JPH11508361A - 高電圧測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ２つの離隔された点間の電圧を測定するための高電圧測定装置は、該点間に延在し且つ前記電圧に関連せしめられた電界を受ける極付けされた光ファイバ（７）を有している。制御ユニット（１５）は、光をファイバに伝送する光放出手段と、ファイバを通して伝送される光を受け、前記電界により生じせしめされるファイバの屈折率の変化に対応する信号（Ｓ_out）を発生するための検出手段とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】 高電圧測定装置 技術分野 本発明は、２つの離隔された点間の電圧を測定するための高電圧測定装置に関 する。 背景技術 送電プラント及び電力配分プラントに用いるための高電圧測定装置は、通常、 電磁電圧変圧器あるいはコンデンサー電圧変圧器（容量性電圧分周器）からなっ ている。両タイプは、主として高い絶縁要求のために、全く高価であり、重く且 つ嵩がある。 光学的電圧変圧器も知られている。これらの変圧器は、全て、ポイントセンサ ーに基づいており、且つ、複雑な高電圧絶縁を必要としている。測定は、進歩し た高電圧絶縁を必要とする全電圧であるか、あるいは、低減された電圧レベルで 、複雑な電極構成又は容量性電圧分周器を必要としてるかのいずれかである。こ れら全ての場合、必要とされる高電圧絶縁により、結果として、嵩のある且つ重 い電圧変圧器となってしまう。 発明の要約 本発明の目的は、簡単なデザインで且つ廉価であり、嵩が小さく、また、低重 量で、そして、装着が簡単であるとともに高い測定精度を提供する上述した種類 の電圧測定装置を得ることである。 本発明による測定装置は、電界の線積分として電圧を測定する。この測定装置 は、２点間に延在している極付けされた(poled)光ファイバを用いており、電力 線とアースとの間のようなそれら２点間の電圧が測定される予定になっている。 光はファイバを通して伝送される。ファイバのいずれかの部分での電界により、 光の移相が生じせしめられ、移相はフィールドに比例する。全電圧は、ファイバ の全長に沿って蓄積された移相を測定することにより、電界の線積分として測定 される。 本発明による電圧測定装置を特徴付けるものは、添付請求の範囲から明きらか であろう。 図面の簡単な説明 本発明を、添付図面１〜５を参照して極めて詳細に、以下、説明する。図１は 、本発明による測定装置を通る断面を示しており、横方向に極付けされたファイ バを用いている。図２ａ及び図２ｂは、図１の装置の機能を説明する場合に用い られる座標システムを示している。図３ａは、図１の装置の光ファイバの構成と 光源及び光学検出器に対するそれらの接続部とを極めて詳細に示し、図３ｂは、 ファイバのあるものからの出力を示しており、図３ｃは、信号処理機器を極めて 詳細に示している。図４は、極付けされた螺旋コアファイバが用いられている実 施例を示している。図５ａ及び図５ｂは、一連のブラッグ格子が極付けされたフ ァイバに書き込まれている実施例を示している。 好適実施例の説明 図１は本発明による装置を示している。この装置はアースと高電圧電力線即ち バスバー１との間の電圧を測定するようにされている。この装置は金属端部板２ 及び３を有しており、該金属端部板２及び３は、装置を装架するための、また、 該装置を線即ちバスバーに、また、アースに電気的に接続するためのラグ４及び ５を備えている。装置は、ガラスファイバで強化されたエポキシのごときファイ バで強化されたポリマー材料の中央ロッド即ちチューブ６を有している。極付け されたファイバ７はロッドのまわりに巻き付けられているとともに一定のピッチ 角を備えたつる巻線を形成している。第２の、ポールの付されていないファイバ ８もロッドのまわりに螺旋状に巻き付けられており、また、ファイバ７により形 成される螺旋とインターリーブされていて螺旋を形成している。ファイバ７及び ８は、２つのファイバに対して同様の応力及び温度条件を達成するために、平行 に巻き付けられている。 装置の下端には、２つのファイバ７及び８がいわゆる２ｘ２ファイバ−光学カ ップラ１０の第１及び第２のリード線に接続されている。ファイバ９はカップラ の第３のリード線に接続されているとともに制御ユニット１５から２つのファイ バに直線的に偏光された光を供給する。