(57)【要約】本発明は、交流または直流の送電システムに関する。このシステムは、第１の導電体と、第２の導電体と、これらの間の絶縁間隔と、を含む。このシステムは更に、光学的に連続して備え付けられている以下の要素を含む電場の計測装置を含む。その要素は、光源に接続されている第１の光学ファイバと、第１の光学レンズと、円偏光フィルタと、電気光学特性を有する結晶棒と、直線偏光フィルタと、第２の光学レンズと、光検知部に接続されている第２の光学ファイバである。電場の計測装置は、第１の導電体に隣接して配置され、結晶棒と第１の導電体の間の第１の最小距離と、結晶棒と第２の導電体の間の第２の最小距離を規定する。第２の最小距離は、第１の最小距離より少なくとも１０倍大きい。【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電体と、第２の導電体と、前記第１の導電体と前記第２の導電体との間の絶縁間隔と、を含む交流または直流の送電システムであって、前記送電システムは更に、電場の計測装置を含み、前記電場の計測装置は、
誘電性の材料から成り、第１の開端部と、前記第１の開端部と対向する第２の開端部とを規定するハウジングと、
光源に接続されている第１の光学ファイバと、
前記第１の開端部において前記ハウジングに、前記第１の光学ファイバと光学的に連続して備え付けられている第１の光学レンズと、
前記第１の光学レンズと光学的に連続して、前記ハウジングに備え付けられる円偏光フィルタと、
前記円偏光フィルタと光学的に連続して、前記ハウジングに受けられ、内部に封入された結晶棒であって、電気光学特性を有する材料から成る、結晶棒と、
前記結晶棒と光学的に連続して、前記ハウジングに備え付けられる直線偏光フィルタと、
前記第２の開端部において前記ハウジングに、前記直線偏光フィルタと光学的に連続して備え付けられる第２の光学レンズと、
前記第２の光学レンズと光学的に連続する第２の光学ファイバであって、光検知部に接続されている、第２の光学ファイバと、を含み、前記電場の計測装置は、前記絶縁間隔の範囲内に、前記第１の導電体に隣接して配置され、前記結晶棒と前記第１の導電体との間で第１の最小距離を規定し、前記結晶棒と前記第２の導電体との間で第２の最小距離を規定し、前記第２の最小距離は、前記第１の最小距離より少なくとも１０倍大きく、例えば１００倍、好ましくは１０００倍、より好ましくは１００００倍、最も好ましくは１０００００倍大きい、交流または直流の送電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の送電システムであって、前記第１の導電体は、架空線または架空線上に電気的に接続された金属体を含む、送電システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の送電システムであって、前記第２の導電体は、前記第１の導電体に対して絶縁されている金属体を含む、送電システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一つに記載の送電システムであって、前記第２の導電体は、アースを構成する、送電システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一つに記載の送電システムであって、前記送電システムの前記第１の導電体は、０．１ｋＶから１０００ｋＶの間の、好ましくは１ｋＶから５００ｋＶの間の、より好ましくは５ｋＶから１００ｋＶの間の、最も好ましくは１０ｋＶから５０ｋＶの間の定格電圧を有する、送電システム。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一つに記載の送電システムであって、前記結晶棒は、前記送電システムが定格電圧において稼働されているとき、１＊１０４Ｖ／ｍから１．２＊１０８Ｖ／ｍの間の、好ましくは１＊１０５Ｖ／ｍから１．２＊１０７Ｖ／ｍの間の有効な電場の強さにさらされている、送電システム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一つに記載の送電システムであって、前記第１の最小距離は、０．１ｍｍから１００ｍｍの間であり、好ましくは１ｍｍから１０ｍｍの間である、送電システム。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一つに記載の送電システムであって、前記第２の最小距離は、０．１ｍから１００ｍの間であり、好ましくは１ｍから１０ｍの間である、送電システム。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一つに記載の送電システムであって、前記結晶棒を通る光路は、前記第１の導電体における電場に対して実質的に平行に向けられ、又は代わりに、前記結晶棒を通る光路は、前記第１の導電体における電場に対して実質的に垂直に向けられる、送電システム。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一つに記載の送電システムであって、前記円偏光フィルタは、４分の１波長板及び直線偏光板から成る、送電システム。
【請求項１１】
請求項１か１０のいずれか一つに記載の送電システムであって、前記結晶棒は、ポッケルス効果を示し、前記結晶棒が好ましくはリン酸カリウムから成る、送電システム。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一つに記載の送電システムであって、前記電場の計測装置は更に、
前記ハウジングの前記第１の端部を封止するための第１の封止手段であって、前記第１の光学ファイバを受けるためのアパーチャを有する、第１の封止手段と、
前記ハウジングに対して前記第１の光学ファイバを固定するための第１の固定手段と、
前記第１の光学レンズに対して取り付けられていれるとともに、前記第１の固定手段を受けるのに適している第１の受け部と、
前記ハウジングに対して前記第２の光学ファイバを固定するための第２の固定手段と、
前記第２の光学レンズに対して取り付けられていれるとともに、前記第２の固定手段を受けるのに適している第２の受け部と、
前記ハウジングの前記第２の端部を封止するための第２の封止手段であって、前記第２の光学ファイバを受けるためのアパーチャを有する第２の封止手段と、
それぞれが、前記ハウジングの前記第１および第２の端部に対して固定される第１および第２の蓋であって、それぞれ前記第１および第２の光学ファイバを受けるためのアパーチャを包含する、第１および第２の蓋と、を含む送電システム。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一つに記載の送電システムであって、前記ハウジングは、プラスチックなどの高分子材料から成る、送電システム。
【請求項１４】
第１の導電体の、絶縁間隔によって前記第１の導電体から間隔を隔てられた第２の導電体に対する電圧を計測する方法であって、前記方法は、電場の計測装置を提供するステップを含み、前記電場の計測装置は、
誘電性の材料から成り、第１の開端部と、前記第１の開端部と対向する第２の開端部とを規定するハウジングと、
光源に接続されている第１の光学ファイバと、
前記第１の開端部において前記ハウジングに、前記第１の光学ファイバと光学的に連続して備え付けられている第１の光学レンズと、
前記第１の光学レンズと光学的に連続して、前記ハウジングに備え付けられる円偏光フィルタと、
前記円偏光フィルタと光学的に連続して、前記ハウジングに受けられ、前記ハウジング内部に封入された結晶棒であって、電気光学特性を有する材料から成る、結晶棒と、
前記結晶棒と光学的に連続して、前記ハウジングに備え付けられる直線偏光フィルタと、
前記第２の開端部において前記ハウジングに、前記直線偏光フィルタと光学的に連続して備え付けられる第２の光学レンズと、
前記第２の光学レンズと光学的に連続する第２の光学ファイバであって、光検知部に接続されている、第２の光学ファイバと、を含み、
前記方法は、更に以下のステップを含む、すなわち、
前記結晶棒と前記第１の導電体との間で規定される第１の最小距離が、前記結晶棒と前記第２の導電体との間で規定される第２の最小距離より少なくとも１０倍大きく、例えば１００倍、好ましくは１０００倍、より好ましくは１００００倍、最も好ましくは１０００００倍大きいように、前記電場の計測装置を、前記絶縁間隔の範囲内に前記第１の導電体に隣接して配置するステップと、
