DE69826363T2

DE69826363T2 - Elektrooptischer Sensor mit einer Spannungsteilereinheit

Info

Publication number: DE69826363T2
Application number: DE69826363T
Authority: DE
Inventors: Denis Chatrefou
Original assignee: Alstom T&D Transformateurs de Mesure SA
Current assignee: Alstom T&D Transformateurs de Mesure SA
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1998-05-14
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2018-05-15
Also published as: FR2764390A1; EP0882989A1; FR2764390B1; EP0882989B1; DE69826363D1; JPH1114669A; US6127817A; CA2239077A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektro-optischen Spannungsmessfühler zum Bestimmen der Spannung einer elektrischen Leitung mit einem Spannungsteiler, der mit der elektrischen Leitung und einer Masse verbunden ist, und der zwei isolierende Fächer aufweist, die durch eine mit einer Pockels-Zelle verbundene Zwischenelektrode getrennt sind, wobei die Zwischenelektrode der Pockels-Zelle eine Spannung liefert, welche um die von der elektrischen Leitung dem Spannungsteiler gelieferte Spannung reduziert ist.
Ein solcher Messfühler wird in Verteilernetzen eingesetzt, um den Spannungswert der elektrischen Leitungen zu bestimmen, die zum "Zählen" des elektrischen Stromdurchgangs und zum "Schutz" der Netze notwendig ist.
Auf bekannte Weise umfasst die Pockels-Zelle einen "elektro-optischen" Kristall, beispielsweise ein Oxyd aus Wismut und Germanium oder aus Wismut und Silizium. Der Pockels-Effekt bezeichnet das Auftreten einer Doppelbrechung des Kristalls, die durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen zwei Flächen des mit einer leitenden Schicht bedeckten Kristalls hervorgerufen wird.
Die Pockels-Zelle umfasst auch eine Eingangs-Optikfaser, die mit einer elektroluminiszenten Diode verbunden ist, welche einen Lichtstrahl emittiert, der über einen Polarisator und eine Phasenverschiebungslamelle auftrifft. Beim Durchqueren des elektro-optischen Kristalls erfolgt eine Veränderung der Polarisierung des auftreffenden Lichtstrahls. Ein in der Bahn des übertragenen Lichtstrahls angeordneter Analysator wandelt die Variation der Polarisierung am Ausgang des Kristalls in eine Variation der Lichtintensität um, die über eine Ausgangs-Optikfaser bis zu einem in einer entfernten Elektronikschaltung befindlichen Photodioden-Detektor transportiert wird.
Die Polarisierungsvariation hängt von der zwischen den leitenden Flächen des elektro-optischen Kristalls angelegten Spannung ab.
Es ist möglich, aufzuzeigen, dass bei einer bestimmten Funktionsweise der Pockels-Zelle die augenblickliche, von der Photodiode empfangene Lichtstärke im Verhältnis zu der von der elektroluminiszenten Diode emittierten kontinuierlichen Lichtstärke von der angelegten Spannung U in Form einer Sinuskurve des Produkts abhängt, wobei k ein charakteristischer elektro-optischer Kopplungskoeffizient des Kristalls der verwendeten Pockels-Zelle ist.
Die Pockels-Zelle ermöglicht es, eine angelegte Spannung U bis zu einem typischen Wert von 10.000 V zu bestimmen, die für gewöhnlich durch eine Viertelwellenspannung des elektro-optischen Kristalls gekennzeichnet ist.
Über diesem Grenzwert ist die zeitliche Entwicklung der empfangenen augenblicklichen Lichtstärke nicht mehr monoton im Verhältnis zur zeitlichen Entwicklung der angelegten Spannung U.
