JP4092142B2

JP4092142B2 - Photovoltage measuring device, electric power or electric energy measuring device, and electrical equipment protection system

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Publication number: JP4092142B2
Application number: JP2002174959A
Authority: JP
Inventors: 正雄高橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2022-06-14
Also published as: JP2004020348A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電圧測定装置、及びこの光電圧測定装置を用いた電力又は電力量の測定装置並びに電気機器の保護システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発電所・変電所・開閉所等の電気所には光学的に電圧や電流を測定する光計測器が設置されている。図７は従来の光電圧測定装置の概略構造を示す透視正面図である。この光電圧測定装置は、センサ部と、発光部と、受光部と、発光側及び受光側信号処理回路（図示せず）とを備えており、被測定対象は後述する電極端子３４間に印加される印加電圧Ｖｍである。センサ部は、光の入射側から順に同一光軸上に配置された偏光子３、１／４波長板（「λ／４板」とも呼ばれる）２５、電気光学結晶２６及び検光子２７から構成されている。電気光学結晶２６には１対の電極３２が蒸着されており、各電極３２はリード線３３によって１対の電極端子３４のそれぞれに電気的に接続されている。つまり、電極端子３４からの印加電圧Ｖｍが電気光学結晶２６に印加されるようになっている。なお、電気光学結晶２６の材料としては、Ｂｉ12ＳｉＯ20（ＢＳＯ）や、ＫＤＰ、自然複屈折を有するＬｉＮｂＯ3 およびＬｉＴａＯ3 等が使用されている。
【０００３】
発光部は、光源１としてのＬＥＤ(Light Emitting Diode)等の発光素子を含むＥ／Ｏ回路と、同一光軸上に配置された光ファイバ２８ａ、フェルール２９ａ、ＧＲＩＮレンズ３０ａ及びホルダ３１ａからなる入力側光学系とから構成されている。受光部は、同一光軸上に配置された光ファイバ２８ｂ、フェルール２９ｂ、ＧＲＩＮレンズ３０ｂ及びホルダ３１ｂからなる出力側光学系と、その出力側光学系から出射される光信号を電気信号に変換する検出器１１を含むＯ／Ｅ回路とから構成されている。
【０００４】
発光部の入力側光学系及び受光部の出力側光学系における各光学部品は互いに接する光軸面が接着剤により接着されている。さらに、上記光電圧測定装置のセンサ部において、同一光軸上に配置された各光学部品すなわち偏光子３、１／４波長板２５、電気光学結晶２６及び検光子２７に関しても、互いに接する光軸面が全て接着剤で接着されている。ここで、光軸面とは光軸に垂直な面をいい、各光学部品につき光の入射面と出射面との２つが存在する（以下同様）。
【０００５】
発光側および受光側信号処理回路は、それぞれ発光部および受光部によってセンサ部と接続されている。この時、センサ部の偏光子３の入力側光軸面は発光部のＧＲＩＮレンズ３０ａの光軸面と、センサ部の検光子２７の出力側光軸面は受光部のＧＲＩＮレンズ３０ｂの光軸面と、それぞれ接着剤により接着される。そして、接着固定されたセンサ部、発光部における入力側光学系、及び受光部における出力側光学系は、ケース（図示せず）に機構的に固定されている。なお、各光学部品のための接着剤としては通常、エポキシ系あるいはウレタン系等の樹脂が使用されている。
【０００６】
続いて、上記の構成を有する光電圧測定装置の動作原理について説明する。発光部における光源１として、例えば中心波長０．８５μｍのＬＥＤを使用した場合、ＬＥＤの無偏光が光源１から出射され、発光部の入力側光学系及びセンサ部の偏光子３を通過した後、直線偏光となる。直線偏光は１／４波長板２５を通過して円偏光になり、円偏光は電気光学結晶２６を通過した後、電極端子３４から電気光学結晶２６への印加電圧Ｖｍの強さに応じて楕円化し、楕円偏光となる。
【０００７】
楕円偏光はセンサ部の検光子２７及び受光部の出力側光学系を通過した後に検出器１１で受光される。検光子２７から出力される光量は電気光学結晶２６の通過光の偏光状態に対応する。この偏光状態は電気光学結晶２６への印加電圧Ｖｍによって変化するため、受光側の光ファイバ２８ｂを介して検光子２７から出力される光量の変化をモニタし、検出器１１にて光信号を電気信号に変換する上で光量の変調度を計算することことにより、電気光学結晶２６に対する印加電圧Ｖｍを測定することができる。ここで、光量の変調度とは、光量におけるＡＣ成分とＤＣ成分との比のことである。
【０００８】
ところで、上述した光電圧測定装置は電気所において単体で機能させることはむしろまれであり、光電流測定装置と組み合わせて、電力、電力量、或いは無効電力を計測したり、インピーダンスを計算して距離リレーと呼ばれる電気機器の保護システムを動作させるために用いられるのが一般的である。光電流測定装置は、光電圧測定装置と同様に、光を用いた計測器ではあるが、その原理や構成が全く異なる。次に、光電流測定装置の従来例について説明する。
【０００９】
光電流測定装置にはいくつかの方式が提案されているが、光ファイバコイルにより構成されるサニャック干渉計を備えたものが注目されている。サニャック干渉計は光ファイバコイルにより構成されており、光ファイバジャイロとして運動体の回転検出に使用されてきたが、回転検出の外に電流により生ずる磁界に反応するといった特性もある。そのため、この特性を利用して電流測定を行うことができる。サニャック干渉計による電流測定の動作原理は次の通りである。すなわち、透明物質である光ファイバコイルはこれに磁界を印加すると、ファラデー効果により偏光面に回転を生ぜしめ、偏光面の回転角は磁界の強さと光の通過距離に比例する。偏光面の回転に起因して、光ファイバコイルを周回する左回り光と右回り光の間に位相差を生ずるので、この位相差を検出することによって、光ファイバコイルに印加された磁界を生起する元の電流を測定することが可能となる。
【００１０】
このようなサニャック干渉型の光電流測定装置に関して図８を参照して具体的に説明する。図８に示すように、サニャック干渉計型の電流測定装置には、光源１が配置され、光源１には光源１からの光を分岐するためのビーム分離手段としてカプラー２が接続されている。カプラー２には偏光子３及び偏波面保存ファイバカプラー４を介して光ファイバコイルからなるサニャック干渉計が接続されている。サニャック干渉計には、位相変調器１０と、電流路２０を囲むセンサファイバ１９が設けられており、センサファイバ１９の両側には第１及び第２の１／４波長板１７，１８が配置されている。第１及び第２の１／４波長板１７，１８は、偏光フィルタを介して直線偏光を入力すると円偏光を出力し、円偏光を入力すると直線偏光を出力するようになっている。また、カプラー２には光信号を電気信号に変換する検出器１１が接続されている。さらに、検出器１１には同期検波器３５が接続されている。なお、同期検波器３５には同期検波器３５に対し参照となる信号を供給する発振回路３６が接続されている。
【００１１】
以上の構成を有するサニャック干渉型の電流測定装置において、光源１から出射された光は、偏光子３を介して偏波面保存ファイバカプラー４に至り、サニャック干渉計内に、逆方向に周回する光、つまり左回り光および右回り光として送り込まれる。このうち、左回り光は先ず、位相変調器１０において位相変調され、位相変調された左回り光は第２の１／４波長板１８を通過してセンサファイバ１９に入射し、左回りに周回して順次に第１の１／４波長板１７、偏波面保存ファイバカプラー４、偏光子３、カプラー２を通過して検出器１１に到達受光される。一方、右回り光は、第１の１／４波長板１７を通過してセンサファイバ１９に入射し、右回りに周回して第２の１／４波長板１８を通過してから位相変調器１０において位相変調され、位相変調された右回り光は偏波面保存ファイバカプラー４、偏光子３、カプラー２を通過して検出器１１に到達受光される。
【００１２】
センサファイバ１９を周回した後の左回り光および右回り光の相互間には、センサファイバ１９に磁界が印加されていると位相差が生じており、偏波面保存ファイバカプラー４、偏光子３で干渉させた結果、光強度の変化した位相変調光が検出器１１に受光される。検出器１１に到達した位相変調光はここで電気信号に光電変換される。検出器１１において光電変換された電気信号は同期検波器３５に入力される。同期検波器３５は、発振回路３６から供給される信号を参照信号としてセンサシングファイバ１９に印加される磁界に比例する位相差の検波出力を得る（なお、位相変調の詳細は、特願平１０−１６２４１９号公報、特願平１１−１９７２４４号公報を参照）。このようにサニャック干渉型の電流測定装置では、円偏光を電流検出コイルの両端部から入射、伝播させ、位相差の生じた両光を干渉させ、その光強度変化に基づいて、印加された磁界を発生させた元の電流値を測定することができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光電圧測定装置や光電流測定装置は共に、屋外の厳しい環境下で使用されることが多く、優れた温度特性を持つことが要求されている。具体的には、−２０℃〜８０℃において比誤差変化が±１％以下、位相変化が１°以下であることが望まれている。しかし、上記従来の光電圧測定装置では温度変化によって感度や位相の誤差を生じさせる要因が多く存在した。例えば、１／４波長板や電気光学結晶における接着部の応力による屈折率の変化や、１／４波長板の複屈折の変化、電子回路部での熱ドリフトやオフセットの変化がある。さらに、ＬｉＮｂＯ3 など自然複屈折を有する電気光学結晶の場合には入射光の軸ずれが起きることがある。そこで従来より、優れた耐環境性を発揮し、厳しい環境下でも安定して動作する光電圧測定装置が求められていた。しかも、従来技術における光電圧測定装置と電流測定装置とでは、その挙動が異なる。このため、両者を組み合わせて電力やインピーダンスを求める場合にその誤差が大きくなり易く、測定精度の低下を招いていた。
