(57)【要約】【課題】  光伝送路に単一モードファイバを使用でき、なおかつ計測精度が高く、長距離伝送が可能な光電流センサを提供すること。【解決手段】  光源１１から出射する光を偏波無依存型サーキュレータで構成した分光素子１２、偏光解消素子１３、単一モードファイバで形成した入力光ファイバ２１を介してセンサ部３０に供給する。また、センサ部３０の出射する２つの光信号の一方を単一モードファイバで形成した出力光ファイバ２２を介して光電変換器１４に入力するとともに、他方を入力光ファイバ２１，偏光解消素子１３，分光素子１２を介し、光電変換器１４に入力する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定電流が流れる導体に光ファイバで形成されたファラデー素子を周回させ、ファラデー効果により回転する光の偏波方位を光強度に変換する手段を設け、その光強度の変化から被測定導体に流れる電流の大きさを算出する光電流センサにおいて、
光源と、被測定導体に流れる電流の大きさを位相が反転した２つの光強度信号に変換するセンサ部と、
そのセンサ部から得られる２つの光信号を電気信号に変換し、その電気信号を演算することにより電流値を算出する光電変換器と、
前記光源と前記センサ部とを接続する単一モードファイバで形成した入力光ファイバと、
前記センサ部と前記光電変換器とを接続する単一モードファイバで形成した出力光ファイバと、
前記光源と前記入力光ファイバとの間に配置した偏光解消素子と、
前記光源と前記偏光解消素子との間に配置し、前記光源から出射した光を偏光状態と強度を変化させることなく前記偏光解消素子に供給するとともに、前記入力光ファイバおよび前記偏光解消素子を介して前記センサ部から入力される光を偏光状態と強度を変化させることなく前記光電変換器に供給する分光素子と、
を備えたことを特徴とする光電流センサ。
【請求項２】
前記光源は、希土類元素添加物ファイバを半導体レーザ等の励起用光源で励起することにより生じた自然放出光がファイバ内を導波するに従い増幅する現象を利用した光源であることを特徴とする、請求項１に記載の光電流センサ。
【請求項３】
架空線路と地中線路が混在する送電線路における事故区間判定装置において、
請求項１および請求項２記載の光電流センサを備えたことを特徴とする地中線事故区間判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ファラデー効果を利用した光電流センサは電磁雑音の影響を受けないなどの利点があり、電力分野における電流の測定に利用されている。このような光電流センサは例えば、１９９８年発行の電気学会電線ケーブル研究会資料ＥＣ−９８−８や、特開平７−２４８３３８に開示されている。
【０００３】
研究会資料（ＥＣ−９８−８）に記載の光電流センサの構成の概要を図２に示す。光電流センサは、光源１１、偏光解消素子（デポラライザ）１３、光電変換器１４から成る信号処理部１０と、センサ部３０と、信号処理部１０とセンサ部３０とを接続する入力光ファイバ２１および出力光ファイバ２２から成る光伝送路２０により構成されている。ここで、光源１１に高輝度発光ダイオード（高輝度ＬＥＤ）を、入力光ファイバ２１および出力光ファイバ２２に単一モードファイバを使用している。
【０００４】
この構成の光電流センサは、光源１１が有する偏波の偏りを偏光解消素子１３で解消した後、入力光ファイバ２１を介してセンサ部３０に送ることにより、センサ部３０に供給する光強度を一定にできる。そのため、入力光ファイバ２１が受ける外乱により生じる光電流センサの出力変動を小さくすることができる。
【０００５】
一方、電力用送電線は架空地線に単一モード光ファイバを内蔵した構造のもの（ＯＰＧＷ）が普及している。そのため、信号処理部１０とセンサ部３０とを接続する光伝送路２０を単一モードファイバにすることにより、光伝送路を新たに敷設することなく光電流センサを利用することができる。
【０００６】
次に、前記公報（特開平７−２４８３３８）記載の光電流センサの構成の概要を図３に示す。光電流センサは、光源１１、分光素子１２、光電変換器１４から成る信号処理部１０と、偏光素子３１、光学バイアス素子３２、ファラデー素子３３、反射ミラー３４より成るセンサ部３０と、信号処理部１０センサと部３０とを接続する入力光ファイバ２１および出力光ファイバ２２から成る光伝送路２０により構成されている。ここで、分光素子１２に偏光素子および４５度のファラデー回転子から成る偏波依存型サーキュレータを、入力光ファイバ２１に偏波面保持ファイバを、出力光ファイバ２２にマルチモードファイバを使用している。
