Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Mes sung von Spannungen an Hochspannungsleitern.
Zur Messung von hohen Spannungen sind bisher mei stens induktive oder kapazitive Spannungswandler einge setzt worden. Die Verwendung von induktiven Spannungs wandlern stösst dann auf Schwierigkeiten, wenn verhältnis mässig hohe Spannungen gemessen werden sollen. In die sem Falle entsteht nämlich ein sehr hoher Aufwand für die
Isolation, der es angeraten erscheinen lässt, induktive Span nungswandler aus wirtschaftlichen Gründen zur Messung sehr hoher Spannungen nicht einzusetzen.
Kapazitive Spannungswandler lassen sich mit vertretba rem Aufwand zwar auch zur Messung sehr hoher Spannun gen verwenden, jedoch haben sie den prinzipiellen Nachteil, dass sie zu Kippschwingungen neigen. Zur Unterdrückung dieser Kippschwingungen sind Zusatzeinrichtungen erforder lich, die einen recht beträchtlichen Aufwand erfordern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ein richtung zur Messung von Spannungen an Hochspannungslei tern zu schaffen, die auch in einer Ausführung zum Messen sehr hoher Spannungen wirtschaftlich herstellbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Einrichtung der ein gangs genannten Art geeignet, bei der erfindungsgemäss in einem von der zu messenden Spannung hervorgerufenen elektrischen Feld ein Messfühler aus einem Lichtwellenleiter angeordnet ist, der von polarisiertem Licht durchsetzt ist, so dass das Licht eine von der Höhe der zu messenden Span nung abhängige Drehung seiner Polarisationsebene erfährt; auf Niederspannungspotential ist eine Auswerteeinrichtung angeordnet, in der das polarisierte Licht in eine der zu mes senden Spannung proportionale elektrische Messgrösse umgesetzt wird. Mit Lichtwellenleiter sind dabei insbesondere
Index-Gradient-Leiter, Gradientenfasern und allgemein sol che Lichtleiter gemeint, deren transparenter Innenkörper einen von innen nach aussen abnehmenden Brechungsindex aufweist.
Lichtwellenleiter können linear polarisierte Lichtstrahlen führen, ohne dass die Polarisation des Lichtes zerstört wird.
Der Messfühler ist vorzugsweise von einer Toroidspule gebildet, die vom Hochspannungsleiter durchsetzt ist.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass linear polarisiertes Licht beim Durchgang durch Stoffe, die in starken elektrischen oder magnetischen Feldern untergebracht sind, in seiner Polarisationsebene gegenüber dem des einfallenden Lichtes gedreht wird. Wird dafür gesorgt, dass der Lichtwellenleiter im vorliegenden Falle nur von der elektrischen Feldstärke in transversaler Richtung beaufschlagt wird, dann ist die Drehung der Polarisationsebene des Lichtes auf der Hochspannungsseite der zu messenden Spannung proportional.
Um die Toroidspule gegen magnetische Beeinflussung abzuschirmen, ist sie vorteilhafterweise an ihren Stirnseiten mit jeweils einer ringförmigen Abschirmhaube versehen.
Die erfindungsgemässe Messeinrichtung lässt sich mit besonderem Vorteil zur Messung von Spannungen in vollisolierten, metallgekapselten Hochspannungsschaltanlagen einsetzen, indem z. B. eine Toroidspule in einer ringförmigen Erweiterung des Aussenrohres der Anlage angeordnet ist.
Die ringförmige Erweiterung des Aussenrohres ist innen vorteilhafterweise zum Teil durch Metallringe abgedeckt, die Abschirmringe für die stirnseitigen Bereiche der Toroidspule bilden. Eine Beeinflussung durch Magnetfelder kann dann nicht mehr auftreten.
Die Auswerteeinrichtung der erfindungsgemässen Heinrich tung kann in unterschiedlicher Weise ausgeführt sein. Vorteilhaft erscheint es, wenn die Auswerteeinrichtung in an sich bekannter Weise einen magneto-optischen Modulator und eine Verstärkerschaltung enthält; der magneto-optische Modulator besteht vorteilhafterweise aus einer Spule aus einem Lichtwellenleiter und einer auf die Spule aufgebrachten, von der Verstärkerschaltung mit einem Strom gespeisten elektrischen Wicklung.
Lichtwellenleiter zeigen erfahrungsgemäss eine bestimmte Temperaturabhängigkeit insofern, als die Drehung der Polarisationsebene des Lichtes in ihnen auch von der jeweiligen Temperatur des Lichtwellenleiters abhängig ist.
Damit sich diese Temperaturabhängigkeit nicht auf das Messergebnis auswirken kann, ist vorteilhafterweise eine mit einer Abschirmung versehene Referenzwicklung aus einem Lichtwellenleiter vorgesehen, die von polarisiertem Licht durchsetzt ist; der Referenzwicklung ist z. B. in der Auswerteeinrichtung ein Auswerteteil zugeordnet, in dem die in der Referenzwicklung aufgetretene Drehung der Polarisationsebene ausgewertet wird.
Der Auswerteteil enthält dabei vorteilhafterweise einen weiteren magneto-optischen Modulator, der aus einer Spule aus einem Lichtwellenleiter und aus einer auf die Spule aufgebrachten elektrischen Wicklung besteht.
Zur Übertragung des polarisierten Lichtes zwischen der Toroidspule bzw. der Referenzwicklung und der Auswerteeinrichtung dienen vorteilhafterweise Lichtwellenleiter. Besonders vorteilhaft erscheint es, wenn diese Lichtwellenleiter Enden der Toroidspule und der Referenzwicklung sind. In diesem Falle entfallen nämlich Ankopplungsprobleme der Lichtwellenleiter an die Toroidspule bzw. die Referenzwicklung.
