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Einrichtung zur Messung von Spannungen an Hochspannungsleitern Zusatz
zum Patent (Patentanm. P 21 30 046.9-35) Das Hauptpatent (Patentanm. P 21 30 046.
9-35) betrifft eine Einrichtung zur Itegssung von %tparnun&.Gn an Hochspannungsleitern,
bei der einem von der zu messenden Spannung hervorgerufenen elektrischen Feld ein
Meßfühler aus einem Lichtwellenleiter angeordnet ist, der von polarisiertem licht
durchsetzt ist, so daß das Licht eine von der öhe der zu messenden Spannung abhängige
Drehung seiner Polarisationsebene erfährt; auf Niederspannungspotential ist eine
Auswerteeinrichtung angeordnet, in der das polarisierte Licht in eine der zu messenden
Spannung proportionale elektrische Meßgröße umgesetzt wird.
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Der Erinfung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, Einrichtungen der
obenbezeichneten Art vorzuschlagen, mittels derer Spannungsmessungen in Preiluftanlagen
möglich sind, also Vorschläge für Spannungswandler insbesondere für Freiluftanlagen
zu machen, mit denen eine Messung der Spannung unter Benutzung von Lichtwellenleitern
erfolgt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß der Lichtwellenleiter
des Meßfühlers in einem Hochspannungsisolator der Einrichtung nach dem Hauptpatent
untergebracht.
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Unter Hochspannungsiolatoren sind dabei sowohl stützartige als auch
durchführungsartige Isolieranordnungen zu verstehen, z.B. auch die Durchführung
eines Leistungetransformators oder der Stützerteil eines Leistungs- oder Trennschalters.
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Mit lichtwellenleitern sind dabei insbesondere Index-Gradient-Leiter,
Grandientinfasern und unter der Handlsbezeichnung "SELFOC-GUIDE"- bekannte Lichleiter
gemeint.
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Lichtwellenleiter können linear polarisierte Licht-strahlen führen,
ohne daß die Polarisation des Lichtes zerstört wird. Werden diese lichtwellenleiter
von einer elektrischen Feldstärke in transversaler Richtung beauschlagt, dann tritt
- wenn dem lichtwellcnleiter linear polarisiertes Licht zugeführt wird - eine Drehung
der Polarisationsebende in Abhängigkeit von der jeweiligen elektrischen Feldstärke
ein. Da die elektrische Feldstärke der elektrischen Spannung proportional ist, läßt
sich aus der Drehung der Polarisationsebene in einem elektrischen Feld auf die Spannung
schließen. Wird das elektrisehe Feld von der zu messenden Spannung erzeugt, dann
ist die Drehung der Polarisationsebene des linear polarisierten Lichtes ein Maß
für den Augenblickswert der jeweils zu messenden Spannung.
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Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung kann der Lichtwellenleiter des
Meßfühlers in unterschiedlicher Weise im Hochspannungsisolator angeordnet sein.
Beispielweise kann es vorteilhaft sein, den Lichtwellenleiter zwischen spannungssteuernden
Elementen des Hochspannungsisolators anzuordnen, da sich in diesem Falle der Lichtwellenleiter
in einem definierten elektrischen Feld befindet.
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Vorteilhaft erscheint es auch, wenn der lichtwellenleiter des Meßfühlers
eine-Spule bildet, weil dann der Lichtwellenleiter
über eine größere
Länge einem elektrischen Feld ausgesetzt ist und damit auch bei verhältnismäßig
kleinen elektrischen Feldstärken noch eine meßbare Drehung der Polarisationsebene
eintritt.
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Die Spule aus dem Lichtwellenleiter ist in einem ungesteuerten Hochspannungsisolator
vorzugsweise derart untergebracht, daß ihre Längsachse in Achsrichtung des Hochspannungsisolators
verläuft. Es werden dann zur Drehung der Polarisationsebene des Lichtes die elektrischen
Feldlinien ausgenutzt, die zwischen der an Hochspannung liegenden Elektrode und
Erdpotential verlaufen. Dies setzt aber voraus, daß die jeweilige Spule aus dem
Licht wellenleiter keinen Fremdfeldeinflüssen ausgesetzt ist.
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Diese Voraussetzung wird in Höchstspannungsanlagen im allgemeinen
erfüllt sein, da dort die Phasenabstände verhältnismäßig groß sind.
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In vielen Fällen wird man einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung
den Vorzug geben, bei der die Spule aus dem Lichtwellenleiter in einem Hochspannungsisolator
mit eingebetteten Steuerelektroden untergebracht ist; in einem solchen Isolator
ist die Spule vorteilhafterweise zwischen benachbarten Steuerelektroden angeordnet.
Um bei einer derartigen Ausführung den Hochspannungsilator in der üblichen Weise
bemessen zu können, erscheint es vorteihaft, die Lagen der Spule aus dem Lichtwellenleiter
zwischen den einzelnen Steuerelektroden unterzubringen.
