JP4065243B2 - 故障判定機能を備えた光ｃｔ - Google Patents

Description

本発明は、故障判定機能を備えた光ＣＴに関し、特に、電力機器や電力設備に適用される故障判定機能を備えた光ＣＴに関するものである。

変電所などに設置されている変圧器等の電力機器ないしは電力設備には、異常が発生した際に、これらの機器や設備を保護し、事故の拡大を防止するために、これらの作動を停止させる保護継電システムが設置されている。

図３には、この種の保護継電システムの代表的な例を示している。同図に示した保護継電システムは、電力設備１の機器本体に付設された変成器２と、変成器２の出力側に接続された変換器３と、変換器３の出力側に接続された保護継電器４とを備えている。

変成器２は、保護対象である電力設備の電流，電圧を測定する。変換器３は、変成器２の検出信号のレベルを変換して、保護継電器４に出力する。保護継電器４は、変換器３の出力信号を受けて、必要な演算処理をし、その結果から電力設備１の異常を判断する。

保護継電器４で電力設備１に異常が発生していると判断されると、トリップ信号を送出して、遮断器などを作動させて、電力設備１の作動を停止させる。しかしながら、このような従来の電力設備１の保護継電システムには、以下に説明する課題があった。

すなわち、従来の保護継電システムは、保護継電器４の演算回路などに多数の電子部品を使用しているので、非常に高価になる。また、変成器２の電流，電圧の検出は、巻線型のものが外部磁界などの外乱を受け易く、保護継電システムに対するサージ対策が難しい。

さらに、電力設備１の電流，電圧が大きいので、これらを検出する変成器２が大型，大重量となり、システム全体の小型，軽量化が要請されていた。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、安価でかつサージ対策が簡略化でき、その上、システムの小型，軽量化が達成できる故障判定機能を備えた光ＣＴを提供することにある。また、別の目的として実用的な故障判定が可能になる光ＣＴを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、電力設備に接続された複数の導体の外周に周回設置され、各導体の入出力電流を個別に測定する入力側および出力側光ファイバセンサと、光源，光電変換器，信号処理部および故障判定部とを有する電子回路部とを備え、前記光源と前記光ファイバセンサとの間，前記光ファイバセンサ同士の間および前記光ファイバセンサと前記光電変換器との間をそれぞれ直列接続する光ファイバ伝送路を設け、前記信号処理部で前記光ファイバセンサで測定された電流値の総和を求め、この電流値の総和から前記故障判定部で前記電力設備の異常を判断する故障判定機能を備えた光ＣＴにおいて、前記光ファイバ伝送路中に、前記入力側光ファイバセンサからの出射光の偏光を、無偏光に変換して前記出力側光ファイバセンサに入射させるデポラライザを設けた。
このように構成した故障判定機能を備えた光ＣＴによれば、電力設備に接続された複数の導体の外周に、光ファイバセンサを周回設置し、各導体の入出力電流を個別に測定する。
光ファイバセンサによる電流測定は、光ファイバセンサ中を伝播する光の偏波が、電流磁界の大きさに応じて回転するファラデー回転角を測定するため、事故時の直流分を含む大電流が流れた場合にも、鉄心の磁気飽和に起因する出力歪が生じない。
また、電流測定を光ファイバセンサで行い、光ファイバ伝送路で、光源と光ファイバセンサとの間，光ファイバセンサ同士の間および光ファイバセンサと光電変換器との間をそれぞれ直列接続するので、システム全体の小型，軽量化が達成されるとともに、サージ対策を簡略化することができる。
さらに、本発明では、キルヒホッフの第１法則に基づいて、信号処理部で光ファイバセンサで測定された電流値の総和を求め、この電流値の総和から故障判定部で電力設備の異常を判断するので、演算処理も簡単になる。
この場合、本発明では、ファラデー回転角を全部加算した後に、光電変換器で光量変化に変換するので、大電流集中に対する演算精度も確保することができる。
上記構成によれば、光ファイバ伝送路中に、入力側光ファイバセンサからの出射光の偏光を、無偏光に変換して出力側光ファイバセンサに入射させるデポラライザを設けているので、光ファイバ伝送路中で偏光が変化することによる測定精度の低下を防止することができる。
本発明では、故障判定機能を備えた光ＣＴにおいて、前記デポラライザは、前記入力側光ファイバセンサの出射端に設けられた検光子と、前記出力側光ファイバセンサの入射端に設けられた偏光子との間の、前記光ファイバ伝送路中に設けることができる。
また、本発明では、故障判定機能を備えた光ＣＴにおいて、前記光ファイバセンサは、前記電力設備に接続され、当該電力設備の入，出力電流が流れる一対の導体の外周に設置された入力側および出力側光ファイバセンサを有し、前記入力側光ファイバセンサ中の光の伝播方向と前記入力電流の作る磁界の方向とを一致させるとともに、 前記出力側光ファイバセンサ中の光の伝播方向と前記出力電流の作る磁界の方向とを相反する方向に設定することができる。
この構成によれば、光ファイバセンサは、電力設備に接続され、当該電力設備の入，出力電流が流れる一対の導体の外周に設置された入力側および出力側光ファイバセンサを有し、入力側光ファイバセンサ中の光の伝播方向と入力電流の作る磁界の方向とを一致させるとともに、出力側光ファイバセンサ中の光の伝播方向と出力電流の作る磁界の方向とを相反する方向に設定しているので、電力設備に２本の入，出力導体が接続されている場合に、比較的小さい電流値の範囲内で、既存の光ファイバセンサなどを利用することで実用的な故障判定が可能になる。

