(57)【要約】【課題】電気的絶縁の確保が容易な直流電圧測定装置を提供する。【解決手段】実施形態の直流電圧測定装置は，互いに反対側に配置される第１，第２の面を有する電気光学結晶と，前記第１，第２の面それぞれに密着し，かつ赤外光を透過する第１，第２の導電層と，前記第１，第２の電極層間に直流電圧を印加する印加手段と，前記第１の導電層に赤外光を入射させる光源と，前記第１の導電層に入射し，前記電気光学結晶を通過して，前記第２の導電層から出射した赤外光を受光する受光部と，を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに反対側に配置される第１，第２の面を有する電気光学結晶と，
前記第１，第２の面それぞれに密着し，かつ赤外光を透過する第１，第２の導電層と，
前記第１，第２の導電層間に直流電圧を印加する印加手段と，
前記第１の導電層に赤外光を入射させる光源と，
前記第１の導電層に入射し，前記電気光学結晶を通過して，前記第２の導電層から出射した赤外光を受光する受光部と，
を具備する直流電圧測定装置。
【請求項２】
前記第１，第２の導電層が，前記電気光学結晶への蒸着またはスパッタリングによって形成される，
請求項１記載の直流電圧測定装置。
【請求項３】
前記赤外光の波長が８００ｎｍ以上である
請求項１または２に記載の直流電圧測定装置。
【請求項４】
前記第１，第２の導電層それぞれでの可視光の透過率が１０％以下である
請求項３記載の直流電圧測定装置。
【請求項５】
前記第１，第２の導電層がＧｅまたはＳｉを含む
請求項４記載の直流電圧測定装置。
【請求項６】
前記光源と前記第１の導電層の間に配置される偏光子と，
前記第２の導電層と前記受光部の間に配置される検光子と，
をさらに具備する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の直流電圧測定装置。
【請求項７】
前記偏光子と前記第１の導電層の間に配置される１／４波長板をさらに具備し，
前記検光子が，前記第１の導電層から出射された赤外光を第１，第２の偏光状態の赤外光に分離し，
前記受光部が，前記第１，第２の偏光状態の赤外光をそれぞれ受光する第１，第２の受光素子を有する，
請求項６記載の直流電圧測定装置。
【請求項８】
前記第１，第２の受光素子で測定される，前記第１，第２の偏光状態の赤外光の強度の比に基づき，電圧を算出する算出部，
をさらに具備する請求項７記載の直流電圧測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は，変電所や発電所の電力機器および電力系統の電圧を測定する直流電圧測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁への影響が小さい状態で，高電圧を高精度で測定するために，光を用いた電圧センサが開発されている。ここで，電圧には，交流と直流があるため，電圧センサには，交流計測用および直流計測用が必要となる。このうち，交流計測用の電圧センサは，既に，実用化され，発電所，変電所での電圧測定に用いられている（例えば，非特許文献１参照）。
【０００３】
一方，直流計測用の電圧センサは，未だ実用化されておらず，幾つかの論文が発表されているに留まる。その中で，チョッパー回路を用いる光電圧センサはフィールド試験まで実施されている（非特許文献２）。即ち，チョッパー回路を用いて，直流電圧を２ｋＨｚでＯＮ／ＯＦＦし，交流に変換してから測定している。
【０００４】
しかしながら，この光電圧計測装置では，次のように，電気的絶縁性の確保が容易な光電圧センサの利点が損なわれる畏れがある。即ち，被測定電圧をチョッピングするため，電圧検出部にＯ／Ｅ変換器，チョッパー回路等の電子部品が必要となる。このため，高電圧のサージ等に曝される畏れのある電圧検出部と，計測された信号を用いる保護リレーや計測器などの電子部品との間の電気的絶縁の確保が困難となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】平成６年開閉保護・高電圧合同研究会，ＳＰ−９４−９１，ＨＶ−９４−１６２，中田・平田・米田・野田「１０００ｋＶＧＩＳ用計器用変成器の開発」
