DE2541072B2 - Magnetooptischer Meßwandler zur Herstellung von Hochspannungsströmen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetooptischen Hochspannungsstrom-Meßwandler, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist.

Magnetooptische Meßwandler sind bekannt. Beispielsweise ist in der deutschen Auslegeschrift 12 83 363 ein derartiger Meßwandler beschrieben. Bei diesem bekannten Meßwandier durchstrahlt polarisiertes Licht einen ersten Faraday-Dreher, der als Meßfühler in einem vom zu messenden Hochspannungsstrom abhängigen Magnetfeld angeordnet ist. Beim Durchgang durch diesen Faraday-Dreher wird die Polarisationsrichtung eines polarisierten Lichtstrahles in Abhängig- *>o keit von diesem Magnetfeld gedreht. Das polarisierte Licht, das aus dem Faraday-Dreher austritt und bezüglich seiner Polarisationsrichtung geändert ist, durchstrahlt nun einen weiteren Faraday-Dreher, den sogenannten Kompensator, der sich auf Erdpotential *>~> befindet. An den Kompensator wird ein regelbares Magnetfeld so angelegt, daß das bezüglich seiner Polarisationsrichtung veränderte polarisierte Licht auf die ursprüngliche Polarisationsrichtung zurückgedreht wird. Die Stärke des regelbaren Magnetfeldes ist dann also ein Maß für die Stromstärke des zu messenden Stromes,

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 21 30 047 ist bereits bekannt, einen Faraday-Dreher als Lichtleiterspule auszubilden. Solch eine Lichtleiterspule besteht aus einer Glasfaser, durch die der polarisierte Lichtstrahl geführt wird, dabei wird dieser Lichtstrahl auf seinem Wege durch die Glasfaser in Abhängigkeit vom einwirkenden Magnetfeld bezüglich seiner Polarisationsrichtung gedreht

Derartige als Lichtleiterspulen ausgebildete Faraday-Dreher weisen jedoch bezüglich der Meßgenauigkeit Grenzen auf: Aufgrund der Krümmung der Lichtleiterfasern in der Spule entstehen mechanische Spannungen, die zu Doppelbrechungen führen.

In dem nicht vorveröffentlichten älteren deutschen Patent 24 33 432 ist ein magnetooptischer Meßwandier zur Messung von Hochspannungsströmen beschrieben, der einen auf Hochspannungspotential liegenden Meßfühler und einen auf Erdpotential liegenden Kompensator hat Im Meßfühler wird linear polarisiertes Licht einer Lichtquelle bezüglich seiner Polarisationsebene in Abhängigkeit von der Stärke eines Magnetfeldes, das vom zu messenden Strom erzeugt wird, gedreht wobei dieses bezüglich der Polarisationsebene gedrehte Licht zum Kompensator weitergeführt wird, wo das Licht unter Einwirkung eines dort erzeugten kompensierenden Magnetfeldes auf seine ursprüngliche Polarisationsrichtung zurückgedreht wird. Die Stärke des zur Kompensation erforderlichen Magnetfeldes ist ein Maß für den Hochspannungsstrom. Das Licht von der Lichtquelle zum Meßfühler und vom Meßfühler zum Kompensator wird über Gradientenfasern geführt Dieser Meßwandler gemäß dem älteren Patent hat einen Meßfühler und einen Kompensator, die bezüglich Krümmung und Windungszahl zueinander gleichartige Lichtleiterspulen aus Gradientenfasern besitzten. Der Meßfühler und der Kompensator sind bezüglich der Spulenachsen ihrer Lichtleiterspulen senkrecht bzw. nahezu senkrecht zueinander ausgerichtet. Bei einem wie vorangehend beschriebenen Meßwandler ist die krümmungsabhängige Doppelbrechung kompensiert

Dem älteren Patent liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich Spulen aus Lichtleiterfasern in ihrem Einfluß auf polarisiertes Licht modellmäßig als ein doppelbrechender Kristall beschreiben lassen. Aus Symmetriegründen stimmt öabei eine Hauptachsenrichtung mit der Spulenachse überein. Unter Hauptachsenrichtungen versteht man bei einem doppelbrechenden Kristall diejenigen Polarisationsrichtungen, mit denen ein linear polarisierter Lichtstrahl den Kristall durchsetzen kann, ohne daß die Polarisation des Lichtstrahles verändert wird.

