JPH0829459A - 過電流検出方法および過電流検出装置 - Google Patents

過電流検出方法および過電流検出装置

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JPH0829459A
JPH0829459A JP6165596A JP16559694A JPH0829459A JP H0829459 A JPH0829459 A JP H0829459A JP 6165596 A JP6165596 A JP 6165596A JP 16559694 A JP16559694 A JP 16559694A JP H0829459 A JPH0829459 A JP H0829459A
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JP
Japan
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light
overcurrent
optical
analyzer
polarizer
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Application number
JP6165596A
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English (en)
Inventor
Hiroyuki Katsukawa
裕幸 勝川
Seigo Yokoi
清吾 横井
Minoru Imaeda
美能留 今枝
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NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】複雑な電気回路を必要としなく、かつ高精度に
過電流が検出できるようにする。 【構成】偏光子２１０およびファラディ素子２２０通過
後の光偏波面と検光子２３０の偏波面との相対角度が９
０度となるような位置関係に偏光子２１０と検光子２３
０とを配置して、通常の負荷状態での電流が流れること
により発生する磁界の大きさでは光出力に基づく検出信
号が零となるようにし、過電流が流れることにより発生
する大きな磁界においては光出力に基づく検出信号が得
られるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は過電流検出方法および過
電流検出装置に係り、特に、光磁気効果素子を用いて過
電流に基づくファラディ回転角の変化を光出力の変化と
して検出する過電流検出方法および過電流検出装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来、光による磁界の測定は、物質の中
で磁界の方向と平行に進む直線偏光の偏光面が回転する
現象、即ち、ファラディ効果を利用している。図３はそ
の原理を示す図であり、偏光子により直線偏光された光
は、光磁気効果素子（ファラディ素子）内を伝搬する間
に、外部磁界によって偏光面が回転し、検光子でその回
転角φに応じた光強度に変換される。この偏光面での回
転角φは一般に次の式数１によって表される。
【０００３】
【数１】φ＝Ｖ・Ｈ・Ｌ ここで、Ｖはファラディ素子のヴェルデ定数、Ｈは印加
磁界、Ｌはファラディ素子の厚みである。偏光子と検光
子の偏光方向の相対角度（光学的バイアス）をφBとす
ると、検光子から出力される光強度Ｐは、次の式数２に
よって表される。
【０００４】
【数２】Ｐ＝Ｐ0ｃｏｓ2（φB−φ） ここで、Ｐ0はファラディ素子の入射光量である。磁界
検出感度を最大かつ直線性が最良となるように光学的バ
イアスφBを４５°に設定すると、検光子から出力され
る光強度Ｐは、次の式数３によって表される。
【０００５】
【数３】Ｐ＝（１／２）Ｐ0（１＋ｓｉｎ２φ） ここで、被測定磁界を交流磁界Ｈ＝Ｈ0ｓｉｎωｔと
し、２φ《１と仮定すると、検光子から出力される光強
度Ｐは、次の式数４によって表される。
【０００６】
【数４】 Ｐ＝（１／２）Ｐ0（１＋２Ｖ・Ｈ0・Ｌ・ｓｉｎωｔ） このように、偏光子、光磁気効果素子（ファラディ素
子）、検光子を組み合わせることにより、印加磁界の大
きさに比例した強度の光を得ることができる。
【０００７】光磁界測定器は、これらの偏光子、光磁気
効果素子（ファラディ素子）、検光子からなる光磁界セ
ンサ部と、光送信器、光受信器、増幅器等を備えた信号
