DE4100054C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Meßwandler zur Bestimmung von elektrischen Strömen und Spannungen, umfassend ein Gehäuse, durch des ein Primärleiter hindurchgeht, dessen Strom und Spannung zu messen sind, wobei zumindest ein Teil des Gehäuses auf demselben elektrischen Potential liegt wie der Primärleiter; einen Eisenkern, der einen mit dem Primärleiter magnetisch gekoppelten Magnetpfad bildet; eine erste optische Meßeinrichtung zur Messung des elektrischen Stromes; eine zweite optische Meßeinrichtung zur Messung der elektrischen Spannung, wobei die beiden Meßeinrichtungen dem Primärleiter zugeordnet und mit Lichtwellenleitern durch eine isolierende Durchführung hindurch an eine auf Massepotential liegende Signalverarbeitungseinrichtung mit optischem Sender angeschlossen sind.

Ein derartiger optischer Meßwandler ist aus der DE-AS 21 31 225 bekannt, wobei dort ein Primärleiter durch ein Kopfteil hindurchgeht, das ringförmig ausgebildet ist und ein Kopfgehäuse aufweist. In diesem Kopfgehäuse befindet sich eine ringförmige Schale, die auf Niederspannungspotential liegt und die eine Sekundärwicklung mit Eisenkern sowie eine Wicklung aus einem Lichtwellenleiter aufnimmt und trägt. Durch eine aus einem Isolator bestehende Durchführung hindurch sind die Lichtwellenleiter an eine extern vorgesehene Auswerteeinrichtung in einem Schaltkasten angeschlossen.

Bei dem herkömmlichen optischen Meßwandler gemäß der DE-AS 21 31 225 ist innerhalb der Durchführungsanordnung eine Spannungssteuerung untergebracht, die mehrere Steuerelektroden aufweist, welche als Metalzylinder ausgebildet und in axialer Richtung versetzt zueinander angeordnet sind. Zwischen diesen Steuerelektroden ist ein weiterer Lichtwellenleiter hindurchgeführt, der entweder eine zickzack-förmige Bahn oder aber einzelne Windungen besitzt, die konzentrisch um die Längsachse der Durchführungsanordnung herum angeordnet sind. Diese Windungen des Lichtwellenleiters innerhalb der Durchführungsanordnung dienen zur Spannungsmessung, während die Wicklung des Lichtwellenleiters im Kopfteil zur Strommessung dient.

Eine andere Ausführungsform gemäß der DE-AS 21 31 225 weist einen Lichtwellenleiter für die Spannungsmessung auf, der ebenfalls im Kopfteil untergebracht, und zwar in Form einer Toroidspule eines Lichtwellenleiters auf einer ringförmigen Schale. Bei dem optischen Meßwandler gemäß der DE-AS 21 31 225 muß das elektrische Feld auf möglichst großer Länge den Lichtwellenleiter durchdringen, um eine ausreichende Spannungsempfindlichkeit des Meßwandlers zu erreichen, so daß zu diesem Zweck Spulen aus Lichtwellenleitern verwendet werden. Auf Grund der erforderlichen Längenausdehnung der Spule und des Abstandes zum Primärleiter ist bei der Anordnung gemäß der DE-AS 21 31 225 eine Spannungssteuerung mit den verschiedenen Steuerelektroden erforderlich, um ein möglichst homogenes Feld zu erzielen und Fremdeinflüsse zu vermeiden. Die speziellen Bauformen des optischen Meßwandlers gemäß der DE-AS 21 31 225 haben somit einen erheblichen Raumbedarf, wobei die Anordnung unter anderem wegen der Spannungssteuerung und der Steuerelektroden relativ kompliziert ist, denn auch die Anordnung der Wicklungen von Lichtwellenleitern erfordert einen großen Aufwand bei der Anordnung und der Montage.

