれハウジング１２に機械的に固定される。センサ蓋４０、４２は、ファイバ２０、３８を固定するとともに、ファラデー光学式電流センサ１０を密封している。

センサ蓋５６、５８を成型するために使用される材料は、好ましくは、−４０〜１５０℃の範囲の温度に耐えることができるプラスチック材料であり、電気絶縁特性を有している。この材料は、好ましくは、４００〜１０００ｎｍの範囲の光に対して非透過性である。上述の特性を備える材料としては、Ｕｌｔｅｍ（登録商標）またはＰｅｅｋ（登録商標）などのプラスチック材料が可能である。

さらに、ハウジング１２は、ファラデー光学式電流センサ１０をプラスチック帯または他の固定手段によって導体へと取り付けるため、１組の羽根４４を備えることができる。

図３は、ファラデー光学式電流センサ１０の概略の側面図であり、ガラス棒２８と平行に延びるハウジング１２内の溝４６が示されている。溝４６は、導体へのファラデー光学式電流センサ１０の固定を改善するため、平坦な底部壁あるいは丸められた定部壁を有することができる。溝４６は、ガラス棒２８を導体に可能な限り近づけるとともに、ファラデー光学式電流センサ１０を導体に対して９０°の角度で固定するというさらなる利点をもたらすため、ハウジングに導入されている。溝４６の幅は任意であってよいが、好ましくは、ガラス棒２８の長さと同じ長さ、またはガラス棒２８の長さよりも短い長さを有している。固定用の羽根４４は、溝４６の幾何的延長として組み込まれてもよい。

図４は、ファラデー光学式電流センサ１０の一端１４の概略図である。この図は、ハウジング１２内に取り付けられた第１の偏光フィルタ２６を示している。

図５は、図４に示したファラデー光学式電流センサ１０の他端の概略図である。この図は、第１の偏光フィルタ２６に対して４５°回転させられてハウジング１２内に取り付けられた第２の偏光フィルタ３０をさらに説明している。これら偏光フィルタの幾何学的構成が、正方形であるとして示されているが、それに代わって、これらフィルタは、２つの偏光フィルタの偏光面がそれぞれ４５°回転させられている限りにおいて、任意の幾何学的構成を有することができる。

以下の機械的寸法を有するファラデー光学式電流センサ１０のプロトタイプ版を製作した。ハウジング１２の全長は６５ｍｍであり、直径は１２．６ｍｍである。ファイバを収容するための開口は、７．５ｍｍである。羽根４４は、端部から端部まで１１．６ｍｍ×４０ｍｍの全体寸法を有している。溝は、４５ｍｍの長さを有している。ガラス棒は、３５ｍｍの長さおよび４ｍｍの直径を有している。偏光フィルタは正方形であり、各辺は５．３ｍｍである。

図６は、磁気‐光トランスデューサにおけるファラデー効果を利用して導体中の電流を測定するためのシステムの概略図である。このシステムは、光源４６を有している。光源は電球であってよく、あるいはＬＥＤベースの光源であってよい。光源４６から発せられた光は、光ファイバなどの第１の光伝導体４８を通って案内される。光伝導体４８は、２つの偏光フィルタ２６、３０と磁気‐光学材料とを有するファラデー光学式電流センサ１６に接続されている。偏光フィルタ２６、３０は、それぞれ４５°回転させられている。ファラデー光学式電流センサ１０は、１０ｋＶなどの高電圧の電流が流れる導体５０上に取り付けられている。ファラデー光学式電流センサ１０の出力端は、光ファイバなどの第２の光伝導体１８に接続されている。第２の光伝導体１８は、アナログ光信号をデジタル信号に変換する検出システム５４に接続されている。検出システム５４からのデジタル信号は、信号処理ユニット５６へと供給され、信号処理ユニット５６が、当該データについていくつかの計算を実行する。較正の目的のため、測定装置５８が導体５０上に取り付けられている。測定装置５８は、電流測定システム６０へと接続され、信号処理ユニット５６へと更なるデータをもたらしている。

信号処理ユニット５６は、検出システム５４からのデータおよび電流測定システム６０からのデータに関し、比較、保存、および計算の実行を行なう。

システムの較正は、検出システム５４および電流測定システム６０からのデータを信号処理ユニット５６にて比較することを必要とし、次いで信号処理ユニットは、それらのデータを保存する。較正の最後において、保存されているそれぞれの装置からのデータが合計される。電流測定システム６０からのデータの合計が、検出システム５４からのデータの合計で除算される。この除算の結果が、較正値として使用され、この較正値が、信号処理ユニット５６に保存される。電流測定システム６０および測定装置５８を、この構成から取り外すことができる。

