JPH10111319A - 光電圧・光電流センサの信号処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ポッケルス素子などから成る電気光学素子２
７の印加電圧に対する透過光量変化から、系統電圧を検
出するようにした光電圧センサ２１において、λ／４板
２６における位相差の温度変化による偏移の影響を除去
する。 【解決手段】 偏検光子２８からの反射光のフォトダイ
オード３２での光電変換出力のＬＰＦ３６を介する低域
成分ＤＣＳと、前記偏検光子２８の透過光のフォトダイ
オード３３での光電変換出力のＬＰＦ３７を介する低域
成分ＤＣＰとの加算値を加算器３８で求め、除算器３９
において、前記反射光出力のＨＰＦ３５を介する高域成
分ＡＣＳを、該加算値で除算する。したがって、温度変
化に従う前記位相差の偏移によって、前記透過光と反射
光との何れか一方の光量が増加しても、何れか他方の光
量が減少し、加算値は一定のままとなって、前記印加電
圧変化が現れる高域成分の変化を高精度に検出すること
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
善するための信号処理方法および装置に関する。

【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り、こ
うし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２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、信号処理回路である受光回路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。電気光学素子７は、たとえばＢ
ＧＯ（Ｂｉ₁₂ＧｅＯ_２０）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、その透過光量を変化する。

【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３において参照符α１で示すよう
な円偏光となる。

【０００８】前記発光回路３において、発光ダイオード
１１は、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、ハイパスフィルタ（略称ＨＰＦ）１４と、ローパス
フィルタ（略称ＬＰＦ）１５とに共通に入力されてい
る。ハイパスフィルタ１４からの出力は、除算器１６に
おいて、ローパスフィルタ１５からの出力と除算されて
出力される。

【０００９】したがって、除算器１６の出力は、ハイパ
スフィルタ１４で抽出された交流成分ＡＣを、ローパス
フィルタ１５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光量損失の影響を
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において、λ／４板６および電気光学
素子７を合わせての入出力の関係は式１で表すことがで
きる。

【００１１】 Ｉ＝（Ｉｏ／２）｛１±Ｓｉｎ（Γｖ＋δ）｝ …（１） ただし、Ｉｏは偏検光子５を通過した後の光量であり、
Γｖはポッケルス効果によって生じる位相差であり、δ
はλ／４板６での位相差の前記９０（°）からの偏移量
である。また、Ｉは偏検光子８からの出射光量であり、
該偏検光子８を透過するＰ成分であるときには、ｓｉｎ
（Γｖ＋δ）の項は＋となり、反射光であるＳ成分であ
るときには、ｓｉｎ（Γｖ＋δ）の項は−となる（この
図２の例では該偏検光子８からは反射光、すなわちＳ成
分が出力されている）。ここで、前記ｓｉｎ（Γｖ＋
δ）が小さい（≪１）場合には、前記式１は式２のよう
に近似することができる。

【００１２】 Ｉ＝（Ｉｏ／２）｛１±（Γｖ＋δ）｝ …（２） ところで、前記λ／４板６は温度係数βａを有してお
り、該光電圧センサ１の使用温度幅をＴａとし、温度に
よって偏移した後の位相差をδａとすると、 δａ＝δｏ（１＋βａ・Ｔａ） …（３） となる。ただし、δｏは基準温度での位相差である。

【００１３】たとえば、前記λ／４板６の温度係数βａ
は−１．０１４×１０^−４（°／℃）であり、使用温度
幅Ｔａは−２０〜８０（℃）の１００（℃）であり、δ
ｏ＝π／２＝９０（°）として、これらの数値を代入す
ると、 δａ＝９０｛１＋（−１．０１４×１０^-4）×１００｝＝８９（°）…（４） となって、δ＝１（°）のずれが生じていることにな
る。

【００１４】前記λ／４板６での位相差が前記π／２か
ら偏移すると、図３において参照符α２，α３で示すよ
うに、該λ／４板６からの出射光は楕円偏光となる。こ
れによって、電気光学素子７からの出力光の光量変化
が、ポッケルス効果、すなわちΓｖによるものか、また
は前記偏移量δによるものかが分からず、電気光学素子
７への印加電圧を正確に測定することができない。

【００１５】一方、受発光回路４，３も温度特性を有し
ており、たとえば発光ダイオード１１の発光波長λが温
度係数βｂを有するとき、温度変化幅をＴｂとすると、
前記発光波長λの変化によって偏移した後のλ／４板６
の位相差δｂは、 δｂ＝δｏ｛λ／（λ＋βｂＴｂ）｝ …（５） で表すことができる。

【００１６】前記発光波長λを８５０（ｎｍ）、温度係
数βｂを０．２５（ｎｍ／℃）、温度変化幅Ｔｂを５０
（℃）とすると、 δｂ＝９０｛８５０／（８５０＋０．２５×５０）｝＝８８．７（°）…（６） となり、これによってもまた、δ＝１（°）以上のずれ
が生じることになる。

