DE2035923A1

DE2035923A1 - Device for measuring very high currents, especially direct currents

Info

Publication number: DE2035923A1
Application number: DE19702035923
Authority: DE
Inventors: Robert Dipl.-Ing. 7141 Kirchberg. P Renz
Original assignee: Transformatoren Union AG
Current assignee: Transformatoren Union AG
Priority date: 1970-07-20
Filing date: 1970-07-20
Publication date: 1972-04-27
Also published as: DE2035923C3; FR2104792B1; SE365615B; CA957421A; CH549806A; DE2035923B2; FR2104792A1

Description

OJnAITSFORMTORMUNIOFAKTIEHGSSSLLSCHAFT
7 Stuttgart-3ad Cannstatt, Deckerstraße 5OJnAITSFORMTORMUNIOFAKTIEHGSSSLLSCHAFT
7 Stuttgart-3ad Cannstatt, Deckerstraße 5

FST 70/24 Ln ■ V Stuttgart, 3. Juli 1970FST 70/24 Ln ■ V Stuttgart, July 3, 1970

PT-FST/Lehmenn/bcPT-FST / Lehmenn / bc

Einrichtung zur Messung sehr hoher
Ströme, insbesondere Gleichströme Device for measuring very high
Currents, especially direct currents

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung sehr hoher Ströme, insbesondere Gleichströme in Größen von 100 kA und
darüber. ...,-■■The invention relates to a device for measuring very high currents, in particular direct currents of 100 kA and
about that. ..., - ■■

■Um die Messung höher-er elektrischer Ströme in Leitungen mit normalen Messgeräten zu ermöglichen, erfolgt im praktischen B?t^T>iob die Uni'·'°ηdlung ^rler Stromhöhe durch elektromagnetische fjtroT.T,\'nndler. Das sind im Kur&schluß arbeitende Transforma-■ In order to measure higher-er to allow electric currents in lines with normal measuring devices is done in a practical B? ^{T> i} t whether the Uni '·' ° ηdlung ^r ler current level by electromagnetic fjtroT.T \ 'nndler. These are transformers working in the cure

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toren, deren Amperewindungszahl der Primärseite eine entsprechende Amperewindungszahl auf der Sekundärseite gegenübersteht, d. h. ein hoher Strom auf der Primärseite yird durch das Windungszahlverhältnis auf einen für die Messung geeigneten niedrigeren Strom auf der Sekundärseite transformiert. Bei hohen Strömen werden vorzugsweise Einleiterwandler angewandt', d. h. die Primärwicklung besteht nur aus einer Windung,, ζ. B. in Form eines geraden Leiters, der von einem magnetischen Kern umfasst ist, auf dem sich eine entsprechende Anzahl von Sekundärwindungen befindet. gates whose number of ampere-turns on the primary side is a corresponding Facing the number of ampere turns on the secondary side, d. H. a high current on the primary side will pass through the turns ratio is transformed to a lower current on the secondary side that is suitable for the measurement. at high currents are preferably used single-phase transformers', i. H. the primary winding consists of only one turn ,, ζ. B. in the form of a straight conductor surrounded by a magnetic core on which there is a corresponding number of secondary turns.

Auch zur Kessung von Gleichströmen bedient man sich vorzugsweise eines ähnlichen Aufbaus, allerdings unter Verwendung des trnnsduktorisehen Prinzips, bei welchem unter Ausnutzung des Sättigungsknicks des verwendeten magnetischen Materials die zur Kompensation der vom Gleichstrom erzugten Durchflutung sekundäre Gegendurchflutung aus einem Hilfswechselstromnetz entnommen wird, wobei als Meßgröße für die Höhe des Gleichstromes direkt der fließende Wechselstrom dient.A similar structure is also preferably used to cool direct currents, but using the Trnnsduktorisehen principle, in which using the Saturation kink of the magnetic material used to compensate for the flow generated by the direct current secondary backflow from an auxiliary alternating current network is taken, the flowing alternating current being used directly as a measured variable for the level of the direct current.

Erreichen nun die zu meßenden Primärströme außerordentlich hohe Bereiche, 100 kA und darüber, so wird der Aufwand für die auf der Sekundärseite aufzubringenden Windungen außerordentlich hoch, zudem bereitet die Stromerviärmung in den Sekundärwicklungen und der Einfluß von Feldunsymmotrien untT Fremdfeldern zunehmende Schwierigkeiten!If the primary currents to be measured now reach extraordinarily high ranges, 100 kA and above, the effort for the turns to be applied on the secondary side are extraordinary high, and the Stromerviärmung in the Secondary windings and the influence of field asymmetries underT External fields increasing difficulties!

