(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流が流される金属導体とこの金属導体に流れる電流を測定し光信号に変換する光電流センサとを収納し、容器下部に前記光電流センサから引き出された光信号伝送用の光ファイバ線を挿通するための第１の穴が設けられた第１の金属容器と、
接地部位に配設され、容器上部に前記光ファイバ線を挿通するための第２の穴が前記第１の穴と対向して設けられた第２の金属容器と、
上方に前記第１の金属容器を配置し下方に前記第２の金属容器を配置し、互いの金属容器の間を繋ぐように配設された中空の碍管と、
前記光電流センサから引き出され、前記第１の金属容器内の前記第１の穴と前記第２の金属容器の前記第２の穴に挿通されて前記碍管内のほぼ中央部に直線的に垂れ下がるように配置された光ファイバ線と、
前記第２の金属容器内に支持され、前記光ファイバ線を、余長部分を持たせて固定する電位固定部材と
を具備し、
前記余長部分を、
Ａ＝√（Ｌ２＋δ２）−Ｌ  ・・・・・（式１）
δ＝Ｆ・Ｌ３／（３・Ｅ・Ｉ）
但し、Ｌ：碍管の長さ
Ｆ：碍管の頭部に作用する集中加重
Ｅ：碍管のヤング率
Ｉ：碍管の断面二次モーメント
δ：碍管の頭部の変位量
Ａ：たるみ量
前記（式１）で算出されるたるみ量Ａ以上とした
碍子型光変流器。
【請求項２】
前記第１の穴および前記第２の穴を、複数の系統の光ファイバ線をそれぞれ通すように前記碍管の軸付近に複数配置した請求項１に記載の碍子型光変流器。
【請求項３】
前記第１の穴と前記第２の穴の内周面の表面粗さを２５Ｓより細かくした請求項１又は請求項２に記載の碍子型光変流器。
【請求項４】
前記第１の金属容器の前記第１の穴と前記第２の金属容器の前記第２の穴のうち少なくとも一方の穴の部分を絶縁材で構成したことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の碍子型光変流器。
【請求項５】
前記絶縁材の主材料としてフッ素樹脂を使用した請求項４に記載の碍子型光変流器。
【請求項６】
前記第１の穴の近傍に前記第１の金属容器と同等の電位となるように配設され、前記光ファイバ線を固着した電位固定部材を備える請求項１乃至５いずれか１項に記載の碍子型光変流器。
【請求項７】
前記電位固定部材が、前記第２の穴の近傍に前記第２の金属容器と同等の電位となるように配設され、前記光ファイバ線を固着した請求項１乃至６いずれか１項に記載の碍子型光変流器。
【請求項８】
前記光ファイバ線の固着にシリコーン系の接着剤を使用した請求項６または請求項７いずれかに記載の碍子型光変流器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、碍子型光変流器に関する。
【背景技術】
【０００２】
高電圧の導体を流れる電流を測定する機器として、例えば油やＳＦ６ガスを絶縁材として使用する碍子型変流器が一般的に用いられている。
【０００３】
最近では、ファラデー効果を応用した光電流センサが、小形、軽量であることから、これを応用した光変流器が製品化されている。
【０００４】
この種の光変流器では、光ファイバ線を用いて信号を伝送するが、光ファイバ線の部材であるガラスが絶縁材料であるため絶縁の確保が容易であり、ファラデー素子を内蔵した光電流センサを導体の配設された高電圧部に設置することが可能である。
【０００５】
一方、光ファイバ線は、ガラス材を細く引き伸ばしていることから、無理な力が加わると容易に破断してしまうため、その取り扱いには十分に注意する必要がある。
【０００６】
特に地震や高電圧導体が接続される電気系統で短絡などの事故時に発生する大電流に伴う電磁力により碍管が振動・変形し、光ファイバ線に無理な力が加わったり、光ファイバ線が曲がったりすることで光ファイバ線の破断や光量の損失が発生する。
【０００７】
