(57)【要約】【課題】高電圧が印加される場所でも容易に電源を得ることができ、電力設備の光デジタル網に直接接合可能な電力機器用センサ及びそのセンサを用いた電力機器を提供する。【解決手段】一定の強さで振動する電力機器に取り付けられている電力機器用センサ７は、測定対象の導体にながれる電流を測定し、アナログ信号として出力する変流器１と、変流器１から出力されたアナログ信号を、デジタル伝送に必要なデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号を出力するネットワーク端末８と、加わった振動を電圧に変換する電源９とを備える。この変流器１及びネットワーク端末８は、電源９により変換した電圧により、駆動する。【選択図】図１
2013003063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の強さで振動する電力機器に取り付けられている電力機器用センサにおいて、
前記電力機器の振動を電圧に変換する電源によって駆動されるものであることを特徴とする電力機器用センサ。
【請求項２】
前記電力機器用センサは、
測定対象の物理量を測定しアナログ信号として出力する測定手段と、
前記変流器から出力されたアナログ信号を、デジタル伝送に必要なデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号を出力するネットワーク端末と、を備え、
前記変流器及びネットワーク端末は、前記電源により駆動することを特徴とする請求項１に記載の電力機器用センサ。
【請求項３】
前記電源は、ピエゾ効果を用いた発電素子と、電圧安定化回路を含むことを特徴とする請求項２に記載の電力機器用センサ。
【請求項４】
前記ネットワーク端末は光ファイバと接続され、
この光ファイバ内の光を変調することにより信号を伝達する光変調器を備えることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電力機器用センサ。
【請求項５】
前記電力機器用センサは、インダクタンスとして鉄芯を用いた変圧器に取り付けられ、
この変圧器またはインダクタンスの鉄芯の振動を電圧に変換するように配置されたものであることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の電力機器用センサ。
【請求項６】
一定の強さで振動する電力機器において、
請求項１〜５いずれか１項に記載のセンサを備えることを特徴とする電力機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、振動する電力機器に取り付けられ、電圧、電流、温度などの物理量を測定する電力機器用センサ及びそれを備えた電力機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
高電圧が印加される発電所や変電所、その他の電力系統に設置される電力機器においては、印加電圧や電力系統の電圧が高ければ高いほど、絶縁が重要となる。この絶縁は、電力機器本体だけでなく、電力機器に取り付けられ事故を検知して電力系統を保護するための電流・電圧センサ、機器自身の自己監視のための位置センサ、温度センサ、油圧センサなど様々なセンサにおいても、高電圧の影響を低減するために大きな課題である。
【０００３】
従来では、高電圧の影響を低減するために、光学センサを用いて物理量を光アナログ信号として計測し、その結果を光ファイバにより伝送し、光アナログ信号を光デジタル信号に変換し、デジタル通信網と接続する方法が知られていた（例えば、特許文献１参照）。その一例である変圧器の一次側の導体に流れる電流を測定する変流器を示す図３を参照しつつ、高電圧が印加される電力機器に取り付けるセンサの基本構成を具体的に説明する。図３は、高電圧が印加される電力機器に取り付ける変流器の構成を示すブロック図である。
【０００４】
図３中、１次導体１０１及び２次導体１０２は、電力系統１００の一部を構成する。変圧器１０３は、ブッシング１０４を備え、電力系統１００に接続される。１次導体１０１は、変圧器１０３の１次側の巻線に接続される。２次導体１０２は、変圧器１０３の２次側の巻線に接続される。
【０００５】
変流器１は、一般的な光変流器（以下、光ＣＴ）であり、電流による磁場の変化をファラデー効果により検出することで、１次導体１０１に流れる電流を測定するものである。変流器１の測定対象である１次導体１０１に流れる電流の物理量は、アナログである。変流器では、内部に光ファイバ用の光源２を備え、計測した結果を光アナログ信号として出力する。光ファイバ３は、変流器１の出力側に接続され、変流器１から出力される光アナログ信号を伝送する。
【０００６】
現場盤４は、変流器１からの信号に基づいた各センサからの電流出力を、図示されていない電力系統の保護装置に対して出力するものであり、図４に示すように入力端子４１、アナログデジタル変換部４２、演算処理部４３及び信号出力部４４を備えている。
【０００７】
