JP7336951B2

JP7336951B2 - 電圧測定装置および電圧測定方法

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Publication number: JP7336951B2
Application number: JP2019185232A
Authority: JP
Inventors: 貴弘梅本; 泰智大竹; 康人橋場; 裕之河野; 大悟松元; 篤広古田; 宏治高橋
Original assignee: Electric Power Development Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Electric Power Development Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-10-08
Filing date: 2019-10-08
Publication date: 2023-09-01
Anticipated expiration: 2039-10-08
Also published as: JP2021060308A

Description

本発明は、電気光学効果を利用して電圧を測定する電圧測定装置および電圧測定方法に関するものである。

長距離送電を行うシステムの１つとして、送電効率の高さといった観点から、高電圧直流（High Voltage Direct Current：ＨＶＤＣ）システムが注目されている。直流電圧は、直流送電系統と交流送電系統とに接続されて交流電力と直流電力との間の交換を行う交直変換装置、および、交流送電系統同士に接続されて電圧の周波数を変換する周波数変換装置などにおいて、常時監視される。監視の対象とされる電圧である系統電圧は数百ｋＶといった高電圧であることから、一般に、分圧器を用いることによって系統電圧を扱い易い電圧にまで降圧させて、降圧後の電圧が電圧測定装置によって測定される。分圧器は、抵抗あるいはキャパシタといった電気回路素子を組み合わせることによって構成される。

系統電圧を測定するための方法として、ポッケルス効果を利用する方法が知られている。ポッケルス効果は、ある種の結晶に電界を作用させた場合に、電界の強さの一乗に比例して結晶の屈折率のテンソルが変化する効果であって、一次の電気光学効果とも称される。一次の電気光学効果を有する結晶である電気光学結晶に電界を作用させながら、電気光学結晶へ光を入射させると、振動方向が互いに直交する２つの偏光成分が互いに異なる速度で電気光学結晶を伝搬する現象、すなわち複屈折が生じる。複屈折によって、２つの偏光成分の間に位相差が生じる結果、光の偏光状態が変化する。かかる位相差が電界の強さに比例することから、電圧測定装置は、位相差を測定することによって、電気光学結晶の両端における電位差を求めることができる。

特許文献１には、分圧器による降圧後の直流電圧を電気光学結晶へ印加して、電気光学結晶から出射した光に含まれる偏光成分ごとの強度比に基づいて直流電圧を求める電圧測定装置が開示されている。

特開２０１５－１１０１９号公報

系統電圧を測定する電圧測定装置は、高い測定精度が要求される一方、分圧器を構成する電気回路素子は、一般に、温度依存性を有する。このため、分圧器を有する電圧測定装置の場合、電圧測定装置が設置される環境の温度変化に対する測定精度を保証し得る分圧器を搭載する必要があることから、分圧器の設計および製造に多大な費用がかかっていた。また、多くの分圧器には、抵抗体を絶縁するための油が使用されていることから、分圧器が破損した際に油が流出するという懸念があった。このような事情から、電圧測定装置は、分圧器を用いずに高電圧を測定可能であることが求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、分圧器を使用せずに高電圧を測定可能とする電圧測定装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電圧測定装置は、測定対象と同電位の導体へ向けられた第１端面と、第１端面とは逆側の第２端面とを各々が有し、第１端面と第２端面との間を伝搬する光のうち振動方向が互いに直交する２つの偏光成分に、第１端面と第２端面との間において作用する電界の強さに応じた位相差を各々が生じさせる複数の電気光学結晶と、複数の電気光学結晶の各々から出射された光が伝搬する経路に配置された４分の１波長板と、電気光学結晶から出射された光に含まれる成分であって、第１端面と第２端面との間を伝搬したことによって偏光状態が変化した成分の光を各々が検出する複数の光検出器と、複数の光検出器の各々によって検出される光の強度に基づいて、導体に印加されている電圧の値を求める演算装置と、を備える。複数の電気光学結晶は、電気光学結晶へ電界が加えられることによって生じる位相差が複数の電気光学結晶の各々で互いに異なることによって、複数の光検出器の各々で検出される光の強度に差を生じさせる。演算装置は、導体に印加される電圧が変化した場合において複数の光検出器の各々によって検出される光の強度を示す各値の関係に基づいて、複数の光検出器の各々による検出結果に対応する電圧の値を求める。

本発明によれば、分圧器を使用せずに高電圧を測定することができる、という効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる電圧測定装置の模式図実施の形態１にかかる電圧測定装置が実施する動作の手順を示すフローチャート実施の形態１にかかる電圧測定装置が有する複数の光検出器の各々によって検出される光の強度と、高電圧導体の電圧との関係の例を示す図実施の形態１にかかる電圧測定装置が電圧の測定において参照するグラフである校正曲線の例を示す図実施の形態１の変形例１にかかる電圧測定装置の模式図実施の形態１の変形例２にかかる電圧測定装置の模式図本発明の実施の形態２にかかる電圧測定装置の模式図実施の形態２にかかる電圧測定装置が実施する動作の手順を示すフローチャート実施の形態１または２にかかる電圧測定装置が有する演算装置のハードウェア構成の例を示す第１の図実施の形態１または２にかかる電圧測定装置が有する演算装置のハードウェア構成の例を示す第２の図

