(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射される光の光強度を電界強度の変化に対応するように変化させて出射する光センサ部と、
光センサ部の電界強度を変化させるために印加される被測定対象電圧が入力される電圧入力部と、
外部から入力された光を光センサ部へ入射する入射用光ファイバと、
光センサ部から出射された光を外部へ出力する出射用光ファイバと、
相対湿度を計測するための湿度センサと、
電圧入力部、入射用光ファイバ、出射用光ファイバおよび湿度センサが内外部へ連絡するように備え付けられるとともに内部に配置された光センサ部を外部環境から遮断するケースと、
を備える光電圧センサであって、
ケースの内部に乾燥気体を封止することを特徴とする光電圧センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の光電圧センサにおいて、
乾燥気体は、０パーセント以上２０パーセント未満の相対湿度を有する空気、ＳＦ6ガス又は窒素ガスの何れかであることを特徴とする光電圧センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光電圧センサにおいて、
ケースの内部に乾燥気体の相対湿度の上昇を防止する防湿部を設けることを特徴とする光電圧センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の光電圧センサにおいて、
防湿部は、乾燥剤であることを特徴とする光電圧センサ。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の光電圧センサにおいて、
前記ケースは、箱部容器、蓋、およびパッキンを備え、組立・分解が可能であることを特徴とする光電圧センサ。
【請求項６】
請求項５に記載の光電圧センサにおいて、
前記ケースは箱部容器と蓋との間にパッキンを挟んでボルトにより固定されて組立てられることを特徴とする光電圧センサ。
【請求項７】
請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の光電圧センサにおいて、
電圧入力部、入射用光ファイバ、出射用光ファイバおよび湿度センサがケース内外部へ連絡する孔部を接着剤またはゴムパッキンで塞いで外部環境から遮断することを特徴とする光電圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気光学効果を利用して被測定対象の電圧の大きさを検出する光電圧センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気光学効果を利用する光電圧センサは、光学結晶に印加される電圧を電界強度の変化に変換し、電界強度の変化を更に光学結晶に入射される光の光強度の変化に変換して出射し、出射された光の光強度を計測して電圧の大きさを測定するものである。光電圧センサは、無誘導性、広帯域性、電気絶縁性等の利点を有することから、送配電系統の計測、保護、制御用センサとして徐々に利用されつつある。
【０００３】
一般的に、光学結晶としてＢｉ１２ＧｅＯ２０、または、Ｂｉ１２ＳｉＯ２０等が広く用いられている。これら光学結晶は、周囲温度の変化に応じてその旋光性（直線偏光が光学結晶を通過するときに偏光面を回転させる性質）が著しく変動するため、光学結晶の感度が温度依存性を有する事も知られている。
このような温度依存性を極力抑制して安定した性能を保持するため、従来から種々の手段が光学結晶に講じられている。
【０００４】
例えば、本出願人により特許出願され、特開平５−１６４９５１号公報で出願公開された発明では、光学結晶をヤング率の小さい接着剤でガラス板などの基板に固着し、温度変化により生じる応力を緩和することで温度依存性を低減している。
同じく、本出願人により特許出願され、特開平７−８３９６１号公報で出願公開された発明では、光学結晶の温度特性に対し、相反する温度特性を有するコンデンサを並列接続して、総和として温度変化による出力変化を相殺することで温度依存性を低減している。
【０００５】
その他、旋光角または波長板位相差を調整したり、異なる光学結晶を組み合わせて温度係数が一定になるようにして、温度依存性を打ち消す方法も提案されている。