また光ファイバ線を固定しない場合は光ファイバ線どうしが絡み合うため、碍管の管壁内に光ファイバ線を埋設して通すような構造の光ファイバ内蔵碍子が開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０６−３２５６４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記文献に記載の碍子（碍管）構造の場合、曲げによる光ファイバ線の破断の防止のため碍管の側面に沿った光ファイバ線の螺旋状配置や、曲げによる応力などで光量損失が発生しないよう碍管内部にシリコーングリースなどを注入するなど、製造が複雑かつ、高価なものとなるなどの課題がある。また、電流が流れる導体の電圧がより高くなると、碍管サイズが大きく長くなり、さらに製造の難しさやコストが高くなるなどの課題もある。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、組立性がよく廉価でかつ信頼性が高い碍子型光変流器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施形態の碍子型光変流器は、第１の金属容器、第２の金属容器、中空の碍管を有する。第１の金属容器は電流が流される金属導体とこの金属導体に流れる電流を測定し光信号に変換する光電流センサとを収納し、容器下部に前記光電流センサから引き出された光信号伝送用の光ファイバ線を挿通するための第１の穴が設けられている。第２の金属容器は接地部位に配設され、容器上部に光ファイバ線を挿通するための第２の穴が第１の穴と対向して設けられている。碍管は上方に第１の金属容器を配置し下方に第２の金属容器を配置し、互いの金属容器の間を繋ぐように配設されている。光ファイバ線は光電流センサから引き出され、第１の金属容器の第１の穴と第２の金属容器の第２の穴に挿通されて碍管内のほぼ中央部に直線的に垂れ下がるように配置されている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施例を示す碍子型光変流器の全体構成図である。
【図２】図１の高電圧部の詳細図である。
【図３】図１の接地電位部の詳細図である。
【図４】図１の電位固定部材（高電圧部側）の詳細図である。
【図５】図１の接地電位部側の光ファイバ芯線の位置決め構造の詳細図である。
【図６】図５の斜視図である。
【図７】図１の電位固定部材（接地電位部側）の詳細図である。
【図８】図７の斜視図である。
【図９】碍子型光変流器の電位と光ファイバ芯線の長さとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して一つの実施の形態の碍子型光変流器を説明する。  
図１に示すように、この実施形態の碍子型光変流器は、高電圧部の側（上方）に配設された第１の金属容器として金属容器２と、接地電位部の側（下方）に配置された第２の金属容器としての金属容器５と、互いの金属容器２，５の間を繋ぐように軸を鉛直方向にして配設（立設）された中空の碍管４と、碍管４内のほぼ中央部に直線的に垂れ下がるように配置された光ファイバ線としての光ファイバ芯線６とを備える。
【００１４】
碍管４は上方に金属容器２を配置し下方に金属容器５を配置し、互いの金属容器２、５の間を繋ぐように配設されている。
【００１５】
金属容器２、５および碍管４の内部には、シリコーングリースなどの注入はなく、必要により例えばＳＦ６ガス、窒素ガス、ドライエアー、空気などの気体（絶縁ガス）が充填される。この例では金属容器２、５および碍管４にＳＦ６ガスが充填されている。
【００１６】
図２に示すように、金属容器２は底面の部分が開口とされており、その開口に容器下板２ａが取り付けられ、密閉されている。容器下板２ａには光ファイバ芯線６を碍管４側へ挿通するための第１の穴として穴１１が設けられている。
【００１７】