【非特許文献２】渡辺渡他「直流光電圧変成器の開発」電気学会全国大会（1991）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は，電気的絶縁の確保が容易な直流電圧測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の直流電圧測定装置は，互いに反対側に配置される第１，第２の面を有する電気光学結晶と，前記第１，第２の面それぞれに密着し，かつ赤外光を透過する第１，第２の導電層と，前記第１，第２の電極層間に直流電圧を印加する印加手段と，前記第１の導電層に赤外光を入射させる光源と，前記第１の導電層に入射し，前記電気光学結晶を通過して，前記第２の導電層から出射した赤外光を受光する受光部と，を具備する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係る直流電圧測定装置を表す図である。
【図２】電気光学素子を表す図である。
【図３】電気光学素子の等価回路を表す図である。
【図４】電気光学素子の電界方向と光透過方向の関係を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下，図面を参照して，実施形態を詳細に説明する。図１に示すように，実施形態に係る直流電圧測定装置２０は，電気光学素子１０，分圧器１３，光源２１，光ファイバー２３ａ〜２３ｃ，送光コリメーター部２４，偏光子２５，1／4波長板２６，検光子２７，受光コリメーター部２８ａ，２８ｂ，検出器２９ａ，２９ｂ，電子回路３０を有する。
【００１０】
（電気光学素子１０の詳細）
先に電気光学素子１０の詳細を説明する。電気光学素子１０は，電気光学結晶１１，導電層１２ａ，１２ｂを有する。
【００１１】
電気光学結晶１１は，電圧の印加により光学的特性が変化する（電気光学効果を発現する）結晶である。電気光学効果として，電圧の印加により，屈折率が変化する効果（ポッケルス効果等）を利用できる。ポッケルス効果は，屈折率が電界強度の１乗に比例して変化する効果である。ポッケルス効果を有する電気光学結晶１１として，例えば，ＢＧＯ（Ｂｉ１２ＧｅＯ２０），ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３：ニオブ酸リチュウム）を利用できる。
【００１２】
導電層（電極層）１２ａ，１２ｂは，電気光学結晶１１の互いに反対側（両端）の面に密着して形成される導電性の膜であり，電気光学結晶１１に電圧を印加する電極として機能する。蒸着またはスパッタリングによって，電気光学結晶１１に密着する導電層１２ａ，１２ｂを形成できる。導電層１２ａ，１２ｂの構成材料には，光源２１からの赤外光を透過する材料，例えば，ゲルマニウム（Ｇｅ）やシリコン（Ｓｉ）等が用いられる。
【００１３】
このように，電気光学結晶１１の両端面に，密着するように，測定光（赤外光）を透過する導電層１２ａ，１２ｂが形成され，測定光は導電層１２ａ，１２ｂの両方を透過する。このようにすることで，導電層１２ａ，１２ｂに直流電圧を印加し，その電圧を測定することができる。以下，この理由を説明する。
【００１４】
図２は，電気光学結晶１１での分極現象を表す図である。ここでは，導電層１２ａ，１２ｂが電気光学結晶１１に密着しない状態としている。図３は，密着する導電層１２ａ，１２ｂを用いないときの電気光学結晶１１の等価回路である。図４は，電界を印加する方向と光が透過する方向が一致および異なる場合での電気光学結晶１１の特性を表す図である。
【００１５】
従来，ポッケルス効果を用いて光測定が行えないとした理由の一つに分極の消失現象がある。即ち，直流電界によって，電気光学結晶１１に分極Ｐが生じる（図２参照）。しかし，電気光学結晶１１が若干の導電性（抵抗Ｒｐ）を有しているため，電流が流れ，分極が消失していく。
【００１６】
一般に，電気光学結晶１１の抵抗Ｒｐに対して，空気の抵抗は十分大きく無視できるので，電気光学素子１０は，静電容量Ｃ１，Ｃ２とＣＲ（静電容量Ｃｐ，抵抗Ｒｐ）の分圧回路となる（図３参照）。静電容量Ｃ１，Ｃ２はそれぞれ，電気光学結晶１１と導電層１２ａ，１２ｂ間（空気）の静電容量である。また，静電容量Ｃｐ，抵抗Ｒｐはそれぞれ，電気光学結晶１１自体の静電容量および抵抗である。
【００１７】
この回路にステップ状の電圧変化が加わった場合の応答を考えると，電界を印加するための電極（導電層１２ａ，１２ｂ）に印加された電圧Ｖは，空気中の静電容量Ｃ１，Ｃ２と電気光学結晶１１の静電容量Ｃｐによって分圧される。また，Ｃｐ両端の電圧が，電気光学結晶１１自体の抵抗Ｒｐによって，Ｃｐ＊Ｒｐの時定数で減衰していく。
【００１８】
