DE1904554A1 - Strommesswerk mit magneto-optischer Wirkung - Google Patents

Description

DiPl-In₉ZERICHEWALTHER . 1904554 Anmelder; N. Y. PHiLiPS' GLOEILAMPENFABRIEKEN FH3. 31.-332.

Akte, JOB- 31 832 _at

vom: 27«Janus* 1969 ^dJo / "^JI··

Stromressverk mit magneto-optischer Wirkung.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kessen

eines einen »ltktrischen Leiter durohfliessenden 3troma mittels Faraday Rotation, in einem magneto-optischen Köfcper.

Eine solche Vorrichtung ist bekannt. Als magneto-optischer Körper wird z.B. Yttrium-Eisen-Granat (YSG) rervendet, dessen Durchlässigkeit für bestimmte Strahlung im Infrarotbereich bekannt ist. Es gibt von YEQ ableitbare Materialien, die in bestimmten Fällen wirksamer sind. Vorzugsweise werden in der bekannten Vorrichtung YUJ- oder die -von YEÖ ableitbaren katerialien verwendet wegen ihrer verhältnismässifhohen Äpfindlichkeit für !Magnetfelder.

Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung dieser Art z-d schafx'en, die sowohl bei verhältnistnSasig niedrigen als au oh bei verhältnismässij hohen Strömen den Stromwert uit ziemlich grosser

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Genauigkeit misst. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass dieVorrichtung mindestens zwei magneto-optische Körper enthält, die nacheinander von einem linear polarisierten Strahlungsbündel durchlaufen werden und dass die Körper in untereinander verschiedenen I-.agne.tfeidern angebracht sind, die deir. den Leiter durchfliesisenden Strom proportional sind, wobei Detek-tionsmittel zum kessen der Faraday-Sesän-irotation des 3trahlun-;sbündels nach Durchgang durch die Körper vorgesehen sind.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläu-

... · ■ . ■ ■ ■

tertj in der

. Fi~. 1 einen Stromleiter und ein nach dein Faraday-

Effekt wirkendes Strommessverk teilweise perspektivisch und teilweise schenatisch, ../..",".

Fij. 2 eine Abart der Vorrichtung nach Fij. 1,

Pi~, 3 eine weitere Ausbildung eines Teiles der Vorrichtung nach Pig. 1 und .

die Fie· 4 und 5 craphische Driratc-lluncen sur Erläuterung der Wirkun^weise der Vorrichtungen nach der 2rfim1ung zeigen.

Fig· 1 zeigt einen Stromleiter 1, durch, den z.ii. ein

' zu messender Wechselstrom bei einer hohen Spannung von mehreren /CiIovolt fliesat und der an einer unzugänglichen Stelle angebracht ist und sehr hohe Ströme führt. An der Kontrollstelle wird der Leiter von einem ringförmigen oder toruaförmigen llagnctkern 2 ungeben, auf den eine Sekundärspule gewickelt ist. Die Enden dieser Spule sind mit den Au3gan_f7sklemroen 4 und 5 verbunden.

Die an den Klemmen 4 und 5 auftretende Spannung hat somit eine bestimmte Beziehung zu dem ien Leiter 1 dorchfliessenden Strom. Zwei Spulen 6 und 7 sind über di'e Klemmen 4 und 5 in Reihe '

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ijes ehaltet. Die Spule . hat eine erheblich grössere Anzahl von Windungen als :lie Spule 7· Stäbe aus YBG-t-.aterial sind in den I .agnetf eidern der Spulen und 7 angebracht (in der ^rraxis ist die Spule meist auf . . einen 3t:ib.£evriekelt, Ξ-bor leutli^liheitahalber ist der Stab ausserhalb der Spulu aarrresteilt). Jede Srule und der zubehörende YBG Stab liegen ' in einer.. gesonderten, r:.a_!:;netipch abgeschirmten II.t l-IetalL^ehäuse 10, 11,· vrelche 3eliäuse selbstverständlich eine gemeinsame Trennwand 12 haben können», . .. _ , . . ,-■"..,- -■-■-.- '

Sie Wäa-le habrnDurohfülirangsöffnunrien für Leitungsdrähte und SUi-. Durchlas-Jön eines v-.ni der Li^tquelle S stammenden, linear polaripiorten Strahl-üii^nbündele (tatsächlich .Infrar-rtlicht, da Y3G-Material für 'sichtbares Licht nicht Inrchlässijj ist). Das In'frarofbündel durchlauft nacheinander üe YH3-Stabe 9 und S» zu einen Ilossirerk L Das :.es3*.'<?r!z e-nthiTlt Mittel zum .-ßestimnen der Gesamtrotation der Polarisationsfläche des Lichtes der Quelle S iänirs der durch die awei Stäbe-Γ., 9 verlr.ufenden IkUm. ' . ·

