簡潔な光ファイバ・ファラデー効果センサの補償
【課題】導電体中の高電圧電流を測定するためのシステムを較正する方法を提供すること。
【解決手段】高電圧電流を伝える導電体を設け、光源を設け、光源が接続された第1の端部および反対側の第2の端部を定めており、光源の放射する光が進入する第1の光経路を設け、第1の端部および反対側の第2の端部を定めており、第1の端部が前記第1の光経路の第2の端部に接続されており、第1の光経路からの光を受信するファラデー電流測定装置を設け、第1の端部および反対側の第2の端部を定めており、第1の端部がファラデー電流測定装置の第2の端部に接続されている第2の光経路を設け、第2の光経路の第2の端部に接続され、光を電気信号に変換するための光検出手段を設け、導電体中の電流の測定を実行する電流測定システムを設け、導電体中の電流の測定を実行し、導電体中の高電圧電流を測定するためのシステムによって較正定数を計算し、電流測定システムを取り除く。
【解決手段】高電圧電流を伝える導電体を設け、光源を設け、光源が接続された第1の端部および反対側の第2の端部を定めており、光源の放射する光が進入する第1の光経路を設け、第1の端部および反対側の第2の端部を定めており、第1の端部が前記第1の光経路の第2の端部に接続されており、第1の光経路からの光を受信するファラデー電流測定装置を設け、第1の端部および反対側の第2の端部を定めており、第1の端部がファラデー電流測定装置の第2の端部に接続されている第2の光経路を設け、第2の光経路の第2の端部に接続され、光を電気信号に変換するための光検出手段を設け、導電体中の電流の測定を実行する電流測定システムを設け、導電体中の電流の測定を実行し、導電体中の高電圧電流を測定するためのシステムによって較正定数を計算し、電流測定システムを取り除く。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、偏光の検出を備えるファラデー光学式電流センサに関する。さらに、本発明は、ファラデー光学式電流センサを備える電流センサ・システムを較正する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
電力業界には、電力の急変および大電流パルスの測定に関して変電所を監視するというニーズが存在する。これらの目的に対して、ファラデー効果電流センサは、いくつかの利点を有している。ファラデー効果電流センサは、誘電体から構成することができ、大きな電磁干渉の存在下での大電流の測定において非常に重要である。ファラデー効果電流センサには、電流によって生成される磁界に応答してファラデー効果を呈する材料で形成された光ファイバのコイルまたは複数の光ファイバを使用することができる。米国特許第4,894,608号、米国特許第5,051,577号、米国特許第5,486,754号、米国特許第5,811,964号、および米国特許第6,043,648号など、いくつかの先行技術の特許文献が、ファラデー光学式電流センサを開示しており、これらはここで言及することによって本明細書に組み込まれたものとする。
【0003】
ファラデー効果電流センサにおいては、偏光している入射光の偏光面が回転にされ、この回転が、測定しようとしている電流によって生み出された磁界の関数である。
【0004】
測定しようとしている電流を、当該光学式センサの出力側における光の偏光面の回転の角度を測定することによって、割り出すことができる。光がガラス棒を通過するとき、その光は回転される。回転の角度は、下記の式
β=V×B×d
によって表現することができ、ここで、βは回転の角度であり、dは検出素子の長さであり、Vはガラス棒の材料定数であってベルデ定数と呼ばれ、Bはベクトルとして記載された磁界である。ベルデ定数は、温度および波長の両者について依存性を有する。
【0005】
ファラデー効果電流センサにおいては、光源が光を生成し、その光が、磁気‐光学感受性材料を通過して移動する前に、偏光フィルタを通過し、あるいは他の方法で偏光させられる。偏光した入射光が回転され、この回転が、測定しようとしている電流が生成している磁界の関数である。測定しようとしている電流を、ファラデー光学式電流センサの出力側における光の偏光面の回転の角度を測定することによって、割り出すことができる。
【特許文献1】米国特許第4,894,608号公報
【特許文献2】米国特許第5,051,577号公報
【特許文献3】米国特許第5,486,754号公報
【特許文献4】米国特許第5,811,964号公報
【特許文献5】米国特許第6,043,648号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
光源および検出器を備えてなる光ファイバ電流センサは、何よりもまず、検出回路における光学的ノイズ、光源における電気的ノイズ、近傍のインダクタおよびシステムからの磁界の干渉、センサの取り付けおよび設定、導体(コンダクタ)の形状および直径、センサの製造公差、ベルデ定数に対する温度の影響、光源および検出器に対する温度の影響、ならびに製品寿命にわたる光源および検出器の劣化の影響を受けやすい。
【0007】
測定しようとする電流の割り出しは、いくつかの誤差の原因となりやすい。光学または電気回路に基づくあらゆるシステムは、光学的ノイズや電磁源からの干渉など、ノイズおよび他の信号劣化の影響を受けやすい。光源、光検出ユニット、および光ファイバなどの光学的経路を有するシステムは、レンズや光ファイバなどの光学的経路または装置を形成するために使用されている材料中の欠陥によって引き起こされる光学的減衰によって、感度の喪失を受ける可能性がある。光源および光検出回路は、電気的ノイズあるいは近傍のインダクタまたはシステムからの磁界の干渉にさらされ、あるいは電源の変動によって引き起こされるノイズにさらされうる。さらに、温度などの環境条件が、ベルデ定数などの材料の特性に影響し、光源および光検出回路において生じるノイズにも影響する。さらに、すべての電気部品および光源ならびに光検出素子は、経時劣化の問題を抱えている。以上述べたすべての要因が、システムによって実行される測定の正確さを低下させる原因となっている。
【0008】
ファラデー光学式電流センサの使用による変電所の測定および監視の開始に先立つ較正が、導体中の電流のより正確な測定をもたらすものと考えられる。さらに、正確な測定は、一定の量の光を出力する安定した光源を備えることに依存し、あるいは光源からの光の強度の変化ならびに温度変化によって生じる光強度の変化を割り出すことに依存する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
変電所を監視するためのシステムは、複数の変電所を監視する1つ以上のコンピュータへと収集したデータを伝送するデータ収集およびデータ伝送ユニットと組み合わせることができる。これらの通信ユニットは、無線の接続またはPOTS/PSTNネットワークなどの固定の接続によって構成できる。個々の変電所内に取り付けられた測定システムから中央のコンピュータまでの通信は、平均負荷、電流ピーク、高電圧電流線の実際の電流、エネルギーの方向、最大電流、実際の電圧、および周温についての情報、ならびに前記情報のすべてについての時刻スタンプを含むことができる。さらに、測定システムは、ピーク電流が所与の最大しきい値を超え、あるいは最小しきい値を下回る状況、電圧が最大しきい値を上回り、あるいは最小しきい値を下回る状況、または周囲の温度が範囲を外れているなどの他の情報など、いずれも変電所における何らかの故障または障害を知らせている状況について、電力会社の運転員に警報を伝えるための警報機能を備えることができる。
【0010】
さらに、通信ユニットは、運転員に例えばピーク電流のレベル、電圧ドロップアウト・レベル、タイムアウト値、および警報オプションの決定など、システムを設定する能力を与え、遠方からシステムの設定を実行する機会を提供する。
【0011】
さらに、以上概括したシステムは、風車あるいは石炭火力または原子力発電所などの産業においても使用することができ、変電所における使用に限られるものではない。
【0012】
さらに本発明は、導電体中の高電圧電流を測定する方法であって、
LEDベースの光源または白熱の光源を設けるステップと、
第1の光ファイバであって、前記光源から放射された光を案内する第1の光経路を設けるステップと、
光学式電流測定装置を設けるステップであって、該光学式電流測定装置が、
第1の開放端および前記第1の開放端と反対側の第2の開放端を定めているハウジングと、
開口を有し、前記ハウジングの前記第1の開放端の幾何学的全体構成に対応する幾何学的全体構成を有し、さらに前記第1の光ファイバを受け入れるように構成された開口を有している第1のシーリング手段と、
前記第1の光ファイバを固定するための第1の固定手段と、
前記ハウジング内に取り付けられるとともに、前記第1の光ファイバを自身に光学的に連続させて取り付けるため前記第1の固定手段を受け入れるように構成された受け入れ部を有している第1の光学レンズと、
前記第1の光学レンズに光学的に連続させて前記ハウジング内に取り付けられる第1の偏光フィルタと、
磁気‐光学特性を有する材料から構成され、前記第1の偏光フィルタに光学的に連続させて前記ハウジング内に収容および包囲されるガラス棒と、
前記ガラス棒に光学的に連続させて前記ハウジング内に取り付けられる第2の偏光フィルタと、
前記第2の偏光フィルタに光学的に連続させて前記ハウジング内に取り付けられるとともに、第2の固定手段を受け入れるように構成されている第2の光学レンズと、
前記第2の光学レンズに受け入れられ、第2の光ファイバを固定するための第2の固定手段と、
第2の光ファイバを受け入れるための開口を有し、前記ハウジングの前記第2の端部に取り付けられ、前記ハウジングの前記第2の端部を密封するための第2のシーリング手段と、
それぞれ前記ハウジングの前記第1および第2の端部へと固定されるように構成され、それぞれ前記第1および第2の光ファイバを受け入れるための開口を備えている第1および第2の蓋と、を有し、前記第1の光経路から前記光を受信する光学式電流測定装置を設けるステップと、
前記第2の光ファイバであって、前記光学式電流測定装置から発せられる前記光を受信する第2の光経路を設けるステップと、
前記第2の光経路から発せられる前記光を検出し、該受信した光を電気信号に変換するための検出手段を設けるステップと、
前記検出手段からの前記電気信号を処理するための処理手段を設けるステップと、
当該システムのために較正用の測定を実行するための電流測定システムを設けるステップ、および
第1の通信手段を設けるステップと、を含んでいる方法に関する。
【0013】
較正は、例えば消耗または損傷した構成部品によって引き起こされる信号劣化を除くために実行でき、さらに他の電気ケーブルなどの電界放射源からの干渉も補償できる。
【0014】
センサが、複数の導電ケーブルのうちの特定の電気ケーブルに配置される場合、当該システムは、前記複数の導電ケーブルのうちの残りの部分からの影響を除くために較正を実行することができる。
【0015】
較正は、当該システムが最初に設置されるときに実行され、したがって装置または構成部品の劣化を補償することができる。
【0016】
さらに本発明は、導電体中の高電圧電流を測定するためのシステムを較正する方法であって、
高電圧電流を伝える導体を設けるステップと、
光源を設けるステップと、
前記光源が接続された第1の端部および反対側の第2の端部を定めており、前記光源の放射する光が進入する第1の光経路を設けるステップと、
第1の端部および反対側の第2の端部を定めており、該第1の端部が前記第1の光経路の前記第2の端部に接続されており、前記第1の光経路からの前記光を受信するファラデー電流測定装置を設けるステップと、
第1の端部および反対側の第2の端部を定めており、該第1の端部が前記ファラデー電流測定装置の前記第2の端部に接続されている第2の光経路を設けるステップと、
前記第2の光経路の前記第2の端部に接続され、前記光を電気信号に変換するための光検出手段を設けるステップと、
前記導電体中の電流の測定を実行する電流測定システムを設けるステップと、
前記導体中の前記電流の前記測定を実行し、前記導体中の高電圧電流を測定するためのシステムによって較正定数を計算し、前記電流測定システムを取り除くステップと、を含んでいる方法に関する。
【0017】
好ましくは、システムを較正するこの方法が、
前記導電体中の高電圧電流を測定するためのシステムによって、前記電気信号のACおよびDC成分を測定することによって前記較正定数を周期的または非周期的に再計算するステップをさらに含んでいる。
【0018】
本発明の特定の態様によれば、この方法が、
最初に前記光信号のDC成分を割り出し、次いで前記光信号のDC成分を周期的に割り出すステップ、および
測定したAC成分を前記最初に割り出されたDC成分と前記周期的に割り出されたDC成分との比で乗算することによって、実際のAC成分を割り出すステップをさらに含んでいる。
