JPH01291171A - 光ファイバ電流測定装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、高い精度および高信頼性を要求される電流測
定に好適な光ファイバを応用した光ファイバ電流測定装
置に関する。

（従来の技術） 従来、送配電機器等に用いられる大電流測定装置として
は、巻線型計器用変流器が主として使われている。しか
し、この巻線型計器用変流器は、大型、高価、過渡電流
波形の変歪などの欠点があった。そこで近年、これに代
わり、ファラデー効果を有する物質を利用して光学的に
電流を測定する方式が注目されている。このような光学
的電流測定器は、小型で過渡電流波形も忠実に再現でき
るという利点を有する。近年の光ファイバ製造技術の進
歩はめざましく、光ファイバそのものをファラデー効果
物質として利用する電流測定器も実現されようとしてい
る。例えば、雑誌ｒＯＰＴＩｃｓＡＮＤ　ＬＡＳＥＲＴ
ＥＣＨＮＯＩ、ＯＧＹ　Ｊの１９８０年２月号（Ｐ、２
５〜Ｐ、２９）には、”０ｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒｓ
　ｆｏｒ　ｃｕｒｒｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａ
ｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”なる題名で、第３図に示すよ
うな電流測定手段が提案されている。すなわち、被測定
導体１の周囲にシングルモードの光ファイバ３をコイル
状に巻き、レーザー光源１１からの光ビームを偏光子１
０、レンズ３１を通して直線傷光波にし、上記光ファイ
バ３内に入射させる。

この光は、被測定導体１に流れる電流が形成する磁界に
よりファラデー旋回を受ける。光ファイバ３の他端から
出討した光は、レンズ３２．検光子１４により、偏波面
が互いに直交する２つの光ビームエ□と■２に分割され
、受光素子１７ａおよび１７ｂに入射し、２つの電気信
号に変換される。この２つの電気信号にもとずいて演算
回路３３により、（■、−１２）　／　（Ｌ＋Ｉ□）な
る演算を実施し、この結果を出力する。この出力値は、
ファラデー旋回角が小さい領域では、近似的にファラデ
ー旋回角に比例するため、結局、ファラデー旋回を引き
起こす磁界強度に比例し、被測定導体１に流れる電流値
に比例することになり、従って被測定４体１の電流値を
測定できる。

（発明が解決しようとする課題） このような構成の電流測定装置の最大の問題点は、光フ
ァイバ３内に発生する複屈折である。−般的に光ファイ
バ３のケーブルを構成するガラスのようなアモルファス
固体は、光学的に等方性であり、偏光子１０により形成
さおだ直線偏光波は、その偏光状態を保ったまま、伝ば
んする。しかし。

光ファイバ３に応力が加えられると、アモルファス固体
も光学的に異方性となり、複屈折を示す。

すなわち、偏波面の方向により屈折率が異なるため、偏
光子１０により形成された直線偏光波は、光ファイバ３
内を伝ばん中に偏光状態が変化し、だ円偏光化する。こ
れが測定誤差の一因となる。光ファイバ３に加えられる
応力としては、型造時に加えられる残留応力の他に、周
囲の温度変化に伴う応力や、振動による応力が存在する
。したがって、従来の光ファイバを応用した電流測定装
置は、振動や、周囲の温度変化に弱く、このような振動
や温度変化が大きい環境では、高精度な電流測定はでき
なかった。

本発明の目的とするところは、以上の欠点を除去して振
動や温度変化が大きい環境でも高精度で電流を計測でき
る光ファイバ電流測定装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、シングルモードの光ファイバから構成される
巻数の異なる２個の光ファイバコイルの中心部分に被＋
１１’ｌ定導体を挿入し、光がこれら２個の光ファイバ
コイルを通過するときに受けるファラデー効果を利用し
て、受光量の変化として２種類の信号を得、この２種類
の信号を演算処理して。

１個の電流測定値を出力することを特徴としている。巻
数の多い光ファイバコイルを通過する光は、大きなファ
ラデー旋回を受け、被８１１定導体を流れるわずかな電
流値の変化に応じて受光量は、同期的に変化する。この
信号から１周期の数をカウントする。このカウント数が
電流値を表わす。一方。

巻数の少ない光ファイバコイルを通過する光は、小さな
ファラデー旋回を受け、測定電流範囲内では一価関数と
なるようにする。かなわち、被測定導体に流れる電流値
の変化に対して、受光量は単調増加、もしくは単調減少
関数となるようにする。

