DE2261953A1 - Stromwandler zur messung von stromstaerken, insbesondere in hochspannungsleitungen - Google Patents

Description

• Stromwandler zur Messung von Stromstärken, insbesondere in HochsPannungsleitungen Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromwandler zur Messung von Stromstärken, insbesondere in Hochspannungsleitungen mit wenigstens einem Faradaydreher, wenigstens einem doppeibrechenden, strahlteilenden Prisma, wenigstens zwei strahlungsempfindlichen Elementen und einer elektronischen Analysatorschaltung und auf ein Verfahren zum Betrieb des Stromwandlers.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen magnetooptischen Stromwandler zur Messung der in Hochspannungsleitungen fließenden Ströme anzugeben, bei dem die Information über die Stromstärke im Hochspannungsteil in eine Amplitudeninformation umgesetzt wird, so daß die Information durch Lichtleiter, die die Lichtpolarisation zerstören, zu den auf Erdpotential befindlichen Detektoren übertragen werden kann. Dabei sollen Schwankungen in der Intensität der Lichtquelle keinen Einfluß auf das Messergebnis haben.
• Diese Aufgabe wird durch einen Stromwandler gelöst, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Polarisationebene eines linear polarisierten Lichtstrahles entsprechend dem durch den Hochspannungsleiter fließenden zu messenden Strom drehbar ist, daß zwei das doppelbrechende strahlteilende Prisma verlassende Teilstrahlen mit Hilfe argon Mitteln auf Erdpotential leitbar sind und daß am Ausgang der Analysatorschaltung ein Signal anl2eFt, das aus den Si gnalon strahlungsempfindlicher elemente gebildet ist.
• Ein Vorteil eines solchen StremwandlerXs besteht darin, daß das am Ausgang der Analysatorschaltung anliege"nde, aus den Signalen U6 und U7 strahlungsempfindlicher Elemente gebildete Signal dem Ausdruck U6-U7/U6+U7 proportional ist und damit dem r+ F; -Ausdruck sin 2F mit der durch das Feld des Hochspannungsleiters hervorgerufenen Faradaydrehung F proportional ist und daß Intensitätsschwankungen der Lichtquelle keinen Einfluß auf das Ausgangs signal haben.
• Eine Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Stromwandlers ist dadurch gekennzeichnet, daß auf Erdpotential ein weiterer linearpolarisierter Lichtstrahl vorgesehen ist, daß die Polarisationsebene dieses I,ichtstrahles durch einen in dem Feld einer von Strom durchflossenen Kompensatorspule befindlichen weiteren Faradaydreher drehbar ist, daß der den weiteren Faradaydreher verlassende Lichtstrahl durch ein weiteres doppelbrechendes1strahlteilendes Prisma in weitere Teilstrahlen aufteilbar ist, daß an der Analysatorschaltung zusätzlich zu den Spannungen U7 und U6 die durch weitere photoempfindliche Elemente gebildeten Spannungen U16 und U17 anliegen, wobei die Spannungen U16 und U17 den Intensitäten der weiteren Teilstrahlen entsprechen, daß durch die Analysatorschaltung zusätzlich zu dem Quotienten U6-U7/U6+U7 der Quotient U16-U17 U16+U17 erzeugbar ist, und daß eine Regelschaltung vorgesehen ist.
• die den Kompensatorstrom so regelt, daß U6-U7/U6+U7 = U16-U17/U16-U17/U16+U17 ist.
• Der Vorteil eines solchen Stromwandlers besteht darin, daß die Stromstärke in der Kompensatorspule proportional dem zu messenden Strom im Faradaydreher auf Hochspannungspotential.
• ist.
• Weitere Erläuterungen zur Erfindung und zu deren Ausgestaltungen gehen aus der Beschreibung und den Figuren bevorzugter Ausführungsbeispiele hervor.
• Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung einen erf3.ndungsgemäßen Stromwandler, dessen Aiigangssig,nal nroportional zu dem durch den Hochspannungsleiter fließenden zu messenden Strom ist, solange dieser Strom keine zu großen Werte annimmt.
• Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Stromwandler, bei dem mit Hilfe einer Regelschaltung ein Kompensatorstrom gebildet wird, der der zu messenden Stromstärke proportional ist.
• In der Figur 1 ist der von dem Strom 1 durchflossene Hochspannungsleiter mit 10 bezeichnet0 In dem Feld dieses Hochspannungsleiters befindet sich der Faradaydreher 3, der von einem linear polarisierten Lichtstrahl 22 durchstrahlt wird.
• Der Lichtstrahl 21 wird durch den Polarisator-2 linear polarisiert. Die Polarisationsebene des linear polarisierten Strahles 22 wird entsprechend dem durch den Hochspannungsleiter 10 fließenden zu messenden Strom 1 um einen Winkel F gedreht. Der den Faradaydreher verlassende Strahl trägt das Bezugszeichen 31. Durch das Wollastonprisma 4 wird dieser Strahl 31 in die beiden Teilstrahlen 41 und 42 aufgeteilt.
• Das Wollastonprisma ist bezüglich der Polarisationsebene des Lichtstrahls 22 so orientiert, daß ohne Strom (F = 0) die Lichtintensitäten I41 und 142 einander gleich sind. Mit den Mitteln 43 und 4E, die vorzugsweise Lichtleiter sind, werden die Teilstrahlen 41 und 42 auf Erdpotential geleitet. Durch die strichpunktierte Linie 5 wird schematisch die Trennung zwischen Hochspannungspotential und Erdpotential dargestellt.
• Die beiden Teilstrahlen 41 bzw. 42 treffen auf Erdpotential auf die strahlungsempfindlichen Elemente z.B. Photodioden 6 bzw. 7. Entsprechend der Intensitäten der Teilstrahlen 41 bzw. 42 treten an den Lastwiderständen der Photodioden 6 bzw. 7 die Spannungen U6 und U7 auf, die den Intensitäten proportional sind. Die Elemente 6 bzw. 7 sind über die Leitungen 61 bzw. 71 mit einer Analysatorschalürng 8, die vorzugsweise ei.nanalogen Operationsvrtärker enthält, verbunden.
• Blrch.die Elemente und ihre Lastwiderstände werden die Lichtintensitäten der Lichtstrahlen 41 bzw. 42 in elektrische Spannungen umgesetzt. Mir die Intensitäten der lichtstrahlen 41 bzw. 42 gelten folgende Gleichungen: I41 = 1o . (1+sin 2F) /2 und I42 = 1o (1-sin 2F) /2. Dabei bedeutet F die Faradaydrehung und die Intensität des Strahles 31, der auf das Wellastonnrisma 4 auftrifft. In der Schaltung 8 wird die Differenz der an. den Fotodioden durch dieStrahlungsintensitäten 141 und 142 erzeugten Spannungen U6 und U7 gebildet.
• Für diese Differenz gilt: U6-U7 = K.I.sin 2F. Dabei hedet7tet K einen Proportionalitätsfaktor. Zusätzlich zu der Differenz dieser Spannungen wird mit Hilfe der Schaltung 8 auch die Summe dieser Spannungen gebildet. Für diese Summe gilt: U6+U7 = K.Io . Mit Hilfe eines dividierenden Operationsverstärkers in der Schaltung 8 wird nun gemäß einem Merkmal der Erfindung am Ausgang 81 ein Ausgangssignal gebildet, das dem Quotienten aus der Differenz und der Summe der an den Lastwiderständen der Photodioden abfallenden Spannungen proportional ist. FÜr diesen Quotienten gilt: U6-U7 = sin 2F. Dieser Ausdruck ist von K und 1o unabhängig und stellt ein direktes Maß für den durch den Hochspannungsleiter 10 fließendenl zu messenden Strom 1 dar.
• In der Figur 2 ist in schematischer Darstellung eine Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Stromwandlers dargestellt.