以下に、本発明の実施の形態にかかる電圧測定装置および電圧測定方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電圧測定装置の模式図である。実施の形態１にかかる電圧測定装置１００は、送電系統、交直変換装置、あるいは周波数変換装置といった測定対象の電圧を測定する。電圧測定装置１００は、高電圧導体１と接地導体２との間に配置されている複数の電気光学結晶３と、光源４と、光源４から出射された光が入射する偏光子５と、複数の電気光学結晶３の各々から出射された光が伝搬する経路に配置された４分の１波長板である波長板３１と、電気光学結晶３から出射され、さらに波長板３１を通過した光が入射する検光子６と、検光子６から出射された光を各々が検出する複数の光検出器７と、演算装置１０とを有する。

高電圧導体１は、測定対象と同電位の導体である。測定対象の電圧は、数百ｋＶといった高電圧である。接地導体２は、基準電位点に接続されている導体である。なお、以下の説明では、電気光学結晶３の端面のうち、高電圧導体１へ向けられている端面を第１端面、接地導体２へ向けられている端面を第２端面と称することがある。第２端面は、第１端面とは逆側の端面であって、接地導体２に電気的に接続される。複数の電気光学結晶３の各々が、第１端面と第２端面とを有する。複数の電気光学結晶３の各々は、第１端面と第２端面との間を伝搬する光のうち振動方向が互いに直交する２つの偏光成分に、第１端面と第２端面との間において作用する電界の強さに応じた位相差を生じさせる。

電気光学結晶３は、電気光学効果の１つであるポッケルス効果を有する光学結晶である。電気光学結晶３の外部から電界が加えられた場合に、電気光学結晶３の分極状態が変化することによって、電気光学結晶３の屈折率が変化する。電気光学結晶３に電気光学効果が生じることによって、電気光学結晶３の屈折率には異方性が生じる。振動方向が互いに直交する２つの偏光成分を含む光が、屈折率の異方性が生じている電気光学結晶３を透過すると、２つの偏光成分の伝搬速度に差異が生じる複屈折が生じる。

電界が加えられている電気光学結晶３へ、当該２つの偏光成分の各振動方向に対して振動方向が傾けられている直線偏光が入射すると、当該２つの偏光成分に位相差が生じることによって、電気光学結晶３から出射される光は楕円偏光となる。当該２つの偏光成分の位相差は、電気光学結晶３に加えられている電界に比例する。したがって、電気光学結晶３を伝搬する光の位相差が測定されることによって、電気光学結晶３の第１端面と第２端面との間の電位差が求まる。

なお、電気光学結晶３としては、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、Ｂｉ_１２ＳｉＯ_１２、ＢｉＧｅ_３Ｏ_１２、水晶などを使用することができる。実施の形態１では、電圧測定装置１００には２つの電気光学結晶３が設けられているものとする。電圧測定装置１００には、３つ以上の電気光学結晶３が設けられても良い。

ミラー９は、各電気光学結晶３の第１端面に設けられている。ミラー９は、電気光学結晶３において第２端面から第１端面へ向けて伝搬した光を反射する。ミラー９は、高電圧導体１に接触している。ミラー９と高電圧導体１とは、互いに同電位である。

透明導電膜８は、各電気光学結晶３の第２端面に設けられている。透明導電膜８は、蒸着法によって第２端面に形成される。透明導電膜８は、接地導体２に電気的に接続されている。接地導体２のうち透明導電膜８と接する部分は、光が透過できるように透明とされている。

接地導体２の透明部分と透明導電膜８とを透過した光は、電気光学結晶３の第２端面へ入射する。第２端面から第１端面へ向けて伝搬した光は、ミラー９で反射し、第２端面へ向けて伝搬する。第２端面から電気光学結晶３の外部へ出射された光は、透明導電膜８と接地導体２の透明部分とを透過する。

電気光学結晶３には、電気光学結晶３を伝搬する光の光軸と平行な方向の電界であって、第１端面と第２端面との距離に応じた強さの電界が作用する。電気光学結晶３は、電気光学効果によって、第１端面と第２端面との間を伝搬する光に、高電圧導体１の電位に比例した位相差を生じさせる。位相差を直接測定することは困難であることから、電圧測定装置１００は、偏光子５と検光子６との組み合わせを用いて、検光子６を透過した光の強度を測定することによって位相差を求めることができる。

電圧測定装置１００には、電気光学結晶３と同じ数の光源４が設けられている。光源４としては、単一波長の光を出射するものが適しており、レーザが使用される。光源４であるレーザとしては、半導体レーザ、固体レーザあるいはガスレーザなどが使用される。

電圧測定装置１００には、電気光学結晶３と同じ数の偏光子５が設けられている。偏光子５は、偏光子５へ入射した光のうち、特定の方向である第１の方向において振動する直線偏光を透過させる光学素子である。偏光子５は、光源４と電気光学結晶３の第２端面との間の光路に配置されている。光源４から出射された光のうち、第１の方向において振動する直線偏光は、偏光子５を透過する。偏光子５を透過した直線偏光は、接地導体２の透明部分と透明導電膜８とを透過して、電気光学結晶３の第２端面へ入射する。このように、偏光子５は、光源４から出射された光から、第１の方向において振動する直線偏光を取り出し、取り出された直線偏光を電気光学結晶３へ入射させる。

