JP5966139B2 - 光変流器 - Google Patents

Description

本発明は光変流器に係り、特に保護被覆材を施したガラスファイバ素線に加わる応力を抑制できて電流の測定に好適な光変流器に関する。

近年、ガス絶縁開閉装置等の電気機器の通電導体に流れる電流を測定するため、貫通型変流器に代えて光変流器の使用が検討されている。光変流器は、通電導体の周りにファラデー効果を利用する光センサファイバを配置している。そして、光路となる光センサファイバ内に光源からの光を、光学系部品で直線偏波光にして通過させ、通電導体に流れる電流の磁気作用で回転する直線偏波光の回転角を計測し、電流値を測定するものである。

反射形の光変流器は、図３に一点鎖線で示す通電導体１の周囲に、鉛ガラスファイバ等を用いた光センサファイバ１０を配置している。光センサファイバ１０は、一端側に偏／検光子部１１を配置すると共に、他端側に周知の手段によって形成する反射部材１２を設けている。そして、偏／検光子部１１には、光源に連なる信号伝送ファイバ１３、及び電流検出部に連なる信号伝送ファイバ１４をそれぞれ設け、光変流器を構成している。

光センサファイバ１０のガラスファイバ素線は、良く知られるように極めて細いから、これに過度の曲げ力や引っ張り力が加わると折損することがある。ガラスファイバ素線に機械的応力が加わると、通過する光の透過損失が増大する所謂マイクロベンド現象が発生する。この現象による透過損失の増大は、光センサファイバ１０を使用する光変流器にとって、電流値の測定の際に測定誤差を引き起す要因の一つになる。

一般に、光センサファイバはガラスファイバ素線の取扱いを容易にし、また湿度から保護するため、絶縁性や気密性及び可撓性のある材料の保護被覆材を施して使用される。この種の光センサファイバは、特許文献１の記載や通信用光ファイバ線の接続部構造の如く、端部にフェルールを取り付け、ガラスファイバ素線更には保護被覆材を固着することで、ガラスファイバ素線を折れ難くしている。

また、光センサファイバの終端の構造は、特許文献２に記載のように反射部材全体をスリーブ内に挿入するものが提案されている。この光センサファイバはフェルールで固定され、双方の終端面を研磨した上で、反射部材を構成する１／４波長板と反射ミラーとを光学的接着剤で接着している。スリーブと反射部材との間には、弾性体を挟むことで反射ミラーを押え付け、１／４波長板と反射ミラーの剥離を防止している。

光センサファイバのガラスファイバ素線（ＨＮと表記）と、保護被覆材（ＨＡ及びＨＢと表記）の線膨張係数を検討した結果を、表１に示している。

保護被覆材なしのガラスファイバ素線（ＨＮ）の線膨張係数は８．２×１０^−６Ｋであるのに対し、ＰＥＥＫ（登録商標）と称されて市販されているポリエーテルエーテルケトンの保護被覆材（ＨＡと表記）は前者の約５．７倍、またハイトレル（登録商標）と称されて市販されている熱可塑性ポリエステルエラストマーの保護被覆材（ＨＢと表記）は同様に約２５．６倍もある。

ガラスファイバ素線の保護被覆材にはナイロンが用いられてきたが、耐熱性に優れる材料としてハイトレル（登録商標）が、またこれより線膨張係数が小さい材料であるＰＥＥＫ（登録商標）が使用される。

上記表１の線膨張係数のため、図４に示す如く保護被覆材なしのガラスファイバ素線（ＨＮ）と、保護被覆材（ＨＡ及びＨＢ）ありでは、常温（２０℃）±６０℃の周囲温度の変化に対する出力変化率は、それぞれ実線、一点鎖線及び破線で区別表示しているように、温度変化に伴い大きくなる。特に、一点鎖線と破線で示す保護被覆材（ＨＡ、ＨＢ）ありでは、低温側での出力変化率が大きくなる。

特開平５−２７１４２号公報 特開平９−２７４０５６号公報

上記した如く光変流器の光センサファイバの各端部側に、偏／検光子部と反射部材を設けてガラスファイバ素線と保護被覆材を固定、或いは特許文献２のように反射部材全体をスリーブ内に挿入して固定すると共に、反射部材を構成する１／４波長板と反射ミラーを弾性体で押え付け単純に固定する構造では、ガラスファイバ素線と保護被覆材の相互間の伸縮が拘束されてしまうことになる。

