DE2130046B2

DE2130046B2 - Einrichtung zur Messung von Spannungen an Hochspannungsleitern

Info

Publication number: DE2130046B2
Application number: DE2130046A
Authority: DE
Inventors: Willi Dr.-Ing. 1000 Berlin Mueller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-06-11
Filing date: 1971-06-11
Publication date: 1974-09-12
Also published as: US3810013A; DE2130046C3; DE2130046A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Errichtung zu Messung von Spannungen an Hochspannungsleitern mit einem in einem von der zu messenden Spannung] hervorgerufenen elektrischen Feld angeordneten Meßfühler aus einem eine Drehung der Polarisations ebene von polarisiertem Licht bewirkenden Material der von polarisiertem Licht durchsetzt ist, so daß da Licht eine von der Höhe der zu messenden Spannung abhängige Drehung seiner Polarisationsebene erfährt, und mit einer auf Niederspannungspotential angeord neten Auswerteeinrichtung, in der das polarisierte Licht in eine der zu messenden Spannung proportio nale elektrische Meßgröße umgesetzt wird.

Zur Messung von hohen Spannungen sind bishe; meistens induktive oder kapazitive Spannungswand ler eingesetzt worden. Die Verwendung von indukti ven Spannungswandlern stößt dann auf Schwierigkei ten, wenn verhältnismäßig hohe Spannungen gemes sen werden sollen. In diesem Falle entsteht nämlicr ein sehr hoher Aufwand für die Isolation, der es an geraten erscheinen läßt, induktive Spannungswandle aus wirtschaftlichen Gründen zur Messung sehr hohe Spannungen nicht einzusetzen.

Kapazitive Spannungswandler lassen sich mit ver tretbarem Aufwand zwar auch zur Messung seh hoher Spannungen verwenden, jedoch haben sie de prinzipiellen Nachteil, daß sie zu Kippschwingunge neigen. Zur Unterdrückung dieser Kippschwingunge

sind Zusatzeinrichtungen erforderlich, die einen recht Lichtwellenleiter zeigen erfahrungsgemäß eine be-

beträchtlichen Aufwand erfordern. sutamtt Temperaturabhängigkeit insofern, als die

Deshalb ist bereits eine Spannungs-Reduziervor- Drehung der Polarisationsebene des Lichtes in ihnen

richtung mit einer elektrisch-optischen Vorrichtung auch von der jeweiligen Temperatur des Lichtwellen-

^ent^i?^{n WOrde}° ^(DTr°^ ^{1591 976)}' ^{bei der der 5} kiters abhängig ist. Damit sich diese Temperaturab-

Meßfuhler aus einer Reihe von doppelb-echenden hängigkeit nicht aui das Meßergebnis auswirken

Pockels-Zellen besteht; die Pockels-Zellen sind in kann, ist vorteilhafterweise eine mit einer Abschir-

Reihe angeordnet und an (he zu messende Hoch- _mung versehene Referenzwicklung aus einem Licht-

spannung angeschlossen. Die Pockels-Zellen werden wellenleiter vorgesehen, die von polarisiertem Licht

nacheinander von einem polarisierten Lichtstrahl i. durchsetzt ist; der Referenzwicklung ist in der Aus-

duichsetet, so daß der austretende Lichtstrahl eine werteeinrichtung ein Auswerteten zugeordnet, in dem

Polarisation anweist, die der an den Pockels-Zellen _{die in der} Referenzwicklung aufgettetene Drehung

hegenden Hochspannung entspricht. Die bekannte der Polarisationsebene ausgewertet wird.

