JP6590124B1 - 電圧測定装置及びガス絶縁開閉装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気光学結晶内を通じる電圧をゼロにするようバイアス電極を制御するバイアス電源制御部を用いて高電圧導体の直流電圧を測定することが可能な電圧測定装置を提供する。本発明の電圧測定装置は、光源（５）と、光源（５）から出射された光を偏光する偏光子（６）と、高電圧導体（１）と離隔するように設けられ、接地された接地導体（２ａ）と、浮遊電位であり、接地導体（２ａ）及び高電圧導体（１）とは非接触である結晶端面電極（４）と、結晶端面電極（４）と接地導体（２ａ）との間に設けられ、偏光子（６）から出射された光を透過するポッケルスセル（３）と、ポッケルスセル（３）で反射された光を透過する検光子（７）と、検光子（７）から出射された光を検出する光検出器（８）と、光検出器（８）により出力された電圧を結晶内電界に換算して出力する結晶内電界測定部（９）と、高電圧導体（１）と結晶端面電極（４）との間に、結晶端面電極（４）と非接触となるように設けられるバイアス電極（１０）と、バイアス電極（１０）に接続されるバイアス電源（１１）と、結晶内電界測定部（９）と接続され、ポッケルスセル（３）の内部電界をゼロに保つようにバイアス電源（１１）を制御するバイアス電源制御部（１２）と、結晶内電界測定部（９）及びバイアス電源制御部（１２）の出力結果に基づいて高電圧導体（１）の電圧を求める測定電圧演算部（１３）と、を備えたことを特徴とする。

Description

本発明は、電気光学効果を利用した電圧測定装置及びガス絶縁開閉装置に関するものである。

電力の長距離送電においては、送電効率及びコストの面から、直流送電の技術である高電圧直流（Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ、以下ではＨＶＤＣと呼ぶ）送電が世界的に注目を集めており、各国で技術開発が進んでいる。直流送電系統と従来の交流送電系統とを連繋するための交直変換所及び、異なる周波数である交流送電系統同士を連繋するため両系統間の接続に直流送電を利用する周波数変換所において、電力系統の制御、保護及び計測のために直流電圧は常時監視しておく必要がある。
送電系統、交直変換所及び周波数変換所で監視対象となる直流電圧は、一般に数百ｋＶの高電圧であり、直接測定するのは困難である。そこで、電圧の測定方法として、ポッケルス効果と呼ばれる１次電気光学効果を用いる手法が提案されている。

１次電気光学効果とは、電気光学結晶に対して電界を加えた際に屈折率が電界の強さの１次に比例して変化し複屈折が生じる現象である。複屈折とは、電気光学結晶に電界をかけ、特定の方向の屈折率のみが変化して屈折率に異方性が生じた電気光学結晶内部を光が透過すると、電気光学結晶内部において直交する２成分の透過速度が異なることで、光学的な位相差が生じて偏光状態が変化する現象のことである。光学的な位相差のことを、以下では、偏光位相差と呼ぶ。複屈折の例では、電界が加わった電気光学結晶に所定の角度を有する直線偏光の光を入射させると、出射光は楕円偏光となる。１次電気光学効果であるポッケルス効果において、偏光位相差は電気光学結晶に印加された電界に比例する。したがって偏光位相差を測定によって得ることで、電気光学結晶に印加された電界、すなわち電気光学結晶の両端の電位差を求めることができる。

そこで従来では、直流系統の電圧を複数の抵抗体で構成された分圧器を用いて一旦扱い易い電圧まで降下させた電圧をポッケルス効果を有する電気光学結晶の両端に印加して測定するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。また、直流系統の高電圧導体の電圧を、ポッケルス効果を利用した電界センサを用いて非接触で測定する方法があった（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１５−１１０１９号公報 特開平５−９３７４３号公報