Eine erste Lösung, um diesem Problem abzuhelfen, besteht in einer Verdoppelung des auftreffenden Lichtstrahls, um eine andere trigonometrische Variation der Lichtstärke zu erzeugen. Sie weist jedoch zwei Hauptnachteile auf. Einerseits stellt die Notwendigkeit, einen elektro-optischen Kristall von großer Länge anwenden zu müssen, um die Spannung auszuhalten, ein technisches Limit dar (derzeit 25 cm Länge), sowie sehr hohe Mehrkosten. Andererseits ist bzw. wird das Passierband des elektro-optischen Messfühlers erheblich eingeschränkt und ist inkompatibel mit der Messung von schnellen Übergangssignalen der Spannung, wie zum Beispiel die den Spezifikationen des Leitungswegs"schutz" entsprechenden.
Eine zweite Lösung besteht darin, der Pockels-Zelle einen Spannungsteiler zuzuordnen. Letzterer umfasst allgemein eine kapazitive Säule, die aus elementaren Kapazitäten gebildet ist, die alle identisch sind, und beispielsweise aus Aluminium-Lamellen gebildet sind, die als Armaturen dienen, und die durch isolierende Papier- oder Polypropylen-Lagen getrennt sind, wobei die Einheit in eine isolierende Flüssig keit, beispielsweise auf Ölbasis, eingetaucht ist.
Eine elektrisch mit einer der leitenden Flächen des elektro-optischen Kristalls der Pockels-Zelle verbundene Zwischenelektrode trennt die kapazitive Säule in zwei isolierende Fächer. Eine an der Säule anliegende Gesamtspannung erzeugt eine reduzierte Spannung an der Pockels-Zelle, wobei das Verhältnis zwischen den Spannungen durch die Kapazitäten der beiden Fächer der Säule bestimmt ist.
Um die Spannung der elektrischen Leitung zu bestimmen, wird die Pockels-Zelle einer kapazitiven Säule zugeordnet, die im Innern und auf der gesamten Länge eines die elektrische Leitung tragenden Isolators angeordnet ist. Die Länge des Isolators, der mit einem Gas unter Druck gefüllt ist, wird in Abhängigkeit von der Spannung der elektrischen Leitung so gewählt, dass die Kapazität der beiden Fächer ein ausreichende Teilung der Leitungsspannung gestattet, damit die reduzierte Spannung unter der Viertelwellenspannung des elektro-optischen Kristalls der verwendeten Pockels-Zelle liegt.
Ein solcher elektro-optischer Spannungsmessfühler stellt jedoch zwei Probleme.
Einerseits führt im Fall eines internen Kurzschlusses, der beispielsweise auf eine mangelhafte Isolierung der kapazitiven Säule zurückzuführen ist, die Temperatur- und Drucksteigerung, die sich daraus ergeben, allgemein zu einer Explosion des Isolators, unabhängig davon, ob er aus einem Glasmaterial, beispielsweise einem Porzellan, oder einem Verbundmaterial gebildet ist.
Andererseits kann die kapazitive Säule, die in der Praxis vertikal im Isolator angeordnet ist, im Zeitverlauf Dimensionsschwankungen mechanischen Ursprungs erfahren, die auf ein unterschiedliches Zusammendrücken der elementaren Kapazitäten zwischen den unten und den oben in der Säulen befindlichen zurückzuführen ist, wobei dieses Erscheinung in dem Fall noch markanter sein kann, bei dem die Isolationsflüssigkeit auf Ölbasis durch ein Gas ersetzt ist. Außerdem können Größenabweichungen thermischen Ursprungs aus einer unterschiedlichen Dehnung der elementaren Kapazitäten unter der Wirkung eines Temperaturgefälles zwischen dem unteren und oberen Teil der Säule entstehen. Diese Größenschwankungen haben zur Folge, zu Messfehlern zu führen, die inkompatibel mit dem Leiterweg"zähler" des elektro-optischen Messfühlers sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, einen elektro-optischen Spannungsmessfühler vorzuschlagen, der eine einem Spannungsteiler zugeordnete Pockels-Zelle aufweist, welche eine erhöhte Sicherheit gegenüber Kurzschlussrisiken hat und dem Messfühler eine hohe Zuverlässigkeit und eine hohe Messgenauigkeit verleiht.
