JPH0641960B2 - 光フアイバを用いた電流検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光ファイバを用いた電流検出器の改良に関する
ものである。

［従来の技術］ 従来、送電線に流れる電流を検知する検出器としては、
第５図に示すように巻線型の変流器（ＣＴ）が広く使用
されてきた。これは、碍子１２によって保護された一次
巻線１３、鉄心１４、二次巻線１５、測定端子１６、絶
縁充填物１７および変流素子１０よりなるものである。
しかし、送電電圧が高くなるに従ってこの変流器も大型
化し価格も高額化の一途にあった。

近年光ファイバの実用化が急速に進展し、磁気の電気光
学的効果すなわちファラデー効果を利用した第６図に示
したような電流検出器が提案され、実用化されるように
なった。すなわち、電線１１に流れる電流によって発生
する磁界Ｈに近接させてファラデー素子２５を設け、検
出器２６に接続された光ファイバ２１に光を出射導光せ
しめ、偏光子２３を介して当該出射光をファラデー素子
２５に入光せしめ、ファラデー素子２５内で磁界Ｈによ
って偏光面の回転した光を検光子２４を介して光ファイ
バ２２に入光せしめ、前記光の回転角を検知することに
より、電流の強度と比例関係にある回転角から電流値を
検出しようとするものである。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記の光ファイバによる電流検出器は、従来の第５図の
変流器タイプのものより小形化されより経済的である
が、尚つぎのような問題点がある。すなわち、第１に他
相電流による磁界の影響など外乱の影響を受けることで
あり、第２に送電線よりの設置位置までの距離の精度が
直接検出精度に影響を与えることであり、第３にファラ
デー素子の前後に偏光子や検光子などの余分な光学部品
を必要とすることである。

また、ファラデー素子等を使用せず光ファイバ自身のフ
ァラデー効果を利用し、１本の光ファイバループの一部
を送電線の周囲にコイル状に配置して、光ファイバルー
プ中の双方向伝搬光の位相差を検出するか、直線偏光の
回転角を検出する電流検出器も提案されている（特開昭
56-55864号、実開昭57-190483号。）しかしながら、１
本の光ファイバを送電線に周囲にコイル状に配置してか
ら、光ファイバの両端を光学的に結合してループを形成
しなければならないため、設置作業が面倒で実用性に欠
ける。

又、光源の光強度の変化あるいは損失の変化等により回
転角の検出に誤差が生じる欠点があった。従って、上記
のような問題点がなく、従来の巻線型の検出器以上の精
度を有し、かつ構造が簡単な光学式電流検出器の出現を
望む声が強かった。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は上記のような実情にかんがみてなされたもので
あり、その要旨とするところは、受光素子と、該発光素
子の光源を二分割するための二個の偏光ビームスプリッ
ターと、該ビームスプリッターに互いに偏光軸を４５°
傾けて接続された二本の偏波面保存光ファイバと、該偏
波面保存光ファイバに接続され、終端部で1/2波形板を
介して接続されると共に、プラスチック管あるいは非磁
性金属管内に収納されて長手方向に一体化されて、被測
定対象の電線の外周に巻回設置された二本の単一モード
光ファイバと、前記偏波面保存光ファイバからの戻り光
を前記二個の偏光ビームスプリッターを介して受光する
二個の受光素子と、該受光素子の出力を減算、加算及び
割算する検出装置とより成り、前記発光素子からの光
を、二個の偏光ビームスプリッターで二分割すると共
に、偏波面保存光ファイバを介して、二本の単一モード
光ファイバに双方向に伝搬させることにより、単一モー
ド光ファイバ中で被測定電線の磁界によって偏光面を回
転させ、該偏光面の回転を偏波面保存光ファイバ及び二
個の偏光ビームスプリッターを介して二個の受光素子で
受光し、該受光出力の差と和を割算することにより偏光
面の回転から被測定電線の電流値を求めるように構成さ
れたことを特徴とする光ファイバを用いた電流検出器に
ある。