図６に示した構成は、光源４６を有しており、ファラデー光学式電流センサ１０および光検出システム５４が、光源４６における電気的ノイズ、検出ユニット５４における光学的ノイズ、および近傍のインダクタおよびシステムからの磁界の干渉の影響を受けやすい。センサ１０の取り付けおよび構成、ならびに測定しようとする導体の形状および直径が、システムによって実行される測定を左右する。システムは、温度変化が頻繁に生じうる世界中のさまざまな場所で使用される。温度が、光源４６および検出システム５４内の検出器回路の動作に対し、影響を及ぼす可能性がある。さらに、光源４６および検出システム５４、ならびにシステムの他の構成要素は、動作および製品寿命にわたって劣化する可能性もある。正確な測定は、安定した光源、および実装されたシステムについての補償係数の決定、ならびに光源の出力の変化、検出システムの長期変動、および周囲の環境の温度変化の記録に依存する。

図７は、電流測定システムの検出システム５４の概略図である。検出システムは、検出システム５４が光経路１８から受け取った光を変換する光感知素子６４を有している。光感知素子６４は、光を電気信号に変換する。この電気信号は、ＡＣおよびＤＣ成分からなるが、２つに分割されて２つの増幅器６６、６８に供給され、増幅器６６からの増幅済み信号が、当該増幅済み信号からＤＣ成分を分離するＤＣ分離器７０に供給される。増幅器６８からの増幅済み信号は、当該増幅済み信号からＡＣ成分を分離するＡＣ分離器７２に供給される。アナログ信号処理ユニット７４が、ＤＣ分離済み信号およびＡＣ分離済み信号を、アナログ信号からデジタル信号へと変換する。ＤＣ信号は、システムの較正の際に測定されて保存されたＤＣ信号値と比較される。較正されたＤＣ成分からの変化の割合が、ＡＣ成分へと乗算される。光学式ファラデー効果センサからの信号は、ＤＣおよびＡＣ成分を含んでいる。ＡＣ成分は、ファラデー光学式電流センサ１０に時間変化する磁界が加わったときに生じる。ＡＣ信号が、ＤＣ成分、検出システムの長期変動および周囲の環境の温度変化を含む場合、ファラデー光学式電流センサ１０にＤＣまたは非磁界が印加されると、ＤＣ成分が発生する。

図８は、それぞれが高電圧導体である３つの導体７６、７８、８０を備える構成の概略の断面図である。それぞれの導体の周囲の同心円は、それら導体から放射される電磁界を表わしており、センサ１０による導体７８から発せられる電磁界の測定が、他の導体７６、８０から放射される電磁界によって影響されうることを示している。較正プロセスが、センサ１０に影響を及ぼす近傍の導体および周囲の他の電磁界からの干渉を除くために行なわれる。これら他の磁界は、当該センサが取り付けられてなる変電所内の電気設備からもたらされ、あるいは当該センサが取り付けられた導体から放射された電磁界が変電所の内部から反射されてもたらされ、あるいは近傍の導体から発せられた電磁界が反射されてもたらされうる。

図９は、ファラデー光学式電流センサ１０を矩形の導体８２に取り付けて備える構成を示している。

図１０は、円形の導体８４に直接取り付けられたファラデー光学式電流センサ１０を示している。

図１１は、円形の導体８６へと取り付けられたファラデー光学式電流センサ１０の概略の断面図であって、導体８６は、導電性コア８８および導電性コア８８の周囲を囲んで配置された絶縁層９０を有している。ファラデー光学式電流センサ１０は、点測定センサであり、磁場（B-field）の形状およびインダクタとの間の距離が、考慮すべきパラメータである。センサ・システムの現場での較正は、磁場形状のばらつきおよびインダクタからの距離、ならびに他の源から生じて存在する静電磁界を補償する。

ファラデー光学式電流センサ１０に磁界が加わっていないときのＤＣ成分の振幅は、光源から発せられる光の強度、光学系を通じての抵抗、および検出器回路によって決まる。光学式ファラデー効果電流センサにＤＣ磁界が加わっていない場合には、信号のＡＣおよびＤＣ成分が、線形な相関を有する。

図１２は、図６の検出システム２０および信号処理ユニット２２のプロトタイプの実装の概略のブロック図である。モジュール１００が、ファラデー光学式電流センサ１０からの信号を図７に詳しく示した検出システム２０へと入力するセンサ入力９２を有する。低電圧降下線の数に対応する複数の光カプラーが、電圧降下線の電圧を測定するために使用されているが、これらの電圧はＡＣ４００ボルトの範囲にある。プロトタイプの実装において、モジュールは、さらにユーザインターフェイス入力‐出力ポート９６を備えており、プロトタイプ版において入力‐出力９６は、ＲＳ‐２３２シリアル通信ポートである。入力‐出力ポート９６は、システムの設定および初期の較正において使用されるユーザインターフェイス・モジュール１０６に接続されている。

