(57)【要約】【課題】直流ドリフトの影響を回避すると共に、分圧器も必要とせずに高電圧を高精度に測定する電圧測定装置および電圧測定方法を得るものである。【解決手段】高電圧印加部と接地電位部との間に配置されたポッケルス素子４と、このポッケルス素子に備えられた一対の電極９と、ポッケルス素子の内部を透過する光を出射する光源５と、光源から出射された光を偏光する偏光子６と、ポッケルス素子を透過し検光子７を通過した光の光強度を検出する光検出器８と、一対の電極に直流電圧を印加する直流電源１０と、光検出器で検出された光強度に基づいて直流電源の出力電圧を算出するフィードバック回路１１と、このフィードバック回路で算出された出力電圧から高電圧印加部に印加された電圧を演算する演算部１２とを備えたものである。【選択図】図１
2018091782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電圧印加部と接地電位部との間に配置され、前記高電圧印加部および前記接地電位部の少なくとも一方と電気的に絶縁されたポッケルス素子と、
このポッケルス素子の前記高電圧印加部と対向する面および前記接地電位部と対向する面にそれぞれ電極を備えた一対の電極と、
この一対の電極に挟まれた前記ポッケルス素子の内部を透過する光を出射する光源と、
この光源と前記ポッケルス素子との間に配置され、前記光源から出射された光を偏光する偏光子と、
前記ポッケルス素子を透過した光の光強度を検出する光検出器と、
この光検出器と前記ポッケルス素子との間に配置された検光子と、
前記一対の電極に直流電圧を印加する直流電源と、
前記光検出器および前記直流電源に接続され、前記光検出器で検出された光強度に基づいて前記直流電源の出力電圧を算出するフィードバック回路と、
このフィードバック回路で算出された前記出力電圧から前記ポッケルス素子の電界強度を演算すると共に、前記高電圧印加部に印加された電圧を演算する演算部と
を備えたことを特徴とする電圧測定装置。
【請求項２】
前記フィードバック回路で算出される前記出力電圧は、
前記高電圧印加部によって前記一対の電極に挟まれた前記ポッケルス素子の内部に誘引された電界を打ち消す電界を前記一対の電極の間に発生させる電圧である
ことを特徴とする請求項１に記載の電圧測定装置。
【請求項３】
前記直流電源と直列に接続された交流電源とをさらに備えた
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電圧測定装置。
【請求項４】
前記偏光子と前記ポッケルス素子との間に４分の１波長板をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電圧測定装置。
【請求項５】
前記高電圧印加部は、円柱状の高電圧導体であり、
前記接地電位部は、前記高電圧導体を中心とする円筒状の接地導体である
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電圧測定装置。
【請求項６】
前記高電圧導体と前記接地導体との間の空間は、大気圧以上の気圧の絶縁性ガスで気密に封止されている
ことを特徴とする請求項５に記載の電圧測定装置。
【請求項７】
高電圧印加部と接地電位部との間に配置され、前記高電圧印加部および前記接地電位部の少なくとも一方と電気的に絶縁されたポッケルス素子に偏光された光を入射させる第１ステップと、
前記ポッケルス素子を透過した光が検光子を通過した後の光強度を検出する第２ステップと、
前記光検出器で検出された光強度に基づいて前記ポッケルス素子の前記高電圧印加部と対向する面と前記接地電位部と対向する面との間に直流電圧を印加する第３ステップと、
前記直流電圧から前記ポッケルス素子の電界強度を演算すると共に、前記高電圧印加部に印加された電圧を演算する第４ステップと
を備えたことを特徴とする電圧測定方法。
【請求項８】
前記直流電圧は、
前記高電圧印加部によって前記ポッケルス素子の内部に誘引された電界を打ち消す電界を前記ポッケルス素子の前記高電圧印加部と対向する面と前記接地電位部と対向する面との間に発生させる電圧である
ことを特徴とする請求項７に記載の電圧測定方法。
【請求項９】
前記第３ステップにおいて、
前記直流電圧に重畳して交流電圧を印加する
ことを特徴とする請求項７または８に記載の電圧測定方法。
【請求項１０】
前記第１ステップにおいて、
前記ポッケルス素子に入射させる光は、さらに４分の１波長板を通過した光である
ことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の電圧測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気光学効果を利用した電圧測定装置および電圧測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力の長距離送電においては、高い送電効率やコストメリットの観点から、高電圧直流（ＨＶＤＣ：Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）送電が世界的に注目を集めており、各国でその開発が進んでいる。送電系統の系統電圧は常時監視しておく必要があるが、その電圧は数１００ｋＶもの高電圧であり、直接測定することは困難である。そこで、抵抗やキャパシタなどの電気回路素子を組み合わせて構成された分圧器を用いて系統電圧を扱い易い低電圧まで降圧させ、その降圧させた電圧を測定することが一般に行われている。系統電圧の測定には高い測定精度が要求されるが、従来の分圧器を構成する電気回路素子における回路定数は一般に温度依存性を有するため、低温から運転時の高温まで測定精度を保証できる分圧器を設計、製造するには多大なコストがかかっていた。
【０００３】
分圧器を用いずに系統電圧を測定する方法として、一次の電気光学効果であるポッケルス効果を用いる手法が提案されている。ポッケルス効果とは、ある種の結晶において、電場を加えたとき、屈折率のテンソルが、電場の強さの一次に比例して変化する現象である。ポッケルス効果を有する結晶（以下、ポッケルス素子）に電界をかけると、特定の方向の屈折率のみが変化し屈折率に異方性が生じる。光は波動であり、一般に互いに直交する２成分の合成で強度が表わされる。屈折率に異方性が生じたポッケルス素子の内部を光が透過すると、素子内部において直交する光の２成分の透過速度が異なるため、光学的な位相差（以下、偏光位相差）が生じて偏光状態が変化する。この現象は一般に複屈折と呼ばれる。
【０００４】
例えば電界が印加されたポッケルス素子に直線偏光の光を入射させると、出射光は楕円偏光となる。一次の電気光学効果であるポッケルス効果において、偏光位相差はポッケルス素子に印加された電界に比例する。したがって、偏光位相差を測定することでポッケルス素子に印加された電界、すなわちポッケルス素子の両端の電位差を求めることができる。
【０００５】
ポッケルス効果を用いて電圧を測定する方法として、ポッケルス素子に印加される電界の方向と透過光の進行方向とが直交する横型変調方式を採用した方法が開示されている。例えば、ポッケルス素子内部を透過する透過光に対して進行方向と直交する方向に交流電界が印加され、さらに透過光のその先で測定電圧に起因するポッケルス素子内の直流電界が印加される構成とした方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
また、ポッケルス効果を用いて電圧を測定する別の方法として、ポッケルス素子に印加される電界の方向と透過光の進行方向とが平行となる縦型変調方式を採用した方法が開示されている。例えば、抵抗で構成された分圧器を用いて測定電圧を扱い易い電圧まで降圧し、その降圧した電圧がポッケルス素子内部を透過する透過光に対して進行方向と平行な方向に印加される構成とした方法が開示されている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平２−１４３１７３号公報（７頁、第７図、第８図）
【特許文献２】特開２０１５−１１０１９号公報（３−４頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ポッケルス素子に対して直流電圧を長時間印加すると、素子内部の分極や素子内部に生じた空間電荷の移動などに起因して、素子内部にかかる電界が初期の値から変動する。これは、いわゆる直流ドリフトと呼ばれる現象である。従来の横型変調方式を採用した方法では、測定対象となる直流電界が長時間印加されると、直流ドリフトによりポッケルス素子内部にかかる電界が初期の値から変動する。その結果、偏光位相差も変動することになり、直流の高電圧を精度よく測定することが困難となるという問題があった。
【０００９】
一方、従来の縦型変調方式を採用した方法では、直流ドリフトが生じても透過光の進行方向に沿った電界の積分値は変動しないため偏光位相差は変動せず、直流ドリフトの影響は回避できる。しかしながら、ポッケルス素子の両端に電極を設けて測定電圧を印加する必要があるため、電力系統の高電圧を測定する際には、分圧器を用いて扱いやすい電圧まで降圧させる必要がある。仮に電力系統の高電圧を印加しても絶縁異常を起こさない大きなサイズのポッケルス素子を用いることも考えられるが、コストの増大につながり実用的ではない。