前記光源が放射する光と前記光検知部が検知する光の間の相対的な遅延を検知するステップと、を含む、方法。
【請求項１５】
送電システムに包含される電場の計測装置を調整する方法であって、前記送電システムは、既知の電圧を有する第１の導電体と、別の既知の電圧を有する第２の導電体と、前記第１の導電体と前記第２の導電体との間の絶縁間隔と、を含み、前記電場の計測装置は、
誘電性の材料から成り、第１の開端部と、前記第１の開端部と対向する第２の開端部とを規定するハウジングと、
光源に接続されている第１の光学ファイバと、
前記第１の開端部において前記ハウジングに、前記第１の光学ファイバと光学的に連続して備え付けられている第１の光学レンズと、
前記第１の光学レンズと光学的に連続して、前記ハウジングに備え付けられる円偏光フィルタと、
前記円偏光フィルタと光学的に連続して、前記ハウジングに受けられ、前記ハウジング内部に封入された結晶棒であって、電気光学特性を有する材料から成る、結晶棒と、
前記結晶棒と光学的に連続して、前記ハウジングに備え付けられる直線偏光フィルタと、
前記第２の開端部において前記ハウジングに、前記直線偏光フィルタと光学的に連続して備え付けられる第２の光学レンズと、
前記第２の光学レンズと光学的に連続する第２の光学ファイバであって、光検知部に接続されている、第２の光学ファイバと、を含み、前記電場の計測装置は、前記絶縁間隔の範囲内に前記第１の導電体に隣接して配置され、前記結晶棒と前記第１の導電体との間で第１の最小距離を規定し、前記結晶棒と前記第２の導電体との間で第２の最小距離を規定し、前記第２の最小距離は、前記第１の最小距離より少なくとも１０倍大きく、例えば１００倍、好ましくは１０００倍、より好ましくは１００００倍、最も好ましくは１０００００倍大きく、
前記方法が含むステップには、
前記光源が放射する光と前記光検知部が検知する光の間の相対的な遅延を検知するステップと、
前記相対的な回転と、前記既知の電圧とに基づいて、調整定数を計算するステップと、
が存する方法。
【請求項１６】
請求項１から１３のいずれか一つに記載の送電システムであって、前記絶縁間隔は、Ｎ２又はＳＦ６、好ましくは大気気体によって満たされた空間などの気体で絶縁された空間を構成する、送電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流または直流の送電システム、電圧を計測する方法、および電圧の計測システムを調整する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力産業には、送電システムの状況をモニタする必要がある。この目的のため、光学技術のみを用いて電流の計測を成すことが知られていた。そのような光学的電流センサの一例であって、ファラデー効果を利用するセンサが、本出願人自身の国際特許出願である特許文献１に記載される。ファラデー効果の電流センサにおいては、偏光された入射光の偏光面は回転を強いられるが、これは計測される電流が生み出す磁場の作用である。そのようなファラデー効果の電流センサは、誘電性の材料から全体を構成し得、それゆえ非常に高い電場が存する場所に適用しても良い点に、一般的に知られるロゴフスキーコイルや類似の金属製の電流センサに対して利点を有する。
【０００３】
電圧の計測を、光学センサを用いて実施することもまた、知られている。これは、ポッケルス効果を利用することによって達成され得るが、ポッケルス効果は非等方結晶における光学効果である。ポッケルス効果を利用する電圧センサにおいて、結晶を通る入射光の偏光面は、その結晶に渡って印加された電場が在る場合に回転を強いられる。それゆえ、このようなポッケルス効果の電圧センサの主導原理は、上述したファラデー効果の電流センサの原理と似通っている。すなわち、センサ素子に渡って誘導された電場が、センサを通り抜ける光の偏光の中に小さな変動を生じさせるということである。この変動は計測が可能であり、そしてそのような計測から電場の強さが導出され得る。センサの位置において導出された電場の強さから、ワイヤ上の電圧が求められ得る。
【０００４】
光学的電圧センサを用いることにはいくつかの利点があるが、まず一つには単純だという点である。光学的電圧センサは少しの部品だけで構成され、このため組み立てがし易い。更には、計測される信号は純粋に光学的であって、計測にて誘導される電気的ノイズが無い。そして更には、従来の分圧回路のように、計測される導体とアースとの間の電気的接触が無い。そのような電気的接続は、たとえば短絡回路などの問題を起こし得てしまう。
【０００５】
光学的電圧センサの背後にある物理はポッケルス効果に基づくが、これは１９世紀後半に発見された効果である。それ以来、ポッケルス効果は、Ｑスイッチやチャープパルス増幅器などの様々な既知の光学装置に用いられている。この効果は下記の方程式の一次項に表される。
【０００６】
【数１】
2014504726.tif 000002
ここで、Ｅは電場であり、ｎ、ｎ０、ｒ及びＲは全てテンソルであって、それぞれ屈折率と、通常の屈折率と、一次と二次の電気光学係数を記述する。Ｅがｒテンソル（結晶）に対して正しく印加され、且つその二次の項を無視する場合、ｎは非対称となって、複屈折性を生じる。これは光がｒテンソルに対する偏光の方向に依存して異なる屈折率を感じることを意味する。
【０００７】
既知の光学的電圧センサにおいて、ポッケルス効果を示す結晶は、それらに取り付けられた電極を有し、そして光が通過するための予め定められた軌道を有する。上記の構成は、一般的にポッケルスセルとして知られており、電圧に制御される波長板として機能する。そのような構成は様々な先行技術の刊行物にて用いられる。一例には、非特許文献１が挙げられる。提案されるセンサシステムは、線間電圧とアースの間の絶縁部分の内部に位置づけられたポッケルス効果の結晶を用いる。ゆえに、全線間電圧がポッケルスセル上に印加されるものであり、少なくとも中間かそれ以上の電圧のために、高い絶縁レベルを要求するのである。
【０００８】
特許文献２は、アース基準の必要が無い電気光学電圧センサを開示する。しかしながら、その電圧センサは未だポッケルス結晶の直近に金属製の電極を必要とするものである。特許文献３は、共通のハウジング内部に位置するポッケルスセンサと分圧器を用いた、類似の電気光学的電圧センサを開示する。従って、交流電圧のみが計測可能である。
【０００９】
高電圧線上の電圧を計測するために、絶縁部分の範囲内に位置づけられたポッケルスセルの電圧センサの使用や、類似の技術を記述する更なる先行技術は、他にも以下の特許文献４乃至２４にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第２００４／０９９７９８号
【特許文献２】米国特許第６２８５１８２号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第０３３８５４２号明細書
【特許文献４】米国特許第６３８０７２５号明細書
【特許文献５】米国特許第５０２９２７３号明細書
【特許文献６】米国特許第５６３５８３１号明細書
【特許文献７】米国特許第６３８８４３４号明細書
【特許文献８】米国特許第６９４６８２７号明細書
【特許文献９】米国特許第６４１１０７７号明細書
【特許文献１０】特開平１０−１３２８６４号公報
【特許文献１１】国際公開２００９／１３８１２０号
【特許文献１２】米国特許第４２６９４８３号明細書
【特許文献１３】米国特許第６４９２８００号明細書
【特許文献１４】米国特許第７７６９２５０号明細書
【特許文献１５】米国特許第７０５７７９２号明細書
【特許文献１６】米国特許第６３５３４９４号明細書
【特許文献１７】特開２００５−３１５８１５号公報
【特許文献１８】特開平０３−０４４５６３号公報
【特許文献１９】国際公開第００／１３０３３号
【特許文献２０】欧州特許出願公開第００１１１１０号明細書
【特許文献２１】米国特許第４２５３０６１号明細書
【特許文献２２】国際公開第９８／１３６９８号
【特許文献２３】加国特許出願公開第２２８９７３６号明細書
【特許文献２４】英国特許出願公開第１３５３５４３号明細書