しかしながら、このような従来の複数の抵抗体で構成された分圧器を用いて直流の系統電圧を測定する方法では、複数の抵抗体を絶縁油に浸漬する必要があり、電圧測定装置が大型化してしまうという問題があった。また、ポッケルス効果を有する電気光学結晶に直流電圧が印加された場合、電気光学結晶の内部を通じた電荷挙動により電気光学結晶の両端電圧は次第に減少していくという変動現象が生じる。その結果、ポッケルス効果を有する電気光学結晶を利用した電界センサを用いて非接触で電圧を測定する装置では、変動現象の影響で測定対象の直流電圧の精度が低下するという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、大型化することなく、変動現象の影響により測定対象の直流電圧の測定精度が低下することを低減可能な電圧測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電圧測定装置は、光源と、光源から出射された光を偏光する偏光子と、高電圧導体と離隔するように設けられ、接地された接地導体と、浮遊電位であり、接地導体及び高電圧導体とは非接触である結晶端面電極と、結晶端面電極と接地導体との間に設けられ、偏光子から出射された光を透過するポッケルスセルと、ポッケルスセルで反射された光を透過する検光子と、検光子から出射された光を検出する光検出器と、光検出器により出力された電圧を結晶内電界に換算して出力する結晶内電界測定部と、高電圧導体と結晶端面電極との間に、結晶端面電極と非接触となるように設けられるバイアス電極と、バイアス電極に接続されるバイアス電源と、結晶内電界測定部と接続され、ポッケルスセルの内部電界をゼロに保つようにバイアス電源を制御するバイアス電源制御部と、結晶内電界測定部及びバイアス電源制御部の出力結果に基づいて高電圧導体の電圧を求める測定電圧演算部と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る電圧測定装置は、電気光学結晶を使用することで電気測定装置を小型化することができ、変動現象の影響による測定対象の直流電圧の測定精度の低下を低減することができる。

実施の形態１に係る電圧測定装置を説明するための構成図の例である。 実施の形態１に係る電圧測定装置を説明するための構成図の一部をＡの矢印から見た断面図である。 実施の形態１に係る電圧測定装置に用いるポッケルスセルの模式図の例である。 実施の形態１に係る電圧測定装置を説明するための電気的等化回路の例である。 実施の形態１に係る電圧測定装置の正弦波のグラフの例である。 実施の形態２に係る電圧測定装置を説明するための構成図の例である。 実施の形態２に係る電圧測定装置の正弦波のグラフの例である。 実施の形態３に係る電圧測定装置を説明するための構成図の例である。 実施の形態４に係る電圧測定装置を説明するための成図の例である。 実施の形態５に係る電圧測定装置を説明するための構成図の例である。 実施の形態６に係る電圧測定装置を説明するための構成図の例である。 実施の形態７に係る電圧測定装置を適用したガス絶縁開閉装置の外観図の例である。 実施の形態７に係る電圧測定装置を適用したガス絶縁開閉装置の回路構成を示すための図の例である。 実施の形態７に係る電圧測定装置を説明するための構成図の例である。 実施の形態７に係る電圧測定装置を説明するための構成図の一部をＢの矢印から見た断面図である。

実施の形態１．
本実施の形態である電圧測定装置について説明する。図１は、本実施の形態である電圧測定装置の構成を説明するための構成図である。点線の矢印は、レーザ光の流れを示す。また、実線の矢印は信号の流れを示す。
図１に示されるように、本実施の形態である電圧測定装置は、高電圧導体１に印加された直流電圧を測定するものである。本実施の形態である電圧測定装置には、接地電位に固定された接地導体２ａ、ポッケルスセル３、結晶端面電極４、バイアス電極１０、バイアス電源１１、光ファイバ１４、ブッシング１５、絶縁性支持物１６、入力部１００及び出力部１０１が設けられている。

ポッケルス効果を有する電気光学結晶で構成されたポッケルスセル３は、高電圧導体１と接地導体２ａとの間に、高電圧導体１とは非接触で、接地導体２ａとは接触して配置されている。結晶端面電極４は、ポッケルスセル３の上面に設けられている。また、入力部１００には、光源５、偏光子６、検光子７及び光検出器８が備えられている。出力部１０１には、結晶内電界測定部９、バイアス電源制御部１２及び測定電圧演算部１３が備えられている。なお、光源５は、レーザ光源であるとして以下では説明する。また、光ファイバ１４は、レーザ光の偏光状態が保持可能なものである。
光源５から出射され偏光子６を通ったレーザ光は、一方の光ファイバ１４を介してポッケルスセル３に下端から入射する。一方の光ファイバ１４を介してポッケルスセル３に入射したレーザ光は、ポッケルスセル３の上端面で反射され、他方の光ファイバ１４を介して検光子７を通り、光検出器８に入射する。光検出器８は、結晶内電界測定部９に検出したレーザ光の強度を出力する。

