特開 2023-183122 電圧測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023183122

(43)【公開日】2023-12-27

(54)【発明の名称】電圧測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01R 15/24 20060101AFI20231220BHJP

   G01R 19/00 20060101ALI20231220BHJP

   G01R 15/22 20060101ALI20231220BHJP

【ＦＩ】

G01R15/24 B

G01R19/00 V

G01R15/22

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022096571

(22)【出願日】2022-06-15

(71)【出願人】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】519424722

【氏名又は名称】電源開発送変電ネットワーク株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100118762

【弁理士】

【氏名又は名称】高村 順

(72)【発明者】

【氏名】橋場 康人

(72)【発明者】

【氏名】梅本 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】河野 裕之

(72)【発明者】

【氏名】松元 大悟

(72)【発明者】

【氏名】瀧根 健志

(72)【発明者】

【氏名】小坂 洋隆

【テーマコード（参考）】

2G025

2G035

【Ｆターム（参考）】

2G025AA17

2G025AB09

2G025AB10

2G025AB11

2G025AB12

2G025AC06

2G035AA12

2G035AB01

2G035AC01

2G035AD28

2G035AD35

2G035AD36

2G035AD37

2G035AD39

2G035AD43

(57)【要約】

【課題】急峻な電圧が印加された場合でも電圧を精度良く測定可能な電圧測定装置を得ること。
【解決手段】電圧測定装置１は、第１端面と、第１端面とは逆側へ向けられた第２端面とを有し、第１端面と第２端面間を伝搬する光の２つの偏光成分に、第１端面と第２端面間において作用する電界の強さに応じた位相差を生じさせる電気光学結晶を含むセンサ部１０と、第１端面と第２端面間を伝搬したことによって偏光状態が変化した光に基づいて、高圧導体１１に印加されている電圧を求める信号処理部３０と、を備え、センサ部１０は、第１端面が高圧導体１１に接触するとともに第２端面が接地導体１２に接触する接触型電気光学結晶１３と、第１端面が高圧導体１１に接触するとともに第２端面が接地導体１２と非接触の関係、または、第２端面が接地導体１２と電気的に接触するとともに第１端面が高圧導体１１と非接触の関係である非接触型電気光学結晶１４と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象と同電位の高圧導体へ向けられた第１端面と、前記第１端面とは逆側の接地導体へ向けられた第２端面とを各々が有し、前記第１端面と前記第２端面との間を伝搬する光のうち振動方向が互いに直交する２つの偏光成分に、前記第１端面と前記第２端面との間において作用する電界の強さに応じた位相差を生じさせる複数の電気光学結晶を含むセンサ部と、
前記複数の電気光学結晶の各々について、電気光学結晶から出射された光に含まれる成分であって、前記第１端面と前記第２端面との間を伝搬したことによって偏光状態が変化した成分の光を検出する複数の光検出器を含む投受光部と、
前記複数の電気光学結晶に対応する複数の光検出器の各々によって検出される信号に基づいて、前記高圧導体に印加されている電圧を求める信号処理部と、
を備え、
前記センサ部は、
前記第１端面が前記高圧導体に電気的に接触するとともに前記第２端面が前記接地導体に電気的に接触する接触型電気光学結晶と、
前記第１端面が前記高圧導体に電気的に接触するとともに前記第２端面が前記接地導体と電気的に非接触の関係、または、前記第２端面が前記接地導体と電気的に接触するとともに前記第１端面が前記高圧導体と電気的に非接触の関係である非接触型電気光学結晶と、
を備えることを特徴とする電圧測定装置。

【請求項2】

前記非接触型電気光学結晶の前記第１端面と前記第２端面との間の距離が前記接触型電気光学結晶の前記第１端面と前記第２端面との間の距離よりも短い、
ことを特徴とする請求項１に記載の電圧測定装置。

【請求項3】

前記非接触型電気光学結晶は、前記第１端面の形状と前記第２端面の形状とが異なる、
ことを特徴とする請求項１に記載の電圧測定装置。

【請求項4】

前記信号処理部は、前記高圧導体に急峻な電圧が印加された場合、前記接触型電気光学結晶の電歪効果の影響が収まるまでの間、前記非接触型電気光学結晶に対応する前記光検出器によって検出される信号に基づいて、前記高圧導体に印加されている電圧を求める、 ことを特徴とする請求項１に記載の電圧測定装置。

【請求項5】

前記信号処理部は、前記接触型電気光学結晶に対応する光検出器によって検出される信号に基づいて求める前記高圧導体に印加されている電圧と、前記非接触型電気光学結晶に対応する光検出器によって検出される信号に基づいて求める前記高圧導体に印加されている電圧の時間変化の情報とを用いて、前記高圧導体に印加されている電圧を求める、
ことを特徴とする請求項１に記載の電圧測定装置。

【請求項6】

前記センサ部は、
前記接触型電気光学結晶を複数備え、
前記高圧導体に同じ電圧が印加された場合に複数の前記接触型電気光学結晶の各々を伝搬する光に生じる前記位相差が前記接触型電気光学結晶ごとに異なり、
前記信号処理部は、複数の前記接触型電気光学結晶に対応する複数の前記光検出器の各々によって検出される信号の関係に基づいて、前記高圧導体に印加されている電圧を求める、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の電圧測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電気光学効果を利用して電圧を測定する電圧測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

長距離送電を行うシステムの１つとして、送電効率の高さといった観点から、高電圧直流送電（ＨＶＤＣ：High Voltage Direct Current）システムが注目されている。直流電圧は、直流送電系統と交流送電系統とに接続されて交流電力と直流電力との間の交換を行う交直変換装置、および、交流送電系統同士に接続されて電圧の周波数を変換する周波数変換装置などにおいて、常時監視される。監視の対象とされる系統電圧は数百ｋＶといった高電圧であることから、分圧器を用いて系統電圧を扱い易い電圧にまで降圧させて、降圧後の電圧を電圧測定装置が測定する技術が知られている。

【0003】

また、分圧器を使用せずに高電圧を測定する方式として、一次の電気光学効果であるポッケルス効果を利用した電圧測定装置が開発されている。ポッケルス効果とは、電気光学結晶と呼ばれるある種の結晶に電界を作用させた場合に、電界の強さの一乗に比例して結晶の屈折率が変化する現象である。ポッケルス効果による結晶の屈折率変化は、微少であるが、屈折率に異方性が生じる特性を利用することで、透過光の偏光状態の変化として測定することができる。例えば、偏光素子を用いて、電気光学結晶に直線偏光を入射させ、電気光学結晶から出射した光の偏光状態の変化を光の強度変化として測定することで、電気光学結晶に印加された電圧を求めることができる。

【0004】

ポッケルス効果を用いた電圧測定装置は、絶縁性に優れ、装置の小型化および低コスト化を実現できるメリットがある。しかし、電気光学結晶に直流電圧を印加すると、時間が経つにつれて、結晶内の空間電荷が移動し、光が透過する部分の電界分布が変化するため、長時間安定して電圧を測定することが困難であることが知られている。この影響を回避する方法として、電気光学結晶内で光の進行方向と電界が印加される方向を同じにする縦型変調方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。縦型変調方式では、直流電圧の印加により電気光学結晶内の電界分布が不均一になったとしても、光は電界が強められた部分と弱められた部分の両方を通過し、電界方向に沿った積分値は一定となるため、電気光学結晶の端面間に印加された電圧を安定して測定することができる。ただし、測定対象の電圧が印加される電極と電気光学結晶の密着性が不十分な場合、隙間部分の抵抗値が電気光学結晶の抵抗値に対して無視できず、直流電圧を長時間安定して測定することはできない。そのため、直流計測を実現する光電圧測定装置は、電極に電気光学結晶を密着させた構成とする必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１５－１１０１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ポッケルス効果を用いた電圧測定装置において、直流電圧を長時間安定して計測するために、電極に電気光学結晶を密着させた場合、電気光学結晶に変化が急峻な電圧が印加されると、電気光学結晶の電歪効果の影響により、測定信号にノイズ成分が重畳され、正しい電圧を測定できないという課題がある。電歪効果とは、逆圧電効果とも呼ばれ、電気光学結晶に電界をかけた際に分極に伴って機械的にひずみを生じる現象により、結晶が電界方向および電界に垂直方向に固有モードで振動する現象である。