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】著者P. P. Chavez, F. Rahmatian, and N. A. F. Jaeger, 題名``230 kV Optical Voltage Transducer Using a Distributed Optical Electric Field Sensor System,'' IEEE
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上に記載したような、従来のポッケルスセルの構成を用いることには、金属電極が電圧センサの中で結晶に隣接して取り付けられなければならない点に欠点がある。高電圧または中間の電圧を目標とすると、これは大量の絶縁体を必要とし、結果、非常に大きな電圧センサとなってしまう。さらには、金属体が高電場の範囲内に位置づけられるため、電圧センサ内部において絶縁の不具合や誘電性の破損という危険性がある。そのような誘電性の不具合は、即時電圧センサの不具合をもたらし、そして可能性として送電システムの障害をもたらし得る。そのため、結晶に取り付けられる電極のない電圧センサを得ることに利点が見出される。そこで、本発明の目的は、導体の電圧を、その導体自体以外にいかなる金属部材も含まずに計測するための方法およびシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以上の要求および以上の目的は、下記の詳細な記述から明らかになる、他の多くの要求および目的とともに、本発明の第１の形態による、第１の導電体と、第２の導電体と、第１の導電体と第２の導電体との間の絶縁間隔と、を含む交流または直流の送電システムによって解決される。送電システムは更に、電場の計測装置を含む。電場の計測装置は、
誘電性の材料から成り、第１の開端部と、第１の開端部と対向する第２の開端部とを規定するハウジングと、
光源に接続されている第１の光学ファイバと、
第１の開端部においてハウジングに、第１の光学ファイバと光学的に連続して備え付けられている第１の光学レンズと、
第１の光学レンズと光学的に連続して、ハウジングに備え付けられる円偏光フィルタと、
円偏光フィルタと光学的に連続して、ハウジングに受けられ、ハウジング内部に封入された結晶棒であって、電気光学特性を有する材料から成る、結晶棒と、
結晶棒と光学的に連続して、ハウジングに備え付けられる直線偏光フィルタであって、好ましくは結晶棒の誘導される光学軸に対して４５度に方向付けされる、直線偏光フィルタと、
第２の開端部においてハウジングに、直線偏光フィルタと光学的に連続して備え付けられる第２の光学レンズと、
第２の光学レンズと光学的に連続する第２の光学ファイバであって、光検知部に接続されている、第２の光学ファイバと、を含む。電場の計測装置は、絶縁間隔の範囲内に第１の導電体に隣接して配置され、結晶棒と第１の導電体との間で第１の最小距離を規定し、結晶棒と第２の導電体との間で第２の最小距離を規定する。第２の最小距離は、第１の最小距離より少なくとも１０倍大きく、例えば１００倍、好ましくは１０００倍、より好ましくは１００００倍、最も好ましくは１０００００倍大きい。
【００１４】
本記載において、出願人は、アース基準が電圧を印加した導体から遠く離れて位置しても、導体へ非常に近く接近した電場の強さは、ポッケルス効果を示す結晶にて計測可能な遅延を生成するのに十分であるという、驚くべきことを見出した。本システムは、幾つかの先行技術のシステムに対し、交流および直流ともに計測され得るという、更なる利点を有する。送電システムの対象とする電流の強さは、典型的には、少なくとも数アンペアから数百または数千アンペアにまで至る。
【００１５】
電場の計測装置は、第２の導電体に対する第１の導電体の電圧を計測するための電圧センサを、構成しても良い。第１の導電体と第２の導電体との間の絶縁間隔は、空気などの気体、またはガラス、磁器若しくは高分子材料から成る絶縁体などの固体の絶縁体によって構成されても良い。
【００１６】
電場の計測装置のハウジングは、典型的には、プラスチックなどの高分子材料から成る。これは、計測に影響する外界からの環境光を妨げるような不透明体が好ましい。光源は、典型的には、第１の光学ファイバにより第１の光学レンズと光学的に連続される、発光ダイオード又はレーザによって、構成される。光学ファイバは、光源と光学レンズとの間で実質的な光量が損失しないことを保証する。これによると、光源は距離を置いた位置に配置され得る、すなわちメンテナンススタッフが容易に接近可能な電圧計測モジュールにて配置され得る。第１の光学レンズは、入射光全ての、第１の光学ファイバから円偏光フィルタに向けたコリメートに用いられる。円偏光フィルタは、入射光を、結晶棒に入る前に円偏光にさせる。結晶棒は、結晶棒が電場にさらされるとき、入射光が遅延を獲得するようなポッケルス効果を示す電気光学特性を有する。結晶がどのように切削されるか、及び入射光の方向に依存して、結晶は、第１の導体が放出し、電流が生み出す電場に対して、いずれの方向に向けられても良い。しかしながら典型的には、結晶は、第１の導電体からの電場に対して平行または垂直のいずれかに方向付けされる。結晶棒の長さは、典型的には５ｍｍから２０ｍｍの間である。用いられる材料は、例えばＫＤ＊Ｐ（ＤＫＤＰ、リン酸二重水素化カリウム）であっても良い。結晶棒を出るとき、そして電場が印加される場合、出射光は円偏光が楕円偏光に変えられるように遅延されている。最後の直線偏光フィルタは、典型的には結晶棒に誘導される光学軸に対して４５度に方向付けされており、これは、楕円の主軸に対して平行または垂直であることを意味する。これにより、直線偏光フィルタを出る光の振幅は、結晶棒の位置における電場の強さと対応する。結晶棒の位置における電場の強さの値は、第１の導体の電圧に読み換えられる。直線偏光フィルタは、第１の導体がアースされるとき、光の５０パーセントの通過を許すため、すなわち結晶棒を出る光が円偏光のままでいるため、正および負の電圧が光における増加または減少のどちらかとして識別され得る。直線偏光フィルタを出る光は、第２の光学レンズによって集められ、そして第２の光学ファイバを介して、光学的電圧センサを出る光の光強度を検知する光検知部へと導かれる。光源が放出する光と光検知部が検知する光の相対的な値は、第１の導体の電圧に対応する。
【００１７】
電場の計測装置の結晶棒は、第１の導体に近接した固定位置にて位置付けられるのが望ましい。電場の計測装置は、例えば送電線とアースの間など、電場を展開する位置にて配置されるのが望ましく、そして同一の電位を展開する２つの導体の間、または金属体の内部など、第１の導体の内側に封入されないのが望ましい。高い精度のためには、結晶棒と第１の導体の間の距離は、可能な限り小さい方が良い。結晶棒と第２の導電体の間の最小距離は、結晶棒と第１の導電体の間の距離を、少なくとも１０倍超過するのが望ましく、１００倍またはそれ以上が好ましい。
【００１８】
第１の形態による更なる実施形態においては、第１の導電体は、架空線または架空線上に電気的に接続された金属体を含む。このセンサは対象の導体と同一の電位である金属板に近接させても、導体自体の上に位置させても良い。この導体は、典型的には架空線である。
【００１９】
第１の形態による更なる実施形態においては、第２の導電体は、第１の導電体に対して絶縁されている金属体を含む。第２の導体は、例えば第１の導体とは異なる電圧、周波数、または位相角を有する送電線であっても良い。
【００２０】
第１の形態による更なる実施形態においては、第２の導電体は、アースを構成する。さらには、第２の導体は一つ又はそれ以上の送電線を支持する鉄塔のようなアース基準を構成しても良いし、架空線下のアース表面を構成しても良い。
【００２１】
第１の形態による更なる実施形態においては、送電システムの第１の導電体は、０．１ｋＶから１０００ｋＶの間の、好ましくは１ｋＶから５００ｋＶの間の、より好ましくは５ｋＶから１００ｋＶの間の、最も好ましくは１０ｋＶから５０ｋＶの間の定格電圧を有する。送電システムは、少なくとも０．１ｋＶから上の送電電圧とすることを意図している。典型的な送電電圧は、交流と直流ともに１ｋＶから５００ｋＶの間に渡る。
【００２２】