結晶内電界測定部９は、レーザ光の強度からポッケルスセル３の電気光学結晶内の電界を求め、バイアス電源制御部１２及び測定電圧演算部１３に測定された電界の値を出力する。
バイアス電極１０は、結晶端面電極４とは非接触になるよう絶縁性支持物１６によって支持固定されている。
バイアス電源１１は、接地導体２ａと電気絶縁するためのブッシング１５を通してバイアス電極１０に接続されている。
バイアス電源制御部１２は、結晶内電界測定部９から入力された電界の値に応じてバイアス電源１１から出力されるバイアス電圧を設定するために、設定信号を出力する。バイアス電源１１は、バイアス電源制御部１２が出力する設定信号が入力され、バイアス電源制御部１２により出力するバイアス電圧が制御される。
また、測定電圧演算部１３は、結晶内電界測定部９及びバイアス電源１１と接続されており、結晶内電界測定部９で測定された電界の値とバイアス電源制御部１２から出力された設定信号とから、高電圧導体１に印加されている直流電圧を演算により求める。

図２は、図１の破線の矢印Ａから見た高電圧導体１と接地導体２ａとの断面図である。図２で示されるように、接地導体２ａは平板形状をしており、高電圧導体１と離隔して対向するように設けられている。

高電圧導体１は、本実施の形態では、直流の送電線に接続され直流の送電用にジュール損を低減するように昇圧された充電部であり、直流電圧は高い場合で数１００ｋＶに至る。高電圧導体１としての例としては、変電所、交直変換所及び周波数変換所における電力機器周囲の導体が挙げられる。
接地導体２ａは、高電圧導体１に対向するように設置され、その電位は接地線と地面に埋め込まれた接地極を通じて対地電位、すなわち０電位に固定される。接地線や接地極のインピーダンスは充分低くある必要があり、Ａ種接地が確保されていることが望ましい。

ポッケルスセル３に使用される電気光学結晶は、１次電気光学効果、いわゆるポッケルス効果を有する結晶である。電気光学結晶の例としては、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、Ｂｉ_１２ＳｉＯ_１２、ＢｉＧｅ_３Ｏ_１２及び水晶がある。
ポッケルスセル３は、接地導体２ａと結晶端面電極４との電位差の測定のため設置される。ポッケルスセル３を構成する電気光学結晶は、空気又は絶縁ガス等の周囲媒体に比べると誘電率が高く、抵抗率が低い。したがって、ポッケルスセル３の電気光学結晶と接地導体２ａとの間、及び電気光学結晶と結晶端面電極４との間にもし空隙が入ると、ポッケルスセル３の両端電圧は大きく変動することになってしまう。こうした両端電圧の変動は、高電圧導体１の電位測定の誤差の要因となる。

図３は、本実施の形態の電圧測定装置で用いられているポッケルスセル３の模式図である。点線の矢印はレーザ光の流れを示す。図３に示すように、電気光学結晶３ａと結晶端面電極４との接触面に導電層２１ａ、電気光学結晶３ａと接地導体２ａとの接触面に導電層２１ｂを設けることで、高電圧導体１の電位測定における誤差の減少につながる。導電層２１ａ及び導電層２１ｂは、導電材料を電気光学結晶３ａの両端面に蒸着して形成される。
導電層２１ａ及び導電層２１ｂにより、電気光学結晶３ａと結晶端面電極４、及び電気光学結晶３ａと接地導体２ａとは各々空隙を生じることなく、高電圧導体１の電位測定の誤差を抑制することができるようになる。

ポッケルスセル３には、電界による電気光学結晶３ａ内部の屈折率の変化で生じる偏光位相差の測定のため、レーザ光を透過させる。図１の例では、ポッケルスセル３に設けられた導電層２１ｂと接触する接地導体２ａには、光が通過する入射側開口が設けられており、この入射側開口からレーザ光が入射する。このとき、入射側開口は、レーザ光が高電圧導体１と接地導体２ａとの間に形成される電界の向きと極力同じ向きになるように設けられている。そして、結晶端面電極４と接触するポッケルスセル３の上面に設けられた導電層２１ａの表面にてレーザ光は反射する。ポッケルスセル３に設けられた導電層２１ｂと接触する接地導体２ａには、光が通過する出射側開口も設けられており、導電層２１ａの表面で反射してポッケルスセル３の内部を通って戻ってきたレーザ光は、この出射側開口から出射する。