【００１０】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、直流ドリフトの影響を回避すると共に、分圧器も必要とせずに高電圧を高精度に測定する電圧測定装置および電圧測定方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る電圧測定装置においては、高電圧印加部と接地電位部との間に配置され、高電圧印加部および接地電位部の少なくとも一方と電気的に絶縁されたポッケルス素子と、このポッケルス素子の高電圧印加部と対向する面および接地電位部と対向する面にそれぞれ電極を備えた一対の電極と、この一対の電極に挟まれたポッケルス素子の内部を透過する光を出射する光源と、この光源とポッケルス素子との間に配置され、光源から出射された光を偏光する偏光子と、ポッケルス素子を透過した光の光強度を検出する光検出器と、この光検出器とポッケルス素子との間に配置された検光子と、一対の電極に直流電圧を印加する直流電源と、光検出器および直流電源に接続され、光検出器で検出された光強度に基づいて直流電源の出力電圧を算出するフィードバック回路と、このフィードバック回路で算出された出力電圧からポッケルス素子の電界強度を演算すると共に、高電圧印加部に印加された電圧を演算する演算部とを備えたものである。
【００１２】
また、この発明に係る電圧測定方法においては、高電圧印加部と接地電位部との間に配置され、高電圧印加部および接地電位部の少なくとも一方と電気的に絶縁されたポッケルス素子に偏光された光を入射させる第１ステップと、ポッケルス素子を透過した光が検光子を通過した後の光強度を検出する第２ステップと、光検出器で検出された光強度に基づいてポッケルス素子の高電圧印加部と対向する面と接地電位部と対向する面との間に直流電圧を印加する第３ステップと、直流電圧からポッケルス素子の電界強度を演算すると共に、高電圧印加部に印加された電圧を演算する第４ステップとを備えたものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明は、ポッケルス素子を透過した光の光強度に基づいてポッケルス素子の高電圧印加部と対向する面と接地電位部と対向する面との間に直流電圧を印加し、この直流電圧から高電圧印加部に印加された電圧を演算しているので、直流ドリフトの影響を回避すると共に、分圧器も必要とせずに高電圧を高精度に測定する電圧測定装置および電圧測定方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１に係る電圧測定装置の模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る電圧測定方法のフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態１に係る電圧測定装置の特性図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る電圧測定装置の模式図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る電圧測定方法のフローチャートである。
【図６】この発明の実施の形態３に係る電圧測定装置の模式図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係る電圧測定方法のフローチャートである。
【図８】この発明の実施の形態３に係るポッケルス素子の特性図である。
【図９】この発明の実施の形態３に係るポッケルス素子の特性図である。
【図１０】この発明の実施の形態４に係る電圧測定装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明を実施するための実施の形態に係る電圧測定装置について、図面を参照しつつ説明する。以下の実施の形態の説明においては、他の図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１に係る電圧測定装置の模式図である。図１において、本実施の形態に関わる電圧測定装置１は、高電圧が印加される高電圧導体２と接地導体３との間に配置されたポッケルス素子４と、光源５、偏光子６、検光子７および光検出器８と、ポッケルス素子４の対角面に設けられた一対の電極９と、この電極に接続された直流電源１０と、この直流電源１０および光検出器８に接続され、直流電源１０の出力電圧を算出するフィードバック回路１１と、直流電源１０の出力電圧から高電圧導体１に印加された電圧を演算する演算部１２とを備えている。