【0019】
本発明による方法は、好ましくは、本発明によるファラデー電流測定装置を使用して実装される。
【0020】
以下、本発明を、図面を参照しつつさらに説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
図1は、ファラデー光学式電流センサ10の概略断面図であり、図2は、図1のファラデー光学式電流センサ10を拡大した概略断面図である。ファラデー光学式電流センサ10は、第1の端部および反対側の第2の端部(それぞれ符号14および16で指し示されている)を定める細長いハウジング12を有している。ハウジング12の第1の端部14に、第1のシーリング18が取り付けられており、第1のシーリング18は、第1の光ファイバ20を受け入れるための開口を有している。第1のファイバ固定具22が、ハウジング12内に取り付けられている。第1のファイバ固定具22は、光ファイバ20を受け入れるための開口を有している。光学レンズ24が、光ファイバ20およびファイバ固定具22を受け入れるための収容部を有している。第1の偏光フィルタ26が、光学レンズ24に光学的に連続して取り付けられている。ガラス棒28が、第1の偏光フィルタ26と光学的に連続している。ガラス棒28の他端には、第2の偏光フィルタ30が、ガラス棒28に光学的に連続して取り付けられている。第2の光学レンズ32が、第2の偏光フィルタ30に光学的に連続して取り付けられている。第2の光学レンズ32は、第2のファイバ固定具34を受け入れるための収容部を有している。第2のシーリング36が、第2の光ファイバ38を受け入れるための開口を有している。
【0022】
2つの光ファイバ20、38が、それぞれ第1および第2のシーリング18、36を通って第1および第2のファイバ固定具22、34に挿入される。光ファイバ20、38は、2つのセンサ蓋40、42によってそれぞれハウジング12に機械的に固定される。センサ蓋40、42は、ファイバ20、38を固定するとともに、ファラデー光学式電流センサ10を密封している。
【0023】
センサ蓋56、58を成型するために使用される材料は、好ましくは、−40〜150℃の範囲の温度に耐えることができるプラスチック材料であり、電気絶縁特性を有している。この材料は、好ましくは、400〜1000nmの範囲の光に対して非透過性である。上述の特性を備える材料としては、UltemまたはPeekなどのプラスチック材料が可能である。
【0024】
さらに、ハウジング12は、ファラデー光学式電流センサ10をプラスチック帯または他の固定手段によって導体へと取り付けるため、1組の羽根44を備えることができる。
【0025】
図3は、ファラデー光学式電流センサ10の概略の側面図であり、ガラス棒28と平行に延びるハウジング12内の溝46が示されている。溝46は、導体へのファラデー光学式電流センサ10の固定を改善するため、平坦な底部壁あるいは丸められた定部壁を有することができる。溝46は、ガラス棒28を導体に可能な限り近づけるとともに、ファラデー光学式電流センサ10を導体に対して90°の角度で固定するというさらなる利点をもたらすため、ハウジングに導入されている。溝46の幅は任意であってよいが、好ましくは、ガラス棒28の長さと同じ長さ、またはガラス棒28の長さよりも短い長さを有している。固定用の羽根44は、溝46の幾何的延長として組み込まれてもよい。
【0026】
図4は、ファラデー光学式電流センサ10の一端14の概略図である。この図は、ハウジング12内に取り付けられた第1の偏光フィルタ26を示している。
【0027】
図5は、図4に示したファラデー光学式電流センサ10の他端の概略図である。この図は、第1の偏光フィルタ26に対して45°回転させられてハウジング12内に取り付けられた第2の偏光フィルタ30をさらに説明している。これら偏光フィルタの幾何学的構成が、正方形であるとして示されているが、それに代わって、これらフィルタは、2つの偏光フィルタの偏光面がそれぞれ45°回転させられている限りにおいて、任意の幾何学的構成を有することができる。
【0028】
以下の機械的寸法を有するファラデー光学式電流センサ10のプロトタイプ版を製作した。ハウジング12の全長は65mmであり、直径は12.6mmである。ファイバを収容するための開口は、7.5mmである。羽根44は、端部から端部まで11.6mm×40mmの全体寸法を有している。溝は、45mmの長さを有している。ガラス棒は、35mmの長さおよび4mmの直径を有している。偏光フィルタは正方形であり、各辺は5.3mmである。
【0029】
図6は、磁気‐光トランスデューサにおけるファラデー効果を利用して導体中の電流を測定するためのシステムの概略図である。このシステムは、光源46を有している。光源は電球であってよく、あるいはLEDベースの光源であってよい。光源46から発せられた光は、光ファイバなどの第1の光伝導体48を通って案内される。光伝導体48は、2つの偏光フィルタ26、30と磁気‐光学材料とを有するファラデー光学式電流センサ16に接続されている。偏光フィルタ26、30は、それぞれ45°回転させられている。ファラデー光学式電流センサ10は、10kVなどの高電圧の電流が流れる導体50上に取り付けられている。ファラデー光学式電流センサ10の出力端は、光ファイバなどの第2の光伝導体18に接続されている。第2の光伝導体18は、アナログ光信号をデジタル信号に変換する検出システム54に接続されている。検出システム54からのデジタル信号は、信号処理ユニット56へと供給され、信号処理ユニット56が、当該データについていくつかの計算を実行する。較正の目的のため、測定装置58が導体50上に取り付けられている。測定装置58は、電流測定システム60へと接続され、信号処理ユニット56へと更なるデータをもたらしている。
【0030】
信号処理ユニット56は、検出システム54からのデータおよび電流測定システム60からのデータに関し、比較、保存、および計算の実行を行なう。
【0031】
システムの較正は、検出システム54および電流測定システム60からのデータを信号処理ユニット56にて比較することを必要とし、次いで信号処理ユニットは、それらのデータを保存する。較正の最後において、保存されているそれぞれの装置からのデータが合計される。電流測定システム60からのデータの合計が、検出システム54からのデータの合計で除算される。この除算の結果が、較正値として使用され、この較正値が、信号処理ユニット56に保存される。電流測定システム60および測定装置58を、この構成から取り外すことができる。
【0032】
図6に示した構成は、光源46を有しており、ファラデー光学式電流センサ10および光検出システム54が、光源46における電気的ノイズ、検出ユニット54における光学的ノイズ、および近傍のインダクタおよびシステムからの磁界の干渉の影響を受けやすい。センサ10の取り付けおよび構成、ならびに測定しようとする導体の形状および直径が、システムによって実行される測定を左右する。システムは、温度変化が頻繁に生じうる世界中のさまざまな場所で使用される。温度が、光源46および検出システム54内の検出器回路の動作に対し、影響を及ぼす可能性がある。さらに、光源46および検出システム54、ならびにシステムの他の構成要素は、動作および製品寿命にわたって劣化する可能性もある。正確な測定は、安定した光源、および実装されたシステムについての補償係数の決定、ならびに光源の出力の変化、検出システムの長期変動、および周囲の環境の温度変化の記録に依存する。
【0033】
図7は、電流測定システムの検出システム54の概略図である。検出システムは、検出システム54が光経路18から受け取った光を変換する光感知素子64を有している。光感知素子64は、光を電気信号に変換する。この電気信号は、ACおよびDC成分からなるが、2つに分割されて2つの増幅器66、68に供給され、増幅器66からの増幅済み信号が、当該増幅済み信号からDC成分を分離するDC分離器70に供給される。増幅器68からの増幅済み信号は、当該増幅済み信号からAC成分を分離するAC分離器72に供給される。アナログ信号処理ユニット74が、DC分離済み信号およびAC分離済み信号を、アナログ信号からデジタル信号へと変換する。DC信号は、システムの較正の際に測定されて保存されたDC信号値と比較される。較正されたDC成分からの変化の割合が、AC成分へと乗算される。光学式ファラデー効果センサからの信号は、DCおよびAC成分を含んでいる。AC成分は、ファラデー光学式電流センサ10に時間変化する磁界が加わったときに生じる。AC信号が、DC成分、検出システムの長期変動および周囲の環境の温度変化を含む場合、ファラデー光学式電流センサ10にDCまたは非磁界が印加されると、DC成分が発生する。
【0034】
図8は、それぞれが高電圧導体である3つの導体76、78、80を備える構成の概略の断面図である。それぞれの導体の周囲の同心円は、それら導体から放射される電磁界を表わしており、センサ10による導体78から発せられる電磁界の測定が、他の導体76、80から放射される電磁界によって影響されうることを示している。較正プロセスが、センサ10に影響を及ぼす近傍の導体および周囲の他の電磁界からの干渉を除くために行なわれる。これら他の磁界は、当該センサが取り付けられてなる変電所内の電気設備からもたらされ、あるいは当該センサが取り付けられた導体から放射された電磁界が変電所の内部から反射されてもたらされ、あるいは近傍の導体から発せられた電磁界が反射されてもたらされうる。
【0035】
図9は、ファラデー光学式電流センサ10を矩形の導体82に取り付けて備える構成を示している。
【0036】
図10は、円形の導体84に直接取り付けられたファラデー光学式電流センサ10を示している。
【0037】
図11は、円形の導体86へと取り付けられたファラデー光学式電流センサ10の概略の断面図であって、導体86は、導電性コア88および導電性コア88の周囲を囲んで配置された絶縁層90を有している。ファラデー光学式電流センサ10は、点測定センサであり、磁場(B-field)の形状およびインダクタとの間の距離が、考慮すべきパラメータである。センサ・システムの現場での較正は、磁場形状のばらつきおよびインダクタからの距離、ならびに他の源から生じて存在する静電磁界を補償する。
【0038】
ファラデー光学式電流センサ10に磁界が加わっていないときのDC成分の振幅は、光源から発せられる光の強度、光学系を通じての抵抗、および検出器回路によって決まる。光学式ファラデー効果電流センサにDC磁界が加わっていない場合には、信号のACおよびDC成分が、線形な相関を有する。
【0039】
図12は、図6の検出システム20および信号処理ユニット22のプロトタイプの実装の概略のブロック図である。モジュール100が、ファラデー光学式電流センサ10からの信号を図7に詳しく示した検出システム20へと入力するセンサ入力92を有する。低電圧降下線の数に対応する複数の光カプラーが、電圧降下線の電圧を測定するために使用されているが、これらの電圧はAC400ボルトの範囲にある。プロトタイプの実装において、モジュールは、さらにユーザインターフェイス入力‐出力ポート96を備えており、プロトタイプ版において入力‐出力96は、RS‐232シリアル通信ポートである。入力‐出力ポート96は、システムの設定および初期の較正において使用されるユーザインターフェイス・モジュール106に接続されている。
【0040】
検出システム20および400ACモジュール98からのデータは、信号およびデータ処理ユニット104へと送られ、信号およびデータ処理ユニット104が、電流と電圧との間の面角を割り出すためのフェース・マッチングを実行する。測定システムのプロトタイプの実装においては、信号およびデータ処理ユニットが、組み込みのデュアル・プロセッサ・アプリケーションとして実装されている。システムの機能が、測定部と通信部とに分割されている。測定部が、6つの電流チャネルの走査、3つの電圧チャネルの走査、および収集したデータについての計算を担当している。
【0041】
モジュールは、プロセッサ・ユニット104のデータ処理ユニットによって収集されたデータを通信するための通信モジュール106をさらに有している。システムを遠方の位置へと据え付けて、変電所の運転の自動監視に使用することができるため、システムを、配電ネットワークの安全な動作のために複数の変電所からデータを収集する中央のデータ収集サイトに接続することができる。通信モジュール106は、データ処理ユニット104からのデータをGSMおよび/またはISDNなどの通信プロトコル、またはTCP/IPなどのデータ通信プロトコルへと変換するよう構成されたモジュールによって構成できる。モジュールは、通信モジュールがGSMモジュールである場合はアンテナであり、あるいは構内通信網ポートなどである送信器ユニット108をさらに備えている。モジュール100は、モジュールに電力を供給する電源110をさらに備えている。電力は、電力をシステムの動力として分配するとともに、電源故障時のモジュール100の安全な動作のためにバッテリ・モジュール114を充電する電力管理ユニット112へと供給される。
