DE69410505T2

DE69410505T2 - Vorrichtung zur optischen Messung der elektrischen Stromstärke

Info

Publication number: DE69410505T2
Application number: DE1994610505
Authority: DE
Inventors: Denis Chatrefou
Original assignee: GEC Alsthom T&D SA
Current assignee: Alstom T&D Transformateurs de Mesure SA
Priority date: 1993-02-22
Filing date: 1994-02-18
Publication date: 1998-10-29
Anticipated expiration: 2014-02-19
Also published as: FR2702051A1; DE69410505D1; EP0613017A1; EP0613017B1; ES2117221T3; FR2702051B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Messung der Stärke eines elektrischen Stromes mittels einer optischen Vorrichtung, die vom Faradayeffekt und der Ampèreschen Formel Gebrauch macht.
Der Faradayeffekt übersetzt die Proportionalität des Drehwinkels Θf der Polarisationsebene eines linear polarisierten, monochromatischen Lichtes, das durch ein homogenes optisches Milieu hindurchgeht, in das Magnetfeld, dem das Miheu unterworfen ist.
Die Ampèresche Formel wandelt eine Messung eines Magnetfeldes in eine Intensitätsmessung durch Integration des Phänomens über eine geschlossenen Linie um, die einen von dem zu messenden elektrischen Strom durchflossenen Leiter umgibt.
Die Ampèresche Formel kann entweder angewendet werden, indem man das Licht durch eine optische Faser gehen läßt, die in einer den elektrischen Leiter umgebenden, geschlossenen Schleife angeordnet ist, oder indem man es durch einen Ring aus Glas oder einem anderen transparenten Medium (in Englisch "Ring-glass" genannt) gehen läßt, der mit einem Mittelloch versehen ist, durch das der Leiter hindurchgeht, und der so maschinell bearbeitet ist, daß mit dem Licht durch eine Reihe von Totalreflexionen bei 450 eine geschlossene Linie beschrieben wird. Es ist diese zweite Lösung, um die es sich in der vorliegenden Patentanmeldung handelt.
Wie weiter oben gesagt wurde, ist der Faradayeffekt ein Polarisationseffekt, der die Anwendung eines Eingangspolarisators und eines Ausgangsanalysators notwendig macht.
Es wird daran erinnert, daß, wenn der Polarisator und der Analysator mit 45º zueinander gekreuzt sind und wenn außerdem der Ausgangsanalysator ein Polarisationsseparator ist, zwei optische Siqnale I1 und I2 erhalten werden, die in erster Näherung durch die folgenden Beziehungen ausgedrückt werden:
I1 = Io/2 (1 + sin2Θf)
I2 = Io/2 (1 - sin2Θf)
in denen Io die durch das optische System hindurchgehende Lichtintensität ist, die im allgemeinen beispielsweise von einer Laserdiode oder einer ganz anderen Quelle für quasimonochromatisches Licht geliefert wird.
Diese Signale werden im allgemeinen durch optische Fasern bis zu einem Gerät für die Umwandlung und die elektronische Verarbeitung übertragen, das die Variable Θf, die ein Bild des zu messenden Stroms ist, in der gewünschten Form rekonstruiert.
Die bei der Ausführung von optischen Vorrichtungen mit Glasring für die Messung der Stärke eines elektrischen Stromes mit großer Genauigkeit angetroffene Hauptschwierigkeit ist die der Stabilität mit der Temperatur. Solche Geräte werden tatsächlich unter sehr veränderlichen klimatischen Bedingungen angebracht, und die Umgebungstemperatur kann in einem großen Wertebereich variieren.
In der Druckschrift EP-A-477 415 wurde vorgeschlagen, einen optischen Stromtransformator zu verwirklichen, der ein Substrat umfaßt, in dem ein Wellenleiter, der den zu messenden Strom umgibt, integriert und in dem Substrat vergraben ausgeführt ist. In der Druckschrift ist erwähnt, daß weitere Elemente der Meßvorrichtung, wie Polarisatoren, ein Spiegel oder ein Koppler in Y, ebenfalls in das Substrat integriert sein können, so daß die Vorrichtung gegenüber äußeren Einflüssen, wie den Temperaturänderungen und den Vibrationen, unempfindlich ist.