光学結晶に対し、上述のような温度依存性による変化抑制手段を講じたので、−２０℃〜８０℃の範囲で周囲温度が変化するような場合であっても出力電圧の比誤差特性が土０．１％以内に収まり、温度依存性がない光電圧センサとしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のような温度依存性を排した光電圧センサを周囲温度が一定の状態で保存或いは使用（実課電）していても、経時的に０．２〜０．４％程度の比誤差特性の変化を生じて、その光電圧センサ固有の比誤差特性を保持出来ないことがあった。
特に、光電圧センサの保存或いは使用（実課電）状態において、光学結晶は、梅雨時など相対湿度が高い程、比誤差特性の変化が著しい傾向があった。相対湿度と比誤差特性との関係について図を用いて説明をする。図６は、従来の光学センサの相対湿度依存性を説明する特性図である。
【０００７】
光学結晶の旋光性特性が相対湿度に依存するか否かについての検証試験を行った。
周囲温度が２０℃一定に保持された恒温槽内に光学結晶を配置しておく。そして、相対湿度を８％から４２％まで急激に上昇するように変化させると、その出力電圧の比誤差特性が４日後に０．２％減少し、更に９日後で０．０８％減少して、当初の比誤差特性から合計１３日後で０．２８％減少した状態で安定した。
【０００８】
引続き、相対湿度を４２％から８％まで急激に下降するように変化させると、再び比誤差特性が３日後で０．１６％増加し、更に４日後で０．０６％増加して、比誤差特性は、ほぼ０．０％に近づいて安定した。
このような検証試験の結果から、光センサ（光学結晶）がその周囲の相対湿度に対し依存性を有するとの知見を得た。
【０００９】
そこで、本発明は、温度変化に加えて相対湿度変化が起こる周囲環境下にあってもその変化に影響されることなく、Ｂｉ１２ＧｅＯ２０、Ｂｉ１２ＳｉＯ２０などの光学結晶からなる光センサ部の性能変動を防止し、出力電圧の比誤差特性を安定して保持できる光電圧センサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の光電圧センサによれば、
入射される光の光強度を電界強度の変化に対応するように変化させて出射する光センサ部と、
光センサ部の電界強度を変化させるために印加される被測定対象電圧が入力される電圧入力部と、
外部から入力された光を光センサ部へ入射する入射用光ファイバと、
光センサ部から出射された光を外部へ出力する出射用光ファイバと、
相対湿度を計測するための湿度センサと、
電圧入力部、入射用光ファイバ、出射用光ファイバおよび湿度センサが内外部へ連絡するように備え付けられるとともに内部に配置された光センサ部を外部環境から遮断するケースと、
を備える光電圧センサであって、
ケースの内部に乾燥気体を封止することを特徴とする。
【００１１】
まず、光電圧センサ内部の光センサ部は外部環境から遮断されているため、外部環境の相対湿度が変化した場合であっても、光電圧センサ内部は相対湿度変化に影響されることなく、光センサ部の性能変動は回避される。
さらに、相対湿度とは気体中に含まれる水蒸気の割合であって温度に依存するため、ケースの内部に封止した気体の相対湿度が高くて水蒸気を含むような場合は、外部環境の温度変化によりケースの内部の相対湿度が変化して光センサ部に性能変動が生じていたが、本発明ではケースの内部に封止した気体は乾燥気体であって水蒸気をほとんど含まないため、温度変化が起こっても相対湿度の変化は少なく光センサ部の性能変動は回避される。
さらに、湿度センサが検出する相対湿度に基づいてケース内の相対湿度を常に監視しているため、乾燥気体の状態を確実に把握することができる。
【００１２】
また、請求項２記載の光電圧センサによれば、
請求項１に記載の光電圧センサにおいて、
乾燥気体は、０パーセント以上２０パーセント未満の相対湿度を有する空気、ＳＦ６ガス又は窒素ガスの何れかであることを特徴とする。
なお、空気は乾燥気体として安価、かつ、容易に得ることができる。
【００１３】
また、請求項３記載の光電圧センサによれば、
請求項１または請求項２に記載の光電圧センサにおいて、
ケースの内部に乾燥気体の相対湿度の上昇を防止する防湿部を設けることを特徴とする。
防湿部により長期間にわたり相対湿度依存性を低減した状態を維持することができる。
【００１４】
また、請求項４記載の光電圧センサによれば、
請求項３に記載の光電圧センサにおいて、
防湿部は、乾燥剤であることを特徴とする。
シリカゲルなど一般に普及した乾燥剤を防湿部として用いるため、長期間にわたり、安価に、相対湿度依存性を低減した状態を維持することができる。