Ss sei an-enocinen, dass die Y31-3täbe derart" fluchtend

sueinander liefen, dass lie Jesar.trotation festgestellt vrerden kann, ^: ohne-dasr, die 3eiträ.je jedes Stabes für sich bestimmt trerden. Die Stäbe brauchen nicht fluchtrecht sueinander zu liegen, in vrelchein Falle Spie- ^; ^eI oder faseroptische Bahnen zum Durchführen des Bündels notwendig - " 3ein können, vrelche Elemente je für sich eine, zusätsHöhe Rotation der Tolarisationsflache herbeiführen können. Es kann daher in bestimnten Fällen je nach der Geometrie not^iendi^ sein, die Sonderbeiträge zu .

nesüen. _ ·"

_; . Fi ~> 2 mit er scheidet sich von Pi₁;.' 1" nur aarin, dä3s die ohne die Faraday Ε1απ&ιώθ| a^^bpli^ioh^darseGtellten'Spulen .6 und'7 von

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•gesonderten Sekundärspulen 3 und 3' erregt werden, die elektrisch isoliert sind. Dies bedeutet, dass die Spulen '·, und 7- nicht nur unterschiedliche Anaahlen von Windungen haben können und somit die zugehdV renden.Stäbe c und 9 verschiedentlich beeinflussen können, sondern auch dass die Differentation durch die Anbringung einer Sekundärspule 3* ■ vergrösßert werden kann, die eine erheblich gross ere Anzahl vori Windun-. gen auf frei st. als die· Sekundärspule 3.

Die Vorrichtungen nach den Fig. 1 und 2 enthalten einen

Stromtransfcreator, der ein Paar gesonderter, magneto-optischer Faraday Elemente mit.' Erregerapulen speist. Eine andere Vorrichtuni; dieser Art mit dem zusätzlichen Vorteil, dass die Flusse der Erregerspulen über die Faraday Elemente konzentriert werden, ist in „Fic· 3 darge- , stellt. ITach dieser Figur werden die Erregerspulen 6 und 7 in Reihe z.3. aus einer gesonderten Sekundärwicklung 3 eines Transfonaators über ein ISLemmenpaar 4_S 5 (siehe Fig. 1) gespeist, obgleich das Doppel— speisesystem nach Fig. 2 manchmal zu bevorzugen ist, ,

xTach Fir:. 3 sind die· Faraday Elemente 8 und 9 mit der

ft Stirnseite in I-iUftspalten 13 und 14 angeordnet, die gerade hinreichend gross sind, um die anderen Elemente aufzunehmen, die in weite? g©-, . schloäsenen, torusförmigen oder ringförmigen Weicheisenmaga©tkern©n : 15 und 16 untergebracht sind, auf die &£e ,Erreger spul ©η β "and J ge-; , vrickelt sind. Die freien Enden der Spulen nahe den Faraday Ei©Bent©a : i können konisch zugespitzt sein öder eine Form aufweisen, bei der die_:; Elemente sich besser an die Flusskonzentration anpassen, lassen. ΐ '.

.Inder dargestellten iÄnfiguration'liegen die Kerne.I5 und 16 in der gleichen^ Ebene in.unterschiedlichen ί·4ΐ—Metallabschirm- / ~ : hüllen.. Ein tnfrarotstrahlung refiekitierewiies, Kittel· (nicht dargestellt)

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ist vorgesehen, wodurch das Messbühdel nacheinander die Elemente 3 und 9 durchlaufen kann, um darauf die CJeaamtdrehunp der Polarisationsfläche* zu detektieren. Die Elemente lassen sich auch, wie in Pi{T. 1, fluchtrecht zueinander anordnen, so dass ein nicht abgelenktes, Kessbundel "beide Faraday Elemente durch ein· öffnung in der Trennwand 12 durohlaufen kann·

Unabhängig von dem optischen System ergibt die Vorrichtung.nach Fig. 3 eine wirkungsvollere Umwandlung von Strom in Faraday 'Rotationen_t aber es sei darauf hingewiesen, dass sehr hohe Primärströae durch den Reiter 1 auftreten können, so dass es überflüssig sein kann, die Empfindlichkeit durch Verwendung der Kagnetkerne 15 und 16 zu. erhöhen. -..--"-.■ · .