Spannungs-Reduziervornchtung ist m der Herstellung _Der Auswerteteil enthält dabei vorteilhafterweise

wegen der Montage de... vielen Pockels-Zellen recht i₅ einen weiteren magneto-optischen Modulator, der aus

aufwendig. Hinzu kommt der Aufwand für die erfor- _{einer s le aus e}>_{em Lic}£._{twellenleiteir und aus ein}er

derhche Justierung der einzelnen Pockek-Zellen im _{au{ die} ^P _{s le aufgebrachten e}i_ektrischen Wicklung

Hmbhck auf den pc^nsierten Lichtstrahl. besteht

Der Erfindung liegt ^.her die Aufgabe zugrunde, _Zur Übertragung des polarisierten Lichtes zwischen

eine Einrichtung zur Messung von Spannungen an _{M der Toroidspu}f_{e b}L. der kaferenzwicklung und der

Hochspamiungs eitern mit optischen Mitteln unter _Auswerteeiri ^P _{ricntung dienen vorteiIhai}f_terweise eben-

Einsatz von polarisiertem Li^M zu schaffen die be- c n τ · ν. « ι · τ» j .,, , , ■ .

sonders wirtschaftlich herstelJW ist. falls Lichtwellenleiter. Besonders vorteilhaft erscheint

•7 ,r ι η«,™ nieder α„f„»κ · ♦ ^ α -o ^es> ^wenn diese Lichtwellenleiter Enden der Toroid-

Zur Losung dieser Aufgabe ist erfindungsgemaß _{le und der Referenzwicklung sind}. _{ln diesem}

das eine Drehung der Polarisationsebene bewirkende « _r „ , „ --,·,», ι .i .

Material ein Lichtwellenleiter und der Meßfühler ist F^a"^e _t ^e"^{tfa len naml}'^ch Ankopplungsproblerne der

eine vom Hochspannungsleiter durchsetzte Toroid- ^Lich*velknle,ter an die Toro.dspule bzw. die Refe-

spule aus dem Lichtwellenleiter. Mit Lichtwellen- renzwicklung. _t -,_{u t}, _u ■ _A ^

leitern sind dabei insbesondere Index-Gradient-Leiter, . ^{Es 6}^¹" ^auch l°^neiü}f, wenn bei der erfin-

Gradientenfasern gemeint. Lichtwellenleiter können 30 dungsgemaßen Einrichtung jedem magneto-optischen

linear polarisierte Lichtstrahlen führen, ohne daß riie Modulator der Auswertee.nrichtung ein opüscher

Polarisation des Lichtes zerstört wird. ^Ϊ^Ζ ^nachf^ΟΓαηε^ ^ist' ^n denen jeweils zwer

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, ^Lich;^strahlen. auf jeweils zwe, Photozel en gesandt daß linear polarisiertes Licht beim Durchgang durch ^werden; .^a" '^eweils ™^{ei phoiOZ}f'·⁶» *L^{ein D}'^ffe' Stoffe. die in starken elektrischen oder magnetischen 35 ^renf^erstarker angeschlossen, und den Differenzver-Feldern untergebracht sind, in seiner Polarisations- starkern ist ein weiterer Differenzverstärker nachgeebene gegenüber dem des einfallenden Lichtes gc- ordnet der über einen Leistungsverstärker eine im dreht wird. Wird dafür gesorgt, daß der Lichtwellen- ^Kreise. der Wicklungen der Modulatoren der Ausleiter im vorliegenden Falle nur von der elektrischen werteeinnchtung liegende Bürde mit einem Strom Feldstärke in transversaler Richtung beaufschlagt 40 gespeist. An der Bürde fallt dann eine Spannung ab, wird, dann ist die Drehung der Polarisationsebene die der zu messenden Spannung proportional ist.
des Lichtes auf der Hochspannungsseite der zu mes- ^Das polarisierte Licht wird vorteilhafterweise von senden Spannung proportional. einer auf Niederspannungspotential angeordneten

Um die Toroidspule gegen magnetische Beeinflus- Lichtquelle abgegeben, die beispielsweise ein Laser

sung abzuschirmen, ist sie vorteilhafterweise an ihren 45 ^sem kann.