そのため、図１及び図３において、ポッケルスセル３の上面は、光学反射特性を持った、結晶端面電極４と電気接続可能な導電層２１ａで構成される必要がある。
また、ポッケルスセル３の下面は、光学透過特性を持った、接地導体２ａと電気接続可能な導電層２１ｂで構成される必要がある。
光学反射特性が要求される導電層２１ａには、金及びアルミ等の材料からなる導電性の材料を用いる。
レーザ光路を確保するために、光学透過特性が要求される導電層２１ｂには、光学透過特性のある酸化インジウム錫（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ、ＩＴＯ）等の材料を用いる。

結晶端面電極４は、ポッケルスセル３に設けられた導電層２１ａに接触して設置される。結晶端面電極４は高電界下に設置されるため、端部はＲ面取りするといった電界強調を避ける形状とするのが望ましい。
結晶端面電極４は、浮遊電位とするため、高電圧導体１、接地導体２ａ及びバイアス電極１０とは非接触で設置される。

図４は、実施の形態１に係る電圧測定装置で高電圧導体１に印加された直流電圧を測定するための電圧測定系の電気的等価回路図を示す。結晶端面電極４の電位Ｖ_ｆを式（１）に示す。結晶端面電極４の電位Ｖ_ｆは、高電圧導体１の電位Ｖ_ａｐｐ、接地導体２ａの０電位及びバイアス電極１０の電位Ｖ_ｂにより決定される。ここで、結晶端面電極４と高電圧導体１との静電容量を静電容量Ｃ_１、結晶端面電極４と接地導体２ａとの静電容量を静電容量Ｃ_２、結晶端面電極４とバイアス電極１０との静電容量を静電容量Ｃ_３、ポッケルスセル３の電気抵抗をＲ及び結晶端面電極４の帯電量を帯電量Ｑで示す。

ポッケルスセル３を構成する電気光学結晶３ａの電気抵抗Ｒは有限であるため、結晶端面電極４の電位Ｖ_ｆがゼロでない場合は、電気抵抗Ｒを通じた電荷移動により結晶端面電極４の帯電量Ｑが変動していき、結晶端面電極４の電位Ｖ_ｆは接地導体２ａと同電位となるよう変動する。この変動の減衰時定数は、電気光学結晶３ａの誘電率と抵抗率の積で表される。
光源５は、可干渉性及び指向性のよいものが望ましくレーザが使用される場合が多い。使用するレーザの具体例としては、半導体レーザ、固体レーザ及びガスレーザ等が挙げられる。

光源５が出射したレーザ光は、偏光子６を透過することで直線偏光となり、両端にコリメータを有する偏光を保持する光ファイバ１４を通してポッケルスセル３に入射する。ポッケルスセル３を透過するレーザ光は、電気光学結晶３ａ内電界に応じた偏光位相差を生じた後、導電層２１ａの表面で反射する。反射されたレーザ光は、再度、電気光学結晶３ａ内電界に応じた偏光位相差を生じた後に導電層２１ｂを透過し、光ファイバ１４を介して検光子７を通過し、光検出器８に入射する。光検出器８では、光―電気変換により光強度を電気信号として検出する。
ポッケルスセル３を透過するレーザ光に生じる偏光位相差を直接測定することは困難である。したがって、偏光子６及び検光子７に光を透過させることで、偏光位相差を光強度に換算して測定する。例えば、偏光子６と検光子７の光学軸を互いに直交させるように配置した場合、ポッケルスセル３に入射する光強度Ｉ_ｉｎと、光検出器８に入射する光強度Ｉ_ｏｕｔの関係は、式（２）で表される。ここで偏光位相差θは、ポッケルスセル３をレーザ光が１回通過することによっての電気光学効果により生じる偏光位相差を表す。したがって、レーザ光は図１の点線で示す矢印のように反射されることから、２回通過分の偏光位相差２θが生じることになり、式（２）の右辺のようになる。