Zu diesem Zweck ist die Aufgabe der Erfindung ein elektro-optischer Spannungsmessfühler zum Bestimmen der Spannung einer elektrischen Leitung, wobei der Messfühler einen Spannungsteiler, der mit der elektrischen Leitung und einer Masse verbunden werden kann, zwei isolierende Fächer, die durch eine Zwischenelektrode getrennt sind, sowie eine Pockels-Zelle aufweist, wobei die Zwischenelektrode mit der Pockels-Zelle verbunden ist und an die Pockels-Zelle eine Spannung liefert, die um die Spannung, die von der elektrischen Leitung zum Spannungsteiler geliefert werden kann, reduziert ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes isolierende Fach massiv ist und aus einem homogenen dielektrischen Block gebildet ist.
Die beiden isolierenden Fächer, die aus einem homogenen dielektrischen Block gebildet sind, wobei der Begriff Block angibt, dass jedes Fach massiv ist, verleihen dem elektro-optischen Messfühler eine Zuverlässigkeit hinsichtlich Kurzschlüssen, die weit höher ist als die der Spannungsteiler mit der vorher beschriebenen kapazitiven Säule. Die mechanische Widerstandsfähigkeit des Spannungsteilers wird ebenfalls stark verbessert, wobei die Druckfestigkeit bzw. der Stauchwiderstand der Blöcke viel höher ist als derjenige der elementaren Kapazitäten mit leitenden und isolierenden Lagen.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der Lektüre der Beschreibung einer Ausführungsform des durch die Zeichnungen veranschaulichten elektro-optischen Messfühlers hervor. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines Spannungsteilers mit zwei homogenen dielektrischen Blöcken, und
2 eine Schnittansicht eines elektro-optischen Spannungsmessfühlers, der einen einer Pockels-Zelle zugeordneten Spannungsteiler umfasst.
Gemäß 1 umfasst ein Spannungsteiler 1 zwei homogene dielektrische Blöcke 2 und 3. Der Block 2, der nachstehend als oberer Block bezeichnet wird, und der Block 3, der nachstehend als unterer Block bezeichnet wird, haben zylindrische Form und weisen einen identischen Querschnitt auf, beispielsweise einen kreisförmigen.
Die geraden Abschnitte der beiden Blöcke sind mit einer leitenden Schicht, beispielsweise aus Aluminium, beschichtet, die durch Aufdampfen im Vakuum oder durch irgendein anderes chemisches Verfahren erhalten wird. Die beiden Blöcke werden anschließend durch einfachen Druck oder durch Verkleben eines leitenden Materials zusammengefügt. Die Beschichtungen und die leitende Verklebung bilden eine Zwischenelektrodeneinheit 5. Der Spannungsteiler selbst ist zwischen zwei gegenüberliegenden Armaturen 7 und 9 angebracht.
Wenn eine der beiden Armaturen, nämlich 9, auf ein konstantes elektrisches Potential 15 oder ein Null-Potential gebracht wird, das als Masse bezeichnet wird, erzeugt eine an der Armatur 7 anliegende elektrische Gesamtspannung V eine reduzierte Spannung U an der Zwischenelektrode 5 an der Grenzfläche zwischen den beiden Blöcken. Das Verhältnis zwischen V und U, das auch Teilerverhältnis R genannt wird, ist durch die Dicken e₂ und e₃ der beiden Blöcke gemäß der folgenden Beziehung bestimmt:
Es ist anzumerken, dass diese Beziehung davon ausgeht, dass die beiden Blöcke des Spannungsteilers aus dem gleichen Material gebildet sind, dass sie sich aber auch auf den Fall verallgemeinern lässt, in dem die beiden Blöcke aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind.
Der untere Block 3 weist eine axiale Ausnehmung 11 auf, um den Durchgang eines Kontaktdrahts 13 zu ermöglichen, der mit der Zwischenelektrode 5 verbunden ist.
