DE4311328A1

DE4311328A1 - Optical measuring arrangement for measuring an electrical current with intertwined transmission lines

Info

Publication number: DE4311328A1
Application number: DE19934311328
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Bosselmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-04-06
Filing date: 1993-04-06
Publication date: 1994-10-13
Also published as: DE9421402U1; WO1994023306A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen eines elektrischen Stromes in einem Stromleiter gemäß dem Ober begriff des Anspruchs 1, die beispielsweise aus WO 91/01501 bekannt ist.The invention relates to an arrangement for measuring a electrical current in a conductor according to the Ober Concept of claim 1, for example from WO 91/01501 is known.

Es sind optische Meßanordnungen zum Messen eines elektri schen Stromes in einem Stromleiter unter Ausnützung des Faraday-Effekts bekannt, die auch als magnetooptische Stromwandler bezeichnet werden. Unter dem Faraday-Effekt versteht man die Drehung der Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht in Abhängigkeit von einem Magnetfeld. Der Drehwinkel ist dabei proportional zum Wegintegral über dem magnetischen Feld entlang des von dem Licht zurückge legten Weges mit der Verdet-Konstanten als Proportionali tätskonstanten. Die Verdet-Konstante ist abhängig von dem Material, in dem das Licht verläuft, und von der Wellen länge des Lichts. Zum Messen des Stromes ist nun eine optische Faser vorgesehen, die den Stromleiter in Form einer Meßwicklung umgibt. Durch die optische Faser wird von einer Sendeeinheit linear polarisiertes Licht ge schickt. Das von dem elektrischen Strom erzeugte Magnet feld bewirkt eine Drehung der Polarisationsebene des Lichtes in der Faser, die von einer Auswerteeinheit als Maß für die Stärke des Magnetfeldes und damit für die Stärke des elektrischen Stromes ausgewertet werden kann. Da die Meßwicklung der Faser einen quasi geschlossenen Weg für das in der Faser verlaufende Licht darstellt, ist der Polarisationsdrehwinkel in guter Näherung direkt pro portional zur Stromstärke.There are optical measuring arrangements for measuring an electrical current in a conductor using the Faraday effect also known as magneto-optical Current transformers are called. Under the Faraday effect the rotation of the plane of polarization is understood to be linear polarized light depending on a magnetic field. The angle of rotation is proportional to the path integral the magnetic field along the back of the light laid the way with the Verdet constant as proportional physical constants. The Verdet constant depends on that Material in which the light runs and from the waves length of light. To measure the current is now one optical fiber is provided which shape the conductor surrounds a measuring winding. Through the optical fiber linearly polarized light from a transmitting unit sends. The magnet generated by the electric current field causes a rotation of the polarization plane of the Light in the fiber by an evaluation unit as Measure for the strength of the magnetic field and thus for the Strength of the electrical current can be evaluated. Since the measuring winding of the fiber is quasi closed Is path for the light running in the fiber the polarization rotation angle in a good approximation directly per proportional to the current.

Es sind zwei Typen von solchen magnetooptischen Strom wandlern bekannt, nämlich der Transmissionstyp und der Reflexionstyp. Beim Transmissionstyp wird das Licht in ein Ende der Faser eingekoppelt und am anderen Ende wieder ausgekoppelt, so daß das Licht die Meßwicklung nur einmal durchläuft. Beim Reflexionstyp ist dagegen das andere Ende der Faser verspiegelt, so daß das an dem ersten Ende ange koppelte Licht an diesem anderen, verspiegelten Ende reflektiert wird, die Meßwicklung ein zweites Mal in umge kehrter Richtung durchläuft und am ersten Ende wieder aus gekoppelt wird. Wegen der Nicht-Reziprokität des Faraday- Effekts wird die Polarisationsebene des Lichts beim umge kehrten Durchlauf nochmal um den gleichen Betrag in die gleiche Richtung gedreht. Der Drehwinkel ist somit bei gleicher Meßwicklung doppelt so groß wie beim Transmis sionstyp. Zur Trennung des eingekoppelten und des ausge koppelten Lichts ist ein Strahlteiler vorgesehen.There are two types of such magneto-optical current converters known, namely the transmission type and the Reflection type. With the transmission type, the light turns into one Coupled end of the fiber and at the other end again decoupled so that the light the measuring winding only once goes through. The other end of the reflection type mirrored the fiber, so that at the first end coupled light to this other mirrored end is reflected, the measuring winding a second time in reverse in the opposite direction and out again at the first end is coupled. Because of the non-reciprocity of the Faraday Effect is the polarization level of light in the reverse returned to the run again by the same amount rotated in the same direction. The angle of rotation is thus at same measuring winding twice as large as the Transmis sion type. To separate the coupled and the out coupled light, a beam splitter is provided.

