(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力ケーブル又はモールド変圧器の固体絶縁材によって絶縁され且つ周囲に発生する電界内に前記固体絶縁材を配置した導体の電圧測定方法において、前記固体絶縁材は前記電界による電気光学カー効果および前記電界により発生するマクスウェル応力による光弾性効果によって誘電率異方性体となるものであり、前記固体絶縁材を透過し得る波長の検出光を前記固体絶縁材に透過させる光路を決定し、前記導体に既知の値の試験電圧をかけて前記電界を発生させて前記固体絶縁材を誘電率異方性体にしながら前記光路に前記検出光を透過させて前記導体にかけた電圧と透過光の偏光状態との関係を予め求めておき、前記光路に前記検出光を透過させて、その透過光の偏光状態から前記関係を利用して前記導体の電圧を求めることを特徴とする固体絶縁された導体の電圧測定方法。
【請求項２】
前記固体絶縁材が前記検出光を透過させない材料で被覆されている場合には、被覆層の前記光路上の部位に前記検出光を入射させる入射窓と、前記透過光を出射させる出射窓を形成することを特徴とする請求項１記載の固体絶縁された導体の電圧測定方法。
【請求項３】
前記検出光として、赤外光を使用することを特徴とする請求項１又は２記載の固体絶縁された導体の電圧測定方法。
【請求項４】
前記入射窓及び出射窓に前記検出光が透過する材料の充填材を充填することを特徴とする請求項２又は３記載の固体絶縁された導体の電圧測定方法。
【請求項５】
前記透過光の偏光状態から前記導体にかけられた電圧の周波数に対応して変化する偏光状態を抽出し、抽出後の偏光状態から前記関係を利用して前記導体の電圧を求めることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の固体絶縁された導体の電圧測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体絶縁材によって絶縁された導体の電圧測定方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、固体絶縁材の電気光学カー効果および光弾性効果を利用した電圧測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
変圧器等の電気機器の運転電圧をモニタするために、電気機器に電圧用の計測器を接続する。特に高圧の電気機器の運転電圧をモニタする場合には計器用変圧器（ＶＴ）と呼ばれる計測器を使用する。この場合、電気機器の外部に高圧端子を取り出し、この高圧端子に計器用変圧器を接続する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の計器用変圧器を使用して電気機器の運転電圧をモニタする方法では、電気機器の外部に高圧端子を取り出し、この高圧端子に計器用変圧器を接続する必要があるため、計器用変圧器の絶縁に大きな離隔距離や専用のガス絶縁タンクが必要となる。このため、システムの大型化を招き、設備コストの低減を困難にしている。
【０００４】
本発明は、電気機器の外部に取り出す高圧端子を不要にして設備の小型化が可能な固体絶縁された導体の電圧測定方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために請求項１記載の発明は、電力ケーブル又はモールド変圧器の固体絶縁材によって絶縁され且つ周囲に発生する電界内に固体絶縁材を配置した導体の電圧測定方法において、固体絶縁材は電界による電気光学カー効果および電界により発生するマクスウェル応力による光弾性効果によって誘電率異方性体となるものであり、固体絶縁材を透過し得る波長の検出光を固体絶縁材に透過させる光路を決定し、導体に既知の値の試験電圧をかけて電界を発生させて固体絶縁材を誘電率異方性体にしながら光路に検出光を透過させて導体にかけた電圧と透過光の偏光状態との関係を予め求めておき、光路に検出光を透過させて、その透過光の偏光状態から前記関係を利用して導体の電圧を求めるものである。
【０００６】
