DE4037737A1 - Optischer stromumformer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Stromumformer mit einer Kombination aus einem magnetischen Kern und einer magnetischen Erfassungsvorrichtung wie beispielsweise einer optischen Zelle.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 wird ein optischer Stromumformer beschrieben, welcher beispielsweise in der veröffentlichten ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 59-1 98 359 gezeigt ist.

Fig. 5 zeigt in schematischer Vorderansicht drei Phasen-Gas­ isolations-Bus-Bars mit einem optischen Stromumformer 5. Gemäß Fig. 5 sind drei Bus-Bars bzw. Sammelschienen 2, 3 und 4 in einem röhrenförmigen Gehäuse 1 aus Metall angeordnet. Die optischen Stromumformer 5 sind um die Bus-Bars 2, 3 und 4 herum vorgesehen.

In Fig. 6 sind Einzelheiten des optischen Stromumformers 5 gezeigt. Gemäß Fig. 6 bildet ein C-förmig ausgebildeter Eisenkern 6 mit einem Spaltteil 7, der mit Kunststoff oder Glas gefüllt ist, einen ringförmigen magnetischen Pfad, der den Bus-Bar 2 verkettet. In dem Spaltteil 7 des Kern 6 ist eine Faraday-Zelle 8 als Beispiel einer magnetooptischen Zelle vorgesehen. Mit der Faraday-Zelle 8 sind optische Fasern 9a und 9b verbunden. Die optische Faser 9a dient zum Liefern eines Lichtstrahles an die Faraday-Zelle 8, und die andere optische Faser 9b dient zur Führung des Lichtes von der Faraday-Zelle 8 an eine fotoelektrische Signalverarbei­ tungsvorrichtung 15, welche den Lichtstrahl in ein elektri­ sches Signal umwandelt. In dem Spaltteil 7 und in der Nähe des Spaltteiles 7 des Kerns 6 ist eine Windung 10 zum Aufhe­ ben eines externen Magnetfeldes vorgesehen. Zur Erfassung des externen Magnetfeldes ist eine weitere Windung 11 bei einem Teil des Kerns 6 symmetrisch zu der Windung 10 gegen­ über dem Bus-Bar 2 vorgesehen. Die Windungszahlen der Win­ dungen 10 und 11 sind gleich. Ferner sind die Windungen 10 und 11 auf solche Weise verbunden, daß die in den Windungen 10 und 11 durch einen Hauptmagnetfluß Φ1, welcher durch den Strom in den Bus-Bar 2 induziert ist und in dem Kern 6 zir­ kuliert, induzierten Spannungen gegenseitig aufgehoben wer­ den, da mehrere Spannungsquellen mit gleichen elektromotori­ schen Kräften gemeinsam verbunden sind, und ohne daß irgend­ eine Last an ihnen liegt.

Es wird die Betriebsweise des optischen Stromumformers be­ schrieben.

Wenn ein zu erfassender Strom in dem Bus-Bar 2 fließt, zir­ kuliert in dem Kern 8 der Hauptmagnetfluß Φ1 proportional zur Intensität des Stromes. Der Hauptmagnetfluß Φ1 fließt ebenso in dem Spaltteil 7. Wenn hierbei ein Lichtstrahl über die optische Faser 9a an die Faraday-Zelle 8 angelegt ist, wird der Lichtstrahl proportional zur Intensität eines Magnetfeldes aufgrund des Hauptmagnetflusses Φ1 in der Fara­ day-Zelle 8 moduliert. Der modulierte Lichtstrahl wird über die optische Faser 9b von der Faraday-Zelle 8 ausgegeben, und durch die Signalverarbeitungsvorrichtung 15 foto­ elektrisch umgeformt. Als Ergebnis wird die Intensität des in dem Bus-Bar 2 fließenden Stromes erfaßt.

