(57)【要約】【課題】温度変化を初めとした環境変化に強く、安定して動作することができ、しかも分圧器を省くことにより分圧器による耐絶縁性、応答速度、測定精度の制限を回避可能な、高精度で高信頼性の光電圧測定器を提供する。【解決手段】サニャック干渉計中にはニオブ酸リチウム導波路によるＥＯ素子８が１つ配置され、ここに測定対象となる電圧７が印加されるようになっている。ＥＯ素子８の両側には偏波面を４５°回転させる第１及び第２のファラデー回転子５，６が配置されている。【選択図】　図１
2004020348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象となる電圧が印加される電気光学素子に偏波面保存ファイバカプラーを介して互いに逆方向に周回する偏光を送光させ、この送光により位相差の生じた両光を干渉させて前記電圧を求める光電圧測定装置において、
前記電気光学素子の両端側にはファラデー旋光子を配置して前記送光を行うことを特徴とする光電圧測定装置。
【請求項２】
電気光学素子を複数の配置し、これらの電気光学素子を光学的に直列に接続したことを特徴とする請求項１記載の光電圧測定装置。
【請求項３】
複数の電気光学素子の両側にファラデー旋光子を配置し、これらのファラデー旋光子を光学的に直列に接続したことを特徴とする請求項２記載の光電圧測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の前記光電圧測定装置を用いたことを特徴とする電力又は電力量の測定装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の前記光電圧測定装置を用いたことを特徴とする電気機器の保護システム。
【請求項６】
所定の光電流測定装置と組み合わせて事故点までのインピーダンスを測定し、そのインピーダンスより前記事故点を標定し前記電気機器を保護することを特徴とする請求項５記載の電気機器の保護システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電圧測定装置、及びこの光電圧測定装置を用いた電力又は電力量の測定装置並びに電気機器の保護システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発電所・変電所・開閉所等の電気所には光学的に電圧や電流を測定する光計測器が設置されている。図７は従来の光電圧測定装置の概略構造を示す透視正面図である。この光電圧測定装置は、センサ部と、発光部と、受光部と、発光側及び受光側信号処理回路（図示せず）とを備えており、被測定対象は後述する電極端子３４間に印加される印加電圧Ｖｍである。センサ部は、光の入射側から順に同一光軸上に配置された偏光子３、１／４波長板（「λ／４板」とも呼ばれる）２５、電気光学結晶２６及び検光子２７から構成されている。電気光学結晶２６には１対の電極３２が蒸着されており、各電極３２はリード線３３によって１対の電極端子３４のそれぞれに電気的に接続されている。つまり、電極端子３４からの印加電圧Ｖｍが電気光学結晶２６に印加されるようになっている。なお、電気光学結晶２６の材料としては、Ｂｉ１２ＳｉＯ２０（ＢＳＯ）や、ＫＤＰ、自然複屈折を有するＬｉＮｂＯ３　およびＬｉＴａＯ３　等が使用されている。
【０００３】
発光部は、光源１としてのＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）等の発光素子を含むＥ／Ｏ回路と、同一光軸上に配置された光ファイバ２８ａ、フェルール２９ａ、ＧＲＩＮレンズ３０ａ及びホルダ３１ａからなる入力側光学系とから構成されている。受光部は、同一光軸上に配置された光ファイバ２８ｂ、フェルール２９ｂ、ＧＲＩＮレンズ３０ｂ及びホルダ３１ｂからなる出力側光学系と、その出力側光学系から出射される光信号を電気信号に変換する検出器１１を含むＯ／Ｅ回路とから構成されている。
【０００４】
発光部の入力側光学系及び受光部の出力側光学系における各光学部品は互いに接する光軸面が接着剤により接着されている。さらに、上記光電圧測定装置のセンサ部において、同一光軸上に配置された各光学部品すなわち偏光子３、１／４波長板２５、電気光学結晶２６及び検光子２７に関しても、互いに接する光軸面が全て接着剤で接着されている。ここで、光軸面とは光軸に垂直な面をいい、各光学部品につき光の入射面と出射面との２つが存在する（以下同様）。