本実施の形態では、偏光子６と検光子７との各光学軸を互いに直交させるように配置する。このように配置した場合、光源５から出射されたレーザ光のうち、偏光子６の光学軸の方向と同じ特定の偏光方向の光が偏光子６を透過する。さらに、ポッケルスセル３から出射されたレーザ光のうち、検光子７の光学軸の方向と同じ偏光方向のレーザ光が検光子７を透過する。すなわち、偏光子６を透過したレーザ光の偏光方向と検光子７を透過したレーザ光の偏光方向とは直交する。したがって、光源５が出射したレーザ光は、電気光学結晶３ａに電界が加わらない状態では、検光子７を透過することはできないため光検出器８で検出される光強度は原理上ゼロである。
一方、電気光学結晶３ａに電界が加わると、ポッケルス効果の原理に従って、入射光には偏光位相差が生じる。その場合、光源５が出射した光は偏光子６を透過し、直線偏光となる。その後、ポッケルスセル３を透過し楕円偏光となる。したがって、検光子７の光学軸に対応した成分は検光子７を透過することができ、光検出器８で検出される光強度はゼロでない値となる。この光強度は、電気光学結晶３ａ内部の電界に応じて正弦波曲線を示す。また、偏光位相差θと電気光学結晶３ａの両端の電位差Ｖには比例関係があり、比例係数は電気光学結晶３ａの種類及び結晶軸に大きく依存する。

結晶内電界測定部９は、入力された光検出器８の出力電圧を結晶内電界に換算して出力する。図５において、予め校正時に取得される結晶内電界と光検出器８の出力電圧の関係を示す正弦波曲線を示す。縦軸が光検出器８の出力電圧を規格化したものであり、横軸は偏光位相差θを表す。結晶内電界測定部９の出力は、バイアス電源制御部１２に入力される。

バイアス電源制御部１２は、電気光学結晶３ａの内部電界に応じてバイアス電源１１の出力値を制御する。結晶端面電極４は浮遊電位であり、結晶端面電極４の電位はバイアス電極１０の電位に応じて誘導され制御することが出来る。
本実施の形態では、電気光学結晶３ａの内部電界をゼロに保つことで、電気光学結晶３ａを通じた電気伝導を抑制する。電気光学結晶３ａの内部電界は、電気光学結晶３ａ内を伝搬する光の偏光位相差θから測定し、結晶内電界測定部９から出力され把握することが出来る。電気光学結晶３ａの内部電界がゼロ以外の値を有する場合は、バイアス電源制御部１２がバイアス電源１１を制御することで、結晶端面電極４の電位を変化させ、結晶内電界測定部９の出力がゼロになるようフィードバック制御する。
フィードバック周期は、電気光学結晶３ａの電気伝導による帯電の時定数より十分早くする必要がある。さらに、フィードバック周期は、電圧測定装置の応答速度を決めるため、小さいほど望ましい。しかし、応答速度に応じて結晶内電界測定部９のサンプリング周波数を高くする必要があり、高コスト化するため、用途に応じて選定される。

測定電圧演算部１３は、結晶内電界測定部９の出力及びバイアス電源制御部１２の出力を受け、結晶内電界測定部９も出力がゼロとなり電気光学結晶３ａの内部電界がゼロとなったことを確認した上で、測定対象である高電圧導体１の電位Ｖ_ａｐｐを演算する。式（１）を変形した式（３）を示す。式（３）より、高電圧導体１の電位Ｖ_ａｐｐが算出される。式（３）の結晶端面電極４の電位Ｖ_ｆは、一般的に電気光学結晶３ａの内部電界が生じている場合において、電気光学結晶３ａの内部電界と厚さの積から求められる。なお、電気光学結晶３ａの内部電界がゼロの場合は、電位Ｖ_ｆもゼロである。

結晶端面電極４の帯電量Ｑの値は通常わずかであるが、式（３）に示すように、高電圧導体１の電位測定において、帯電量Ｑが測定誤差要因となるため、測定開始時点では結晶端面電極４を接地除電し、帯電量Ｑをゼロとする。

