DE4100054A1 - Optisches wandlerinstrument - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Wandlerinstrument zur Messung von Spannung und Strom.

Es sind optische Stromwandler bekannt, die den Strom in einem Primärleiter unter Anwendung eines optischen Magnet­ feldsensors messen.

Fig. 4 ist eine Teilschnittdarstellung eines konventionel­ len optischen Stromwandlers gemäß 1989 National Convention IEE Japan, "1245 Development for apparatus for detecting fault section of a substation".

In Fig. 4 führt ein Primärleiter 1 ein hohes Potential, und ein zu messender Strom fließt im Primärleiter. Ein Eisen­ kern 2 mit einem Luftspalt bildet einen Magnetpfad zur An­ kopplung an den Primärleiter 1. Ein optischer Magnetfeldsensor 3, z. B. ein optisches Magnetfeldeffektelement, ist in dem Luftspalt 2a des Eisenkerns 2 angeordnet. Ein Gehäuse 4 enthält den Eisenkern 2 und den optischen Magnetfeldsensor 3 und haltert und fixiert diese Elemente. Eine Buchse 5 hat an ihren Enden einen oberen Flansch 5a und einen unteren Flansch 5b aus Metall und isoliert das Gehäuse 4 gegenüber Masse unter Abstützung des Gehäuses an ihrem oberen Flansch 5a. Die Konstruktion zwischen dem unteren Flansch 5b am Unterende der Buchse 5 und Masse ist in Fig. 4 nicht ge­ zeigt. Lichtleiter 6a, 6b sind durch die Buchse geführt, und ihre einen Enden sind an den optischen Magnetfeldsensor 3 angeschlossen, während ihre anderen Enden mit einer Si­ gnalverarbeitungseinrichtung 7 verbunden sind.

Anschließend wird der Betrieb des konventionellen optischen Stromwandlers beschrieben. Wenn im Primärleiter 1 ein Strom fließt, fließt ein dem Strom proportionaler Magnetfluß durch den Eisenkern 2 und den Luftspalt 2a. Ein von einem Lichtsendeelement der Signalverarbeitungseinrichtung 7 ausgehendes Lichtsignal geht durch den Lichtleiter 6a und wird dem optischen Magnetfeldsensor 3 zugeführt. Das ein­ geführte Lichtsignal wird proportional dem durch den ge­ nannten Magnetfluß erzeugten Magnetfeld moduliert. Das modulierte Lichtsignal geht durch den Lichtleiter 6b und wird einem Lichtempfangselement der Signalverarheitungs­ einrichtung 7 zugeführt. Diese wandelt das modulierte Lichtsignal in ein elektrisches Signal um, das dem im Pri­ märleiter 1 fließenden Strom proportional ist. Somit kann der H-Potentialstrom des Primärleiters 1 in der Schaltung, die Massepotential hat, gemessen werden.

Der optische Stromwandler mit optischem Magnetfeldsensor zur Strommessung ist vergleichsweise einfach aufgebaut. Wenn aber die Messung des Potentials des Primärleiters 1 durchzuführen ist, muß zusätzlich zu dem optischen Strom­ wandler ein induktiver Spannungswandler, ein Koppelkonden­ sator-Spannungswandler oder ein richtiger optischer Wandler mit Spannungsteiler im Instrument vorgesehen sein. Bei dieser Auslegung ergibt sich das Problem, daß das Instru­ ment zur Messung von Strom und Spannung sehr groß und teuer wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Lösung dieses Problems unter Bereitstellung eines optischen Wandlerinstruments, das die Messung von Strom und Spannung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein optisches Wandlerinstrument gelöst, das aufweist: einen Eisenkern mit einem Luftspalt zur Bildung eines Magnetpfads zur Ankopplung eines Primärleiters, einen optischen Magnetfeldsensor, der in dem Luftspalt des Eisenkerns gehalten ist, einen Leiter­ körper aus einem Leitermaterial, der den Eisenkern haltert und mit dem Primärleiter elektrisch verbunden ist, eine Buchse, die am Oberende einen Flansch hat und diesen gegen­ über Masse isoliert, einen Isoliertragkörper zwischen dem aus Leitermaterial bestehenden Flansch und dem Leiterkör­ per, einen optischen Sensor für ein elektrisches Feld, der zwischen dem Leiterkörper und dem Flansch angeordnet ist, und eine Signalverarbeitungseinrichtung, die mit dem opti­ schen Magnetfeldsensor und dem optischen Sensor für ein elektrisches Feld über Lichtleiter elektrisch gekoppelt ist, ein Lichtsignal an den optischen Magnetfeldsensor und an den optischen Sensor für ein elektrisches Feld aussen­ det, ein von den Sensoren moduliertes Lichtsignal empfängt und Spannung und Strom des Primärleiters mißt.