Eine solche Vorrichtung ist schwierig und teuer auszuführen, da ja der Wellenleiter und die Elemente beispielsweise durch Austausch von Na+-Ionen durch Ag+-Ionen in einem Glassubstrat verwirklicht sind. Andererseits zeigt die Druckschrift nicht, wie die optischen Fasern für die Zufuhr und den Ausgang des Lichts am Substrat befestigt sind, was eines der schwierigsten zu lösenden Probleme bei dieser Technik ist, um den Einfluß der Temperaturänderungen und der Vibrationen zu vermeiden.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Verwirklichung einer Vorrichtung, die gestattet, Messungen bei einer Umgebungstemperatur, die von -60ºC bis +60ºC variieren kann, auszuführen, wobei sie in einer gegebenen Genauigkeitsklasse bleiben.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Verwirklichung einer Vorrichtung von ökonomischerer Ausführung als die der Vorrichtungen aus dem Stand der Technik.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Verwirklichung einer Vorrichtung mit Glasring, bei der die Verbindung zwischen dem Glasring und den Fasern für die Zufuhr und den Ausgang des Lichts durch Mittel verwirklicht ist, die sie gegenüber Temperaturänderungen und Variationen unempfindlich machen.
Um die Schwierigkeiten aufgrund der Temperaturänderungen gut zu verstehen, wird auf Fig. 1 Bezug genommen, die eine optische Vorrichtung mit Glasring aus dem Stand der Technik darstellt, und umfaßt:
- einen Glasring 1, durch den ein nicht dargestellter Leiter hindurchgeht, dessen Strom gemessen wird, - eine optische Faser 2, der beispielsweise durch eine nicht dargestellte Laserdiode oder eine ganz andere quasi-monochromatische Quelle Licht zugeführt wird und die mit einer Endlinse 3 versehen ist (das einfallende Lichtbündel ist mit Io bezeichnet)
- einen Eingangspolarisator 4,
- einen Ausgangsanalysator 5, der am Ausgang zwei Lichtbündel I1 und I2 liefert (ein ordinär genanntes Lichtbündel und ein extraordinär genanntes Bündel),
- zwei optische Fasern 6 und 7, die mit Linsen 8 bzw. 9 versehen sind, um die Signale wahlweise zu einer nicht dargestellten Einrichtung für die Umwandlung und für die elektronische Verarbeitung zu leiten.
Ein erster Fall der Ungenauigkeit bei den mit den Vorrichtungen aus dem Stand der Technik durchgeführten Messungen ergeben sich aus der Tatsache, daß Einrichtungen nötig sind, um den Glasring und den Polarisator einerseits und den Analysator andererseits fest zu verbinden. Diese Einrichtungen sind tatsächlich Ausdehnungen unterworfen, die sich von der des Glasrings unterscheiden, so daß sich der Aufbau mit der Temperatur verändert.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung sind der Polarisator, der Analysator und die Verbinder der optischen Fasern durch einen elastischen Klebstoff, durch den das Lichtbündel nicht hindurchgeht, direkt am Ring befestigt.
Eine mögliche Ausführung ist die Befestigung der Komponenten in einer oder zwei in den Ring eingearbeiteten Vertiefungen. Auf diese Weise wird jede Temperaturänderung von den verschiedenen Elementen der Vorrichtung in der gleichen Weise verspürt, und jede Folge, die aufgrund einer differentiellen Ausdehnung aufträte, wird unterdrückt.
Ein weiterer Fall für Fehler der Vorrichtung aus dem Stand der Technik aufgrund von Temperaturänderungen ergibt sich aus den nachfolgenden Betrachtungen.
Die vom Analysator stammenden reellen Signale werden ausgedrückt:
I1 = To T1 Io/2 (1 + sin2Θf)
I2 = To T2 Io/2 (1 - sin2Θf)
in denen T0, T1 und T2 die unten angegebenen Bedeutungen haben:
T0 stellt die Transmission des gemeinsamen Systems zu zwei Ausgangsbündeln I1 und I2 dar,
T1 und T2 stellt wie jeweiligen verschiedenen Transmissionen der Bündel I1 und I2 dar.
Durch eine elektronische Verarbeitung, wie die in dem französischen Patent FR-A-2586422 beschriebene, die am 22. Januar 1992 im Namen des Anmelders angemeldet wurde und den Titel "Dispositif de traitement de signaux issus d'un capteur optique effet Faraday" hat, ist es möglich:
1. durch eine Regelung zwischen auf einem Integrationsprinzip basierenden Wegen T1 = T2 = T12 zu machen,
2. den Term ToT12Io wegfallen zu lassen, indem die Division I1 - I2/IL + I2 ausgeführt wird.
Aber weil die Endgenauigkeit von der Anzahl von für die Digitalisierung ausgewählten Bits abhängt, muß die mögliche Änderung von ToT12Io möglichst gering sein.
Der Term 10 ist zur Leistung der emittierenden Quelle proportional; diese Leistung ist in der elektrischen Leistung und in der Temperatur gleichmäßig stabilisiert.