【００１６】
高電圧導体２は、送電系統の系統電圧と同じ電位であり、その電圧は数１００ｋＶである。光源５は、例えばレーザ光源である。この光源を出射した光は、偏光子６で偏光されてポッケルス素子４に入射する。ポッケルス素子４に入射した光は、ポッケルス素子４の内部を透過し、検光子７を通過した後に光検出器８で受光される。
【００１７】
偏光子６は、例えば直線偏光に偏光させるものを用いることができる。検光子７は、偏光子６で偏光された直線偏光と直角となる方向の直線偏光のみを透過させるものを用いることができる。光検出器８は、ポッケルス素子４の内部を透過し、検光子７を通過した光の光強度を検出する。
【００１８】
ポッケルス素子４の対角面に設けられた一対の電極９は、一方の電極が高電圧導体２に対向する面、他方の電極が接地導体３に対向する面に設けられている。この一対の電極９に対して電圧を印加すると、ポッケルス素子４の内部の光軸と直交する方向に電界を加えることができる。一対の電極９に電圧が印加されると、その電界は高電圧導体２の電位によってポッケルス素子４に加わる電界を打ち消す方向に印加される。なお、ポッケルス素子４は、高電圧導体２および接地導体３の両方から電気的に絶縁された位置に配置されている。
【００１９】
直流電源１０は、一対の電極９に直流電圧を印加する。このとき一対の電極９に印加される直流電圧は、フィードバック回路１１で算出される。
【００２０】
フィードバック回路１１は、光検出器８で検出された光強度から、直流電源１０が出力する出力電圧を算出する。このとき、フィードバック回路１１は、高電圧導体２の電位によってポッケルス素子４に加わる電界を打ち消すように出力電圧を算出する。例えば、偏光子６の光学軸と検光子７の光学軸とは互いに直交しているので、ポッケルス素子４に電界がかかっていない場合は、偏光子６で偏光された光は検光子７を通過できないので、光検出器８で検出される光強度はゼロとなる。しかし、高電圧導体２の電位によってポッケルス素子４に電界が加わっている場合は、ポッケルス効果によって偏光位相差が生じ、検光子７を通過する光の成分が発生するため、光検出器８で検出される光強度はゼロでない値となる。したがって、フィードバック回路１１は、光検出器８で検出される光強度がゼロになる、あるいはゼロ近くの最小値となるように、直流電源１０が出力する出力電圧を算出する。
【００２１】
演算部１２は、高電圧導体２、接地導体３およびポッケルス素子４の位置関係、ポッケルス素子４の寸法や誘電率、抵抗率などの物性値から、フィードバック回路１１が算出した出力電圧から高電圧導体２の電位によってポッケルス素子４に加わる電界強度を算出すると共に、高電圧導体２に印加されている高電圧を演算することができる。
【００２２】
本実施の形態における電圧測定装置を用いた電圧測定方法について、さらに詳細に説明する。図２は、本実施の形態の係る電圧測定方法を示すフローチャートである。
【００２３】
まず、光源５から出射され偏光子６によって偏光され光をポッケルス素子４に入射させる（ＳＴＰ１）。次に、ポッケルス素子４を透過したのち検光子７を通過した光の光強度を光検出器８で検出する（ＳＴＰ２）。次に光検出器７で検出された光強度に基づいてポッケルス素子４の一対の電極９に直流電圧を印加する（ＳＴＰ３−１）。このとき、光検出器８で検出された光強度がゼロになる、あるいはゼロ近くの最小値となるように直流電源１０の出力電圧を調整する。光検出器８で検出された光強度がゼロでないときは、フィードバック回路１１は直流電源１０が出力する出力電圧を再度調整する（ＳＴＰ３−２）。フィードバック回路１１は光検出器８で検出された光強度がゼロになったときの出力電圧を維持する。最後に、演算部１２は光検出器８で検出された光強度がゼロになる、あるいはゼロ近くの最小値となるときの出力電圧から、高電圧導体２に印加されている高電圧を演算する（ＳＴＰ４）。
【００２４】
ポッケルス素子４は、高電圧導体２あるいは接地導体３の少なくとも一方から電気的に絶縁されていればよい。すなわち、ポッケルス素子４の一方の面を高電圧導体２に接触させてもよい。または、ポッケルス素子４の他方の面を接地導体３に接触させてもよい。あるいは本実施の形態のように、ポッケルス素子４は、高電圧導体２および接地導体３の両方から電気的に絶縁して配置されていてもよい。このように配置されることで、高電圧導体２と接地導体３の電位差の全てがポッケルス素子に印加されることはない。ポッケルス素子４には、ポッケルス素子４自身と高電圧導体２もしくは接地導体３との間の空隙によって分担される電圧のみが印加される。一般に、交流電圧やサージ電圧、直流電圧の極性反転の直後などは、ポッケルス素子４自身と高電圧導体２もしくは接地導体３との間の空隙の静電容量によって分担電圧が決定され、直流電圧が印加されて充分な時間が経過すると、その空隙の抵抗によって分担電圧が決定される。