装置の上端には、２つのファイバが３ｘ ３光学カップラ１１のリード線の２つに接続されている。２つのファイバからの 光は干渉するとともに３ｘ３カップラの３つの出力アームに結合されていて、フ ァイバ１２ａ、１２ｂ、１２ｃを通して制御ユニット１５へ３つの移相された出 力信号を供給する。 本発明による装置は、高電圧使用に、即ち、約１ｋＶからそれ以上の電圧で用 いられるよう意図されている。装置は、主として、電力伝送に、また、動力配分 システムに用いられるよう意図されており、また、かようなシステムで用いられ る一番高い電圧まで用いられるよう意図されている。ファイバの必要な機械的保 護を得るために、十分な漏洩経路長さを得るために、及び、外気に用いる場合の 析出及び汚染に対する必要な保護を得るために、ポリマー材料でなる外層１３が ファイバの外側に適用されているとともにシェド（shed）１４を備えている。 極付けされたファイバ７は、それの横方向に極付けされたシリカファイバであ る。ファイバの極付けは、T.Fujiwaraその他による論文「シリカファイバにおけ るＵＶで励起された極付けにより誘導された電気−光学効果」電子公式書状３１ 、５７３頁〜５７５頁、１９９５年に記載されている態様で強い電界の存在での ＵＶで励起された極付けにより生じせしめられてもよい。 ファイバの極付け方向に成分Ｅ_pを有している電界に晒された極付けされたフ ァイバは、該ファイバを通して伝送される光の屈折インデックスにおける変化Δ ｎを経験する。ΔｎとＥ_pとの間の関係は、 （１） Δｎ ＝ ｒＥ_p により与えられる。ここで、ｒは極付けされたファイバの電気光学係数である。 約５ｐｍ／Ｖのｒの値を得ることができたことが示された。 図１の装置において、極付けされたファイバは、既知の一定のピッチ角ξで、 螺旋をなして装架されている。図２ａは図７の長さｄｓの素子を示している。図 面に用いられている直交座標システムでは、 ｚ−軸線はロッド６の長手方向軸線に一致しており、 Ｒはｚ−軸線からファイバ素子ｄｓまでのｘ−ｙ平面での半径であり、 Θは半径Ｒとｘ−軸線との間の角度であり、 ｚ’−ｚ’はファイバ素子を通り、且つ、ｚ−軸線に平行な線であり、 ξは螺旋のピッチ角、即ち、ファイバ素子と線ｚ’−ｚ’との間の角度である 。 螺旋の上端及び下端での電位がそれぞれＶ_h及びＶ_oであると仮定すれば、装置 により測定されるべき電圧は （２） ΔＶ ＝ Ｖ_h − Ｖ_o である。電圧の測定は、極付けされたファイバを通して光を送ることにより達成 される。ファイバのフィールドに依存した屈折インデックスのために、光はファ イバの長さ方向の各素子により移相されており、また、その移相は素子の極付け 方向における電界成分に比例している。以下に示される通り、ファイバの長さ全 体に沿っての蓄積された移相Δφは電圧ΔＶに比例する。 光源は、通常、十分に干渉性の光の源を有しており、かくて、通常、超発光ダ イオードのごとき近レーザ装置あるいはレーザを有している。 電界Ｅは変化する方向とファイバの異なる部分での大きさとを有している。フ ァイバの屈折インデックスの変化は、ｚの関数であると見なすことができる。 （３） Δｎ（ｚ） ＝ ｒ Ｅ_p（ｚ） 電気光学係数ｒは、極付けがファイバの長さに沿って一定であるから、ｚとは 無関係である。長さｄｓの素子における屈折インデックスの変化は移相ｄφを生 じさせ、該移相ｄφもｚの関数であり、 （４） ｄφ ＝ ｄφ（ｚ） これは次のように書くことができ、 （５） ｄφ ＝ （２πΔｎ／λ）ｄｓ ここで、λは、測定に用いられている光の波長である。 図２ｂは、ロッド６の軸線に向かって内側に半径Ｒに沿って見た長さｄｓのフ ァイバ素子を示している。線t−ｔは、ｘ−ｙ平面における湾曲の素子即ちロッ ドの円弧であり、ｐはファイバの極付け方向である。図２ｂから、次のことが判 る。 （６） ｄｓ ＝ （１／ｃｏｓξ）ｄｚ また、 （７） ｄｓ ＝ （１／ｓｉｎξ）ＲｄΘ 電界成分Ｅ_x、Ｅ_y及びＥ_zの極付け方向における合力Ｅ_pは次の式により与 えられる。 （８） Ｅ_p ＝ Ｅ_zｓｉｎξ ＋ ｃｏｓξ （Ｅ_xｃｏｓΘ ＋ Ｅ_yｓｉｎΘ） （３）及び（５）を組み合わせることにより、ｄφはＥ_p（ｚ）の関数として 次式で表すことができる。 （９） ｄφ（ｚ） ＝ （２π／λ）ｒＥ_pｄｓ （８）と組み合わされる際、上式は次の通りとなる。 （１０） ｄφ（ｚ） ＝ （２π／λ）ｒ［Ｅ_zｓｉｎξ ＋ ｃｏｓξ（Ｅ_x ｃｏｓΘ ＋ Ｅ_yｓｉｎΘ）］ｄｓ ファイバを通して伝送された光の場合の全蓄積移相は （１１） Δφ ＝ ∫ｄφ Ｅ_x及びＥ_yが螺旋の一回転の間一定であると見なすことができる場合、上記Δφ は次の式に等しい。 （１２） Δφ ＝ （２π／λ）ｒ∫Ｅ_z ｔａｎξ ｄｚ Ｅ_x及びＥ_yが一定でない場合、結果（１２）はほぼ正しいに過ぎない。近似の 正確さは、螺旋のピッチ角が増大するにつれ増大し、この理由で、大きなピッチ 角で多くのターンにわたり巻き付けられた長いファイバを用いることが好ましい 。近似の正確さも減少された半径Ｒとともに増大する。 （各ターンの間Ｅ_x及びＥ_yは一定である）という上記の仮定の下で、螺旋の軸 線に沿う電圧ドロップ（降下）ΔＶは、下記に示す通り、Ｖ_hからＶ_oのＥ_zの線 積分である。 （１３） ΔＶ ＝ ∫Ｅ_zｄｚ （１２）及び（１３）を組み合わせることにより、ファイバに沿った全蓄積移 相は次のごとく得られる。 （１４） Δφ ＝ （２π／λ）ｒ ｔａｎξΔＶ かくて、蓄積された移相は、螺旋の端部間の電圧ΔＶに比例し、即ち、測定さ れるべき電圧に比例する。 図３ａは、どのようにして図１の測定装置のファイバが制御ユニット１５に接 続されるかを概略的に示している。このユニットはレーザダイオードの形をした 光源１６を有しており、この光源１６はモノクロの、そして、直線的に偏光され た光をファイバ９に放射し、このファイバ９は光をファイバ−光学的２ｘ２−カ ップラ１０ａに伝送し、かくて、極付けされたファイバ７及び極付けされていな いファイバ８の下端に光を伝送する。アイソレータ１０ｂは、光源に反射して戻 るのを阻止するために備えることができる。光源の偏光の程度が十分高くない場 合、偏光子１０ｃを適宜含ませてもよい。上端では、ファイバ７からの光は、フ ァイバの上端と下端との間の電圧に対応する量だけ、移相されている。極付けさ れていないファイバ８の上端に到達する光は、何等電圧に依存する移相を受けな い。２つのファイバからの干渉する光は、３ｘ３カップラ１１により３つの極付 けされていないファイバ１２ａ、１２ｂ、１２ｃに結合され、これら３つの極付 けされていないファイバ１２ａ、１２ｂ、１２ｃは光を信号処理ユニット１７に 案内している。このユニットは全電圧で誘導された移相Δφを出力信号Ｓ_outに 変換し、この出力信号Ｓ_outは測定された電圧ΔＶに対応している。 ３ｘ３カップラ１１を用いることにより、信号フェージングが防止され、また 、動的範囲が増大する。３ｘ３カップラの３つのアームからの出力パワーは、理 想的には、図３ｂに示す通り、それらの間の１２０°の移相で３つのシヌソイド であり、Ｓ_a、Ｓ_b及びＳ_cはカップラの３つの出力アームからの信号出力である 。これの結果、現在用いられているシヌソイドの直線部分のトラックを保持しつ つ、そのシヌソイドの直線部分にのみ仕事をすることにより、全ての出力レベル に対して感知性を最大に維持することが可能である。 図３ｃは信号処理機器の例を示している。図示された機器は、１９９５年５月 ３１日に出願されたオーストラリア仮特許出願第ＰＮ３２９２号の主題である。 ３ｘ３カップラ１１に接続されたファイバ１２ａ、１２ｂ、１２ｃからの３つの 出力は追従する増幅器２９ａ、２９ｂ、２９ｃを備えた光電検出器２８ａ、２８ ｂ、２８ｃに給送される。増幅器出力信号はアナログ／デジタルコンバータ３０ ａ、３０ｂ、３０ｃでデジタル形式に変換される。コンバータからのデジタル出 力信号は振幅コンパレータ３１に、また、スイッチ３６に供給される。振幅コン パレータは、３つの信号のうち、いつでも最大感知性を示しているのはどれなの かを決定し、コンパレータは、この最大感知性信号が逆サイン参照用テーブル３ ４に経路決めされるようにスイッチ３６を制御している。このテーブルからの出 力は現在のフリンジ内の位置に対応する細かな電圧値である。スイッチが別の出 力信号にするべきであることを振幅コンパレータ３１が決定した場合、相参照用 テーブル３２が取り組まれ、テーブルに見られるごとき適切な相一定がアキュム レータ３３に供給される。