DE9421402U1

DE9421402U1 - Optische Meßanordnung zum Messen eines elektrischen Stromes mit verflochtenen Übertragungsleitungen

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Publication number: DE9421402U1
Application number: DE9421402U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-04-06
Filing date: 1994-03-10
Publication date: 1995-10-19
Anticipated expiration: 2004-03-11
Also published as: DE4311328A1; WO1994023306A1

Description

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Beschreibung

Optische Meßanordnung zum Messen eines elektrischen Stromes mit verflochtenen Übertragungsleitungen 5

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen eines elektrischen Stromes in einem Stromleiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die beispielsweise aus WO 91/01501 bekannt ist.

Es sind optische Meßanordnungen zum Messen eines elektrischen Stromes in einem Stromleiter unter Ausnutzung 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 zurückgelegten Weges mit der Verdet-Konstanten als Proportionalitätskonstanten. Die Verdet-Konstante ist abhängig von dem Material, in dem das Licht verläuft, und von der Wellenlänge des Lichts. Zum Messen des Stromes wird nun dem Stromleiter ein Faraday-Element aus einem den Faraday-Effekt aufweisenden Material wie Glas zugeordnet. Das Faraday-Element kann aus einem oder mehreren massiven Körpern aufgebaut sein, mit dem bzw. denen zur Unterdrückung äußerer Störfelder ein geschlossener Lichtweg um den Stromleiter gebildet sein kann (EP-B 0 088 419 bzw. US 5 008 611). Insbesondere kann als Faraday-Element eine optische Faser vorgesehen sein, die den Stromleiter in Form einer Meßwicklung umgibt. Durch das Faraday-Element wird von einer Sendeeinheit linear polarisiertes Licht geschickt. Das von dem elektrischen Strom erzeugte Magnet-

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feld bewirkt eine Drehung der Polarisationsebene des Lichtes in dem Faraday-Element, die von einer Auswerteeinheit als Maß für die Stärke des Magnetfeldes und damit für die Stärke des elektrischen Stromes ausgewertet werden kann.

Wenn das Faraday-Element einen quasi geschlossenen Weg für das linear polarisierte Licht um den Stromleiter darstellt, ist der Polarisationsdrehwinkel in guter Näherung direkt proportional zur Stromstärke.

Es sind zwei Typen von solchen magnetooptischen Stromwandlern bekannt, nämlich der Transmissionstyp und der Reflexionstyp. Beim Transmissionstyp wird das Licht in ein Ende des Faraday-Elements eingekoppelt und am anderen Ende wieder ausgekoppelt, so daß das Licht das Faraday-Element nur einmal durchläuft. Beim Reflexionstyp ist dagegen das andere Ende des Faraday-Elements verspiegelt, so daß das an dem ersten Ende eingekoppelte Licht an diesem anderen, verspiegelten Ende reflektiert wird, das Faraday-Element ein zweites Mal in umgekehrter Richtung durchläuft und am ersten Ende wieder ausgekoppelt wird. Wegen der Nicht-Reziprokität des Faraday-Effekts wird die Polarisationsebene des Licht beim umgekehrten Durchlauf nochmal um den gleichen Betrag in die gleiche Richtung gedreht. Der Drehwinkel ist somit bei gleichem Faraday-Element doppelt so groß wie beim Transmissionstyp. Zur Trennung des eingekoppelten und des ausgekoppelten Lichts ist ein Strahlteiler vorgesehen.

Vor allem in den Übertragungsstrecken für das linear polarisierte Licht zwischen dem Faraday-Element und der Sendeeinheit sowie der Auswerteeinheit können durch fremde Störinduktionsfelder aufgrund des Faraday-Effekts die gemessenen Werte der Polarisationsdrehung verfälscht werden.

Solche Störfelder können beispielsweise bei mehrphasigen Leitungsabzweigen durch die benachbarten Stromleiter auftreten.

Zur Vermeidung dieser Meßfehler sind bei einer bekannten Meßanordnung vom Reflektionstyp mit einem mit einer Faser gebildeten Faraday-Element das erste Ende der Faser, das zum Ein- und Auskoppeln des Lichts vorgesehen ist, und das verspiegelte, andere Ende in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet. Man erhält so einen fast geschlossenen Lichtweg in der Faser. Dadurch werden wegen des Durchflutungsgesetzes die Störfelder in dem Wegintegral weitgehend kompensiert, weil eine durch die Fremdinduktionsfeider hervorgerufene unerwünschte Drehung der Polarisationsebene des Lichts in der Faser auf dem Hinweg durch eine entgegengesetzte Drehung auf dem Rückweg weitgehend aufgehoben wird (WO 91/01501).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Messen eines elektrischen Stromes in einem Stromleiter unter Ausnützung des Faraday-Effekts anzugeben, die als Reflexions- oder Transmissionstyp ausgebildet sein kann und bei der die Meßfehler in den Übertragungsstrecken weiter verringert werden können.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren

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FIG. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Messen eines elektrischen Stromes unter Ausnutzung des Faraday-Effekts vom Reflexionstyp und

FIG. 2 ein Ausführungsbeispiel einer solchen Meßanordnung vom Transmissionstyp

schematisch dargestellt sind. Einander entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

In den FIG. 1 und 2 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 in FIG. 1 dargestellten vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere Meßwindungen 3C als Faserspule hintereinandergeschaltet. FIG. 2 zeigt eine Ausführungsform mit nur einer Meßwindung 3C. 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.