【００２５】
ポッケルス素子４は、以下に述べる特徴を有する光学結晶である。ポッケルス素子に外部から電界が加わると物質の分極状態が変化し、屈折率が変化する。これは電気光学効果と呼ばれ、中でも屈折率が電界に比例する変化がポッケルス効果である。一方、屈折率が電界の２乗に比例する変化はカー効果と呼ばれ、主に液体に見られる現象である。ポッケルス効果が生じると、ポッケルス素子の屈折率に異方性が生じる。光は一般に互いに直交する２成分の合成で表わされるため、屈折率に異方性が生じた結晶内を透過すると、２成分の伝搬速度に差異が生じる。この現象は複屈折と呼ばれ、素子内部を透過する光の偏光状態が変化する。例えば電界のかかったポッケルス素子に直線偏光の光を入射させると、直交する２成分に光学的な位相差（偏光位相差）が生じ、出射光は楕円偏光となる。逆に、ポッケルス効果においては偏光位相差がポッケルス素子にかかる電界に比例することが予め明らかであるため、偏光位相差を測定することでポッケルス素子に加わる電界、すなわちポッケルス素子の両端の電位差を求めることができる。なお、ポッケルス効果を有する結晶としては、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｂｉ１２ＳｉＯ１２、ＢｉＧｅ３Ｏ１２、水晶などが一般に知られている。
【００２６】
光源５は、波長が単一のものが望ましく通常はレーザが使用される。使用すべきレーザとしては、例えば半導体レーザ、固体レーザ、ガスレーザなどが挙げられる。ポッケルス素子４内に光を透過させた際に生じる偏光位相差は直接測定することが困難であるため、偏光子６および検光子７に光を透過させることで、偏光位相差を光強度に換算して測定する。検光子７を透過した光は、光検出器８によって光−電気変換（Ｏ／Ｅ変換）され、電気信号として得ることができる。例えば偏光子６と検光子７との光学軸を互いに直交させるように配置した場合、ポッケルス素子に入射する光強度ＩＩＮと、光検出器８に入射する光強度ＩＯＵＴの関係は、（１）式で表わされる。ここでθは、ポッケルス素子に電界を加えることで生じる偏光位相差である。
【００２７】
【数１】
2018091782.tif 000003
【００２８】
また、偏光位相差θとポッケルス素子にかかる電界Ｅとの間には、（２）式で示す関係がある。ここで、ｌはポッケルス素子内部の電界が加わった範囲に対応する光路長、Ａはポッケルス効果の感度を示す係数である。
【００２９】
【数２】
2018091782.tif 000004
【００３０】
偏光子６の光学軸と検光子７の光学軸とを互いに直交させるように配置しておけば、光源５から出た光は、ポッケルス素子４に電界が加わらない状態では検光子７を透過することはできず、光検出器８で検出される光強度は原理上ゼロである。一方、ポッケルス素子４に電界が加わると、前述のポッケルス効果の原理に従い、入射光には偏光位相差が生じる。その場合、光源５から出射された光は偏光子６を透過し、直線偏光となった後、ポッケルス素子４を透過し楕円偏光となる。よって検光子７の光学軸に対応した成分のみ検光子７を透過し、光検出器８で検出される光強度はゼロでない値となる。この値を元に、ポッケルス素子に加わる電界を求めることができる。
【００３１】
図３は、本実施の形態の電圧測定装置において、光検出器で検出される光強度と一対の電極９の印加される直流電圧との関係を示す特性図である。図３において、横軸は一対の電極９の印加される直流電圧（Ｖｄ）、縦軸は光検出器で検出される光強度（Ｉ：相対値）である。図３に示すように、一対の電極９に直流電圧が印加されていない場合（Ｖｄ＝０）では、高電圧導体２の電位によってポッケルス素子４に加わる電界によって光検出器８で検出される光強度はゼロでない値となる。一対の電極９に直流電圧を徐々に印加すると光検出器８で検出される光強度は徐々に減少し、Ｖａの時点でゼロになる。フィードバック回路１１は、光検出器８で検出される光強度がゼロとなる電圧Ｖａを算出する。このとき、ポッケルス素子４の内部では、高電圧導体２の電位によってポッケルス素子４に加わる電界と一対の電極９に印加された直流電圧Ｖａによって生じる電界とが打ち消しあって電界がゼロとなる。
【００３２】