検出システム２０および４００ＡＣモジュール９８からのデータは、信号およびデータ処理ユニット１０４へと送られ、信号およびデータ処理ユニット１０４が、電流と電圧との間の面角を割り出すためのフェース・マッチングを実行する。測定システムのプロトタイプの実装においては、信号およびデータ処理ユニットが、組み込みのデュアル・プロセッサ・アプリケーションとして実装されている。システムの機能が、測定部と通信部とに分割されている。測定部が、６つの電流チャネルの走査、３つの電圧チャネルの走査、および収集したデータについての計算を担当している。

モジュールは、プロセッサ・ユニット１０４のデータ処理ユニットによって収集されたデータを通信するための通信モジュール１０６をさらに有している。システムを遠方の位置へと据え付けて、変電所の運転の自動監視に使用することができるため、システムを、配電ネットワークの安全な動作のために複数の変電所からデータを収集する中央のデータ収集サイトに接続することができる。通信モジュール１０６は、データ処理ユニット１０４からのデータをＧＳＭ（登録商標）および／またはＩＳＤＮなどの通信プロトコル、またはＴＣＰ／ＩＰなどのデータ通信プロトコルへと変換するよう構成されたモジュールによって構成できる。モジュールは、通信モジュールがＧＳＭモジュールである場合はアンテナであり、あるいは構内通信網ポートなどである送信器ユニット１０８をさらに備えている。モジュール１００は、モジュールに電力を供給する電源１１０をさらに備えている。電力は、電力をシステムの動力として分配するとともに、電源故障時のモジュール１００の安全な動作のためにバッテリ・モジュール１１４を充電する電力管理ユニット１１２へと供給される。

モジュール１００のプロトタイプの実装において、変電所の状態を通信するためのプロトコルを、以下でいくつかの図表で詳しく説明する。

図１３〜１８は、本発明によるプロトタイプ版の概略のブロック図である。図において、すべての構成部品は名称および製品番号で記載されており、上記の説明を考慮に入れたとき自明であると考えられる。

図１３は、本発明による１０ｋＶ変電所（ＳＳ）のプロトタイプ版の概略のブロック図である。

図１４Ａは、ＤＣ電流センサの概略のブロック図である。プロトタイプ版においては、ＤＣセンサは６つのチャネルを有し、各チャネルに、図１４Ｂに詳細に示されているセンサ回路からの信号が供給されている。

図１５Ａは、電流センサの概略のブロック図である。プロトタイプ版においては、センサは６つのチャネルを有し、各チャネルに、図１５Ｂに詳細に示されているセンサ回路からの信号が供給されている。

図１６は、電圧センサ回路の概略のブロック図である。

図１７Ａは、電力管理回路を示した概略のブロック図である。

図１７Ｂは、図１７Ａに示した電力管理回路と協働する電力管理回路を示した概略のブロック図である。

図１８は、ＲＳ‐２３２通信ポートおよびこれに関連する信号についての概略のブロック図である。

以下では、本発明の別の実施形態を説明する。図１〜１８に関して説明され、この実施形態において再登場する部品には、同様の参照番号が添えられている。

図１９は、図１、２および３に類似する図示である。

図２０および２１は、本発明によるセンサ１０’の第２の実施形態を示している。センサ・ハウジング１２’が、センサ１０’における主たる要素である。ハウジング１２’は、ケーブルへの取り付けおよび光学系の固定を扱う。ハウジング１２’は、溶接可能に設計されている。プラスチックが、−４０℃〜２５０℃の温度に耐え、かつ電気および熱の絶縁効果を有するように設計される。現時点での好ましい実施形態において、センサ１０’は、ガラス補強なしのＰＥＥＫから作られている。ＰＥＥＫのグレードは、ＰＰＳと同様の化学および加水分解耐性を提供するが、より高い温度で機能できる。補強なしの圧縮成型ＰＥＥＫは、高度の耐摩耗性を提供する。

ＰＥＥＫは、物理的特性が恒久的に損なわれることなく、熱湯または蒸気中で最大４８０°Ｆ（２５０℃）で連続的に使用することができる。ＰＥＥＫは、Ｖ‐Ｏの可燃性格付けを有し、炎にさらされたときに煙および有毒ガスの放出がきわめて少ない。

センサの羽根４４’が、装置を電気ケーブルへと取り付けるために使用される。羽根４４’は、装置をケーブルへと固定するために最大５ｍｍの帯を使用することができるように形成される。帯は、好ましくは、幅広い温度範囲および厳しい環境の影響に耐えることができるよう、テフロン（登録商標）製である。センサの羽根４４’は、センサ・ハウジング１２’に一体化され、成型できるように設計されている。

