(57)【要約】【課題】高感度に電流を測定する電流計測装置を提供する。【解決手段】  光源１と、光源１の光を伝送する入射側光ファイバ４と、光源１の光が入射される光学素子２０と、電位検出電極２３に電線２２を介して接続された電極２１とを有する光変調部２と、光変調部２を透過した光を伝送する出射側光ファイバ５と、光変調部２を透過した光の変調度に基づいて電流値を算出する演算部６と、を有し、電極２１は、光学素子２０の対向する端部のそれぞれに設けられ、それぞれ別々の電位検出電極２３に接続されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源の光を伝送する入射側光ファイバと、
前記光源の光が入射される光学素子と、電位検出電極に電線を介して接続された電極とを有する光変調部と、
前記光変調部を透過した光を伝送する出射側光ファイバと、
前記光変調部を透過した光の変調度に基づいて電流値を算出する演算部と、を有し、
前記電極は、
前記光学素子の対向する端部のそれぞれに設けられ、
それぞれ別々の前記電位検出電極に接続されていることを特徴とする電流計測装置。
【請求項２】
前記光学素子の対向する端部以外の対向する端部のそれぞれにさらに電極が設けられ、
それぞれ別々の電位検出電極に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電流計測装置。
【請求項３】
前記光変調部が、水面上に浮遊するように設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電流計測装置。
【請求項４】
前記光変調部を複数備え、
前記複数の光変調部のそれぞれが、一組の電位検出電極を有することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の電流計測装置。
【請求項５】
前記複数組の電位検出電極が、水面から深度を変えて設置されていることを特徴とする請求項４に記載の電流計測装置。
【請求項６】
前記電流計測装置の駆動用電源と、
前記電流計測装置の位置情報を検出する位置情報検出部と、
前記演算部が算出した電流値と、前記位置情報検出部が検出した位置情報をひも付けて記憶する記憶部と、を備えたことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の電流計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、例えば落雷による雷撃電流などの電流を測定する電流計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
送電や配電のための電線には、架空地線が設けられている。架空地線とは、例えば電線の上部に架設されたメタルワイヤであり、避雷器や避雷針と併用されて電線を雷から保護する装置である。架空地線により、電線に対する雷の直撃や、雷による逆フラッシオーバを防止することができる。
【０００３】
近年、再生可能エネルギー発電として、太陽光や風力を利用した発電所が数多く設置されている。また、太陽光や風力などの自然エネルギーは、分散型エネルギー源としてさらに普及が進んでいる。自然エネルギーを用いた発電では、低密度エネルギーを集約させるために、広大な面積に機器を設置する必要がある。
【０００４】
このような自然エネルギーを用いた発電においては、自然エネルギーの集約を妨げることになるため架空地線を設置することは適切ではない。そのため、例えば太陽光発電所では、少数の避雷針で広大な面積の雷保護を行っていた。落雷時の電流の測定は、避雷針に流れる高密度の電流を、ロゴウスキーコイルや磁界センサによって計測していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０７−１９８８１１公報
【特許文献２】特開２０００−１１５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、風力発電は、洋上風力発電などのように水上に設置される場合もある。この場合、周囲に高層建築物が存在しないため、風力発電の機器に落雷しやすい。海水は大地に比べて抵抗が低く誘電率が高い。そのため、海中に設けた接地極から雷撃電流がどの方向に流れるのかが不明であることが多かった。接地点から離れた地点の水中を伝播する低密度の電流分布については計測された例が無い。
【０００７】
