DE69019619T2

DE69019619T2 - Optischer Stromtransformator.

Info

Publication number: DE69019619T2
Application number: DE69019619T
Authority: DE
Inventors: Yuichi Kakizaki; Hiroyuki Katsukawa; Toshiyuki Kawaguchi; Naoki Tanaka; Seigo Yokoi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1989-07-21
Filing date: 1990-07-18
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2010-07-19
Also published as: US5103164A; CA2021712A1; EP0409589B1; CA2021712C; DE69019619D1; EP0409589A3; EP0409589A2

Description

OPTISCHER STROMTRANSFORMATOR

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Stromtransformator zum Detektieren eines elektrischen Stroms, der entlang einer stromleitenden Einrichtung fließt, die im Versorgungssystem für elektrischen Strom oder einer Substation angeordnet ist.
Für das Messen eines elektrischen Stroms, der entlang einer stromleitenden Einrichtung des Stromversorgungssystems oder der Substation fließt, ist die Verwendung eines Stromtransformators vom Keramiktyp vorgeschlagen worden. Es sollte angemerkt werden, daß der Keramik-Stromtransformator einen Eisen- oder Magnetkern, der an der stromleitenden Einrichtung vorgesehen ist, um einen zur Größe des Strom proportionalen Magnetfluß zu erzeugen, und einen Luftspalt aufweist, ein innerhalb des Luftspalts des Eisenkerns angeordnetes optomagnetisches Element zum Fühlen des Magnetflusses, eine Isolatorstütze zum Abstützen des Eisenkerns sowie eine Lichtleitfaser umfaßt von der ein Ende mit dem optomagnetischen Element gekoppelt ist und die in ein in der Isolatorstütze gebildetes Mittelloch eingefügt ist. Durch das optomagnetische Element übertragenes Licht wird von einer Photodetektiereinrichtung detektiert, sodaß ein Signal erzeugt wird, das die Größe des durch die stromleitende Einrichtung gelangenden Stroms repräsentiert. Die obengenannte Isolatorstütze mit der durch sie hindurchgehenden Lichtleitfaser ist bekannt und wird in dem am 7. März 1898 ausgegebenen US-Patent Nr. 4,810,836 beschrieben. Beim bekannten Keramik- Stromtransformator kann der Strom, der in der stromleitenden Einrichtung, wie z.B. einem oder mehreren Drahtleitern und leitenden Platten, fließt, gemessen werden, indem das durch die Lichtleitfaser übertragene Licht detektiert wird. Der bekannte Keramik-Stromtransformator ist groß, sodaß es notwendig ist, zusätzlichen Raum zum Anordnen des Keramik-Stromtransformators bereitzustellen. Bei einem neueren Stromversorgungssystem zum Liefern von Starkstrom wird eine Vielzahl von Leitern verwendet, um einen einphasigen Strom zu leiten. Beispielsweise sind 2 bis 8 Leiter zu einer einzigen stromleitenden Einrichtung gruppiert, um einen einphasigen Strom zu leiten. Es sind mehrere Verfahren zum Detektieren des entlang einer solchen stromleitenden Einrichtung fließenden Stroms vorgeschlagen worden. Bei einem bekannten Verfahren ist eine Vielzahl von Leitern, die zur gleichen stromleitenden Einrichtung gehören, zu einem einzigen Leiter verbunden, und ein großer Eisenkern ist um den Leiter angeordnet. Bei einem anderen bekannten Verfahren ist ein Eisenkern des Stromtransformators an einem einer Vielzahl von Drahtleitern der einzelnen Phase der stromleitenden Einrichtung angeordnet. Beim ersteren Verfahren muß, da die stromleitende Einrichtung sehr groß wird, der Eisenkern ebenfalls groß und schwer ausgebildet werden, und daher ist die Isolatorstütze zum Abstützen eines so großen und schweren Eisenkerns tendenziell groß. Daher kann dieses bekannte Verfahren nur an einem solchen Ort zur Anwendung kommen, wo ein ausreichend großer Raum zum Anordnen der großen Isolatorstütze verfügbar ist. Darüberhinaus muß beim ersten Verfahren eine Vielzahl von Leitern geschnitten werden, die dann zu einem einzelnen Leiter verbunden werden. Daher erfordert der Arbeitsgang zur Bereitstellung des Stromtransformators viel Zeit und ist mit hohen Kosten verbunden. Beim zweiteren Verfahren ist es schwierig, den Strom präzise zu messen. Weiters kann, wenn an einem Drahtleiter, an dem der Stromtransformator nicht angeordnet ist, möglicherweise ein Fehler auftritt, der Fehler nicht mehr aufgespürt werden.
Beim bekannten Fehlerstellen-Detektiersystem zum Detektieren einer Position, an der ein Fehler, wie Erdungsfehler und Kurzschlußfehler, auftritt, werden die Richtungen des Fehlerstroms an jeweiligen Detektionspunkten detektiert, und dann wird eine Fehlerstelle ermittelt, indem die Fehlerstromrichtungen an benachbarten Punkten verglichen werden. Zu diesem Zweck muß Information über die an einem Fehlerdetektierpunkt detektierte Fehlerstromrichtung zu einem benachbarten Fehlerdetektierpunkt übertragen werden. Daher ist es notwendig, eine ziemlich komplizierte Signalübertragungseinrichtung zwischen aufeinanderfolgenden Fehlerdetektierpunkten bereitzustellen, sodaß sich die Kosten des Fehlerstellen- Detektiersystems tendenziell erhöhen.
