(57)【要約】【課題】特性の揃った計測装置を実現し、感度の高い保護制御を実現することにある。【解決手段】複数個の光電流計測装置センサー部２３，２４により測定された測定信号の差信号に基いて保護又は制御動作を行う保護制御装置において、この複数個の電流計測装置センサー部２３，２４の光源として、１つのレーザダイオード２１からの光を分岐して用いる。【選択図】      図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の光応用測定装置により測定された測定信号の差信号に基いて保護又は制御動作を行う保護制御装置において、この複数個の光応用測定装置の光源として、１つの光源からの光を分岐して用いることを特徴とする保護制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の保護制御装置において、前記光応用測定装置は多相交流を測定する電流又は電圧の計測装置であって、各相電圧又は電流を測定する光応用測定装置に同一の光源を用いたことを特徴とする保護制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の保護制御装置において、前記光応用測定装置を電流計測装置として用いて保護区間を出入りする電流の総和を求め、この電流の総和の値により保護動作を行うことを特徴とする保護制御装置。
【請求項４】
複数個の光応用測定装置により測定された測定信号の比に基いて保護又は制御動作を行う保護制御装置において、これら各光応用測定装置の光源として、１つの光源からの光を分岐して用いることを特徴とする保護制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子の偏光特性の変化を利用して電流又は電圧を測定する光応用計測装置を用いた電力設備の保護制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、変電所や送電線などの電力設備に用いられる保護装置として、例えば図１４に示すように保護を行いたい区間の母線又は送電線５４の両端に鉄心型の変流器５５、５６をそれぞれ設け、これら各変流器５５、５６により測定された電流信号Ｉ１，Ｉ２を差動継電器５３に入力し、母線又は送電線５４の両端に流れる電流のベクトル差に応動して区間の保護を行っている。
【０００３】
このような保護装置において、保護区間に事故がなければ差動継電器５３に入力される電流値は同一で、その電流ベクトル差が零なので差動継電器５３は動作しないが、保護区間内に地絡事故が発生すると、両端に流れる電流値に差が生じるため、差動継電器５３はその電流ベクトル差を検出して保護動作を行う。
【０００４】
従って、このような電力設備の保護装置に用いられる変流器５５，５６においては、その測定電流の絶対値の大きさよりも、各変流器の特性が相対的に一致していることが必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような電力設備の保護装置には以下に述べるような問題があった。
【０００６】
即ち、鉄心型の変流器は大電流域で磁気飽和による誤差が大きいため、差動継電器が誤動作する要因になり、これを避けるためには差動継電器の検出感度を下げれば良いが、これでは高感度の保護装置を実現することができない。
【０００７】
そこで、このような変流器の磁気飽和の影響を避ける手段として、近年では光変流器を用いた電流計測装置が注目されている。
【０００８】
図１３はかかる光変流器を用いた電流計測装置の概略構成を示すものである。
【０００９】
図１３に示すように、レーザ光源３８より出力されるＨｅ−Ｎｅレーザ光を偏光子５で直線偏光とし、対物レンズ３９を通してシングルモードファイバー４１に入射される。このシングルモードファイバー４１は母線４０の回りを周回させ、母線電流により発生する磁界により、シングルモードファイバー４１を透過する光はファラデー旋光を受ける。
【００１０】
上記シングルモードファイバー４１を出た光は、対物レンズ３９で平行光とされてウォラストンプリズム４２に入る。このウォラストンプリズム４２はファラデー旋光が０のときに入射偏光方位に対して４５°の角度を持つようにセットされ、ファイバー出射光を直交する２成分の光強度信号とする。