Vor allem in den beiden Übertragungsstrecken der Faser zwischen ihren Enden und der Meßwicklung können durch fremde Störinduktionsfelder aufgrund des Faraday-Effekts die gemessenen Werte der Polarisationsdrehung verfälscht werden. Solche Störfelder können beispielsweise bei mehr phasigen Leitungsabzweigen durch die benachbarten Strom leiter auftreten.Especially in the two fiber links between their ends and the measuring winding can by Foreign interference induction fields due to the Faraday effect the measured values of the polarization rotation are falsified become. Such interference fields can occur with more phase line branches through the neighboring current ladder occur.

Zur Vermeidung dieser Meßfehler sind bei einer bekannten Meßanordnung vom Reflexionstyp das erste Ende der Faser, das zum Ein- und Auskoppeln des Lichts vorgesehen ist, und das verspiegelte, andere Ende in unmittelbarer Nähe zuein ander angeordnet. Man erhält so einen fast geschlossenen Lichtweg in der Faser. Dadurch werden wegen des Durch flutungsgesetzes die Störfelder in dem Wegintegral weit gehend kompensiert, weil eine durch die Fremdinduktions felder hervorgerufene unerwünschte Drehung der Polarisa tionsebene des Lichts in der Faser auf dem Hinweg durch eine entgegengesetzte Drehung auf dem Rückweg weitgehend aufgehoben wird (WO 91/01501).To avoid these measurement errors are known in a Reflection type measuring arrangement the first end of the fiber, which is provided for coupling and decoupling the light, and the mirrored, other end in close proximity arranged differently. You get an almost closed one Light path in the fiber. This is because of the through flooding law the interference fields in the path integral far going to be compensated because one by the external induction unwanted rotation of the Polarisa plane of light in the fiber on the way there an opposite turn on the way back largely is canceled (WO 91/01501).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anord nung zum Messen eines elektrischen Stromes in einem Strom leiter unter Ausnützung des Faraday-Effekts anzugeben, die als Reflexions- oder Transmissionstyp ausgebildet sein kann und bei der die Meßfehler aufgrund von Störinduk tionsfeldern in den Übertragungsstrecken der optischen Faser weiter verringert werden können.The invention is based on the object, an arrangement voltage for measuring an electrical current in a current using the Faraday effect to specify the be designed as a reflection or transmission type can and where the measurement error due to Störinduk tion fields in the transmission links of the optical Fiber can be further reduced.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs l.This object is achieved according to the invention with the Features of claim l.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous embodiments of the arrangement according to the Invention result from the subclaims.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich nung Bezug genommen, in deren einziger Figur ein Ausfüh rungsbeispiel einer Anordnung zum Messen eines elektri schen Stromes unter Ausnutzung des Faraday-Effekts vom Reflexionstyp schematisch dargestellt ist.To further explain the invention, reference is made to the drawing Reference referred to, in the only figure an Ausfüh Example of an arrangement for measuring an electri current using the Faraday effect of Reflection type is shown schematically.

