DE102014219516A1 - Optischer Stromwandler - Google Patents

Optischer Stromwandler

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    • GPHYSICS
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    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00 and G01R33/00 - G01R35/00
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    • G01R15/246Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect based on the Faraday, i.e. linear magneto-optic, effect
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    • G01R33/0322Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday, Cotton-Mouton effect using the Faraday or Voigt effect

Abstract

Optischer Stromwandler zur Erfassung des Stromflusses durch einen Stromleiter nach dem Faraday-Effekt, umfassend
– eine Lichtquelle zur Bereitstellung von Licht,
– einen Lichtwellenleiter, ausgestaltet zur Führung des Lichts im Bereich des Stromleiters, insbesondere um den Stromleiter,
– zwei im Lichtweg des Lichts angeordnete Polarisatoren,
– einen Fotoempfänger zur Aufnahme von durch den Lichtwellenleiter geleitetem Licht,
– wenigstens ein Trägerelement als Halterung für einen der Polarisatoren,
dadurch gekennzeichnet, dass
– das Trägerelement eine erste Trägerstruktur zur mechanischen Verbindung mit der Umgebung und eine zweite Trägerstruktur zur mechanischen Aufnahme des Polarisators umfasst,
– das Trägerelement wenigstens zwei Aufhängestege umfasst, die die erste und zweite Trägerstruktur kraftschlüssig miteinander verbinden,
– die Aufhängestege so gestaltet sind, dass sie im Zuge einer Änderung ihrer Temperatur eine Biegung erfahren,
– für wenigstens zwei der Aufhängestege die Biegung in verschiedene Richtungen weist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen optischen Stromwandler gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • An Stromwandler, die bei der Strommessung im energietechnischen Bereich eingesetzt werden, werden hohe Anforderungen in Bezug auf die Messgenauigkeit gestellt. Typischerweise sollen die Stromwandler eine Messgenauigkeit von bis zu 0,2% aufweisen.
  • Optische Stromwandler auf der Basis des Faraday-Effektes weisen eine Querempfindlichkeit gegenüber der Temperatur auf. Die Temperaturabhängigkeit kann auf verschiedene Ursachen zurückgeführt werden. Zum einen ist dies die Temperaturabhängigkeit der Verdetkonstante, die den Faraday-Effekt ausmacht. Bei dem Material SF-57 beträgt die Abhängigkeit ca. 0,01% / °C. Eine weitere Temperaturdrift kann auch durch Doppelbrechung des Sensormediums hervorgerufen werden. Dies ist entweder eine von außen eingebrachte Spannungsdoppelbrechung oder intrinsische Doppelbrechung der verwendeten Lichtwellenleiter.
  • Da die Wandler aber in einem weiten Bereich von –50°C bis +80°C spezifiziert und eingesetzt werden, ist es für die geforderten Messgenauigkeiten notwendig, den Einfluss der Temperatur auf das Messsignal zu korrigieren.
  • Um den Einfluss der Temperatur zu korrigieren, der zu einem Fehler von bis zu 5% führen kann, kann bekanntermaßen eine zusätzliche Temperaturmessung vorgenommen werden. Dazu kann beispielsweise ein elektrischer Temperatursensor verwendet werden, der sich nahe dem Stromwandler auf Erdpotenzial befindet. Nachteilig ist, dass es aufgrund von Sonneneinstrahlung, Abschattung, Eigenerwärmung des Leiters und anderen Effekten zu deutlichen Abweichungen der gemessenen Temperatur und der tatsächlichen Temperatur des Wandlerkopfes kommen kann.
  • Eine weitere Möglichkeit, dem Einfluss der Temperatur auf das Messsignal zu begegnen, besteht darin, ein faseroptisches Thermometer in den Wandlerkopf zu integrieren. Ebenso wir bei anderen Temperaturmessmethoden wird die Temperaturdrift des Wandlerkopfes nachträglich rechnerisch korrigiert.