【0007】

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、急峻な電圧が印加された場合でも電圧を精度良く測定することが可能な電圧測定装置を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかる電圧測定装置は、測定対象と同電位の高圧導体へ向けられた第１端面と、第１端面とは逆側の接地導体へ向けられた第２端面とを各々が有し、第１端面と第２端面との間を伝搬する光のうち振動方向が互いに直交する２つの偏光成分に、第１端面と第２端面との間において作用する電界の強さに応じた位相差を生じさせる複数の電気光学結晶を含むセンサ部と、複数の電気光学結晶の各々について、電気光学結晶から出射された光に含まれる成分であって、第１端面と第２端面との間を伝搬したことによって偏光状態が変化した成分の光を検出する複数の光検出器を含む投受光部と、複数の電気光学結晶に対応する複数の光検出器の各々によって検出される信号に基づいて、高圧導体に印加されている電圧を求める信号処理部と、を備える。センサ部は、第１端面が高圧導体に電気的に接触するとともに第２端面が接地導体に電気的に接触する接触型電気光学結晶と、第１端面が高圧導体に電気的に接触するとともに第２端面が接地導体と電気的に非接触の関係、または、第２端面が接地導体と電気的に接触するとともに第１端面が高圧導体と電気的に非接触の関係である非接触型電気光学結晶と、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、急峻な電圧が印加された場合でも電圧を精度良く測定することが可能な電圧測定装置を実現できる、という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態１にかかる電圧測定装置の構成例を示す図

【図2】実施の形態１に係る接触型電気光学結晶の第１端面および第２端面に密着される薄膜の第１の例を示す図

【図3】実施の形態１に係る接触型電気光学結晶の第１端面および第２端面に密着される薄膜の第２の例を示す図

【図4】実施の形態１に係る非接触型電気光学結晶の第１端面および第２端面に密着される薄膜の第１の例を示す図

【図5】実施の形態１に係る非接触型電気光学結晶の第１端面および第２端面に密着される薄膜の第２の例を示す図

【図6】実施の形態１に係る非接触型電気光学結晶の第１端面および第２端面に密着される薄膜の第３の例を示す図

【図7】実施の形態１に係る非接触型電気光学結晶の形状の一例を示す図

【図8】実施の形態１に係る非接触型電気光学結晶の上部に設ける電界緩和電極の一例を示す図

【図9】実施の形態１に係る電圧測定装置の光源、光検出器、偏光変調器、偏光子および検光子と光の偏光状態との関係の一例を示す図

【図10】実施の形態１に係る電圧測定装置を構成する偏光変調器の駆動電圧のモニター信号に対する光検出器の受光信号の関係の一例を示す図

【図11】実施の形態１に係る電圧測定装置を構成するファラデーローテータの効果を説明する図

【図12】実施の形態１に係る電圧測定装置が非接触型電気光学結晶を用いて直流電圧を測定した場合の測定電圧の時間変化の一例を示す図

【図13】実施の形態１に係る電圧測定装置を構成する高圧導体に急峻な電圧が印加された場合の偏光変調器の駆動電圧のモニター信号と光検出器の受光信号との関係の一例を示す図

【図14】実施の形態１に係る電圧測定回路が高圧導体に印加された電圧を測定する動作の一例を示すフローチャート

【図15】実施の形態１に係る電圧測定装置を構成する接触型電気光学結晶の位相差と非接触型電気光学結晶の位相差との関係の一例を示す図

【図16】実施の形態１に係る電圧測定装置を構成する高圧導体に急峻な電圧が印加された場合の電圧測定結果の時間変化の一例を示す図

【図17】実施の形態２に係る電圧測定装置の構成例を示す図

【図18】実施の形態２に係る電圧測定装置を構成する接触型電気光学結晶の結晶方位の第１の例を示す図

【図19】実施の形態２に係る電圧測定装置を構成する接触型電気光学結晶の結晶方位の第２の例を示す図

【図20】実施の形態２に係る電圧測定装置を構成する２つの接触型電気光学結晶の位相差の関係の一例を示す図

【図21】実施の形態２に係る電圧測定回路が高圧導体に印加された電圧を測定する動作の一例を示すフローチャート

【図22】電圧測定回路を実現するハードウェアの一例を示す図

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に、本開示の実施の形態にかかる電圧測定装置を図面に基づいて詳細に説明する。

【0012】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる電圧測定装置１の構成例を示す図である。実施の形態１にかかる電圧測定装置１は、送電系統、交直変換装置、あるいは周波数変換装置といった測定対象の電圧を測定する。実施の形態１に係る電圧測定装置１は、センサ部１０と、投受光部２０と、信号処理部３０と、を備える。センサ部１０と投受光部２０は、光ファイバ４０で接続される。光ファイバ４０は、偏波保持ファイバ、すなわち、光弾性効果や構造変化を利用して、コアの直交する２つの軸方向で実効屈折率が異なる複屈折を生じさせて、伝送する光の偏波面保持特性を高めたファイバである。

【0013】

センサ部１０は、高圧導体１１と、接地導体１２と、高圧導体１１および接地導体１２の双方と電気的に接触した電気光学結晶である接触型電気光学結晶１３と、高圧導体１１および接地導体１２の一方の導体と電気的に接触し、他方の導体とは電気的に接触していない電気光学結晶である非接触型電気光学結晶１４と、ファラデーローテータ１５と、コリメータレンズ１６と、を備える。なお、図１は、非接触型電気光学結晶１４は、接地導体１２のみと電気的に接触し、高圧導体１１とは電気的に接触していない場合の例を示す。また、詳細については後述するが、接触型電気光学結晶１３および非接触型電気光学結晶１４は、蒸着等により導電性の薄膜が形成された平面を有する電気光学結晶であり、平面に形成された薄膜が導体（高圧導体１１、接地導体１２）と密着している場合、電気光学結晶と導体とが「電気的に接触した状態」であるものとする。

【0014】

高圧導体１１は、測定対象の電圧Ｖと同電位の導体である。測定対象の電圧は、数百ｋＶといった高電圧である。接地導体１２は、基準電位点に接続されている導体である。

【0015】

接触型電気光学結晶１３および非接触型電気光学結晶１４は、１次の電気光学効果であるポッケルス効果を有する結晶である。ポッケルス効果とは、電気光学結晶に外部から電界が加えられた場合に、分極状態が変化し、屈折率が電界の強度に比例して変化する現象である。電気光学結晶の特定の方向に外部から電界を加えると、電気光学結晶の屈折率に異方性が生じる。光は、一般に、振動方向が互いに直交する２つの偏光成分の合成で表され、屈折率に異方性が生じている電気光学結晶を透過すると、２つの偏光成分に位相差、すなわち、偏光位相差が生じる。ポッケルス効果では、偏光位相差は電気光学結晶に加えられている電界の強度に比例するため、偏光素子を用いて、電気光学結晶を透過した光の偏光状態の変化を測定することによって、電気光学結晶に印加された電圧を求めることができる。接触型電気光学結晶１３および非接触型電気光学結晶１４として用いることができるポッケルス効果を有する結晶は、例えば、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、ＡＤＰ（ＮＨ_４Ｈ_２ＰＯ_４）、ＫＤＰ（Ｈ_２ＰＯ_４）、ＳｉＯ_２（水晶）、Ｂｉ_１２ＳｉＯ_２０、Ｂｉ_１２ＧｅＯ_２０、Ｂｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、などである。

【0016】

なお、以下の説明では、接触型電気光学結晶１３および非接触型電気光学結晶１４の端面のうち、高圧導体１１へ向けられている端面を第１端面、接地導体１２へ向けられている端面を第２端面と称することがある。第２端面は、第１端面とは逆側の端面であって、接地導体１２に電気的に接続される。接触型電気光学結晶１３および非接触型電気光学結晶１４に入射する光の進行方向は、接触型電気光学結晶１３および非接触型電気光学結晶１４に印加される電界と同じ方向とする（縦型変調方式）。また、接地導体１２側から接触型電気光学結晶１３および非接触型電気光学結晶１４に光を入射させるため、接地導体１２に光を透過する穴（以下では透過穴と称する場合がある）を設ける。光は、接地導体１２に設けた透過穴から接触型電気光学結晶１３および非接触型電気光学結晶１４の各々の第２端面に入射し、第１端面側に設けたミラーで反射した後、第２端面および接地導体１２の透過穴から出射する。