本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴによれば、安価でかつサージ対策が簡略化でき、その上、システムの小型，軽量化が達成できる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴの基本的な構成の概要を示している。

同図に示した故障判定機能を備えた光ＣＴは、複数の光ファイバセンサ１０_１〜４と、光ファイバ伝送路１２と、電子回路部１４とを有している。光ファイバセンサ１０_１〜４は、保護対象となる電力設備１６に接続された複数の導体１８の外周をそれぞれ周回するように設置されている。

各光ファイバセンサ１０_１〜４は、導体１８の入出力電流値Ｉ_１〜４をそれぞれ測定する。この光ファイバセンサ１０_１〜４の電流値Ｉ_１〜４の測定原理は、導体１８の外周に周回設置された光ファイバセンサ１０_１〜４中に光を伝播させると、伝播する光の偏波が、電流磁界の大きさに応じて回転するので、このファラデー回転角を測定して、各導体１８に流れている電流値Ｉ_１〜４を求める。

電子回路部１４は、光源１４ａと、光電変換器１４ｂと、信号処理部１４ｃと、故障判定部１４ｄとを有している。光ファイバ伝送路１２は、光源１４ａと第１番目の光ファイバセンサ１０_１との間，第２番目以後の光ファイバセンサ１０_２〜４同士の間，および最後部の光ファイバセンサ１０_４と光電変換器１４ｂとの間をそれぞれ直列接続するように設けられている。

信号処理部１４ｃでは、光電変換器１４ｂの出力信号を受けて、各光ファイバセンサ１０_１〜４で測定された電流値Ｉ_１〜４に対するファラデー回転角の総和を求める。故障判定部１４ｄでは、信号処理部１４ｃの出力信号を受けて、キルヒホッフの第１法則に基づいて、電力設備１６の故障を判断する。すなわち、キルヒホッフの第１法則によれば、電力設備１６に流入，流出する電流値Ｉ_１〜４の総和Ｓ＝ｋ（Ｉ_１＋Ｉ_２＋Ｉ_３＋Ｉ_４）は、異常がなければ零になる。

そこで、故障判定部１４ｄでは、電流値Ｉ_１〜４の総和が零以外になったときに、異常があると判断して、外部にその旨の信号を送出し、この送出信号に基づいて電力設備１６を停止させる。

以上のように構成された故障判断機能を備えた光ＣＴによれば、光ファイバセンサ１０_１〜４中を伝播する光の偏波が、電流磁界の大きさに応じて回転するファラデー回転角を測定して電流値Ｉ_１〜４を求めるので、事故時の直流分を含む大電流が流れた場合にも、鉄心の磁気飽和に起因する出力歪を生じない。

また、電流測定を光ファイバセンサ１０_１〜４で行い、光ファイバ伝送路１２で、光源１４ａと第１番目の光ファイバセンサ１０_１との間，第２番目以後の光ファイバセンサ１０_２〜４同士の間，および最後の光ファイバセンサ１０_４と光電変換器１４ｂとの間を直列接続するので、電力設備１６に敷設する部分が全て光ファイバで構成され、システム全体の小型，軽量化が達成されるとともに、サージ対策を簡略化することができる。