ケーブルに面するセンサ１０’の表面において、センサ１０’は、直径がセンサ１０’の残りの領域に比べて小さくなっている領域４６’を有している。この領域４６’が、ケーブルに近接させたファラデー回転器の配置、およびケーブルに対するセンサ１０’の９０°配置を可能にする。

磁界の強度が、ほぼ１をケーブルからの距離で除算した値で小さくなっていくことから、導体とセンサ１０’との間隔が短いことが重要である。

ファラデー光回転器２８’が、ハウジング１２’内に取り付けられる。ガラス棒２８’が軽い締まり嵌めで取り付けられるよう、公差はきつめに保たれる。

偏光フィルタ２６’および３０’が、ガラス棒２８’と光学的に連続してハウジング１２’内に取り付けられる。フィルタ２６’および３０’は、お互いに対して４５°回転させられている。これは、最大の信号帯域幅を得るために行なわれている。

フィルタ２６’および３０’をガラス棒２８’へ接着することが試みられ、これにより、光学マトリクスを通過する光に４〜５％の増加がもたらされるはずである。しかしながら、ガラス、接着剤、およびフィルタにおける異なる温度勾配ゆえ、フィルタが応力検査に不合格であった。また、製造コストの点で効率的ではない。現時点での好ましい実施形態においては、ポラロイド（登録商標）・フィルタ２６’および３０’を固定するため、センサ・ハウジング１２’に小さな凹部が設計されている。フィルタ２６’および３０’は、温度変化に従って移動可能でありながら、依然として妥当な光学的構成を有している。フィルタ２６’および３０’は、正方形およびレンズの中に固定される。

ポラロイド（登録商標）・フィルタが、光の角度回転を眺めるために使用される。ポラロイド・フィルタはプラスチックで作られ、わずか０．２ｍｍの厚さである。ポラロイド・フィルタは、−４０℃〜８０℃の温度範囲において強度を保持するような材料からなる。このフィルタは直線偏光であり、製造において打ち抜き工具によって作られる。このフィルタは、ガラス棒へと直接蒸気付けできる。

レンズ２４’および３２’が、それぞれフィルタ２６’および３０’と光学的に連続してハウジング１２’内に取り付けられる。レンズ２４’および３２’が、ポラロイド（登録商標）・フィルタ２６’および３０’を正方形の中に保持する。レンズ２４’、３２’は、小さな締まり嵌めで取り付けられ、したがって光学マトリクス中に固定される。

光ファイバが、図２６に示されているファイバ固定具１２８へと配置される。ファイバ固定具が光学レンズ・システムへとはめ込まれたとき、ファイバの端部が、焦点に位置する。ファイバ固定具は、光学レンズ内に配置されたとき、ファイバの周囲を締め付けて機械的応力を管理する。

シリコン・シーリング１８’および３６’が、ハウジング１２’の両端に配置される。シーリング・プラグ１８’および３６’は、センサ１０’を密封してセンサ１０’を塵埃、蒸気、水、および他の劣化要因から保護するために使用される。シーリングは、ここには示されていないが、光ファイバの締め付けとしても機能する。

シーリングの機能は、センサ１０’の光学部分を主として水および塵埃に対して保全することにある。蓋がセンサ・ハウジング１２’へとプレスされたとき、シーリングが、機械的応力を担当すべくファイバに向かって押し付けられる。シーリングは、−４０℃〜１２０℃の温度範囲において強度を維持するように設計されている。化学品およびオゾンに対する良好な耐性を有している。

図１９および図２３に、２つのセンサ蓋４０’および４２’が示されている。センサ蓋４０’、４２’を、ハウジング１２’へと固定することができる。センサ蓋は、ハウジング１２’へと容易にはめ込むことができる。

それぞれのセンサ蓋は、ファイバの固定およびセンサ１０’の密封のために使用される。蓋４０’、４２’は、プラスチック溶接が可能であるように構成および設計されている。

蓋は、今のところ、ガラス補強なしのＰＥＥＫで作られており、好ましくはハウジング１２’と同じ材料である。センサ蓋４０’、４２’は、センサハウジングとの１回の固定を可能にする円錐を備えた設計である。

センサ蓋は、丸められた短い底部を有しており、シーリングでセンサ・ハウジング１２’内に取り付けられるとき、シーリングをファイバの周囲に圧迫して、センサ１０’を閉じ、塵埃または他の汚染物質から保護する。