【００１１】
これらの光は検出器１１でそれぞれ光電変換され、電子回路１２で必要な演算を行なった後、電流値として出力される。
【００１２】
ここで、検出器１１で光電変換された信号をＩ１，Ｉ２とすると、（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）の演算を行なうことにより、入射強度に関係なく、ファラデー旋光角を求めることができる。
【００１３】
このような光ファイバーを用いた電流計測装置は、絶縁性が高く、原理的に飽和がなく、大電流域まで直線性の高い計測が可能である。しかし、光変流器はその感度が光源の波長に依存しているが、従来最も信頼性の高い光源として多用されているレーザダイオードはその製造ばらつきにより同じ型番のレーザダイオードを用いても、その発振波長、発振スペクトル形状に大きなばらつきがあるため、電子回路側でこれを補正して使用しているのが実状である。
【００１４】
また、同じ特性のレーザダイオードが得られても、その発振波長、スペクトル形状は温度依存性を持っており、レーザダイオードの温度安定化が必要不可欠であると共に、その安定性が電流計測の精度を制限していた。また、レーザダイオードにはモードホッピングといわれる発振波長が変化するときに発振出力強度が急変する現象があり、このモードホッピングによる誤差も電流計測の精度を制限する要因であった。
【００１５】
本発明は上記のような問題を解消するためになされたもので、小形にして高精度で、しかも温度変化に対しても安定に計測することができる光応用計測装置を用いた保護制御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】
【００１６】
上記の目的を達成するために、本発明は次のような手段により光応用測定装置を用いた保護制御装置を構成する。
【００１７】
請求項１に対応する発明は、複数個の光応用測定装置により測定された測定信号の差信号に基いて保護又は制御動作を行う保護制御装置において、この複数個の光応用測定装置の光源として、１つの光源からの光を分岐して用いる。
【００１８】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の保護制御装置において、前記光応用測定装置は多相交流を測定する電流又は電圧の計測装置であって、各相電圧又は電流を測定する光応用測定装置に同一の光源を用いる。
【００１９】
請求項３に対応する発明は、請求項１に対応する発明の保護制御装置において、前記光応用測定装置を電流計測装置として用いて保護区間を出入りする電流の総和を求め、この電流の総和の値により保護動作を行う。
【００２０】
請求項４に対応する発明は、複数個の光応用測定装置により測定された測定信号の比に基いて保護又は制御動作を行う保護制御装置において、これら各光応用測定装置の光源として、１つの光源からの光を分岐して用いる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、特性の揃った計測装置を実現することができ、感度の高い保護制御を実現することができる。
【００２２】
また、複数箇所の電流又は電圧を同一の光源を用いていることから、０相電圧の正確な検知を行うことができる。このことは、例えば測定対象として０相電圧又は電流が含まれていない場合においても、０相電圧又は電流は通常０となるため、光応用測定装置の誤差を検査する監視機能として用いることができる。
【００２３】
さらに、同一の電流計測器を多数配置されており、特性が完全に揃った電流計測装置を実現できることから、精度の高い保護動作を行うことができる。
【００２４】
また、光源に起因する複数個の光応用測定装置の誤差が同一方向に生じるため、信号比を正確に取出すことができ、高精度の測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００２６】
図１は本発明による光応用測定装置の第１の実施の形態として電流計測装置を示す構成図である。