【００１４】
また、電圧測定装置には電圧の分圧方法に課題がある。すなわち、電圧測定に用いる電気光学結晶は機械的に弱く、高価格であることから、例えば５００ｋＶのような高圧をそのまま電気光学結晶に印加して測定するといったことは行われておらず、一旦、分圧器で１００Ｖ程度の長い絶縁距離を要しない電圧まで降下させた後に、電気光学結晶にこれを印加している。しかしながら、このような分圧器を用いた方法では、せっかく光方式の計測手段を用いながら、その耐絶縁性、応答速度、測定精度が分圧器で制限されてしまい、光化のメリットを享受することが困難となっていた。
【００１５】
そこで、東京大学のグループは"Pockels High-Voltage Measurement System", IEEE Transaction on Power Delivery, Vol.15, N0.1 (2000 年）の中で図９に示す電圧測定装置の提案を行っている。基本的な原理構成は図７に示した電圧測定装置と同一であるが、電圧を検出する電気光学結晶の部分に特徴を有している。すなわち、高圧電極間に円盤状の電気光学結晶を複数個配置し、この複数個の結晶で生じる電気光学効果を測定することによって電圧を測定するものである。このような電圧測定装置によれば、不完全ながらも電界を積分することにより、電極間の電圧を測定することが可能となる。しかしながら、この電圧測定装置では、電極間の比較的長い距離をガス中にビームで伝播するためにビームの揺らぎによる影響を受けて誤差を生じやすい。
【００１６】
同じく、電界の積分を行いながらも、長い光路の空間伝播を行わない方式が、"230 kV optical voltage transducer using a distributed optical electric field sensor system ", Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2001 IEEE/PES , Volume: 1 , 2001で紹介されている。こちらは図１０に示すように碍子中に複数の電界センサを置き、電界の積分を行う点に特徴があり、独立した複数の電界センサを配置するところが前述した東京大学のグループが提案した電圧測定装置とは異なる。具体的な電界センサの構成については、本論文中で述べられてはいないが、ビームの揺らぎの影響は小さくできることが予想され、高精度化が期待できる。しかしながら、光源・光学系・受光器・電子回路が各複数組必要であり、価格が高くなるばかりでなく、部品点数の増加は信頼性低下に直接結びつくおそれがある。
【００１７】
以上述べたように、光電圧測定装置は、前述したように温度を始めとして環境変化により感度誤差や位相誤差を生じていた。また、光電圧測定装置の挙動が電流測定装置のそれと異なるために電力、インピーダンス測定時の誤差を広げ易く、測定精度を悪くしていた。さらに、測定に分圧器を用いた場合、分圧器により耐絶縁性、応答速度、測定精度が制限される。また、分圧器レスを目指した光電圧測定装置が提案されているが、長距離のガス中の光伝播が必要であったり、多数の光源や光学系が必要となり、精度面、経済面さらには信頼性面で問題があった。
【００１８】
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、温度変化を初めとした環境変化に強く、安定して動作することができ、しかも分圧器を省くことにより分圧器による耐絶縁性、応答速度、測定精度の制限を回避可能な、高精度で高信頼性の光電圧測定装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、電流・電圧の位相特性を揃えることで測定精度及び信頼性の向上を図った電力又は電力量の測定装置並びに電気機器の保護システムを実現することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、測定対象となる電圧が印加される電気光学素子に偏波面保存ファイバカプラーを介して互いに逆方向に周回する偏光を送光させ、この送光により位相差の生じた両光を干渉させて前記電圧を求める光電圧測定装置において、前記電気光学素子の両端側に入射偏波面を４５°回転させた成分の光を出射する第１及び第２のファラデー回転子を配置し、これら第１のファラデー回転子と第２のファラデー回転子は、前記偏波面保存ファイバカプラーを介して互いに逆方向から前記電気光学素子に入射する光の偏波面を逆方向に４５°回転させると共に、前記電気光学素子から出光する光の偏波面を逆方向に４５°回転させて元の偏光方位とするものであり、前記電気光学素子は、前記第１及び第２のファラデー回転子による逆方向４５°に回転した光の偏波面に基づき、逆方向の光に対して、それぞれ印加電圧に比例した位相差を与えるものであり、前記偏波面保存ファイバカプラーには、前記電気光学素子から出力した正逆両方向の光を受光して、その位相差による光の強弱に基づく電気信号を出力する検出器を接続したことを特徴とする。
このような請求項１の発明においては、電気光学素子の両端側にファラデー回転子を配置して逆方向に周回する偏光を送光させることにより、サニャック干渉型の電流測定装置と同一構成で、電圧を測定することができる。このため、耐環境性に優れ、且つ分圧器も不要な電圧測定装置を実現することができる。しかも、サニャック干渉型のジャイロセンサや電流測定装置で開発されてきたノイズ低減やドリフト低減といった技術をそのまま利用可能であり、測定精度及び動作信頼性の向上を図ることができる。
【００２０】
請求項２の発明は、請求項１記載の光電圧測定装置において、電気光学素子を複数の配置し、これらの電気光学素子を光学的に直列に接続したことを特徴としている。
このような請求項２の発明によれば、前記請求項１の発明に加えて、センサ部である電気光学素子を複数台直列に接続したことによって、任意の電界・電圧の総和を求めることができる。このため、システムの簡素化が容易であり、信頼性がさらに向上する。
【００２１】
請求項３の発明は、請求項２記載の光電圧測定装置において、複数の電気光学素子の両側にファラデー旋光子を配置し、これらのファラデー旋光子を光学的に直列に接続したことを特徴としている。
このような請求項３の発明によれば、前記請求項１の発明に加えて、電気光学素子間に配置したファラデー旋光子を複数台直列に接続したことによって、複数台直列に接続した電気光学素子間の偏光方位を、サニャック干渉計中を右回りに回る光、左回りに回る光ともに同一とすることができる。したがって、電気光学素子間の光路における複屈折変化の影響を抑えることができ、高精度の光電圧測定装置を実現することができる。
【００２２】
請求項４の発明に係る電力又は電力量の測定装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の前記光電圧測定装置を用いたことを特徴としている。
請求項４に記載の電力又は電力量測定装置によれば、前記光電圧測定装置を電力又は電力量測定装置の電圧測定部に用いることで、光電圧測定部側と光電流測定部側の光学部品や電子回路を共通化することができる。電気光学効果やファラデー効果は電流・電圧に対して時間遅れなく作用するため、位相補償を行う必要が無い。したがって、電流・電圧の位相特性を揃えることが可能となり、電流・電圧間の位相差を正確に検出することができる。その結果、電力又は電力量を高精度で測定することができる。
【００２３】
請求項５の発明に係る電気機器の保護システムは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の前記光電圧測定装置を用いたことを特徴としている。
このような請求項５の発明によれば、光電圧測定器と光電流測定器とを同一構成で実現できる。そのため、電圧・電流の位相関係を正確に捕捉することが可能となり、保護システムの高精度化を図ることができる。
【００２４】
請求項６の発明は、請求項５に記載の電気機器の保護システムにおいて、所定の光電流測定装置と組み合わせて事故点までのインピーダンスを測定し、そのインピーダンスより前記事故点を標定し電気機器を保護することを特徴としている。
このような請求項６の発明によれば、電圧・電流の位相関係を精密に測定でき、インピーダンスの高精度測定が可能である。したがって、事故点を正確に標定することができ、保護動作をよりいっそう安定して行うことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例について、図面を参照して具体的に説明する。なお、図７及び図８の従来例にて示した構成部材と同一部材に関しては同一符号を付して説明は省略する。