Jeder doppelbrechende Kristall besitzt zwei senkrecht zueinander stehende Hauptachsenrichtungen. Wird er von einem linear polarisierten Lichtstrahl mit einer Polarisationsrichtung durchsetzt, die von der Hauptachsenrichtung abweicht, so entsteht elliptisch polarisiertes Licht. Werden zwei gleichartige Kristalle optisch so hintereinander geschaltet, daß die Richtung der Hauptachse mit der schnelleren Lichtausbreitung im einen Kristall mit der Richtung der Hauptachse mit der langsameren Lichtausbreitung im anderen Kristall übereinstimmt, d. h. wenn die gleichartigen Hauptachsenrichtungen zueinander gekreuzt sind, so werden die

Laufzeitunterschiede für verschiedene Polarisationsrichtungen kompensiert, so daß ein linear polarisierter Lichtstrahl, der in diese Kristallkombination eintritt, wieder linear polarisiert austritt, und zwar unabhängig von seiner Polarisationsrichtung.

Aufgrund dieser Erkenntnis wird in dem älteren Patent vorgeschlagen, zwei gleiche Lichtleiterspulen optisch hintereinander zu schalten, wobei die Spulenachsen senkrecht zueinander ausgerichtet sein sollen. Die eine Lichtleiterspule dient als Meßfühler und ist auf Hochspannungspotential angeordnet, die andere Lichtleiterspule dient als Kompensator und ist auf Erdpotential angeordnet. Bei dieser Anordnung kann die krümmungsabhängige Doppelbrechung kompensiert werden. '⁵

Die Stärke der krümmungsabhängigen Doppelbrechung ist jedoch auch temperaturabhängig, und da Meßfühler und Kompensator im allgemeinen räumlich verhältnismäßig weit voneinander getrennt sind, um eine Isolaiion gegen den zu messenden Hochspannungsstrom zu erreichen, ist es schwierig, eine gleiche Temperatur am Meßfühler und am Kompensator zu gewährleisten.

Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen für die Unterdrückung von Temperatureinflüssen anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch einen Hochspannungsstrom-Meßwandler der eingangs genannten Art gelöst, der erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 ausgebildet ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßwandler besitzt also der Meßfühler zwei gleichartige Lichtleiterspulen, deren Spulenachsen zueinander annäherend senkrecht stehen. Da die Lichtleiterspulen des Meßfühlers zueinander eng benachbart angeordnet sind, unterliegen diese Spulen den gleichen Temperatureinflüssen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßwandlers besitzt Lichtleiterfasern mit Flüssigkern.

Lichtleiterfasern mit Flüssigkern weisen gegenüber Glasfasern den Vorteil auf, daß bleibende, herstellungsbedingte, mechanische Spannungen nicht auftreten. Bei der Herstellung von Glasfasern entstehen nämlich unregelmäßige mechanische Spannungen innerhalb der Glasfaser, die Stärke dieser Spannungen läßt sich nicht vorher bestimmen. Damit weisen derartige Fasern eine herstellungsbedingte Doppelbrechung auf, die außerdem temperaturabhängig ist.

Lichtleiterfasern mit Flüssigkern dagegen weisen eine Doppelbrechung auf, die, abgesehen von vernachlässigbaren Einflüssen mechanischer Mantelspannungen und Unsymmetrien des Lichtleitermantels, eindeutig mit der Krümmung der Lichtleiterfaser gekoppelt ist.