このことから，次のようなことが分かる。まず，直流測定の場合には，空間を通して，電気光学結晶１１に電圧を印加することは，電気光学結晶１１に印加される電圧が低下し，好ましくない。即ち，電気光学結晶１１の表面に直接，被測定電圧を印加する必要がある。このため，電気光学結晶１１の両端面には電極（導電層１２ａ，１２ｂ）を取り付け，被測定電圧と電気的に接続して使用する。この場合，電気光学結晶１１と電極（導電層１２ａ，１２ｂ）の間の密着性が不十分な場合，被測定電圧を正確に測定し難くなる。即ち，交流測定に於いては，静電容量で接続され，測定への影響は比較的小さいが，直流測定の場合にはそれが例え１ｎｍ程度の僅かの隙間であっても，隙間部分の抵抗値が電気光学結晶１１の抵抗に対して無視できないぐらいに大きくなる。このため，電極は，蒸着またはスパッタにより，電気光学結晶１１に密着させている。
【００１９】
また，電気光学結晶１１の抵抗に不均一が有ると，測定の誤差になる可能性がある（図４参照）。図４（Ａ），（Ｂ）それぞれに，光軸Ｌと電界の方向が直交（横電界型），並行（縦電界型）の場合を表す。このとき，抵抗の不均一により，例えば，電極（導電層１２ａ，１２ｂ）の近傍に電界が集中する可能性がある。ここでは，導電層１２ａ，１２ｂの近傍の電界Ｅ１，Ｆ５が，導電層１２ａ，１２ｂから離れたところでの電界Ｅ２〜Ｅ５より大きい。このため，光軸Ｌと直交する横電界型を採用した場合には，電気光学結晶１１の中心を光が透過した場合（測定光が電界Ｅ３の影響を受ける場合）と，電気光学結晶１１の端（電極より）に光が透過した場合（測定光が電界Ｅ１，Ｅ５の影響を受ける場合）で，感度が異なることとなり（図４（Ｂ）参照），誤差を生じる。
また，このような現象が生じないように，電気光学結晶１１に対して，光軸Ｌを固定させても，例えば，結晶欠陥などで電荷がトラップされるようなことがあると，トラップされる前と後ではやはり，光の透過部分に加わっている電界が異なり，測定誤差となってしまう。
【００２０】
このような測定光の位置による誤差を防ぐためには，図４（Ａ）のように，に示すように，光軸と印加する電界方向を一致させる縦電界とすればよい。電気光学結晶１１内での電界の不均一が生じても，測定光は両電極間の電界の積分値，即ち，電極に印加された電圧に等しい位相差を受けることとなり，直流電圧を正確に測定する事が出来る。
【００２１】
また，測定波長によって，分極の消失現象の時定数が異なる。この原因については，図３の等価回路に示す結晶の抵抗Ｒｐが変化していると考えるのが妥当である。つまり，測定光によって，電気光学結晶１１の抵抗Ｒｐの値が変化したことが疑われる。このような現象は，光導電効果として知られており，光の照射によって，電気光学結晶１１の抵抗値が小さくなる事がある。
【００２２】
この現象を避けるためには，測定光として，光導電効果を生じない程度に波長の長い光を用いれば良く，波長８００ｎｍ以上の赤外光を用いることが有効である。具体的には，測定に用いる光の波長が６８５ｎｍおよび１３１０ｎｍの場合それぞれで，分極Ｐが消失する時間が，数秒〜数百秒程度，数時間以上と大きく異なる。
【００２３】
また，周囲の光によっても，抵抗が変化する事となるので，電気光学結晶１１の回りを遮光することが求められるが，測定光を通す部分は光を透過させる必要があり，測定光は通すが，波長８００ｎｍ以下の可視域の光は透過させない材料を用いて電極（導電層１２ａ，１２ｂ）を構成することで，電気光学結晶１１への遮光を効果的に行えるようになる。具体的には，導電層１２ａ，１２ｂそれぞれでの可視光（波長８００ｎｍ以下の可視域の光）の透過率が１０％以下であることが好ましい。
【００２４】
このとき，電極材料に求められる特性は，測定のための赤外光を透過し，可視光を遮光し，かつ，電極として十分な導電性を有していることが必要となり，例えばゲルマニウム（Ｇｅ）やシリコン（Ｓｉ）等を用いることが出来る。導電層１２ａ，１２ｂの厚さは，例えば，０．１〜２μｍ（一例として，１μｍ）である。
【００２５】
（電気光学素子１０以外の構成）
以下，電気光学素子１０以外の構成を説明する。
【００２６】
分圧器１３は，直流電圧を分圧（低減）して，電気光学素子１０（導電層１２ａ，１２ｂ）に印加する。分圧器１３は，直列に接続される抵抗Ｒ１，Ｒ２を有する。抵抗Ｒ１，Ｒ２に印加された直流電圧Ｖ０が抵抗Ｒ１で分圧され，電直流圧Ｖ１に変換される。
【００２７】
分圧器１３は，導電層１２ａ，１２ｂ間に直流電圧を印加する印加手段として機能する。分圧器１３と導電層１２ａ，１２ｂ間は，半田等で接続できる。なお，測定対象の電圧がある程度低ければ，分圧器１３を介さず，測定対象の電圧を直接，導電層１２ａ，１２ｂ間に印加しても良い。
