DE4227903C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Strommeßanordnung für eine Strecke einer Energieader eines Energiekabels mit teilweise im Energiekabel integrierten, polarisationserhaltenden Lichtwellenleitern, die als Faraday-Spulen ausgebildet und hintereinander geschaltet sind und mit an einem Ende der Strecke vorhandenen Einrichtungen zum Ein- und Auskoppeln von Licht und mit einer Einrichtung zum Auswerten optischer Signale.

Es wurde bei einer Strommeßanordnung dieser Art schon vorgeschlagen, zwei in gleich langen Kabelstrecken integrierte Lichtwellenleiter jeweils mit gleichem Schlag in Reihe hintereinander zu schalten und diese Anordnung als Einrichtung zur Detektion eines Fehlerstroms über die Änderung des Drehwinkels der Polarisationsebene (Faraday-Effekt) zu verwenden (EP 010 8012, DE 36 15 557). Mit solchen Anordnungen ist es jedoch nicht möglich, die Fehlerstromstärke quantitativ oder sogar die örtliche Lage des Fehlers in einer Kabelstrecke festzustellen. Diese Anordnungen haben nur die Eigenschaft eines Fehlermelders, solange der Fehler nicht am Anfang oder am Ende der Strecke auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strommeßanordnung der eingangs genannten Art für eine Strecke einer Energieader eines Energiekabels anzugeben, welche es gestattet, genauere Daten über den Fehlerstrom und insbesondere auch über den Fehlerstromort zu ermitteln.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.

Mit der Erfindung wird eine Kombination von konzentrierten und verteilten, faseroptischen Stromsensoren in Energiekabeln oder -leitungen realisiert. Als konzentrierte Stromsensoren werden enggewickelte Lichtwellenleiterspulen und als verteilte Stromsensoren Lichtwellenleiterspulen mit langem Schlag verstanden, mit denen jeweils die Stromstärke in einem elektrischen Leiter aufgrund des Faraday-Effekts meßbar ist. Die so beschriebenen Lichtwellenleiterspulen werden im folgenden als Faraday-Spulen bezeichnet. Das Magnetfeld der Energieader erzeugt aufgrund des Faraday-Effekts eine Drehung der Polarisationsebene des in den Lichtwellenleiter eingestrahlten Lichts (in der Regel im infraroten Wellenlängenbereich). In konzentrierten Stromsensoren wird die Messung des Faraday-Effekts auf eine im Vergleich zur Länge der Energieleitung (km) vernachlässigbar kurzen Strecke (cm) begrenzt. Verteilte Stromsensoren erfassen die Faraday- Drehung demgegenüber auf einer ausgedehnten Strecke, bis hin zur gesamten Leitungslänge.

Beim Hintereinanderschalten meherer Faraday-Spulen addieren sich die Werte der Drehung der Polarisationsebene in jeder Spule. Die Winkeldrehungen subtrahieren sich, wenn die Faraday- Spulen mit entgegengesetzter Wickelrichtung hintereinander liegen. Im folgenden sollen die zu einem Stromsensor gehörenden, hintereinander geschalteten Spulen als Faraday-Teilspulen bezeichnet werden. Es ist bekannt, daß sich reziproke Störeffekte, z. B. der Temperatureinfluß bei torsionsinduzierter Doppelbrechung, bei Hin- und Zurückführen auf demselben optischen Weg auslöschen, während der nichtreziproke Faraday- Effekt in seiner Wirkung verdoppelt wird. Die Verdopplung des Lichtweges wird erreicht, indem das Licht am Ende der Faraday-Spule mit einem Spiegel reflektiert wird.

Die Lichtwellenleiter der verteilten Stromsensoren werden an einem Ende aus der den Leiter aufnehmenden Energieleitung (z. B. Kabel) herausgeführt und mit Einrichtungen versehen, um die optischen Signale ein- und auszukoppeln. Die ausgekoppelten Signale werden einer Auswerteeinrichtung (z. B. in einer Leitwarte) zugeführt. Es ist bekannt, Lichtwellenleiter nicht nur in Kabel sondern auch in Muffen oder Endverschlüssen zu integrieren, so daß schon bei der Herstellung der Kabel, der Muffen oder Endverschlüsse die Voraussetzung auch für eine integrierte Strommeßanordnung geschaffen wird.

Störeinflüsse können in Lichtwellenleitern lineare Doppelbrechung erzeugen, die eine Fortleitung des Faraday-Signals unmöglich macht. Es werden daher für die Ausbildung der faseroptischen Stromsensoren solche Lichtwellenleiter eingesetzt, bei denen der Polarisationszusand der geführten Lichtwelle nicht durch Störeinflüsse beeinflußt ist. Beispiele solcher Lichtwellenleiter sind Speziallichtwellenleiter (spun high birefregence: im Aufsatz von R. I. Laming und D. N. Payne in IEEC J Lightwave Techn 7 : 1989 : 2084) oder durch Torsion gewöhnlicher Monomode-Fasern präparierte Lichtwellenleiter (DE 28 35 794).