Nachstehend wird noch erläutert, dass die Spulen 6 und 7, die Kerne I5 und 16 und die Sekünda'rspulen 3 und 3» nach Fig. 2 identisoh oder nicht identisch sein können und dass sie derart angebracht werden können, daS3 die von jedem der Element· 8 und 9 herbeigeführten Rotationen der Polarisation·?!*©!*© zueinander gezählt oder voneinander abgezogen werden» Sie Elemente 8 und 9 können weiterhin -eine gleiche oder eine ungleiohe lünge haben»

Sie Polariiationsmeesvorrichtung K nach Fig. 1 kann ein feststehend·· Analysierprisaa antäalten, das «in Lioiitbündel «ntspreohtad der Lag· «einer PolarisatioaiflSohe «ohwiToht, während Mittel vorgesehen v«rd«n können» du»ea die d«» Auegan^iw·«« tei JUuilyaaiors mit •ine» direkten Sttahl der Quell· 8 iuf Koepen·*tion etwaiger Sohwtafcungen de? ^:^#Ϊ1· 3 rergliohtn wir*. Bei Yerwendujsn faseroptischer T·^,· niken können ein AnÄlysator vutiß. jf*f*b«nenfalle ei» jJMiteel*ktri»ch*r Lichtmesser notwendig sein, di« unfllttflHr isAoh 4e» DureixgeiJf de»

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Bündels durch das erste Faraday Element angeordnet werden, um einen Teil des Bündels aufzufangen, da faseroptische Bahnen geneigt sind, die PolarisationsflSchen au beeinträchtigen,

" Ein Vorteil der Vorrichtung nach den Pig. 1, 2 und 3 wird an Hand der Pig. 4 erläutert, die eine graphische Darstellung der Qeaamtrotation· R einer Polarieationsfläche durchzwei Faraday Elemente ist, deren Wirkungen addiert werden, als Funktion des zu

»messenden Stroms I durch den Leiter 1> der al· Abszisse aufgetragen ist.. ; ' '-.-■;"■■■ . . -

Es zeigt sich daraus, dass für verhä'ltnismä»sig nied— ■ rige Ströme (bis zu dem durch eine vertikale gestrichelte Linie 15 angedeuteten Strom) die Neigung der Kurve sehr steil ist im Vergleich zu der bei höheren Strömen. Dies ergibt sich durch eine erheblich stärkere magnetische Erregung pro Ampere für ein Faraday Element als für das ander«, so dass ein Element bei, dem durch die Linie 15 angegebenen Wert des Stroms durch den Leiter 1 gesättigt wird, liach der Sättigung trägt dieses Element praktisch nicht mehr zum Ansprechen bei hö- * tieren Strömen bei. Das ander· Element kann jedoch weiter zub Ansprechen beitragen bei erheblich höheren Ströaen, was In der graphischen Darstellung durch den Teil der Anspreohkurv· rechts de? Lini® 15 ange-

d«ut*t ist·-

Die Toratehend geschilderte Vorrichtung ergibt ein®n K*)urf*oiibe?«ieh odev «in· Nei&rfaoiiMipfindliQhkeit ohne dass ββ notwendig ist, auf mehr Bereich· ü*b*ysug*h«n oder eine Hberlaatungsköpp» lung, Par*ll#lick»ltu»gen oder Unterbrecher vorsuaehen* Bie Sättigtmg h»i keinen nachteiliges* Einfluss* da infolgedessen nur das eine Element auaner Betrieb geae»st wird bis der Strom unterhalb des durch '

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die Linie 15 angegebenen Viertes herabsinkt, während die zusätzliche Empfindlichkeit des anderen Elementes einen vorherrschenden Beitrag zum üesamtansprechen liefern wird« Sehr genaue I-'essungen bis zu 4000 Amp. lasqen sich durchführen und wahrscheinlich lassen sich Ströme bis zu 50.000 Amp. durch diese Vorrichtung messen. Es wird einleuchten, dass mehr als swei Erregerspulen und Elemente mit oder ohne Sondersekundärspulen auf dem Kern 2 anwendbar sind, um mehrere Bereiche zu decken, wobei jedes Element bei einem unterschiedlichen Pegel des zu messenden Stroms gesättigt wird.

