(57)【要約】光センサーアセンブリ（１０）は、ベースユニット（２０）と、光電流センサー（４０）と、磁気コンセントレーター（５４）を有する。光電流センサー（４０）はベースユニット（２０）に装着され、偏光入力（４２）と、反射プリズム（４４）と、光出力（４６）を有する。磁気コンセントレーター（５４）は空隙（６０）を規定し、ベースユニット（２０）が閉位置で送電ケーブル（１２）に吊下されたときに磁気コンセントレーター（５４）が送電ケーブル（１２）の回りにフィットするように、コンセントレーターハウジング（３０）に装着される。反射プリズム（４４）は、コンセントレーターハウジング（３０）が閉位置にあるときには空隙（６０）内に作動可能に位置する。光センサーアセンブリ１０は、送電ケーブル（１２）を通る電流を測定する方法を可能にする。
2013509586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電ケーブル内の電流と電圧を測定するための光センサーアセンブリであって、
トップエンドおよびボトムエンドを有するベースユニットと、
偏光入力と、反射プリズムと、光検出器に作動可能に接続される光出力とを有してベースユニットのトップエンドに設けられる光電流センサーであって、偏光入力は、偏波ビームを反射プリズムに送り、光出力から射出して光検出器に受光させるように設計されているところの光電流センサーと、
送電ケーブルにベースユニットを吊下するための少なくとも一のフックと、
第一端および第二端を有するコンセントレーターハウジングと、
コンセントレーターハウジングが開位置と閉位置との間で移動するようにコンセントレーターハウジングをベースユニットのトップエンドにピボット取付するためにコンセントレーターハウジングの第二端に設けられるピボットと、
閉位置においてコンセントレーターの第一端をベースユニットに取外し可能に固定するロック素子と、
第一端と第二端とを有し且つこれらの間に空隙を規定する磁気コンセントレーターであって、ベースユニットが前記少なくとも一のフックにより送電ケーブルに吊下され且つコンセントレーターハウジングが閉位置に移動したときに磁気コンセントレーターが送電ケーブルの回りにフィットするように、且つ、コンセントレーターハウジングが閉位置にあるときにベースユニットの反射プリズムが磁気コンセントレーターの空隙内に動作可能に位置するように、コンセントレーターハウジングに装着されるところの前記磁気コンセントレーターと、
送電ケーブルの電圧を測定するためにベースユニットに動作可能に配置される電圧センサーとを備え、
反射プリズム内の偏波ビームの偏光面が空隙内の磁場によって回転し、その回転は空隙内の磁場の強さに比例するものであって、送電ケーブル内の電流を検出するために光検出器によって測定可能であることを特徴とする光センサーアセンブリ。
【請求項２】
前記磁気コンセントレーターは、少なくとも一種の非磁性材料と混合された少なくとも一種の軟磁性材料であって、磁気コンセントレーター内に分散型空隙を生成させる、請求項１記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記磁気コンセントレーターは、少なくとも一種の軟磁性粉末を少なくとも一種の非磁性材料と混合したものの複数積層体であって、磁気コンセントレーター内に分散型空隙を生成させるように配置される、請求項１記載のアセンブリ。
【請求項４】
偏波ビームを偏光源から反射プリズムの偏光入力に伝送するための第一の光ファイバーと、
偏波ビームを反射プリズムの光出力から光検出器に伝送するための第二の光ファイバーを更に備える、請求項１記載のアセンブリ。
【請求項５】
アセンブリが少なくとも一のフックに装着されたときに送電ケーブルに電気接続される基端部と、末端部とを有する導電性チューブと、
導電性チューブの近くに該導電性チューブとの間に間隙を置いて設けられ、大地電位に維持されるるアース面を更に備え、
電圧センサーは、導電性チューブとアース面との間の間隙内に作動可能に配置された光電圧センサーである、請求項１記載のアセンブリ。
【請求項６】
少なくとも２つの直交面に沿って伝播する少なくとも２つの成分を有する第二の偏波ビームを前記光電圧センサーが検知して、該第二の偏波ビームが導電性チューブとアース面との間の間隙を通過するときに該成分に生ずる差動位相偏移変調を決定する、請求項５記載のアセンブリ。
【請求項７】
前記光電圧センサーは、光ビーム成分の位相変化を測定し、該位相変化の大きさを送電ケーブル内の電圧レベルに関連付けるためのプロセッサを更に有する、請求項６記載のアセンブリ。
【請求項８】
送電ケーブル内の電流と電圧を測定するための光センサーアセンブリであって、
ベースユニットと、
偏光入力と、配光デバイスと、光出力とを有して、ベースユニットに設けられる光電流センサーであって、偏光入力は、偏波ビームを配光デバイスに送り、光出力から射出するように設計されているところの光電流センサーと、
送電ケーブルにベースユニットを吊下するための少なくとも一のフックと、
第一端および第二端を有するコンセントレーターハウジングと、
コンセントレーターハウジングが開位置と閉位置との間で移動するようにコンセントレーターハウジングをベースユニットのトップエンドにピボット取付するためにコンセントレーターハウジングの第二端に設けられるピボットと、