図４は、現場盤４の拡大図を示したブロック図である。入力端子４１は、現場盤４に設けられる端子であり、光ファイバ３と接続するのに適した形状である。この入力端子４１は、光ファイバ３を介して変流器１と接続し、現場盤４に変流器１から出力される光アナログ信号を入力する。現場盤４と変流器１とは、１対１で接続する必要があるため、変流器１の数だけ入力端子４１が必要となる。入力端子４１は、アナログデジタル変換部４２と接続される。
【０００８】
アナログデジタル変換部４２は、入力端子４１を介して入力したアナログ信号をデジタル信号に変換する。アナログデジタル変換部４２の出力側には、演算処理部４３が接続される。演算処理部４３は、入力したデジタル信号に基づいて演算処理を行う。演算処理部４３での演算処理の結果は、信号出力部４４に出力される。信号出力部４４の出力側には、デジタル通信網と接続する光ファイバ６が接続される。このデジタル通信網と接続する光ファイバ６は、電気信号または光信号により、図示されていない電力系統の保護装置に対して、信号を伝送する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平07-333569号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記のような電気機器用センサには、以下に述べるような解決すべき課題があった。すなわち、変流器１の測定対象である１次導体１０１に流れる電流の物理量はアナログである。これをデジタル通信網と接続する光ファイバ６と接続させるためには、現場盤４でアナログ信号をデジタル信号に変換する必要がある。現場盤４と変流器１とは１対１接続となるため、変流器１の数だけ光ファイバ３が必要になり、変流器１と現場盤４間の光ファイバ３の配線は、煩雑となる。
【００１１】
また、変流器１と現場盤４の間は、アナログでの伝送をしなければならず、デジタルでの伝送に比べて信頼性が低下するという問題点があった。
【００１２】
本発明の実施形態は、上記の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、高電圧が印加される場所でも容易に電源を得ることができ、電力設備の光デジタルネットワークに直接接合可能な電力機器用センサ及びそのセンサを用いた電力機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するため本発明の実施形態は、一定の強さで振動する電力機器に取り付けられている電力機器用センサにおいて、その電力機器用センサは、取り付けられた電力機器の振動を用いることにより駆動されるものであることを特徴とする。
【００１４】
さらに、電圧、電流、温度などの物理量を測定し、アナログ信号として出力する変流器と、振動を用いることにより駆動するセンサと、を備えた電力機器も本発明の実施形態の一態様である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態における電力系統に電力用センサを取り付けた場合の概略構成を示す配線図である。
【図２】実施形態における電力機器用センサ及びネットワーク端末を示すブロック図である。
【図３】従来の電力機器用センサ及び現場盤の概略構成を示す配線図である。
【図４】従来の現場盤の概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、実施形態である電力機器用について、図１，２を参照にして具体的に説明する。なお、下記の実施形態において、図３，４で説明した電力機器用及び現場盤と同一の構成に関しては、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００１７】
本実施形態は、高電圧が印加される電力系統に取り付けられる電力機器用センサに係る実施形態である。
【００１８】
この電力機器用センサ７は、変流器１、ネットワーク端末８、電源９から構成され、電力系統１００に取り付けられる。この電力系統１００には、１次導体１０１、２次導体１０２、変圧器１０３が接続される。変圧器１０３は、ブッシング１０４を備えている。変圧器１０３は、１次側の巻線と２次側の巻線とを相互インダクタンスで結合する電気回路であり、インダクタンスとして鉄芯が用いられる。変圧器１０３やブッシング１０４の大きさは、電力系統１００に印加される電圧の大きさにより、様々なサイズのものがある。この変圧器１０３は、１次側の巻線に１次導体１０１が接続され、２次側の巻線に２次導体１０２が接続される。
【００１９】
［変流器１の構成］
本実施形態において変流器１は、光ＣＴが使用され、電力系統１００の導体１０１に取り付けられ、この導体１０１に流れる電流を測定し、計測した結果をアナログ信号として出力する。図１では、導体１０１に取り付けられているが、導体１０２に取り付けても良い。ネットワーク端末８は、変流器１から出力されるアナログ信号を、デジタル伝送に必要なデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号を出力する。ネットワーク端末８は、デジタル信号網と接続する光ファイバ６と接続される。光ファイバ６は、ネットワーク端末８に入力する信号を伝送する信号入力用の光ファイバ６１及びネットワーク端末８から出力する信号を伝送する信号出力用の光ファイバ６２から構成される。ネットワーク端末８で変換されるデジタル信号は、ネットワーク端末８からデジタル信号網に接続する光ファイバ６の本数を抑えるために、シリアル信号が望ましい。電源９は、ネットワーク端末８に接続され、ネットワーク端末８に電圧を供給するものである。