Die genannten Nebeneffekte des Lichtleitermantels können ebenfalls kompensiert werden: Dazu ist eine 5'; Justierung vorgesehen, mit der die Spulenachsen etwa aus ihrer zueinander rechtwinkligen Richtung gebucht werden können. Die genaue Einstellung ist durch Versuche zu finden.

Vorteilhaft ist, wenn auch ein Kompensator aus zwei wi gleichartigen Lichtleiterspulen vorgesehen ist, wobei die Spulenachsen nahezu senkrecht zueinander stehen,

Bevorzugte, vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Figur beschrieben. <>j

Mittels einer auf Erdpotential angeordneten Lichtquelle 1, die z. B. ein Laser sein kann, wird ein linear polarisierter Lichtstrahl erzeugt, der durch eine Lichtleiterfaser 2 geleitet wird. Diese Lichtleiterfaser führt zu einem Meßfühler 3, der zwei Lichtleiterspulen 31, 32 besitzt Diese beiden Lichtleiterspulen sirtü möglichst gleichartig aufgebaut und besitzen zueinander annähernd senkrechte Spulenachsen. Der Meßfühler ist im Bereich eines vom zu messenden Hochspannungsstrom erzeugten Magnetfeldes angeordnet, dieses Magnetfeld wird im dargestellten Beispiel durch einen Hochspannungsleiter 4 erzeugt, durch den ein Teil des zu messenden Hochspannungsstromes fließt. Die Lichtleiterspule 32 ist optisch über eine Lichtleiterfaser 21 mit einem Kompensator 5 verbunden, der wiederum zwei Lichtleiterspulen 51, 52 besitzt, deren Spulenachsen zueinander annähernd senkrecht stehen. Dieser Kompensator ist im Bereich eines kompensierenden Magnetfeldes angeordnet, welches mittels einer Sekundärstromquelle 7, die mit einer Spule 6 verbunden ist, erzeugt wird. Die Stromstärke der Sekundärstromquelle wird so geregelt, daß am Detektor 8 der ankommende Lichtstrahl die gleiche Polarisationsrichtung wie an der Lichtque'le 1 aufweist. Damit kann an einem Bürdewiderstand 9 eine wechselnde Summing abgegriffen werden, die ein Maß für die zu mcs.^r;nde Hochspannungsstromstärke im Hochspannungsleiter 4 ist.

Der Detektor 8 kann beispielsweise in der folgenden an sich bekannten Weise aufgebaut sein: Mittels eines WolIi-ston-Prismas wird der ankommende Lichtstrahl in zwei zueinander senkrecht polarisierte Teilstrahlen zerlegt, deren Polarisationsrichtungen mit der Polarisationsrichtung des von der Lichtquelle 1 erzeugten Lichtstrahles einen Winkel von 45° bilden. Die beiden zueinander senkrecht polarisierten Teilstrahlen werden auf jeweils einem Lichtmesser gelenkt, so daß die Intensitäten der Teilstrahlen gemessen werden. Das Verhältnis der beiden Intensitäten ist dann ein Maß für die Polarisationsrichtung des am Detektor 8 ankommenden Lichtstrahles. Ist das Verhältnis der Intensitäten gleich 1, so weist der ankommende Lichtstrahl die gleiche Polarisationsrichtung wie an der Lichtquelle 1 auf.

Aus Gründen der zeichnerischen Einfachheit ist in der Figur nur symbolisch durch Pfeile 100, 101 dargestellt, daß an den Lichtleiterspulen des Meßfühlers und des Kompensators vorteilhafterweise Justiermöglichkeiten vorzusehen sind, mit denen die Spulenachsen dieser Lichtleiterspulen etwas aus ihren zueinander senkrechten Richtungen ausgelenkt werden können, um den restlichen Doppelbrechungsfehler, wie oben beschrieben, zu kompensieren.