Die US-A-3324393 offenbart eine magnetooptische Stromfühleinrichtung, die mit einer Ringspule um einen einzelnen Leiter verbunden ist.
Die US-A-3590374 offenbart einen magnetooptischen Sensor, der zwei Faradayelemente umfaßt, die wieder mit einer einzelnen Ringspule auf einem einzelnen Leiter verbunden sind.
Die JP-A-62034065 offenbart Stromtransformatoren, die um jede von drei verschiedenen Phasen einer Stromleitung gewickelt sind. Jede Spule ist mit ihrem eigenen individuellen Pockelselement verbunden, um den in der Leitung fließenden Strom zu fühlen. Dieses Dokument bildet die Basis für die zweiteilige Form von Anspruch 1.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuen und nützlichen optischen Stromstransformator bereitzustellen, der einen, eine stromleitende Einrichtung mit einer Vielzahl von Leitern zum Leiten von Strömen entlangfließenden, elektrischen Strom detektieren kann, während die obengenannten Nachteile des bekannten Stromtransformators vermieden werden können. Mit der Erfindung kann der Strom präzise detektiert werden, ohne daß er durch Rauschen beeinflußt wird, und der zusätzliche Raum zum Anordnen des Stromtransformators ist gering.
Mit der Erfindung ist es auch möglich, einen optischen Stromtransformator bereitzustellen, der besonders nützlich ist um ein Fehlerstellen-Dektiersystem aufzubauen, bei dem keine komplizierte Signalübermittlungseinrichtung zwischen aufeinanderfolgenden Fehlerstellen-Detektierpunkten erforderlich ist.
Die vorliegende Erfindung stellt einen optischen Stromtransformator bereit, wie in Änspruch 1 dargelegt.
Die Vielzahl von Leitern kann Ströme in derselben Phase führen, und so kann der Gesamtstrom präzise gefühlt werden, ohne daß, wie oben erwähnt, übermäßiger Raum erforderlich ist.
Alternativ dazu können die Leiter drei getrennte Phasen eines dreiphasigen Stroms führen, und dadurch kann ein verbessertes Fehlerdetektiersystem wie oben erörtert bereitgestellt werden.
Die optische Stromfühleinrichtung kann ein magnetooptischer Sensor sein. Dieser kann ein Faradayelement umfassen.
Alternativ dazu kann die optische Stromfühleinrichtung ein elektrooptischer Sensor sein. Dieser kann ein Pockelselement umfassen.
Licht kann von der optischen Stromfühleinrichtung über ein Lichtleitfaserkabel übertragen werden. Dieses kann in einem Loch in einem Isolator zum Abstützen eines Stromleiters enthalten sein.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht ist, die eine erste Ausführungsform des optischen Stromtransformators gemäß vorliegender Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine Draufsicht ist, die den in Fig. 1 gezeigten optischen Stromtransformator veranschaulicht;
Fig. 3 eine Teilquerschnittvorderansicht des optischen Stromtransformators von Fig. 1 ist;
Fig. 4 ein Verdrahtungsschema ist, das die Verbindung der in Fig. 3 gezeigten Rogowskyspuien repräsentiert;
Fig. 5 eine schematische Querschnittansicht ist, die die jeweilige Position des optischen Sensors bezogen auf die Luftkernspule zeigt;
Fig. 6 eine schematische Ansicht ist, die die Konstruktion des optischen Sensors darstellt;
Fig. 7 eine Abwandlung der Detektionsspule ist;
Fig. 8 eine weitere Abwandlung der Detektionsspule ist;
Fig. 9 eine Teilquerschnittdraufsicht ist, die eine zweite Ausführungsform des optischen Stromtransformators gemäß vorliegender Erfindung zeigt;
Fig. 10 eine Draufsicht des optischen Stromtransformators gemäß vorliegender Erfindung ist;
Fig. 11 ein Verdrahtungsschema ist, das die Verbindung der Rogowskyspulen zeigt;
Fig. 12 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der Anzahl an Windungen der Rogowskyspule und der Luftkernspule anzeigt;
Fig. 13 ein Blockdiagramm ist, das eine dritte Ausführungsform des optischen Stromtransformators gemäß vorliegender Erfindung zeigt;
Fig. 14 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen dem Strom und der über einen in Fig. 13 dargestellten Lastwiderstand erzeugten Spannung darstellt;
Fig. 15 ein Verdrahtungsschema ist, das eine vierte Ausführungsform des optischen Stromtransformators gemäß vorliegender Erfindung darstellt;
Fig. 16 eine schematische Ansicht des in Fig. 15 gezeigten optischen Sensors ist; und
Fig. 17 eine schematische Ansicht ist, die die gesamte Konstruktion des Fehlerstellen- Detektiersystems unter Verwendung der in den Fig. 15 und 16 dargestellten optischen Stromtransformatoren zeigt.