電圧測定装置１００には、電気光学結晶３と同じ数の検光子６が設けられている。検光子６は、検光子６へ入射した光のうち、第２の方向において振動する直線偏光を透過させる光学素子である。第２の方向は、第１の方向に直交する方向である。検光子６は、電気光学結晶３の第２端面と光検出器７との間の光路に配置されている。電気光学結晶３から出射された光のうち、第２の方向において振動する直線偏光は、検光子６を透過する。検光子６を透過した直線偏光は、光検出器７へ入射する。このように、検光子６は、電気光学結晶３から出射された光から、第２の方向において振動する直線偏光を取り出し、取り出された直線偏光を光検出器７へ入射させる。第２の方向において振動する直線偏光は、第１の方向において振動する直線偏光が電気光学結晶３の第１端面と第２端面との間を伝搬したことによって、第１の方向において振動する状態から第２の方向において振動する状態へ偏光状態が変化した成分である。

電圧測定装置１００には、電気光学結晶３と同じ数の光検出器７が設けられている。光検出器７は、検光子６から出射された光を検出する。光検出器７は、光を電気信号へ変換する光電気変換によって、入射した光の強度を示す電気信号を生成する。光検出器７は、電気信号を演算装置１０へ出力する。

電圧測定装置１００には、電気光学結晶３と同じ数の波長板３１が設けられている。波長板３１は、電気光学結晶３と検光子６との間に配置されている。波長板３１の光学軸は、偏光子５の光学軸に対して４５度傾けられている。

演算装置１０は、信号処理を実行する第１の信号処理部１１および第２の信号処理部１２と、情報を表示する表示部１３と、情報を記憶する記憶部１４とを有する。第１の信号処理部１１と第２の信号処理部１２と表示部１３と記憶部１４とは、演算装置１０が有する機能部である。

演算装置１０は、グラフの情報を保持している。グラフは、高電圧導体１に印加される電圧が変化した場合において複数の光検出器７の各々によって検出される光の強度を示す各値の関係を表す。演算装置１０が保持するグラフは、各光検出器７によって検出される光の強度を座標軸とするグラフである。以下の説明では、かかるグラフを校正曲線と称する。演算装置１０は、あらかじめ求められた校正曲線の情報を取得する。記憶部１４は、校正曲線の情報を保持する。

第１の信号処理部１１は、校正曲線のうち、あらかじめ設定された基準電圧に対応する基準点を決定する。第２の信号処理部１２は、校正曲線のうち、複数の光検出器７の各々による検出結果に対応する測定点を求めるとともに、複数の光検出器７の各々によって検出される光の強度の変化に伴って校正曲線上において基準点から測定点を移動させていく。基準電圧は、任意に設定可能であるものとする。以下の説明では、基準電圧は、接地電圧であるものとする。また、高電圧導体１の電圧が基準電圧であるときに各光検出器７から演算装置１０へ出力される電気信号を、基準信号を称することがある。

高電圧導体１の電圧が接地電圧から上昇すると、電気光学結晶３に電気光学効果が生じることによって、各光検出器７によって検出される光の強度が変化する。第２の信号処理部１２は、演算装置１０へ入力される電気信号について、基準信号からの変化を常時測定する。第２の信号処理部１２は、基準信号からの電気信号の変化に伴って、校正曲線上において測定点を移動させる。また、第２の信号処理部１２は、測定点に対応する電圧の値を算出する。表示部１３は、第２の信号処理部１２によって算出された電圧の値を表示する。

次に、電圧測定装置１００の動作について説明する。図２は、実施の形態１にかかる電圧測定装置が実施する動作の手順を示すフローチャートである。光源４は、光を出射する。偏光子５は、光源４から出射された光から、第１の方向において振動する直線偏光を取り出す。偏光子５によって取り出された直線偏光は、電気光学結晶３の第２端面へ入射する。このように、電圧測定装置１００は、ステップＳ１において、偏光子５から出射された光を電気光学結晶３へ入射させる。

電気光学結晶３へ入射した光は、第２端面から第１端面へ向けて伝搬し、ミラー９で反射する。ミラー９で反射した光は、第１端面から第２端面へ向けて伝搬し、第２端面から電気光学結晶３の外部へ出射する。複数の電気光学結晶３の各々では、第１端面と第２端面との間において光が伝搬して、振動方向が互いに直交する２つの偏光成分に、第１端面と第２端面との間において作用する電界の強さに応じた位相差が生じる。

電気光学結晶３から出射された光は、波長板３１へ入射する。検光子６は、波長板３１から出射された光から、第２の方向において振動する直線偏光を取り出す。検光子６によって取り出された直線偏光は、光検出器７へ入射する。ステップＳ２において、光検出器７は、電気光学結晶３から出射された光のうち波長板３１および検光子６を透過した光を検出する。複数の光検出器７の各々は、複数の電気光学結晶３の各々について、電気光学結晶３から出射された光に含まれる成分であって、第１端面と第２端面との間を伝搬したことによって偏光状態が変化した成分を検出する。

次に、高電圧導体１を基準電圧として、光検出器７は、基準信号を演算装置１０へ出力する。ステップＳ３において、第１の信号処理部１１は、校正曲線のうち、基準電圧に対応する基準点を決定する。