Also ist es der Term ToT12, der möglichst gut stabilisiert werden muß.
Wie bei der Beschreibung der Fig. 1 zu sehen war, muß das optische Bündel parallel gemacht werden (d.h. im wesentlichen parallel gemacht werden), bevor es in den Polarisator 4 eintritt; ebenso müssen die den Analysator 5 verlassenden Bündel fokussiert werden, bevor sie in die Fasern 6 und 7 eintreten; dies wird mit Hilfe von Linsen 3, 8 und 9 erreicht.
Wenn sich die Temperatur ändert, ändern sich der Index und die Form der Linsen, was Defokussierungen der Bündel mit sich bringt; außerdem ist die Richtungsschwankung des extraordinären Bündels im Separator um so größer als die erforderliche Trennung groß ist; oder es besteht unter Berücksichtigung der Abmessung der Linsen 8 und 9 die Notwendigkeit, die Bündel 11 und 12 bedeutend streuen zu können.
Aus allen diesen Gründen sind gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung die für die Ausgangssignale verwendeten Fasern vorzugsweise "Mehrmoden"fasern, deren Abmessung des Kerndurchmessers eingestellt werden kann, um die Linsen 8 und 9 zu beseitigen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung zeigen sich beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 ein Schema einer optischen Vorrichtung mit Glasring gemäß dem Stand der Technik ist,
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine optische Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist,
Fig. 3 eine Aufrißansicht derselben Vorrichtung ist,
Fig. 4 eine Seitenansicht derselben Vorrichtung ist,
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine optische Vorrichtung gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung ist,
Fig. 6 eine Seitenansicht der vorhergehenden Vorrichtung ist,
Fig. 7 eine Draufsicht auf eine optische Vorrichtung mit Glasring gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist.
Fig. 1 wurde bereits erläutert und wir kommen nicht wieder darauf zurück.
In den Fig. 2 bis 4 wurde ein maschinell bearbeiteter Ring 10 dargestellt, der als empfindliches Element für eine optische Vorrichtung für die Messung eines elektrischen Stroms dient. Das Material des Ringes wird in Abhängigkeit von der gewünschten Empfindlichkeit ausgewählt, die vom Wert der Verdetschen Konstante des Materials abhängt. Beispielsweise kann dieses Silicium oder Glas oder ein ganz anderes transparentes, homogenes und isotropes Material sein.
Der Ring weist zwei parallele ebene Seiten 10A und 10B und eine Öffnung 11 auf, durch die man den Leiter, nicht dargestellt, hindurchgehen läßt, dessen Strom gemessen werden soll. Der Ring umfaßt vier Ränder 13, 14, 15 und 16, die paarweise senkrecht zueinander und mit 45º abgeschrägt sind, wobei die Seiten der Abschrägungen mit 13A, 14A, 15A und 16A bezeichnet sind; die Ränder sind so angeordnet, daß sie eine rechteckige (oder quadratische) Kontur definieren. Die Fläche des Rings verlängert sich an der Seite der Ränder 13 und 16 durch einen Vorsprung, der einerseits von zwei nicht abgeschrägten, zueinander senkrechten Seiten 17 und 18, die zu den Rändern 13 bzw. 16 parallel sind, und andererseits durch Verbindungen, ohne Bezugszeichen, mit den Rändern 13 und 16 begrenzt ist. Diese zusätzliche Fläche gestattet, den Platz für zwei Vertiefungen 20 und 21 zu liefern, in denen ein Polarisator 23 bzw. ein Analysator 24 untergebracht sind.
Die Vertiefung 20 ist an der Seite 10A des Rings offen, während sich der Hohlraum 21 zur Seite 10B hin öffnet.
Der Polarisator 23 ist ein parallelepipedischer bzw. quaderförmiger, massiver Stab aus Islandspat, der senkrecht zum Rand 14 orientiert ist und mittels eines elastischen Klebstoffs an den Boden der Vertiefung 20 geklebt ist. Eine zylindrische Öffnung verbindet das Innere der Vertiefung 20 mit dem Rand 18; diese Öffnung dient dazu, einen Ansatz 26 aufzunehmen, der eine in einer Linse 28 endende optische Faser 27 umfaßt; die Faser ist mit einer Laserdiode verbunden, die ein monochromatisches Licht emittiert, das einen Eingang des Polarisators 23 erreicht; am Ausgang des Polarisators 23 dringt das polarisierte Licht, dessen Weg durch den Strich Io dargestellt ist, durch die Wand 20A der Vertiefung, die zum Rand 14 parallel ist, in den Stab ein; das Licht erfährt nacheinander Reflexionen an den Rändern 14, 15 und 16 und dringt in die Vertiefung 21 durch den Rand 21A ein, der zum Rand 15 parallel ist; das Licht dringt in den Analysator 24 ein, der ein senkrecht zum Rand 15 orientierter, massiver Stab aus Islandspat ist, der in bezug auf den Polarisator 23 um 45º geneigt und mit einem elastischen Klebstoff am Boden der Vertiefung 21 festgeklebt ist. Die Vertiefung 21 steht mit dem Rand 17 des Stabes durch zylindrische Öffnungen in Verbindung, in denen Ansätze mit optischer Faser bei 32 und 33 im Eingriff sind, die mit Eintrittslinsen 34 bzw. 35 versehen sind.