【0042】
モジュール100のプロトタイプの実装において、変電所の状態を通信するためのプロトコルを、以下でいくつかの図表で詳しく説明する。
【0043】
図13〜18は、本発明によるプロトタイプ版の概略のブロック図である。図において、すべての構成部品は名称および製品番号で記載されており、上記の説明を考慮に入れたとき自明であると考えられる。
【0044】
図13は、本発明による10kV変電所(SS)のプロトタイプ版の概略のブロック図である。
【0045】
図14Aは、DC電流センサの概略のブロック図である。プロトタイプ版においては、DCセンサは6つのチャネルを有し、各チャネルに、図14Bに詳細に示されているセンサ回路からの信号が供給されている。
【0046】
図15Aは、電流センサの概略のブロック図である。プロトタイプ版においては、センサは6つのチャネルを有し、各チャネルに、図15Bに詳細に示されているセンサ回路からの信号が供給されている。
【0047】
図16は、電圧センサ回路の概略のブロック図である。
【0048】
図17Aは、電力管理回路を示した概略のブロック図である。
【0049】
図17Bは、図17Aに示した電力管理回路と協働する電力管理回路を示した概略のブロック図である。
【0050】
図18は、RS‐232通信ポートおよびこれに関連する信号についての概略のブロック図である。
【0051】
以下では、本発明の別の実施形態を説明する。図1〜18に関して説明され、この実施形態において再登場する部品には、同様の参照番号が添えられている。
【0052】
図19は、図1、2および3に類似する図示である。
【0053】
図20および21は、本発明によるセンサ10’の第2の実施形態を示している。センサ・ハウジング12’が、センサ10’における主たる要素である。ハウジング12’は、ケーブルへの取り付けおよび光学系の固定を扱う。ハウジング12’は、溶接可能に設計されている。プラスチックが、−40℃〜250℃の温度に耐え、かつ電気および熱の絶縁効果を有するように設計される。現時点での好ましい実施形態において、センサ10’は、ガラス補強なしのPEEKから作られている。PEEKのグレードは、PPSと同様の化学および加水分解耐性を提供するが、より高い温度で機能できる。補強なしの圧縮成型PEEKは、高度の耐摩耗性を提供する。
【0054】
PEEKは、物理的特性が恒久的に損なわれることなく、熱湯または蒸気中で最大480°F(250℃)で連続的に使用することができる。PEEKは、V‐Oの可燃性格付けを有し、炎にさらされたときに煙および有毒ガスの放出がきわめて少ない。
【0055】
センサの羽根44’が、装置を電気ケーブルへと取り付けるために使用される。羽根44’は、装置をケーブルへと固定するために最大5mmの帯を使用することができるように形成される。帯は、好ましくは、幅広い温度範囲および厳しい環境の影響に耐えることができるよう、テフロン製である。センサの羽根44’は、センサ・ハウジング12’に一体化され、成型できるように設計されている。
【0056】
ケーブルに面するセンサ10’の表面において、センサ10’は、直径がセンサ10’の残りの領域に比べて小さくなっている領域46’を有している。この領域46’が、ケーブルに近接させたファラデー回転器の配置、およびケーブルに対するセンサ10’の90°配置を可能にする。
【0057】
磁界の強度が、ほぼ1をケーブルからの距離で除算した値で小さくなっていくことから、導体とセンサ10’との間隔が短いことが重要である。
【0058】
ファラデー光回転器28’が、ハウジング12’内に取り付けられる。ガラス棒28’が軽い締まり嵌めで取り付けられるよう、公差はきつめに保たれる。
【0059】
偏光フィルタ26’および30’が、ガラス棒28’と光学的に連続してハウジング12’内に取り付けられる。フィルタ26’および30’は、お互いに対して45°回転させられている。これは、最大の信号帯域幅を得るために行なわれている。
【0060】
フィルタ26’および30’をガラス棒28’へ接着することが試みられ、これにより、光学マトリクスを通過する光に4〜5%の増加がもたらされるはずである。しかしながら、ガラス、接着剤、およびフィルタにおける異なる温度勾配ゆえ、フィルタが応力検査に不合格であった。また、製造コストの点で効率的ではない。現時点での好ましい実施形態においては、ポラロイド・フィルタ26’および30’を固定するため、センサ・ハウジング12’に小さな凹部が設計されている。フィルタ26’および30’は、温度変化に従って移動可能でありながら、依然として妥当な光学的構成を有している。フィルタ26’および30’は、正方形およびレンズの中に固定される。
【0061】
ポラロイド・フィルタが、光の角度回転を眺めるために使用される。ポラロイド・フィルタはプラスチックで作られ、わずか0.2mmの厚さである。ポラロイド・フィルタは、−40℃〜80℃の温度範囲において強度を保持するような材料からなる。このフィルタは直線偏光であり、製造において打ち抜き工具によって作られる。このフィルタは、ガラス棒へと直接蒸気付けできる。
【0062】
レンズ24’および32’が、それぞれフィルタ26’および30’と光学的に連続してハウジング12’内に取り付けられる。レンズ24’および32’が、ポラロイド・フィルタ26’および30’を正方形の中に保持する。レンズ24’、32’は、小さな締まり嵌めで取り付けられ、したがって光学マトリクス中に固定される。
【0063】
光ファイバが、図26に示されているファイバ固定具128へと配置される。ファイバ固定具が光学レンズ・システムへとはめ込まれたとき、ファイバの端部が、焦点に位置する。ファイバ固定具は、光学レンズ内に配置されたとき、ファイバの周囲を締め付けて機械的応力を管理する。
【0064】
シリコン・シーリング18’および36’が、ハウジング12’の両端に配置される。シーリング・プラグ18’および36’は、センサ10’を密封してセンサ10’を塵埃、蒸気、水、および他の劣化要因から保護するために使用される。シーリングは、ここには示されていないが、光ファイバの締め付けとしても機能する。
【0065】
シーリングの機能は、センサ10’の光学部分を主として水および塵埃に対して保全することにある。蓋がセンサ・ハウジング12’へとプレスされたとき、シーリングが、機械的応力を担当すべくファイバに向かって押し付けられる。シーリングは、−40℃〜120℃の温度範囲において強度を維持するように設計されている。化学品およびオゾンに対する良好な耐性を有している。
【0066】
図19および図23に、2つのセンサ蓋40’および42’が示されている。センサ蓋40’、42’を、ハウジング12’へと固定することができる。センサ蓋は、ハウジング12’へと容易にはめ込むことができる。
【0067】
それぞれのセンサ蓋は、ファイバの固定およびセンサ10’の密封のために使用される。蓋40’、42’は、プラスチック溶接が可能であるように構成および設計されている。
【0068】
蓋は、今のところ、ガラス補強なしのPEEKで作られており、好ましくはハウジング12’と同じ材料である。センサ蓋40’、42’は、センサハウジングとの1回の固定を可能にする円錐を備えた設計である。
【0069】
センサ蓋は、丸められた短い底部を有しており、シーリングでセンサ・ハウジング12’内に取り付けられるとき、シーリングをファイバの周囲に圧迫して、センサ10’を閉じ、塵埃または他の汚染物質から保護する。
【0070】
光ファイバが、光放射器からの光をセンサ10’へと運び、センサ10’から光検出器へと運ぶ。
【0071】
本発明の現時点の好ましい実施形態においては、光ファイバは、張力緩和のためのケブラー(Kevlar)補強を有する全二重ファイバである。光ファイバは、400〜700nmの領域の可視赤色光に適合している。1mmのコア直径、および2.2mmの全体直径を有している。動作温度範囲は、連続的には−25度から+100度までであり、短期的には最大120度である。ファイバ端の切断および研磨が、システムにとって重要である。ファイバは、9myスタンダードに従って3回の研磨ラウンドで研磨される。この研磨粒子サイズは、価格および光の減衰に照らし最適である。ファイバ端のセンサ・ハウジング12’において、ファイバはシリコンで密封され、湿気がファイバに進入することがなく、ファイバ内部の沿面距離も生じ得ない。
【0072】
ガラス棒の機能は、光回転器であり、センサ10’における「モータ」である。ガラス棒は、620nmの波長で0.023min/G‐cmという低いベルデ定数を有するBK7材料で構成されている。ガラス棒は、端部において、S:Dが40:60に従って研磨され、材料は、成型後の製造において張力緩和されている。この材料は、温度に関して小さいベルデ定数の変化、信号のために小さいが充分なベルデ定数、および低いコストゆえに選択されている。
【0073】
ガラス棒の幅は、レンズとの最適さから選択されている。磁界と光ビームとの間の角度は、コサイン関数として記載できる。磁界が光を前にして90度である場合、回転作用は生じない。ガラス棒の長さは、信号出力に線形である。円形導体122上の磁場120が、図25に示されている。
【0074】
磁界による回転作用は、光と磁界との間の角度がより大きくなると減少する。システムにおける光の減衰も、良好な信号のために重要である。光がレンズによって曲げられるとき、それは最適な方向に対して完璧に真っ直ぐではなく、したがってガラス棒が長くなれば通過する光が少なくなる。ガラス棒の長さは、磁界の効果と光の減衰との間の最適さを見つけるための試験から、決定されている。
【0075】
図27には、ファイバ離間クリップ124が示されている。ファイバ離間クリップ124の機能は、ファイバをケーブルから或る距離に固定することにある。クリップ124は、ファイバを圧迫して保持するように設計され、ファイバをパンドウイット・テフロン帯でケーブルへと固定するように設計されている。
【0076】
ファイバとケーブルとの間の間隔は、熱的および電気的絶縁の理由で必要である。今日の光ファイバは、約120度のピーク温度に耐えることしかできない。電気ケーブルは、最大250度の温度にも達しうるため、熱的な絶縁距離が必須である。さらに、ファイバは、湿気の橋絡および生じうる沿面距離を避けるためにも、ケーブルから離間される。ファイバ離間クリップ124は、センサ・ハウジング12’に使用される材料と同じ材料であるPeekで成型される。
【0077】
センサ・クリップが、図28に示されている。クリップ126は、ケーブルとセンサ10’との間により大きな熱抵抗を生む。したがって、センサ10’が配線上に直接取り付けられる場合、クリップ126が、センサの羽根44’へと圧入される。このクリップ126によれば、センサ10’の内部の温度が120度を超えることなく、300度のケーブル温度を可能にできる。
【0078】
図29および30は、本発明によるセンサを6つ含む試験において得られた試験結果を示している。グラフは、センサが導体中の電流の関数として直線的な特性を呈することを示している。
【0079】
図30は、6つのセンサの直線性の度合いを示している。
【0080】
図31は、センサの出力信号を、周囲の環境およびセンサの温度の関数として示したグラフである。
【0081】
本発明の理論的背景である。
【0082】
単純な光ファイバ・ファラデー効果センサが、例えば変電所の導体または据え付けケーブルに取り付けられたとき、出力される光信号は、近傍のシステムからの磁界の干渉、導体の形状、センサの配置および導体までの距離の影響を受けやすい。さらに、出力される光信号は、システムの取り付けおよび構成にも左右されやすい。
【0083】
本発明の目的は、近傍のインダクタからの磁界の干渉、導体の形状、測定装置からセンサまでの距離、さらには取り付けおよび設定について現場で補償を行なうことによって、電流をファラデー効果によって測定するための正確な装置を実現することにある。
【0084】
この目的は、現場でのシステムの構成の際に、当該光ファイバ・システムによって測定されたデータを第三者の電流測定システムと比較することによって達成される。
【0085】
光ファイバ・システムによって測定された磁場を、Bmeasuredと称する。実際の電流は、方程式
Iactual=KCalib*Bmeasured[A]
によって決定され、ここで、KCalib=Σn0(I第三者のシステムで測定)/Σn0(B光学式システムで測定)である。
【0086】
この較正方法は、近傍の導体からの線形な磁界の干渉、および磁場と電流との間の変換係数を解決する。この較正方法は、さらに製造公差、導体形状、導体の直径およびバックグラウンドノイズを、すべて動作中の適用先に取り付けられたときに解決する。
【0087】
