JPH10111320A - 光電圧・光電流センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気光学素子２７を備え、該電気光学素子２
７の印加電圧に対応した透過光量から、電力系統の電圧
を測定するようにした光電圧センサ２１において、セン
サ部２２を構成する光学部品および受光回路２４内の増
幅回路４２などで生じる温度による直流成分の変動の影
響を除去する。 【解決手段】 発光回路２３からは、測定すべき電力系
統の系統周波数、例えば５０（Hz）に対して、２倍以上
の周波数、例えば６(kHz) の変調光を前記電気光学素子
２７へ与え、その出力光を基本波フィルタ４４と変調波
フィルタ４５とでそれぞれ前記５０（Hz）成分と６(kH
z) 成分とに分離して、除算器４７で除算を行う。した
がって、センサ部２２の光学部品や受光回路２４などで
生じる温度による直流成分の変動を除去した測定すべき
電圧の成分のみを出力することができ、測定精度を向上
することができるとともに、広い温度範囲で使用するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ポッケルス素子な
どの電気光学素子を用いて電力系統の電圧を検知する光
電圧センサおよびファラデー素子などの磁気光学素子を
用いて電流を検知する光電流センサに関し、特にその温
度特性を改善するための構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】電力系統の電圧測定には、電圧変成器が
広く用いられている。しかしながら、この電圧変成器
は、測定すべき系統電圧が高くなるほど大型化してしま
い、コストおよびスペースが嵩むという問題がある。特
にＧＩＳと称される不活性ガスを用いたガス絶縁開閉装
置では、小型化および省スペース化が強く要求され、こ
のような電圧変成器を搭載することが困難になってい
る。

【０００３】このため、従来から、前記ポッケルス素子
などの電気光学素子を用いた光電圧センサが用いられる
ようになってきている。前記電気光学素子には、系統の
充電導体と該充電導体と並行に配設された浮遊導体とに
よって形成される浮遊容量と、前記浮遊導体と接地電位
との間に設けたコンデンサとによって、前記充電導体の
電圧が分圧されて印加されている。電気光学素子は、前
記印加電圧による電界に対応した透過光量となる。した
がって、前記充電導体の電圧に対応した光量を抽出し、
この光量を光電変換することによって、充電導体の電圧
に対応したセンサ出力が作成される。

【０００４】図４は、典型的な従来技術の光電圧センサ
１の構成を示すブロック図である。この光電圧センサ１
は、大略的に、光学部品から成るセンサ部２と、発光回
路３と、受光回路４とを備えて構成されている。センサ
部２は、偏検光子５と、λ／４板６と、電気光学素子７
と、偏検光子８とが、この順で配列されて構成されてい
る。

【０００５】前記センサ部２は前記開閉装置などに関連
して配置され、残余の発光回路３および受光回路４は前
記センサ部２とは離間した変電所建屋内などに配置さ
れ、これらの間は、たとえば１００ｍ以上に及ぶことも
ある図示しない光ファイバによって接続されている。

【０００６】前記偏検光子５には、発光回路３の発光ダ
イオード１１からの光が、図示しない前記光ファイバお
よびコリメータを介して入射されている。また、偏検光
子８からの出力光は、図示しないコリメータおよび前記
光ファイバを介して、受光回路４のフォトダイオード１
２によって受光される。したがって、偏検光子５は偏光
子として作用し、発光ダイオード１１からの入射光のう
ち、所定の偏光方向の光のみをλ／４板６へ出力し、偏
検光子８は検光子として作用し、電気光学素子７からの
出力光のうち、所定の偏光方向の光のみをフォトダイオ
ード１２へ出力する。なお、偏検光子８に発光回路３
が、偏検光子５に受光回路４が臨んでいてもよく、この
場合は、偏検光子８は偏光子として作用し、偏検光子５
は検光子として作用する。