【0017】

接触型電気光学結晶１３は、高圧導体１１に急峻な電圧が印加されて電歪効果の影響を受ける場合を除いて、高圧導体１１に印加されている電圧Ｖを測定する役割を果たす。接触型電気光学結晶１３と高圧導体１１との間、または、接触型電気光学結晶１３と接地導体１２との間に空間的な隙間がある場合、接触型電気光学結晶１３と空間的な隙間とで被測定電圧Ｖが分圧され、直流電圧を正確に計測することが難しくなる。そのため、図２に示すように、接触型電気光学結晶１３の第１端面および第２端面には、導電性の薄膜１３ａ，１３ｂを蒸着又はスパッタにより密着して形成する。接触型電気光学結晶１３の第１端面に密着される薄膜１３ａは、光を反射させるためのミラーの役割を果たす金属膜であり、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）などを使用することができる。また、接触型電気光学結晶１３の第２端面に密着される薄膜１３ｂは、光を透過する必要があり、透明電極膜を使用することができる。また、図３に示すように、光が接触型電気光学結晶１３の第２端面で反射することを避けるために、薄膜１３ｂは第２端面の光が通過する領域（図３に示す例では、第２端面の中心部分）を除いた部分に形成し、光が通過する領域には、光の端面反射を防止する薄膜１３ｃを設けてもよい。薄膜１３ｃは、例えば、接触型電気光学結晶１３に入射する光の波長の反射光を抑えるように設計された単層または多層の誘電体膜を使用することができる。

【0018】

非接触型電気光学結晶１４は、高圧導体１１に急峻な電圧が印加されて接触型電気光学結晶１３が電歪効果の影響を受ける場合に、接触型電気光学結晶１３の代わりに高圧導体１１に印加されている電圧Ｖを測定する役割を果たす。電気光学結晶に急峻な高電圧が印加されると、電気光学結晶の電歪効果の影響により、測定信号にノイズ成分が重畳され、正しい電圧を測定することが難しくなる。電歪効果の影響は、電気光学結晶に印加される電圧が大きいほど大きくなるため、電気光学結晶に印加される電圧を下げることで電歪の効果の影響を緩和することができる。そのため、非接触型電気光学結晶１４は、接触型電気光学結晶１３と比較して、電気光学結晶にかかる電圧が十分小さくなるように設計する。例えば、図１に示すように、非接触型電気光学結晶１４の電界方向の長さ、すなわち、第１端面から第２端面までの距離を、接触型電気光学結晶１３よりも短く設定し、非接触型電気光学結晶１４の第１端面を高圧導体１１と物理的に距離を離して電気的に非接触にさせる。ここでは、非接触型電気光学結晶１４の電界方向の長さは、接触型電気光学結晶１３の電界方向の長さの１０分の１程度にすることを想定する。この場合、非接触型電気光学結晶１４と高圧導体１１との間の空間的な隙間で被測定電圧が分圧されるため、非接触型電気光学結晶１４の方が接触型電気光学結晶１３よりも印加される電圧が十分小さくなり、高圧導体１１に急峻な高電圧が印加された場合においても、電歪効果の影響を受けずに正しい電圧を測定することができる。

【0019】

非接触型電気光学結晶１４の第１端面および第２端面には、図４に示すように、薄膜１４ａ，１４ｂが蒸着又はスパッタにより密着して形成されている。非接触型電気光学結晶１４の第１端面に密着される薄膜１４ａは、光を反射させるためのミラーの役割を果たす薄膜であり、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）などの金属膜を使用することができる。また、薄膜１４ａは、導電性がある必要はなく、誘電体多層膜で構成されるミラーでもよい。また、非接触型電気光学結晶１４の第２端面に密着される薄膜１４ｂは、光を透過する必要があり、透明電極膜を使用することができる。また、図５に示すように、光が非接触型電気光学結晶１４の第２端面で反射することを避けるために、薄膜１４ｂは第２端面の光が通過する領域（図５に示す例では、第２端面の中心部分）を除いた部分に形成し、光が通過する領域には、光の端面反射を防止する薄膜１４ｃを設けてもよい。薄膜１４ｃは、例えば、非接触型電気光学結晶１４に入射する光の波長の反射光を抑えるように設計された単層または多層の誘電体膜を使用することができる。また、第２端面に密着する薄膜は、導電性を有する必要はなく、図６に示すように、薄膜１４ｃのみで構成してもよい。

【0020】

なお、電歪効果の影響は、電気光学結晶の端面形状に依存することが知られている。そこで、非接触型電気光学結晶１４は、図７に示すように、第１端面と第２端面の形状を変化させてテーパー形状とすることで、電歪効果の影響を低減させてもよい。また、図８に示すように、非接触型電気光学結晶１４の上部すなわち第１端面の側に、第１端面のエッジ部分への電界集中を緩和するための電界緩和電極１７を設けてもよい。このように、非接触型電気光学結晶１４の上部に電界緩和電極１７を設けることで、電界緩和電極１７のサイズを変更することで、非接触型電気光学結晶１４に印加される電圧を調整することができる。

【0021】

ファラデーローテータ１５は、ファラデー効果により、入射した光の偏光面を回転させるローテータ（回転子）である。なお、ファラデー効果とは、光の進行方向と平行に磁界を加えると磁界の強さに応じて偏光面が回転する現象である。一般的に、光ファイバ４０内を光の位相状態を保持して伝送することは困難であるが、入射する光の偏光面を４５度回転するように設計したファラデーローテータ１５を用いて、光ファイバ４０内を往復させることで、光の位相状態を保持して光を伝送することができる。

【0022】

コリメータレンズ１６は、光ファイバ４０から出射した光を平行光にし、さらに、接触型電気光学結晶１３および非接触型電気光学結晶１４の各々の第１端面で折り返して戻ってきた光を再び光ファイバ４０に入射させる役割を果たす。

【0023】

投受光部２０は、光源２１と、光検出器２２ａ、２２ｂおよび２２ｃと、偏光変調器２３と、偏光子２４と、検光子２５ａ、２５ｂおよび２５ｃと、ビームスプリッタ２６ａ、２６ｂおよび２６ｃと、コリメータレンズ２７と、を備える。

【0024】

光源２１としては、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）、半導体レーザ、固体レーザ、又は気体レーザなどを使用することができる。光源２１から発せられる光としては、内部光電効果を生じない程度に波長の長い光である、波長７５０ｎｍ以上の赤外光を使用することが望ましい。内部光電効果とは、波長の短い光の照射により、絶縁体の電気抵抗が下がり、電流が流れやすくなる現象である。また、光は光ファイバ４０内を往復するため、干渉性の小さなＬＥＤ、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode：スーパールミネッセントダイオード）、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission：自然放射増幅光）光源などを使用することが望ましい。

【0025】

光検出器２２ａ、２２ｂおよび２２ｃは、光－電気変換（Ｏ／Ｅ変換）により、光強度を電気信号として検出する。光検出器２２ａ、２２ｂおよび２２ｃとしては、例えば、光源２１が発する光の波長に高い感度を有するフォトダイオードを使用することができる。光検出器２２ａは、偏光変調器２３から出射した光の偏光状態を測定するために使用する。光検出器２２ｂは、接触型電気光学結晶１３内を往復した光の偏光状態を測定するために使用する。光検出器２２ｃは、非接触型電気光学結晶１４内を往復した光の偏光状態を測定するために使用する。

【0026】

偏光変調器２３は、透過光の偏光状態を変調する光学素子である。偏光変調器２３としては、電気光学素子型の変調器、円筒型圧電素子に光ファイバを巻いて構成される圧電素子型の変調器などを用いることができる。偏光変調器２３は、外部から電圧を電気光学素子または円筒型圧電素子に印加することで、直交する２つの偏光成分の間に位相差を与える。偏光変調器２３への入射光が直線偏光である場合の出射光は、位相差が０となる電圧を印加した時は入射光と同じ直線偏光、位相差がλ／４となる電圧を印加した時は円偏光、位相差がλ／２となる電圧を印加した時は入射光の直線偏光に対して９０度回転した直線偏光になる。