さらに、キルヒホッフの第１法則に基づいて、信号処理部１４ｃで光ファイバセンサ１０_１〜４で測定された電流値Ｉ_１〜４の総和を求め、この電流値Ｉ_１〜４の総和から故障判定部１４ｄで電力設備１６の異常を判断するので、演算処理も簡単になる。

この場合、ファラデー回転角を全部加算した後に、光電変換器１４ｂで光量変化に変換するので、大電流集中に対する演算精度も確保することができる。

図２は、本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴの実施例を示しており、上記基本構成と同一もしくは相当する部分には、同一符号を付してその説明を省略するとともに、以下にその特徴点についてのみ説明する。

同図に示した実施例では、保護対象となる電力設備１６に２本の入，出力導体１８_１，１８_２が接続されている場合に本発明を適用している。入力導体１８_１の外周には、入力電流Ｉ_１を測定するための入力側光ファイバセンサ１０ａが、その外周に設置され、この光ファイバセンサ１０ａ内の光の伝播方向（図２においてはｋ，ｌでその方向を示している）は、通電によって発生する磁界方向と一致するように設けられている。

出力導体１８_２の外周には、出力電流Ｉ２を測定するための出力側光ファイバセンサ１０ｂが、その外周に設置され、この光ファイバセンサ１０ｂ内の光の伝播方向（図２においてはｋ，ｌでその方向を示している）は、通電によって発生する磁界方向と相反するように設けられている。

各光ファイバセンサ１０ａ，１０ｂの入射側には、偏光子２２が配置され、出射側には、λ／２板２３と検光子２４とが配置されている。光源１４ａと入力側光ファイバセンサ１０ａの入射側に設けられた偏光子２２との間，入力側光ファイバセンサ１０ａの出射側に設けられた検光子２４と出力側光ファイバセンサ１０ｂの入射側に設けられた偏光子２２との間，出力側光ファイバセンサ１０ｂの出射側に設けられた検光子２４と光電変換器１４ｂとの間は、それぞれシングルモード光ファイバ又は偏波面保持ファイバで接続されていて、これらが光伝送路１２０ａを構成している。

この光伝送路１２０ａ中に、デポラライザ５０が設けられている。デポラライザ５０は、入力側光ファイバセンサ１０ａの出射側に設けられた検光子２４と出力側光ファイバセンサ１０ｂの入射側に設けられた偏光子２２との間に介装されていて、入力側光ファイバセンサ１０ａから出射する光の偏光を無偏光に変換して、出力側光ファイバセンサ１０ｂに入射させる。

このようなデポラライザ５０を介装すると、電流検出部である光ファイバセンサ１０ａ，１０ｂ間の光伝送において、伝播光が偏波特性を有している場合、出力側の光ファイバセンサ１０ｂの入射側に設けられている偏光子２２によって入射される光量が大きく低下し、光ファイバセンサ１０ｂからの光量損失が大きくなることが考えられるため、光ファイバセンサ１０ａからの出射光をデポラライザ５０に入射し、無偏光にした後、伝送用のシングルモードファイバまたは偏波面保存ファイバで構成した光伝送路１２０ａに入射させるようにした。

次に、上記構成の光ＣＴの動作原理について説明する。図２に示した光ＣＴでは、光源１４ａからの光Ｐ_０は、光ファイバセンサ１０ａの偏光子２２によって直線偏光になり、この直線偏光を鉛ガラスファイバ製の光ファイバセンサ１０ａに入射すれば、入射光は、ファイバを通過する間に、通電電流Ｉ_１によって発生する磁界によるファラデ効果で偏波面の回転θ_１を受ける。

通電電流Ｉ_１と偏波面の回転θ_１の関係は、ベルデ定数をνとしたとき、（４−１）式で表される。
θ_１＝νＩ_１ ………………（４−１）
光ファイバセンサ１０ａの出射光Ｐ_１は、この偏波面の回転が１／２波長板２３と検光子２４より、被測定電流が交流ならば、直流成分＋交流成分の脈流状に強度変調された光となり、出射光Ｐ_１は、以下の式（４−２）で表わされる。

