JPS59659A - 磁気光学式電流測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は磁気光学式電流測定方法及び装置１に係わシ、
特に、高電圧導体に流れる配流を測足するに好適な光変
流器に関する。

商用の電力系統の計測或いは保護の為の゛電流測定に、
従来よシ巻線形変流器が使用されている。

しかしこの従来の巻線形変流器は、送電電圧が５００ｋ
Ｖ〜７００ｋＶというような超々高電圧になると、絶縁
及び構造の点で多くの困難があり、装置が著しく大型化
し、且つ高価となる欠点があっ友。

そこで、近年これに変わシ、従来と異った原理に基づく
電流測定法が実用化されている。その１つにファラディ
効果といわれる物理現象、即ち磁界内における偏光面の
回転現象を利用した光変流器による電流測定方法が提案
されている。

この光変流器は、７アラデイ回転を起こさせる磁界を与
えるための小形ＣＴをラインに入れ、その２次巻線を磁
界発生用車輪に接続して、ライン電流に応じた磁界を生
ぜしめ、該磁界内に介在させた偏光物体を通過する偏光
を回転させ、その回転角の変化を偏光子よシ光の明暗に
変え、更に光電菓子を用いた検出器によ）検°出するも
のである。

しかし、従来の光変流器は、電流計と似ており、電ｉｔ
ｉのばねが劣化すると誤差が増加するように、構成部品
として用いられている光ファイバ等の劣化、レーザ光線
の光路の経時変化等により誤差が増大する欠点がめった
。

本発明の目的は、上記の欠点を解消し、経時変化が少な
く高精度の電流測定を安定して行なうことができる磁気
光学式電流測定方法及び装置を提供するにある。

次に本発明の原理について説明する。磁気光学式電流−
り定装置である光変流器では、直接偏波光がガラス等の
ファラデイ効果を示す物体中を通過した時、通過物体の
長さと通過方向に同一の磁界成分の積に比例し走置だけ
偏波面が回転する。この偏波面の回転量の検出には、ウ
ォラストンプリズム、偏光ビームスプリッタ等の調光プ
リズムを検光子として訣用する。この時、直線偏波を作
る偏光子との相対的な角度を適切に選べば、検光子よシ
出光した２本の光は、ファラディ回転角θに対してｋ　
（１＋ｓｉｎ　２θ）とｋ（１−５ｉｎ　２θ）のエネ
ルギの光として分離される。但し、ｋは光の電送効率を
示す定数である。

通常の使用では２θくｌとなり、上記値はそれぞれｋ（
１＋２０）、ｋ（１−２０）とすることができる。この
２つの光エネルギに比例した光エネルギをＰｌ、Ｐｌ　
とすると、Ｐｔ＝８１ｋ（１十２０）、Ｐｓ＝ａｘｋ（
１２θ）となる。但し、ａｌ　＊　　ａ２はそれぞれ比
例定数を示している。このよりな光エネルギＰ１ｅＰｉ
を光ファイバ等によシ伝送し、これをフォトダイオード
で電気信号に変換することで、 Ｉｔ＝ａｌｂｔｋ　（１＋２θ’）　ｅ　Ｉｘ＝ａｓｂ
窟ｋ　（１２θ）で示される光電流出力を得る。但し％
　　１）１　ｍ　ｂＲはそれぞれ光定数を示している。

理想的には、光ファイバ及びフォトダイオードの特性が
全く同一であれば、’ｉｔ　＝Ｊｌｓ　＋　ｂｌ＝ｂ！
となυ、ファラデイ回転量はＩｓ　　Ｉｓ／Ｉｔ＋■３
に比例することになるが、通常、ａｌ〜”ｍｅｂ１〜ｂ
意となっているためこれを補正しなければならない。今
増幅器の出力電圧をＶｌ、Ｖｚとすると、 Ｖｓ”ａｔｂｔｃｉｋ（１＋２θＬ　Ｖｓ＝ａｉｂｓＯ
ｓｋ（１２θ）となシ、増幅器の各増幅率Ｃ，，ｃ、を
調整することにより、ａ１ｂ１Ｃ１＝　ａｓｂｓｃｓと
して、ファラデイ回転量をＶｓ　　Ｖｘ／　Ｖ１＋Ｖｓ
に比例させて検出する。このような方法は２本の光の出
力の比をとっているため、送光部分の光量変動の影響を
受けない利点がある。