【０００７】λ／４板６は、入射光の成分を、Ｃ軸と、
該Ｃ軸に直交する軸とに分離し、これらの分離した光に
対して、出射面までに、相互にλ／４、すなわちπ／２
＝９０（°）の位相差を与え、したがって、該λ／４板
６からの出射光は、図５において参照符α１で示すよう
な円偏光となる。電気光学素子７は、たとえばＢＧＯ
（Ｂｉ₁₂ＧｅＯ₂₀）結晶から成るポッケルス素子で実現
され、前記コンデンサである印加電源９からの印加電圧
に対応してその旋光量を変化し、これによって該電気光
学素子７からの出力光は、前記図５において参照符α
２，α３で示すような楕円偏光となる。

【０００８】前記発光回路３において、発光ダイオード
１１は、直流電源１３によって発光駆動される。一方、
受光回路４において、前記フォトダイオード１２からの
出力は、増幅回路１４で増幅された後、ハイパスフィル
タ（略称ＨＰＦ）１５と、ローパスフィルタ（略称ＬＰ
Ｆ）１６とに共通に入力されている。ハイパスフィルタ
１５からの出力は、除算器１７において、ローパスフィ
ルタ１６からの出力で除算されて出力される。

【０００９】したがって、除算器１７の出力は、ハイパ
スフィルタ１５で抽出された交流成分ＡＣを、ローパス
フィルタ１６で抽出された直流成分ＤＣによって除算し
た値となり、前記発光ダイオード１１の発光光量の変
化、フォトダイオード１２の受光感度変化および光ファ
イバ等の伝送路損失の変化などによる影響を除去して、
正確な系統電圧の測定を行うことができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のように構成され
る光電圧センサ１では、受光回路４からの出力ＡＣ／Ｄ
Ｃには、前述の発光ダイオード１１の発光光量の変化等
の交流成分ＡＣと直流成分ＤＣとに共に現れる誤差成分
による影響は除去されているけれども、いずれか一方の
成分、特に直流成分ＤＣに現れる温度による誤差の影響
を除去することができないという問題がある。

【００１１】たとえば、前記λ／４板６による出射光の
相互に垂直な２つの成分間の位相差は、温度によって変
化し、前記直流成分ＤＣが変動する。また、前記受光回
路４内では、たとえば複数段の差動増幅器などから成る
増幅回路１４のオフセットおよびフィルタ１５，１６を
構成するコンデンサの時定数が温度によって変化し、前
記直流成分ＤＣに変動を生じてしまうことがある。

【００１２】これらの直流成分ＤＣの変動は、印加電源
９による印加電圧に起因した前記交流成分ＡＣには反映
されず、したがって正確な系統電圧の測定を行うことが
できないという問題がある。

【００１３】また、前記電気光学素子７に代えて、ファ
ラデー素子などの磁気光学素子を用いて系統電流を検知
する光電流センサに関しても、同様の問題が生じる。

【００１４】本発明の目的は、光学部品や受光回路で発
生する温度による直流成分の変動の影響を除去して、高
精度な測定を行うことができる光電圧・光電流センサを
提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光電圧・光
電流センサは、発光素子から出力された光を電気光学素
子または磁気光学素子を備えるセンサ部へ入射し、受光
素子で検知された前記電気光学素子または磁気光学素子
の電界または磁界に対応した透過光量から、電力系統の
電圧または電流をそれぞれ測定するようにした光電圧・
光電流センサにおいて、前記発光素子を前記電力系統の
系統周波数の２倍以上の周波数の変調波で駆動する駆動
回路と、前記受光素子の出力から、前記系統周波数の成
分を抽出する基本波フィルタと、前記受光素子の出力か
ら、前記変調波の周波数の成分を抽出する変調波フィル
タと、前記変調波フィルタの出力を整流・平滑化する整
流回路と、前記基本波フィルタの出力を前記整流回路の
出力で除算する除算回路とを含むことを特徴とする。

【００１６】上記の構成によれば、λ／４板の位相差な
らびに受光回路内の増幅回路のオフセットおよびフィル
タの時定数などに温度による変動が生じても、発光素子
が変調波で駆動されているので、それらの変動による影
響は基本波フィルタの出力と変調波フィルタの出力とに
共通に現れる。

