JPH05142266A

JPH05142266A - 電流測定装置

Info

Publication number: JPH05142266A
Application number: JP3310902A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Murase; 洋村瀬; Takashi Yokota; 岳志横田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-11-26
Filing date: 1991-11-26
Publication date: 1993-06-08

Abstract

(57)【要約】【目的】振動や温度変化が大きい環境下においても、
高精度で電流を測定できる電流測定装置を提供する。【構成】被測定導体１の周囲に、ファラデー効果を有
する物質である２本の光ファイバを、それぞれ多数回巻
回して構成した光ファイバコイル１３ａ，１３ｂが設置
されている。また、前記２つの光ファイバコイル１３
ａ，１３ｂの一端は、偏光子５ａ，５ｂを介して光ファ
イバケーブル１４ａ，１４ｂに接続されている。さら
に、前記光ファイバ２ａ，２ｂの他端は、それぞれ検光
子８ａ，８ｂ、光ファイバケーブル１５ａ，１５ｂを介
して、受光素子９ａ，９ｂに接続されている。なお、偏
光子５ａと検光子８ａのそれぞれの偏光面の空間的位置
関係は、偏光子５ｂと検光子８ｂのそれぞれの偏光面の
空間的位置関係とは意図的に異なるように設置されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高精度及び高信頼性を
要求される電流測定に好適な、ファラデー効果を応用し
た電流測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、送配電機器等に用いられる大電流
測定装置としては、主として巻線型計器用変流器が使わ
れていた。しかし、この巻線型計器用変流器は、大型，
高価，過渡電流波形の変歪などの欠点があった。そこで
近年、これに代わり、ファラデー効果を有する物質を利
用して光学的に電流を測定する方式が注目されている。
この様な光学的電流測定器は、小型で過渡電流波形も忠
実に再現できるという利点を有している。

【０００３】また、近年の光ファイバ製造技術の進歩は
めざましく、光ファイバそのものをファラデー効果物質
として利用する電流測定器も実現されようとしている。
例えば、雑誌「ＯＰＴＩＣＳＡＮＤＬＡＳＥＲＴ
ＥＣＨＮＯＬＯＧＹ」の１９８０年２月号（ｐ．２５〜
ｐ．２９）には、“Ｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｆｏ
ｒｃｕｒｒｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｐｐ
ｌｉｃａｔｉｏｎｓ”なる題名で、図４に示す様な電流
測定手段が提案されている。

【０００４】すなわち、被測定導体１の周囲にシングル
モードの光ファイバ２をコイル状に巻回して光ファイバ
コイル３を形成し、レーザー光源４からの光ビームを偏
光子５、レンズ６を通して直線偏光波にし、上記光ファ
イバコイル３内に入射させる。この光は、被測定導体１
に流れる電流が形成する磁界によりファラデー旋回を受
ける。また、光ファイバコイル３の他端から出射した光
は、レンズ７、検光子８により、偏波面が互いに直交す
る２つの光ビームＩ₁とＩ₂に分割され、受光素子９ａ
及び９ｂに入射され、２つの電気信号に変換される。こ
の２つの電気信号に基づいて、演算装置１０により、
（Ｉ₁−Ｉ₂）／（Ｉ₁＋Ｉ₂）なる演算を実施し、こ
の結果を出力する。

【０００５】この出力値は、ファラデー旋回角が小さい
領域では、近似的にファラデー旋回角に比例するため、
結局、ファラデー旋回を引き起こす磁界強度に比例し、
被測定導体１に流れる電流値に比例することになり、こ
れにより被測定導体１の電流値を測定できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この様な構成を有する
従来の電流測定装置の最大の問題点は、光ファイバコイ
ル３内に発生する複屈折である。一般的に光ファイバコ
イル３のケーブルを構成するガラスの様なアモルファス
固体は、光学的に等方性であり、偏光子５により形成さ
れた直線偏光波は、その偏光状態を保ったまま伝搬す
る。

【０００７】しかし、光ファイバコイル３に応力が加え
られると、アモルファス固体も光学的に異方性となり、
複屈折を示す。すなわち、偏波面の方向により屈折率が
異なるため、偏光子５により形成された直線偏光波は、
光ファイバコイル３内を伝搬中に偏光状態が変化し、楕
円偏光化する。これが測定誤差の一因となる。