【０００５】
発光側および受光側信号処理回路は、それぞれ発光部および受光部によってセンサ部と接続されている。この時、センサ部の偏光子３の入力側光軸面は発光部のＧＲＩＮレンズ３０ａの光軸面と、センサ部の検光子２７の出力側光軸面は受光部のＧＲＩＮレンズ３０ｂの光軸面と、それぞれ接着剤により接着される。そして、接着固定されたセンサ部、発光部における入力側光学系、及び受光部における出力側光学系は、ケース（図示せず）に機構的に固定されている。なお、各光学部品のための接着剤としては通常、エポキシ系あるいはウレタン系等の樹脂が使用されている。
【０００６】
続いて、上記の構成を有する光電圧測定装置の動作原理について説明する。発光部における光源１として、例えば中心波長０．８５μｍのＬＥＤを使用した場合、ＬＥＤの無偏光が光源１から出射され、発光部の入力側光学系及びセンサ部の偏光子３を通過した後、直線偏光となる。直線偏光は１／４波長板２５を通過して円偏光になり、円偏光は電気光学結晶２６を通過した後、電極端子３４から電気光学結晶２６への印加電圧Ｖｍの強さに応じて楕円化し、楕円偏光となる。
【０００７】
楕円偏光はセンサ部の検光子２７及び受光部の出力側光学系を通過した後に検出器１１で受光される。検光子２７から出力される光量は電気光学結晶２６の通過光の偏光状態に対応する。この偏光状態は電気光学結晶２６への印加電圧Ｖｍによって変化するため、受光側の光ファイバ２８ｂを介して検光子２７から出力される光量の変化をモニタし、検出器１１にて光信号を電気信号に変換する上で光量の変調度を計算することことにより、電気光学結晶２６に対する印加電圧Ｖｍを測定することができる。ここで、光量の変調度とは、光量におけるＡＣ成分とＤＣ成分との比のことである。
【０００８】
ところで、上述した光電圧測定装置は電気所において単体で機能させることはむしろまれであり、光電流測定装置と組み合わせて、電力、電力量、或いは無効電力を計測したり、インピーダンスを計算して距離リレーと呼ばれる電気機器の保護システムを動作させるために用いられるのが一般的である。光電流測定装置は、光電圧測定装置と同様に、光を用いた計測器ではあるが、その原理や構成が全く異なる。次に、光電流測定装置の従来例について説明する。
【０００９】
光電流測定装置にはいくつかの方式が提案されているが、光ファイバコイルにより構成されるサニャック干渉計を備えたものが注目されている。サニャック干渉計は光ファイバコイルにより構成されており、光ファイバジャイロとして運動体の回転検出に使用されてきたが、回転検出の外に電流により生ずる磁界に反応するといった特性もある。そのため、この特性を利用して電流測定を行うことができる。サニャック干渉計による電流測定の動作原理は次の通りである。すなわち、透明物質である光ファイバコイルはこれに磁界を印加すると、ファラデー効果により偏光面に回転を生ぜしめ、偏光面の回転角は磁界の強さと光の通過距離に比例する。偏光面の回転に起因して、光ファイバコイルを周回する左回り光と右回り光の間に位相差を生ずるので、この位相差を検出することによって、光ファイバコイルに印加された磁界を生起する元の電流を測定することが可能となる。
【００１０】
このようなサニャック干渉型の光電流測定装置に関して図８を参照して具体的に説明する。図８に示すように、サニャック干渉計型の電流測定装置には、光源１が配置され、光源１には光源１からの光を分岐するためのビーム分離手段としてカプラー２が接続されている。カプラー２には偏光子３及び偏波面保存ファイバカプラー４を介して光ファイバコイルからなるサニャック干渉計が接続されている。サニャック干渉計には、位相変調器１０と、電流路２０を囲むセンサファイバ１９が設けられており、センサファイバ１９の両側には第１及び第２の１／４波長板１７，１８が配置されている。第１及び第２の１／４波長板１７，１８は、偏光フィルタを介して直線偏光を入力すると円偏光を出力し、円偏光を入力すると直線偏光を出力するようになっている。また、カプラー２には光信号を電気信号に変換する検出器１１が接続されている。さらに、検出器１１には同期検波器３５が接続されている。なお、同期検波器３５には同期検波器３５に対し参照となる信号を供給する発振回路３６が接続されている。