この信号を参照することにより、前記巻数の多い光ファ
イバコイルから得た周期の数の新しいカウントは、電流
値が増加したために発生したものか減少したために発生
したものか判別することができる。したがって、電流値
が増加したと判定された時には、過去のカウント数の総
和に新しいカウント（＋１）を加え、電流値が減少した
と判定された時には、過去のカウント数の総和に新しい
カウント（−１）を加える。このようにして得られたカ
ウント数の過去からの総和は、電流値に比例した値とな
り、電流を測定することが可能である。

本発明はこのように、多くの巻数を有するシングルモー
ドの光ファイバコイルからの受光量の周期の数をカウン
トすることを特徴としている。

（作　用） 被測定導体に流れる電流値の変化により、被測定心体の
発熱景が変化し１周囲温度が変化する場合や、太陽光の
照射の有無、外気温の変化などで周囲温度が変化する場
合に、光ファイバが機械的応力を受けて複屈折現象が発
生したり、しゃ断器の振動などによって光ファイバが機
械的応力を受は複屈折現象が発生する場合でも、受光量
の絶対値は変化するが周期の数および位相は変化しない
。

したがって本発明によれば、このような温度変化や振動
にもとずく応力の影響を受けずに高精度で、高信頼性を
有する電流測定装置を提供することができる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を、第１図および第２図を参照
して説明する。被測定心体１の周囲に、シングルモード
の光ファイバ２を多数回巻いた光ファイバコイル２ａお
よび、シングルモードの光ファイバ３を数回巻いた光フ
ァイバコイル３ｂを設置する。光フィイバコイル２ａを
形成する光フィバ２の一端は、偏波面保存光ファイバ４
と、光コネクタ５で結合される。光ファイバコイル３ｂ
を形成する光ファイバ３も同様に、その一端は、偏波面
保存光ファイバ６と光コネクタ７で結合される。偏波面
保存光ファイバ４の他端は、偏光装置８と。

互いの偏波面を一致させた状態で結合さハ、レーザー光
源９から出射される光は、偏光装置８を通過した後、偏
波面保存光ファイバ４に入射される１゜一方、偏波面保
存光ファイバ６の他端も同様に、偏光装置１０と互いの
偏波面を一致させた状態で結合され、レーザー光源１】
から出射される光は、偏光装置１０を通過した後、偏波
面保存光ファイバ６に入射される。光ファイバコイル２
ａを形成する光ファイバ２の他端は、検光装置１２を介
して、マルチモードの光ファイバ１３と結合される。こ
のとき、検光装置１２の偏波面は任意の向きでよい。光
ファイバコイル３ｂを形成する光ファイバ３の他端は、
検光袋［１，４を介してマルチモードの光ファイバ１５
と結合される。ここで、検光装置１４の偏波面の向きは
、偏光装置１０により形成された直線偏光波が、被測定
導体１に電流が流れていない状態で検光袋［ｉ！（１４
に入射する直前に有する偏波面の向きに対して、約４５
°の角度をなすようにする。光ファイバ１３の他端は、
受光素子１６と結合され、また光ファイバ１５の他端は
、受光素子１７と結合し夫々電気信号に変換される。受
光索子１６および１７により得られたそれぞれの電気信
号は、電子回路部１８に人力され、処理されて被測定導
体１に流れる電流値に比例した電気信号として出力され
る。レーザー光源９，１１は駆動電源１９により駆動さ
れる。

次に電子回路部１８の構成を第２図を参照して説明する
。受光素子１６により得られた電気信号は、アンプ２１
で増幅され、コンパレータ２２に入力される。一方、ア
ンプ２１の出力は同時に、平滑回路２３により、平滑さ
れ、コンパレータ２２のもう一方の入力端子に入力され
る。コンパレータ２２は、この両方の信号の大きさを比
較し、両者が等しくなったときにパルスを出力する。こ
のパルスは、タイミングパルス発生器２４に入力され、
タイミングパルス発生器２４からの第１の出力は、演算
装置２５に入力される。タイミングパルス発生器２４か
らの第２の出力は、サンプルホールド２７に人力され、
このときサンプルホールド２７は、受光素子１７および
アンプ２６を通過した電気信号の大きさをサンプルし、
ホールドする。タイミングパルス発生器２４からの第３
の出力は、コンパレータ２９に入力され、コンパレータ
２９は、サンプルホールド２７とサンプルホールド２８
にホールドされた電気信号の大小を比較し、比較結果に
応じて、正もしく負のパルスを出力し、演算装置２５に
入力される。タイミングパルス発生器２４からの第４の
出力は、サンプルホールド２８に入力され、サンプルホ
ールド２８は、サンプルホールド２７にホールドされた
電気信号の大きさを取り込みホールドする。演算装置２
５は、タイミングパルス発生器２４からの第１の出力を
カウントし、コンパレータ２９からの入力信号の正負に
応じて、メモリに保存されている総カウント数に１を加
えるかもしくは１を引く操作を実行し、この総カウント
数に比例した電気信号を出力する。