処理部とにより構成されている。図４に光磁界測定器の
構成例を示す。図４において、光送信器の発光ダイオー
ドから出射された光は、光ファイバの中を伝搬し、光磁
界センサ部で光強度変換される。この光強度変換された
光は、受光用光ファイバを介して、光受信器の受光素子
に入力されて、光−電圧変換される。この光−電圧変換
された電圧信号から光変調成分（交流成分）のみを取り
出すことにより、印加磁界を測定できる。
【０００８】ところで、光磁界センサを透過する光量
と、偏光子と検光子との相対角度（光学バイアス）との
関係は、図５に示すような特性となる。この特性から分
かるように、偏光子と検光子との相対角度（光学バイア
ス）がπ／４（４５°）となる点が直線性が最大（直線
性誤差が最小）となり、通常、この点が基準点となるよ
うに、偏光子と検光子とを組み合わせて使用している。
【０００９】したがって、検出対象を電流とした場合、
この電流により発生する磁界を検出し、その磁界に比例
した出力を取り出すことにより、電線に流れる電流量を
検出することができる。このような目的で光磁界センサ
を用いる場合、偏光子と検光子との相対角度（光学バイ
アス）がπ／４（４５°）となるようにして使用する必
要がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】このため、過電流を検
出しようとする場合、この光磁界センサにより光強度変
換した後、受光素子に入力して光−電圧変換し、この光
−電圧変換された電圧信号を増幅し、その後フィルタを
通してノイズを除去した電圧信号と基準信号とを比較し
て、この電圧信号が基準信号より大きい場合に過電流信
号を発するように構成されているため、複雑な電気回路
が必要になるという問題を生じた。また、その電気回路
も複雑になるという問題も生じた。また、過電流を判定
する場合に、増幅してフィルタを通した電圧信号と基準
信号とを比較するため、過電流の判定精度にも問題を生
じた。
【００１１】さらに、使用する回路素子により、その温
度特性にも考慮する必要があり、高価になるという問題
も生じた。さらに、この種センサの信頼性を担保するた
めに、定期的に点検しなければならなく、その保守も容
易ではないという問題も生じた。そこで、本発明は上記
問題点に鑑みてなされたものであり、複雑な電気回路を
必要としなく、かつ高精度に過電流が検出できるように
することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の構成上の第１の
特徴は、光磁気効果素子を用いて過電流に基づくファラ
ディ回転角の変化を光出力の変化として検出する過電流
検出方法であって、偏光子および光磁気効果素子通過後
の光偏波面と検光子の偏波面との相対角度が９０度とな
るような位置関係に偏光子と検光子とを配置して、通常
の負荷状態での電流が流れることにより発生する磁界の
大きさでは光出力に基づく検出信号が零となるように
し、過電流が流れることにより発生する大きな磁界にお
いては光出力に基づく検出信号が得られるようにしたこ
とにある。
【００１３】また、本発明の構成上の第２の特徴は、自
然旋光性を有さない光磁気効果素子を用いて過電流に基
づくファラディ回転角の変化を光出力の変化として検出
する過電流検出方法であって、偏光子と検光子との偏波
面の相対角度が９０度となるような位置関係に偏光子と
検光子とを配置して、通常の負荷状態での電流が流れる
ことにより発生する磁界の大きさでは光出力に基づく検
出信号が零となるようにし、過電流が流れることにより
発生する大きな磁界においては光出力に基づく検出信号
が得られるようにしたことにある。
【００１４】また、本発明の構成上の第３の特徴は、光
磁気効果素子を用いて過電流に基づくファラディ回転角
の変化を光出力の変化として検出する過電流検出装置で
あって、光を出射する発光源と、この発光源により出射
された光を直線偏光する偏光子と、偏光子により直線偏
光された光を磁界の強度に応じてファラディ回転する光
磁気効果素子と、この光磁気効果素子によりファラディ
回転された光を当該ファラディ回転角に応じた光強度に
変換する検光子と、この検光子からの光強度が所定値以
上になると出力信号を発する受光素子とを有し、偏光子
および光磁気効果素子通過後の光偏波面と検光子の偏波
面との相対角度が９０度となるような位置関係に配置し
たことにある。
【００１５】さらに、本発明の構成上の第４の特徴は、
自然旋光性を有さない光磁気効果素子を用いて過電流に
基づくファラディ回転角の変化を光出力の変化として検
