CH660636A5

CH660636A5 - Faseroptischer sensor zum erfassen von elektrischen lichtbogenentladungen.

Info

Publication number: CH660636A5
Application number: CH4421/82A
Authority: CH
Inventors: Reino Dr Buchmueller; Bernd Dr Weissenborn
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1981-07-23
Filing date: 1982-07-20
Publication date: 1987-05-15
Also published as: US4702553A; DE3129041C2; JPS5873846A; DE3129041A1; JPS5925116A

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor zum Erfassen von elektrischen Lichtbogenentladungen gemäss Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Erfindung geht aus von einem Stand der Technik gemäss der DE-OS 28 56 183. Lichtwellenleiter können Lichtimpulse erfassen und übertragen, die im Akzeptanzwinkel der Lichtwellenleiter auftreten. Die Akzeptanzwinkel bekannter Lichtwellenleiter liegen üblicherweise zwischen 18° und 46° und sind damit für viele Anwendungsfälle, z.B. als Sensoren für die Erfassung von elektrischen Lichtbogenentladungen in gekapselten Hochspannungsschaltanlagen, fast zu klein. Lichtwellenleiter haben jedoch die Vorteile einer hohen elektromagnetischen Verträglichkeit und einer guten Potentialtrennung, so dass ihre Anwendung in vielen Fällen erwünscht ist.

Aus Gründen von Sicherheit und Zuverlässigkeit ist es notwendig, die Funktionsfähigkeit der Sensoren ständig zu überprüfen. Dies geschieht üblicherweise mit Prüflichtimpulsen. Diese Prüflichtimpulse werden mittels eines zweiten Lichtwellenleiters in den zu überwachenden Raum geleitet und an der Erfassungsstelle des Lichtwellenleiters innerhalb des Akzeptanzwinkels abgestrahlt.

Der als Sensor dienende Lichtwellenleiter nimmt wegen des Abstandes und des Abstrahlwinkels nur einen kleinen Teil des Prüflichts wieder auf. Je grösser der Abstand zwischen beiden Lichtwellenleitern ist, um so weniger Prüflicht wird in den Sensor eingestrahlt. Da für eine sichere Erken-5 nung eine minimale Strahlungsleistung notwendig ist und die Lichtintensität mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, müssen die beiden Lichtwellenleiter in geringem gegenseitigem Abstand möglichst auf einer Linie justiert sein.

Auch die Strahlungsquelle, deren Lichtimpulse erfasst io werden sollen, muss im Akzeptanzwinkel des als Sensor dienenden Lichtwellenleiters, d.h. meist zwischen den beiden Lichtwellenleitern, liegen. Dadurch ergeben sich rein konstruktiv erhebliche Probleme, da entweder die Strahlungsquelle so gross ist, dass sie das Prüflicht abschattet, oder aber 15 die Gefahr besteht, dass beispielsweise im Fall eines Hochspannungsschalters die Lichtbogenentladung die Lichtwellenleiter selbst beschädigt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen Sensor zum Erfassen von elektrischen 20 Lichtbogenentladungen derart auszubilden, dass Lichtpulse aus einem sehr grossen Akzeptanzwinkel aufgenommen werden, ohne dass Probleme mit dem Prüf licht entstehen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Angabe eines Lichtwellenleiters mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. 25 Prüflicht und Entladungslicht werden am Ende des Lichtwellenleiters mit Hilfe einer optisch-elektrischen Einheit in elektrische Signale umgewandelt und verarbeitet. Die Unterscheidung zwischen Prüflicht und Strahlungslicht erfolgt einfachst über die Strahlungsintensität, Zeitdauer der Lichtim-30 pulse oder Empfangszeitpunkt der Lichtpulse.

Die Unterscheidung von Prüf licht und Licht der Lichtbogenentladung kann auch durch eine Dauerprüflichtquelle am Anfang des Lichtwellenleiters und durch ein auf das Prüf licht abgestimmtes optisches Filter am Ende des Licht-35 Wellenleiters, durch einen ersten Lichtempfänger für das Prüflicht und durch einen zweiten Lichtempfänger für das Licht der Lichtbogenentladung erfolgen.