較正ののち、第三者のシステムは取り去られ、光ファイバ電流測定システムが、単独の測定システムである。
【0088】
ともかくも、センサを使用することに加え、現場で較正されることが重要である。第三者の測定装置が、電流を測定するために使用される。この装置は、電流コイルまたは他の電流測定装置であってよく、較正済みであって、それらについて周囲の磁界は無視できる。第三者の電流測定装置からの信号またはデータが、第三者の測定システムにおいて計算され、信号処理ユニットへと送られる。
【0089】
信号処理ユニットが、2つの装置からのデータを比較し、そのデータを保存する。或る期間ののち、較正が停止され、各装置から保存されたデータが、合計される。第三者の電流測定システムからの合計データが、光学式センサからの合計データで除算される。この値が較正値として使用され、信号処理ユニットに保存される。第三者の測定システムおよび装置は、取り外すことができる。光学式システムが、今や自身が取り付けられている用途について正確な較正値を有している。
【0090】
3つの導体を備える構成においては、近傍の導体からの磁界が測定に影響を及ぼす可能性がある。インダクタ上に、光ファイバ・ファラデー効果センサが取り付けられる。3つすべての導体からの磁界が、センサに影響を及ぼす。センサxによって測定される磁場は、
Bsum_sensor_x=BL1+BL2+BL3
である。
【0091】
較正中、Bsum_sensor_xが第三者の測定装置からのデータと比較される。この較正から、較正定数KCalibが割り出される。この定数は、3相すべてからの寄与を含んでおり、この定数が線形な磁場についてのみ有効であるということを意味している。
【0092】
磁場は、円形の導体については比較的知られているが、矩形の導体については知られていない。光ファイバ・ファラデー効果センサは、点の測定のみを生み、これは、磁場の形状およびインダクタからの距離が重要なパラメータであることを意味する。センサの現場での較正は、さまざまな磁場の形状およびインダクタからの距離を補償する。
【0093】
光学式ファラデー効果電流センサからの信号は、acおよびdc成分で構成されている。ac成分は、時間変化する磁界がセンサへと加えられているときに存在する。DC成分は、DCまたは非磁界がセンサへ印加された場合に存在する。
【0094】
本発明の目的は、ACおよびDC成分を電気的に測定して光学系の経時劣化をソフトウェアで補償することにより、ファラデー効果によってACシステムにおける電流を測定するための正確な装置を実現することにある。この補償は、上述の補償に結び付けられている。
【0095】
DC成分の大きさは、センサへと磁界が印加されていないときは、光源から照射される光の出力、光学系における「光抵抗」、および検出器回路によって決まる。信号のac成分とdc成分との間には、センサにDC磁界が加えられておらず、検出システムの長期変動が存在せず、かつ周囲の環境の温度に変化がないと仮定すれば、線形な一貫性が存在する。
【0096】
補償済みの光信号Uac_actualは、
Uac_actual=(Udc_calib/Udc_actual)Uac_measured
によって決定され、ここで、
Uac_actualは、補償済みの光ac信号であり、
Udc_actualは、実際に測定されたdc成分であり、
Udc_calibは、システムが較正されたときに測定されたdc信号であり、
Uac_measuredは、実際に測定された光ac信号である。
【0097】
上記の方程式は、光学的変化、温度、光源の性能の変化、検出器の性能の変化、および経時ゆえのセンサの光抵抗の変化に起因するdc成分の変化が、どのように補償されるのかを示している。
【0098】
以下は、本発明のプロトタイプ版についての説明である。
【0099】
本発明のプロトタイプ版においては、システムが、変電所を出入りする実際の電流および400Vの電圧を測定し、測定値をGSMモデムを介するSMSメッセージによって報告する。
【0100】
測定値は、すべてのチャネルについての実際の電流(直近の1秒について平均されている)、すべてのチャネルについてのピーク電流とその方向および時刻スタンプ、400Vの状態と最近のドロップアウトの時刻スタンプ、ならびにシステムの状態であってよい。
【0101】
値は、要求に応じて、さらには警報限界を超えたときに、保守技術員へと送信され、あるいはサーバへと送信される。
【0102】
多少複雑な計算も実装可能であり、またサンプリングレート、電流チャネルの数、などを変えることもできる。基本的な構成ブロックは、電流の計算、ならびにDC信号による較正および補正である。
【0103】
本発明のプロトタイプ版は、組み込みのソフトウェアまたはファームウェアを有するプロセッサ・システムを備えている。システムのファームウェアの主たる仕事を、いくつかの仕事に分割することができる。すなわち、電流の測定および線形化、電流方向の計算、DC信号による補正、およびサーバまたは保守員との通信である。
【0104】
本発明のプロトタイプ版では、6つの電流チャネルおよび3つの電圧チャネルが、光カプラーおよびADコンバータを介してファームウェアを有するプロセッサ・システムにつながっている。電流と電圧との間の位相が、電流の方向を割り出すために使用される。
【0105】
システムの各電流チャネルは、主として、増幅器およびフィルタ部ならびに後続のADコンバータから構成されている。信号がADコンバータを通過したのち、ファームウェアが、信号のすべての後処理を実行する。
【0106】
各電流チャネルは、2つの信号に分割される。それらは、AC電流信号およびDC成分であり、両者ともADコンバータを通って供給される。光電流信号(UAC)が、実際の電流を計算するために使用される。光電流信号のDC成分が、劣化係数を計算するために使用される。
【0107】
DC成分と組み合わされた光学式センサからのDC信号(UDC)が、劣化係数を計算し、そこから実際の較正定数(KCalib)を計算するために使用される。
【0108】
URMS=Σ│UAC−VREF│
【0109】
IRMS=KCalib×URMS
【0110】
信号のDC成分が取り除かれ、RMS値が、数値の積分として計算される。この値が、較正定数(KCalib)によって乗算され、結果が実際のチャネルを流れている電流である。
【0111】
計算は、50Hzの周期のそれぞれについて行なわれる。結果の後処理は、システムの通信部によって行なわれる。
【0112】
電流方向の検出または割り出しは、実際のチャネルについて電流と電圧との間の位相角を測定することによって行なわれる。
【0113】
位相角は、負荷の種類および電流の方向によって決まる。実際の変電所の負荷の種類は、較正の際に選択される。インダクタ負荷において位相差が−90°と+90°の間である場合、電流の方向は正である。
【0114】
電流の位相は、10kV回線上の光学式センサから把握される。電圧の位相は、10kVの電圧は監視されていないという事実ゆえ、400V回線から捉えられる。
【0115】
電圧の位相は、10kVから400Vへの変圧によって遅延する。したがって、位相は、変圧器係数の30°倍で修正される。
【0116】
システムのファームウェアが、信号のDC成分を観察することによってシステムの劣化を補償する。これは、初期の較正定数を劣化係数で補正することによって行なわれる。
【0117】
UAC,DC=ΣUAC−VREF
UDC,AVR=(ΣUDC)/n、(ここで、UDCは、0〜n番目のサンプルについて合計されている)
KCalib=(KCalib,Init×UDC,Init)/(UDC−UAC,DC)
【0118】
測定されたAC値のDC成分が、測定されたDC信号から減算され、インダクタ中を流れる電流のDC成分が除かれる。
【0119】
UDCおよびUACの両者は、長時間(例えば、1分間)にわたってサンプリングされる。
【0120】
較正定数は、実際の電流の計算に使用されるほか、システム全体の状態の表示としても使用される。これの監視は、通信部において行なわれる。
【0121】
実際の電流および方向を計算したのち、測定システムは、システム特有の計算を処理する。これらは、或る実装例と他の実装例とでは異なるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0122】
【図1】ファラデー光学式電流センサの概略の断面図である。
【図2】ファラデー光学式電流センサの拡大された概略の断面図である。
【図3】ファラデー光学式電流センサのハウジングの溝を示している。
【図4】ファラデー光学式電流センサの一端の概略図である。
【図5】ファラデー光学式電流センサの一端の概略図である。
【図6】ファラデー光学式電流センサを有する電流測定用システムの概略のブロック図である。
【図7】図6に示したシステムの一部である検出システムの概略図である。
【図8】3つの導体と1つのファラデー光学式電流センサとを備える測定用の構成の概略の断面図である。
【図9】矩形の導体についての測定用の構成を示している。
【図10】円形の導体についての測定用の構成を示している。
【図11】絶縁層を備える円形の導体についての測定用の構成を示している。
【図12】図6に示したシステムの検出システムおよび処理ユニットについて、プロトタイプの実装の概略のブロック図である。
【図13】本発明のプロトタイプ版の概略図である。
【図14A】本発明のプロトタイプ版の概略図である。
【図14B】本発明のプロトタイプ版の概略図である。
【図15A】本発明のプロトタイプ版の概略図である。
【図15B】本発明のプロトタイプ版の概略図である。
【図16】本発明のプロトタイプ版の概略図である。
【図17A】本発明のプロトタイプ版の概略図である。
【図17B】本発明のプロトタイプ版の概略図である。
【図18】本発明のプロトタイプ版の概略図である。
【図19】センサの構成部品を概略的に示している。
【図20】本発明によるセンサ・ハウジングの概略図である。
【図21】本発明によるセンサ・ハウジングの概略図である。
【図22】本発明によるセンサの断面の概略図である。
【図23】2つのセンサ蓋の概略図である。
【図24】光学フィルタの概略図である。
【図25】電気ケーブルおよびそこから放射される磁場、ならびにガラス棒の概略図である。
【図26】ファイバ固定具の概略の断面図である。
【図27】配線クリップの概略図である。
【図28】離間用部品の概略図である。
【図29】電流と光の大きさとの間の関係を示すグラフである。
【図30】6つのセンサの直線性の度合いを示すグラフである。
【図31】センサの温度と光の大きさとの間の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【0123】
10 電流センサ、 12 ハウジング、 14 第1の端部、 16 第2の端部、 18,36 シーリング、 20,38 光ファイバ、 22,34 ファイバ固定具、 24,32 光学レンズ、 26,30 偏光フィルタ、 28 ガラス棒、 40,42 センサ蓋
【技術分野】
【0001】
本発明は、偏光の検出を備えるファラデー光学式電流センサに関する。さらに、本発明は、ファラデー光学式電流センサを備える電流センサ・システムを較正する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
電力業界には、電力の急変および大電流パルスの測定に関して変電所を監視するというニーズが存在する。これらの目的に対して、ファラデー効果電流センサは、いくつかの利点を有している。ファラデー効果電流センサは、誘電体から構成することができ、大きな電磁干渉の存在下での大電流の測定において非常に重要である。ファラデー効果電流センサには、電流によって生成される磁界に応答してファラデー効果を呈する材料で形成された光ファイバのコイルまたは複数の光ファイバを使用することができる。米国特許第4,894,608号、米国特許第5,051,577号、米国特許第5,486,754号、米国特許第5,811,964号、および米国特許第6,043,648号など、いくつかの先行技術の特許文献が、ファラデー光学式電流センサを開示しており、これらはここで言及することによって本明細書に組み込まれたものとする。
【0003】
ファラデー効果電流センサにおいては、偏光している入射光の偏光面が回転にされ、この回転が、測定しようとしている電流によって生み出された磁界の関数である。
【0004】
測定しようとしている電流を、当該光学式センサの出力側における光の偏光面の回転の角度を測定することによって、割り出すことができる。光がガラス棒を通過するとき、その光は回転される。回転の角度は、下記の式
β=V×B×d
によって表現することができ、ここで、βは回転の角度であり、dは検出素子の長さであり、Vはガラス棒の材料定数であってベルデ定数と呼ばれ、Bはベクトルとして記載された磁界である。ベルデ定数は、温度および波長の両者について依存性を有する。
【0005】