Stirnseiten mit jeweils einer ringförmigen Abschirm- Bei einer Ausführung der erfindungsgemäßen Ein-

haube versehen. richtung mit einer Referenzwicklung ist es vorteilhaft,

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung läßt sich mit der Lichtquelle einen Strahlungsteiler nachzuordnen, besonderem Vorteil zur Messung von Spannungen von dem zu der Toroidspule und zu der Referenzin vollisolierten, metallgekapselten Hochspannungs- 50 wicklung führende Lichtwellenleiter abgehen,
schaltungen einsetzen, indem die Toroidspule in einer Als Lichtquelle wird mit Vorteil eine Laserdiode ringförmigen Erweiterung des Außenrohres der An- eingesetzt, die an einen Impulsgenerator angeschloslage angeordnet ist. sen ist; an den Impulsgenerator ist ferner über einen

Die ringförmige Erweiterung des Außenrohres ist Phasenschieber ein Synchrondemodulator angeschlosinnen vorteilhafterweise zum Teil durch Metallringe 55 sen, der einen Bestandteil der Auswerteeinrichtung abgedeckt, die Abschirmringe für die stirnseitigen Be- bildet. Der Einsatz von Laserdioden ist aus Kostenreiche der Toroidspule bilden. Eine Beeinflussung gründen und aus Gründen einer langen Lebensdauer durch Magnetfelder kann dann nicht mehr auftreten. vorteilhaft.

Die Auswerteeinrichtung der erfindungsgr näßen Die Auswerteeinrichtung kann — wie oben beEinrichtung kann in unterschiedlicher Weise ausge- 60 reits kurz erwähnt wurde — auf vielfältige Weise ausführt sein Vorteilhaft erscheint es, wenn die Aus- gebildet sein, sie muß also nicht magneto-optische werteeinrichtung in an sich bekannter Weise einen Modulatoren enthalten. Gegebenenfalls kann es nämmagneto-optischen Modulator und eine Verstärker- Hch vorteilhaft sein, die Auswerteeinrichtung mit schaltung enthält; der magneto-optische Modulator elektro-optischen Modulatoren zu versehen,
besteht vorteilhafterweise aus einer Spule aus einem 65 Zur Erläuterung der Erfindung ist in der F i g. 1 Lichtwellenleiter und einer auf die Spule aufgebrach- eine Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung ten, von der Verstärkerschaltung mit einem Strom in ihrem Grundaufbau dargestellt; in der F i g. 2 ist eesDeisten elektrischen Wicklung. ein magneto-optischer Modulator wiedergegeben, wie

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er in der Auswerteeinrichtung auf Niederspannungs- weise ein Anschluß der Bürde B1 und ein Ausgang

potential mit Vorteil eingesetzt werden kann, und in des Verstärkers V1 nach F i g. 1 angeschlossen,

der Fig. 3 ist in schematischer Darstellung ein wei- Durch den von dem Verstärker Vl abgegebenen

teres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strom, der durch die Wicklung W 2 fließt, wird in der

Einrichtung gezeigt. 5 von dem Lichtwellenleiter Ll 2 gebildeten Wicklung

Bei der in der F i g. 1 dargestellten erfindungsge- ein magnetisches Feld erzeugt, das auf Grund der

mäßen Einrichtung zum Messen von Spannungen an Ausbildung der Auswerteschaltuiig A1 die Drehung

Hochspannungsleitern wird linear polarisiertes Licht der Polarisationsebene im Modulator M12 auf Hoch-

von einer Lichtquelle L1 abgegeben, die von einem Spannungspotential rückgängig macht. Der durch die

Laser gebildet sein kann. Über einen Lichtleiter Ll 11 io Wicklung Wl bzw. durch die Bürde Bl fließende

wird das polarisierte Licht zu beispielsweise einer Strom ist dann der zu messenden Spannung am Hoch-