  • Bei Temperatureffekten durch Doppelbrechung können bestimmte Justagewinkel der Polarisatoren des Sensorkopfes gezielt so angeordnet werden, dass sich Änderungen der Doppelbrechung nicht auf den Skalenfaktor des Wandlers auswirken. Diese nach dem Entdecker „Ulmer-Winkel“ genannte Einstellung kann jedoch nicht die Temperaturdrift der Verdetkonstante kompensieren. Bei Stromwandlern mit temperaturabhängiger Doppelbrechung werden teilweise doppelbrechende Elemente eingesetzt, die durch eine eigene Temperaturabhängigkeit der Doppelbrechung die vorhandene kompensieren.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Stromwandler anzugeben, bei dem die eingangs genannten Nachteile verringert oder vermieden werden. Insbesondere soll ein optischer Stromwandler angegeben werden, der eine verbesserte Kompensation des Einflusses der Temperatur auf das Messsignal aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch einen optischen Stromwandler mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Der erfindungsgemäße optische Stromwandler ist ausgestaltet zur Erfassung des Stromflusses durch einen Stromleiter nach dem Faraday-Effekt. Er umfasst eine Lichtquelle zur Bereitstellung von Licht, einen Lichtwellenleiter, ausgestaltet zur Führung des Lichts im Bereich des Stromleiters, insbesondere um den Stromleiter, zwei im Lichtweg des Lichts angeordnete Polarisatoren und einen Fotoempfänger zur Aufnahme von durch den Lichtwellenleiter geleitetem Licht.
  • Für einen oder beide der Polarisatoren ist jeweils ein Trägerelement als Halterung vorgesehen, wobei das Trägerelement eine erste Trägerstruktur zur mechanischen Verbindung mit der Umgebung und eine zweite Trägerstruktur zur mechanischen Aufnahme des Polarisators umfasst.
  • Das Trägerelement umfasst dabei wenigstens zwei Aufhängestege, die die erste und zweite Trägerstruktur kraftschlüssig miteinander verbinden. Die Aufhängestege sind so gestaltet, dass sie im Zuge einer Änderung ihrer Temperatur eine Biegung erfahren, wobei für wenigstens zwei der Aufhängestege die Biegung in verschiedene Richtungen weist.
  • Für die Erfindung wurde erkannt, dass eine Kompensation des Temperatureinflusses möglich ist, indem einer der Polarisatoren durch ein zusätzliches Element bedingt durch Temperaturänderungen verdreht wird. Zweckmäßig ist die Stärke der Drehung gerade so, dass andere Einflüsse der Temperatur dadurch aufgehoben oder stark verringert werden.
  • Dabei wird vorteilhaft die Wirkung der thermischen Ausdehnung verwendet, wobei je nach Richtung der Temperaturänderungen auch eine Kontraktion bewirkt werden kann. Die thermische Ausdehnung oder Kontraktion führt durch die spezifische Anordnung der Trägerstrukturen und Aufhängestege vorteilhaft direkt zu einer Drehung der zweiten Trägerstruktur gegenüber der ersten Trägerstruktur und damit zu einer Drehung des entsprechenden Polarisators gegenüber beispielsweise dem Wellenleiter. Dadurch entfällt vorteilhaft die Temperaturmessung, d.h. die Verwendung und Auslesung eines Temperatursensors ist unnötig. Die Drehung des Polarisators wird direkt durch die thermische Ausdehnung bewirkt. Dies ermöglicht einen sehr fehlersicheren und vereinfachten Aufbau. Weiterhin kann die Messgenauigkeit des Stromwandlers erhöht werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für den Stromwandler noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
    • – Die Aufhängestege können als Bimetallstreifen ausgestaltet sein. Diese können bei einfachem Aufbau eine weitgehend lineare Biegung erwirken.
    • – Die Trägerstrukturen können ring- oder rahmenförmig gestaltet sein. Dabei weisen die erste und zweite Trägerstruktur bevorzugt dieselbe Achse auf und sind auf dieser Achse gegeneinander verschoben angeordnet.
    • – Die Aufhängestege können in der ersten und zweiten Trägerstruktur in außenseitigen radialen Schlitzungen kraftschlüssig mit der jeweiligen Trägerstruktur verbunden sein. Dadurch ergibt sich ein in seinen Außenkonturen zylinderförmiger Körper, durch den das zu beeinflussende Licht entlang der Zylinderachse hindurchtreten kann.
    • – Bevorzugt werden zwischen drei und acht Aufhängestege verwendet. Zweckmäßig stellen die Aufhängestege die einzige kraftschlüssige mechanische Verbindung zwischen den Trägerstrukturen dar, so dass die zweite Trägerstruktur ausreichend frei beweglich ist, um die gewünschte Drehung erfahren zu können. Mit anderen Worten ist die zweite Trägerstruktur bevorzugt ausschließlich an den Aufhängestegen aufgehängt.
    • – Zweckmäßig wird die Länge der Aufhängestege so festgelegt, dass die Stärke der sich durch die Biegung ergebenden Drehung mit der Temperatur so eingestellt ist, dass der Einfluss des Temperaturgangs der Verdet-Konstante auf das Messsignal ausgeglichen wird.
