JPH05157773A - 電流測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光強度の変化、温度変化や振動による複屈折
現象などの影響を受けることなく、高信頼性を有する高
精度の電流測定が可能な電流測定装置を提供する。 【構成】 被測定導体１の電流によって発生する磁界中
にファラデ―効果物質２を設置し、光源３によって直線
偏光波を入射する。ファラデー効果物質２からの出射光
を、光分割手段１１によって２分割する。相対的に異な
る偏光面を有する光検出手段１２ａ，１２ｂと光電変換
手段１３ａ，１３ｂを介して、２分割した光に対応する
２種類の電気信号を得る。位相検出手段１５ａ，１５ｂ
によって２種類の位相を検出し、位相判別手段１６によ
って、２種類の位相のうち、どちらの位相が進んでいる
かを判別することにより、ファラデー効果物質２からの
出射光の偏光面の回転方向を判別し、電流の増減を判定
する。

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―効果を応用した
電流測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、送配電機器などに用いられる大電
流測定装置としては、巻線型計器用変圧器が主として使
われている。しかし、この巻線型計器用変圧器には、大
型、高価、過渡変流波形の変歪などを生じる欠点があっ
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。このような光学的電流測定装置は、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する。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
定装置も実現されようとしている。

【０００３】例えば、雑誌「ＯＰＴＩＣＳ ＡＮＤ Ｌ
ＡＳＥＲ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ」の１９８０年２月号
（ｐ．２５〜ｐ．２９）には、“Ｏｐｔｉｃａｌｆｉｂ
ｅｒｓ ｆｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅ
ｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”という題名で、図４
に示すような電流測定装置が提案されている。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の中央部をコイル状に巻回してなる光ファイバコイ
ル２ａが設置される。光源３からの光は、偏光子４及び
レンズ５を通して直線偏光波にされた後、光ファイバ２
の一端に入射する。

【０００４】光ファイバ２に入射した光は、光ファイバ
コイル２ａを通過する際に、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た後、光フ
ァイバ２の他端から出射する。光ファイバ２から出射し
た光は、レンズ６及び検光子７により、偏光面が互いに
直交する２つの光成分Ｉ1 とＩ2に分割され、受光装置
８ａ及び８ｂにそれぞれ入射し、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、演算回路９に
より、（Ｉ1 −Ｉ2 ）／（Ｉ1 ＋Ｉ2 ）なる演算が実施
され、この結果が出力される。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
ることになる。従って、被測定導体１の電流値を測定で
きる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
な構造を有する従来の電流測定装置においては、光強度
に基づいてアナログ的に電流値を測定する方法を採用し
ているため、光源の出力変動や光ファイバ中でのロスの
変動などの光強度の変化により、測定誤差を生じる場合
があり、測定の信頼性及び測定精度の低下につながって
いた。

【０００６】また、光ファイバ２には、製造時に加えら
れる残留応力の他に、電流値の変化による被測定導体の
発熱量の変化や、太陽光の照射の有無、外気温の変化な
どに起因する周囲温度の変化に伴なう応力、あるいは、
遮断器の動作などに起因する振動による応力などが加わ
る。そのため、図４に示すような従来の電流測定装置に
おいては、これらの応力によって光ファイバ２内に発生
する複屈折現象を原因として、測定誤差を生じる可能性
があった。

【０００７】すなわち、一般に、光ファイバ２を構成す
るガラスのようなアモルファス固体は、光学的に等方性
であり、偏光子４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播する。しかし、光ファイバ２
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、複屈折現象を示す。言い換えれば、偏光面
の方向により屈折率が異なるため、偏光子４により形成
された直線偏光波は、光ファイバ２内を伝播中に偏光状
態が変化し、隋円偏光化する。これが測定誤差の一因と
なる。従って、従来の電流測定装置においては、温度変
化や振動に伴なう応力によって発生する複屈折現象を原
因として、測定誤差を生じる可能性があるため、温度変
化や振動が大きい環境で、高信頼性を有する高精度な電
流測定を行うことはできなかった。

