JPH0145583B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、光学効果素子を有するセンサを使用
し、この光学効果素子に作用する電界または磁界
の変化を光学的に検出して測定する計測装置にお
ける光学センサの保護装置に関するものである。

一般に、電界、磁界は目に見えないために、高
電圧部位の設備を扱う作業者が感電事故を起す危
険性があり、近年高電圧時代を迎えてその傾向は
ますます強くなつてきている。このため、簡単で
高性能の検電装置が要望されている。

最近、このような装置として、従来の検電器ま
たは検流器に代つて、光フアイバと電気、磁気光
学効果素子を用いて全光学系の絶縁物のみで構成
した光電圧計、光電流計が開発されている。この
ような計測装置は、光フアイバが周知のように高
耐圧かつ無誘導のために、高電圧系の送電線や重
電機器の高圧部位の電圧、電流計測または電界、
磁界計測を安全かつ正確に行なうことができる。

電力需要の増大にともない電力系統がさらに
超々高圧化される傾向にある今日において、電力
機器も新しい電圧階級への設計とその実証をよぎ
なくされ、高電圧現象の究明が要求されているた
め、このような高圧計測を安全かつ正確に行なえ
る装置はこの要求に最適のものである。

前記の全光学系からなる計測装置を高電圧部位
に適用する場合、安全性を確保するための絶縁隔
離については光を伝送する光フアイバの長さを裕
度をもつて長目にとればよいが、検出センサとし
て作用する電気、磁気光学効果素子は、結晶軸な
どからきまる寸法、特に電気軸、光軸の長さ、厚
さ、幅等の設計的制約がある。

また、このほかの要件として、電界、磁界計測
においては“場”を乱さないように、前記制約の
内で素子の形状をできるだけ小さくする必要があ
る。さらに、測定誤差を少なくするために、イン
ピーダンスを無限大に近くすることが望ましい。
このためには、素子の結晶体の誘電率を空気と同
じにすればよいが、そこまでゆかなくてもせめて
碍子などの磁器と同程度（ε＝４〜５）にする必
要がある。この場合、各条件を加味して静電容量
に換算した値で0.5〜1.0pF以下にすることが好ま
しい。

以上の点は設計によつてほぼ解決できるが、ど
うしても解決できない問題がある。

すなわち、計測目的が高電圧部位の電界、磁界
（電圧、電流も含む）であるため、高電圧部位に
生ずる内雷サージ、外雷サージ、または異常電圧
によつて、計測装置の心臓部である電気、磁気光
学効果素子の物理的特性に損傷をきたしたり、ま
た素子を破壊したりする現象が起こる。このよう
な現象が起きると、測定精度が低下したり、また
高価な素子が破壊されて経済的な損失も大きくな
るという問題がある。

本発明はこのような従来の問題を解消するため
になされたもので、その目的とするところは、サ
ージ、異常電圧が加わつても電気、磁気光学効果
素子が破壊または損傷しないような光学センサの
保護装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、
光学効果素子に並列に針ギヤツプを有するアレス
タ素子を接続したものである。

以下、本発明を実施例にもとずいて詳細に説明
する。

先づ、実施例の説明の前に、本発明を適用する
光学センサを用いた計測装置について説明する。

第１図ａは電気光学センサを用いた計測装置の
構成図である。図において、１は光源としての半
導体レーザ、LEDなどからなる光発生器、２は
水晶等を直方体に形成した電気光学効果素子２ａ
の対向側面に電極２ｂをそれぞれ形成し、この電
極を入力端子２ｃに接続した電気光学センサ、３
は偏光子、４はλ／４の光バイアスを行う波長
板、５は偏光子３に対して偏向軸が直角に形成さ
れた検光子、６は受光器、７は増幅器、８は指示
計、９，１０は光フアイバである。このような構
成において、光発生器１から発射された偏光子３
を透過したレーザ光または直線偏光された光は、
光フアイバ９を経て電気光学効果素子２ａを透過
する。ここで、入力端子２ｃから供給された電界
（電圧）が電極２ｂ間に加わると、透過光は変調
されて電界情報がのる。変調された光は波長板
４、検光子５を透過した後、光フアイバを経て受
光器６に入り、ここで電気信号に変換された後こ
の電気信号は増幅器７で増幅されて指示計８を動
作し、被測定電界の値が指示される。

