JPH0245153B2

JPH0245153B2 -

Info

Publication number: JPH0245153B2
Application number: JP61113770A
Authority: JP
Inventors: Masanori Abe; Shunzo Mase; Yoshinari Kozuka
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1986-05-20
Filing date: 1986-05-20
Publication date: 1990-10-08
Also published as: US4814930A; JPS62272158A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、送・配電線路に用いられ、かつ、
電線路の零相電流あるいは零相電圧などを検出・
測定するための光センサーを用いた検電装置に関
するものである。

（従来の技術）近年、電力需要の多様化に伴い、電力供給の正
確で迅速な対応が必要となつている。このため、
電力系統の供給及び管理施設も複雑化し、かつ多
様化するとともに、自動化のシステム開発や実用
化が推進されている。又、電力供給に係わる情報
の収集、例えば、線路の電圧及び電流などの検
出・測定は、正確かつ迅速に、さらには、広範囲
で多数の箇所で行う必要がある。

ところで、従来多相の交流線路主に三相線路に
おいて、零相電流及び零相電圧を検出・測定する
装置として、例えば第４図及び第５図に示すよう
な装置があつた。

零相電流を検出・測定する装置は、第４図に示
すように、電線５１に取付けられた変流器５２の
二次側出力端子のリード線５３が、直列に接続さ
れるとともに、同リード線５３の両端には抵抗体
５４が接続されていた。そして出力端子５５，５
５からは、各電線５１の電流変化に応じた電圧変
化が出力されるようになつていた。

このように構成された装置では、出力端子５
５，５５から平常時に出力される電気的信号は、
各相電流の位相和が零値を示す零相電流である。
ところが、線路事故が発生すると、出力端子５
５，５５から出力される電気的信号は零値を示さ
ず、線路事故の規模に応じた電気的信号の変化が
出力される。

一方、零相電圧を検出・測定する装置は、第５
図に示すように、電線５１に一次端子をＹ結線し
た三相変圧器、もしくは、三個の単相の変圧器５
６の二次側端子をΔ結線したリード線５３の両端
に抵抗体５４が接続され、出力端子５５，５５か
らは、各電線５１の電流変化に応じた電圧変化が
出力されるようになつていた。

このように構成された装置では、出力端子５
５，５５から平常時に出力される電気的信号は、
各相電圧の位相和が零値を示す零相電圧である。
ところが、線路事故が発生すると、出力端子５
５，５５から出力される電気的信号は零値を示さ
ず、線路事故の規模に応じた電気的信号の変化が
出力される。

このように、零相電流や零相電圧、もしくは、
その両方を検出することにより、線路事故が検出
されていた。

（発明が解決しようとする問題点）ところが、前述した従来の装置では、変流器５
２あるいは変圧器５６から導出されるリード線５
３が外部から電磁誘導を受けるので、SN比が低
下して測定精度が良くないという欠点があつた。
特に、近年は、送・配電線路の信頼性を更に向上
させて、これまで検出の困難であつた事故（瞬時
地絡、間歇地絡など）の検出も必要となりつつあ
るので、精度の高い線路電圧・電流の検出が望ま
れている。又、リード線５３の老朽化で短絡事故
の虞や、変調器５２あるいは変圧器５６の絶縁性
の低下で地絡事故の虞もあつた。

この発明は前記の事情を鑑み、絶縁性が高く、
しかも、SN比や測定精度の高い検電装置の提供
を目的としている。

（問題点を解決するための手段）本発明の検電装置は、単一の発光素子と、複数
の交流電線路のそれぞれに設置した光電流センサ
ーまたは光電圧センサーからなる光センサーヘツ
ドと、単一の受光素子とからなり、前記単一の発
光素子より出射した光を並列に配置した前記各々
の光センサーヘツドを透過させた後前記単一の受
光素子により受光する構成であつて、各線路の零
相電流または零相電圧の変化に応じて各々の光セ
ンサーヘツドにより強度変調された光量の和を検
知することにより、零相電流または零相電圧を検
出することを特徴とするものである。

（作用）上述した構成において、装置は絶縁物で構成さ
れる光伝送路および光学素子により絶縁信頼性が
向上されるとともに、外部からの電磁誘導が防止
される。

さらに、発光素子および受光素子をそれぞれ単
一とすることにより、複数素子を使用した場合に
生ずる発光素子および受光素子の特性のバラツキ
に起因する測定精度の悪化を有効に防止してい
る。これら素子の特性のバラツキは、素子の置か
れた環境温度あるいは経年変化による特性の変化
に起因するもので、特に半導体素子において顕著
である。また、本構成では使用する部品数を減少
することができる。