Die Windungen 10 und 11 dienen zur Unterdrückung unerwünsch­ ter Einflüsse, welche durch einen externen magnetischen Fluß Φm (gezeigt in Fig. 6) bewirkt werden, der durch die in den anderen Bus-Bars 3 und 4 (gezeigt in Fig. 5) fließenden Ströme erzeugt wird. Unter der Annahme, daß der externe magnetische Fluß Φm an die Windungen 10 und 11 angelegt ist, werden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, auch dann die durch den externen magnetischen Fluß Φm in den Windungen 10 und 11 induzierten Spannungen nicht gegenseitig aufgehoben, und die Windung 10 erzeugt einen magnetischen Fluß, der eine entge­ gengesetzte Richtung zu dem externen magnetischen Fluß Φm aufweist. Folglich wird der Teil des externen magnetischen Flusses Φm, der sich in dem Spaltteil 7 befindet, aufgrund des durch die Windung 10 erzeugten magnetischen Flusses auf­ gehoben. Durch das Vorhandensein der Windungen 10 und 11 auf symmetrisch entgegengesetzten Teilen auf dem kreisförmigen Eisenkern 6 wird somit ein unerwünschter Einfluß des Haupt­ magnetflusses Φ1 in dem kreisförmigen Kern 6 durch den ex­ ternen magnetischen Fluß Φm aufgrund der Aufhebung redu­ ziert. Damit wird die innewohnende Stromerfassung des opti­ schen Stromumformers 5 nicht schädlich beeinflußt.

Jedoch beträgt bei dem oben erwähnten optischen Stromumfor­ mer 5 die Anzahl der Windungen 10 und 11 lediglich zwei, und die Breiten der Windungen sind nicht groß genug, so daß ein beträchtlicher Teil des kreisförmigen Kerns 6 unumwunden verbleibt. Damit ergibt sich das Problem, daß die durch den externen magnetischen Fluß Φm verursachten Einflüsse nicht genügend oder ideal verhindert werden, da die Windungen 10 und 11 zur Vermeidung des von dem externen magnetischen Fluß Φm verursachten Einflusses lediglich in dem Spaltteil 7 und in der Nähe des Spaltteiles 7, als auch in den jeweils symmetrisch entgegengesetzt hierzu befindlichen Teilen vor­ gesehen sind.

Jedoch ist bei einem tatsächlichen Gehäuse 1 der externe magnetische Fluß Φm nicht ideal gleichförmig oder gerade. In diesem Falle ist die Schutzfunktion durch die Windungen 10 und 11 nicht perfekt, und die Einflüsse in den Teilen des Kerns 6 außerhalb des Spaltteiles 7 werden durch den exter­ nen magnetischen Fluß Φm induziert. Daher werden die magne­ tischen Permeabilitäten der verschiedenen Teile des Kerns 6 ungleich bzw. ungleichmäßig wegen der Ungleichmäßigkeit der Intensitäten und Richtungen des externen magnetischen Flus­ ses Φm, und damit wird die gesamte magnetische Reluktanz des Kerns 6 vom gewünschten Wert schwanken, abhängig von dem Pfad und der Ungleichmäßigkeit des externen magnetischen Flusses Φm. Folglich ergibt sich in dem gemessenen Strom eine Fehlerkomponente des Ausgangsstromes aufgrund des ex­ ternen magnetischen Flusses Φm, und der von der Faraday- Zelle 8 erfaßte magnetische Fluß enthält Fehler.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten optischen Stromumformer zur Verfügung zu stellen, bei dem eine Fehlerkomponente, welche in einem erfaßten Signal ent­ halten ist und durch einen externen magnetischen Fluß Φm er­ zeugt ist, im Vergleich zu dem bekannten Fall erheblich ver­ ringert ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Ein optischer Stromumformer entsprechend der vorliegenden Erfindung weist auf:
einen C-förmig ausgebildeten kreisförmigen Eisenkern, der einen Spaltteil aufweist und zur Verkettung um einen Bus-Bar herum vorgesehen ist, in welchem ein zu erfassender Strom fließt;
eine in dem Spaltteil des Kerns vorgesehene magnetooptische Zelle zur Erfassung eines in dem Kern induzierten magneti­ schen Flusses, und zur Ausgabe eines physikalisch geänderten Signales als Reaktion auf die Intensität des magnetischen Flusses;
eine Vorrichtung zur Messung ausgehend von dem physikalisch geänderten Signal; und
zumindest vier Windungen, welche dieselbe Windungszahl auf­ weisen, wobei die Weiten der Windungen gleichförmig entlang des gesamten Teiles des kreisförmigen Eisenkerns vorgesehen sind, und die Anschlüsse der jeweiligen Windungen mit der­ selben Polarität gemeinsam verbunden sind.