Toroidspule Tl übertragen, die aus einem Lichtwel- Spannungsleiter H proportional,

lenleiter LW gewickelt ist. Bei der in der F i g. 3 dargestellten Ausführung der

Die Toroidspule Π befindet sich bei der darge- erfindungsgemäßen Meßeinrichtung wird linear pola-

stellten Meßeinrichtung in einer ringförmigen Er- 15 risiertes Licht von einer Laserdiode LD abgegeben,

Weiterung E eines Außenrohres AR einer Hochspan- die von einem Impulsgenerator JG gesteuert wird,

nungsschaltanlage HS. Im Innern des Außenrohres Der Laserdiode LD ist ein Strahlungsteiler ST nach-

AR ist ein Hochspannungsleiter H geführt, dessen geordnet, von dem ein Lichtwellenleiter Ll31 und

Strom ein rotationsförmiges Magnetfeld innerhalb ein weiterer Lichtwellenleiter Ll32 wegführen, über

des Außenrohres AR der Hochspannungsschaltan- ao den Lichtwellenleiter Ll 32 wird polarisiertes Licht in

lage HS erzeugt. Um eine Beeinflussung des Licht- Form von Lichtimpulsen zu einem Modulator M 31

Wellenleiters LW der Toroidspule Π durch die ma- übertragen, der in seinem Aufbau mit dem Modulator

gnetischen Feldlinien zu vermeiden, ist die ringför- M1 nach F i g. 1 identisch sein kann, also eine

mige Erweiterung E an ihren beiden stirnseitigen Toroidspule aus einem Lichtwellenleiter enthält. In

Enden durch Abschirmringe R1 und R 2 teilweise 25 Abhängigkeit von der Größe des zu messenden Stro-

abgedeckt. Auf den Lichtwellenleiter LW der Toroid- mes wird im Modulator M 31 mit der Toroidspule die

spule Tl kann jedoch die elektrische Feldstärke ein- Polarisationsebene des ihm zugeführten Lichtes ge-

wirken, und zwar in transversaler Richtung. Dies dreht und das solchermaßen modulierte Licht über

führt dazu, daß das durch den Lichtwellenleiter LW einen weiteren Lichtwellenleiter Ll 33 zur Auswerte-

hindurchtretende, linear polarisierte Licht in seiner 30 einrichtung A 3 geführt.

Polarisationsebene in Abhängigkeit von der elektri- In der Auswerteeinrichtung A3 ist der Lichtwelschen Feldstärke und damit auch in Abhängigkeit lenleiter Ll 33 mit einem weiteren Modulator M 32 von der Spannung zwischen dem Hochspannungs- verbunden, der so ausgeführt sein kann, wie es in der leiter H und dem geerdeten Außenrohr AR gedreht F i g. 2 dargestellt ist. Dem magneto-optischen Moduwird. 35 lator M 32 ist ein Analysatorprisma P 31 nachgeord-

Das in seiner Polarisationsebene gedrehte Licht net, an das — wie bereits in der F i g. 1 dargestellt —

wird über einen weiteren Lichtleiter Ll 12 einer Aus- Photodioden Ph31 und PhZl angeschlossen sind;

werleeinrichtung A1 auf Niederspannungspotential diese Photodioden Ph 31 und Ph 32 speisen einen Dif-

zugeführt, die einen Modulator Ml zur Rückdrehung ferenzverstärker D 31.

der Polarisationsebene des Lichtes enthält. 40 Um Einflüsse von Temperaturen auf das Meß-