振幅コンパレータにより示されたごとく、該振幅コン パレータが出力信号間で切り替わると、アキュムレータは、相参照用テーブルか ら得られるごとく、適宜の値をそれの内容物に加え、あるいは、その内容物から 減じる。かくて、アキュムレータは荒い電圧値を提供し、また、この値は加算器 ３５における逆サイン参照用テーブル３４から得られる細かな電圧値に加えられ る。加算器からの出力は、測定されるべき電圧に対応する信号Ｓ_outである。 図４は本発明の代替実施例を示している。この代替実施例は横方向に極付けさ れたファイバの変わりに螺旋状コア形に極付けされたファイバ７’を使用してい る。螺旋状コアファイバはコアを有しており、このコアはバーチ(Birch)ＲＤ、 電子公式書状２３、５０頁〜５２頁、１９８７年に記載された態様の螺旋曲線に 従っている。コアがファイバ軸線に平行な重要な構成要素を有する極付けフィー ルドで極付けされている場合、コアの螺旋形態は、結果として、螺旋状に巻かれ た横方向に極付けされ且つ上述したファイバと同様の効果となる。結果は、ｚ方 向の電界成分がコアの極付け方向の成分を有することになる。これにより、所望 の屈折フィールド従属インデックスが与えられ、また、ファイバに沿って蓄積さ れた移相は上述したのと同じ態様で測定されるべき電圧に対応する。ファイバ７ ’、８、１２ａ、１２ｂ、１２ｃは直線に従うことができる。図４に示された装 置は（図１の層１３のごとく）シェドを備えた保護外層を適宜備えている。 本発明の代替実施例は、極付けの方向がファイバの長手方向における成分を有 するよう極付けされたファイバを用いている。ファイバにおける光が重要な長手 方向フィールド成分を有していると仮定すれば、ファイバは、該ファイバの長手 方向に平行な電界を感知することができ、かような極付けされたファイバは図４ に示されたのと同じ態様で直線内に配置することができる。 本発明の別の代替実施例は、ファイバ軸線に沿う距離ｚの点での極付け方向が ファイバ軸線に対して９０°よりも小さい固定角であるが、ｚが増大するにつれ てその軸線のまわりで回転するその極付け方向を用いることである。外部電界の 横方向成分に対するファイバの応答性は（回転のために）平均してゼロに近く、 ファイバ軸線に平行な外部電界成分に対する応答性のみを実質上残す。このよう に極付けされたファイバは図４に示されたのと同じ態様で直線内に配備すること ができる。 図５は本発明の更に別の実施例を示している。図５ａは、コア２１を備えた光 ファイバ２０の素子を示している。ファイバは横方向に極付けされている。図面 に示されているごとく、複数個の交互に密に離隔された区域２３が極付けされて おり、一方、中間区域２２が極付けされていない状態に保たれている。適宜のマ スクを通し、ＵＶ光によりファイバを照射することで極付けはなされていてもよ く、一方、ファイバには強い横方向電界を受けさせる。区域２３は、外部電界に 依存する屈折インデックスｎ₂を有しているとともに、その屈折インデックスｎ₂ は、一般に、極付けされていない区域２２の−ｎ_i−とは異なっている。区域２ ２及び２３はブラッグの格子を形成している。複数個のかような格子はファイバ の長手方向に沿って配分されている。中心波長（ファイバを通して各格子に到達 する光の最大反射の波長）は外部電界に応答してずれ、次いで、反射される光の 波長のずれは局部的外部電界の変化の尺度である。 図５ｂは、どのようにしてファイバ２０が電位Ｖ_h及びＶ_oの２点間で螺旋状に 配備されていてそれら２点間の電圧ΔＶを測定しているかを概略的に示している 。光源２５は、光ファイバ２ｘ２カップラ２４を介してファイバに光を発する。 一連のブラッグ格子から反射された光はファイバ２６を介してユニット２７に結 合され、このユニット２７は、適宜の信号処理により、波長のずれを、ΔＶに対 応する出力信号Ｓ_outに復号する。 格子は、それらのゼロフィールド中央波長が異なり、且つ、それらの反射バン ドが重ならないように寸法決めされていてもよい。次いで、光源２５は、格子を （従って対応する局部的電界を）識別するための１つの広帯域源であってもよい 。 本発明による装置においては、ファイバに対する機械的応力及びび温度効果に より生じせしめられる偏光変化を低減させるために、バウ・タイ・ファイバ (bow tie fibre)のごとき高復屈折のファイバを用いることが好ましい。 付加的な情報は、案内される光の偏光の双方を用いることにより、また、いく つかの異なる波長を用いることにより得ることができる。