Im folgenden sollen die Lichtwellenleiter, die das Faraday- Nutzsignal nicht verfälschen, als polarisationserhaltende Lichtwellenleiter bezeichnet werden.

Es wird vorgesehen, daß mindestens ein Lichtwellenleiter als mechanisch verdrillter Monomode-Lichtwellenleiter ausgebildet ist (DE 28 35 794). Die Lichtwellenleiter werden für die Realisierung der verteilten Stromsensoren im Kabel auf einer längeren Strecke, vorzugsweise im Kabelschirmbereich, integriert.

In einer besonderen Ausgestaltung wird vorgeschlagen, den Lichtwellenleiter in Form einer Schraubenfeder um eine Stützfaser zu winden und gegen Zurückdrehen zu fixieren. Einzelheiten dieser Technik sind beschrieben in der Dissertation von Holger Hirsch, Univers. Dortmund, 1991. Dieser Typ Lichtwellenleiter ist einfacher herstellbar und daher kostengünstiger als Lichtwellenleiter, denen die Eigenschaft der Polarisationserhaltung im Ziehprozeß aufgeprägt werden muß.

Die Stützfaser kann selbst ein Lichtwellenleiter sein, so daß sie als informationsführender Lichtwellenleiter der Strommeßanordnung einsetzbar ist. Dies bringt einen weiteren Vorteil mit sich, weil die Stützfaser funktional im Meßsystem nutzbar ist. Während des Umeinanderwindes verdrillen sich beide Lichtwellenleiter mit dem gleichen Schlag umeinander (Doppelschraube). Die gegenseitige Fixierung, die das mechanische Zurückdrehen verhindert, ist hierbei leicht möglich. Der als Stützfaser eingesetzte informationsführende Lichtwellenleiter kann auch als Sensorlichtwellenleiter, z. B. für Zwecke der Übermittlung von Betriebszuständen des Kabels (Temperaturen oder Drücke) oder als Rückführleitung der Signale der Strommeßanordnung eingesetzt werden. Insofern entsteht eine symmetrische Ausgestaltung beider doppelt-gewundene Lichtwellenleiter mit jeweils austauschbarer Beanspruchung des einen oder des anderen. Der zweite Lichtwellenleiter der Doppelschraube kann aber auch in Reserve liegen bleiben und nur bei Bedarf aktiviert werden. Unabhängig von seiner Betriebsweise (als Sensor für Betriebszustände des Kabels oder als Stromsensor) kann jeder Lichtwellenleiter der Strommeßanordnung als Kommunikationslichtwellenleiter verwendet werden.

Der wesentliche Vorzug der Erfindung ist die Möglichkeit der simultanen Bestimmung von Fehlerstromstärke und Fehlerstromort.

Der erste Stromsensor besteht aus zwei hintereinander geschalteten, eng gewickelten Lichtwellenleiterspulen mit nahezu gleicher Windungszahl und entgegengesetzter Wicklungseinrichtung an jedem Ende der Kabelstrecke. Die durch Lichtwellenleiter gebildete Verbindung beider konzentrierten Lichtwellenleiterspulen wird so in der Kabelstrecke integriert, daß das Magnetfeld des Kabels keinen Einfluß auf die Lichtwellenleiterverbindung ausüben kann. Mit dem ersten Stromsensor ist die Differenz der Ströme meßbar, die die Teilspulen durchfließen. Bei Fehlerfreiheit in der Kabelstrecke ist die Stromdifferenz und die Meßgröße Null. Liegt ein Fehler an beliebiger Stelle der Kabelstrecke vor (Erdschluß, Phasenschluß), bei dem die Strombilanz an den Enden der Kabelstrecke ungleich Null ist, entsteht eine endliche Winkeldrehung der Polarisationsebene. Gleiche Windungszahl ist Voraussetzung für eine genaue Messung. Bei unterschiedlichen Windungszahlen entsteht ein Fehlereinfluß, der über mathematische Beziehungen nicht korrigierbar ist.

Der zweite Stromsensor ist ebenfalls ein Differenzstromsensor und besteht aus einem an einem Ende der Kabelstrecke konzentrierten und einem über der Kabelstrecke verteilten faseroptischen Stromsensor, die hintereinander geschaltet sind. Die Wicklung der einen Faraday-Teilspule ist der Wickelrichtung der zweiten Faraday-Teilspule entgegengesetzt, die Anzahl der Windungen der Teilspulen sind nahezu eineinander gleich.

Die Lage der konzentrierten Faraday-Teilspule des zweiten Stromsensors ist frei wählbar am Anfang oder am Ende der Kabelstrecke. Die Lage ist ohne Einfluß auf die Sensorfunktion.

Für sich betrachtet, stellt der zweite Stromsensor einen Fehlerstrommelder dar, der eine qualitative Aussage über das Vorliegen eines Fehlers zuläßt. Die Genauigkeit dieser Messung hängt dabei vom Fehlerstromort und von der Fehlerstromstärke ab.