【０００８】本発明の目的は、以上のような従来技術の
欠点を除去して、光強度の変化、温度変化や振動による
複屈折現象などの影響を受けることなく、高信頼性を有
する高精度の電流測定が可能な電流測定装置を提供する
ことである。

【０００９】

【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―効果物質を設置し、
ファラデー効果物質に直線偏光波を入射して、ファラデ
ー効果物質中を通過する直線偏波光の偏光面がファラデ
―効果により回転する回転数を測定することで、電流を
測定する、いわばディジタル的に測定するための装置に
関する。そして、偏光面の回転が電流の増加により発生
したものか、減少により発生したものかを判別する目的
で、一定の処理を行う手段を備えたものである。

【００１０】すなわち、本発明においては、被測定導体
に流れる電流によって発生する磁界中に設置されたファ
ラデ―効果物質と、前記ファラデー効果物質中に直線偏
光波を入射する光源と、前記ファラデ―効果物質を通過
した光を２分割する光分割手段と、その偏光面が相対的
に異なる方向となるように設置され、前記光分割手段に
よって分割された光を通過させ、光信号として検出する
２個の光検出手段と、前記光検出手段によって検出され
た２種類の光信号を電気信号に変換する光電変換手段
と、前記光電変換手段によって得られた２種類の電気信
号の位相を検出する位相検出手段と、前記位相検出手段
によって検出された２種類の位相間における相対的な進
みと遅れを判別する位相判別手段を備えたことを特徴と
している。また、ファラデ―効果物質としては、例え
ば、光ファイバを使用することができるが、この場合に
は、小さな電流に対しても大きなファラデ―旋回を与え
るように、光路長を大きくとる必要がある。これに対し
て、光ファイバより大きなベルデ定数を有する物質を使
用して光路長さを短くする構成も可能である。

【００１１】より具体的には、本発明では、以上のよう
な各手段を使用して、次の手順により電流の測定を行
う。すなわち、ファラデ―効果物質からの出射光は、大
きなファラデ―旋回を受け、被測定導体を流れる電流値
のわずかな変化に応じて光検出手段を通過する光量は周
期的に変化する。そのため、光検出手段によって検出し
た光信号に基づいて、光量の周期の数をカウントする。

【００１２】また、ファラデ―効果物質からの出射光を
光分割手段によって２分割した後に、相対的に異なる偏
光面を有する光検出手段及び光電変換手段を介して、２
分割した光に対応する２種類の電気信号を得る。そし
て、位相検出手段によって２種類の電気信号の位相を検
出し、続いて、位相判別手段によって、２種類の位相の
うち、どちらの位相が進んでいるかを判別することによ
り、ファラデー効果物質からの出射光の偏光面の回転方
向を判別する。この結果、光量の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。

【００１３】この判別により、電流値が増加したと判定
された場合には、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
場合には、過去のカウント数の総和に、新しいカウント
（−１）を加える。このようにして得られたカウント数
の累積値は、被測定導体に流れる電流値に比例した値と
なるため、以上のような処理によって被測定導体の電流
を測定することが可能である。

【００１４】本発明は、以上のように、ファラデ―効果
物質からの出射光の光量の周期の数をカウントすると共
に、出射光を２分割して２種類の光信号の位相を判別す
ることによりカウントに電流の増減を反映させ、このカ
ウント数の累積値としてディジタル的に電流を測定する
ことを特徴としている。

【００１５】

【作用】以上のような構成を有する本発明の作用は次の
通りである。すなわち、光源の出力変動や光ファイバロ
スなどの光強度の変化を生じた場合や、温度変化や振動
が大きい環境において、光ファイバなどのファラデー効
果物質が応力を受けて複屈折現象が発生した場合などに
は、受光量の絶対値は変化するが、光量の周期の数及び
位相は変化しない。従って、このような光強度の変化や
複屈折現象などの影響を受けない要素の検出に基づいて
電流値を測定する本発明の装置によれば、高信頼性を有
する高精度の電流測定を行うことができる。

