JPH02108976A - 二重定格型光応用電流センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は１箇のファラデー素子によるセンサ素子と、光
入出射用の２本の光ファイバ線路により電流範囲を大小
異にする電流を測定できる二重定格型光応用電流センサ
に関するものである。

（従来技術とその問題点） 損失少なく大電力を輸送するため送電電圧は上昇の機運
にあり、現在１００万ボルト送電が計画されている。こ
の場合系統運営に必要とする電圧。

電流の検出に当たって所謂ＰＴやＣＴのように鉄心とコ
イルによる検出方法では、例えばコイル間絶縁など絶縁
に多大の考慮を撓う必要がある。このため設備が大型に
なると共に設備費が非常に高価なものとなる。

そこで系統保護継電器のように電流検出に当たって比較
的大きい検出誤差（例えば数％）が許される用途の電流
検出に、光応用電流センサ別名光ＣＴを使用する提案が
なされており、最近においては６６ＫＶのような低い電
圧の系統にも適用が考えられている。この装置は周知の
ように送電線の近傍に取付けられた送電線を流れる電流
による磁界によって、素子中を通過する光の偏光面が回
転する効果をもつ第１図のファラデー効果素子（１）と
、光ファイバ線路（２）を介して地上の発光装置（３）
から伝送された光を受けてこれを直線偏光に変換したの
ちファラデー素子に入射する偏光子（４）と、ファラデ
ー素子（１）からの出射光即ち送電線（５）の流通電流
による磁界Ｈにもとづくファラデー素子における偏光面
の回転角度を、これに対応した光の強弱に変換する検光
子（６）とからなるセンサ素子（７）およびこの変換光
を電気信号に変換するための受光装置（８）に伝送する
ための光ファイバ線路（９）とよりなるものである。

この方法は、電流の検出媒体として光を用いこれを絶縁
性を有する光ファイバ線路によって伝送するものである
ので、ＣＴにおける絶縁上の難点を十分カバーできるも
のであるが、以下に述べる難点が解決されればＣＴによ
る方法に比べて更に有効なものとなる。

即ち送電線路には短絡故障時のように負荷電流の１０倍
以上（例えばｌ０ＫＡ）の電流が流れることがある。ま
た地絡故障時のように電流が負荷電流以下の小さい場合
があり、線路に流れる電流の大きさは状況によって著し
い開きがある。従って１箇の光ＣＴを用いてその電流定
格を短絡時に流れる電流値を測定しうるように選定する
と、地絡故障時における小さな電流を測定できにくくな
り、大きな測定誤差を生ずるのを避は得ない。

そこで従来は第２図のように測定点毎に大電流用と小電
流測定用の２箇のセンサ素子（７Ａ）　（７Ｂ）を使用
する方法が用いられている。しかしこれでは２箇のセン
サ素子を必要とするばかりでなく、ｌセンサ素子光たり
２本、計４本の光ファイバ線路を必要とする。このため
多数の送電系統が集中する変電所などの電気所のように
、各送電系統に設けた各光ＣＴからの信号を集中して受
ける必要のあるところでは、光ファイバ線路の輻峻を招
いて点検保守などに当たって混乱を生じ易いおそれがあ
る。しかも送電線のような高電圧部分に多数の光ファイ
バ線路を導くことは、センサ素子の支持用碍子内に収容
されて導かれる光ファイバ線路の沿面放電を招き易いな
ど、絶縁耐力の点で未だ問題がある。従ってこの光ＣＴ
の適用を容易とするためには、光ファイバ線路の数を極
力少なくすることが必要である。

（発明の目的） 本発明は電流範囲の異なる大小２つの電流を１箇のセン
サ素子と往復２本の光ファイバ線路を用いて測定しうる
二重定格型光応用電流センサを提供し、光ファイバ線路
の輻幀の解消などの要求に応えたものである。