また、洋上ウィンドファームでは、風車間がケーブルにより接続される。このケーブルは海中深くに沈められるため、海水面における風車間の距離よりも長くなる。そのため、ケーブルに逆フラッシオーバ電圧が侵入する可能性がある。ケーブルを伝播する雷サージ電圧は、海水面を伝播するサージ電流よりも遅れて到着する。また、逆サージは長距離ケーブルを伝播することにより逆電圧となる。従って、長さの異なるケーブルが接続される海上変電所では、様々なサージ電圧が合成された複雑なサージ電圧が発生する可能性が高い。
【０００８】
従来のロゴウスキーコイルや磁界センサによる電流の測定では、避雷針に流れる高密度の電流を測定することはできても、電流センサ部分が小さいことから、接地点から離れた地点の水中を伝播する低密度の電流分布については、その変化を検出することはできない。上記のような海洋における電流の計測が必要となっていることもあり、広範囲における電流値を計測できる電流計測装置の開発が望まれていた。
【０００９】
本発明の実施形態は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものである。その目的は、高感度に電流を測定する電流計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記のような目的を達成するための実施形態の電流計測装置は、光源と、前記光源の光を伝送する入射側光ファイバと、前記光源の光が入射される光学素子と、電位検出電極に電線を介して接続された電極とを有する光変調部と、前記光変調部を透過した光を伝送する出射側光ファイバと、前記光変調部を透過した光の変調度に基づいて電流値を算出する演算部と、を有し、前記電極は、前記光学素子の対向する端部のそれぞれに設けられ、それぞれ別々の前記電位検出電極に接続されている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態の電流計測装置の概略構成の一例を示す説明図である。
【図２】第１の実施形態の光変調部の概略構成の一例を示す説明図である。
【図３】第１の実施形態の変形例の光変調部の概略構成の一例を示す説明図である
【図４】第２の実施形態の光変調部の概略構成の一例を示す説明図である。
【図５】第３の実施形態の電流計測装置の概略構成の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１の実施形態］
［１．構成］
以下、本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の電流計測装置Ａの概略構成の一例を示す説明図である。図１に示す通り、本実施形態にかかる電流計測装置Ａは、光源１、光変調部２、受光部３、入射側光ファイバ４、出射側光ファイバ５、演算部６、および表示手段７を有する。
【００１３】
本実施形態では、少なくとも光変調部２が例えば海洋における水面上に浮遊するように設置されている。この場合、光源１および受光部３は、水面上に設置しても良いし、海上設備や船上に設け、光ファイバ４および５により水面上の光変調部２と接続することができる。演算部６および７も、海上設備や船上に設置することができる。
【００１４】
光源１は、電流の計測に用いる光を出射する。光源１としては、単一波長光を出力する発光ダイオード、スーパールミネッセンスダイオード、およびレーザー光源などを用いることができる。光源１は、不図示の光源駆動装置により駆動されている。光源１には、入射側光ファイバ４の一端が接続されている。
【００１５】
入射側光ファイバ４は、光源１から出射された光を光変調部２へ導く光ファイバである。また、出射側光ファイバ５は、光変調部２を透過した光を受光部３へ導く光ファイバである。入射側光ファイバ４および出射側光ファイバ５としては、マルチモードファイバを用いることができるがこれに限定されない。入射側光ファイバ４の他端は、光変調部２に接続されている。
【００１６】
光変調部２は、落雷時などに発生する電流の値に比例して、光源１から入射された光を変調して出力するように構成されている。図２に示す通り、光変調部２は、光学素子２０、電極２１ａ、２１ｂ、電線２２ａ、２２ｂ、および電位検出電極２３ａ、２３ｂを有する。このうち、少なくとも光学素子２０および電極２１ａ、２１ｂは、光変調部２の筐体内に設けられている。なお、光源１および受光部３を光変調部２の筐体内に設ける構成としても良い。
【００１７】