【００１５】
また、請求項５記載の光電圧センサによれば、
請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の光電圧センサにおいて、
前記ケースは、箱部容器、蓋、およびパッキンを備え、組立・分解が可能であることを特徴とする。
所定期間経過したときなどケース内の相対湿度が上昇するとき、光電圧センサのケースを分解し、乾燥気体の封入または乾燥剤の交換を行うことでケース内部は常に乾燥気体として維持され、相対湿度依存性を低減させた状態にすることができる。
【００１６】
また、請求項６記載の光電圧センサによれば、
請求項５に記載の光電圧センサにおいて、
前記ケースは箱部容器と蓋との間にパッキンを挟んでボルトにより固定されて組立てられることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項７記載の光電圧センサによれば、
請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の光電圧センサにおいて、
電圧入力部、入射用光ファイバ、出射用光ファイバおよび湿度センサがケース内外部へ連絡する孔部を接着剤またはゴムパッキンで塞いで外部環境から遮断することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の光電圧センサの一実施形態について説明する。図１は本実施形態の構成を示す構成図、図２は本実施形態のセンサ部の構成を示す構成図である。
本実施形態では、光電圧センサ１０のケースとして水密箱１を用いる。水密箱１は、図１の如く、箱状容器１ａ、蓋１ｂ、およびパッキンの一例として板ゴムパッキン１ｃを備え、箱状容器１ａと蓋１ｂとの間に板ゴムパッキン１ｃを挟んでボルト１ｄで固定することで組み立て・分解ができるように構成されている。板ゴムパッキン１ｃが間隙を埋めて水密箱１内の気密性を高めるため、仮に水中下に配置しても水密箱１内に水が入ることなく、気密を維持する。
【００１９】
水密箱１の側部には孔部１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉが設けられており、電圧入力部である電圧印加線２ａ，２ｂ、入射用光ファイバ３、出射用光ファイバ４および湿度センサ５が、これら孔部１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉにそれぞれ挿通される。電圧印加線２ａ，２ｂ、入射用光ファイバ３および出射用光ファイバ４は、それぞれ光センサ部６に接続され、水密箱１の内外部へ被測定対象電圧と検出光とを伝達している。また、湿度センサ５は、水密箱１の側部に固着され、水密箱１の外部へ相対湿度に関する検出信号を出力する。
【００２０】
光センサ部６は、図２に示すように、入射用光ファイバ接続端子６ａ、偏光子６ｂ、１／４波長板６ｃ、光学結晶６ｄ、検光子６ｅ、出射用光ファイバ接続端子６ｆ、電圧印加線接続端子６ｇ，６ｈを備えている。水密箱１の箱状容器１ａには防湿部として最も一般的なシリカゲルなどの乾燥剤７を配置してある。光電圧センサ１０はこのように構成される。
【００２１】
続いて、本実施形態の組み立てについて説明する。まず、水密箱１の箱状容器１ａ内に光センサ部６と乾燥剤７とを所定位置に固着する。水密箱１の孔部１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈには、電圧印加線２ａ，２ｂ、入射用光ファイバ３、および出射用光ファイバ４を挿通し、光センサ部６にそれぞれ接続する。接続終了後、水密箱１の孔部１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈを封止する。続いて、水密箱１の孔部１ｉに、湿度センサ５を挿通し、挿通終了後、孔部１ｉを封止する。
【００２２】
ここに封止とは、具体的には、孔部１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉの隙間に接着剤を充填したり、孔部１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉに図示しないゴムパッキンなどを取り付けて外部から内部を遮断密封したりすることである。このように、孔部１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉの密封については各種考えられるが、本実施形態では、接着剤を用い、孔部１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉに電圧印加線２ａ，２ｂ、入射用光ファイバ３、出射用光ファイバ４および湿度センサ５を挿通した状態で接着と共に孔部１ｅ〜１ｉを塞いで封止したものとする。