（問題点を解決するための本発明の手段）ファラデー素
子における電流による磁界にもとづく偏光面の回転角度
θは、■をファラデー素子の形成材料に依存するベルデ
定数（ｒａｄ／Ａ）、Ｌを光路長（ａ＋）　（素子内を
通る光線の長さ）、Ｈを磁界強度（Ａ／ｍ）、φを光路
と磁界のなす角度（０〜π／２ｒａｄ）としたとき、 θ＝Ｖ−Ｈ−ＬＣＯ８φ　　・−・・・−・−（１）に
よって与えられる。この（１）式は偏光面の回転方向と
光の伝播方向の向きとは無関係、かつ光路が磁界に対し
て垂直な場合には偏光面の回転がないことを示しており
、電流感度はＬ　ｃｏｓφ（以下これを実光路長と呼ぶ
）に比例することを明らかにしている。

そこで例えば第３図（ａ）のように検光子（６）と同一
平面に設けた偏光子（４）を介してファラデー素子（１
）に２箇の光Ｐ、、Ｐ２を入射させるようにする。そし
て表面に設けた反射層（１ａ）にもとづく反射により第
３図（ａ）中に点線で図示する光路Ａのように磁界に対
して平行に近い部分が長いものと、図中に一点鎖線で示
す光路Ｂのように磁界に対して平行な部分が短いものと
の２つの光路をもち、しかも出射光が検光子（６）に入
射されるようにファラデー素子（１）の形状を選定すれ
ば、光路Ａによる電流感度が低い大電流範囲測定用の短
い実光路長と、光路Ｂによる電流感度が高い低電流範囲
測定用の長い実光路長とを１箇のファラデー素子にもた
せうる。

−力先の波長をλ１．λ２と異ならせることにより２種
類の光情報信号を１本の光ファイバ線路により伝送でき
る。

また例えば第３図（ａ）のように偏光子（４）に光分離
用光学フィルタ（１０）と反射ミラー（１０ａ）を外付
けして、１本の光ファイバ線路（２）　（２）により伝
送されて来た２種類の情報信号を分離してファラデー素
子（１）に入射し、また検光子（６）に合波用光学フィ
ルタ（１１）と反射ミラー（ｌｌａ）を外付して出射さ
れた２種類の光情報信号を集合して１本の光ファイバ線
路（９）により伝送することが可能である。従って以上
から１箇のセンサ素子と２本１組の光ファイバ線路を用
いて小電流範囲と大電流範囲の２組の測定電流定格をも
つ光ＣＴを提供しうる。

本発明は以上にもとづいてなされたもので、次に実施例
図により具体的に説明する。

（実施例） 第４図は本発明の一実施例図である。図において（３Ａ
）は半導体レーザ発光素子を備えた第１発光装置で、波
長λ１のレーザ光を発光する。（３Ｂ）は半導体レーザ
発光素子を備えた第２発光装置で、波長λ２のレーザ光
を発光する。第１発光装置と第２発光装置は後記する切
換制御装置（１６）によって交互に発光させるように動
作させる。（１２）は合波用光学フィルタ、（２）は第
１光ファイバ線路、（９）は第２光ファイバ線路、（７
）はセンサ素子であって、例えば第３図（ａ）に示すよ
うにファラデー素子（１）と偏光子（４）および検光子
（６）とからなり、ファラデー素子（１）には実光路長
の異なる２つの光路をもたせである。（１０）　（１１
）は分波兼合波用の光学フィルタであって同一のカット
オフ波長特性をもつ。（１０ａ）　（ｌｌａ）は反射ミ
ラー、（１３）はギャップ付鉄心コアであって、送電線
（５）が貫通し、かつセンサ素子（７）がギャップ（１
４）中に位置されるように、コア（１３）とセンサ素子
（７）は碍子（１５）により固定される。そしてギャッ
プ（１４）の長さｔ、ｇの設定により全体の電流感度を
調整するつなおギャップ（１４）による偏光面の回転角
度θの調整量は、■を電流瞬時値としたとき（１）式お
よびＩ＝ＨＬｇから によって与えられる。また、偏光子と検光子との偏光方
向のなす角度が第１図のように４５°の時、光ファイバ
（９）を伝送する光強度は電流＝ｌの時の光強度をＰ（
１）とすると、 Ｐ　（Ｉ）＝　Ｐ　（０）（１＋５ｉｎ（２θ））　　
−−−−（３）という形で変化する。

