JPH01292263A - 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
定に好敵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
６例えば、雑誌ｒＯＰＴＩｃｓ　ＡＮＤＬＡＳＥＲＴＥ
Ｃ）ＩＮＯＬＯＧＹＪの１９８０年２月号（Ｐ、２５〜
Ｐ、２９）には、”０ｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒｓ　ｆ
ｏｒ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅ＋＋＋ｅ−ｎｔ
　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”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
１０．レンズ３１を通して直線偏光波にし、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の他端から出射した光は、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Ｔ２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
信号にもとづいて演算回路３３により、（１１−：ｔ、
　）／　（１１＋　Ｌ　）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
って被測定導体１の電流値を測定できる。

（発明が解決しようとする課題） このような構造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
れた直線偏光波は、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、製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〕 （問題点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測
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、被測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、周期的に変化する
。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。すなわ
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
振動にもとづ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５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。被測定導体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を複数回巻いた光フ
ァイバコイル３ａを設置する。光ファイバコイル２ａを
形成する光ファイバ２の一端は、偏光装置５を介して、
シングルモードの光ファイバ４と接続している。また光
ファイバコイル３ａを形成するシングルモードの光ファ
イバ３の一端は、偏波面保存光ファイバ６とコネクタ７
で結合される。光ファイバ４の他端は、ハーフミラ−８
を通過したレーザー光源９からの光受光している。一方
、偏波面保存光ファイバ６の他端は、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
１１から出射される光は、偏光装置１０を通過させた後
、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２ａを形成する光ファイバ２の他端には、全反射ミ
ラー１２が取り付けられている。光ファイバコイル３ａ
を形成する光ファイバ３の他端は、検光装置１４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
い状態で検光装置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。全反
射ミラー１２で反射した光は。

再びもとの経路をたどり、光ファイバ４の端部から放射
され、八−フミラー８により反射されて、受光素子１６
に入射する。光ファイバ１５の他端は、受光素子１７と
結合する。受光素子１６および１７によす得られたそれ
ぞれの電気信号は、電子回路部１８に入力され、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に入力
され、このときサンプルホールド２７は、受光索子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、正もしくは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２５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力カウント数に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。

つぎに、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が受光する光パ
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３ａを通過する光は、被測定導体１に
流れる電流により、それほと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づ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＝１０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ｔｉの間に被測定導体１に流れる電流の大きさはΔ
工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が減少したのかは、
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ΔＰ０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
、ΔＩ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１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、とのΔＩにより与えられるファ
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を１
往復した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０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３ａ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６を使用することにより
、偏光装［１０をレーザー光源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３ａとレーザー光源１１の間の距
離を長くとることができる。光ファイバ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１４を介したシングルモードの光ファイバ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用光
ファイバが得策である。光ファイバコイル２ａを進行す
る光は全反射ミラー１２で反射され再びもとの径路をも
どるため、同じファラデー旋同解を得るために必要な巻
数は、たとえば光ファイバコイル３ｂのような構成に比
べて１／２でよくなる。

前記実施例ではシングルモードの光ファイバ２と４の間
には偏光装置５を挿入しであるが光ファイバそのものに
加工を施し、これを偏光装置としてもよい。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば第１のシングルモードの光
ファイバの一端に全反射ミラーを設置し、中間部に偏光
装置を設置し、前記偏光装置と前記全反射ミラー間の被
測定導体に巻かれた光ファイバコイルを第１のセンサと
し、前記第１の光ファイバより巻回数の少ない第２のシ
ングルモードの光ファイバの一端に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シングルモードの
光ファイバもしくはマルチモードの光ファイバを接続し
これを被測定導体に巻いた光ファイバコイルを２のセン
サとし、前記第１のセンサの巻数は前記第２のセンサの
巻数より多くし、前記第１、第２のセンサの光ファイバ
コイルに被測定導体を内挿し、両センサからの信号によ
り前記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測
定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
置の全体構成図、第２図は電子回路部の構造を示すブロ
ック図、第３図は従来の光ファイバ電流測定装置の全体
構成図、第４図（ａ）　、　（ｂ）は、電流値に対する
受光パワーの変化を表わす特性図。 第５図は本発明の一実施例の動作原理を示す特性図であ
る。 １・・・被測定導体 ２．３４・・・シングルモード光ファイバ６・・・偏波
面保存光ファイバ ７・・・光ファイバ接続部　　５，１０・・・偏光装置
９．１１・・・レーザー光源　　８・・・ハーフミラ−
１２・・・全反射ミラー　　　　１４・・・検光装置１
５・・・マルチモード光ファイバ １６．１７・・・受光素子　　　１８・・・電パ子回路
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 第２図 第３図 （久） 受大シゾワー 第４図 受光式・７− （久） 第　５　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１のシングルモードの光ファイバの一端に全反射ミラ
   ーを設置し、中間部に偏光装置を設置し、前記偏光装置
   と前記全反射ミラー間の被測定導体に巻かれた光ファイ
   バコイルを第１のセンサとし、前記第１の光ファイバよ
   り巻回数の少ない第２のシングルモードの光ファイバの
   一端に偏波面保存光ファイバを接続し、他端には検光子
   を通してシングルモードの光ファイバもしくはマルチモ
   ードの光ファイバを接続しこれを被測定導体に巻いた光
   ファイバコイルを第２のセンサとし、前記第１のセンサ
   の巻数は前記第２のセンサの巻数より多くし、前記第１
   、第２のセンサの光ファイバコイルに被測定導体を内挿
   し、両センサからの信号により前記被測定導体に流れる
   電流値を測定する光ファイバ電流測定装置。