【００２３】
孔部１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉの封止が完了した後、乾燥気体が充満する雰囲気の中に水密箱１を配置する。ここに本実施形態における乾燥気体とはある温度（例えば０℃）において相対湿度が０％〜２０％の空気とする。理由については後述する。そして、水密箱１の箱状容器１ａと蓋１ｂとの間に板ゴムパッキン１ｃを挟み、ボルト１ｄで組み立てる。このようにして、水密箱１を密封し、水密箱１の内部を外部環境から遮断するとともに水密箱１の内部に乾燥気体を封止する。
【００２４】
ここで、乾燥気体について概略説明する。相対湿度は、空気における現在の実際の水蒸気圧ｐと現在の温度に対する飽和水蒸気圧ｐＳとの比であり次式（１）のようになる。
【００２５】
【数１】
0003632895.tif 000002
【００２６】
現在の温度に対する飽和水蒸気圧ｐＳは、温度が上昇すると増加し、温度が下降すると減少する。つまり、相対湿度自体も温度依存性を有しており、温度が上昇すると相対湿度は減少し、逆に温度が低下すると相対湿度は増加する。
【００２７】
水密箱１内に封止した気体が、本実施形態のような乾燥気体でなく、水蒸気を含む気体である場合は、式（１）からもわかるように、水密箱１の外部環境の温度変化によりケース内の相対湿度が増加して性能変動が生じてしまう。
しかしながら、本発明ではケース内に封止した気体は乾燥気体としている。水蒸気が可能な限り除去された乾燥気体をケース内に封止すれば、実際の水蒸気圧ｐがほとんど０になり、式（１）からも相対湿度はほとんど０％となり、外部環境の温度が上昇しても相対湿度の変化を著しく低く維持することができ、温度依存性ひいては相対湿度依存性を低減できる。
【００２８】
くわえて、温度が低く、かつ、乾燥した気体を水密箱１内に封止すればさらに相対湿度依存性を低減できる。ここに低い温度とは光電圧センサが用いられる環境により変化する。例えば、光電圧センサの使用環境が２５℃なら、０℃の乾燥気体を封止すれば２５℃の使用環境下ではケース内部の相対湿度がさらに低くなり、相対湿度依存性をさらに排することができる。
【００２９】
先に図６を用いて説明したように、相対湿度が８％程度の場合、比誤差特性が０．０％にほぼ近づいて安定している。比誤差特性の変動許容範囲内に入るように標準温度（例えば０℃または２０℃など）における相対湿度が０％〜２０％の空気を採用し、この空気を乾燥気体として用いる。
【００３０】
このように、乾燥気体は、相対湿度の変動要因である水蒸気をほとんど含まないため、温度変化が起こっても水蒸気にほとんど変化がなく、相対湿度が変化することはない。本実施形態のように構成することで比誤差特性の相対湿度依存性を著しく低減することができる。このように、外部環境の温度変化・相対湿度変化にほとんど影響されない光電圧センサとすることができる。
なお、乾燥気体として空気に代えて、ケース内にＳＦ６ガスまたは窒素ガスなどを置換封止して乾燥状態を維持しても良い。
【００３１】
つづいて、本実施形態を用い、外部環境の状態による比誤差の変動について説明する。図３は、本実施形態を用いる実験装置を説明する説明図である。光センサ部６には、標準交流電圧電流発生装置１１が接続されている。この標準交流電圧電流発生装置１１の出力は被測定対象電圧を想定しており、光電圧センサ１０の光センサ部６へ出力される。
【００３２】
標準交流電圧電流発生装置１１が出力する被測定対象電圧は、印加電圧として光センサ部６の光学結晶６ｄに印加される。この印加電圧は、印加電圧用ディジタルメータ１２（以下、印加電圧用Ｄ．Ｍ．１２とする。）により常時計測され、印加電圧がディジタル表示される。
なお、実際の送配電系統で利用する場合には、図示しない分圧器を用いて分圧し、低電圧に降下させた上で計測する。分圧器の使用の有無については適宜選択が可能である。
【００３３】