【００１７】したがって、基本波フィルタの出力を変調
波フィルタの整流出力で除算することによって、前記温
度による変動の影響を除去することができ、高精度な測
定を行うことができるとともに、広い温度範囲で使用す
ることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態について、
図１〜図３および前記図５に基づいて説明すれば以下の
とおりである。

【００１９】図１は、本発明の実施の一形態の光電圧セ
ンサ２１の構成を示すブロック図である。この光電圧セ
ンサ２１は、大略的に、光学部品から成るセンサ部２２
と、発光回路２３と、受光回路２４とを備えて構成され
ている。センサ部２２は、偏検光子２５と、λ／４板２
６と、電気光学素子２７と、偏検光子２８とが、この順
で配列されて構成されている。

【００２０】センサ部２２は開閉装置などに関連して配
置され、残余の発光回路２３および受光回路２４は前記
センサ部２２とは離間した変電所建屋内などに配置さ
れ、これらの間は、図示しない光ファイバによって接続
されている。

【００２１】前記偏検光子２５には、発光回路２３の発
光ダイオード３１からの光が、図示しない前記光ファイ
バおよびコリメータを介して入射されている。また、偏
検光子２８からの出力光は、図示しないコリメータおよ
び前記光ファイバを介して、受光回路２４のフォトダイ
オード４１によって受光される。したがって、偏検光子
２５は偏光子として作用し、偏検光子２８は検光子とし
て作用する。なお、偏検光子２８に発光回路２３が、偏
検光子２５に受光回路２４が臨んでいてもよく、この場
合は、偏検光子２８は偏光子として作用し、偏検光子２
５は検光子として作用する。

【００２２】λ／４板２６は、入射光の成分を、Ｃ軸
と、該Ｃ軸に直交する軸とに分離し、これらの分離した
光に対して、出射面までに、相互にλ／４の位相差を与
え、したがって、該λ／４板２６からの出射光は、前記
図５において参照符α１で示すような円偏光となる。電
気光学素子２７は、たとえば前記ＢＧＯ結晶から成るポ
ッケルス素子で実現され、系統の充電導体の電圧を分圧
するコンデンサで実現される印加電源２９からの印加電
圧に対応してその位相量を変化し、これによって該電気
光学素子２７からの出力光は、前記図５において参照符
α２，α３で示すような楕円偏光となる。

【００２３】前記発光回路２３は、前記発光ダイオード
３１と、直流電源３２と、発振回路３３と、変調回路３
４とを備えて構成されている。発振回路３３は、前記印
加電源２９から電気光学素子２７へ印加される電圧の変
動周波数である系統周波数、たとえば５０（Ｈｚ）の少
くとも２倍以上、たとえば６（ｋＨｚ）の矩形波パルス
を出力する。前記発振回路３３からの矩形波パルスは、
変調回路３４に入力される。この変調回路３４は、直流
電源３２からの直流電圧を前記矩形波パルスで変調し
て、発光ダイオード３１へ与える。こうして、該発光ダ
イオード３１が変調波で駆動されることになる。

【００２４】一方、受光回路２４は、前記フォトダイオ
ード４１と、増幅回路４２と、信号処理回路４３とを備
えて構成されている。増幅回路４２は、たとえば複数段
の差動増幅器などで実現される。

【００２５】前記信号処理回路４３は、基本波フィルタ
４４と、変調波フィルタ４５と、整流回路４６と、除算
器４７とを備えて構成されている。前記増幅回路４２か
らの出力は、基本波フィルタ４４および変調波フィルタ
４５に共通に入力されている。基本波フィルタ４４は、
基本波成分、すなわち前記系統周波数の５０（Ｈｚ）の
成分を抽出することができるバンドパスフィルタなどで
実現され、変調波フィルタ４５は、変調波成分、すなわ
ち前記発振回路３３からの矩形波パルスの周波数である
６（ｋＨｚ）の成分を抽出することができるバンドパス
フィルタなどで実現される。