第一端と第二端とを有し且つこれらの間に空隙を規定する磁気コンセントレーターであって、ベースユニットが前記少なくとも一のフックにより送電ケーブルに吊下され且つコンセントレーターハウジングが閉位置に移動したときに磁気コンセントレーターが送電ケーブルの回りにフィットするように、且つ、コンセントレーターハウジングが閉位置にあるときにベースユニットの配光デバイスが磁気コンセントレーターの空隙内に動作可能に位置するように、コンセントレーターハウジングに装着されるところの前記磁気コンセントレーターと、
送電ケーブルの電圧を測定するためにベースユニットに動作可能に配置される電圧センサーとを備えることを特徴とする光センサーアセンブリ。
【請求項９】
少なくとも一のフックがそこから延長しているベースユニットと、偏光入力と配光デバイスと光出力とを有し、ベースユニットに設けられる光電流センサーであって、偏光入力は、偏波ビームを配光デバイスに送り、光出力から射出するように設計されているところの光電流センサーと、空隙を有する磁気コンセントレーターとを有する光センサーアセンブリを用意するステップと、
この光センサーアセンブリを少なくとも一のフックにより送電ケーブルに吊り下げるステップと、
磁気コンセントレーターを、送電ケーブルが磁気コンセントレーターに接触することなく前記空隙に入り込んで磁気コンセントレーター内に位置し、且つ、ケーブルを切断せずまたはそうでないにしてもケーブルのいかなる機能をも破壊することなく前記空隙内に作動可能に位置するような閉位置に移動させるステップを有することを特徴とする、配電ケーブルの電流測定方法。
【請求項１０】
更に、プロセッサに作動可能に接続されたアナログ−デジタル変換のための複数チャンネルを用いることにより、光検出器からの回転情報から、フォールトアロケーションおよび電力品質を含む複数のファクターを評価するステップを有する、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
更に、光電圧センサーを送電ケーブルに対して作動可能に配置するステップと、アナログ−デジタル変換のための複数チャンネルを用いることにより、光電圧センサーからの位相変化情報から、低電圧および超高トランジエントを評価するステップを有する、請求項９記載の方法。
【請求項１２】
更に、ベースユニットの少なくとも一のフックの近くにクランプ素子を用意するステップと、少なくとも一のフックとクランプ素子との間に送電ケーブルをクランプして、ベースユニットを送電ケーブルに物理的に固定するステップを有する、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、該して電流測定用の光学センサーアセンブリに関し、より詳しくは配電システムの送電ケーブルにおいて電流および電圧レベルを検知するために用いられる光学センサーアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧配電システムなどの送電ケーブル内の電流を測定するために様々なセンサーが開発されている。ファラデー効果に基く光電流センサーが当業界に知られている。送電ケーブルを包囲するバルクガラスまたは光ファイバーケーブルを用いる光電流センサーは非常に高いダイナミックレンジを有するが、設置時に送電ケーブルを開かなければならず、したがって費用が高額になる。
【０００３】
空隙内にバルクオプティクスを備えた光電流センサーが当業界に知られている。その一形態が、２００９年８月のＳＰＩＥミーティングにおいてシューピン・ワンらによる「光電流センサーの精度向上のために用いる二周波励起法」と題された論文に開示されている。ニュージャージー州０８１０１カムデンのマグネティックメタルコーポレーションのギュンター・ビー・フィンケによる刊行物「間隙のあるマグネティックコア構造」に開示されているように、空隙は磁気材料の温度センシビリティを安定化する。
【０００４】
しかしながら、飽和のために磁気コンセントレーターはダイナミックレンジを制限することがある。電気事業は、用途に応じて電流センサーに様々なダイナミックレンジを要求する。たとえば、検針やデマンドレスポンスのためには、約０から公称電流の２倍までのダイナミックレンジを許容することができる。故障検出が要求されるときは、公称電流の１０倍程度までのダイナミックレンジがリアルタイムに測定されなければならない。電力品質のアセスメントのためには、ハーモニクスの測定が重要であり、該して〜４５〜６０００Ｈｚのような高帯域幅が要求される。スマートグリッドは、デジタル技術を用いて電気エネルギーをサプライヤーからコンシューマーに搬送することによってエネルギーを省力し、コストを低減し、信頼性と透明性を増大させる。とりわけこのようなスマートグリッドの場合は、事業や産業は同じセンサーをマルチ目的に使用することが要求されることが多い。磁気コンセントレーターの空隙を増大させることは飽和レベルを増大することに繋がる可能性があるが、同時に隣接フィールドに対するセンシビリティをも増大させることがある。利用可能な材料およびプロセスは、磁気コンセントレーターが、隣接フィールドに対するセンシビリティを顕著に増大させることなしに飽和レベルを増大させることができるような分散型空隙を持つことを可能にさせる。
【０００５】