この穴１１の内周面は、光ファイバ芯線６が滑らか動けるよう表面粗さ、例えば２５Ｓ（ＪＩＳ規格）より細かい粗さとしている。容器下板２ａに、単に穴１１を設けるだけでなく、穴１１の縁部に摺動性のよい絶縁材、例えばフッ素樹脂製の環状部材（Ｏリング）などを設けてもよい。
【００１８】
なお２５Ｓ（ＪＩＳ規格）とはJIS B 0601:1990  Rmaxの「表面粗さ区分」でいうところの「２５Ｓ」の粗さ区分であり、２５Ｓ（ＪＩＳ規格）より細かい粗さとは、例えば「１２．５Ｓ」、「６．３Ｓ」、「３．２Ｓ」、「１．６Ｓ」、「０．８Ｓ」…等である。「１２．５Ｓ」は、中級の機械仕上げ面であり、高速で適当な送りと良好な工具で得られる旋削面、フライスなどで得られる面をいう。
【００１９】
「６．３Ｓ」は、良好な機械仕上げ面であり、転がり軸受の外輪外面、弁と弁座との接着面、水圧シリンダ・ラムの外面をいう。なお穴１１を設ける部材（この場合、容器下板２ａ）自体または穴１１周辺の部分を、金属の代わりにフッ素樹脂などの絶縁材で形成しても同様の効果が得られる。
【００２０】
金属容器２には、電流が流される金属導体としての導体１とこの導体１に流れる電流を測定する光電流センサ３と第１の電位固定部材としての電位固定部材１２とが収納されている。
【００２１】
光電流センサ３は導体１に流れる電流を、ファラデー効果を用いて測定し光信号に変換するセンサであり、少なくとも一つ以上設けられている。この例の場合、光電流センサ３は主系統用、副系統用および予備系統用に３つ設けられている。
【００２２】
このため、穴１１（図３参照）および穴２１（図５参照）は複数の系統用の光ファイバ芯線６をそれぞれ通すように碍管４の軸付近に一定の間隔を空けて複数配置されている。
【００２３】
光電流センサ３からは光ファイバ芯線６が引き出されており、光ファイバ芯線６により電流の測定結果である光信号が伝送される。
【００２４】
光ファイバ芯線６は各光電流センサ３から引き出された３本が電位固定部材１２に固定（接着）された上で、金属容器２の容器下板２ａの穴１１に挿通されて、碍管４内のほぼ中央部に直線的に垂れ下がるようにして金属容器５上部の開口７を塞ぐように取り付けられた蓋８（容器上板）に固定された芯線位置決め部材９の穴２１に挿通されている（図２、図４参照）。
【００２５】
つまり信号を伝送する光ファイバ芯線６は、高電圧部の金属容器２内に配設された光電流センサ３と接続され、碍管４の中心近傍を通り、接地電位部に配設された金属容器５に入るように配線されている。
【００２６】
図３に示すように、電位固定部材１２は内向きに下がるように傾斜した斜面１２ａを有する金属製のリング状の部材であり、容器下板２ａの穴１１が露出するように中央部が開口されている。電位固定部材１２は金属製のため高電圧部と同じ電位となる。
【００２７】
３本の光ファイバ芯線６は電位固定部材１２の斜面１２ａにそれぞれシリコーン接着剤１３により接着および固定された上で、容器下板２ａに設けられた穴１１に挿通される。
【００２８】
図４に示すように、金属容器５内には、金属容器５の上部（上面）に設けられた開口７を塞ぐように配置された蓋８と、この蓋８のほぼ中央部に設けられた開口８ａ（図６参照）と、この開口８ａを避けた蓋８の下面に固定された第２の電位固定部材としての電位固定部材２２とが収容されている。
【００２９】
金属容器５において、碍管４を通じて金属容器５内に挿通された光ファイバ芯線６にたるみ６ａ（余長部分）を持たせて電位固定部材２２にシリコーン接着剤１３で固着（固定）した上で光ファイバ芯線６を下方に配線している。シリコーン接着剤１３は硬化後も硬度が低いため、光ファイバ芯線６の動きや伸び縮みに柔軟に対応できる。
【００３０】
碍管４と接続する金属容器５の上面には、穴２１が、上部の穴１１のほぼ真下となる位置に配設されている。すなわち金属容器５の上面には、容器上部に光ファイバ芯線６を挿通するための穴２１が穴１１と対向して設けられている。
【００３１】