Wenn die Empfindlichkeit ohne vorhergehende Sättigung eines Elementes erhöht werden soll, kann die darin verlaufende Lichtbahn durch Verwendung eines längeren Einkristalles oder durch Reflexion des Lichtes (ohne Änderung der Polarisation) verlängert werden, so dass das Bündel das Element mehr als einmal durchläuft. Die Faraday Gesamtrotation hängt somit von der effektiven Länge der Lichtbahn dee Elementes, von der magnetischen Erregung pro Ampere und von dem Sätti-" gungspegel des Elementes ab. . ■

Kach Fir. 4 wird vorausgesetzt, dass die Drehungen der ^; Folarisationsf lache des die Elemente durchlaufenden Strahlungsbündele addiert werden. Dies ist jedoch nicht durchaus notwendig. Ein FaIl₁, indem Subtraktion vorteilhaft ist, ist in Fig. 5 veranschaulicht. Die Subtraktion kann elektrisch, magnetisch oder optisch erfolgen.

Fig. 5 zeigt beispielsweise eine nahezu lineare Kurve

169 welche die Faraday Rotation eines ersten Elemente» als Funktion des Stroms darstellt, welches Element über dem angegebenen Strombereich nicht gesättigt wird, und eine Kurve 1ö eines entgegengesetzt erregten oder im entgegengesetzten Sinne vom Licht durchlaufenen, zxfeiten Ele—

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' · mentes, das fur niedrige Ströme bis zu einem Qrenzwert 19 empfindlich ist, der duroh die magnetische Sättigung bestimmt wird. tTber der Qrenze 1Q trägt dieses Element nicht zu der Gesantrotation bei, was durch den horizontalen Teil 17 der'Kurve angedeutet ist. Die gestrichelte Linie 20 der Kurve zeigt die kombinierte oder Gesamtrotation der beiden Elemente, woraus ersichtlich ist, dass die Empfindlichkeit über dem Stromwert Π, bei-.dem das zweite Element gesättigt ist, genau gleich ist wie vorher bei dem ersten Element. Diese Vorrichtung, spricht.-line«-- ^ ar auf Ströme über einem vorherbestimmten Sohwellenwert an. Ström·

unterhalb des Schwellenwertes können unsulässige Ströme sein, in wel-• chem Falle ein endlicher ·Stromfluss eine Viarnung oder einen Unter-." brecher betätitjen kann, oder der Strosbereich kann derart sein, dass die Ströme unterhalb des Schwellenwertes bedeutungslos sind. Wenn so-

mit die Elenente gleiche Empfindlichkeiten der unterschiedlichen Sättigungspunkte aufweisen, lassen öich die vorerwähnten Vorteile erzielen.

Ein weiterer Vorteil, der durch Subtraktion der Effekt· aber vrahrscheinlich auch durch Addition von Effekten in bestimmten I^ Pa'llen erzielbar ist, liegt in der Kbmoensation von Temperatursohwankungen, Bestimmte Faraday Elemente können stark temperaturabhängig sein. Diese Abhängiglceit kann bedenklich sein, wenn eine Temperaturunabhan·'."-". gigkeit erfordert wird und wenn Konstanttemperaturhüllen -siph-~z.fi.. in der !Iahe eines Ilochspannungskabels nicht bequem an einer Stelle verr· wenden lassen, die den Unbilden dea Ketters ausgesetzt ist. Zur Kompensation von Temperaturschwarikungen werden zvrei oder mehr aus unterschiedlichen Materiälien bestehende Elemente mit unterschiedlicher Erregung verwendet, so dass die Temtieraturabhängigkeit der Kombination innerhalb eines verlangten Bereichs minimal ist. ■

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In einer anderen Auaführungsform der Erfindung sind alle Erregerspulen 6, 7»' ubw. und alle Faraday Elemente 8, 9, usw. und auch alle Sekundärspulen 3 (wenn mehr als eine verwendet wird) identisch. Dies ergibt in sehr einfacher Weise eine summierte Efap-.findlichkeit der Vorrichtung, die oft durch einfache Verwendung längerer Baraday Elemente nicht erhöht werden kann infolge der beim Anwachsen grosser Einkristalle auftretenden Schwierigkeiten, während-die Durchführung mehrerer Bündel durch ein einziges Element unpraktisoh sein kann oder zu grosse Verluste herbeifuhren kann, da oft sohräge Durchgänge notwendig "sind. Ausserdem unterliegen groS3e Färaday Blöcke einer Depolarisation infolge der Bildung veh Weiss¹chen Gebieten. Daher kann eine Anzahl dünner, identischer Faraday Slemeritoiatten statt eines einzigen dicken Elementes verwendet werden, wobei jede Platte in gleicher Weise angeregt werden kann, wenn lediglich eine höhere Empfindlichkeit erforderlich ist und die anderen, vorerwähnten lierk— male der vorliegenden Erfindung nicht verlangt werden.