【００２０】
［ネットワーク端末８の構成］
このネットワーク端末８は、図２に示すように、変流器１から入力した信号をデジタル信号に変換する処理回路８１、変換したデジタル信号を変調に必要な電圧信号に変換するドライバ８２、電圧信号に基づいて光ファイバの光を変調する光変調器８３を備えている。
【００２１】
処理回路８１は、ネットワーク端末８に入力したアナログ信号をデジタル信号に変換し、出力する。変換するデジタル信号は、デジタル信号網と接続する光ファイバ６の本数を少なくする観点から、シリアル転送用のシリアル信号が望ましい。ドライバ８２は、入力したデジタル信号に基づいて、変調に必要な電圧信号に変換し、光変調器８３に対して出力するものである。
【００２２】
光変調器８３には、ドライバ８２からの電圧信号が入力されると共に、デジタル信号網に接続し信号入力用の光ファイバ６１と、信号出力用の光ファイバ６２が接続されている。すなわち、光変調器８３では、この光ファイバ６１を伝送している光を変調し、変調した光信号を光ファイバ６２へ信号を伝送する。この光ファイバ６１及び６２は、デジタル信号網を用いて現場盤（図示しない）に接続する。光ファイバ６１及び６２の光源は、ネットワーク端末７以外の電源の確保が容易な場所に設置する。例えば、デジタル信号網に設けられた現場盤（図示しない）に光源を収納し、現場盤の電源と光源の電源を共通にすることができる。光変調器８３で、デジタル信号を搬送波を変調する変調方式は、特に限定せず様々な変調方式を使用することができる。
【００２３】
［電源９の構成］
図１に示す電源９は、ネットワーク端末８と接続され、ネットワーク端末８に電力を供給するものであり、変圧器１０３のブッシング１０４に取り付けられる。電源９が取り付けられる位置は、変圧器１０３から発生する振動が伝わる部分であれば良いが、特に、ブッシング１０４の先端部などの大きく振動する部分が望ましい。
【００２４】
この電源９は、図２に示すように、発電素子９１と、電圧安定化回路９２を備える。発電素子９１は、発電素子９１に加えられた振動をエネルギー源とするものである。特に、ある特定の方向から発電素子９１に向けて力を加えることで、電気分極が誘起され、正負の電荷が発生する圧電効果（ピエゾ効果）を応用した発電素子を使用することができる。また、この、加えられた振動をエネルギー源とする発電素子の構造や種類は、ピエゾ効果を用いた発電素子だけでなく、振動エネルギーをネットワーク端末８を駆動するのに十分な電力を供給するものであれば良い。
【００２５】
電圧安定化回路９２は、加えられた振動をエネルギー源とする発電素子９１で変換した電圧を安定化させ出力する。電圧の安定化の方法は、ネットワーク端末８へ安定した電圧を供給できるものであれば良いが、発電素子９１で変換した電圧を基準となる電圧と比較し、発電素子９１で変換した電圧を一定にし、出力する電圧を安定化する回路などを利用することができる。
【００２６】
［作用］
以上のような構成を有する本実施形態では、振動する変圧器１０３に取り付けられ、その振動により電力を発生する発電素子９１により、高電圧が印加される場所でも、変流器１を備えたセンサ７に必要な電力を供給することができる。
【００２７】
具体的には、変圧器１０３に電圧が印加されると、変圧器１０３の変圧器やインダクタンスの鉄芯は、電磁力によって電源周波数の２倍の振動を引き起こす。すなわち、電力系統１００が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数の場合は、変圧器１０３は、１００Ｈｚまたは１２０Ｈｚで振動する。さらに、振動振幅は、変圧器１０３が過負荷状態になると大きくなる。
【００２８】
変圧器１０３の本体部やインダクタンスの鉄芯で起こった振動は、ブッシング１０４に伝達した後、ブッシング１０４に取り付けられた電源９に伝達される。このため電源９にも、１００Ｈｚまたは１２０Ｈｚの振動が常に加わることとなる。電源９に伝達された振動は、電源９の発電素子９１により、電圧に変換される。発電素子９１で変換された電圧は、電圧安定化回路９２により安定化された後、ネットワーク端末８に印加される。この電源９では、ネットワーク端末８を駆動するのに十分な電力を供給する。
【００２９】
ところで、図３の様に、検出結果を変流器１に備え付けられた光ファイバ３用の光源２により現場盤４に送信する場合、必要な電力の多くの部分は変流器１部分の電力ではなく、計測結果を送信するための光源２部分の電力である。具体的には、変流器１側に光ファイバ３用の光源２がある場合には、変流器１に必要な電力は、一般的には１０〜２０Ｗ程度である。一方、本実施例では、センサ７に光ファイバ用の電源を設ける必要がないため、変流器１及びセンサ７で必要な電力は０．１〜１０Ｗ程度となる。すなわち、本実施形態の構成では、センサ７で必要な電力を格段に低減することができので、発電素子９１で変換する電圧の値も抑えることができる。