Die Polaritäten und Intensitäten der in den jeweiligen Win­ dungen durch den Hauptmagnetfluß induzierten Spannungen sind gleich. Daher wird durch die Spannungen kein elektrischer Strom in den Windungen induziert. Damit beeinflussen die Windungen nicht das Ergebnis der Stromerfassung des opti­ schen Stromumformers gemäß dieser Erfindung.

Bezüglich des von außerhalb eingebrachten, externen magneti­ schen Flusses sind im Gegenteil die Anzahlen der Verkettun­ gen und Richtungen des externen magnetischen Flusses in den jeweiligen Windungen im allgemeinen verschieden für die je­ weiligen Windungen. Daher treten Unterschiede in den Pola­ ritäten und der Größe der Spannungen auf, welche in den je­ weiligen Windungen durch den externen magnetischen Fluß in­ duziert sind. Als Ergebnis fließt ein elektrischer Strom in den Windungen, und der Einfluß des externen magnetischen Flusses ist in den gesamten Teilen des Kerns verringert.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem Unteranspruch.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Zweckmäßigkeiten der Er­ findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1(A) ein Blockdiagramm einer Ausbildung einer bevor­ zugten Ausführungsform eines optischen Stromum­ formers entsprechend dieser Erfindung;

Fig. 1(B) eine geschnittene Vorderansicht einer Anordnung von Drei-Phasen-Gas-Isolations-Bus-Bars mit op­ tischen Stromumformern entsprechend dieser Er­ findung;

Fig. 2 ein Verbindungsdiagramm der in Fig. 1(A) gezeig­ ten Windungen 12a, 12b, 12c und 12d;

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Vorderansicht des optischen Stromumformers entsprechend dieser Er­ findung;

Fig. 4 ein Verbindungsdiagramm eines weiteren bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels des optischen Stromum­ formers entsprechend dieser Erfindung;

Fig. 5 eine geschnittene Vorderansicht einer Anordnung von typischen Drei-Phasen-Gas-Isolations-Bus- Bars mit einem optischen Stromumformer; und

Fig. 6 ein Blockdiagramm eines optischen Stromumfor­ mers.

Es ist zu beachten, daß einige bzw. sämtliche der Figuren schematische Darstellungen für Illustrationszwecke darstel­ len, und nicht notwendigerweise die tatsächlichen relativen Größenordnungen oder Abstände der gezeigten Elemente wieder­ geben.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines optischen Stromum­ formers entsprechend dieser Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 1(A), 1(B), 2 und 3 beschrieben. Fig. 1(A) zeigt ein Blockdiagramm des optischen Stromumformers 50 entspre­ chend dieser Erfindung. Fig. 1(B) zeigt in geschnittener Vorderansicht eine Anordnung von Drei-Phasen-Gas-Isolations- Bus-Bars mit den in Fig. 1(A) gezeigten optischen Stromumformern. Fig. 2 stellt ein Verbindungsdiagramm von Fig. 1(A) dar. Fig. 3 zeigt eine teilweise geschnittene Vor­ deransicht des optischen Stromumformers 50 gemäß Fig. 1(A).

Gemäß Fig. 1(B) sind drei Bus-Bars bzw. Sammelschienen 2, 3 und 4 in einem röhrenförmigen Gehäuse 1 aus Metall angeord­ net. Optische Stromumformer 5 entsprechend dieser Erfindung sind um die Bus-Bars 2, 3 und 4 herum angeordnet.