【０００８】また、前記光ファイバコイル３に加えられ
る応力としては、製造時に加えられる残留応力の他に、
周囲の温度変化に伴う応力や、振動による応力が存在す
る。従って、従来の光ファイバを応用した電流測定装置
では、振動や周囲の温度変化に弱く、振動や温度変化が
大きい環境下では、精度の高い電流測定はできなかっ
た。

【０００９】本発明は、上記の様な従来技術の欠点を解
消するために提案されたもので、その目的は、振動や温
度変化が大きい環境下においても、高精度で電流を測定
できる電流測定装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、導体に流れる
電流が発生する磁界中に、ファラデー効果を有する物質
を設置し、前記物質中に直線偏光波を通過させ、前記偏
光波の偏光面の回転の変化を検光部を通過させることに
より検出し、前記導体に流れる電流を測定する電流測定
装置において、同一構造のファラデー効果を有する物質
を前記導体の周囲に２個設置し、それぞれの物質を通過
した光の信号を比較することにより電流の増減を判断す
ることができるように構成したことを特徴とするもので
ある。

【００１１】

【作用】本発明の電流測定装置においては、被測定導体
を流れるわずかな電流値の変化に応じて周期的に変化す
る受光量より、周期の数をカウントする。また周期的に
変化する２種類の信号の位相に基づいて、どちらの信号
の位相が進んでいるかを判別し、電流が増加方向へ変化
しているのか減少方向に変化しているのかを知り、２個
の同一構造のファラデー効果を有する物質から得た周期
の数の新しいカウントは、電流値が増加したために発生
したものか、減少したために発生したものかを判別する
ことができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１乃至図３を参
照して具体的に説明する。なお、図４に示した従来型と
同一の部材には同一の符号を付して、説明は省略する。

【００１３】本実施例においては、図１に示した様に、
被測定導体１の周囲に、ファラデー効果を有する物質で
ある２本の光ファイバを、それぞれ多数回巻回して構成
した光ファイバコイル１３ａ，１３ｂが設置されてい
る。また、前記２つの光ファイバコイル１３ａ，１３ｂ
の一端は、偏光子５ａ，５ｂを介して光信号伝送用の光
ファイバケーブル１４ａ，１４ｂに接続されている。一
方、信号用の光源４からの光は、ビームスプリット装置
１２により、２個の同一の光信号に分割され、それぞれ
前記光ファイバケーブル１４ａ，１４ｂに入射されるよ
うに構成されている。

【００１４】また、前記光ファイバコイル１３ａ，１３
ｂの他端は、それぞれ検光子８ａ，８ｂを介して、光フ
ァイバケーブル１５ａ，１５ｂに接続され、その他端は
受光素子９ａ，９ｂに接続されている。この受光素子９
ａ，９ｂの電気信号は、フィルタ，アンプ等を含む電子
回路部１８ａ，１８ｂに送られ、さらに、位相検出装置
１９ａ，１９ｂ及び演算装置１０に送られるように構成
されている。

【００１５】なお、偏光子５ａと検光子８ａのそれぞれ
の偏光面の空間的位置関係は、偏光子５ｂと検光子８ｂ
のそれぞれの偏光面の空間的位置関係とは意図的に異な
るように設置されている。

【００１６】この様な構成を有する本実施例の電流測定
装置は、以下に述べる様な原理に基づいて作用する。す
なわち、被測定導体に流れる電流値の変化により、被測
定導体の発熱量が変化し、周囲温度が変化する場合や、
太陽光の照射の有無、外気温の変化などで周囲温度が変
化する場合に、光ファイバが機械的応力を受けて複屈折
現象が発生したり、遮断器の振動などによって光ファイ
バが機械的応力を受け複屈折現象が発生する場合でも、
受光量の絶対値は変化するが周期の数及び位相は変化し
ない。

【００１７】つまり、２本の光ファイバコイルを通過す
る光は、大きなファラデー旋回を受け、被測定導体１を
流れるわずかな電流値の変化に応じて、その受光量は周
期的に変化する。この信号から周期の数をカウントす
る。このカウント数が電流値を表わす。