Die Erfindung macht sich die Erfahrung zunutze, dass dort, wo der Lichtwellenleiter stark gekrümmt wird, Licht 40 aus dem Lichtwellenleiter austreten oder in den Lichtwellenleiter eintreten kann. Der Teil des austretenden wie des eingekoppelten Lichtes ist vom Krümmungsradius und der Krümmungslänge des Lichtwellenleiters abhängig. Radius und Länge sind deshalb so einzustellen, dass von dem am 45 einen Ende des Lichtwellenleiters eingespeisten Prüflicht noch so viel Energie am Ausgang ankommt, dass es sicher detektiert werden kann, und dass von der elektrischen Lichtbogenentladung so viel Licht aufgenommen wird, dass es ebenfalls sicher detektiert wird. Zur Erfassung des Lichtboso genlichtes genügt es, den aktiven Bereich des Lichtwellenleiters als scharfen Knick oder als Knoten auszubilden.

Die Erfindung macht sich in einer Weiterbildung die Erfahrung zunutze, dass eine elektrische Lichtbogenentladung nicht nur Licht, sondern auch Schallwellen erzeugt. 55 Diese Schallwellen treffen entsprechend ihrer Laufzeit später als die Lichtwellen am Ort des Sensors ein und modulieren das im Lichtwellenleiter geführte Prüflicht. Diese Modulation geschieht beim Betrieb mit kohärentem Licht über eine Phasenänderung der Moden und beim Betrieb mit 60 nicht kohärentem Licht durch Änderung der Lichtabstrah-lung an den gekrümmten Flächen des Lichtwellenleiters. In beiden Fällen ergibt sich jedenfalls eine Modulation der Intensität des Prüflichts am Ende des Lichtwellenleiters durch die Schallwellen. Das modulierte Prüflicht wird durch 65 geeignete optische Filter vom eingekoppelten Licht der Lichtbogenentladung getrennt.

Als Prüf lichtquelle können je nach benötigtem Energiebedarf ein Laser, eine Lumineszenzdiode oder auch eine Blitz-

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lampe verwendet werden. Bei Verwendung einer Blitzlampe als Prüflichtquelle müssen Prüflichtquelle und -empfänger zeitlich synchronisiert werden.

Vorteilhafterweise ist der aktive Bereich des Lichtwellenleiters als Wendel ausgebildet. Dadurch kann das Licht der Lichtbogenentladung praktisch von allen Seiten erfasst werden.

Die erfindungsgemässen Sensoren werd'en bevorzugt verwendet in Hochspannungsschaltanlagen oder in Transformatorkesseln.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie deren Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 die Aus- und Einkoppelung von Licht bei einem gekrümmten Lichtwellenleiter,

Fig. 2 eine besonders einfache und wirksame Ausbildung der aktiven Zone und

Fig. 3 die Anwendung des erfindungsgemässen Sensors zur Lichtbogenerfassung in einer gekapselten Schaltanlage.

In Fig. 1 erkennt man einen Lichtwellenleiter 1, der in seinem aktiven Bereich 2 gekrümmt ist. Prüflicht 3 gelangt von einer (nicht dargestellten) Prüflichtquelle zu dem Aktivbereich 2. Dort verlässt ein Teil 3.1 des Prüflichts den Lichtwellenleiter, während ein anderer Teil 3.2 weiterhin im Lichtwellenleiter 1 läuft. Von einer Lichtbogenentladung 4 gehen sowohl Lichtwellen 5 als auch Schallwellen 6 aus. Die Lichtwellen 5 werden in dem aktiven Bereich 2 in den Lichtwellenleiter 1 eingekoppelt und laufen zusammen mit dem Prüflichtteil 3.2 im Lichtwellenleiter zu dem (nicht dargestellten) Lichtempfänger. Die Schallwellen 6 beeinflussen den Lichtwellenleiter 1 und modulieren den im Lichtwellenleiter 1 verlaufenden Teil 3.2 des Prüflichts 2.

Fig. 2 zeigt die Ausgestaltung des aktiven Bereichs 2 als Knoten. Je nach den dabei entstehenden Krümmungsverhältnissen kann das Verhältnis zwischen Prüflichtanteil 3.2 und Messlicht 5 eingestellt werden.