Gemäß Fig. 1(A) bildet ein C-förmig ausgebildeter Eisenkern 6 mit einem Spaltteil 7 einen ringförmigen magnetischen Pfad, der den Bus-Bar 2 verkettet. Ein Abstandhalter 7a ist in dem Spaltteil 7 eingepaßt, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Eine Faradayzelle 8 als eine magnetooptische Zelle ist in dem Spaltteil 7 vorgesehen. Mit der Faradayzelle 8 sind op­ tische Fasern 9a und 9b verbunden. Die optische Faser 9a dient zum Liefern eines Lichtstrahles an die Faradayzelle 8, und die andere optische Faser 9b dient zur Führung des Lichtstrahles von der Faradayzelle 8 an eine Signalverarbeitungsvorrichtung 15. Die Signalverarbeitungs­ vorrichtung 15 wandelt den Lichtstrahl fotoelektrisch in ein elektrisches Signal um.

Vier Windungen 12a, 12b, 12c und 12d sind gleichförmig um den Kern 6 herum auf eine Weise gewunden, daß die Oberfläche des Kerns 6 kontinuierlich bedeckt ist. Die Windungszahlen der jeweiligen Windungen 12a, 12b, 12c und 12d sind gleich, wobei die gesamten Windungen 12a, 12b, 12c und 12d gleich­ förmig um die gesamte Länge des Kerns 6 herum gewunden sind.

Über Leitungen 13a und 13b sind die Anschlüsse der Windungen 12a, 12b, 12c und 12d mit gleicher Polarität parallel ver­ bunden.

Es wird die Wirkungsweise des optischen Stromumformers 50 entsprechend dieser Erfindung beschrieben.

Wenn ein zu erfassender Strom in dem Bus-Bar 2 fließt, zir­ kuliert der Hauptmagnetfluß Φ1 proportional zur Intensität des Stromes in dem Kern 6. Der Hauptmagnetfluß Φ1 fließt ebenso in dem Spaltteil 7. Wenn hierbei ein Lichtstrahl an die Faradayzelle 8 über die optische Faser 9a angelegt wird, wird das Licht als Reaktion auf die Intensität des magneti­ schen Feldes aufgrund des Hauptmagnetflusses Φ1 in der Fara­ dayzelle 8 moduliert. Der modulierte Lichtstrahl wird von der Faradayzelle 8 über die optische Faser 9b an die Signal­ verarbeitungsvorrichtung 15 ausgegeben. Der Lichtstrahl wird durch die Signalverarbeitungsvorrichtung 15 fotoelektrisch umgewandelt. Als Ergebnis wird die Intensität des in dem Bus-Bar 2 fließenden Stromes erfaßt.

Hierbei werden Spannungen in den jeweiligen Windungen 12a, 12b, 12c und 12d aufgrund des Hauptmagnetflusses Φ1 indu­ ziert, der durch den Strom in dem Bus-Bar 2 induziert wird, welcher in dem Zentrum des ringförmigen Kerns 6 angeordnet ist. Die Polaritäten und die Intensitäten der jeweiligen Spannungen sind gleich, und ferner sind die Anschlüsse mit der gleichen Polarität der Windungen 12a, 12b, 12c und 12d gemeinsam über die Leitungen 13a und 13b verbunden. Daher werden die Spannungen gegenseitig aufgehoben, und damit fließt kein Strom in irgendeiner der Windungen 12a, 12b, 12c und 12d, da eine Vielzahl von Spannungsquellen mit gleichen elektromotorischen Kräften gemeinsam und ohne Last verbunden sind. Die Windungen 12a, 12b, 12c und 12d haben nämlich durch den Hauptmagnetfluß Φ1 keine Wirkung, so daß sie nicht das magnetische Feld in dem Spaltteil 7 beeinflussen.