しかし、光ファイバ、集光レンズ等の光学部品の温度特
性或いは経時変化等によＪ’　、”　ｔ　ｂ　１　＃ａ
！ｈが、Ｃｔ　、Ｃｓをａｔｂ１ｃｔ＝ａａｂｓｃｘと
なるように調節し走時の値から変化すると、ａｌｂｌｃ
ｉ〜ａ、ｂｍｃｚとなシフアラディ回転量の検出誤差が
増加する。

そこで１、本発明は、ａｌｂｌとａｓｂｘ　　の変化を
常時監視し検出する手段と、この手段によシ検出した値
を基にａｌｂｌｃｌとａ！ｂ２ｃ１との値が等しくなる
ように、常時、ＣＩと自を調節する手段とを設けること
によシ、高精度の電流の測定を長期間安定して継続でき
るようにするものである。

上記ａ１ｂ％とａｓｈｓの変化を常時監視し検出する手
段として、本発明は電流の交流分を利用する。

即ち、被測定電流＝Ｉｎｃ＋ＩムＣとするとファラデイ
回転盪θ−Ｖ−（Ｉｏｃ＋Ｉｎｃ　）となり、Ｖ１＝ａ
ｌ　ｂｔｃｔｋ　（１＋２Ｖ＠　Ｉｎｃ　＋　２Ｖ＠　
ＩＡＣ）　。

Ｖｚ＝　ａｚ１ｇｃ＊ｋ　（１−２ＶｓＩｎｃ−２Ｖｓ
　ＩＡＣ）を傅る。但し、■、はグエルデ定数を示して
いる。

これらの式は、 Ｖｔ＝　　ａｌｂｌｃｌ　ｋ　（１＋２Ｖ、Ｉｎｃ　　
）＋　ａｌｂｔｃｔ　ｋ　　２　Ｖｌ　ＩＡＣＶｚ＝ａ
ｇｂｓＣ＊ｋ　（１２ＶｌＩＤＣ）ａｚｂｓｃｚｋ２Ｖ
＊Ｉｈｃ に、それぞれ展開することができる。これらの展開式の
Ｖｌ、Ｖ２の右辺の第２項に注目すると、ＩＸｂ、Ｃ，
＝　ａｌｂｌｃｌ と調節した後は、 ｖｌの交流分＝ｖ８の交流分 となる。このため、光ファイバの劣化或いはフォトダイ
オードの劣化等により、”１ｂｌ＋　ａ＊ｂＮが変化し
た時は、電気信号であるｖｌの交流分及び■２の交流分
を慣出し、 ｖＩの交流分＝　Ｖ　ｔの交流分 となるようにＣ１，Ｃｍを調節することで、常時光ファ
イバ、フォトダイオード等の劣化、温度特性、経時変化
による誤差を補正することができる。