Im Vergleich zu einer kapazitiven Säule mit Schichtung elementarer Kapazitäten, bei der das Verhältnis R zwischen den Spannungen V und U nur diskrete Werte annehmen kann, gestattet der Spannungsteiler der 1, ein kontinuierliches Verhältnis durch das Gefälle zwischen den Dicken e₂ und e₃ zu erhalten.
Vorzugsweise sind die beiden Fächer des Spannungsteilers aus Glasblöcken oder vitrokeramischen Blöcken gebildet. Letztere bieten relative Dielektrizitätskonstanten der Größenordnung 8, die höher sind als die von Gläsern der Größenordnung 3. Diese Materialien ermöglichen eine Steigerung der Gesamtkapazität des Spannungsteilers in Hinblick auf parasitäre Kapazitäten.
Es ist auch anzumerken, dass diese Materialien relativ billig und einfach zu bearbeiten sind.
In 2 umfasst ein elektro-optischer Spannungsmessfühler 10 einen Spannungsteiler 1 wie den vorstehend beschriebenen, der im Innern eines gepanzerten Gehäuses 20 angeordnet ist, das beispielsweise aus Metall ist und mit einem isolierenden Gas 21 unter Druck gefüllt ist, beispielsweise mit Schwefel-Hexafluorid SF₆ oder mit trockenem Stickstoff N₂.
Ein anderes gasförmiges neutrales und trockenes Isoliermittel kann zum Füllen des gepanzerten Gehäuses geeignet sein, ebenso wie ein massives Isoliermittel, beispielsweise aus Polyethylen oder Silikon, das gleichzeitig auf wirtschaftlicher Ebene und hinsichtlich der Beachtung von Anwendungsnormen in Hinblick auf den Umweltschutz von Interesse ist.
Die gasförmigen Isoliermittel, die mit den homogenen dielektrischen Blöcken des Spannungsteilers kompatibel sind, ermöglichen es, ohne Isoliermittel auf Ölbasis auszukommen, sowie die Explosionsrisiken im Fall eines Kurzschlusses zwischen den Armaturen des Spannungsteilers erheblich einzuschränken.
Das gepanzerte Gehäuse ist über seine Basis 22 elektrisch mit einer Masse 15 verbunden. Ein im Innern des gepanzerten Gehäuses 20 auf der Basis 22 ruhendes Gestell 12 trägt den Spannungsteiler 1 und enthält eine Pockels-Zelle 4 des vorher beschriebenen Typs.
Ein Leitungsdraht 13 stellt den Kontakt zwischen der Zwischenelektrode 5 und einer Leiterfläche des elektro-optischen Kristalls der Pockels-Zelle 4 her, wobei die andere leitende Fläche mit der Masse 15 verbunden ist. Auf diese Weise erzeugt eine an den Spannungsteiler angelegte Gesamtspannung V eine reduzierte Spannung U sowohl am unteren Block 3 als auch an der Pockels-Zelle, deren elektrische Impedanz in etwa das 1000fache derjenigen des unteren Blocks 3 beträgt.
Die Pockels-Zelle 4 enthält eine Optikfaser 17, die einer elektroluminiszenten Emissionsdiode zugeordnet ist, sowie eine Optikfaser 19, die einer Empfangs-Photodiode zugeordnet ist, die mit einer nicht dargestellten elektronischen Einheit zur Erfassung von Signalen verbunden sind, welche repräsentativ für die emittierte kontinuierliche Lichtstärke und die empfangene augenblickliche Lichtstärke sind. Eine Bearbeitung der Signale ergibt die reduzierte Spannung U und berechnet die Gesamtspannung V anhand der Dicken e₂ und e₃ der beiden Blöcke des Spannungsteilers.
Es ist anzumerken, dass das Gestell mindestens zwei Pockels-Zellen enthalten kann, die eine redundante Funktion gewährleisten.