光ファイバが、光放射器からの光をセンサ１０’へと運び、センサ１０’から光検出器へと運ぶ。

本発明の現時点の好ましい実施形態においては、光ファイバは、張力緩和のためのケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）補強を有する全二重ファイバである。光ファイバは、４００〜７００ｎｍの領域の可視赤色光に適合している。１ｍｍのコア直径、および２．２ｍｍの全体直径を有している。動作温度範囲は、連続的には−２５度から＋１００度までであり、短期的には最大１２０度である。ファイバ端の切断および研磨が、システムにとって重要である。ファイバは、９ｍｙスタンダードに従って３回の研磨ラウンドで研磨される。この研磨粒子サイズは、価格および光の減衰に照らし最適である。ファイバ端のセンサ・ハウジング１２’において、ファイバはシリコンで密封され、湿気がファイバに進入することがなく、ファイバ内部の沿面距離も生じ得ない。

ガラス棒の機能は、光回転器であり、センサ１０’における「モータ」である。ガラス棒は、６２０ｎｍの波長で０．０２３ｍｉｎ／Ｇ‐ｃｍという低いベルデ定数を有するＢＫ７材料で構成されている。ガラス棒は、端部において、Ｓ：Ｄが４０：６０に従って研磨され、材料は、成型後の製造において張力緩和されている。この材料は、温度に関して小さいベルデ定数の変化、信号のために小さいが充分なベルデ定数、および低いコストゆえに選択されている。

ガラス棒の幅は、レンズとの最適さから選択されている。磁界と光ビームとの間の角度は、コサイン関数として記載できる。磁界が光を前にして９０度である場合、回転作用は生じない。ガラス棒の長さは、信号出力に線形である。円形導体１２２上の磁場１２０が、図２５に示されている。

磁界による回転作用は、光と磁界との間の角度がより大きくなると減少する。システムにおける光の減衰も、良好な信号のために重要である。光がレンズによって曲げられるとき、それは最適な方向に対して完璧に真っ直ぐではなく、したがってガラス棒が長くなれば通過する光が少なくなる。ガラス棒の長さは、磁界の効果と光の減衰との間の最適さを見つけるための試験から、決定されている。

図２７には、ファイバ離間クリップ１２４が示されている。ファイバ離間クリップ１２４の機能は、ファイバをケーブルから或る距離に固定することにある。クリップ１２４は、ファイバを圧迫して保持するように設計され、ファイバをパンドウイット・テフロン（登録商標）帯でケーブルへと固定するように設計されている。

ファイバとケーブルとの間の間隔は、熱的および電気的絶縁の理由で必要である。今日の光ファイバは、約１２０度のピーク温度に耐えることしかできない。電気ケーブルは、最大２５０度の温度にも達しうるため、熱的な絶縁距離が必須である。さらに、ファイバは、湿気の橋絡および生じうる沿面距離を避けるためにも、ケーブルから離間される。ファイバ離間クリップ１２４は、センサ・ハウジング１２’に使用される材料と同じ材料であるＰｅｅｋ（登録商標）で成型される。

センサ・クリップが、図２８に示されている。クリップ１２６は、ケーブルとセンサ１０’との間により大きな熱抵抗を生む。したがって、センサ１０’が配線上に直接取り付けられる場合、クリップ１２６が、センサの羽根４４’へと圧入される。このクリップ１２６によれば、センサ１０’の内部の温度が１２０度を超えることなく、３００度のケーブル温度を可能にできる。

図２９および３０は、本発明によるセンサを６つ含む試験において得られた試験結果を示している。グラフは、センサが導体中の電流の関数として直線的な特性を呈することを示している。

図３０は、６つのセンサの直線性の度合いを示している。

図３１は、センサの出力信号を、周囲の環境およびセンサの温度の関数として示したグラフである。

本発明の理論的背景である。

単純な光ファイバ・ファラデー効果センサが、例えば変電所の導体または据え付けケーブルに取り付けられたとき、出力される光信号は、近傍のシステムからの磁界の干渉、導体の形状、センサの配置および導体までの距離の影響を受けやすい。さらに、出力される光信号は、システムの取り付けおよび構成にも左右されやすい。

本発明の目的は、近傍のインダクタからの磁界の干渉、導体の形状、測定装置からセンサまでの距離、さらには取り付けおよび設定について現場で補償を行なうことによって、電流をファラデー効果によって測定するための正確な装置を実現することにある。

この目的は、現場でのシステムの構成の際に、当該光ファイバ・システムによって測定されたデータを第三者の電流測定システムと比較することによって達成される。

光ファイバ・システムによって測定された磁場を、Ｂ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}と称する。実際の電流は、方程式
Ｉ_{ａｃｔｕａｌ}＝Ｋ_{Ｃａｌｉｂ}＊Ｂ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}［Ａ］
によって決定され、ここで、Ｋ_{Ｃａｌｉｂ}＝Σ^ｎ _０（Ｉ_{第三者のシステムで測定}）／Σ^ｎ _０（Ｂ_{光学式システムで測定}）である。