伝統的なセンサーは異なるアプリケーションごとに分けられているのが通例である。たとえば、変流器と変圧器は検針およびデマンドレスポンスに使用されており、ロゴスキーコイルまたはホール効果デバイスはフォールトアロケーション（fault allocation）およびシステム保護に用いられる。完全な光ファイバーやバルク電流センサーは性質的にはあらゆるアプリケーションに使用可能であるが、高価であり、またケーブルにクランプすることができない。
【０００６】
ウッズらの米国特許第５８９２３５７号は、電場における電圧を検知する電気光学的電圧センサーを開示し、該センサーはポッケルによる電気光学的効果に基いている。これはケーブルに対してセンサーが簡単且つ非接触に配置されることを要求する。
【０００７】
ブレークの米国特許第６１６６８１６号は、光ファイバー電流・電圧センサーの組合せに対して一つの光源を用いることを記述する。しかしながら、ここに開示される電流センサーのクランプ可能型バージョンを作成することは困難である。電気事業者は、新たなセットアップ時にこれを使用し、あるいは設置時に電流搬送ケーブルを解体することができる。
【０００８】
石子らの米国特許第４９９９５７１号は、クランプ型の光電流・電圧センサーを開示する。このセンサーは、移動台と回転を含む２部プロセスを用いて取り付けられる。電圧センサーは、接地接続を持たない容量分圧器に基く。接地基準は、センサーと地表との間の仮想静電容量によって生成される。この仮想静電容量は、大気（湿度、ダストなど）において、自動車などの導電性質量や、隣接フェーズまたは他のソースからの電磁干渉によって変動する。さらに、このセンサーは、正確な読取のためには機械的調整に頼らざるを得ない。このセンサーは、ラインに対する電圧がオフであるときでなければラインに取り付けることができない。この電圧センサーに用いられるクリスタルは、温度センシビリティのガーネットクリスタルである。このセンサーはさらに電圧センサーのために１／４波長板を用い、この波長板も温度センシブルである。
【０００９】
イキミシンらの米国特許第７２７９８７０号は、電子機器と組み合わされ且つ基準交流電圧の電源によって補償されるホール効果に基くマルチ半導体センサーを用いて電流を測定する方法を開示する。この方法は、ソリッドステートの電子機器を電源ケーブルの近くに設置することを要求し、したがってトランジェントに晒され、あるいはケーブルに生ずる放電効果のために信頼性が劣る。
【００１０】
ビョルンの米国特許第７０６８０２５号は、ファラデー効果に基いて、光ビームの方向における磁場成分の強さに比例する偏波面の回転に関連するシンプルなセンサーを開示する。アンペアの法則は、コンダクターの閉ループの回りの集積化磁界を該ループを通過する電流と関連付ける。ビョルンの特許は、コンダクターの周りの唯一のポイントをサンプリングする方法を教示する。この方法は、隣接位相の磁場または他の電源との磁気干渉に対してセンシティブである。これらのエラーを補填するために、読取値をコンダクターを取り巻く基準電流センサーと比較することによってソフトウエア補正を用いる。この補填方法は、インストールにおいて変更があったときに不正確になる。風のようなありふれた要素でさえ、自動車が近くを通過することで測定磁場の設計が変更される可能性がある。
【００１１】
シー・ブイ・テンプルらの米国特許第２７０９８００号は、様々な電流値を検出するためのパワーラインフォールトディテクターを開示し、これはコンセントレーターの空隙の機械的調整を許容する。このセンサーはフォールト電流の検出にしか使用することができない。温度および震動は、このディテクターの形態の読取にエラーを誘発する可能性がある。
【００１２】
アタリアンらの米国特許第６８４４７９９号は、電気回路遮断器内の電流センサーのダイナミックレンジを最適化するために混合磁性材料を用いたホール効果電流センサーを開示する。このデバイスは固定化された寸法を要求するので空隙によっては適合できず、したがって、使用可能な磁気ストリップについて制約される。
【００１３】
ボゼルマンらの米国特許第５９６３０２６号は、２つの異なる測定範囲のために２つのファラデー要素ないしクリスタルを用いてより高いダイナミックレンジを実現しようとしている。これは複雑さとコストを増大させる。
【００１４】
ブラザーらの米国特許第４５９０５０５号は、プログラム可能なゲインを有する３次元受光デバイスを開示する。利得は対数的手法で最適化されるが、これは、ハーモニクスの精度を維持するためにリニアでなければならない光電流・電圧センサーには適していない。
【００１５】
従来技術は、送電ケーブル内の電流および電圧をリアルタイム測定するための光センサーを用いた様々なデバイスや方法を教示している。しかしながら、従来技術では、大きなダイナミックレンジ、センシビリティおよび帯域幅で正確な測定を行うための、そしてケーブルの機能を阻害することなしにケーブルに装着することを可能にする、低コストでシンプルな構成のセンサー設計を教示するには至っていない。本発明はこれらの要求事項を満たし、さらに、下記概要に記述されるような関連する優位性を与える。
【発明の概要】
【００１６】
本発明は、下記目的を生じさせる構造上の利点と用法を教示する。
【００１７】