【００１１】
以上の構成を有するサニャック干渉型の電流測定装置において、光源１から出射された光は、偏光子３を介して偏波面保存ファイバカプラー４に至り、サニャック干渉計内に、逆方向に周回する光、つまり左回り光および右回り光として送り込まれる。このうち、左回り光は先ず、位相変調器１０において位相変調され、位相変調された左回り光は第２の１／４波長板１８を通過してセンサファイバ１９に入射し、左回りに周回して順次に第１の１／４波長板１７、偏波面保存ファイバカプラー４、偏光子３、カプラー２を通過して検出器１１に到達受光される。一方、右回り光は、第１の１／４波長板１７を通過してセンサファイバ１９に入射し、右回りに周回して第２の１／４波長板１８を通過してから位相変調器１０において位相変調され、位相変調された右回り光は偏波面保存ファイバカプラー４、偏光子３、カプラー２を通過して検出器１１に到達受光される。
【００１２】
センサファイバ１９を周回した後の左回り光および右回り光の相互間には、センサファイバ１９に磁界が印加されていると位相差が生じており、偏波面保存ファイバカプラー４、偏光子３で干渉させた結果、光強度の変化した位相変調光が検出器１１に受光される。検出器１１に到達した位相変調光はここで電気信号に光電変換される。検出器１１において光電変換された電気信号は同期検波器３５に入力される。同期検波器３５は、発振回路３６から供給される信号を参照信号としてセンサシングファイバ１９に印加される磁界に比例する位相差の検波出力を得る（なお、位相変調の詳細は、特願平１０−１６２４１９号公報、特願平１１−１９７２４４号公報を参照）。このようにサニャック干渉型の電流測定装置では、円偏光を電流検出コイルの両端部から入射、伝播させ、位相差の生じた両光を干渉させ、その光強度変化に基づいて、印加された磁界を発生させた元の電流値を測定することができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光電圧測定装置や光電流測定装置は共に、屋外の厳しい環境下で使用されることが多く、優れた温度特性を持つことが要求されている。具体的には、−２０℃〜８０℃において比誤差変化が±１％以下、位相変化が１°以下であることが望まれている。しかし、上記従来の光電圧測定装置では温度変化によって感度や位相の誤差を生じさせる要因が多く存在した。例えば、１／４波長板や電気光学結晶における接着部の応力による屈折率の変化や、１／４波長板の複屈折の変化、電子回路部での熱ドリフトやオフセットの変化がある。さらに、ＬｉＮｂＯ３　など自然複屈折を有する電気光学結晶の場合には入射光の軸ずれが起きることがある。そこで従来より、優れた耐環境性を発揮し、厳しい環境下でも安定して動作する光電圧測定装置が求められていた。しかも、従来技術における光電圧測定装置と電流測定装置とでは、その挙動が異なる。このため、両者を組み合わせて電力やインピーダンスを求める場合にその誤差が大きくなり易く、測定精度の低下を招いていた。
【００１４】
また、電圧測定装置には電圧の分圧方法に課題がある。すなわち、電圧測定に用いる電気光学結晶は機械的に弱く、高価格であることから、例えば５００ｋＶのような高圧をそのまま電気光学結晶に印加して測定するといったことは行われておらず、一旦、分圧器で１００Ｖ程度の長い絶縁距離を要しない電圧まで降下させた後に、電気光学結晶にこれを印加している。しかしながら、このような分圧器を用いた方法では、せっかく光方式の計測手段を用いながら、その耐絶縁性、応答速度、測定精度が分圧器で制限されてしまい、光化のメリットを享受することが困難となっていた。
【００１５】
そこで、東京大学のグループは”Ｐｏｃｋｅｌｓ　Ｈｉｇｈ−Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ”，ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，　Ｖｏｌ．１５，　Ｎ０．１　（２０００　年）の中で図９に示す電圧測定装置の提案を行っている。基本的な原理構成は図７に示した電圧測定装置と同一であるが、電圧を検出する電気光学結晶の部分に特徴を有している。すなわち、高圧電極間に円盤状の電気光学結晶を複数個配置し、この複数個の結晶で生じる電気光学効果を測定することによって電圧を測定するものである。このような電圧測定装置によれば、不完全ながらも電界を積分することにより、電極間の電圧を測定することが可能となる。しかしながら、この電圧測定装置では、電極間の比較的長い距離をガス中にビームで伝播するためにビームの揺らぎによる影響を受けて誤差を生じやすい。