この較正方法は、近傍の導体からの線形な磁界の干渉、および磁場と電流との間の変換係数を解決する。この較正方法は、さらに製造公差、導体形状、導体の直径およびバックグラウンドノイズを、すべて動作中の適用先に取り付けられたときに解決する。

較正ののち、第三者のシステムは取り去られ、光ファイバ電流測定システムが、単独の測定システムである。

ともかくも、センサを使用することに加え、現場で較正されることが重要である。第三者の測定装置が、電流を測定するために使用される。この装置は、電流コイルまたは他の電流測定装置であってよく、較正済みであって、それらについて周囲の磁界は無視できる。第三者の電流測定装置からの信号またはデータが、第三者の測定システムにおいて計算され、信号処理ユニットへと送られる。

信号処理ユニットが、２つの装置からのデータを比較し、そのデータを保存する。或る期間ののち、較正が停止され、各装置から保存されたデータが、合計される。第三者の電流測定システムからの合計データが、光学式センサからの合計データで除算される。この値が較正値として使用され、信号処理ユニットに保存される。第三者の測定システムおよび装置は、取り外すことができる。光学式システムが、今や自身が取り付けられている用途について正確な較正値を有している。

３つの導体を備える構成においては、近傍の導体からの磁界が測定に影響を及ぼす可能性がある。インダクタ上に、光ファイバ・ファラデー効果センサが取り付けられる。３つすべての導体からの磁界が、センサに影響を及ぼす。センサｘによって測定される磁場は、
Ｂ_{ｓｕｍ＿ｓｅｎｓｏｒ＿ｘ}＝Ｂ_Ｌ１＋Ｂ_Ｌ２＋Ｂ_Ｌ３
である。

較正中、Ｂ_{ｓｕｍ＿ｓｅｎｓｏｒ＿ｘ}が第三者の測定装置からのデータと比較される。この較正から、較正定数Ｋ_{Ｃａｌｉｂ}が割り出される。この定数は、３相すべてからの寄与を含んでおり、この定数が線形な磁場についてのみ有効であるということを意味している。

磁場は、円形の導体については比較的知られているが、矩形の導体については知られていない。光ファイバ・ファラデー効果センサは、点の測定のみを生み、これは、磁場の形状およびインダクタからの距離が重要なパラメータであることを意味する。センサの現場での較正は、さまざまな磁場の形状およびインダクタからの距離を補償する。

光学式ファラデー効果電流センサからの信号は、ａｃおよびｄｃ成分で構成されている。ａｃ成分は、時間変化する磁界がセンサへと加えられているときに存在する。ＤＣ成分は、ＤＣまたは非磁界がセンサへ印加された場合に存在する。

本発明の目的は、ＡＣおよびＤＣ成分を電気的に測定して光学系の経時劣化をソフトウェアで補償することにより、ファラデー効果によってＡＣシステムにおける電流を測定するための正確な装置を実現することにある。この補償は、上述の補償に結び付けられている。

ＤＣ成分の大きさは、センサへと磁界が印加されていないときは、光源から照射される光の出力、光学系における「光抵抗」、および検出器回路によって決まる。信号のａｃ成分とｄｃ成分との間には、センサにＤＣ磁界が加えられておらず、検出システムの長期変動が存在せず、かつ周囲の環境の温度に変化がないと仮定すれば、線形な一貫性が存在する。

補償済みの光信号Ｕ_{ａｃ＿ａｃｔｕａｌ}は、
Ｕ_{ａｃ＿ａｃｔｕａｌ}＝（Ｕ_{ｄｃ＿ｃａｌｉｂ}／Ｕ_{ｄｃ＿ａｃｔｕａｌ}）Ｕ_{ａｃ＿ｍｅａｓｕｒｅｄ}
によって決定され、ここで、
Ｕ_{ａｃ＿ａｃｔｕａｌ}は、補償済みの光ａｃ信号であり、
Ｕ_{ｄｃ＿ａｃｔｕａｌ}は、実際に測定されたｄｃ成分であり、
Ｕ_{ｄｃ＿ｃａｌｉｂ}は、システムが較正されたときに測定されたｄｃ信号であり、
Ｕ_{ａｃ＿ｍｅａｓｕｒｅｄ}は、実際に測定された光ａｃ信号である。

上記の方程式は、光学的変化、温度、光源の性能の変化、検出器の性能の変化、および経時ゆえのセンサの光抵抗の変化に起因するｄｃ成分の変化が、どのように補償されるのかを示している。