Die zwischen dem ersten Ende 3A und der Meßwindung 3C liegende erste Übertragungsstrecke 3B des Lichtwellenleiters 3 und die zwischen dem anderen Ende 3E und der Meßwindung 3C liegende zweite Übertragungsstrecke 3D sind nun so miteinander verflochten, daß wenigstens ein Kreuzungspunkt Pl für ihre Lichtwege gebildet wird. Vorzugsweise sind, wie in den Figuren dargestellt, N Kreuzungspunkte Pl, P2, ..., PN vorgesehen mit N > 1. Durch diese Maßnahme werden quasi geschlossene Lichtschleifen erzeugt,

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durch die kein elektrischer Strom fließt und in denen daher aufgrund des Durchflutungsgesetzes keine Faraday-Rotation der Polarisationsebene des sich in den Übertragungsstrecken 3B und 3D ausbreitenden linear polarisierten Lichtes stattfinden kann. Dadurch können Störmagnetfelder unterdrückt werden. Die Lichtschleifen sind vorzugsweise möglichst klein gewählt durch Anpassung der Anzahl N der Kreuzungspunkte Pl bis PN an die Längen der Übertragungsstrecken 3B und 3D.

Das andere Ende 3E der Übertragungsstrecke 3D ist vorzugsweise in unmittelbarer Nähe zur Übertragungsstrecke 3B und im allgemeinen auch zum ersten Ende 3A angeordnet. Damit wird zwischen dem dem Ende 3E entlang der Lichtwege am nächsten liegenden Kreuzungspunkt PN und dem Ende 3E eine weitere quasi geschlossene Lichtschleife gebildet.

Die Verflechtung der beiden Übertragungsstrecken 3B und 3D kann auch bei einer Anordnung vom Transmissionstyp durchgeführt werden, bei der das andere Ende 3E des Lichtwellenleiters 3 nicht verspiegelt, sondern an einen entsprechenden Anschluß der Sende- und Auswerteeinheit 4 optisch gekoppelt ist. Eine solche Anordnung vom Transmissionstyp ist in FIG. 2 dargestellt. Auch in dieser Ausführungsform kann durch Anordnung des Endes einer Übertragungsstrecke 3B oder 3D in unmittelbarer Nähe zur anderen Übertragungsstrecke 3B bzw. 3D eine weitere Lichtschleife gebildet werden.

Die Sende- und Auswerteeinheit 4 enthält vorzugsweise eine Lichtquelle 41, einen optoelektrischen Wandler 43 und eine Auswerteelektronik 44. Beim Reflexionstyp gemäß FIG. 1 ist zwischen der ersten Übertragungsstrecke 3B und der Licht-

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quelle 41 sowie dem Wandler 43 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 gedrehter Polarisationsebene. Beim Transmissionstyp gemäß FIG. 2 wird das linear polarisierte Licht der Lichtquelle 41 dagegen direkt in die erste Übertragungsstrecke 3B eingekoppelt, durchläuft die als Faraday-Element vorgesehene Meßwindung 3C einmal und wird aus der zweiten Übertragungsstrecke 3D direkt in den Wandler 43 eingekoppelt. Die Lichtquelle 41 enthält vorzugsweise eine Laserdiode mit einer entsprechenden elektrischen Versorgung. Der optoelektrische Wandler 43 umfaßt vorzugsweise ein Wollaston-Prisma 43A und zwei entsprechende Empfangs-Photodioden 43B und 43C zum Umwandeln des von dem Wollaston-Prisma kommenden ordentlichen bzw. außerordentlichen Lichtstrahls. Die elektrischen Signale der Empfangs-Photodioden 43B und 43C werden vorzugsweise über zugeordnete Verstärker 43D bzw. 43E auf die Auswerteelektronik 44 geschaltet und dort beispielsweise als Differenzmeßsignal ausgewertet.

Die Maßnahmen gemäß der Erfindung können auch bei anderen optischen Meßanordnungen zur Strommessung vorteilhaft eingesetzt werden. Insbesondere können anstelle der in der Figur dargestellten Meßwindungen 3C als dem Stromleiter 2 zugeordnetes Faraday-Element allgemein Körper aus den Faraday-Effekt aufweisenden Materialien, beispielsweise Glas, vorgesehen werden. Vorzugsweise wird ein einziger, zusammenhängender Faraday-Körper oder eine Anordnung einzelner, optisch hintereinandergeschalteter Faraday-Teilkörper derart vorgesehen, daß mit dem Faraday-Körper bzw. der Anordnung der Teilkörper ein geschlossener Lichtpfad

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um den Stromleiter 2 gebildet ist. Ein derartiger Faraday-Körper bzw. eine derartige Faraday-Meßanordnung ist beispielsweise aus EP-B-O 088 419 bzw. US 5 008 611 bekannt.