ファラデー効果電流センサにおいては、光源が光を生成し、その光が、磁気‐光学感受性材料を通過して移動する前に、偏光フィルタを通過し、あるいは他の方法で偏光させられる。偏光した入射光が回転され、この回転が、測定しようとしている電流が生成している磁界の関数である。測定しようとしている電流を、ファラデー光学式電流センサの出力側における光の偏光面の回転の角度を測定することによって、割り出すことができる。
【特許文献1】米国特許第4,894,608号公報
【特許文献2】米国特許第5,051,577号公報
【特許文献3】米国特許第5,486,754号公報
【特許文献4】米国特許第5,811,964号公報
【特許文献5】米国特許第6,043,648号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
光源および検出器を備えてなる光ファイバ電流センサは、何よりもまず、検出回路における光学的ノイズ、光源における電気的ノイズ、近傍のインダクタおよびシステムからの磁界の干渉、センサの取り付けおよび設定、導体(コンダクタ)の形状および直径、センサの製造公差、ベルデ定数に対する温度の影響、光源および検出器に対する温度の影響、ならびに製品寿命にわたる光源および検出器の劣化の影響を受けやすい。
【0007】
測定しようとする電流の割り出しは、いくつかの誤差の原因となりやすい。光学または電気回路に基づくあらゆるシステムは、光学的ノイズや電磁源からの干渉など、ノイズおよび他の信号劣化の影響を受けやすい。光源、光検出ユニット、および光ファイバなどの光学的経路を有するシステムは、レンズや光ファイバなどの光学的経路または装置を形成するために使用されている材料中の欠陥によって引き起こされる光学的減衰によって、感度の喪失を受ける可能性がある。光源および光検出回路は、電気的ノイズあるいは近傍のインダクタまたはシステムからの磁界の干渉にさらされ、あるいは電源の変動によって引き起こされるノイズにさらされうる。さらに、温度などの環境条件が、ベルデ定数などの材料の特性に影響し、光源および光検出回路において生じるノイズにも影響する。さらに、すべての電気部品および光源ならびに光検出素子は、経時劣化の問題を抱えている。以上述べたすべての要因が、システムによって実行される測定の正確さを低下させる原因となっている。
【0008】
ファラデー光学式電流センサの使用による変電所の測定および監視の開始に先立つ較正が、導体中の電流のより正確な測定をもたらすものと考えられる。さらに、正確な測定は、一定の量の光を出力する安定した光源を備えることに依存し、あるいは光源からの光の強度の変化ならびに温度変化によって生じる光強度の変化を割り出すことに依存する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
変電所を監視するためのシステムは、複数の変電所を監視する1つ以上のコンピュータへと収集したデータを伝送するデータ収集およびデータ伝送ユニットと組み合わせることができる。これらの通信ユニットは、無線の接続またはPOTS/PSTNネットワークなどの固定の接続によって構成できる。個々の変電所内に取り付けられた測定システムから中央のコンピュータまでの通信は、平均負荷、電流ピーク、高電圧電流線の実際の電流、エネルギーの方向、最大電流、実際の電圧、および周温についての情報、ならびに前記情報のすべてについての時刻スタンプを含むことができる。さらに、測定システムは、ピーク電流が所与の最大しきい値を超え、あるいは最小しきい値を下回る状況、電圧が最大しきい値を上回り、あるいは最小しきい値を下回る状況、または周囲の温度が範囲を外れているなどの他の情報など、いずれも変電所における何らかの故障または障害を知らせている状況について、電力会社の運転員に警報を伝えるための警報機能を備えることができる。
【0010】
さらに、通信ユニットは、運転員に例えばピーク電流のレベル、電圧ドロップアウト・レベル、タイムアウト値、および警報オプションの決定など、システムを設定する能力を与え、遠方からシステムの設定を実行する機会を提供する。
【0011】
さらに、以上概括したシステムは、風車あるいは石炭火力または原子力発電所などの産業においても使用することができ、変電所における使用に限られるものではない。
【0012】
さらに本発明は、導電体中の高電圧電流を測定する方法であって、
LEDベースの光源または白熱の光源を設けるステップと、
第1の光ファイバであって、前記光源から放射された光を案内する第1の光経路を設けるステップと、
光学式電流測定装置を設けるステップであって、該光学式電流測定装置が、
第1の開放端および前記第1の開放端と反対側の第2の開放端を定めているハウジングと、
開口を有し、前記ハウジングの前記第1の開放端の幾何学的全体構成に対応する幾何学的全体構成を有し、さらに前記第1の光ファイバを受け入れるように構成された開口を有している第1のシーリング手段と、
前記第1の光ファイバを固定するための第1の固定手段と、
前記ハウジング内に取り付けられるとともに、前記第1の光ファイバを自身に光学的に連続させて取り付けるため前記第1の固定手段を受け入れるように構成された受け入れ部を有している第1の光学レンズと、
前記第1の光学レンズに光学的に連続させて前記ハウジング内に取り付けられる第1の偏光フィルタと、
磁気‐光学特性を有する材料から構成され、前記第1の偏光フィルタに光学的に連続させて前記ハウジング内に収容および包囲されるガラス棒と、
前記ガラス棒に光学的に連続させて前記ハウジング内に取り付けられる第2の偏光フィルタと、
前記第2の偏光フィルタに光学的に連続させて前記ハウジング内に取り付けられるとともに、第2の固定手段を受け入れるように構成されている第2の光学レンズと、
前記第2の光学レンズに受け入れられ、第2の光ファイバを固定するための第2の固定手段と、
第2の光ファイバを受け入れるための開口を有し、前記ハウジングの前記第2の端部に取り付けられ、前記ハウジングの前記第2の端部を密封するための第2のシーリング手段と、
それぞれ前記ハウジングの前記第1および第2の端部へと固定されるように構成され、それぞれ前記第1および第2の光ファイバを受け入れるための開口を備えている第1および第2の蓋と、を有し、前記第1の光経路から前記光を受信する光学式電流測定装置を設けるステップと、
前記第2の光ファイバであって、前記光学式電流測定装置から発せられる前記光を受信する第2の光経路を設けるステップと、
前記第2の光経路から発せられる前記光を検出し、該受信した光を電気信号に変換するための検出手段を設けるステップと、
前記検出手段からの前記電気信号を処理するための処理手段を設けるステップと、
当該システムのために較正用の測定を実行するための電流測定システムを設けるステップ、および
第1の通信手段を設けるステップと、を含んでいる方法に関する。
【0013】
較正は、例えば消耗または損傷した構成部品によって引き起こされる信号劣化を除くために実行でき、さらに他の電気ケーブルなどの電界放射源からの干渉も補償できる。
【0014】
センサが、複数の導電ケーブルのうちの特定の電気ケーブルに配置される場合、当該システムは、前記複数の導電ケーブルのうちの残りの部分からの影響を除くために較正を実行することができる。
【0015】
較正は、当該システムが最初に設置されるときに実行され、したがって装置または構成部品の劣化を補償することができる。
【0016】
さらに本発明は、導電体中の高電圧電流を測定するためのシステムを較正する方法であって、
高電圧電流を伝える導体を設けるステップと、
光源を設けるステップと、
前記光源が接続された第1の端部および反対側の第2の端部を定めており、前記光源の放射する光が進入する第1の光経路を設けるステップと、
第1の端部および反対側の第2の端部を定めており、該第1の端部が前記第1の光経路の前記第2の端部に接続されており、前記第1の光経路からの前記光を受信するファラデー電流測定装置を設けるステップと、
第1の端部および反対側の第2の端部を定めており、該第1の端部が前記ファラデー電流測定装置の前記第2の端部に接続されている第2の光経路を設けるステップと、
前記第2の光経路の前記第2の端部に接続され、前記光を電気信号に変換するための光検出手段を設けるステップと、
前記導電体中の電流の測定を実行する電流測定システムを設けるステップと、
前記導体中の前記電流の前記測定を実行し、前記導体中の高電圧電流を測定するためのシステムによって較正定数を計算し、前記電流測定システムを取り除くステップと、を含んでいる方法に関する。
【0017】
好ましくは、システムを較正するこの方法が、
前記導電体中の高電圧電流を測定するためのシステムによって、前記電気信号のACおよびDC成分を測定することによって前記較正定数を周期的または非周期的に再計算するステップをさらに含んでいる。
【0018】
本発明の特定の態様によれば、この方法が、
最初に前記光信号のDC成分を割り出し、次いで前記光信号のDC成分を周期的に割り出すステップ、および
測定したAC成分を前記最初に割り出されたDC成分と前記周期的に割り出されたDC成分との比で乗算することによって、実際のAC成分を割り出すステップをさらに含んでいる。
【0019】
本発明による方法は、好ましくは、本発明によるファラデー電流測定装置を使用して実装される。
【0020】
以下、本発明を、図面を参照しつつさらに説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
図1は、ファラデー光学式電流センサ10の概略断面図であり、図2は、図1のファラデー光学式電流センサ10を拡大した概略断面図である。ファラデー光学式電流センサ10は、第1の端部および反対側の第2の端部(それぞれ符号14および16で指し示されている)を定める細長いハウジング12を有している。ハウジング12の第1の端部14に、第1のシーリング18が取り付けられており、第1のシーリング18は、第1の光ファイバ20を受け入れるための開口を有している。第1のファイバ固定具22が、ハウジング12内に取り付けられている。第1のファイバ固定具22は、光ファイバ20を受け入れるための開口を有している。光学レンズ24が、光ファイバ20およびファイバ固定具22を受け入れるための収容部を有している。第1の偏光フィルタ26が、光学レンズ24に光学的に連続して取り付けられている。ガラス棒28が、第1の偏光フィルタ26と光学的に連続している。ガラス棒28の他端には、第2の偏光フィルタ30が、ガラス棒28に光学的に連続して取り付けられている。第2の光学レンズ32が、第2の偏光フィルタ30に光学的に連続して取り付けられている。第2の光学レンズ32は、第2のファイバ固定具34を受け入れるための収容部を有している。第2のシーリング36が、第2の光ファイバ38を受け入れるための開口を有している。
【0022】
2つの光ファイバ20、38が、それぞれ第1および第2のシーリング18、36を通って第1および第2のファイバ固定具22、34に挿入される。光ファイバ20、38は、2つのセンサ蓋40、42によってそれぞれハウジング12に機械的に固定される。センサ蓋40、42は、ファイバ20、38を固定するとともに、ファラデー光学式電流センサ10を密封している。
【0023】
センサ蓋56、58を成型するために使用される材料は、好ましくは、−40〜150℃の範囲の温度に耐えることができるプラスチック材料であり、電気絶縁特性を有している。この材料は、好ましくは、400〜1000nmの範囲の光に対して非透過性である。上述の特性を備える材料としては、UltemまたはPeekなどのプラスチック材料が可能である。
【0024】
さらに、ハウジング12は、ファラデー光学式電流センサ10をプラスチック帯または他の固定手段によって導体へと取り付けるため、1組の羽根44を備えることができる。
【0025】
図3は、ファラデー光学式電流センサ10の概略の側面図であり、ガラス棒28と平行に延びるハウジング12内の溝46が示されている。溝46は、導体へのファラデー光学式電流センサ10の固定を改善するため、平坦な底部壁あるいは丸められた定部壁を有することができる。溝46は、ガラス棒28を導体に可能な限り近づけるとともに、ファラデー光学式電流センサ10を導体に対して90°の角度で固定するというさらなる利点をもたらすため、ハウジングに導入されている。溝46の幅は任意であってよいが、好ましくは、ガラス棒28の長さと同じ長さ、またはガラス棒28の長さよりも短い長さを有している。固定用の羽根44は、溝46の幾何的延長として組み込まれてもよい。
【0026】
図4は、ファラデー光学式電流センサ10の一端14の概略図である。この図は、ハウジング12内に取り付けられた第1の偏光フィルタ26を示している。
【0027】