Beide Stromsensoren werden gemeinsam in einem Kabelabschnitt installiert.

Im fehlerhaften Fall wird die vom Strom in der ersten Faraday- Teilspule (Windungszahl N1′) des ersten Stromsensors induzierte Drehung der Polarisationsebene durch die Drehung in der zweiten Faraday-Teilspule (Windungszahl N1′′) kompensiert. Im Formelzusammenhang:

Φ1 = 2 V I1 N1′ - 2 V I2 N1′′

wegen: N1′ = N1′′ = N1

Φ1 = 2 V N1 (I1 - I2).

I1, I2 sind die Ströme (als Vektorgrößen) am Ort der Faraday- Teilspulen; V ist die Verdet-Konstante. Im Fehlerfall ist die verbleibende Faraday-Drehung Φ1 ein direktes Maß für die Fehlerstromstärke I_F = I1 - I2.

Für den zweiten Stromsensor ergibt sich die Faraday-Drehung Φ2:

Φ2 = 2 V I1 N2′ z/L+2V I2 N2′ (1-z/L) - 2 V I2 N2′′.

Hierbei ist N2′ die Windungszahl der verteilten und N2′′ die Windungszahl der konzentrierten Faraday-Spule des zweiten Stromsensors. Die Windungszahl N2′ ist gleich dem Verhältnis Länge der Kabelstrecke L zu Schlaglänge s. z. ist die Koordinate des Fehlerstromorts. Da die Windungszahlen der Faraday-Teilspulen des zweiten Stromsensors untereinander gleich sind, d. h. N2 = N2′′ = L/s, vereinfacht sich die Faraday-Drehung Φ2 zu:

Φ2 = 2 V z/s (I1 - I2).

Im Fehlerfall ist also mit dem ersten Stromsensor die Stromstärke des Fehlerstroms und mit dem zweiten Stromsensor eine mit der relativen Lage des Fehlerorts (z/L) gewichteten Fehlerstromstärke meßbar. Mittels zweier unabhängiger Messungen können 2 Meßgrößen direkt bestimmt werden.

Die Meßsignale beider Stromsensoren werden einem elektronischen System zugeführt und dort ausgewertet. Beide Faraday-Drehungen Φ1 und Φ2 werden ins Verhältnis gesetzt, wobei die Genauigkeit unabhängig von der Lage des Fehlerorts ist, solange ein auswertbares optisches Signal vorliegt. Also im Ergebnis:

Φ2/Φ1 = z/(s N1);

bzw. mit der Beziehung N2 = N2′′ = L/s und N1 = N1′′ = N1′:

Φ2/Φ1 = z N2/(L N1).

Das Verhältnis Φ2/Φ1 liefert den Fehlerort z, bzw. die relative Entfernung z/L des Fehlerstromorts vom Beginn der Kabelstrecke.

Die Größe des elektrischen Stroms in der Kabelstrecke selbst und auch Fehlerströme, die in der Kabelstrecke zum Kabelschirm fließen, sollen beim ersten Stromsensor keinen Effekt liefern. Daher wird die Lichtwellenleiterverbindung beider Faraday- Teilspulen des ersten Stromsensors so vorgenommen, daß die Wirkung des Magnetfeldes sowohl des Stroms der Energieader als auch des Kabelschirms in der Kabelstrecke auf die Lichtwellenleiterverbindung ausgeschaltet ist.

Es bestehen hierzu zwei grundsätzliche Möglichkeiten, entweder wird die Lichtwellenleiterverbindung außerhalb des Magnetfeldes von Energieader und Kabelschirm geführt oder die Wirkung des Magnetfeldes wird kompensiert.

Es wird daher vorgeschlagen, daß der Lichtweg im Magnetfeld der Energieader geführt wird. Hierzu werden zwei (möglicherweise umeinander gewundene) Lichtwellenleiter verwendet. Der erste Lichtwellenleiter wird für die Sensorfunktion in der Hinleitung benutzt und der zweite ist für den Rückweg auf der Kabelstrecke als Kompensator einzusetzen. Diese Doppelleitung kann sogar in einem gemeinsamen Röhrchen untergebracht sein, welches im Kabel auf der Kabelstrecke integriert ist. Die Magnetfeldkompensation kommt dadurch zustande, daß von den Verbindungslichtwellenleitern kein Strom eingeschlossen wird.

Die Windungszahlen der Teilspulen des zweiten Stromsensors müssen nicht notwendigerweise gleich denen des ersten Stromsensors sein. Bei gleichen Windungszahlen liegt ein einfacher Zusammenhang vor, da Φ2/Φ1 = z/L ist. Bei ungleichen Windungszahlen läßt sich dies im Rahmen der Meßwertverarbeitung berücksichtigen, z. B. können die Verstärkungsfaktoren der Fotoverstärker entsprechend angepaßt werden.