入射側光ファイバ４の他端は、光源１の光を光学素子２０に導入するように、光学素子２０の端部の一つに接続されている。入射側光ファイバ４が接続された光学素子２０の端部と対向する端部には、出射側光ファイバ５が入射側光ファイバ４と対向するように接続されている。すなわち、入射光ファイバ４の光は、光学素子２０を介して出射側光ファイバ５に入射するように構成されている。
【００１８】
光学素子２０は、ファラデー効果により、光学素子２０に入射した光の偏光面を電界の強度に比例して回転させる材料を用いて構成されている。光学素子２０としては、ガーネット、セレン化亜鉛、イットリウム鉄ガーネットの単結晶などの強磁性体を用いることができる。なお、図示はしないが、入射側光ファイバ４および出射側光ファイバ５と光学素子２０との間に、ミラー、レンズ、偏光子、検光子などの光学系を適宜設けて、入射光および透過光を集光したり、偏光面の調整したりしている。
【００１９】
光学素子２０の対向する端部のそれぞれには、金属の電極２１ａおよび２１ｂが設けられている。電極２１ａ、２１ｂは、光学素子２０を透過する光の進行方向に対して、平行となるように配置されている。例えば光学素子２０が直方体の場合、入射側光ファイバ４と出射側光ファイバ５が接続された端部を除いた４つの端部のうち、対向する端部に電極２１ａ、２１ｂをそれぞれ設ければ良い。
【００２０】
電極２１ａには、電線２２aを介して電位検出電極２３aが接続されている。電極２１ｂには、電線２２ｂを介して電位検出電極２３ｂが接続されている。電線２２ａおよび２２ｂは、数ｍ程度の長さを有しており、金属線が絶縁被覆されたものを用いる。電位検出電極２３ａ、２３ｂは、光学素子２０から電線２２ａ、２２ｂの距離だけ離れて配置されることとなる。
【００２１】
電位検出電極２３ａ、２３ｂは、電極２１ａ、２１ｂと同じ金属で形成されている。光学素子２０を透過する光は、この２つの電位検出電極２３a、２３ｂの間の電位差の変化により偏光面が回転される。すなわち、本実施形態の電流計測装置Ａは、たとえば海中において、電位検出電極２３ａの位置から電位検出電極２３ｂの位置までの水中において、電流が流れることにより発生する電圧を検出するように構成されている。
【００２２】
図１に示す通り、受光部３は、出力側光ファイバ５を介して入力された光学素子２０を透過した光を検知し、電気信号に変換する処理部である。受光部３としては、例えばフォトダイオードを用いることができる。受光部３において信号増幅回路を設けて、変換された電気信号を適度な信号強度に増幅しても良い。受光部３と演算部６は、有線または無線で通信可能に接続されている。受光部３にて得られた電気信号は、演算部６へと出力される。
【００２３】
演算部６は、光の変調度に基づいて電流値を算出するように構成されている。演算部６は、受光部３から入力された電気信号から光の変調度を求め、電流値を算出する。演算部６は、電位検出電極２３ａ、２３ｂ間の電界強度または電流密度を算出するように構成しても良い。演算部６で算出された結果は、表示手段７に出力される。演算部６は、所定のプログラムで動作するコンピューターや専用の電子回路で構成すればよい。表示手段７は、演算部６で算出された電流値を表示する表示装置である。表示手段７としては、液晶表示パネルなどの表示画面を持つディスプレイを用いることができる。
【００２４】
［２．作用］
以上のような構成を有する本実施形態の作用について、以下に説明する。まず、光源１の光源駆動回路により、光源１の駆動が制御され光が出射される。光源１の光は、入射側光ファイバ４を介して、光変調部２に導入される。具体的には、光源１の光は、光変調部２の光学素子２０に導かれる。
【００２５】
水中に電流が流れると、電線２２ａ、２２ｂにより、電極２１ａ、２１ｂが電位検出電極２３ａ、２３ｂと同じ電圧となる。よって、光学素子２０を透過する光は、電位検出電極２３ａ、２３ｂ間で発生する電界の強度に比例して、ファラデー効果により偏光面が回転を受ける。光学素子２０を透過した光は、出射側光ファイバ５を介して、受光部３に導入される。
【００２６】
受光部６では、出射側光ファイバ５を介して入力された光が検知され、電気信号に変換される。この電気信号が演算部６に出力される。演算部６は、入力された電気信号に基づいて、例えば電流密度を算出する。算出された電流密度は、表示手段７に出力されて表示される。
【００２７】
［３．効果］
以上のような本実施形態の電流計測装置Ａの効果を以下の通りである。