【００２６】変調波フィルタ４５からの出力は、整流回
路４６に与えられる。整流回路４６は、たとえばダイオ
ードブリッジおよび平滑コンデンサなどで実現され、変
調波フィルタ４５からの出力を整流・平滑化して出力す
る。前記基本波フィルタ４４の出力は、除算器４７にお
いて、この整流回路４６からの出力で除算される。

【００２７】図２に、上述のような各部の動作に伴う波
形の一例を示す。ただし、理解し易くするために、基本
波の周波数に対して、変調波の周波数を７．５倍として
いる。図２（ａ）は発振回路３３からの矩形波パルスを
表し、図２（ｂ）は変調回路３４による発光ダイオード
３１の駆動波形を表し、図２（ｃ）は印加電源２９によ
る印加電圧および温度による直流成分の影響によって変
調されたセンサ部２２の出力光をフォトダイオード４１
で光電変換して得られた波形を表し、図２（ｄ）は基本
波フィルタ４４の出力波形を表し、図２（ｅ）は除算器
４７の出力波形を表す。なお、整流回路４６の出力波形
は、図２（ｃ）において参照符βで表している。

【００２８】以上のようにして、温度変化に伴うλ／４
板２６の位相差の変化などによって光学部品が発生する
直流成分の変動ならびに増幅回路４２のオフセット電圧
の変化およびフィルタ４４，４５におけるコンデンサの
時定数の変化などの受光回路２４が温度変化によって発
生する直流成分の変動に対しても、その変動を変調波成
分を整流することで検出し、基本波成分から除算するこ
とによって、除去することができる。こうして、系統電
圧を高精度に測定することができる。

【００２９】図３は、図１のように構成される光電圧セ
ンサ２１の特性を検証するために本件発明者が作成した
試験装置の構成を示すブロック図である。前記センサ部
２２の電圧入力端には、発振器５１で発振された前記系
統周波数である５０（Ｈｚ）の正弦波信号が、アンプ５
２において前記分圧されたレベルに対応した振幅まで増
幅された後、入力されている。これに対して、センサ部
２２の光入出力端は、前記光ファイバ５３を介して、前
記発光回路２３および受光回路２４と接続されている。
発光回路２３および受光回路２４内の各回路は、電源５
４によって電力付勢されている。受光回路２４からの出
力は、波形分析器５５に入力されるとともに、比誤差試
験器５６に入力されている。比誤差試験器５６にはま
た、前記発振器５１からの出力が、直接入力されてい
る。波形分析器５５は、たとえばＦＦＴ（高速フーリエ
変換）を用いて、周波数スペクトラムを分析する装置で
あり、その出力はプリンタ５７によって表示出力され
る。

【００３０】この実験では、センサ部２２は恒温槽５８
内に設置され、電源回路５４およびアンプ５２等からの
誘導の影響を受けないように、これらの電源には商用周
波の６０（Ｈｚ）を供給し、発振器５１の発振周波数は
５０（Ｈｚ）としている。また、発光回路２３における
発振回路３３の発振周波数、すなわち変調周波数を２７
０（Ｈｚ）としている。

【００３１】室温の２２．３（℃）を基準として、恒温
槽５８内の温度を低下させたときの実験結果を表１で示
す。

【００３２】

【表１】

【００３３】前記表１において、ＦＦＴ値は、波形分析
器５５によって検出され、発振器５１の発振周波数であ
り、基本波である５０（Ｈｚ）の成分と、前記発振回路
３３の発振周波数であり、変調波の周波数である２７０
（Ｈｚ）の成分とのレベルである。また、比誤差εは、
前記室温２２．３（℃）を基準とした場合の各温度にお
ける誤差の大きさを表し、従来例とあるのは、前記変調
波を用いない図４で示す光電圧センサ１を用いた場合の
比誤差試験器５６での実測値である。また、本発明とあ
るのは、前記ＦＦＴ値から計算で求めた値であり、前記
除算器４７の出力が基本波成分／変調波成分であること
から、５０（Ｈｚ）成分／２７０（Ｈｚ）成分の値であ
り、たとえば２．１（℃）では下式のようにして求める
ことができる。