Aus der Veröffentlichung Patents Abstracts of Japan, P-343 vom 23. März 1985, Band 9, Nr. 64 auf Grund der JP-A-59-1 98 359 ist ein optischer Meßwandler bekannt, bei dem ein Faraday-Element in dem Spalt eines Magnetkerns angeordnet ist, wobei der Magnetfluß in dem Magnetkern proportional zur Dichte eines Stromes ist, der durch einen Leiter fließt. Der ringförmig ausgebildete Kern hat dabei ein Paar von gegenüberliegenden Spulen mit gleicher Windungszahl und umgekehrter Polarität, so daß darin kein Strom fließt und damit kein störender Einfluß auf das Faraday-Element ausgeübt wird. Infolgedessen kann die Meßgenauigkeit der dort beschriebenen Meßanordnung erhöht werden. Auch wenn dort die Unterbringung eines Meßelementes in einem Spalt eines Eisenkernes angegeben ist, gibt diese Veröffentlichung keine Anregungen für die gezielte Ausbildung eines Meßwandlers zur Bestimmung von elektrischen Strömen und Spannungen.

In der DE-AS 19 03 828 ist eine Meßeinrichtung für Ströme in Hochspannungsleitern beschrieben, wobei das von einer Lichtquelle abgegebene Licht unter Verwendung eines Strahlteilers einem ersten magneto-optischen Modulator und einem zweiten magneto-optischen Modulator zugeführt wird, wobei der erste Modulator auf Hochspannungspotential liegt, während der zweite Modulator auf Niederspannungspotential gehalten ist. Diese Meßeinrichtung dient nur zur Bestimmung von Strömen in Hochspannungsleitern, während die gleichzeitige Messung von Strom und Spannung in einem kompakten Meßwandler dort nicht berücksichtigt ist.

Die Fig. 4 der Zeichnungen zeigt im Teilschnitt einen herkömmlichen optischen Stromwandler, der aus einer Veröffentlichung "1245 Entwicklung einer Vorrichtung zur Ermittlung eines Fehlerbereiches einer Unterstation" vom 4. April 1989 der National Convention IEE Japan bekannt ist. Bei der Anordnung gemäß Fig. 4 führt ein Primärleiter 1 ein hohes Potential, und es fließt ein zu messender Strom im Primärleiter. Ein Eisenkern 2 mit einem Luftspalt bildet einen Magnetpfad zur Ankopplung an den Primärleiter 1. Ein optischer Magnetfeldsensor 3 ist in dem Luftspalt 2a des Eisenkerns 2 angeordnet. Ein Gehäuse 4 nimmt den Eisenkern 2 und den optischen Magnetfeldsensor 3 auf und sorgt für die Halterung und Fixierung dieser Elemente. Eine Durchführung 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 4 an ihrem Flansch 5a. Die Konstruktion zwischen dem unteren Flansch 5b am unteren Ende der Durchführung 5 und Masse ist in Fig. 4 nicht gezeigt. Lichtwellenleiter 6a und 6b sind durch die Durchführung geführt, wobei sie mit ihren Enden auf der einen Seite an den optischen Magnetfeldsensor 3 angeschlossen sind, während die Enden auf der anderen Seite mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 7 verbunden sind.

Wenn bei einem solchen herkömmlichen optischen Stromwandler im Primärleiter 1 ein Strom fließt, so ergibt sich ein dem Strom proportionaler Magnetfluß durch den Eisenkern 2 und den Luftspalt 2a. Ein von einem Lichtsender der Signalverarbeitungseinrichtung 7 ausgehendes Lichtsignal geht durch den Lichtwellenleiter 6a und wird dem optischen Magnetfeldsensor 3 zugeführt. Das zugeführte Lichtsignal wird proportional zu dem durch den genannten Magnetfluß erzeugten Magnetfeld moduliert. Das modulierte Lichtsignal geht durch den Lichtwellenleiter 6b zurück und wird einem Lichtempfänger der Signalverarbeitungseinrichtung 7 zugeführt, wobei das modulierte Lichtsignal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, welches dem im Primärleiter 1 fließenden Strom proportional ist. Somit kann der Strom auf hohem Potential in dem Primärleiter 1 gemessen werden, und zwar mit einer Schaltung in der Signalverarbeitungseinrichtung, die selbst auf Massepotential liegt.