バイアス電源制御部１２によってバイアス電源１１を制御することで、電気光学結晶３ａの内部電界をゼロに保つことできる。したがって、ポッケルス効果を有する電気光学結晶３ａを使用することで電圧測定装置が大型化することなく、また、電気光学結晶３ａの内部電界がゼロとなるようにフィードバック制御することで変動現象の影響により測定対象の直流電圧の測定精度の低下を低減することができる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る電圧測定装置の構成を説明するための構成図である。実施の形態１と異なる点は、偏光子６とポッケルスセル３との間に４分の１波長板３１を挿入している点である。なお、実施の形態１と同様の内容については説明を省略する。図６では、４分の１波長板３１が偏光子６とポッケルスセル３との間に挿入されている例を記載しているが、４分の１波長板３１は、少なくとも偏光子６と検光子７との間に挿入されていればよい。本実施の形態においては、偏光子６と検光子７との光学軸を互いに直交させ、さらに４分の１波長板３１の光学軸の中でＦＡＳＴ軸を偏光子６の光学軸に対して±４５度とする。
このように構成された電圧測定装置においては、ポッケルスセル３に入射する光強度Ｉ_ｉｎと、光検出器８に入射する光強度Ｉ_ｏｕｔの関係は、式（４）で表わされる。ここで、偏光位相差θは、実施の形態１と同様に、電気光学結晶３ａに電界を加えることで生じる偏光位相差を表す。レーザ光は、ポッケルスセル３に入射した後、導電層２１ａにおいて反射されて光検出器８に入射するため、図５の点線で示されるレーザ光の流れのようにｓｉｎ２θとする。すなわち、実施の形態１と同様に、レーザ光はポッケルスセル３を２回通過するので、２回通過分の偏光位相差２θとなる。

４分の１波長板３１を適用することで、偏光位相差θがゼロから微小に変動した際のＩ_ｏｕｔの変動（ｄＩ_ｏｕｔ／ｄ_θ（θ＝０））が大きくなるため、偏光位相差θがゼロ付近における測定感度が改善される。
図７は、本実施の形態の結晶内電界と光検出器８の出力電圧の関係を示す正弦波曲線を示す。４分の１波長板３１の光学軸の中で、ＦＡＳＴ軸を偏光子６の光学軸に対して＋４５度とした場合のグラフである。縦軸が結晶内電界と光検出器８の出力電圧の関係であり、横軸は偏光位相差θを表す。
図７で示すように、４分の１波長板３１を設けることで位相が４５度ずれるため、実施の形態１の図５とは異なり、左右非対称となる。したがって、高電圧導体１に印加された直流電圧の極性も判定することができる。

実施の形態３．
図８は、実施の形態３に係る電圧測定装置の構成を説明するための構成図である。実施の形態３において実施の形態１及び２との相違は、ポッケルスセル３と検光子７との間のビームスプリッタ３２及び、反射光を検出する反射光検出器３３とを備えている点である。なお、実施の形態１及び２と同様の内容については説明を省略する。結晶内電界測定部９は、光検出器８と反射光検出器３３との出力電圧から電気光学結晶３ａに加わる電界を算出する。
実施の形態１の構成では、光源５の出射光強度の変動及び気温変化等によるレーザ光路上にある素子の光学特性の変動により、光検出器８への入射光強度が増減することで、電気光学結晶３ａ内に電界の読み取り誤差となっていた。
本実施の形態が有する反射光検出器３３は、検光子７を透過する前のレーザ光強度を検出するため偏光位相差θの影響は受けず、上記で述べた光源５の出射光強度の変動及び気温変化等によるレーザ光路上にある素子の光学特性の変動のみを検出する。式（２）又は式（４）において、Ｉ_ｉｎに反射光検出器３３の出力を用いることで、変動を補正し測定精度を向上することができる。

実施の形態４．
図９は、実施の形態４に係る電圧測定装置の構成を説明するための構成図である。
実施の形態１〜３との相違は、光検出器８と結晶内電界測定部９とに接続されたロックインアンプ３４、信号減衰器３５及び交流電源３６を有している点である。なお、実施の形態１〜３と同様の内容については説明を省略する。
接地導体２ａは、直接接地されずに、変調電圧を生成する交流電源３６を介して接地される。すなわち、接地導体２ａには交流電源３６で生成された変調電圧が印加されている。さらに、交流電源３６で生成された変調電圧は信号減衰器３５を介して減衰されてロックインアンプ３４のリファレンス信号となっている。
ロックインアンプ３４は、光検出器８の出力を入力信号とする。さらに、ロックインアンプ３４は、信号減衰器３５からの減衰された変調信号をリファレンス信号として入力信号を位相同期検波し、結晶内電界測定部９に出力する。
光検出器８は、レーザ光ではない外乱光の影響及び周囲電磁ノイズによる影響を受けることで測定感度が低下する可能性がある。
そこで、接地導体２ａの電位を所定の周波数で振動させ、光検出器８の出力から同周波数かつ同位相の成分をロックインアンプ３４で抽出することで、上記で挙げたレーザ光ではない外乱光の影響及び周囲電磁ノイズによる影響を低減することができる。

