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Strommeßvorrichtung in Hochspannungsnetzen mit optischer Übertragung
Zur Messung eines einen Leiter mit erhöhtem Potential durchfließenden Stromes wurden
bisher die bekannten Magnettransformatoren verwendet. Bei sehr hohen Spannungen,
die beispielsweise höher als 400 000 Volt liegen, wird in diesem Zusammenhang jedoch
die Verwendung von bekannten Transformatoren erforderlich, deren Preis mit Rücksicht
auf die bei der für derartige Spannungen vorzusehenden Isolierung auftretenden Schwierigkeiten
übermäßig hoch liegt. Um für diesen Mangel Abhilfe zu schaffen, wurde gemäß dem
Artikel »Current measurement by means of the Faraday effect«, erschienen in dem
englischen Magazin »The Engineers Digest« vom Dezember 1956, Bd. 17, S. 499, bereits
der Vorschlag gemacht, ein Lichtbündel zu verwenden, das von einer Quelle ausgeht,
deren Potential dem Erdpotential nahe kommt, wobei das Lichtbündel durch einen Polarisator
polarisiert ist. Die Polarisationsebene dieses Bündels führt eine Drehung aus beim
Durchtritt des Bündels durch einen geeigneten durchsichtigen Körper, beispielsweise
schweres Flintglas, der einem von einem erhöhten Potential durchströmten Leiter
in einem von dem zu messenden Strom erzeugten Magnetfeld benachbart liegt. Tatsächlich
hat Faraday entdeckt, daß bestimmte durchsichtige isotrope flüssige oder feste Körper,
wenn sie in ein Magnetfeld eingebracht werden, eine Drehung der Polarisationsebene
eines Lichtbündels bewirken, das parallel zur Richtung des Magnetfeldes durch sie
hindurchgeht. Eine besonders starke Drehung tritt bei denjenigen Körpern auf, welche
eine starke Brechungsstreuung besitzen, wie das beispielsweise bei Flintglas der
Fall ist. Die Drehung der Polarisationsebene ist proportional dem Magnetfeld, das
durch einen Strom erzeugt wird, welcher eine um den durchsichtigen Körper herum
angeordnete Spule durchfließt. Das aus diesem Körper austretende Lichtbündel wird
zur Erde zurückgelenkt, wo es durch einen zweiten Polarisator oder Analysator hindurchtritt,
hinter dem sich eine fotoelektrische Zelle oder ein Fotomultiplikator befindet,
mit dem die Lichtstärke des aus dem Analysator austretenden Lichtbündels gemessen
wird. Durch entsprechende Anordnung der Polarisationsachse der Polarisatoren kann
unter der Wirkung des Faradayeffektes eine Modulation des auf die fotoelektrische
Zelle auftreffenden Lichtbündelflusses erzielt werden. Durch Messung des an der
fotoelektrischen Zelle erhaltenen elektrischen Ausgangssignals wird indirekt ein
Maß für den in dem Leiter mit hoher Spannung fließenden Strom erhalten, der das
die Polarisationsdrehung bewirkende Magnetfeld erzeugt.
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Bei diesem Verfahren ergeben sich jedoch insofern Schwierigkeiten,
als bei den verwendeten optischen und elektrischen Vorrichtungen mit der Zeit Abweichungen
auftreten. So wird beispielsweise durch das Altern der Lichtquelle (Lampe), des
Detektors (Fotomultiplikator, Verstärker) und der Sekundärlast (Oszilloskop), die
alle von dem Verstärker gespeist werden, im Endmeßergebnis ein entsprechend proportional
anteiliger Fehler verursacht, der nur ungern in Kauf genommen wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromreduktor zu
schaffen, der von den alterungsbedingten und anderen Störungen unbeeinflußbar ist
und bei dem der Strom unter Zuhilfenahme einer Nullmethode gemessen werden kann,
mit deren Hilfe eine hohe Meßgenauigkeit erzielbar ist.
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Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung mit optischer Übertragung zur
Messung eines in einem unter einem erhöhten Potential stehenden fließenden Stromes
mit Hilfe einer Vorrichtung, die den Fluß eines polarisierten Lichtbündels moduliert,
dessen Polarisationsebene unter der Einwirkung eines von dem zu messenden Strom
erzeugten Magnetfeldes eine Drehung ausführt, ist dadurch gekennzeichnet, daß das
polarisierte Lichtbündel durch eine zum Ausgleich vorgesehene Magnetdrehvorrichtung
hindurchgeschickt
wird, welche sich in Nachbarschaft der Erde befindet
und eine Drehung in umgekehrter Richtung herbeiführt, um auf diese Weise die erste
Drehung auszugleichen, daß unter Zuhilfenahme einer entsprechenden Meßvorrichtung
der die Ausgleichsdrehung bewirkende Strom gemessen wird und daß Trennmittel vorgesehen
sind, durch die das aus der Ausgleichsmagnetdrehvorrichtung austretende Lichtbündel
in zwei Teillichtbündel zerlegt wird, die jeweils auf zwei voneinander gesonderte
fotoelektrische Vorrichtungen fallen, die zu einer ausgeglichenen Schaltung gehören.