• Einzelheiten der Figur 2, die bereits in der Figur 1 enthalten sind, tragen die entsprechenden Bezugszeichen. Im wesentlichen besteht die Anordnung nach Figur 2 aus der Anordnung nach Figur 1. Jedoch werden der elektronischen Analysatorschaltung 18 der Figur 2, die vorzugsweise wieder analoge Operationsverstärker enthält, zusätzliche Signale zugeführt. Diese zusätzlichen Signale werden auf Rrdnotential erzeugt. Zu diesem Zweck wird ein Strahl 121 durch einen Polarisator 12 linear polarisiert. Der linear polarisierte Strahl 122 durchstrahlt einen weiteren Faradaydreher 13, der sich in dem Feld einer stromdurchflossenen Kompensatorspule 110 befindet. Die Polarisationsebene des Strahles 122 wird entsprechend dem durch die Kompensatorspule erzeugten Feld gedreht. Der den Faradaydreher 13 verlassende Strahl 131 wird durch das weitere Wollastonprisma 14 in die beiden Teilstrahlen 141 und 142 aufgeteilt. Je einer dieser Teilstrahlen trifft auf je eines der weiteren photoempfindlichen Elemente 16 bzw. 17. Diese Elemente, die vorzugsweise wieder gleiche Siliziumphotodioden sind, sind über die Leitungen 161 bzw. 171 mit der Schaltung 18 verbunden. An Lastwiderständen der R1.emente 16 bzw. 17 fallen die Spannungen U16 bzw.
• U17 ah. Der drr.h einen weiteren Operationsverstärker gebil-U16-U17 dete Quotient tTtn17l+1ist dem Ausdnlek sin 2F' proportional wobei F' dem Strom, der durch die Spule 110 fließt, proportional ist. Durch die Schaltung 18 wird nun gemäß einem Merkmal der Erfindung ein Steuersignal gebildet, welches die, Differenz der beiden Quotienten U6-U7/U6+U7 und U16-U17/U16+U17darstellt. Dieses Signal wird über den Ausgang 181 der Schaltung 18 auf eine elektronische Regelschaltung 9 gegeben, welche über das Stellglied 11 den Kompensatorstrom I, der durch die Spule 110 fließt, so eingeregelt, daß die Differenz der Quotienten in jedem Felle gleich 0 ist. Da inciesemFalle F = F' ist, ist die Stromstärke des Stromes, Uer durch die Spule 110 fließt, dann Droportional der zu messenden Stromstärke in dem Faradaydreher auf Hochspannungspotential. Die Regelscheltung 9 und das Stellglied 11 können durch einen Leistungsverstärker ersetzt werden. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, daß auch schnelle Anderungen des .Stromes erfasst werden können.
• Soll mit der Anordnung nach Figur 2 der Effektivwert eines Wechselstromes gemessen werden und ist die Regelschaltung zu träge um den Augenblickswert des zu messenden Stromes zu erfassen, so ist 1) der Faradaydreher 3 so zu dimensionieren, daß sin 2F im linearen Bereich der Funktion bleibt, und daß 2) die Schaltung 18 durch zusätzliche Operationsverstärker unSFilter so zu erweitern, daß der Ausdruck als Maß für den zu messenden Effektivwert verwendet wird 10 Patentansprüche 2 Figuren

Claims (10)

1. Patentansprüche 0 Stromwandler zur Messung von Stromstärken, insbesondere in Hochspannungsleitungen, mit wenigstens einem Faradaydreher, wenigstens einem doppelbrechenden, strahlteilenden Prisma, wenigstens zwei strahlungsempfindlichen Elementen und einer elektronischen Analysatorschaltung, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Polarisationsebene eines linear polarisierten Lichtstrahles (22) entsprechend dem durch den Hochspannungsleiter (10) fließenden zu messenden Strom (1) drehbar ist, daß zwei das doppelbrechende, strahlteilende Prisma (4) verlassende Teilstrahlen (41, 42) mit Hilfe von Mitteln (43, 44) auf Erdpotential leitbar sind und daß am Ausgang (81) der Analysatorschaltung (8) ein Signal anliegt, das aus den Signalen strahlungsempfindlicher Elemente (6, 7) gebildet ist.
2. 2. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -U6-U7, e e t , daß das Ausgangssignal dem Quotienten g 7 der aus den an den Elementen (7 und 6) entstehenden Spannungen U6 und U7 gebildet ist, proportional ist.