出する過電流検出装置であって、光を出射する発光源
と、この発光源により出射された光を直線偏光する偏光
子と、偏光子により直線偏光された光を磁界の強度に応
じてファラディ回転する自然旋光性を有さない光磁気効
果素子と、この自然旋光性を有さない光磁気効果素子に
よりファラディ回転された光を当該ファラディ回転角に
応じた光強度に変換する検光子と、この検光子からの光
強度が所定値以上になると出力信号を発する受光素子と
を有し、偏光子と検光子との偏波面の相対角度が９０度
となるような位置関係に偏光子と検光子とを配置したこ
とにある。
【００１６】
【発明の作用・効果】上記のように構成した本発明にお
いては、通常の負荷状態での電流が流れることにより発
生する磁界の大きさでは光出力に基づく検出信号が零と
なるようにし、過電流が流れることにより発生する大き
な磁界においては光出力に基づく検出信号が得られるよ
うになされているので、過電流の有無に対応したオン・
オフの信号を得ることができるようになる。そして、過
電流の有無に対応したオン・オフの信号の切り換えは瞬
時に行われるため、過電流の検出を瞬時に行うことがで
きるようになるという格別の効果を生じる。
【００１７】また、偏光子および光磁気効果素子通過後
の光偏波面と検光子の偏波面との相対角度が９０度とな
るような位置関係に配置しており、あるいは自然旋光性
を有さない光磁気効果素子を用いた場合には、偏光子と
検光子とを偏光子と検光子との偏波面の相対角度が９０
度となるような位置関係に配置し、検光子からの光出力
の有無を受光素子により検出してこの受光素子から過電
流信号を発するようにしているので、過電流検出のため
の複雑な電気回路が一切必要でなく、過電流判定の精度
も格段に向上するという格別の効果を生じる。
【００１８】さらに、複雑な電気回路を一切使用してい
ないので、その電気回路の温度特性を考慮する必要もな
くなり、この種、装置を安価に製造できるという格別の
効果を生じる。また、複雑な電気回路を一切使用してい
ないので、センサとしての信頼性も向上し、かつ、その
保守も容易になるという格別の効果を生じる。
【００１９】
【実施例】以下、本発明の過電流検出装置の実施例を図
面に基づいて説明する。図１は本発明の過電流検出装置
の実施例の全体構成を示す図であり、本実施例の過電流
検出装置は、発光源１００と、偏光子２１０、ファラデ
ィ素子からなる光磁気効果素子２２０および検光子２３
０よりなる光磁界センサ２００と、受光素子３００とか
ら構成されている。偏光子２１０および検光子２３０と
しては誘電体膜や天然方解石を素材とするものが、受光
素子３００としては光強度を検出して電気信号に変換す
るフォトダイオード、フォトトランジスタ、光点弧型サ
イリスタ等の各種の光検出器が好適に採用される。
【００２０】また、光磁気効果素子２２０としては、自
己旋光性があるファラディ素子としては、ＢＳＯ、ＢＧ
Ｏ等を用いる。また、自己旋光性がないファラディ素子
としては、鉛ガラス、Ａｓ4Ｓｅ、ＺｎＳｅ等の反磁性
体、ＹＩＧ、Ｔｂ−ＹＩＧ、Ｂｉ−ＹＩＧ等の強磁性体
およびＦＲ−５ガラス、ＣｄＭｎＴｅ等の常磁性体、等
を用いる。また、発光源１００としては、Ｈｅ−Ｎｅレ
ーザ、Ａｒイオンレーザ、レーザダイオード、発光ダイ
オード（ＬＥＤ）等が好適に採用される。
【００２１】ここで、例えば、ファラディ素子としてＢ
ＳＯを用いる場合は、発光源１００としては０．８５μ
ｍの波長を有する光源を用い、ファラディ素子としてＣ
ｄＭｎＴｅを用いる場合は、発光源１００としては０．
６〜０．８μｍの波長を有する光源を用い、ファラディ
素子として鉛ガラスを用いる場合は、発光源１００とし
ては０．８５μｍの波長を有する光源を用いる。
【００２２】図１において、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、Ａｒイ
オンレーザ、レーザダイオード、発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）等からなる発光源１００から出射された光は、誘電
体膜や天然方解石を素材とする偏光子２１０に入射され
る。この偏光子２１０に入射された光は偏光子２１０に
より直線偏光され、上述のファラディ素子よりなる光磁
気効果素子２２０に入射される。このファラディ素子２
２０に入射された光は、通電導体４００に流れる電流に
より生じる磁界の強度に応じて、その偏光面がファラデ
ィ回転する。
【００２３】ファラディ素子２２０によりファラディ回
転された光は、誘電体膜や天然方解石を素材とする検光