その後、高電圧導体１の電圧が基準電圧から変化していくことによって、各光検出器７によって検出される光の強度が変化する。演算装置１０へ入力される電気信号は、基準信号から変化する。ステップＳ４において、第２の信号処理部１２は、各光検出器７によって検出される光の強度の変化に従って、校正曲線上にて測定点を移動させる。ステップＳ５において、第２の信号処理部１２は、校正曲線上の測定点に対応する電圧の値を算出する。表示部１３は、第２の信号処理部１２によって算出された電圧の値を表示する。これにより、電圧測定装置１００は、図２に示す手順による動作を終了する。

電圧測定装置１００は、電気光学結晶３内にて生じた位相差を直接測定することは困難であることから、偏光子５、検光子６および波長板３１を用いることによって位相差を光の強度へ置き換えて、光の強度を測定する。電圧測定装置１００について、電気光学結晶３へ入射する光の強度Ｉ_ＩＮと光検出器７へ入射する光の強度Ｉ_ＯＵＴとの関係は、次の式（１）により表される。なお、「θ」は、電気光学効果によって電気光学結晶３で生じる位相差を表す。

電気光学結晶３で生じる位相差と、電気光学結晶３の第１端面と第２端面との間の電位差との関係は、次の式（２）により表される。なお、式（２）において、「Ｖ」は、第１端面と第２端面との間の電位差を表す。「Ａ」は、ポッケルス効果の感度を示す係数である。

なお、ポッケルス効果の感度を示す係数Ａは、電気光学結晶３の種類によって異なる。同一の種類の電気光学結晶３であっても、電気光学結晶３の加工において結晶軸の角度等を制御することが困難であることから、一般に、係数Ａには個体差がある。

図３は、実施の形態１にかかる電圧測定装置が有する複数の光検出器の各々によって検出される光の強度と、高電圧導体の電圧との関係の例を示す図である。図３において、縦軸は光の強度の相対値「Ｉ」を表す。横軸は電圧「Ｖ」を表す。図３には、２つの光検出器７によって検出される光の強度について、光の強度と電圧との関係を表すグラフを示している。

高電圧導体１に正極性の電圧が徐々に印加されると、２つの光検出器７によって検出される光の強度は、上記の式（１）に従って増加あるいは減少を始める。高電圧導体１に負極性の電圧が徐々に印加されると、２つの光検出器７によって検出される光の強度は、正極性の電圧が印加されるときとは逆に減少あるいは増加を始める。

上記の式（１）に示されるように、光検出器７へ入射する光の強度Ｉ_ＯＵＴと位相差θとには、正弦関数の関係が成り立つことから、電圧の増加に伴って、光の強度は増加と減少とを交互に繰り返す。光の強度が極大値となるときにおける電圧と光の強度が極小値となるときにおける電圧との差は、半波長電圧と称される。

ポッケルス効果の感度を示す係数Ａは、電気光学結晶３ごとに個体差がある。電気光学結晶３に電界が加えられた場合に、電気光学結晶３において生じる位相差は、電気光学結晶３ごとに異なる。このため、電圧を変化させた場合において、各光検出器７により検出される光の強度には差が生じる。各光検出器７により検出される光の強度と電圧との関係において、半波長電圧には、係数Ａの個体差に応じたずれが生じる。電圧測定装置１００は、複数の光検出器７によって検出される光の強度の差を利用することによって、高電圧導体１の電圧を算出する。高電圧導体１の電圧は、数百ｋＶの高電圧であって、一般に１０～２０ｋＶ程度である半波長電圧を大幅に超えることから、電圧測定装置１００は、光の強度の差を利用して、高電圧導体１の電圧を一意に求めることができる。

図４は、実施の形態１にかかる電圧測定装置が電圧の測定において参照するグラフである校正曲線の例を示す図である。図４において、縦軸は、２つの光検出器７のうちの一方によって検出される光の強度「Ｉ１」を表す。横軸は、２つの光検出器７のうちの他方によって検出される光の強度「Ｉ２」を表す。校正曲線上の点は、２つの光検出器７によって検出される光の強度を示す各値の組み合わせを表す。校正曲線は、高電圧導体１の電圧が変化した場合における当該各値の組み合わせの変化を表す。すなわち、校正曲線は、高電圧導体１の電圧が変化した場合において２つの光検出器７の各々によって検出される光の強度を示す各値の関係を表す。また、校正曲線上の点は、当該各値の関係を表すとともに、図３に示す光の強度と電圧との関係から、高電圧導体１の電圧にも対応している。

なお、図３に示す破線のグラフは、強度「Ｉ１」と電圧との関係を表す。図３に示す実線のグラフは、強度「Ｉ２」と電圧との関係を表す。図４に示す校正曲線のうち、「Ｖ＝０」の点は、高電圧導体１に印加される電圧がゼロであるときの強度「Ｉ１」および強度「Ｉ２」を表す。図４に示す校正曲線のうち、「Ｖｍａｘ」の点は、高電圧導体１に印加される電圧が図３に示す最大値「Ｖｍａｘ」であるときの強度「Ｉ１」および強度「Ｉ２」を表す。「Ｖｍｉｎ」の点は、高電圧導体１に印加される電圧が図３に示す最小値「Ｖｍｉｎ」であるときの強度「Ｉ１」および強度「Ｉ２」を表す。

