JP5050052B2

JP5050052B2 - 光ｖｔ装置

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Publication number: JP5050052B2
Application number: JP2009511744A
Authority: JP
Inventors: 純一佐藤; 正雄高橋; 美和竹内; 照彦前田; 充弘藤川; 時博梅村; 豪桑原
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Industrial Products Manufacturing Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Industrial Products and Systems Corp
Priority date: 2007-04-18
Filing date: 2008-04-07
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2028-04-07
Also published as: WO2008132974A1; KR20090130308A; KR101039650B1; CN101680918A; US20100109642A1; CN101680918B; JPWO2008132974A1; US8115473B2; EP2138853A4; EP2138853A1

Description

本発明は、スイッチギヤ等の電気機器における主回路電圧を電気光学効果（ポッケルス効果）を用いて計測する光電圧センサ[optical voltage sensor]、即ち、光ＶＴ装置[optical voltage transformer]に関する。

スイッチギヤ等の電気機器においては、主回路の保護や計測のために巻線型ＶＴ装置が用いられる。最近では、無誘導性・広帯域性・電気絶縁性等の利点を有する光ＶＴ装置が、広く用いられている。

この種の光ＶＴ装置として、絶縁ガスが充填された主回路部と、主回路部に接続された分圧コンデンサと、電気光学素子を有する光センサ部とを備えた光ＶＴ装置が知られている。下記特許文献１に記載された光ＰＴ（ＰｏｔｅｎｔｉａｌＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ）は、光ＶＴと同様の装置である。前記光ＰＴは、被測定電圧を分圧する分圧器と、分圧器出力電圧の電気光学結晶への印加によって前記出力電圧を光強度に変換する光センサ部とを備えている。前記光ＰＴの分圧器は、被測定電圧が印加される充電部と、該充電部を包囲する空間電極及び絶縁媒体からなる分圧器本体と、前記空間電極及び前記光センサ部に接続された固定コンデンサとを備えている。前記分圧器本体は、気体コンデンサとして機能する。

分圧器本体を高圧側の気体コンデンサのみで構成し、低圧側の静電容量を固体コンデンサで実現したため、前記光ＰＴによれば、従来必要とされた分圧器の最も外側の空間電極が不要になるので、分圧器の小型・軽量化を実現できる。

また、下記特許文献２に記載された光ＶＴは、絶縁ガスの代わりにセラミックコンデンサを用いた主回路部と、主回路部に接続された分圧用セラミックコンデンサと、電気光学素子を有する光センサ部とを備えている。これらの構成は、一体成形によって絶縁層で被覆されている。

前記光ＶＴによれば、分圧コンデンサと光センサとが絶縁材料で一体的に形成されているので、小型化が可能で、かつ、被測定導体への装着時の取扱いが容易になる。
日本国特開平７−８３９６１号公報日本国特開平１１−２０２０００号公報

しかし、上述した主回路部に絶縁ガスを用いた光ＶＴ装置は、絶縁ガスの絶縁耐力に応じた所定絶縁距離の確保が必要であるので、縮小化には限界がある。また、セラミックコンデンサを用いた光ＶＴ装置は、コンデンサの絶縁耐力に応じた所定直列数が必要であるので、同様に縮小化に限界がある。即ち、これらの光ＶＴ装置は、主回路電圧を取り出すための主回路部が大型化してしまう。

また、これらの光ＶＴ装置では、分圧コンデンサのような付属部品が必要であるので、部品点数が増加する。さらに、主回路電圧を分圧する媒体が異なる場合、設計者や操作人は温度変化等の周囲環境による分圧比変動を考慮しなければならないので、調整に過大な労力が必要となる。

これは、最近のトレンドである装置縮小化に逆行している。そこで、絶縁ガスやセラミックコンデンサよりも絶縁距離を縮小でき、かつ、部品点数削減によるコスト低減の可能な光ＶＴ装置が望まれていた。

本発明の目的は、測定精度が温度変化等の周囲環境の影響を受けず、また、部品点数削減によって小型化が可能な光ＶＴ装置を提供することにある。

本発明のアスペクトは、外部電気機器に接続され、前記電気機器によって被測定電圧が印加される１次側電極と、前記１次側電極に対向して設けられた第１の２次側電極と、前記１次側電極と前記第１の２次側電極との間に設けられ、前記１次側電極及び前記第１の２次側電極と共に一体成形された絶縁筒を構成する絶縁層と、前記絶縁筒の外周及び前記第１の２次側電極の周囲に設けられ、前記第１の２次側電極との間に前記絶縁層を介在させて静電容量を確保する接地層と、前記第１の２次側電極と前記接地層との間の電圧を計測する電気光学素子とを備えた光ＶＴ装置を提供する。