子２３０に入射され、この検光子２３０によりファラデ
ィ回転角に応じた光強度に変換される。ついで、フォト
ダイオード、フォトトランジスタ、光点弧型サイリスタ
等よりなる受光素子３００に入射し、この受光素子３０
０により、所定値以上の光強度を検出して電気信号に変
換される。
【００２４】ここで、偏光子２１０と検光子２３０と
は、次のような位置関係となるように配置されている。
即ち、ファラディ素子２２０として、ＢＳＯ、ＢＧＯ等
よりなる自己旋光性があるファラディ素子２２０を用い
た場合は、ファラディ素子２２０の自己旋光性による偏
波面の回転を考慮して、偏光子２１０およびファラディ
素子２２０通過後の光偏波面と検光子２３０の偏波面と
の相対角度が９０度となるような位置関係に配置されて
いる。また、ファラディ素子２２０として、鉛ガラス、
Ａｓ4Ｓｅ、ＺｎＳｅ、ＹＩＧ、Ｔｂ−ＹＩＧ、Ｂｉ−
ＹＩＧ、ＣｄＭｎＴｅ、ＦＲ−５ガラス等の自己旋光性
がないファラディ素子２２０を用いた場合は、偏光子２
１０と検光子２３０との偏波面の相対角度が９０度とな
るような位置関係に配置されている。
【００２５】偏光子２１０と検光子２３０とをこのよう
な配置関係に配置されているので、図２に示されるよう
に、偏光子２１０およびファラディ素子２２０通過後の
光偏波面と検光子２３０の偏波面との相対角度が９０度
となる点および偏光子２１０と検光子２３０との偏波面
の相対角度が９０度となる点において検光子２３０より
出力される出力光は零となる。
【００２６】ここで、通電導体４００に通常の負荷電流
が流れている場合、この電流により生じる磁界は小さい
ので、ファラディ素子２２０のファラディ回転の回転範
囲は図２（ａ）のＡの範囲内と小さく、したがって、検
光子２３０より出力される出力光は図２（ｂ）のＡに示
されるような小さな光強度となり、この図２（ｂ）のＡ
に示されるような小さな光強度においては、受光素子３
００が作動状態となる最低照度とはならないため、受光
素子３００は光強度を検出できなく、その出力信号を発
しない。
【００２７】このような状態において、短絡、地絡等の
事故が発生して通電導体４００に過電流が流れた場合、
この過電流により生じる磁界は大きいので、ファラディ
素子２２０のファラディ回転角は図２（ａ）のＢと大き
くなり、したがって、検光子２３０より出力される出力
光は図２（ｂ）のＢに示されるような大きな光強度とな
る。この図２（ｂ）のＢに示されるような大きな光強度
においては、受光素子３００は作動状態となり、受光素
子３００は光強度を検出して、その出力信号を発するこ
ととなる。
【００２８】以上に説明したように、本実施例において
は、通常の負荷状態での電流が流れることにより発生す
る磁界の大きさでは光出力に基づく信号が零となるよう
にし、過電流が流れることにより発生する大きな磁界に
おいては光出力に基づく信号が得られるようになされて
いるので、過電流の有無に対応したオン・オフの信号を
得ることができるようになる。そして、過電流の有無に
対応したオン・オフの信号の切り換えは瞬時に行われる
ため、過電流の検出を瞬時に行うことができるようにな
るという格別の効果を生じる。
【００２９】また、偏光子２１０およびファラディ素子
２２０通過後の光偏波面と検光子２３０の偏波面との相
対角度が９０度となるような位置関係に配置しており、
あるいは自然旋光性を有さない光磁気効果素子を用いた
場合には、偏光子２１０と検光子２３０とを偏光子２１
０と検光子２３０との偏波面の相対角度が９０度となる
ような位置関係に配置し、検光子２３０からの光出力の
有無を受光素子３００により検出してこの受光素子３０
０から過電流信号を発するようにしているので、過電流
検出のための複雑な電気回路が一切必要でなく、過電流
判定の精度も格段に向上するという格別の効果を生じ
る。
【００３０】さらに、複雑な電気回路を一切使用してい
ないので、その電気回路の温度特性を考慮する必要もな
くなり、この種、装置を安価に製造できるという格別の
効果を生じる。また、複雑な電気回路を一切使用してい
ないので、センサとしての信頼性も向上し、かつ、その
保守も容易になるという格別の効果を生じる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例の全体構成の概略を示す図で
ある。
【図２】 本発明の実施例の出力光強度を示す図であ
り、（ａ）は偏光子および光磁気効果素子通過後の光偏
波面と検光子の偏波面との相対角度と出力光強度との関
