DE4227903C1 - - Google Patents
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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
IF = 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 IF 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
(IF) 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.
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: LIOS TECHNOLOGY GMBH, 51063 KOELN, DE |
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