【００１８】また周期的に変化する２種類の信号の位相
に着目し、どちらの信号の位相が進んでいるかを判別
し、電流が増加方向へ変化しているのか減少方向に変化
しているのかを知れば、前記の２個の光ファイバコイル
から得た周期の数の新しいカウントは、電流値が増加し
たために発生したものか、減少したために発生したもの
かを判別することができる。

【００１９】従って、電流値が増加したと判定された時
には、過去のカウント数の総和に新しいカウント（＋
１）を加え、電流値が減少したと判定された時には、過
去のカウント数の総和に新しいカウント（−１）を加え
る。この様にして得られたカウント数の過去からの総和
は、電流値に比例した値となり、電流を測定することが
可能となる。

【００２０】この様な原理に基づく本実施例の電流測定
装置は以下の様に作用する。なお、図２はそれぞれの光
ファイバコイル１３ａ，１３ｂに入射する光の偏波面を
ｘ軸方向にとった場合の、光ファイバコイル１３ａ，１
３ｂから出射される光の偏光面と、検光子８ａ，８ｂの
偏光面２０ａ，２０ｂの相対的位置関係を示す図であ
る。

【００２１】ここで、光ファイバコイル１３ａ，１３ｂ
は同一構造で、同様な磁界中に設置されているため、そ
れぞれの光ファイバコイル１３ａ，１３ｂが受ける熱
的、機械的応力分布は同一となり、しかも磁界分布も一
致する。従って、両光ファイバコイル１３ａ，１３ｂを
伝搬する直線偏光波は全く同様な複屈折等のじょう乱を
受ける。このことから、図２に示されるそれぞれの光フ
ァイバコイル１３ａ，１３ｂから出射する偏光の偏光面
２１は一致する。

【００２２】そして、電流の増減により、前記偏光面２
１は空間的に回転するが、この回転は電流値に比例する
と同時に、電流が増大する場合に右まわりに回転すると
すれば、電流が減少する場合には必ず左まわりに回転す
る。ここで、検光子の偏光面２０ａ，２０ｂをずらして
おけば、検光子を通過した光の強度信号の位相がずれる
ので、どちらの位相が進んでいるかを判別すれば、偏光
面２１が右まわりか左まわりかがわかり、電流が増大す
る方向に変化しているのか、減少する方向に変化してい
るのかがわかる。すなわち、電流が増大している場合に
は、偏光面２１は先に検光子８ａの偏光面２０ａに一致
するため、この位相が進むことになり、電流が減少する
場合には、偏光面２１は先に検光子８ｂの偏光面２０ｂ
に一致し、位相関係は逆転する。

【００２３】一方、偏光面２１が１８０°回転した時の
電流変化量ΔＩは常に一定であるので、偏光面２１が検
光子の偏波面２０ａ，２０ｂを２０ａ→２０ｂの順で通
過すれば、前回の通過時に比較して電流がΔＩだけ増加
し、２０ｂ→２０ａの順で通過すれば、電流がΔＩだけ
減少したことになり、電流零時からの電流変化の総和を
求めれば、電流値を求めることができる。

【００２４】なお、光ファイバコイル１３ａ，１３ｂを
通過した光の偏光面は一致するものとして説明したが、
なんらかの原因により一致しない場合であっても、検光
子８ａのいずれの偏光面を先に通過したかを検出するこ
とにより、電流の増減の判断は可能である。

【００２５】次に、図３（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、電
流値と本発明の一実施例の作用との関係を示す。すなわ
ち、電力系統に流れる５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚの電流
は、一般に図３（Ａ）に示した様なサインカーブ２２と
なり、波高値部分を拡大すると図３（Ｂ）に示した様な
カーブ２３となる。