Ｐ_１＝Ｐ_０／２（１＋ｓｉｎ２θ_１）＝Ｐ_０／２｛１＋ｓｉｎ（２νＩ_１ｓｉｎωｔ）｝………（４−２）
ここで、ω（＝２πｆ）、ｆ：被測定電流の周波数、ｔ：時間
光ファイバセンサ１０ａからの強度変調された光は、デポラライザ５０により無偏光の光となる。

次に、強度変調された無偏光の光は、シングルモードファイバまたは偏波面保存ファイバで構成された光伝送路１２０ａにより光ファイバセンサ１０ｂに導かれ、その入射側に配置された偏光子２２によって、直線偏光の強度変調された光になる。

この光を鉛ガラスファイバ製の光ファイバセンサ１０ｂに入射すれば、光ファイバセンサ１０ａと同様に、入射光は、ファイバを通過する間に、通電電流Ｉ_２によって発生する磁界によってファラデ効果で偏波面の回転θ_２を受ける。

この結果、光ファイバセンサ１０ｂからの出射光Ｐ_２は、光ファイバセンサ１０ａと同様に強度変調された光になり、以下の式（４−３）で表される。
Ｐ_２＝Ｐ_１／２（１＋ｓｉｎ２θ_２）
＝Ｐ_０／４｛１＋ｓｉｎ（２νＩ_１ｓｉｎωｔ）｝｛１＋ｓｉｎ（２νＩ_２ｓｉｎωｔ）｝
＝Ｐ_０／４｛１＋ｓｉｎ（２νＩ_１ｓｉｎωｔ）＋ｓｉｎ（２νＩ_２ｓｉｎωｔ）＋ｓｉｎ（２νＩ_１ｓｉｎωｔ）ｓｉｎ（２νＩ_２ｓｉｎωｔ）｝ ………………（４−３）

ここで、光ファイバセンサ１０ａを、通電電流Ｉ_１によって発生する磁界方向と鉛ガラスファイバ内を伝播する光の方向とを一致させるように取り付けた場合、式（４−３）では、通電電流Ｉ_２の通電方向は、通電電流Ｉ_１の逆方向になる。
従って光ファイバセンサ１０ｂからの出射光Ｐ_２は、式（４−３．ａ）のようになる。

Ｐ_２＝Ｐ_１／２（１＋ｓｉｎ２θ_２）
＝Ｐ_０／４｛１＋ｓｉｎ（２νＩ_１ｓｉｎωｔ）｝｛１−ｓｉｎ（２νＩ_２ｓｉｎωｔ）｝
＝Ｐ_０／４｛１＋ｓｉｎ（２νＩ_１ｓｉｎωｔ）−ｓｉｎ（２νＩ_２ｓｉｎωｔ）−ｓｉｎ（２νＩ_１ｓｉｎωｔ）ｓｉｎ（２νＩ_２ｓｉｎωｔ）｝ ………………（４−３．ａ）

また、ここで、通電電流Ｉ_１、Ｉ_２が大電流でない場合、式（４−３．ａ）のｓｉｎ（２νＩ_１ｓｉｎωｔ）ｓｉｎ（２νＩ_２ｓｉｎωｔ）は、非常に小さな値となり、
その結果、ｓｉｎ（２νＩ_１ｓｉｎωｔ）ｓｉｎ（２νＩ_２ｓｉｎωｔ）≒０とおくことができる。従って式（４−３．ａ）は、式（４−４）のように表すことができる。
Ｐ_２＝Ｐ_０／４｛１＋ｓｉｎ（２νＩ_１ｓｉｎωｔ）−ｓｉｎ（２νＩ_２ｓｉｎωｔ）｝………（４−４）

式（４−４）のＰ_０／４は、強度変調された光の直流成分、Ｐ_０／４｛ｓｉｎ（２νＩ_１ｓｉｎωｔ）−ｓｉｎ（２νＩ_２ｓｉｎωｔ）｝は、強度変調された光の交流成分に表すことができる。