Es gibt 2 Typen von Schirmstromleitungen. Die eine Form ist die der Rohrform, die durch geradlinige Ausbreitung des Schirmstroms gekennzeichnet ist. Besondere Aufmerksamkeit allerdings verlangt die Installation des verteilten Stromsensors, wenn die Schirmstromleitung als geschraubte Leitung im Kabel liegt. Die Anordnung des verteilten Sensors für diesen Fall muß berücksichtigen, daß das Magnetfeld des Schirmstroms in Längsrichtung des Lichtwellenleiters wirkt und damit der Schirmstrom die Messung verfälschen kann.

Die verteilte Faraday-Teilspule wird bei einer um die Energieaderachse geschraubt geführten Schirmstromleitung aus zwei Lichtwellenleiterteilspulen aufgebaut. Es wird eine Lichtwellenleiterteilspule unter den Schirm und im Gegenschlag zur Schirmstromleitung gelegt. An das Ende dieser Spule (also am Ende der Kabelstrecke) wird eine zweite Lichtwellenleiterteilspule angefügt, die im Schirm parallel zur Schirmstromleitung liegt und zum Anfang der Kabelstrecke zurückläuft. Das Ende dieser Spule wird mit einem Spiegel versehen.

Die beschriebene Ausführung ist unabhängig von der Reihenfolge der Anordnung der beiden Teilspulen und auch der Lage der zugehörigen konzentrierten Spule, so daß die Anordnung beider Teilspulen auch so sein kann, daß der Lichtweg zuerst eine Lichtwellenleiterteilspule im Schirm und dann die zweite Lichtwellenleiterteilspule unter dem Schirm durchläuft. Die Windungszahlen der beiden hintereinander geschalteten Teilspulen sind nicht notwendigerweise identisch. Ihre Summe muß allerdings gleich der Windungszahl der zugehörigen konzentrierten Faraday- Spule sein. Die zugehörige konzentrierte Spule kann auch zwischen beiden verteilten Teilspulen angebracht sein.

Temperaturdeffekte in mechanisch tordierten Lichtwellenleitern erzeugen Störeinflüsse auf die Lage der Polarisationsebene, die die Nutzeffekte überlagern können. Es wird daher vorgesehen, daß am Ende jeden Stromsensors ein Spiegel zur Reflexion der Signale zum Anfang des Sensors vorhanden ist. Mit dieser Maßnahme werden torsionsbedingte reziproke Effekte in den Lichtwellenleitern kompensiert. Insbesondere tritt mit dieser Maßnahme eine Vereinfachung der Strommeßanordnung ein, weil durch die Rückführung der optischen Signale an die Einkoppelstelle eine weitere Auskoppelstelle überflüssig wird. Die Strommeßanordnung wird einseitig betreibbar.

Die Strommeßanordnung ist nicht nur in Einleiterkabeln sondern auch in Mehrphasenleitungen oder Kabeln mit Mehrfachadern einsetzbar, wobei für jede Phase oder jede Energieader die Strommeßanordnung im Kabel integriert wird. im einfachsten Fall wird in der Kabelstrecke ein Kabel eingesetzt, in dem eine verteilte Faraday-Teilspule und die Lichtwellenleiter-Verbindung zwischen den konzentrierten Teilspulen des ersten Sensors vollständig integriert sind. In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß alle Faraday-Teilspulen in einem Abschnitt eines Kabels integriert sind.

Konzentrierte Faraday-Spulen sind kurz. Aus wirtschaftlichen Gründen werden sie nicht im Kabel integriert, obwohl dies technisch möglich ist. Konzentrierte Faraday-Spulen werden als auf das Kabel aufschiebbare Spule hergestellt und über die Meßstellen geschoben und dort fixiert (Anfang und Ende der Kabelstrecke).

Die optische Verbindung der Lichtwellenleiter zwischen den Faraday-Teilspulen untereinander und/oder zwischen den Faraday- Teilspulen und der Auswerteeinrichtung, also die Herausführung an externe Einrichtungen (z. B. Auswerteeinrichtung) wird bei einer Ausführungsform in Muffen und/oder Endverschlüssen integriert.

Die Übergangsorgane (Garnituren, Muffen, Endverschlüsse, Isolatoren) werden demgemäß so ausgestaltet, daß sie in einer Ausführungsform die endseitigen Teilspulen und Einrichtungen der Sensoren, wie Spiegel, Ein- und Auskoppeleinrichtungen für Licht aufnehmen. Beispielsweise kann die Kabelstrecke, auf der die Strommeßanordnung eingesetzt wird, an einem Verbraucher (z. B. Transformator) enden. In diesem Fall wird man den Ort des Übergangs so nah wie möglich am Transformator wählen, um möglichst räumlich lückenlos an die Überwachung der Kabelstrecke die Betriebsüberwachung des Verbrauchers anzuschließen.