Es sind ein Stromleiter mit 2, ein Lichtwellenleiter mit 3 und eine Sende- und Auswerteeinheit mit 4 bezeichnet. Der Lichtwellenleiter 3 umgibt vorzugsweise konzentrisch den Stromleiter 2 in wenigstens einer Meßwindung 3C. In der dargestellten vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere Meßwindungen 3C als Faserspule hintereinandergeschaltet. Ein erstes Ende 3A des Lichtwellenleiters 3 ist mit der Sende- und Auswerteeinheit 4 verbunden, und das zweite Ende 3E ist lichtreflektierend ausgebildet, vorzugsweise durch Anordnung eines Spiegels 30 an diesem Ende 3E oder durch Verspiegelung des Endes 3E.There are a current conductor with 2 , an optical fiber with 3 and a transmission and evaluation unit with 4 . The optical waveguide 3 preferably concentrically surrounds the current conductor 2 in at least one measuring turn 3 C. In the advantageous embodiment shown, several measuring turns 3 C are connected in series as a fiber coil. A first end 3 A of the optical waveguide 3 is connected to the transmission and evaluation unit 4 , and the second end 3 E is designed to reflect light, preferably by arranging a mirror 30 at this end 3 E or by mirroring the end 3 E.

Die zwischen dem ersten Ende 3A und der Meßwindung 3C liegende Übertragungsstrecke 3D des Lichtwellenleiters 3 und die zwischen dem anderen Ende 3E und der Meßwindung 3C liegende andere Übertragungsstrecke 3D sind nun so mitein ander verflochten, daß wenigstens ein Kreuzungspunkt P1 für ihre Lichtwege gebildet wird. Vorzugsweise sind, wie in der Figur dargestellt, N Kreuzungspunkte P1, P2, PN vorgesehen mit N<1. Durch diese Maßnahme werden quasi geschlossene Lichtschleifen erzeugt, durch die kein elektrischer Strom fließt und in denen daher aufgrund des Durchflutungsgesetzes keine Faraday-Rotation der Polari sationsebene des sich im Lichtwellenleiter 3 ausbreitenden linear polarisierten Lichtes stattfinden kann. Bei einer Anordnung mit wenigstens drei Kreuzungspunkten P1, P2 und P3 wird zusätzlich durch den gegenläufigen, alternierenden Umlaufsinn des Lichts in jeder der Lichtschleifen zwischen den Kreuzungspunkten ein Kompensationseffekt für zusätz liche Meßfehler erreicht, die aufgrund intrinsischer linearer Doppelbrechung im Lichtwellenleiter auftreten können. Die Lichtschleifen sind dazu vorzugsweise mög lichst klein gewählt durch Anpassung der Anzahl N der Kreuzungspunkte P1 bis PN an die Längen der Übertragungs strecken 3B und 3D. The lying between the first end 3 A and the measuring winding 3 C transmission path 3 D of the optical fiber 3 and the lying between the other end 3 E and the measuring winding 3 C other transmission path 3 D are now interwoven so that at least one crossing point P1 for their light paths is formed. Preferably, as shown in the figure, N crossing points P1, P2, PN are provided with N <1. By this measure, quasi-closed light loops are generated, through which no electrical current flows and in which therefore no Faraday rotation of the polarization plane of the linear polarized light propagating in the optical waveguide 3 can take place due to the law of flooding. In an arrangement with at least three crossing points P1, P2 and P3, the opposite, alternating sense of rotation of the light in each of the light loops between the crossing points also achieves a compensation effect for additional measuring errors that can occur due to intrinsic linear birefringence in the optical waveguide. For this purpose, the light loops are preferably chosen to be as small as possible by adapting the number N of crossing points P1 to PN to the lengths of the transmission paths 3 B and 3 D.

Das andere Ende 3E ist vorzugsweise in unmittelbarer Nähe zur Übertragungsstrecke 3B und im allgemeinen auch zum ersten Ende 3A angeordnet.The other end 3 E is preferably arranged in the immediate vicinity of the transmission link 3 B and generally also to the first end 3 A.