【００１６】
同じく、電界の積分を行いながらも、長い光路の空間伝播を行わない方式が、”２３０　ｋＶ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ｕｓｉｎｇ　ａ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｓｅｎｓｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　”，　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ，　２００１　ＩＥＥＥ／ＰＥＳ　，　Ｖｏｌｕｍｅ：　１　，　２００１で紹介されている。こちらは図１０に示すように碍子中に複数の電界センサを置き、電界の積分を行う点に特徴があり、独立した複数の電界センサを配置するところが前述した東京大学のグループが提案した電圧測定装置とは異なる。具体的な電界センサの構成については、本論文中で述べられてはいないが、ビームの揺らぎの影響は小さくできることが予想され、高精度化が期待できる。しかしながら、光源・光学系・受光器・電子回路が各複数組必要であり、価格が高くなるばかりでなく、部品点数の増加は信頼性低下に直接結びつくおそれがある。
【００１７】
以上述べたように、光電圧測定装置は、前述したように温度を始めとして環境変化により感度誤差や位相誤差を生じていた。また、光電圧測定装置の挙動が電流測定装置のそれと異なるために電力、インピーダンス測定時の誤差を広げ易く、測定精度を悪くしていた。さらに、測定に分圧器を用いた場合、分圧器により耐絶縁性、応答速度、測定精度が制限される。また、分圧器レスを目指した光電圧測定装置が提案されているが、長距離のガス中の光伝播が必要であったり、多数の光源や光学系が必要となり、精度面、経済面さらには信頼性面で問題があった。
【００１８】
本発明は、上述した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り、その目的は、温度変化を初めとした環境変化に強く、安定して動作することができ、しかも分圧器を省くことにより分圧器による耐絶縁性、応答速度、測定精度の制限を回避可能な、高精度で高信頼性の光電圧測定装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、電流・電圧の位相特性を揃えることで測定精度及び信頼性の向上を図った電力又は電力量の測定装置並びに電気機器の保護システムを実現することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、測定対象となる電圧が印加される電気光学素子に偏波面保存ファイバカプラーを介して互いに逆方向に周回する偏光を送光させ、この送光により位相差の生じた両光を干渉させて前記電圧を求める光電圧測定装置において、前記電気光学素子の両端側にはファラデー旋光子を配置して前記送光を行うことを特徴としている。
このような請求項１の発明においては、電気光学素子の両端側にファラデー旋光子を配置して逆方向に周回する偏光を送光させることにより、サニャック干渉型の電流測定装置と同一構成で、電圧を測定することができる。このため、耐環境性に優れ、且つ分圧器も不要な電圧測定装置を実現することができる。しかも、サニャック干渉型のジャイロセンサや電流測定装置で開発されてきたノイズ低減やドリフト低減といった技術をそのまま利用可能であり、測定精度及び動作信頼性の向上を図ることができる。
【００２０】
請求項２の発明は、請求項１記載の光電圧測定装置において、電気光学素子を複数の配置し、これらの電気光学素子を光学的に直列に接続したことを特徴としている。
このような請求項２の発明によれば、前記請求項１の発明に加えて、センサ部である電気光学素子を複数台直列に接続したことによって、任意の電界・電圧の総和を求めることができる。このため、システムの簡素化が容易であり、信頼性がさらに向上する。
【００２１】