Es wird beobachtet, daß die Ampèresche Formel vollständig eingehalten wird, da ja das Licht im Magnetfeld des Leiters genau eine geschlossene Linie beschreibt.
Die Vertiefungen 20 und 21 können vorteilhafterweise mit einem trockenen inerten Gas gefüllt und jeweils durch eine Abdeckung (20C bzw. 21C) dicht verschlossen sein, die in dem gleichen Material wie dem des Rings ausgeführt ist.
Auf die gleiche Weise ist die Außenfläche des Rings an den Auftreffpunkten des Lichtbündels auf die abgeschrägten Flächen durch eine in dem gleichen Material wie dem des Rings ausgeführte, dichte Schutzschale 22 geschützt.
So werden alle Schwierigkeiten, die aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungen bestünden, unterdrückt. In dem Falle, in dem der Polarisator oder der Analysator Ausdehnungskoeffizienten haben, die von dem des Materials des Ringes verschieden sind, wird die differentielle Ausdehnung vom Klebstoff der Befestigung absorbiert und der Weg des Lichts wird nicht geändert.
Fig. 5 und 6 stellen eine Ausführungsvariante der Erfindung dar; die gemeinsamen Elemente in diesen Figuren und den Fig. 2 bis 4 erhielten die gleichen Bezugsziffern.
Bei dieser Variante ist der Analysator 24 immer ein Spatstab aus einem Stück, der mit 45º in bezug auf den Polarisator 23 orientiert ist; er ruht beispielsweise auf einem prismatischen Träger 46. Der Ausgangsansatz 43 enthält zwei Multimodenfasern 44 und 45 mit größerem Durchmesser als im vorhergehenden Fall, die in Ausrichtung mit dem Analysator 24 angeordnet sind.
Unter Berücksichtigung der direkt gekoppelten Leistung in diesen dicken Fasern (mit Werten typischerweise zwischen 50 und 400 um) ist es möglich, die beiden Ausgangslinsen wegzulassen, was auch zur thermischen Stabilität der Einrichtung beiträgt, denn es werden die Linsen, die Veränderungen unterworfen sind, und der Klebstoffstreifen weggelassen, der nötig ist, um sie zu befestigen.
Fig. 7 stellt eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung dar, bei der das Licht einen doppelten Durchgang in dem Ring um die Öffnung 11 herum ausführt, was wegen des wohlbekannten Phänomens der Nicht-Reziprozität des Faradayeffekts hinsichtlich der Richtung des Durchgangs des Lichts die Empfindlichkeit verdoppelt.
Die gemeinsamen Elemente der Fig. 7 und den vorherigen Figuren erhielten die gleichen Bezugsziffern.
Der Ring weist nur eine Vertiefung 50 auf, in der alle optischen Elemente untergebracht sind. Zuerst enthält die Vertiefung 50 einen Polarisator 51, der senkrecht zum abgeschrägten Rand 14 orientiert ist. Das Lichtbündel 10, das in die Vertiefung durch eine Öffnung eindringt, die einen Ansatz 26 mit optischer Faser 27 und Linse 28 enthält, geht durch einen Polarisator 51 hindurch und verläßt, nachdem es durch ein halb-reflektierendes Plättchen 52 hindurchgegangen ist, die Vertiefung 50 und führt einen Umlauf um das Loch 11 aus, indem es nacheinander an den Rändern 14, 15 und 16 reflektiert wird; das Licht wird dann am Rand 17 reflektiert, der lokal eine Reflexionsbehandlung 17A erhalten hat, und führt einen zweiten Umlauf in der zur vorhergehenden entgegengesetzten Richtung um das Loch 11 aus; es dringt aufs neue in die Vertiefung 50 ein, wird am Plättchen 52 reflektiert und dringt nach einer Reflexion an einem Rückstrahlspiegel 53 in einen Analysator ein, der aus einem massiven Block 54 aus Islandspat besteht. Wie vorher unter Bezugnahme auf Fig. 1 angegeben, verlassen das ordinäre Bündel und das extraordinäre Bündel am Ausgang des Analysators die optische Vorrichtung durch die Fasern 44 und 45. Alle in der Vertiefung enthaltenen optischen Elemente sind mittels elastischem Klebstoff befestigt.