Bei dem optischen Wandlerinstrument nach der Erfindung erfolgt die Messung des Stroms durch den Effekt der Licht­ signalmodulation im optischen Magnetfeldsensor und ähnlich wie die Messung bei dem konventionellen optischen Strom­ wandler.

Ein Potential, das der am Primärleiter anliegenden Spannung proportional ist, wird gleichzeitig an dem Leiter- bzw. Trägerkörper induziert. Dabei ist das induzierte Potential als das Potential gegeben, das durch ein Teilungsverhältnis geteilt ist, das sowohl durch die erste Kapazität zwischen dem Leiterkörper und dem oberen Flansch der Buchse als auch die zweite Kapazität zwischen dem oberen Flansch und Masse, die zwischen dem Leiterkörper und dem oberen Flansch der Buchse auftritt, bestimmt ist. Der optische Sensor zur Erfassung des elektrischen Feldes moduliert das Lichtsignal proportional dem induzierten Potential. Somit erfolgt die Messung der Spannung durch Messung der Modulationsintensi­ tät.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine teilweise Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des optischen Wandler­ instruments nach der Erfindung;

Fig. 2 eine teilweise Schnittdarstellung eines zwei­ ten Ausführungsbeispiels des optischen Wand­ lerinstruments;

Fig. 3 eine teilweise Schnittdarstellung eines drit­ ten Ausführungsbeispiels des optischen Wand­ lerinstruments; und

Fig. 4 eine teilweise Schnittdarstellung eines kon­ ventionellen optischen Stromwandlers.

Die Figuren sind teilweise oder vollständig nur schemati­ sche Darstellungen und zeigen nicht unbedingt die tatsäch­ lichen relativen Größen oder Positionen der gezeigten Elemente.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird das erste Ausführungsbei­ spiel des optischen Wandlerinstruments erläutert.

Nach Fig. 1 liegt eine Hochspannung an einem Primärleiter 1, in dem ein zu messender Strom fließt. Ein Eisenkern 2 mit einem Luftspalt bildet einen an den Primärleiter 1 an­ gekoppelten Magnetpfad. Ein optischer Magnetfeldsensor 3 wie etwa ein optisches Magnetfeldeffektelement ist in dem Luftspalt 2a des Eisenkerns 2 angeordnet. Ein Gehäuse 4 enthält den Eisenkern und den optischen Magnetfeldsensor 3 und haltert und fixiert sie als Trageinrichtung. Das Ge­ häuse 4 besteht aus einem Metall wie rostfreiem Stahl und ist mit dem Primärleiter 1 elektrisch verbunden. Der untere Teil des Gehäuses 4 ist ein Leiterkörper 4a. Eine Buchse 5, die an ihren Enden einen oberen Flansch 5a und einen unte­ ren Flansch 5b aus Metall aufweist, haltert das Gehäuse 4, indem ein Isolationstragteil 8 zwischen den oberen Flansch 5a und das Gehäuse 4 eingefügt ist. Die Konstruktion zwi­ schen dem unteren Flansch 5b am Unterende der Buchse und Masse ist in Fig. 1 weggelassen. Ein optischer Sensor 9 für ein elektrisches Feld (ein Beispiel dafür beschreibt Kazuo Kyuma et al. in "Fiber-Optic Voltage Sensor Using Electro-Optic Bi₁₂GeO₂₀ Single Crystal" Proceedings of the 2nd Sensor Symposium, 1982, S. 33-37) ist zwischen dem Leiterkörper 4a und dem oberen Flansch 5a im Isolationstragteil 8 angeord­ net. Lichtleiter 6a und 6b sind durch die Buchse 5 geführt, wobei ihre einen Enden mit dem optischen Magnetfeldsensor 3 und ihre anderen Enden mit einer Signalverarbeitungsein­ richtung 7 verbunden sind. Lichtleiter 10a und 10b sind ebenfalls durch die Buchse 5 geführt, und ihre einen Enden sind mit dem optischen Sensor 9 für das elektrische Feld und ihre anderen Enden mit der Signalverarbeitungseinrich­ tung 7 verbunden.