Wie schon erwähnt, kann mindestens ein Lichtwellenleiter der Strommeßanordnung als Sensor für Betriebszustände des Kabels oder als Kommunikationslichtwellenleiter auf der Kabelstrecke ausgebildet sein. Als typische Sensoren sind Temperatursensoren für Energiestrecken von Bedeutung. Als Sensor für Betriebszustände ist insbesondere der als Stützfaser eingebrachte Lichtwellenleiter einsetzbar. Es ist für den Betreiber einer Energiestrecke von besonderem Interesse, Heißstellen (hot spots) aufspüren zu können. Die Überwachung der Betriebszustände in einer verfahrensmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann unabhängig vom Betrieb der Strommeßanordnung zeitlich intermittierend oder simultan durch Zeit- oder Wellenlängenmultiplexverfahren mit dem Strommeßvorgang stattfinden. Hierbei werden die Signale der Betriebszustandssensoren zu einer Auswerteeinrichtung geführt und ausgewertet. Zusätzlich oder unabhängig von der Messung von Strom- oder Betriebsgrößen können Kommunikationsdaten über die Lichtwellenleiter der Strommeßanordnung geschickt werden. Hierzu werden die der Kommunikation dienenden Lichtwellenleiter an beiden Enden der Kabelstrecke über Kabelmuffen oder Endverschlüssen aus der Sensoranordnung herausgeführt und an Kommunikationseinrichtungen angeschlossen.

Die Strommeßanordnung hat den besonderen Vorteil, daß sie in Distanz- und/oder Vergleichsschutzeinrichtungen eingesetzt werden kann. Hierbei wird die Meßanordnung innerhalb eines Leitungsschutz- und/oder Überwachungssystems als Komponente verwendet. Eine solche Konfiguration ist herkömmlichen Einrichtungen zum Distanz- oder Vergleichsschutz überlegen. In einer verfahrensmäßigen Anwendung wird vorgeschlagen, die Meßwerte beider Stromsensoren in eine Auswertestation (die z. B. Komponente einer Netzleitwarte sein kann) zu führen und dort Fehlerstromstärke und/oder relativen Fehlerstromort ermitteln zu lassen.

Weiterhin lassen sich die beiden Stromsensoren unabhängig voneinander einsetzen. In dieser vereinfachten Ausführung entfällt die Möglichkeit der Fehlerortung.

Unabhängig von der Betriebsweise (entweder Einzelsensor oder simultaner Betrieb beider Sensoren) wird auf die Kabelstrecke nur von einer Seite aus zugegriffen. Das gesamte Spektrum der Meß- und Auswertesignale stehen an diesem einen Ende zur Weiterverarbeitung einer Auswerteeinrichtung in einer Leitwarte zur Verfügung. Bekannte Differentialschutzanordnungen haben den Nachteil, daß bei ihnen an beiden Enden der Kabelstrecke Verbindungen zum Kabel vorhanden sein müssen. Bei der Strommeßanordnung entfällt die Notwendigkeit externer Meßsignal- und Auslösesignalübertragung zwischen beiden Enden der Kabelstrecke.

Eine symmetrische Ausgestaltung einer Strommeßanordnung kann man erreichen, wenn die Strommeßanordnung doppelt und spiegelbildlich in der als Meßstrecke ausgebildeten Kabelstrecke integriert wird. Damit stehen an beiden Enden der Überwachungsstrecke Meß- und Betriebsdaten zur Verfügung. Weiterhin können über die Lichtwellenleiter der Strommeßanordnung digitale Kommunikationsaufgaben zwischen den Endstationen abgewickelt werden.

Der Schutzbereich beträgt 100% der Kabelstrecke. Dies wird durch herkömmlichen Distanzschutz nicht erreicht. Bei der Verwendung der Strommeßanordnung kann absolute Selektivität erzielt werden (d. h. die fehlerhafte Strecke kann gezielt abgeschaltet werden). Diese Eigenschaft ist besonders dann von Vorteil, wenn bestehende Energieversorgungsnetze um zusätzliche Kabelstrecken erweitert werden. Die Möglichkeit der Fehlerortung erlaubt eine eindeutige Zuordnung des Fehlers zum bestehenden Netz oder zum Kabel, so daß bereits im Betrieb befindliche Schutzeinrichtungen in ihrer Funktion nicht beeinträchtigt werden.

Besonders günstig ist die Situation bei einseitig gespeisten Energiestrecken. Dort entspricht die Größe des Fehlerstroms dem eingespeisten Strom. Hieraus ergeben sich technische Vorteile beim Einsatz der Strommeßanordnung in einseitig gespeisten Energiestrecken. In diesem Fall wird die Meßanordnung zu einem Dreifachsystem. Mit ihr ist die Messung (und Überwachung) des Betriebsstroms möglich und sie ist als Komponente eines Fehlerstroms-, als auch eines Distanzschutzsystems verwendbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Figuren näher beschrieben. Sie zeigen im Einzelnen:

Fig. 1 schematisch die Strommeßanordnung,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Strommeßanordnung im Detail,

Fig. 3 eine Ausführungsform des zweiten Stromsensors,

Fig. 4 eine Ausführungsform des verteilten Stromsensors.