ここで、電気光学効果素子２ａは、電極２ｂに
電界を加えられるとその屈折率が変化し、透過光
の電界波（振動面）、磁界波（偏光面）を複屈折
させて常光線と異常光線との間に位相差が生じ
る。したがつて、この位相差により印加される電
界の情報をのせることができる。

電気光学効果素子は、その誘電率が電界の強さ
に依存し、真空中の誘電率をε₀、使用状態の誘電
率をε、屈折率をｎとすると次式が成り立つ。

n²＝ε／ε₀ ……(1) 電界の印加によつて誘電率εが変化するときは
屈折率ｎも変化し、電界をＥとすると屈折率ｎは
次式のように電界Ｅのペキ級数で表わせる。

ｎ＝n₀＋aE＋bE² ……(2) ここで、n₀はＥ＝０のときの屈折率、ａとｂは
それぞれポツケルス係数およびカー係数である。

このように、直線偏光された光が電界で変調さ
れて楕円偏光に変わる現象はポツケルス効果およ
びカー効果として知られている。このような効果
を有する素子としては、光学単結晶（γmkマト
リツクス）に水晶などの32群、ZnS、BSOなどの
23、43ｍ群、LiNbO₃、IiTaO₃などの3m群のも
のがポツケルス係数が大きい材料として開発され
ている。この素子は光軸方向と電界印加方向の関
係で縦形、横形に大別でき、使用目的に応じて設
計される。第１図ａの例は横形である。

第１図ｂは印加電界と検光子５から出射される
光の透過度（％）との関係を示すグラフである。
曲線はsin²の特性を示し、電界Ｅが０のとき透過
率は０となり、πのとき100（％）となる。λ／４
の波長板４を透過させているため、バイアスされ
て動作点はπ／２の点にあり特性の直線部分を使
うことができる。

ここで、前記常件線と異常光線の位相差Δφは
次式のようになる。

Δφ＝γｌ／ｄＥ ……(3) ここで、γは結晶のポツケルス係数と光線方向
と結晶のカツトによつて等価的にきまる電気光学
効果の大きさを示す係数、ｌは光軸の直角方向の
素子の幅、ｄは光軸方向の素子の厚さである。

したがつて、受光器６の電気出力Ｖは次式で表
わせる。

Ｖ≒Pr・Kd・γｄ／ｌＥ ……(4) ここで、Prは受光器６の入る光の強度、Kdは
受光器６の変換定数である。

第１図ｃは磁気光学センサを用いた計測装置の
構成図である。図において、第１図ａと同一部分
には同一符号を用いてある。１２は鉛ガラス等を
円柱形に形成した磁気光学効果素子１２ａに送電
線の母線１３を巻きつけた磁気光学センサであ
る。磁気光学効果素子１２ａに母線１３に流れる
電流により発生する磁界を加えると、素子１２ａ
を透過する光の偏光面は磁界の強さに比例して回
転するため、検光子５から出射される光の強度は
磁界（母線の電流）に比例することになる。この
ような現象はフアラデー効果として知られてお
り、素子の材料として鉛ガラスなど各種のものが
用いられる。ここで、磁界の強さをＨ、素子の長
さをｓ、ベルデー定数をｕとすると、偏光面の回
転角θは次式で表わされる。

θ＝ｕ・ｓ・Ｈ ……(5) したがつて、受光器６の電気出力V₁は次式で
表わされる。

V₁≒Pr・Kd・ｕ・Ｎ・Ｋ・Ｉ ……(6) ここで、Ｎは素子に対する母線の巻数、Ｉは母
線を流れる電流である。なお、母線を素子でＮ回
巻いても全く同様の関係が成立する。