Es erscheint auch vorteilhaft, wenn bei einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung jedem magneto-optischen Modulator der Auswerteeinrichtung ein optischer Analysator nachgeordnet ist, von denen jeweils zwei Lichtstrahlen auf jeweils zwei Photozellen gesandt werden; an jeweils zwei Photozellen ist ein Differenzverstärker angeschlossen und den Differenzverstärkern ist ein weiterer Differenzverstärker nachgeordnet, der über einen Leistungsverstärker eine im Kreise der Wicklungen der Modulatoren der Auswerteeinrichtung liegende Bürde mit einem Strom gespeist. An der Bürde fällt dann eine Spannung ab, die der zu messenden Spannung proportional ist.
Das polarisierte Licht wird vorteilhafterweise von einer auf Niederspannungspotential angeordneten Lichtquelle abge- geben, die beispielsweise ein Laser sein kann.
Bei einer Ausführung der erfindungsgemässen Heinrich tung mit einer Referenzwicklung ist es vorteilhaft, der Lichtquelle einen Strahlungsteiler nachzuordnen, von dem zu der Toroidspule und zu der Referenzwicklung führende Lichtwellenleiter abgehen.
Als Lichtquelle wird mit Vorteil eine Laserdiode eingesetzt, die an einen Impulsgenerator angeschlossen ist; an den Impulsgenerator ist z. B. ferner über einen Phasenschieber ein Synchrondemodulator angeschlossen, der einen Bestandteil der Auswerteeinrichtung bildet. Der Einsatz von Laserdioden ist aus Kostengründen und aus Gründen einer langen Lebensdauer vorteilhaft.
Die Auswerteeinrichtung kann - wie oben bereits kurz erwähnt wurde - auf vielfältige Weise ausgebildet sein, sie muss also nicht magneto-optische Modulatoren enthalten. Gegebenenfalls kann es nämlich vorteilhaft sein, die Auswerteeinrichtung mit elektro-optischen Modulatoren zu versehen.
Zur Durchführung von Spannungsmessungen in Freiluftanlagen ist es vorteilhaft, gemäss einer Weiterbildung der Erfindung den Lichtwellenleiter des Messfühlers in einem Hochspannungsisolator der Einrichtung unterzubringen.
Unter Hochspannungsisolatoren sind dabei sowohl stützerartige als auch durchführungsartige Isolieranordnungen zu verstehen, z. B. auch die Durchführung eines Leistungstransformators oder der Stützerteil eines Leistungs- oder Trennschalters.
Bei der erfindungsgemässen Einrichtung kann der Lichtwellenleiter des Messfühlers in unterschiedlicher Weise im Hochspannungsisolator angeordnet sein. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, den Lichtwellenleiter zwischen spannungssteuernden Elementen des Hochspannungsisolators anzuordnen, da sich in diesem Falle der Lichtwellenleiter in einem definierten elektrischen Feld befindet.
Vorteilhaft erscheint es auch, wenn der Lichtwellenleiter des Messfühlers eine Spule bildet, weil dann der Lichtwellenleiter über eine grössere Länge einem elektrischen Feld ausgesetzt ist und damit auch bei verhältnismässig kleinen elektrischen Feldstärken noch eine messbare Drehung der Polarisationsebene eintritt.
Die Spule aus dem Lichtwellenleiter ist in einem ungesteuerten Hochspannungsisolator vorzugsweise derart untergebracht, dass ihre Längsachse in Achsrichtung des Hochspannungsisolators verläuft. Es werden dann zur Drehung der Polarisationsebene des Lichtes die elektrischen Feldlinien ausgenutzt, die zwischen der an Hochspannung liegenden Elektrode und Erdpotential verlaufen. Dies setzt aber voraus, dass die jeweilige Spule aus dem Lichtwellenleiter keinen Fremdfeldeinflüssen ausgesetzt ist. Diese Voraussetzung wird in Höchstspannungsanlagen im allgemeinen erfüllt sein, da dort die Phasenabstände verhältnismässig gross sind.
In vielen Fällen wird man einer Weiterausbildung der erfindungsgemässen Einrichtung den Vorzug geben, bei der die Spule aus dem Lichtwellenleiter in einem Hochspannungsisolator mit eingebetteten Steuerelektroden untergebracht ist; in einem solchen Isolator ist die Spule vorteilhafterweise zwischen benachbarten Steuerelektroden angeordnet. Um bei einer derartigen Ausführung den Hochspannungsisolator in der üblichen Weise bemessen zu können, erscheint es vorteilhaft, die Lagen der Spule aus dem Lichtwellenleiter zwischen den einzelnen Steuerelektroden unterzubringen, also die Spule in einzelne Lagen aufzuteilen, die dann entsprechend der Anordnung der Steuerelektroden gegeneinander versetzt im Isolator liegen. Die einzelnen Lagen sind untereinander durch einen Lichtwellenleiter verbunden, zweckmässigerweise aus einem durchgehenden Lichtwellenleiter gewikkelt.
Bei einer derartigen Ausführung der erfindungsgemässen Einrichtung liegen die einzelnen Lagen der Spulen aus dem Lichtwellenleiter also in der Regel konzentrisch um die Achse des Hochspannungsisolators.
In Abweichung von der eben behandelten Einrichtung ist auch eine Weiterausbildung der Erfindung möglich und auch vorteilhaft, bei der der Lichtwellenleiter des Messfühlers in einem Hochspannungsisolator mit eingebetteten Steuerelektroden an den Steuerelektroden entlang und zwischen jeweils benachbarten Steuerelektroden hindurchgeführt ist.
Bei einer derartigen Führung des Lichtwellenleiters enthält dieser also Teile, die sich parallel zur Längsachse des Hochspannungsisolators erstrecken und so angeordnet sind, dass der Lichtwellenleiter von elektrischen Feldlinien transversal durchsetzt ist. Es ergibt sich in diesem Falle eine mäander ähnliche Führung des Lichtwellenleiters im Hochspannungsisolator.