【0027】

偏光子２４は、光源２１と偏光変調器２３との間に配置され、光源２１から出射した光を直線偏光に変換する光学素子である。また、検光子２５ａ，２５ｂ，２５ｃは、それぞれ光検出器２２ａ，２２ｂ，２２ｃの前に配置され、透過する光から直線偏光を取り出す光学素子である。

【0028】

ビームスプリッタ２６ａ、２６ｂおよび２６ｃは、偏光無依存のビームスプリッタであり、入射光の偏光状態を変化させずに、透過光および反射光を所定の光量比率で分割する光学素子である。ビームスプリッタ２６ａは、偏光変調器２３の後に配置され、偏光変調器２３が出射した光を、光検出器２２ａに入射させる光と、接触型電気光学結晶１３または非接触型電気光学結晶１４に入射させる光とに分離する役割を果たす。ビームスプリッタ２６ｂは、光源２１の側から見てビームスプリッタ２６ａの後に配置され、偏光変調器２３が出射した光を、接触型電気光学結晶１３に入射させる光と、非接触型電気光学結晶１４に入射させる光とに分離し、接触型電気光学結晶１３から戻ってきた光を光検出器２２ｂに入射させる役割を果たす。ビームスプリッタ２６ｃは、光源２１の側から見てビームスプリッタ２６ｂの後に配置され、偏光変調器２３が出射した光を非接触型電気光学結晶１４に入射させ、非接触型電気光学結晶１４から戻ってきた光を光検出器２２ｃに入射させる役割を果たす。

【0029】

コリメータレンズ２７は、ビームスプリッタ２６ｂ、または、ビームスプリッタ２６ｃで９０度の方向へ反射された光を光ファイバ４０に入射させ、さらに、センサ部１０を経由し、光ファイバ４０から出射された光を平行光にして光検出器２２ｂ、または、光検出器２２ｃに入射させる役割を果たす。

【0030】

信号処理部３０は、変調器駆動回路３１と、電圧測定回路３２と、を備える。変調器駆動回路３１は、偏光変調器２３を動作させるための駆動電圧を出力するとともに、駆動電圧のモニター信号を電圧測定回路３２に出力する。電圧測定回路３２は、光検出器２２ａ、２２ｂおよび２２ｃの受光信号と、偏光変調器２３の駆動電圧のモニター信号とに基づいて、高圧導体１１に印加された電圧Ｖを算出する。電圧測定回路３２は、算出した電圧Ｖを予め定められた分圧比により変換し、アナログ値又はデジタル値として出力する。また、電圧測定回路３２は、算出した電圧Ｖを、図１では記載を省略している表示器を用いて、アナログ表示又はデジタル表示してもよい。

【0031】

以下に、実施の形態１に係る電圧測定装置１の動作について説明する。光源２１から出射した光は、偏光子２４に入射する。偏光子２４は、入射した光から直線偏光を取り出す。偏光子２４で取り出された直線偏光は、偏光変調器２３に入射する。偏光変調器２３は、変調器駆動回路３１から出力される駆動電圧に応じて、入射する直線偏光を楕円偏光や円偏光に変化させる。偏光変調器２３から出射した光は、ビームスプリッタ２６ａにより、透過する光と９０度の方向へ反射する光とに分岐され、９０度の方向へ反射した光は検光子２５ａに入射する。検光子２５ａは、入射した光から直線偏光を取り出す。検光子２５ａにより取り出された直線偏光は、光検出器２２ａに入射する。

【0032】

図９は、光源２１、光検出器２２ａ，２２ｂ，２２ｃ、偏光変調器２３、偏光子２４、および検光子２５ａ，２５ｂ，２５ｃと、光の偏光状態との関係の例を示す図である。偏光変調器２３は、電気光学結晶を用いた変調器であり、駆動電圧Ｖ_EOを印加すると、電圧Ｖ_EOに比例して電気光学結晶の軸（電界方向）に垂直な方向（ここではＸ方向）と平行な方向（ここではＹ方向）に屈折率差、つまり、偏光位相差θが生じると仮定する。偏光子２４および検光子２５ａは、図９に示すように、透過する直線偏光が偏光変調器２３の結晶軸（電界方向）に対して４５度方向となるように配置する。偏光変調器２３に入射する光量をＩ_in、偏光変調器２３から出射して検光子２５ａを介して光検出器２２ａで検出される光量をＩ_outとすると、Ｉ_out/Ｉ_inは、次式（１）で表される。

【0033】

【数1】

【0034】

偏光位相差θは、偏光変調器２３の駆動電圧Ｖ_EOに比例するため、偏光変調器２３の駆動電圧Ｖ_EOのモニター信号に対する光検出器２２ａの受光信号は、図１０の実線のように表せる。

【0035】

偏光変調器２３から出射し、ビームスプリッタ２６ａを透過した光は、ビームスプリッタ２６ｂで透過する光と９０度の方向へ反射する光とに分岐され、９０度の方向へ反射した光は、コリメータレンズ２７で光ファイバ４０に集光される。光ファイバ４０に集光された光は、センサ部１０に伝送され、センサ部１０のコリメータレンズ１６から出射し、ファラデーローテータ１５に入射する。ファラデーローテータ１５は、入射した光の偏光面を４５度回転させる。ファラデーローテータ１５から出た光は、接触型電気光学結晶１３に第２端面から入射し、第１端面に設けたミラーの機能をもつ薄膜１３ａにより反射され、第２端面から出射する。接触型電気光学結晶１３の第２端面から出射した光は、再度、ファラデーローテータ１５に入射する。ファラデーローテータ１５は、入射した光の偏光面を４５度回転させることで、往復で光の偏光面を９０度回転させる。ファラデーローテータ１５から出射した光は、コリメータレンズ１６で光ファイバ４０に集光される。光ファイバ４０に集光された光は、投受光部２０に伝送される。

【0036】

ここで、図１１を用いて、ファラデーローテータ１５による位相ノイズのキャンセル原理を説明する。直線偏光の光を偏波保持ファイバの固有軸に対し、４５度の傾きで入射させる場合を想定する。直線偏光をＸ軸方向およびＹ軸方向の直交偏光成分に分け、各偏光成分の位相をそれぞれφ_xおよびφ_yとする。一般的に、光が光ファイバ内を伝搬する際に、ファイバの曲げや温度変化などの外乱により、各偏光成分に位相ノイズｎ_xおよびｎ_yが付加される。光ファイバから出射した光をミラーでそのまま反射した場合、再度光ファイバを透過した後の位相は、φ_x＋２ｎ_xおよびφ_y＋２ｎ_yとなる。つまり、光ファイバを往復した直交偏光間の位相差Δは、次式（２）で表され、２ｎ_x－２ｎ_yが光ファイバによる位相ノイズとなる。

【0037】

【数2】

【0038】

これに対して、図１１に示すように、偏光面を４５度回転することができるファラデーローテータ１５を挿入した場合、光ファイバ４０から出射した光は、ファラデーローテータ１５を往復することで、偏光面が９０度回転し、直交偏光成分が入れ替わる。つまり、光ファイバ４０を往復した後は、各偏光成分に位相ノイズｎ_x＋ｎ_yが付加される。このときの直交偏光の位相差Δは、次式（３）で表され、光ファイバ４０による位相ノイズｎ_xおよびｎ_yが除去される。

【0039】

【数3】

【0040】

電圧測定装置１の動作説明に戻る。センサ部１０の接触型電気光学結晶１３内を往復し、光ファイバ４０を介して投受光部２０に伝送された光は、コリメータレンズ２７で平行光となり、ビームスプリッタ２６ｂおよび検光子２５ｂを透過した後、光検出器２２ｂで検出される。検光子２５ｂは、図９に示すように、透過する直線偏光が偏光変調器２３の電気光学結晶の軸（電界方向）に対して４５度方向となるように配置する。偏光変調器２３の駆動電圧Ｖ_EOのモニター信号に対する光検出器２２ｂの受光信号は、光検出器２２ａの受光信号に対する位相差をθ₁₃とすると、図１０の太い破線のように表せる。以下では、接触型電気光学結晶１３を含めて、光が透過した全ての光学素子に自然複屈折がない、かつ、光路長による光の時間遅延が無視できると仮定する。高圧導体１１の電圧Ｖがゼロの場合、光検出器２２ｂの受光信号の位相は、光検出器２２ａの受光信号の位相と同じになり、位相差θ₁₃はゼロとなる。