In Fig. 1 ist schematisch die Strommeßanordnung auf einer Kabelstrecke KS eines Kabels 10 dargestellt. Der erste Stromsensor 20 besteht aus zwei hintereinander geschalteten, eng gewickelten Lichtwellenleiterspulen oder Faraday-Teilspulen 24, 28 mit gleicher Wicklungszahl N1′, N1′′ und entgegengesetzter Wicklungsrichtung an jedem Ende der Kabelstrecke KS. Zwischen den Lichtwellenleiterspulen 24, 28 besteht eine Lichtwellenleiter- Verbindung 26. Sie ist so in der Kabelstrecke KS angebracht, daß das Magnetfeld der Energieader (12 in Fig. 4) und des Schirms (80 in Fig. 4) keinen Einfluß auf die Verbindung 26 ausübt.

Der zweite Stromsensor 40 besteht aus einer über der Kabelstrecke KS verteilten Lichtwellenleiterspule oder Faraday- Teilspule 44 mit der Windungszahl N2′ und einer am Ende der Kabelstrecke konzentrierten weiteren Lichtwellenleiterspule oder Faraday-Teilspule 48 mit der Windungszahl N2′′, die hintereinander geschaltet sind. Die Wicklung der einen Faraday-Teilspule 44 ist der Wickelrichtung der zweiten Faraday-Teilspule 48 entgegengesetzt. Die Anzahl der Windungen N2′, N2′′ der Teilspulen 44, 48 sind einander gleich.

Beide Stromsensoren 20, 40 werden gemeinsam in einer Kabelstrecke KS installiert.

Die Länge der Kabelstrecke KS ist mit L, die Ortskoordinate auf der Kabelstrecke KS wird mit z bezeichnet. Am Ort z ist ein Erdschluß mit einem Fehlerstrom I_F angedeutet. Die Schlaglänge der verteilten Lichtwellenleiterspule 44 des zweiten Stromsensors ist s. Die in der Energieader 12 am Anfang und am Ende der Kabelstrecke fließenden Ströme werden mit I1, I2 bezeichnet.

Von außerhalb des Kabels werden beide Stromsensoren 20, 40 über die Lichtwellenleiter 22, 41 von einer Steuerstation 50, die Komponente einer Leitwarte 55 sein kann, angesteuert. Vom Ende beider Stromsensoren 20, 40 bestehen Verbindungen über Lichtwellenleiter 62, 64 zu einer Vorrichtung 60. Zwischen der Vorrichtung 60 und der Steuerstation 50 besteht eine Nachrichtenleitung 65, möglicherweise in Form eines ebenfalls im Kabel integrierten Lichtwellenleiters. Die Vorrichtung 60 und die Nachrichtenleitung 65 sind gestrichelt gezeichnet, womit angedeutet werden soll, daß die Strommeßanordnung in einer vorteilhaften Ausgestaltung auch für die Datenübertragung zwischen Anfang und Ende der Kabelstrecke KS ausgestattet sein kann. Die Datenübertragung läuft hierbei über die Lichtwellenleiter der Strommeßanordnung, ohne Hinzufügung weiterer Lichtwellenleiter. Die Vorrichtung 60 umfaßt mindestens eine Spiegelanordnung für jeden Lichtwellenleiter 62, 64 zur Reflexion des Lichts zum Anfang der Stromsensoren 20, 40. Vorteilhafterweise sind die Spiegel im Kabel integriert. In der Steuerstation 50 werden die Strommeßwerte und physikalische Daten über Betriebszustände der Kabelstrecke ermittelt und ausgewertet und der Kommunikationsverkehr abgewickelt.

In Fig. 2 sind beide Stromsensoren 20, 40 auf einer Strecke eines Energiekabels 10 ausführlicher dargestellt. Außerhalb des Kabels 10 liegt eine Leitwarte 55, von der aus jeweils Lichtwellenleiter 22, 41 zu den beiden Stromsensoren 20, 40 laufen. Ein die Polarisationsebene stabil führender Lichtwellenleiter 22 des ersten Stromsensors 20 ist jeweils am Beginn und am Ende der Kabelstrecke KS als konzentrierte Spule (24, 28) gewickelt. Beide Windungszahlen N1′, N1′′ der Spulen 24, 28 sind gleich. Zwischen den Faraday-Spulen 24, 28 besteht eine Lichtwellenleiterverbindung 57, die als Doppelleitung 58, 59 geführt ist. Die Lichtwellenleiter der Doppelleitung 57 können gemeinsam in einem Röhrchen untergebracht und im Kabel integriert sein. Der eine Lichtwellenleiter 58 stellt die Verbindung zwischen Spule 24 und Spule 28 dar. Der zweite Lichtwellenleiter 59 läuft vom Ende der zweiten Faraday-Spule 28 in der Doppelleitung 57 zum Anfang der Kabelstrecke zurück. Die Drehung der Polarisationsebene in der Hinleitung 58 wird auf dem Rückweg über den Lichtwellenleiter 59 zurückgedreht, so daß die Wirkung des Magnetfelds auf der Länge der Kabelstrecke kompensiert ist. Das Ende des Lichtwellenleiters 59 ist mit einem Spiegel 32 versehen. Über ihn wird das optische Signal aus dem Stromsensor 20 zurück zur Steuerstation 50 reflektiert.