（１）光学素子２０における電界の強度を、電極２１ａ、２２ｂに電線２２ａ、２２ｂを介して接続された電位検出電極２３ａ、２３ｂの間の電位差として測定する。電位検出電極２３ａ、２３ｂの間を広くすることにより、広範囲における電流値を計測できるため、低密度の電流分布の変化についても検出することができる。したがって、本実施形態の電流計測装置Ａによると、広範囲における電流を高感度に測定することができる。
【００２８】
（２）光変調部２を水面上に設置することで、海洋などにおいて、水面上や水中を伝播する電流を測定することができる。したがって、本実施形態の電流計測装置Ａによると、水中においても高感度に電流を測定することができる。
【００２９】
［第１の実施形態の変形例１］
第１の実施形態の変形例１を、図３に示す。本実施形態では、上記の電流計測装置Ａにおいて、電極２１ａおよび２２ｂが設けられた光学素子２０の対向する端部以外の対向する端部のそれぞれに、さらに電極２１ｃおよび２２ｄが設けられている。電極２１ｃには、電線２２ｃを介して電位検出電極２３ｃが接続されている。電極２１ｄには、電線２２ｄを介して電位検出電極２３ｄが接続されている。なお、図３は、水面上に配置した光変調部２を、上方から見た図を示している。電位検出電極２３ａ〜２３ｄは、光変調部２と水面方向に間隔を介して配置されている。
【００３０】
本実施形態では、電極２１ａ〜２１ｄは、光学素子２０を透過する光の進行方向に対して、平行となるように配置されている。例えば光学素子２０が直方体の場合、入射側光ファイバ４と出射側光ファイバ５が接続された端部を除いた４つの端部において、２組の対向する端部のそれぞれに電極２１ａ、２１ｂ、および２１ｃ、２１ｄが設けられている。
【００３１】
以上のような構成では、例えば電位検出電極２３ａ、２３ｂ間では電流が流れていないような場合に、電位検出電極２３ｃ、２３ｄ間に電流が流れていれば検出することができる。光学素子２０を透過する光は、電位検出電極２３ａ、２３ｂ間または電位検出電極２３ｃ、２３ｄ間に発生する電界のうち、より強度が強い電界の影響を受けて回転する。そのため、電位検出電極２３ａ〜２３ｄが設置された範囲において流れる電流のうち、より大きな電流を検出することができる。よって、第１の実施形態に比べてより広範囲において、高感度に電流を測定することができる。
【００３２】
［第１の実施形態の変形例２］
第１の実施形態の変形例２は、上記の電流計測装置Ａにおいて、それぞれ一組の電位検出電極を有する光変調部２を、複数設けた実施形態である。すなわち、少なくとも光変調部２を、海洋において、水面上に間隔を介して複数配置すれば良い。光源１および受光部３は、複数の光変調部２で共通に用いても良いし、それぞれに設けても良い。したがって、光源１、光変調部２、受光部３、入射側光ファイバ４、出射側光ファイバ５を一組として、水面上に複数組配置する構成としても良い。複数の光変調部２を透過した光は、受光部３を介して演算部６へと出力される。以上のような構成では、水面方向の電流値を取得することが可能となる。すなわち、より広範囲の電流を測定することが可能になる。また、演算部６において得られた各光変調部２の電流密度を用いて、２次元データを生成する処理部を設けて、表示手段７に２次元データを表示しても良い。
【００３３】
［第２の実施形態］
第２の実施形態の電流計測装置Ａの概略構成の一例を図４に示す。第２の実施形態では、光変調部２を複数設けた場合において、複数組の電位検出電極が、水面から深度を変えて設置されている。なお、第１の実施形態と同じ部分については同一符号を付して説明は省略する。
【００３４】
本実施形態の電流計測装置Ａでは、一例として、水面上に３つの光変調部２を設置した構成を説明するが、光変調部２の数はこれに限定されない。なお、図４では、光学素子２０および電極２１を備えた光変調部２の筐体は一つしか図示されていないが、３組の電位検出電極それぞれに対して光学素子２０等が設けられている。３つの光変調部２を備えた本実施形態では、３組の電位検出電極２３ｅ、２３ｆ、２３ｇが設けられている。３組の電位検出電極２３ｅ、２３ｆ、２３ｇは、それぞれ電線２２ｅ、２２ｆ、２２ｇを介して、それぞれの光変調部２の電極に接続されている。
【００３５】
３組の電位検出電極２３ｅ、２３ｆ、２３ｇは、水面から深度を変えて配置されている。具体的には、１組の電位検出電極２３ｅが水面近傍に設置されており、１組の電位検出電極２３ｅの下方の、より深い位置に、１組の電位検出電極２３ｆが設置されている。また、１組の電位検出電極２３ｆの下方の、より深い位置に、１組の電位検出電極２３ｇが設置されている。
【００３６】