【0041】

高圧導体１１に電圧Ｖが印加されると、高圧導体１１と接地導体１２は、それぞれ接触型電気光学結晶１３の第１端面に密着した薄膜１３ａと第２端面に密着した薄膜１３ｂと導通しているため、接触型電気光学結晶１３に電圧Ｖが印加される。接触型電気光学結晶１３に電圧Ｖが印加されると、電圧Ｖに比例して光の偏光面の直交する２方向に屈折率差、つまり、位相差θ₁₃が生じる。信号処理部３０の電圧測定回路３２は、光検出器２２ａの受光信号と、光検出器２２ｂの受光信号と、変調器駆動回路３１から出力される駆動電圧Ｖ_EOのモニター信号とに基づいて位相差θ₁₃を算出する。電圧測定回路３２は、さらに、次式（４）で表される関係を利用して、予め取得した比例定数Ａに基づいて、電圧Ｖを算出する。比例定数Ａは、接触型電気光学結晶１３のポッケルス係数に依存する。

【0042】

【数4】

【0043】

偏光変調器２３から出射し、ビームスプリッタ２６ａおよびビームスプリッタ２６ｂを透過した光は、ビームスプリッタ２６ｃにより、９０度の方向へ反射され、９０度の方向へ反射した光はコリメータレンズ２７で光ファイバ４０に集光される。光ファイバ４０に集光された光は、センサ部１０に伝送され、センサ部１０のコリメータレンズ１６から出射し、ファラデーローテータ１５に入射する。ファラデーローテータ１５は、入射した光の偏光面を４５度回転させる。ファラデーローテータ１５から出射した光は、非接触型電気光学結晶１４に第２端面から入射し、第１端面に設けたミラーの機能をもつ薄膜１４ａにより反射され、第２端面から出射する。非接触型電気光学結晶１４の第２端面から出射した光は、再度、ファラデーローテータ１５に入射する。ファラデーローテータ１５は、入射した光の偏光面を４５度回転させることで、往復で光の偏光面を９０度回転させる。ファラデーローテータ１５から出射した光は、コリメータレンズ１６で光ファイバ４０に集光される。光ファイバ４０に集光された光は、投受光部２０に伝送される。

【0044】

光ファイバ４０を介して投受光部２０に伝送された光は、コリメータレンズ２７で平行光となり、ビームスプリッタ２６ｃおよび検光子２５ｃを透過した後、光検出器２２ｃで検出される。検光子２５ｃは、図９に示すように、透過する直線偏光が偏光変調器２３の電気光学結晶の軸（電界方向）に対して４５度方向となるように配置する。偏光変調器２３の駆動電圧Ｖ_EOのモニター信号に対する光検出器２２ｃの受光信号は、光検出器２２ａの受光信号に対する位相差をθ₁₄とすると、図１０の細い破線のように表わせる。以下では、非接触型電気光学結晶１４を含めて透過した全ての光学素子に自然複屈折がない、かつ、光路長による光の時間遅延が無視できると仮定する。高圧導体１１の電圧Ｖがゼロの場合、光検出器２２ｃの受光信号の位相は、光検出器２２ａの受光信号の位相と同じになり、位相差θ₁₄はゼロとなる。

【0045】

高圧導体１１に電圧Ｖが印加されると、非接触型電気光学結晶１４と高圧導体１１との空間的な隙間で電圧Ｖが分圧されて、非接触型電気光学結晶１４に電圧Ｖ’が印加される。非接触型電気光学結晶１４に電圧Ｖ’が印加されると、電圧Ｖ’に比例して光の偏光面の直交する２方向に屈折率差、つまり、位相差θ_１4が生じる。信号処理部３０の電圧測定回路３２は、光検出器２２ａの受光信号と、光検出器２２ｃの受光信号と、変調器駆動回路３１から出力される駆動電圧Ｖ_EOのモニター信号とに基づいて位相差θ_１4を算出する。電圧測定回路３２は、さらに、次式（５）で表される関係を利用して、予め取得した比例定数Ｂに基づいて、電圧Ｖ’を算出する。比例定数Ｂは、非接触型電気光学結晶１４のポッケルス係数に依存する。

【0046】

【数5】

【0047】

高圧導体１１に電圧Ｖが印加された場合、非接触型電気光学結晶１４に印加される電圧Ｖ’は、次式（６）に示すように、所定の分圧比Ｃで分圧された値となる。

【0048】

【数6】

【0049】

ただし、高圧導体１１に印加された電圧Ｖが直流の場合、非接触型電気光学結晶１４に印加される電圧Ｖ’は、時間が経過するにつれて、電圧値が徐々に低下する。そのため、非接触型電気光学結晶１４を用いて、上記の式（５）および式（６）から高圧導体１１に印加される電圧Ｖを算出した場合、図１２に示すように、時間が経過するにつれて、測定電圧と実際に印加された電圧Ｖにずれが生じる。測定電圧が正しい電圧Ｖに対して減衰する時定数は、非接触型電気光学結晶１４の電気的特性に主に依存するが、おおむね数秒以上のタイムスケールとなる。そのため、非接触型電気光学結晶１４は、高圧導体１１に印加される比較的短時間の電圧Ｖの変化を測定するために利用する。例えば、１秒以内の電圧Ｖの測定に非接触型電気光学結晶１４を利用する。高圧導体１１に印加される電圧Ｖの変化量ΔＶは、上記の式（５）により算出される電圧Ｖ’の変化量ΔＶ’を用いて、次式（７）で算出できる。

【0050】

【数7】

【0051】

接触型電気光学結晶１３は、例えば、１マイクロ秒以内で１００ｋＶを超えるような急峻な電圧が高圧導体１１に印加された場合、電歪効果の影響により、図１３で太い破線が表すように、光検出器２２ｂの受光信号にノイズ成分が重畳され、正しい電圧を測定することが困難となる。電歪効果の影響は、電気光学結晶に印加される電圧が大きいほど大きくなる。そのため、非接触型電気光学結晶１４は、接触型電気光学結晶１３に対して電界方向のサイズを小さくして、高圧導体１１と電気光学結晶との間に空間的な隙間を設ける。これにより、非接触型電気光学結晶１４は、接触型電気光学結晶１３と比較して、電気光学結晶に印加される電圧を下げて、電歪効果の影響を抑えることができる。例えば、非接触型電気光学結晶１４は、高圧導体１１に想定される最大電圧が瞬間的に印加された場合でも、非接触型電気光学結晶１４に分圧されて実際に印加される電圧が電歪効果の影響を十分無視できるように、電界方向のサイズを設計する。これにより、非接触型電気光学結晶１４は、急峻な高電圧が高圧導体１１に印加された場合においても、図１３で細い破線が表すように、光検出器２２ｃの受光信号にノイズ成分が重畳されることなく、正しい電圧を測定することができる。

【0052】

図１４は、実施の形態１に係る電圧測定回路３２が高圧導体１１に印加された電圧Ｖを測定する動作の一例を示すフローチャートである。図１４に示す電圧Ｖの測定動作では、まず、電圧測定回路３２は、光検出器２２ａの受光信号と、光検出器２２ｂの受光信号と、光検出器２２ｃの受光信号と、変調器駆動回路３１から出力される偏光変調器２３の駆動電圧Ｖ_EOのモニター信号とに基づいて、接触型電気光学結晶１３の位相差θ₁₃および非接触型電気光学結晶１４の位相差θ₁₄を測定する（ステップＳ１１）。

【0053】

接触型電気光学結晶１３と非接触型電気光学結晶１４とが同じ種類の結晶でサイズだけが異なる場合、すなわち、電界方向の長さが異なる場合、位相差がπになる高圧導体１１の半波長電圧Ｖπは、非接触型電気光学結晶１４の方が接触型電気光学結晶１３よりも大きくなる。例えば、非接触型電気光学結晶１４の半波長電圧Ｖ₁₄πが３００ｋＶ、接触型電気光学結晶１３の半波長電圧Ｖ₁₃πが２５ｋＶの場合、接触型電気光学結晶１３の位相差θ₁₃と非接触型電気光学結晶１４の位相差θ₁₄の関係は、図１５のように表せる。接触型電気光学結晶１３単独では、位相差θ₁₃が０≦θ₁₃＜２πとなる電圧Ｖが０≦Ｖ＜５０ｋＶの範囲しか電圧を測定することができないが、非接触型電気光学結晶１４単独では、位相差θ₁₄が０≦θ₁₄＜２πとなる電圧Ｖが０≦Ｖ＜６００ｋＶの範囲まで電圧を測定することができる。ただし、上述したように、高圧導体１１に印加される電圧Ｖが直流電圧の場合、非接触型電気光学結晶１４の位相差θ₁₄から求められる電圧は、図１２に示すように、時間が経過するにつれて正しい電圧からずれが生じるため、非接触型電気光学結晶１４は、主に短時間の電圧変化を検出するために利用する。