（８）は受光装置で例えばホトトランジスタが用いられ
、ここに入射された光の強弱をこれに対応してレベルを
変化する電気信号に変換する。（１８Ａ）は地絡保護継
電器、（１８Ｂ）は短絡保護継電器である。また切換制
御装置（１７）は切換制御装置（１６）と連動して動作
して受光装置（８）の出力を切替えて地絡または短絡保
護継電器に加える。そして以上によりある時は〔第１発
光装置　（３Ａ）→光学フィルタ（１２）→光ファイバ
線路（２）→光学フィルタ（１０）→偏光子（４）→フ
ァラデー素子（１）の実光路長の長い光路Ａ→検光子（
６）→光学フィルタ（１１）→光ファイバ線路（９）→
受光装置（８）→地絡保護継電器（１８Ａ）　）の高感
度光ＣＴ回路が作られる。またある時は〔第２発光装置
（３Ｂ）→光学フィルタ（１２）→光ファイバ線路（２
）→光学フィルタ（１０）→偏光子（４）→ファラデー
素子（１）の実光路長の短い光路Ｂ→検光子（６）→光
学フィルタ（１１）→光ファイバ線路（９）→受光装置
（８）→短絡保護継電器（１８Ｂ）　）の低感度光ＣＴ
回路が作られる。

従って電流値の小さい地絡故障電流検出用の高電流感度
の光ＣＴと、これに比べて電流値が遥かに大きな短絡故
障電流検出用低感度光ＣＴの２種類の光ＣＴを１箇のセ
ンサ素子と２本の光ファイバ線路によって構成でき、前
記した従来の光ＣＴによる電気所における光ファイバ線
路の輻較などを大きく緩和できる。

なお短絡故障の場合高電流感度の光ＣＴも電流検出を行
い地絡保護継電器に誤差の大きな電流データを供給する
。従って成る一定値以上の電流が流れたことを検出した
とき、地絡保護継電器の動作を阻止する回路を設けるこ
とが必要である。

また光学フィルタにより光を分離してファラデー素子に
２つの光を送りこむ時、一方の光路の光が他方の光路に
漏洩し、電流の検出に誤差を招く、特に低域度側（短絡
故障電流用）の光が本来の光路から高感度側（地絡故障
電流用）の光路に漏洩した場合の検出誤差は、第５図に
示すようにその逆の場合より大となる。従って低域度側
の光の漏洩量を小さくするように光学フィルタを設計す
ることが必要である。なお漏洩減衰量が既知である場合
にはこれを用いて受光装置における光→電気変換後の誤
差を零にするように補正すればよい。

（他の実施例） 以上本発明を一実施例について説明したが、第６図に示
すように、第１発光素子（３Ａ）の光を〔光学フィルタ
（１９）→光ファイバ（９）→センサ素子（７）→光フ
ァイバ（２）→光学フィルタ（１３）→受光素子（８Ａ
）→地絡保護継電器（１８Ａ）　）の順に伝送し、第２
発光素子（３Ｂ）の光を〔光学フィルタ（２０）→光フ
ァイバ（２）→センサ素子（７）→光ファイバ（９）→
光学フィルタ（１９）→受光装置（８Ｂ）→地絡保護継
電器（１８Ｂ）　）の順に伝送光ファイバ（２）から伝
送し、所謂双方向伝送で発受光することも可能である。