【００２６】
［１］第１の実施の形態
（１−１）構成
第１の実施の形態は請求項１の発明に対応しており、図１は第１の実施の形態の構成図である。第１の実施の形態は、測定対象となる電圧が印加されるＥＯ素子８に偏波面保存ファイバカプラー４を介して互いに逆方向に周回する偏光を送光させ、この送光により位相差の生じた両光を干渉させて電圧を求めるサニャック干渉型の光電圧測定装置であり、ＥＯ素子８の両端側に偏波面を４５°回転させる第１及び第２のファラデー回転子５，６を配置して送光を行うことを特徴としている。なお、光源１、カプラー２、偏光子３、偏波面保存ファイバカプラー４、位相変調器１０及び検出器１１を備えている点は図８に示したサニャック干渉型の光電流測定装置と共通である。
【００２７】
ＥＯ素子８はサニャック干渉計中に１つ配置され、ニオブ酸リチウム導波路による。第１のファラデー回転子５と第２のファラデー回転子６とでは偏波面の回転方向は逆になっている。さらに、検出器１１には電子回路１２が接続されている。電子回路１２は検出器１１にて変換した電気信号に基づきＥＯ素子８に印加された電圧７を計算するように構成されている。
【００２８】
（１−２）動作
以上の構成を有する第１の実施の形態において、光源１を出射した光はカプラー２を通り、偏光子３で直線偏光にされる。偏光子を出射した光は偏波保存ファイバカプラー４でサニャック干渉計を右回りに伝播する光と、サニャック干渉計を左回りに伝播する光に分岐される。サニャック干渉計を右回りに伝播する光は、第１のファラデー回転子５で偏波面を４５°回転され、電圧７を印加されたＥＯ素子８中で電気光学効果による印加電界に比例した位相差を受ける。このときのニオブ酸リチウム導波路への入射偏光方位は、導波路の固有複屈折軸と同一である。この光は再び第２のファラデー回転子６で偏波面を４５°、第１のファラデー回転子５とは逆方向に回転され、元の偏光方位となって、偏波保存ファイバ９に結合される。偏波保存ファイバ９にて結合された右回りの光はさらに位相変調器１０で位相変調され、偏波保存ファイバカプラー４まで到達する。
【００２９】
一方、サニャック干渉計を左回りに伝播する光は、サニャック干渉計を右回りに伝播する光と全く逆の光路を通って、再び偏波保存ファイバカプラー４でサニャック干渉計を左回りに伝播した光と干渉する。このとき、サニャック干渉計を左回りに伝播した光は、第２のファラデー回転子６によって、偏波が４５°回転されてニオブ酸リチウム導波路によるＥＯ素子８に結合されるため、右回りに伝播した光とは直交する偏波でニオブ酸リチウム導波路中を伝播することとなり、右回りの光とは逆の電気光学効果による位相差が与えられる。そして、偏波保存ファイバカプラー４を通過した干渉光は再び偏光子３、カプラー２を通り、検出器１１で電気信号に変換される。電子回路１２では、この電気信号から、印加された電圧を計算し、出力する。
【００３０】
（１−３）作用効果
以上のような第１の実施の形態によれば、図８に示した電流測定装置と同じく、サニャック干渉計を使用しており、センサ部であるＥＯ素子８、ファラデー回転子５，６を除いた全ての光学部品及び電子回路を同一にすることができる。このため、サニャック干渉型の光電流測定装置と特性の一致した光電圧測定装置を得ることが容易である。したがって、温度変化をはじめ厳しい環境条件下にあっても優れた特性を発揮することができる。しかも、分圧器が不要であるため、分圧器の設置に伴う耐絶縁性、応答速度、測定精度の制限を無くすことができ、光化のメリットを十分に享受することが可能である。
【００３１】
ところで、第１の実施の形態に係る電圧計測装置において留意すべき点は、サニャック干渉計を右回り・左回りにそれぞれ周回する光の偏波を同一にするということである。この偏波がそれぞれ異なると、右回りに周回する光と、左回りに周回する光の間に時間差が生じ、正確な電圧測定ができなくなるからである。このため、第１の実施の形態においては、使用する光ファイバに偏波面保存ファイバ９を用いている。偏波面保存ファイバ９は大きな直線複屈折を持ったファイバであり、複屈折の軸に偏波をあわせて入射することによって、その偏波が複屈折の軸に沿って保存されるため、右回り光・左回り光ともに、同一偏波を伝播させることができる。なお、特願２０００−０９８８２０号公報に示された方法によって、シングルモードファイバ中にデポラライズ光を伝播させることによっても、本発明は実現可能である。
【００３２】
さらに、第１の実施の形態は基本的にサニャック干渉計であるので、既に開発されたサニャック干渉型のジャイロセンサや電流測定装置におけるノイズ低減やドリフト低減といった技術をそのまま流用できることはいうまでもない。例えば、セロダイン変調による零位法測定や変調の高調波を使用した変調・光量の安定化などを行うことができる。また、第１の実施の形態では偏波が高複屈折ファイバ及び導波路で固定されており、偏波揺らぎ及び光軸ずれの心配がない。このために、従来の光電圧測定装置で問題となっていた、光路ずれによる複屈折の変化の問題も生じ得ず、自然複屈折を持った電気光学結晶であっても、問題無く使用することができる。しかも、第１の実施の形態では、位相変調器１０を用いているため、小信号時の感度を向上させる場合に効果がある。
【００３３】
［２］第２の実施の形態
（２−１）構成
第２の実施の形態は請求項２の発明に対応しており、図２は第２の実施の形態の構成図である。第２の実施の形態の構成上の特徴は、サニャック干渉計中に２つのＥＯ素子８を配置し、これらのＥＯ素子８を光学的に直列に接続した点にある。このときの、複屈折の軸は両ＥＯ素子８及び偏波保存ファイバ９ともすべて合わせている。なお、光源１から電子回路１２までの構成及び動作については、第１の実施の形態と同一の構成を持ち、同一の動作を行っているので、同一の符号を付し、説明を省略する。また、第２の実施の形態においては、位相変調器１０を用いていないが、電圧とセンサ出力との関係がサイン関数からコサイン関数となるのみで、変調子は必ずしも必要なわけではない。
【００３４】
（２−２）作用効果
このような第２の実施の形態によれば、ＥＯ素子８を直列に接続することによって、各ＥＯ素子８に加わった電圧の和を検出することができる。したがって、電界を積分して電圧を得る場合に、各電界を検出するＥＯ素子を直列に接続するのみで検出することができ、単純なシステムを構築することができる。このため、高信頼性の電界積分型の光電圧測定器を得ることができる。また、ＥＯ素子８の一方を、零位法を行うための参照電圧の印可に用いることも可能である。
【００３５】
［３］第３の実施の形態
（３−１）構成
第３の実施の形態は請求項３の発明に対応しており、図３は第３の実施の形態の構成図である。光源１から電子回路１２までの構成及び動作については、第２の実施の形態と同一の構成及び動作なので、同一の符号を付し、説明を省略する。第２の実施の形態と異なっているところは、光学的に直列に接続されたＥＯ素子８の間に、さらに第３及び第４のファラデー回転子１３，１４が配置されていることである。
【００３６】
（３−２）作用効果
前記第２の実施の形態においては、サニャック干渉計を右回りに伝播する光、左回りに伝播する光の偏波が、ＥＯ素子間を接続する偏波保存ファイバー中で直交しているが、第３の実施の形態では、第３及び第４のファラデー回転子１３，１４を２つのＥＯ素子８間に加えることによって、サニャック干渉計を右回りに伝播する光、左回りに伝播する光とも、同一の偏波がＥＯ素子８間を接続する偏波保存ファイバ９中を伝播することになる。したがって、偏波保存ファイバ９中の直線複屈折の変化が測定上無視できない場合に有効である。
【００３７】
［４］第４の実施の形態
（４−１）構成
ところで、本発明は導波路型のセンサに限定されるわけではなく、図４に示したような空間伝播光を用いることによっても、実現することが可能である。なお、第４の実施の形態における基本的な構成は第１の実施の形態と同一であるので、同一機能の部材には同一の番号を付し、説明を省略する。
【００３８】
第４の実施の形態においては、偏波保存ファイバ９を使用する代わりに、空間ビームで光が伝播されている。光の分岐はカプラーの代わりに、反射率が５０％程度の部分反射鏡１５を使用している。電気光学結晶２６はバルク材をそのまま使用し、光路に対して横方向の電圧を加えられている。また、サニャック干渉計を構成するために、折り返しミラー１６を使用している。
【００３９】
（４−２）作用効果
このような第４の実施の形態によれば、光の電波が空間ビームによっているため、取り扱いは第１の実施の形態よりも煩雑となるが、サニャック干渉型電流測定器と同一の信号処理系が使用できることに変わりはなく、上記実施の形態と都同様の作用効果を期待するれことができる。
【００４０】
［５］第５の実施の形態
（５−１）構成
図５に示す第５の実施の形態は上記第１の実施の形態を用いた電力又は電力量の測定装置であって、請求項４の発明に対応している。なお、電圧を測定する部分については第１の実施の形態と同一であるので同一の番号を付し、説明を省略する。また、電流測定部分については図８と同一であるので、こちらも同一番号を付し、説明を省略する。第５の実施の形態では、電圧測定装置の出力と電流測定装置の出力から乗算器２１を用いて電力が計算されるようになっている。
【００４１】
（５−２）作用効果