【0054】

次に、電圧測定回路３２は、非接触型電気光学結晶１４の位相差θ₁₄について前回の測定値からの位相変化量Δθ₁₄を算出する（ステップＳ１２）。次に、電圧測定回路３２は、非接触型電気光学結晶１４の位相変化量Δθ₁₄が定められた閾値θ_T以下であるかを確認する（ステップＳ１３）。閾値θ_Tは、接触型電気光学結晶１３が電歪効果の影響を無視できなくなる高圧導体１１の電圧変化量ΔＶに基づいて決定する。例えば、ΔＶが５０ｋＶで非接触型電気光学結晶１４の半波長電圧Ｖ₁₄πが３００ｋＶの場合、閾値θ_Tは１／６πとなる。

【0055】

電圧測定回路３２は、非接触型電気光学結晶１４の位相変化量Δθ₁₄が閾値θ_T以下の場合（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、上記の式（４）を用い、接触型電気光学結晶１３の位相差θ₁₃に基づいて高圧導体１１の電圧Ｖを算出する（ステップＳ１４）。

【0056】

ただし、接触型電気光学結晶１３の位相差θ₁₃が測定できる範囲は０≦θ₁₃＜２πであり、高圧導体１１に印加される電圧Ｖが０≦Ｖ＜２Ｖ₁₃π［Ｖ］の範囲外になる場合は、接触型電気光学結晶１３の位相差θ₁₃のみを用いて正しい電圧Ｖを測定することができない。そのため、電圧測定回路３２は、高圧導体１１に印加される電圧Ｖが０≦Ｖ＜２Ｖ₁₃π［Ｖ］の範囲外になる場合は、前回の測定電圧と非接触型電気光学結晶１４の位相変化量Δθ₁₄の情報とを用いて、接触型電気光学結晶１３の位相差θ₁₃を推定する。例えば、前回の測定電圧が２５ｋＶ（つまり、θ₁₃＝π）で、高圧導体１１への電圧変化量ΔＶが＋２５ｋＶ、つまり、電圧Ｖが２５ｋＶから５０ｋＶに変化する場合、接触型電気光学結晶１３の位相差θ₁₃は０か２πとなり、電圧Ｖが０ｋＶか５０ｋＶかを判断することができない。その場合、非接触型電気光学結晶１４の位相変化量Δθ₁₄は、電圧Ｖが０ｋＶの時は－１／１２π、５０ｋＶの時は＋１／１２πになることを利用することで、電圧Ｖが５０ｋＶであることを推定する。このように前回の測定電圧と非接触型電気光学結晶１４の位相変化量Δθ₁₄の情報とを用いることで、非接触型電気光学結晶１４の位相変化量Δθ₁₄が－π≦Δθ₁₄＜πの範囲内、つまり、高圧導体１１への電圧変化量ΔＶが－３００ｋＶ≦ΔＶ＜３００ｋＶの範囲内であれば、電圧Ｖを算出することが可能になる。

【0057】

電圧測定回路３２は、非接触型電気光学結晶１４の位相変化量Δθ₁₄が閾値θ_T以下ではない場合（ステップＳ１３：Ｎｏ）、非接触型電気光学結晶１４の位相差θ₁₄に基づいて高圧導体１１の電圧Ｖを算出する（ステップＳ１５）。具体的には、電圧測定回路３２は、まず、上記の式（５）および式（７）より、非接触型電気光学結晶１４の位相変化量Δθ₁₄から高圧導体１１の電圧の変化量ΔＶを求める。電圧測定回路３２は、次に、電圧の変化量ΔＶを前回の測定電圧に追加することにより、高圧導体１１の電圧Ｖを算出する。

【0058】

次に、電圧測定回路３２は、非接触型電気光学結晶１４の位相変化量Δθ₁₄が閾値θ_Tを超えてから定められた時間Ｔが経過しているか判断する（ステップＳ１６）。時間Ｔは、接触型電気光学結晶１３に対する電歪効果の影響が無視できる時間とする。すなわち、この時間Ｔは、高圧導体１１に急峻な高電圧が印加されてから、接触型電気光学結晶１３に対する電歪効果の影響が収まり、接触型電気光学結晶１３の位相差θ₁₃に基づいて、正しい電圧を測定することができるようになるまでの時間であり、おおむね１０ｍｓ以内である。

【0059】

電圧測定回路３２は、位相変化量Δθ₁₄が閾値θ_Tを超えてから定められた時間Ｔが経過していない場合（ステップＳ１６：Ｎｏ）、非接触型電気光学結晶１４の位相差θ_１4を測定する（ステップＳ１７）。次に、電圧測定回路３２は、ステップＳ１５に戻り、非接触型電気光学結晶１４の位相差θ_１4に基づいて高圧導体１１の電圧Ｖを算出する（ステップＳ１５）。以降、位相変化量Δθ₁₄が閾値θ_Tを超えてから定められた時間Ｔが経過するまでステップＳ１５～Ｓ１７を繰り返す。一方、電圧測定回路３２は、位相変化量Δθ₁₄が閾値θ_Tを超えてから定められた時間Ｔが経過した場合（ステップＳ１６：Ｙｅｓ）、ステップＳ１１に戻り、上記のステップＳ１１およびこれに続く各工程（各ステップの処理）を繰り返す。

【0060】

図１６は、高圧導体１１に急峻な電圧Ｖが印加された際の電圧測定回路３２により出力される電圧の時間変化の一例を示す図である。図１６において、黒色の丸印が接触型電気光学結晶１３の位相差θ₁₃に基づいて測定された電圧Ｖを示し、白色の丸印が非接触型電気光学結晶１４の位相差θ₁₄に基づいて測定された電圧Ｖを示す。図１６に示す例では、急峻な電圧が印加される前は、電圧測定回路３２は、接触型電気光学結晶１３の位相差θ₁₃に基づいて高圧導体１１の電圧Ｖを計算して出力する（図１４のステップＳ１１～Ｓ１４で示す動作）。一方、急峻な電圧が印加された直後から、接触型電気光学結晶１３の電歪効果の影響が無視できる時間Ｔが経過するまでの間、電圧測定回路３２は、非接触型電気光学結晶１４の位相差θ₁₄に基づいて高圧導体１１の電圧Ｖを計算して出力する（図１４のステップＳ１５～Ｓ１７で示す動作）。接触型電気光学結晶１３の電歪効果の影響が無視できる時間Ｔが経過した後は、電圧測定回路３２は、再び接触型電気光学結晶１３の位相差θ₁₃に基づいて高圧導体１１の電圧Ｖを計算して出力する（図１４のステップＳ１１～Ｓ１４で示す動作）。

【0061】

このように、実施の形態１にかかる電圧測定装置１は、測定対象の電圧と同電位の導体である高圧導体１１および基準電位点に接続されている導体である接地導体１２の双方と電気的に接触した電気光学結晶である接触型電気光学結晶１３と、高圧導体１１および接地導体１２のいずれか一方と電気的に接触した電気光学結晶である非接触型電気光学結晶１４と、を備え、急峻な電圧が高圧導体１１に印加されてから定められた時間が経過するまでの間、すなわち、接触型電気光学結晶１３の電歪効果の影響を無視できる状態となるまでの間、非接触型電気光学結晶１４の位相差θ₁₄に基づいて高圧導体１１の電圧Ｖを算出する。電圧測定装置１は、定められた時間が経過した後は、接触型電気光学結晶１３の位相差θ₁₃に基づいて高圧導体１１の電圧Ｖを算出する。電圧測定装置１によれば、直流計測を実現するだけでなく、急峻な電圧が印加された場合においても、直流電圧を精度良く測定することができる。