第１の形態による更なる実施形態においては、結晶棒は、送電システムが定格電圧において稼働されているとき、１＊１０４Ｖ／ｍから１．２＊１０８Ｖ／ｍの間の、好ましくは１＊１０５Ｖ／ｍから１．２＊１０７Ｖ／ｍの間の有効な電場の強さにさらされる。上記の領域は、本電圧センサが精密な計測を提供可能である範囲内にある、典型的な電場の強さを規定する。
【００２３】
第１の形態による更なる実施形態においては、第１の最小距離は、０．１ｍｍから１００ｍｍの間であり、好ましくは１ｍｍから１０ｍｍの間である。電圧計測の高い精度のためには、電圧センサは、第１の導体に対してできる限り近づけて位置取ることが望ましく、ここでの電場の強さは、より距離のある位置に較べて高い。
【００２４】
第１の形態による更なる実施形態においては、第２の最小距離は、０．１ｍから１００ｍの間であり、好ましくは１ｍから１０ｍの間である。電圧センサは、電圧の計測に影響を持たせないため、第２の導体からできる限り離して位置取ることが望ましい。第２の電圧は、上記に説明したとおり、他の送電線や、アースや、アースされた物体によって構成されても良い。
【００２５】
第１の形態による更なる実施形態においては、結晶棒を通る光路は、第１の導電体における電場に対して実質的に平行に向けられ、又は代わりに、結晶棒を通る光路は、第１の導電体における電場に対して実質的に垂直に向けられる。結晶棒を実質的に電場と垂直に向き付けることにより、結晶棒が導体により近づけられても良い。しかしながら、結晶棒を実質的に電場と平行に向き付けることにより、より小さく、そしてより複雑でなくて低費用の結晶が用いられても良い。
【００２６】
第１の形態による更なる実施形態においては、円偏光フィルタは、４分の１波長板及び直線偏光板から成る。好適な実施形態において、直線偏光板及び４分の１波長板は、光の損失を最小化させるために、単一のシートから成る。代わりとして、直線偏光板及び４分の１波長板は、２つの分かれた部分を構成する。直線偏光板及び４分の１波長板は、光がまず直線偏光板に入射し、続いて４分の１波長板に入射するように方向付けされることが望ましい。
【００２７】
第１の形態による更なる実施形態においては、結晶棒が、好ましくはリン酸カリウムから成り、ポッケルス効果を示す。リン酸カリウムは、電場を印加すると高い複屈折性を示すのに好適な材料である。この性質は、ポッケルス効果の特性である。
【００２８】
第１の形態による更なる実施形態においては、電場の計測装置は更に、
ハウジングの第１の端部を封止するための第１の封止手段であって、第１の光学ファイバを受けるためのアパーチャを有する、第１の封止手段と、
ハウジングに対して第１の光学ファイバを固定するための第１の固定手段と、
第１の光学レンズに対して取り付けられていれるとともに、第１の固定手段を受けるのに適している第１の受け部と、
ハウジングに対して第２の光学ファイバを固定するための第２の固定手段と、
第２の光学レンズに対して取り付けられていれるとともに、第２の固定手段を受けるのに適している第２の受け部と、
ハウジングの第２の端部を封止するための第２の封止手段であって、第２の光学ファイバを受けるためのアパーチャを有する、第２の封止手段と、
それぞれが、ハウジングの第１および第２の端部に対して固定される第１および第２の蓋であって、それぞれ第１および第２の光学ファイバを受けるためのアパーチャを包含する第１および第２の蓋と、を含む。光学ファイバを固定するための固定手段と、固定手段を受けるため、光学レンズに取り付けられる受け部とを用いることにより、光学ファイバは、正確さの高い装置に近接しない場において光学的電圧センサを組み立てるときに、光学レンズに対して最適に位置取られ得る。これによると、光強度の損失は、ほとんど回避され得る。更に、封止手段および蓋は、ハウジングに入る湿気を妨げることで、全天候型の光学的電圧センサを成す。
【００２９】
第１の形態による更なる実施形態においては、ハウジングは、プラスチックなどの高分子材料から成る。プラスチックは、耐久性があり、そして電場に影響を及ぼさない誘電性材料を構成するので、好適である。更には、プラスチックは本質的に、結晶棒に入射する外界からの環境光を妨げるような不透明体から成っても良い。このような光は計測結果を乱し得る。
【００３０】
以上の要求および以上の目的は、下記の詳細な記述から明らかになる、他の多くの要求および目的とともに、本発明の第１の形態による、第１の導電体の、絶縁間隔によって第１の導電体から間隔を隔てられた第２の導電体に対する電圧を計測する方法によって解決される。この方法は、電場の計測装置を提供するステップを含む。電場の計測装置は、
誘電性の材料から成り、第１の開端部と、第１の開端部と対向する第２の開端部とを規定するハウジングと、
光源に接続されている第１の光学ファイバと、
第１の開端部においてハウジングに、第１の光学ファイバと光学的に連続して備え付けられている第１の光学レンズと、
第１の光学レンズと光学的に連続して、ハウジングに備え付けられる円偏光フィルタと、
円偏光フィルタと光学的に連続して、ハウジングに受けられ、ハウジング内部に封入された結晶棒であって、遅延を起こすための電気光学特性を有する材料から成る、結晶棒と、
結晶棒と光学的に連続して、ハウジングに備え付けられる直線偏光フィルタと、
第２の開端部においてハウジングに、直線偏光フィルタと光学的に連続して備え付けられる第２の光学レンズと、
第２の光学レンズと光学的に連続する第２の光学ファイバであって、光検知部に接続されている、第２の光学ファイバと、を含む。この方法は、更に以下のステップを含む。すなわち、
結晶棒と第１の導電体との間で規定される第１の最小距離が、結晶棒と第２の導電体との間で規定される第２の最小距離より少なくとも１０倍大きく、例えば１００倍、好ましくは１０００倍、より好ましくは１００００倍、最も好ましくは１０００００倍大きいように、電場の計測装置を、絶縁間隔の範囲内に第１の導電体に隣接して配置するステップと、
光源が放出する光と光検知部が検知する光の間の相対的な遅延を検知するステップと、を含む。
【００３１】
以上の要求および以上の目的は、下記の詳細な記述から明らかになる、他の多くの要求および目的とともに、本発明の第１の形態による、送電システムに包含される電場の計測装置を調整する方法によって解決される。この送電システムは、既知の電圧を有する第１の導電体と、別の既知の電圧を有する第２の導電体と、第１の導電体と第２の導電体との間の絶縁間隔と、を含む。電場の計測装置は、
誘電性の材料から成り、第１の開端部と、第１の開端部と対向する第２の開端部とを規定するハウジングと、
光源に接続されている第１の光学ファイバと、
第１の開端部においてハウジングに、第１の光学ファイバと光学的に連続して備え付けられている第１の光学レンズと、
第１の光学レンズと光学的に連続して、ハウジングに備え付けられる円偏光フィルタと、
円偏光フィルタと光学的に連続して、ハウジングに受けられ、ハウジング内部に封入された結晶棒であって、遅延を起こすための電気光学特性を有する材料から成る、結晶棒と、
結晶棒と光学的に連続して、ハウジングに備え付けられる直線偏光フィルタと、
第２の開端部においてハウジングに、直線偏光フィルタと光学的に連続して備え付けられる第２の光学レンズと、
第２の光学レンズと光学的に連続する第２の光学ファイバであって、光検知部に接続されている、第２の光学ファイバと、を含む。電場の計測装置は、絶縁間隔の範囲内に第１の導電体に隣接して配置され、結晶棒と第１の導電体との間で第１の最小距離を規定し、結晶棒と第２の導電体との間で第２の最小距離を規定し、第２の最小距離は、第１の最小距離より少なくとも１０倍大きく、例えば１００倍、好ましくは１０００倍、より好ましくは１００００倍、最も好ましくは１０００００倍大きい。この方法が含むステップには、
光源が放出する光と光検知部が検知する光の間の相対的な遅延を検知するステップと、
相対的な遅延と、既知の電圧とに基づいて、調整定数を計算するステップと、
が存する。
【００３２】
上記から、第２および第３の形態による方法は、第１の形態によるシステムとともに組み合わされ用いられても良いことが明らかである。
【００３３】