高電圧導体１の電圧が基準電圧、すなわちゼロである場合、２つの光検出器７の各々によって検出される光の強度は、いずれも、最大光強度Ｉ_０の５０％、すなわちＩ_０／２となる。高電圧導体１の電圧がゼロから徐々に増加すると、２つの光検出器７の各々によって検出される光の強度はともに増加あるいは減少する。さらに高電圧導体１の電圧が増加すると、２つの光検出器７の各々によって検出される光の強度はともに減少あるいは増加する。第２の信号処理部１２は、２つの光検出器７の各々によって検出される光の強度の変化に従って、校正曲線上にて測定点を移動させる。高電圧導体１に正極性の電圧が印加される場合、測定点は、強度「Ｉ１」および強度「Ｉ２」がともに減少する向き、すなわち図４においてＶ＝０の点から左斜め下向きに移動する。高電圧導体１に負極性の電圧が印加される場合、測定点は、強度「Ｉ１」および強度「Ｉ２」がともに増加する向き、すなわち図４においてＶ＝０の点から右斜め上向きに移動する。

第２の信号処理部１２は、測定点に対応する電圧を求めることによって、電圧の値を算出する。なお、図４に示す校正曲線には、曲線同士が交差する交点が複数存在している。校正曲線に交点が含まれていることは、かかる交点と測定点とが一致した時点において、測定点に対応する電圧の候補が２つ存在することを意味する。第２の信号処理部１２は、光検出器７から演算装置１０へ入力される電気信号の変化を常時測定しているため、測定時点において交点と測定点とが一致した場合でも、測定点が交点に至る履歴を参照することによって、測定点に対応する電圧を一意に求めることができる。第２の信号処理部１２は、算出された電圧の値を表示部１３へ出力する。これにより、電圧測定装置１００は、電圧の測定結果を表示部１３に表示する。

仮に、複数の電気光学結晶３を用いず、１つの電気光学結晶３を透過した光の強度のみを検出することとした場合、電圧の変化に対して光の強度は増加と減少とを周期的に繰り返すことから、電圧を一意に測定することができない。電圧測定装置１００は、複数の電気光学結晶３と複数の光検出器７とを有し、校正曲線に基づいて、複数の光検出器７の各々による検出結果に対応する電圧の値を求める。これにより、電圧測定装置１００は、分圧器を必要とせずに、高電圧導体１の電圧を一意に測定することができる。

次に、実施の形態１にかかる電圧測定装置１００の変形例について説明する。図５は、実施の形態１の変形例１にかかる電圧測定装置の模式図である。電圧測定装置１００は、複数の光源４を有するものに限られず、１つの光源４を有するものであっても良い。実施の形態１の変形例１において、電圧測定装置１００は、１つの光源４と、光源４から出射された光を分岐させる光学素子であるハーフミラー１５と、光が伝搬する方向を変化させる光学素子であるミラー１６とを有する。電圧測定装置１００は、ハーフミラー１５から複数の電気光学結晶３の各々へ光を伝搬させる。

偏光子５を透過した光は、ハーフミラー１５へ入射する。ハーフミラー１５は、入射した光のうちの一部を透過させ、残りを反射することによって、光を分岐させる。ハーフミラー１５を透過した光は、２つの電気光学結晶３のうちの一方へ向けて伝搬する。ハーフミラー１５で反射した光は、ミラー１６での反射によって、伝搬する方向が変化する。ミラー１６で反射した光は、２つの電気光学結晶３のうちの他方へ向けて伝搬する。ハーフミラー１５は、理想としては、１対１の割合で光を分岐させ、かつ光の偏光状態を変化させない。

光源４から出射される光の強度の変動は、電圧測定装置１００における測定誤差要因の１つとなる。変形例１にかかる電圧測定装置１００は、１つの光源４を用いることによって、光源４から出射される光の変動による影響を低減することができる。

図６は、実施の形態１の変形例２にかかる電圧測定装置の模式図である。実施の形態１の変形例２において、電圧測定装置１００は、電気光学結晶３から出射された光が伝搬する方向を変化させて光検出器７へ光を導く光学素子であるハーフミラー１７を有する。ハーフミラー１７は、光源４と電気光学結晶３との間に配置されている。

偏光子５を透過した光は、ハーフミラー１７へ入射する。ハーフミラー１７は、偏光子５からの光のうちの一部を透過させる。ハーフミラー１７を透過した光は、電気光学結晶３へ向けて伝搬する。また、電気光学結晶３から出射された光は、ハーフミラー１７へ入射する。ハーフミラー１７は、電気光学結晶３からの光のうちの一部を反射する。ハーフミラー１７で反射した光は、検光子６へ向けて伝搬する。

変形例２にかかる電圧測定装置１００は、ハーフミラー１７を用いることによって、光源４から電気光学結晶３へ光を伝搬させるとともに、電気光学結晶３から方向を変化させた光を光検出器７へ伝搬させることができる。電圧測定装置１００は、光源４と光検出器７との配置位置を自由に変更することができるため、設計自由度の向上が可能となる。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２にかかる電圧測定装置の模式図である。実施の形態２にかかる電圧測定装置１０１は、ノイズ成分を除去して、電圧を測定する。実施の形態２では、上記の実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１とは異なる構成について主に説明する。