この結果、周囲温度の変化で光軸である光センサファイバの長さ方向の移動ができない状態になり、線膨張係数の大きな保護被覆材の伸縮より、ガラスファイバには機械的応力が発生する。光変流器に使用する光センサファイバは、その長さを例えば２ｍとすると、ガラスファイバ素線と保護被覆材の相互間は、図４の温度範囲で熱による膨張係数の差から、少なくとも数ｍｍの寸法差が生じる。このため、ガラスファイバに機械的応力が発生することで光の透過損失が増大し、光変流器では電流測定の誤差が大きくなる問題が生じる。

本発明の目的は、光センサファイバのガラスファイバ素線に対して加わる機械的応力を抑制でき、電流測定の誤差の少ない光変流器を提供することにある。

本発明の光変流器は、通電導体の周囲に、ガラスファイバ素線に保護被覆材を施した光センサファイバを配置し、前記光センサファイバはその一端側に偏／検光子部を設けると共に、前記光センサファイバの他端側に保護被覆材を除去したガラスファイバ素線の端部にフェルールを固着し、かつ前記フェルールを固着したガラスファイバ素線の端面に反射部材を設ける際に、前記光センサファイバの他端側に、熱熱応力吸収部を設け、前記熱応力吸収部は、前記反射部材側を閉鎖して形成されて前記光センサファイバの端部を包囲する保護カバーと、前記保護カバーを前記センサファイバの保護被覆材の外周面に固着する接着部とから構成され、前記保護カバー内の収納空間内に前記フェルールと前記保護被覆材とが離間して収納され、前記ガラスファイバ素線の外径が前記保護被覆材の内径よりも小さくされて前記ガラスファイバ素線と該ガラスファイバ素線に固着された前記フェルールが前記保護被覆材に拘束されず、該保護被覆材に対して移動可能とされて、前記ガラスファイバ素線の端部が、光軸方向に移動可能な自由端とされることを特徴としている。

また、本発明の光変流器は、通電導体の周囲に、ガラスファイバ素線に保護被覆材を施した光センサファイバを配置し、前記光センサファイバはその一端側に偏／検光子部を設けると共に、前記光センサファイバの他端側に、保護被覆材を除去したガラスファイバ素線の端部にはフェルールを固着し、かつ前記フェルールを固着したガラスファイバ素線の端面に反射部材を設ける際に、前記光センサファイバの他端側に、熱応力吸収部を設け、前記熱応力吸収部は、前記反射部材側を閉鎖して形成されて前記光センサファイバの端部を包囲する保護カバーと、前記保護カバーをフェルール及び反射部材を有する前記ガラスファイバ素線の端部に固着する接着部と、前記保護被覆材の外周面を摺動可能に密封する封止部材とから構成され、前記保護カバー内の収納空間内に前記フェルールと前記保護被覆材とが離間して収納され、前記ガラスファイバ素線の外径が前記保護被覆材の内径よりも小さくされて前記ガラスファイバ素線と該ガラスファイバ素線に固着された前記フェルールが前記保護被覆材に拘束されず、該保護被覆材に対して移動可能とされて、前記ガラスファイバ素線の端部が、光軸方向に移動可能な自由端とされることを特徴としている。

好ましくは、前記封止部材は、前記保護カバーの内周面に設けた円周溝と、前記円周溝内に配置されたＯリングで構成したことを特徴としている。

本発明のように光変流器を構成すれば、光センサファイバのガラスファイバ素線と保護カバーとの相互間に熱膨張率の違いがあっても、使用時の温度変化でガラスファイバ素線に機械的応力が加わるのを効果的に抑制できる。このため、光センサファイバの透過損失が大幅に減少するから、温度変化に対する出力変化の増減がなくなり、より一層誤差の少ない電流の測定が行える光変流器とすることができる。

本発明の一実施例である光変流器に用いる光センサファイバの端部を示す部分断面図である。 本発明の別の実施例である光変流器に用いる光センサファイバの端部を示す部分断面図である。 従来の光変流器を示す概略図である。 光センサファイバの周囲温度における出力変化率の関係を示すグラフである。

本発明の光変流器は、通電導体の周囲に、ガラスファイバ素線に保護被覆材を施した光センサファイバを配置し、前記光センサファイバはその一端側に偏／検光子部を設けると共に、前記光センサファイバの他端側に保護被覆材を除去したガラスファイバ素線の端部にフェルールを固着し、かつ前記フェルールを固着したガラスファイバ素線の端面に反射部材を設けている。光センサファイバは、この他端側である反射部材を有する部分に、光センサファイバのファイバ素線の端部を自由端とする熱応力吸収部を設けている。熱応力吸収部は、前記反射部材側を閉鎖して形成されて前記光センサファイバの端部を包囲する保護カバーと、前記保護カバーを前記センサファイバの保護被覆材の外周面に固着する接着部とから構成している。