請求項３の発明は、請求項２記載の光電圧測定装置において、複数の電気光学素子の両側にファラデー旋光子を配置し、これらのファラデー旋光子を光学的に直列に接続したことを特徴としている。
このような請求項３の発明によれば、前記請求項１の発明に加えて、電気光学素子間に配置したファラデー旋光子を複数台直列に接続したことによって、複数台直列に接続した電気光学素子間の偏光方位を、サニャック干渉計中を右回りに回る光、左回りに回る光ともに同一とすることができる。したがって、電気光学素子間の光路における複屈折変化の影響を抑えることができ、高精度の光電圧測定装置を実現することができる。
【００２２】
請求項４の発明に係る電力又は電力量の測定装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の前記光電圧測定装置を用いたことを特徴としている。
請求項４に記載の電力又は電力量測定装置によれば、前記光電圧測定装置を電力又は電力量測定装置の電圧測定部に用いることで、光電圧測定部側と光電流測定部側の光学部品や電子回路を共通化することができる。電気光学効果やファラデー効果は電流・電圧に対して時間遅れなく作用するため、位相補償を行う必要が無い。したがって、電流・電圧の位相特性を揃えることが可能となり、電流・電圧間の位相差を正確に検出することができる。その結果、電力又は電力量を高精度で測定することができる。
【００２３】
請求項５の発明に係る電気機器の保護システムは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の前記光電圧測定装置を用いたことを特徴としている。
このような請求項５の発明によれば、光電圧測定器と光電流測定器とを同一構成で実現できる。そのため、電圧・電流の位相関係を正確に捕捉することが可能となり、保護システムの高精度化を図ることができる。
【００２４】
請求項６の発明は、請求項５に記載の電気機器の保護システムにおいて、所定の光電流測定装置と組み合わせて事故点までのインピーダンスを測定し、そのインピーダンスより前記事故点を標定し電気機器を保護することを特徴としている。
このような請求項６の発明によれば、電圧・電流の位相関係を精密に測定でき、インピーダンスの高精度測定が可能である。したがって、事故点を正確に標定することができ、保護動作をよりいっそう安定して行うことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例について、図面を参照して具体的に説明する。なお、図７及び図８の従来例にて示した構成部材と同一部材に関しては同一符号を付して説明は省略する。
【００２６】
［１］第１の実施の形態
（１−１）構成
第１の実施の形態は請求項１の発明に対応しており、図１は第１の実施の形態の構成図である。第１の実施の形態は、測定対象となる電圧が印加されるＥＯ素子８に偏波面保存ファイバカプラー４を介して互いに逆方向に周回する偏光を送光させ、この送光により位相差の生じた両光を干渉させて電圧を求めるサニャック干渉型の光電圧測定装置であり、ＥＯ素子８の両端側に偏波面を４５°回転させる第１及び第２のファラデー回転子５，６を配置して送光を行うことを特徴としている。なお、光源１、カプラー２、偏光子３、偏波面保存ファイバカプラー４、位相変調器１０及び検出器１１を備えている点は図８に示したサニャック干渉型の光電流測定装置と共通である。
【００２７】
ＥＯ素子８はサニャック干渉計中に１つ配置され、ニオブ酸リチウム導波路による。第１のファラデー回転子５と第２のファラデー回転子６とでは偏波面の回転方向は逆になっている。さらに、検出器１１には電子回路１２が接続されている。電子回路１２は検出器１１にて変換した電気信号に基づきＥＯ素子８に印加された電圧７を計算するように構成されている。
【００２８】
（１−２）動作
以上の構成を有する第１の実施の形態において、光源１を出射した光はカプラー２を通り、偏光子３で直線偏光にされる。偏光子を出射した光は偏波保存ファイバカプラー４でサニャック干渉計を右回りに伝播する光と、サニャック干渉計を左回りに伝播する光に分岐される。サニャック干渉計を右回りに伝播する光は、第１のファラデー回転子５で偏波面を４５°回転され、電圧７を印加されたＥＯ素子８中で電気光学効果による印加電界に比例した位相差を受ける。このときのニオブ酸リチウム導波路への入射偏光方位は、導波路の固有複屈折軸と同一である。この光は再び第２のファラデー回転子６で偏波面を４５°、第１のファラデー回転子５とは逆方向に回転され、元の偏光方位となって、偏波保存ファイバ９に結合される。偏波保存ファイバ９にて結合された右回りの光はさらに位相変調器１０で位相変調され、偏波保存ファイバカプラー４まで到達する。