［実施例］ 以下に本発明の一実施例を図面に基いて説明する。

第１図は、本発明に係る検出器を電線１１に取付けた状
態を示す説明図である。終端部に1/2波長板８を有し、1
/2波長板８を介して光学的に接続された２本の単一モー
ド光ファイバ３１，３１が長手方向に一体化せしめられ
て往復導光路を形成しており、それが電線１１に螺旋状
に巻き付けられる。この一体化された２本の光ファイバ
の構造は、例えば第２図にその断面図を示したように光
ファイバ３１，３１を保護介在物３２とともにパイプ３
内に収納した構造に構成する。収納するパイプの材質と
してはプラスチックや非磁性金属が適当であるのは本発
明の性質から当然である。光ファイバ３１，３１の一端
には偏波面保存光ファイバ４，４が接続され、高い絶縁
性能を維持するために絶縁性充填物１７の満たされてい
る碍管１２を通過せしめ、検出装置２６に接続される。
検出装置２６において、２は偏光ビームスプリッター、
５は出射光用のレーザー光源、６１，６２は受光素子、
７１は減算増幅器、７２は加算増幅器、７３は割算器で
ある。

以下に本発明の動作について第３および４図を参照し説
明する。２本の偏波面保存光ファイバ４，４の偏光軸は
偏光ビームスプリッター２との結合において互いに４５
°傾けて設置されている。第３図の円内矢印はその偏波
面保存光ファイバ４の前記偏光軸の設置状況を示すもの
である。

レーザー光源５より出射された光は、偏光ビームスプリ
ッター２，２において二つの光路に分けられ、それぞれ
矢印に示すように進行する。第３図では、偏光ビームス
プリッターによる反射光を実線で現わし透過光を点線で
現わしている。光ファイバ内を通過する間に偏光面がど
の様に回転するかを示したのが第４図である。まず実線
をもって示した反射光より説明する。偏波面保存光ファ
イバ４の偏光軸が前記のように４５°傾けられているか
ら、入射時の角度は４５°で、第３図の部分では第４
図のの４５°の角度を有している。光が単一モード光
ファイバ３１部分に入ると、光ファイバはそれ自身ガ
ラスであるからそれ自身ファラデー効果を受け、電線よ
り発生している磁界Ｈによって第４図の方向に角度φ
だけ回転せしめられる。この状態で1/2波長板８に入
り、１８０°の位相のずれを生じ、ここを出たとき（第
３図）には第４図の方向に回転している。（１８０
°の位相のずれによりの対称位置となる）ここでさら
に光ファイバ内を通過し、第３図まで来る間に磁界Ｈ
によって前記同様−φだけ回転が生じ、第４図の方向
に回転している。このようにして光ファイバの中を通過
してきた光は最後に再び偏光ビームスプリッター２に入
り反射をしての偏光角を有する出射光（の縦成分Ｌ
_１）として出射し第１図の受光素子６１に入射する。

つぎに、点線で示した透過光の挙動について説明する。
偏光ビームスプリッター２の透過光の偏光面は反射光の
偏光面と９０°の偏光面を有している（偏光ビームスプ
リッターの性質として、反射光と透過光の間には９０°
の偏光差を有するもので、従って反射光を第４図に於て
縦軸とすると、透過光は同図の横軸に対応する）から、
偏波面保存光ファイバの偏光軸と一致して、入射時の偏
光方向は第４図の方向である。この状態で光ファイバ
内を通過する間に磁界Ｈによる回転を受け、同じφだけ
回転して第３図の位置では第４図の方向に回転して
いる。ここで1/2波長板を通過して１８０°位相差を生
じ、前記に軸対称の方向である第４図の方向とな
り。さらに光ファイバ内を通過する間に−φの回転をし
て、第３図の位置では第４図の方向となる。この状
態で偏光ビームスプリッター２を透過した光は前記反
射光の出射光の偏光角に対して４５°の方向である第
４図の方向の偏光角を有する光として出射し、第１図
の受光素子６２に入射する。

以上のようにして２本の偏波面保存光ファイバ４，４を
通過して戻ってきた双方向の光は、受光素子６１，６２
に入射して電気信号に変換され、各々の和と差の比を減
算増幅回路７１および加算増幅回路７２ならびに割算器
７３によって求める。即ち、出射光及びの大きさＬ
_１、Ｌ_２は、 Ｌ_１＝Ｋ・ｓｉｎ（４５°−２φ）…(1) Ｌ_２＝Ｋ・ｃｏｓ（４５°−２φ）…(2) となる。ここでＫは光強度、損失等を含めた定数。この
出射光、を光のパワーとしてみると、 Ｌ_１′＝Ｋ′・ｓｉｎ^２（４５°−２φ）…(3) Ｌ_２′＝Ｋ′・ｃｏｓ^２（４５°−２φ）…(4) となる。