以下、図１を用いて本発明の光変流器に使用する光センサファイバ１０の一例を説明する。光センサファイバ１０は、保護被覆材１０Ｂの内径をガラスファイバ素線１０Ａの外径より大きくしたものを用い、ガラスファイバ素線１０Ａが光軸方向に移動できるようにする。この光センサファイバ１０も従来と同様に、一端側に偏／検光子部を設けると共に、他端側に反射部材１２を設ける構造であるが、この反射部材１２を設ける光センサファイバ１０の端部側は、本発明により図１に例を示す熱応力吸収部２０を設ける特別な構造としている。

光センサファイバ１０の保護被覆材１０Ｂの一部を除去してガラスファイバ素線１０Ａを露出させ、このガラスファイバ素線１０Ａの端部に、従来と同様に接着材からなる接着部１６によりフェルール１５を固着し、かつフェルール１５及びガラスファイバ素線１０Ａの端面に反射部材１２を設けている。

熱応力吸収部２０を構成するため、一部を露出させたガラスファイバ素線１０Ａの端部側、即ち反射部材１２側を閉鎖して形成された保護カバー２１を用いている。この保護カバー２１で、ガラスファイバ素線１０Ａとフェルール１５、及び残された保護被覆材１０Ｂの一部分を含めて包囲し、内部に存在させている。そして、保護カバー２１に覆われる保護被覆材１０Ｂ部分の外周面と保護カバー２１との相互間は、接着部２２で気密に固着している。なお、接着部２２は、耐候性があって長期間に亘って保護カバー２１内の気密を維持できるような、例えばシリコンゴムやエポキシ系の接着剤を用いて形成する。

光センサファイバ１０の他端側に熱応力吸収部２０を設け、保護カバー２１の内径をフェルール１５の外径より大きくしている。この気密を維持する保護カバー２１内に、ガラスファイバ素線１０Ａとフェルール１５及び保護被覆材１０Ｂの端部を存在させることにより、ガラスファイバ素線１０Ａとフェルール１５が、保護カバー２１内で光軸方向に移動可能な構造の自由端にしている。

当然のことながら、保護カバー２１内の上記した各要素を収納する収納空間における光軸方向の長さは、ガラスファイバ素線１０Ａと保護カバー２１の熱伸縮による寸法差を考慮した寸法に形成し、内部存在物であるガラスファイバ素線１０Ａと保護カバー２１の相対的な移動を可能にする。また、保護カバー２１内の特に反射部材１２部分の移動範囲を磁界に対する不感帯とすれば、光軸方向に移動する内部構造物の移動に基づく電流測定誤差を少なくし、精度を向上させることができる。

なお、保護カバー２１は磁気シールドに用いられるパーマロイや珪素綱板等の強磁性体で形成、或いは防錆力に優れるステンレス等で形成し、更にその外側に別途磁気シールドを施したものを使用することができる。

上記した熱応力吸収部２０を設けた光センサファイバは、ガラスファイバ素線１０Ａと保護被覆材１０Ｂ間に熱膨張率の違いがあっても、使用温度変化の範囲内においてガラスファイバ素線１０Ａやフェルール１５等は、保護被覆材１０Ｂに拘束されず自由に移動可能なため、ガラスファイバ素線１０Ａに加わる機械的応力を抑制することができる。端部を包囲する保護カバー２１を設けた光センサファイバ１０は、ガラスファイバ素線１０Ａの保護被覆材１０Ｂに、上記表１に記載のポリエーテルエーテルケトンや熱可塑性ポリエステルエラストマーを使用することができる。

本発明の熱応力吸収部２０を設けた光センサファイバ１０を使用した光変流器は、大掛かりな対策を行うことなく光センサファイバのガラスファイバ素線１０Ａの透過損失が大幅に減少するから、温度変化に対する出力が抑制され、電流検出の出力特性に関する温度依存性を少なくでき、より一層誤差の少ない電流測定を行うことができる。

図２に、本発明の光変流器に用いる上記と同様な構造の光センサファイバ１０の実施例を示している。この例においては、ガラスファイバ素線１０Ａの他端側の露出させた端部に、上記した例と同じようにフェルール１５を接着部１６により固着している。そして、光センサファイバ１０の他端側に、ガラスファイバ素線１０Ａ及び保護カバー２１の端部を、光軸方向に移動可能な自由端にする特別の構造の熱応力吸収部２０を設けている。