Bei einem Material des Lichtwellenleiters, das eine nur geringe Drehung der Polarisationsebene in Abhängigkeit von der zu messenden Spannung ergibt, erscheint es vorteilhaft, den Lichtwellenleiter des Messfühlers unter Bildung mehrerer zusammenhängender Toroidspulen um die einzelnen Steuerlektroden zu wickeln. Es ist dann eine erheblich grössere Länge des Lichtwellenleiters dem elektrischen Feld ausgesetzt, und es wird eine grössere Drehung der Polarisationsebene erreicht, was zur Erzielung einer höheren Messgenauigkeit vorteilhaft ist.
Die obigen Ausführungen lassen schon erkennen, dass die Erfindung bei vielen Ausführungsformen von Hochspannungsisolatoren anwendbar ist. Dies gilt auch für einen Hochspannungsisolator mit gewickelten Kondensatoren als spannungssteuernde Elemente; bei einem derartigen Isolator werden die Lichtwellenleiter des Messfühlers vorzugsweise in die Kondensatoren miteingewickelt. Bei einem Hochspannungsisolator mit Platten- oder Tellerkondensatoren ist der Lichtwellenleiter zwischen den Elektroden der Kondensatoren angeordnet.
Bei der erfindungsgemässen Einrichtung kann der Hochspannungsisolator selbst in unterschiedlicher Weise ausgeführt sein. Vorteilhaft erscheint es, wenn der Isolator einen aus Faserstoffen bestehenden Strunk mit dem Lichtwellenleiter des Messfühlers enthält und eine den Strunk umgebende Kunststoffumhüllung mit Schirmen aufweist. Ein derartiger Isolator bietet nämlich den Vorteil, dass er in verhältnismässig grossen Längen relativ preiswert hergestellt werden kann, was von Hochspannungsisolatoren mit biegesteifen Isolatoren nicht gesagt werden kann. Porzellan-Isolatoren beispielsweise sind verhältnismässig teuer, was dazu führt, dass bei einer Einrichtung für Höchstspannungsanlagen bis beispielsweise 1500 kV die Kosten für den Isolator aufgrund seiner grossen Bauhöhe relativ gross wären.
Diese eben geschilderten Nachteile der Verwendung eines Porzellan-Isolators gelten jedoch nicht grundlegend, weil im Falle von bisher üblichen Hochspannungen gegebenenfalls auf bereits vorhandene Porzellan-Isolatoren, von z. B. Leistungstransformatoren, Schaltern, Stützern und Hängeisolatoren, zurückgegriffen werden kann. Diese Porzellan Isolatoren sind dann vorzugsweise mit aufgeschäumtem Silikongummi ausgegossen.
Darüber hinaus ist es auch möglich, den Hochspannungsisolator in Giessharz-Vollverguss auszuführen.
Die Erfindung wird nachfolgend an Beispielen erläutert.
In der Fig. 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung in ihrem Grundaufbau dargestellt; in der Fig. 2 ist ein magneto-optischer Modulator wiedergegeben, wie er in der Auswerteeinrichtung auf Niederspannungspotential mit Vorteil eingesetzt werden kann, und in der Fig. 3 ist in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Einrichtung gezeigt. In den Fig. 4 und 5 sind Ausführungsbeispiele dargestellt, bei denen die Lichtwellenleiter in einem Hochspannungsisolator untergebracht sind.
Bei der in der Fig. 1 dargestellten Einrichtung zum Messen von Spannungen an Hochspannungsleitern wird linear polarisiertes Licht von einer Lichtquelle L abgegeben, die von einem Laser gebildet sein kann. Über einen Lichtleiter L11 wird das polarisierte Licht zu beispielsweise einer Toroidspule T1 übertragen, die aus einem Lichtwellenleiter LW gewickelt ist.
Die Toroidspule T1 befindet sich bei der dargestellten Messeinrichtung in einer ringförmigen Erweiterung E eines Aussenrohres AR einer Hochspannungsschaltanlage HS. Im Innern des Aussenrohres AR ist ein Hochspannungsleiter H geführt, dessen Strom ein rotationsförmiges Magnetfeld innerhalb des Aussenrohres AR der Hochspannungsschaltanlage HS erzeugt. Um eine Beeinflussung des Lichtwellenleiters LW der Toroidspule T1 durch die magnetischen Feldlinien zu vermeiden, ist die ringförmige Erweiterung E an ihren beiden stirnseitigen Enden durch Abschirmringe R1 und R2 teilweise abgedeckt. Auf den Lichtwellenleiter LW der Toroidspule T1 kann jedoch die elektrische Feldstärke einwirken, und zwar in transversaler Richtung.
Dies führt dazu, dass das durch den Lichtwellenleiter LW hindruchtretende, linear polarisierte Licht in seiner Polarisationsebene in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke und damit auch in Abhängigkeit von der Spannung zwischen dem Hoch spannungsleiter H und dem geerdeten Aussenrohr AR gedreht wird.
Das in seiner Polarisationsebene gedrehte Licht wird über einen weiteren Lichtleiter L12 und einen Auswerteeinrichtung A1 auf Niederspannungspotential zugeführt, die einen Modulator M1 zur Rückdrehung der Polarisationsebene des Lichtes enthält.
Dem Modulator M1 ist ein Analysatorprisma P1 nachgeordnet, das den einfallenden Lichtstrahl in zwei Teillichtstrahlen aufspaltet, deren Polarisationsebenen senkrecht aufeinander stehen und die ihre Intensität proportional zum Drehwinkel der Polarisationsebene des einfallenden Strahles zueinander gegenläufig ändern. In zwei Photodioden Phil und Phl2 werden die Teillichtstrahlen in elektrische Grössen umgeformt und einem Differenzverstärker D1 zugeführt.