好ましい実施形態において、絶縁間隔は、Ｎ２又はＳＦ６、好ましくは大気気体によって満たされた空間などの気体で絶縁された空間を構成する。典型的には、第１の導電体が架空線を構成し、絶縁間隔は結果、大気気体を構成する。これにより、電場の計測装置は、絶縁間隔の電気的絶縁性を落とすことなく、第１の導電体に隣接して配置され得る。他のガス状素材が絶縁間隔に用いられても良く、例えばＮ２又はＳＦ６の絶縁気体が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】電場の計測装置の動作原理を示す図である。
【図２】送電線に対する電圧センサの可能な位置を示す図である。
【図３】送電線と電圧センサのホルダを示す図である。
【図４】高電圧の鉄塔と電圧センサを示す図である。
【図５】他の形態のホルダと絶縁体を示す図である。
【図６】他の形態の電圧センサを示す図である。
【図７】第１の概念実証の実験結果を示す図である。
【図８】第２の概念実証の実験結果を示す図である。
【図９】第３（実線）および第４（破線）の概念実証の実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１Ａは、本発明に係る電圧センサ１０を構成する電場の計測装置の第１の実施形態の断面図である。電圧センサ１０の主原理は、ポッケルスの科学技術である。電圧センサ１０は、そもそも印加される電場に比例した遅延を伴う位相リターダである。電圧センサ１０の動作原理は以下のとおりである。光源１２、例えばレーザやＬＥＤによって生成される光は、第１の光学ファイバ１４を通ってセンサのハウジング１６へ導かれる。センサのハウジング１６は、第１の光学ファイバ１４がハウジング１６の一端から入り、第２の光学ファイバ１８がハウジング１６の反対端から出るプラスチックの容器を備える。第２の光学ファイバ１８は光検知器２０に接続されており、光検知器２０は例えば、光ダイオードを含む。双方の光学ファイバ１４、１８は、ハウジング１６の中心を通して光をコリメートする、それぞれのレンズ２２、２４へ連結される。ハウジング１６において、入射光は第１のレンズ２２によって、電圧センサ１０の内部の構成要素を通過するように焦点を合わされる。その光路は、Ｚ軸に沿うとして規定される。センサの全ての光学部品は、光路に対し垂直に（すなわち、ＸＹ平面内に）配置される。ハウジング１６の内部は、円偏光板２６を構成するシートと、電気光学結晶２８と、直線偏光板３０と、の３つの部分を含む。円偏光板２６は、直線偏光板と４分の１波長板と、の順に組成される。光は全ての部品を通って進む、すなわち全ての部品は光学的に連続して配置される。円偏光板２６は、シートから切断されるとともに、光が第１の直線偏光板に入射してから４分の１波長板へ入射するようにセンサの中に配置されねばならない。円偏光板２６は、入射光を円偏光にする。円偏光板２６を通った後、光は電気光学結晶２８を通過する。電気光学結晶２８は例えばＫＤ＊Ｐ（ＤＫＤＰ、リン酸二重水素化カリウム）から成り、その光学軸は、電場によって誘導されるが、ＸＹ平面内で配置される。電場の影響下にあるとき、電気光学結晶２８は、入射する円偏光の光の偏光を、楕円偏光の光にする変化を起こす。最後に、光は、電気光学結晶２８の誘導された光学軸に対して角度４５度に方向付けされた、直線偏光のフィルタ３０を通過する。直線偏光のフィルタ３０は、多め又は少なめの光に通過を許すが、これは入射光の偏光の楕円率に依存しており、その楕円率そのものは、電気光学結晶２８に印加される電場の強さに依存する。
【００３６】
図１Ｂは、図１Ａの電圧センサ１０の円偏光板２６の直線偏光板を通った後の光の偏光率を表すグラフを示す。光源からの偏光されていない光は、電圧センサ１０の円偏光板２６の直線偏光板に入射するが、直線偏光板はその光をｘ軸に対して角度４５度である直線偏光にする。
【００３７】
図１Ｃは、図１Ａの電圧センサ１０の円偏光板２６の４分の１波長板を通った後の光の偏光率を表すグラフを示す。４分の１波長板は、光の電場のｘ軸に沿った成分と、光の電場のｙ軸に沿った成分と、の間に９０度の位相差を導入し、それによって光を円偏光にする。
【００３８】
図１Ｄは、電気光学結晶２８を通った後の光の偏光率を表すグラフを、二つそれぞれ示しており、それらの電気光学結晶２８は、電場が電気光学結晶２８に印加されるときに誘導される光学軸がｘｙ平面内となるよう、切削されてある。円偏光の光が結晶２８に入射し、電場が結晶２８上に印加されると、光の電場の、誘導される光学軸に対して平行な成分と垂直な成分の間の位相差は、印加される電場の方向によって、図１Ｄに示すようにわずかに増加するか、図１Ｅに示すようにわずかに減少する。従って、入射光の円偏光は、実線で示す円から、破線で示す楕円に歪められるが、印加された場の方向によって、その楕円は光学軸に対して４５度か−４５度のどちらかに方向付けされることとなる。印加される電場が高いほど、より大きい楕円率が生じる。
【００３９】
円偏光板２６に対する結晶の軸方向の回転は、結果として生じる光の偏光が円であり、軸対称であるため、重要ではない。事実上、円偏光板は９０度位相差板である。電気光学結晶は、好ましくはＫＤ＊Ｐ結晶であるが、光路に対して平行に印加された電場が光路に対して垂直な光学軸を誘導するように、方向付けされる。この現象はポッケルス効果と呼ばれる。この効果は、この軸に対して垂直および平行な直線偏光の間に、位相遅延を誘導する。
【００４０】
【数２】
2014504726.tif 000003
Δφは光学軸に対する垂直および平行な直線偏光の間の位相の差であり、ｒは一次の電気光学係数であり、λは光の真空中の波長であり、そしてＶは結晶に渡る電位である。既に円偏光である光は、これにより、電場の強さと方向に依存した更なる位相遅延を獲得する。この現象は、光の偏光状態を、長軸が図１Ｄと図１Ｅに示すように結晶の光学軸に対して４５度か−４５度のどちらかとなった楕円的にする（誘導される光学軸はｙ軸に沿って方向付けされる）。
【００４１】
図示された点線は、センサを出射するときの光の状態であり、直線偏光のフィルタ３０を通った後である。図１Ｄにあるような、より長い点線は、光波のより高い振幅を意味し、同時により高い光強度を意味する。図１Ｅにあるような、より短い点線は、光波のより低い振幅を意味し、同時により低い光強度を意味する。そこから、印加される電場の強さ及び方向と、結果としての光の強度との間にも相関がある。この変化は、例えば感光性のダイオード等の光検知器によって計測され得、そして計測対象の導体の電圧に読み換えられ得る。
【００４２】
最後の直線偏光のフィルタ３０は、結晶２８に続いて光が入射するが、誘導される光学軸に対して４５度に方向付けされた偏向板である。最後の偏向板３０も、シートから切断され、そして結晶２８において誘導される光学軸に対し、４５度に方向付けされなければならない。この場合、フィルタは反時計回りに４５度回転される。その曲線は、この最後の偏向板を通った後の、光の偏光状態を示す。結晶２８に場が印加されていない場合、（偏光効果以外に光の損失が無い理想的な環境下では）入射光の半分が最後のフィルタを通ることが許される。その楕円が、図１Ｄのように、偏光板に沿って「伸張」されていれば、点線に表されるように半分以上の光が通過を許される。一方、それが「圧縮」されたものであれば、半分以下の光が通過を許される。従って、より高い電場は、楕円のより大きな伸張／圧縮をもたらし、それは半分の強度からのより高い光の変化結果を与える。これが、センサの主たる原理である。
【００４３】
上記の記述において、入射光の半分の強度は、ＤＣ光に指定され得る。偏光効果から上乗せされる光の変化は、電位が計測される対象の導体に印加される交流電圧の帰結であることから、ＡＣ光に指定され得る。ＡＣ光の信号は、上記の記述において、ＤＣ光に比較すると非常に小さい。そこで、ＤＣ光は電子回路の信号の合計から取り除かれ、ＡＣ光の信号のみ残され得る。すると、ＡＣ光の振幅は、センサが取り付けられる導体の電圧の振幅に読み換えるように調整されることができる。
【００４４】
図１Ｆは、図１Ａの電圧センサ１０の最後の直線偏光のフィルタ３０を通った後の光の遅延（Ｉ＝Ｉ０ｓｉｎ２（φ））の関数として、光の強度を示している。単なる直線偏光の代わりに円偏光を用いる理由は、図１Ｆを見ると理解できる。結晶２８より前に遅延が無いとすると、強度の変化は、結晶２８に渡る交流場によってはゼロ近辺となり得てしまう。これは強度関数の微分が最小値だということである。これはまた正の場と負の場との間の光の強度に差が無いこととなり得、そして位相の決定を困難にする。「ゼロ電圧」の点を９０度遅延のバイアスに対応して動かすことにより、利点が２つ現れる。第一には、正と負に印加される場の間に明らかな差がある点である。そして第二には、「ゼロ電圧」近辺、すなわち入射光の半分の強度における関数が、近似的に線形であり、「ゼロ電圧」近辺の遅延変化の最大感度をもたらす点である。図中において、この領域が円で囲まれている。