【００２９】
一方、サニャック干渉計を左回りに伝播する光は、サニャック干渉計を右回りに伝播する光と全く逆の光路を通って、再び偏波保存ファイバカプラー４でサニャック干渉計を左回りに伝播した光と干渉する。このとき、サニャック干渉計を左回りに伝播した光は、第２のファラデー回転子６によって、偏波が４５°回転されてニオブ酸リチウム導波路によるＥＯ素子８に結合されるため、右回りに伝播した光とは直交する偏波でニオブ酸リチウム導波路中を伝播することとなり、右回りの光とは逆の電気光学効果による位相差が与えられる。そして、偏波保存ファイバカプラー４を通過した干渉光は再び偏光子３、カプラー２を通り、検出器１１で電気信号に変換される。電子回路１２では、この電気信号から、印加された電圧を計算し、出力する。
【００３０】
（１−３）作用効果
以上のような第１の実施の形態によれば、図８に示した電流測定装置と同じく、サニャック干渉計を使用しており、センサ部であるＥＯ素子８、ファラデー回転子５，６を除いた全ての光学部品及び電子回路を同一にすることができる。このため、サニャック干渉型の光電流測定装置と特性の一致した光電圧測定装置を得ることが容易である。したがって、温度変化をはじめ厳しい環境条件下にあっても優れた特性を発揮することができる。しかも、分圧器が不要であるため、分圧器の設置に伴う耐絶縁性、応答速度、測定精度の制限を無くすことができ、光化のメリットを十分に享受することが可能である。
【００３１】
ところで、第１の実施の形態に係る電圧計測装置において留意すべき点は、サニャック干渉計を右回り・左回りにそれぞれ周回する光の偏波を同一にするということである。この偏波がそれぞれ異なると、右回りに周回する光と、左回りに周回する光の間に時間差が生じ、正確な電圧測定ができなくなるからである。このため、第１の実施の形態においては、使用する光ファイバに偏波面保存ファイバ９を用いている。偏波面保存ファイバ９は大きな直線複屈折を持ったファイバであり、複屈折の軸に偏波をあわせて入射することによって、その偏波が複屈折の軸に沿って保存されるため、右回り光・左回り光ともに、同一偏波を伝播させることができる。なお、特願２０００−０９８８２０号公報に示された方法によって、シングルモードファイバ中にデポラライズ光を伝播させることによっても、本発明は実現可能である。
【００３２】
さらに、第１の実施の形態は基本的にサニャック干渉計であるので、既に開発されたサニャック干渉型のジャイロセンサや電流測定装置におけるノイズ低減やドリフト低減といった技術をそのまま流用できることはいうまでもない。例えば、セロダイン変調による零位法測定や変調の高調波を使用した変調・光量の安定化などを行うことができる。また、第１の実施の形態では偏波が高複屈折ファイバ及び導波路で固定されており、偏波揺らぎ及び光軸ずれの心配がない。このために、従来の光電圧測定装置で問題となっていた、光路ずれによる複屈折の変化の問題も生じ得ず、自然複屈折を持った電気光学結晶であっても、問題無く使用することができる。しかも、第１の実施の形態では、位相変調器１０を用いているため、小信号時の感度を向上させる場合に効果がある。
【００３３】
［２］第２の実施の形態
（２−１）構成
第２の実施の形態は請求項２の発明に対応しており、図２は第２の実施の形態の構成図である。第２の実施の形態の構成上の特徴は、サニャック干渉計中に２つのＥＯ素子８を配置し、これらのＥＯ素子８を光学的に直列に接続した点にある。このときの、複屈折の軸は両ＥＯ素子８及び偏波保存ファイバ９ともすべて合わせている。なお、光源１から電子回路１２までの構成及び動作については、第１の実施の形態と同一の構成を持ち、同一の動作を行っているので、同一の符号を付し、説明を省略する。また、第２の実施の形態においては、位相変調器１０を用いていないが、電圧とセンサ出力との関係がサイン関数からコサイン関数となるのみで、変調子は必ずしも必要なわけではない。