図５から明らかなように、ほとんどの構成部品が電圧測定装置と電流測定装置とで同一となっている。電気光学効果及びファラデー効果は電流・電圧に対して時間遅れなく作用するため、位相補償を行う必要が無い。すなわち、電子回路１２で生じる位相誤差が電流測定器と電圧測定器で同一方向に働き、電流・電圧間の位相差は正確に検出される。この結果、電圧測定装置と電流測定装置との出力から乗算器２１にて電力を計算する際に、測定誤差を非常に小さくすることが可能である。このことは、高精度な電力測定をより単純に行うことができることを意味する。したがって、第５の実施の形態においてはその感度さえ安定なように設計すればよく、部品点数の低減と信頼性の向上に寄与することができる。
【００４２】
［６］第６の実施の形態
（６−１）構成
第６の実施の形態は請求項６の発明に対応しており、上記第３の実施の形態を用いた送電線距離継電器であって、電気機器の保護システムを構成するものである。図６において、電圧測定部分については第３の実施の形態と同一であるので、同一の番号を付し、説明を省略する。また、電流測定部分については図８と同一であるので、こちらも同一番号を付し、説明を省略する。
【００４３】
光電流測定器のセンシングファイバ１９は碍子２２の上部に取り付けられ、大地との絶縁を保っている。電圧測定装置に含まれるＥＯ素子８は、碍子内部に３カ所取り付けられ、等価的に電流路２０である送電線と大地の間の電界の積分を行い、電圧を測定するように構成されている。なお、電子回路１２は碍子２２の根本付近に設置された現場盤２３内に設置される。この現場盤２３内には両測定器からの信号を元に、電圧／電流の演算を行う地絡継電器２４が配置されている。
【００４４】
（６−２）作用効果
第６の実施の形態では、前記第５の実施の形態と同じく、ほとんどの構成部品が電圧測定装置及び電流測定装置で同一となっているため、位相補償を行う必要が無く、電流・電圧間の位相差を正確に検出することができる。また、地絡継電器２４は両測定器からの信号を元に電圧／電流の演算を行っている。送電系統が正常に動作している場合には、この演算値は十分に大きな値を示すが、一度地絡・短絡事故が生じると、送電線には大きな電流が流れ、この値は小さくなる。地絡時、短絡時には、この値は地絡点、短絡点までのインピーダンスと等しくなる。つまり、この値から事故点までの距離を求めることができる。求められた距離によって継電器の保護区間内の事故が想定される場合には、継電器は図示されない事故区間両端の遮断器を動作させて、事故区間を取り除く。使用している信号が電圧と電流信号の比であり、相対的な精度が問題となる。このため、第６の実施の形態に示したように、電圧／電流ともにほぼ同一構成で測定を行うメリットは大きい。また、第６の実施の形態において、正確に位相情報を取得することができる。したがって、事故の様相や方向を的確に判断することが可能となり、いっそう優れた信頼性を発揮することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光電圧測定装置によれば、温度変化を初めとした環境変化に強く、安定して動作することができ、しかも分圧器を省くことにより分圧器による耐絶縁性、応答速度、測定精度の制限を回避可能な、高精度で高信頼性の光電圧測定装置を得ることができる。また、本発明によれば、電流・電圧の位相特性を揃えることで測定精度及び信頼性の向上を図った電力又は電力量の測定装置並びに電気機器の保護システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の構成図。
【図２】本発明に係る第２の実施の形態の構成図。
【図３】本発明に係る第３の実施の形態の構成図。
【図４】本発明に係る第４の実施の形態の構成図。
【図５】本発明に係る第５の実施の形態の構成図。
【図６】本発明に係る第６の実施の形態の構成図。
【図７】従来の光電圧測定器の構成図。
【図８】従来のサニャック干渉型の光電流測定器の構成図。
【図９】従来の光電圧測定器の構成図。
【図１０】従来の光電圧測定器の構成図。
【符号の説明】
１…光源
２…カプラー
３…偏光子
４…偏波面保存ファイバカプラー
５…第１のファラデー回転子
６…第２のファラデー回転子
７…電圧
８…ＥＯ素子
９…偏波保存ファイバ
１０…位相変調子
１１…検出器
１２…電子回路
１３…第３のファラデー回転子
１４…第４のファラデー回転子
１５…部分反射鏡
１６…折り返しミラー
１７…第１の１／４波長板
１８…第２の１／４波長板
１９…センサファイバ
２０…電流路
２１…乗算器
２２…碍子
２３…現場盤
２４…距離継電器
２６…電気光学結晶
２７…検光子
３４…電極端子
３５…同期検波器
３６…発振回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical voltage measuring device, an electric power or electric energy measuring device using the optical voltage measuring device, and an electrical equipment protection system.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, optical measuring instruments that optically measure voltage and current are installed in electric stations such as power stations, substations, and switching stations. FIG. 7 is a perspective front view showing a schematic structure of a conventional optical voltage measuring device. This optical voltage measuring device includes a sensor unit, a light emitting unit, a light receiving unit, and a light emitting side and light receiving side signal processing circuit (not shown), and an object to be measured is applied between electrode terminals 34 described later. Applied voltage Vm. The sensor unit includes a polarizer 3, a quarter-wave plate (also referred to as “λ / 4 plate”) 25, an electro-optic crystal 26, and an analyzer 27 arranged on the same optical axis in order from the light incident side. ing. A pair of electrodes 32 is deposited on the electro-optic crystal 26, and each electrode 32 is electrically connected to a pair of electrode terminals 34 by lead wires 33. That is, the applied voltage Vm from the electrode terminal 34 is applied to the electro-optic crystal 26. As the material of the electro-optic crystal 26, Bi12SiO20 (BSO), KDP, LiNbO3 having natural birefringence, LiTaO3, or the like is used.
[0003]
The light emitting unit includes an E / O circuit including a light emitting element such as an LED (Light Emitting Diode) as the light source 1, and an optical fiber 28a, a ferrule 29a, a GRIN lens 30a, and a holder 31a arranged on the same optical axis. And a side optical system. The light receiving unit converts an output-side optical system including the optical fiber 28b, the ferrule 29b, the GRIN lens 30b, and the holder 31b disposed on the same optical axis, and an optical signal emitted from the output-side optical system into an electrical signal. And an O / E circuit including the detector 11.