次に第１図、第２図に示される本発明の一実施例の作用
を第４図および第５図を参照して説明する。第４図（ａ
）、　（ｂ）は、被測定導体１に流れる電流変化に対し
て、受光素子１６および受光素子１７が夫々受光する光
パワーの変化を表わしたものである。光ファイバコイル
２ａの巻数は非常に多くとっであるため、この光ファイ
バコイル２ａを通過する光は、被測定導体１に流れるわ
ずかな電流で大きなファラデー旋回を受ける。したがっ
て、測定しようとする電流領域においては、その偏波面
は空間的に何回も回転し、受光素子１６が受光するパワ
ーは、第４図（ａ）に曲線３５で示すように、電流値に
対して、周期的に変化する。この波形のは半周期を与え
る電流値の変化Δ工は電流値によらず常に一定である。

−力先ファイバコイル３ｂの巻数はそれほど多くなく、
光ファイバコイル３ｂを通過する光は、被測定導体１に
流れる電流により、それほど大きなファラデー旋回を受
けない。したがって、測定しようとする電流領域におい
ては、受光素子１７が受光する光パワーは電流値に対し
て第４図（ｂ）に曲線３６で示すような単調増加もしく
は単調減少関数となる。検光装置１４の偏波面の向きを
、被測定導体１に電流が流れていない状態の光の偏波面
に対して４５″の角度をなすようにすることで、第４図
（ｂ）の曲線３６が単調関数となる電流領域を最大にと
ることができる。

上記のような光信号にもとずく電気信号が得られること
を考慮したうえで、第５図を参照し、電子回路部１８の
作用を説明する。いま、被測定導体１に流れる電流値が
変化している場合には、アンプ２１の出力波形は第５図
（ａ）に曲線３７で示すような波形となる。これは、ア
ンプ２１の出力は、受光素子１６に入射する光パワーに
比例することから明きらかである。また、平滑回路２３
の出力は同図曲線３８に示すように、曲線３７の平均値
のレベルとする。ここで、曲線３７と曲線３８の交点を
コンパレータ２２は検出することになる。たとえば１＝
１．で交わり、次に交わるのが１＝１１であったとする
と、時刻ｔ。からｔ工の間に被測定導体１に流れる電流
の大きさはΔＩだけ増加したかもしくは減少したかのど
ちらかであることがわかる。電流値が増加したのか減少
したかは、第５図（ｂ）に曲線３９で示すアンプ２６の
出力信号を測定すればわかる。１＝１゜のときのアンプ
２６の出力に対して１＝１１のときの出力ΔＰＯが大き
くなっていれば増加、小さくなっていれば減少している
。この判断を、コンパレータ２９が実施している。もし
、１＝０での電流値が０であるとすれば、それ以後は、
上記の操作で、Δ工を加えたり引いたりすることにより
、電流値を求めることができる。この操作を、演算装置
２５で実行している。ここで、本実施例による電流測定
装置の電流測定分解能はΔ工となり、このΔＩにより写
えられるファラデー旋回角は９０°である。

したがって、測定に必要な分解能の電流値に対して、光
ファイバコイル２ａにより光が受けるファラデー旋回角
は９０’以上となるように、シングルモードの光ファイ
バ２の巻数を決定しなければならない。

被測定導体１に流れる電流値の変化により、導体の発熱
量が変化し、周囲温度が変化する場合や。

太陽光の照射の有無、外気温の変化などで周囲温度が変
化する場合に、光ファイバが機械的応力を受けて複屈折
現象が発生したり、しゃ断器の振動などによって光ファ
イバが機械的応力を受け、複屈折現象が発生する場合で
も、第４図（ａ）に示した電流変化ΔＩの値はこのよう
な複屈折の影響を受けず、常に一定である。また、第４
図＜ａ＞の曲線３５の振幅は複屈折により影響を受は変
化するが、位相は変化しない。本発明では、曲線３５の
振幅は測定しないので、複屈折の影響を受けない高精度
な電流測定が行える。