【０００７】
この構成の光電流センサは、ファラデー素子３３を光ファイバで形成し、その一端に反射ミラー３４を設けることにより、被測定電流が流れる導体４０を切り離すことなく当該センサ部３０を取り付けることができる。また、センサ部３０から出力される位相が反転した２つの光信号を使用することにより、ファラデー素子３３が受ける外乱により生じる複屈折の影響をキャンセルできるため、電流計測精度を向上できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、図２の構成では、光源１１に使用する高輝度ＬＥＤの発光量と、光電変換器１４の最低受光量から光伝送路２０の最大距離を算出すると５ｋｍ程度となる。
【０００９】
一方、電力分野では架空送電線と地中送電線の混在線路において事故が発生した場合、事故区間が架空送電線で生じたものか、地中送電線で生じたものかを判定できる装置（地中線事故区間判定装置）が実用化されている。この判定には地中送電線の両端に存在する架空送電線との接続部に流れる零相電流の大きさと位相を比較する必要がある。そのため、この装置に使用する光電流センサは電流情報を長距離伝送できなければならない。地中送電線は長いものでは２０ｋｍを越えるものがあるため、従来の伝送距離を更に長距離化できる光電流センサが望まれている。
【００１０】
また、図２の構成による光電流センサは、センサ部３０から出射する光を１つしか使用しないため、センサ部３０が受ける外乱の影響を除去することができない。その結果、光電流センサの電流計測精度が低下する。
【００１１】
一方、前述した地中線事故区間判定装置では判定精度を上げるために、より高い電流計測精度を有した光電流センサが望まれている。
【００１２】
また、図３の構成では、精度の良い電流計測ができるものの、入力光ファイバ２１に偏波面保持ファイバを使用しているため、前述したＯＰＧＷに収納された単一モードファイバを使用することは困難である。そのため、この光電流センサの出力を長距離伝送するためには、新たに光伝送路を敷設する必要が生じる。しかし、偏波面保持ファイバは単一モードファイバと比較して高価であるため、偏波面保持ファイバを敷設することは現実的とは言えない。
【００１３】
仮に図３における入力光ファイバ２１を単一モードファイバで構成すると、単一モードファイバには偏波方位を安定に伝送する機能が無いため、分光素子１２である偏波依存型サーキュレータを通過した直線偏波光の方位は、単一モードファイバが外乱を受けることにより生じる複屈折により、単一モードファイバ伝搬中に任意に変化する。その結果、センサ部３０に到達する光の偏波方位は時間毎に変化する。センサ部３０に入射する光の偏波方位が時間毎に変化すると、それに伴って偏光素子３１を通過しファラデー素子３３に供給される光量が変動する。その結果、被測定電流が無通電の状態において光電変換器１４に入射する光量が変化する。この光量変動は光電流センサの電流測定精度を低下させる原因となる。
【００１４】
そこで本発明は、光伝送路に単一モードファイバを使用し、なおかつ計測精度が高く、長距離伝送が可能な光電流センサの構成を提案することにある。
【００１５】
また、その光電流センサを使用した地中線事故区間判定装置を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の請求項１では、被測定電流が流れる導体に光ファイバで形成されたファラデー素子を周回させ、ファラデー効果により回転する光の偏波方位を光強度に変換する手段を設け、その光強度の変化から被測定導体に流れる電流の大きさを算出する光電流センサにおいて、光源と、被測定導体に流れる電流の大きさを位相が反転した２つの光強度信号に変換するセンサ部と、そのセンサ部から得られる２つの光信号を電気信号に変換し、その電気信号を演算することにより電流値を算出する光電変換器と、前記光源と前記センサ部とを接続する単一モードファイバで形成した入力光ファイバと、前記センサ部と前記光電変換器とを接続する単一モードファイバで形成した出力光ファイバと、前記光源と前記入力光ファイバとの間に配置した偏光解消素子と、前記光源と前記偏光解消素子