Dem Differenzverstärker D1 ist ein Leistungsverstärker V1 nachgeordnet, der einen derartigen Strom durch eine Bürde B1 und den beispielsweise als magneto-optischen Modulator ausgebildeten Modulator M1 treibt, dass die in der Toroidspule T1 erfolgte Drehung der Polarisationsebene des Lichtes wieder aufgehoben wird. An der Bürde B1 fällt dann eine Spannung an, die der zu messenden Spannung proportio nal ist.
Mit Vorteil ist die Toroidspule T1 so ausgeführt, dass ihre nach aussen geführten Enden so lang sind, dass sie die Lichtwellenleiter L11 und L12 bilden.
Der magneto-optische Modulator M1 nach Fig. 1 kann in einer Weise ausgestaltet sein, wie dies in der Fig. 2 dargestellt ist. Dort ist zu erkennen, dass ein Lichtwellenleiter L12 zu einer Wicklung gewickelt ist, die von einer weiteren Wick lung W2 aus einem elektrischen Leiter umgeben ist. An die Wicklungsenden E21 und E22 der Wicklung W2 ist beispielsweise ein Anschluss der Bürde B1 und ein Ausgang des Verstärkers V1 nach Fig. 1 angeschlossen. Durch den von dem Verstärker V1 abgegebenen Strom, der durch die Wicklung W2 fliesst, wird in der von dem Lichtwellenleiter L12 gebilde ten Wicklung ein magnetisches Feld erzeugt, das aufgrund der Ausbildung der Auswerteschaltung Al die Drehung der
Polarisationsebene im Modulator auf Hochspannungspotential rückgängig macht.
Der durch die Wicklung W2 bzw.
durch die Bürde B1 fliessende Strom ist dann der zu messenden Spannung am Hochspannungsleiter H proportional.
Bei der in der Fig. 3 dargestellten Ausführung der erfindungsgemässen Messeinrichtung wird linear polarisiertes Licht von einer Laserdiode LD abgegeben, die von einem Im pulsgenerator JG gesteuert wird. Der Laserdiode LD ist ein Strahlungsteiler ST nachgeordnet, von dem ein Lichtwellenleiter L131 und ein weiterer Lichtwellenleiter L132 wegführen. Über den Lichtwellenleiter L132 wird polarisiertes
Licht in Form von Lichtimpulsen zu einem Modulator M31 übertragen, der in seinem Aufbau mit dem Modulator M1 nach Fig. 1 identisch sein kann, also eine Toroidspule aus einem Lichtwellenleiter enthält.
In Abhängigkeit von der Grösse des zu messenden Stromes wird im Modulator M31 mit der Toroidspule die Polarisationsebene des ihm zugeführten Lichtes gedreht und das solchermassen modulierte Licht über einen weiteren Lichtwellenleiter L133 zur Auswerteeinrichtung A3 geführt.
In der Auswerteeinrichtung A3 ist der Lichtwellenleiter L133 mit einem weiteren Modulator M32 verbunden, der so ausgeführt sein kann, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist.
Dem magneto-optischen Modulator M32 ist ein Analysatorprisma P31 nachgeordnet, an das - wie bereits in der Fig. 1 dargestellt - Photodioden Ph31 und Ph32 angeschlossen sind; diese Photodioden Ph31 und Ph32 speisen einen Differenzverstärker D31.
Um Einflüsse von Temperaturen auf das Messergebnis auszuschalten, enthält die Einrichtung eine geschirmte Referenzwicklung RW, der über den Lichtwellenleiter L131 polarisiertes Licht von der Laserdiode LD zugeführt wird. In der Referenzwicklung RW, die zweckmässigerweise jeweils den gleichen Temperaturen wie der Modulator M31 mit der Toroidspule ausgesetzt ist, erfährt das polarisierte Licht eine von der Temperatur abhängige Drehung seiner Polarisationsebene. Das solchermassen modulierte Licht wird über einen weiteren Lichtwellenleiter L134 zu einem zusätzlichen Modulator M33 in der Auswerteeinrichtung A3 übertragen. Dem zusätzlichen Modulator M33, der ebenfalls wie der Modulator nach Fig. 2 ausgeführt sein kann, ist ein weiteres Analysatorprisma P32 nachgeordnet, in dem das ihm zugeführte Licht in zwei Lichtstrahlen aufgespalten wird, die auf Photodioden Ph33 und Ph34 fallen.
An die Photodioden Ph33 und Ph34 ist ein weiterer Differenzverstärker D32 angeschiossen.
Zur Kompensation von Temperatureinflüssen sind beide Differenzverstärker D31 und D32 an einen zusätzlichen Diffe renzverstärker D33 angeschlossen, dem ein Synchrondemodu lator SD nachgeordnet ist. Dieser Synchrondemodulator ist über einen Phasenschieber PS an den Impulsgenerator JG an geschlossen, so dass im Synchrondemodulator SD eine Demodulation der Messgrösse vorgenommen werden kann.
An den Synchrondemodulator SD ist ein Leistungsverstär ker V3 angeschlossen, der über eine Bürde B3 die magnetooptischen Modulatoren M32 und M33 mit einem derartigen Strom speist, dass in den Modulatoren eine Rückdrehung der Polarisationsebene des auf der Hochspannungsseite modulierten Lichtes erfolgt. Der durch die Bürde B3 fliessende Strom J3 ist dann unabhängig von irgendwelchen Temperaturgängen der zu messenden Spannung proportional.
Die in der Fig. 4 dargestellte Einrichtung weist einen Isolator 41 auf, der an seinem oberen Ende mit einem flachen Deckel 42 abgeschlossen ist. Dieser Deckel 42 trägt eine Anschlussklemme 43 für die Verbindung mit einem nicht dargestellten Hochspannungsleiter, dessen Spannung gemessen werden soll. Der Isolator 41 steht auf einem Sockel 44, der einen Klemmenkasten 45 trägt; in dem Klemmenkasten kann eine nicht dargestellte Auswerteeinrichtung untergebracht sein. In dem Klemmenkasten 44 befinden sich auch die Sekundäranschlüsse der Einrichtung.
