Magneto-optische Anordnung zur Ermittlung der Stromstärke in einem Hochspannungsleiter
Die Erfindung betrifft eine magneto-optische Anordnung zur Ermittlung der elektrischen Stromstärke in einem Hochspannungsleiter.
Üblicherweise wird zur Ermittlung des Stromes in einem Hochspannungsleiter ein Stromwandler verwendet, dessen Primärwicklung in Serie mit dem Hochspannungsleiter geschaltet ist und dessen Sekundärwicklung mindestens annähernd auf Erdpotention liegt. Hochspannungs-Stromwandler sind jedoch recht teuer, hauptsächlich deshalb, weil die elektrische Isolierung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung der vollen Leitungsspannung standhalten muss und darüber hinaus auch allfälligen im Starkstromnetz auftretenden, vorübergehenden Spannungsspitzen. Isoliermaterialien mit solchen Eigenschaften sind recht kostspielig und zudem bei üblichen Stromwandlern in erheblichen Mengen erforderlich.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung einer einfachen und billigen Anordnung zur Ermittlung der Stromstärke in einem Hochspannungsleiter, in welcher Anordnung ein wesentlicher Teil des sonst bei einem Stromwandler von vergleichbarer Nennspannung erforderlichen Isolierung entbehrlich ist.
Die Erfindung geht aus von einer Anordnung mit einem ein magnetisches Element und ein optisches Element aufweisenden Wandler und mit Mitteln einschliesslich einer Lichtquelle zur Erzeugung eines das genannte optische Element durchdringenden Lichtstrahls. Die erfindungsgemässe Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element den Lichtstrahl linear polarisiert und die Schwingungsebene des polarisierten Lichtes um einen bestimmten, fixen Betrag dreht, und dass das magnetische Element das optische Element mit einem vom Strom im Hochspannungsleiter induzierten Magnetfeld beaufschlagt, welches im optischen Element im wesentlichen parallel zur Richtung des polarisierten Lichtstrahls verläuft und die Schwingungsebene des polarisierten Lichtes um einen Winkel verdreht, dessen Grösse direkt von der Intensität des genannten Magnetfeldes abhängt,
so dass das aus dem optischen Element austretende Licht aus einer im wesentlichen konstanten Komponente und einer überlagerten, magnetisch beeinflussten, variablen Komponente, deren Intensität eine direkte Funktion der Winkeldrehung der Schwingungsebene ist, zusammengesetzt ist.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist die schematische Darstellung einer Anordnung gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 ist eine auseinandergezogene Darstellung einse Teils der Anordnung nach Fig. 1,
Fig. 3 ist die graphische Darstellung gewisser Betriebseigenschaften der Anordnung,
Fig. 4 ist die graphische Darstellung einer Ausgangsgrösse der Anordnung nach Fig. 1,
Fig. 4a zeigt das Schaltschema einer Stromkreis Variante,
Fig. 5 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 6 zeigt eine Anwendung der Variante nach Fig. 5 an einem Hochspannungsschalter.
In der Fig. 1 ist ein elektrischer Leiter 10 dargestellt, welcher sich auf hohem Potential befindet und dessen Strom zu einem beliebigen Zeitpunkt festgestellt werden soll. Es sei zunächst angenommen, dass der Leiter 10 von einem Wechselstrom durchflossen sei. Ferner wird angenommen, dass dieser Leiter eine übliche Hochspannungs-Starkstromleitung darstellt, die für einen bestimmten Nennbetriebsstrom dimensioniert ist, in welcher jedoch unter abnormalen Bedingungen, wie beispielsweise Kurzschlüssen, vorübergehend Stromstärken auftreten können, die das 20bis 40-fache des Nennstromes betragen.