Die oben erwähnte Vorrichtung gestattet, die Empfindlichkeit des Geräts zu verdoppeln, aber um den Preis einer geringfügig komplexeren Apparatur.
Der maschinell bearbeitete Glasring hat gegenüber Strommeßvorrichtungen mit optischen Fasern den Vorteil, unter keiner Belastung zu stehen, wenn er einmal bearbeitet ist. Es ist also vorstellbar, ihn als empfindliches Milieu für mehrere Sensoren zu verwenden, und so das kostspielige Problem der Redundanz zu behandeln.
Die Redundanz ist tatsächlich vorhanden, weil man die Schwäche eines oder mehrerer Elemente einer Meßkette ahnt.
Im Fall eines Sensors mit optischen Fasern wird es notwendig, für praktisch alles (Elektronik, Lichtquelle, Übertragungsfaser) eine Redundanz zu bewirken, aber die sehr stabilen Elemente, wie die Polarisatoren aus Spat in einem Stück und der Glasring werden unitär bzw. einheitlich.
Um Redundanzen zu bewirken, kann man auch in jeder Vertiefung mehrfache Faseransätze, die für die Anzahl von gewünschten Sensoren notwendig sind, anordnen und mehrere Lichtbündel von unabhängigen Quellen durch den Ring, den Polarisator und den Analysator hindurchgehen zu lassen.

Claims

1. Optische Vorrichtung mit einem Ring aus Glas oder einem anderem transparenten Material für die Messung der elektrischen Stärke eines Stromes, der durch einen Leiter fließt, welche einen Ring (10) aus einem Stück umfaßt, der mit einer Öffnung (11) für den Durchgang des Leiters und abgeschrägte Flächen (13A, 14A, 15A, 16A) versehen ist, um zu gestatten, daß ein Lichtbündel, das durch einen gegebenen Rand (20A) in den Ring eintritt, wenigstens einen vollständigen Umlauf um die Öffnung (11) ausführt, bevor es wieder zum Äußeren des Rings austritt, wobei die Vorrichtung außerdem einen Polarisator (23), einen Analysator (24) und Ansätze von optischen Fasern (32, 33) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisator (23), der Analysator (24) und die Ansätze von optischen Fasern (32, 33) in einer oder mehreren Vertiefungen (20, 21), die im Ring selbst eingearbeitet sind, mittels eines elastischen Klebstoffs getragen werden und befestigt sind, durch den das Lichtbündel nicht hindurchgeht.

2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung oder Vertiefungen (20, 21) ein trockenes Gas einschließen und durch Abdeckungen (20C, 21C) dicht verschlossen sind.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschrägten Flächen (13A, 14A, 15A, 16A) mit dicht verschlossenen Schalen (22) ausgestattet sind, wobei sie ein trockenes Gas einschließen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (20), die den Polansator (23) enthält, mit einer Öffnung in Verbindung steht, in der ein Ansatz (26) untergebracht ist, der eine in einer Linse (28) endende optische Faser (27) beinhaltet.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (21), die den Analysator (24) enthält, mit zwei Öffnungen in Verbindung steht, in denen zwei Ansätze (32, 33) untergebracht sind, die zwei jeweils in einer Linse (34, 35) endende optische Fasern beinhalten.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (21), die den Analysator (24) enthält, mit einer Öffnung in Verbindung steht, in der ein Ansatz (43) untergebracht ist, der zwei optische Fasern (44, 45) ohne Linsen beinhaltet.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der eine (17) der Ränder des Rings eine Zone (17A) besitzt, die mit einer Reflexionsbehandlung versehen ist, die gestattet, daß das Licht zwei Umläufe in entgegengesetzten Richtungen um die Öffnung herum ausführt, wobei der Ring eine einzige Vertiefung (50) besitzt, in deren Innerem der Polarisator (51) und der Analysator (54) untergebracht sind, wobei das Licht durch wenigstens eine optische Faser (27) zugeführt wird und den Analysator durch wenigstens zwei optische Fasern (44, 45) verläßt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß derselbe Ring, derselbe Polarisator und derselbe Analysator von mehreren unabhängigen Lichtbündeln durchlaufen werden, um mehrere gleichzeitige und unabhängige Messungen mit derselben Vorrichtung zu erhalten.