DE2131224B2

DE2131224B2 - Einrichtung zur messung von spannungen an hochspannungsleitern

Info

Publication number: DE2131224B2
Application number: DE19712131224
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.-Ing.; Rosenberger Gerhard Dipl.-Ing.; 1000 Berlin Hermstein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-06-18
Filing date: 1971-06-18
Publication date: 1978-01-05
Also published as: DE2131224C3; DE2131224A1

Description

Das Hauptpatent 21 30 046 betrifft eine Einrichtung zur Messung von Spannungen an Hochspannungsleitern, bei der in 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 Höhe der zu messenden Spannung abhängige Drehung seiner Polarisationsebene erfährt; auf Niedersp2nnungspotential ist eine Auswerteeinrichtung angeordnet, in der das polarisierte Licht in eine der zu messenden Spannung proportionale elektrische Meßgröße umgesetzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, Einrichtungen der obenbezeichneten Art vorzuschlagen, mittels derer Spannungsmessungen in Freiluftanlagen möglich sind, also Vorschläge für Spannungswandler insbesondere für Freiluftanlagen zu machen, mit denen eine Messung der Spannung unter Benutzung von Licht'vel'enleitern erfolgt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß der Lichtwellenleiter des Meßfühlers in einem Hochspannungsisolator der Einrichtung nach dem Hauptpatent untergebracht.

Unter Hochspannungsisolatoren sind dabei sowohl stützartige als auch durchführungsartige Isolieranordnungen zu verstehen, z. B. auch die Durchführung eines Leistungstransformators oder der Stützerteil eines Leistungs- oder Trennschalters.

Mit Lichtwellenleitern sind dabei insbesondere Index-Gradient-Leiter, Gradientenfasern und unter der Handeisbezeichnung »SELFOC-GUIDE«-bekannte Lichtleiter gemeint. Lichtwellenleiter können linear polarisierte Lichtstrahlen führen, ohne daß die Polarisation des Lichtes zerstört wird. Werden diese Lichtwellenleiter von einer elektrischen Feldstärke in transversaler Richtung beaufschlagt, dann tritt — wenn dem Lichtwellenleiter linear polarisiertes Licht zugeführt wird — eine Drehung der Polarisationsebene 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 elektrische 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.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung kann der Lichtwellenleiter des Meßfühlers in unterschiedlicher Weise im Hochspannungsisolator angeordnet sein. Beispielsweise 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.

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.

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 Erdpoten- to tial verlaufen. Dies setzt aber voraus, daß die jeweilige Spule aus dem Lichtwellenleiter keinen Fremdfeldeinflüssen ausgesetzt ist Diese Voraussetzung wird in Höchstspannungsanlagen im allgemeinen erfüllt sein, da dort die Phasenabstände verhältnismäßig groß sind.

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 Hochspannungsisolator in der üblichen Weise bemessen zu können, erscheint es vorteilhaft, die Lagen der Spule aus dem Lichtwellenleiter zwischen den einzelnen Steuerelektroden unterzubringen, also die Spule in einzelne Lagen aufzuteilen, die dann entsprechend der Anordnung 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 Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung liegen die einzelnen Lagen der Spulen aus dem Lichtwellenleiter also in der Regel konzentrisch um die Achse des Hochspannungsisolators.

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. 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.

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 Steuerelektroden 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 Meßgenau- t>o igkeit vorteilhaft ist.

Die obigen Ausführungen lassen schon erkennen, daß die Erfindung bei vielen Ausführungsformen von Hochspannungsisolatoren anwendbar ist. Dies gilt auch für einen Hochspannungsisolator mit gewickelten hi Kondensatoren als spannungssteuernde Elemente; bei einem derartigen Isolator werden die Lichtweüenleiter des Meßfühlers vorzugsweise in die Kondensatoren miteingewickelt. Bei einem Hochspannungsisolator mit Platten- oder Tellerkondensatoren ist der Lichtwellenleiter zwischen den Elektroden der Kondensatoren angeordnet.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung kann der Hochspannungsisolator selbst in unterschiedlicher Weise ausgeführt sein. Vorteilhaft erscheint es, wenn der Isolator einen aus Faserstoffen bestehenden Strunk mil dem Lichtwellenleiter des Meßfühlers enthält und eine den Strunk umgebende Kunststoffumhüllung mit Schirmen aufweist. Ein derartiger 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 Höchstspannungsanlagen bis beispielsweise 150OkV die Kosten für den Isolator aufgrund seiner großen Bauhöhe relativ groß wären.

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-Isolatoren, von z. B. Leistungstransformatoren, Schaltern, Stützern und Hängeisolatoren, zurückgegriffen werden kann. Diese Porzellan-Isolatoren sind dann vorzugsweise mit aufgeschäumtem Silikongummi ausgegossen.

Darüber hinaus ist es auch möglich, den Hochspannungsisolator in Gießharz-Vollverguß auszuführen.