【００１６】なお、ファラデー効果物質からの出射光を
分割して、その分割した光の位相の進みと遅れを判別す
ることにより、偏光面の回転方向を判別する構成として
は、本発明のように、ファラデ―効果物質からの出射光
を２分割する以外に、光を３個以上に分割し、それぞれ
の光信号の位相の順番を検出する方法も考えられる。し
かしながら、この方法によれば、偏光面が少なくとも３
ヶ所のチェック点を通過した時点で初めて判別できるこ
とになり、それだけ、回転方向を判別するための偏光面
の回転角度が大きくなることから、時間分解能が低くな
り、測定装置の高周波特性が低下する。

【００１７】また、このようにファラデ―効果物質から
の出射光を３分割する場合、構成部品点数が多くなり、
機器のコストアップを招くばかりでなく、信頼性も低下
する。さらに、光を２分割するのは比較的容易である
が、３分割以上に分割し、しかも偏光状態を保つのは困
難で、それだけＳ／Ｎ比が低下することになり、信頼性
を低下させる。

【００１８】従って、本発明は、ファラデー効果物質か
らの出射光を必要最小数である２個に分割して、それぞ
れの信号の位相差を検出することによって、３分割以上
とする場合に比べて大きな利点を得られる。

【００１９】

【実施例】以下には、本発明による電流測定装置の一実
施例について、図１を参照して説明する。なお、図４に
示した従来例と同一部分には同一符号を付している。

【００２０】図１に示すように、被測定導体１の周囲
に、シングルモードの光ファイバ（ファラデー効果物
質）２の中央部を多数回巻回してなる光ファイバコイル
２ａを設置する。光ファイバ２の一端は、偏光子４を介
して光源３に接続される。光ファイバ２の他端は、光を
２分割する光分割装置（光分割手段）１１に接続されて
いる。さらに、光分割装置１１によって２分割された光
の光路上には、分割された光を通過させ、光信号として
検出する２個の検光子（光検出手段）１２ａ，１２ｂ
が、相対的に偏光面の方向をずらす形で設置されてい
る。各検光子１２ａ，１２ｂに対応して、検出された光
信号を電気信号に変換する受光装置（光電変換手段）１
３ａ，１３ｂが設置されている。

【００２１】そして、受光装置１３ａ，１３ｂは、電子
回路部１４ａ，１４ｂ、位相検出装置（位相検出手段）
１５ａ，１５ｂを介して、演算装置（位相判別手段）１
６に接続される。この場合、電子回路部１４ａ，１４ｂ
は、受光装置１３ａ，１３ｂからの出力信号を入力し、
その直流分をカットするハイパスフィルタ、及び、フィ
ルタを通過した信号を増幅するアンプなどを含む。ま
た、位相検出装置１５ａ，１５ｂは、電子回路部１４
ａ，１４ｂによって処理された信号の位相の信号零点を
検出する装置である。さらに、演算装置（位相判別手
段）１６は、位相検出装置１５ａ，１５ｂによって検出
された２種類の位相の信号零点の検出順序の判別によっ
て、２種類の位相間における相対的な進みと遅れを判別
する装置である。

【００２２】次に、図１に示される本実施例の作用を、
図２及び図３を参照して説明する。このうち、図２は、
光ファイバ２に入射する光の偏光面をｘ軸方向にとった
場合の光ファイバ２からの出射光の偏光面２１と、各検
光子１２ａ，１２ｂによって検出される光信号の偏光面
の方向２２ａ，２２ｂとの相対的関係を示す原理図であ
る。

【００２３】すなわち、被測定導体１を流れる電流の増
減により、光ファイバ２から出射する光の偏光面２１は
空間的に回転するが、この場合、偏光面２１は、電流変
化量に比例する量だけ回転すると同時に、電流の増減に
応じて異なる方向に回転する。例えば、仮に、電流が増
大する場合に右回りに回転するとすれば、電流が減少す
る場合には必ず左回りに回転する。これに対して、本実
施例においては、検光子１２ａ，１２ｂからの光信号の
偏光面２２ａ，２２ｂをずらしているため、この検光子
１２ａ，１２ｂを通過した光信号の位相がずれる。