    • – Bevorzugt ist ein Kollimator innerhalb der Trägerstrukturen angeordnet.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Stromwandlers gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor. Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils in schematisierter Form
  • 1 einen Glasring-Stromwandler und
  • 2 den Aufbau eines Trägerelements für einen Polarisator.
  • 1 zeigt den Aufbau eines Glasring-Stromwandlers 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Der Glasring-Stromwandler 10 ist im Bereich eines Stromleiters 1, beispielsweise einer Hochspannungsleitung, angeordnet und ist ausgestaltet, den im Stromleiter 1 fließenden Strom zu erfassen und zu vermessen, d.h. ein auswertbares Strom- oder Spannungssignal zu erzeugen, das ein Maß für den im Stromleiter 1 fließenden Strom ist. Dabei besteht galvanische Trennung zwischen dem Stromleiter 1 und dem erzeugten auswertbaren Strom- oder Spannungssignal und die Erfassung passiert rein optisch über den Faraday-Effekt, d.h. der Drehung der Polarisation von Licht bei Durchlaufen eines Magnetfelds.
  • Der Glasring-Stromwandler 10 umfasst eine Leuchtdiode 2 zur Erzeugung von Licht geeigneter Wellenlänge. Anstelle der Leuchtdiode 2 können auch andere Lichtquellen verwendet werden. Das Licht der Leuchtdiode 2 wird in eine optische Faser 3 eingespeist, die zu einem Kollimator 4 führt. Hier wird das Licht ausgekoppelt und durch einen ersten Polarisator 5 geleitet. Folgend tritt das Licht in einen Glasring 6 ein, der um den Stromleiter 1 angeordnet ist. Vom Glasring 6 wird das Licht um den Stromleiter 1 herumgeführt und tritt nach einer Umrundung des Stromleiters 1 wieder aus dem Glasring 6 aus.
  • Im weiteren Verlauf tritt das Licht durch einen zweiten Polarisator 7 und wird über einen zweiten Kollimator 8 in eine weitere optische Faser 11 eingekoppelt. In der weiteren optischen Faser 11 wird das Licht zu einer Fotodiode 9 geleitet. Die Fotodiode 9 erzeugt aus dem einfallenden Licht ein elektrisches Signal, das wiederum in einer in 1 nicht dargestellten Auswerteelektronik weiterverarbeitet wird.
  • Im dargestellten Beispiel ist der erste Polarisator 5 speziell ausgestaltet, um eine Temperaturkompensation zu bewirken. Dazu ist der erste Polarisator 5 auf einem speziellen Trägerelement 25 angeordnet. Das Trägerelement 25 umfasst eine ersten Trägerring 21. Dieser dient der Befestigung des gesamten Aufbaus des Polarisators 5, beispielsweise der mechanischen Verbindung mit dem Glasring 6. Weiterhin umfasst das Trägerelement 25 einen zweiten Trägerring 22. Die Symmetrieachse 28 des ersten Trägerrings 21 ist dabei gleichzeitig auch Achse des zweiten Trägerrings 22, wobei erster und zweiter Trägerring 21, 22 entlang der Symmetrieachse 28 verschoben zueinander angeordnet sind. Die Symmetrieachse 28 entspricht gleichzeitig dem ungefähren Lichtweg durch den Polarisator im Glasring-Stromwandler 10.
  • Dabei ist der zweite Trägerring 22 nahezu freischwebend angeordnet und wird lediglich durch drei balkenartige Aufhängestege 24 in seiner Position gehalten. Die Aufhängestege 24 sind dabei als Bimetallstreifen ausgestaltet. Jeder der Aufhängestege 24 ist mechanisch kraftschlüssig sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Trägerring 21, 22 verbunden, wobei dafür die Aufhängestege 24 an ihren entgegengesetzten Enden in radial orientierte außenseitige Schlitzungen des jeweiligen Trägerrings 21, 22 eingeklebt oder eingepresst sind.
  • Das eigentliche auf das Licht wirkende Polarisatorelement ist in 2 nicht dargestellt, ist aber mit dem zweiten Trägerring 22 verbunden und wird von diesem mechanisch getragen.
  • Positionsänderungen und Drehungen des zweiten Trägerrings 22 wirken daher direkt auf die Ausrichtung des Polarisators 5.
  • Innerhalb des ersten und zweiten Trägerrings 21, 22 ist im vorliegenden Beispiel ein zylinderförmiger Kollimator 27 angeordnet.