【００２７】
図１において、２１はレーザダイオード、２５はレーザダイオード２１で励起され、ランダム偏光を出射するファイバーレーザである。このファイバーレーザ２５から出射された光は送信ファイバー３に導入される。この送信ファイバー３を伝搬した光は結合レンズ４ａで平行光となり、センサー近傍に設置された偏光子５へ光が導かれる。この場合、送信ファイバー３にはランダム偏光が伝播されているため、偏光子５を透過した光量は送信ファイバー３の状態に関わらず、常に一定であり、光量安定な直線偏光を偏光子５に導入することができる。
【００２８】
この偏光子５で直線偏光にされた光は無偏光ビームスプリッター６を通り、結合レンズ４ｂによってセンサーファイバー８に入射される。このセンサーファイバー８は被測定電流が流れる導体７の周りを周回させて配置され、電流による磁界によってファラデー施光を受ける。
【００２９】
一方、このセンサーファイバー８の終端部にはファイバー反射鏡９が配置され、ファイバー反射鏡９により測定光がセンサーファイバー中を往復するようにしてある。
【００３０】
このファイバー反射鏡９によりセンサーファイバーを折り返してきた光は無偏光ビームスプリッター６で分岐されてポラライジングビームスプリッター（以下ＰＢＳと略称する）１０に入射する。このＰＢＳ１０はファラデー施光角が０の時に入射偏光方位が４５°となるように配置され、センサーファイバーを出射した光から直交する２軸の強度光信号を得る。
【００３１】
この光信号はそれぞれの軸の検出器１１ａ，１１ｂで光電変換され、電子回路１２によって電流値を演算し、これを計測信号として出力する。
【００３２】
このように第１の実施の形態では、測定に用いられる光源として、ランダム偏光を出射するファイバーレーザ２５を用い、このファイバーレーザ２５より送信ファイバー３にランダム偏光を伝搬するようにしたので、偏光子５を透過した光量は常に一定であり、光量安定な直線偏光をセンサー部に供給することができる。
【００３３】
図２は本発明による光応用測定装置の第２の実施の形態として電圧計測装置を示す構成図である。
【００３４】
図２において、２１はレーザダイオード、２５はレーザダイオード２１で励起され、ランダム偏光を出射するファイバーレーザである。このファイバーレーザ２５から出射された光は送信ファイバー３に導入され、電圧検出部近傍まで送られ、ファイバー偏光子１８ａで直線偏光となる。
【００３５】
さらに、ファイバータイプの１／４波長板３７で円偏光とした後、電圧検出部に対応させて設けられたＥＯ（電子光学）素子４９に通す。このＥＯ素子４９としては、ここでは図示するようにファイバータイプとしてある。このＥＯ素子４９で変調された光はファイバー偏光子１８ｂで強度信号として取出され、検出器１１で光電変換した後、電子回路１２により電圧を求め、その電圧信号を出力する。
【００３６】
本発明を用いれば、電圧測定においても、オール光ファイバー化して高精度化を実現することが可能であるが、光源の偏光はランダムである必要がある。
【００３７】
従来、光ファイバー用のランダム光源としてＳＬＤをＬＹＯＴ型のデポラライザーでランダム偏光化する方法が広く用いられている。本発明者等もこの方法を当初試した。その結果を図３（ａ）に示す。
【００３８】
送信ファイバーを振動させると、光電圧測定装置の出力もそれにつれて変動し、図３（ａ）に示すように光量も変動し、誤差を生じる。これを、光源としてＬＥＤにすると、図３（ｂ）に示したように光量変動は現れず光検出器（ＰＤ）の精度は１／１０以上に向上する。
【００３９】
しかし、オール光ファイバー化する場合には、ファイバー偏光子、ファイバー位相差板がシングルモードファイバーでないと機能しないため、光源はシングルモードファイバーとの結合が必要である。ＬＥＤは発光面積が広く、ビーム発散角も大きいため、シングルモードファイバーへはほとんど結合せず、光源として用いることができない。
【００４０】
従って、光源はシングルモードファイバータイプのファイバーレーザ、或いはファイバーアンプの自然放出光やその増幅光を用いることが望ましい。また、ロッドタイプの固体レーザも光ファイバーとの結合を高くでき、また、ランダム偏光を出力することができることから、有効である。また、光通信用として開発が進められているＶＩＣＳＥＬも光源となり得る。