[0004]
Each optical component in the input side optical system of the light emitting unit and the output side optical system of the light receiving unit has optical axis surfaces in contact with each other bonded by an adhesive. Further, in the sensor unit of the optical voltage measuring device, the optical components that are arranged on the same optical axis, that is, the polarizer 3, the quarter wavelength plate 25, the electro-optic crystal 26, and the analyzer 27 are also in contact with each other. All surfaces are bonded with adhesive. Here, the optical axis surface means a surface perpendicular to the optical axis, and there are two light incident surfaces and light output surfaces for each optical component (the same applies hereinafter).
[0005]
The light emitting side and light receiving side signal processing circuits are connected to the sensor unit by a light emitting unit and a light receiving unit, respectively. At this time, the input side optical axis surface of the polarizer 3 of the sensor unit is the optical axis surface of the GRIN lens 30a of the light emitting unit, and the output side optical axis surface of the analyzer 27 of the sensor unit is the optical axis of the GRIN lens 30b of the light receiving unit. The surfaces are bonded to each other by an adhesive. The sensor unit, the input side optical system in the light emitting unit, and the output side optical system in the light receiving unit are mechanically fixed to a case (not shown). In general, an epoxy or urethane resin is used as an adhesive for each optical component.
[0006]
Next, the operation principle of the optical voltage measurement apparatus having the above configuration will be described. For example, when an LED having a central wavelength of 0.85 μm is used as the light source 1 in the light emitting unit, the non-polarized light of the LED is emitted from the light source 1 and passes through the input side optical system of the light emitting unit and the polarizer 3 of the sensor unit. It becomes linearly polarized light. The linearly polarized light passes through the quarter-wave plate 25 and becomes circularly polarized light, and the circularly polarized light passes through the electro-optic crystal 26 and then becomes elliptic according to the strength of the applied voltage Vm from the electrode terminal 34 to the electro-optic crystal 26. And becomes elliptically polarized light.
[0007]
The elliptically polarized light is received by the detector 11 after passing through the analyzer 27 of the sensor unit and the output side optical system of the light receiving unit. The amount of light output from the analyzer 27 corresponds to the polarization state of the light passing through the electro-optic crystal 26. Since this polarization state changes depending on the voltage Vm applied to the electro-optic crystal 26, the change in the amount of light output from the analyzer 27 is monitored via the optical fiber 28b on the light receiving side, and the optical signal is converted into an electric signal by the detector 11. The voltage Vm applied to the electro-optic crystal 26 can be measured by calculating the degree of modulation of the amount of light when converting to a signal. Here, the modulation degree of the light quantity is a ratio of the AC component and the DC component in the light quantity.
[0008]
By the way, it is rather rare for the above-described photovoltage measuring device to function alone in an electric station, and in combination with the photocurrent measuring device, power, electric energy, or reactive power is measured, impedance is calculated, and distance is calculated. It is generally used to operate a protection system for electrical equipment called a relay. Like the photovoltage measuring device, the photocurrent measuring device is a measuring instrument using light, but its principle and configuration are completely different. Next, a conventional example of a photocurrent measuring device will be described.
[0009]
Several types of photocurrent measuring devices have been proposed, but those equipped with a Sagnac interferometer composed of an optical fiber coil have attracted attention. The Sagnac interferometer is composed of an optical fiber coil, and has been used as a rotation detection of a moving body as an optical fiber gyroscope, but has a characteristic of reacting to a magnetic field generated by an electric current in addition to the rotation detection. Therefore, current measurement can be performed using this characteristic. The operating principle of current measurement with a Sagnac interferometer is as follows. That is, when a magnetic field is applied to an optical fiber coil, which is a transparent material, the polarization plane is rotated by the Faraday effect, and the rotation angle of the polarization plane is proportional to the strength of the magnetic field and the light passage distance. Due to the rotation of the polarization plane, a phase difference is generated between the left-handed light and the right-handed light that circulates around the optical fiber coil. By detecting this phase difference, a magnetic field applied to the optical fiber coil is generated. It becomes possible to measure the original current.
[0010]
Such a Sagnac interference type photocurrent measuring device will be specifically described with reference to FIG. As shown in FIG. 8, a light source 1 is disposed in a Sagnac interferometer-type current measuring device, and a coupler 2 is connected to the light source 1 as a beam separating means for branching light from the light source 1. A Sagnac interferometer composed of an optical fiber coil is connected to the coupler 2 via a polarizer 3 and a polarization-maintaining fiber coupler 4. The Sagnac interferometer is provided with a phase modulator 10 and a sensor fiber 19 surrounding the current path 20, and first and second quarter-wave plates 17 and 18 are disposed on both sides of the sensor fiber 19. ing. The first and second quarter-wave plates 17 and 18 are configured to output circularly polarized light when linearly polarized light is input via a polarizing filter, and output linearly polarized light when circularly polarized light is input. The coupler 2 is connected to a detector 11 that converts an optical signal into an electrical signal. Further, a synchronous detector 35 is connected to the detector 11. The synchronous detector 35 is connected to an oscillating circuit 36 that supplies a reference signal to the synchronous detector 35.
[0011]
In the Sagnac interferometric current measuring device having the above configuration, the light emitted from the light source 1 reaches the polarization plane preserving fiber coupler 4 through the polarizer 3 and circulates in the reverse direction in the Sagnac interferometer. That is, it is sent as left-handed light and right-handed light. Of these, the counterclockwise light is first phase-modulated by the phase modulator 10, and the phase-modulated counterclockwise light passes through the second quarter-wave plate 18 and enters the sensor fiber 19, and goes counterclockwise. Then, the light passes through the first quarter-wave plate 17, the polarization-maintaining fiber coupler 4, the polarizer 3, and the coupler 2 and reaches the detector 11 to be received. On the other hand, the clockwise light passes through the first quarter-wave plate 17 and enters the sensor fiber 19, rotates clockwise and passes through the second quarter-wave plate 18 and then the phase modulator. 10, the phase-modulated clockwise light passes through the polarization-maintaining fiber coupler 4, the polarizer 3, and the coupler 2 and reaches the detector 11 to be received.
[0012]
When a magnetic field is applied to the sensor fiber 19 between the counterclockwise light and the clockwise light after circulating around the sensor fiber 19, a phase difference is generated, and the polarization-maintaining fiber coupler 4 and the polarizer 3 cause a phase difference. As a result of the interference, the phase-modulated light whose light intensity has changed is received by the detector 11. The phase-modulated light reaching the detector 11 is photoelectrically converted into an electrical signal here. The electrical signal photoelectrically converted by the detector 11 is input to the synchronous detector 35. The synchronous detector 35 obtains a detection output having a phase difference proportional to the magnetic field applied to the sensing fiber 19 by using the signal supplied from the oscillation circuit 36 as a reference signal (for details of phase modulation, refer to Japanese Patent Application No. 10-1999). -162419 and Japanese Patent Application No. 11-197244). As described above, in the Sagnac interference type current measuring device, circularly polarized light is incident and propagated from both ends of the current detection coil, causes both lights having a phase difference to interfere with each other, and the applied magnetic field is based on the change in the light intensity. Can be measured.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, both the photovoltage measuring device and the photocurrent measuring device are often used in a severe outdoor environment, and are required to have excellent temperature characteristics. Specifically, it is desired that the change in relative error is ± 1% or less and the phase change is 1 ° or less at −20 ° C. to 80 ° C. However, in the conventional optical voltage measuring apparatus, there are many factors that cause errors in sensitivity and phase due to temperature changes. For example, there is a change in refractive index due to stress at the bonding portion in a quarter-wave plate or an electro-optic crystal, a change in birefringence in the quarter-wave plate, and a change in thermal drift or offset in the electronic circuit portion. Further, in the case of an electro-optic crystal having natural birefringence such as LiNbO3, the incident light may be misaligned. Therefore, there has been a demand for an optical voltage measuring device that exhibits excellent environmental resistance and operates stably even in harsh environments. Moreover, the behavior differs between the conventional optical voltage measuring device and the current measuring device. For this reason, when calculating | requiring electric power and impedance combining both, the error tends to become large, and it has caused the fall of measurement accuracy.
