光ファイバーで電流を測定できますか？

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何十万ボルトもの高圧電ステーションで、光ファイバーは電線に接触せずにどのように電流の大きさを測定するのですか？

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超高圧および特高圧変電所（例: 110\text{ kV} から $1000\text{ kV}$）において、光ファイバーは非接触・高精度な導体電流測定を実現し、その核心は**ファラデー磁気光学効果（Faraday Effect）と全光ファイバー電流トランス（Fiber Optic Current Transformer, FOCT）**技術にあります。

その動作原理と物理的絶縁機構は以下の通りです。

一、 コア物理原理：ファラデー磁気光学効果とアンペールの法則

光ファイバー自体は電荷の流れを直接「測定」するのではなく、電流が生成する環状磁場を検知することで間接的に電流の大きさを推定します。

  1. ファラデー磁気光学効果：
    線偏光した光が磁場方向（光ファイバーの伝播方向）に光学媒体（例：高純度石英ファイバー）を通過する際、偏光面の回転が発生します。回転角度 \theta は、光波伝播経路上の磁束密度 \mathbf{B} の線積分に比例します。

    \theta = V \oint_{L} \mathbf{B} \cdot d\mathbf{l}

    ここで：

    • V は光ファイバー材料の**ヴェルデ定数（Verdet Constant）**で、材料の磁光感度を表します。
    • d\mathbf{l} は偏光光が光ファイバー中を伝播する微小ベクトルです。

  2. アンペール環状積分：
    マックスウェル電磁場理論におけるアンペールの法則によれば、閉曲線に沿った磁束密度の線積分は、その閉曲面を貫く電流の代数和と真空の透磁率 \mu_0 の積に等しくなります（ \oint \mathbf{B} \cdot d\mathbf{l} = \mu_0 I ）。

    特殊センサー光ファイバーを電流が流れる導体の外周に N 回巻き付けて閉じたループを形成すると、偏光面の回転角度は次のように簡略化されます。

    \theta = V \cdot \mu_0 \cdot N \cdot I

    これにより、偏光面の回転角度 \theta は導体中の電流 I と厳密に線形関係にあり、光ファイバーリングの閉経路形状、リング内での導体の幾何学的偏心位置、および外部の迷走電磁場の影響を受けないことがわかります。

  3. 信号復調：
    地電位側から2つのコヒーレントな直交偏光光が供給され、高圧側光ファイバーリングを通過し末端で反射された後、復調ユニットで偏光位相差干渉検出を行い、瞬時電流値に高精度に換算されます。

二、 数十万ボルトの高電圧に、光ファイバーは安全な測定をどう実現するか？

従来の電磁式電流トランス（CT）は鉄心と銅導線で結合しており、高電圧側では絶縁破壊や二次側開放による高電圧の危険という極めて厳しい課題に直面します。一方、光ファイバーセンサーは天然の物理的絶縁性に優れています。

  1. 材料固有の絶縁性：
    光ファイバーの基材は高純度二酸化ケイ素（ \text{SiO}_2 ）であり、誘電率が極めて低く、直流破壊電界強度は通常数百メガボルト毎メートル（ \text{MV/m} ）に達し、それ自体が優れた高耐圧絶縁媒体です。
  2. 純粋な光学的絶縁チャネル：
    測定システムは空間的に「高圧センサーヘッド」と「低圧二次制御室」に分離されています。数十万ボルトの高圧母線から地電位の信号処理盤まで、金属を含まない（全誘電体）光ファイバーパッチコードのみが使用され、光ファイバーは高強度絶縁スリーブ（例：セラミック製スリーブまたは複合シリコーンゴム製スリーブ）内に配置され、電荷伝導経路は完全に遮断されます。
  3. 磁気飽和・共振リスクの排除：
    光ファイバー内部には強磁性材料が含まれていないため、従来のトランスにおける磁気飽和、残留磁気の蓄積、ヒステリシス遅延、および強磁性共振の潜在的リスクが完全に排除されます。過渡応答帯域幅は数十キロヘルツ（ \text{kHz} ）に達し、雷撃や短絡時のサージ電流を正確に捉えることができます。

三、 補足説明：ファイバーグレーティング（FBG）測定方式

ファラデー効果方式以外に、特定の監視シナリオではファイバーグレーティング（FBG）と超磁歪材料（例：Terfenol-D）を組み合わせた方式も採用されています。

  • 導体電流によって発生する磁場が、超磁歪材料に微小なひずみを生じさせます。
  • 材料に貼り付けられた、または封入されたFBGがひずみ変化を感知し、反射中心波長がドリフト \Delta\lambda_B します。
  • この方式は、特定の機器接地点監視や配電網の小電流センシングに用いられることが多いですが、超高圧主変電所における主流の計量およびリレー保護では、依然として偏光干渉に基づくファラデー効果全光ファイバー電流トランス（FOCT）が主流です。

（注：全光ファイバー電流トランスのシステム全体は、Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) のコア製品ラインには含まれておりません。大成永盛は、特殊封止ファイバーグレーティング温度、ひずみ、応力センサー、および特殊耐熱光ファイバーとパッチコードアセンブリに注力しています。）