Innerhalb des Isolators 41 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Spannungssteuerung 46 untergebracht, in die Steuerelektroden 47, 48 und 49 in Form von metallischen Zylindern eingebettet sind. Zwischen jeweils den Steuerelektroden 47 und 48 sowie 48 und 49 ist eine Lage 50 sowie 51 aus einem Lichtwellenleiter angeordnet. Die Lagen 50 und 51, von denen gegebenenfalls noch weitere vorhanden sein können, wenn entsprechend mehrere Steuerelektroden vorgesehen sind, sind vorteilhafterweise aus einem durch gehenden Lichtwellenleiter gewickelt, der ausserdem noch die Lichtführungsleitung 52 von einer in der Fig. 4 nicht dargestellten Lichtquelle zu den Lagen 50 und 51 sowie die Zuführungsleitung 53 für das Licht von den Lagen 50 und 51 zu der Auswerteeinrichtung bildet.
Wie die Fig. 4 erkennen lässt, sind die einzelnen Windungen der Lagen 50 und 51 aus dem Lichtwellenleiter so angeordnet, dass die elektrischen Feldlinien zwischen jeweils benachbarten Steuerelektroden 47, 48 und 49 senkrecht zu dem Lichtwellenleiter verlaufen. Linear polarisiertes Licht, das den Lichtwellenleiter durchläuft, wird daher in seiner Polarisationsebene in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke gedreht. Da diese elektrische Feldstärke der zu messenden Spannung proportional ist, ist die Drehung der Polarisationsebene der zu messenden Spannung selbst proportional. Daraus lässt sich mittels einer Auswerteeinrichtung, wie sie eben näher beschrieben ist, eine elektrische Grösse gewin nen, die der zu messenden Spannung proportional ist.
Bei dem in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäss ausgeführten Einrichtung ist wiederum ein Isolator 54 vorgesehen, der oben mit einem flachen Deckel 55 abgeschlossen ist. Der Deckel 55 weist einen Anschluss 56 für die zu messende Spannung auf. Der Isolator 54 ruht auf einem Sockel 57, der einen Klemmenkasten 58 aufweist. In diesem Klemmenkasten 58 ist beispielsweise die Auswerteeinrichtung untergebracht, und es befinden sich dort auch die Sekundäranschlussklemmen, wie sie von klassischen Spannungswandlern her bekannt sind.
Innerhalb des Isolators 54 ist ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 eine Spannungssteuerung 59 untergebracht, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei Steuerelektroden 60, 61 und 62 enthält. Die Steuerelektroden 60 bis 62 sind metallische Zylinder.
Wie die Fig. 5 erkennen lässt, ist ein Lichtwellenleiter 63 von Niederspannungspotential herkommend zunächst in Achsrichtung der Spannungssteuerung 59 an der Innenseite der Steuerelektrode 62 vorbeigeführt, wobei er von elektrischen Feldlinien transversal durchsetzt ist. Um das obere Ende 64 der Steuerelektrode 62 ist der Lichtwellenleiter 63 herumgeführt und in entgegengesetzter Richtung zwischen den Steuerelektroden 61 und 62 hindurchgeführt, und zwar bis zum unteren Ende der Steuerelektrode 61. Von dort ist der Lichtwellenleiter 63 wiederum in entgegengesetzter Richtung geführt, so dass er nunmehr zunächst aussen an der Steuerelektrode 61 entlang und danach zwischen dieser Steuerelektrode und der Steuerelektrode 60 verläuft.
Um den Lichtwellenleiter 63 wieder herunterzuführen, ist er in der anderen Hälfte des Durchführungsteiles 59 in spiegelbildlich gleicher Weise zwischen den Steuerelektroden 60 bis 62 angeordnet, so dass linear polarisiertes Licht infolge der auf den Lichtwellenleiter 63 einwirkenden elektrischen Feldstärke in Abhängigkeit von der zu messenden Spannung in seiner Polarisationsebene gedreht wird.
In einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung, die beispielsweise auch so ausgeführt sein kann, wie es oben erläutert worden ist, kann dann eine elektrische Messgrösse gewonnen werden, die von der Drehung der Polarisationsebene des Lichtes abhängig ist. Diese elektrische Messgrösse ist mit der Sekundärgrösse klassischer Spannungswandler vergleichbar.
Durch die Erfindung ist eine Einrichtung zum Messen von Spannungen an Hochspannungsleitern vorgeschlagen, die auch in Ausführungsformen zum Messen sehr hoher Spannungen mit relativ geringem Aufwand herstellbar ist. Bei der Verwendung einer Toroidspule aus einem Lichtwellenleiter erscheint die beschriebene Einrichtung besonders gut zur Messung von Spannungen in vollisolierten, metallgekapselten Hochspannungsschaltanlagen geeignet. Auch Spannungsmessungen in Freiluftanlagen können mit relativ geringem Aufwand auch dann durchgeführt werden, wenn sehr hohe Spannungen gemessen werden sollen.
The invention relates to a device for measuring voltages on high-voltage conductors.
For the measurement of high voltages mostly inductive or capacitive voltage converters have been used. The use of inductive voltage converters then runs into difficulties when relatively high voltages are to be measured. In this case there is a very high cost for the
Isolation, which makes it advisable not to use inductive voltage converters for economic reasons for measuring very high voltages.
Capacitive voltage converters can also be used to measure very high voltages with justifiable effort, but they have the fundamental disadvantage that they tend to oscillate. To suppress this tilting vibrations, additional devices are required, which require a considerable amount of effort.