また、光ファイバコイル２ａ、３ｂに光を伝送する光フ
ァイバとして、偏波面保存光ファイバ４，６を使用する
ことにより、偏光装置８，１０をレーザー光源９，１１
近傍に設置することができる。このことは、各ファイバ
結合部での光損失を減少させる上で効果的である。しか
も、ファイバ伝送路に存在する磁界の影響を受けること
はなくなる。したがって、光ファイバコイル２ａ、３ｂ
とレーザ光源９．１１の間の距離を長くとることができ
る。光ファイバ１３．１５は、光の強度信号を伝送する
ものであり、偏光特性は問題にしないので、どのような
光ファイバを使用してもよい、検光子１２．１４を介し
たシングルモードの光ファイバ２，３との結合効率を考
慮すると断面積の大きなマルチモードの光ファイバが得
策である。

次に本発明の他の実施例を説明する。第１図に示す偏光
装置８として、第６図に示すような、ブラッグセルを用
いた偏光装置を使用することもできる。図において４１
ａ、　４１ｂは偏光ビームスプリッタ、４２．４３はブ
ラッグセル４４ａ、　４４ｂ、　４４ｃはプリズム、４
５はドライバである。このような偏光装置はすでに市販
されており、実用に供することができる。この偏光装置
では、わずかに周波数の異なる２つの直線偏光波を、第
７図に示すように偏波面が直交するように重ね合わせた
光ビームを出力する。このような偏光波を使用すること
により。

第４図の曲線３５で示した周期を１７２にすることがで
き、分解能をΔＩ／２にできる。もし、分解能をΔＩに
保つとすれば、シングルモードの光ファイバ２の巻数を
１７２に減らすことができる。したがって測定に必要な
分解能の電流値に対して、ファラデー旋回角は４５″以
上となるようにシングルモードの光ファイバ２の巻数を
決定する。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば被測定導体に巻かれた巻数
の夫々異るシングルモードの光ファイバから成る２つの
光ファイバコイルを設け、夫々の光ファイバコイルの一
端には偏波面保存光ファイバを接続し、他端には検光子
を通して光ファイバを接続し、前記偏波面保存光ファイ
バの端部から光を入射させ前記光ファイバから出射させ
て電気信号に変換し、この２つの電気信号により被測定
導体に流れる電流値を測定するようにしたので、振動や
温度変化が大きい環境でも高精度で電流を計測できる光
ファイバ電流測定装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の一実施例を示す光ファイバ電流測定
装置の全体構成を示すブロック図、第２図は同じく電子
回路部の構成を示すブロック図、第３図は従来の光ファ
イバ電流測定装置の全体構成を示すブロック図、第４図
（ａ）　、　（ｂ）は、夫々電流値に対する受光パワー
の変化を表わす特性図、第５図（ａ）　、　（ｂ）は夫
々本発明の一実施例の動作原理を示す特性図、第６図は
２本発明の他の実施例を示す偏光装置の構成を示す概略
構成図：第７図は、他の実施例に使用する光の偏光状態
を示した説明図である。 ］−・・・被測定導体 ２．３・・・シングルモードの光ファイバ４．６・・・
偏波面保存光ファイバ　５，７・・・コネクタ８．１０
・・・偏光袋［９，１＋・・・レーザー光源１２．１４
・・・検光装置 １３．１５・・・マルチモードの光ファイバ１６、１７
・・・受光素子　　　　　　１８０′電子回路部１９・
・・駆動電源　　　　　　　　２１．２６・・・アンプ
２２．２９・・・コンパレータ　　　　　２３・・・平
滑回路２４・・・タイミングパルス発生器　２５・・・
演算装置２７．２８・・・サンプルホールド　　３１．
３２・・・レンズ３３・・・演算回路 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　　　第子丸　　　健 第１図 （α） 第４図 受Ｌ＼°７− ｔｏ　　ｔｔ　　ｔ２ｔ３ｔ、４ｉｓ　　ｉｔ＞　　時
間ｔｂ） 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被測定導体に巻かれた巻数の夫々異るシングルモードの
   光ファイバから成る２つの光ファイバコイルを設け、夫
   々光ファイバコイルの一端には偏波面保存光ファイバを
   接続し、他端には検光子を通して光ファイバを接続し、
   前記偏波面保存光ファイバの端部から光を入射させ前記
   光ファイバから出射させて電気信号に変換し、この２つ
   の電気信号により被測定導体に流れる電流値を測定する
   ようにしたことを特徴とする光ファイバ電流測定装置。