以下は、本発明のプロトタイプ版についての説明である。

本発明のプロトタイプ版においては、システムが、変電所を出入りする実際の電流および４００Ｖの電圧を測定し、測定値をＧＳＭ（登録商標）モデムを介するＳＭＳメッセージによって報告する。

測定値は、すべてのチャネルについての実際の電流（直近の１秒について平均されている）、すべてのチャネルについてのピーク電流とその方向および時刻スタンプ、４００Ｖの状態と最近のドロップアウトの時刻スタンプ、ならびにシステムの状態であってよい。

値は、要求に応じて、さらには警報限界を超えたときに、保守技術員へと送信され、あるいはサーバへと送信される。

多少複雑な計算も実装可能であり、またサンプリングレート、電流チャネルの数、などを変えることもできる。基本的な構成ブロックは、電流の計算、ならびにＤＣ信号による較正および補正である。

本発明のプロトタイプ版は、組み込みのソフトウェアまたはファームウェアを有するプロセッサ・システムを備えている。システムのファームウェアの主たる仕事を、いくつかの仕事に分割することができる。すなわち、電流の測定および線形化、電流方向の計算、ＤＣ信号による補正、およびサーバまたは保守員との通信である。

本発明のプロトタイプ版では、６つの電流チャネルおよび３つの電圧チャネルが、光カプラーおよびＡＤコンバータを介してファームウェアを有するプロセッサ・システムにつながっている。電流と電圧との間の位相が、電流の方向を割り出すために使用される。

システムの各電流チャネルは、主として、増幅器およびフィルタ部ならびに後続のＡＤコンバータから構成されている。信号がＡＤコンバータを通過したのち、ファームウェアが、信号のすべての後処理を実行する。

各電流チャネルは、２つの信号に分割される。それらは、ＡＣ電流信号およびＤＣ成分であり、両者ともＡＤコンバータを通って供給される。光電流信号（Ｕ_ＡＣ）が、実際の電流を計算するために使用される。光電流信号のＤＣ成分が、劣化係数を計算するために使用される。

ＤＣ成分と組み合わされた光学式センサからのＤＣ信号（Ｕ_ＤＣ）が、劣化係数を計算し、そこから実際の較正定数（Ｋ_{Ｃａｌｉｂ}）を計算するために使用される。

Ｕ_ＲＭＳ＝Σ│Ｕ_ＡＣ−Ｖ_ＲＥＦ│

Ｉ_ＲＭＳ＝Ｋ_{Ｃａｌｉｂ}×Ｕ_ＲＭＳ

信号のＤＣ成分が取り除かれ、ＲＭＳ値が、数値の積分として計算される。この値が、較正定数（Ｋ_{Ｃａｌｉｂ}）によって乗算され、結果が実際のチャネルを流れている電流である。

計算は、５０Ｈｚの周期のそれぞれについて行なわれる。結果の後処理は、システムの通信部によって行なわれる。

電流方向の検出または割り出しは、実際のチャネルについて電流と電圧との間の位相角を測定することによって行なわれる。

位相角は、負荷の種類および電流の方向によって決まる。実際の変電所の負荷の種類は、較正の際に選択される。インダクタ負荷において位相差が−９０°と＋９０°の間である場合、電流の方向は正である。

電流の位相は、１０ｋＶ回線上の光学式センサから把握される。電圧の位相は、１０ｋＶの電圧は監視されていないという事実ゆえ、４００Ｖ回線から捉えられる。

電圧の位相は、１０ｋＶから４００Ｖへの変圧によって遅延する。したがって、位相は、変圧器係数の３０°倍で修正される。

システムのファームウェアが、信号のＤＣ成分を観察することによってシステムの劣化を補償する。これは、初期の較正定数を劣化係数で補正することによって行なわれる。

Ｕ_{ＡＣ，ＤＣ}＝ΣＵ_ＡＣ−Ｖ_ＲＥＦ
Ｕ_{ＤＣ，ＡＶＲ}＝（ΣＵ_ＤＣ）／ｎ、（ここで、Ｕ_ＤＣは、０〜ｎ番目のサンプルについて合計されている）
Ｋ_{Ｃａｌｉｂ}＝（Ｋ_{Ｃａｌｉｂ，Ｉｎｉｔ}×Ｕ_{ＤＣ，Ｉｎｉｔ}）／（Ｕ_ＤＣ−Ｕ_{ＡＣ，ＤＣ}）

