DE4037737C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Stromumformer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Er weist eine Kombination aus einem magnetischen Kern und einer
magnetischen Erfassungsvorrichtung, wie beispielsweise einer
optischen Zelle, auf.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 wird ein optischer
Stromumformer gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 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 oder -Sammelschienen 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 Wicklung 10 zum Aufhe
ben eines externen Magnetfeldes vorgesehen. Zur Erfassung
des externen Magnetfeldes ist eine weitere Wicklung 11 bei
einem Teil des Kerns 6 symmetrisch zu der Wicklung 10 gegen
über dem Bus-Bar 2 vorgesehen. Die Windungszahlen der Wick
lungen 10 und 11 sind gleich. Ferner sind die Wicklungen 10
und 11 auf solche Weise verbunden, daß die in den Wicklungen
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 Wicklungen 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 Wicklungen 10 und 11 angelegt ist,
werden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, auch dann die durch
den externen magnetischen Fluß Φm in den Wicklungen 10 und 11
induzierten Spannungen nicht gegenseitig aufgehoben, und die
Wicklung 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 Wicklung 10 erzeugten magnetischen Flusses auf
gehoben. Durch das Vorhandensein der Wicklungen 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 Wicklungen 10 und 11 lediglich zwei, und
die Breiten der Wicklungen 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 Wicklungen 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 Wicklungen 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 der eingangs genannten Art 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 ein Spaltteil aufweist und zur Verkettung um eine Sammelschiene (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 des physikalisch geänderten Signales; und
zumindest vier Windungen bzw. Wicklungen mit jeweils derselben Windungszahl, wobei die Weiten der Wicklungen gleichförmig entlang des gesamten Teiles des kreisförmigen Eisenkerns vorgesehen sind, und die Anschlüsse der jeweiligen Wicklungen mit der selben Polarität miteinander verbunden sind.
einen C-förmig ausgebildeten kreisförmigen Eisenkern, der ein Spaltteil aufweist und zur Verkettung um eine Sammelschiene (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 des physikalisch geänderten Signales; und
zumindest vier Windungen bzw. Wicklungen mit jeweils derselben Windungszahl, wobei die Weiten der Wicklungen gleichförmig entlang des gesamten Teiles des kreisförmigen Eisenkerns vorgesehen sind, und die Anschlüsse der jeweiligen Wicklungen mit der selben Polarität miteinander verbunden sind.
Die Polaritäten und Intensitäten der in den jeweiligen Wick
lungen durch den Hauptmagnetfluß induzierten Spannungen sind
gleich. Daher wird durch die Spannungen kein elektrischer
Strom in den Wicklungen induziert. Damit beeinflussen die
Wicklungen 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 Wicklungen im allgemeinen verschieden für die je
weiligen Wicklungen. Daher treten Unterschiede in den Pola
ritäten und der Größe der Spannungen auf, welche in den je
weiligen Wicklungen durch den externen magnetischen Fluß in
duziert sind. Als Ergebnis fließt ein elektrischer Strom in
den Wicklungen, 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 Wicklungen 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 oder die Sammelschiene 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 als Vorrichtung 15 zur Messung. Die Signalverarbeitungs
vorrichtung 15 wandelt den Lichtstrahl fotoelektrisch in ein
elektrisches Signal um.
Vier Wicklungen 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 Wicklungen 12a, 12b, 12c und 12d sind gleich,
wobei die gesamten Wicklungen 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 Wicklungen
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 Wicklungen 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 Wicklungen 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 Wicklungen 12a, 12b, 12c
und 12d, da eine Vielzahl von Spannungsquellen mit gleichen
elektromotorischen Kräften gemeinsam und ohne Last verbunden
sind. Die Wicklungen 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 Wicklungen 12a, 12b,
12c und 12d induziert. In diesem Fall wird der externe
magnetische Fluß Φm mit den jeweiligen Wicklungen 12a, 12b,
12c und 12d in den Richtungen, die verschieden voneinander
sind, verkettet. Die Polaritäten und die Intensitäten der in
den Wicklungen 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 Wicklungen 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 Flusses Φm. Da der gesamte Kern 6 gleichförmig
durch gleich ausgebildete Wicklungen 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 Wicklungen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e
und 12f zur Entfernung des Einflusses des externen magnetischen
Flusses Φm verwendet. Die Windungszahlen und die Weiten
der jeweiligen Wicklungen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e und 12f
sind gleich. Ferner sind im ganzen die Wicklungen 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 weiteren
Elemente aus der Beschreibung und der Darstellung weggelassen.
Die Anzahl der um den Kern 6 herum vorgesehenen Wicklungen
kann beliebig gewählt werden, jedoch wird eine gerade
Anzahl bevorzugt.
Bei dem 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 magnetischen
Flusses in die Potentialdifferenz umwandelt.
Obwohl die Erfindung mit einem bestimmten Grad von Besonderheit
in ihrer bevorzugten Form beschrieben wurde, wird vermerkt,
daß die vorliegende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
in den Konstruktionsdetails, der Kombinationen
der Anordnung der Teile auch verlagert werden kann.
Claims (3)
1. Optischer Stromumformer mit:
- - einem C-förmig ausgebildeten, kreisförmigen Eisenkern (6), der einen Spaltteil (7) aufweist und um eine Sammelschiene (2, 3, oder 4) herum vorgesehen ist, in welcher ein zu erfassender Strom fließt;
- - einer in dem Spaltteil (7) des kreisförmigen Eisenkerns (6) vorgesehenen magnetooptischen Zelle (8) zum Erfassen eines magnetischen Flusses in dem kreisförmigen Eisenkern (6), zum Ausgeben eines physikalisch geänderten Signales als Reaktion auf die Intensität des magnetischen Flusses;
- - einer Vorrichtung (15) zur Messung des physikalisch geänderten Signales;
gekennzeichnet durch,
zumindest vier Windungen (12a, 12b, 12c, 12d) mit jeweils
derselben Windungszahl, wobei die Weiten der
Wicklungen gleichförmig entlang des ganzen Teiles des
kreisförmigen Eisenkerns (6) vorgesehen sind, und die
Anschlüsse der jeweiligen Windungen mit derselben Polarität
miteinander verbunden sind (13a, 13b).
2. Optischer Stromumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die magnetooptische Zelle (8) eine
Faradayzelle darstellt und die Vorrichtung (15) zur Erfassung
der Intensität des Stromes eine fotoelektrische
Umwandlungsvorrichtung darstellt.
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