本発明の前記アスペクトによれば、温度変化等の周囲環境よる測定精度への影響がなく正確な測定が可能で、かつ、部品点数削減による小型化が可能である。

本発明の光ＶＴ装置の第１実施形態の断面図である。本発明の光ＶＴ装置の第２実施形態の断面図である。本発明の光ＶＴ装置の第３実施形態の断面図である。本発明の光ＶＴ装置の第４実施形態の断面図である。

本発明の第１実施形態の光ＶＴ装置を図面を参照しながら説明する。図１に示されるように、光ＶＴ装置は、１次側電極５、２次側電極１１、絶縁層３、接地層６、電気光学素子２、可撓絶縁体９で構成された電圧検出部[voltage detector]１ａである。光ＶＴ装置は、主回路機器１ｂを介して、外部電気機器（例えばスイッチギヤ）に接続される。

１次側電極５は、外部電気機器に接続され、外部電機機器から被測定電圧を印加される。１次側電極５は、カップ形の電極であり、主回路機器１ｂの中心導体７に電気的に接続されている。

２次側電極（第１の２次側電極）１１は、絶縁層３を挟んで、所定絶縁距離を保って１次側電極５と対向している。

絶縁層３は、１次側電極５と２次側電極１１との間に設けられている。絶縁層３は、１次側電極５と２次側電極１１とがインサートされて一体成形される。絶縁層３は、絶縁筒を構成する。絶縁層３は、エポキシ樹脂により形成される。絶縁層３の絶縁筒の端部のフランジ３ａには、図１に示されるように、テーパ状の凹部[tapered recess]が形成されている。凹部の中心には、１次側電極５の凹部[recess]が露出されている。

接地層６は、絶縁層３の絶縁筒の外周と２次側電極１１の周囲とに設けられている。接地層６には、導電性塗料が塗布されている。接地層６は、２次側電極１１との間に絶縁層３を挟むことで所定の静電容量を有する。なお、接地層６は、電圧検出部１ａの主回路機器１ｂへの組み合わせ時に、主回路機器１ｂの接地層１０と電気的に接触して接地電位を保つ。

電気光学素子２は、２次側電極１１と接地層６との間の電圧計測のための、ＢＧＯ（Ｂｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２）結晶やＢＳＯ（Ｂｉ_１２ＳｉＯ_２０）結晶からなる円柱状のポッケルス素子である。電気光学素子２は、電場の強さに応じて入力光の屈折率を変化させる性質を有している。また、光ケーブル４が電気光学素子２の一端に接続されている。電気光学素子２は、その軸と直交する面にアルミ等の金属による金属蒸着膜２ａ及び金属蒸着膜２ｂを有している。金属蒸着膜２ｂは、電気光学素子２の２次側電極１１との対向面上に設けられている。金属蒸着膜２ｂは、２次側電極１１と電気的に接続されている。また、金属蒸着膜２ａは、電気光学素子２の光ケーブル４との接続面上に、光ケーブル４を避けて形成されている。金属蒸着膜２ａは、接地層６と電気的に接続されている。金属蒸着膜２ａ及び金属蒸着膜２ｂは、電気光学素子２内に平行な電界分布を生じさせる。このため、電気光学素子２は、安定した光の屈折率を維持して高精度の電圧計測を実現する。

絶縁筒は、電気光学素子２を収納する空隙部[cavity]１２を備えている。空隙部１２は、絶縁層３及び蓋１３で密閉されている。このため、汚損・湿潤等による電気光学素子２の特性変化が防止される。また、接地層６は、空隙部１２の内面にも設けられている。設計者は、このように接地層６を設けることで、２次側電極１１と接地層６との間の静電容量を大きくできる。１次側電極５に印加される被測定電圧は、２次側電極１１及び接地層６によって分圧される。この分圧比は、１次側電極５と２次側電極１１との間の静電容量と、２次側電極１１と接地層６との間の静電容量とにより決定される。したがって、設計者は、２次側電極１１に印加される電圧を下げるため、２次側電極１１と接地層６との間の静電容量を大きくとる必要がある。