Dem Modulator Ml ist ein Analysatorprisma Fl ergebnis auszuschalten, enthält die Einrichtung eine nachgeordnet, das den einfallenden Lichtstrahl in geschirmte Referenzwicklung R W, der über den Lichtzwei Teillichtstrahlen aufspaltet, deren Polarisations- wellenleiter Ll 31 polarisiertes Licht von der Laserebenen senkrecht aufeinander stehen und die ihre diode LD zugeführt wird. In der Referenzwicklung Intensität proportional zum Drehwinkel der Polarisa- 45 RW, die zweckmäßigerweise jeweils den gleichen tionsebene des einfallenden Strahles zueinander ge- Temperaturen wie der Modulator M 31 mit der Togenläufig ändern. In zwei Photodioden Ph 11 und roidspule ausgesetzt ist, erfährt das polarisierte Licht Ph 12 werden die Teillichtstrahlen in elektrische eine von der Temperatur abhängige Drehung seiner Größen umgeformt und einem Differenzverstärker Polarisationsebene. Das solchermaßen modulierte D1 zugeführt. Dem Differenzverstärker D1 ist ein 50 Licht wird über einen weiteren Lichtwellenleiter Ll 34 Leistungsverstärker Fl nachgeordnet, der einen der- zu einem zusätzlichen Modulator M 33 in der Ausartigen Strom durch eine Bürde Bl und den bei- Werteeinrichtung A 3 übertragen. Dem zusätzlicher! spielsweise als magneto-optischen Modulator ausge- Modulator M 33, der ebenfalls wie der Modulatoi bildeten Modulator Ml treibt, daß die in der Toroid- nach Fig. 2 ausgeführt sein kann, ist ein weitere« spule Tl erfolgte Drehung der Polarisationsebene des 55 Analysatorprisma P 32 nachgeordnet, in dem das ihrr Lichtes wieder aufgehoben wird. An der Bürde Bl zugeführte Licht in zwei Lichtstrahlen aufgespalter fällt dann eine Spannung an, die der zu messenden wird, die auf Photodioden Ph 33 und Ph 34 fallen. Ar Spannung proportional ist. die Photodioden Ph 33 und PA 34 ist ein weitere]

Mit Vorteil ist die Toroidspule Tl so ausgeführt, Differenzverstärker D 32 angeschlossen,

daß ihre nach außen geführten Enden so lang sind, 60 Zur Kompensation von Temperatureinflüssen sine

daß sie die Lichtwellenleiter Ll 11 und Ll 12 bilden. beide Differenzverstärker D 31 und D 32 an einen zu

Der magneto-optische Modulator M1 nach F i g. 1 sätzlichen Differenzverstärker D 33 angeschlossen

kann in einer Weise ausgestaltet sein, wie dies in der dem ein Synchrondemodulator SD nachgeordnet ist

F i g. 2 dargestellt ist. Dort ist zu erkennen, daß ein Dieser Synchrondemodulator ist über einen Phasen

Lichtwellenleiter Ll 2 zu einer Wicklung gewickelt 65 schieber PS an den Impulsgenerator JG angeschlos

ist, die von einer weiteren Wicklung Wl aus einem sen, so daß im Synchrondemodulator SD eine Demo

elektrischen Leiter umgeben ist. An die Wicklungs- dulation der Meßgröße vorgenommen werden kann

enden E 21 und £22 der Wicklung Wl ist beispiels- An den Synchrondemodulator SD ist ein Leistungs

verstärker V 3 angeschlossen, der über eine Bürde B 3 die magneto-optischen Modulatoren M 32 und M 33 mit einem derartigen Strom speist, daß in den Modulatoren eine Rückdrehung der Polarisationsebene des auf der Hochspannungsseite modulierten Lichtes erfolgt. Der durch die Bürde B 3 fließende Strom / 3 ist dann unabhängig von irgendwelchen Temperaturgängen der zu messenden Spannung proportional.
Durch die Erfindung ist eine Einrichtung zum Mes-

sen von Spannungen an Hochspannungsleitern vorgeschlagen, die auch in Ausführungsformen zum Messen sehr hoher Spannungen mit relativ geringem Aufwand herstellbar ist. Auf Grund der Verwendung einer Toroidspule aus einem Lichtwellenleiter erscheint die erfindungsgeinäße Einrichtung besonder« gut zur Messung von Spannungen in voUisolierten metallgekapselten Hochspannungsschaltanlagen ge eignet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