測定されたＡＣ値のＤＣ成分が、測定されたＤＣ信号から減算され、インダクタ中を流れる電流のＤＣ成分が除かれる。

Ｕ_ＤＣおよびＵ_ＡＣの両者は、長時間（例えば、１分間）にわたってサンプリングされる。

較正定数は、実際の電流の計算に使用されるほか、システム全体の状態の表示としても使用される。これの監視は、通信部において行なわれる。

実際の電流および方向を計算したのち、測定システムは、システム特有の計算を処理する。これらは、或る実装例と他の実装例とでは異なるであろう。

ファラデー光学式電流センサの概略の断面図である。ファラデー光学式電流センサの拡大された概略の断面図である。ファラデー光学式電流センサのハウジングの溝を示している。ファラデー光学式電流センサの一端の概略図である。ファラデー光学式電流センサの一端の概略図である。ファラデー光学式電流センサを有する電流測定用システムの概略のブロック図である。図６に示したシステムの一部である検出システムの概略図である。３つの導体と１つのファラデー光学式電流センサとを備える測定用の構成の概略の断面図である。矩形の導体についての測定用の構成を示している。円形の導体についての測定用の構成を示している。絶縁層を備える円形の導体についての測定用の構成を示している。図６に示したシステムの検出システムおよび処理ユニットについて、プロトタイプの実装の概略のブロック図である。本発明のプロトタイプ版の概略図である。本発明のプロトタイプ版の概略図である。本発明のプロトタイプ版の概略図である。本発明のプロトタイプ版の概略図である。本発明のプロトタイプ版の概略図である。本発明のプロトタイプ版の概略図である。本発明のプロトタイプ版の概略図である。本発明のプロトタイプ版の概略図である。本発明のプロトタイプ版の概略図である。センサの構成部品を概略的に示している。本発明によるセンサ・ハウジングの概略図である。本発明によるセンサ・ハウジングの概略図である。本発明によるセンサの断面の概略図である。２つのセンサ蓋の概略図である。光学フィルタの概略図である。電気ケーブルおよびそこから放射される磁場、ならびにガラス棒の概略図である。ファイバ固定具の概略の断面図である。配線クリップの概略図である。離間用部品の概略図である。電流と光の大きさとの間の関係を示すグラフである。６つのセンサの直線性の度合いを示すグラフである。センサの温度と光の大きさとの間の関係を示すグラフである。

１０電流センサ、１２ハウジング、１４第１の端部、１６第２の端部、１８，３６シーリング、２０，３８光ファイバ、２２，３４ファイバ固定具、２４，３２光学レンズ、２６，３０偏光フィルタ、２８ガラス棒、４０，４２センサ蓋

Claims

導電体中の電圧電流を測定するための、電圧電流が発生する磁界によって偏光面が回転された光を出力するファラデー効果電流測定システムを較正する方法であって、
電圧電流を伝える導電体を設けるステップと、
光源を設けるステップと、
前記光源が接続された第１の端部および反対側の第２の端部を定めており、前記光源の
放射する光が進入する第１の光経路を設けるステップと、
第１の端部および反対側の第２の端部を定めており、該第１の端部が前記第１の光経路の前記第２の端部に接続されており、前記第１の光経路からの光を受信する前記ファラデー効果電流測定システムを導電体に設けるステップと、
第１の端部および反対側の第２の端部を定めており、該第１の端部が前記ファラデー効果電流測定システムの前記第２の端部に接続され、前記ファラデー効果電流測定システムで偏光面が回転された光が進入する第２の光経路を設けるステップと、
前記第２の光経路の前記第２の端部に接続され、前記第２の光経路からの光を第１の電気信号に変換するための光検出手段を設けるステップと、
前記導電体中の電流を測定して対応する第２の電気信号を出力する、前記ファラデー効果電流測定システムとは別の電流測定装置を導電体に設けるステップと、
第１および第２の電気信号に基づいて前記ファラデー効果電流測定システムの電圧電流測定結果を較正するための較正定数の初期値を算出するステップと、
前記第１の電気信号のＡＣおよびＤＣ成分を測定し、前記較正定数の初期値を算出したときに且つ磁界が発生していないときに測定されたＤＣ成分の初期値と、測定されたＤＣ成分から、測定されたＡＣ成分に含まれるＤＣ成分を減算して得られた値との比を、前記較正定数の初期値に乗算することにより、前記較正定数を補正するステップと、
を有することを特徴とする方法。
前記較正定数を補正したときの前記第１の電気信号のＤＣ成分を測定し、以後は前記第１の電気信号のＤＣ成分を周期的に測定するステップ、および
測定したＡＣ成分を、前記較正定数を補正したときのＤＣ成分と前記周期的に測定されたＤＣ成分との比で乗算することによって、実際のＡＣ成分を前記ファラデー効果電流測定システムの測定結果として算出するステップをさらに含んでいる請求項１に記載の方法。