【００４５】
図２Ａは、電圧センサ１０の可能な配置を記載する第１の実施形態を示している。電圧センサ１０は、例えば高電圧線などの、電気的な送電線３２を構成する架空線に、隣接して位置づけられる。アースは参照符号３４で指定される。電気力線は、送電線３２とアース３４との間に図示される。電場は結晶２８を通して光路と平行に印加されなければならない。電圧センサ１０は、電圧センサ１０の電気光学結晶２８が可能な限り送電線に近く位置するように、配置される。電気光学結晶２８と送電線３２との間の距離はＡで図示され、電気光学結晶２８とアース３４との間の距離はＢで図示される。距離Ｂは、少なくとも距離Ａの１０倍長い。送電線３２に隣接する結晶２８における電場の強さは、近似的に線形であり、送電線３２からの距離に対し２次的に減少する。
【００４６】
図２Ｂは、電圧センサ１０の可能な配置を記載する第２の実施形態を示している。電流の経路と場の双方が、結晶２８を通る光の方向に対して角度９０度にあるように、結晶２８を切削してもよい。この形態には、レンズとファイバが邪魔することなく送電線に近接して配置することが、より容易であるということに利点がある。
【００４７】
図２Ｃは、電圧センサ１０の可能な配置を記載する第３の実施形態を示している。場が、結晶２８を通る光の方向に対して角度９０度にある一方、電流の経路は結晶２８を通る光の方向に平行であるように、結晶２８を切削しても良い。この実施形態には、レンズとファイバが邪魔することなく送電線に近接して配置することが、より容易であるということに利点がある。また、結晶２８の長さを増やすことにより、感度を引き上げることもより容易である。
【００４８】
図２Ｄは、電圧センサ１０の可能な配置を記載する第４の実施形態を示している。これは図２Ｃと似通っているが、更に、電圧センサ１０を保持するためのプレート３６を含んでいる。プレート３６は、導電性の材料、すなわち金属で構成されても良いし、プラスチックなどの誘電性材料で構成されても良い。プレートに金属を用いることで、プレート３６が送電線３２と同じ電位と想定されることになる。電圧センサ１０は、ファイバ１４と（ここには図示していない）レンズとが、導体と同じ電位を有する金属プレート３６中の穴を通過するように構成されても良い。そしてプレート３６は、結晶２８が可能な限り導体に近づいた位置にするのを許容するために用いられても良く、これによって距離Ａを最小化する。
【００４９】
図２Ｅは、電圧センサ１０の可能な配置を記載する第５の実施形態を示している。これは図２Ｂに似通っているが、更に、電圧センサ１０を保持するためのプレート３６’を含んでいる。プレート３６’の上側部分は、一時的若しくは恒常的の、送電線３２を把持するのに用いられるフック状の部材を構成する。
【００５０】
図２Ｆは、電圧センサ１０の可能な配置を記載する第６の実施形態を示している。これは図２Ａに似通っているが、更に電圧センサ１０を保持するためのプレート３６’’を含んでいる。
【００５１】
図２Ｇは、電圧センサ３６の別途の位置で送電線３２上方となるものを記載する第７の実施形態を示している。本実施形態は、図２Ｃに似通っているが、そのような変更は上述の他の実施形態とも両立可能である。外側に向けて放出される電気力線は、導体に隣接して、導体３２のまわりで線形の場を形成するはずであるため、電圧センサ１０を送電線３２の直ぐ下方に配置することが要請されはしない。導体３２まわりで隣接した、いかなる配置も可能である。電気力線は、最終的にアースのほうへ向かって行く前に、まずは外側に放出され、導体まわりに分布する。そのため、本実施形態において、電気力線は、アースの方へ曲がり行く前に、上方へ電圧センサ１０の結晶２８を通って行く。
【００５２】
図３Ａは、送電線３２に取り付けられる電圧センサのホルダ３８の斜視図である。送電線のホルダ３８は、金属から成り、スナップホルダ４０とスクリュホルダ４２とを含む。スナップホルダ４０は、ヒンジ４５によって保持され、（図示していない）ばねによって装填される。スクリュホルダ４２は、ねじ棒４４を備える。ねじ棒４４は、ねじレセプタクル４６の中に位置する。ハンドル４８は、ねじ棒４４を調整し、それによってスクリュホルダ４２を固めたり緩めたりするためにあるが、送電線３２から反対に向く、ねじ棒４４の一端へ取り付けられる。固定スペーサ５０は、送電線３２の方向へ向く、ねじ棒４４の一端へ取り付けられる。固定プレート３６は、安全な位置にて送電線３２を固定するように、より大きな固定領域を提供する。固定スペーサ５０は、好ましくは、送電線３２の外側表面に対応させて、わずかにうねりをもたせる。ハンドル４８を時計回りに回すことにより、送電線１８はきつく送電線のホルダに固定されても良い。結果として、ハンドル４８を反時計回りに回すことにより、送電線１８は緩められても良い。
【００５３】
電圧センサのホルダ３８は、更に、延長部５２と、延長部に取り付けられ、電圧センサのホルダ３２の残りの部分と対向する伸張棒５４と、を備える。電圧センサ１０は、伸張棒５４に取り付けられる。電圧センサのホルダ３８は金属製であるため、伸張棒は送電線３２と同じ電位を有することになる。
【００５４】
図３Ｂは、送電線３２に取り付けられる電圧センサのホルダ３８の側面図であり、図３Ａに既に示したホルダと同様のものである。
【００５５】
図４は、多重の送電線３２、３２’を含む高電圧の鉄塔５６であって、少なくともその送電線の幾つかが、互いに異なる電圧、周波数、及び／又は位相角で稼働する鉄塔を示している。図４において示される鉄塔の外観は、単に例示として示しており、国や地域の環境に依存して変化して良い。送電線３２は、絶縁体５８によってアースである鉄塔５６から隔離される。電圧センサ１０の（図示していない）電気光学結晶は、送電線３２との最小距離Ａを規定する。電場は、送電線３２から、アースの鉄塔５６と、別の電圧、周波数、及び／又は位相角で稼働する別の送電線３２’と、アース３４と、へ構築される。電圧センサ１０の（図示していない）電気光学結晶は、アース基準である高電圧の鉄塔５６への最小距離Ｂ１と、別の電圧、周波数、及び／又は位相角で稼働する別の送電線３２’への最小距離Ｂ２と、高電圧鉄塔５６の位置する表面のアース３４への距離Ｂ３と、を定める。電圧センサ１０の状況と位置に応じて、Ｂ１、Ｂ２又はＢ３のいずれが最小の距離であっても良い。典型的には、図示するように、電圧センサ１０は鉄塔に近接し、好ましくは絶縁体５８付近に位置取られ、そして距離Ｂ１が最小距離となる。しかしながら、電圧センサ１０が２つの鉄塔の間に位置取る場合、別の送電線３２’又はアースとの最小距離Ｂ２又はＢ３が、鉄塔５６との最小距離Ｂ１より小さくなり得る。
【００５６】
図５Ａは、絶縁体と電圧計測システムとの組み合わせを示している。特別な実施形態においては、中空の絶縁体５８’が、誘電性材料から成る電圧センサのホルダ３８’へ結合される。電圧センサのホルダは図３Ａのホルダ３８と原理的には同様であるが、加えて中空のループ６０と、中空のループ６０に取り付けられる中空の円筒状台６２と、を備える。中空の円筒状台６２は、中空の円筒状台６２と中空のループ６０によって定まる内側の空間領域に入るための円状の開口部６４を有する。中空のループ６０は、円状の開口部６４とは反対の、閉じられた側の中空の円筒状台６２へ取り付けられる。送電線のホルダ３８は、送電線３２に電流計測システムを固定するのに、自在に用いられても良い。送電線３２は、伸張されたワイヤまたはワイヤのセットであって、直径約１０ｍｍを有するワイヤで構成する。通常の外気絶縁による架空の利用例においては、送電線３２は何も絶縁被覆を有していない。送電線３２はまた、共に束ねられた細いワイヤのセットで構成されても良い。送電線３２は、高い導電性容量を有する金属から成り、典型的にはアルミニウム製であるが、銅製であっても良い。スペーサ５０は、例えばプラスチックやゴムなどの柔軟な材料から成り、ホルダ３８’と送電線３２間の直接の接触を回避するために用いられても良い。中空のループ６０、中空の円筒状台６２及び送電線のホルダ３８’は、誘電性の材料から成り、長年の屋外使用に耐える十分な頑丈さを備える。そのような材料は、例えば複合高分子材料でも良い。
