JPH06194390A

JPH06194390A - 光変流器

Info

Publication number: JPH06194390A
Application number: JP4344028A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Kobayashi; 一雄小林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-12-24
Filing date: 1992-12-24
Publication date: 1994-07-15

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、振動や温度変化が大きい環境でも高
精度で電流を測定できる光変流器を提供することにあ
る。【構成】本発明は、被測定導体の近傍に略直方体のファ
ラデー効果材を配置し、このファラデー効果材の内部を
通過した光が受けるファラデー効果を利用した光変流器
において、前記略直方体のファラデー効果材は光の入射
面と出射面を含む頂角を他の３つの頂角より相対的に低
く、かつ光の入射面と出射面を構成する面の一部が収納
ケースに密着するように配置するとともに前記ファラデ
ー効果材の光の入射面と出射面を除く面と収納ケース内
面との間隙に接着性のある弾性体を介在させ前記ファラ
デー効果材を収納ケース内に固定しているので、温度変
化時においても機械的応力が発生することは少なく、温
度変化による測定誤差が除去できる。さらに、温度変化
によりファラデー効果材表面と収納ケースの内面との間
の間隙が拡がっても、間に配設した弾性体が移動・脱落
することや、ファラデー効果材が位置ずれを起こすこと
もない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ファラデー効果を利用
して、電流による磁界を直線偏光波の偏波面の旋回角を
検出し、これによって電流値を検出する光変流器にかか
り、特に、温度変化や振動の大きい環境においても高精
度，高信頼性，長期的信頼性にすぐれた光変流器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、大電流測定装置としては、巻線形
変流器が主として使われているが、大型・高価・過渡電
流波形の変歪等の欠点があった。そこで、近年これに代
わりファラデー効果材を用いて光学的に電流を測定する
方法が注目されている。このような電流測定器は小型で
過渡電流波形も忠実に再現できるが、現場で発生する振
動や温度変化に対して誤差が増大するという欠点があっ
た。ファラデー効果材として一般に用いられている鉛ガ
ラスのようなアモルファス固体は光学的に等方性であ
る。

【０００３】しかし、応力が加わるとガラスも光学的に
異方性となり複屈折を示す。これが測定誤差の一因とな
る。ガラスに温度変化が生じると応力が発生するが、ガ
ラスが熱膨張率の異なる物質に強固に固定されている場
合、もしくはガラスに熱膨張率の異なる物質が強固に固
定されている場合には、温度変化により発生するガラス
内部の応力はガラス単体の場合に比較してかなり大きく
なる。したがって、ファラデー効果材には何も強固に固
定することなく、柔軟性を保ってファラデー効果材を固
定することが望ましい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この場合、振
動に対して光軸が変化しやすく、振動に対して弱くなる
という欠点があった。上記欠点を改善するため、たとえ
ば、特開昭６０−２１０７７０号公報に示されるよう
に、光学装置を収納ケースの中に弾性体と共に収納する
方法が提案されている。この方法を特開昭５８−１５３
１７４号公報に示されているような密体の周囲にファラ
デー効果材を配設する周回積分型に適用しようとする
と、ファラデー効果材が大きいため、振動による光軸の
ずれを防止するためには、偏光子，レンズなどの送光装
置と検光子，レンズなどの受光装置をファラデー効果材
に固定する必要があった。

【０００５】従来から提案されている光の強度変調方式
においては１種類の光しか必要とせず、ファラデー効果
材に上記のような光学部品を接着しても、温度特性の低
下を引き起こすことはなく、光軸調整の不完全による誤
差もそれほど問題にはならなかった。

【０００６】ところが、大きなダイナミックレンジを得
るために提案されている種類の光をファラデー効果材に
入射させる位相変調方式では、３つの偏光子の角度，３
光の強度バランスなどの微調整が必要であり、偏光子，
検光子レンズなどを収納するケースは大きな構造とな
り、加工精度を得るためにはステンレススチールなどの
金属で製作する必要があり、このケースをファラデー効
果材に接着すると熱膨張率の相違により、温度変化時に
ファラデー効果材に応力が発生し、複屈折が発生し、誤
差の原因となった。

