JPS6235627B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は磁気光学効果を用いた電流測定装置に
関するものであり、光フアイバの損失変動を補償
した測定精度の高い光学的電流測定装置を提供す
ることを目的としている。

磁気光学効果を用いた電流測定法は非接触測定
が可能である他に長流大電流やインパルス等の測
定を行なうことができ、変電所等においてきわめ
て重要な測定装置となつている。

第１図はこのような用途に従来開発された光学
的電流測定装置であり、電力線１に近傍して鉛ガ
ラスやYIG等のフアラデー材料６を配置し、光フ
アイバ２，２′、レンズ３，３′、偏光子４、検光
子５を通し低圧側の光源７の光を受光器８に導く
構成である。しかしながらこのような構成では光
源７の出力変動や熱圧力、引張り、曲がり等の外
因による光フアイバ２，２′の損失変動にともな
い測定精度が著しく低下するため何らかの解決策
が待たれている。光源の出力変動に対しては光出
力をモニタすることにより電気回路による補償が
可能であるのに対し、光フアイバの損失変動に対
する補償は一般に困難である。一方法として波長
の異なる２つの光を各々参照光と信号光として同
一フアイバ中を伝送させる補償法が提案されてい
るが、この方法では２種の光源と合波器、分波器
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等が必要となり装置の複雑化は避けられない。

したがつて本発明はフアラデー効果の非相反特
性に着目し光フアイバ伝送路の損失変動を同時に
補償し得る新しい光学的電流測定装置を提供する
ものである。

以下図面に基づき本発明を詳細に説明する。

第２図ａ，ｂは本発明の原理を説明するための
ものであり、同図ａはフアラデー材料６の前後に
偏光子４と検光子５を配置したもので、磁界Ｈ９
の方向に進む順光線１０と逆方向に進む光線１１
の偏波面の回転を第２図ｂに示してある。偏光子
４の透過軸に対し検光子５の透過軸をα゜傾けて
配置し、磁界９によるフアラデー回転角をθ゜と
すると、順方向光線１０、逆方向光線１１の透過
率を各々T₁、T₂とするとMalusの法則より T₁＝cos²（θ−α） T₂＝cos²（θ＋α） となる。第３図はα＝45゜とした時の回転角θに
よる透過率T₁、T₂の変化を示したものであり、
回転角θにより順方向、逆方向透過率は０〜１ま
で周期的に変化する。したがつて光と平行な方向
の磁界による順方向、逆方向の透過率の比あるい
は差を検出することにより電流測定が可能となる
ことが分る。

第４図は上記の原理に基づいた本発明の実施例
であり、電力線１に近接しフアラデー材料６を偏
光子４、検光子５、自己集束形レンズ１２，１
２′等と組み合わせ配置し、光フアイバ２，２′を
用いて同一光路中を順方向と逆方向に同時に光を
伝送させるものである。すなわち、光源７からの
光をハーフミラー１３により１：１に分岐し、こ
れをさらに逆方向光を分離するためのハーフミラ
ー１４，１５を通して各々光フアイバ２，２′に
導いている。光フアイバ２，２′に励振された順
方向光、逆方向光はフアラデー回転部において外
部磁界により変化を受けた後、再び同一光路の光
フアイバ２′，２を通りハーフミラー１５，１４
で各々分離し、受光器８，８′で検知している。
なお、第４図においてハーフミラーの代わりに光
フアイバ用方向性、結合器の使用も可能である。
本構成をとることにより、光フアイバ伝送路２，
２′における損失変動および光源７の出力変動を
補償できることを次に説明する。