Die Verflechtung der beiden Übertragungsstrecken 3B und 3D kann auch bei einer Transmissionsanordnung durchgeführt werden, bei der das andere Ende 3E des Lichtwellenleiters 3 nicht verspiegelt, sondern an einen entsprechenden An schluß der Sende- und Auswerteeinheit 4 optisch gekoppelt ist.The interweaving of the two transmission paths 3 B and 3 D can also be carried out in a transmission arrangement in which the other end 3 E of the optical waveguide 3 is not mirrored, but is optically coupled to a corresponding connection of the transmitting and evaluating unit 4 .

Die Sende-, Empfangs- und Auswerteeinheit 4 enthält vor zugsweise eine Lichtquelle 41, einen optoelektrischen Wandler 43 und eine Auswerteelektronik 44. Beim Re flexionstyp ist zusätzlich eine Strahlteilvorrichtung 42 vorgesehen zum getrennten Ein- und Auskoppeln des von der Lichtquelle 41 kommenden linear polarisierten Lichts und des durch die Meßwindung 3C gelaufenen Lichts mit gedreh ter Polarisationsebene. Die Lichtquelle 41 enthält vor zugsweise eine Laserdiode mit einer entsprechenden elek trischen Versorgung. Der optoelektrische Wandler 43 umfaßt vorzugsweise ein Wollaston-Prisma und zwei entsprechende Empfangs-Photodioden zum Umwandeln des von dem Wollaston- Prisma kommenden ordentlichen bzw. außerordentlichen Lichtstrahls. Die elektrischen Signale der Empfangs-Photo dioden werden über zugeordnete Verstärker auf die Aus werteelektronik 44 geschaltet und dort als Differenzmeß- Signal ausgewertet.The transmission, reception and evaluation unit 4 preferably contains a light source 41 , an optoelectric converter 43 and evaluation electronics 44 . In the reflection type, a beam splitting device 42 is additionally provided for separately coupling and uncoupling the linearly polarized light coming from the light source 41 and the light that has passed through the measuring coil 3 C with a rotated plane of polarization. The light source 41 preferably contains a laser diode with a corresponding electrical supply. The optoelectric converter 43 preferably comprises a Wollaston prism and two corresponding receiving photodiodes for converting the ordinary light beam coming from the Wollaston prism. The electrical signals of the receiving photo diodes are connected via assigned amplifiers to the electronics 44 and evaluated there as a difference measurement signal.

Claims

1. Arrangement for measuring an electrical current in a current conductor ( 2 ) with

a) an optical waveguide ( 3 ) with a first end ( 3 A) and a second end ( 3 E) which is guided in at least one measuring turn ( 3 C) around the current conductor ( 2 ) and between its first end ( 3 A) and the measuring winding ( 3 C) is designed as a first transmission path ( 3 B) and between its second end ( 3 E) and the measuring winding ( 3 C) as a second transmission path ( 3 D) and
b) a transmitting and evaluating unit ( 4 ) for coupling in and out linearly polarized light into or out of the optical waveguide ( 3 ), characterized in that
c) the first transmission path ( 3 B) and the second transmission path ( 3 D) of the optical waveguide ( 3 ) are braided around each other in such a way that their light paths cross at least in one crossing point (P1).

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that

a) the first end ( 3 A) of the optical waveguide ( 3 ) with the transmission and evaluation unit ( 4 ) for coupling and decoupling the polarized light is optically coupled and
b) the second end ( 3 E) is designed to reflect light.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the first end ( 3 A) of the optical waveguide ( 3 ) for coupling and the second end ( 3 E) of the optical waveguide ( 3 ) for decoupling the polarized light with the transmitter and Receiver unit ( 4 ) are optically coupled.

4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the two ends ( 3 A) and ( 3 B) of the optical waveguide ( 3 ) are arranged spatially immediately adjacent.

5. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the second end ( 3 E) is arranged spatially immediately adjacent to the first transmission line ( 3 B).

6. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that several crossing points (P1 to PN) are provided.