図5は、図4に示したファラデー光学式電流センサ10の他端の概略図である。この図は、第1の偏光フィルタ26に対して45°回転させられてハウジング12内に取り付けられた第2の偏光フィルタ30をさらに説明している。これら偏光フィルタの幾何学的構成が、正方形であるとして示されているが、それに代わって、これらフィルタは、2つの偏光フィルタの偏光面がそれぞれ45°回転させられている限りにおいて、任意の幾何学的構成を有することができる。
【0028】
以下の機械的寸法を有するファラデー光学式電流センサ10のプロトタイプ版を製作した。ハウジング12の全長は65mmであり、直径は12.6mmである。ファイバを収容するための開口は、7.5mmである。羽根44は、端部から端部まで11.6mm×40mmの全体寸法を有している。溝は、45mmの長さを有している。ガラス棒は、35mmの長さおよび4mmの直径を有している。偏光フィルタは正方形であり、各辺は5.3mmである。
【0029】
図6は、磁気‐光トランスデューサにおけるファラデー効果を利用して導体中の電流を測定するためのシステムの概略図である。このシステムは、光源46を有している。光源は電球であってよく、あるいはLEDベースの光源であってよい。光源46から発せられた光は、光ファイバなどの第1の光伝導体48を通って案内される。光伝導体48は、2つの偏光フィルタ26、30と磁気‐光学材料とを有するファラデー光学式電流センサ16に接続されている。偏光フィルタ26、30は、それぞれ45°回転させられている。ファラデー光学式電流センサ10は、10kVなどの高電圧の電流が流れる導体50上に取り付けられている。ファラデー光学式電流センサ10の出力端は、光ファイバなどの第2の光伝導体18に接続されている。第2の光伝導体18は、アナログ光信号をデジタル信号に変換する検出システム54に接続されている。検出システム54からのデジタル信号は、信号処理ユニット56へと供給され、信号処理ユニット56が、当該データについていくつかの計算を実行する。較正の目的のため、測定装置58が導体50上に取り付けられている。測定装置58は、電流測定システム60へと接続され、信号処理ユニット56へと更なるデータをもたらしている。
【0030】
信号処理ユニット56は、検出システム54からのデータおよび電流測定システム60からのデータに関し、比較、保存、および計算の実行を行なう。
【0031】
システムの較正は、検出システム54および電流測定システム60からのデータを信号処理ユニット56にて比較することを必要とし、次いで信号処理ユニットは、それらのデータを保存する。較正の最後において、保存されているそれぞれの装置からのデータが合計される。電流測定システム60からのデータの合計が、検出システム54からのデータの合計で除算される。この除算の結果が、較正値として使用され、この較正値が、信号処理ユニット56に保存される。電流測定システム60および測定装置58を、この構成から取り外すことができる。
【0032】
図6に示した構成は、光源46を有しており、ファラデー光学式電流センサ10および光検出システム54が、光源46における電気的ノイズ、検出ユニット54における光学的ノイズ、および近傍のインダクタおよびシステムからの磁界の干渉の影響を受けやすい。センサ10の取り付けおよび構成、ならびに測定しようとする導体の形状および直径が、システムによって実行される測定を左右する。システムは、温度変化が頻繁に生じうる世界中のさまざまな場所で使用される。温度が、光源46および検出システム54内の検出器回路の動作に対し、影響を及ぼす可能性がある。さらに、光源46および検出システム54、ならびにシステムの他の構成要素は、動作および製品寿命にわたって劣化する可能性もある。正確な測定は、安定した光源、および実装されたシステムについての補償係数の決定、ならびに光源の出力の変化、検出システムの長期変動、および周囲の環境の温度変化の記録に依存する。
【0033】
図7は、電流測定システムの検出システム54の概略図である。検出システムは、検出システム54が光経路18から受け取った光を変換する光感知素子64を有している。光感知素子64は、光を電気信号に変換する。この電気信号は、ACおよびDC成分からなるが、2つに分割されて2つの増幅器66、68に供給され、増幅器66からの増幅済み信号が、当該増幅済み信号からDC成分を分離するDC分離器70に供給される。増幅器68からの増幅済み信号は、当該増幅済み信号からAC成分を分離するAC分離器72に供給される。アナログ信号処理ユニット74が、DC分離済み信号およびAC分離済み信号を、アナログ信号からデジタル信号へと変換する。DC信号は、システムの較正の際に測定されて保存されたDC信号値と比較される。較正されたDC成分からの変化の割合が、AC成分へと乗算される。光学式ファラデー効果センサからの信号は、DCおよびAC成分を含んでいる。AC成分は、ファラデー光学式電流センサ10に時間変化する磁界が加わったときに生じる。AC信号が、DC成分、検出システムの長期変動および周囲の環境の温度変化を含む場合、ファラデー光学式電流センサ10にDCまたは非磁界が印加されると、DC成分が発生する。
【0034】
図8は、それぞれが高電圧導体である3つの導体76、78、80を備える構成の概略の断面図である。それぞれの導体の周囲の同心円は、それら導体から放射される電磁界を表わしており、センサ10による導体78から発せられる電磁界の測定が、他の導体76、80から放射される電磁界によって影響されうることを示している。較正プロセスが、センサ10に影響を及ぼす近傍の導体および周囲の他の電磁界からの干渉を除くために行なわれる。これら他の磁界は、当該センサが取り付けられてなる変電所内の電気設備からもたらされ、あるいは当該センサが取り付けられた導体から放射された電磁界が変電所の内部から反射されてもたらされ、あるいは近傍の導体から発せられた電磁界が反射されてもたらされうる。
【0035】
図9は、ファラデー光学式電流センサ10を矩形の導体82に取り付けて備える構成を示している。
【0036】
図10は、円形の導体84に直接取り付けられたファラデー光学式電流センサ10を示している。
【0037】
図11は、円形の導体86へと取り付けられたファラデー光学式電流センサ10の概略の断面図であって、導体86は、導電性コア88および導電性コア88の周囲を囲んで配置された絶縁層90を有している。ファラデー光学式電流センサ10は、点測定センサであり、磁場(B-field)の形状およびインダクタとの間の距離が、考慮すべきパラメータである。センサ・システムの現場での較正は、磁場形状のばらつきおよびインダクタからの距離、ならびに他の源から生じて存在する静電磁界を補償する。
【0038】
ファラデー光学式電流センサ10に磁界が加わっていないときのDC成分の振幅は、光源から発せられる光の強度、光学系を通じての抵抗、および検出器回路によって決まる。光学式ファラデー効果電流センサにDC磁界が加わっていない場合には、信号のACおよびDC成分が、線形な相関を有する。
【0039】
図12は、図6の検出システム20および信号処理ユニット22のプロトタイプの実装の概略のブロック図である。モジュール100が、ファラデー光学式電流センサ10からの信号を図7に詳しく示した検出システム20へと入力するセンサ入力92を有する。低電圧降下線の数に対応する複数の光カプラーが、電圧降下線の電圧を測定するために使用されているが、これらの電圧はAC400ボルトの範囲にある。プロトタイプの実装において、モジュールは、さらにユーザインターフェイス入力‐出力ポート96を備えており、プロトタイプ版において入力‐出力96は、RS‐232シリアル通信ポートである。入力‐出力ポート96は、システムの設定および初期の較正において使用されるユーザインターフェイス・モジュール106に接続されている。
【0040】
検出システム20および400ACモジュール98からのデータは、信号およびデータ処理ユニット104へと送られ、信号およびデータ処理ユニット104が、電流と電圧との間の面角を割り出すためのフェース・マッチングを実行する。測定システムのプロトタイプの実装においては、信号およびデータ処理ユニットが、組み込みのデュアル・プロセッサ・アプリケーションとして実装されている。システムの機能が、測定部と通信部とに分割されている。測定部が、6つの電流チャネルの走査、3つの電圧チャネルの走査、および収集したデータについての計算を担当している。
【0041】
モジュールは、プロセッサ・ユニット104のデータ処理ユニットによって収集されたデータを通信するための通信モジュール106をさらに有している。システムを遠方の位置へと据え付けて、変電所の運転の自動監視に使用することができるため、システムを、配電ネットワークの安全な動作のために複数の変電所からデータを収集する中央のデータ収集サイトに接続することができる。通信モジュール106は、データ処理ユニット104からのデータをGSMおよび/またはISDNなどの通信プロトコル、またはTCP/IPなどのデータ通信プロトコルへと変換するよう構成されたモジュールによって構成できる。モジュールは、通信モジュールがGSMモジュールである場合はアンテナであり、あるいは構内通信網ポートなどである送信器ユニット108をさらに備えている。モジュール100は、モジュールに電力を供給する電源110をさらに備えている。電力は、電力をシステムの動力として分配するとともに、電源故障時のモジュール100の安全な動作のためにバッテリ・モジュール114を充電する電力管理ユニット112へと供給される。
【0042】
モジュール100のプロトタイプの実装において、変電所の状態を通信するためのプロトコルを、以下でいくつかの図表で詳しく説明する。
【0043】
図13〜18は、本発明によるプロトタイプ版の概略のブロック図である。図において、すべての構成部品は名称および製品番号で記載されており、上記の説明を考慮に入れたとき自明であると考えられる。
【0044】
図13は、本発明による10kV変電所(SS)のプロトタイプ版の概略のブロック図である。
【0045】
図14Aは、DC電流センサの概略のブロック図である。プロトタイプ版においては、DCセンサは6つのチャネルを有し、各チャネルに、図14Bに詳細に示されているセンサ回路からの信号が供給されている。
【0046】
図15Aは、電流センサの概略のブロック図である。プロトタイプ版においては、センサは6つのチャネルを有し、各チャネルに、図15Bに詳細に示されているセンサ回路からの信号が供給されている。
【0047】
図16は、電圧センサ回路の概略のブロック図である。
【0048】
図17Aは、電力管理回路を示した概略のブロック図である。
【0049】
図17Bは、図17Aに示した電力管理回路と協働する電力管理回路を示した概略のブロック図である。
【0050】
図18は、RS‐232通信ポートおよびこれに関連する信号についての概略のブロック図である。
【0051】
以下では、本発明の別の実施形態を説明する。図1〜18に関して説明され、この実施形態において再登場する部品には、同様の参照番号が添えられている。
【0052】
図19は、図1、2および3に類似する図示である。
【0053】
図20および21は、本発明によるセンサ10’の第2の実施形態を示している。センサ・ハウジング12’が、センサ10’における主たる要素である。ハウジング12’は、ケーブルへの取り付けおよび光学系の固定を扱う。ハウジング12’は、溶接可能に設計されている。プラスチックが、−40℃〜250℃の温度に耐え、かつ電気および熱の絶縁効果を有するように設計される。現時点での好ましい実施形態において、センサ10’は、ガラス補強なしのPEEKから作られている。PEEKのグレードは、PPSと同様の化学および加水分解耐性を提供するが、より高い温度で機能できる。補強なしの圧縮成型PEEKは、高度の耐摩耗性を提供する。
【0054】
PEEKは、物理的特性が恒久的に損なわれることなく、熱湯または蒸気中で最大480°F(250℃)で連続的に使用することができる。PEEKは、V‐Oの可燃性格付けを有し、炎にさらされたときに煙および有毒ガスの放出がきわめて少ない。
【0055】
センサの羽根44’が、装置を電気ケーブルへと取り付けるために使用される。羽根44’は、装置をケーブルへと固定するために最大5mmの帯を使用することができるように形成される。帯は、好ましくは、幅広い温度範囲および厳しい環境の影響に耐えることができるよう、テフロン製である。センサの羽根44’は、センサ・ハウジング12’に一体化され、成型できるように設計されている。
【0056】
ケーブルに面するセンサ10’の表面において、センサ10’は、直径がセンサ10’の残りの領域に比べて小さくなっている領域46’を有している。この領域46’が、ケーブルに近接させたファラデー回転器の配置、およびケーブルに対するセンサ10’の90°配置を可能にする。
【0057】
磁界の強度が、ほぼ1をケーブルからの距離で除算した値で小さくなっていくことから、導体とセンサ10’との間隔が短いことが重要である。
【0058】
ファラデー光回転器28’が、ハウジング12’内に取り付けられる。ガラス棒28’が軽い締まり嵌めで取り付けられるよう、公差はきつめに保たれる。