【００３０】
さらに、電力設備での高電圧側で電源を得る方法として、いままで色々な方法が提案されてきた。レーザ光を高圧部まで伝達し、光エネルギーから電力を得る方法がある。この方法では、電源供給のための高価なレーザ装置が必要である。また、電源供給用の光ファイバが新たに必要となる。この光ファイバによる電源供給では、送信できる電力が限られているため、ネットワーク端末に必要な電力を確保することが難しかった。
【００３１】
また、太陽光や風力を用いる方法は、天候に左右される。また、導電線に電源供給用の変流器を設置する方法では、負荷電流が流れていないときには電源を供給することができない問題点がある。
【００３２】
この点、本実施形態の発電素子９１により振動を電圧に変換する方法では、計測が必要になった瞬間すなわち、電力系統１００に電圧が印加された瞬間から電源供給が可能となる。また、負荷や天候に左右されずに、一定の電力を供給することができる。
【００３３】
［効果］
以上のような実施の形態より、電源の確保が難しい高電圧が印加される場所でも、容易に電源を得ることができるため、発電所や変電所に設置する電力機器用や、電力系統に取り付けられる電力機器用で測定した結果を光デジタルネットワークに伝達することができる。
【００３４】
また、光ファイバ用の光源２をセンサ部分に設けていないので、光源を設けるセンサよりも低い電力で、センサで測定した結果を、光デジタルネットワークに伝達することができる。
【００３５】
（他の実施形態）
なお、本明細書においては、本発明に係る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って、発明の範囲を限定することを意図していない。具体的には次の（１）〜（７）のような形態も含有する。
【００３６】
（１）図１に示すように、加えられた振動をエネルギー源とする発電素子９１を備えたセンサだけでなく、このようなセンサを備えた変圧器も本発明の範囲に包含される。
【００３７】
（２）前記実施形態では、電力機器用センサ７は、変流器１、ネットワーク端末８、電源９から構成したが、測定対象により変流器１を変圧器、温度計、湿度計、磁気センサなど種々の測定手段と置き換えても良い。
【００３８】
（３）変圧器１０３のブッシング１０４にセンサ７を取り付けたが、センサ７を駆動するのに十分な電力を供給する振動エネルギーを得ることができれば、変圧器の本体に直接設置することも可能である。これにより、センサ７を取り付ける範囲が広くなり、センサの設計に自由度を持たせることができる。
【００３９】
（４）前記実施形態では、変圧器１０３のブッシング１０４にセンサ７を取り付けたが、センサ７を駆動するのに十分な電力を供給する振動エネルギーを得ることができれば、変圧器の本体に直接設置することも可能である。これにより、センサ７を取り付ける範囲が広くなり、センサの設計に自由度を持たせることができる。
【００４０】
（５）前記実施形態では、変圧器１０３のブッシング１０４にセンサ７を直接取り付けたが、ブッシング１０４とセンサ７の間に、変圧器１０３の振動を増幅するように調整したバネやゴムなどの弾性体を設けても良い。このように振動を増幅することにより、振動が小さい変圧器にセンサ７を取り付けたとしても、センサ７を駆動するのに十分な電力を供給する振動エネルギーを得ることができる。
【００４１】
（６）前記実施形態では、変圧器１０３にセンサ７を取り付けたが、一定以上の強さで振動する電力機器であれば、種々の電力機器に取り付けることが可能である。すなわち、加えられた振動をエネルギー源とする発電素子９１が、ネットワーク端末８を駆動するのに十分な電圧を発生するのに十分な振動を発生する電力機器であれば、変圧器１０３以外でも、前記実施形態の作用効果を併せ持つことができる。
【００４２】
（７）前記実施形態では、変圧器１０３に１つのセンサ７を取り付けたが、複数のセンサ７を取り付けることも可能である。複数のセンサを取り付けることにより、複数の物理量を測定することができる。また、複数のセンサで同時に同じ物理量を測定することにより、片方のセンサ７が故障した場合でも、測定を続けることができる。
【００４３】
以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００４４】
１  …変流器
２  …光ファイバ用光源
３  …光ファイバ
４  …現場盤
４１…入力端子
４２…アナログデジタル変換部
４３…演算処理部
４４…信号出力部
６  …光ファイバ
７  …センサ
８  …ネットワーク端末
９  …電源
９１…発電素子
１００…電力系統
１０１…１次導体
１０２…２次導体
１０３…変圧器
１０４…ブッシング
【図１】
2013003063.tif 000003
【図２】
2013003063.tif 000004
【図３】
2013003063.tif 000005
【図４】
2013003063.tif 000006