なお光センサーヘツドとしては、線路の電圧に
感応するものあるいは線路に流れる電流により発
生する磁界に感応するものであつて、素子内を光
が通過する際光の属性（位相、偏光、強度など）
を変化させるものであり、例えば従来公知のフア
ラデー素子、ポツケルス素子を使用すると好適で
ある。

フアラデー素子を使つたセンサーヘツドの構成
の一例は偏光子、フアラデー素子、検光子よりな
り、偏光子、フアラデー素子、検光子の順に光が
通る構成である。

偏光子を通過した光は直線偏光となり、厚さｌ
をもつ素子を通過するが、そのとき偏光面の回転
角θは外部磁界に正比例もしくは正比例に近似で
きる量回転を受ける場合 θ＝vHl ……(1) ここで、ｖ：ベルデ定数、Ｈ：磁界強度、ｌ：
素子厚で表される。

検光子通過後の光量Ｐは、検光子を偏光子に対
し45゜傾けて配置した場合以下の(2)式で表される。

P_put＝１／２P_io（１＋sin2θ）＝１
／２P_io｛１＋sin2（vHl）｝……(2) また、磁界Ｈは電線路に流れる電流Ｉに比例す
るためＨ＝aI＝aI₀sinωt ここで、ａ：比例係数、I₀：電流の最大値、
ω：角周波数、ｔ：時間とすると P_put＝１／２P_io｛１＋sin2（vlaI）
｝＝１／２P_io｛１＋sin2（vlaI₀sinωt）｝……(3) となり、センサーヘツドを通過後の光は電線路の
電流に対応した強度変調を受けることとなる。

次にポツケルス素子を使つた素子の一例は、偏
光子、ポツケルス素子、λ／４板、検光子よりな
り、偏光子、ポツケルス素子、λ／４板、検光子
の順に光が通る構成である。

偏光子を通過した光は直線偏光となり、素子を
通過するが、そのとき、光学的位相差φは素子に
加わつた電圧Ｖに正比例するかもしくは正比例と
して近似できる場合 φ＝CVl ……(4) ここで、Ｃ：比例係数、Ｖ：電圧強度、ｌ：素
子長である。

λ／４板、検光子を通過後の光量は、検光子を
偏光子に対し0゜傾けて配置した場合以下の(5)式で
表される。

P_put＝１／２P_io（１＋sinＶ／V〓π） ……(5) ここで、V〓：半波長電圧（光を０〜100％変調
するに必要な電圧）である。また、電圧Ｖは電線
路にかかる電圧に比例し、V₀：電圧の最大値、
ｂ：比例係数とすると P_put＝１／２P_io｛１＋sin（π／V〓bV₀sinωt）｝……
(6) となり、センサーヘツド通過後の光は電線路の電
圧に対応した強度変調を受けることとなる。

ここで、(3)と(6)式におけるsinωtにかかる係数
Ａが小さい場合を考えると P_put＝１／２P_io｛１＋sin（Ａ sinωt）｝≒１
／２P_io（１＋Ａ sinωt）……(7) と近似できる。

各三相線を流れる電流をベクトルＩ_１→、Ｉ_２→、
Ｉ_３→の振幅および位相が平常時に対し（ε₁、δ₁）、
（ε₂、δ₂）ズレるとすると、光量ＰはＰ∝P₁＋P₂＋P₃P₃＝１／３P₀（１／２＋vlaI
₀sinωt） P₂＝１／３P₀｛１／２＋vla（I₀＋ε₂）sin
（ωt＋120゜＋δ₂）｝ P₁＝１／３P₀｛１／２＋vla（I₀＋ε₁）sin
（ωt＋240゜＋δ₁）｝……(8) となる。

ε、δが小さい範囲で考えるとＰ＝１／２P₀＋１／３P₀vla√²＋²sin（ωt＋Γ） ……(9) ここで、 Γ＝β／α となる。

また、零相電流の大きさΔIは ΔＩ→＝Ｉ_１→＋Ｉ_２→＋Ｉ_３→ であるため、 (9)、(10)式よりＰ＝１／２P₀＋１／３P₀vla・ΔI・sin（ωt＋Γ）……
(11) となり光強度Ｐは直流成分と零相電流に対応した
交流成分とからなることとなる。

複数線路の電圧に対する知見も同様の計算を行
うことができＰ＝１／２P₀＋１／６P₀π／V〓bV₀・ΔV sin（ωt＋Γ
） ……(12) となり、合成した光は直流成分と零相電圧に比例
した交流成分とからなることとなる。