Auf diese Weise können zwar Ströme im Primärleiter 1 gemessen werden, nicht aber das Potential des Primärleiters 1. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, zusätzliche Meßeinrichtungen vorzusehen, für die sich aber keine Anregungen in der genannten Veröffentlichung finden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen möglichst kompakten optischen Meßwandler der eingangs genannten Art anzugeben, der kleine Abmessungen aufweist und der in zuverlässiger Weise die Messung von elektrischen Strömen und Spannungen ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, einen optischen Meßwandler der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die erste optische Meßeinrichtung ein erstes optisches Sensorelement aufweist, das in einem Spalt des Eisenkernes sitzt und diekt in dem vom Primärleiter in dem Eisenkern erzeugten Magnetfeld liegt, daß ein vom Gehäuse durch ein Isolationstragteil isolierter oberer Flansch vorgesehen ist, der mit dem Gehäuse eine erste Kapazität und mit der Masse eine zweite Kapazität für einen kapazitiven Spannungsteiler bildet, und daß die zweite optische Meßeinrichtung ein zweites optisches Sensorelement aufweist, das in dem Isolationstragteil sitzt, welches sich zwischen dem oberen Flansch der Durchführung und dem Gehäuse befindet.

Mit dem erfindungsgemäßen optischen Meßwandler wird die Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst, wobei der Meßwandler mit zwei optischen Sensorelementen auskommt, die in der Nähe des Primärleiters angeordnet sind. Die Verwendung von Wicklungen von Lichtwellenleitern ist ebensowenig erforderlich wie die Anordnung und Unterbringung einer Spannungssteuerung mit entsprechenden Steuerelektroden.

Bei dem optischen Meßwandler gemäß der Erfindung wird eine kompakte Anordnung verwendet, bei der ganz definierte Potentialverhältnisse geschaffen werden durch das Vorsehen des Isolationstragteiles zwischen dem Gehäuse mit dem Primärleiter einerseits und der Durchführung andererseits. Das Isolationstragteil wirkt dabei als Dielektrikum zwischen dem oberen Flansch und dem Gehäuse und dient zugleich als Aufnahmeteil für das optische Sensorelement zur Spannungsmessung. Dabei ist die vom zweiten optischen Sensorelement gemessene Spannung eine zur Spannung des Primärleiters proportionale Teilspannung, deren Teilungsverhältnis bestimmt ist durch die erste Kapazität zwischen dem Gehäuse und dem oberen Flansch sowie die zweite Kapazität zwischen dem oberen Flansch und Masse.

Bei dem optischen Meßwandler gemäß der Erfindung wird zwischen dem Gehäuse einerseits und dem oberen Flansch andererseits ein definiertes, von der Spannung des Primärleiters abhängiges, ausreichend homogenes elektrisches Feld erzeugt. Die Komponenten des erfindungsgemäßen Meßwandlers haben dabei eine Doppelfunktion, da sie einerseits mechanische Tragteile für die Sensorelemente, die Lichtwellenleiter sowie den Primärleiter bilden. Andererseits kann durch den Aufbau und die Struktur des Meßwandlers für ein geeignetes Spannungsteilerverhältnis gesorgt werden, mit der Folge, daß das zweite Sensorelement lediglich geringe Potentialdifferenzen auszuhalten braucht.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Meßwandlers ist vorgesehen, daß als Gehäuse ein Isolator mit einem Leiterteil dient, das den Eisenkern und das erste optische Sensorelement in dem Spalt des Eisenkernes als integrale Einheit trägt.

Bei einer speziellen Bauform des erfindungsgemäßen Meßwandlers ist vorgesehen, daß bei den beiden Sensorelementen ein Strahlteiler angeordnet ist, der ein durch einen gemeinsamen Lichtwellenleiter zugeführtes Lichtsignal für die beiden Sensorelemente aufteilt. Für die Rückführung des Meßsignals zur Signalverarbeitungseinrichtung sind dann eigene Lichtwellenleiter vorgesehen, so daß insgesamt ein Lichtwellenleiter eingespart werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend 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 Meßwandlers nach der Erfindung;

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

Fig. 3 eine teilweise Schnittdarstellung eines drit­ ten Ausführungsbeispiels des optischen Meßwandlers; 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 Meßwandlers 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 als erstes optisches Sensorelement 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 Durchführung 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 zweites optisches Sensorelement 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. Lichtwellenleiter 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. Lichtwellenleiter 10a und 10b sind ebenfalls durch die Buchse 5 geführt, und ihre einen Enden sind mit dem optischen Sensorelement 9 für das elektrische Feld und ihre anderen Enden mit der Signalverarbeitungseinrich­ tung 7 verbunden.

Anschließend wird der Betrieb des optischen Meßwandlers 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 Lichtwellenleiter 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 Lichtwellenleiter 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 auf hohem Potential fließende 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 Meßwandlers bestimmt. Die Span­ nung Vd ist ferner der Primärleiterspannung V proportional, und das von der Spannung Vd erzeugte elektrische Feld liegt am optischen Sensorelement 9 für das elektrische Feld an.