【００２４】従って、検光子１２ａ，１２ｂを通過した
光信号の位相を、受光装置１３ａ，１３ｂ、電子回路部
１４ａ，１４ｂ、及び位相検出装置１５ａ，１５ｂによ
って検出し、演算装置１６により、どちらかの位相が進
んでいるかを判別すれば、偏光面２１の回転方向が、右
回りであるか左回りであるかが分かり、電流が増大する
方向に変化しているのか、減少している方向に変化して
いるのかが分かる。すなわち、被測定導体１を流れる電
流が増大する場合には、光ファイバ２からの出射光の偏
光面２１は、先に検光子１２ａからの光信号の偏光面２
２ａに一致するため、検光部１２ａを通過した光信号の
位相が進むことになる。一方、電流が減少する場合に
は、偏光面２１は先に偏光面２２ｂに一致するため、位
相関係は逆転する。

【００２５】また、偏光面２１が１８０°回転すること
で、それぞれの信号は一周期となるが、この時の電流変
化量ΔＩは常に一定であるので、光ファイバ２からの出
射光の偏光面２１が、検光子１２ａ，１２ｂの偏光面２
２ａ，２２ｂを、２２ａ→２２ｂの順で通過すれば、前
回の検出時に比較して電流がΔＩだけ増加したことにな
る。逆に、光ファイバ２からの出射光の偏光面２１が、
検光子１２ａ，１２ｂの偏光面２２ａ，２２ｂを、２２
ｂ→２２ａの順で通過すれば、前回の検出時に比較して
電流がΔＩだけ減少したことになる。従って、電流零時
からの電流変化の累積値を求めることによって、被測定
導体１を流れる電流値を求めることができる。

【００２６】次に、図３を参照して、被測定導体１に流
れる電流値を測定するための本実施例における処理手順
を説明する。まず、電力系統に流れる５０Ｈｚもしくは
６０Ｈｚの電流値の波形は、図３の（ａ）の３１に示す
ように、一般に、サインカ―ブを描いて変化し、その波
高値部分Ａの波形は、図３の（ｂ）の３２に示すよう
に、滑らかなカーブを描いて変化する。これに対し、本
実施例の装置による電流測定の出力波形は、図３の
（ｂ）の３３に示すように、矩形状のカーブを描く。

【００２７】例えば、本実施例において、仮に、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１２ａ，１２ｂによって
検出された光信号を、受光装置１３ａ，１３ｂにより電
気信号に変換し、電子回路部１４ａ，１４ｂのハイパス
フィルタにより直流分をカットする処理を行った後の電
気信号の波形は、それぞれ、図３の（ｃ）に示すよう
な、波形３４ａ，３４ｂとなる。そして、位相検出装置
１５ａ，１５ｂにより、このような波形３４ａ，３４ｂ
の零点を検出することで位相を検出し、各波形の信号零
点の検出順序を、演算装置１６により判別する。

【００２８】すなわち、波形３４ａ，３４ｂの信号零点
が、３４ａ→３４ｂの順で検出された場合には、ΔＩ／
２だけの電流増加を判定でき、逆に、３４ｂ→３４ａの
順で検出された場合には、ΔＩ／２だけの電流減少を判
定できる。そして、この±ΔＩ／２という値を、演算装
置１６により、被測定導体１の電流零点時から積算する
ことにより、カ―ブ３３に示すようなディジタル的な電
流波形を得ることができる。

【００２９】以上説明したように、本実施例による電流
測定法は、光強度によるアナログ的方法ではなく、位相
検出点に基づくディジタル的方法であるため、光源の光
強度の変化や、光ファイバケ―ブル中でのロスの変化な
どの光強度の変化に影響を受けることがない。そして、
温度変化や振動などによって光ファイバが応力を受け、
複屈折現象が発生した場合でも、電流変化ΔＩの値はこ
のような複屈折現象の影響を受けず常に一定である。ま
た、図３のカ―ブ３４ａ，３４ｂの振幅は複屈折現象に
よって影響を受け変化するが、位相は変化しない。従っ
て、位相を測定することによって電流値を測定する本実
施例においては、複屈折現象の影響を受けることなく、
高精度の電流測定を行うことができる。