導体に電圧をかけると、その電圧に応じて固体絶縁材の誘電率異方性が変化する。この固体絶縁材に光を透過させると、透過光は固体絶縁材の誘電率異方性に応じた偏光状態となる。したがって、導体にかけた電圧と固体絶縁材を透過した透過光の偏光状態とは一定の関係を示すことになり、この関係を利用することで実測した透過光の偏光状態に基づいて導体の電圧を求めることができる。
【０００７】
また、請求項２記載の固体絶縁された導体の電圧測定方法は、固体絶縁材が検出光を透過させない材料で被覆されている場合には、被覆層の光路上の部位に検出光を入射させる入射窓と、透過光を出射させる出射窓を形成するものである。
【０００８】
固体絶縁材が検出光を透過させない材料で被覆されていると、固体絶縁材に検出光を直接入射させることができない。したがって、被覆層に入射窓と出射窓を形成することで、入射窓から固体絶縁材に検出光を入射させ、固体絶縁材を透過した透過光を出射窓から出射させることができる。
【０００９】
なお、入射窓と出射窓の大きさは、検出光を通すために必要な限度で可能な限り小さくすることが好ましい。入射窓と出射窓を小さくすることで絶縁破壊が生じるのを防止することができる。
【００１０】
また、請求項３記載の固体絶縁された導体の電圧測定方法は、検出光として、赤外光を使用するものである。
【００１１】
一般に電気機器にはポリエチレン等の高分子材料が固体絶縁材として用いられていることが多い。例えば電力ケーブルであるＣＶケーブルでは、導体の周囲を覆う固体絶縁材として架橋ポリエチレンを用いている。ポリエチレン等の高分子材料は可視光に対して不透明であるが、赤外光に対しては透過率を増加させることが知られている。したがって、検出光として赤外光を使用することで、高分子材料を固体絶縁材として用いる電気機器についても、導体の電圧測定を行うことができる。
【００１２】
また、請求項４記載の固体絶縁された導体の電圧測定方法は、入射窓及び出射窓に検出光が透過する材料の充填材を充填するものである。したがって、入射窓と出射窓の部分から固体絶縁材が露出するのを防止することができる。検出光は充填材を透過するので、検出光を固体絶縁材に透過させることができる。
【００１３】
また、請求項５記載の固体絶縁された導体の電圧測定方法は、透過光の偏光状態から導体にかけられた電圧の周波数に対応して変化する偏光状態を抽出し、抽出後の偏光状態から前記関係を利用して導体の電圧を求めるものである。
【００１４】
導体の電圧測定中には、固体絶縁材に熱応力や短絡電流等による電磁力が作用することがある。固体絶縁材の誘電率異方性は熱応力や電磁力による光弾性効果の影響を受けて変化するので、熱応力や短絡電流等による電磁力が発生するとこれらが外乱となって透過光の偏光状態を変化させてしまう。一方、導体にかけられた電圧が交流である場合にはその値は所定の周波数で変化するので、透過光の偏光状態も所定の周波数で変化する。したがって、透過光の偏光状態の中から所定の周波数で変化するもののみを抽出することで、熱応力や短絡電流による電磁力等の外乱の影響を除去して電圧測定を行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図１に本発明を適用した固体絶縁された導体の電圧測定方法の実施形態の一例を示す。この電圧測定方法は、電力ケーブル又はモールド変圧器の固体絶縁材によって絶縁され且つ周囲に発生する電界内に固体絶縁材を配置した導体の電圧測定方法であって、固体絶縁材を透過し得る波長の検出光を固体絶縁材に透過させる光路を決定し（ステップＳ１）、導体に既知の値の試験電圧をかけて電界を発生させて固体絶縁材を誘電率異方性体にしながら光路に検出光を透過させて導体にかけた電圧と透過光の偏光状態との対応関係（関数）を予め求めておき（ステップＳ２）、光路に検出光を透過させて（ステップＳ３）、その透過光の偏光状態から前記関係を利用して導体の電圧を求める（ステップＳ４）ものである。
【００１９】