【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、振動や温度変化が大きい環境でも高精
度で電流を測定できる光変流器を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は被測定導体の近傍に略直方体のファラデー
効果材を配置し、このファラデー効果材の内部を通過し
た光が受けるファラデー効果を利用した光変流器におい
て、前記略直方体のファラデー効果材は光の入射面と出
射面を含む頂角を他の３つの頂角より相対的に低く、か
つ光の入射面と出射面を構成する面の一部が収納ケース
に密着するように配置するとともに前記ファラデー効果
材の光の入射面と出射面を除く面と収納ケース内面との
間隙に接着性のある弾性体を介在させ前記ファラデー効
果材を収納ケース内に固定したことを特徴とするもので
ある。

【０００９】

【作用】略直方体のファラデー効果材は、その自重でも
って、ファラデー効果材の入・出射面が収納ケースに密
着するため、初期応力バイアスを加える必要がない。ま
た、ファラデー効果材は、柔軟に接着・固定されている
ため温度変化時においても機械的応力が発生することは
少なく、温度変化による測定誤差が除去できる。さら
に、ファラデー効果材と収納ケース材の熱膨張率の違い
から、温度変化によりファラデー効果材表面と収納ケー
スの内面との間の間隙が拡がっても、間に配設した弾性
体が移動・脱落することや、ファラデー効果材が位置ず
れを起こすこともない。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１乃至図３を参照
して説明する。図１は導体の中心軸に対して垂直な方向
の断面図で略直方体のファラデー効果材１は、光の入射
面２と出射面３を含む頂角を下にして、光の入射面２と
出射面３が座４ａ、押え板４ｄに密着しており、さらに
押え板４ｂ，４ｃおよび側板４ｅ，４ｆ（図２参照）か
ら構成され、収納ケース４内に固定される。収納ケース
４は、座４ａ，押え板４ｂ，４ｃ，４ｄおよび側板４
ｅ，４ｆをボルトで結合することにより略直方体の形状
となる。

【００１１】光の入射面２の近傍には、偏光子５ａ，５
ｂ，５ｃ、レンズ６ａ，６ｂ，６ｃ、光ファイバフェル
ール７ａ，７ｂ，７ｃを収納する送光用光学ヘッド８が
収納ケース４に固定され、光の出射面３の近傍には検光
子９、プリズム１０、レンズ１１、光ファイバフェルー
ル１２を収納する受光用光学ヘッド１３が収納ケース４
に固定されている。

【００１２】光の入射面２および光の出射面３を含むフ
ァラデー効果材１の二つの平面は、座４ａ、押え板４ｄ
の面に接着剤１４ａ，１４ｄで接着層を薄くして接着
し、前記二つの平面に平行な他の二面と押え板４ｄ，４
ｃの間に間隙を形成し、接着剤１４ｂ，１４ｃを両面に
塗布したゴム板などの弾性体１５ａ，１５ｂでこの間隙
を埋めている。ファラデー効果材１の中心部分には被測
定電流が流れる導体１６が貫通している。

【００１３】図２は図１のII−II線に沿う断面図であ
り、この図に示すようにファラデー効果材１の二つの平
面のうち一つは収納ケース４の側板１９ａの面に接着剤
１４ｅで接着層を薄くして接着し、他の一面は側板１９
ｂとの間隙を形成し、接着剤１４ｆを両面に塗布したゴ
ム板などの弾性体１５ｃ，１５ｄで、この間隙を埋めて
いる。