Der Lichtwellenleiter 41 des zweiten Sensors 40 ist mit langem Schlag bei einer Schlaglänge s auf der Kabelstrecke KS als verteilte Faraday-Spule 44 geführt. Am Ende der Kabelstrecke KS ist der Lichtwellenleiter 42 mit der konzentrierten Faraday- Teilspule 48 verbunden. Die Windungszahlen N2′, N2′′ der Spulen 44, 48 sind gleich. Der optische Weg des zweiten Stromsensors 40 ist ebenfalls mit einem Spiegel 45 abgeschlossen. Für die Anordnung in Fig. 2 wird dabei ein Schirm in Rohrform vorausgesetzt.

Beide Stromsensoren 20, 40 werden vom Anfang der Kabelstrecke aus über Lichtwellenleiter 22, 41 von den Steuerstationen 50, 52 (z. B. Komponenten einer Leitwarte 55) angesprochen. Von den Steuerstationen 50, 52 gehen die optischen Signale in die Stromsensoren und die Meßgrößen laufen dorthin zurück. Die dargestellte Strommeßanordnung hat wegen des nur an einer Stelle vorhandenen Zugangs auf die Kabelstrecke eine sehr einfache topologische Struktur.

Der Übergang zwischen dem Kabel 10 am Anfang und am Ende der Kabelstrecke KS wird jeweils mit einer Kabelmuffe 70, 72 hergestellt. Durch die Kabelmuffen 70, 72 sind die jeweiligen Lichtwellenleiter 22, 41, 57, 46 an den Verbindungsstellen 84, 85, 86, 87, 88, 90, 91 hindurchgeführt. In der Muffe 70 kann auch der Spiegel 32 integriert sein, so daß dort der Lichtwellenleiter nicht durchgeführt wird, sondern mit dem Spiegel 32 in der Muffe 70 endet.

Gestrichelt sind in der Fig. 2 zwei Installationsmuffen 170, 172 dargestellt, die anstelle der Muffen 70, 72 vorgesehen werden können. Die Installationsmuffen 170, 172 umfassen neben der Durchführung der Energieader 12 und der Schirmleitung 80 auch die konzentrierten Faraday-Teilspulen 24, bzw. 28 und 48, die Spiegel 32, 45 und die Lichtwellenleiterverbindungen 90, 91 zur Leitwarte 55. Die Installationsmuffen 170, 172 sind komplette Baueinheiten, in denen die erwähnten Teile der Strommeßanordnung integriert sind.

Die Fig. 3 zeigt schematisch und die Fig. 4 zeigt im Detail die Anordnung der verteilten Faraday-Spule 44 des zweiten Stromsensors 40 eines Kabels 10, dessen Schirmdrahtleitung 80 geschraubt geführt ist. Wie schon in Fig. 2 dargestellt, befindet sich am Ende der verteilten Faraday-Spule 44 ein Spiegel 45.

Wegen des störenden Magnetfeldes des Schirmstroms wird eine auf Kompensation abgestimmte Anordnung des verteilten Stromsensors 44 gewählt. Die in der Kabelstrecke mit relativ langem Schlag liegende Faraday-Spule 44 wird aus zwei Lichtwellenleiter- Leitungen 42, 43 gebildet. Ein Lichtwellenleiter oder Teilspule 42 wird unter den Kabelschirm 80 im Gegenschlag zu ihm gelegt. Der andere Lichtwellenleiter oder Teilspule 43 läuft im Kabelschirm 80 parallel zu den (strichpunktiert gezeichneten) Schirmdrähten 82. Die Summe der Windungen beider Lichtwellenleiter 42, 43 ist gleich der Windungszahl N2′′ des konzentrierten Stromsensors 48. Auf den unter dem Schirm 80 liegenden Lichtwellenleiter 42 wirkt das Magnetfeld der Energieader 12 und das Magnetfeld des Schirmstroms. Die Wirkung des Magnetfeldes der Schirmstromleitung 80 wird durch diese Anordnung kompensiert. Die Reihenfolge der Anordnung beider Lichtwellenleiter 42, 43 ist beliebig. D. h. für die Kompensationswirkung ist es unerheblich, ob das Licht zuerst im Lichtwellenleiter 42 unter dem Schirm zur konzentrierten Spule und anschließend im Lichtwellenleiter 43 in der Schirmlage bis zum Spiegel 45 läuft oder ob es zuerst im Lichtwellenleiter 43 in der Schirmlage zur konzentrierten Spule 48 und dann unter dem Schirm zum Spiegel 45 läuft.