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also die Spule in einzelne Lagen aufzuteilen, die dann entsprechend
der hnordtlung der Steuerelektroden gegeneinander versetzt im Isolator liegen. Die
einzelnen Lagen sind untereinander durch einen Lichtwellenleiter verbunden, zweckmäßigerweise
aus einem durchgehenden Lichtwellenleiter gewickelt. Bei einer derartigen Ausgührung
der erfindungsgemäßen Einrichtung liegen die einzelnen Lagen der Spulen aus dem
Lichtwellenleiter also in der Regel
konzentrisch um die Achse des
Hochspannungsisolators.
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In Abweichung von der eben behandelten Einrichtung ist gemäß der Erfindung
auch eine Ausbildung möglich und auch vorteilhaft, bei der der Lichtwellenleiter
des Meßfühlers in einem Hochspannungsisolator mit eingebetteten Steuerelektroden
an den Steuerelektroden entlang und zwischen jeweils benachbarten Steuerelektroden
hindurchgeführt ist.
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Bei einer derartigen Führung des Lichtwellenleiters enthält dieser
also Teile, die sich parallel zur Längsachse des Hochspannungsisolators erstrecken
und so angeordnet sind, daß der Lichtwellenleiter von elektrischen Feldlinien transversal
durchsetzt ist. Es ergibt sich in diesem Falle eine mäanderähnliche Führung des
Lichtwellenleiters im Hochspannungsisolator.
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Bei einem Material des Lichtwellenleiters, das eine nur geringe Drehung
der Polarisationsebene in Abhängigkeit von der zu messenden Spannung ergibt, erscheint
es vorteilhaft, den Lichtwellenleiter des Meßfühlers unter Bildung mehrerer zusammenhängender
Toroidspulen um die einzelnen Steurelektroden zu wickeln. Es ist dann eine erheblich
größere Länge des Lichtwellenleiters dem elektrischen Feld ausgesetzt, und es wird
eine größere Drehung der Polarisationsebene erreicht, was zur Erzielung einer höheren
Meßgenauigkeit vorteilhaft ist.
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Die obigen Ausführungen lassen schon erkennen, daß die Erfindung bei
vielen Ausführungsformen von Hóchspannungsisolatoren anwendbar ist. Dies gilt auch
für einen Hochspannungsisolator mit gewickelten Kondensatoren als spannungssteuernde
Elemente; bei einem derartigen Isolator werden die Lichtwellenleiter des Meßfühlers
vorzugsweise in die Kondensatoren miteingewickelt. Bei einem Hochspannungsisolator
mit Platten- oder Tellerkondensator ist der Lichtwellenleiter zwischen den Elektroden
der Kondensatoren
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung kann der
Hochspannungsisolator selbst in unterschiedlicher Weise ausgeführt sein. Vorteilhaft
erscheint es, wenn der Isolator einen aus Faserstoffen bestehenden Strunk mit dem
Lichtwellenleiter des Meßfühlers enthält und eine den Strunk umgebende Kunststoffumhüllung
mit Schirmen aufweist. Ein der artiger Isolator bietet nämlich den Vorteil, daß
es in verhältnismäßig großen Längen relativ preiswert hergestellt werden kann, was
von Hochspannungsisolatoren mit biegesteifen Isolatoren nicht gesagt werden kann.
Porzellan-Isolatoren beispielsweise sind verhältnismäßig teuer, was dazu führt,
daß bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung für Hochstspannungsanlagen bis beispielsweise
1500 kV die Kosten für den Isolator aufgrund seiner großen Bauhöhe relativ groß
wären.
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Diese eben geschilderten Nachteile der Verwendung eines Porzellan-Isolators
gelten jedoch nicht grundlegend, weil im Falle von bisher üblichen Hochspannungen
gegebenenfalls auf bereits vorhandene Porzellan-Isolatern, von z.B. Leistungstransformatoren,
Schaltern, Stützern und Hänge isolatoren, zurückgegriffen werden kann. Diese Porzellan-Isolatoren
sind dann vorzugsweise mit aufgeschäumtem Silikongummi ausgegossen.
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Darüber hinaus ist es auch möglich, den Hochspannungsisolator in Gießharz-Vollverguß
auszuführen.
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Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Figuren 1 und 2 zwei Ausführungsbeispiele
dargestellt.
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Die in der Figur 1 dargestellte Einrichtung weist einen Isolator 1
auf, der an seinem oberen Ende mit einem flachen Deckel 2 abgeschlossen ist. Dieser
Deckel 2 trägt eine Anschlußklemme 3 für die Verbindung mit einen nicht
dargestellten
Hoehspannungsleiter, dessen Spannung gemessenwerden soll. Der Isolator 1 steht auf
einem -Sockel 4, der einen Klemmenkasten 5 trägt; in dem Klemmenkasten kann eine
nicht dargestellte Auswerteeinrichtung untergebracht sein.
