JP5396261B2

JP5396261B2 - 単相用光変流器

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Publication number: JP5396261B2
Application number: JP2009288765A
Authority: JP
Inventors: 偉張; 達史山口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2029-12-21
Also published as: EP2518516A1; JP2011128092A; RU2012125662A; US20120262150A1; WO2011078096A1; CN102933972B; KR20120110125A; US8933686B2; CN102933972A

Description

本発明は単相用光変流器に係り、特に単相の大電流を確実に測定できる単相用光変流器に関する。

ガス絶縁開閉装置（以下、「ＧＩＳ」と略称する）等に用いられる高電圧の通電導体に流れる電流を測定するには、従来から通電導体が貫通する巻線形変流器が使用されている。しかし、巻線形変流器は大型で大重量となることから、光の偏波面が磁界の作用により回転するファラデー効果を利用した光変流器が検討されており、特に他相の磁界による影響のない単相用として好適となっている。

通常、単相用光変流器は通電導体の周囲に光路を設け、この光路内に光源からの直線偏波光を通過させたとき、通電導体を流れる電流の磁界作用で回転する直線偏波光のファラデー回転角を検出器側で検出し、電流の大きさを測定するものである。

単相用光変流器の一形式としては、ファラデー効果部材としてブロック状の鉛ガラスを用いたものがある（例えば特許文献１参照）。この単相用光変流器は、電流が流れる通電導体の周囲に、ブロック状の鉛ガラスを組み合せて配置することにより光路を形成し、この光路内に光源からの直線偏波光を通過させ、通電導体中の電流の磁界作用で変化するファラデー回転角を検出器にて検出し、電流を計測する。

また別の形式の単相用光変流器としては、ファラデー効果部材として光ファイバーを用いするものがある（例えば特許文献２参照）。この単相用光変流器は、光ファイバーが通電導体を取り囲むように配置して閉ループの光路を形成し、上記と同様に光路に直線偏波光を通過させて電流を計測する。

しかし、光路をブロック状の鉛ガラスで構成する単相用光変流器は、小型化が難しくまた組み立て複雑であることから、光路を軽量である光ファイバーで構成する単相用光変流器が有利とされてきている。

なお、光ファイバーで閉ループの光路を構成する単相用光変流器にも、光路内を通った直線偏波光が反射して戻り、検出器側でファラデー回転角を検出する反射型と、直線偏波光が光路内を通過し、そのまま検出器側でファラデー回転角を検出する透過型とが知られている。

一方、ＧＩＳは高電圧で大容量大型化になり、内部に通電導体を配置して絶縁ガスを封入する円筒状容器も直径が大きくなっている。このため、ＧＩＳに取り付ける単相用光変流器は、大直径の円筒状容器の外部或いは内部に、光ファイバーを配置して閉ループの光路を設けて構成することになる。

特開平３−１０５２５９号公報特開平７−２４８３３８号公報

上記した従来の単相用光変流器は、いずれもファラデー効果部材で閉ループの光路を形成しするものであるから、通電導体に事故電流等の大電流が流れたとき、光路内を通る直線偏波光は、大電流電流の磁界作用でファラデー回転角が飽和してしまうため、検出器側でファラデー回転角から正確に電流を測定することができなくなる問題がある。

また従来の単相用光変流器は、ファラデー効果部材を用い、通電導体を取り囲むように閉ループの光路を設ける必要があった。このため、ＧＩＳの如き大直径の円筒状容器の外部或いは内部に、光ファイバーを配置して閉ループの光路を設けるとなると、定められた位置に配置する作業が難しく、作業性が悪くなるという問題があった。更に、円筒状容器は直射日光や通電導体の温度上昇により上下に温度差が生じ、ファラデー効果部材の上下で温度差のため、測定誤差の原因となる。これは、ファラデー効果部材に軽量の光ファイバーを用いる場合であっても同様である。

本発明の目的は、通電導体に事故電流等の大電流が流れた場合であっても、短い第１及び第２の光路内を通過する直線偏波光のファラデー回転角が飽和しにくくて大電流の測定を確実に行え、小型化して経済的に製作することができる単相用光変流器を提供することにある。