Auf der anderen Seite wird durch elektrische Ströme, die in den anderen Bus-Bars, zum Beispiel 3 und 4, wie in Fig. 5 gezeigt ist, fließen, ein externer magnetischer Fluß Φm er­ zeugt. Der externe magnetische Fluß Φm wirkt in den opti­ schen Stromumformer 50 ein. Daher werden durch den externen magnetischen Fluß Φm Spannungen in den Windungen 12a, 12b, 12c und 12d induziert. In diesem Fall wird der externe magnetische Fluß Φm mit den jeweiligen Windungen 12a, 12b, 12c und 12d in den Richtungen, die verschieden voneinander sind, verkettet. Die Polaritäten und die Intensitäten der in den Windungen 12a, 12b, 12c und 12d induzierten Spannungen sind verschieden voneinander. Als Ergebnis fließen elektri­ sche Ströme entsprechend der Unterschiede in den Spannungen in den jeweiligen Windungen 12a, 12b, 12c und 12d über die Leitungen 13a und 13b. Damit fließen Ströme in beiden Rich­ tungen und mit beiden Intensitäten zur Aufhebung des exter­ nen magnetischen Φm. Da der gesamte Kern 6 gleichförmig durch gleich ausgebildete Windungen 12a, 12b, 12c und 12d bedeckt ist, wird der Einfluß des externen magnetischen Flusses Φm nicht nur lediglich von dem Spaltteil 7 entfernt, sondern ebenso von den gesamten Teilen des Kerns 6. Dement­ sprechend wird die magnetische Reluktanz der gesamten Teile des Kerns 6 von dem Einfluß des externen magnetischen Flus­ ses Φm geschützt, und damit wird eine durch die Änderung der magnetischen Reluktanz des Kerns 6 verursachte Fehlerkompo­ nente, die in dem erfaßten Signal enthalten sein könnte, entfernt. Somit wird die Genauigkeit des Stromumformers ver­ bessert.

Unter Bezugnahme auf ein Verbindungsdiagramm gemäß Fig. 4 wird ein weiteres, bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines op­ tischen Stromumformers entsprechend dieser Erfindung be­ schrieben.

Gemäß Fig. 4 werden sechs Windungen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e und 12f zur Entfernung des Einflusses des externen magneti­ schen Flusses Φm verwendet. Die Windungszahlen und die Wei­ ten der jeweiligen Windungen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e und 12f sind gleich. Ferner sind im ganzen die Windungen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e und 12f gleichförmig um den gesamten Kern 6 gewunden. Die weiteren Elemente zur Ausbildung des optischen Stromumformers sind dieselben wie bei dem in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel. Daher sind die weite­ ren Elemente aus der Beschreibung und der Darstellung wegge­ lassen. Die Anzahl der um den Kern 6 herum vorgesehenen Win­ dungen kann beliebig gewählt werden, jedoch wird eine gerade Anzahl bevorzugt.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird für den Stromnachweis eine Faradayzelle 8 verwendet, welche die Intensität des magnetischen Flusses zu der Modulation des Lichtes umwandelt. Des weiteren kann auch eine Hall-Zelle verwendet werden, welche direkt die Intensität des magneti­ schen Flusses in die Potentialdifferenz umwandelt.

Obwohl die Erfindung mit einem bestimmten Grad von Besonder­ heit in ihrer bevorzugten Form beschrieben wurde, wird ver­ merkt, daß die vorliegende Beschreibung der bevorzugten Aus­ führungsform in den Konstruktionsdetails, der Kombinationen der Anordnung der Teile verlagert werden kann, ohne von dem Gedanken und dem Umfang der beanspruchten Erfindung abzuwei­ chen.

Claims (2)

1. Optischer Stromumformer mit:
einem C-förmig ausgebildeten, kreisförmigen Eisenkern, der einen Spaltteil aufweist, und um einen Bus-Bar herum vorgesehen ist, in welchem ein zu erfassender Strom fließt;
einer in dem Spaltteil des kreisförmigen Eisenkerns vorgesehenen magnetooptischen Zelle zum Erfassen eines magnetischen Flusses in dem kreisförmigen Eisenkern, zum Ausgeben eines physikalisch geänderten Signales als Reaktion auf die Intensität des magnetischen Flusses;
eine Vorrichtung zur Messung des physikalisch geänder­ ten Signales; und
zumindest vier Windungen, welche dieselbe Windungszahl aufweisen, wobei die Weiten der Windungen gleichförmig entlang des ganzen Teiles des kreisförmigen Eisenkerns vorgesehen sind, und Anschlüsse der jeweiligen Windun­ gen mit derselben Polarität gemeinsam verbunden sind.

2. Optischer Stromumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetooptische Zelle eine Faradayzelle darstellt; und die Vorrichtung zur Erfassung der Intensität des Stromes eine fotoelektrische Umwandlungsvorrichtung darstellt.