光ファイバ、例えば石英系プラスチッククラッドファイバなどである入射用光ファイバ３、出射用光ファイバ４の一端には光センサ部６が接続され、他端には計測部１３が接続されている。入射用光ファイバ３を介して入力された検出光は、光センサ部６において光強度に変化が与えられ、出射用光ファイバ４を介して計測部１３へ出力される。この計測部１３は、入力された検出光を電圧に変換し、被測定対象電圧を計測する。
【００３４】
この計測部１３には出力電圧用Ｄ．Ｍ．１４が接続され、出力電圧がディジタル表示される。印加電圧と出力電圧とは、位相計１５に入力される。この位相計１５により位相遅れ・位相進みという位相差を計測することができる。また、印加電圧と出力電圧とから比誤差特性を得ることができる。比誤差特性は次式（２）により得られる。
【００３５】
【数２】
0003632895.tif 000003
【００３６】
ここで基準変圧比（若しくは定格変圧比）は、次式（３）により求めることができる。
【００３７】
【数３】
0003632895.tif 000004
【００３８】
また、実際の変圧比は、次式（４）により求めることができる。
【００３９】
【数４】
0003632895.tif 000005
【００４０】
例えば、基準変圧比は、３００［Ｖ］／３［Ｖ］＝１００／１などと設定され、基準変圧比（定格変圧比）と光センサ部の変圧・信号変換に伴う実際の変圧比との差の割合を表している。
なお、比誤差を求めるとき位相計１５により計測した位相遅れ・位相進みも考慮されている。
【００４１】
水密箱１の内部の相対湿度を検出する湿度センサ５は、湿度センサ変換器ボックス１６に接続されている。湿度センサ変換器ボックス１６は、電圧・電流などの電気量として計測される検出信号を増幅して湿度用Ｄ．Ｍ．１７へ出力する。湿度用Ｄ．Ｍ．１７は、この増幅された検出信号から相対湿度を表示する。
なお、湿度センサ変換器ボックス１６は、ヒューズ１８に接続されているが、水蒸気により湿度センサ５が短絡したような場合に、湿度センサ変換器ボックス１６の故障を防止する。
【００４２】
続いて、本実験装置を用いる実験および実験結果について説明する。図４は、本実施形態の相対湿度依存性の特性図である。図３で示したように相対湿度９０％の恒温槽１９内に光電圧センサ１０を長期間放置して、相対湿度依存性試験を行なった。図４で示すように水密箱１内は当初の相対湿度を約１８％に維持している。恒温糟１９内部の相対湿度は著しく高いにも関わらず、比誤差特性には殆ど変化が生じていないことを確認した。
【００４３】
なお、光センサ部６を乾操剤７とともに水密箱１内で密閉状態としたため湿度依存性が抑制されているが、他の光センサ部６の構成部品である電圧印加線２ａ，２ｂや入射用光ファイバ３、出射用光ファイバ４は高湿度下でさらされているため、相対湿度の影響を受ける。
【００４４】
しかしながら、電圧印加線２ａ，２ｂや入射用光ファイバ３、出射用光ファイバ４が相対湿度に影響されても出力電圧における比誤差特性変化が０．０３％以内の変化であることが予めわかっており、光学結晶の特性変動に比べて殆ど無視し得る程度である。図４における若干の比誤差特性変化要因は光センサ部６の他の構成部品の変化と見なせる。
【００４５】
このように、水密箱１の内部に光学結晶等の光センサ部６を収納し、相対湿度の変化に影響されないようにしたので、外部環境における相対湿度や温度の変化が起こっても、光学結晶の旋光性特性が一定に保持され、光電圧センサとして優れた出力電圧の比誤差特性を得ることができる。
【００４６】
なお、水密箱１を分解・組立可能とし、また、湿度センサ５を備えて水密箱１の内部の相対湿度を監視するようにしたため、水密箱１の気密が破られて水密箱１の内部の相対湿度が高くなったとしても、水密箱１を分解して改めて乾燥気体に入れ替えたり、または、乾操剤のみ取り替えることで再び乾燥気体にすることができ、保守・点検等を行い易くしている。
【００４７】
次に、本発明による光電圧センサの他の実施形態について説明する。図５は、他の実施形態の光電圧センサの平面図を示す。
本実施形態の光センサ部６は、図２に示すように、入射用光ファイバ接続端子６ａ、偏光子６ｂ、１／４波長板６ｃ、光学結晶６ｄ、検光子６ｅ、出射用光ファイバ接続端子６ｆ、電圧印加線接続端子６ｇ，６ｈが内外部へ連絡するように備え付けられている。さらに、光電圧センサは、図５に示すように、軟鋼製あるいはステンレス製の収納箱２０を備え、この収納箱２０の内部に光センサ部６は一体収納される。
【００４８】