【００３４】

【数１】

【００３５】前記表１から明かなように、本発明に従う
光電圧センサ２１では、温度変化に対する光学部品およ
び受光回路２４などによる直流成分の変動の影響を変調
波を用いることによって除去しているので、比誤差εが
格段に改善されていることが理解される。これによっ
て、高精度な測定を行うことができるとともに、実際の
使用環境である、たとえば−２０（℃）〜＋８０（℃）
の広い温度範囲で使用することができる。

【００３６】なお、ファラデー素子などの磁気光学素子
を用いて系統の電流を検知する光電流センサに関して
も、同様に実施可能であることは言うまでもない。ま
た、前記基本波成分および変調波成分の抽出には、前記
バンドパスフィルタに限らず、ＦＦＴなどの他の手法が
用いられてもよい。さらにまた、前記変調波の周波数
は、サンプリング定理から、系統周波数の２倍以上であ
ればよく、実用的には、系統の高調波の影響が少ない前
記６（ｋＨｚ）程度が望ましい。

【００３７】

【発明の効果】本発明に係る光電圧・光電流センサは、
以上のように、電気光学素子または磁気光学素子を用い
て電力系統の電圧または電流をそれぞれ測定するにあた
って、発光素子から前記電気光学素子または磁気光学素
子に入射される光を、測定すべき電圧または電流の系統
周波数の２倍以上の周波数の変調光とし、受光素子の出
力はその系統周波数の成分を変調周波数の成分で除算す
る。

【００３８】それゆえ、光学部品および電気回路におい
て温度によって発生する直流成分の変動が除去され、前
記測定すべき電圧または電流を高精度に測定することが
できるとともに、広い温度範囲で使用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態の光電圧センサの構成を
示すブロック図である。

【図２】図１で示す光電圧センサの動作を説明するため
の波形図である。

【図３】図１で示す光電圧センサによる温度特性の改善
効果を検証するための本件発明者の試験装置のブロック
図である。

【図４】典型的な従来技術の光電圧センサの構成を示す
ブロック図である。

【図５】電気光学効果による偏光形状の変化を説明する
ための図である。

【符号の説明】

２１ 光電圧センサ ２２ センサ部 ２３ 発光回路 ２４ 受光回路 ２５ 偏検光子 ２６ λ／４板 ２７ 電気光学素子 ２８ 偏検光子 ２９ 印加電源 ３１ 発光ダイオード（発光素子） ３２ 直流電源（駆動回路） ３３ 発振回路（駆動回路） ３４ 変調回路（駆動回路） ４１ フォトダイオード（受光素子） ４２ 増幅回路 ４３ 信号処理回路 ４４ 基本波フィルタ ４５ 変調波フィルタ ４６ 整流回路 ４７ 除算器 ５１ 発振器 ５２ アンプ ５３ 光ファイバ ５５ 波形分析器 ５６ 比誤差試験器 ５８ 恒温槽

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発光素子から出力された光を電気光学素子
   または磁気光学素子を備えるセンサ部へ入射し、受光素
   子で検知された前記電気光学素子または磁気光学素子の
   電界または磁界に対応した透過光量から、電力系統の電
   圧または電流をそれぞれ測定するようにした光電圧・光
   電流センサにおいて、 前記発光素子を前記電力系統の系統周波数の２倍以上の
   周波数の変調波で駆動する駆動回路と、 前記受光素子の出力から、前記系統周波数の成分を抽出
   する基本波フィルタと、 前記受光素子の出力から、前記変調波の周波数の成分を
   抽出する変調波フィルタと、 前記変調波フィルタの出力を整流・平滑化する整流回路
   と、 前記基本波フィルタの出力を前記整流回路の出力で除算
   する除算回路とを含むことを特徴とする光電圧・光電流
   センサ。