電圧測定装置１０１は、第１の光検出器である複数の光検出器７と、複数の偏光ビームスプリッタ２１と、第２の光検出器である複数の光検出器２２とを有する。偏光ビームスプリッタ２１は、第１の方向において振動する直線偏光と第２の方向において振動する直線偏光とを分岐させる光学素子である。偏光ビームスプリッタ２１は、電気光学結晶３と光検出器７との間の光路に配置されている。電圧測定装置１０１には、電気光学結晶３と同じ数の偏光ビームスプリッタ２１が設けられている。電圧測定装置１０１には、電気光学結晶３と同じ数の光検出器２２が設けられている。なお、以下の説明において、第１の方向において振動する直線偏光を第１の直線偏光、第２の方向において振動する直線偏光を第２の直線偏光と称することがある。

電気光学結晶３から出射された光のうち第２の直線偏光は、偏光ビームスプリッタ２１を透過して、光検出器７へ入射する。光検出器７は、第２の直線偏光を検出する。このように、偏光ビームスプリッタ２１は、電気光学結晶３から出射された光から第２の直線偏光を取り出し、取り出された第２の直線偏光を光検出器７へ入射させる検光子として機能する。電気光学結晶３から出射された光のうち第１の直線偏光は、偏光ビームスプリッタ２１で反射して、光検出器２２へ入射する。光検出器２２は、第１の直線偏光を検出する。光検出器２２は、光を電気信号へ変換する光電気変換によって、入射した光の強度を示す電気信号を生成する。光検出器２２は、電気信号を演算装置１０へ出力する。

演算装置１０は、ノイズ成分を除去するための信号処理を実行する機能部である第３の信号処理部２３を有する。第１の信号処理部１１と第２の信号処理部１２は、第３の信号処理部２３によるノイズ成分の除去を経た電気信号に基づいて、信号処理を実行する。

光源４から出射される光の強度の変動は、電圧測定装置１０１における測定誤差要因の１つとなる。第３の信号処理部２３は、光検出器７によって検出された光の強度を光検出器２２によって検出された光の強度で除算し、除算結果を第１の信号処理部１１へ出力する。光検出器７によって検出される光の強度と、光検出器２２によって検出される光の強度とは、振幅成分が互いに同じである正弦関数と余弦関数とによってそれぞれ表される。第３の信号処理部２３によって得られる除算結果である値は、振幅成分に依存しない値となる。第３の信号処理部２３は、振幅に依存しない値を第１の信号処理部１１へ出力することによって、光源４から出射される光の強度の変動に起因するノイズ成分を除去することができる。ノイズ成分は、高電圧導体１に印加される電圧の変化以外の要因によって、電気光学結晶３から出射される直線偏光の強度が変化する場合における、直線偏光の強度の変化分とする。

なお、実施の形態２において、校正曲線は、高電圧導体１に印加される電圧と、第３の信号処理部２３から出力される値との関係を表す。基準信号は、高電圧導体１の電圧が基準電圧であるときに第３の信号処理部２３から出力される電気信号とする。第３の信号処理部２３から出力される電気信号は、第１の信号処理部１１を経由して第２の信号処理部１２へ入力される。第２の信号処理部１２は、入力される電気信号について、基準信号からの変化を常時測定する。第２の信号処理部１２は、基準信号からの電気信号の変化に伴って、校正曲線上において測定点を移動させる。

次に、電圧測定装置１０１の動作について説明する。図８は、実施の形態２にかかる電圧測定装置が実施する動作の手順を示すフローチャートである。電圧測定装置１０１は、実施の形態１と同様に、ステップＳ１において、偏光子５から出射された光を電気光学結晶３へ入射させる。

電気光学結晶３へ入射した光は、第２端面から第１端面へ向けて伝搬し、ミラー９で反射する。ミラー９で反射した光は、第１端面から第２端面へ向けて伝搬し、第２端面から電気光学結晶３の外部へ出射する。偏光ビームスプリッタ２１は、電気光学結晶３から出射され、さらに波長板３１を通過した光のうち、第２の直線偏光を透過させ、かつ第１の直線偏光を反射させる。ステップＳ１１において、電圧測定装置１０１は、電気光学結晶３から出射され、かつ波長板３１を通過した光のうち、偏光ビームスプリッタ２１を透過した光と、偏光ビームスプリッタ２１で反射した光とを、それぞれ光検出器７と光検出器２２とによって検出する。

ステップＳ１２において、第３の信号処理部２３は、光検出器７によって検出された光の強度と光検出器２２によって検出された光の強度とに基づいてノイズ成分を除去する。電圧測定装置１０１は、ステップＳ１２を終えると、実施の形態１と同様に、ステップＳ３からステップＳ５の手順によって動作する。これにより、電圧測定装置１０１は、図８に示す手順による動作を終了する。