Die Wahrnehmung des Stromes erfolgt mit Hilfe einer magneto-optischen Anordnung, welche eine Faraday-Zelle, d. h. einen optischen Teil 12 in Form eines durchsichtigen Zylinders aus Flintglas hoher optischer Dichte enthält. Dieser optische Teil 12 weist zwei voneinander distanzierte, polierte ebene End- oder Stirnflächen 14 und 16 auf, mit welchen transparente, das Licht polarisierende Elemente 18 und 20 verkittet sind. Vorzugsweise wird ein durchsichtiger Kitt verwendet, dessen Brechungsindex etwa gleich demjenigen des optischen Teils 12 ist. Wie aus den weiteren Ausführungen hervorgeht, dienen die Teile 18, 12 und 20 zur Modulation eines Lichtstrahles, welcher etwa parallel zur Längsachse 21 des zylindrischen Teils 12 der Reihe nach durch die genannten Teile hindurchtritt.
Die polarisierenden Teile 18 und 20 bestehen vorzugsweise aus dünnen Scheiben eines polarisierenden Materials, wie sie von der Polaroid Corporation unter der Handelsbezeichnung Polaroid HN32D Spx Glass Laminated Linear Polarizer erhältlich sind. Bekanntlich tritt ein durch eine solche polarisierende Scheibe in Richtung der Längsachse 21 hindurchgehender Lichtstrahl als linear polarisierter Strahl aus der Scheibe aus, wobei die Schwingungsebene des polarisierten Lichtes in der Durchlassebene der polarisierenden Scheibe liegt.
Die rechtwinklig zur Durchlassebene stehende Schwingungskomponente des Lichtes wird vom polarisierenden Teil absorbiert oder anderweitig umgesetzt.
In der Folge wird der Teil 18 als Polarisator und der Teil 20 als Analysator bezeichnet. Aus nachstehend näher dargelegten Gründen ist die Durchlassebene des Polarisators um etwa 45" gegenüber der Durchlassebene des Analysators versetzt. Diese gegenseitige Winkellage ist am besten aus Fig. 2 ersichtlich, in welcher die Richtungen der Durchlassebenen des Polarisators und des Analysators durch Pfeile 22 bzw. 24 eingetragen sind. Durch das eine oder das andere dieser polarisierenden Elemente parallel zur Achse 21 hindurchtretendes Licht tritt aus dem betreffenden Element mit einer Schwingungsebene parallel zum Pfeil des genannten Elementes aus.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Strahl des durch das Faraday-Element 12 in Richtung seiner Längsachse 21 hindurchtretenden, polari sierten Lichtes im wesentlichen monochromatisch. Es wird der Faraday-Effekt angewendet, um die Schwin gungsebene dieses polarisierten Lichtstrahls um einen gewissen Winkelbetrag zu drehen, welcher Betrag im wesentlichen zum Strom im Hochspannungsleiter 10 proportional ist. Gemäss dem Faraday-Effekt erfährt ein polarisierter Lichtstrahl von bestimmter Wellenlänge, welcher durch ein optisch aktives Element wie den Teil 12 hindurchtritt, eine Drehung seiner Schwingungsebene um einen Winkel, welcher praktisch direkt linear von der Intensität eines das Faraday-Element parallel zum Lichtstrahl durchdringenden Magnetfeldes abhängt.
Mit einer Richtungsumkehr des Magnetfeldes im Faraday-Element wechselt auch die Winkeldrehung der Schwingungsebene ihre Richtung.
Zur Ausnützung des Faraday-Effektes zwecks Wahrnehmung des Stromes im Leiter 10 wird ein konzentriertes Magnetfeld erzeugt, dessen Intensität im wesentlichen proportional zum Strom im Leiter 10 ist, und dieses Magnetfeld lässt man sodann durch das Faraday-Element 12 in Richtung seiner Längsachse 21 hindurchtreten. Zur Führung dieses Magnetfeldes ist ein Kern 30 aus magnetisierbarem Material vorgesehen, welcher den elektrischen Leiter 10 umgibt. Der Kern 30 weist einen Spalt 32 zwischen zwei voneinander distanzierten Polstücken 34 und 36 auf. Ein im Leiter 10 fliessender Strom induziert ein Magnetfeld im Kern, welches zwischen den Polstücken 34 und 36 durch den Spalt 32 hindurchgeht. Wenn es sich um einen Wechselstrom im Leiter 10 handelt, so ändert das Magnetfeld periodisch seine Richtung.