以上のような構成では、水面方向に加え、深度方向も含めて電流値を取得することが可能となる。すなわち、より広範囲の電流を測定することが可能になる。また、演算部６において得られた各光変調部２の電流密度を用いて、３次元データを生成する処理部を設けて、表示手段７に３次元データを表示しても良い。
【００３７】
［第３の実施形態］
第３の実施形態の電流計測装置Ａの概略構成の一例を図５に示す。本実施形態の電流計測装置Ａは、バッテリー８と、電流計測装置Ａの位置情報を検出する位置情報検出部９と、演算部６が算出した電流値と、位置情報検出部９が検出した位置情報をひも付けて記憶する記憶部１０とを有する。本実施形態の電流計測装置Ａは、筐体内に全ての構成要素を備え、この筐体を水面上に配置して利用することができる。なお、第１の実施形態と同じ部分については同一符号を付して説明は省略する。
【００３８】
バッテリー８は、電流計測装置Ａに電力を供給する駆動用電源である。位置情報検出部９は、電流計測装置Ａの位置を検出する処理部であり、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）等を用いることができる。演算部６は、算出した電流値を記憶部９に出力する。また、位置情報検出部９は、検出した位置情報は、記憶部９に出力する。記憶部９は、演算部６で算出された電流値と、位置情報検出部９が検出した位置情報をひも付けて記憶するように構成されている。なお、時間検出部をさらに設けて、検出した時間情報および位置情報と電流値をひも付けて記憶しても良い。
【００３９】
以上のような構成の電流計測装置Ａは、他の電流計測装置とは独立して電流値の計測および記憶が可能となる。したがって、複数台の電流計測装置を海洋上などに配置した場合において、他の電流計測装置が機能を失ったとしても影響をうけることなく動作可能である。また、海洋上において、波などの影響で電流計測装置Ａの位置にずれが生じたとしても、位置情報と電流値をひも付けて記憶しておくことがで、電流が発生した正確な位置を把握することができる。
【００４０】
また、電流計測装置Ａを敷設する場合においては、予め筐体内に各構成要素を設けておき、この筐体を水面上に配置することで電流の計測が可能になる。したがって、電流計測装置Ａの設置および回収を行うだけで良く、配線等の複雑な準備や作業を必要とせずに、広範囲の電流を測定することが可能になる。
【００４１】
［他の実施形態］
（１）上記の実施形態においては、光変調部２のみを水面上に配置する例や、構成要素の全てを水面上に配置する例を説明したが、水面上に配置する構成要素は適宜選択可能である。したがって、第１の実施形態においては、例えば表示手段７のみを海上設備等に設けることもできる。各実施形態において、通信部を設け、受光部３が変換した電気信号を、無線通信等により陸上の設備に送信するなどの変更を適宜行うことができる。
【００４２】
（２）また、各実施形態の組み合わせは自由である。したがって、第１の実施形態の変形例１の光変調部２を複数設け、複数組の電位検出電極を水面から深度を変えて配置するようにしても良い。また、第１および第２の実施形態の電流計測装置Ａの構成に、バッテリー８、位置情報検出部９、記憶部１０を適用して、独立した電流計測を可能にしても良い。
【００４３】
（３）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同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００４４】
Ａ…電流計測装置
１…光源
２…光変調部
３…受光部
４…入射側光ファイバ
５…出射側光ファイバ
６…演算部
７…表示手段
８…バッテリー
９…位置情報装置
１０…記憶部
２０…光学素子
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ…電極
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ、２２ｇ…電線
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ、２３ｇ…電位検出電極
【図１】
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【図２】
2015102536.tif 000004
【図３】
2015102536.tif 000005
【図４】
2015102536.tif 000006
【図５】
2015102536.tif 000007