DE3615557C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Strommessung bei einem Energiekabel unter Einsatz eines magnetooptischen Meßwandlers, bei dem ein vom Strom erzeugtes Magnetfeld auf einen Lichtwellenleiter (LWL) wirkt, und die Polarisationsebene eines durch diesem LWL geleiteten polarisierten Lichtstrahls dreht (Faraday-Effekt), wozu der LWL ein genügend langes Stück in dem Magnetfeld, und im wesentlichen parallel zu ihm, angeordnet ist, und er mit seinen beiden Enden aus dem Magnetfeld herausgeführt und am Anfang mit einem Polarisator mit vorgeschalteter Lichtquelle (Laser oder Leuchtdiode), und am Ende mit einem Analysator mit nachgeschaltetem Detektor verbunden ist.

In einer Sonderausführung kann die Meßeinrichtung zur Fehlerstrom­ erfassung und -auslösung benutzt werden.

Ein entsprechender magnetooptischer Meßwandler, der zur Messung des von einem einzelnen Hochspannungsleiter geführten Stroms dient, ist in der DE-AS 24 45 369 beschrieben. Bei ihm werden als LWL Lichtleitfasern mit einem Flüssigkern anstelle der sonst üblichen Gradientenfasern eingesetzt.

Für die Anordnung des LWL im Magnetfeld sind folgende verschiedene Ausführungsformen angegeben:

• a) Der LWL ist als Spule ausgebildet, durch deren Kern der elektrische Leiter wie bei einem elektromag­ netischen Durchsteckwandler hindurchgeführt ist,
• b) der LWL ist als torusförmige Spule gewickelt, um die der elektrische Leiter gewendelt ist, und
• c) bei sehr starken Magnetfeldern braucht der LWL nicht spulenförmig ausgebildet sein, wenn nur das Magnetfeld auf ein genügend langes Stück des LWL einwirkt und es im wesentlichen parallel zum LWL ist.

Ein weiterer magnetooptischer, dazu optoelektronischer Stromwandler für Hochspannungsanlagen, der ebenfalls zur Messung des von einem einzelnen Hochspannungsleiter geführten Stroms dient, ist im Z. Etz Bd. 106 (1985) 1160 beschrieben. Hier ist der LWL als Spule ausgebildet, durch deren Kern der elektrische Leiter hindurchge­ steckt ist. Als LWL werden Monomode-LWL eingesetzt.

Energiekabel mit eingelegten LWL sind bereits bekannt. So ist in Z. Elektrizitätswirtschaft Jg. 84 (1985) 642-43 ein kombiniertes Energie/LWL-Kabel erwähnt, wie es zur Versorgung einer Bohrinsel eingesetzt wurde. Hier handelt es sich um ein dreiadriges Mittel­ spannungs-Seekabel, bei dem in einem der äußeren Zwickel der Energieadern ein vollständiges LWL-Kabel eingeseilt ist. Dieses hat den üblichen Aufbau: Im Kern des LWL-Kabels liegen lose mehrere LWL in einer rohrförmigen Kunststoff-Innenhülle, diese ist von einer Lage zugfester Litzen umgeben, und darüber befindet sich ein Kunststoff-Außenmantel.

Das LWL-Kabel ist hier, abgesehen von der mechanischen Verbindung, von dem Energiekabel völlig unabhängig, was es auch sein muß, weil die LWL als Nachrichten-LWL dienen, und sie deswegen vom Energie­ kabel nicht beeinflußt werden dürfen. Vom Aufbau der LWL und ihrer Anordnung im Energiekabel her können diese LWL nicht als Sensoren dienen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es vom Vorteil ist, in ein Energiekabel LWL-Stromsensoren einzulegen, damit nicht nur die Stromstärke eines Leiters gemessen, sondern auch das Kabel über­ wacht und danach eine Abweichung geregelt oder eine Störung behoben werden kann. - Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Einrichtung zur Strommessung zur Messung des von einem elektrischen Energiekabel geführten Stroms umzubilden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Lösung besteht im wesentlichen darin, daß der LWL als Stromsensor an der Stelle des stärksten magnetischen Feldes anstelle eines Drahtes in die äußerste Lage des mehrdrähtigen Energieleiters des Kabels eingeseilt ist, wobei der LWL vom Monomode-Typ ist und von einer stabilen Schutzhülle umgeben ist, und daß der LWL aus dem Kopf der beiden Endverschlüsse der Kabel­ strecke herausgeführt und mit den zugeordneten Geräten verbunden ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben, von denen der Anspruch 2 die Anordnung eines weiteren LWL-Stromsensors im Kabel der Anspruch 3 die Schaltung der beiden Sensoren zur Fehlerstrom-Überwachung der Anspruch 4 die Schutzhülle des Sensors und der Anspruch 5 die Auswerteeinrichtung betrifft.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß die Meßeinrichtung keinen Eingriff in die Verteilung des elektrischen Feldes entlang oder an einzelnen Stellen des Kabels bewirkt, womit eine genauere Strommessung möglich ist und Maßnahmen zur Erhaltung der Spannungsfestigkeit des Kabels im Bereich des Meßwandlers nicht erforderlich sind. Hier - wie auch bei der Fehlerstrommessung im Gegensatz zu den bekannten Differentialschutzeinrichtungen - entfallen alle zusätzlichen elektrischen Meßleitungen und damit jegliche durch sie mögliche Störbeeinflussungen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar­ gestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen in Draufsicht