The invention is therefore based on the object of creating a device for measuring voltages on Hochspannungslei tern, which can also be produced economically in an embodiment for measuring very high voltages.
To solve this problem, a device of the type mentioned is suitable, in which, according to the invention, a measuring sensor made of an optical waveguide is arranged in an electric field caused by the voltage to be measured, which is penetrated by polarized light, so that the light has a height the voltage to be measured experiences a dependent rotation of its plane of polarization; An evaluation device is arranged on the low voltage potential, in which the polarized light is converted into an electrical measured variable proportional to the voltage to be measured. With optical fibers are in particular
Index gradient guides, gradient fibers and generally such light guides are meant whose transparent inner body has a refractive index that decreases from the inside to the outside.
Optical fibers can carry linearly polarized light beams without the polarization of the light being destroyed.
The measuring sensor is preferably formed by a toroidal coil through which the high-voltage conductor passes.
The invention makes use of the knowledge that linearly polarized light when passing through substances that are accommodated in strong electric or magnetic fields is rotated in its plane of polarization with respect to that of the incident light. If it is ensured that the optical waveguide is only acted upon by the electric field strength in the transverse direction in the present case, then the rotation of the polarization plane of the light on the high voltage side is proportional to the voltage to be measured.
In order to shield the toroidal coil against magnetic interference, it is advantageously provided with an annular shielding hood on each of its end faces.
The measuring device according to the invention can be used with particular advantage for measuring voltages in fully insulated, metal-enclosed high-voltage switchgear by z. B. a toroidal coil is arranged in an annular extension of the outer tube of the system.
The annular widening of the outer tube is advantageously partially covered on the inside by metal rings that form shielding rings for the end-face areas of the toroidal coil. The influence of magnetic fields can then no longer occur.
The evaluation device of the Heinrich device according to the invention can be designed in different ways. It appears to be advantageous if the evaluation device contains a magneto-optical modulator and an amplifier circuit in a manner known per se; the magneto-optical modulator advantageously consists of a coil made of an optical waveguide and an electrical winding applied to the coil and supplied with a current by the amplifier circuit.
Experience has shown that optical waveguides show a certain temperature dependency insofar as the rotation of the plane of polarization of the light in them is also dependent on the respective temperature of the optical waveguide.
So that this temperature dependency cannot affect the measurement result, a reference winding provided with a shield and made of an optical waveguide is advantageously provided, through which polarized light passes; the reference winding is z. B. assigned in the evaluation device an evaluation part in which the rotation of the polarization plane that has occurred in the reference winding is evaluated.
The evaluation part advantageously contains a further magneto-optical modulator, which consists of a coil made of an optical waveguide and an electrical winding applied to the coil.
Optical waveguides are advantageously used to transmit the polarized light between the toroidal coil or the reference winding and the evaluation device. It appears to be particularly advantageous if these optical waveguides are ends of the toroidal coil and the reference winding. In this case, there are no coupling problems of the optical waveguides to the toroidal coil or the reference winding.
It also appears to be advantageous if, in one embodiment of the device according to the invention, each magneto-optical modulator of the evaluation device is followed by an optical analyzer, each of which sends two light beams to two photocells; A differential amplifier is connected to each of two photocells and the differential amplifiers are followed by a further differential amplifier which, via a power amplifier, supplies a burden in the circuit of the windings of the modulators of the evaluation device with a current. A voltage then drops across the load which is proportional to the voltage to be measured.
The polarized light is advantageously emitted by a light source which is arranged at low voltage potential and which can be a laser, for example.
In an embodiment of the device according to the invention with a reference winding, it is advantageous to arrange a beam splitter downstream of the light source from which optical waveguides leading to the toroidal coil and to the reference winding extend.
A laser diode connected to a pulse generator is advantageously used as the light source; to the pulse generator is z. B. also connected via a phase shifter, a synchronous demodulator, which forms part of the evaluation device. The use of laser diodes is advantageous for reasons of cost and for reasons of a long service life.
The evaluation device can - as already briefly mentioned above - be designed in a variety of ways, so it does not have to contain magneto-optical modulators. If necessary, it can namely be advantageous to provide the evaluation device with electro-optical modulators.
To carry out voltage measurements in open-air systems, it is advantageous, according to a development of the invention, to accommodate the optical waveguide of the measuring sensor in a high-voltage insulator of the device.
Under high-voltage insulators are to be understood both post-like and bushing-like insulating arrangements, z. B. also the implementation of a power transformer or the support part of a circuit breaker or disconnector.
In the device according to the invention, the optical waveguide of the measuring sensor can be arranged in different ways in the high-voltage insulator. For example, it can be advantageous to arrange the optical waveguide between voltage-controlling elements of the high-voltage insulator, since in this case the optical waveguide is located in a defined electrical field.
It also appears to be advantageous if the optical waveguide of the measuring sensor forms a coil because the optical waveguide is then exposed to an electric field over a greater length and thus a measurable rotation of the polarization plane occurs even with relatively small electric field strengths.
The coil made of the optical waveguide is accommodated in an uncontrolled high-voltage insulator, preferably in such a way that its longitudinal axis runs in the axial direction of the high-voltage insulator. The electric field lines that run between the high voltage electrode and earth potential are then used to rotate the polarization plane of the light. However, this assumes that the respective coil from the optical waveguide is not exposed to any external field influences. This requirement will generally be met in extra-high voltage systems, since there the phase distances are relatively large.
In many cases, preference will be given to a further development of the device according to the invention in which the coil from the optical waveguide is accommodated in a high-voltage insulator with embedded control electrodes; in such an insulator, the coil is advantageously arranged between adjacent control electrodes. In order to be able to dimension the high-voltage insulator in the usual way in such an embodiment, it appears advantageous to accommodate the layers of the coil from the optical waveguide between the individual control electrodes, i.e. to divide the coil into individual layers, which are then offset from one another according to the arrangement of the control electrodes Lying insulator. The individual layers are connected to one another by an optical waveguide, expediently wound from a continuous optical waveguide.