[0014]
In addition, the voltage measuring device has a problem in the voltage dividing method. That is, since the electro-optic crystal used for voltage measurement is mechanically weak and expensive, it is not performed by applying a high voltage such as 500 kV to the electro-optic crystal as it is. This is applied to the electro-optic crystal after being lowered to a voltage that does not require a long insulation distance of about 100 V with a voltage divider. However, in such a method using a voltage divider, the insulation resistance, response speed, and measurement accuracy are limited by the voltage divider while using an optical measurement means, and the benefits of lightization can be enjoyed. Has become difficult.
[0015]
Therefore, the group at the University of Tokyo has proposed the voltage measuring device shown in FIG. 9 in “Pockels High-Voltage Measurement System”, IEEE Transaction on Power Delivery, Vol.15, N0.1 (2000). The basic principle configuration is the same as that of the voltage measuring apparatus shown in FIG. 7, but has a feature in the portion of the electro-optic crystal that detects the voltage. That is, a plurality of disc-shaped electro-optic crystals are arranged between the high-voltage electrodes, and the voltage is measured by measuring the electro-optic effect generated by the plurality of crystals. According to such a voltage measuring apparatus, it is possible to measure the voltage between the electrodes by integrating the electric field although it is incomplete. However, in this voltage measuring apparatus, since a relatively long distance between the electrodes is propagated by the beam into the gas, an error is likely to occur due to the influence of beam fluctuation.
[0016]
Similarly, a method that does not perform spatial propagation of long optical paths while integrating the electric field is "230 kV optical voltage transducer using a distributed optical electric field sensor system", Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2001 IEEE / PES, Volume : 1, 2001. This is characterized in that a plurality of electric field sensors are placed in an insulator as shown in FIG. 10 and the electric field is integrated, and a plurality of independent electric field sensors are arranged to measure the voltage proposed by the group of the University of Tokyo mentioned above. Different from the device. Although the specific configuration of the electric field sensor is not described in this paper, it is expected that the influence of beam fluctuation can be reduced, and high accuracy can be expected. However, a plurality of sets of light sources, optical systems, light receivers, and electronic circuits are necessary, which not only increases the price, but also increases the number of parts may directly lead to a decrease in reliability.
[0017]
As described above, the photovoltage measuring device has a sensitivity error and a phase error due to environmental changes including temperature as described above. Further, since the behavior of the photovoltage measuring device is different from that of the current measuring device, it is easy to widen errors in measuring power and impedance, and the measurement accuracy is deteriorated. Furthermore, when a voltage divider is used for the measurement, the voltage resistance restricts insulation resistance, response speed, and measurement accuracy. In addition, photovoltage measuring devices aimed at voltage dividers have been proposed, but light propagation in long-distance gas is required, and many light sources and optical systems are required. There was a problem with reliability.
[0018]
The present invention has been proposed in order to solve the above-described problems of the prior art, and its purpose is to be resistant to environmental changes including temperature changes, and to operate stably. It is an object of the present invention to provide a highly accurate and highly reliable photovoltage measuring device which can avoid limitations on insulation resistance, response speed, and measurement accuracy due to the voltage divider by omitting the voltage divider.
Another object of the present invention is to realize a power or power amount measuring apparatus and an electrical equipment protection system that improve measurement accuracy and reliability by aligning phase characteristics of current and voltage.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 causes the electro-optic element to which a voltage to be measured is applied to transmit polarized light that circulates in opposite directions via a polarization plane preserving fiber coupler, In an optical voltage measuring apparatus that obtains the voltage by causing interference between both lights having a phase difference caused by light transmission, on both ends of the electro-optic element The light of the component which rotated the incident polarization plane 45 degrees is emitted. The first and second Faraday rotators are arranged, and the first Faraday rotator and the second Faraday rotator are The polarization planes of the light incident on the electro-optic element from opposite directions through the polarization-preserving fiber coupler are rotated by 45 ° in the opposite direction, and the polarization plane of the light emitted from the electro-optic element is 45 in the opposite direction. Rotate the original polarization The electro-optic element is applied with a voltage applied to the light in the reverse direction based on the polarization plane of the light rotated in the reverse direction 45 ° by the first and second Faraday rotators. Proportional Phase difference And output from the electro-optic element to the polarization-preserving fiber coupler. Receives light in both forward and reverse directions, and adjusts the intensity of the light due to the phase difference. It is characterized by connecting a detector that outputs an electrical signal based thereon.
In the first aspect of the invention, by disposing a Faraday rotator on both ends of the electro-optic element and transmitting polarized light that circulates in the opposite direction, it has the same configuration as the Sagnac interference type current measuring device, The voltage can be measured. Therefore, it is possible to realize a voltage measuring device that is excellent in environmental resistance and does not require a voltage divider. Moreover, it is possible to directly use techniques such as noise reduction and drift reduction that have been developed in Sagnac interference type gyro sensors and current measuring devices, and it is possible to improve measurement accuracy and operational reliability.
[0020]
According to a second aspect of the present invention, in the optical voltage measuring device according to the first aspect, a plurality of electro-optical elements are arranged and these electro-optical elements are optically connected in series.
According to the invention of claim 2, in addition to the invention of claim 1, the sum of arbitrary electric fields and voltages can be obtained by connecting a plurality of electro-optic elements as sensor units in series. it can. For this reason, simplification of a system is easy and reliability improves further.
[0021]
According to a third aspect of the present invention, in the optical voltage measuring device according to the second aspect, Faraday rotators are arranged on both sides of the plurality of electro-optic elements, and these Faraday rotators are optically connected in series. Yes.
According to the third aspect of the invention, in addition to the first aspect of the invention, a plurality of Faraday rotators arranged between the electro-optic elements are connected in series, whereby a plurality of series-connected electro-optics are provided. The polarization azimuth between the elements can be the same for both the light that rotates clockwise in the Sagnac interferometer and the light that rotates counterclockwise. Therefore, the influence of the birefringence change in the optical path between the electro-optic elements can be suppressed, and a highly accurate photovoltage measuring device can be realized.
[0022]
An apparatus for measuring electric power or electric energy according to the invention of claim 4 is characterized by using the optical voltage measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3.
According to the power or power amount measuring device of claim 4, the optical voltage measuring device is used as a voltage measuring unit of the power or power amount measuring device, so that the optical voltage measuring unit side and the photocurrent measuring unit side are optical. Components and electronic circuits can be shared. Since the electro-optic effect and the Faraday effect act on the current / voltage without time delay, there is no need to perform phase compensation. Therefore, the phase characteristics of current and voltage can be made uniform, and the phase difference between current and voltage can be accurately detected. As a result, electric power or electric energy can be measured with high accuracy.
[0023]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a protection system for an electric device using the optical voltage measuring device according to any one of the first to third aspects.
According to the fifth aspect of the present invention, the photovoltage measuring device and the photocurrent measuring device can be realized with the same configuration. Therefore, the phase relationship between the voltage and current can be accurately captured, and the protection system can be highly accurate.
[0024]
According to a sixth aspect of the present invention, in the electrical equipment protection system according to the fifth aspect, the impedance up to the fault point is measured in combination with a predetermined photocurrent measuring device, the fault point is determined from the impedance, and the electric equipment is It is characterized by protection.
According to such a sixth aspect of the invention, the voltage / current phase relationship can be accurately measured, and the impedance can be measured with high accuracy. Therefore, the accident point can be accurately determined, and the protective operation can be performed more stably.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same member as the structural member shown in the prior art example of FIG.7 and FIG.8, and description is abbreviate | omitted.
[0026]
[1] First embodiment
(1-1) Configuration
The first embodiment corresponds to the invention of claim 1, and FIG. 1 is a configuration diagram of the first embodiment. In the first embodiment, the EO element 8 to which a voltage to be measured is applied is caused to transmit polarized light that circulates in opposite directions via the polarization plane preserving fiber coupler 4, and a phase difference is generated by this light transmission. A Sagnac interference type optical voltage measuring device that obtains a voltage by interfering the two lights, and first and second Faraday rotators 5 and 6 that rotate the polarization plane by 45 ° are arranged on both ends of the EO element 8. And transmitting light. The light source 1, the coupler 2, the polarizer 3, the polarization-maintaining fiber coupler 4, the phase modulator 10 and the detector 11 are common to the Sagnac interference type photocurrent measuring apparatus shown in FIG. .