電圧測定装置１０１は、第３の信号処理部２３によりノイズ成分を除去することによって、高精度な電圧測定が可能となる。なお、電圧測定装置１０１は、複数の光源４を有するものに限られない。電圧測定装置１０１は、実施の形態１の変形例１と同様に、１つの光源４と、光源４から出射された光を分岐させる光学素子であるハーフミラー１５と、光が伝搬する方向を変化させる光学素子であるミラー１６とを有しても良い。また、電圧測定装置１０１は、実施の形態１の変形例２と同様に、電気光学結晶３から出射された光が伝搬する方向を変化させて光検出器７へ光を導く光学素子であるハーフミラー１７を有しても良い。

次に、演算装置１０が有するハードウェア構成について説明する。実施の形態１または２にかかる電圧測定装置１００，１０１が有する演算装置１０の機能は、処理回路を使用して実現される。処理回路は、演算装置１０に搭載される専用のハードウェアである。処理回路は、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサであっても良い。

図９は、実施の形態１または２にかかる電圧測定装置が有する演算装置のハードウェア構成の例を示す第１の図である。図９には、演算装置１０の機能が専用のハードウェアを使用して実現される場合におけるハードウェア構成を示している。演算装置１０は、各種処理を実行する処理回路７１と、演算装置１０の外部の機器との接続のためのインタフェース７２と、各種情報を記憶する外部記憶装置７３と、出力デバイスである表示装置７４とを備える。処理回路７１とインタフェース７２と外部記憶装置７３と表示装置７４とは、相互に通信可能に接続されている。

専用のハードウェアである処理回路７１は、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、又はこれらの組み合わせである。第１の信号処理部１１、第２の信号処理部１２および第３の信号処理部２３の各機能は、処理回路７１を用いて実現される。

インタフェース７２は、光検出器７，２２からの電気信号を受信する。記憶部１４の各機能は、外部記憶装置７３を用いて実現される。表示部１３の機能は、表示装置７４を用いて実現される。演算装置１０は、各種情報の入力のための入力デバイスを備えていても良い。

図１０は、実施の形態１または２にかかる電圧測定装置が有する演算装置のハードウェア構成の例を示す第２の図である。図１０には、プログラムを実行するハードウェアを用いて演算装置１０の機能が実現される場合におけるハードウェア構成を示している。演算装置１０は、プロセッサ７５とメモリ７６とインタフェース７２と外部記憶装置７３と表示装置７４とを有する。プロセッサ７５とメモリ７６とインタフェース７２と外部記憶装置７３と表示装置７４は、相互に通信可能に接続されている。

プロセッサ７５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。第１の信号処理部１１、第２の信号処理部１２および第３の信号処理部２３の各機能は、プロセッサ７５と、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現される。ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述され、内蔵メモリであるメモリ７６に格納される。メモリ７６は、不揮発性もしくは揮発性の半導体メモリであって、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）またはＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）である。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１高電圧導体、２接地導体、３電気光学結晶、４光源、５偏光子、６検光子、７，２２光検出器、８透明導電膜、９，１６ミラー、１０演算装置、１１第１の信号処理部、１２第２の信号処理部、１３表示部、１４記憶部、１５，１７ハーフミラー、２１偏光ビームスプリッタ、２３第３の信号処理部、３１波長板、７１処理回路、７２インタフェース、７３外部記憶装置、７４表示装置、７５プロセッサ、７６メモリ、１００，１０１電圧測定装置。