【００４１】
図４は光源としてランダム偏光光源を用いる場合の実施例を示すものである。図４に示すように周波数λ１を出力するレーザダイオード２６及び周波数λ２を出力するレーザダイオード２７は出射偏光方位を直交させて配置される。この出力光をそれぞれ偏波面保持カップラー１９に結合させると、直交２偏波光が出力される。
【００４２】
また、光源を２つ用いなくとも、図５の構成で直交２偏波を得ることが可能である。
【００４３】
即ち、図５に示すようにレーザダイオード２１の光を一旦ファイバーカップラー２２で分岐し、再び偏波面保持ファイバーカップラー１９で結合させる。このとき、一方の光路に変調器５１を設けて波長をシフトさせる。当然、このときに偏波面保持ファイバーの入射の軸は、両入口において直交している必要があることは言うまでもない。
【００４４】
このような構成の光源によれば、レーザダイオードの出力をそのまま用いることができ、ファイバーレーザや固体レーザを用いた場合よりも、構成が単純で、高信頼性の光源が実現できる。
【００４５】
また、このとき２つのレーザダイオードの発振波長は近接している必要があるため、レーザダイオード共振器の反射鏡としてファイバー回折格子を用いると、発振波長が回折格子の反射波長で固定され安定化することができる。
【００４６】
次に本発明による光応用測定装置の第３の実施の形態として、光源の温度安定化装置について説明する。
【００４７】
従来の光計測用光源に温度変化が発生したときの問題点は、発振波長の変化と共に、そのスペクトル形状が変化することにある。つまり、発振波長のみならば、光源部の温度を測定して補正を行うことも可能であるが、発振スペクトルの変化は、特に一旦デポラライズして用いる場合には、出力偏光状態の変化となって現れ、出力が不安定となるため、補正を行うことができない。これを防ぐためには、光源の温度を安定化することが必要である。
【００４８】
図６はかかる光源の温度安定化装置の構成例を示すもので、基台５２上に載置されたペルチェ冷却器２９の上面にレーザダイオードチップ２８とサーミスター３０がそれぞれ設けられ、レーザダイオードチップ２８の温度はサーミスター３０で検出され、この検出温度に従い温度コントロラー３２がペルチェ冷却器２９をコントロールして冷却又は加熱を行うことにより、レーザダイオードチップ２８の温度を一定に保つようになっている。
【００４９】
また、レーザダイオードチップ２８は光源ドライバー１により駆動され、その発振光は偏波面保持ファイバー３３に出力されるが、このとき、偏波面保持ファイバー３３の軸を、レーザの出力偏光方位に対し４５°傾けて設定すると、偏波面保持ファイバー３３の出力光としてデポラライズ光が得られる。このときの光源はレーザダイオードに限定されるものではなく、ＳＬＤにおいても、温度安定化することによって発振スペクトル形状が安定し、有効である。
【００５０】
さらに、このようにレーザダイオードの光をデポラライズして用いる場合、駆動電流に変調を加えることが有効である。この原理について図７により説明する。
【００５１】
いま、発振周波数ω０で発振しているレーザダイオードに周波数ω１の変調を加えると、発振周波数はω０、ω０＋ω１，ω０−ω１の３つの周波数成分が生成する。この各周波数成分の光をそれぞれデポイラライズしようとすると、それぞれの周波数の光のコヒーレンス長は１ｋｍ以上有り、デポラライズすることは難しい。
【００５２】
しかし、波長周波数幅２ω１の光としてとらえると、コヒーレンス長はＣ／２ω１となり、コヒーレンス長はぐっと短くなる。
【００５３】
ここで、レーザ変調周波数とコヒーレンス長の関係を示すと図８に示すようになる。図８において、変調周波数が１０ＭＨｚを越えると、ビート長は１５ｍ以下となり、実用的な値となってくる。
【００５４】