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BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

Es ist nun schon bekannt, zur Messung von »Strömen auf hohen Potentialen, äie also außerordentlich aufwendige und kostspielige Isolstionsmaßnahmen erfordern, sogenannte magneto-•opfci-sche .Wandler zu verv;enden, bei denen die.Potentialdifferenz von Hochspannung auf Erde durch eine Strahlung überbrückt wird, d. h. auf Hochspannung wird ein stromproportionales Strahlungssignal erzeugt, das auf Erdpotential von einem entsprechenden Empfänger aufgenommen wird. Eine dieser bekannten Lösungen besteht darin, im Magnetfeld des auf Hochspannung liegenden Stromleiters ein den Faraday-Effekt aufweisendes Material anzubringen, d. h. einen Stoff, der lichtdurchläßig ist, der jedoch unter dem Einfluß eines Magnetfeldes die Polarisationsebene des durchdringenden Lichtes verdreht. Die Lösungen gehen nun dahin, im Magnetfeld des auf Hochspannung liegenden Leiters einen solchen Stoff anzubringen, ihn vchkErdpotential mit einem polarisierten Lichtstrahl anzustrahlen und diesen nach Spiegelung auf Erdpotential wieder aufzunehmen. Die in dem Material erfolgte Verdrehung der Polarisationsebene stellt nun ein proportionales Maß für die Größe des Stromes· im Leiter dar. It is already known to measure »currents at high Potentials, which are extremely complex and costly Require isolation measures, so-called magneto- • opfci-cal .Transformers should be used in which the .potential difference from high voltage to earth is bridged by radiation, d. H. on high voltage becomes a current proportional Radiation signal generated, which is picked up at ground potential by a corresponding receiver. One of these known solutions is to use the Faraday effect in the magnetic field of the high-voltage current conductor to attach having material, d. H. a substance that is translucent, but under the influence of a Magnetic field rotates the plane of polarization of the penetrating light. The solutions now go there, in the magnetic field of the high-voltage conductor such a substance to attach him vchkEarth potential with a polarized To illuminate the light beam and to pick it up again after being reflected to earth potential. Which occurred in the material Rotation of the polarization plane now represents a proportional measure for the magnitude of the current in the conductor.

Berücksichtigt nsn bei sehr hohen Strömen die hohen Kosten für die Herstellung der Wicklungen mit sehr hohen Uindungszahlen und die eben fall π hohem Aufvrendungen für die Abfuhr der Vorluntv.'ärme, so v/i rd eine Einrichtung zur Strommessung Wirt scha ftlich, bei welche·" die Frlmör-durchflutung nicht durch eine ebenso große ookundarc3urchflutunp; kompensiert v/erden muß,If the currents are very high, nsn takes into account the high cost of the production of windings with very high numbers of turns and the high expenditures for the removal of the Vorluntv.'arm, so v / i rd a device for current measurement economically, at which · "the Frlmör flooding is not through a equally large ookundarc3urchflutunp; must be compensated / grounded,

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sondern erfindungsgemäß die Messung mittels polarisierten Lichtes und eines den Faraday-Effekt aufweisenden im Magnetfeld befindlichen Materials erfolgt. but according to the invention the measurement by means of polarized Light and a material having the Faraday effect in the magnetic field takes place.

Wird nun gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens das optisch aktive Material auf einem geschlossenen Weg um die zu messende Prinär^durchflutung angeordnet, so i^ird auf diesem genau die umschlossene Primärdurchflutung Q⁹ΦHoIGq?faßt, da für die Drehung der Polarisationsebene .eines diesen Weg durchlaufenden Licht strahl er die Beziehung bf ~ C»0 H c(($. gilt wobei C eine Materialkonstante (Verdet-Konstante) ist* Einstreuende Freradfeider und Unsymnetrien der Anordnung bleiben hierbei ohne Auswirkung.If, according to a further development of the concept of the invention, the optically active material is arranged on a closed path around the primary flow to be measured, then exactly the enclosed primary flow Q ⁹ ΦHoIGq? sums up, because for the rotation of the polarization plane. a light traversing this path he radiates the relation bf ~ C »0 H c (($. where C is a material constant (Verdet constant) * scattering Freradfeider and asymmetries of the arrangement remain without Impact.