さらに本方式の検電光量の精度を上げるため、
受光素子で得られた光量を電気量に変換し、直流
分と交流分の比をとる回路構成を用いることによ
り(11)、(12)式よりP₀を消去でき、発光素子、受光
素子の変動を抑制することができ、より零相電
流、零相電圧を精度よく検出できる。

また、本方式の検電装置の精度をさらに上げる
には、発光素子より出射する光を線路に流れる交
流電流の周波数より高い周波数を有す交流あるい
はパルス波で重畳し、受光器側でこれ等周波数で
同期をとる方式も可能である。

発光素子としては発光ダイオード、半導体レー
ザー、気体レーザー等があり、また受光素子とし
てはフオトダイオード、フオトトランジスタ、光
電子増倍管等従来公知のものを使用できる。

さらに、光伝送路の一部に光量調整器を設けた
場合は、発光素子から出射した光を各伝送路に等
分配できるよう調整することにより、零相電流・
零相電圧をより精度よく検出可能となる。

（実施例）第１図は本発明の概念を三相交流の場合を例に
とつて説明するための線図である。まず、単一の
発光素子１から出射された光P₀をビームスプリ
ツター等の光分割手段２により均等に３等分す
る。３等分した光の各々を交流電線路３−１〜３
−３のそれぞれに設置した光センサーヘツド４−
１〜４−３に光伝送路５−１〜５−３を介して入
射する。次に、線路３−１〜３−３の電気的変化
に応じて各々の光センサーヘツド４−１〜４−３
により強度変調されたP₁、P₂、P₃を、光伝送路
６−１〜６−３を介して光合成手段７により合成
して光の和Ｐをとる。最後に、合成された光Ｐを
単一の受光素子８に入射して、零相電流あるいは
零相電圧の大きさに対応した交流成分の存在を検
知している。

実施例１第２図はフアラデー素子を使用した本発明の検
電装置を、三相交流に応用した場合の構成を示す
線図である。本実施例では、発光素子１１に
InGaAsP LED（波長λ＝1.3μｍ）を使用し、受
光素子２１にInGaAs PIN−PDを使用している。
各光センサーヘツド１２−１〜１２−３の構成
は、YIG（Y₃Fe₅O₁₂）よりなるフアラデー素子１
３−１〜１３−３、偏光子１４−１〜１４−３、
検光子１５−１〜１５−３、ロツドレンズ１６−
１〜１６−３；１７−１〜１７−３および光フア
イバーからなる光伝送路１８−１〜１８−３の光
量比を調整するためのアツテネータ１９−１〜１
９−３からなり、この各光センサーヘツド１２−
１〜１２−３を電線路２０−１〜２０−３の近傍
に設けている。

この構成により、電線路２０−１〜２０−３に
流れる電流により発生した交流磁界がフアラデー
素子１３−１〜１３−３に加わり、そのフアラデ
ー効果により透過する光を偏光変調している。そ
のため、発光素子１１より出射した光の1/3の光
量が光分割手段２３を介して各光伝送路１８−１
〜１８−３に供給され、光センサーヘツド１２−
１〜１２−３を通過した光は強度変調を受けた後
光合成手段２４により再び合成され受光素子２１
に入射する。なお、アツテネータ１８−１〜１８
−３は各フアラデー素子１３−１〜１３−３に入
射する光の量が等しくなるよう調整するために使
用する。

受光素子２に入射する光は平常時は主に直流成
分であるが、三相交流の電線路１９−１〜１９−
３に異常等が生じて零相電流が流れた場合、零相
電流に対応した交流成分を含むことになる。最後
に変換器２２において、受光素子２０の出力は電
気的に変換され、交流出力を直流出力で除算でき
るようにしてあり、LEDを使用した発光素子１
１の誤差要因を除去する構成をとつている。

実施例２第３図はポツケルス素子を使用した本発明の検
電装置を、三相交流に応用した場合の構成を示す
線図である。本実施例では、発光素子３１に
AlGaAs LED（波長λ＝0.85μｍ）を使用し、受
光素子４４にSi PIN−PDを使用している。各セ
ンサーヘツド３２−１〜３２−３の構成は、
LiNbO₃よりなるポツケルス素子３３−１〜３３
−３、偏光子３４−１〜３４−３、検光子３５−
１〜３５−３、λ／４板３６−１〜３６−３、ロ
ツドレンズ３７−１〜３７−３；３８−１〜３８
−３および光フアイバーからなる光伝送路３９−
１〜３９−３の光量比を調整するためのアツテネ
ータ４０−１〜４０−３からなる。また、各電線
路４１−１〜４１−３の電圧をアースに対しコン
デンサC₁₁〜C₁₃およびコンデンサC₂₁〜C₂₃で分割
し、コンデンサC₁₁〜C₁₃の両端電圧がポツケルス
素子３３−１〜３３−３に形成した電極４２−１
〜４２−３；４３−１〜４３−３に印加されるよ
う構成する。