この方法によれば、２つの光がセンサ素子を通った後、
互いに別々の光ファイバから受光装置に伝送されるので
、光学フィルタ（１９）　（２０）の漏洩光の影響は小
さく、発光装置（３Ａ）　（３Ｂ）は連続的に発光でき
る。

なお以上においては発光素子として半導体レーザを用い
たが発光ダイオードを用いてもよい。ただこの場合には
レーザ光に比して波長幅が広いので光学フィルタのカッ
トオフ特性を鋭くする必要がある。なお、ベルデ定数は
波長によって若干異なるため、２つの光の波長はなるべ
く近い方が望ましい。

また以上ではセンサ素子（７）として第３図（ａ）に示
すように光分離用および集合用の光学フィルタ（１０）
　（１１）を外付けしたものを用いたが、第３図（ｂ）
のように光学フィルタ（１０）（１１）を共用できるよ
うにセンサ素子（７）の内部に埋込んだものを使用でき
る。このような構成とすればファラデー素子の外形に凹
部をもたないように作って素子の研磨や反射材のコート
などを容易とした第３図（ａ）のものに比べて更に形状
が簡単になり、光学フィルタの数も１箇になるので簡素
化され価額を低下できる。

第　　１　　表 以上本発明につい°ζ説明したが、例えば電気所構内の
６６ＫＶ母線用光ＣＴの場合、第１表に示す仕様をもた
せることによって電流測定誤差を電流が０、　ＩＫＡ〜
２８に八において３％以下にすることができる。

（発明の効果） 以上から本発明によれば１箇のセンサ素子を用いて短絡
電流と地絡電流を測定できるので、従来のものに比べて
ファラデー素子やこれに接合される偏光子や検光子の数
が少なくなってセンサ素子が簡素化され小型化される。

また光の伝送に使用する光ケーブルも往復２本ですみセ
ンサ素子固定用の碍管内を通る数も削減されるので碍管
の密閉箇所も低減され、これに加えて電気所建屋に集ま
る光ケーブル数も従来の２となるので輻較を大きく緩和
でき点検保守を極めて容易とする。このため例えば電気
所に集合した送電電圧を問わず送電系統に多数設置でき
、これによって短絡事故や地絡事故の発生系統、発生位
置の詳細かつ早期の検出も可能となるので、電気所構内
事故探査システムの構築などに極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は光ＣＴの説明図、第３図は光セン
サ素子の構成側図、第４図は本発明の一実施例図、第５
図は光分離および光集合用光学フィルタの漏洩量をパラ
メータとする測定電流と測定誤差の関係図、第６図は本
発明の他の実施例図である。 （１）・・・ファラデー素子、　（２）　（９）・・・
光ファイバ線路、（３）（３＾）　（３Ｂ）・・・発光
装置、（４）・・・偏光子、（５）・・・送電線、（６
）・・・検光子、　（７）・・・センサ素子、（８）　
（８Ａ）　（８Ｂ）・・・受光装置、（１０）　（１１
）　（１２）（１９）　（２０）・・・光学フィルタ、
　（１３）・・・ギャップ付コア、　（１４）・・・ギ
ャップ、　（１５）・・・碍子、（１８Ａ）・・・地絡
保護継電器、　（１８Ｂ）・・・短絡保護継電器、　（
１６）　（１７）・・・切換制御装置。 第２図 測定誤差（％）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）導体近傍に設けられ入射された波長の異なる２つ
   の光を異なる実光路長をとらせうるように反射させて出
   射させるファラデー素子、偏光子、検光子および前記２
   つの波長の異なる光を分離および集合させる光学フィル
   タを有するセンサ素子と、このセンサ素子に発光装置か
   らの光を伝送して入射させる光ファイバ線路と、センサ
   素子からの光を伝送して受光装置に入射させる光ファイ
   バ線路とを備え、１箇のセンサ素子と２本の光ファイバ
   線路により電流範囲の異なる大小２つの電流を測定でき
   るようにしたことを特徴とする二重定格型光応用電流セ
   ンサ。