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Die Teilung des Lichtbündels kann dabei unter Zuhilfenahme einer
halbreflektierenden Platte vorgenommen werden, die normalerweise eine entpolarisierende
Wirkung auf das reflektierte Lichtbündel besitzt. Das übertragene Licht wird unter
Zuhilfenahme eines Polarisators oder Analysators analysiert, und unter Zuhilfenahme
der ausgeglichenen Schaltung können die unregelmäßigen Störungen ausgeschaltet werden,
welche bei den verschiedenen Elementen auftreten. In jedem Fall kann die Ansprechempfindlichkeit
verdoppelt werden, wenn das reflektierte Lichtbündel gemäß einer Weiterentwicklung
der Erfindung ebenfalls analysiert wird.
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Eine Vereinfachung besteht darin, die halbrefiektierende Platte derart
anzubringen, daß sie von dem polarisierten Lichtbündel mit einem Einfallwinkel beleuchtet
wird, der demjenigen des Brewsterschen Einfallwinkels benachbart liegt. Auf diese
Weise erübrigt sich der Analysator für das reflektierte Lichtbündel, wenn die Analyse
von der Platte selbst vorgenommen wird, die in diesem Fall als Analysator für das
reflektierte Lichtbündel dient. Auf diese Weise werden Lichtleistung und Ansprechempfindlichkeit
erhöht, da keinerlei teilweise Absorption stattfindet. Mit Hilfe dieser Anordnung
nach dem Brewsterschen Winkel erübrigt sich auch die Anordnung eines Analysators
für das zu übertragende Lichtbündel; denn beim Vorliegen des Brewsterschen Einfallwinkels
wird das übertragende Licht ebenfalls polarisiert.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist mit den erfindungswesentlichen
Merkmalen in der Zeichnung dargestellt. die eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt.
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Gemäß der Zeichnung geht von einer Lichtquelle 11 eine sichtbare,
infrarote oder ultraviolette Strahlung aus. Die Lichtquelle befindet sich vorzugsweise
auf derjenigen Seite, an der die Messung vorgenommen wird, und besitzt ein dem Erdpotential
gleiches oder benachbartes Potential. Das ausgestrahlte Lichtbündel geht durch ein
optisches System 12 hindurch, durch das es in Richtung auf einen unter einem erhöhten
Potential stehenden Leiter 13 gelenkt wird, in dem der zu messende Strom fließt.
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Mit Hilfe eines Prismensystems 14 wird das Lichtbündel zu einem Polarisator
15 zurückgeworfen, der auch zwischen der Linse 12 und den Prismen 14 angeordnet
sein könnte. Das polarisierte Lichtbündel tritt im Anschluß hieran durch einen transparenten
Körper 16 hindurch, der in einem axialen Magnetfeld angeordnet ist, welches von
einer Spule 17 erzeugt wird, durch welche der in dem Leiter 13 fließende bzw. ein
entsprechend proportionaler Strom i, hindurchfließt. Unter der Wirkung des Magnetfeldes
wird die Polarisationsebene des Lichtbündels im Inneren des Körpers 16, der einen
erhöhten Verdet-
Index besitzt und aus einem schweren Flintglas bestehen kann, um
einen Winkel gedreht, welcher der Intensität des Magnetfeldes proportional ist,
das durch denjenigen Strom erzeugt wird, welcher dem in dem Leiter 13 fließenden
Strom proportional ist.
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Dieser Effekt ist als magnetische Polarisationsdrehung oder Faraday-Effekt
bekannt.
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Auf der Meßseite wird bei einem dem Erdpotential benachbarten Potential
diese Drehung der Polarisationsebene durch eine Kompensations- oder Nullmethode
gemessen. Das aus der Vorrichtung 16 zur magnetischen Drehung der Polarisationsebene
austretende Lichtbündel geht durch eine zweite Vorrichtung 18 zur magnetischen Drehung
der Polarisationsebene hindurch, die der Vorrichtung 16 analog ausgebildet und in
dem Magnetfeld angeordnet ist, welches durch eine Spule 19 erzeugt wird, wobei die
Richtung dieser Vorrichtung zu derjenigen der Lichtstrahlen parallel ist.
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Die Kompensationsmethode beruht darauf, daß bei zwei einander gleichen
Drehungen das austretende Lichtbündel in der gleichen Ebene polarisiert wird wie
das in die erste Drehvorrichtung 16 einfallende Lichtbündel, und der durch die Spule
19 hindurchfließende Sekundärstrom i ist in diesem Fall proportional dem in dem
Leiterl3 fließenden Strom. Hinsichtlich der Wirkungsweise liegt eine Analogie zur
Wirkungsweise eines herkömmlichen Transformators vor. So ist der Lichtfluß vergleichbar
mit dem Magnetfluß eines elektromagnetischen Transformators, wobei die Spule 17
die Primäramperewindungen und die Spule 19 die Sekundäramperewindungen darstellt.