光源７の出力をI₀＋ｉ（ｔ）（ｉ（ｔ）は変動
分）、光フアイバの損失をL₀＋ｌ（ｔ）（ｌ
（ｔ）は変動分）とすると、受光器８，８′に入る
光パワーI₁、I₂は I₁＝Ｉ_０＋ｉ（ｔ）／４×T₁×〔L₀＋ｌ（ｔ）〕 I₂＝Ｉ_０＋ｉ（ｔ）／４×T₂×〔L₀＋ｌ（ｔ）〕 であり両式の比をとるととI₁／I₂＝T₁／T₂とな
る。すなわち、光源７の出力変動や光フアイバ
２，２′の損失変動が生じても２つの出射光I₁とI₂
の比 Ｉ_１／Ｉ_２＝ｃｏｓ^２（θ−α）／ｃｏｓ
^２（θ＋α） をとることにより変動分はキヤンセルされ、フア
ラデー回転部のみにおける情報を検出することが
できる。ただし、第２図からも明らかなように出
力比I₁／I₂はα＝０゜、90゜の時θによらず一定
であり、α＝45゜の時最大に変化する。

第５図はフアラデー回転角θによる出力比I₁／
I₂の変化の概略であり、これにより電流値を求め
ることができる。

第４図はハーフミラー１３により光源７からの
光を２つに分岐することにより、往路と復路に常
時光を伝送する構成を示したが、この他に時間的
に往路と復路に光を切換える方法も有効であり、
この場合必要な光路切換えスイツチの簡単な構成
例を第６図ａ，ｂに示す。光源７、受光器８、光
フアイバ２，２′を図のように交差して配置し、
光路切換えミラー１６を所定の時間周期で上下運
動させると、同図ａ，ｂに示すように往路と復路
に光を切換えることができる。ただし、第４図の
構成では透過出力比を求める場合、受光器８，
８′の各電気出力を割算器に通す必要があり、ま
た第６図の構成では受光器８の電気出力を光路切
換え時間に同期したサンプリングと割算処理を行
なう必要がある。

ところで、第４図に示す装置は双方向に同一光
源の光を伝送させるために、光源の出力変動も補
償できる大きな特長を有しているが、ハーフミラ
ー１３，１４，１５から構成される光分岐部の光
損失が避け難く、また光フアイバ２，２′の各端
面における反射光や光フアイバ２，２′とロツド
レンズ１２，１２′との接続面、ロツドレンズ１
２，１２′と偏光子４、検光子５との接続面ある
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いは偏光子４、検光子５とYIG６との接続面等に
おける反射成分が検出精度を低下させることにな
り、各接続部の反射防止処理が必要でもある。

第７図はこのような反射防止処理を特に必要と
しない電流測定装置の構成を示す図であつて、双
方向に伝送させる光を順方向と逆方向で異なる波
長を用いるものである。すなわち、電力線１に近
接して自己集束形ロツドレンズ１２，１２′、偏
光子４、検光子５、YIG等のフアラデー回転物質
６を配置し、光フアイバ２，２′を用いて低圧側
に置いた光源系と受光系に光を導く構成であり、
波長λ_２の光源２０と波長λ_２の光源２１の光を
ダイクロイツクフイルタ２２，２３により各々λ
_１、λ_２の光だけを反射し、これを同一光路中を
互いに逆方向に光を伝送させ、受光端で同じダイ
クロイツクフイルタ２２，２３により各波長成分
を分離し各々受光器２４，２５で検知するもので
ある。本構成をとることにより光フアイバ２，
２′の損失変動を補償した高精度計測が可能であ
る。すなわち、光フアイバ２，２′の伝送損失L₀
およびその変動分ｌ（ｔ）がほぼ等しくなるよう
に使用波長λ_１、λ_２を設定し、光源２０，２１
のダイクロイツクフイルタ２２，２３反射後の光
入力をI₁、I₂、光フアイバ２，２およびダイクロ
イツクフイルタ２２，２３の透過後の光出力を
J₁、J₂と表わすと、次式のようになる。

J₁＝K₁I₁T₁〔L₀＋ｌ（ｔ）〕 J₂＝K₂I₂T₂〔L₀＋ｌ（ｔ）〕 ここでK₁、K₂は光フアイバの励振効率、フイ
ルタの特性や各光学部品の接続効率等に関係する
定数であり、外部磁界と光フアイバの損失変動に
は無関係な値である。