Claims (18)

1. Strommeßanordnung für eine Strecke einer Energieader eines Energiekabels mit teilweise im Energiekabel integrierten, polarisationserhaltenden Lichtwellenleitern, die als Faraday-Teilspulen ausgebildet und hintereinander geschaltet sind und mit an einem Ende der Strecke vorhandenen Einrichtungen zum Ein- und Auskoppeln von Licht und mit einer Einrichtung zum Auswerten optischer Signale, dadurch gekennzeichnet, daß, mindestens einer Energieader (12) im Energiekabel (10) zugeordnet,

• - ein erster Stromsensor (20) aus einer am Anfang und einer am Ende der Strecke (KS) konzentrierten Faraday-Teilspule (24, 28) gebildet ist und daß die Lichtwellenleiterverbindung (26) zwischen den Teilspulen (24, 28) unbeeinflußt vom Magnetfeld der Energieader (12) angeordnet ist
• - und ein zweiter Stromsensor (40) aus einer über die Strecke (KS) verteilten Faraday-Teilspule (44) und aus einer weiteren an einem Ende der Strecke (KS) konzentrierten Faraday-Teilspule (48) gebildet ist,
• - daß die Faraday-Teilspulen (24, 28, 44, 48) jedes Stromsensors (20, 40) untereinander nahezu identische Wicklungszahl und gegenläufige Wicklungsrichtung haben
• - und daß am Ende jeden Stromsensors (20, 40) ein Spiegel (32, 45) zur Reflexion der Signale vorhanden ist.

2. Strommeßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer um die Energieaderachse geschraubt geführten Schirmleitung (80) die verteilte Faraday-Teilspule (44), unabhängig von der Reihenfolge der Anordnung und unabhängig von der Lage der weiteren konzentrierten Faraday-Teilspule (48), aus einer unter der Schirmleitung (80) und im Gegenschlag zur Schirmleitung (80) liegenden Teilspule (42) und vom Ende der Strecke (KS) mit einer im Schirm parallel zur Schirmleitung (80) liegenden, zum Anfang der Strecke (KS) zurückgeführten anderen Teilspule (43) gebildet ist, die dort mit dem Spiegel (32) versehen ist.

3. Strommeßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtwellenleiter (22, 41) ein mechanisch tordierter Lichtwellenleiter eingesetzt ist.

4. Strommeßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Lichtwellenleiter (22, 41) um eine Stützfaser schraubenförmig gewunden ist.

5. Strommeßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützfaser als polarisationserhaltender Lichtwellenleiter ausgebildet ist.

6. Strommeßanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtwellenleiter (22, 41) Fasern vom Typ spun high birefringence eingesetzt sind.

7. Strommeßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützfaser und/oder ein Lichtwellenleiter (22, 41) als Sensor für Betriebsgrößen und/oder als Kommunikationslichtwellenleiter ausgebildet ist.

8. Strommeßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen den Faraday- Teilspulen (24, 28) des ersten Stromsensors (20) durch eine parallel liegende Lichtwellenleiter-Doppelleitung (57) im Magnetfeld der Energielader (12) realisiert ist.

9. Strommeßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiterverbindung der Faraday- Teilspulen (24, 28) des ersten Stromsensors (20) außerhalb des Magnetfeldes von Energieader (12) und Schirmleitung (80) liegt.

10. Strommeßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Faraday-Teilspulen (24, 28, 44, 48) einer Phase oder einer Energieader (12) in einem Abschnitt (KS) eines Energiekabels (10) integriert sind.

11. Strommeßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungsstellen (84, 85, 86, 87, 88, 90, 91) der Lichtwellenleiter (22, 41) zwischen den Faraday- Teilspulen (24, 28, 44, 48) untereinander und/oder zwischen den Faraday-Teilspulen (24, 44) und der Leitwarte (55) in Installationsmuffen (170, 172) und/oder Endverschlüssen integriert sind.

12. Strommeßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrierten Faraday-Teilspulen (24, 28, 48) in Installationsmuffen (170, 172) und/oder Endverschlüssen integriert sind.

13. Strommeßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahlen (N1′, N1′′, N2′, N2′′) aller Faraday-Teilspulen (24, 28, 44, 48) untereinander gleich sind.

14. Strommeßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Energiestrecke (KS) eine zweite Strommeßanordnung (20, 40, 55) mit räumlicher Vertauschung von Anfang und Ende angeordnet ist.

15. Strommeßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßanordnung (20, 40, 55) als Komponente in einem Leitungsschutz- und/oder Überwachungssystem verwendet ist.

16. Strommeßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faraday-Meßwerte der Stromsensoren (20, 40) in eine Leitwarte (55) zur Ermittlung der Fehlerstromstärke (I_F) und/oder des relativen Fehlerstromortes (z/L) geführt sind.

17. Strommeßanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Signale des Betriebsgrößensensors zu einer Leitwarte (55) geführt und ausgewertet und/oder zwischen jeweils an den Enden der Kabelstrecke (KS) angeschlossenen Kommunikationsstationen Kommunikationsdaten über die Strommeßanordnung (20, 40, 55) geschickt sind.

18. Strommeßanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Strommessen und das Betriebsgrößenüberwachen und/oder das Datenübertragen im Multiplexbetrieb vorgenommen ist.