との間に配置し、前記光源から出射した光を偏光状態と強度を変化させることなく前記偏光解消素子に供給するとともに、前記入力光ファイバおよび前記偏光解消素子を介して前記センサ部から入力される光を偏光状態と強度を変化させることなく前記光電変換器に供給する分光素子と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項２では、前記光源が希土類元素添加物ファイバを半導体レーザ等の励起用光源で励起することにより生じた自然放出光がファイバ内を導波するに従い増幅する現象を利用した光源であることを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項３では、架空線路と地中線路が混在する送電線路における事故区間判定装置において、請求項１および請求項２記載の光電流センサを備えたことを特徴とする。
【００１９】
上記構成による光電流センサでは、光伝送路に単一モードファイバを使用でき、なおかつ計測精度が高く、長距離伝送が可能な光電流センサを提供できる。
【００２０】
また、その光電流センサを使用した地中線事故区間判定装置を提供できる。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように、上記構成による光電流センサでは、光伝送路に単一モードファイバを使用でき、なおかつ計測精度が高く、長距離伝送が可能な光電流センサを提供できる。また、その光電流センサを使用した地中線事故区間判定装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下２つの実施例について説明する。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。尚、以下の説明では、上記従来の技術で参照した図において、同一もしくは相当する部分には同一符号を付してその説明は省略している。
【００２４】
図１は本発明のうち請求項１および請求項２の実施形態である光電流センサの構成を示した一例である。図１では、光源１１と偏光解消素子１３との間に分光素子１２を配置する。また、センサ部３０は電流計測精度を向上させるために２つの光信号を出力するものとし、一方の出力光は出力光ファイバ２２を介して、もう一方の出力光は入力光ファイバ２１、偏光解消素子１３および分光素子１２を介して光電変換器１４に入射する構造となっている。
【００２５】
ここで、光源１１には希土類元素添加物ファイバを半導体レーザ等の励起用光源で励起することにより生じた自然放出光がファイバ内を導波するに従い増幅する現象を利用した光源（ＡＳＥ）を使用する。また、入力光ファイバ２１および出力光ファイバ２２に単一モード光ファイバを使用する。ＡＳＥは、出力光量が大きい（数十ｍＷ）、時間的コヒーレンスが低い、空間的コヒーレンスが高いなどの特徴を有しており、光電流センサの光源として適している。また、出力光の偏光度は小さいため、偏光解消素子による無偏光化が容易となる。そのため、入力光ファイバ２１を単一モードファイバとする光電流センサにおける光源として優れている。
【００２６】
また、分光素子１２に偏波無依存型サーキュレータを使用する。偏波無依存型サーキュレータを分光素子１２として使用することにより、光源１１から出射した光を偏波状態と強度を変化させることなく偏光解消素子１３に供給するとともに、入力光ファイバ２１、偏光解消素子１３を介して偏光素子３１から入力される光を偏光状態と強度を変化させることなく光電変換器１４に供給することができる。
【００２７】
以下に、図１に示す光電流センサの構成により、長距離伝送が可能である理由を試験データを踏まえて説明する。長距離伝送が可能であることを裏付けるために、光伝送路２０を長距離にした状態で戻り光量が十分確保できること、光伝送路２０が受ける外乱により光電流センサの出力が変動しないこと、の２項目について検証を行った。
【００２８】
まず、図１に示す光電流センサの構成により長距離伝送が可能となることを示す試験として、分光素子１２に偏波無依存型サーキュレータ、偏波依存型サーキュレータ、カプラの３種類を用いて光挿入損失の測定を行った。その結果を下表に示す。光損失（Ｐ）は、光源１１の発光量（Ｐ０）から光電変換器１４の受光量（分光素子１２側をＰ１、出力光ファイバ２２側をＰ２）を引いた値を示している。この試験では入力光ファイバ２１、出力光ファイバ２２の長さをそれぞれ１０ｋｍとしている。この表より分光素子１２に偏波無依存型サーキュレータを使用することにより、他の分光素子を使用したものより約６ｄＢ低減できることがわかる。