なお、商用の電力系統に使用する直流′電流においても
必ずリップル電流成分ＩＡＯがあるため本発明を適用す
ることができる。

以下本発明の一実施例を発明の詳細な説明で用いた記号
と同記号を用いて図面に従って説明する。

第１図は本発明の磁気光学式電流測定方法及び装置の一
実施例の構成を示す説明図である。ファラデイ効果を有
するガラス１に被測定電流が流れる一次導体２が貫通し
ている。符号３は発光部で、この発光部３からの光は光
ファイバ４を通して伝達され、集光レンズ５により集光
され、集光された光は偏光子６を通って前ｄピガラス１
内に入射される。ガラス１から出射した光は検光子７に
入９、ここで２本の光に分かれ、それぞれ来光レンズ８
゜９に入る。集光レンズ８，９で集光された光はそれぞ
れ光ファイバ１０．１１に入力、この元ファイバ１０，
１１を通ってフォトダイオード１２゜１３に入射される
。フォトダイオード１２．１３の出力はそれぞれ′醒流
電圧変侯増幅器１４．１５に入力されている。電流電圧
変換増幅器１４の出力はバンドパスフィルタ１６、引算
器１７及び加算器１８に入力されている。電流電圧変換
増幅器１５の出力はバンドパスフィルタ１９に入力され
ると共に掛算器２０に入力されている。バンドパスフィ
ルタ１６の出力は検波器２１、積分器２２を通って割算
器２３に入力される。バンドパスフィルタ１９の出力は
検波器２４、積分器２５を通して前記割算器２３の他端
子に入力される。＝この割算器２３の出力は掛算器２０
の他端子に入力され、この掛算器２０の出力は引算器１
７と加算器１８とに入力され、この加算器１８の出力は
割算器２６に入力される。この割算器２６には引算器１
７の出力も入力されている。

次に本実施例の動作について説明する。発光部３は、発
光ダイオード、レーザダイオードあるいはレーザ等の周
知の手段で構成され、この発光部３を発光させ、一部の
光を光ファイバ４に導いた後、集光レンズ５で光の発散
を防ぐ。集光され走光は偏光プリズム等の周知のもので
できた偏光子６で直線偏光された後、この光は鉛ガラス
等でできたファラデイ効果を有するガラス１に入射され
る。−次導体２はガラス１を貫通しておυ、ガラス１内
の光路がこの一次導体２の周囲を１周しているため、−
次導体２の電流に比例して７アラデイ回転θが生じる。

ファラデイ回転の角度θを検出するために、検光子７に
よ、リガラス１からの出射光を２本の光に分離し、これ
ら２本の光は集光レンズ８，９で集光され、光ファイバ
１０．１１に効率良く入射させる。光ファイバ１０．１
１を伝わってきた光はフォトダイオード１２．１３で光
電流に変えられ、ここで電気信号に変換される。

フォトダイオード１２．１３の出力である電流は電流電
圧変換増幅器１４．１５にて電圧信号に変換される。表
お、この電流電圧変換増幅器１４゜１５の増幅率（Ｃｓ
　、　Ｃｘ　）を調整することで、発明の原理の所で説
明したａｔｂｌｃｘ＝ａ２ｂ！ｃ１とすることができる
。次にバンドパスフィルタ１４．１５により電流電圧変
換増幅器１４．１５の出力電圧信号Ｖｌ　、Ｖ＊のうち
の交流分を取出し、この交流分を検波器２１．２４で直
流に変換後、（ゲート）積分器２２．２５で積分する。

この積分により前記直流に含まれるノイズの影響等を低
減することができる。

集光レンズ８，９、光ファイバ１０，１１、フォトダイ
オード１２．１３等の温度特性及び経時変化によシ積分
器２２の出力が積分器２５の出力より小さくなると、そ
の比率、を割算器２３で算出し、算出された比率を掛算
器２０で電流電圧変換増幅器１４の出力信号にかけるこ
とによ、ｂｔｔａ差が補正される。なお、加算器１８、
引算器１７、割算器２６はファラデイ回転角度θがＶｔ
−Ｖｓ／Ｖｔ＋　Ｖ　ｚに比例することによシ、ファラ
デイ回転量を検出するための周知の演算回路である。と
ころで、積分器２２と積分器２５との比が申初略１であ
ったものが、片方の光ファイバの結露あるいは断線等の
異常によシ、１よシ大きくずれる恐れもある。そこで、
第１図の実施例の回路によりこの値も監視して、正常動
作範囲から外れた場合の故障診断も同時に行なうことが
、できる。