Eine vollständige Kompensation der der Temperaturabhängigkeit Doppelbrechung durch hintereinander geschaltete doppelbrechende Elemente, bei denen die gleichartigen Hauptachsen senkrecht zueinander stehen, ist allerdings exakt nur möglich, solange die dop polbrechenden Elemente nicht gleichzeitig Faraday-Dreher in einem Magnetfeld sind. In der Druckschrift Applied Optics 11 (1972) Seite 617-621 haben H a e c k I i η und L i e t ζ darauf hingewiesen, daß die Kompensation der Doppelbrechung durch zwei als Faraday-Dreher ausgebildete Flintglasblöcke unvollständig ist.

Vorteilhafterweise kann bei dem erfindungsgemäßen Meßwandler auch bei Einwirkung der Magnetfelder eine besonders hohe Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Doppelbrechung erreicht werden, wenn die Lichtleiterfase'· der Spulen 31, 32 des Meßfühlers immer abwechselnd je eine Windung auf jedem der beiden Spulenkörper ausführt, d. h. auf jede Spulenwin-

dung folgt eine Spulenwindung, deren Achse zur Achse der vorangegangenen Spulenwindung senkrecht steht. Entsprechendes gilt für die Spulen 51, 52 des Kompensator.

Lichtleiterfasern mit Flüssigkern sind an sich bekannt, wie aus der Druckschrift W. A. G a m b 1 i n, D. N. Payne. H. Matsumura, Electron. Lett. IO (1974) S. 148—149 hervorgeht.

Derartige Lichtleitfasern sind gemäß dem älteren nicht vorveröffentlichten deutschen Patent 24 45 369 auch für die Verwendung bei einem Meßwandler hier einschlägiger Art vorgeschlagen worden. Der Flüssigkern der Lichtleitfaser kann ?.. B. aus Hexachlorobuta-1,3-dien bestehen. Der Flüssigkern besitzt eine Brechzahl n, = 1,551, der Glasmantel z. B. eine Brechzahl «2 = 1,482. Bislang war jedoch nicht bekannt, derartige Fasern in Meßwandlern anzuordnen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche;

1. Magnetooptischer Meßwandler zur Messung von Hochspannungsströmen mit einem auf Hochspannungspotential angeordneten als Lichtleiterspu- s Ie ausgebildeten Meßfühler, mit dem linear polarisiertes Licht bezüglich seiner Polarisationsrichtung in Abhängigkeit von der Stärke eines Magnetfeldes, welches vom zu messenden Strom erzeugt wird, gedreht wird, so daß diese Drehung ein Maß für den zu messenden Hochspannungsstrom ist, wobei der Meßwandler eine zweite gleichartige auf Erdpotential befindliche Lichtleiterspule besitzt, deren Spulenachse annähernd senkrecht zur Achse der anderen Lichtleiterspule steht, dadurch ge- is kennzeichnet, daß der Meßwandler mindestens ein Paar gleichartiger und räumlich eng benachbarter Lichtleiterspulen (31, 32, 51, 52) besitzt, deren Spulenachsen zueinander nahezu senkrecht stehen, wobei ein Paar der Lichtleiterspulen (31,32} Teil des Meßfühlers (3) ist

2. Meßwandler nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiterspulen (31,32,51,52) aus Lichtleiterfasern mit Flüssigkern bestehen.

3. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar der Lichtleiterspulen (51, 52) Bestandteil eines auf Erdpotential befindlichen !Compensators (5) ist, der mit dem Meßfühler optisch über eine Lichtleiterfaser (21) verbunden ist

4. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Lichtlekerspulen jedes Paares Justiermöglichkeiten (100, 101) vorgesehen sind, mit denen die Spulenachsen der Lichtleiterspulen des -Paares kontrollierbar etwas abweichend von zueinander & nkrechten Richtungen ausrichtbar sind, so daß ein restlicher Doppelbrechungsfehler der Lichtleiterspulen kompensiert ist

5. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Paar der Leichtleiterspulen auf eine Wicklung der einen Lichtleiterspule des Paares eine Wicklung der anderen Lichtleiterspule des Paares folgt

45