電気機器として例えば電力ケーブルのＣＶケーブルの運転電圧を測定する場合を例にして、より具体的に説明する。図２に、ＣＶケーブル１０の一例の断面を示す。導体１１には、内側から順番に半導電性テープ１２、半導電性混和物１３、固体絶縁材１４、半導電性混和物１５、半導電性テープ１６、遮蔽軟銅テープ１７、押さえ布テープ１８、ビニルシース１９が配置されている。ＣＶケーブル１０では、固体絶縁材１４として架橋ポリエチレンを使用している。また、半導電性混和物１３，１５と半導電性テープ１２，１６は、固体絶縁材１４と同様に、検出光２０を透過させる。なお、導体１１の周囲には電界が発生する。したがって、固体絶縁材１４は電界内に配置されることになる。
【００２０】
まず、固体絶縁材１４に検出光２０を透過させる光路２１を決定する（ステップＳ１）。この光路２１上に検出光２０を伝搬させることで固体絶縁材１４中を透過させる。
【００２１】
次に、この光路２１における導体１１にかけた電圧と透過光の偏光状態との関係を求める（ステップＳ２）。導体１１にかけた電圧と透過光の偏光状態とが一定の関係を示すのは以下の理由からである。
【００２２】
送電中にはＣＶケーブル１０の導体１１の周囲に電界が発生するので、固体絶縁材１４はこの電界内に配置されることになり、電気光学カー効果（電気的カー効果）により固体絶縁材１４は光学的異方性体となる。その屈折率は導体１１にかけた電圧の二乗に比例して変化する。また、導体１１の周囲に発生する電界の影響で固体絶縁材１４には導体１１にかけた電圧に応じたマクスウェル応力が作用する。このため、光弾性効果により固体絶縁材１４の誘電率に異方性が現れる。マクスウェル応力による光弾性効果の誘電率異方性は、導体１１にかけた電圧の二乗に比例して変化する。即ち、送電中には、固体絶縁材１４は固体絶縁材１４自身の電気光学カー効果及び光弾性効果によって導体１１の電圧値に応じた誘電率異方性を示すことになる。
【００２３】
誘電率異方性を示す固体絶縁材１４に光を透過させると、その偏光状態は固体絶縁材１４の誘電率異方性に応じて変化する。即ち、導体１１の電圧値に応じて固体絶縁材１４の誘電率異方性が定まり、固体絶縁材１４の誘電率異方性に応じて透過光の偏光状態が定まるので、導体１１にかける電圧と固体絶縁材１４の透過光の偏光状態との間には一定の関係が成立することになる。
【００２４】
例えば、導体１１に既知の値の試験電圧をかけた状態で固体絶縁材１４に検出光２０を透過させ、透過光の偏光状態を測定する。例えば、検光子によって透過光の特定方向成分を取り出し、その光強度を測定する。そして、導体１１にかける試験電圧を変えて同様の測定を繰り返し行う。このように試験電圧を変えた測定を繰り返し行うことで、導体１１にかかる電圧と固体絶縁材１４の透過光の偏光状態との関係を求めることができる。
【００２５】
同じ固体絶縁材１４であっても光路２１が異なると、導体１１にかける電圧と透過光の偏光状態との関係は変化する。したがって、実際に電圧測定を行う光路２１について、導体１１にかける電圧と透過光の偏光状態との関係を求めておく。
【００２６】
このようにして導体１１にかけた電圧と透過光の偏光状態との関係を求めた後、光路２１に検出光２０を透過させ（ステップＳ３）、その透過光の偏光状態から前記関係を利用して導体１１の電圧値を求める（ステップＳ４）。即ち、実測した透過光の偏光状態を前記関係に当てはめることで、その偏光状態に対応する電圧即ち導体１１の電圧を導くことができる。
【００２７】
本実施形態では固体絶縁材１４が架橋ポリエチレンであり、検出光２０として例えば赤外光を使用する。赤外光は架橋ポリエチレンを透過するので検出光２０として使用することができる。この赤外光として例えば１μｍ〜数ｍｍの波長のものを使用する。好ましくは、例えば１５μｍ〜数１００μｍの波長の赤外光を使用する。最も好ましくは、例えば数１０μｍ〜数１００μｍの波長赤外光を使用する。ただし、赤外光であっても波長によっては架橋ポリエチレンに吸収される場合があるので、検出光２０として架橋ポリエチレンを透過し得る波長の赤外光を使用する。なお、検出光２０として一般には直線偏光又は円偏光を用いてこれを光路２１に入射させる。ただし、直線偏光や円偏光に限るものではなく、楕円偏光でも良い。
【００２８】