本実施例によれば、ファラデイ効果を有するガラス１か
ら出射した光をフォトダイオード１２゜１３で光電変換
した後、それぞれ増幅率Ｃ１，（、ａをＭする電流、電
圧変換増幅器１４．１５を通して演算回路に出力し、演
算回路では前記出力の交流分を取出し、両信号の交流分
の比率の変化から割算器２３、掛算器２２よシ、構成部
品の温度特性及び経時変化による測定誤差を常に補正し
て、長期に亙って安定且つ精度の高い電流測定を行ない
得る効果がある。また、２つの光路のそれぞれの交流分
の比を監視することにより、正常動作範囲から外れた等
の故障診断を行なうこともできる。

更に、本実施例ではアナログ演算回路を使用しているた
め、上記誤差の較正速度が速いという効果もある。

第２図は本発明の他の実施例を示す説明図である。発光
部３から放射された光は前実施例と同様の経路を通って
ガラス１に入シ、このガラス１からの出射光はやはり前
実施例と同様の経路を通ってフォトダイオード１２．１
３に入射される。このフォトダイオード１２．１３の電
流出力信号゛は電流電圧変換増幅器１４．１５に入力さ
れ、この電流電圧変換増幅器１４．１５の出力はそれぞ
れＡＤ（アナログデジタル）変換器２７．２８に入力さ
れる。このＡＤ変換器２７．２８の出方はマイクロプロ
セッサ等で構成されるデジタル信号処理器２９に入力さ
れる。

電流電圧変換増幅器１４．１５のアナログ信号である電
圧信号をＡＤ変換器２７．２８でデジタル信号Ｖｌ　、
Ｖｔに変換した後、デジタル信号処理器２９にて、ｖｌ
中の交流成分ＶｒムＣとｖｌ中の交流成分ｖ２ムＣを取
出し、 の演算をデジタル処理して求め、更に の演算をデジタル処理し光変流器のデジタル出力とする
。

本実施例によれば、デジタル信号処理器２９にマイクロ
プロセッサ等を利用することで、前実施例に比べ演算部
の構成を簡単とすると共に、デジタル演算によシ演算処
理における誤差を小さくして変流器の精度を一ノー高い
ものとする効果がある。

なお前実施例と同様に構成部品の温度特性及び経年変化
による精度上の誤差の増大はなく長期に亙って安定した
測定をし得る効果があるのは言うまでもなめ。

以上記述した如く本発明の磁気光学式電流測定方法及び
装置によれば、経時変化が少なく高精度の電流測定を安
定して行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の磁気光学式電流６１１ｊ定方法及、び
装置の一実施例の構成を示した説明図、第２図は本発明
の更の実施例の構成を示した説明図である。 ｌ・・・ガラス、２・・・−次導体、３・・・発光部、
１０゜１１・・・元７フイパ、１２．１３・・・フォト
ダイオード、１４．１５・・・電流′電圧変換増幅器、
１６゜１９・・・バンドパスフィルタ、２０・・・掛算
器、２２゜第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被測定電流が流れる導体に鎖交して配置されるファ
   ラデイ効果を有するガラスに光線を入射し、前記ガラス
   から出射する光線の明暗を光電素子によシミ気信号に変
   換して前記導体に流れる電流量を測定する磁気光学式電
   流測定方法において、前記ガラスから出射した光線を少
   なくとも２本の光線に分離し、各々の光線を光電変換し
   て電気信号とし、各電気信号に含まれる交流成分を抽出
   して比較し、この比較値から前記各電気信号を補正する
   ことを特徴とする磁気光学式電流測定方法。 ２、被測定電流が流れる導体と鎖交して配置されるファ
   ラデイ効果を有するガラスと、このガラスに光線を入射
   する発光部と、前記ガラスから出射した光線を少なくと
   も２本の光線に分離する検光子と、分離された光線を電
   気信号に変換する光電素子と、前記各電気信号を任意の
   増幅率で増幅する増幅器と、前記各光線路に対応する増
   幅器の各出力から交流成分を抽出する装置と、各交流成
   分を比較する装置と、前記交流成分の比較に基づき前記
   増幅器の出力信号を補正する装置とから成ることを特徴
   とする磁気光学式電流測定装置。