演算部１２は、ポッケルス素子４に加わる電界をゼロに調整できた際の直流電源１０の出力電圧Ｖａに基づいて、高電圧導体２の電位、すなわち電圧測定装置の測定対象となる電圧を算出する機能を有する。前述のように、ポッケルス素子４にはポッケルス素子４自身と高電圧導体２もしくは接地導体３との間の空隙によって分担される電圧が印加されるため、予めこの空隙の寸法やポッケルス素子４の誘電率、抵抗率が分かっておれば、高電圧導体１の電位を算出することができる。
【００３３】
このように構成された電圧測定装置においては、高電圧導体の電位によってポッケルス素子に加わる電界と一対の電極に印加された直流電圧によって生じる電界とが打ち消しあってポッケルス素子内の電界をゼロとして高電圧導体の電位を測定しているので、直流ドリフトの影響を回避することができる。
【００３４】
また、ポッケルス素子は高電圧導体と接地導体との間に配置され、高電圧導体あるいは接地導体の少なくとも一方から電気的に絶縁されている。その結果、ポッケルス素子自身と高電圧導体もしくは接地導体の間の空隙によって分担される電圧がポッケルス素子印加されるので、分圧器を用いることなく、測定対象の高電圧を扱いやすい低電圧まで降圧させることができる。
【００３５】
実施の形態２．
図４は、この発明を実施するための実施の形態２に係る電圧測定装置の模式図である。図４において、本実施の形態に関わる電圧測定装置は、実施の形態１の電圧測定装置とほぼ同様であるが、偏光子６とポッケルス素子４との間に４分の１波長板１３を挿入している点が異なっている。
【００３６】
本実施の形態においては、偏光子６の光学軸と検光子７の光学軸とを互いに直交させ、さらに４分の１波長板１３の光学軸（Ｆａｓｔ軸）を偏光子６の光学軸に対して４５度としている。
【００３７】
このように構成された電圧測定装置においては、ポッケルス素子４に入射する光強度ＩＩＮと、光検出器８に入射する光強度ＩＯＵＴの関係は、（３）式で表わされる。ここでθは、ポッケルス素子に電界を加えることで生じる偏光位相差である。
【００３８】
【数３】
2018091782.tif 000005
【００３９】
このように構成された電圧測定装置においては、実施の形態１の（１）式と（３）式を比較すればわかるように、微小な偏光位相差θの変化に対する、ＩＯＵＴ／ＩＩＮの変化を増幅させることができる。その結果、実施の形態１に比べて電圧の測定感度を向上させることができる。
【００４０】
図５は、本実施の形態の係る電圧測定方法を示すフローチャートである。まず、光源５から出射され偏光子６および４分の１波長板１３によって偏光され光をポッケルス素子４に入射させる（ＳＴＰ１）。次に、ポッケルス素子４を透過したのち検光子７を通過した光の光強度を検出する（ＳＴＰ２）。次に光検出器８で検出された光強度に基づいてポッケルス素子４の一対の電極９に直流電圧を印加する（ＳＴＰ３−１）。次に光検出器８で検出された光強度の値から演算部１２でポッケルス素子内の電界強度を算出する（ＳＴＰ３−２）。演算部１２で算出されたポッケルス素子内の電界強度がゼロになるように直流電源１０の出力電圧を調整する。直流成分の電界強度がゼロでないときは、フィードバック回路１１は直流電源１０が出力する出力電圧を再度調整する（ＳＴＰ３−３）。最後に、ポッケルス素子内の電界強度がゼロになる、あるいはゼロ近くの最小値となるときの出力電圧から、高電圧導体１に印加されている高電圧を演算する（ＳＴＰ４）。
【００４１】
このように構成された電圧測定装置においては、高電圧導体の電位によってポッケルス素子に加わる電界と一対の電極に印加された直流電圧によって生じる電界とが打ち消しあってポッケルス素子内の電界をゼロとして高電圧導体の電位を測定しているので、直流ドリフトの影響を回避することができる。
【００４２】
また、ポッケルス素子は高電圧導体と接地導体との間に配置され、高電圧導体あるいは接地導体の少なくとも一方から電気的に絶縁されている。その結果、ポッケルス素子自身と高電圧導体もしくは接地導体の間の空隙によって分担される電圧がポッケルス素子印加されるので、分圧器を用いることなく、測定対象の高電圧を扱いやすい低電圧まで降圧させることができる。
【００４３】
さらには、４分の１波長板を用いることにより、実施の形態１に比べて電圧の測定感度を向上させることができる。
【００４４】
実施の形態３．