【００２９】
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【００３０】
一方、光源１１にＡＳＥを使用した場合の発光量（Ｐ０）は＋１０ｄＢｍ以上である。また、電流計測精度を保証するためには少なくとも−２０ｄＢｍの光量が必要となる。ここで、片道１０ｋｍの光伝送路２０の光損失を含む光電流センサの光損失を２０ｄＢ、光伝送路２０の光損失を０．５ｄＢ／ｋｍとすると、試験に使用した光伝送路２０の距離を更に１０ｋｍ延長することが可能であることが分かる。つまり、図１に示す構成の光電流センサでは２０ｋｍ以上の長距離伝送が可能となる。
【００３１】
次に、図１に示す光電流センサの構成により、光伝送路２０が受ける外乱により光電流センサの出力が変動しないことを検証した試験結果を説明する。試験は図１に示す光電流センサの構成において単一モードファイバを使用した入力光ファイバ２１を揺動させ、そのときの光電流センサの出力を測定した。また、分光素子１２の特性が比較できるように、偏波無依存型サーキュレータ、偏波依存型サーキュレータ、カプラの３種類について行った。試験結果を下表に示す。この試験結果より、偏波無依存型サーキュレータを使用した場合と、カプラを使用した場合の入力光ファイバ２１の揺動に対する影響は実用上問題が無い程度に小さいが、偏波依存型サーキュレータを使用した場合は実用に耐えられない程の影響を受けることがわかる。
【００３２】
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【００３３】
図４は本発明のうち請求項３の実施形態である地中線故障区間判定装置の一例を示す。架空線路と地中線路が混在する送電線路において、架空送電線４１と地中送電線４２との一方の接続部付近にセンサ部３０ａを、もう一方の接続部付近にセンサ部３０ｂを取り付ける。
【００３４】
光源３１ａを出射した光は分光素子１２ａ、偏光解消素子１３ａ、入力光ファイバ２１ａを介してセンサ部３０ａに入射する。センサ部ではファラデー効果を利用することで、入射した光を地中送電線４２に流れる電流により発生する磁界の大きさに依存した光の偏波方位の回転角度を２つの光強度に変換して出射する。一方の光信号は出力光ファイバ２２ａと介して光電変換器１４ａに入射される。もう一方の光信号は入力光ファイバ２１ａ、偏光解消素子１３ａ、分光素子１２ａを介して光電変換器１４ａに入射される。光電変換器１４ａでは２つの光信号を電気信号に変換した後、所定の演算を行い、センサ部３０ａを取り付けた位置の地中送電線４２に流れる電流を算出する。
【００３５】
同様に、光電変換器１４ｂではセンサ部３０ｂを取り付けた位置の地中送電線４２に流れる電流を算出する。
【００３６】
光電変換器１４ａ、１４ｂで得られた電流情報は、区間検出装置１５に送られ、電流値と位相差から地絡事故が架空送電線４１で発生したのか、地中送電線４２で発生したのかを判定する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる、光電流センサの構成の一例を示す図である。
【図２】従来の光電流センサの構成の一例を示した図である。
【図３】従来の光電流センサの構成の別の一例を示した図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係わる、光電流センサを使用した地中線事故区間判定装置構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  信号処理部
１１  光源
１２  分光素子
１３  偏光解消素子
１４  光電変換器
１５  区間検出装置
２０  光伝送路
２１  入力光ファイバ
２２  出力光ファイバ
３０  センサ部
３１  偏光素子
３２  光学バイアス素子
３３  ファラデー素子
３４  反射ミラー
４０  導体
４１  架空送電線
４２  地中送電線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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