この構成により、電線路４１−１〜４１−３に
加わる電圧によりポツケルス素子３３−１〜３３
−３に交流の電圧が加わり、そのポツケルス効果
により透過する光を位相変調している。そのた
め、発光素子３１より出射した光の1/3の光量が
光分割手段４６を介して各光伝送路３９−１〜３
９−３に供給され、光センサーヘツド３２−１〜
３２−３を通過した光は強度変調を受けた後光合
成手段４７により再び合成され受光素子４４に入
射する。なお、アツテネータ４０−１〜４０−３
はポツケルス素子３３−１〜３３−３に入射する
光の量が等しくなるよう調整するために使用す
る。

受光素子４４に入射する光は平常時は主に直流
成分であるが、三相交流の電線路４１−１〜４１
−３に異常等が発生して零相電圧が生じた場合、
零相電圧に対応した交流成分を含むことになる。
最後に変換器４５において、受光素子４４の出力
は電気的に変換され、交流出力を直流出力で除算
できるようにしてあり、LEDを使用した発光素
子３１の誤差要因を除去する構成をとつている。

本発明は上述した実施例にのみ限定されるもの
ではなく、幾多の変形、変更が可能である。例え
ば、上述した実施例で使用したフアラデー素子お
よびポツケルス素子を利用した光センサーヘツド
の代わりに、電圧あるいは磁界による光の位相変
化あるいは偏光の変化が上述した素子と同一の関
係にあるもの、例えば特開昭58−172557に示され
る光フアイバー干渉計等を用いて零相電流あるい
は零相電圧を測定することもできる。

（発明の効果）以上詳細に説明したところから明らかなよう
に、本発明の検電装置によれば、伝送路として光
フアイバーを使用できるため絶縁性が高く、単一
の発光素子および受光素子を使用しているため、
SN比および測定精度の高い検電装置を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の概念を三相交流の場合を例に
とつて説明するための線図、第２図および第３図
はそれぞれ本発明の検電装置の一実施例を示す線
図、第４図および第５図はそれぞれ従来の検電装
置の一実施例を示す回路図である。１，１１，３１……発光素子、２，２３，４６
……光分割手段、３−１〜３−３，２０−１〜２
０−３，４１−１〜４１−３……電線路、４−１
〜４−３，１２−１〜１２−３，３２−１〜３２
−３……光センサーヘツド、５−１〜５−３，６
−１〜６−３，１８−１〜１８−３，３９−１〜
３９−３……光伝送路、７，２４，４７……光合
成手段、８，２１，４４……受光素子、１３−１
〜１３−３……フアラデー素子、１４−１〜１４
−３，３４−１〜３４−３……偏光子、１５−１
〜１５−３，３５−１〜３５−３……検光子、１
６−１〜１６−３，１７−１〜１７−３，３７−
１〜３７−３，３８−１〜３８−３……ロツドレ
ンズ、１９−１〜１９−３，４０−１〜４０−３
……アツテネータ、２２，４５……変換器、３３
−１〜３３−３……ポツケルス素子、３６−１〜
３６−３……λ／４板、４２−１〜４２−３，４
３−１〜４３−３……電極。

Claims

【特許請求の範囲】１単一の発光素子と、複数の交流電線路のそれ
ぞれに設置した光電流センサーまたは光電圧セン
サーからなる光センサーヘツドと、単一の受光素
子とからなり、前記単一の発光素子より出射した
光を並列に配置した前記各々の光センサーヘツド
を透過させた後前記単一の受光素子により受光す
る構成であつて、各線路の零相電流または零相電
圧の変化に応じて各々の光センサーヘツドにより
強度変調された光量の和を検知することにより、
零相電流または零相電圧を検出することを特徴と
する検電装置。２前記光センサーヘツドの偏光変調特性が、電
線路の電流あるいは電圧に正比例かもしくは正比
例として近似できる特性である特許請求の範囲第
１項記載の検電装置。３光伝送路が光フアイバーである特許請求の範
囲第１項記載の検電装置。４光伝送路の一部に光量調整器を設ける特許請
求の範囲第１項記載の検電装置。