Ein Isolator 25, beispielsweise aus Porzellan oder aus Verbundmaterial mit zylindrischer oder kegelstumpfartiger Form wird mechanisch, beispielsweise durch Anschrauben an das gepanzerte Gehäuse auf Höhe einer Befestigungsschulter 23 angebracht. Der Isolator 25 wird mit einem druckbeaufschlagten Gas, im allgemeinen von der gleichen Art wie das in dem ge panzerten Gehäuse 20 enthaltene 21 gefüllt, beispielsweise mit Schwefel-Hexafluorid SF₆. Ein Stütz- bzw. Halterungskegel 27 gewährleistet die Halterung eines aus der elektrischen Leitung kommenden elektrischen Leiters 28. Er kann auch eine abdichtende Trennung zwischen dem Isolator 25 und dem gepanzerten Gehäuse 20 bilden.
Der elektrische Leiter 28 ist im Innern des Isolators 25 angeordnet und ist in dem gepanzerten Gehäuse über eine ringförmige Öffnung 29 verlängert, die oben am Halterungskonus 27 eingebracht ist. Der elektrische Leiter 28 verbindet die Armatur 7 des oberen dielektrischen Blocks 2 des Spannungsteilers 1 mit einer nicht dargestellten, von dem Isolator 25 getragenen elektrischen Leitung.
Da das Potentialgefälle in dem Leiter 28 durch die Auswahl eines angemessenen Querschnitts vernachlässigbar wird, liefert die eine Spannung V transportierende elektrische Leitung die gleiche Spannung an den Spannungsteiler, wobei die Zwischenelektrode 5 eine reduzierte Spannung U an die Pockels-Zelle liefert. Die Bestimmung der reduzierten Spannung U durch den elektro-optischen Messfühler gestattet es, zur Spannung V der elektrischen Leitung zu gelangen.
2 hebt die Vorteile des elektro-optischen Spannungsmessfühlers gemäß der Erfindung hervor.
Einerseits enthält der Isolator, der der Spannung der elektrischen Leitung widersteht, nur den elektrischen Leiter, welcher die Spannung zu dem im Innern des gepanzerten Gehäuses angeordneten Spannungsteiler überträgt. Daraus ergibt sich, dass das Kurzschlussrisiko auf das gepanzerte Gehäuse, das so gestaltet ist, dass es einer Temperatur- und Drucksteigerung des isolierenden Gases widersteht, beschränkt ist.
Vorzugsweise ist eine Berstscheibe 30, welche eine Öffnung freigibt, wenn der Druck eine bestimmte Schwelle überschreitet, in die Wand des gepanzerten Gehäuses so eingebracht, dass seine Bruch- bzw. Berstgrenze nicht erreicht wird.
Somit weist der elektro-optische Spannungsmessfühler eine sehr hohe Sicherheit gegenüber Explosionsrisiken auf.
Es ist anzumerken, dass die Lokalisierung der Spannung der elektrischen Leitung im Innern des gepanzerten Gehäuses aus der Kompaktheit des Spannungsteilers Nutzen zieht, insbesondere in dem Fall, in dem die beiden homogenen dielektrischen Blöcke aus Vitrokeramikstoffen gebildet sind.
Andererseits gewährleistet das gepanzerte Gehäuse eine Vergleichmäßigung der Temperatur des isolierenden Gases in Kontakt mit dem Spannungsteiler. Die beiden homogenen dielektrischen Blöcke befinden sich so im wesentlichen auf der gleichen Temperatur.
Daraus ergibt sich, dass das Teilungsverhältnis R zwischen der Gesamtspannung V und der reduzierten Spannung U unabhängig von der Temperatur des isolierenden Gases des gepanzerten Gehäuses ist, womit eventuelle Abweichungen des Teilungsverhältnisses R infolge von Schwankungen thermischen Ursprungs der dielektrischen Durchlässigkeit des die beiden Blöcke bildenden Materials eliminiert werden können. In der Praxis ist dies von großem Interesse insofern, als es auf industrieller Ebene kaum vorstellbar ist, gepanzerte Gehäuse mit Thermostaten auszurüsten, um die Gültigkeit des Teilungsverhältnisses in Abhängigkeit von der Temperatur zu garantieren.