光ファイバ芯線６は碍管４から穴２１を通って金属容器５に入る。このとき、穴１１と穴２１は光ファイバ芯線６の本数と同じ数準備され、上下で１組（一対）とされ、１組（一対）に１本の光ファイバ芯線６が通される。換言すると、穴１組に対し複数の光ファイバ芯線６を通さない。
【００３２】
接地電圧部の側も穴２１の表面は、光ファイバ芯線が滑らか動けるよう表面粗さが２５Ｓ（ＪＩＳ規格）より細かい粗さとされる。金属容器５の上面の穴２１の構成部材として、上述した高電圧部と同様に摺動性のよいフッ素樹脂製の環状部材（Ｏリング）などの絶縁材を使用してもよい。
【００３３】
この実施形態では、穴２１を設ける部材として、フッ素樹脂を用いた芯線位置決め部材９を金属容器５の上面の中央部近傍に配設している。
【００３４】
図５、図６に示すように、金属容器５の上部は、蓋８、芯線位置決め部材９、押さえ部材１０、ビス３１などにより光ファイバ芯線６を位置決めするための位置決め構造が形成されている。
【００３５】
芯線位置決め部材９は円盤状の部材であり、中央部付近に光ファイバ芯線６を挿通するための３つの穴２１と、ビス締め用の４つのビス穴９ａが設けられている。押さえ部材１０はリング状の部材であり、ビス穴９ａと対応するビス穴３１を有する。押さえ部材１０は蓋８との間に芯線位置決め部材９を挟み込んで蓋８の裏面からビス３１をビス穴９ａ、ビス穴３１にビス締めすることで固定している。
【００３６】
図７、図８に示すように、電位固定部材２２は金属管を縦に二分したような半筒形状（雨どいのような形状）のものであり、蓋８の下面にビスなどで固定されている。
【００３７】
金属容器５には、上部に開口７が設けられている。金属容器５の上部には開口７を塞ぐように蓋８が取り付けられている。蓋８にはほぼ中央部に穴が設けられており、この穴に芯線位置決め部材９が取り付けられている。
【００３８】
芯線位置決め部材９には、光ファイバ芯線６を挿通するための第２の穴として穴２１が設けられている。すなわち金属容器５には、容器上部に光ファイバ芯線６を挿通するための穴２１が、上方の金属容器２の穴１１と対向して設けられている。
【００３９】
穴１１、２１は碍管４の中心から一定の距離離れた位置に点在するように配置されている。具体例としては、１２０度間隔で３つ設けられている。
【００４０】
金属容器５内部において、光ファイバ芯線６は、一定のたるみ６ａ（余長部分）を持たせて配線される。また、接地電位部と同じ電位となる金属製の電位固定部材２２が穴１１の金属容器５の内部に配設されている。光ファイバ芯線６は、電位固定部材２２に電気的に同電位となるように接着固定される。光ファイバ芯線６を接着する接着剤としては、硬化後も硬度が低いシリコーン系の接着剤であるシリコーン接着剤１３を使用している。
【００４１】
穴２１より金属容器５内部に準備されるたるみ量としては、下記（式１）で制限値Ａを求め、少なくともたるみ量を制限値Ａよりも長くする。つまり制限値Ａ＜たるみ量とする。
【００４２】
Ａ＝√（Ｌ２＋δ２）−Ｌ  ・・・・・（式１）  
δ＝Ｆ・Ｌ３／（３・Ｅ・Ｉ）  
但し、Ｌ：碍管の長さ
Ｆ：碍管の頭部に作用する集中加重
Ｅ：碍管のヤング率
Ｉ：碍管の断面二次モーメント
δ：碍管の頭部の変位量
Ａ：たるみ量
【００４３】
碍管４として例えば筒長４．５ｍ程度の複合碍管を採用した場合で計算してみると、以下のような数値となる。
【００４４】
地震力や事故電流が流れたときの電磁力など碍管４の頭部に力が作用すると、頭部が変位すると同時に碍管４と金属用容器５との接続部に応力が発生するため、碍管４は、これら機械的な応力に耐えられるよう設計・製造されるが、許容値（一般的にはメーカの保証値）の力があり、この力をＦ（碍管の頭部に作用する集中加重）とする。
【００４５】
この結果、Ａ＝７．８８×１０−３［ｍ］となる。  
したがって、たるみ量Ａとしては、８ｍｍ以上として設定することとなる。
【００４６】
上記のように構成された碍子型光変流器は次のように作用する。  