【００３４】
（２−２）作用効果
このような第２の実施の形態によれば、ＥＯ素子８を直列に接続することによって、各ＥＯ素子８に加わった電圧の和を検出することができる。したがって、電界を積分して電圧を得る場合に、各電界を検出するＥＯ素子を直列に接続するのみで検出することができ、単純なシステムを構築することができる。このため、高信頼性の電界積分型の光電圧測定器を得ることができる。また、ＥＯ素子８の一方を、零位法を行うための参照電圧の印可に用いることも可能である。
【００３５】
［３］第３の実施の形態
（３−１）構成
第３の実施の形態は請求項３の発明に対応しており、図３は第３の実施の形態の構成図である。光源１から電子回路１２までの構成及び動作については、第２の実施の形態と同一の構成及び動作なので、同一の符号を付し、説明を省略する。第２の実施の形態と異なっているところは、光学的に直列に接続されたＥＯ素子８の間に、さらに第３及び第４のファラデー回転子１３，１４が配置されていることである。
【００３６】
（３−２）作用効果
前記第２の実施の形態においては、サニャック干渉計を右回りに伝播する光、左回りに伝播する光の偏波が、ＥＯ素子間を接続する偏波保存ファイバー中で直交しているが、第３の実施の形態では、第３及び第４のファラデー回転子１３，１４を２つのＥＯ素子８間に加えることによって、サニャック干渉計を右回りに伝播する光、左回りに伝播する光とも、同一の偏波がＥＯ素子８間を接続する偏波保存ファイバ９中を伝播することになる。したがって、偏波保存ファイバ９中の直線複屈折の変化が測定上無視できない場合に有効である。
【００３７】
［４］第４の実施の形態
（４−１）構成
ところで、本発明は導波路型のセンサに限定されるわけではなく、図４に示したような空間伝播光を用いることによっても、実現することが可能である。なお、第４の実施の形態における基本的な構成は第１の実施の形態と同一であるので、同一機能の部材には同一の番号を付し、説明を省略する。
【００３８】
第４の実施の形態においては、偏波保存ファイバ９を使用する代わりに、空間ビームで光が伝播されている。光の分岐はカプラーの代わりに、反射率が５０％程度の部分反射鏡１５を使用している。電気光学結晶２６はバルク材をそのまま使用し、光路に対して横方向の電圧を加えられている。また、サニャック干渉計を構成するために、折り返しミラー１６を使用している。
【００３９】
（４−２）作用効果
このような第４の実施の形態によれば、光の電波が空間ビームによっているため、取り扱いは第１の実施の形態よりも煩雑となるが、サニャック干渉型電流測定器と同一の信号処理系が使用できることに変わりはなく、上記実施の形態と都同様の作用効果を期待するれことができる。
【００４０】
［５］第５の実施の形態
（５−１）構成
図５に示す第５の実施の形態は上記第１の実施の形態を用いた電力又は電力量の測定装置であって、請求項４の発明に対応している。なお、電圧を測定する部分については第１の実施の形態と同一であるので同一の番号を付し、説明を省略する。また、電流測定部分については図８と同一であるので、こちらも同一番号を付し、説明を省略する。第５の実施の形態では、電圧測定装置の出力と電流測定装置の出力から乗算器２１を用いて電力が計算されるようになっている。
【００４１】
（５−２）作用効果
図５から明らかなように、ほとんどの構成部品が電圧測定装置と電流測定装置とで同一となっている。電気光学効果及びファラデー効果は電流・電圧に対して時間遅れなく作用するため、位相補償を行う必要が無い。すなわち、電子回路１２で生じる位相誤差が電流測定器と電圧測定器で同一方向に働き、電流・電圧間の位相差は正確に検出される。この結果、電圧測定装置と電流測定装置との出力から乗算器２１にて電力を計算する際に、測定誤差を非常に小さくすることが可能である。このことは、高精度な電力測定をより単純に行うことができることを意味する。したがって、第５の実施の形態においてはその感度さえ安定なように設計すればよく、部品点数の低減と信頼性の向上に寄与することができる。
【００４２】
［６］第６の実施の形態
（６−１）構成
第６の実施の形態は請求項６の発明に対応しており、上記第３の実施の形態を用いた送電線距離継電器であって、電気機器の保護システムを構成するものである。図６において、電圧測定部分については第３の実施の形態と同一であるので、同一の番号を付し、説明を省略する。また、電流測定部分については図８と同一であるので、こちらも同一番号を付し、説明を省略する。