Zur Erläuterung der Erfindung sind in den F i g. 1 und 2 zwei Ausführungsbeispiele dargestellt

Die in der F i g. 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 einem nicht dargestellten Hochspannungsleiter, dessen Spannung gemessen werden soll. Der Isolator 1 steht auf einem Sockel 4, der einen Klemmenkasten 5 trägt; in dem Klemmenkasten kann eine nicht dargestellte Auswerteeinrichtung untergebracht sein. In dem Klemmenkasten 4 befinden sich auch die Sekundäranschlüsse der Einrichtung

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 Fig. 1 nicht dargestellten Lichtquelle zu den Lagen 10 und 11 sowie die Zuführungsleitung 13 für das Licht von den Lagen 10 und 11 zu der Auswerteeinrichtung bildet

Wie die F i g. 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 unJ 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 sie in dem Hauptpatent näher beschrieben ist, eine elektrische Größe gewinnen, die der zu messenden Spannung proportional ist.

Bei dem in der F i g. 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 Klemmenkasten 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.

Innerhalb des Isolators 14 ist ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 eine Spannungssteue rung 19 untergebracht, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei Steuerelektroden 20,21 und 22 enthält. Die Steuerelektroden 20 bis 22 sind metallische Zylinder.

Wie die F i g. 2 erkennen läßt, ist ein Lichtwellenleiter 23 von Niederspannungspotential 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 Steuerelek troden 21 und 22 hindurchgeführt, und zwar bis zun unteren Ende der Steuerelektrode 21. Von dort ist de Lichtwellenleiter 23 wiederum in entgegengesetzte Richtung geführt, so daß er nunmehr zunächst außen ai der Steuerelektrode 21 entlang und danach zwischei dieser Steuerelektrode und der Steuerelektrode 2( verläuft.

Um den Lichtwellenleiter 23 wieder herunterzufüh ren, ist er in der anderen Hälfte des Durchführungsteil: 19 in spiegelbildlich gleicher Weise zwischen der Steuerelektroden 20 bis 22 angeordnet, so daß lineal polarisiertes Licht infolge der auf den Lichtwellenleitei 23 einwirkenden elektrischen Feldstärke in Abhängig keit von der zu messenden Spannung in seinei Polarisationsebene gedreht wird.

In einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung, di< beispielsweise auch so ausgeführt sein kann, wie es au: dem Hauptpatent hervorgeht, kann dann eine elektri sehe Meßgröße gewonnen werden, die von der Drehunj der Polarisationsebene des Lichtes abhängig ist. Dies« elektrische Meßgröße ist mit der Sekundärgrößi klassischer Spannungswandler vergleichbar.

Mit der Erfindung wird eine Einrichtung zur Messunj von Spannungen an Hochspannungsleitern vorgeschla gen, mit der Spannungsmessungen in Freiluftanlagei auch dann mit relativ geringem Aufwand ausgeführ werden können, wenn sehr hohe Spannungen gemessei werden sollen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

1
Patentansprüche:

!. Einrichtung zur Messung von Spannungen an Hochspannungsleitern, bei der in 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 Höhe der zu messenden Spannung abhängige Drehung seiner Polarisationsebene erfährt, und bei der auf Nieder-Spannungspotential eine Auswerteeinrichtung angeordnet ist, in der das polarisierte Licht in eine der zu messenden Spannung proportionale elektrische Meßgröße umgesetzt wird, nach Patent 21 30 046, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht-Wellenleiter des Meßfühlers in einem Hochspannungsisoiator der Einrichtung untergebracht ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter des Meßfühlers zwischen spannungssteuernden Elementen des Hochspannungsisolators angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter des Meßfühlers eine Spule bildet.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule aus dem Lichtwellenleiter in einem ungesteuerten Hochspannungsisolator derart untergebracht ist, daß ihre Längsachse in Achsrichtung des Hochspannungsisolators verläuft.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule aus dem Lichtwellenleiter in einem Hochspannungsisolator mit eingebetteten Steuerelektroden zwischen benachbarten Steuerelektroden angeordnet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen der Spule aus dem Lichtwellenleiter zwischen den einzelnen Steuerelektroden untergebracht sind.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daC der Lichtwellenleiter des Meßfühlers in einem Hochspannungsisolator mit eingebetteten Steuerelektroden an den Steuerelektroden entlang und zwischen jeweils benachbarten Steuerelektroden hindurchgeführt ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter des Meßfühlers unter Bildung mehrerer zusammenhängender Tcroidspulen um die einzelnen Steuerelektroden gewickelt ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter des Meßfühlers bei einem Hochspannungsisolator mit gewickelten Kondensatoren als spannungssteuernde Elemente in die Kondensatoren miteingewikkelt ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter des Meßfühlers zwischen den Elektroden von Platten- oder Tellerkondensatoren des Hochspannungsisolators angeordnet ist. ^o

11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsisolator einen aus Faserstoffen bestehenden Strunk mit dem Lichtwellenleiter des Meßfühlers enthält und eine den Strunk umgebende _hr, Kunststoffumhüllung mit Schirmen aufweist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,daßder Hochspannungsisolator einen Porzellan-Isolator aufweist, der mit vorzugsweise aufgeschäumtem Silikongummi ausgegossen ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der HochsDannungsisolator als Gießharz-Vollverguß ausgeführt ist.