実施の形態１および実施の形態２においては、高電圧導体の電位によってポッケルス素子に加わる電界を一対の電極に印加する直流電圧によって生じる電界で打ち消してポッケルス素子内の電界をゼロとして高電圧導体の電位を測定している。このとき、ポッケルス素子内の電界がゼロであることを、光検出器で検出された光強度がゼロとなることで検知している。しかしながら、高電圧導体の印加される高電圧の揺らぎなどのノイズによって、光検出器で検出された光強度がゼロとなる時点（いわゆるゼロ点）が変動する場合がある。とくにフィードバック回路で、光検出器７で検出される光強度がゼロとなる出力電圧を算出する際に、ゼロ点に近づくほどその変動の影響は大きくなり、精度よく出力電圧を算出できない場合がある。実施の形態３においては、このゼロ点の変動を抑制してさらに精度よく出力電圧を算出することのできる電圧測定装置について説明する。
【００４５】
図６は、この発明を実施するための本実施の形態に係る電圧測定装置の模式図である。図６において、本実施の形態に関わる電圧測定装置は、実施の形態１の電圧測定装置とほぼ同様であるが、一対の電極９に接続された直流電源１０に交流電源１４が直列に接続されている点が異なっている。このように構成された電圧測定装置においては、一対の電極９には、直流電源１０からの直流出力電圧と交流電源１４からの交流出力電圧とが重畳した電圧波形が印加される。
【００４６】
次に、本実施の形態における電圧測定装置を用いた電圧測定方法について説明する。図７は、本実施の形態の係る電圧測定方法を示すフローチャートである。
【００４７】
まず、光源５から出射され偏光子６によって偏光され光をポッケルス素子４に入射させる（ＳＴＰ１）。次に、ポッケルス素子４を透過したのち検光子７を通過した光の光強度を光検出器８で検出する（ＳＴＰ２）。次に光検出器７で検出された光強度に基づいてポッケルス素子４の一対の電極９に直流電圧と交流電圧との重畳電圧を印加する（ＳＴＰ３−１）。次に光検出器８で検出された光強度から演算部でポッケルス素子内の電界強度を算出する（ＳＴＰ３−２）。演算部で算出されたポッケルス素子内の電界強度において、直流成分の電界強度がゼロになるように直流電源１０の出力電圧を調整する。直流成分の電界強度がゼロでないときは、フィードバック回路１１は直流電源１０が出力する出力電圧を再度調整する（ＳＴＰ３−３）。直流成分の電界強度がゼロになったときの直流電源の出力電圧を維持する。最後に、直流電源の出力電圧から、高電圧導体２に印加されている高電圧を演算する（ＳＴＰ４）。
【００４８】
図８および図９は、本実施の形態におけるポッケルス素子内の電界強度の周波数特性を示す特性図である。図８および図９において、縦軸はポッケルス素子内の電界強度（Ｅ）、横軸は時間（Ｔ）である。ポッケルス素子内の電界強度は、高電圧導体の高電圧によって誘起される直流外部電界、交流電源１４による交流電界、および直流電源１０による直流電界が重畳された電界が生じる。図８は、直流電源１０からの出力電圧がゼロの場合のポッケルス素子内の電界強度を表している。図８に示すように、ポッケルス素子内の電界強度は、高電圧導体の高電圧によって誘起される直流外部電界Ｅａに交流電源１４による交流電界が重畳したものとなる。図９は、直流電源１０からの出力電圧で高電圧導体の高電圧によって誘起される直流外部電界Ｅａを打ち消したときのポッケルス素子内の電界強度を表している。図８に示すように、直流外部電界Ｅａが打ち消されたときは、ポッケルス素子内の電界強度は、交流成分のみとなる。
【００４９】
本実施の形態において、ポッケルス素子の印加する電圧に交流電圧を重畳するメリットについて説明する。ポッケルス素子内の電界強度の直流成分がゼロになることを判定するステップ（ＳＴＰ３−３）において、ゼロ点を精度よく判定する必要がある。上述のように、高電圧導体の印加される高電圧の揺らぎなどのノイズによって、直流成分は揺らぐ場合がある。このとき、ロックインアンプを活用して交流電源１４の出力電圧の周波数で同期検波することで、交流電源１４の出力波形に重畳する微弱な直流成分まで高精度に検出できる。よって、直流成分を実用上完全に打ち消すことができ、ゼロ点を精度よく測定することが可能となる。
【００５０】
あるいは、交流成分の波形の最大点と最小点との平均を算出することで、ゼロ点近くのノイズの影響を回避し、ゼロ点を精度よく測定することも可能となる。
【００５１】
いずれの方策を取る場合でも、直流電圧のみを印加する場合よりも、交流電圧を重畳することで、ポッケルス素子４内部の電界を打ち消す直流電源１０の出力電圧を高精度に求めることができる。
【００５２】
なお、実施の形態１および２においては、演算部は光検出器８で検出された光強度がゼロになったときの出力電圧から、高電圧導体２に印加されている高電圧を演算していた。本実施の形態のように、演算部はポッケルス素子内の電界強度を算出し、その電界強度がゼロになったときの出力電圧から、高電圧導体２に印加されている高電圧を演算してもよい。