Anschließend wird der Betrieb des optischen Wandlerinstru­ ments beschrieben. Wenn im Primärleiter 1 ein Strom fließt, fließt ein dem Strom proportionaler Magnetfluß durch den Eisenkern 2 und den Luftspalt 2a. Ein von einem Lichtsende­ element der Signalverarbeitungseinrichtung 7 ausgehendes Lichtsignal geht durch den Lichtleiter 6a und wird dem optischen Magnetfeldsensor 3 zugeführt. Das zugeführte Lichtsignal wird proportional dem von dem genannten Magnet­ fluß erzeugten Magnetfeld moduliert. Das modulierte Licht­ signal läuft durch den Lichtleiter 6a und wird einem Licht­ empfangselement der Signalverarbeitungseinrichtung 7 zuge­ führt. Diese wandelt das modulierte Lichtsignal in ein elektrisches Signal um, das dem im Primärleiter 1 fließen­ den Strom proportional ist. Dadurch kann der Hochpotential- Strom des Primärleiters 1 in der auf Massepotential lie­ genden Schaltung gemessen werden.

Das Metallgehäuse 4 liegt auf dem gleichen Potential wie der Primärleiter 1, und sein oberer Flansch 5a ist relativ dazu isoliert, so daß die Spannung Vd am Leiterkörper 4a und am oberen Flansch 5a als eine Spannung gegeben ist, die von der Spannung V des Primärleiters 1 mit einem Teilungs­ verhältnis geteilt ist, das durch eine Kapazität C1 zwi­ schen dem Leiterkörper 4a und dem oberen Flansch 5a und eine Kapazität C2 zwischen dem oberen Flansch 5a und Masse bestimmt ist. Die Spannung Vd kann also gemäß der folgenden Gleichung (1) geschrieben werden:

Vd = {C1/(C1+C2)} × V
= (Teilungsverhältnis) × V (1)

Diese Kapazitäten C1 und C2 sind durch die Struktur bzw. Form des optischen Wandlerinstruments bestimmt. Die Span­ nung Vd ist ferner der Primärleiterspannung V proportional, und das von der Spannung Vd erzeugte elektrische Feld liegt am optischen Sensor 9 für das elektrische Feld an.

Das vom anderen Lichtsendeelement in der Signalverarbei­ tungseinrichtung 7 ausgehende Lichtsignal geht durch den Lichtleiter 10a und wird dem optischen Sensor 9 für das elektrische Feld zugeführt. Das zugeführte Lichtsignal wird proportional dem genannten elektrischen Feld vom optischen Sensor 9 für das elektrische Feld moduliert. Das modulierte Lichtsignal läuft durch den Lichtleiter 10b und wird dem anderen Lichtempfangselement der Signalverarbeitungsein­ richtung 7 zugeführt. Diese extrahiert den Demodulations­ betrag und berechnet die Primärleiterspannung V aus dem Betrag der Demodulation und dem vorgenannten Teilungsver­ hältnis.