また本発明の他の目的は、円筒状容器の外面の一部に容易に取り付けることができ、組立及び交換作業が容易な単相用光変流器を提供することにある。

本発明の単相用光変流器は、円筒状容器の内部に通電導体を配置し、前記円筒状容器に直線偏波光の光路を形成するファラデー効果部材を設け、前記光路を通る直線偏波光のファラデー回転角から前記通電導体を流れる電流を計測する際に、前記ファラデー効果部材は所定寸法の２本の光ファイバーを用いて前記通電導体と略直交する第１及び第２の光路を予め定めた間隔で略平行に設けると共に、前記各光ファイバーの一端面に直線偏波光を反射させる鏡面を設けて構成され、前記各光路にそれぞれ同一光源からの直線偏波光を入射させ、前記鏡面で反射して戻る直線偏波光のファラデー回転角により電流を測定することを特徴としている。

また、本発明の単相用光変流器は、円筒状容器の内部に通電導体を配置し、前記円筒状容器に直線偏波光の光路を形成するファラデー効果部材を設け、前記光路を通る直線偏波光のファラデー回転角から前記通電導体を流れる電流を計測する際に、前記円筒状容器の外周面の一部に取付座を固着し、前記取付座に前記ファラデー効果部材を収納するケースを着脱自在に固定し、前記ファラデー効果部材は所定寸法の２本の光ファイバーを用いて前記通電導体と略直交する第１及び第２の光路を予め定めた間隔で略平行に設けると共に、前記各光ファイバーの一端面に直線偏波光を反射させる鏡面を設けて構成され、前記各光路にそれぞれ同一光源からの直線偏波光を入射させ、前記鏡面で反射して戻る直線偏波光のファラデー回転角により電流を測定することを特徴としている。

好ましくは、前記ケース内に位置固定用ベースを配置し、前記各光ファイバーは前記位置固定用ベースにそれぞれ保護管を介在させて配置したことを特徴としている。

本発明の単相用光変流器によれば、ファラデー効果部材として所定寸法の光ファイバーを用いているから、第１及び第２の光路が短くなるため、直線偏波光のファラデー回転角が飽和しにくいので、事故時等の大電流の測定を確実に行える効果がある。また、短い光ファイバーで形成する第１及び第２の光路を通過する直線偏波光のファラデー回転角で、小範囲の磁場を測定するものであるため、測定精度も温度差の影響も小さくできるばかりか、単相用光変流器を小型化できるから、経済的に製作することができる利点がある。

更に、本発明の単相用光変流器は、円筒状容器の外面の一部に取付座を固着し、この取付座に着脱自在に固定するケース内には、ファラデー効果部材となる光ファイバーを収納し、円筒状容器内の通電導体と略直交する第１及び第２の光路を予め定めた間隔で平行に設けているため、通電導体と関係なく組み立てて取り付けることができるから、組立及び交換作業も容易に行うことができる。

本発明の単相用光変流器を示す原理説明図である。本発明を適用した単相用光変流器の一実施例を示す概略縦断面図である。図２の単相用光変流器をＡ−Ａ線から見た概略断面図である。図２の要部を示す拡大図である。図４の左側面図である。

本発明の単相用光変流器は、内部に通電導体を配置する円筒状容器の外周面の一部に、直線偏波光の光路を形成するファラデー効果部材を設けている。ファラデー効果部材は所定寸法の２本の光ファイバーを用いて前記通電導体と略直交する第１及び第２の光路を予め定めた間隔で略平行に設けると共に、前記各光ファイバーの一端面に直線偏波光を反射させる鏡面を設けて構成する。そして、第１及び第２の光路にそれぞれ同一光源からの直線偏波光を入射させ、鏡面で反射して戻る直線偏波光のファラデー回転角により電流を測定する。

まず、本発明の単相用光変流器の原理について、図１を用いて順に説明する。本発明の単相用光変流器では、内部に通電導体２を配置する円筒状容器１の外周面の一部に、ファラデー効果部材１０を通電導体２と略直交するように配置している。

ファラデー効果部材１０は、後述する如く小幅の寸法Ｌ_１にして小型化したものが使用される。このファラデー効果部材１０には、同一長さの第１及び第２の光路１１Ａ、１１Ｂが形成され、２つの光路１１Ａ、１１Ｂは予め定めた相互間の寸法Ｌ_２を維持するように略平行に設けている。このようにすることで、円筒状容器１内の通電導体２の中心点と第１の光路１１Ａとの間は、寸法Ｌ_３になる。

各光路１１Ａ、１１Ｂの一端面に鏡面１２を備えており、各光路１１Ａ、１１Ｂを通過した直線偏波光が鏡面１２で反射され、２つの光路１１Ａ、１１Ｂを戻るようにしている。なお、ファラデー効果部材１０の一端面に設ける鏡面１２は、反射フィルムを貼付や反射材を蒸着して形成、或いは別途形成したガラス製の鏡材を使用できる。