Es ist auch die Kompaktheit des Spannungsteilers hervorzuheben, der eine schnelle und vollständige thermische Vergleichmäßigung der beiden homogenen dielektrischen Blöcke im Vergleich zu einer kapazitiven Säule gestattet, wie sie vorstehend beschrieben wurde, bei der ein Temperaturgefälle in der Richtung der Länge der Säule besteht, und eine kapazitive Schwankung der elementaren Kapazitäten in Abhängigkeit von ihrer Position in der Säule erzeugt.
Schließlich ist anzumerken, dass das gepanzerte Gehäuse auch einen totalen Schutz gegen elektromagnetische Störungen bietet, die von anderen äußeren Leitern unter Spannung herrühren können, welche in der Umgebung des elektro-optischen Messfühlers gelegen sind. Die Messgenauigkeit der Spannung der elektrischen Leitung ist also gewährleistet.
So weist der elektro-optische Spannungsmessfühler sowohl eine mechanische als auch thermische Stabilität auf, die eine Funktionsweise mit hoher Präzision und hoher Zuverlässigkeit im Zeitverlauf ohne besondere Wartung garantiert.

Claims

Elektro-optischer Spannungsmessfühler (10) zum Bestimmen der Spannung einer elektrischen Leitung, wobei der Messfühler einen Spannungsteiler (1), der mit der elektrischen Leitung und einer Masse (15) verbunden werden kann, und zwei isolierende Fächer (2, 3), die durch eine Zwischenelektrode (5) getrennt ist, sowie eine Pockels-Zelle aufweist, wobei die Zwischenelektrode (5) mit der Pockels-Zelle verbunden ist und an die Pockels-Zelle eine Spannung liefert, die um die Spannung, die von der elektrischen Leitung zum Spannungsteiler (1) geliefert werden kann, reduziert ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes isolierende Fach (2, 3) massiv ist und aus einem homogenen dielektrischen Block gebildet ist.
Messfühler nach Anspruch 1, wobei jedes Fach (2, 3) aus einem Glasblock oder einem vitrokeramischen Block gebildet ist.
Messfühler nach Anspruch 1 oder 2, wobei die beiden homogenen dielektrischen Blöcke (2, 3) von zylindrischer Form sind und den gleichen Querschnitt besitzen.
Messfühler nach Anspruch 3, wobei die Abschnitte der beiden Blöcke mit einer leitenden Beschichtung überzogen sind.
Messfühler nach Anspruch 4, wobei die Zwischenelektrode (5) durch eine leitende Verklebung der beiden homogenen dielektrischen Blöcke (2, 3) gebildet ist.
Messfühler nach Anspruch 3, wobei einer (3) der beiden homogenen dielektrischen Blöcke eine axiale Ausnehmung (11) für den Durchgang eines Leiterdrahts (13), der die Zwischenelektrode (5) mit der Pockels-Zelle (4) verbindet, umfasst.
Messfühler nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Spannungsteiler (1) und die Pockels-Zelle (4) in einem gepanzerten Gehäuse (20) angeordnet sind.
Messfühler nach Anspruch 7, wobei der Spannungsteiler (1) mit der elektrischen Leitung durch einen elektrischen Leiter (28) verbunden sein kann, welcher im Innern eines Isolators (25) angeordnet ist und sich im Innern des gepanzerten Gehäuses (20) fortsetzt.
Messfühler nach Anspruch 7 oder 8, wobei das gepanzerte Gehäuse (20) oder der Isolator (25) mit einem neutralen und trockenen Gas unter einem mittleren Druck unter 2 bar gefüllt ist.
Messfühler nach Anspruch 9, wobei das gepanzerte Gehäuse (20) eine Berstscheibe (30) besitzt.