Jede Differenz zwischen den Primäramperewindungen und den Sekundäramperewindungen
macht sich, so klein sie auch sein mag, durch eine leichte Drehung der Polarisationsebene
des Lichtbündels bemerkbar, das aus der Drehvorrichtung 18 austritt, wobei die Drehung
in bezug auf die ursprüngliche feststehende Orientierung in der einen oder anderen
Richtung erfolgen kann. Diese Drehung wird mit Hilfe eines Analysators 20 aufgezeigt,
auf den eine foto elektrische Zelle 21 folgt, wobei ein optisches System 12' eine
Fokalisierung des Lichtbündels bewirkt. Eine halbreflektierende Platte 22 lenkt
einen Teil des einfallenden Lichtbündels zu einer zweiten fotoelektrischen Zelle
23. Der ermittelte Unterschied der von den jeweils durch das übertragene Teillichtbündel
und das reflektierte Teillichtbündel beleuchteten Zellen 21 bzw. 23 ausgehenden
Signale wird in einer Ausgleichsvorrichtung24 verarbeitet, die dann ein Sekundärsignal
abgibt, das von den in dem Leitbündel auftretenden Störungen nicht beeinflußt ist.
Dieses bei 25 verstärkte Signal ruft nunmehr den Strom i2 hervor, der die Spule
19 und die Außenlast 26 speist, welche durch entsprechende Meß-, Zähl- oder Relaisgeräte
gebildet wird. Die Wirkungsweise ist dabei derart, daß der Verstärker 25 auf den
Sekundärstrom i2 derart einwirkt, daß die Differenz zwischen den Pnmär-und Sekundäramperewindungen
stets die Neigung hat, Null zu werden.
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Um sicherzugehen, daß der fotoelektrische Anzeiger ein Signal empfängt,
mit dessen Hilfe der Verstärker 25 gesteuert werden kann, muß in einem gegebenen
Zustand jeweils zwischen den Primär- und den Sekundäramperewindungen periodisch
eine geringe Differenz vorliegen. Diese geringe Differenz entspricht den magnetisierenden
Amperewindungen
in einem elektromagnetischen Transformator der herkömmlichen
Bauart.
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Die optische Vorrichtung wird vorzugsweise insgesamt in eine Schutzumhüllung
od. dgl. eingesetzt, deren Mittelteil 27 eine Isolierung bildet.
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Vorteilhafterweise wird zwischen die Platte 22 und die Zelle 23 ein
zweiter Analysator 28 eingeschaltet, wodurch die Ansprechempfindlichkeit verdoppelt
werden kann.
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Es ist bekannt, daß zwischen der Lichtstärke F des aus dem Analysator
20 bzw. 28 austretenden Lichtbündels P und dem Fluß Fo des auf den Polarisator 15
einfallenden Lichtstrahles folgende Beziehung besteht: F = F0/cos2 α, 2 wobei
α den Winkel zwischen den Polarisationsachsen des Polarisators 15 und des
Analysators 20 bzw. 28 darstellt.
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Tatsächlich handelt es sich bei F0 um eine unregelmäßige Funktion
der Zeit, wobei die Fluktuationen unterschiedliche Ursachen haben können: So können
sie beispielsweise mechanischer Art sein. indem sie durch Stöße, Windeinwirkung,
elektrodynamische Wirkungen, Erschütterungen der optischen Bauteile und insbesondere
auch Erschütterungen des Glühdrahtes der Lampe hervorgerufen werden.
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Als weitere Möglichkeit kommen elektrische Fehlerquellen hinzu, die
infolge von Schwankungen in der Zuführungsspannung für die Speisung der Lichtquelle
auftreten. Eine weitere Fehlerquelle liegt in der Alterung der Lampe und der elektronischen
und anderen Bauteile der Anlage.
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Bei einer Differenzierung der vorstehenden Formel erhält man dF =
-F0 sin α cos α d α; diese Formel hat ein Maximum bei = z + K,
4 2 wobei K eine ganze Zahl darstellt.
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Wenn a = 4 so erhält man dF = - Foda.
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2 Wenn α = #/4 + #/2 so erhält man dF = F0/2dα.
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Nachdem die Zellen 21 und 23 einander gegengeschaltet sind und die
eine Zelle hinter einem Analysator angeordnet ist, dessen Polarisationsebene mit
derjenigen
des Polarisators 15 einen Winkel von 45° und der anderen einen Winkel von 1350 einschließt,
geht dem Verstärker 25 ein Signal zu, das proportional dF=(dF)oc= 4 + K 4 2 -(dF)a=-4
1 K =Fodoc 2 ist.
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Auf diese Weise wird die Ansprechempfindlichkeit verdoppelt und gleichzeitig
die Einwirkung der Störungen völlig ausgeschaltet.
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Wird die halbreflektierende Platte 22 derart angeordnet, daß der
Einfallswinkel des Lichtbündels P dem Brewsterschen Winkel (550 bei Glas) nahekommt,
so erübrigt sich die Anbringung des Analysators 28 und gegebenenfalls auch des Analysators
20, wie dies vorstehend bereits im einzelnen erläutert wurde.