  • Die Aufhängestege 24 in Form der Bimetallstreifen erfahren bei einer Temperaturänderung eine Biegung. Zweckmäßig sind die Aufhängestege 24 so angeordnet, dass die Biegung wenigstens zweier der Aufhängestege 24 in verschiedene Richtungen weist, sodass nicht nur eine Verschiebung, sondern eine Drehung des zweiten Trägerrings 22 bewirkt wird. Bevorzugt sind die Aufhängestege 24 so angeordnet, dass die Biegungen aus Sicht des zweiten Trägerrings 22 im gleichen Drehsinn erfolgen, d.h. alle im Uhrzeigersinn oder alternativ alle gegen den Uhrzeigersinn. Eine Temperaturänderung bewirkt dann eine Drehung, deren Ausmaß in etwa proportional zur Größe der Temperaturänderung ist.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird Bezug genommen auf einen Glasring-Stromwandler für AC-Ströme. Die Erfindung ist aber bei Stromwandlern für DC-Ströme gleichermaßen anwendbar.
  • Im Betrieb des Glasring-Stromwandlers 10 wird die Leuchtdiode 2 so betrieben, dass Licht mit einer zeitlich im Rahmen des Möglichen festen Lichtstärke vorliegt. Das Licht wird durch den ersten Polarisator 5 gefiltert und der verbleibende, linear polarisierte Anteil unterliegt unabhängig von seiner Stärke einer Drehung der Polarisationsebene durch den Faraday-Effekt im Glasring 6, sofern in dem Glasring 6 ein Magnetfeld vorliegt, also Strom durch den Stromleiter 1 fließt. Ein AC-Strom führt dabei dazu, dass das Licht eine entsprechende zeitliche Modulation der Polarisationsrichtung erfährt.
  • Beim Durchtritt durch den zweiten Polarisator 7 wird das Licht wiederum gefiltert. Da der zweite Polarisator 7 vorteilhaft in einem Winkel zum ersten Polarisator von ca. 45 ° angeordnet ist, wird die Lichtstärke dabei wiederum etwas reduziert. Aus der zeitlich modulierten Polarisationsrichtung wird bei Durchtritt durch den zweiten Polarisator 7 eine modulierte Intensität. Die Fotodiode 9 wandelt das eintreffende Licht in ein elektrisches Signal mit entsprechendem AC- und DC-Anteil. Da die Veränderungen der Lichtstärke durch den Faraday-Effekt unabhängig von der absoluten Lichtstärke sind, eliminiert eine Division von AC- und DC-Anteil alle Einflüsse der absoluten Leuchtstärke der Leuchtdiode 2.
  • Die Stärke der zeitlichen Modulation der Polarisationsrichtung hängt von der Verdetkonstante des Materials des Glasrings 6 ab. Die Verdetkonstante wiederum ist abhängig von der Temperatur des Materials. Eine Veränderung der Temperatur führt daher zu einer Änderung der Stärke der zeitlichen Modulation der Polarisationsrichtung und damit zu einer Änderung des AC-Anteils des vom zweiten Polarisator 7 gefilterten Lichts. Der DC-Anteil hingegen hängt bei einem reinen AC-Strom im Stromleiter 1 nicht von der Verdetkonstante ab. Daher verbleibt bei aus dem Stand der Technik bekannten Glasring-Stromwandlern 10 eine Temperaturabhängigkeit im Signal.
  • Der erste Polarisator 5 erfährt aber durch Temperaturänderungen des Glasrings 6 ebenfalls eine Temperaturänderung. Dazu ist der erste Polarisator 5 und das zugehörige Trägerelement 25 zweckmäßig thermisch gut mit dem Glasring 6 gekoppelt. Weiterhin ist das Trägerelement 25 vorteilhaft so ausgelegt, dass sich der DC-Anteil im Signal in gleichem Maße mit der Temperatur ändert wie der AC-Anteil aufgrund der Temperaturdrift der Verdetkonstante. Im Verhältnis AC-Anteil zu DC-Anteil wird dann der Temperaturgang des Stromwandlers 10 eliminiert. Diese Auslegung passiert über die Länge der Aufhängestege 24 und die gewählte Materialkombination des Bimetallstreifens.