【００３０】特に、本実施例においては、光ファイバと
して、シングルモードの光ファイバを使用しているた
め、光ファイバ内を伝播する光の偏光面が、光ファイバ
壁面の反射によって変化することを有効に防止できる。
また、図２に示す検光子１２ａ，１２ｂからの光信号の
偏光面２２ａと２２ｂのずれ角度θは、演算装置１６の
位相判別能力の許す限り、小さく設定することが望まし
く、これにより、時間分解能を向上でき、高周波特性を
向上できる。

【００３１】なお、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、例えば、図１の構成においては、光ファイ
バ２に直線偏波光を入射させるために偏光子４を用いた
が、光源３として、レ―ザのような直線偏波光を発生す
る装置を使用した場合には、偏光子４は不要であり、し
かも、前記実施例と同様の作用・効果を得ることができ
る。また、前記実施例ではファラデ―効果物質として光
ファイバ２を使用しているが、光ファイバの代わりに、
ベルデ定数のより大きな物質を用いることにより、光路
長を短くして、しかも、前記実施例と同様の作用・効果
を得ることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明においては、
ファラデー効果物質から出射された光を２分割し、分割
した光の位相の相対的な進みと遅れを判別するというデ
ィジタル的な測定方法を採用したことにより、光強度の
変化、温度変化や振動による複屈折現象などの影響を受
けることなく、高信頼性を有する高精度の電流測定が可
能な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】本発明による電流測定装置の一実施例の全体構
成を示す概略図。

【図２】図１の電流測定装置の作用を示す図であり、特
に、光ファイバから出射する光の偏光面と、検光子によ
って検出される光信号の偏光面の方向との相対的関係を
示す原理図。

【図３】図１の電流測定装置の作用を示す図であり、
（ａ）は被測定導体に流れる電流値の波形の一例を示す
波形図、（ｂ）は被測定導体の電流値の波高値部分の波
形と図１の装置によるその電流測定の出力波形の一例を
示す波形図、（ｃ）は図１の電子回路部による処理後の
２種類の電気信号の波形の一例を示す波形図。

【図４】従来の電流測定装置の全体構成を示す概略図。

【符号の説明】

１…被測定導体 ２…光ファイバ（ファラデー効果物質） ２ａ…光ファイバコイル ３…光源 ４…偏光子 １１…光分割装置（光分割手段） １２ａ，１２ｂ…検光子（光検出手段） １３ａ，１３ｂ…受光装置（光電変換手段） １４ａ，１４ｂ…電子回路部 １５ａ，１５ｂ…位相検出装置（位相検出手段） １６…演算装置（位相判別手段） ２１…光ファイバからの出射光の偏光面 ２２ａ，２２ｂ…検光子からの光信号の偏光面 ３１…被測定導体に流れる電流値の波形 ３２…被測定導体に流れる電流波形の波高値部分の拡大
波形 ３３…電流測定装置による電流測定の出力波形 ３４ａ，３４ｂ…電子回路部による処理後の電気信号の
波形

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ファラデー効果による直線偏光波の偏光
   面の回転変化を検出することによって電流を測定する電
   流測定装置において、 被測定導体に流れる電流によって発生する磁界中に設置
   されたファラデ―効果物質と、 前記ファラデー効果物質中に直線偏光波を入射する光源
   と、 前記ファラデ―効果物質を通過した光を２分割する光分
   割手段と、 その偏光面が相対的に異なる方向となるように設置さ
   れ、前記光分割手段によって分割された光を通過させ、
   光信号として検出する２個の光検出手段と、 前記光検出手段によって検出された２種類の光信号を電
   気信号に変換する光電変換手段と、 前記光電変換手段によって得られた２種類の電気信号の
   位相を検出する位相検出手段と、 前記位相検出手段によって検出された２種類の位相間に
   おける相対的な進みと遅れを判別する位相判別手段を備
   えたことを特徴とする電流測定装置。