ファラデー効果部材１０の寸法Ｌ_１は、直線偏波光が上記したように各光路１１Ａ、１１Ｂを往復するから、この往復する間に通電導体２に流れる電流の磁界作用で、直線偏波光のファラデー回転角が変化する長さの小さな寸法にすることができる。この寸法Ｌ_１は、円筒状容器１の外周面の寸法と比較すると遥かに小さな寸法であって、Ｌ_１≪２πＬ_３である。

実際に円筒状容器１に設けるときの各寸法Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３は、ファラデー効果部材の厚さ寸法Ｌ_１が１０〜５００ｍｍ、第１及び第２の光路間の寸法Ｌ_２が１０〜２００ｍｍ、ファラデー効果部材の第１の光路と通電導体の中心との間の寸法Ｌ_３が１００〜１０００ｍｍであって、円筒状容器１の大きさによって適宜定められる。

２つの光路１１Ａ、１１Ｂには、従来と同様であるため図示していないが、それぞれ同一光源に連なる入射光側に偏光子を、また出射光側に検光子を、直線偏波光のファラデー回転角を検出する検出器等を有して単相用光変流器を構成する。

そして、各光路１１Ａ、１１Ｂに矢印で示すように同一光源からの直線偏波光を通過させ、一端面に設けた鏡面１２で反射されて矢印で示すように２つの光路１１Ａ、１１Ｂを戻るようにしている。このように往復する各直線偏波光が、流れる電流の磁界の作用で回転する２つのファラデー回転角から、検出器（図示せず）側において演算を行って電流を計測する。

本発明の単相用光変流器に使用するファラデー効果部材１０は小型であるから、寸法Ｌ_３の影響で誤差を受けやすい。このため、同一ながさ寸法の第１及び第２の光路１１Ａ、１１Ｂの２つを設けており、各光路１１Ａ、１１Ｂの２つを用いることで影響をなくしている。円筒状容器１内の通電導体２に流れる電流は、各光路１１Ａ、１１Ｂの双方からの直線偏波光のファラデー回転角から、検出器において下記のようにして測定する。

また、ファラデー効果部材１０のファラデー回転角θは、ベルデ定数をＶ、磁場の強さをＨ、光路長をＬすると、θ＝ＶＨＬ＜４５°の場合には飽和しないことは良く知られている。つまり、ベルデ定数Ｖと磁場の強さＨを一定にする場合には、ファラデー回転角θは光路長Ｌに比例する。例えば、ファラデー効果部材１０の寸法Ｌ_１がＬ_３／２０であるとすると、従来の光変流器のファラデー回転角θ＝４５°の電流が流れたとしても、本発明の単相用光変流器ではファラデー回転角θ＜１°であり、飽和することがなくなる。

次に、ファラデー効果部材１０内に、寸法Ｌ_２を維持して略平行な２つの光路１１Ａ、１１Ｂを利用しての電流の測定について説明する。各光路１１Ａ、１１Ｂを通過してきた直線偏波光のファラデー回転角をθ_１、θ_２、各光路１１Ａ、１１Ｂの磁場の強さをＨ_１、Ｈ_２とすると、それぞれθ_１＝ＶＨ_１Ｌ_１及びθ_２＝ＶＨ_２Ｌ_２である。また、Ｈ_１＝Ｉ／（２πＬ_３）及びＨ_２＝Ｉ／（２π（Ｌ_２＋Ｌ_３））である。これらの式から通電導体２に流れる電流Ｉは、Ｉ＝２πθ_１θ_２Ｌ_２／（θ_１−θ_２）ＶＬ_１の式が導かれる。この式から、通電導体２に流れる電流を正確に測定できる。したがって、略平行で同じ長さの２つの光路１１Ａ、１１Ｂを利用すると、寸法Ｌ_３の寸法誤差に影響されず、また事故時等の大電流が流れたときでもファラデー回転角は飽和せず、検出器側で演算して電流を測定することができる。

次に、ＧＩＳやガス絶縁母線に適用した例である図２から図５を用い、本発明の単相用光変流器を具体的に説明する。円筒状容器１は内部に通電導体２を配置し、絶縁ガスを封入することによって絶縁を維持している。

円筒状容器１の外周面の一部、この例では図２及び図３に示すように日光の直射を受けることの少ない円筒状容器１の下面部分に、取付座２１を溶接等により固着して通電導体２と直交するようにしている。そして、取付座２１にファラデー効果部材１０を収納するケース２２を、ボルト２３によって着脱自在に取り付けている。