係、あるいは偏光子と検光子との偏波面の相対角度と出
力光強度との関係を示す図であり、（ｂ）は通電電流と
出力光強度との関係を示す図である。
【図３】 ファラディ効果を示す原理図である。
【図４】 一般的な光磁界測定器の構成例を示す図であ
る。
【図５】 偏光子と検光子との偏波面の相対角度と出力
光強度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１００…光源、２００…光磁界センサ、２１０…偏光
子、２２０…光磁気効果素子（ファラディ素子）、２３
０…検光子、３００…受光素子、４００…通電導体。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光磁気効果素子を用いて過電流に基づくフ
    ァラディ回転角の変化を光出力の変化として検出する過
    電流検出方法であって、 偏光子および光磁気効果素子通過後の光偏波面と検光子
    の偏波面との相対角度が９０度となるような位置関係に
    偏光子と検光子とを配置して、 通常の負荷状態での電流が流れることにより発生する磁
    界の大きさでは光出力に基づく検出信号が零となるよう
    にし、過電流が流れることにより発生する大きな磁界に
    おいては光出力に基づく検出信号が得られるようにした
    ことを特徴とする過電流検出方法。
  2. 【請求項２】自然旋光性を有さない光磁気効果素子を用
    いて過電流に基づくファラディ回転角の変化を光出力の
    変化として検出する過電流検出方法であって、 偏光子と検光子との偏波面の相対角度が９０度となるよ
    うな位置関係に偏光子と検光子とを配置して、 通常の負荷状態での電流が流れることにより発生する磁
    界の大きさでは光出力に基づく検出信号が零となるよう
    にし、過電流が流れることにより発生する大きな磁界に
    おいては光出力に基づく検出信号が得られるようにした
    ことを特徴とする過電流検出方法。
  3. 【請求項３】光磁気効果素子を用いて過電流に基づくフ
    ァラディ回転角の変化を光出力の変化として検出する過
    電流検出装置であって、 光を出射する発光源と、 前記発光源により出射された光を直線偏光する偏光子
    と、 前記偏光子により直線偏光された光を磁界の強度に応じ
    てファラディ回転する光磁気効果素子と、 前記光磁気効果素子によりファラディ回転された光を当
    該ファラディ回転角に応じた光強度に変換する検光子
    と、 前記検光子からの光強度が所定値以上になると出力信号
    を発する受光素子と、を有し、 偏光子および光磁気効果素子通過後の光偏波面と検光子
    の偏波面との相対角度が９０度となるような位置関係に
    配置したことを特徴とする過電流検出装置。
  4. 【請求項４】自然旋光性を有さない光磁気効果素子を用
    いて過電流に基づくファラディ回転角の変化を光出力の
    変化として検出する過電流検出装置であって、 光を出射する発光源と、 前記発光源により出射された光を直線偏光する偏光子
    と、 前記偏光子により直線偏光された光を磁界の強度に応じ
    てファラディ回転する自然旋光性を有さない光磁気効果
    素子と、 前記自然旋光性を有さない光磁気効果素子によりファラ
    ディ回転された光を当該ファラディ回転角に応じた光強
    度に変換する検光子と、 前記検光子からの光強度が所定値以上になると出力信号
    を発する受光素子と、を有し、 前記偏光子と前記検光子とを前記偏光子と前記検光子と
    の偏波面の相対角度が９０度となるような位置関係に配
    置したことを特徴とする過電流検出装置。
  5. 【請求項５】前記受光素子としてフォトダイオード、フ
    ォトトランジスタ、光点弧型サイリスタから選択した１
    つを用いたことを特徴とする請求項３乃至４記載の過電
    流検出装置。
  6. 【請求項６】前記自然旋光性を有さない光磁気効果素子
    として、鉛ガラス、Ａｓ4Ｓｅ、ＺｎＳｅ、ＹＩＧ、Ｔ
    ｂ−ＹＩＧ、Ｂｉ−ＹＩＧ、ＦＲ−５ガラスおよびＣｄ
    ＭｎＴｅから選択した１つを用いたことを特徴とする請
    求項４記載の過電流検出装置。
JP6165596A 1994-07-18 1994-07-18 過電流検出方法および過電流検出装置 Pending JPH0829459A (ja)

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