第２図は本発明に係る光学センサの保護装置の
一実施例の正面図である。図において、第１図ａ
と同一部分には同一符号を付してある。電気光学
効果素子２ａとしては、特殊成長させた水晶をＺ
軸に45゜傾けてカツトしたものを用い、大きな消
光比（第１図ｂの透過率に相当する）を得てい
る。１５はケース、１６は入力端子２ｃを絶縁支
持する碍子、１７は基板、１８は電圧レベル調整
用の抵抗からなる電気回路素子、１９は所定の針
ギヤツプを介して対向する２本の針をガスととも
にガラス管内に封入したアレスタ素子、２０は優
れた非直線抵抗特性が得られるものとして知られ
ている酸化亜鉛を主成としたバリスタ、２１はア
レスタ素子１９の放電を観察するためにケース１
５に設けられたレンズ、２２はレンズ２１からの
光を観察者のところまで導くための光フアイバで
ある。電気回路素子１８、アレスタ素子１９およ
びバリスタ２０は直列に接続され、この直列回路
は入力端子２ｃに並列に接続されている。なお、
アレスタ素子１９の針ギヤツプは定格２万Ｖで約
18mmである。

電気光学効果素子２ａの長さｌ（電極２ｂ間の
距離に相当する）は、定格最大印加電圧Vmを考
慮して、結晶光学的に設計されている。また、ア
レスタ素子１９の放電開始電圧は、交流電圧、直
流電圧、インパルス電圧のいずれともVmの例え
ば75〜80％の値に設定されている。なお、アレス
タ素子１９の針の先端には放電の立上りを容易に
するために放射性物質が塗布されている。そし
て、高圧が印加されて放電を開始するまでの時間
はμsecオーダである。したがつて、Vm以上のサ
ージ、異常な交流電圧が入力端子２ｃ間に印加さ
れると、アレスタ素子１９が放電すると同時にバ
リスタ２０に大電流が流れ、電気光学効果素子２
ａには何ら影響を与えない。

ここで、バリスタ２０は一般にかなり大きな静
電容量（数10pF以上）を有しているのに対し、
アレスタ素子１９の浮遊静電容量Caは、針ギヤ
ツプを有しているために小さくなり0.4〜0.5pF以
下である。したがつて、これらの直列静電容量は
Ca以下になる。また、電気光学効果素子２ａの
静電容量Cxは、結晶寸法によつてきまるがこの
例では0.5〜0.6pFであるため、前記直列静電容量
はCxと同程度かもしくはこれより小さくできる。
したがつて、総合静電容量は1pF、もしくはこれ
以下に小さくすることが可能であり、測定電界に
影響を与えず測定精度が向上できる。

第３図は他の実施例の正面図である。図におい
て、第２図と同一部分には同一符号を付してあ
る。磁気光学効果素子１２ａへ磁界を供給するた
めの巻線の入力端子１２ｃ間には電気回路素子１
８、アレスタ素子１９、バリスタ２０の直列回路
が接続されている。

第４図は他の実施例の説明図である。図におい
て、第１図ａ、第２図と同一部分には同一符号を
付してある。２３は高圧線路、２４はブツシング
または懸垂碍子、２５は電気力線、２６は偏光子
を兼ねた積層形プリズム、２７は検光子を兼ねた
積層形プリズム、２８ａ，２８ｂは直方体形状の
電気光学効果素子、２９は高電位部に置くセンサ
部である。電気光学効果素子２８ａ，２８ｂは縦
形に構成され対向する電極２８a₁，２８b₁が接続
されており、またこれらの素子のいずれか一方は
波長板の機能を兼ねている。また、３０は手許に
おく計測部、３１は電源、３２は光を発光させる
ためのスイツチ、３３は測定した信号をデジタル
信号に変換する変換器、３４はデジタル表示器、
３５ａ，３５ｂはアレスタ素子１９の放電を観
察、記録する表示部、３６ａ，３６ｂ，３７ｃは
レンズである。第４図には図示していないが、セ
ンサ部２９と計測部３０との間にグラスフアイバ
からなるフレキシブルな絶縁管で接続されてお
り、この絶縁管の中に光フアイバ９，１０，２２
が収容されている。この場合、電気光学効果素子
２８ａ，２８ｂの外側の電極２８a₂，２８b₂が入
力の電極になる。そして、電極２８a₂と２８b₂の
間に、電気回路素子１８、アレスタ素子１９、バ
リスタ２０の直列回路が接続されている。電気力
線２５が電気光学効果素子２８ａ，２８ｂに入る
と素子に電界が加わり、この電界を計測できる。
なお、電極２８a₁，２８b₁，２８a₂，２８b₂は厚
さ50μｍ以下の銀膜からなり、透過する光のビー
ム径の３倍程度の透光穴が形成されている。この
ほか、メツシユ形状にしたりまたネサ膜で形成し
たりすることもできる。いずれにしても、電極は
薄く形成されているので電気力線２５の分布が乱
されることはない。また、電極２８a₁，２８b₁を
接触させて素子を一体にすることも可能である。