【0062】

実施の形態２．
上述した実施の形態１に係る電圧測定装置１は、電圧測定回路３２が高圧導体１１に印加された電圧Ｖの測定を開始する前に、高圧導体１１に直流、かつ、０≦Ｖ＜２Ｖ₁₃π［Ｖ］の範囲外の電圧Ｖが長時間印加されていた場合、正しい電圧を測定することができない。実施の形態２では、このような課題を解決して正しい電圧を測定することが可能な電圧測定装置を説明する。

【0063】

上記の課題を解決するために、実施の形態２に係る電圧測定装置１ａは、実施の形態１に係る電圧測定装置１に対して、接触型電気光学結晶１３に加えて、接触型電気光学結晶１３と同様の電気光学結晶、すなわち、高圧導体１１および接地導体１２の双方と電気的に接触した電気光学結晶である他の接触型電気光学結晶をさらに備える。また、他の接触型電気光学結晶の半波長電圧は接触型電気光学結晶１３の半波長電圧Ｖ₁₃πと異なることとする。接触型電気光学結晶１３の半波長電圧と他の接触型電気光学結晶の半波長電圧とが異なるようにする方法としては、例えば、以下の３つがある。

【0064】

（１）接触型電気光学結晶１３と他の接触型電気光学結晶とで同じ材質の結晶を使用し、結晶を切り出す方位を変化させる。
（２）接触型電気光学結晶１３と他の接触型電気光学結晶とで同じ材質の結晶を使用し、波長の異なる光を入射させる。
（３）接触型電気光学結晶１３と他の接触型電気光学結晶とで異なる材質の結晶を使用する。

【0065】

本実施の形態では、一例として、上記の方法（１）を適用した構成の電圧測定装置について説明を行う。

【0066】

図１７は、実施の形態２に係る電圧測定装置１ａの構成例を示す図である。図１７では、図１に示した実施の形態１に係る電圧測定装置１と共通の構成要素に図１と同一の符号を付している。

【0067】

図１７に示すように、実施の形態２に係る電圧測定装置１ａは、センサ部１０１、投受光部２０１および信号処理部３０１を備える。この電圧測定装置１ａは、実施の形態１に係る電圧測定装置１に対して、接触型電気光学結晶１３１と、ファラデーローテータ１５と、コリメータレンズ１６と、光検出器２２ｄと、検光子２５ｄと、ビームスプリッタ２６ｄと、コリメータレンズ２７と、光ファイバ４０とを追加した構成である。

【0068】

電圧測定装置１ａにおいて、センサ部１０１は、実施の形態１に係る電圧測定装置１のセンサ部１０に接触型電気光学結晶１３１、ファラデーローテータ１５およびコリメータレンズ１６を追加した構成である。投受光部２０１は、実施の形態１に係る電圧測定装置１の投受光部２０に光検出器２２ｄ、検光子２５ｄ、ビームスプリッタ２６ｄおよびコリメータレンズ２７を追加した構成である。また、信号処理部３０１は、実施の形態１に係る電圧測定装置１の信号処理部３０の電圧測定回路３２を電圧測定回路３２１に置き換えた構成である。なお、光検出器２２ｄ、検光子２５ｄおよびビームスプリッタ２６ｄは、それぞれ、光検出器２２ａ，２２ｂ，２２ｃ、検光子２５ａ，２５ｂ，２５ｃおよびビームスプリッタ２６ａ，２６ｂ，２６ｃと同じ部品である。

【0069】

接触型電気光学結晶１３１は、接触型電気光学結晶１３と同様に、第１端面および第２端面に導電性の薄膜が密着して形成され、接地導体１２および高圧導体１１の双方と電気的に接触する。接触型電気光学結晶１３および１３１は、同じ材質の結晶であるが、図１８および図１９に示すように、結晶軸に対する切り出し方を変化させることで、半波長電圧を異なる値に調整することができる。図１８は接触型電気光学結晶１３を切り出す方法を示し、図１９は接触型電気光学結晶１３１を切り出す方法を示す。

【0070】

以下では、例として、接触型電気光学結晶１３および１３１にＢｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２を使用し、光源の波長を８５０ｎｍとして説明を行う。図１８に示すように、接触型電気光学結晶１３を結晶軸［００１］方向に沿って切り出すのに対し、図１９に示すように、接触型電気光学結晶１３１については結晶軸［００１］に対してφだけ傾けて切り出す。例えばφ＝１０度とする。この場合、接触型電気光学結晶１３の半波長電圧Ｖ₁₃πは２５ｋＶ、接触型電気光学結晶１３１の半波長電圧Ｖ₁₃₁πは２６．５ｋＶとなり、接触型電気光学結晶１３１の半波長電圧Ｖ₁₃₁πは、接触型電気光学結晶１３の半波長電圧Ｖ₁₃πの１．０６倍になる。この場合、接触型電気光学結晶１３単独で測定できる電圧Ｖの範囲は、０≦Ｖ＜５０ｋＶ（＝２Ｖ₁₃π）、接触型電気光学結晶１３１単独で測定できる電圧Ｖの範囲は、０≦Ｖ＜５３ｋＶ（＝２Ｖ₁₃₁π）である。この場合、図２０に示すように、接触型電気光学結晶１３の位相差θ₁₃と接触型電気光学結晶１３１の位相差θ₁₃₁の関係を利用することで、電圧Ｖの測定範囲を－４００ｋＶ≦Ｖ≦＋４００ｋＶを超える範囲に拡大することができる。なお、測定可能になる電圧範囲は、接触型電気光学結晶１３の半波長電圧と接触型電気光学結晶１３１の半波長電圧との比によって決まる。つまり、測定可能になる電圧範囲は、接触型電気光学結晶１３１の結晶の切り出し角度φを変化させることにより調整することができる。

【0071】

図２１は、実施の形態２に係る電圧測定回路３２１が高圧導体１１に印加された電圧Ｖを測定する動作の一例を示すフローチャートである。電圧測定回路３２１が高圧導体１１に印加された電圧Ｖを測定する動作は、実施の形態１に係る電圧測定回路３２が高圧導体１１に印加された電圧Ｖを測定する動作（図１４参照）と一部異なる。図２１では、図１４に示した実施の形態１に係る電圧測定回路３２の動作と共通の処理に図１４と同一のステップ番号を付している。図１４と同一のステップ番号を付した処理については詳細説明を省略する。

【0072】

図２１に示す電圧Ｖの測定動作では、まず、電圧測定回路３２１は、光検出器２２ａの受光信号と、光検出器２２ｂの受光信号と、光検出器２２ｃの受光信号と、光検出器２２ｄの受光信号と、変調器駆動回路３１から出力される偏光変調器２３の駆動電圧Ｖ_EOのモニター信号とに基づいて、接触型電気光学結晶１３，１３１それぞれの位相差θ₁₃，θ₁₃₁および非接触型電気光学結晶１４の位相差θ₁₄を測定する（ステップＳ２１）。接触型電気光学結晶１３１の位相差θ₁₃₁は、接触型電気光学結晶１３の位相差θ₁₃および非接触型電気光学結晶１４の位相差θ₁₄と同様の方法で測定する。

【0073】

次に、電圧測定回路３２１は、非接触型電気光学結晶１４の位相差θ₁₄について前回の測定値からの位相変化量Δθ₁₄を算出する（ステップＳ１２）。次に、電圧測定回路３２１は、非接触型電気光学結晶１４の位相変化量Δθ₁₄が定められた閾値θ_T以下であるかを確認する（ステップＳ２３）。このステップＳ１３で用いる閾値θ_Tは、接触型電気光学結晶１３および接触型電気光学結晶１３１の両方が電歪効果の影響を無視できなくなる高圧導体１１の電圧変化量ΔＶに基づいて決定する。

【0074】

電圧測定回路３２１は、非接触型電気光学結晶１４の位相変化量Δθ₁₄が閾値θ_T以下の場合（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）、接触型電気光学結晶１３および１３１のそれぞれの位相差θ₁₃およびθ₁₃₁に基づいて高圧導体１１の電圧Ｖを算出する（ステップＳ２４）。すなわち、電圧測定回路３２１は、図２０に示すように、接触型電気光学結晶１３の位相差θ₁₃と接触型電気光学結晶１３１の位相差θ₁₃₁との関係を利用して、高圧導体１１の電圧Ｖを算出する。