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In dem Klemmenkasten 4 befinden sich auch die Sekundäranschlüsse der
Einrichtung.
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Innerhalb des Isolators 1 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
eine Spannungssteuerung 6 untergebracht, in die Steuerelektroden 7, 8 und 9 in Form
von metallischen Zylindern eingebettet sind. Zwischen jeweils den Steuerelektroden
7 und 8 sowie 8 und 9 ist eine Lage 10 sowie 11 aus einem Lichtwellenleiter angeordnet.
Die Lagen 10 und 11, von denen gegebenenfalls noch weitere vorhanden sein können,
wenn entsprechend mehrere Steuerelektroden vorgesehen sind, sind vorteilhafterweise
aus einem durchgehenden Lichtwellenleiter gewickelt, der außerdem noch die Lichtführungsleitung
12 von einer in der Figur 1 nicht dargestellten Lichtquelle zu den Tagen 10 und
11 sowie die Zuführungsleitung 13 für das Licht von den Lagen 10 und 11 zu der Auswerteeinrichtung
bildet.
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Wie die Figur 1 erkennen läßt sind die einzelnen Windungen der lagen
10 und 11 aus dem Lichtwellenleiter so angeordnet, daß die elektrischen Feldlinien
zwischen jeweils benachbarten Steuerelektroden 7, 8 und 9 senkrecht zu dem Lichtwellenleiter
verlaufen. Linear polarisiertes Licht, das den Lichtwellenleiter durchläuft, wird
daher in seiner Polarisationsebene in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke
gedreht. Da diese elektrische Feldstärke der zu messenden Spannung proportional
ist, ist die Drehung der Polarisationsebene der zu messenden Spannung selbst proportional.
Daraus läßt sich mittels einer Auswerteeinrichtung, wie sic in dem Hauptpatent näher
beschrieben ist, eine elektrische Größe gewinnen, die der zu messenden Spannung
proportional ist.
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Bei dem in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß
ausgeführten Einrichtung ist wiederum ein Isolator 14 vorgesehen, der oben mit einem
flachen Deckel 15 abgeschlossen ist. Der Deckel 15 weist einen Anschluß 16 für die
zu messende Spannung' auf. Der Isolator 14 ruht auf einem Sockel 17, der einen Klemmenkansten
18 aufweist. In diesem Klemmenkasten 18 ist beispielsweise die Auswerteeinrichtung
untergebracht, und es befinden sich dort auch die Sekundäranschlußklemmen, wie sie
von klassischen Spannungswandlern her bekannt sind.
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Innerhalb des Isolators 14 ist ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel
nach Figur 1 eine Spannungssteuerung 19 untergebracht, die in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel drei Steuerelektroden 20, 21 und 22 enthält. Die Steuerelektroden
20 bis 22 sind metallische Zylinder.
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Wie die Figur 2 erkennen läßt, ist ein Lichtwellenleiter 23 von Niedersnnung>potential
herkommend zunächst in Achsrichtung der Spannungssteuerung 19 an der Innenseite
der Steuerelektrode 22 vorbeigeführt, wobei er von elektrischen Feldlinien transversal
durchsetzt ist. Um das obere Ende 24 der Steuerelektrode 22 ist der Lichtwellenleiter
23 herumgeführt und in entgegengesetzter Richtung zwischen den Steuerelektroden
21 und 22 hindurchführt, und zwar bis zum unteren Ende der Steuerelektrode 21. Von
dort ist der Lichtwellenleiter 23 wiederum in entgegengesetzter Richtung geführt,
so daß er nunmehr zullächst außen an der Steuerelektrode 21 entlang und danach zwischen
dieser Steuerelektrode und der Steuerelektrode 20 verläuft.
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Um den Lichtwellenleiter 23 wieder herunterzuführen, ist er in der
anderen Hälfte des Durchführungsteils 19 in spiegelbildlich gleicher Weise zwischen
den Steuerelektroden 20 bis 22 angeordnet, so daß linear polarisiertes Licht infolge
der auf den Lichtwellenleiter 23 einwirkenden elektrischen
Feldstärke
in Abhängigkeit von der zu messenden Spannung in seiner Polarisationsebene gedreht
wird.
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In einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung, die beispielsweise
auch so ausgeführt sein kann, wie es aus dem Hauptpatent hervorgeht, kann dann eine
elektrische Meßgröße gewonnen werden, die von der Drehung der Polarisationsebene
des Lichtes abhängig ist. Diese elektrische Meßgröße ist mit der Sekundärgröße klassischer
Spannungswandler vergleichbar.
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Mit der Erfindung wird eine Einrichtung zur Messung von Spannungen
an Hochspannungsleitern vorgeschlagen, mit der Spannungsmessungen in Freiluftanlagen
auch dann mit relativ geringem Aufwand ausgeführt werden können, wenn sehr hohe
Spannungen gemessen werden sollen.
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13 Patentansprüche 2 Figuren