また、上述したように、テーパ状の凹部の開口部[opening]が絶縁筒に形成されている。開口部は、電気機器に接続される。絶縁層３の開口部での露出面[exposed plane]（絶縁層３のテーパ状表面[tapered plane]）は、電気機器に接続される界面[boundary face]３ｂである。開口部への電気機器の接続時には、界面３ｂは、電気機器の界面８ｂ（絶縁層８の端部表面[end surface]）と、シリコーンゴム等の可撓性絶縁体[soft insulator]９を介在させて密着する。

なお、本実施形態の絶縁層３は、エポキシ樹脂で形成されるが、シリコーンゴム等の可撓性絶縁材料で形成され得る。この場合、可撓性絶縁体９を、界面３ｂの表面に設ける必要はない。

主回路機器１ｂは、スイッチギヤの主回路に接続された中心導体７と絶縁層８と接地層１０とを備えている。

中心導体７は、スイッチギヤ等の電気機器の被測定電圧を１次側電極５に伝える。

絶縁層８は、中心導体７の周りにエポキシ樹脂等の絶縁材料をモールドして形成されている。絶縁層８の端部のフランジ８ａには、図１に示されるように、テーパ状の凸部[tapered bulge]が形成されている。中心導体７の端部が、凸部の中心部に露出されている。絶縁層８のテーパ状表面は、界面８ｂである。

接地層１０は、絶縁層８の外周に設けられている。接地層１０には、導電性塗料が塗布されている。接地層１０は、接地電位を保つ。

次に、上述のように構成された本実施形態の光ＶＴ装置の作用を説明する。まず、電圧検出部１ａは、主回路機器１ｂを介して外部の電気機器（例えばスイッチギヤ）に接続される。その際、界面３ｂは、可撓性絶縁体９を介して界面８ｂと密着する。すなわち、可撓性絶縁体９は、界面接続部３ｂと界面接続部８ｂとの間の隙間による絶縁破壊を防ぐ。

また、中心導体７の端部は、１次側電極５の凹部中心に接続される。さらに、上述したように、接地層６は、主回路機器１ｂの接地層１０と電気的に接触して接地電位を保つ。

フランジ３ａとフランジ８ａとは、使用者によってボルト（図示せず）で強固に固定される。

１次側電極５に印加された被測定電圧は、上述したように、１次側電極５と２次側電極１１との間の主回路側静電容量と、２次側電極１１と接地層６との間の接地側静電容量とによって分圧される。分圧された２次側電極１１と接地層６との間の電圧は、金属蒸着膜２ａ及び金属蒸着膜２ｂを介して電気光学素子２に印加され、電気光学素子２内にその電圧に応じた電界を発生させる。

外部測定回路（図示せず）は、光ケーブル４を介して電気光学素子２に光を入力する。電気光学素子２は、入力された光を電界の強さに応じて偏光させ、測定回路に出力する。外部測定回路は、電気光学素子２からの光の位相差に基づいて２次側電極１１と接地層６との間の電圧を計測できる。

ここで、主回路側静電容量及び接地側静電容量は、１次側電極５、２次側電極１１、及びこれらを包囲する接地層６によって一意的に決定される。絶縁層３の絶縁筒の外周上の接地層６によって、主回路側静電容量及び接地側静電容量は、他の浮遊容量等の外乱に影響されない。したがって、１次側電極５に印加された被測定電圧は、主回路側静電容量及び接地側静電容量に基づいて、極めて正確に分圧される。

したがって、外部測定回路は、測定した２次側電極１１と接地層６との間の電圧と分圧比とに基づいて、１次側電極５に印加された被測定電圧を高精度に測定できる。

なお、図１において、電気光学素子２は、一端に接続された光ケーブル４から入力された光を反射して光ケーブル４に再び戻す反射型である。しかし、電気光学素子２は、両端に光ケーブルが接続されて一端から入力された光を他端に出力する透過型でもよい。

また、主回路側静電容量と接地側静電容量とを実現する絶縁層３は、同一材料によって構成される。したがって、主回路側静電容量及び接地側の静電容量は、温度変化や湿度変化に応じて同様に変化する。静電容量比によって変化分は補償されるので、１次側電極５に印加された被測定電圧は極めて正確に分圧される。この結果、外部測定回路は、１次側電極５に印加された被測定電圧を高精度に測定できる。