【0075】

電圧測定回路３２１は、非接触型電気光学結晶１４の位相変化量Δθ₁₄が閾値θ_T以下ではない場合（ステップＳ２３：Ｎｏ）、非接触型電気光学結晶１４の位相差θ₁₄に基づいて高圧導体１１の電圧Ｖを算出する（ステップＳ１５）。

【0076】

次に、電圧測定回路３２１は、非接触型電気光学結晶１４の位相変化量Δθ₁₄が閾値θ_Tを超えてから定められた時間Ｔが経過しているか判断する（ステップＳ２６）。時間Ｔは、接触型電気光学結晶１３および１３１に対する電歪効果の影響が無視できる時間とする。すなわち、この時間Ｔは、高圧導体１１に急峻な高電圧が印加されてから、接触型電気光学結晶１３および１３１に対する電歪効果の影響が収まり、接触型電気光学結晶１３の位相差θ₁₃と接触型電気光学結晶１３１の位相差θ₁₃₁との関係を利用して正しい電圧を測定することができるようになるまでの時間であり、おおむね１０ｍｓ以内である。

【0077】

電圧測定回路３２１は、位相変化量Δθ₁₄が閾値θ_Tを超えてから定められた時間Ｔが経過していない場合（ステップＳ２６：Ｎｏ）、非接触型電気光学結晶１４の位相差θ_１4を測定する（ステップＳ１７）。次に、電圧測定回路３２１は、ステップＳ１５に戻り、非接触型電気光学結晶１４の位相差θ_１4に基づいて高圧導体１１の電圧Ｖを算出する（ステップＳ１５）。以降、位相変化量Δθ₁₄が閾値θ_Tを超えてから定められた時間Ｔが経過するまでステップＳ１５、Ｓ２６およびＳ１７を繰り返す。一方、電圧測定回路３２１は、位相変化量Δθ₁₄が閾値θ_Tを超えてから定められた時間Ｔが経過した場合（ステップＳ２６：Ｙｅｓ）、ステップＳ２１に戻り、上記のステップＳ２１およびこれに続く各工程（各ステップの処理）を繰り返す。

【0078】

このように、実施の形態２にかかる電圧測定装置１ａは、測定対象の電圧と同電位の導体である高圧導体１１および基準電位点に接続されている導体である接地導体１２の双方と電気的に接触した電気光学結晶である接触型電気光学結晶１３と、高圧導体１１および接地導体１２の双方と電気的に接触し、かつ半波長電圧が接触型電気光学結晶１３と異なる電気光学結晶である接触型電気光学結晶１３１と、高圧導体１１および接地導体１２のいずれか一方と電気的に接触した電気光学結晶である非接触型電気光学結晶１４と、を備え、急峻な電圧が高圧導体１１に印加されてから定められた時間が経過するまでの間、すなわち、接触型電気光学結晶１３および１３１の電歪効果の影響を無視できる状態となるまでの間、非接触型電気光学結晶１４の位相差θ₁₄に基づいて高圧導体１１の電圧Ｖを算出する。電圧測定装置１ａは、定められた時間が経過した後は、接触型電気光学結晶１３の位相差θ₁₃と接触型電気光学結晶１３１の位相差θ₁₃₁とに基づいて高圧導体１１の電圧Ｖを算出する。電圧測定装置１ａによれば、実施の形態１に係る電圧測定装置１と同様の効果を得ることができ、さらに、電圧測定回路３２１が高圧導体１１に印加された電圧Ｖを測定する前に、高圧導体１１に直流、かつ、０≦Ｖ＜２Ｖ₁₃π［Ｖ］の範囲外の電圧Ｖが長時間印加されていた場合でも、正しい電圧を測定することができる。

【0079】

次に、実施の形態１に係る電圧測定装置１の電圧測定回路３２および実施の形態２に係る電圧測定装置１ａの電圧測定回路３２１のハードウェア構成について説明する。電圧測定回路３２および３２１は、例えば、図２２に示す構成のハードウェア、すなわち、プロセッサ９１、メモリ９２およびインタフェース９３により実現される。図２２は、電圧測定回路３２および３２１を実現するハードウェアの一例を示す図である。プロセッサ９１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）ともいう）、システムＬＳＩ（Large Scale Integration）などである。メモリ９２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）などである。インタフェース９３は、電圧測定回路３２，３２１が周辺の回路、例えば、投受光部２０，２０１、変調器駆動回路３１との間でデータを受け渡すための回路である。インタフェース９３は、電圧の測定結果を外部の機器に出力する場合にも使用される。

【0080】

電圧測定回路３２および３２１は、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせた処理回路で実現してもよい。

【0081】

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

【0082】

以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。

【0083】

（付記１）
測定対象と同電位の高圧導体へ向けられた第１端面と、前記第１端面とは逆側の接地導体へ向けられた第２端面とを各々が有し、前記第１端面と前記第２端面との間を伝搬する光のうち振動方向が互いに直交する２つの偏光成分に、前記第１端面と前記第２端面との間において作用する電界の強さに応じた位相差を生じさせる複数の電気光学結晶を含むセンサ部と、
前記複数の電気光学結晶の各々について、電気光学結晶から出射された光に含まれる成分であって、前記第１端面と前記第２端面との間を伝搬したことによって偏光状態が変化した成分の光を検出する複数の光検出器を含む投受光部と、
前記複数の電気光学結晶に対応する複数の光検出器の各々によって検出される信号に基づいて、前記高圧導体に印加されている電圧を求める信号処理部と、
を備え、
前記センサ部は、
前記第１端面が前記高圧導体に電気的に接触するとともに前記第２端面が前記接地導体に電気的に接触する接触型電気光学結晶と、
前記第１端面が前記高圧導体に電気的に接触するとともに前記第２端面が前記接地導体と電気的に非接触の関係、または、前記第２端面が前記接地導体と電気的に接触するとともに前記第１端面が前記高圧導体と電気的に非接触の関係である非接触型電気光学結晶と、
を備えることを特徴とする電圧測定装置。
（付記２）
前記非接触型電気光学結晶の前記第１端面と前記第２端面との間の距離が前記接触型電気光学結晶の前記第１端面と前記第２端面との間の距離よりも短い、
ことを特徴とする付記１に記載の電圧測定装置。
（付記３）
前記非接触型電気光学結晶は、前記第１端面の形状と前記第２端面の形状とが異なる、
ことを特徴とする付記１または２に記載の電圧測定装置。
（付記４）
前記信号処理部は、前記高圧導体に急峻な電圧が印加された場合、前記接触型電気光学結晶の電歪効果の影響が収まるまでの間、前記非接触型電気光学結晶に対応する前記光検出器によって検出される信号に基づいて、前記高圧導体に印加されている電圧を求める、 ことを特徴とする付記１から３のいずれか一つに記載の電圧測定装置。
（付記５）
前記信号処理部は、前記接触型電気光学結晶に対応する光検出器によって検出される信号に基づいて求める前記高圧導体に印加されている電圧と、前記非接触型電気光学結晶に対応する光検出器によって検出される信号に基づいて求める前記高圧導体に印加されている電圧の時間変化の情報とを用いて、前記高圧導体に印加されている電圧を求める、
ことを特徴とする付記１から４のいずれか一つに記載の電圧測定装置。
（付記６）
前記センサ部は、
前記接触型電気光学結晶を複数備え、
前記高圧導体に同じ電圧が印加された場合に複数の前記接触型電気光学結晶の各々を伝搬する光に生じる前記位相差が前記接触型電気光学結晶ごとに異なり、
前記信号処理部は、複数の前記接触型電気光学結晶に対応する複数の前記光検出器の各々によって検出される信号の関係に基づいて、前記高圧導体に印加されている電圧を求める、
ことを特徴とする付記１から５のいずれか一つに記載の電圧測定装置。

【符号の説明】

【0084】

１，１ａ 電圧測定装置、１０，１０１ センサ部、１１ 高圧導体、１２ 接地導体、１３，１３１ 接触型電気光学結晶、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 薄膜、１４ 非接触型電気光学結晶、１５ ファラデーローテータ、１６，２７ コリメータレンズ、１７ 電界緩和電極、２０，２０１ 投受光部、２１ 光源、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ 光検出器、２３ 偏光変調器、２４ 偏光子、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ 検光子、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ ビームスプリッタ、３０，３０１ 信号処理部、３１ 変調器駆動回路、３２，３２１ 電圧測定回路、４０ 光ファイバ。

【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14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】