【００２６】いま、図２に示される偏光面２１が１８０
°回転するのに対応する電流変化をΔＩとすると、検光
子８ａ，８ｂを通過した光を電気信号に変換し、直流分
をカットするハイパスフィルタを通過させた電気信号
は、図３（Ｃ）に示した様に、それぞれ２４ａ，２４ｂ
のようになる。いま、信号２４ａ，２４ｂの零点を検出
する位相検出器１９ａ，１９ｂにより位相を検出すれ
ば、２４ａ→２４ｂの順で検出された場合にはΔＩ／２
だけの電流増加となり、２４ｂ→２４ａの順で検出され
た場合にはΔＩ／２だけの電流減少となる。この±ΔＩ
／２なる値を電流零点から積算していけば、カーブ２５
に示す様なデジタル的な電流波形を得る。

【００２７】この様に、本実施例の電流測定装置よる電
流測定法は、光強度によるものではないため、発光源の
光強度の変化、光ファイバケーブル中でのロスの変化
等、光強度の変化に影響を受けることがない。

【００２８】また、被測定導体１に流れる電流値の変化
により、導体の発熱量が変化し、周囲温度が変化する場
合や、太陽光の照射の有無、外気温の変化などで周囲温
度が変化する場合に、光ファイバが機械的応力を受けて
複屈折現象が発生したり、遮断器の振動などによって光
ファイバが機械的応力を受け、複屈折現象が発生する場
合でも、電流変化ΔＩの値はこの様な複屈折の影響を受
けず、常に一定である。また、図３（Ｃ）のカーブ２４
ａ，２４ｂの振幅は複屈折により影響を受け変化する
が、位相は変化しない。本発明では、カーブ２４ａ，２
４ｂの振幅は測定しないので、複屈折の影響を受けない
高精度な電流測定が行える。

【００２９】ここで、光が光ファイバ伝搬中に光ファイ
バ壁面の反射によってその偏光面が変化することを除去
するため、図１に示した光ファイバコイル１３ａ，１３
ｂ及び光ファイバケーブル１４ａ，１４ｂはシングルモ
ード光ファイバとすることが好ましい。また、図２に示
す偏光面２０ａと２０ｂのずれ角度θは、演算装置１０
の位相判別能力の許す限り小さくとったほうが時間分解
能が高くなり、高周波特性がよくなる。

【００３０】また、本実施例では、一か所の電流を測定
するために、同一構造の装置が２個必要となるが、すべ
てがいわばデジタル的な処理をしており、しかもそれぞ
れの系における光路が１本のみであり、構造がシンプル
であるばかりでなく、それだけ信頼性も高くなる。

【００３１】なお、図１の構成においては、光ファイバ
コイル１３ａ，１３ｂに直線偏光波を入射させるために
偏光子５ａ，５ｂを用いたが、光源１１にレーザ等の様
な直線偏光波を発光する装置を使用すれば、偏光子５
ａ，５ｂは不要で、しかも上記実施例と同様な効果が得
られる。また、フアラデー効果材として光ファイバを使
用しているが、これに限定されるものではない。

【００３２】

【発明の効果】以上述べた様に、本発明によれば、同一
構造のファラデー効果を有する物質を電流が流れる導体
の周囲に２個設置し、それぞれの物質を通過した光の信
号を比較することにより電流の増減を判断することがで
きるように構成することにより、振動や温度変化が大き
い環境下においても、高精度で電流を測定できる電流測
定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電流測定装置の一実施例を示す概略図

【図２】図１に示した実施例の作用原理を示す図

【図３】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は図１に示した実施例の作
用原理を示す図

【図４】従来の電流測定装置の構成を示す概略図

【符号の説明】

１…被測定導体２ａ，２ｂ…光ファイバ３…光ファイバコイル４…光源５…偏光子６，７…レンズ８…検光子９ａ，９ｂ…受光素子１０…演算装置１２…光分割装置１３ａ，１３ｂ…光ファイバコイル１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ…光ファイバ１８ａ，１８ｂ…電子回路部１９ａ，１９ｂ…位相検出装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導体に流れる電流が発生する磁界中に、
ファラデー効果を有する物質を設置し、前記物質中に直
線偏光波を通過させ、前記偏光波の偏光面の回転の変化
を検光部を通過させることにより検出し、前記導体に流
れる電流を測定する電流測定装置において、同一構造のファラデー効果を有する物質を前記導体の周
囲に２個設置し、それぞれの物質を通過した光の信号を
比較することにより電流の増減を判断することができる
ように構成したことを特徴とする電流測定装置。