【００１７】したがって、δ＝（δｏ−δａ）＋（δｏ
−δｂ）＝２（°）とするとｓｉｎ（２°）＝０．０３
５から、前記式２は、 Ｉ＝（Ｉｏ／２）｛１±（Γｖ＋０．０３５）｝ …（７） となり、たとえばフォトダイオード１２によって検出さ
れるＳ成分の前記除算器１６からの出力ＡＣ／ＤＣは、 ＡＣ／ＤＣ ＝（Ｉｏ／２）・Γｖ／｛（Ｉｏ／２）（１−０．０３５）｝ ＝１．０３６Γｖ …（８） となって、約３．６％の誤差を生じることになる。した
がって、広い温度範囲に亘って高精度な測定を行うこと
ができないという問題がある。

【００１８】また、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ても同様の
問題が生じる。

【００１９】本発明の目的は、波長板の位相差の温度変
化による偏移の影響を除去して、広い温度範囲に亘って
高精度な測定を行うことができる光電圧・光電流センサ
の信号処理方法および装置を提供することである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る光
電圧・光電流センサの信号処理方法は、偏検光子と、波
長板と、電気光学素子または磁気光学素子と、偏検光子
とを備える光経路に光信号を入射し、電界または磁界に
対応した前記電気光学素子または磁気光学素子の透過光
量から、電圧または電流をそれぞれ測定するようにした
光電圧・光電流センサの信号処理方法において、出力側
の偏検光子から出力される偏波面が相互に直交する透過
光および反射光をそれぞれ第１および第２の受光素子で
光電変換し、前記第１および第２の受光素子からの出力
の低域成分をそれぞれ抽出して相互に加算し、前記第１
または第２の受光素子の何れかからの出力の高域成分を
抽出し、前記高域成分を前記低域成分の加算値で除算す
ることを特徴とする。

【００２１】また、請求項２の発明に係る光電圧・光電
流センサの信号処理装置は、偏検光子と、波長板と、電
気光学素子または磁気光学素子と、偏検光子とを備える
光経路に光信号を入射し、電界または磁界に対応した前
記電気光学素子または磁気光学素子の透過光量から、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
電流センサの信号処理装置において、出力側の偏検光子
から出力される偏波面が相互に直交する透過光および反
射光をそれぞれ受光して光電変換する第１および第２の
受光素子と、前記第１および第２の受光素子からの出力
の低域成分をそれぞれ抽出する第１および第２の低域フ
ィルタと、前記第１および第２の低域フィルタからの出
力を相互に加算する加算器と、前記第１または第２の受
光素子の何れかからの出力の高域成分を抽出する高域フ
ィルタと、前記高域フィルタからの出力を前記加算器か
らの出力で除算する除算器とを含むことを特徴とする。

【００２２】上記の構成によれば、出力側の偏検光子に
第１および第２の２つの受光素子を対向させ、両受光素
子からの出力、すなわち前記偏検光子の偏光方向と平行
で透過光として出力されるＰ成分、および前記偏光方向
と垂直で反射光として出力されるＳ成分の低域成分の加
算値で、第１または第２の受光素子の何れかからの出力
の高域成分を除算する。これによって、温度変化による
波長板からの前記２つの出力光成分の位相差の偏移に対
しても、前記低域成分の加算値は一定のままとなる。

【００２３】したがって、温度変化に対する波長板の影
響を除去することができ、広い温度範囲に亘って高精度
な測定を行うことができる。また、前記低域成分の加算
値は、たとえば発光素子の発光光量の変化、受光素子の
受光感度の変化、および伝送路損失などによっては変化
するけれども、これらの変化は高域成分にも比例して表
れ、したがって、除算することによって除去することが
できる。

【００２４】

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

【００２５】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、信号処理回路である受光回路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２６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。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、その透過光量を変化する。

【００２６】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。

【００２７】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３２，３３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、発光ダイオード３１
からの入射光のうち、所定の偏光方向の光のみをλ／４
板２６へ出力し、偏検光子２８は検光子として作用し、
電気光学素子２７からの出力光を、前記偏検光子２５の
偏光方向と垂直な反射光のＳ成分と、平行な透過光のＰ
成分とに分離し、それぞれ前記フォトダイオード３２，
３３へ出力する。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２５は検光子として作用する。

【００２８】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３において参照符α１で示すような円偏光となる。

【００２９】前記発光回路２３において、発光ダイオー
ド３１は、電源３４によって発光駆動される。一方、受
光回路２４において、フォトダイオード３２からの出力
は、ハイパスフィルタ３５と、ローパスフィルタ３６と
に共通に入力されている。また、フォトダイオード３３
からの出力はローパスフィルタ３７に入力されている。
ローパスフィルタ３６，３７からの出力は、加算器３８
において、相互に加算されている。加算器３８からの出
力によって、除算器３９において、前記ハイパスフィル
タ３５からの出力が除算されて出力される。