Die Fig. 1 bis 6 zeigen eine erste Ausführungsform des optischen Stromtransformators gemäß vorliegender Erfindung. Bei der vorliegenden Ausführungsform umfaßt die stromleitende Einrichtung, in der ein Einphasenstrom fließt, zwei Drahtleiter 1a und 1b. Das heißt, diese Drahtleiter 1a und 1b leiten elektrische Ströme mit der gleichen Phase. Wie am besten in Fig. 3 gezeigt, umfaßt der optische Stromtransformator ein Gehäuse 2, das aus drei Abschnitten besteht, nämlich einem Brückenabschnitt 2a, einer rechten und einer linken Gehäusehälfte 2b und 2c, die durch Bolzen B und Muttern N abnehmbar mit jedem Ende des Brückenabschnitts 2a verbunden sind. Wenn die rechte und die linke Gehäusehälfte 2b und 2c mit dem Brückenabschnitt 2a des Gehäuses verbunden sind, während die Drahtleiter 1a und 1b vom Gehäuse 2 festgeklemmt sind, sind eine erste und eine zweite Rogowskyspule 3a und 3b, die innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet sind, um die Drahtleiter 1a bzw. 1b gewickelt. Wie in Fig. 1 gezeigt, werden die Drahtleiter 1a und 1b von Isolatorpfeilern 4a bzw. 4b gestützt.
Die um die Drahtleiter 1a bzw. 1b gewickelten Rogowskyspuelen 3a und 3b sind mit einer Luftkern-Zylinderspule 5 verbunden, die im Brückenabschntit 2a des Gehäuses 2 angeordnet ist. Wie in Fig. 4 dargestellt, ist die Luftkernspule 5 bei der vorliegenden Ausführung mit den Rogowskyspulen 3a und 3b in Serie geschaltet. Es sollte angemerkt werden, daß die Luftkernspule 5 gemäß vorliegender Erfindung parallel mit den Rogowskyspulen 3a und 3b geschaltet werden kann. Wenn die elektrischen Ströme die Drahtleiter 1a und 1b entlang fließen, werden in den Rogowskyspulen 3a und 3b aufgrund der elektromagnetischen Induktion elektromotorische Kräfte erzeugt, und dann fließt ein Strom durch die Luftkernspule 5, dessen Intensität proportional zur Größe einer Gesamtsumme der Ströme, die die Drahtleiter entlang fließen, ist. Es sollte angemerkt werden, daß die beiden Rogowskyspulen 3a und 3b so verbunden werden müssen, daß die in diesen Spulen erzeugten elektromotorischen Kräfte zueinander addiert werden.
Wie in Fig. 5 gezeigt, ist innerhalb eines Zwischenraums der Luftkernspule 5 ein optischer Stromsensor 6 mit einem optomagnetischen Element, nämlich einem Faradayelement, angeordnet, sodaß das optomagnetische Element dem in der Spule erzeugten Magnetfluß unterworfen ist.
Fig. 6 zeigt die detaillierte Konstruktion des optischen Stromsensors 6. Der optische Stromsensor 6 umfaßt ein Faradayelement 7, das üblicherweise aus YIG oder BSO besteht, einen Polarisator 8, der auf einer Lichteinfallseite des Faradayelements 7 angeordnet ist, und einen Analysator 9, der an einer Lichtaustrittsseite des Faradayelements 7 angeordnet ist. Von einer Lichtquelle 10, wie einer lichtaussendenden Diode, ausgesandtes Licht wird durch eine Lichtleitfaser 11 übertragen und fällt dann über eine Stablinse 12 auf den Polarisator 8 auf. Dann wird aus dem Polarisator 8 austretendes, linear polarisiertes Licht dazu gebracht, auf das Faradayelement 7 aufzufallen, das innerhalb der Luftkernspule 5 angeordnet ist, und wird dem von der Luftkernspule erzeugten Magnetfluß unterworfen. Wenn das linear polarisierte Licht durch das Faradayelement 7 hindurch übertragen wird, dreht sich die Lichtpolarisationsebene um einen Winkel, der zur Größe des Magnetflusses proportional ist, der dann zu einer Größe eines Gesamtstroms proportional ist, der durch beide Drahtleiter 1a und 1b fließt, d.h. zu einer Summe aus die Drahtleiter entlang fließenden Strömen. Das linear polarisierte Licht, dessen Polarisationsebene gedreht worden ist, wird dann auf den Analysator 9 auffallen gelassen, und eine Menge an durch den Analysator hindurchgehendem Licht wird mit dem Rotationswinkel der Polarisationsebene in Beziehung gesetzt. Das heißt, wenn der in den Drahtleitern 1a und 1b fließende Gesamtstrom klein ist und die Polarisationsebene um einen kleinen Winkel gedreht wird, wird eine relativ geringe Lichtmenge durch den Analysator 9 übertragen, aber wenn die die Drahtleiter entlanggeleiteten Ströme groß sind und die Polarisationsebene um einen größeren Winkel gedreht wird, wird die Menge an durch den Analysator übertragenem Licht größer. Das durch den Analysator 9 übertragene Licht wird von einer Stablinse 1 3 gesammelt und wird durch eine Lichtleitfaser 15 dazu gebracht, auf einen Lichtdetektor 14 wie eine Photodiode aufzufallen. Auf diese Art stellt ein vom Lichtdetektor 14 erzeugtes Ausgangssignal eine Größe der Gesamtsumme der beide Drahtleiter 1 a und 1 b entlanggeleiteten elektrischen Ströme dar.
Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, sind die in Fig. 6 gezeigten Lichtleitfasern 11 und 15 in ein Rohr eingebaut, um ein Lichtleitfaserkabel 16 zu bilden, von dem ein Ende mit dem Brückenabschnitt 2a des Gehäuses 2 verbunden ist und dessen anderes Ende an einem oberen Ende der Isolatorstütze 4a befestigt ist. In der Isolatorstütze 4a ist ein Mittelloch 17 ausgebildet, durch das sich die Lichtleitfasern 11 und 15 bis zu einer nicht gezeigten Stromdetektiereinheit hinauf erstrecken. Die lichtaussendende Diode 10 und Photodiode 14 sind in dieser Stromdetektiereinheit angeordnet.
Wie oben erklärt, sind beim erfindungsgemäßen optischen Stromtransformator die Rogowskyspulen 3a und 3b um die Drahtleiter 1a und 1b gewickelt, die die gleichphasigen Ströme leiten, und der Strom, der eine Größe des Gesamtstroms repräsentiert, der durch beide Drahtleiter 1a und 1b fließt, wird durch die Luftkernspule 5 erzeugt, um den Magnetfluß zu erzeugen, dessen Intensität zum Gesamtstrom proportional ist. Dann wird die Stärke des Magnetflusses durch den optischen Stromsensor 6 detekiert, der das Faradayelement 7 enthält, und die Photodiode 14 erzeugt ein Ausgangssignal, das eine Größe des Gesamtstroms repräsentiert, der die Drahtleiter 1a und 1b entlangfließt. Gemäß vorliegender Erfindung ist es weder notwendig, Faradayelemente für jeweilige Drahtleiter bereitzustellen, noch, die Drahtleiter zu einem einzigen Leiter zu kombinieren, wie das beim bekannten Stromtransformator gemacht wurde. Daher wird der Vorgang zum Bereitstellen des optischen Stromtransformators auf dem bestehenden stromleitenden Mittel sehr einfach und weniger teuer. Darüberhinaus ist es nicht notwendig, neben den Isolatorstützen zum Abstützen der Drahtleiter eine weitere Isolatorstütze bereitzustellen, sodaß kein zusätzlicher Raum erforderlich ist.
Bei der obengenannten ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Stromtransformators ist die flußerzeugende Spule als eine Luftkern-Zylinderspule ausgebildet, und der optische Sensor 6 ist innerhalb des Zwischenraums der Spule angeordnet. Fig. 7 zeigt eine modifizierte Ausführungsform der flußerzeugenden Spule. Bei dieser Ausführungsform ist die Spule 20 auf einem im wesentlichen ringförmigen Magnetkern 21 aufgewickelt, der einen Luftspalt 22 aufweist, in dem der optische Sensor 6 angeordnet ist. Das heißt, bei dieser Ausführungsform ist die Magnetfluß erzeugende Spule als Ringspule ausgebildet.
Fig. 8 stellt eine weitere Ausführungsform der Magnetfluß erzeugenden Spule dar. Bei dieser Ausführungsform ist eine Rogowskyspule 23 auf einen im wesentlichen ringförmigen Eisenkern 24 mit einem Luftspalt 25 gewickelt, in dem der optische Sensor 6 angeordnet ist. Auch bei dieser Ausführungsform ist die Magnetfluß erzeugende Spule als Ringspule ausgebildet.
Bei den in den Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen ist die Spule um den Magnetkern gewickelt, und so kann die Stärke des Magnetflusses im Vergleich mit der ersten Ausführungsform, bei der die Luftkernspule 5 verwendet wird, erhöht werden. Daher kann die Größe des Gesamtstroms detektiert werden, während der Einfluß eines äußeren Magnetfeldes verringert werden kann, sodaß die Anzahl der Windungen der Magnetfluß erzeugenden Spule verringert werden kann und so die Größe und das Gewicht des optischen Stromsensors 6 verringert werden können.
Die Fig. 9 bis 11 stellen eine zweite Ausführungsform des optischen Stromtransformators gemäß vorliegender Erfindung dar. Auch bei der vorliegenden Ausführungsform sind zwei Drahtleiter 31a und 31b vorgesehen, die gleichphasige Ströme leiten. Bei der vorliegenden Ausführungsform besteht ein Gehäuse 32 aus Aluminium aus drei Abschnitten, d.h. einem Hauptabschnitt 32a, der einen Brückenabschnitt 32b und rechte und linke Halbabschnitte 32c, 32d umfaßt, einem rechten Halbabschnitt 32e, der abnehmbar mit dem rechten Halbabschnitt 32c des Hauptabschnitts 32a verbunden ist, und einem linken Haibabschnitt 32f, der abnehmbar mit dem linken Halbabschnitt 32d des Hauptabschnitts 32a verbunden ist. Wie in den Fig. 9 und 10 gezeigt, sind die rechten und linken Halbabschnitte 32e und 32f durch Bolzen 33 und Muttern 34 mit den rechten und linken Halbabschnitten 32c bzw. 32d des Hauptabschnitts 32a verbunden. Innerhalb der rechten Halbabschnitte 32c und 32e des Gehäuses 32 sind Rogowskyspulenhälften 35a bzw. 35b angeordnet, und auf ähnliche Weise sind innerhalb der linken Halbabschnitte 32d und 32f Rogowskyspulenhälften 35c bzw. 35d vorgesehen. Wie in Fig. 10 dargestellt, werden, nachdem das Gehäuse 32 auf die Drahtleiter 31a und 31b gesetzt worden ist, die Rogowskyspulenhälften 32a und 32b miteinander verbunden, und auf