【００５７】
電圧センサ１０は、中空のループ６０の内側において（破線の）特定の計測位置１０’に位置取られる。電圧センサは、プラスチック材料から成る小型で伸張した円筒によって構成され、中空のループ６０の内側に適合した大きさを有する。特定の計測位置は、電圧センサ１０を通る光ビームの方向における電気力線が最大化されるよう、送電線３２に対し、隣り合って垂直である位置に定められる。電圧センサ１０は、固定部６６によって、特定の計測位置に固定される。固定部６６は、可塑性棒６８と保持部７０とを含む。保持部７０は可塑性棒６８に取り付けられ、また保持部７０は、電圧センサ１０を締め付けて安全な位置に把持する２つの爪を含む。可塑性棒６８は、その緩和された状態において、大体直線状である。中空のループ６０内側において可塑性棒６８を位置取ることにより、可塑性棒６８は、大体曲がった状態となり、それによって中空のループ６０の内壁に摩擦力を与える。棒６８の距離は、計測位置において電圧センサ３８を位置づける。ファイバ１４、１８は、中空のループ６０の内側に収容される。光学ファイバは可塑性に限界があり、そして高い屈曲力や屈曲にさらされると破損または損傷し得る。中空のループ６０の屈曲は、光学ファイバ１４、１８に許される最大の屈曲を越えるべきでない。ファイバ１４、１８は、ゴムやプラスチックなどに封入されることが好ましい。中空のループ６０は、センサ１０を電場から遮断することを阻止するために非導体材料から成るものでなければならない。
【００５８】
図５Ｂは、上述のとおりの、ホルダ３８’と中空の絶縁体５８’とを含む高電圧鉄塔５６を示している。ホルダ３８’は、光学ファイバ１４、１８が絶縁体５８’を介して導かれるように、中空の絶縁体５８’上に備え付けられる。このようにすると、電圧センサ１０と光学ファイバ１４、１８は、風や天候から良く保護される。光学ファイバ１４、１８は、鉄塔５６を経て鉄塔５６の土台へと導かれる。
【００５９】
図６Ａは、特に屋外での使用に適応する電圧センサ１０’’にかかる第２の実施形態の断面図である。電圧センサ１０’’は、それぞれ符号１６’’と１６’’’で指定される第１及び対向する第２の端を規定する矩形のハウジング１６’を含む。ハウジング１６’の第１の端１６’’において、第１の封止部７２が備え付けられ、第１の封止部７２は第１の光学ファイバ１４’を受けるアパーチャを有する。第１のファイバ固定具７４は、ハウジング１６’内に備え付けられる。第１のファイバ固定具７４は、光学ファイバ１４’を受けるアパーチャを有する。第１の光学レンズ２２は、光学ファイバ１４’と第１のファイバ固定具７４とを受ける第１の受け部７６を有する。円偏光フィルタ２６’は、第１の光学レンズ２２’と光学的に連続して備え付けられる。電気光学材料の結晶棒２８’は、円偏光フィルタ２６’と光学的に連続して配置される。結晶棒２８’の対向する端において、直線偏光フィルタ３０は、これと光学的に連続して備え付けられる。第２の光学レンズ２４’は、第２の偏光フィルタ３０’と光学的に連続して備え付けられる。第２の光学レンズ２４’は、第２のファイバ固定具８０を受ける第２の受け部７８を含む。第２の封止部８２は、第２の光学ファイバ１８’を受けるアパーチャを有し、第２のファイバ固定具８０と光学的に連続して位置取られる。
【００６０】
２つの光学ファイバ１４’、１８’は、第１及び第２の封止部７２、８２を通して、第１及び第２のファイバ固定具７４、８０にそれぞれ挿入される。光学ファイバ１４’、１８’は、２つのセンサ蓋８４、８６を用いて、それぞれハウジング１６’へ機械的に固定される。センサ蓋８４、８６は、ファイバ１４’、１８’を固定し、電圧センサ１０’’を封止する。
【００６１】
図６Ｂは、電圧センサ１０’の概略斜視図であり、ハウジング１６’において結晶棒２８’に平行に広がる溝９０を図示している。溝９０は、電圧センサ１０’の導電体への固定を向上するため、平坦な底部壁、または代わりに丸まった底部壁を有しても良い。溝９０は、結晶棒２８’を可能な限り送電線に近づけるために、ハウジングに組み込まれるが、すると電圧センサ１０’を送電線に対して角度９０度に固定するという、更なる利点を有する。溝９０は、任意の長さで良いが、結晶棒２８’と同じ又は短い長さが好ましい。
【００６２】
図６Ｃは、ハウジング１６’を図示する電圧センサ１０’の概略斜視図である。ハウジング１６’は更に、プラスチック帯又は他の締め付け手段によって、送電線へ電圧センサ１０’を設置するための１対の羽根８８を含んでも良い。ハウジング１６’と蓋８４、８６に用いられる材料は、好ましくはプラスチック材料であって、−４０℃から１５０℃の範囲の温度に耐久可能であり、電気的絶縁特性を有し得る材料である。この材料は、４００から１０００ｎｍの範囲の光について非透過性であることが好ましい。上述の特性を有する材料は、例えばウルテムやピークなどのプラスチック材料でも良い。固定羽根８８は、（図示していない）溝９０の幾何学的広がりに組み込まれても良い。
【００６３】
本発明に係る光学的電圧センサは、非常にコンパクトであり、例えば既存のＬＶ又はＭＶモジュールにおけるＣＡＮバスに渡ってアナログ電圧を生成する光学的電圧モジュール（図示していない）に統合されるのに好適である。故に、既存のモジュール及び計測の構成に特定の変更をする必要はない。
【００６４】
［概念実証］
図７は、第１の概念実証の実験結果を示している。ｘ軸は（ボルト単位の）印加される電圧であり、ｙ軸は計測結果を表す任意の値である。第１の実験において、センサはＤＩＳＣＯＳ（登録商標）光学モジュールと互換可能であるように構築されたが、これは本出願人の企業によって製造される、商業的に入手可能な電流計測モジュールである。そのため、電子計測ハードウェアは、ファイバ及びレンズと同じく、全て商業的に入手可能なものである。通常のＤＩＳＣＯＳ（登録商標）電流センサにおけるセンサの容器、電気光学ガラス棒、および偏光フィルタは、別の注文設計された電圧センサによって置き換えられた。
【００６５】
概念実証の第１段階に、本システム及び方法の実現可能性を確認する理論的な計算を行った。ジョーンズ代数に基づいてコンピュータプログラムを作成したが、このプログラムは異なる媒質を通過する光の偏光状態をシミュレートすることができる。商業的に入手可能な光学電流センサモジュールにおいて検知可能な最小の電流は、略１Ａである。シミュレータが、商業的に入手可能な電流センサモジュールを用いて、交流１Ａから生じる光の強度における変化を計算するために用いられた。続いて、同じ光の強度の変化を得るために、どれだけの電圧が電圧センサに印加される必要があったか、が測定された。シミュレーションの結果は、電圧センサからの１Ｖの信号は、電流の信号５０Ａに対応したというものだった。これは最小電圧２０ｍＶが検出可能であることを意味するが、これは、配電の技術分野における典型的な電圧が数ｋＶであることを考慮すると、極めて感度が高いものである。
【００６６】
一般的な設定に、発光ダイオードからの入射光をセンサの一端に入射させるレンズを用意した。それで、この光は、ファイバの中へ光を集め、光ダイオードへ戻るように導く他のレンズ内へ出射する前に、（フィルタや結晶などの）幾つかの構成要素を通過した。第１のフィルタは直線偏光板であり、その次は４分の１波長板であって、そしてこの光はＫＤ＊Ｐ結晶に入射し、最後に第２の偏光板（検光子ともいう）に入射した。電極も、結晶の両側上に挿入され、電場を結晶に渡って、光路に対して平行に生成した。これは、縦型センサ又は縦型設定と呼ばれる。なぜなら、電場が光路と平行だからである。
【００６７】
第１のセンサは、電流センサにて用いられるシートと類似したシートから切断されるポラロイド（登録商標）フィルタを用いた。使用された半波長板は、極めて高い正確性であり、ＢＢＴ社から入手された。電気光学結晶は、ＥＫＭＳＡ社から入手された。そのような結晶は、仕様によって特別に成長させられ、切削されても良い。使用された結晶の大きさは、ｚ軸を光路に平行として、（ｘ，ｙ，ｚ）＝（１，２，３）ｃｍであった。結晶は、ｚ軸に沿って印加された電場がｘ軸に沿って自然な軸を誘導するように（ゆえに縦型センサを成すように）、切削された。電極は、薄い銅板であって、それぞれにおいて中央の穴はセンサと光を通過させるものである。。