【００３０】したがって、除算器３９の出力は、ハイパ
スフィルタ３５で抽出されたＳ成分の交流成分ＡＣＳ
を、ローパスフィルタ３６，３７で抽出された直流成分
ＤＣＳ，ＤＣＰの加算値によって除算した値となり、た
とえば前述のように、前記式８と同様にδ＝２（°）と
すると、前記式２から、 ＡＣＳ／（ＤＣＳ＋ＤＣＰ） ＝（Ｉｏ／２）Γｖ ／｛（Ｉｏ／２）（１−０．０３５）＋（Ｉｏ／２）（１＋０．０３５）｝ ＝Γｖ／２ …（９） となる。

【００３１】したがって、温度変化によるλ／４板２６
の位相差の偏移の影響を受けることなく、電気光学素子
２７による位相差Γｖのみを抽出できることが理解され
る。

【００３２】また、前述のような発光ダイオード３１の
発光光量の変化、フォトダイオード３２，３３の受光感
度の変化および光ファイバ等の伝送路損失の変化など
が、直流成分ＤＣＳ，ＤＣＰとともに交流成分ＡＣＳに
も比例して表れるので、これらの影響を受けることもな
い。さらにまた、前述の光電圧センサ１に比べて、フォ
トダイオード３３、ローパスフィルタ３７および加算器
３８を追加するだけでよく、簡単な構成で高精度な測定
を行うことができるようになる。

【００３３】なお、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ても、同様
にして温度特性を改善可能であることは言うまでもな
い。また、前記交流成分ＡＣＳおよび直流成分ＤＣＳ，
ＤＣＰの抽出には、前記ハイパスフィルタ３５およびロ
ーパスフィルタ３６，３７に限らず、ＦＦＴ（高速フー
リエ変換）などの他の手法が用いられてもよい。

【００３４】

【発明の効果】請求項１の発明に係る光電圧・光電流セ
ンサの信号処理方法および請求項２の発明に係る光電圧
・光電流センサの信号処理装置によれば、以上のよう
に、偏検光子と、波長板と、電気光学素子または磁気光
学素子と、偏検光子とを備えて、前記電気光学素子また
は磁気光学素子の透過光量から電圧または電流をそれぞ
れ測定する光電圧・光電流センサの信号を処理するにあ
たって、出力側の偏検光子の出力光の高域成分を、その
出力光の低域成分で除算することによって、発光素子の
発光光量変化、受光素子の受光感度変化および伝送路損
失の変化などによる影響を除去することができるように
し、かつ前記低域成分は、前記偏検光子の透過光および
反射光の加算値とする。

【００３５】それゆえ、前記波長板での位相差の温度に
よる偏移に対しても、前記低域成分の加算値は変化する
ことなく、前記印加電圧による変動のみを抽出可能とす
ることができる。これによって、波長板の温度変化によ
る影響を除去して、広い温度範囲に亘って高精度な測定
を行うことができるようになる。

【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】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３】λ／４板で生じる位相差の偏移による偏光形状
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（波長板） ２７ 電気光学素子 ２８ 偏検光子 ３１ 発光ダイオード（発光素子） ３２ フォトダイオード（第１の受光素子） ３３ フォトダイオード（第２の受光素子） ３４ 電源 ３５ ハイパスフィルタ（高域フィルタ） ３６ ローパスフィルタ（第１の低域フィルタ） ３７ ローパスフィルタ（第２の低域フィルタ） ３８ 加算器 ３９ 除算器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】偏検光子と、波長板と、電気光学素子また
   は磁気光学素子と、偏検光子とを備える光経路に光信号
   を入射し、電界または磁界に対応した前記電気光学素子
   または磁気光学素子の透過光量から、電圧または電流を
   それぞれ測定するようにした光電圧・光電流センサの信
   号処理方法において、 出力側の偏検光子から出力される偏波面が相互に直交す
   る透過光および反射光をそれぞれ第１および第２の受光
   素子で光電変換し、 前記第１および第２の受光素子からの出力の低域成分を
   それぞれ抽出して相互に加算し、 前記第１または第２の受光素子の何れかからの出力の高
   域成分を抽出し、 前記高域成分を前記低域成分の加算値で除算することを
   特徴とする光電圧・光電流センサの信号処理方法。
2. 【請求項２】偏検光子と、波長板と、電気光学素子また
   は磁気光学素子と、偏検光子とを備える光経路に光信号
   を入射し、電界または磁界に対応した前記電気光学素子
   または磁気光学素子の透過光量から、電圧または電流を
   それぞれ測定するようにした光電圧・光電流センサの信
   号処理装置において、 出力側の偏検光子から出力される偏波面が相互に直交す
   る透過光および反射光をそれぞれ受光して光電変換する
   第１および第２の受光素子と、 前記第１および第２の受光素子からの出力の低域成分を
   それぞれ抽出する第１および第２の低域フィルタと、 前記第１および第２の低域フィルタからの出力を相互に
   加算する加算器と、 前記第１または第２の受光素子の何れかからの出力の高
   域成分を抽出する高域フィルタと、 前記高域フィルタからの出力を前記加算器からの出力で
   除算する除算器とを含むことを特徴とする光電圧・光電
   流センサの信号処理装置。