金属容器２の底面の光ファイバ芯線６を通す穴１１の真下に、金属容器５の上面の光ファイバ芯線６を通す穴２１を配設したので、光ファイバ芯線６を直線的に配設することができる。従って、容易な光ファイバ芯線の配設となり、複雑な製造工程が不要となり、製造コストを低減できる。
【００４７】
また、碍管４、金属容器５の内部にシリコーングリースなどを注入せず、碍管４の中の光ファイバ芯線６の周囲は気体となる。したがって、光ファイバ芯線６に周囲部材との接触に伴う力の作用と応力の発生がないので、安定な品質が確保できる。当然シリコーングリースなどの注入は行なわない。このため製造工程が簡素化され、コストの低減が可能である。
【００４８】
さらに、通線用の穴１１と穴２１の１組の穴に対し、光ファイバ芯線６を１本のみを配設する。従って近接する光ファイバ芯線６どうしが絡み合うことがなく、光ファイバ芯線６が触れ合うことでの破断はない。
【００４９】
地震や事故発生時には、地震力や電磁力によって碍管４の頭部が変位するが、その変位に合わせ光ファイバ芯線６がたるみ６ａより碍管４の中に必用量引き出される。
【００５０】
一方、光ファイバ芯線６のたるみ６ａは、（式１）で規定される最小必要長さ以上確保することで、光ファイバ芯線６に過剰な力が加わらず、光ファイバ芯線６が破断することはない。
【００５１】
また、碍管４の頭部が変位する際、光ファイバ芯線６は、挿通されている穴１１、２１と擦れるが、穴１１、２１の表面粗さを２５Ｓ（ＪＩＳ規格）より細かい粗さで仕上げ、なめらかにしたことで、光ファイバ芯線６の表面を傷つけたり破断させたりすることがない。
【００５２】
ここで、図９を参照して直流送電などの直流高電圧となる系統で碍子型光変流器を使用する場合の電位と光ファイバ芯線６の長さとの関係について説明する。
【００５３】
直流高電圧となる系統で碍子型光変流器を使用する場合、光ファイバ芯線６が絶縁物のため抵抗値で電位が決まる。光ファイバ芯線６の抵抗率が一様とし、Ｌ：電位が固定される２点間の光ファイバ芯線６の長さ、Ｖ１：光ファイバ芯線６の金属容器２の穴１１の位置での電位、Ｖ２：光ファイバ芯線６の金属容器５の穴２１の位置での電位、Ｌ１：光電流センサ３から金属容器２の穴１１の位置までの光ファイバ芯線６の長さ、Ｌ２：金属容器５の穴２１の位置から接地電位点までの光ファイバ芯線６の長さ、とすると、
【００５４】
Ｖ１＝（Ｌ−Ｌ１）×Ｖ／Ｌ
Ｖ２＝Ｌ２×Ｖ／Ｌ
となるが、具体的な数値として
Ｌ＝４．５ｍ  Ｌ１＝０．２ｍ  Ｌ２＝０．３ｍ  Ｖ＝２５０ｋＶ
を代入すると、
Ｖ１＝２３９ｋＶ
Ｖ２＝１７ｋＶ
となる。
【００５５】
通常、金属容器２の穴１１の縁での光ファイバ芯線６の電位は２３９ｋＶ、穴１１が設けられた金属の容器下板２ａ自体の電位が２５０ｋＶとなり、１１ｋＶの差電圧が発生する。
【００５６】
光ファイバ芯線６の配線状況では、光ファイバ芯線６が穴１１に接近はするものの、金属の容器下板２ａ自体には接触しない微小ギャップのような状態が続き、部分放電や絶縁破壊により光ファイバ芯線６が破損・破断する恐れがある。
【００５７】
そこで、この実施形態では、穴１１の近傍（上部）に金属容器２と同電位の電位固定部材１２を配設し、光ファイバ芯線６を電位固定部材１２に接着することで強制的に接触させて電気的な接続を得ている。
【００５８】
このため穴１１の部分で光ファイバ芯線６に差電圧が発生することはなく、部分放電や絶縁破壊を起こしファイバ芯線６を破断させることはない。
【００５９】
一方、接地電位部側では、光ファイバ芯線６にたるみ６ａを持たせた上で、電位固定部材２２に接着固定することで、一定のたるみ量Ａを確保して接地電位と同電位の電位固定部材２２を介して下方に引き出すようにしている。
【００６０】
このとき、上記の計算から金属容器５の穴２１の位置での光ファイバ芯線６の電位は１７ｋＶ、穴２１が設けられている芯線位置決め部材９の電位０ｋＶ（接地電位）となり１７ｋＶの差電圧が発生する。