なお、２次側電極１１と接地層６との間に接続された電気光学素子２は、それ自体、静電容量を有する。そこで、２次側電極１１と接地層６との間の接地側静電容量を、電気光学素子２の静電容量の５倍以上とすることによって、接地側静電容量は、電気光学素子２の静電容量の温度変化や湿度変化の影響を受けない。この結果、外部測定回路は、１次側電極５に印加された被測定電圧を高精度に測定できる。

また、エポキシ樹脂等により形成された絶縁層３は、一般的に３０ｋＶ／ｍｍの絶縁耐力を有する。従来から用いられている絶縁ガスの絶縁耐力は８ｋＶ／ｍｍ（大気圧）であり、セラミックコンデンサの絶縁耐力は５ｋＶ／ｍｍである。絶縁層３の絶縁耐力は、従来に比べて格段に優れているので、電圧検出部１ａの小型化が可能である。

本実施形態の光ＶＴ装置によれば、上述した１次側電極５及び２次側電極１１によって主回路側静電容量及び接地側静電容量をコントロールして電気光学素子２の電界を制御できるので、従来のような分圧回路を別に設けることが不要となる。この結果、部品点数を削減して装置を小型化できる。

更に、エポキシ樹脂等により構成された絶縁層３の絶縁耐力は、従来から用いられてきた絶縁ガスやセラミックコンデンサの絶縁耐力よりも格段に優れているので、１次側電極５と２次側電極１１との間の距離、２次側電極１１と接地層６との間の距離、及び、全体形状を縮小でき、装置を小型化できる。

また、絶縁層３により構成された絶縁筒の外周上に接地層６が設けられているので、外部電界による影響を受けることがない。この結果、被測定電圧を高精度且つ高感度に計測できる。

また、１次側電極５と電気光学素子２に接続される２次側電極１１とは絶縁層３と共に一体成形されているので、主回路側静電容量及び接地側静電容量は、温度変化や湿度変化に応じて同様に変化する。このため、本実施形態の光ＶＴ装置によれば、温度変化等の周囲環境の影響を受けずに正確な測定を行うことができる。

なお、２次側電極１１の電圧を下げるために接地側静電容量を大きくする必要があるけれども、従来のような絶縁ガスを用いると静電容量を大きくできない。したがって、本実施形態の光ＶＴ装置のように、主回路側静電容量を実現する分圧回路と接地側静電容量を実現する分圧回路とを一体的に構成することは、従来のような絶縁ガスを用いた光ＶＴ装置ではできない。この点からも、部品点数削減による小型化の利点は大きい。

さらに、可撓性絶縁体９が設けられているので、界面３ｂと界面８ｂとの間の隙間による絶縁破壊を防止できる。

また、密閉された空隙部１２に電気光学素子２を収納するので、汚損・湿潤等による電気光学素子２の特性変化が防止される。

さらに、接地層６を空隙部１２の内面上に設けることで接地側静電容量の調節自由度がさらに広がるので、電気光学素子２の電界を効果的に制御できる。

次に、第２実施形態の光ＶＴ装置について、図２を参照して説明する。図２に示されるように、２次側電極１１ａをさらに備えている点が、上述した第１実施形態と異なる。

２次側電極（第２の２次側電極）１１ａは、絶縁層３に埋設されて空隙部１２を包囲している。２次側電極１１ａ及び２次側電極１１は、電気的に接続されている。なお、２次側電極１１ａ及び２次側電極１１は、一体的に形成されてもよい。

その他の構成は、第１実施形態と同様であるので、重複した説明を省略する。

次に、上述のように構成された本実施形態の光ＶＴ装置の作用を説明する。

本実施形態の光ＶＴ装置の作用は、基本的には、第１実施形態の光ＶＴ装置と同様である。ただし、２次側電極１１に電気的に接続された２次側電極１１ａが絶縁層３に埋設されて空隙部１２を包囲しているので、空隙部１２内部や絶縁層３の外周上の接地層６と２次側電極１１ａとの間に静電容量が確保されてより大きな接地側静電容量が実現される。

電気光学素子２の静電容量に対する接地側静電容量を大きくできるので、接地側静電容量は、温度変化や湿度変化の影響を受けない。この結果、外部測定回路は、１次側電極５に印加された被測定電圧を高精度に測定できる。