この図２の熱応力吸収部２０は、上記と同様に光センサファイバ１０の端部を包囲するように反射部材１２側を閉鎖して形成された保護カバー２１を用いて構成している。保護カバー２１は、光センサファイバ１０の端部の反射部材１２側を閉鎖し、かつ上記した実施例１と同様に予め定めた光軸方向の長さが確保できる寸法に設定して形成する。この保護カバー２１で、露出させたガラスファイバ素線１０Ａやフェルール１５及び反射部材１２、更には保護被覆材１０Ｂの一部を含めて包囲している。

保護カバー２１の内面（図２の左側内面）は、フェル−ル１５及び反射部材１２を設けるガラスファイバ素線１０Ａの端部の部分を含めて、接着部２３によって一体に固着している。しかも、固着しない保護カバー２１の部分（図２の右側）は、内周面に円周溝２４を設けている。この円周溝２４内には、気密性のあるＯリング２５等の封止部材を配置して湿気の影響を防ぐと共に、保護被覆材１０Ｂの外周面と摺動可能にしている。

なお、封止部材は気密性及び可撓性を有する材質からなる伸縮性のある管継手、例えばゴム製の蛇腹状管継手を使用し、保護カバー２１と保護被覆材１０Ｂに装着することもできる。この封止部材の使用で、内部に固着したガラスファイバ素線１０Ａ等の構造物及び保護カバー２１の端部は、光軸方向に移動可能な自由端となり、保護カバー２１内の気密を維持した状態で移動可能にできる。

このように光センサファイバ１０の他端側に熱応力吸収部２０を構成し、ガラスファイバ素線１０Ａや保護カバー２１等が移動できる自由端としても、上記実施例と同様な効果を達成することができる。

１…通電導体、１０…光センサファイバ、１０Ａ…ガラスファイバ素線、１０Ｂ…保護被覆材、１１…偏／検光子部、１２…反射部材、１３、１４…信号伝送ファイバ、１５…フェルール、１６…接着部、２０…熱応力吸収部、２１…保護カバー、２２、２３…接着部、２４…円周溝、２５…Ｏリング。

Claims (3)

1. 通電導体の周囲に、ガラスファイバ素線に保護被覆材を施した光センサファイバを配置し、前記光センサファイバはその一端側に偏／検光子部を設けると共に、前記光センサファイバの他端側には保護被覆材を除去したガラスファイバ素線の端部にフェルールを固着し、かつ前記フェルールを固着したガラスファイバ素線の端面に反射部材を設けた光変流器において、前記光センサファイバの他端側に、熱応力吸収部を設け、前記熱応力吸収部は、前記反射部材側を閉鎖して形成されて前記光センサファイバの端部を包囲する保護カバーと、前記保護カバーを前記光センサファイバの保護被覆材の外周面に固着する接着部とから構成され、前記保護カバー内の収納空間内に前記フェルールと前記保護被覆材とが離間して収納され、前記ガラスファイバ素線の外径が前記保護被覆材の内径よりも小さくされて前記ガラスファイバ素線と該ガラスファイバ素線に固着された前記フェルールが前記保護被覆材に拘束されず、該保護被覆材に対して移動可能とされて、前記ガラスファイバ素線の端部が、光軸方向に移動可能な自由端とされることを特徴とする光変流器。
2. 通電導体の周囲に、ガラスファイバ素線に保護被覆材を施した光センサファイバを配置し、前記光センサファイバはその一端側に偏／検光子部を設けると共に、前記光センサファイバの他端側には保護被覆材を除去したガラスファイバ素線の端部にフェルールを固着し、かつ前記フェルールを固着したガラスファイバ素線の端面に反射部材を設けた光変流器において、前記光センサファイバの他端側に、熱応力吸収部を設け、前記熱応力吸収部は、前記反射部材側を閉鎖して形成されて前記光センサファイバの端部を包囲する保護カバーと、前記保護カバーをフェルール及び反射部材を有する前記ガラスファイバ素線の端
   部に固着する接着部と、前記保護被覆材の外周面を摺動可能に密封する封止部材とから構成され、前記保護カバー内の収納空間内に前記フェルールと前記保護被覆材とが離間して収納され、前記ガラスファイバ素線の外径が前記保護被覆材の内径よりも小さくされて前記ガラスファイバ素線と該ガラスファイバ素線に固着された前記フェルールが前記保護被覆材に拘束されず、該保護被覆材に対して移動可能とされて、前記ガラスファイバ素線の端部が、光軸方向に移動可能な自由端とされることを特徴とする光変流器。
3. 請求項２において、前記封止部材は、前記保護カバーの内周面に設けた円周溝と、前記円周溝内に配置されたＯリングで構成したことを特徴とする光変流器。

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