3. 3. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß auf Erdpotential ein weiterer linear polarisierter Lichtstrahl (121) vorgesehen ist, daß die Polarisationsebene dieses Lichtstrahles (122) durch einen in dem Feld einer von Strom (111) durchflossenen Kompensatorspule (110) befindlichen weiteren Faradaydreher (13) drehbar ist, daß der den weiteren Faradaydreher verlassende Lichtstrahl (131) durch ein weiteres strahlteilendes Prisma (14) in weitere Teilstrahlen (141 und 142) aufteilbar ist, daß an der Analysatorschaltung (18) zusätzlich zu den Spannungen U7 und U6 die durch weitere photoempfindliche Elemente (16 und 17) entstehenden Spannungen U16 und U17 anliegen, wobei die Spannungen U16 und U17 den Intensitäten der weiteren Teilstrahlen (141 und 142) entsprechen, daß durch den Analysator zusätzlich zu dem Quotienten U6-U7/U6+U7 der Quotient U16-U17/U16+U17erzeugbar ist, und daß eine Regelschaltung (9) und ein Stellglied (ii) vorgesehen ist, die den Kompensatorstrom (111) so regelt, daß U6-U7 = U1.6-U17 ist.
4. U6+U7 U,16+U17 4. Stromwandler nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß an Stelle der Regelschaltung (9) und des Stellgliedes (11) ein Leistungsverstärker zur Erzeugung des Kompensatorstromes (111) vorgesehen ist.
5. 5. Verfahren zum Betrieb eines Stromwandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß ein durch einen Polarisator (2) linear polarisierter Lichtstrahl (22) durch einen in dem Feld eines Hochspannungsleiters (io) befindlichen Faradaydreher (3) hindurchtritt, wobei die Drehung der Polarisationsebene des Lichtstrahles (22) der Stromstärke des durch den Leiter (10) fließenden zu messenden Stromes (1) entspricht, daß der dem Faradaydreher verlassende Lichtstrahl (31) durch ein Wollastonprisma (4) in zwei Teilstrahlen (41, 42) geteilt wird, daß die Teilstrahlen durch Mittel (43, 44) auf Erdpotential übertragen werden, wobei je ein Teilstrahl (41, 42) auf je ein photoempfindliches Element (-6, 7) gelenkt wird, und wobei aus den durch die Elemente entstehenden Spannungen durch eine elektronische Analysatorschaltung (8, 18) ein Signal gebildet wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e k e.n n z e i c h -n e t , daß durch die Analysatorschaltung aus den an den Lastwiderständen der Photodioden (7 und 6) abfallenden-Spannungen U6 und U7 der Quotienten U6-U7 gebildet wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t- , daß zusätzlich auf Erdpotential ein Lichtstrahl (21) durch den weiteren Polarisator (12). linear, polarisiert'wird,.daßdie wird, daß diePolarisationsebene des linear polarisierten Lichtstrahls (122) durch einen im Feld einer Spule (110) befindlichen weiteren Faradaydreher (13) gedreht wird, wobei der Winkel drr11yehung der Polarisationsebene proportional zu dem Strom ist, der durch die Spule fließt, daß der aus dem weiteren Faradaydreher austretende Strahl (131) durch ein weiteres Wollastonprisma (14) in die Teilstrahlen (141, 142) geteilt wird, daß je ein Teilstrahl auf je ein weiteres photoempfindliches Element (17, 16) gelenkt wird, und daß die durch die weiteren Elemente erzeugten Spannungen U17 und U16 der Analysatorschaltung (8, 18) zugeführt werden und daß durch eine Regelschaltung (9) und ein Stellglied (11) der Strom so geregelt wird, daß U6-U7 = U16-U17 ist U6+U7 Ulö+U17
8. 8. Stromwandler nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Kompensatorstrom (111) durch einen an Stelle der Regelschaltung 9) und des Stellgliedes (11) vorgesehenen Leistungsverstärker erzeugt wird.
9. 9. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e -k e n n z e i c h ne t , daß als Mittel (43, 44) Lichtleiter vorgesehen sind.
10. 10. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß als doppelbrechendes, strahlteildendes Prisma ein Wollasitonprisrnavorgesehen ist.

    L e e r s e i t e