また、本実施形態では、ＣＶケーブル１０の固体絶縁材１４に検出光２０を透過させるために、検出光２０を入射させる入射窓２２と、固体絶縁材１４を透過した透過光を出射させる出射窓２３を形成している。即ち、固体絶縁材１４は光を透過させない材料で被覆されているので、被覆層の光路２１上の部位に入射窓２２と出射窓２３を形成している。具体的には、ＣＶケーブル１０のビニルシース１９、押さえ布テープ１８、遮蔽軟銅テープ１７は赤外光を透過させないので、ビニルシース１９の層、押さえ布テープ１８の層、遮蔽軟銅テープ１７の層の光路２１上の部位に穴を設けて入射窓２２と出射窓２３にする。
【００２９】
なお、本実施形態の半導電性テープ１６は赤外光を透過させるものであるため、ＣＶケーブル１０の半導電性テープ１６の層には入射窓２２と出射窓２３を形成する必要がないが、半導電性テープ１６として赤外光を透過させないものを使用する場合には、この半導電性テープ１６の層にも入射窓２２と出射窓２３を形成する必要がある。また、半導電性テープ１６が赤外光を透過させるものであっても、絶縁破壊の虞がない場合などには、半導電性テープ１６の層にも入射窓２２と出射窓２３を形成しても良い。なお、入射窓２２と出射窓２３を形成する場合には、入射窓２２と出射窓２３は赤外光を通す限度で可能な限り小さく形成し、半導電性テープ１６の露出により絶縁破壊が生じるのを防止する。
【００３０】
入射窓２２と出射窓２３には、検出光２０が透過する材料の充填材２４が充填されている。本実施形態では、検出光２０として赤外光を使用するので、赤外光を透過させる材料、例えば半導電性材料を充填する。このように、充填材２４を入射窓２２と出射窓２３に充填することで、絶縁破壊の発生をより確実に防止することができる。なお、入射窓２２と出射窓２３に充填材２４を充填しなくても絶縁破壊の虞が無く半導電性テープ１６を露出させても良い場合などには、入射窓２２と出射窓２３に充填材２４を充填しなくても良い。
【００３１】
例えば図３に示すように、入射窓２２には検出光２０の光源２５が取り付けられている。また、出射窓２３には検出ユニット２６が取り付けられている。検出ユニット２６は、赤外光用検光子と受光器より構成されている。受光器の出力は信号線２７によって図示しない電圧記録装置に供給される。ＣＶケーブル１０の外周面は接地電位に落とされており、ＣＶケーブル１０の外周面に光源２５や検出ユニット２６の取り付けを可能にしている。
【００３２】
光源２５から検出光２０を入射窓２２に向けて照射すると、この検出光２０は充填材２４、半導電性テープ１６、半導電性混和物１５、固体絶縁材１４を透過して出射窓２３から検出ユニット２６の検光子に入射する。
【００３３】
いま、導体１１の周囲には電界が発生しており、固体絶縁材１４は誘電率に異方性を有しているので、固体絶縁材１４に入射した検出光２０は、直ちに誘電率の大きい方向と小さい方向（互いに直交）の直線偏波に分かれ、それぞれの屈折率（速度）で光路２１を伝搬する。その結果、図４に示すように、誘電率の大きい方向と小さい方向の直線偏波に位相差が生じ、これらを合成して考えると、固体絶縁材１４に入射する前の状態と比べて偏波面が変形する。したがって、固体絶縁材１４を透過した後の透過光の特定方向成分（たとえば図４のｘ軸及びｙ軸に対して４５度方向の成分）に注目すると、この特定方向成分の光強度は固体絶縁材１４の誘電率異方性の大きさに依存することになる。この特定方向成分の光を検出ユニット２６の電界方向によって定まる適切な方向の検光子によって取り出し受光器に入射させると、光強度に応じた信号、即ち固体絶縁材１４の誘電率異方性の大きさに対応した信号を得ることができる。ここで、誘電率異方性に分布がある物質の場合には、この現象が平均化されて現れる。
【００３４】
そして、既知の値の試験電圧を導体１１にかけて透過光の特定方向成分の光強度を測定し、かかる測定を試験電圧を変えて複数回おこなう。複数回の測定結果に基づいて導体１１にかかる電圧と透過光の特定方向成分の光強度との関係式をフィッティングする（ステップＳ２）。例えば、数式１のような関係式がフィッティングされる。
【数１】
光強度＝Ａ×ｃｏｓ（Ｂ×電圧の二乗＋Ｃ）
ただし、Ａ，Ｂ，Ｃは電気機器ごとに設定する関係式毎に定める係数