Die tatsächliche Ausbildung eines solchen einen Umlauf erfassenden Gerätes-wird aus praktischen Gründen die Gestalt eines Rahmens haben."The actual formation of such a circulating one Device-will have the shape of a frame for practical reasons. "

Als praktische Auführung eines solchen Rahmens kann eine viereckige Gestalt gewählt werden, wobei die Ecken mit unter 4-5° geneigten Reflexionsflächen versehen sind. Diese werden in" zweckmäßiger V/eise eingeschliffen und von außen verspiegelt. As a practical implementation of such a frame, a square shape can be chosen, with the corners with under 4-5 ° inclined reflective surfaces are provided. These will Ground in an appropriate way and mirrored on the outside.

Man kann jedoch den Rahmen auch in Abweichung von dor viereckigen Form nus in solcher Art gekrümmten teilen zusammon-However, the frame can also be square in deviation from it Form nus in such a way curved parts together-

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setzen, daß innerhalb des Rahmenquerschnittes Totalreflektion auftritt und ein eingesetzter Lichtstrahl den vollen Umlauf bewerkstelligt, Eine zweckmäßige Ausbildung dieses Gedankens ist die Herstellung des Rahmens aus faseroptischem Material, d. h. analog der bekannten Faseroptik, die im Stande ist, licht der Länge nach auch in Krümmungen fortzuleiten.put that within the frame cross-section total reflection occurs and an inserted light beam accomplishes the full circulation, an expedient design of this The idea is to manufacture the frame from fiber optic Material, d. H. analogous to the known fiber optics, which are capable is to transmit light lengthways also in curves.

Zur Verstärkung des Effektes kann es zweckmäßig sein, den lichtführenden'Rahmen mehrmals um den Leiter herumzuführen, so daß der stromproportionale Verdrehungseffekt der PoIarisationsebene entsprechend der Windungszahl verstärkt wird.To reinforce the effect, it can be useful to run the light-guiding frame around the conductor several times. so that the current-proportional twisting effect of the polarization level is reinforced according to the number of turns.

Der aus dem Rahmen austretende mit dem Meßsignal modulierte Lichtstrahl wird mittels eines geeigneten Detektors zur Erfassung des Drehwinkels der Polarisationsebene aufgefangen. Dieser kann z.B. aus einem Polarisationsfilter mit nachgeschalteter Photozelle bestehen. Das von der Photozelle aufgenommene Signal wird dann in einem Heßwertverstärker verstärkt, der die für die Meßung erforderliche Leistung abgibt.The one emerging from the frame modulated with the measurement signal Light beam is captured by means of a suitable detector to detect the angle of rotation of the plane of polarization. This can e.g. consist of a polarization filter with a downstream Photocell exist. The signal picked up by the photocell is then amplified in a measured value amplifier, who delivers the power required for the measurement.

Eine größere Genauigkeit ist jedoch durch ein Kompensationsverfahren erreichbar, bei welchem der austretende Lichstrahl in einem zweiten nachfolgenden den Faraday-Effekt -aufweisenden Körper, um den eine Kompensationswicklung gelebt ist, in die ursprüngliche Polarisationsebene zurückgedreht wird. Ein geeigneter Indikator sorgt hierbei dafür, daß die urs^rürifiicho Polnrxcntionnebene und dxo nach den DurchlaufHowever, greater accuracy is achieved through a compensation method achievable, in which the exiting light beam in a second subsequent one having the Faraday effect Body around which a compensatory winding is lived, is rotated back to the original plane of polarization. A suitable indicator ensures that the urs ^ rürifiicho Pole xcntionn level and dxo after the pass

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vorhandene Polarisationsebene des Lichtes deckungsgleich werden, so daß dann der auf zuwendende Kompensationsstrom ein direkt proportionales Signal für den zu meßenden Stirn darstellt. existing polarization plane of the light are congruent, so that then the compensation current to be applied represents directly proportional signal for the forehead to be measured.

Um den Eompensationsaufwand klein zu halten, kann, der Lichtweg in dem nachgeschalteten Körper durch Mehrfachreflexionen an den verspiegelten Endflächen verlängert werden.In order to keep the compensation effort small, the light path can be extended in the downstream body by multiple reflections on the mirrored end faces.