【0059】
偏光フィルタ26’および30’が、ガラス棒28’と光学的に連続してハウジング12’内に取り付けられる。フィルタ26’および30’は、お互いに対して45°回転させられている。これは、最大の信号帯域幅を得るために行なわれている。
【0060】
フィルタ26’および30’をガラス棒28’へ接着することが試みられ、これにより、光学マトリクスを通過する光に4〜5%の増加がもたらされるはずである。しかしながら、ガラス、接着剤、およびフィルタにおける異なる温度勾配ゆえ、フィルタが応力検査に不合格であった。また、製造コストの点で効率的ではない。現時点での好ましい実施形態においては、ポラロイド・フィルタ26’および30’を固定するため、センサ・ハウジング12’に小さな凹部が設計されている。フィルタ26’および30’は、温度変化に従って移動可能でありながら、依然として妥当な光学的構成を有している。フィルタ26’および30’は、正方形およびレンズの中に固定される。
【0061】
ポラロイド・フィルタが、光の角度回転を眺めるために使用される。ポラロイド・フィルタはプラスチックで作られ、わずか0.2mmの厚さである。ポラロイド・フィルタは、−40℃〜80℃の温度範囲において強度を保持するような材料からなる。このフィルタは直線偏光であり、製造において打ち抜き工具によって作られる。このフィルタは、ガラス棒へと直接蒸気付けできる。
【0062】
レンズ24’および32’が、それぞれフィルタ26’および30’と光学的に連続してハウジング12’内に取り付けられる。レンズ24’および32’が、ポラロイド・フィルタ26’および30’を正方形の中に保持する。レンズ24’、32’は、小さな締まり嵌めで取り付けられ、したがって光学マトリクス中に固定される。
【0063】
光ファイバが、図26に示されているファイバ固定具128へと配置される。ファイバ固定具が光学レンズ・システムへとはめ込まれたとき、ファイバの端部が、焦点に位置する。ファイバ固定具は、光学レンズ内に配置されたとき、ファイバの周囲を締め付けて機械的応力を管理する。
【0064】
シリコン・シーリング18’および36’が、ハウジング12’の両端に配置される。シーリング・プラグ18’および36’は、センサ10’を密封してセンサ10’を塵埃、蒸気、水、および他の劣化要因から保護するために使用される。シーリングは、ここには示されていないが、光ファイバの締め付けとしても機能する。
【0065】
シーリングの機能は、センサ10’の光学部分を主として水および塵埃に対して保全することにある。蓋がセンサ・ハウジング12’へとプレスされたとき、シーリングが、機械的応力を担当すべくファイバに向かって押し付けられる。シーリングは、−40℃〜120℃の温度範囲において強度を維持するように設計されている。化学品およびオゾンに対する良好な耐性を有している。
【0066】
図19および図23に、2つのセンサ蓋40’および42’が示されている。センサ蓋40’、42’を、ハウジング12’へと固定することができる。センサ蓋は、ハウジング12’へと容易にはめ込むことができる。
【0067】
それぞれのセンサ蓋は、ファイバの固定およびセンサ10’の密封のために使用される。蓋40’、42’は、プラスチック溶接が可能であるように構成および設計されている。
【0068】
蓋は、今のところ、ガラス補強なしのPEEKで作られており、好ましくはハウジング12’と同じ材料である。センサ蓋40’、42’は、センサハウジングとの1回の固定を可能にする円錐を備えた設計である。
【0069】
センサ蓋は、丸められた短い底部を有しており、シーリングでセンサ・ハウジング12’内に取り付けられるとき、シーリングをファイバの周囲に圧迫して、センサ10’を閉じ、塵埃または他の汚染物質から保護する。
【0070】
光ファイバが、光放射器からの光をセンサ10’へと運び、センサ10’から光検出器へと運ぶ。
【0071】
本発明の現時点の好ましい実施形態においては、光ファイバは、張力緩和のためのケブラー(Kevlar)補強を有する全二重ファイバである。光ファイバは、400〜700nmの領域の可視赤色光に適合している。1mmのコア直径、および2.2mmの全体直径を有している。動作温度範囲は、連続的には−25度から+100度までであり、短期的には最大120度である。ファイバ端の切断および研磨が、システムにとって重要である。ファイバは、9myスタンダードに従って3回の研磨ラウンドで研磨される。この研磨粒子サイズは、価格および光の減衰に照らし最適である。ファイバ端のセンサ・ハウジング12’において、ファイバはシリコンで密封され、湿気がファイバに進入することがなく、ファイバ内部の沿面距離も生じ得ない。
【0072】
ガラス棒の機能は、光回転器であり、センサ10’における「モータ」である。ガラス棒は、620nmの波長で0.023min/G‐cmという低いベルデ定数を有するBK7材料で構成されている。ガラス棒は、端部において、S:Dが40:60に従って研磨され、材料は、成型後の製造において張力緩和されている。この材料は、温度に関して小さいベルデ定数の変化、信号のために小さいが充分なベルデ定数、および低いコストゆえに選択されている。
【0073】
ガラス棒の幅は、レンズとの最適さから選択されている。磁界と光ビームとの間の角度は、コサイン関数として記載できる。磁界が光を前にして90度である場合、回転作用は生じない。ガラス棒の長さは、信号出力に線形である。円形導体122上の磁場120が、図25に示されている。
【0074】
磁界による回転作用は、光と磁界との間の角度がより大きくなると減少する。システムにおける光の減衰も、良好な信号のために重要である。光がレンズによって曲げられるとき、それは最適な方向に対して完璧に真っ直ぐではなく、したがってガラス棒が長くなれば通過する光が少なくなる。ガラス棒の長さは、磁界の効果と光の減衰との間の最適さを見つけるための試験から、決定されている。
【0075】
図27には、ファイバ離間クリップ124が示されている。ファイバ離間クリップ124の機能は、ファイバをケーブルから或る距離に固定することにある。クリップ124は、ファイバを圧迫して保持するように設計され、ファイバをパンドウイット・テフロン帯でケーブルへと固定するように設計されている。
【0076】
ファイバとケーブルとの間の間隔は、熱的および電気的絶縁の理由で必要である。今日の光ファイバは、約120度のピーク温度に耐えることしかできない。電気ケーブルは、最大250度の温度にも達しうるため、熱的な絶縁距離が必須である。さらに、ファイバは、湿気の橋絡および生じうる沿面距離を避けるためにも、ケーブルから離間される。ファイバ離間クリップ124は、センサ・ハウジング12’に使用される材料と同じ材料であるPeekで成型される。
【0077】
センサ・クリップが、図28に示されている。クリップ126は、ケーブルとセンサ10’との間により大きな熱抵抗を生む。したがって、センサ10’が配線上に直接取り付けられる場合、クリップ126が、センサの羽根44’へと圧入される。このクリップ126によれば、センサ10’の内部の温度が120度を超えることなく、300度のケーブル温度を可能にできる。
【0078】
図29および30は、本発明によるセンサを6つ含む試験において得られた試験結果を示している。グラフは、センサが導体中の電流の関数として直線的な特性を呈することを示している。
【0079】
図30は、6つのセンサの直線性の度合いを示している。
【0080】
図31は、センサの出力信号を、周囲の環境およびセンサの温度の関数として示したグラフである。
【0081】
本発明の理論的背景である。
【0082】
単純な光ファイバ・ファラデー効果センサが、例えば変電所の導体または据え付けケーブルに取り付けられたとき、出力される光信号は、近傍のシステムからの磁界の干渉、導体の形状、センサの配置および導体までの距離の影響を受けやすい。さらに、出力される光信号は、システムの取り付けおよび構成にも左右されやすい。
【0083】
本発明の目的は、近傍のインダクタからの磁界の干渉、導体の形状、測定装置からセンサまでの距離、さらには取り付けおよび設定について現場で補償を行なうことによって、電流をファラデー効果によって測定するための正確な装置を実現することにある。
【0084】
この目的は、現場でのシステムの構成の際に、当該光ファイバ・システムによって測定されたデータを第三者の電流測定システムと比較することによって達成される。
【0085】
光ファイバ・システムによって測定された磁場を、Bmeasuredと称する。実際の電流は、方程式
Iactual=KCalib*Bmeasured[A]
によって決定され、ここで、KCalib=Σn0(I第三者のシステムで測定)/Σn0(B光学式システムで測定)である。
【0086】
この較正方法は、近傍の導体からの線形な磁界の干渉、および磁場と電流との間の変換係数を解決する。この較正方法は、さらに製造公差、導体形状、導体の直径およびバックグラウンドノイズを、すべて動作中の適用先に取り付けられたときに解決する。
【0087】
較正ののち、第三者のシステムは取り去られ、光ファイバ電流測定システムが、単独の測定システムである。
【0088】
ともかくも、センサを使用することに加え、現場で較正されることが重要である。第三者の測定装置が、電流を測定するために使用される。この装置は、電流コイルまたは他の電流測定装置であってよく、較正済みであって、それらについて周囲の磁界は無視できる。第三者の電流測定装置からの信号またはデータが、第三者の測定システムにおいて計算され、信号処理ユニットへと送られる。
【0089】
信号処理ユニットが、2つの装置からのデータを比較し、そのデータを保存する。或る期間ののち、較正が停止され、各装置から保存されたデータが、合計される。第三者の電流測定システムからの合計データが、光学式センサからの合計データで除算される。この値が較正値として使用され、信号処理ユニットに保存される。第三者の測定システムおよび装置は、取り外すことができる。光学式システムが、今や自身が取り付けられている用途について正確な較正値を有している。
【0090】
3つの導体を備える構成においては、近傍の導体からの磁界が測定に影響を及ぼす可能性がある。インダクタ上に、光ファイバ・ファラデー効果センサが取り付けられる。3つすべての導体からの磁界が、センサに影響を及ぼす。センサxによって測定される磁場は、
Bsum_sensor_x=BL1+BL2+BL3
である。
【0091】
較正中、Bsum_sensor_xが第三者の測定装置からのデータと比較される。この較正から、較正定数KCalibが割り出される。この定数は、3相すべてからの寄与を含んでおり、この定数が線形な磁場についてのみ有効であるということを意味している。
【0092】
磁場は、円形の導体については比較的知られているが、矩形の導体については知られていない。光ファイバ・ファラデー効果センサは、点の測定のみを生み、これは、磁場の形状およびインダクタからの距離が重要なパラメータであることを意味する。センサの現場での較正は、さまざまな磁場の形状およびインダクタからの距離を補償する。
【0093】
光学式ファラデー効果電流センサからの信号は、acおよびdc成分で構成されている。ac成分は、時間変化する磁界がセンサへと加えられているときに存在する。DC成分は、DCまたは非磁界がセンサへ印加された場合に存在する。
【0094】
本発明の目的は、ACおよびDC成分を電気的に測定して光学系の経時劣化をソフトウェアで補償することにより、ファラデー効果によってACシステムにおける電流を測定するための正確な装置を実現することにある。この補償は、上述の補償に結び付けられている。
【0095】
DC成分の大きさは、センサへと磁界が印加されていないときは、光源から照射される光の出力、光学系における「光抵抗」、および検出器回路によって決まる。信号のac成分とdc成分との間には、センサにDC磁界が加えられておらず、検出システムの長期変動が存在せず、かつ周囲の環境の温度に変化がないと仮定すれば、線形な一貫性が存在する。
【0096】
補償済みの光信号Uac_actualは、
Uac_actual=(Udc_calib/Udc_actual)Uac_measured
によって決定され、ここで、
Uac_actualは、補償済みの光ac信号であり、
Udc_actualは、実際に測定されたdc成分であり、
Udc_calibは、システムが較正されたときに測定されたdc信号であり、
Uac_measuredは、実際に測定された光ac信号である。
【0097】
上記の方程式は、光学的変化、温度、光源の性能の変化、検出器の性能の変化、および経時ゆえのセンサの光抵抗の変化に起因するdc成分の変化が、どのように補償されるのかを示している。
【0098】
以下は、本発明のプロトタイプ版についての説明である。
【0099】