この様な関係式を求めた後、送電中のＣＶケーブル１０の導体１１の電圧測定をおこなう。透過光の特定方向成分の光強度を計測する（ステップＳ３）ことで、上記関係式から導体１１の電圧値を求めることができる（ステップＳ４）。
【００３５】
実際には、ＣＶケーブル１０には商用周波数、例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの周波数の交流電流が流れていることからその周波数で透過光の特定方向成分の光強度は変化する。光源２５から検出光２０を連続して照射することで、透過光の特定方向成分の光強度を連続して計測することができ、導体１１の電圧を連続してモニタすることができる。
【００３６】
なお、ＣＶケーブル１０には、内部の温度変化によって熱応力が発生し、また、温度分布に応じて熱応力が発生し、さらに、短絡電流の発生等などの急峻な電流変化によって電磁力が発生する。これらの熱応力や電磁力による光弾性効果によっても固体絶縁材１４の誘電率異方性が変化する。また、そのほか測定系には種々のノイズ要因が存在する。したがって、図５（Ａ）に示すように、測定出力である透過光の特定方向成分の光強度にノイズが含まれることになる。しかしながら、測定対象である電圧は所定の周波数で変化するものである。例えば送電中のＣＶケーブル１０の電圧は商用周波数で変化する。このため、測定出力から商用周波数で変化する信号を抽出することで、図（Ｂ）に示すように、ノイズを除去することが可能であり、測定対象に関係する出力のみを取り出すことができる。即ち、透過光の偏光状態から導体１１にかけられた電圧の周波数に対応して変化する偏光状態を抽出し、抽出後の偏光状態から前記関係を利用して導体１１の電圧を求めることができる。例えば、信号線２７の先にロックインアンプ等のフィルタ装置を接続することで、ノイズを除去して測定を行うことができる。
【００３８】
このように、本発明では、導体１１を絶縁する固体絶縁材１４を利用して導体１１の電圧を測定することができる。このため、電圧測定に必要な設備がコンパクトになり、設備コストを低減することができる。
【００３９】
また、導体１１を絶縁する固体絶縁材１４に検出光２０を透過させることで導体１１の電圧値を測定できるので、簡単に電圧測定を行うことができる。
【００４０】
また、検出光２０として赤外光を使用するので、固体絶縁材１４に検出光２０を透過させることができ、固体絶縁材１４によって絶縁される導体１１の電圧測定を可能にすることができる。
【００４１】
また、実際に測定を行う光路２１を決定し、この光路２１について上記関係を求めて電圧測定を行うので、光路２１の選択の自由度が高く、いろいろな場所に適用することができる。即ち、同一のＣＶケーブル１０であってもいろいろな場所に適用することができ、また、ＣＶケーブル１０以外の電気機器についても適切な場所を選択して適用することができる。これらのため、汎用性に優れ、使い勝手の良い電圧測定方法を提供することができる。
【００４２】
また、ＣＶケーブル１０等の電力ケーブル等に適用することで、送電中の電圧を測定することが可能になる。
【００４３】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００４４】
例えば、上述の説明では電気機器として電力ケーブルに適用した場合を例にしていたが、適用可能な電気機器としては電力ケーブルに限るものではなく、例えば、モールド変圧器にも適用することができる。モールド変圧器では固体絶縁材１４として例えばエポキシを使用しており、検出光２０としてエポキシを透過し得る波長の光を使用する。なお、適用する電気機器の構造によって光を通しやすい位置がそれぞれ異なるので、その電気機器毎に適切な位置を選んで光路２１を決定すれば良い。
【００４５】
図６に、モールド変圧器に適用する場合の概念を示す。変圧器コイル２８のまわりの固体絶縁材１４（運転電圧に応じて、機器構造で決まる電位分担で印加電界が決まっている）に検出光２０を透過させる。コイル２８は外側の低圧のコイルと内側の高圧のコイルとの同軸構造である。外側の低圧のコイル部分について測定する場合には、図示するようにコイル２８の外側に検出光２０を透過させる。また、内側の高圧のコイル部分について測定する場合には、外側のコイルと内側のコイルとの隙間に検出光２０を透過させる。図示省略しているが、光源２５及び検出ユニット２６は固体絶縁材１４の表面に取り付ける。本発明は固体絶縁材１４の電圧分担が変わらないことが前提であり、測定中にモールド変圧器に人が近づく、雨が当たる、雪がつもる、というようなことがないようにする。