【００１４】図３は本発明の光変流器の原理を示すもの
で、偏光子５ａ，５ｂ，５ｃは空間的に１２０℃づつず
れた状態で設置しており、これらの偏光子を通過して放
射される光は、図３（ａ）に示すように、空間的に１２
０℃づつずれた直線偏波Ｊ_A，Ｊ_B，Ｊ_Cとなる。光学
ファイバ１７ａ，１７ｂ，１７ｃにより送られる光信号
は、図３（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示す一定の周波数の
矩形波とし、それぞれ時間的に１２０℃づつ位相をずら
してある。このような光をファラデー効果材１を通過さ
せ、検光子９、レンズ１１を通して、受光ファイバ１８
内に取り込めば、この合成波の光強度は同図（ｅ）に示
すような波形となり、この光強度を電気信号に変え、そ
の基本波成分のみを取り出せば、同図（ｆ）のようにな
る。導体１６に電流が流れていれば、ファラデー効果に
より直線偏光波の偏波面が回転するため、基本波の位相
は、電流が流れていない場合の位相に比較して、ファラ
デー旋回角Ｆの２倍、すなわち２Ｆだけ位相がずれる。
このずれを同図（ｇ）に示すように測定することによ
り、導体１６に流れる電流を知ることができる。このよ
うな位相変調方式は、ファラデー旋回角の大きさの制限
がなく、大きなダイナミックレンジを得ることができ
る。

【００１５】次に、本実施例の作用について説明する。
上述したように、略直方体のファラデー効果材１は光の
入射面２と出射面３を含む頂角を下にして自重でもって
光の入射面２と出射面３が座４ａ、押え板４ｄと密着す
る構成であり、さらにファラデー効果材１は座４ａ、押
え板４ｄ、側板１９ａに、薄い接着層で接着されてお
り、これらの面が基準となりファラデー効果材１は、常
に収納ケース内の同一場所に位置する。このことは経年
変化により、弾性体１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの
弾性力に変化が生じても成立する。

【００１６】常温で図１，図２に示したように構成され
た部分の温度が、たとえば規格で定められている最低周
囲温度−２０℃まで低下した場合を考える。温度変化は
約４０ｄｅｇ．であり、たとえばアルミニウムなどの金
属で形成した一辺が約１５０ｍｍの収納ケースとファラ
デー効果材として鉛ガラスを使った場合、両者の線膨張
係数の相違によって、収納ケースとファラデー効果材と
の間隙は約１ｍｍ縮まることになる。この変位は軟かい
弾性体１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを圧縮してこの
温度下降による間隙縮小を吸収することができ、ファラ
デー効果材１に大きな機械的応力を与えることが防止で
きる。

【００１７】逆に温度が上昇した場合を考える。温度上
昇値としては、規格で定められている最高周囲温度４０
℃に、導体１６の通電による温度上昇値を加えて、約１
００℃まで上昇することがある。この場合温度変化は約
８０ｄｅｇ．であり，アルミニウムなどの金属で形成し
た一辺が約１５０ｍｍの収納ケースは、約０．２ｍｍ程
度、間隙が拡がることになる。間隙が拡がってもファラ
デー効果材１と収納ケース４とは、接着されているの
で、弾性体１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄがずれた
り、脱落することはなく、したがって、光路を遮断する
ことはない。

【００１８】また、略直方体のファラデー効果材１は光
の入射面２と出射面３を含む頂角を下にして、自重でも
って光の入射面２と出射面３が座４ａ、押え板４ｄに密
着しており、光の入・出射面の位置変化がなく、したが
って光学的な結合が変化することはない。このことは、
また常温において、あらかじめファラデー効果材１およ
び弾性体１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを圧縮して、
応力バイアスを付与しておく必要がないので、温度下降
時に、過大な圧縮応力を発生しない。

【００１９】また、ファラデー効果材１に作用する引張
り応力は、弾性体１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄが軟
らかいので、吸収される。たとえば導体１６に故障大電
流が流れたり、遮断器が動作したりして、振動が発生し
た場合を考える。本発明においては、このような状況下
においてもファラデー効果材１は、収納ケース内の同一
場所に固定され、特に、光の入射面２、光の出射面３が
それぞれ座４ａ、押え板４ｂに薄い接着層を介して常に
密着しているので、送光用光学ヘッド８、受光用光学ヘ
ッド１３との相対位置が変化することなく、光軸は変化
しない。したがって、このような振動時に測定誤差が出
現することはない。