Die Übertragungsstrecken 3B und 3D sind dann mit separaten und vorzugsweise aus dem gleichen Material bestehenden Lichtwellenleitern gebildet, über die linear polarisiertes Licht übertragen werden kann und die optisch an das Faraday-Element angekoppelt sind. Solche separaten, polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter als Übertragungsstrecken können auch bei Ausführungsformen mit einer oder mehreren Meßwindungen 3C als Faraday-Element vorgesehen sein. Beispielsweise können als polarisationserhaltende Lichtwellenleiter Monomode-Lichtfasern wie HiBi (High Birefringence)-Fasern oder polarisationsneutrale LoBi (Low Birefringence)-Fasern verwendet werden.

Wenn die Übertragungsstrecken 3B und 3D eine gegenüber der durch den Strom bewirkten Faraday-Drehung nicht vernachlässigbare intrinsische Doppelbrechung aufweisen, kann auch bei einer geschlossenen Lichtschleife noch ein Meßfehler aufgrund von Störmagnetfeldern auftreten. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist deshalb eine geradzahlige Anzahl von mit den beiden Übertragungsstrecken gebildeten Lichtschleifen vorgesehen. Bei einer solchen Anordnung mit einer geradzahligen Anzahl von Lichtschleifen wird zusätzlich durch den gegenläufigen, alternierenden Umlaufsinn des Lichts in jeder der Lichtschleifen ein Kompensationseffekt für die zusätzlichen Meßfehler erreicht, die aufgrund intrinsischer linearer Doppelbrechung in den Übertragungsstrecken auftreten können. Eine geradzahlige Anzahl von Lichtschleifen kann erreicht werden, indem man eine ungeradzahlige Anzahl

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N 2l 3 von Kreuzungspunkten Pl bis PN wählt oder indem man eine geradzahlige Anzahl N > 2 von Kreuzungspunkten Pl bis PN wählt und gleichzeitig ein vom Faraday-Element abgewandtes Ende einer der beiden Übertragungsstrecken in räumlicher Nähe zur anderen Übertragungsstrecke anordnet, so daß damit eine zusätzliche, quasi geschlossene Lichtschleife gebildet wird.

Claims

GR 93 G 3183 .";? : ··· : t! Schutzansprüche

1. Anordnung zum Messen eines elektrischen Stromes in einem Stromleiter (2) mit

a) einem dem Stromleiter (2) zugeordneten Faraday-Element (3C),

b) einer mit einem Lichtwellenleiter gebildeten und optisch mit dem Faraday-Element (3C) gekoppelten ersten Übertragungsstrecke (3B) zum Übertragen von linear polarisiertem Licht
und

c) einer mit einem Lichtwellenleiter gebildeten und optisch mit dem Faraday-Element (3C) gekoppelten zweiten Übertragungsstrecke (3D) zum Übertragen von linear polarisiertem Licht,

dadurch gekennzeichnet, daß

d) die erste Übertragungsstrecke (3B) und die zweite Übertragungsstrecke (3D) so miteinander verflochten sind, daß sich die von ihnen gebildeten Lichtwege in wenigstens einem Kreuzungspunkt (Pl bis PN) überkreuzen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß

a) eine Sende- und Auswerteeinheit (4) vorgesehen ist zum Einkoppeln von linear polarisiertem Licht in das Faraday-Element (3C) und Auswerten einer Faraday-Drehung der Polarisationsebene des aus dem Faraday-Element (3C) ausgekoppelten linear polarisierten Lichts als Maß für den Strom;

b) das Faraday-Element (3C) und die Sende- und Auswerteeinheit (4) über die erste Übertragungsstrecke (3B) optisch verbunden sind.

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3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß als Faraday-Element wenigstens eine mit einem Lichtwellenleiter gebildete Meßwindung (3C) vorgesehen ist, die um den Stromleiter (2) geführt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Meßwindung (3C), die erste Übertragungsstrecke (3B) und die zweite Übertragungsstrecke (3D) mit einem gemeinsamen Lichtwellenleiter (3) gebildet sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ubertragungsstrecke (3D) an ihrem vom Faraday-Element abgewandten Ende (3E) lichtreflektierend ausgebildet ist (Reflexionstyp).

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a -

durch gekennzeichnet, daß die erste Ubertragungsstrecke (3B) zum Übertragen des in das Faraday-Element einzukoppelnden, linear polarisierten Lichts und die zweite Übertragungsstrecke (3D) zum Übertragen des aus dem Faraday-Element ausgekoppelten, linear polarisierten Lichts zur Sende- und Auswerteeinheit (4) vorgesehen sind (Transmissionstyp).

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Faraday-Element entfernte Ende (3E) einer der beiden Übertragungsstrecken (3D) räumlich unmittelbar benachbart zur anderen Ubertragungsstrecke (3B) angeordnet ist.

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8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine ungeradzahlige Anzahl N von Kreuzungspunkten (Pl bis PN) vorgesehen ist mit N >_

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß eine geradzahlige Anzahl N von Kreuzungspunkten (Pl bis PN) vorgesehen ist mit N >_