(3)式(4)式を三角関数の定理にあてはめると、 Ｌ_１′＝Ｋ″（１−ｓｉｎ４φ）…(5) Ｌ_２′＝Ｋ″（１＋ｓｉｎ４φ）…(6) となる。

ここで、出力Ｌ_１′、Ｌ_２′の値を加算回路７２で和
を、減算回路７１で差をとり、割算器７３で割ると、 となり、定数Ｋ″が省略される。

φが小さいとき、 −ｓｉｎ４φ≒４φ∝Ｈ∝電流値 となる。

このようにして得られた出力は、電線１１の電流に比例
するから、これによってその電流を検出することができ
る。

なお、上記式(7)よりも明らかな通り、二つの出力を割
算することにより、定数Ｋが削除され、従って光源の光
強度の変化あるいは伝送損失の変化等に影響を受けず高
精度に回転角を検出することができる。本発明の構成に
おいてとくに大事なのは、中間に設けられている1/2波
長板であり、この1/2波長板がない場合には、往復光路
でファラデー効果が逆方向に作用し偏光面の回転が相互
に打ち消し合う結果となり、検出ができなくなるのであ
る。

本発明の上記実施例においては、単一モード光ファイバ
と検出装置との間に偏波面保存光ファイバ４を存在せし
めているが、これは単一モード光ファイバに入射する光
の偏光面を一定にせしめるためである。

［発明の効果］ 以上の通り、本発明に係る電流検出器によれば、電線の
周囲を周回積分する形で電流を検出しているから、他相
や他の回線の電流による磁界の影響等の外乱を受けにく
く、測定部に偏光子や検光子などの余分な光学素子を設
置する必要がなく、きわめて小型の電流検出器として実
現できるのは勿論であるが、光ファイバを往復導光路と
して一体化したから電線への設置が極めて容易である
上、このように構造が簡単でありながら高い精度の電流
検出ができるものであって、検出用の光ファイバが電線
に巻き付けられていることで、難着雪や低風音効果をも
発揮するなど、その産業上に及ぼす意義は高く評価さる
べきものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電線電流検出器を取付けた状態を
示す説明図、第２図は本発明に使用される光ファイバの
構造の実施例を示す断面図、第３図および４図は本発明
に係る検出器の動作を示す説明図、第５図は従来の巻線
型の電流検出器の例を示す説明図、第６図は従来の光フ
ァイバを用いた電流検出器の例を示す説明図である。 ２：偏光ビームスプリッター、 ３：パイプ、 ４：偏波面保存光ファイバ、 ５：レーザー光源、 ８：1/2波長板、 １１：電線、 ２６：検出装置、 ３１：単一モード光ファイバ、 ６１，６２：受光素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発光素子と、該発光素子の光源を二分割す
   るための二個の偏光ビームスプリッターと、該ビームス
   プリッターに互いに偏光軸を４５°傾けて接続された二
   本の偏波面保存光ファイバと、該偏波面保存光ファイバ
   に接続され、終端部で1/2波長板を介して接続されると
   共に、プラスチック管あるいは非磁性金属管内に収納さ
   れて長手方向に一体化されて、被測定対象の電線の外周
   に巻回設置された二本の単一モード光ファイバと、前記
   偏波面保存光ファイバからの戻り光を前記二個の偏光ビ
   ームスプリッターを介して受光する二個の受光素子と、
   該受光素子の出力を減算、加算及び割算する検出装置と
   より成り、前記発光素子からの光を、二個の偏光ビーム
   スプリッターで二分割すると共に、偏波面保存光ファイ
   バを介して、二本の単一モード光ファイバに双方向に伝
   搬させることにより、単一モード光ファイバ中で被測定
   電線の磁界によって偏光面を回転させ、該偏光面の回転
   を偏波面保存光ファイバ及び二個の偏光ビームスプリッ
   ターを介して二個の受光素子で受光し、該受光出力の差
   と和を割算することにより偏光面の回転から被測定電線
   の電流値を求めるように構成されたことを特徴とする光
   ファイバを用いた電流検出器。