  • Der erste Polarisator 5 erfährt durch das Trägerelement 25 eine leichte Drehung, wenn die Temperatur sich ändert. Das in den Glasring 6 eingekoppelte Licht bleibt dabei in seiner Intensität unverändert, soweit die Leuchtdiode 2 keine Vorzugspolarisation aufweist. Durch Einflüsse des Magnetfelds im Glasring 6 erfährt das Licht eine weitere, bei AC-Strom modulierte Drehung. Beim Durchtritt durch den zweiten Polarisator 7 wird das Licht nun in leicht veränderter Fassung gefiltert, wenn eine Drehung des ersten Polarisators 5 vorliegt. Die passierte Lichtstärke in Abhängigkeit vom Winkel relativ zur Lage des zweiten Polarisators 7 ist eine sinus-artige Kurve. Liegt der erste Polarisator – abgesehen von Drehungen durch das Trägerelement 25 – in einem Winkel von 45° zum zweiten Polarisator 7, dann finden die Änderungen durch einerseits den Einfluss des Stroms im Stromleiter 1 und andererseits den Einfluss des Trägerelements 25 in der engen Umgebung von einem Winkel von 45° statt. In diesem Bereich ist die sinusartige Kurve in der ersten Näherung linear. Das bedeutet, dass kleine Drehungen durch das Trägerelement 25 zu einer proportionalen Änderung des DC-Anteils des vom zweiten Polarisator 7 durchgelassenen Lichts führen, aber zu keiner Änderung des AC-Anteils.
  • Ist die Drehstärke durch das Trägerelement 25 richtig bemessen, fallen die Änderungen im DC-Anteil durch das Trägerelement 25 und im AC-Anteil durch den Temperaturgang der Verdetkonstante bei der Division der Anteile vorteilhafterweise weg. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass keine rechnerische Kompensation und schon erst gar keine Messung der Temperatur erforderlich sind.
  • Dabei ist zweckmäßig zu beachten, dass der Temperaturgang der Verdetkonstante typischerweise positiv ist. Deshalb muss der Winkel zwischen den Polarisatoren, der typischerweise bei 45° liegt, mit zunehmender Temperatur verkleinert werden. Besonders gut funktioniert die beschriebene Kompensation, wenn die Temperaturabhängigkeit der Verdetkonstante sich nahezu linear mit der Temperatur verhält. Der Ansatz kann auch bekannte Doppelbrechungseffekte kompensieren, solange sich der Fehler linear mit der Temperatur verändert.

Claims (6)

  1. Optischer Stromwandler (10) zur Erfassung des Stromflusses durch einen Stromleiter (1) nach dem Faraday-Effekt, umfassend – eine Lichtquelle (2) zur Bereitstellung von Licht, – einen Lichtwellenleiter (6), ausgestaltet zur Führung des Lichts im Bereich des Stromleiters, insbesondere um den Stromleiter, – zwei im Lichtweg des Lichts angeordnete Polarisatoren (5, 7), – einen Fotoempfänger (9) zur Aufnahme von durch den Lichtwellenleiter (6) geleitetem Licht, – wenigstens ein Trägerelement (25) als Halterung für einen der Polarisatoren (5), dadurch gekennzeichnet, dass – das Trägerelement (25) eine erste Trägerstruktur (21) zur mechanischen Verbindung mit der Umgebung und eine zweite Trägerstruktur (22) zur mechanischen Aufnahme des Polarisators (5) umfasst, – das Trägerelement (25) wenigstens zwei Aufhängestege (24) umfasst, die die erste und zweite Trägerstruktur (21, 22) kraftschlüssig miteinander verbinden, – die Aufhängestege (24) so gestaltet sind, dass sie im Zuge einer Änderung ihrer Temperatur eine Biegung erfahren, – für wenigstens zwei der Aufhängestege (24) die Biegung in verschiedene Richtungen weist.
  2. Optischer Stromwandler (10) gemäß Anspruch 1, bei dem die Aufhängestege (24) als Bimetallstreifen ausgestaltet sind.
  3. Optischer Stromwandler (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste und zweite Trägerstruktur (21, 22) jeweils ring- oder rahmenförmig ausgestaltet sind.
  4. Optischer Stromwandler (10) gemäß Anspruch 3, bei dem die erste und zweite Trägerstruktur (21, 22) als Ring oder Rahmen um eine gemeinsame Achse (28) und gegeneinander auf der Achse (28) verschoben angeordnet sind.
  5. Optischer Stromwandler (10) gemäß Anspruch 4, bei dem die Aufhängestege (24) in der ersten und zweiten Trägerstruktur (21, 22) in außenseitigen radialen Schlitzungen kraftschlüssig mit der jeweiligen Trägerstruktur (21, 22) verbunden sind.
  6. Optischer Stromwandler (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit zwischen drei und acht Aufhängestegen (24).
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