ähnliche Weise werden die Rogowskyspulenhälften 35c und 35d miteinander verbunden. Zu diesem Zweck sind Anschlußkästen 36a und 36b an einer Außenfläche des Gehäuses 32 angeordnet, wie in Fig. 10 dargestellt. Wie in Fig. 9 gezeigt, sind die Rogowskyspulen 35a-35d auf Magnetkerne 36 gewickelt. Es sollte angemerkt werden, daß jeder dieser Magnetkerne 36 aus zwei Kernhälften besteht, die abnehmbar miteinander verbunden sind. Wie in Fig. 11 gezeigt, sind die Endanschlüsse der Rogowskyspulenhälften 35a und 35c mit einer Luftkern-Zylinderspule 37 in Serie geschaltet, die in ein Schutzgehäuse 38 eingefügt ist, das im Brückenabschnitt 32b des Hauptabschnitts 32a des Gehäuses 32 angeordnet ist. Innerhalb eines Raumes der Zylinderspule 37 ist ein Gehäuse 39 angeordnet, in dem ein optischer Sensor 40 luftdicht untergebracht ist.
Wie am besten in Fig. 10 gezeigt, werden, nachdem die rechten und linken Halbabschnitte 32e und 32f des Gehäuses 32 mit den rechten und linken Halbabschnitten 32c und 32d des Hauptabschnitts 32a verbunden wurden, sodaß die Drahtleiter 31a und 31b von Gehäusehälften umgeben sind und die Rogowskyspulenhälften 35a und 35b; 35c und 35d durch die Anschlußkästen 36a bzw. 36b miteinander verbunden sind, wobei Drahtklemmarme 41a und 41b gedreht werden, damit sie die Drahtleiter 31a bzw. 31b umgeben und dann die Drahtklemmarme 41a und 41b durch Schrauben 43a bzw. 43b an den Klemmuntersätzen 42a und 42b befestigt werden. Auf diese Art kann das Gehäuse 32 des optischen Stromtransformators fest mit den Drahtleitern 31a und 31b verbunden werden. Wie in Fig. 9 dargestellt, ist ein Lichtleitfaserkabel 44, das zwei Lichtleitfasern enthält, mit dem Brückenabschnitt 32b des Hauptabschnitts 32a des Gehäuses 32 durch eine Kabelmuffe 45 verbunden, und die Lichtleitfasern sind an den optischen Sensor 40 angeschlossen. Es sollte angemerkt werden, daß die Konstruktion des optischen Sensors 40 der des optischen Sensors der ersten Ausführungsform ähnlich ist.
Fig. 12 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Anzahl an Windungen der Rogowskyspule 35a, 35b und der Anzahl an Windungen der Zylinderspule 37 zeigt. Es wird angenommen, daß der maximale Strom, der durch die Zylinderspule 37 fließen kann, 5A beträgt, was vom Durchmesser des Drahtes der Zylinderspule abhängt. Dann sollte die Anzahl an Windungen der Zylinderspule auf einen Wert über die Linie A eingestellt werden. Weiters muß die maximale Querschnittsfläche der Zylinderspule 37 auf 20 cm² eingestellt werden, was durch die Abmessung des Brückenabschnitts 32b des Gehäuses 32 bestimmt ist. Dann sollte die Anzahl der Wicklungen der Zylinderspule 37 einen Wert haben, der unter Linie B liegt. Darüberhinaus sollte die maximale Querschnittsfläche der Rogowskyspule auf 20 cm² eingestellt werden, und dann muß die Anzahl an Drehungen der Rogowskyspule kleiner als 3000 Windungen sein. Das bedeutet, die Anzahl an Wicklungen der Rogowskyspule muß auf einen Wert eingestellt werden, der auf der linken Seite von Linie C liegt. Von den obengenannten Bedingungen ausgehend versteht sich, daß die Anzahl der Windungen der Rogwskyspule und Zylinderspule aus einem Bereich gewählt werden soll, der in Fig. 12 durch Schraffierung angegeben ist.
Fig. 13 zeigt eine dritte Ausführungsform des optischen Stromtransformators gemäß vorliegender Erfindung. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Rogowskyspulen 52a und 52b um die Drahtleiter 51a bzw. 51b gewickelt, um die gleichphasigen Ströme zu leiten. Die Rogowskyspulen 52a und 52b sind mit einem Lastwiderstand 53 in Serie geschaltet. Ein Pockelselement 54 ist so angeordnet, daß eine über den Lastwiderstand 53 induzierte Spannung detektiert wird. Ein Überspannungsschutzelement 55 ist mit dem Lastwiderstand 53 in Serie geschaltet, um eine Zerstörung des Pockelselements 54 aufgrund starker Überspannung zu vermeiden.
Der Lastwiderstand 53 weist vorzugsweise einen Widerstand über 1 KΩ auf, damit er folgenden Bedingungen entspricht. Das heißt, aufgrund der Eigenschaften des Pockelselements 54 sollte die über den Lastwiderstand 53 erzeugte Spannung unter einem Nennstrom kleiner als 100 V, wenn der Strom unter 0,2 KA absinkt, höher als 1 V und, wenn der Kurzschlußfehler auftritt, geringer als 500 V sein.
Fig. 14 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen dem auf dem Drahtleitmittel fließenden Strom und der über den Lastwiderständen mit den verschiedenen Widerständen R&sub1;, R&sub2; und R&sub3; (R&sub1; < R&sub2; < R&sub3;) erzeugten Spannung zeigt. In der Praxis ist experimentell bestätigt worden daß der Lastwiderstand 53 vorzugsweise einen Widerstand von 1 KΩ bis 100 KΩ haben sollte.