Claims

測定対象と同電位の導体へ向けられた第１端面と、前記第１端面とは逆側の第２端面とを各々が有し、前記第１端面と前記第２端面との間を伝搬する光のうち振動方向が互いに直交する２つの偏光成分に、前記第１端面と前記第２端面との間において作用する電界の強さに応じた位相差を各々が生じさせる複数の電気光学結晶と、
複数の前記電気光学結晶の各々から出射された光が伝搬する経路に配置された４分の１波長板と、
前記電気光学結晶から出射された光に含まれる成分であって、前記第１端面と前記第２端面との間を伝搬したことによって偏光状態が変化した成分の光を各々が検出する複数の光検出器と、
複数の前記光検出器の各々によって検出される光の強度に基づいて、前記導体に印加されている電圧の値を求める演算装置と、を備え、
複数の前記電気光学結晶は、前記電気光学結晶へ前記電界が加えられることによって生じる前記位相差が複数の前記電気光学結晶の各々で互いに異なることによって、複数の前記光検出器の各々で検出される光の強度に差を生じさせ、
前記演算装置は、前記導体に印加される電圧が変化した場合において複数の前記光検出器の各々によって検出される光の強度を示す各値の関係に基づいて、複数の前記光検出器の各々による検出結果に対応する電圧の値を求めることを特徴とする電圧測定装置。
前記演算装置は、
前記関係を表すグラフのうち、あらかじめ設定された基準電圧に対応する基準点を決定する第１の信号処理部と、
前記グラフのうち、複数の前記光検出器の各々による検出結果に対応する測定点を求めるとともに、複数の前記光検出器の各々によって検出される光の強度の変化に伴って前記グラフ上において前記基準点から前記測定点を移動させていき、前記測定点に対応する電圧の値を算出する第２の信号処理部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の電圧測定装置。
光源と、
前記光源から出射された光から、特定の方向である第１の方向において振動する直線偏光を取り出し、取り出された直線偏光を前記電気光学結晶へ入射させる偏光子と、
前記電気光学結晶から出射された光から、前記第１の方向に直交する方向である第２の方向において振動する直線偏光を取り出し、取り出された直線偏光を前記光検出器へ入射させる検光子と、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電圧測定装置。
前記光検出器であって、前記電気光学結晶から出射された光のうち、前記第１の方向に直交する第２の方向において振動する直線偏光を検出する第１の光検出器と、
前記光検出器以外の光検出器であって、前記電気光学結晶から出射された光のうち、前記第１の方向において振動する直線偏光を検出する第２の光検出器と、を備え、
前記演算装置は、前記第１の光検出器によって検出された光の強度と前記第２の光検出器によって検出された光の強度とに基づいてノイズ成分を除去する第３の信号処理部を有することを特徴とする請求項３に記載の電圧測定装置。
前記光源から出射された光を分岐させる光学素子を備え、
前記光学素子から複数の前記電気光学結晶の各々へ光を伝搬させることを特徴とする請求項３または４に記載の電圧測定装置。
前記光源と前記電気光学結晶との間に配置されており、前記電気光学結晶から出射された光が伝搬する方向を変化させて前記光検出器へ光を導く光学素子を備えることを特徴とする請求項３から５のいずれか１つに記載の電圧測定装置。
測定対象と同電位の導体へ向けられた第１端面と、前記第１端面とは逆側の第２端面とを各々が有し、前記第１端面と前記第２端面との間を伝搬する光のうち振動方向が互いに直交する２つの偏光成分に、前記第１端面と前記第２端面との間において作用する電界の強さに応じた位相差を各々が生じさせる複数の電気光学結晶と、
複数の前記電気光学結晶の各々から出射された光が伝搬する経路に配置された４分の１波長板と、
前記電気光学結晶から出射された光に含まれる成分であって、前記第１端面と前記第２端面との間を伝搬したことによって偏光状態が変化した成分の光を各々が検出する複数の光検出器と、
前記導体に印加される電圧が変化した場合に複数の前記光検出器の各々によって検出される光の強度を示す各値の関係に基づいて、複数の前記光検出器の各々による検出結果に対応する電圧の値を求めることによって、前記導体に印加されている電圧の値を求める演算装置と、を備え、
前記演算装置は、
前記関係を表すグラフのうち、あらかじめ設定された基準電圧に対応する基準点を決定する第１の信号処理部と、
前記グラフのうち、複数の前記光検出器の各々による検出結果に対応する測定点を求めるとともに、複数の前記光検出器の各々によって検出される光の強度の変化に伴って前記グラフ上において前記基準点から前記測定点を移動させていき、前記測定点に対応する電圧の値を算出する第２の信号処理部と、を有することを特徴とする電圧測定装置。
測定対象に印加される電圧を電圧測定装置によって測定する電圧測定方法であって、
複数の電気光学結晶の各々において、測定対象と同電位の導体に電気的に接続される第１端面と、前記第１端面とは逆側の第２端面との間において光を伝搬させて、振動方向が互いに直交する２つの偏光成分に、前記第１端面と前記第２端面との間において作用する電界の強さに応じた位相差を生じさせるステップと、
前記電気光学結晶から出射され、さらに波長板を通過した光に含まれる成分であって、前記第１端面と前記第２端面との間を伝搬したことによって偏光状態が変化した成分の光を複数の光検出器の各々により検出するステップと、
前記導体に印加される電圧が変化した場合において複数の前記光検出器の各々によって検出される光の強度を示す各値の関係に基づいて、複数の前記光検出器の各々による検出結果に対応する電圧の値を求めるステップと、を含み、
複数の前記電気光学結晶は、前記電気光学結晶へ前記電界が加えられることによって生じる前記位相差が複数の前記電気光学結晶の各々で互いに異なることによって、複数の前記光検出器の各々で検出される光の強度に差を生じさせることを特徴とする電圧測定方法。
測定対象に印加される電圧を電圧測定装置によって測定する電圧測定方法であって、
複数の電気光学結晶の各々において、測定対象と同電位の導体に電気的に接続される第１端面と、前記第１端面とは逆側の第２端面との間において光を伝搬させて、振動方向が互いに直交する２つの偏光成分に、前記第１端面と前記第２端面との間において作用する電界の強さに応じた位相差を生じさせるステップと、
前記電気光学結晶から出射され、さらに波長板を通過した光に含まれる成分であって、前記第１端面と前記第２端面との間を伝搬したことによって偏光状態が変化した成分の光を複数の光検出器の各々により検出するステップと、
前記導体に印加される電圧が変化した場合において複数の前記光検出器の各々によって検出される光の強度を示す各値の関係に基づいて、複数の前記光検出器の各々による検出結果に対応する電圧の値を求めるステップと、を含み、
複数の前記光検出器の各々による検出結果に対応する電圧の値を求めるステップは、
前記関係を表すグラフのうち、あらかじめ設定された基準電圧に対応する基準点を決定するステップと、
前記グラフのうち、複数の前記光検出器の各々による検出結果に対応する測定点を求めるとともに、複数の前記光検出器の各々によって検出される光の強度の変化に伴って前記グラフ上において前記基準点から前記測定点を移動させていき、前記測定点に対応する電圧の値を算出するステップと、を含むことを特徴とする電圧測定方法。