この場合、電気力線２５が通過する素子２８
ａ，２８ｂの形成に比較してアレスタ素子１９、
バリスタ２０等の保護装置の形状は例えば２桁ぐ
らい容積を小さくしてある。これは、アレスタ素
子１９等の寸法が大きいと電気力線の分布を乱し
て正確な電界測定ができなくなるからである。

なお、以上の例では素子２８ａ，２８ｂの一方
は波長板を兼用したが、別個にλ／４の波長板を
設けることもできる。

第５図は他の実施例の説明図であり、ａは外観
図、ｂはセンサ部の内部構成図である。図におい
て、第１図ａ、第４図と同一または相当部分には
同一符号を付してある。３８はセンサ部２９と計
測部３０との間を接続する絶縁管、３９ａ，３９
ｂはセンサ部２９から突出し第４図に示した懸垂
碍子２４に接触させるための接触子、４０ａ，４
０ｂ，４０ｃはレンズである。電気光学効果素子
２８ａ，２８ｂの電極２８a₂，２８b₂の間にはア
レスタ１９とバリスタ２０の直列回路が接続され
ている。この実施例では、アレスタ素子１９の電
極は一方が針、他方は板になつており、この板上
には放射性物質が塗布してある。また、バリスタ
２０はアレスタ素子１９のガラス管の中に一体に
封入されている。

なお、接触子３９ａ，３９ｂは絶縁管３８に対
して横方向にのばすこともできる。また、真直方
向、横方向に任意に向きをかえるように構成する
ことも可能である。

なお、以上の実施例では、非直線抵抗素子とし
て酸化亜鉛バリスタを用いたが、ネオン管を用い
ることもできる。この場合、ネオン管は静電容量
が小さい（数pF）ため本発明には好適である。

このように、本発明に係る光学センサの保護装
置によると、光学効果素子にサージ、異常電圧が
加わつても、アレスタ素子によつて吸収されるた
め素子に対する影響を低減できる。また、アレス
タ素子は針ギヤツプを有するため、浮遊静電容量
を小さくでき計測誤差を低減できるという優れた
効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは電気光学センサを用いた計測装置の
構成図、第１図ｂは電界と透過率のグラフ、第１
図ｃは磁気光学センサを用いた計測装置の構成
図、第２図は本発明の一実施例の正面図、第３図
は他の実施例の正面図、第４図、第５図はそれぞ
れ他の実施例の説明図である。 １……光発生器、２……電気光学センサ、２ａ
……電気光学効果素子、２ｂ……電極、２ｃ……
入力端子、３……偏光子、４……波長板、５……
検光子、６……受光器、８……指示計、９，１
０，２２……光フアイバ、１２……磁気光学セン
サ、１２ａ……磁気光学効果素子、１２ｃ……入
力端子、１８……電気回路素子、１９……アレス
タ素子、２０……バリスタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光学系路中に光学効果素子を設けたセンサを
   使用し、この光学効果素子に作用する電界または
   磁界の変化を光学効果素子を透過する光の変化に
   変えて電界または磁界の変化の大きさを計測する
   ようにした計測装置において、前記光学効果素子
   に並列に針ギヤツプを有するアレスタ素子を接続
   した光学センサの保護装置。