【００６１】
光ファイバ芯線６を単に穴２１に通すだけの場合、光ファイバ芯線６が穴２１に接近はするが、穴２１の縁には接触しない微小ギャップのような状態が続き、微小ギャップに部分放電や絶縁破壊により光ファイバ芯線６が破損・破断する恐れがある。
【００６２】
そこで、この例では、金属容器５の上部の芯線挿通用の穴２１を、絶縁材料を使用した芯線位置決め部材９に設けたことで、十分な絶縁距離を確保でき、部分放電や絶縁破壊を起こし、光ファイバ芯線６を破断させることはない。特に、芯線位置決め部材９を、フッ素樹脂などを主成分とする板状の部材とすることで、摺動性、絶縁性、耐久性に優れ、絶縁性と耐久性を確保することができる。
【００６３】
なお、光ファイバ芯線６については、その沿面方向にも電圧が負荷される。通常、光ファイバ芯線６は、信号である光を通す部分はガラス材料で構成されるが、その外表面には、その強度の確保やガラス材料表面の傷の防止を目的として、通常、アクリルなどの保護材がコーティングされている。そして、これらの保護材は絶縁物のため、沿面方向の絶縁耐力として少なくとも１０ｋＶ／ｃｍ程度有している。よって、この値から、碍管４および金属容器２、５内における光ファイバ芯線６の沿面方向の耐圧も十分確保することができる。
【００６４】
さらに、碍子型光変流器は、屋外に設置されることも想定されるため、外気温に通電による発熱や日射の影響などが加わることを考慮すると、光ファイバ芯線６の接着固定部の温度は−３０度Ｃ〜７０度Ｃの環境に晒されることになる。
【００６５】
このような設置環境では、電位固定部材２２と接着剤の熱膨張や熱収縮などによって、光ファイバ芯線６に応力が加わり、光量損失などが生じ、光の状態を劣化させる可能性があるが、本実施形態では、接着剤として硬化後の硬度が低いシリコーン系接着剤１３を使用した。
【００６６】
これにより、熱膨張や熱収縮があったとしても光ファイバ芯線６に応力が加わることはなく、光量損失など光の状態を劣化させることはない。
【００６７】
このようにこの実施の形態によれば、高電圧部の金属容器２と、接地電位部の金属容器５とを上下に配置し、互いの容器２、５の間を中空の碍管４で繋ぐよう構成された碍子型光変流器において、金属容器２に収容された光電流センサ３に接続された光ファイバ芯線６を、金属容器２の穴１１と金属容器５の穴２１に挿通して碍管４内のほぼ中央部に直線的に垂れ下がるように配置することで、組立性がよく、廉価で、かつ信頼性が高い碍子型光変流器を提供することができる。
【００６８】
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この新規な実施形態は、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。
【００６９】
上記実施形態では、金属容器５の上部の穴２１を含む芯線位置決め部材９をフッ素樹脂などの絶縁材で構成したが、金属容器２の下部の穴１１をフッ素樹脂製のリング状部材で構成してもよく、穴１１、２１は両方またはいずれか一方を絶縁材としてもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１…導体、 ２…金属容器（高電圧部の側）、３…光電流センサ、４…碍管、５…金属容器（接地電位部の側）、６…光ファイバ芯線、７…開口、８…蓋、９…芯線位置決め部材、１０…押さえ部材、１１…穴（金属容器２の底面部）、１２…電位固定部材（高電圧部）、１３…シリコーン接着剤、２１…穴（金属容器５の上面部）、２２…電位固定部材（接地電圧部の側）。
【図１】
0006633356.tif 000002
【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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