【００６８】
ファイバは、上述のＤＩＳＣＯＳ（登録商標）光学モジュールに接続されたが、これは電流センサである。計測は、Ｄｉｓｃｍａｎ（登録商標）として知られるグラフィカルＰＣツールによって行われた。第１の実験の結果は、図７におけるグラフに示される。
【００６９】
図７から見られるように、印加されたボルト一単位に対し、電流センサからの信号であるアンペアほぼ一単位が読み取られる。この結果は、使用した設備の感度の範囲内で良好であるが、上述のソフトウェアを用いるとき理論的に予想されるほどまでには良好でない。理論的に予想される結果に関する相違は、フィルタにて相当多量の光が損失したことによって説明され得る。
【００７０】
光路に沿った結晶の長さは、長さによる遅延の増加が、結晶の両側上の電極間で増加する距離に起因する電場の減少によって相殺されるため、重要でないということが見出された。しかしながら、より短い結晶は、光の損失低減や費用の低減などの他に利点を有する。そこで、次のセンサは５ｍｍ長の結晶を用いて作成された。更には、近年の３Ｄ眼鏡、例えば著名な映画アバターのような３Ｄ映画を観るのにシネマで用いられる３Ｄ眼鏡などは、実際には円偏光板であることが見出された。そのため、第１の偏光フィルタと高価な４分の１波長板とを、そのような３Ｄ眼鏡から切り取った単一のフィルムによって置き換えることが可能であった。３Ｄ眼鏡に用いられる偏光フィルムも、シートの形で商業的に入手可能である。
【００７１】
図８は、第２の概念実証の実験結果を示している。ｘ軸は印加された電圧であり、ｙ軸は計測値である。第２の実験においては、第１の偏光フィルタと４分の１波長板とが組み合わされた物が用いられた。これは、偏光フィルタと４分の１波長板とが別個の物を用いる場合と比べて、光の損失がより少ない結果となった。
【００７２】
電気光学結晶に渡って最大化された電場を得るためには、結晶の両側上に位置し、アース及び線間電圧の構成する対向電極のそれぞれに電圧が印加されるべきである。しかしながら、如何なる導体であっても電場を放射し、そして導体に近接すると電場の強さは相当強くなり得る。単なるボルトの対である、結晶に渡った電圧降下を計測できるので、アース直近まで数メートルあったとしても、ワイヤの１０ｋＶでも計測され得る。
【００７３】
図９は、導体に非常に近接して行われた２つの計測結果を示している。ｘ軸は、（ｋＶ単位の）印加された電圧であり、ｙ軸は計測を表す任意の値である。図９における実線は、導線からの距離略２ｃｍ離れてセンサが位置する電圧計測の結果を示している。この結果は、アースが離れた距離に位置しても、確かに電圧が計測可能であることを示している。しかしながら、このアプローチは三相システムにおける隣接する位相からの電場に対してより敏感になってしまうが、その隣接する位相は勿論、計測に影響してはならない。しかしながら、この場の強さは、距離の二乗の逆数に比例して降下する。そこで、隣接する導体を、センサから計測対象の導体より少なくとも略１００倍離し、隣接する位相の場のベクトルは通常、結晶に対して一定の角度にあることで、隣接する位相の効果を無視し得る。
【００７４】
次の段階は、全て光学的に組み合わされたセンサの構築であった。この試みにおいて、空中に架け渡す標準的なＤＩＳＣＯＳ（登録商標）屋外組み立てセンサが用いられた。二つのファイバが、センサの上部を通して引き出され、その一方はこれもまた上部にある電流センサに渡った。他方のファイバは、上部を通し、上部の真下に位置した電圧センサにまで渡った。電圧センサは、光が導体から外を向くように設置され、この光は導体が放射する電場に対して平行であった。中空の絶縁チューブは、センサの底部に取り付けられ、この底部はアース電位に接続した金属板であった。これは、（センサが設置された）チューブの内側に、より強力で均質な場を生じさせた。この結果が、図９における破線で示されている。
【００７５】
空中に架け渡すセンサによる計測は、底部の板をアースさせずに行われた。しかしながら、この板への接続は、信号に少しの変化しかもたらさず、この変化は比較的大きなチューブの長さ（２８ｃｍ）と、これによるアースされた底部までの距離に起因し得る。これは、近接した場は遠く離れた配位と不干渉であるというアイデアに幾らかの支持を与えており、よって、近隣に他の位相が存する場合であっても、センサのアース接続の必要性を排除している。最近の計算が、傍に近接した場が実際、異なる電位の近接したワイヤと、殆ど独立であることを裏付けている。
【００７６】
提案した、全て光学的に組み合わされたセンサの仕様は、これとＤＩＳＣＯＳ（登録商標）屋外組み立てセンサとを比較することによって、最も簡単に記載できる。前者の仕様は後者と非常に類似しているが、幾つか本質的な差を備えている。
【００７７】
［試作品の仕様］
電圧領域：１００Ｖ〜５０００００Ｖ。低い側の電圧は略１Ｖ程度に低くし得るが、これはセンサのどちらかの側面上に取り付けられる電極を要し、最大電圧を下げることとなる。
見積もりの精度：２％。光の強度の変化は、電流センサによって引き起こされるものと非常に類似している。その電子回路も非常に（又は殆ど厳密に）相似であり、このため、その精度は略同等であり得る。
導体の材料：好ましくはアルミニウム、銅、またはその他のいかなる導体材料。
動作温度：摂氏−４０度から７５度。
重量：〜５００ｇ。
期待させる耐久年数：５０年。
【符号の説明】
【００７８】
１０    電圧センサ／電場センサ
１２    光源
１４    第１の光学ファイバ
１６    ハウジング
１８    第２の光学ファイバ
２０    光検知器
２２    第１のコリメータレンズ
２４    第２のコリメータレンズ
２６    円偏光板
２８    電気光学結晶
３０    直線偏光板
３２    送電線
３４    アース
３６    プレート
３８    ホルダ
４０    スナップホルダ
４２    スクリュホルダ
４４    ねじ棒
４５    ヒンジ
４６    レセプタクル
４８    ハンドル
５０    スペーサ
５２    延長部
５４    伸張棒
５６    高電圧鉄塔
５８    絶縁体
６０    ループ
６２    台
６４    開口部
６６    固定部
６８    棒
７０    保持部
７２    封止部
７４    第１の固定具
７６    第１の受け部
７８    第２の受け部
８０    第２の固定具
８２    第２の封止部
８４    第１の蓋
８６    第２の蓋
８８    羽根
９０    溝
【図１Ａ】
2014504726.tif 000004
【図１Ｂ】
2014504726.tif 000005
【図１Ｃ】
2014504726.tif 000006
【図１Ｄ】
2014504726.tif 000007
【図１Ｅ】
2014504726.tif 000008
【図１Ｆ】
2014504726.tif 000009
【図２Ａ】
2014504726.tif 000010
【図２Ｂ】
2014504726.tif 000011
【図２Ｃ】
2014504726.tif 000012
【図２Ｄ】
2014504726.tif 000013
【図２Ｅ】
2014504726.tif 000014
【図２Ｆ】
2014504726.tif 000015
【図２Ｇ】
2014504726.tif 000016
【図３Ａ】
2014504726.tif 000017
【図３Ｂ】
2014504726.tif 000018
【図４】
2014504726.tif 000019
【図５Ａ】
2014504726.tif 000020
【図５Ｂ】
2014504726.tif 000021
【図６Ａ】
2014504726.tif 000022
【図６Ｂ】
2014504726.tif 000023
【図６Ｃ】
2014504726.tif 000024
【図７】
2014504726.tif 000025
【図８】
2014504726.tif 000026
【図９】
2014504726.tif 000027
【国際調査報告】
2014504726.tif 000028
2014504726.tif 000029