Bei der in Fig. 13 dargestellten Ausführungsform ist es auch möglich, die Gesamtsumme von die Drahtleiter 51a und 51b entlangfließenden Strömen als Lichtsignal mit Hilfe des Pockelselements 54 zu detektieren.
Der optische Stromtransformator gemäß vorliegender Erfindung wird üblicherweise als Fehlerstellen-Detektiersystem für eine Umspannstation und eine Übertragungsstation verwendet. Nun wird eine vierte Ausführungsform des optischen Stromtransformators gemäß vorliegender Erfindung erklärt, die besonders geeignet für ein solches Fehlerstellen-Detektionssystem ist.
Fig. 15 ist eine schematische Ansicht, die die vierte Ausführungsform des optischen Stromtransformators gemäß vorliegender Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind Rogowskyspulen 62a, 62b und 62c um drei Leiter 61a, 61b bzw. 61c vorgesehen, die Stromkomponenten mit unterschiedlichen Phasen, d.h. U-, V- und W-Phasen-Ströme des dreiphasigen Stroms leiten. Diese Rogowskyspulen 62a, 62b und 62c sind mit einer Luftkern-Zylinderspule 63 in Serie geschaltet. Daher wird in der Zylinderspule 63 ein Magnetfluß erzeugt, der proportional zu einer Summe der drei unterschiedlichen Phasenströme, ist, d.h. ein Nullphasenstrom. In einem Zwischenraum der Zylinderspule 63 ist ein optischer Stromsensor 64 angeordnet, der ein Faradayelement umfaßt. Wenn an keinem der Drahtleiter 61a, 61b und 61c Fehler auftreten, wird die Summe der auf diesen Drahtleitern fließenden Ströme immer null, sodaß in der Zylinderspule 63 kein Magnetfluß erzeugt wird. Daher wird die Polarisationsebene des durch das Faradayelement im optischen Stromsensor 64 übertragenen Lichts nicht gedreht, und so wird das Licht nicht durch den Analysator übertragen.
Wie in Fig. 16 gezeigt, umfaßt der optische Stromsensor 64 ein Faradayelement 65, einen auf der Lichteinfallseite des Faradayelements angeordneten Analysator 66, einen auf der Lichtaustrittsseite des Faradayelements vorgesehenen polarisierenden Strahlenspalter 67. Das von einer lichtaussenden Diode 68 ausgesandte Licht wird durch eine erste Lichtleitfaser 69 übertragen und wird dazu gebracht, auf den Analysator 66 aufzufallen, und wird in linear polarisiertes Licht umgewandelt. Dann wird das Licht durch das Faradayelement 65 übertragen, und die Polarisierungsebene des Lichtes wird entsprechend dem von der Zylinderspule 63 erzeugten Magnetfluß gedreht. Das vom polarisierenden Strahlenspalter 67 reflektierte Licht wird dazu gebracht, auf eine zweite Lichtleitfaser 70 aufzufallen, und durch den polarisierenden Strahlenspalter 67 hindurch übertragenes Licht wird dazu gebracht auf eine dritte Lichtleitfaser 71 aufzufallen. Es sollte angemerkt werden, daß ein von der zweiten Lichtleitfaser 70 empfangenes Signal die gleiche Phase wie der von der Zylinderspule 63 induzierte Magnetfluß hat, aber ein von der dritten Lichtleitfaser 71 empfangenes Lichtsignal eine zu der des Magnetflusses entgegengesetzte Phase aufweist. Das von der dritten Lichtleitfaser 71 empfangene Lichtsignal wird über die dritte Lichtleitfaser 71 zu einer benachbarten Fehlerstelle übertragen.
Fig. 17 ist eine schematische Ansicht, die die gesamte Konstruktion des Fehlerstellen- Detektionssystems zeigt, das die optischen Stromtransformatoren gemäß vorliegender Erfindung umfaßt. An jedem Fehlerstellen-Detektionspunkt A, B und C wird das optische Signal mit der gleichen Phase wie jener des Magnetflusses, das von der zweiten Lichtleitfaser 70 aufgefangen wird, dazu gebracht, auf einen Lichtsignalmischer 72 aufzufallen. Dem Lichtsignalmischer 72 wird auch das Lichtsignal übermittelt, das die entgegengesetzte Phase zu jener des Magnetflusses aufweist und von der dritten Lichtleitfaser 71 eines darauffolgenden Fehlerstellen-Detektionspunktes aufgefangen wird. Vom Lichtsignalmischer 72 gemischtes Licht wird von einer Photodiode 73 aufgefangen. Dann ist es durch das Verarbeiten eines von der Photodiode 73 erzeugten Ausgangssignals möglich einen Abschnitt zu detektieren in dem der Erdungsfehler aufgetreten ist.
Wenn kein Fehler vorliegt, sind die dreiphasigen Ströme, die auf den Drahtleitern 61a, 61b und 61c fließen, ausgeglichen, sodaß die an jeweiligen Fehlerstellen- Detektionspunkten vorgesehenen optischen Stromsensoren 64 keine Ausgangssignale erzeugen. Wenn der Erdungsfehler jedoch in einem Abschnitt zwischen den Punkten B und C auftritt, wie in Fig. 17 gezeigt, fließen an den Punkten A und B große Ströme in die Fehlerstelle nach rechts, und gleichzeitig fließt an Punkt C ein großer Strom nach links in die Fehlerstelle. Auf diese Weise geht das Gleichgewicht zwischen den dreiphasigen Strömen verloren, und die an den Punkten A, B und C vorgesehenen optischen Stromtransformatoren erzeugen die Ausgangssignale.