収納箱２０に各素子や接続端子を組み付けたのち、光センサ部６の各接続端子が挿通される孔の周囲にはパテ止めなど処理が施されて一体収納される。この後、収納箱２０の外表面にゴムまたは樹脂がコーティングされる。この樹脂コーティングとは、例えば、乳液アクリル樹脂で調合されたコーティング剤でディッピング法やスプレー法で塗布されるコーティングである。
【００４９】
そして、各素子の許容温度以下で熱風乾燥されるが、収納箱２０には挿通孔（図示せず。）が設けてあり、熱風乾燥後速やかに乾燥炉内でこの挿通孔を目止め処理する。このように、０パーセント以上２０パーセント未満の相対湿度を有する空気（実際はかなり０パーセントに近い空気である。）を収納箱２０内に封止するとともに樹脂コーティングを施すので、収納箱２０内は乾燥気体が保持される。先に説明した水密箱１のような水密構造でない収納箱２０を用いても、乾燥気体を封止でき、また、小型化も可能であるため、光センサ部を気中開閉器などスペース的に制約の多い配電機器内部に直接配置できる。
【００５０】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、温度変化に加えて相対湿度変化が起こる周囲環境下にあってもその変化に影響されることなく、Ｂｉ１２ＧｅＯ２０、Ｂｉ１２ＳｉＯ２０などの光学結晶からなる光センサ部の性能変動を防止し、出力電圧の比誤差特性を安定して保持できる光電圧センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光電圧センサの一実施形態の構成を示す構成図である。
【図２】本発明の光電圧センサの一実施形態のセンサ部の構成を示す構成図である。
【図３】本発明の光電圧センサの一実施形態を用いる実験装置を説明する説明図である。
【図４】本発明の光電圧センサの一実施形態の相対湿度依存性の特性図である。
【図５】本発明の光電圧センサの他の実施形態の平面図を示す。
【図６】従来の光電圧センサの相対湿度依存性を説明する特性図である。
【符号の説明】
１０                                                            光電圧センサ
１                                                      水密箱
１ａ                          箱状容器
１ｂ                          蓋
１ｃ                          板ゴムパッキン
１ｄ                          ボルト
１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉ  孔部
２ａ，２ｂ                    電圧印加線
３                            入射用光ファイバ
４                            出射用光ファイバ
５                            湿度センサ
６                                                        光センサ部
７                            乾燥剤
１１                              標準交流電圧電流発生装置
１２                              印加電圧用ディジタルメータ
１３                              計測部
１４                              出力電圧用ディジタルメータ
１５                              位相計
１６                              湿度センサ変換器ボックス
１７                              湿度用ディジタルメータ
１８                              ヒューズ
１９                              恒温糟
２０                              収納箱
【図１】
0003632895.tif 000006
【図２】
0003632895.tif 000007
【図３】
0003632895.tif 000008
【図４】
0003632895.tif 000009
【図５】
0003632895.tif 000010
【図６】
0003632895.tif 000011