本発明のプロトタイプ版においては、システムが、変電所を出入りする実際の電流および400Vの電圧を測定し、測定値をGSMモデムを介するSMSメッセージによって報告する。
【0100】
測定値は、すべてのチャネルについての実際の電流(直近の1秒について平均されている)、すべてのチャネルについてのピーク電流とその方向および時刻スタンプ、400Vの状態と最近のドロップアウトの時刻スタンプ、ならびにシステムの状態であってよい。
【0101】
値は、要求に応じて、さらには警報限界を超えたときに、保守技術員へと送信され、あるいはサーバへと送信される。
【0102】
多少複雑な計算も実装可能であり、またサンプリングレート、電流チャネルの数、などを変えることもできる。基本的な構成ブロックは、電流の計算、ならびにDC信号による較正および補正である。
【0103】
本発明のプロトタイプ版は、組み込みのソフトウェアまたはファームウェアを有するプロセッサ・システムを備えている。システムのファームウェアの主たる仕事を、いくつかの仕事に分割することができる。すなわち、電流の測定および線形化、電流方向の計算、DC信号による補正、およびサーバまたは保守員との通信である。
【0104】
本発明のプロトタイプ版では、6つの電流チャネルおよび3つの電圧チャネルが、光カプラーおよびADコンバータを介してファームウェアを有するプロセッサ・システムにつながっている。電流と電圧との間の位相が、電流の方向を割り出すために使用される。
【0105】
システムの各電流チャネルは、主として、増幅器およびフィルタ部ならびに後続のADコンバータから構成されている。信号がADコンバータを通過したのち、ファームウェアが、信号のすべての後処理を実行する。
【0106】
各電流チャネルは、2つの信号に分割される。それらは、AC電流信号およびDC成分であり、両者ともADコンバータを通って供給される。光電流信号(UAC)が、実際の電流を計算するために使用される。光電流信号のDC成分が、劣化係数を計算するために使用される。
【0107】
DC成分と組み合わされた光学式センサからのDC信号(UDC)が、劣化係数を計算し、そこから実際の較正定数(KCalib)を計算するために使用される。
【0108】
URMS=Σ│UAC−VREF│
【0109】
IRMS=KCalib×URMS
【0110】
信号のDC成分が取り除かれ、RMS値が、数値の積分として計算される。この値が、較正定数(KCalib)によって乗算され、結果が実際のチャネルを流れている電流である。
【0111】
計算は、50Hzの周期のそれぞれについて行なわれる。結果の後処理は、システムの通信部によって行なわれる。
【0112】
電流方向の検出または割り出しは、実際のチャネルについて電流と電圧との間の位相角を測定することによって行なわれる。
【0113】
位相角は、負荷の種類および電流の方向によって決まる。実際の変電所の負荷の種類は、較正の際に選択される。インダクタ負荷において位相差が−90°と+90°の間である場合、電流の方向は正である。
【0114】
電流の位相は、10kV回線上の光学式センサから把握される。電圧の位相は、10kVの電圧は監視されていないという事実ゆえ、400V回線から捉えられる。
【0115】
電圧の位相は、10kVから400Vへの変圧によって遅延する。したがって、位相は、変圧器係数の30°倍で修正される。
【0116】
システムのファームウェアが、信号のDC成分を観察することによってシステムの劣化を補償する。これは、初期の較正定数を劣化係数で補正することによって行なわれる。
【0117】
UAC,DC=ΣUAC−VREF
UDC,AVR=(ΣUDC)/n、(ここで、UDCは、0〜n番目のサンプルについて合計されている)
KCalib=(KCalib,Init×UDC,Init)/(UDC−UAC,DC)
【0118】
測定されたAC値のDC成分が、測定されたDC信号から減算され、インダクタ中を流れる電流のDC成分が除かれる。
【0119】
UDCおよびUACの両者は、長時間(例えば、1分間)にわたってサンプリングされる。
【0120】
較正定数は、実際の電流の計算に使用されるほか、システム全体の状態の表示としても使用される。これの監視は、通信部において行なわれる。
【0121】
実際の電流および方向を計算したのち、測定システムは、システム特有の計算を処理する。これらは、或る実装例と他の実装例とでは異なるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0122】
【図1】ファラデー光学式電流センサの概略の断面図である。
【図2】ファラデー光学式電流センサの拡大された概略の断面図である。
【図3】ファラデー光学式電流センサのハウジングの溝を示している。
【図4】ファラデー光学式電流センサの一端の概略図である。
【図5】ファラデー光学式電流センサの一端の概略図である。
【図6】ファラデー光学式電流センサを有する電流測定用システムの概略のブロック図である。
【図7】図6に示したシステムの一部である検出システムの概略図である。
【図8】3つの導体と1つのファラデー光学式電流センサとを備える測定用の構成の概略の断面図である。
【図9】矩形の導体についての測定用の構成を示している。
【図10】円形の導体についての測定用の構成を示している。
【図11】絶縁層を備える円形の導体についての測定用の構成を示している。
【図12】図6に示したシステムの検出システムおよび処理ユニットについて、プロトタイプの実装の概略のブロック図である。
【図13】本発明のプロトタイプ版の概略図である。
【図14A】本発明のプロトタイプ版の概略図である。
【図14B】本発明のプロトタイプ版の概略図である。
【図15A】本発明のプロトタイプ版の概略図である。
【図15B】本発明のプロトタイプ版の概略図である。
【図16】本発明のプロトタイプ版の概略図である。
【図17A】本発明のプロトタイプ版の概略図である。
【図17B】本発明のプロトタイプ版の概略図である。
【図18】本発明のプロトタイプ版の概略図である。
【図19】センサの構成部品を概略的に示している。
【図20】本発明によるセンサ・ハウジングの概略図である。
【図21】本発明によるセンサ・ハウジングの概略図である。
【図22】本発明によるセンサの断面の概略図である。
【図23】2つのセンサ蓋の概略図である。
【図24】光学フィルタの概略図である。
【図25】電気ケーブルおよびそこから放射される磁場、ならびにガラス棒の概略図である。
【図26】ファイバ固定具の概略の断面図である。
【図27】配線クリップの概略図である。
【図28】離間用部品の概略図である。
【図29】電流と光の大きさとの間の関係を示すグラフである。
【図30】6つのセンサの直線性の度合いを示すグラフである。
【図31】センサの温度と光の大きさとの間の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【0123】
10 電流センサ、 12 ハウジング、 14 第1の端部、 16 第2の端部、 18,36 シーリング、 20,38 光ファイバ、 22,34 ファイバ固定具、 24,32 光学レンズ、 26,30 偏光フィルタ、 28 ガラス棒、 40,42 センサ蓋
【特許請求の範囲】
【請求項1】
導電体中の高電圧電流を測定するためのシステムを較正する方法であって、
高電圧電流を伝える導電体を設けるステップと、
光源を設けるステップと、
前記光源が接続された第1の端部および反対側の第2の端部を定めており、前記光源の放射する光が進入する第1の光経路を設けるステップと、
第1の端部および反対側の第2の端部を定めており、該第1の端部が前記第1の光経路の前記第2の端部に接続されており、前記第1の光経路からの前記光を受信するファラデー電流測定装置を設けるステップと、
第1の端部および反対側の第2の端部を定めており、該第1の端部が前記ファラデー電流測定装置の前記第2の端部に接続されている第2の光経路を設けるステップと、
前記第2の光経路の前記第2の端部に接続され、前記光を電気信号に変換するための光検出手段を設けるステップと、
前記導電体中の電流の測定を実行する電流測定システムを設けるステップと、
前記導電体中の前記電流の測定を実行し、前記導電体中の高電圧電流を測定するためのシステムによって較正定数を計算し、前記電流測定システムを取り除くステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項2】
前記導電体中の高電圧電流を測定するためのシステムによって、前記電気信号のACおよびDC成分を測定することによって前記較正定数を周期的または非周期的に再計算するステップをさらに含んでいる請求項1に記載の方法。
【請求項3】
最初に前記光信号のDC成分を割り出し、次いで前記光信号のDC成分を周期的に割り出すステップ、および
測定したAC成分を前記最初に割り出されたDC成分と前記周期的に割り出されたDC成分との比で乗算することによって、実際のAC成分を割り出すステップをさらに含んでいる請求項1または2に記載の方法。
【請求項1】
導電体中の高電圧電流を測定するためのシステムを較正する方法であって、
高電圧電流を伝える導電体を設けるステップと、
光源を設けるステップと、
前記光源が接続された第1の端部および反対側の第2の端部を定めており、前記光源の放射する光が進入する第1の光経路を設けるステップと、
第1の端部および反対側の第2の端部を定めており、該第1の端部が前記第1の光経路の前記第2の端部に接続されており、前記第1の光経路からの前記光を受信するファラデー電流測定装置を設けるステップと、
第1の端部および反対側の第2の端部を定めており、該第1の端部が前記ファラデー電流測定装置の前記第2の端部に接続されている第2の光経路を設けるステップと、
前記第2の光経路の前記第2の端部に接続され、前記光を電気信号に変換するための光検出手段を設けるステップと、
前記導電体中の電流の測定を実行する電流測定システムを設けるステップと、
前記導電体中の前記電流の測定を実行し、前記導電体中の高電圧電流を測定するためのシステムによって較正定数を計算し、前記電流測定システムを取り除くステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項2】
前記導電体中の高電圧電流を測定するためのシステムによって、前記電気信号のACおよびDC成分を測定することによって前記較正定数を周期的または非周期的に再計算するステップをさらに含んでいる請求項1に記載の方法。
【請求項3】
最初に前記光信号のDC成分を割り出し、次いで前記光信号のDC成分を周期的に割り出すステップ、および
測定したAC成分を前記最初に割り出されたDC成分と前記周期的に割り出されたDC成分との比で乗算することによって、実際のAC成分を割り出すステップをさらに含んでいる請求項1または2に記載の方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図15A】
【図15B】
【図16】
【図17A】
【図17B】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図15A】
【図15B】
【図16】
【図17A】
【図17B】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【公開番号】特開2010−44084(P2010−44084A)
【公開日】平成22年2月25日(2010.2.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−233665(P2009−233665)
【出願日】平成21年10月7日(2009.10.7)
【分割の表示】特願2006−504382(P2006−504382)の分割
【原出願日】平成16年5月12日(2004.5.12)
【公序良俗違反の表示】
(特許庁注:以下のものは登録商標)
1.GSM
2.テフロン
3.ポラロイド
【出願人】(508099391)パワーセンス・アクティーゼルスカブ (3)
【氏名又は名称原語表記】POWERSENSE A/S
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年2月25日(2010.2.25)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年10月7日(2009.10.7)
【分割の表示】特願2006−504382(P2006−504382)の分割
【原出願日】平成16年5月12日(2004.5.12)
【公序良俗違反の表示】
(特許庁注:以下のものは登録商標)
1.GSM
2.テフロン
3.ポラロイド
【出願人】(508099391)パワーセンス・アクティーゼルスカブ (3)
【氏名又は名称原語表記】POWERSENSE A/S
【Fターム(参考)】
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