Der Spalt 32 ist genügend weit bemessen, dass bis zu den höchsten zu erwartenden Stromstärken im Leiter 10 keine Sättigung des Magnetkernes 30 eintritt. Somit ist die Intensität des Magnetfeldes im Spalt 32 für alle zu erwartenden Werte praktisch proportional zur Stromstärke im Leiter 10.
Das Faraday-Element 12 ist im Spalt 32 mit seiner Längsachse 21 im wesentlichen parallel zur Richtung des den Spalt durchdringenden Magnetfeldes angeordnet. Somit wird das Faraday-Element 12 praktisch parallel zu seiner Längsachse von einem zum Strom im Leiter 10 im wesentlichen proportionalen Magnetfeld durchsetzt. Dies bewirkt seinerseits, dass die Schwingungsebene des durch das Faraday-Element hindurchtretenden, linear polarisierten Lichtstrahls um einen Winkel gedreht wird, welcher praktisch proportional dem Strom im Leiter 10 ist.
Wenn die Richtung des Magnetfeldes wechselt, so wechselt auch der Drehsinn der Winkeldrehung, wobei jedoch der Winkelbetrag proportional zur Stromstärke bleibt.
Es lässt sich feststellen, dass die Intensität It des aus dem Analysator 20 austretenden Lichtes gleich Klo coss 0 ist, wobei K eine Konstante ist und Io die Intensität des in den Analysator eintretenden Lichtes und °) den Winkel zwischen der Schwingungsebene des eintretenden Lichtes und der Durchlassebene des Analysators bedeutet. Diese Beziehung ist in Fig. 3 graphisch dargestellt, wobei CD in Richtung der Abszisse und Ii längs der Ordinate aufgetragen ist.
Aus der Fig. 3 ist ersichtlich, dass in einem Bereich von etwa 20 zu beiden Seiten von q, = 450 die Austrittsintensität 11 praktisch linear mit 0 ändert.
In diesem Bereich wird normalerweise die beschriebene Anordnung betrieben. Zu diesem Zweck wird die Durchlassebene des Polarisators um etwa 450 gegenüber der Durchlassebene des Analysators versetzt angeordnet. Wenn somit der Strom im Leiter 10 gleich Null ist und deshalb keine Drehung der Schwingungsebene des durch das Faraday-Element 12 durchtretenden Lichtes erfolgt, so beträgt die Intensität des aus dem Analysator austretenden Lichtes das 0,5 K-fache der Intensität des in den Analysator eintretenden Lichtes. Fliesst jedoch ein Strom im Leiter 10, welcher die Schwingungsebene um einen Winkel a dreht, so liegt die Schwingungsebene des in den Analysator eintretenden, polarisierten Lichtes bei einem Winkel ° = 450 + a.
Die Intensität des aus dem Analysator austretenden Lichtes kann für jeden Rotationswinkel a an der Kurve nach Fig. 3 abgelesen werden, indem der zugehörige Wert 11 zum be treffenden Winkel 0 = 450+ a bestimmt wird. Beträgt beispielsweise a = +150, so ist 0 = 600 und lt = 0,25 Klo. Beträgt a = 150, so ist 0 =300 und lt = 0,75 Klo. Da a im wesentlichen proportional zum Strom im Liter 10 und die Änderung der Austrittsintensität lt im genannten Arbeitsbereich praktisch proportional zu a ist, so ändert sich die Austrittsintensität 11 im wesentlichen linear in Funktion des Stromes im Leiter 10.