4095c

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Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung von Spannungen an Hochspannungsleitern mit einem in einem von der zu messenden Spannung hervorgerufenen elektrischen Feld angeordneten Meßfühler aus einem eine Drehung der Polarisationsebene von polarisiertem Licht bewirkenden Material, der von polarisiertem Licht durchsetzt ist, so daß das Licht eine von der Höhe der zu messenden Spannung abhängige Drehung seiner Polarisationsebene erfährt, und mit einer auf Niederspannungspotential angeordneten Auswerteeinrichtung, in der das polarisierte Licht in eine der zu messenden Spannung proportionale elektrische Meßgröße umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Drehung der Polarisationsebene bewirkende Material ein Lichtwellenleiter ist und daß der Meßfühler eine vom Hochspannungsleiter durchsetzte Toroidspule aus dem Lichtwellenleiter ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Toroidspule an ihren Stirnseiten mit jeweils einer ringförmigen Abschirmhaube gegen magnetische Beeinflussung versehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 zur Messung von Spannungen in vollisolierten, metallgekapselten Hochspanungsschaltanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Toroidspule in einer ringförmigen Erweiterung des Außenrohres der Anlage angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Erweiterung des Außenrohres der Hochspannungsschaltanlage innen teilweise durch Metallringe abgedeckt ist, die Abschirmringe für die stiinseitigen Bereiche der Toroidspule bilden.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung in an sich bekannter Weise einen magneto-optischen Modulator und eine Verstärkerschaltung enthält und daß der Modulator aus einer Spule aus einem Lichtwellenleiter und einer auf die Spule aufgebrachten, von der Verstärkerschaltung mit einem Strom gespeisten elektrischen Wicklung besteht.

6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit einer Abschirmung versehene Referenzwicklung aus einem Lichtwellenleiter vorhanden ist, die von polarisiertem Licht durchsetzt ist und daß der Referenzwicklung in der Auswerteeinrichtung ein Auswerteteil zugeordnet ist, in dem die in der Referenzwicklung aufgetretene Drehung der Polarisationsebene in eine elektrische Referenzgröße umgesetzt wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerteteil einen weite- ⁶<> ren magneto-optischen Modulator enthält, der aus einer Spule aus einem Lichtwellenleiter und aus einer auf die Spule aufgebrachten elektrischen Wicklung besteht.

8. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedem magnetooptischen Modulator der Auswerteeinrichtung ein optischer Analysator nachgeordnet ist, von denen jeweils zwei Lichtstrahlen auf jeweils zwei Photo zellen gesandt werden, daß an jeweils zwei Photo zellen ein Differenzverstärker angeschlossen is und daß den Differenzverstärkern ein weitere; Differenzverstärker nachgeordnet ist, der übe: einen Leistungsverstärker eine im Kreise de: elektrischen Wicklungen der Modulatoren de Auswerteeinrichtung liegende Bürde mit einem Strom speist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung mindestens einen elektro-optischer Modulator und eine Verstärkerschaltung enthält

10. Einrichtung nach einem der vorangehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu Übertragung des polarisierten Lichtes zum Meß fühler bzw. zur Referenzwicklung und zur Aus Werteeinrichtung Lichtwellenleiter dienen.

11. Einrichtung nach einem der vorangehenden! Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das polarisierte Licht von einer auf Niederspannungspotential angeordneten Lichtquelle abgegeben! wird.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtquelle ein Strahlungsteiler nachgeordnet ist, von! dem zu dem Meßfühler und zu der Referenz wicklung führende Lichtwellenleiter abgehen.

13. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurcl gekennzeichnet, daß das polarisierte Licht von einer Laserdiode abgegeben wird, die an einen Impulsgenerator angeschlossen ist, und daß an den Impulsgenerator über einen Phasenschiebe ein Synchrondemodulator angeschlossen ist, de einen Bestandteil der Auswerteeinrichtung bildet