式（４−４）で表わされる出射光Ｐ_２は、図中の光電変換器１４ｂによって電気信号に変換され、その後、信号処理回路１４ｃのＬＰＦ（ローパスフィルタ）によってＰ_０／４、ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）によってＰ_０／４｛ｓｉｎ（２νＩ_１ｓｉｎωｔ）−ｓｉｎ（２νＩ_２ｓｉｎωｔ）｝が取り出され、式（４−５）のようにこれらを割り算した出力Ｓが得られる。

Ｓ＝交流成分／直流成分
＝Ｐ_０／４｛ｓｉｎ（２νＩ_１ｓｉｎωｔ）−ｓｉｎ（２νＩ_２ｓｉｎωｔ）｝
Ｐ_０／４
＝ｓｉｎ（２νＩ_１ｓｉｎωｔ）−ｓｉｎ（２νＩ_２ｓｉｎωｔ） …………（４−５）
ここで、正弦関数では、角度Φが小さいとき、式（４−６）の近似が成り立つ。
ｓｉｎΦ＝Φ ………………（４−６）

通電電流が小さいとき式（４−５）は、式（４−６）を満足する。従って、式（４−５）式は、式（４−７）となり、出力Ｓには、入力電流Ｉ_１と出力電流Ｉ_２の差成分が含まれており、これを演算することにより、電力設備１６の故障判定が可能になる。

Ｓ＝２νＩ_１ｓｉｎωｔ−２νＩ_２ｓｉｎωｔ
＝２νｓｉｎωｔ（Ｉ_１−Ｉ_２） ………………（４−７）

なお、図２に示した実施例では、光伝送路１２０ａ中にデポラライザ５０を設け、光ファイバセンサ１０ａ，１０ｂでの伝送途中の偏波特性を補償する例を示したが、このデポラライザ５０を省略することもでき、この場合には、若干検出精度が落ちるものの、電力設備１６に２本の入，出力導体１８_１，１８_２が接続されている場合に、比較的小さい電流値の範囲内で、既存の光ファイバセンサなどを利用することで実用的で安価に故障判定が行える。

本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴによれば、電力設備や電力機器の故障判定に有効に活用することができる。

本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴの基本的な概念の説明図である。 本発明にかかる故障判定機能を備えた光ＣＴの一実施例を示す全体構成図である。 従来の保護継電システムの説明図である。

符号の説明

１０ 光ファイバセンサ
１２ 光ファイバ伝送路
１４ 電子回路部
１４ａ 光源
１４ｂ 光電変換器
１４ｃ 信号処理部
１４ｄ 判定部
１６ 電力設備

Claims (3)

1. 電力設備に接続された複数の導体の外周に周回設置され、各導体の入出力電流を個別に測定する入力側および出力側光ファイバセンサと、光源，光電変換器，信号処理部および故障判定部とを有する電子回路部とを備え、前記光源と前記光ファイバセンサとの間，前記光ファイバセンサ同士の間および前記光ファイバセンサと前記光電変換器との間をそれぞれ直列接続する光ファイバ伝送路を設け、前記信号処理部で前記光ファイバセンサで測定された電流値の総和を求め、この電流値の総和から前記故障判定部で前記電力設備の異常を判断する故障判定機能を備えた光ＣＴにおいて、
   前記光ファイバ伝送路中に、前記入力側光ファイバセンサからの出射光の偏光を、無偏光に変換して前記出力側光ファイバセンサに入射させるデポラライザを設けたことを特徴とする故障判定機能を備えた光ＣＴ。
2. 請求項１記載の故障判定機能を備えた光ＣＴにおいて、
   前記デポラライザは、前記入力側光ファイバセンサの出射端に設けられた検光子と、前記出力側光ファイバセンサの入射端に設けられた偏光子との間の、前記光ファイバ伝送路中に設けたことを特徴とする故障判定機能を備えた光ＣＴ。
3. 請求項１もしくは２記載の故障判定機能を備えた光ＣＴにおいて、
   前記光ファイバセンサは、前記電力設備に接続され、当該電力設備の入，出力電流が流れる一対の導体の外周に設置された入力側および出力側光ファイバセンサを有し、
   前記入力側光ファイバセンサ中の光の伝播方向と前記入力電流の作る磁界の方向とを一致させるとともに、
   前記出力側光ファイバセンサ中の光の伝播方向と前記出力電流の作る磁界の方向とを相反する方向に設定することを特徴とする故障判定機能を備えた光ＣＴ。

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