本発明は、光センサーアセンブリおよび送電ケーブルの電流測定方法を提供する。一実施形態によれば、光センサーアセンブリは、ベースユニットと、該ベースユニットに装着される光電流センサーとを有する。光電流センサーは、偏光入力と、配光デバイスと、光出力とを備え、偏光入力は、偏波ビームを配光デバイスに伝送し光出力から射出するように設計され、さらに、送電ケーブルにベースユニットを吊下するための少なくとも一のフックと、第一端および第二端を有するコンセントレーターハウジングと、コンセントレーターハウジングが開位置と閉位置との間で移動するようにコンセントレーターハウジングをベースユニットのトップエンドにピボット取付するためにコンセントレーターハウジングの第二端に設けられるピボットと、第一端と第二端とを有し且つこれらの間に空隙を規定する磁気コンセントレーターとを備え、磁気コンセントレーターは、ベースユニットが少なくとも一のフックにより送電ケーブルに吊下され且つコンセントレーターハウジングが閉位置に移動したときに磁気コンセントレーターが送電ケーブルの回りにフィットするよう且つコンセントレーターハウジングが閉位置にあるときにベースユニットの配光デバイスが磁気コンセントレーターの空隙内に動作可能に位置するようにコンセントレーターハウジングに装着され、さらに、送電ケーブルの電圧を測定するためにベースユニットに動作可能に配置される電圧センサーを備える。
【００１８】
別の実施形態において、電流測定方法は、光ファイバーが光検出器に動作可能に接続されるようにして、光センサーアセンブリを送電ケーブルの近くに装着するステップを含む。次いで、プロセッサに動作可能に接続されたアナログ／デジタル変換のための第一および第二のチャンネルを用いることによって、光検出器からの回転情報から複数のファクターを評価する。
【００１９】
本発明の主要な目的は、電流検知方法を可能にする光センサーアセンブリを提供することであり、このようなセンサーおよび方法は従来技術によっては教示されない優位性を有する。
【００２０】
もう一つの目的は、送電ケーブルの機能を損なわずに該ケーブルに装着される光電流センサーを提供することである。
【００２１】
もう一つの目的は、送電ケーブルを切断せずあるいはそうでなくてもその機能を損なわずに該ケーブル上の電流を検知する方法を提供することである。
【００２２】
更なる目的は、分散型空隙（distributed airgap）を備える磁気コンセントレーターを用いることにより、光電流センサーのダイナミックレンジおよびセンシティビティを向上させることができるような電流検知方法を提供することである。
【００２３】
更なる目的は、光ファイバーのみを備えるセンサーに動作可能に接続され且つ適切に接地された制御素子を含む電流検知方法を提供することである。これにより、制御素子への高圧搬送の危険が低減される。
【００２４】
更なる目的は、電流の幾つかの品質を同時に測定するために幾つかの機器を動作可能に電流センサーに接続することを可能にする電流検知方法を提供することである。
【００２５】
本発明の他の特徴および優位性は、本発明の原理原則を例示する添付図面を参照しながら下記のより詳細な記述から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
下記添付図は本発明を例証する。
【００２７】
【図１】磁気コンセントレーターが開位置にあるときの、本発明の一実施形態による光学センサーの斜視図である。
【図２】磁気コンセントレーターが閉位置にあるときの図１の斜視図である。
【図３】図１の側面図である。
【図４】図２の側面図である。
【図５】ケーブルおよび電流センサーに関連する図２および図４における磁気コンセントレーターの側断面図であり、磁気コンセントレーターはさらに本発明の一実施形態による該コンセントレーター内の分散型空隙を示している。
【図６Ａ】図１における磁気コンセントレーターの側断面図であり、本発明の一実施形態による、非磁性材料媒体に磁性材料がラミネートされた構造を有するところの、該コンセントレーター内の分散型空隙を示している。
【図６Ｂ】図６Ａ中６Ｂ−６Ｂ線によるその断面図である。
【図７】光電圧センサーと共に該アセンブリの内部を示す側断面図である。
【図８Ａ】アセンブリが高圧配電システムの送電ケーブルに吊下され、該ケーブル内の電流および電圧レベルを制御および評価するための電子システムに接続されている、本発明の第一の実施形態によるアセンブリを示す図である。
【図８Ｂ】第二の実施形態を示す図である。
【図８Ｃ】第三の実施形態を示す図である。
【図８Ｄ】第四の実施形態を示す図である。
【図９】図８Ａの電子システムの一実施形態の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
上述の図は本発明を例証し、送電ケーブル１２の電流および電圧を測定するために、特に高圧配電システムの送電ケーブル１２に設置される光学センサーアセンブリ１０を示す。
【００２９】
図１は、磁気コンセントレーター５４が開位置にあるときの光学センサーアセンブリ１０の一実施形態の斜視図である。図２は、閉位置にあるときの磁気コンセントレーター５４を示す同様の斜視図である。図３および図４は各々これらの側面図である。
【００３０】
図１〜図４の実施形態において、光学センサーアセンブリ１０は、トップエンド２２およびボトムエンド２４を有するベースユニット２０を含む。この実施形態において、ベースユニット２０は細長構造体であり、トップエンド２２に設けられる光電流センサー４０と、ボトムエンド２４近くに設けられる電圧センサー７０を有する。この配置は本実施形態において有利はあるが、当業者は本発明の範囲内であると考えるべき他の配置を案出することができる。