Am Fehlerstellen-Detektionspunkt A wird der Fehlerstrom als die beiden Lichtsignale mit entgegengesetzten Phasen detektiert, und das Lichtsignal mit der entgegengesetzten Phase zu jener des Magnetflusses, der von der im relevanten optischen Stromtransformator vorgesehenen Zylinderspule induziert wird, wird zum optischen Signalmischer 72 übertragen, der am benachbarten Fehlerstellen-Detektionspunkt B vorgesehen ist. An Punkt B hat der Fehlerstrom die gleiche Richtung wie der an Punkt A detektierte Fehlerstrom. Dann mischt der an Punkt B vorgesehene Lichtsignalmischer 72 das durch eine Wellenform S&sub1; gezeigte Lichtsignal der gleichen Phase mit einem durch Wellenform S&sub2; gezeigten Lichtsignal mit entgegengesetzter Phase, um ein gemischtes Lichtsignal S&sub3; mit geringer Welligkeit zu erzeugen.
Das vom optischen Stromtransformator an Punkt B erzeugte Lichtsignal mit entgegengesetzter Phase, das durch eine Wellenform S4 gezeigt wird, wird zum nächsten Fehlerstellendetektionspunkt C übertragen. An diesem Punkt C fließt der Fehlerstrom in die entgegengesetzte Richtung wie jener an den Punkten A und B, sodaß der von der Zylinderspule des an Punkt C vorgesehenen optischen Stromsensors induzierte Magnetfluß die entgegengesetzte Phase zu jener des an den Punkten A und B erzeugten Magnetflusses aufweist. Daher hat das von Punkt B zu Punkt C übertragene Lichtsignal die gleiche Phase wie das an Punkt C detektierte Lichtsignal S&sub5;, sodaß der an Punkt C vorgesehene Lichtsignalmischer 72 ein gemischtes Lichtsignal mit einer Wellenform S&sub6; erzeugt, die eine sehr große Welligkeit zeigt. Daher kann durch Vergleich der Welligkeit des vom Lichtsignalmischer 72 erzeugten gemischten Lichtsignals mit einem vorbestimmten Schwellenwert der Erdungsfehlerpunkt im Abschnitt zwischen den Punkten B und C lokalisiert werden.
Wie oben erklärt, wird das von einem benachbarten Punkt übertragene Lichtsignal an jedem Fehlerstellen-Detektionspunkt mit einem am relevanten Punkt detektierten Lichtsignal gemischt, und ein gemischtes Lichtsignal wird vom Erdungsrelais detektiert, sodaß die Fehlerstelle eindeutig detektiert werden kann, während nur das Lichtsignal zwischen benachbarten Punkten übertragen wird. Das heißt, es ist keineswegs notwendig, eine komplizierte Signalübertragungseinrichtung zwischen den Fehlerstellen-Detektionspunkten vorzusehen. Weiters können die dreiphasigen Ströme durch nur einen optischen Stromtransformator gemäß vorliegender Erfindung detektiert werden.
Gemäß vorliegender Erfindung können die folgenden Vorteile erzielt werden:
(1) Die Rogowskyspule kann leichter und kleiner ausgebildet werden, als der bekannte Keramik-Stromtransformator mit dem großen Eisenkern, und daher kann die auf die Drahtleiter ausgeübte Belastung verringert werden. Darüberhinaus ist es nicht notwendig, einen speziellen Platz zur Anordnung zusätzlicher Isolatorstützen bereitzustellen.
(2) Die Gesamtsumme von Strömen, die eine Vielzahl von Leitern entlangfließen, die gleichphasige Ströme leiten, kann ermittelt werden, und daher kann die Messung mit sehr hoher Präzision durchgeführt werden.
(3) Die Rogowskyspulen können um die Drahtleiter angeordnet werden, ohne daß die Drahtleiter abgeschnitten werden, sodaß der optische Stromtransformator leicht auf die bestehenden Drahtleiter angewandt werden kann.
(4) Da der Drahtklemmechanismus verwendet wird, um das Gehäuse des Stromtransformators am Drahtleiter zu befestigen, ist es möglich, den Drahtleiter in der Mitte der Rogowskyspule anzuordnen, und so kann ein Meßfehler verringert werden.
(5) Der von der Rogowskyspule erzeugte Strom wird vom optomagnetischen Element, wie einem Faradayelement und Pockelselement, in das Lichtsignal umgewandelt, das von der Lichtleitfaser beliebig übertragen werden kann, ohne daß es durch Rauschen beeinflußt wird. Daher können die Lichtquelle und der Lichtdetektor an jeder gewünschten Position angeordnet werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf die oben erklärten Ausführungsformen beschränkt, sondern für Fachleute sind viele Modifikationen und Änderungen vorstellbar, die im Schutzumfang der Erfindung liegen. Beispielsweise umfaßt die stromleitende Einrichtung bei der obigen Ausführungsform zwei Drahtleiter, sie kann aber auch aus drei oder mehr als drei Drahtleitern bestehen. Darüberhinaus sind die Gehäusehälften bei den obigen Ausführungsformen durch Bolzen und Muttern zerlegbar miteinander verbunden, es kann aber jedes beliebige Verbindungsmittel eingesetzt werden.