【００４６】
また、上述の説明では、導体１１にかける電圧と透過光の偏光状態の関係を数式化していたが、例えば、導体１１の電圧と透過光の偏光状態とを対応させたテーブルを作成するようにしても良い。即ち、このテーブルを参照することで、透過光の偏光状態から導体１１の電圧を求めるようにしても良い。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の固体絶縁された導体の電圧測定方法では、固体絶縁材を透過し得る波長の検出光を固体絶縁材に透過させる光路を決定し、導体に既知の値の試験電圧をかけて電界を発生させて固体絶縁材を誘電率異方性体にしながら光路に検出光を透過させて導体にかけた電圧と透過光の偏光状態との関係を予め求めておき、光路に検出光を透過させて、その透過光の偏光状態から前記関係を利用して導体の電圧を求めるようにしているので、もともと、機器の絶縁材料として使用されているものを測定器の一部として利用することから、計器用変圧器を接続して電圧測定を行う場合のように絶縁の為に大掛かりな設備が不要になり、コンパクトな構造によって導体の電圧を測定することができる。このため、設備コストを低減することができる。また、光路の選択の自由度が高く、汎用性に優れ使い勝手の良い電圧測定方法を提供することができる。
【００４８】
また、請求項２記載の固体絶縁された導体の電圧測定方法では、固体絶縁材が検出光を透過させない材料で被覆されている場合には、被覆層の光路上の部位に検出光を入射させる入射窓と、透過光を出射させる出射窓を形成するようにしているので、入射窓と出射窓を利用して固体絶縁材に検出光を透過させることができ、固体絶縁材が検出光を透過させない材料で被覆されている場合であっても導体の電圧測定を行うことができる。
【００４９】
また、請求項３記載の固体絶縁された導体の電圧測定方法では、検出光として赤外光を使用するので、固体絶縁材として一般的に使用されているポリエチレン等の高分子材料に対して検出光を透過させることができる。
【００５０】
また、請求項４記載の固体絶縁された導体の電圧測定方法では、入射窓及び出射窓に検出光が透過する材料の充填材を充填するようにしているので、固体絶縁材が露出するのを防止することができ、絶縁破壊をより一層確実に防止することができる。
【００５１】
また、請求項５記載の固体絶縁された導体の電圧測定方法では、透過光の偏光状態から導体にかけられた電圧の周波数に対応して変化する偏光状態を抽出し、抽出後の偏光状態から前記関係を利用して導体の電圧値を求めるようにしているので、熱応力や短絡電流による電磁力等の外乱の影響を除去して電圧測定を行うことができ、測定の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体絶縁された導体の電圧測定方法の実施形態の一例を示すフローチャートである。
【図２】本発明を適用したＣＶケーブルの断面である。
【図３】本発明を適用したＣＶケーブルの斜視図である。
【図４】誘電率異方性を持つ固体絶縁材によって検出光が偏光される様子を概念的に示す説明図である。
【図５】測定出力から所定の周波数で変化する信号を抽出する概念を示し、（Ａ）はノイズが含まれた状態の出力を示す図、（Ｂ）は（Ａ）の状態から所定の周波数で変化する信号を抽出した状態の出力を示す図である。
【図６】本発明を適用したモールド変圧器の概念図である。
【符号の説明】
１１  導体
１４  固体絶縁材
２０  検出光
２１  光路
２２  入射窓
２３  出射窓
２４  充填材
【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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