Fig. 3 zeigt einen Teil einer Hochspannungsschaltanlage, dargestellt durch die Kapselung 8 sowie die Schalterelektroden 7. Zwischen beiden Elektroden 7 brennt die elektrische Lichtbogenentladung, die die Lichtwellen 5 und die 5 Schallwellen 6 aussendet. Der aktive Bereich des Lichtwellenleiters 1 ist als Wendel 20 ausgeführt. Durchmesser und Länge der Wendel 20 sind so gewählt, dass noch eine ausreichende Menge des von einer Prüflichtquelle 9 erzeugten Prüflichts 3 am Ende des Lichtwellenleiters 1 auf die Empio fangseinrichtung gelangt. Am Ende des Lichtwellenleiters 1 befindet sich ein auf das Prüflicht abgestimmtes optisches Filter 10, welches dafür sorgt, dass das von der Lichtbogenentladung ausgehende Licht 5 auf eine erste Empfangseinrichtung 11, z.B. eine Photodiode gelangt, wo es in entspre-ls chende elektrische Signale umgewandelt wird. Der im Wendelleiter geführte Teil 3.2 des Prüflichts der zudem durch die Schallwellen 6 moduliert ist, gelangt auf eine zweite optoe-lektrische Empfangseinrichtung 13, beispielsweise wiederum eine Photodiode, und wird dort ebenfalls in elektrische Signale umgesetzt. Die Signale der beiden optoelektrischen Empfangseinrichtungen 11, 13 werden in je einer Elektronik 12, 14 verstärkt und ausgewertet. Die Ausgangssignale gelangen dann noch auf eine Auswerteelektronik 15, in der die Zeitdifferenz zwischen dem Ansprechen der ersten Empfangseinrichtung 11 auf die Lichtquellen 5 der Bogenentla-dung 4 und dem Ansprechen der zweiten Empfangseinrichtung 13 auf die Modulation des Prüflichtanteils 3.2. durch die Schallwellen 6 errechnet wird.

Durch die Bestimmung der Zeitdifferenz ist es möglich, mit Hilfe der bekannten Schallausbreitungsgeschwindigkeit auf den Abstand der Lichtbogenentladung vom Sensor zu schliessen. Durch die Verwendung mehrerer Sensoren innerhalb der Kapselung 8 kann auf diese Weise der Ort der Lichtbogenentladung exakt lokalisiert werden. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn mit Hilfe der Sensoren z.B. ein Transformator, der üblicherweise in einen Kessel eingebaut ist, auf Lichtbogenentladungen, Isolationsdurchschläge usw. überwacht werden soll.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Faseroptischer Sensor zum Erfassen von elektrischen Lichtbogenentladungen, mit einem Lichtwellenleiter (1), einer Prüflichtquelle (9) am Anfang des Lichtwellenleiters (1) und einem Lichtempfänger (13) für das Prüf licht (3) am Ende des Lichtwellenleiters ( 1 ), dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter ( 1 ) in seinem aktiven Bereich (2) so gekrümmt ist, dass von dem am Anfang des Lichtwellenleiters eingespeisten Prüflicht noch so viel Energie an seinem Ende ankommt, dass es sicher detektiert werden kann, und dass von der elektrischen Lichtbogenentladung so viel Licht aufgenommen wird, dass es ebenfalls sicher detektiert wird.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende des Lichtwellenleiters ( 1 ) ein auf das Prüf licht (3) abgestimmtes optisches Filter ( 10) als Strahlenteiler und ein zweiter Lichtempfänger (11) vorgesehen sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Sensor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Auswerteelektronik(12,14,15), die die Änderungen der Lichtintensität an den beiden Lichtempfängern (11, 13) registriert und die Zeitdifferenz bestimmt.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Blitzlampe als Prüflichtquelle (9).

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Lumineszenzdiode als Prüflichtquelle (9).

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Lasers als Prüf licht-quelle (9).

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Ausbildung des aktiven Bereichs (2) des Lichtwellenleiters ( 1 ) als Wendel (20).

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Ausbildung des aktiven Bereichs (2) des Lichtwellenleiters (1) als Knoten (Fig. 2).

9. Verwendung des Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Erfassen von elektrischen Lichtbogenentladungen in einer Hochspannungsschaltanlage (8).

10. Verwendung des Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Erfassen von elektrischen Lichtbogenentladungen in einem Transformatorkessel.