Das vom anderen Lichtsendeelement in der Signalverarbei­ tungseinrichtung 7 ausgehende Lichtsignal geht durch den Lichtwellenleiter 10a und wird dem optischen Sensorelement 9 für das elektrische Feld zugeführt. Das zugeführte Lichtsignal wird proportional dem genannten elektrischen Feld vom optischen Sensorelement 9 für das elektrische Feld moduliert. Das modulierte Lichtsignal läuft durch den Lichtwellenleiter 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 Meßwandler 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 das optische Magnetfeldsensorelement 3 als integrale Einheit. Der Isolator 11 hat einen Leiterteil 11a aus Metallblech unter seiner Bodenfläche. Dadurch wird der kleinere und leichte inte­ grale optische Meßwandler erhalten. Da ferner der Eisenkern 2 und das optische Magnetfeldsensorelement 3 in dem integralen Körper gebildet sind, kann eine Abweichung der Lagebeziehung zwischen dem Eisenkern 2 und dem optischen Magnetfeldsensorelement 3 praktisch nicht auftreten, was zu einer verbesserten Meßgenauigkeit führt.

Fig. 3 ist eine teilweise Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des optischen Meßwandlers. 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 Lichtwellenleiter 12 von der Signalverarbeitungseinrichtung 7 kommende Lichtsignal in zwei getrennte Lichtsignale. Das heißt also, daß anstelle der beiden Lichtwellenleiter 6a und 10a von Fig. 1 ein einziger gemeinsamer Lichtwellenleiter 12 verwen­ det wird, und das Lichtsendeelement der Signalverarbei­ tungseinrichtung 7 wird gemeinsam für das optische Magnet­ feldsensorelement 3 und das optische Sensorelement 9 für das elektrische Feld verwendet.

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

Claims (4)

1. Optischer Meßwandler zur Bestimmung von elektrischen Strömen und Spannungen, umfassend

• - ein Gehäuse (4), durch das ein Primärleiter (1) hindurchgeht, dessen Strom und Spannung zu messen sind, wobei zumindest ein Teil (4a) des Gehäuses (4) auf demselben elektrischen Potential liegt die der Primärleiter (1),
• - einen Eisenkern (2), der einen mit dem Primärleiter (1) magnetisch gekoppelten Magnetpfad bildet,
• - eine erste optische Meßeinrichtung (3) zur Messung des elektrischen Stromes,
• - eine zweite optische Meßeinrichtung (9) zur Messung der elektrischen Spannung, wobei die beiden Meßeinrichtungen (3, 9) dem Primärleiter (1) zugeordnet und mit Lichtwellenleitern (6a, 6b; 10a, 10b) durch eine isolierende Durchführung (5) hindurch an eine auf Massepotential liegende Signalverarbeitungseinrichtung (7) mit optischen Sender angeschlossen sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste optische Meßeinrichtung ein erstes optisches Sensorelement (3) aufweist, das in einem Spalt (2a) des Eisenkerns (2) sitzt und direkt in dem vom Primärleiter (1) in dem Eisenkern (2) erzeugten Magnetfeld liegt,
daß ein vom Gehäuse (4) durch ein Isolationstragteil (8) isolierter oberer Flansch (5a) vorgesehen ist, der mit dem Gehäuse (4) eine erste Kapazität und mit der Masse eine zweite Kapazität für einen kapazitiven Spannungsteiler bildet,
und daß die zweite optische Meßeinrichtung ein zweites optisches Sensorelement (9) aufweist, das in dem Isolationstragteil (8) sitzt, welches sich zwischen dem oberen Flansch (5a) der Durchführung (5) und dem Gehäuse (4) befindet.

2. Optischer Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gehäuse ein Isolator (11) mit einem Leiterteil (11a) dient, das den Eisenkern (2) und das erste optische Sensorelement (3) in dem Spalt (2a) des Eisenkerns (2) als integrale Einheit trägt.

3. Optischer Meßwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei den beiden Sensorelementen (3, 9) ein Strahlteiler (13) angeordnet ist, der ein durch einen gemeinsamen Lichtwellenleiter (12) zugeführtes Lichtsignal für die beiden Sensorelemente (3, 9) aufteilt.