[0027]
One EO element 8 is disposed in the Sagnac interferometer and is based on a lithium niobate waveguide. In the first Faraday rotator 5 and the second Faraday rotator 6, the rotation directions of the polarization planes are reversed. Furthermore, an electronic circuit 12 is connected to the detector 11. The electronic circuit 12 is configured to calculate the voltage 7 applied to the EO element 8 based on the electrical signal converted by the detector 11.
[0028]
(1-2) Operation
In the first embodiment having the above configuration, the light emitted from the light source 1 passes through the coupler 2 and is linearly polarized by the polarizer 3. The light emitted from the polarizer is branched by the polarization maintaining fiber coupler 4 into light propagating clockwise through the Sagnac interferometer and light propagating counterclockwise through the Sagnac interferometer. The light propagating clockwise through the Sagnac interferometer is rotated by 45 ° in the plane of polarization by the first Faraday rotator 5 and the phase difference proportional to the applied electric field due to the electrooptic effect in the EO element 8 to which the voltage 7 is applied. Receive. At this time, the incident polarization direction to the lithium niobate waveguide is the same as the intrinsic birefringence axis of the waveguide. This light is again rotated by the second Faraday rotator 6 in the direction of polarization of 45 ° and in the opposite direction to the first Faraday rotator 5, becomes the original polarization direction, and is coupled to the polarization maintaining fiber 9. . The clockwise light coupled by the polarization maintaining fiber 9 is further phase-modulated by the phase modulator 10 and reaches the polarization maintaining fiber coupler 4.
[0029]
On the other hand, the light propagating counterclockwise through the Sagnac interferometer passes through the optical path completely opposite to the light propagating clockwise through the Sagnac interferometer, and again propagates counterclockwise through the Sagnac interferometer with the polarization-maintaining fiber coupler 4. Interferes with light. At this time, the light propagating counterclockwise through the Sagnac interferometer is rotated by 45 ° by the second Faraday rotator 6 and coupled to the EO element 8 by the lithium niobate waveguide. It propagates in the lithium niobate waveguide with a polarization orthogonal to the propagated light, and a phase difference due to the electro-optic effect opposite to that of the clockwise light is given. The interference light that has passed through the polarization-maintaining fiber coupler 4 passes through the polarizer 3 and the coupler 2 again, and is converted into an electrical signal by the detector 11. The electronic circuit 12 calculates and outputs an applied voltage from this electrical signal.
[0030]
(1-3) Effects
According to the first embodiment as described above, the Sagnac interferometer is used as in the current measuring apparatus shown in FIG. 8 except for the EO element 8 and the Faraday rotators 5 and 6 which are sensor units. All optical components and electronic circuits can be made identical. For this reason, it is easy to obtain a photovoltage measuring device having the same characteristics as those of the Sagnac interference type photocurrent measuring device. Therefore, excellent characteristics can be exhibited even under severe environmental conditions including temperature changes. In addition, since a voltage divider is not required, the limitations on insulation resistance, response speed, and measurement accuracy associated with the installation of the voltage divider can be eliminated, and the merit of opticalization can be fully enjoyed.
[0031]
By the way, the point to be noted in the voltage measuring apparatus according to the first embodiment is that the polarization of light that circulates around the Sagnac interferometer clockwise and counterclockwise is the same. This is because if the polarizations are different, a time difference occurs between the light that circulates clockwise and the light that circulates counterclockwise, and accurate voltage measurement cannot be performed. For this reason, in the first embodiment, the polarization-maintaining fiber 9 is used as the optical fiber to be used. The polarization plane preserving fiber 9 is a fiber having a large linear birefringence, and the polarization is preserved along the birefringence axis when the polarization is incident on the birefringence axis. Both the light and counterclockwise light can propagate the same polarization. The present invention can also be realized by propagating depolarized light in a single mode fiber by the method disclosed in Japanese Patent Application No. 2000-098820.
[0032]
Furthermore, since the first embodiment is basically a Sagnac interferometer, it is needless to say that techniques such as noise reduction and drift reduction in a Sagnac interference type gyro sensor and current measuring device that have already been developed can be used as they are. . For example, it is possible to perform zero-point method measurement by serrodyne modulation, modulation using a harmonic of modulation, stabilization of light quantity, and the like. In the first embodiment, the polarization is fixed by the high birefringence fiber and the waveguide, and there is no fear of polarization fluctuation and optical axis deviation. For this reason, the problem of change in birefringence due to optical path deviation, which has been a problem with conventional photovoltage measuring devices, can not occur, and even electro-optic crystals with natural birefringence should be used without problems. Can do. Moreover, since the phase modulator 10 is used in the first embodiment, it is effective for improving the sensitivity at the time of a small signal.
[0033]
[2] Second embodiment
(2-1) Configuration
The second embodiment corresponds to the invention of claim 2, and FIG. 2 is a configuration diagram of the second embodiment. The structural feature of the second embodiment is that two EO elements 8 are arranged in a Sagnac interferometer, and these EO elements 8 are optically connected in series. At this time, the birefringence axis is aligned with both the EO elements 8 and the polarization maintaining fiber 9. Since the configuration and operation from the light source 1 to the electronic circuit 12 have the same configuration as the first embodiment and perform the same operation, the same reference numerals are given and description thereof is omitted. Further, in the second embodiment, the phase modulator 10 is not used, but the relationship between the voltage and the sensor output is merely a cosine function to a sine function, and a modulator is not necessarily required.
[0034]
(2-2) Effects
According to the second embodiment, the sum of voltages applied to the EO elements 8 can be detected by connecting the EO elements 8 in series. Therefore, when the electric field is integrated to obtain a voltage, it can be detected simply by connecting the EO elements for detecting each electric field in series, and a simple system can be constructed. Therefore, a highly reliable electric field integration type photovoltage measuring device can be obtained. Also, one of the EO elements 8 can be used for applying a reference voltage for performing the null method.
[0035]
[3] Third embodiment
(3-1) Configuration
The third embodiment corresponds to the invention of claim 3, and FIG. 3 is a configuration diagram of the third embodiment. Since the configuration and operation from the light source 1 to the electronic circuit 12 are the same as those in the second embodiment, the same reference numerals are given and description thereof is omitted. The difference from the second embodiment is that third and fourth Faraday rotators 13 and 14 are further arranged between the EO elements 8 optically connected in series.
[0036]
(3-2) Effects
In the second embodiment, the light propagating clockwise through the Sagnac interferometer and the polarization of the light propagating counterclockwise are orthogonal in the polarization-maintaining fiber connecting the EO elements. In the third embodiment, by adding the third and fourth Faraday rotators 13 and 14 between the two EO elements 8, both the light propagating clockwise in the Sagnac interferometer and the light propagating counterclockwise are obtained. The same polarized wave propagates through the polarization maintaining fiber 9 connecting the EO elements 8. Therefore, this is effective when the change in linear birefringence in the polarization-maintaining fiber 9 cannot be ignored in measurement.
[0037]
[4] Fourth embodiment
(4-1) Configuration
By the way, the present invention is not limited to the waveguide type sensor, and can also be realized by using spatially propagated light as shown in FIG. In addition, since the basic composition in 4th Embodiment is the same as 1st Embodiment, the same number is attached | subjected to the member of the same function, and description is abbreviate | omitted.
[0038]
In the fourth embodiment, instead of using the polarization maintaining fiber 9, light is propagated by a spatial beam. For branching light, a partial reflection mirror 15 having a reflectance of about 50% is used instead of the coupler. The electro-optic crystal 26 uses a bulk material as it is, and a voltage in the lateral direction is applied to the optical path. Further, a folding mirror 16 is used to construct a Sagnac interferometer.
[0039]
(4-2) Effects
According to such a fourth embodiment, since the radio wave of light is a spatial beam, handling is more complicated than in the first embodiment, but the same signal processing system as the Sagnac interferometric current measuring instrument However, it can be expected that the same effect as the above embodiment can be expected.
[0040]
[5] Fifth embodiment
(5-1) Configuration
The fifth embodiment shown in FIG. 5 is a power or power amount measuring apparatus using the first embodiment, and corresponds to the invention of claim 4. In addition, since the part which measures a voltage is the same as 1st Embodiment, it attaches | subjects the same number and abbreviate | omits description. Further, since the current measurement part is the same as that in FIG. In the fifth embodiment, power is calculated using the multiplier 21 from the output of the voltage measurement device and the output of the current measurement device.