【００３１】
ベースユニット２０は、ベースユニット２０を送電ケーブル１２に吊下するために少なくとも一のフック２６を有する。図１〜図４の実施形態において、該少なくとも一のフック２６は、下記により詳細に記述するように、光電流センサー４０の配光デバイス４４の両側に配置される一対のフックである。各フック２６は、送電ケーブル１２から所定距離Ｄでベースユニット２０を掴むように適合された曲面部２８を有することができる。各フック２６はさらにクランプ素子２９を有することができる。このクランプ素子２９としてはネジ式クランプが図示されているが、他のタイプのクランプや等価的な締結デバイスを用いても良い。ここで、クランプ素子２９の語句はこれらの代替的構造をも含むものとして定義される。クランプ素子２９は、送電ケーブル１２をフック２６の曲面部２８に対してクランプして、ベースユニット２０を送電ケーブル１２の所定位置に固定し、これによって荒天時であってもアセンブリをケーブルに対して物理的に安定した状態に維持する。
【００３２】
磁気コンセントレーター５４を送電ケーブル１２の回りに固定するために、コンセントレーターハウジング３０がベースユニット２０のトップエンド２２に取り付けられる。コンセントレーターハウジング３０は第一端３２と第二端３４を有する。コンセントレーターハウジング３０は、その第二端３４のピボット３６でベースユニット２０のトップエンド２２に旋回可能に取り付けられ、これによりコンセントレーターハウジング３０は開位置と閉位置との間で移動可能である。ここで、ピボット３６の語句は、ここに記述されるように、磁気コンセントレーター５４を送電ケーブル１２の回りに適正に位置させることができるようにコンセントレーターハウジング３０を移動可能にするあらゆる可動連結手段を含むものとして定義され、当業者に公知であるあらゆる代替的または等価的な構造を含む。
【００３３】
開位置において、コンセントレーターハウジング３０はベースユニット２０から遠ざかるように移動される。閉位置においては、送電ケーブル１２が磁気コンセントレーター５４またはコンセントレーターハウジング３０と物理的に接触することなく磁気コンセントレーター５４を通過するように、コンセントレーターハウジング３０は磁気コンセントレーター５４を送電ケーブル１２の回りに位置させる。
【００３４】
閉位置においてコンセントレーターハウジング３０の第一端３２をベースユニット２０に取外し可能に固定するためにロック素子３８が用いられる。本実施形態において、ロック素子３８はコンセントレーターハウジング３０に取り付けられるネジ式クランプであり、ベースユニット２０のフランジ３９を取外し可能に係止する。ロック素子３８はコンセントレーターハウジング３０を閉位置にロックし、これにより、後に詳述するように、磁気コンセントレーター５４を送電ケーブル１２に対して適正な位置に維持する。
【００３５】
図５は、送電ケーブル１２および光電流センサー４０に対する図２および図４の磁気コンセントレーター５４の側断面図である。図５に示されるように、光電流センサー４０は、偏光入力４２と、配光デバイス４４（たとえば、反射プリズム、ミラーなど）と、光出力４６を有する。偏光入力４２は偏光源４８に動作可能に接続され、光出力４６は光検出器５０に動作可能に接続される。偏光源４８は、偏光入力４２を介して偏波ビーム５２を反射プリズム４４に伝送するように設計され、ここで光出力４６から光検出器５０に反射して分析される。
【００３６】
図５に示されるように、磁気コンセントレーター５４は第一端５６と第二端５８を有し、これらの間に空隙６０を規定する。磁気コンセントレーター５４は、ベースユニット２０が前記少なくとも一のフック２６によって送電ケーブル１２に吊り下げられ且つコンセントレーターハウジング３０が閉位置に移動したときに、磁気コンセントレーター５４が送電ケーブル１２の回りにフィットするような態様で、コンセントレーターハウジング３０に設けられる。この位置で、コンセントレーターハウジング３０が閉位置にあるときに、ベースユニット２０の反射プリズム４４が磁気コンセントレーター５４の空隙６０内に作動可能に配置される。
【００３７】
光電流センサー４０は、空隙６０内に位置してケーブル内の電流を検知するようにベースユニット２０上に設けられ、閉位置において、図５に示すように、電流センサー４０がベースユニット２０内に設けられ空隙６０内に遊嵌される。光入力４２は偏波５２の最初のビームを光出力４６に伝送するように設計される。このビームは配光デバイス４４を通って光出力４６から射出され、光検出器５０がこれを受けることができる。アンペアの法則に基づいて電流によって発生する磁場は磁気コンセントレーター５４によって空隙６０に凝縮される。ビーム偏波面は空隙６０内の磁場によって回転し、その回転は空隙６０内の磁場の強さに比例する（ファラデー効果）。光検出器５０は、ケーブル内の電流値および電流方向を表すためにこの回転を測定する。電流センサー４０内部のビームパスは好ましくは磁場に沿って形成される。
【００３８】