In such an embodiment of the device according to the invention, the individual layers of the coils from the optical waveguide are therefore usually concentric around the axis of the high-voltage insulator.
Deviating from the device just discussed, a further development of the invention is also possible and also advantageous, in which the optical waveguide of the measuring sensor is guided in a high-voltage insulator with embedded control electrodes along the control electrodes and between respectively adjacent control electrodes.
When the optical waveguide is guided in this way, it therefore contains parts which extend parallel to the longitudinal axis of the high-voltage insulator and are arranged such that the optical waveguide is traversed transversely by electrical field lines. In this case, the optical waveguide is routed in a meandering manner in the high-voltage insulator.
In the case of a material of the optical waveguide that results in only a slight rotation of the plane of polarization depending on the voltage to be measured, it appears advantageous to wind the optical waveguide of the measuring sensor around the individual control electrodes, forming several connected toroidal coils. A considerably greater length of the optical waveguide is then exposed to the electric field, and a greater rotation of the plane of polarization is achieved, which is advantageous for achieving a higher measurement accuracy.
The above statements already show that the invention can be used in many embodiments of high-voltage insulators. This also applies to a high-voltage insulator with wound capacitors as voltage-controlling elements; In the case of such an insulator, the optical waveguides of the measuring sensor are preferably also wrapped in the capacitors. In the case of a high-voltage insulator with plate or plate capacitors, the optical waveguide is arranged between the electrodes of the capacitors.
In the device according to the invention, the high-voltage insulator itself can be designed in different ways. It appears to be advantageous if the insulator contains a shank made of fibrous materials with the optical waveguide of the measuring sensor and has a plastic sheath with screens surrounding the shank. Such an insulator offers the advantage that it can be produced relatively inexpensively in relatively long lengths, which cannot be said of high-voltage insulators with rigid insulators. Porcelain insulators, for example, are relatively expensive, which means that in the case of a device for high-voltage systems up to, for example, 1500 kV, the costs for the insulator would be relatively high due to its large overall height.
These disadvantages of using a porcelain insulator just outlined do not apply fundamentally, however, because in the case of previously common high voltages, if necessary, on existing porcelain insulators, e.g. B. power transformers, switches, supporters and suspension insulators can be used. These porcelain insulators are then preferably filled with foamed silicone rubber.
In addition, it is also possible to design the high-voltage insulator in full cast resin encapsulation.
The invention is illustrated below using examples.
In FIG. 1, an embodiment of the device according to the invention is shown in its basic structure; FIG. 2 shows a magneto-optical modulator as it can be used with advantage in the evaluation device at low voltage potential, and FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the device according to the invention in a schematic representation. In FIGS. 4 and 5 exemplary embodiments are shown in which the optical waveguides are accommodated in a high-voltage insulator.
In the device shown in FIG. 1 for measuring voltages on high-voltage conductors, linearly polarized light is emitted from a light source L which can be formed by a laser. The polarized light is transmitted via an optical waveguide L11 to, for example, a toroidal coil T1 which is wound from an optical waveguide LW.
In the illustrated measuring device, the toroidal coil T1 is located in an annular extension E of an outer tube AR of a high-voltage switchgear HS. A high-voltage conductor H is routed inside the outer tube AR, the current of which generates a rotational magnetic field within the outer tube AR of the high-voltage switchgear HS. In order to prevent the magnetic field lines from influencing the optical waveguide LW of the toroidal coil T1, the ring-shaped extension E is partially covered at its two end faces by shielding rings R1 and R2. However, the electric field strength can act on the optical waveguide LW of the toroidal coil T1, specifically in the transverse direction.
This leads to the fact that the linearly polarized light passing through the optical waveguide LW is rotated in its plane of polarization as a function of the electric field strength and thus also as a function of the voltage between the high-voltage conductor H and the grounded outer tube AR.
The light rotated in its plane of polarization is fed via a further light guide L12 and an evaluation device A1 at low voltage potential, which contains a modulator M1 for reversing the plane of polarization of the light.
The modulator M1 is followed by an analyzer prism P1, which splits the incident light beam into two partial light beams whose polarization planes are perpendicular to one another and which change their intensity in opposite directions in proportion to the angle of rotation of the polarization plane of the incident beam. The partial light beams are converted into electrical quantities in two photodiodes Phil and Phl2 and fed to a differential amplifier D1.
The differential amplifier D1 is followed by a power amplifier V1, which drives such a current through a load B1 and the modulator M1, which is designed as a magneto-optical modulator, for example, that the rotation of the polarization plane of the light that occurred in the toroidal coil T1 is canceled again. A voltage then occurs at load B1 which is proportional to the voltage to be measured.
The toroidal coil T1 is advantageously designed such that its outwardly directed ends are so long that they form the optical waveguides L11 and L12.
The magneto-optical modulator M1 according to FIG. 1 can be designed in a manner as shown in FIG. There it can be seen that an optical waveguide L12 is wound into a winding which is surrounded by a further winding W2 made of an electrical conductor. A connection of the burden B1 and an output of the amplifier V1 according to FIG. 1 are connected to the winding ends E21 and E22 of the winding W2, for example. The current emitted by the amplifier V1, which flows through the winding W2, generates a magnetic field in the winding formed by the optical waveguide L12 which, due to the design of the evaluation circuit Al, causes the rotation of the
Reverses the polarization level in the modulator on high voltage potential.
The through the winding W2 resp.
The current flowing through the burden B1 is then proportional to the voltage to be measured on the high-voltage conductor H.