【００４３】
光電流測定器のセンシングファイバ１９は碍子２２の上部に取り付けられ、大地との絶縁を保っている。電圧測定装置に含まれるＥＯ素子８は、碍子内部に３カ所取り付けられ、等価的に電流路２０である送電線と大地の間の電界の積分を行い、電圧を測定するように構成されている。なお、電子回路１２は碍子２２の根本付近に設置された現場盤２３内に設置される。この現場盤２３内には両測定器からの信号を元に、電圧／電流の演算を行う地絡継電器２４が配置されている。
【００４４】
（６−２）作用効果
第６の実施の形態では、前記第５の実施の形態と同じく、ほとんどの構成部品が電圧測定装置及び電流測定装置で同一となっているため、位相補償を行う必要が無く、電流・電圧間の位相差を正確に検出することができる。また、地絡継電器２４は両測定器からの信号を元に電圧／電流の演算を行っている。送電系統が正常に動作している場合には、この演算値は十分に大きな値を示すが、一度地絡・短絡事故が生じると、送電線には大きな電流が流れ、この値は小さくなる。地絡時、短絡時には、この値は地絡点、短絡点までのインピーダンスと等しくなる。つまり、この値から事故点までの距離を求めることができる。求められた距離によって継電器の保護区間内の事故が想定される場合には、継電器は図示されない事故区間両端の遮断器を動作させて、事故区間を取り除く。使用している信号が電圧と電流信号の比であり、相対的な精度が問題となる。このため、第６の実施の形態に示したように、電圧／電流ともにほぼ同一構成で測定を行うメリットは大きい。また、第６の実施の形態において、正確に位相情報を取得することができる。したがって、事故の様相や方向を的確に判断することが可能となり、いっそう優れた信頼性を発揮することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光電圧測定装置によれば、温度変化を初めとした環境変化に強く、安定して動作することができ、しかも分圧器を省くことにより分圧器による耐絶縁性、応答速度、測定精度の制限を回避可能な、高精度で高信頼性の光電圧測定装置を得ることができる。また、本発明によれば、電流・電圧の位相特性を揃えることで測定精度及び信頼性の向上を図った電力又は電力量の測定装置並びに電気機器の保護システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の構成図。
【図２】本発明に係る第２の実施の形態の構成図。
【図３】本発明に係る第３の実施の形態の構成図。
【図４】本発明に係る第４の実施の形態の構成図。
【図５】本発明に係る第５の実施の形態の構成図。
【図６】本発明に係る第６の実施の形態の構成図。
【図７】従来の光電圧測定器の構成図。
【図８】従来のサニャック干渉型の光電流測定器の構成図。
【図９】従来の光電圧測定器の構成図。
【図１０】従来の光電圧測定器の構成図。
【符号の説明】
１…光源
２…カプラー
３…偏光子
４…偏波面保存ファイバカプラー
５…第１のファラデー回転子
６…第２のファラデー回転子
７…電圧
８…ＥＯ素子
９…偏波保存ファイバ
１０…位相変調子
１１…検出器
１２…電子回路
１３…第３のファラデー回転子
１４…第４のファラデー回転子
１５…部分反射鏡
１６…折り返しミラー
１７…第１の１／４波長板
１８…第２の１／４波長板
１９…センサファイバ
２０…電流路
２１…乗算器
２２…碍子
２３…現場盤
２４…距離継電器
２６…電気光学結晶
２７…検光子
３４…電極端子
３５…同期検波器
３６…発振回路
【図１】
2004020348.tif 000003
【図２】
2004020348.tif 000004
【図３】
2004020348.tif 000005
【図４】
2004020348.tif 000006
【図５】
2004020348.tif 000007
【図６】
2004020348.tif 000008
【図７】
2004020348.tif 000009
【図８】
2004020348.tif 000010
【図９】
2004020348.tif 000011
【図１０】
2004020348.tif 000012