実施の形態５．
図１０は、実施の形態５に係る電圧測定装置の構成を説明するための構成図である。
実施の形態１〜４との相違は、温度センサ３７が設けられ、ポッケルスセル３、光源５、偏光子６、検光子７、光検出器８及び４分の１波長板３１の温度を測定する点である。なお、実施の形態１〜４と同様の内容については説明を省略する。また図１０では、温度センサ３７は１つだけ設けているが、複数設けてもよい。
ポッケルスセル３、光源５、偏光子６、検光子７及び光検出器８は温度に依存し特性が変動するため、予めその温度依存性を取得しておき、測定環境温度を温度センサ３７により把握することで、その影響を低減することができる。

実施の形態６．
図１１は、実施の形態６に係る電圧測定装置の構造を説明するための構造図である。実施の形態１〜５との相違は、結晶端面電極４の帯電を除電するための除電部３８を有する点である。なお、実施の形態１〜５と同様の内容については説明を省略する。
式（３）で示したように、結晶端面電極４の帯電は測定誤差をもたらす。測定時には、結晶端面電極４の周囲に設置の金属部における高電界箇所からの電子放出、微小放電及び空間電荷の放出による結晶端面電極４の帯電をもたらすことが考えられる。したがって、結晶端面電極４の周囲構造物では、電界低減のため電極角部及び異種材料の三重点といった電界強調する構造を排除した電界緩和構造を採用することが求められる。しかし、機器の寸法やコスト上の制限から電子放出等を完全に抑制することが困難となることが想定される。
そのため、本実施の形態のように除電部３８を備えることで、定期的に結晶端面電極４の帯電を除電することができ、測定精度の向上と測定系の小型化を実現することができる。

実施の形態７．
ガス絶縁開閉装置は、接地された金属製の密閉容器内に、遮断器、断路器、接地開閉器、母線、避雷器、計器用変圧器及び変流器等を収納してガス絶縁化した開閉装置である。
以下では、直流送電に使用される機器に本実施の形態に係る電圧測定装置が適用される例として、直流電圧で充電された母線が収納されたガス絶縁開閉装置への適用例を説明する。

図１２は、本実施の形態に係る電圧測定装置２００を適用したガス絶縁開閉装置の外観図であり、図１３は、ガス絶縁開閉装置の回路構成を示すための図である。図１２及び図１３に示されたガス絶縁開閉装置は、接地された金属製の密閉容器内に母線５０が収納されており、直流送電線が接続されるケーブルヘッド４０と、直流電圧の測定対象となる母線５０と、断路器４２と、断路器４２の両側に設けられた接地開閉器４１ａ，４１ｂと、避雷器４３と、計器用変流器４４と、母線５０の直流電圧を測定する電圧測定装置２００とを備えている。

図１４は、図１２及び図１３に示したガス絶縁開閉装置に搭載するのに適する本実施の形態に係る電圧測定装置２００の構造を説明するための構成図である。実施の形態１〜６との相違は、電圧測定装置２００をガス絶縁開閉装置に適用するために接地導体の形状を変更した点である。図１５は、図１４の一部を破線の矢印Ｂから見た図であり、本実施の形態における接地導体２ｂは、円筒状の金属導体で形成されており、母線５０を中心軸にして配置されている。なお、実施の形態１〜６と同様の内容は説明を省略する。本実施の形態における高電圧導体は母線５０が相当し、本実施の形態に係る電圧測定装置２００は、接地導体２ｂの電位を基準として母線５０に充電された直流電圧を測定する。

ガス絶縁開閉装置において、接地導体２ｂである円筒状の金属導体と母線５０が相当する高電圧導体との間の空間は、絶縁距離を確保するための絶縁距離が確保されており、さらに絶縁特性を高めるために大気圧以上に加圧された絶縁性ガスで気密に封止されている。絶縁性ガスとしては、乾燥空気、ＳＦ_６、ＣＯ_２及びＣＦ_３Ｉ等が挙げられる。
本実施の形態に係る電圧測定装置２００においては、ポッケルスセル３を接地導体２ｂである円筒状の金属導体の内部に設置している。本実施の形態において、高電圧導体としての母線５０に充電された直流電圧を測定する方法は実施の形態１と同様である。