例えば、この光をデポラライズするためには、図１０に示すような構成のデポラライザーを用いればよい。すなわち、レーザダイオード２１から発せられた光をファイバーカップラー１９で２分岐し、コヒーレンス長以上の光路長差を付けて、再びファイバーカップラー１９で結合させると良い。このとき、偏波面保持ファイバー３３等を用いて、２つの光の偏波面を９０°ずらしておくと、なお効果的である。
【００５５】
次に本発明による光応用計測装置を用いた保護制御装置の実施の形態を説明する。
【００５６】
図１０は本発明による光応用計測装置として光電流計測装置を用いた保護制御装置の第１の実施の形態を示す。レーザダイオード２１からの光は、光ファイバーカップラー２２で分岐され、送信ファイバー３によって、それぞれ光電流測定装置センサー部２３と光電流測定装置センサー部２４に光が送られる。この光電流測定装置センサー部にはすでに述べた偏光子、ビームスプリッター、センサーファイバー、反射鏡等が納められ、電流によるファラデー効果による旋光をｘ−ｙの直交する２成分の光強度信号として受信ファイバーに送り出す機能を有する。受信ファイバーからの光は電子回路１２によって必要な演算が加えられ、電流信号が差動継電器６０に入力される。この差動継電器６０では、各々の電流信号に差があると動作して光電流測定装置センサー部２３と光電流測定装置センサー部２４との間の保護区間を保護する。
【００５７】
このように本発明による光電流計測装置を用いた保護制御装置によれば、差動に用いる２つの光電流計測器に同一のレーザダイオードを用いているため、レーザダイオードの発振波長・スペクトル形状に関わらず、２つの光電流計測器は同一の電流値を出力することができ、製造ばらつきが小さく、温度に対しても安定な保護制御装置を実現することができる。また、レーザダイオードのモードホッピングがあっても、２つの電流計測装置が同一のタイミングで同一の誤差を生じるため、保護制御装置の誤差につながることはない。このため、精度の良い保護制御装置を実現することができる。
【００５８】
本発明は差動継電器に限定されるものではなく、例えば３相交流を測定する場合、各相の計測に用いられる３つの光電流計測装置に同一の光源を用いることによって、３つの光電流計測装置の特性を一致させることができるため、３つの電流計測装置の差から０相電流を正確に測定することが可能である。
【００５９】
図１１は本発明による光電流計測装置を用いた保護制御装置の第２の実施の形態を示す構成図である。
【００６０】
図１１に示すように、２つの光源２１からの光を一旦カップラー２２で合成し、さらにカップラー２２で分岐して送信ファイバー３を通して光電流測定装置センサー部２３Ｕ，２３Ｖ，２３Ｗに光が送られる。この光電流測定装置センサー部２３Ｕ，２３Ｖ，２３Ｗにはすでに述べた偏光子、ビームスプリッター、センサーファイバー、反射鏡等が納められ、電流によるファラデー効果による旋光をｘ−ｙの直交する２成分の光強度信号として受信ファイバーに送り出す。受信ファイバーからの光は３相各相の電子回路１２によって必要な演算が加えられ、各相出力電流をそれぞれ独立に出力すると共に、３相の電流値から零相電流を演算する回路４５に加えている。
【００６１】
図１０では、光源が１つであったが、このように光源を複数個使用した場合でも、カップラー２２で一旦合成された光をさらにカップラー２２で分岐することにより、３相に同一の特性の光が供給されることになり、図１０と同等の効果が得られる。
【００６２】
また、この例では３相の電流をそれぞれ独立に出力すると同時に演算回路４５により３相の電流値から零相電流を演算し、この零相電流が通常動作時は０となり、また、電流測定装置に誤差が生じた場合には、この誤差分だけ０相電流演算値に出力されることから、電流測定装置が誤差無く動作しているかどうかの検定に有効である。
【００６３】
さらに、この例では零相電流を同一光源で動作している３つの光応用電流計測装置の和電流から求めているため、光源の影響は無視することができる。このため、受光器以降の電子回路部分での誤差のみを監視することができる。
【００６４】
このように、差或いは和電流が測定対象そのものでなくとも、和、差電流を用いて、測定器の自己監視機能を行うこともでき、有用である。
【００６５】