Fig. 1 eine Kabelstrecke mit Endverschlüssen und mit einer Ein­ richtung zur Strommessung mittels Stromsensor-LWL im Kabel und Faraday-Effektgeräten an den Enden,

Fig. 2 das mit zwei Stromsensor-LWL ausgestattete Energiekabel und

Fig. 3 einen ummantelten LWL.

Bezeichnet sind mit

 1 Einleiter-Energiekabel, Kabelstrecke
11 Leiter aus mehreren Cu-Drähten verseilt
12 Isolierung
13 Schirm
14 Mantel
 2 Endverschlüsse
 3 Lichtwellenleiter (LWL) umhüllt
 3a LWL-Sensor im Leiter
 3b LWL-Sensor über der Isolierung
31 Monomode-LWL primärbeschichtet
32 Umhüllung des LWL aus faserverstärktem Kunststoff, Mantel
 4 Polarisator
 5 Analysator
 6 Auswerteelektronik-Einheit.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen, wie der LWL als Stromsensor 3a an der Stelle des stärksten magnetischen Feldes anstelle eines Drahtes in die äußerste Lage des mehrdrähtigen Energieleiters 11 des Kabels eingeseilt ist (Fig. 2), wobei der LWL vom Monomode-Typ ist und er von einer als Mantel oder Rohr ausgebildeten stabilen Schutzhülle 32 umgeben ist. Am Ende der Kabelstrecke 1 ist der LWL 3a aus dem Kopf der beiden Endverschlüsse 2 herausgeführt und am Anfang mit dem Polarisator 4 mit einer vorgeschalteten Lichtquelle (Laser oder Leuchtdiode), und am Ende mit dem Analysator 5 mit der nach­ geschalteten Auswerteelektronik-Einheit 6 verbunden.

Die Fig. 2 zeigt weiter, wie der gleichartige zweite LWL 3b über der Leiterisolierung - unter dem oder im Schirm 13 - mit gleicher Schlaglänge, aber entgegengesetzter Schlagrichtung wie beim ersten LWL 3a verseilt ist. Er ist ebenso wie der erste LWL mit einer Meßeinrichtung (Polarisator 4′, Analysator 5′ und Auswerteelektronik 6′) verbunden, soweit er nicht an die Meßeinrichtung des ersten LWL angekoppelt ist.

Die Ausbildung der Einrichtung zur Fehlerstrommessung erfolgt der­ gestalt, daß die Kabelstrecke 1 in zwei gleichlange Abschnitte unterteilt wird und an der Unterteilungsstelle die beiden LWL 3a und 3b über Kreuz in Reihe geschaltet werden. Hier stellt sich nur im Fall eines Fehlerstroms zur Erde eine Drehung der Polarisations­ ebene des Lichts ein, die für eine Fehlerstromauslösung benutzt werden kann (Differenzenbildung).

Beim Faraday-Effekt wird unter der Einwirkung des magnetischen Feldes des stromführenden Leiters 11 die Polarisationsebene des linear polarisierten Lichts, das sich innerhalb des LWL 3a bzw. 3b in Richtung der magnetischen Feldlinien ausbreitet, gedreht. Die Drehung ist der durchlaufenen Länge des LWL und der in seiner Achsrichtung wirkenden Komponente der magnetischen Feldstärke proportional. Der Proportionalitätsfaktor ist vom Material abhängig und er wird als Verdet-Konstante V bezeichnet.

Für den Drehwinkel w gilt die Beziehung w=V×N×n×i, worin N die Windungszahl des LWL, n die des Leiters und i die Stromstärke bezeichnen.

Da bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung der LWL 3a mit den Einzeldrähten der Außenlage des Kabelleiters 11 verseilt ist, ver­ hält er sich zu dem senkrecht um seine Kabelachse verlaufenden Magnetfeld wie eine Spule, deren Windungszahl N bei einer Schlag­ länge l und einer Kabellänge L N=L/l beträgt. Da der Kabelleiter nur einmal diese Spule durchläuft (n=1), wird der Drehwinkel w der Polarisationsebene im Fall eines Stromes i w=V×L×i/l.