配光デバイス４４は一実施形態において反射プリズムである。反射プリズムは、光入力４２から光出力４６に光を向かわせるものであればいなかる形態のものであっても良い。本実施形態における反射プリズム４４は、ビームを上述したように配光させるために一対の反射面６２を有するガラスツームストーンである。従来のアプリケーションではガーメットまたは他の材料を用いているが、ガラスは低温でのセンシビリティなどの利点をもたらす。他の形態の反射プリズム４４、たとえばミラーや光ファイバー形状も代替的に使用し得る。
【００３９】
ファラデー効果に基く光学センサーを使用する場合、センサーのセンシビリティは磁場に沿うビームパス長に依存する。電流センサー４０は、選択された空隙６０幅に対して最大のセンシビリティを利用する寸法に設計されて、空隙６０によるセンシビリティ損失を電流センサー４０内のビームパスによって増大させるようにすることができる。磁気コンセントレーター５４の形状および空隙６０のサイズは電流センサー４０の最大サイズを収容できるように最適化することができる。電流センサー４０はビームの長さを最大化してセンシビリティを向上させるように設計される。空隙６０と電流センサー４０との間の寸法差はハウジングに遊びを持たせることを許容する。アセンブリは、従来技術文献に既述されるような１／４波長板の使用を回避するように設計される。１／４波長板はより複雑な温度補償を要求し、これは本アセンブリ１０を用いることによって回避される。
【００４０】
偏波ビーム５２は好ましくは空隙６０内の磁場に実質的に沿って整列する。空隙６０内の磁場は、反射プリズム４４内でビーム５２偏波面を回転させる。この回転は空隙６０内の磁場の強さに比例し、送電ケーブル１２内の電流を決定するために光検出器５０によって測定可能である。
【００４１】
図５の実施形態では、磁気コンセントレーター５４はＤ形であり、平坦部５７を有し、該平坦部５７のエッジでオフセットされた位置に空隙６０を備えており、取付の間に空隙６０がケーブル１２の回りにフィットするようになっている。この実施形態では、磁気コンセントレーター５４は取付のためのブレーキやヒンジのいかなる形態をも必要としないが、その特異形状は汎用的材料の使用を許容しない。図６Ａの実施形態では、磁気コンセントレーター５４がＣ形である。これはより標準的なコンポーネントの使用を許容するが、一般に、取付を容易にするためのヒンジ５９をさらに備えなければならない。２つの実施形態が開示されているが、磁気コンセントレーター５４は、空隙６０に必要な磁場を与える機能を果たすものであれば他の類似または等価的な形状を有するものであっても良い。
【００４２】
図５および図７の実施形態において、光学センサーアセンブリ１０は、偏波ビーム５２を偏光源４８から反射プリズム４４の偏光入力４２に伝送するために第一の光ファイバ６６を有し、さらに、偏波ビーム５２を反射プリズム４４の光出力４６から光検出器５０に伝送するために第二の光ファイバ６８を有する。第一および第二の光ファイバ６６，６８はベースユニット２０の内外を問わずに配置される電子部品、コントローラなどに延長され得る。これについては後に詳述する。
【００４３】
図５の実施形態では、磁気コンセントレーター５４は、少なくとも一種の軟磁性粉末を少なくとも一種の非磁性材料と混合したものであって、磁性コンセントレーター５４に分散型空隙を生成している。
【００４４】
あるいは、図６Ｂに示される磁性コンセントレーター５４の断面図と共に図６Ａに示されるように、磁性コンセントレーター５４は、少なくとも一種の軟磁性粉末を少なくとも一種の非磁性材料と混合したものの複数積層体６４を有する。積層体６４は分散型空隙を生成するように配置される。これらの混合磁性材料は、低電流における感受性を許容できるレベルに維持しながら、光電流センサー４０のダイナミックレンジを最適化すると共に磁性コンセントレーター５４の飽和レベルを増大させるように働き、近隣磁場の影響も小さい。
【００４５】
図７は図４の側断面図であり、光学センサーアセンブリ１０の様々な名部コンポーネンツを示す。図７に示されるように、光学センサーアセンブリ１０はさらに、ベースユニット２０上またはその内部に作動可能に設けられて送電ケーブル１２の電圧を検出する電圧センサー７０を有することができる。電圧センサー７０は、ベースユニット２０のボトムエンド２４の近くに配置して、電圧センサー７０が外的干渉から保護された安定電場内に位置するようにすることができる。さらに、詳しくは後述するが、下記するような光ファイバーを介して高圧ケーブルから離れた位置に電子部品を配置して、電子部品にかかる高電圧過渡信号、稲妻その他の気象条件による悪影響を低減させることができる。しかしながら、これらの部品は当業者によって決定されるいかなる場所にも配置可能である。
【００４６】
図７の実施形態において、アセンブリ１０は、基端部７４と末端部７６を有する導電性チューブ７２を含むことができる。基端部７４は、アセンブリが少なくとも一のフック２６に装着されたときに、（たとえばフック２６または他の手段を介して）送電ケーブル１２に電気的に接続されるものとすることができる。この実施形態において、アセンブリはさらに、導電性チューブ７２の近くに該導電性チューブ７２から間隙８０で離されて設けられるアース面７８を有することができる。アース面７８は、アース線８３を介してアース素子に取り付けられるよう適合されたアーススタッド８２によって大地電位に維持される。ここで「アーススタッド」の語句は、アース素子に取り付けられるよう適合された他のあらゆる取付ポイントないし特徴を含むものとして定義される。一つの実施形態がここに示されているが、当業者は本発明の範囲内であると考えるべき他の構造を案出することができる。