その他の作用は、第１実施形態と同様であり、重複した説明を省略する。

本実施形態の光ＶＴ装置によれば、上述した第１実施形態の効果に加えて、接地側静電容量を大きくとることができるので、接地側静電容量の調節自由度が広がり、電気光学素子２の電界を効果的に制御できる。

また、接地側静電容量を電気光学素子２の静電容量に対して大きくできるので、接地側静電容量は、温度変化や湿度変化の影響を受けない。この結果、外部測定回路は、１次側電極５に印加された被測定電圧を高精度に測定できる。

次に、第３実施形態の光ＶＴ装置について、図３を参照して説明する。図３に示されるように、２次側電極１１ｃをさらに備えている点が、上述した第１実施形態と異なる。

２次側電極（突起）１１ｃは、２次側電極１１の１次側電極５との対向面に形成されている。２次側電極１１ｃは、円盤状の２次側電極１１の中央から突出されている。したがって、２次側電極１１ｃ及び２次側電極１１は、電気的に接続されている。

また、絶縁層３により構成された絶縁筒には、２次側電極１１ｃの周囲にくびれ[constriction]が形成されている。

その他の構成は、第１実施形態と同様であり、重複した説明を省略する。

本実施形態の光ＶＴ装置の作用は、基本的には、第１実施形態の光ＶＴ装置と同様である。ただし、２次側電極１１に電気的に接続された２次側電極１１ｃを囲むくびれが形成されている。接地層６は、くびれを含む絶縁筒外周上に設けられているので、くびれ内の接地層６と２次側電極１１ｃとの間にも静電容量が確保され、かつ、くびれ内の接地層６と２次側電極１１との間にも静電容量が確保されてより大きな接地側静電容量が実現される。

本実施形態の光ＶＴ装置によれば、上述した第１実施形態の効果に加え、接地側静電容量を大きくとることができるので、接地側静電容量の調節自由度が広がり、電気光学素子２の電界を効果的に制御できる。

次に、第４実施形態の光ＶＴ装置を、図４に示す。図４に示されるように、本実施形態の光ＶＴ装置の電圧検出部１ｅは、第２実施形態における２次側電極１１ａと、第３実施形態における２次側電極１１ｃとを共に備えている。また、２次側電極１１ｃを囲むくびれも形成されている。このため、本実施形態の光ＶＴ装置によれば、第１実施形態の利点も実現できることに加えて、２次側電極１１ａによる利点と２次側電極１１ｃによる利点とを共に実現することができる。

本発明の光ＶＴ装置は、スイッチギヤ等の電気機器の主回路電圧の電気光学効果（ポッケルス効果）を用いた計測に利用可能である。

Claims

外部電気機器に接続され、前記電気機器によって被測定電圧が印加される１次側電極と、
前記１次側電極に対向して設けられた第１の２次側電極と、
前記１次側電極と前記第１の２次側電極との間に設けられ、前記１次側電極及び前記第１の２次側電極と共に一体成形された絶縁筒を構成する絶縁層と、
前記絶縁筒の外周及び前記第１の２次側電極の周囲に設けられ、前記第１の２次側電極との間に前記絶縁層を介在させて静電容量を確保する接地層と、
前記第１の２次側電極と前記接地層との間の電圧を計測する電気光学素子と、を備えた光ＶＴ装置。
前記電気機器に接続される開口部が、前記絶縁筒に形成され、
前記絶縁層が、エポキシ樹脂により形成され、
前記電気機器の前記開口部への接続時に、前記開口部に露出された前記絶縁層が、可撓性絶縁体を介して、前記電気機器の絶縁層と密着する、請求項１記載の光ＶＴ装置。
前記絶縁層が、可撓性絶縁体により形成された、請求項１記載の光ＶＴ装置。
前記絶縁筒は、前記電気光学素子を収納する密閉された空隙部を備える、請求項１記載の光ＶＴ装置。
前記接地層が、前記空隙部の内面にさらに設けられている、請求項４記載の光ＶＴ装置。
前記絶縁層に埋設されて前記空隙部を包囲する第２の２次側電極をさらに備え、
前記第１の２次側電極及び前記第２の２次側電極が、電気的に接続されている、請求項４記載の光ＶＴ装置。
前記第１の２次側電極が、前記１次側電極との対向面上に突起を有している、請求項１記載の光ＶＴ装置。