Für den zweiten LWL 3b, der mit gleicher Schlaglänge, aber entge­ gengesetzter Schlagrichtung wie der erste LWL 3a verseilt ist, gilt dann bei gleichem Strom i - w=V×L×i/l. Schaltet man nun die betreffenden LWL 3a und 3b von gleich langen Kabelabschnitten hintereinander, dann erfährt innerhalb dieser Abschnitte die Polarisationsebene so lange keine Drehung, wie keine Fehlerströme fließen. Fließt dagegen in einem der Abschnitte, gleich an welcher Stelle, ein Fehlerstrom I, dann addiert sich dieser zum Nutzstrom, und es wird w=V×L×I/l (Vorzeichen je nach Fehlerort). Der Drehwinkel w der Polarisationsebene ist also hier ein direktes Maß für den Fehlerstrom I, und er kann zur Abschaltung der defekten Strecke benutzt werden.

Da die Drehung der Polarisationsebene auch von der Länge des LWL abhängig ist, kann es sein, daß die Ebene um 360° gedreht wird, womit man keinen Stromwert erhält. Abhilfe erfolgt damit, daß in Analysator 5 und Auswerteelektronik 6 eine Einrichtung zur Ver­ stimmung eingebaut ist, die den Einfluß der Länge des LWL 3a bzw. 3b beim Faraday-Effekt berücksichtigt.

Schließlich zeigt Fig. 3 den bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung eingesetzten LWL. Der LWL 31 ist ein Monomode-LWL, der mit der üblichen Primär-, eventuell auch Sekundärbeschichtung versehen ist. Um ihn liegt als stabile Schutzhülle 32 ein Mantel aus faser­ verstärktem Kunststoff, vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Polyesterharz. Die Schutzhülle kann auch als Rohr ausgebildet sein.

Claims (5)

1. Einrichtung zur Strommessung bei einem Energiekabel unter Ein­ satz eines magnetooptischen Meßwandlers, bei dem ein vom Strom erzeugtes Magnetfeld auf einen Lichtwellenleiter (LWL) wirkt, und die Polarisationsebene eines durch diesen LWL geleiteten polari­ sierten Lichtstrahls dreht (Faraday-Effekt),

• - wozu der LWL (3) ein genügend langes Stück in dem Magnetfeld, und im wesentlichen parallel zu ihm, angeordnet ist,
• - und er mit seinen beiden Enden aus dem Magnetfeld herausgeführt und am Anfang mit einem Polarisator (4) mit vorgeschalteter Licht­ quelle (Laser oder Leuchtdiode), und am Ende mit einem Analysator (5) mit nachgeschaltetem Detektor verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
• - daß der LWL als Stromsensor (3a) an der Stelle des stärksten magnetischen Feldes anstelle eines Drahtes in die äußerste Lage des mehrdrähtigen Energieleiters (11) des Kabels eingeseilt ist,
• - daß der LWL (3a) vom Monomode-Typ ist und er von einer als Mantel oder Rohr ausgebildeten stabilen Schutzhülle (32) umgeben ist,
• - und daß der LWL (3a) aus dem Kopf der beiden Endverschlüsse (2) der Kabelstrecke (1) herausgeführt und mit den zugeordneten Geräten, von denen der Detektor als Auswerteelektronik (6) ausgebildet ist, verbunden ist.

2. Einrichtung zur Strommessung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein gleichartiger zweiter LWL (3b) über der Leiter­ isolierung - unter dem oder im Schirm (13) - mit gleicher Schlag­ länge, aber entgegengesetzter Schlagrichtung wie der erste LWL (3a) verseilt ist, und er ebenso wie der erste LWL mit einer Meß­ einrichtung (4′ bis 6′) verbunden ist.

3. Einrichtung zur Strommessung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kabelstrecke (1) in zwei gleichlange Abschnitte unterteilt ist und an der Unterteilungsstelle die beiden LWL (3a und 3b) über Kreuz in Reihe geschaltet sind, womit sich nur im Fall eines Fehlerstroms zur Erde eine Drehung der Polarisations­ ebene des Lichts einstellt, die für eine Fehlerstromauslösung benutzt werden kann.

4. Einrichtung zur Strommessung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülle (32) des LWL aus faserverstärktem Kunststoff, vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Polyesterharz, ist.

5. Einrichtung zur Strommessung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Analysator (5) und Auswerteelektronik (6) eine Einrichtung zur Verstimmung eingebaut ist, die den Einfluß der Länge des LWL (3a bzw. 3b) beim Faraday-Effekt berück­ sichtigt.