【００２８】
光源２１は，波長８００ｎｍ以上の赤外光を出射する，例えば，発光ダイオードや半導体レーザである。光源２１は，電気光学素子１０（導電層１２ａ）に赤外光を入射させる。
光源駆動装置２２は，光源２１を駆動し，赤外光を出射させる。
【００２９】
光ファイバー２３ａ〜２３ｃは，光源２１からの赤外光を導く。
送光コリメーター部２４は，レンズ等を用いて，光ファイバー２３ａから出射する発散光を平行光に変換する。
【００３０】
偏光子２５は，光源２１と導電層１２ａの間に配置され，送光コリメーター部２４を通過した光を直線偏光に変換する光学素子である。
１／４波長板２６は，偏光子２５と導電層１２ａの間に配置され，偏光子２５からの直線偏光を円偏光に変換する光学素子である。
【００３１】
検光子２７は，導電層１２ｂと検出器２９ａ，２９ｂ（受光部）の間に配置される，電気光学素子１０を通過した赤外光を互いに直交する第１，第２の偏光状態の赤外光（第１，第２の成分の光）に分離する。
【００３２】
受光コリメーター部２８ａ，２８ｂは，レンズ等を用いて，検光子２７で分離された第１，第２の偏光を収束光に変換し，光ファイバー２３ｂ，２３ｃに入射させる。
【００３３】
検出器（受光素子）２９ａ，２９ｂは，光ファイバー２３ｂ，２３ｃから出射した第１，第２の成分の光の強度を測定する。検出器２９ａ，２９ｂは，導電層１２ａに入射し，電気光学結晶１１を通過して，導電層１２ｂから出射した赤外光を受光する受光部として機能する。
【００３４】
電子回路３０は，検出器２９ａ，２９ｂの測定結果に基づいて，電圧を算出する。即ち，電子回路３０は，検出器２９ａ，２９ｂで測定される，第１，第２の偏光状態の赤外光の強度の比に基づき，電圧を算出する算出部として機能する。
【００３５】
（直流電圧測定装置２０の動作）
次のように，直流電圧測定装置２０は動作する。
光源駆動装置２２によって駆動された光源２１からの放射光は光ファイバー２３ａを介して送光コリメーター部２４に入射する。送光コリメーター部２４ではこの入射光を平行光束に変換して偏光子２５に供給する。偏光子２５は入射した平行光を直線偏光に変換し，1／4波長板２６はこの直線偏光を円偏光に変換する。
【００３６】
電気光学素子１０は，1／4波長板１４を介して入射した円偏光を電気光学素子１０に印加した電界強度に応じた楕円偏光に変換する。電気光学素子１０を出射した光は検光子２７を透過し，一偏光成分のみの光が出射される。この光の光量は，電気光学素子１０によって楕円偏光にされた楕円率によって，変化する（被測定電圧に応じた光量の光が出力される）。この光は受光コリメーター部２８ａ，２８ｂで光ファイバー２３ｂ，２３ｃに導かれ検出器２９ａ，２９ｂに送られる。検出器２９ａ，２９ｂで光信号を電気信号に変換された後，電子回路３０で被測定電圧が演算される。
【００３７】
直流電圧測定装置２０は，交流のみならず，直流の電圧測定も可能である。このため，直流の電圧測定はもちろんのこと，交流電線路の測定に於いても，例えば短絡事故時等の直流成分を含む過渡波形や，ダイオード負荷等の正負非対称な負荷による直流電圧成分の重畳した波形も正確に測定できる。
【００３８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが，これらの実施形態は，例として提示したものであり，発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は，その他の様々な形態で実施されることが可能であり，発明の要旨を逸脱しない範囲で，種々の省略，置き換え，変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は，発明の範囲や要旨に含まれるとともに，特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３９】
１０  電気光学素子
１１  電気光学結晶
１２ａ，１２ｂ  導電層
２０  直流電圧測定装置
２１  光源
２２  光源駆動装置
２３ａ-２３ｃ  光ファイバー
２４  送光コリメーター部
２５  偏光子
２６  １／４波長板
２７  検光子
２８ａ，２８ｂ  受光コリメーター部
２９ａ，２９ｂ  検出器
３０  電子回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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