Obgleich sich jedes magneto-optische Katerial für die Faraday Elemente gewöhnlich in Form von Einkristallen zum Vermeiden einer unzulässigen Lichtstreuung verwenden lässt, werden Torzugsweise YEG- und substituierte Abkömmling dieses Materials benutst. Die meisten dieser Stoffe werden bei etwa 1500 Oersted gesättigt, aber bestimmte Abkömmlinge können ein nahezu lineares Ansprechen oberhalb dieses •Wertes; hervorrufen.

D4e Erfindung ergibt den weiteren Vorteil₉ da·· sich eine npinQtteQh* afcts^fungsfctöll*mq die Yotrlciitua« inforiagen liiet,

wfiL ffwi f$i\i ng* \,if " ---.- - .......

kommen vor lueee»·« ieldtsni;d^»ofe |i« «Yerwendung «i^fi^ dft* «am« ue-

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. . PHB. 31.632.

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gebenden Magnetkernes z.B. eines Ferritkerwes'ab^eschiAit, so dass bei direkter Erregung eines einzigen-Farädäy"Elementes-durch äas den zu ■ " *? übenrachenden Stromleiter umgebende-^dighetfeld· die-tiieisten'" Störuriga- "'; - ■ Schwierigkeiten vermieden werden. * " - = ■-.: .-■.·. ίν-·;.; -

Ein Nachteil der direkten 'Erregung Ii e^-t darin,· ^:däsä· Ähderuhgen von Strombereiohen durch. Jüiderung des Äbstandes des Paräüay-·" ^-;■--Elementes von dem Leiter herbeigefföirt werden konnten, wodurch die op-¹ tische Wirkung in unzulässigem kasse erschwert-Werden würde. DieAus^· ^: führuriesforn. nach Fig.. 4 lost diese Aufgabe und vermeidet die Kompli- ^:'= kationen. Eine direkte Erregung ruft weiterhin Unerwünschte Änderung des Abstandes zwischen dem Faraday Element und dem Erregungsfeld hervor, das durch Schwingungen langer lietzwerkkabelstücke z.3i bei star- ' kern Wind erzeugt wird. Durch Verwendung eines umhüllenden kagnetkernes oder eines die Jewegungen aufnehmenden Stücks' Zvrischenverbindungslei- ' tungmit den Klemmen 4 und 5» wie vorstehend erwähnt, werden Schwankungen der Ansprechpegel infolge Schwingungen des zu überwachenden Leiters vermieden.

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B*&

Claims (5)

PEB. 3T.832. PATEIiTAHSP R tf C H E .

1. Vorrichtung zum !lessen des einen elektrischen Leiter durchfliessenden Stroms mittels Faraday Rotation in einein magnetooptischen Körner, dadurch gekennEeichnet, dass die Vorrichtung m'indeetens zwei magneto-optische Korper enthält, die nacheinander von einem linear polarisierten Strahlungslju'ndel durchlaufen werden und die in unterschiedlichen Kk^ietfeldern angeordnet sind, die dem den Leiter durchfliessenden Strom proportional sind und dass weiterhin Detektionemittel zum Hessen der Faraday Gesamtrotation des Strahlungsbündele nach dem Durchgang durch die Korper vorgesehen sind, ·—

2. ^ Vorrichtung nach Anspruch Ij dadurch gekennzeichnet _t dass die Reihenschaltung- der Spule, durch vrelche die unterschiedlichen Magnetfelder.eraeugfe werden, mit einer Spule in dem von dem Leitung·- 3trom erzeugten liagßetfeld gekoppelt ist. " .. .

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Spulen, durch welche die unterschiedlichen kagnetfeider erzeugt werden, mit einer gesonderten Spule in dem vom Leitungsstrom erzeugten Magnetfeld gekoppelt ist und dass die gesonderten Spulen ;}· eine andere Anzahl von Windungen aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Spulen, duroh welche die unterschiedlichen Llagnetfelder erzeugt werden, auf einen Magnetkern gewickelt ist. und in dem Luftspalt jedes der Kagnetkerne ein magneto-optischer Körpetf untergebracht ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen, durch welche die unterschiedlichen Magnetfelder erzeugt werden, in ent-egengesetztem Sinne in Heihe geschaltet sind, so

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■,''■■ , PHB. 31.C32.

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•lass die Rotation der PolarisationsflÄche des linear polarisierten Bündels in den matfneto-optisohen Körpern in entge^-engesetiäter Richtung erfolgt.

909835/1108 BADORiQINAt,