[0041]
(5-2) Effects
As is apparent from FIG. 5, most of the components are the same in the voltage measuring device and the current measuring device. Since the electro-optic effect and the Faraday effect act on the current / voltage without time delay, there is no need to perform phase compensation. That is, the phase error generated in the electronic circuit 12 works in the same direction in the current measuring device and the voltage measuring device, and the phase difference between the current and voltage is accurately detected. As a result, the measurement error can be made very small when the multiplier 21 calculates the power from the outputs of the voltage measuring device and the current measuring device. This means that highly accurate power measurement can be performed more simply. Therefore, in the fifth embodiment, it is only necessary to design so that the sensitivity is stable, which can contribute to the reduction of the number of parts and the improvement of the reliability.
[0042]
[6] Sixth embodiment
(6-1) Configuration
6th Embodiment respond | corresponds to invention of Claim 6, It is a power transmission line distance relay using the said 3rd Embodiment, Comprising: The protection system of an electric equipment is comprised. In FIG. 6, the voltage measurement part is the same as that of the third embodiment, so the same number is assigned and the description is omitted. Further, since the current measurement part is the same as that in FIG.
[0043]
The sensing fiber 19 of the photocurrent measuring device is attached to the upper part of the insulator 22 and maintains insulation from the ground. Three EO elements 8 included in the voltage measuring device are attached to the inside of the insulator, and are configured to measure the voltage by equivalently integrating the electric field between the transmission line as the current path 20 and the ground. . The electronic circuit 12 is installed in a field board 23 installed near the root of the insulator 22. In the field panel 23, a ground fault relay 24 for calculating voltage / current based on signals from both measuring devices is arranged.
[0044]
(6-2) Effects
In the sixth embodiment, as in the fifth embodiment, since most of the components are the same in the voltage measuring device and the current measuring device, there is no need to perform phase compensation, and the current-voltage The phase difference can be accurately detected. The ground fault relay 24 calculates voltage / current based on signals from both measuring instruments. When the power transmission system is operating normally, this calculated value shows a sufficiently large value. However, once a ground fault or short circuit accident occurs, a large current flows through the transmission line, and this value becomes small. At the time of ground fault and short circuit, this value is equal to the impedance to the ground fault point and the short circuit point. That is, the distance from this value to the accident point can be obtained. When an accident within the protection section of the relay is assumed due to the determined distance, the relay operates the circuit breakers at both ends of the accident section (not shown) to remove the accident section. The signal used is the ratio of voltage and current signals, and relative accuracy becomes a problem. For this reason, as shown in the sixth embodiment, the merit of performing measurement with substantially the same configuration for both voltage and current is great. In the sixth embodiment, phase information can be acquired accurately. Therefore, it is possible to accurately determine the aspect and direction of the accident, and it is possible to further improve the reliability.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, according to the photovoltage measuring device of the present invention, it is resistant to environmental changes such as temperature changes, can operate stably, and further, by eliminating the voltage divider, insulation resistance by the voltage divider Thus, it is possible to obtain a highly accurate and highly reliable photovoltage measuring device that can avoid limitations on response speed and measurement accuracy. In addition, according to the present invention, it is possible to realize a power or power amount measuring apparatus and an electrical equipment protection system in which measurement accuracy and reliability are improved by aligning current / voltage phase characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a second embodiment according to the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram of a third embodiment according to the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a fourth embodiment according to the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram of a fifth embodiment according to the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram of a sixth embodiment according to the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram of a conventional photovoltage measuring device.
FIG. 8 is a configuration diagram of a conventional Sagnac interference type photocurrent measuring device.
FIG. 9 is a configuration diagram of a conventional photovoltage measuring device.
FIG. 10 is a configuration diagram of a conventional photovoltage measuring device.
[Explanation of symbols]
1 ... Light source
2 ... Coupler
3 ... Polarizer
4. Polarization plane preserving fiber coupler
5 ... First Faraday rotator
6 ... Second Faraday rotator
7 ... Voltage
8 ... EO element
9 ... Polarization-maintaining fiber
10 ... Phase modulator
11 ... Detector
12 ... Electronic circuit
13 ... Third Faraday rotator
14 ... Fourth Faraday rotator
15 ... Partial reflector
16 ... Folding mirror
17: First quarter wave plate
18: Second quarter wave plate
19 ... sensor fiber
20 ... Current path
21 ... Multiplier
22 ... Reiko
23. On-site board
24 ... Distance relay
26 ... Electro-optic crystal
27 ... Analyzer
34 ... Electrode terminal
35 ... Synchronous detector
36. Oscillation circuit

Claims

測定対象となる電圧が印加される電気光学素子に偏波面保存ファイバカプラーを介して互いに逆方向に周回する偏光を送光させ、この送光により位相差の生じた両光を干渉させて前記電圧を求める光電圧測定装置において、
前記電気光学素子の両端側に入射偏波面を４５°回転させた成分の光を出射する第１及び第２のファラデー回転子を配置し、
これら第１のファラデー回転子と第２のファラデー回転子は、前記偏波面保存ファイバカプラーを介して互いに逆方向から前記電気光学素子に入射する光の偏波面を逆方向に４５°回転させると共に、前記電気光学素子から出光する光の偏波面を逆方向に４５°回転させて元の偏光方位とするものであり、
前記電気光学素子は、前記第１及び第２のファラデー回転子による逆方向に４５°回転した光の偏波面に基づき、逆方向の光に対して、それぞれ印加電圧に比例した位相差を与えるものであり、
前記偏波面保存ファイバカプラーには、前記電気光学素子から出力した正逆両方向の光を受光して、その位相差による光の強弱に基づく電気信号を出力する検出器を接続したことを特徴とする光電圧測定装置。Polarized light that circulates in opposite directions is transmitted to an electro-optic element to which a voltage to be measured is applied via a polarization plane preserving fiber coupler, and both light beams having a phase difference are caused to interfere with each other by the transmitted light. In the photovoltage measuring device for obtaining
First and second Faraday rotators that emit light having a component obtained by rotating the incident polarization plane by 45 ° are disposed on both ends of the electro-optic element,
The first Faraday rotator and the second Faraday rotator rotate the polarization plane of the light incident on the electro-optic element from the opposite directions via the polarization plane preserving fiber coupler 45 ° in the opposite direction, The polarization plane of light emitted from the electro-optic element is rotated by 45 ° in the reverse direction to obtain the original polarization direction,
The electro-optic element is based on the polarization plane of light rotated 45 ° in the reverse direction by the first and second Faraday rotators, and gives a phase difference proportional to the applied voltage to the light in the reverse direction, respectively. And
The polarization-preserving fiber coupler is connected to a detector that receives light in both forward and reverse directions output from the electro-optic element and outputs an electric signal based on the intensity of the light due to the phase difference. Photovoltage measuring device.

前記電気光学素子を複数配置し、これらの電気光学素子を光学的に直列に接続したことを特徴とする請求項１記載の光電圧測定装置。The photovoltage measuring device according to claim 1, wherein a plurality of the electro-optic elements are arranged and these electro-optic elements are optically connected in series.

複数の電気光学素子の両側にファラデー回転子を配置し、これらのファラデー回転子を光学的に直列に接続したことを特徴とする請求項２記載の光電圧測定装置。3. The photovoltage measuring device according to claim 2, wherein Faraday rotators are arranged on both sides of the plurality of electro-optical elements, and these Faraday rotators are optically connected in series.

請求項１〜３のいずれか１項に記載の前記光電圧測定装置を用いたことを特徴とする電力又は電力量の測定装置。 An apparatus for measuring electric power or electric energy, wherein the optical voltage measuring apparatus according to claim 1 is used.

請求項１〜３のいずれか１項に記載の前記光電圧測定装置を用いたことを特徴とする電気機器の保護システム。 A protection system for electrical equipment, wherein the optical voltage measuring device according to any one of claims 1 to 3 is used.

所定の光電流測定装置と組み合わせて事故点までのインピーダンスを測定し、そのインピーダンスより前記事故点を標定し前記電気機器を保護することを特徴とする請求項５記載の電気機器の保護システム。 6. The electrical equipment protection system according to claim 5, wherein an impedance up to an accident point is measured in combination with a predetermined photocurrent measuring device, and the electrical equipment is protected by locating the accident point based on the impedance.