Anhand der nachstehend beschriebenen Figuren soll das erfindungsgemäße Keßrinzip noch näher erläutert werden: In Figur 1 umfaßt ein rechteckiger Rahmen aus den Faraday-Effekt aufweisendem Material 1 den einen hohen Strom führenden Leiter 2, so daß ein gesamtes Umlauf in tergral ψ ric!6 von dem Rahmen erfasst wird. Diener Rahmen besitzt an den vier Ecken eigeschliffene und verspiegelte unter 45 geneigte Reflektionsflachen, so daß ein Lichtstrahl 4 den vollkomenden Umlauf auf dem Weg S (y de) vollführen muß.Keßrinzip the invention will be explained in more detail with reference to the below-described figures: In Figure 1 a rectangular frame of the Faraday effect aufweisendem fabric 1 comprises the high current-carrying conductor 2, so that an entire revolution in tergral ψ ric 6 of the! Frame is captured. Diener Frame has polished and mirrored reflection surfaces inclined at 45 at the four corners, so that a light beam 4 has to complete the complete cycle on the path S (y de) .

An der Stelle 5 besitzt der Rahmen eine unter 45° geschnittene Schnittfläche, die verspiegelt ist, an welcher der Lichtstrahl in den Rahmen eintritt und nach vollzogenem Umlauf wieder austritt. In Figur 2 ist in Seitenansicht des Rohrrens diese Spiegelfläche und der Verlauf des Lichtstrahls prinzipiel dargestellt. Mit 6 ist die prizipielle Darstellung der Kompensationseinrichtung bezeichnet, die aus einem den Faraday-Effekt aufweisendem Körper und einer in diesom dss zur Ver-At the point 5, the frame has a cut surface cut at 45 °, which is mirrored, at which the light beam enters the frame and exits again after it has completed its rotation. In Figure 2 , this mirror surface and the course of the light beam is shown in principle in side view of the tube. With 6 the basic representation of the compensation device is referred to, which consists of a body exhibiting the Faraday effect and one in diesom dss for

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drehung der Polarisationsebene erforderliche magnetische Jelä erzeugenden Wicklung besteht. Der im Meßgerät 7 geincnsene Strom, der zur Rücltdrehung der im Rahmen 1 verdrehten Polarisationsebene des Lichtes in die ursprüngliche Lage erforderlich ist, ist eine direkt proportionale Meßgröße für den Strom im Leiter 2. rotation of the plane of polarization required magnetic Jelä generating winding consists. The current collected in the measuring device 7, which is required to rotate the polarization plane of the light rotated in the frame 1 back to the original position, is a directly proportional measured variable for the current in the conductor 2.

Gegenüber dem bekannten transduktorisehen Gleichst'roinnießwandlerprinzip, bei v/elchem die Stromrichtung des zu messenden · I Stromes nur unter erheblichem Aufv:and mittels Zusatzgeräten festgestellt werden kann, zeigt die erfindungsgenäße Meßeinrichtung direkt auch die Stromrichtung des zu messenden Prιmärstromes en. Außerdem lassen sich auch ohne weiteres Mischströme, d. h. Wechselströme mit hohen Gleichstromgliedanteilen erfassen.Compared to the well-known transductive DC current converter principle, at v / elchem the direction of the current of the · I to be measured Electricity only with considerable expenditure by means of additional devices can be determined, shows the measuring device according to the invention also the direction of flow of the primary flow to be measured directly. In addition, you can also easily Mixed flows, d. H. Alternating currents with high direct current component proportions capture.

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Claims

• · TRANSFORMATOREN UNION AKTIENGESELLSCHAFT 7 Stuttgart-Bad Cannstatt, Oeckerstraße 5 FST 70/24 Ln Stuttgart, July 3, 1970 'PT-FST / Lehmanr. / Bc patent claims

1. Device for measuring very high currents, in particular direct currents, characterized in that the Kessun ^ "r means of polarized light and a Faradav-Ef.fo ·· - ¹ -aufv / eisenden material located in the magnetic field.

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2. Einrichttmg according to claim 1, characterized in that • that the Faraday effect exhibiting material on a closed V / eg ■ $ ~ ψ d *> comprises the conductor.

3 · Device according to claim 2, characterized in that the frame is square and inclined at 4-5 ° in the corners Has reflective surfaces. '

4. Device according to claim 3, characterized in that the reflective surfaces are ground in and are mirrored from the outside. '

5. Device according to claim 2, characterized in that that the frame is composed of so curved parts is that total internal reflection occurs.

6. Device according to claim 5 »characterized in that that the frame is constructed as fiber optics.

7 · Device according to one of claims 2-6, characterized characterized in that the light beam is passed around the conductor a plurality of times. '

8. Device according to one of claims 1 - 7), characterized in that that the angle of rotation of the plane of polarization is detected in a compensation device.

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9. Device according to one of claims 1-8, characterized characterized in that the Faraday effect exhibiting Material is flint glass. -

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