Fig. 2 ist eine teilweise Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des optischen Wandlerinstruments. Dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals erläutert. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten wie folgt:
Ein Isolator 11, der ein Formteil z. B. aus Kunststoff oder Kautschuk ist, trägt den Eisenkern 2 und den optischen Magnetfeldsensor 3 als integrale Einheit. Der Isolator 11 hat einen Leiterteil 11a aus Metallblech unter seiner Bodenfläche. Dadurch wird das kleinere und leichte inte­ grale optische Wandlerinstrument erhalten. Da ferner der Eisenkern 2 und der optische Magnetfeldsensor 3 in dem integralen Körper gebildet sind, kann eine Abweichung der Lagebeziehung zwischen dem Eisenkern 2 und dem optischen Magnetfeldsensor 3 praktisch nicht auftreten, was zu einer verbesserten Meßgenauigkeit führt.

Fig. 3 ist eine teilweise Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des optischen Wandlerinstruments. Dabei sind wiederum gleiche oder entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht erneut beschrieben. Die Unterschiede gegenüber dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel sind folgende:

Ein Strahlteiler 13 ist nahe den beiden Sensoren 3 und 9 angeordnet. Der Strahlteiler 13 zerlegt das durch einen Lichtleiter 12 von der Signalverarbeitungseinrichtung 7 kommende Lichtsignal in zwei getrennte Lichtsignale. Das heißt also, daß anstelle der beiden Lichtleiter 6a und 10a von Fig. 1 ein einziger gemeinsamer Lichtleiter 12 verwen­ det wird, und das Lichtsendeelement der Signalverarbei­ tungseinrichtung 7 wird gemeinsam für den optischen Magnet­ feldsensor 3 und den optischen Sensor 9 für das elektrische Feld verwendet.

Dadurch wird die Zahl der durch die Buchse geführten Licht­ leiter um Eins verringert. Somit kann die Buchse 5 kleiner als die Buchse 5 von Fig. 1 gemacht werden, wodurch ein kleinerer optischer Wandler erhalten wird.

Claims (4)

1. Optisches Wandlerinstrument, gekennzeichnet durch
einen Eisenkern (2) mit einem Spalt, der einen Magnet­ pfad zur Ankopplung an einen Primärleiter (1) bildet;
einen optischen Magnetfeldsensor (3), der in dem Spalt des Eisenkerns (2) gehalten ist;
einen Leiterkörper (4a) aus einem Leitermaterial, der den Eisenkern (2) haltert und mit dem Primärleiter (1) elektrisch verbunden ist,
eine Buchse (5) mit einem Flansch (5a) am Oberende, die den Flansch gegenüber Masse isoliert,
ein Isolationstragteil (8) zwischen dem aus Leiterma­ terial bestehenden Flansch (5a) und dem Leiterkörper (4a),
einen optischen Sensor (9) für ein elektrisches Feld, der zwischen dem Leiterkörper (4a) und dem Flansch (5a) angeordnet ist, und
eine Signalverarbeitungseinrichtung (7), die mit dem optischen Magnetfeldsensor (3) und dem optischen Sensor (9) für ein elektrisches Feld über Lichtleiter (6a, 6b, 10a, 10b) optisch gekoppelt ist und ein Lichtsignal an den opti­ schen Magnetfeldsensor (3) und den optischen Sensor (9) für ein elektrisches Feld aussendet, ein von den Sensoren jeweils moduliertes Lichtsignal empfängt und Spannung und Strom des Primärleiters (1) mißt.

2. Optisches Wandlerinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiterkörper (4a) ein damit integrales Gehäuse (4) aufweist, in dem der Eisenkern (2) enthalten ist.

3. Optisches Wandlerinstrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiterkörper (11a) ein Formteil (11) trägt, in dem der Eisenkern (2) aufgenommen ist.

4. Optisches Wandlerinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlteiler (13) vorgesehen ist, der das von der Signalverarbeitungseinrichtung (7) ausgesandte Licht­ signal zerlegt.