In the embodiment of the measuring device according to the invention shown in FIG. 3, linearly polarized light is emitted by a laser diode LD which is controlled by a pulse generator JG. The laser diode LD is followed by a beam splitter ST, from which an optical waveguide L131 and another optical waveguide L132 lead away. Polarized is transmitted via the optical waveguide L132
Light transmitted in the form of light pulses to a modulator M31, which can be identical in structure to the modulator M1 according to FIG. 1, that is to say contains a toroidal coil made of an optical waveguide.
Depending on the magnitude of the current to be measured, the polarization plane of the light supplied to it is rotated in the modulator M31 with the toroidal coil and the light modulated in this way is guided to the evaluation device A3 via a further optical waveguide L133.
In the evaluation device A3, the optical waveguide L133 is connected to a further modulator M32, which can be designed as shown in FIG.
The magneto-optical modulator M32 is followed by an analyzer prism P31 to which - as already shown in FIG. 1 - photodiodes Ph31 and Ph32 are connected; these photodiodes Ph31 and Ph32 feed a differential amplifier D31.
In order to eliminate the effects of temperatures on the measurement result, the device contains a shielded reference winding RW, to which polarized light is fed from the laser diode LD via the optical waveguide L131. In the reference winding RW, which is expediently exposed to the same temperatures as the modulator M31 with the toroidal coil, the polarized light experiences a temperature-dependent rotation of its polarization plane. The light modulated in this way is transmitted via a further optical waveguide L134 to an additional modulator M33 in the evaluation device A3. The additional modulator M33, which can also be designed like the modulator according to FIG. 2, is followed by a further analyzer prism P32 in which the light supplied to it is split into two light beams that fall on photodiodes Ph33 and Ph34.
Another differential amplifier D32 is connected to the photodiodes Ph33 and Ph34.
To compensate for temperature effects, both differential amplifiers D31 and D32 are connected to an additional differential amplifier D33, which is followed by a synchronous demodulator SD. This synchronous demodulator is connected to the pulse generator JG via a phase shifter PS, so that the measured variable can be demodulated in the synchronous demodulator SD.
A power amplifier V3 is connected to the synchronous demodulator SD, which feeds the magneto-optical modulators M32 and M33 via a load B3 with such a current that the polarization plane of the light modulated on the high-voltage side is reversed in the modulators. The current J3 flowing through the load B3 is then proportional to the voltage to be measured regardless of any temperature changes.
The device shown in FIG. 4 has an insulator 41 which is closed at its upper end with a flat cover 42. This cover 42 carries a connection terminal 43 for connection to a high-voltage conductor, not shown, whose voltage is to be measured. The insulator 41 stands on a base 44 which carries a terminal box 45; An evaluation device (not shown) can be accommodated in the terminal box. The terminal box 44 also contains the secondary connections of the device.
In the exemplary embodiment shown, a voltage control 46 is accommodated within the insulator 41, in which control electrodes 47, 48 and 49 are embedded in the form of metallic cylinders. A layer 50 and 51 made of an optical waveguide is arranged between each of the control electrodes 47 and 48 and 48 and 49. The layers 50 and 51, of which there may be additional ones if a number of control electrodes are provided, are advantageously wound from a continuous optical waveguide which also carries the light guide line 52 from a light source (not shown in FIG. 4) to the layers 50 and 51 as well as the feed line 53 for the light from the layers 50 and 51 to the evaluation device.
As can be seen from FIG. 4, the individual turns of the layers 50 and 51 made of the optical waveguide are arranged in such a way that the electric field lines between respectively adjacent control electrodes 47, 48 and 49 run perpendicular to the optical waveguide. Linearly polarized light that passes through the optical waveguide is therefore rotated in its plane of polarization as a function of the electric field strength. Since this electric field strength is proportional to the voltage to be measured, the rotation of the plane of polarization is proportional to the voltage to be measured. From this, by means of an evaluation device, as has just been described in more detail, an electrical variable can be obtained that is proportional to the voltage to be measured.
In the exemplary embodiment of a device embodied according to the invention shown in FIG. 5, an insulator 54 is again provided which is closed at the top with a flat cover 55. The cover 55 has a connection 56 for the voltage to be measured. The insulator 54 rests on a base 57 which has a terminal box 58. The evaluation device is accommodated in this terminal box 58, for example, and the secondary connection terminals are also located there, as they are known from classic voltage converters.
As in the exemplary embodiment according to FIG. 4, a voltage control 59 is accommodated within the insulator 54 and contains three control electrodes 60, 61 and 62 in the exemplary embodiment shown. The control electrodes 60 to 62 are metallic cylinders.
As can be seen in FIG. 5, an optical waveguide 63 coming from low-voltage potential is first guided past the inside of the control electrode 62 in the axial direction of the voltage control 59, whereby it is traversed transversely by electrical field lines. The optical waveguide 63 is guided around the upper end 64 of the control electrode 62 and passed in the opposite direction between the control electrodes 61 and 62, namely to the lower end of the control electrode 61. From there, the optical waveguide 63 is again guided in the opposite direction so that it now runs along the outside of the control electrode 61 and then between this control electrode and the control electrode 60.
In order to lead down the optical waveguide 63 again, it is arranged in the other half of the feed-through part 59 in a mirror-inverted manner between the control electrodes 60 to 62, so that linearly polarized light as a result of the electric field strength acting on the optical waveguide 63 depending on the voltage to be measured in its plane of polarization is rotated.
In an evaluation device, not shown, which can for example also be designed as it has been explained above, an electrical measured variable can then be obtained which is dependent on the rotation of the polarization plane of the light. This electrical measured variable is comparable to the secondary variable of classic voltage converters.
The invention proposes a device for measuring voltages on high-voltage conductors, which can also be produced in embodiments for measuring very high voltages with relatively little effort. When using a toroidal coil made of an optical waveguide, the device described appears particularly suitable for measuring voltages in fully insulated, metal-enclosed high-voltage switchgear. Voltage measurements in open-air systems can also be carried out with relatively little effort if very high voltages are to be measured.