【００５３】
また、本実施の形態において、実施の形態２と同様に、偏光子６とポッケルス素子４との間に４分の１波長板を挿入してもよい。
【００５４】
実施の形態４．
実施の形態４においては、実施の形態１で説明した電圧測定装置をガス絶縁開閉装置に適用した例を説明する。ガス絶縁開閉装置は、接地された金属製の密閉容器内に遮断器、断路器、接地開閉器、母線、避雷器、計器用変圧器、変流器などを収納してガス絶縁化した開閉装置である。本実施の形態においては、母線が収納されたガス絶縁開閉装置を例に挙げて説明する。
【００５５】
図１０は、本実施の形態における電圧測定装置の模式図である。本実施の形態における高電圧導体２は円柱状の金属導体であり、接地導体３は、高電圧導体２と同軸状に配置された円筒状の金属導体である。高電圧導体２がガス絶縁開閉装置の母線に相当する。図１０において、左側の図はガス絶縁開閉装置の縦断面図であり、右側の図はガス絶縁開閉装置の横断面図である。本実施の形態の電圧測定装置は、右側の図のガス絶縁開閉装置の横断面図に示している。
【００５６】
ガス絶縁開閉装置において、接地導体３である円筒状の金属導体と高電圧導体２である円柱状の金属導体との間の空間は、絶縁距離を確保するための絶縁距離が確保されており、大気圧以上の気圧の絶縁性ガスで気密に封止されている。絶縁性ガスとしては、乾燥空気、ＳＦ６、ＣＯ２、ＣＦ３Ｉなどが挙げられる。
【００５７】
本実施の形態の電圧測定装置においては、ポッケルス素子４を接地導体３である円筒状の金属導体の内部に設置している。このとき、ポッケルス素子４の対角面に設けられた一対の電極９は、一方の電極が高電圧導体２に対向する面、他方の電極が接地導体３に対向する面に設けられている。ポッケルス素子４および一対の電極９以外の構成部品は、ガス絶縁開閉装置の外部に設置されている。そのため、接地導体３である円筒状の金属導体の２箇所に光透過窓１５が設置されている。
【００５８】
図１０に示すように、光源５を出射した光は、偏光子６で偏光されて光透過窓１５からガス絶縁開閉装置の内部に導かれる。ガス絶縁開閉装置の内部に導かれた光は、ミラー１６で光の向きを変えられ、ポッケルス素子４に入射する。ポッケルス素子４に入射した光は、ポッケルス素子４の内部を透過し、ミラー１６で光の向きを変えられ、光透過窓１５からガス絶縁開閉装置の外部に導かれる。ガス絶縁開閉装置の外部に導かれた光は、検光子７を通過した後に光検出器８で受光される。
【００５９】
本実施の形態の電圧測定装置において、高電圧導体の電圧を測定する方法は実施の形態１と同様である。
【００６０】
このように構成された電圧測定装置においては、高電圧導体の電位によってポッケルス素子に加わる電界と一対の電極に印加された直流電圧によって生じる電界とが打ち消しあってポッケルス素子内の電界をゼロとして高電圧導体の電位を測定しているので、直流ドリフトの影響を回避することができる。
【００６１】
また、ポッケルス素子は高電圧導体と接地導体との間に配置され、高電圧導体あるいは接地導体の少なくとも一方から電気的に絶縁されている。その結果、ポッケルス素子自身と高電圧導体もしくは接地導体の間の空隙によって分担される電圧がポッケルス素子印加されるので、分圧器を用いることなく、測定対象の高電圧を扱いやすい低電圧まで降圧させることができる。
【００６２】
さらに、ポッケルス素子４および一対の電極９以外の構成部品はガス絶縁開閉装置の内部に設置する必要がないので、これらの構成部品の調整や交換なども容易となる。逆に、一部の構成部品または全ての構成部品をガス絶縁開閉装置の内部に設置してもよい。
【００６３】
なお、本実施の形態においては、一対の電極９を高電圧導体２および接地導体３の両方から電気的に絶縁した位置に配置しているが、どちらか一方に接触させてもよい。例えば、一方の電極を接地導体３に接触させた場合、ガス絶縁開閉装置の内部に導入する電気的な接続線は一本となり構造が簡便となる。
【符号の説明】
【００６４】
１  電圧測定装置、  ２  高電圧導体、  ３  接地導体、  ４  ポッケルス素子、  ５  光源、  ６  偏光子、  ７  検光子、  ８  光検出器、  ９  一対の電極、  １０  直流電源、  １１  フィードバック回路、  １２  演算部、  １３  ４分の１波長板、  １４  交流電源、  １５  光透過窓、  １６  ミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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