また、本発明は電流測定に限定されるものではなく、例えば３相電圧の測定において、光電圧センサーに適用した場合には、３つの光電圧センサーの特性を揃えることができるため、正確な０相電圧測定ができることは言うまでもない。
【００６６】
図１２は本発明による光応用測定装置を用いた保護制御装置の第３の実施の形態を示す構成図である。
【００６７】
図１２に示すように、光源２１からの光はファイバーカップラー２２で分岐され、一方は光応用電流計測装置（光ＣＴ）センサー２３の光学部に、もう一方は光応用電圧計測装置（光ＰＤ）の光学部４９へと光が供給される。光ＰＤは分圧器４６で分圧された線路電圧を、光ＣＴは線路電流を測定する。光ＣＴ光学部で電流による変調を受けた光から光ＣＴ電子回路４８によって、電流値が演算される。光ＰＤ光学部で電圧による変調を受けた光は光ＰＤ電子回路４７によって、電圧値が演算される。この電流、電圧信号をもとに電圧／電流の演算を行うと、線路のインピーダンスを求めることができる。例えば、線路に地絡が生じたとき、線路の距離あたりのインピーダンスが既知で有れば、地絡点までの距離を求めることができる。この原理は距離継電器５０として広く用いられているが、このときの電圧・電流信号に同一の光源からの光を用いているため、例えば、光源の光量増加により、それぞれ＋１０％の誤差を生じても、除算の結果は光量増加前と変わらず、正確なインピーダンス測定を行うことができる
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明による光応用測定装置の第１の実施の形態として電流計測装置を示す構成図。
【図２】本発明による光応用測定装置の第２の実施の形態として電圧計測装置を示す構成図。
【図３】同実施の形態において、光源としてＳＬＤとＬＥＤを用いた場合の試験結果を説明するための波形図。
【図４】同実施の形態におけるランダム電源の実施例を示す構成図。
【図５】同実施の形態におけるランダム電源の他の実施例を示す構成図。
【図６】本発明による光応用測定装置の第３の実施の形態として、光源の温度安定化装置の構成説明図。
【図７】同実施の形態において、光源の動作原理を説明するための図。
【図８】同じく光源の動作原理で、レーザ変調周波数とコヒーレンス長の関係を示す図。
【図９】同実施の形態において、光をデポライズするためのデポラザーを示す構成図。
【図１０】本発明による光応用計測装置を用いた保護制御装置の第１の実施の形態を示す構成図。
【図１１】本発明による光応用計測装置を用いた保護制御装置の第２の実施の形態を示す構成図。
【図１２】本発明による光応用計測装置を用いた保護制御装置の第３の実施の形態を示す構成図。
【図１３】従来の光変流器を用いた電流計測装置の一例を示す概略構成図。
【図１４】従来の鉄心型の変流器を用いた保護装置を示す構成図。
【符号の説明】
【００６９】
１…光源ドライバー、２…光源、３…送信ファイバー、４…結合レンズ、５…偏光子、６…無偏光ビームスプリッター、７…被測定電流、８…センサーファイバー、９…ファイバー反射鏡、１０…ＰＢＳ、１１ａ，１１ｂ…検出器、１２…電子回路、１４…高複屈折ファイバー、１５…ファイバー回折格子、１８ａ，１８ｂ…ファイバー偏光子、１９…偏波面保持カップラー、２０…偏光分離カップラー、２１…レーザダイオード、２２…ファイバーカップラー、２３，２４…光電流計測装置センサー部、２５…ファイバーレーザ、２６，２７…レーザダイオード、２８…レーザダイオードチップ、２９…ペルチェ冷却器、３０…サーミスター、３１…冷却フィン、３２…温度コントロラー、３３…偏波面保持ファイバー、３４…ファラデー素子、３５…コイル、３６…ファラデー素子、３７…１／４波長板、３８…Ｈｅ−Ｎｅレーザ、３９…対物レンズ、４０…母線、４１…シングルモードファイバー、４２…ウォラストンプリズム、４３…検出器、４４…電子回路、４５…零相監視回路、４６…分圧器、４７…光ＰＤ電子回路、４８…光ＣＴ電子回路、４９…光ＰＤ光学部、５０…距離継電器
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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