【００４７】
この実施形態において、電圧センサー７０は、導電性チューブ７２とアース面７８との間の間隙８０内に作動可能に配置された光電圧センサーである。
【００４８】
一実施形態において、光電圧センサー７０は、少なくとも２つの直交面に沿って伝播する少なくとも２つのコンポーネントを有する第二の偏波ビームのための入力を含むものとすることができ、さらに、該第二の偏波ビームが導電性チューブ７２とアース面７８との間の間隙８０を通過するときに該コンポーネントに生ずる差動位相偏移変調を検出するためのセンサーを有することができる。たとえば、電圧センサー７０は、トランスミッター、センサー、リフレクターおよび検出器を含む電気光学的センサーであって良い。トランスミッターは、直交面に沿って２つのコンポーネントを有する偏波ビームを伝播させるように設計することができる。センサーは、フィールド部分を受け、該フィールド部分のマグニチュードによる直交ビームコンポーネントの差動位相偏移変調を誘導するように設計することができる。リフレクターは、センサー通過後のビームを受け、該ビームをセンサーに戻すように方向転換させることができる。検出器は、直交ビームコンポーネントの差動位相偏移変調を検出して、該差動位相偏移変調に対応する信号を生成することができる。好適な電気光学的電圧センサーがウッズらに発行された米国特許第５８９２３５７に開示されており、その内容をここに参照として完全に取り入れる。さらに米国特許第７１９９５７１号も見るべきであり、その内容もここに参照として完全に取り入れる。
【００４９】
さらに図７に示されるように、導電性チューブ７２がファラデー効果として第一および第二の光ファイバー６６，６８を保護するように働くために、光電流センサー４０の第一および第二の光ファイバー６６，６８は、導電性チューブ７２を通過するように配置させることができる。
【００５０】
アセンブリ１０を複数用途に用いるべき場合があり得る。たとえば、アセンブリ１０は、電力品質を制御すると共にフォールトアロケーションのために同時に使用することができる。このような場合、アナログ−デジタル変換の複数のチャンネルを用いることができる。このアナログ−デジタル変換は、複数のアナログ−デジタルコンバーターによって実行しても良いし、マルチチャンネルのアナログ−デジタルコンバーターで実行しても良い。この「マルチチャンネルゲイン」のアプローチは、ハードウェアに代えてソフトウェアで実行することも可能である。
【００５１】
同様の改良を光電圧センサーに用いることにより、センサーの光学系やハウジングについては同様のデザインでありながら、より低い電圧や非常に高いトランジエントの測定も可能になる。適正に設計すれば、光電圧センサー７０のダイナミックレンジは電子機器および電源のノイズフロアによって制限される。アナログ−デジタル変換のためのマルチチャンネルまたはマルチチャンネルのアナログ−デジタルコンバーターを用いることができる。
【００５２】
磁気コンセントレーター５４は安価であり、ケーブル１２を切断することなく既存ケーブル１２に容易にクランプすることができ、従来技術ソリューションに比べてより良好なダイナミックレンジを与える。適切に磁気コンセントレーター５４を選択し且つ電子機器を適合させることにより、センサーを多様なアプリケーションに用いることができる。たとえば、非常に高い故障電流ないし障害電流（たとえば＞５０００アンペア）の測定に用いられる６００アンペア公称電流センサー４０を想定するならば、電子機器は高速で、帯域幅が高くなければならず、しかしながら利得および精度は低いものとなる。幾つかの理由によって１アンペア未満の電流をより低い帯域幅で測定することができる。通常の高調波成分は５％未満でなければならず、１：６００アンペアの５％は計算および電力品質のためには無視できる（０．００００８３アンペア）。したがって、この電流では約２００Ｈｚの帯域幅を許容することができる。電子機器の電流状態は利得および帯域幅の動的調節を許容する。下限はビーム源および電子機器のノイズフロアであり、上限は磁気コンセントレーター５４の飽和および電子機器の電源レベルである。
【００５３】
図８Ａは本発明の一実施形態によるアセンブリ１０のための配置構成を示すものであり、ベースユニット２０が高圧配電システムのケーブル１２に吊り下げられ、ケーブル１２内の電流および電圧レベルを制御および評価するための電子システムに接続されている。アース素子は、配電システムのポールまたは他の適当なアース構造ないし素子によって提供され得る。図示されるように、第一の光ファイバー６６が、図９に示されるコンピューターユニットのような電子機器１０４を含む電子回路に作動可能に接続される。該電子機器は、その出力がリレーユニット１０６に送信されるデジタル信号プロセッサーＤＳＰのような素子を有することができる。
【００５４】
図８Ｂ〜図８Ｄに示されるように、他の形態も可能である。図８Ｂの実施形態では、電子機器１０４が電圧絶縁コンバーター１０８を介してリレーユニット１０６に接続されている。図８Ｃの実施形態では、別のリレーの使用が示されている。図８Ｄの実施形態では、ＲＳ２３２無線受信機１１０および／またはイーサネット（登録商標）無線受信機１１２のような無線機器に作動可能に取り付けられている。