【００２０】次に、導体１６に流れる電流値が変化し、
導体１６による発熱量が変化してファラデー効果材１の
周囲温度が変化した場合を考える。このとき、収納ケー
ス４の熱膨張，熱収縮に対してファラデー効果材１に機
械的応力を与えることは少なく、複屈折現象による測定
誤差をなくすことができる。送光用光学ヘッド８、受光
用光学ヘッド１３、光の入射面２、光の出射面３は互い
に近い位置に設置され、しかもこれらの間には、収納ケ
ース４を構成する金属が存在するのみであるので、熱膨
張，熱収縮による光軸のずれも防止することができる。

【００２１】温度降下時の収納ケース４とファラデー効
果材１との間の間隙の拡がりに対しても、圧縮圧力バイ
アスをあらかじめ寄与することなく、ファラデー効果材
１を定位置に保持するとともに弾性体１５ａ，１５ｂ，
１５ｃ，１５ｄも脱落・移動しない、すなわち、光路を
遮断する恐れはない。上述のように、ファラデー効果材
１の応力が低減されるので、光弾性効果による測定誤差
も低減される。

【００２２】本発明の光変流器の一用途である、変電所
などに設置されるガス絶縁開閉装置は、２０年以上の長
期にわたり、無保守での動作を保障されており、本発明
の光変流器もこの程度の長期信頼性が要求される。一般
に弾性体は経年変化により弾性力が低下し、形状が変化
する（いわゆるかれる）ことが知られている。このかれ
により収納ケース４内のファラデー効果材１の位置が長
い間に変化する恐れがあるが、本発明によれば、このよ
うなこともなく、長期信頼性の高い光変流器を提供する
ことができる。

【００２３】上に述べた一実施例では、弾性体１５ａ，
１５ｂ，１５ｃ，１５ｄとして、画面に接着剤を塗布し
たゴム板などの弾性体として説明したが、例えばシリコ
ーンゴムなど、硬化後もゴム弾性を有するゴム状レジン
を使っても本発明の効果は損われない。

【００２４】また、接着剤として、上記ゴム状レジンを
使うと、接着剤硬化、又は温度変化の際発生する接着剤
自身の伸縮による応力が吸収され、ファラデー効果材に
局部的な応力集中が生じるのを防止できるので、接着剤
はくり、ファラデー効果材の割れなどのない信頼性の高
い光変流器が提供できる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ファラデー効果材に機械的応力が加わるのを防止するこ
とができ、しかも光軸を常に一定に保つことができるた
め、振動や温度変化の大きい環境でも高精度で電流を測
定できる長期的信頼性の高い光変流器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の正面断面図。

【図２】図１のII−II線に沿う側断面図。

【図３】同図（ａ）〜（ｇ）は光変流器の原理を説明す
るための図。

【符号の説明】

１…ファラデー効果材、２…光の入射面、３…光の出射
面、４…収納ケース、４ａ…座、４ｂ，４ｃ，４ｄ…押
え板、５ａ，５ｂ，５ｃ…偏光子、６ａ，６ｂ，６ｃ…
レンズ、７ａ，７ｂ，７ｃ，１２…フェルール、８…送
光用光学ヘッド、９…検光子、１０…プリズム、１３…
受光用光学ヘッド、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ…
接着剤、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…弾性体、１６…導
体、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ…送光用光学ファイバ、１
８…受光ファイバ、１９ａ，１９ｂ…側板。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定導体の近傍に略直方体のファラデ
ー効果材を配置し、このファラデー効果材の内部を通過
した光が受けるファラデー効果を利用した光変流器にお
いて、前記略直方体のファラデー効果材は光の入射面と
出射面を含む頂角を他の３つの頂角より相対的に低く、
かつ光の入射面と出射面を構成する面の一部が収納ケー
スに密着するように配置するとともに前記ファラデー効
果材の光の入射面と出射面を除く面と収納ケース内面と
の間隙に接着性のある弾性体を介在させ前記ファラデー
効果材を収納ケース内に固定したことを特徴とする光変
流器。