１ 高電圧導体
２ａ，２ｂ 接地導体
３ ポッケルスセル
３ａ 電気光学結晶
４ 結晶端面電極
５ 光源
６ 偏光子
７ 検光子
８ 光検出器
９ 結晶内電界測定部
１０ バイアス電極
１１ バイアス電源
１２ バイアス電源制御部
１３ 測定電圧演算部
１４ 光ファイバ
１５ ブッシング
１６ 絶縁性支持物
２１ａ，２１ｂ 導電層
３１ ４分の１波長板
３２ ビームスプリッタ
３３ 反射光検出器
３４ ロックインアンプ
３５ 信号減衰器
３６ 交流電源
３７ 温度センサ
３８ 除電部
４０ ケーブルヘッド
４１ａ，４１ｂ 接地開閉器
４２ 断路器
４３ 避雷器
４４ 計器用変流器
５０ 母線
１００ 入力部
１０１ 出力部
２００ 電圧測定装置

Claims (11)

1. 光源と、
   前記光源から出射された光を偏光する偏光子と、
   高電圧導体と離隔するように設けられ、接地された接地導体と、
   浮遊電位であり、前記接地導体及び前記高電圧導体とは非接触である結晶端面電極と、
   前記結晶端面電極と前記接地導体との間に設けられ、前記偏光子から出射された前記光を透過するポッケルスセルと、
   前記ポッケルスセルで反射された前記光を透過する検光子と、
   前記検光子から出射された前記光を検出する光検出器と、
   前記光検出器により出力された電圧を結晶内電界に換算して出力する結晶内電界測定部と、
   前記高電圧導体と前記結晶端面電極との間に、前記結晶端面電極と非接触となるように設けられるバイアス電極と、
   前記バイアス電極に接続されるバイアス電源と、
   前記結晶内電界測定部と接続され、前記ポッケルスセルの内部電界をゼロに保つように前記バイアス電源を制御するバイアス電源制御部と、
   前記結晶内電界測定部及び前記バイアス電源制御部の出力結果に基づいて前記高電圧導体の電圧を求める測定電圧演算部と、
   を備えたことを特徴とする電圧測定装置。
2. 前記ポッケルスセルは、
   電気光学結晶と、
   前記電気光学結晶と前記結晶端面電極との接触面に設けられる第１の導電層と、
   前記第１の導電層と対向するように前記電気光学結晶と前記接地導体との接触面に設けられる第２の導電層と、
   で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電圧測定装置。
3. 前記第１の導電層は、光学反射特性を持った導電性材料で構成されており、
   前記第２の導電層は、光学透過特性を持った材料で構成されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の電圧測定装置。
4. 前記ポッケルスセルを伝播する前記光の偏光位相差は、
   前記ポッケルスセル内で反射されることで、２倍となる
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電圧測定装置。
5. 前記偏光子と前記検光子との間に４分の１波長板を設けること
   を特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電圧測定装置。
6. 前記検光子と前記光検出器との間にビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタから出力された反射光を検出する反射光検出器と、
   を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電圧測定装置。
7. 交流電源と、
   前記交流電源で生成された電圧を減衰させて信号とする信号減衰器と、
   前記信号減衰器で減衰された信号をレファレンス信号とし、前記光検出器からの出力を位相同期検波するロックインアンプと、
   を備え、
   前記接地導体は、前記交流電源を介して接地されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電圧測定装置。
8. 前記偏光子と前記検光子との間に４分の１波長板が設けられ、
   前記電気光学結晶、前記光源、前記偏光子、前記検光子、前記光検出器及び前記４分の１波長板の温度を測定するよう設けられた温度センサと、
   を備えたことを特徴とする請求項２に記載の電圧測定装置。
9. 前記結晶端面電極の帯電を除電する除電部と
   を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の
   電圧測定装置。
10. 前記高電圧導体は、直流送電の送電線に接続された充電部であり、
    前記接地導体は、平板形状であること
    を特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の電圧測定装置。
11. 請求項１から９のいずれか１項に記載の電圧測定装置を搭載し、
    前記高電圧導体は、母線であり、
    前記接地導体は、前記母線を取り囲む円筒状の金属導体であること
    を特徴とするガス絶縁開閉装置。

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