そこで両出力の比 Ｊ_１／Ｊ_２＝Ｋ_１Ｉ_１ｃｏｓ^２（θ_１−α）／
Ｋ_２Ｉ_２ｃｏｓ^２（θ_２＋α） をとることにより光フアイバの損失変動の項を相
殺しフアラデー回転部のみの変化を検知すること
ができる。第８図は外部磁界による透過出力光の
比の変化の様子を示す。したがつて受光器２４，
２５の電気出力を割算器２６に通した後、表示装
置２７に導く必要がある。また光源２０，２１と
して半導体レーザを用いる場合、モニタ出力をと
りそれを割算器２６に入れ光源の出力変動を電気
回路的に補償する構成も考えられる。

具体的には光フアイバ２，２′として石英系の
ものを使用し、フアラデー回転材料６としてYIG
を用いた場合、λ_１＝1.20μｍとλ_２＝1.22μｍ
のInGaAsP系の長波長半導体レーザを用いる
と、光フアイバの損失およびその変動はほとんど
等しく、YIGのフアラデー回転角θ_１とθ_２の差
はほぼ１％である。したがつて、割算器２６にあ
らかじめ使用波長によるフアラデー回転角の差を
入力して補正しておくことにより光フアイバの損
失変動を補償した高精度電流計測が実現される。

光フアイバ２，２′の入出射端に装着する分波
器としては第７図に示したダイクロイツクフイル
タ２２，２３の他、分散プリズムやグレーテイン
グ等を応用した分波、合波装置も使用できること
は言うまでもない。

以上説明したように本発明によれば、磁気光学
変換部に双方向に光を入射させ、その両透過出力
に基いて磁気光学変換部近傍の電線の電流を測定
するものであるため、光伝送系の損失変動を補償
して高精度の電流測定が行なえる。なお、単一光
源の使用により光源の出力変動も補償することが
でき、また双方向に入射させる光の波長を異なら
しめることにより、各検知部では各波長に対応す
る光のみを検知すれば良いので、光伝送系におけ
る反射成分による測定精度の低下をも防止するこ
とができ、本発明は長距離にわたる遠隔測定にお
いて特に有効である。

なお、本発明の構成の一部である磁気光学変換
部は従来より公知である磁気光学応用光変調器お
よび光アイソレータの構成と類似しているが、前
者の光変調器においては一方向にのみ光を透過さ
せるだけであり、後者の光アイソレータにおいて
は逆方向光線を消光する構成であり、いずれにお
いても本発明の同一光路中の順方向および逆方向
光線の透過出力比を検出する構成とは大きく異な
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光学的電流測定装置の構成図、
第２図ａ，ｂは本発明の原理の説明図、第３図は
本発明の特性を示す特性図、第４図は本発明の一
実施例を示す構成図、第５図は同実施例の特性
図、第６図ａ，ｂは光路切換えスイツチの構成
図、第７図は本発明の他の実施例を示す構成図、
第８図は同実施例の特性図である。 〓〓〓〓〓
１……電力線、２，２′……光フアイバ、３，
３′……レンズ、４……偏光子、５……検光子、
６……フアラデー回転物質、７，２０，２１……
光源、８，８′，２４，２５……受光器、１２，
１２′……自己集束形ロツドレンズ、１３，１
４，１５……ハーフミラー、２２……λ_１反射λ
_２透過のダイクロイツクフイルタ、２３……λ_１
透過λ_２反射のダイクロイツクフイルタ、２６…
…割算器、２７……表示装置。 〓〓〓〓〓

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 透過偏光方向を互いに異らしめた偏光子と検
   光子との間にフアラデー回転子を配置した磁気光
   学変換部と、前記磁気光学変換部に互いに逆方向
   に光を入射する光伝送路と、前記逆方向に進む光
   の前記磁気光学変換部での両透過出力を検知する
   検知部とを備え、前記磁気光学変換部を電線近傍
   に設置することにより、前記電線を流れる電流量
   を前記検知部で検出することを特徴とする電流測
   定装置。 ２ 磁気光学変換部に互いに逆方向に入射される
   光は同一の光源から発せられる光であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の電流測定装
   置。 ３ 磁気光学変換部に互いに逆方向に入射される
   光はそれぞれ異なる波長を有する光であつて、検
   知部は前記異なる波長の光ごとに前記磁気光学変
   換部での透過出力を検知することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の電流測定装置。