ケース２２内に収納するファラデー効果部材１０として、図２から図５に示すものでは２本の光ファイバー２４Ａ、２４Ｂを用いている。これら各光ファイバー２４Ａ、２４Ｂは、同一の長さ寸法にして略平行な第１及び第２の光路を形成するものであり、円筒状容器１内の通電導体２と略直交するように設けられる。

第１及び第２の光路を形成する各光ファイバー２４Ａ、２４Ｂは、上記したものと同様に直線偏波光の入射側及び出射側とは反対の端面にそれぞれ鏡面２６Ａ、２６Ｂを設けて反射型とし、直線偏波光を光ファイバー２４Ａ、２４Ｂ内を往復させる構成にしている。

２本の光ファイバー２４Ａ、２４Ｂは、それぞれ緩衝材として使用する保護管２５Ａ、２５Ｂを介在させて位置固定用ベース２７部分に配置して寸法変化のない状態に位置決めする。そして、図５に示すように緩衝材２８を介在させてから、上部の開口からケース２２の内部に配置する。

ケース２２上部の開口は、ケースカバー２９を螺子３０にて固定して閉鎖してから、円筒状容器１０の外周面に固着した取付座２１に、ケース２２をボルト２３によって着脱自在に取り付けている。

第１及び第２の光路となる２本の光ファイバー２４Ａ、２４Ｂには、ケース２２に取り付ける接続端子等にて受光用及び送光用光ファイバー（図示せず）が結合されて、単相用光変流器を構成する。

このように単相用光変流器を構成すれば、同一光源からの直線偏波光が、それぞれ第１及び第２の光路を往復させられたとき、通電導体を流れる電流の磁界の作用で回転する２つのファラデー回転角を、検出器側で演算することにより電流を正確に測定することができる。また、短い光ファイバー２４Ａ、２４Ｂを用いて直線偏波光を往復させるものであるため、通電導体に大電流が流れたときでもファラデー回転角は飽和しないから、電流の測定を問題なく行わせることができる。

なお、円筒状容器１の外周面の一部に固着する取付座２１は、円筒状容器１の軸方向に形成されるフランジ部を活用して取り付けることもできる。いずれの位置に固着する場合でも、取付座２１に取り付けるケース２２内のファラデー効果部材である光ファイバー２４Ａ、２４Ｂで作る各光路が、直射日光の照射を受けて温度上昇し易い箇所以外に設けようにし、温度変化によって電流の測定に誤差が生じないようにする。

１…円筒状容器、２…通電導体、１０…ファラデー効果部材、１１Ａ、１１Ｂ…光路、２６Ａ、２６Ｂ…鏡面、２１…取付座、２２…ケース、２４Ａ、２４Ｂ…光ファイバー、２５Ａ、２５Ｂ…保護管、２７…位置固定用ベース。

Claims

円筒状容器の内部に通電導体を配置し、前記円筒状容器に直線偏波光の光路を形成するファラデー効果部材を設け、前記光路を通る直線偏波光のファラデー回転角から前記通電導体を流れる電流を計測する単相用光変流器において、前記ファラデー効果部材は所定寸法の２本の光ファイバーを用いて前記通電導体と略直交する第１及び第２の光路を予め定めた間隔で略平行に設けると共に、前記各光ファイバーの一端面に直線偏波光を反射させる鏡面を設けて構成され、前記各光路にそれぞれ同一光源からの直線偏波光を入射させ、前記鏡面で反射して戻る直線偏波光のファラデー回転角により電流を測定することを特徴とする単相用光変流器。
円筒状容器の内部に通電導体を配置し、前記円筒状容器に直線偏波光の光路を形成するファラデー効果部材を設け、前記光路を通る直線偏波光のファラデー回転角から前記通電導体を流れる電流を計測する単相用光変流器において、前記円筒状容器の外周面の一部に取付座を固着し、前記取付座に前記ファラデー効果部材を収納するケースを着脱自在に固定し、前記ファラデー効果部材は所定寸法の２本の光ファイバーを用いて前記通電導体と略直交する第１及び第２の光路を予め定めた間隔で略平行に設けると共に、前記各光ファイバーの一端面に直線偏波光を反射させる鏡面を設けて構成され、前記各光路にそれぞれ同一光源からの直線偏波光を入射させ、前記鏡面で反射して戻る直線偏波光のファラデー回転角により電流を測定することを特徴とする単相用光変流器。
請求項２において、前記ケース内に位置固定用ベースを配置し、前記各光ファイバーは前記位置固定用ベースにそれぞれ保護管を介在させて配置したことを特徴とする単相用光変流器。