かような付加的な情報 は、電界の欲せられない成分の寄与を低減し、あるいは、その寄与を除去するた めに（適宜の信号処理により）用いることができる。 本発明による装置は、ａｃ及びｄｃ電圧の両方を測定するのに用いることがで きる。 上述した実施例において、ファイバ、それらの支持体、並びに、シェドを備え た周囲の保護層等は自立実在物を構成している。あるいは、ファイバ及びそれら の支持体は支持絶縁体あるいは懸垂用がいしの内部に配備されていてもよく、こ の支持絶縁体あるいは懸垂用がいしは、ある種の電気装置を支持するために用い られている。本発明による電圧測定装置も他の装置のための支持絶縁体として用 いることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２つの離隔された点間の電圧を測定するための高電圧測定装置において、 該高電圧測定装置は、前記点間に延在せしめられ且つ前記電圧に関連せしめられ た電界を受けている極付けされた光ファイバ（７）と、光を前記ファイバに伝送 するための光放出手段（１６）と、前記ファイバを通して伝送された光を受け、 また、前記電界により生じせしめられる前記ファイバの屈折率の変化に対応する 信号（Ｓ_out）を発生するための検出手段（１７）とを有していることを特徴と する高電圧測定装置。 ２．請求の範囲第１項に記載の電圧測定装置において、前記検出手段（１７） は前記ファイバを通して伝送される光の移相に対応する信号を発するための移相 検出手段を有していることを特徴とする電圧測定装置。 ３．請求の範囲第２項に記載の電圧測定装置において、前記移相検出手段は干 渉計測定手段であることを特徴とする電圧測定装置。 ４．請求の範囲第２項に記載の電圧測定装置において、前記移相検出手段は偏 光計測定手段であることを特徴とする電圧測定装置。 ５．請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１項に記載の電圧測定装置に おいて、前記ファイバ（７）は横方向に極付けされたファイバであることを特徴 とする電圧測定装置。 ６．請求の範囲第５項に記載の電圧測定装置において、前記ファイバ（７）は 螺旋をなして配備されていることを特徴とする電圧測定装置。 ７．請求の範囲第６項に記載の電圧測定装置において、前記螺旋は一定のピッ チ角を有していることを特徴とする電圧測定装置。 ８．請求の範囲第１項から第７項までのいずれか１項に記載の電圧測定装置に おいて、前記ファイバは、該ファイバの長手方向に指向された電界成分に感知性 の極付けされたファイバであることを特徴とする電圧測定装置。 ９．請求の範囲第１項から第８項までのいずれか１項に記載の電圧測定装置に おいて、前記ファイバは、コアに記載されたブラッグ格子を有しており、前記検 出手段は、該ファイバを通る光の誘導された波長シフトを関数として電圧測定信 号を発するための手段を有していることを特徴とする電圧測定装置。 10．請求の範囲第１項から第８項までのいずれか１項に記載の電圧測定装置に おいて、前記ファイバは螺旋コアファイバであることを特徴とする電圧測定装置 。 11．請求の範囲第８項あるいは第１０項に記載の電圧測定装置において、前記 ファイバは実質的に真っ直ぐな線を形成していることを特徴とする電圧測定装置 。 12．請求の範囲第１項から第１２項までのいずれか１項に記載の電圧測定装置 において、前記光放出手段は偏光された光を前記ファイバに伝送するようにされ ていることを特徴とする電圧測定装置。 13．請求の範囲第１項から第１２項までのいずれか１項に記載の電圧測定装置 において、該電圧測定装置は、前記ファイバを支持する電気絶縁材料でなる細長 い本体（６）を有していることを特徴とする電圧測定装置。 14．請求の範囲第１３項に記載の電圧測定装置において、前記細長い本体（６ ）の材料はファイバで補強されたポリマー材料であることを特徴とする電圧測定 装置。 15．請求の範囲第１３項又は第１４項に記載の電圧測定装置において、該電圧 測定装置は、層と、前記ファイバ及び前記円筒状本体を包囲するポリマー材料で なる外方シェド（１３、１４）を有していることを特徴とする電圧測定装置。 16．請求の範囲第１３項に記載の電圧測定装置において、該電圧測定装置は、 電導端部板（２、３）を有していることを特徴とする電圧測定装置。