Claims

1. Optischer Stromtransformator zum Detektieren eines entlang einer stromleitenden Einrichtung fließenden elektrischen Stroms, umfassend eine Vielzahl von Leitern (1a,1b;31a,31b;51a,51b;61a,61b,61c), worin eine Vielzahl von Spulen (3a,3b;35a,35b,35c,35d;52a,52b;62a,62b,62c) jeweils auf verschiedenen der Leiter gewickelt und mit optischen Stromfühlmitteln (5,6;20,6;23,6;7,40;53,54;63,64) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Spulen Rogowskyspulen (3a,3b;35a,35b,35c,35d;52a,52b;62a,62b,62c) umfaßt, wobei die Rogowskyspulen in Serie geschaltet mit dem optischen Stromfühlmittel (5,6;20,6;23,6;7,40;53,54;63,64) verbunden sind.

2. Optischer Stromtransformator nach Anspruch 1, worin die optischen Stromfühlmittel (5,6;20,6;23,6;7,40;53,54;63,64) eine Magnetflußerzeugungsspule (5;20;23;37;63) und ein optomagnetisches Element (6,40,64) umfassen.

3. Optischer Stromtransformator nach Anspruch 2, worin die Magnetflußerzeugungsspule von einer Luftkernspule (5;37;63) und das optomagnetische Element (6;40;64) von einem Faradayelement (7;65), das in einem Zwischenraum der Luftkernspule (5;37;63) angeordnet ist, gebildet werden.

4. Optischer Stromtransformator nach Anspruch 2, worin die Magnetflußerzeugungsspule von einer Ringspule mit einem Magnetkern (21;24) mit einem Spalt (22;25) und einer um den Magnetkern (21;24) gewickelte Spule (20;23) gebildet wird, und das optomagnetische Element (6;40) von einem im Spalt des Magnetkerns angeordneten Faradayelement (7) gebildet wird.

5. Optischer Stromtransformator nach Anspruch 4, worin die um den Magnetkern (24) gewickelte Spule eine Rogowskyspule (23) ist.

6. Optischer Stromtransformator nach Anspruch 2, worin die optischen Stromfühlmittel (63,64,65,66,67) angeordnet sind, um gleichzeitig ein erstes Lichtsignal, das dieselbe Phase wie jene des Magnetflusses hat, und ein zweites Lichtsignal zu erzeugen, das eine entgegengesetzte Phase zu jener des Magnetflusses hat.

7. Optischer Stromtransformator nach Anspruch 6, worin die optischen Stromfühlmittel einen Analysator (66), der auf einer Lichteinfallseite des Faradayelements (65) angeordnet ist, und einen polarisierenden Strahlenspalter (67), der auf einer Lichtaustrittsseite des Faradayelements (65) angeordnet ist, umfassen.

8. Optischer Stromtransformator nach Anspruch 1, worin die optischen Stromfühlmittel einen mit den Rogowskyspulen (51a,51b,51c) verbundenen Lastwiderstand (53) und ein Pockelselement (54) umfassen, das durch seine Anordnung der über den Lastwiderstand (53) erzeugten Spannung ausgesetzt ist.

9. Optischer Stromtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Isolator (4a,4b) mit einem darin ausgebildeten Mittelloch (17), und Lichtübertragungsmittel (11,15), die im Mittelloch (17) angeordnet sind, um ein optisches Signal, das die Größe des elektrischen Stroms repräsentiert, von den optischen Stromfühlmitteln zu einer Vorrichtung zum Detektieren des optischen Signals zu übertragen.

10. Optischer Stromtransformator nach Anspruch 9, worin der Isolator (4a,4b) angeordnet ist, um zumindest einen aus der Vielzahl der Stromleiter (1a,1b) abzustützen.

11. Optischer Stromtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Rogowskyspulen (35a,35b,35c,35d) auf Magnetkernen (36) gewickelt sind, die um die Leiter (31a,31b) herum angeordnet sind.

12. Optischer Stromtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Vielzahl der Leiter (1a,1b;31a,31b;51a,51b) so angeordnet ist, daß sie Ströme gleicher Phase führen.

13. Optischer Stromtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin drei Leiter (61a,61b,61c) so angeordnet sind, daß sie drei verschiedene Phasen eines Dreiphasenstroms führen.