【００５５】
図９は図８の電子機器１０４の一例であり、偏波電磁気放射５２（図７に示す）を（たとえば光ファイバーによって）放射して光ダイオード１２０に電流を生成する。光ダイオード１２０はマルチプルチャンネルを含むものであって良い。ここで「光ダイオード」の語句は、フォトレジスタやフォトトランジスタなどの同様の感光コンポーネントを含むものとして定義される。光は電圧に変換され、直接または他のゲインステージ（利得段）を通ってプログラマグルゲインアンプ（ＰＧＡ）１２２に接続され得る。増幅チャンネルは、ビームの直流成分と交流成分を識別し、あるいは複数のセンサーを許容するために、複数チャンネルに分割することができる。本実施形態では、電子機器１０４は第一のチャンネル１２３と第二のチャンネル１２５を有するが、当業者の知識に応じて更なるチャンネルを有するものであっても良い。
【００５６】
ＰＧＡ１２２は、たとえばレジスタまたは電圧（たとえば電圧制御アンプ内の電圧）を変えることによってコンピュータバスディスクリートコマンドを通じてコンピュータからコマンドを受け取るタイプのものとすることができる。このゲインのプログラミングはオートマチックゲインコントロール（ＡＧＣ）と呼ばれることがある。ＰＧＡ１２２は、ローパスフィルタまたはバンドパスフィルタを有するものであって良く、あるいは別のフィルタ１２４に接続されるものであっても良い。フィルタ１２４は受動素子および／または能動素子を含むことができる。フィルタされた信号はアナログ−デジタルコンバーター（ＡＤＣ）１２６に送られ、さらにＤＳＰまたはマイクロプロセッサまたはコンピュータなどのコンピューティングデバイスに送られる。ある種のアナログ−デジタルコンバーター１２６はオーバーサンプリングまたはアベレージングのためのフィルタを備えることができる。該フィルタは別々に用いられることもあれば、他のフィルタに加えて用いられることもある。コンピューティングデバイスは、信号レベルおよびアプリケーションに基いて要求されるゲインと帯域幅を決定し、それに応じてＰＧＡ１２２、フィルタ１２４およびＡＤＣ１２６を制御する。ＡＤＣ１２６は各チャンネル１２３，１２５用に別々のＡＤＣを有しても良いし、単一のマルチチャンネルＡＤＣを有するものであっても良い。
【００５７】
光センサはアナログまたはデジタルの出力を介してインターフェース接続することができる。一実施形態において、アナログ出力は低エネルギー出力であり得る。たとえば、電圧用に１０，０００：１の比を用いることができ、この場合ケーブル１２上の７２００ボルトが０．７１ボルトとして示される。顧客の要求に応じて他の比を与えても良い。電流を電圧によって表すこともできる。たとえば、５００アンペアを１ボルトで示すことができる。この低エネルギーアナログ出力は、一般に、遠隔端末ユニット（ＲＴＵ）、多機能電子デバイス（ＩＥＤ）、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、監視制御データ収集システム（ＳＣＡＤＡ）またはリレー１０６に接続されて、情報を制御システムに送信する。
【００５８】
時代遅れの古い設備がレベニューメータ（revenue meters）や古いリレーなどのセンサにインターフェース接続される場合、（計器用変成器を模擬するために）パワーアンプをアナログ出力に付設することができる。米国における主なメーター電圧は１２０ボルトであるから、ケーブル１２が７２００ボルトを有する場合、６０：１の比は１２０ボルトを与える。１０００ボルトまでの他の電圧を用いることができる。電流アンプに対する電圧はアナログ出力に接続することができ、たとえば、６００：５のアンペア比が米国においては主流である。
【００５９】
より近代的なスマートグリッドアプリケーションのために、デジタル出力を用いることができる。最も一般的なものがＲＳ−２３２および／またはイーサネット（登録商標）である。コンピューティングユニット１３０は、顧客地域における標準的なプロトコルを用いるようにプログラムされ得る。
【００６０】
当業者であれば、センサーごとに異なるスケーリングを有する複数の出力を用いて、異なる機器を作動可能にシステムに接続することを可能にし、あるいは単一の機器を複数出力に接続することも可能であることを認識するであろう。たとえば、計測、電力品質およびフォールトアロケーションモニターを同じ出力から同時に動作させることができる。
【００６１】
この出願において用いられる単数形表現は、そうでないように特別に記述されていない限り、その参照するアイテムが一または複数であることを含むものとして定義される。また、「有する」、「含む」、「備える」およびこれらと類似する語句は、そうでないように特別に記述されていない限り、実質的に同等の意味を持つものとして定義される。さらに、既述明細書において用いられる用語は、類似および／または同等の用語を含み、および／または、本特許出願の教示によって当業者には自明であると理解され得る代替的実施形態を含むものとして定義される。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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