Wenn der Winkel a entsprechend einem sinusförmigen Strom durch den Leiter 10 variiert, wie mit der Kurve 66 in Fig. 3 veranschaulicht, so verläuft die Intensität des aus dem Analysator austretenden Lichtes gemäss der Kurve 62, die durch Auftragen von veränderlichen a-Werten entsprechenden Werten von It über einer Zeitskala erhalten wird. Dieses austretende Licht ist aus einer Komponente 64 von konstanter Intensität und einer Komponente 65 von sinusförmig veränderlicher Intensität zusammengesetzt. Die Art der Auswertung des solchermassen austretenden Lichtes wird weiter unten beschrieben.
Der durch die polarisierenden Teile 18 und 20 und das Faraday-Element 12 hindurchtretende Lichtstrahl wird von einer geeigneten Lichtquelle 40 abgeleitet. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel ist diese Lichtquelle 40 durch eine an einen Speisestromkreis 41 angeschlossene Glühlampe gebildet.
Ein bestimmter Anteil des Lichtstromes von der Quelle 40 wird durch eine Sammellinse 42 gebündelt, welche das Licht auf einen Filter 44 richtet, der im wesentlichen monochromatisches Licht durchtreten lässt. Nach Durchtritt durch den Filter 44 passiert das monochromatische Licht eine Streulinse 45, aus welcher es als parallel gerichteter Strahl austritt. Dieser Lichtstrahl tritt in einen Glasfaser-Lichtleiter 46 ein, welcher von einer Stelle, die sich auf Erdpotential befindet, in die Nähe des Hochspannungsleiters 10 verlegt ist. Dieses Glasfaserbündel 46 ist von bekanntem Aufbau, wie beispielsweise in den USA-Patentschriften 2 828 260 oder 2 922 516 beschrieben.
Das ausgangsseitige Ende des Lichtleiters 46 verläuft durch eine Bohrung 47 im Kern 30, deren Achse mit der Längsachse 21 des Faraday-Elementes 12 zusammenfällt.
Der Glasfaser-Lichtleiter 46 überträgt das Licht von der Eingangsseite nach der Ausgangsseite in einer Art und Weise, dass es als eng gebündelter Strahl austritt. Dieser Lichtstrahl durchläuft hierauf die Teile 18, 12 und 20, wo er in der oben beschriebenen Weise moduliert wird.
Das aus dem Analysator 20 austretende, modulierte Licht wird nach einer auf Erdpotential befindlichen Stelle zurückgeleitet, und zwar mittels eines zweiten Glasfaser-Lichtleiters 48, welcher vorzugsweise gleich ausgebildet ist wie der Lichtleiter 46.
Das eingangsseitige Ende des zweiten Lichtleiters 48 verläuft durch eine enge Bohrung 49 im Kern 30, welche ebenfalls auf die Längsachse 21 des Faraday-Elementes 12 ausgerichtet ist. Die Lichtintensität am Ausgang des Lichtleiters 48 ist nur wenig niedriger als an dessen Eingang, und auf jeden Fall besteht ein bestimmtes, konstantes Verhältnis zwischen der Eintritts- und der Austrittsintensität.
Der aus dem Lichtleiter 48 austretende Lichtstrahl ist auf eine Photozelle 50 von üblicher Bauart gerichtet, welche ein elektrisches Ausgangs signal abgibt, das zur auftreffenden Lichtintensität direkt proportional ist. Dieses Ausgangssignal, vorzugsweise ein Stromsignal, wird über einen Leiter 53 auf einen Verstärker 54 geleitet, der eine Ausgangsspannung abgibt, welche dem von der Photozelle 50 abgegebenen Eingangsstrom proportional ist. Diese Ausgangsspannung des Verstärkers 54 erscheint am Leiter 56.
Es sei nun angenommen, dass das in den Lichtleiter 48 eintretende Licht einen Intensitätsverlauf gemäss Kurve 62 in Fig. 3 aufweist, d. h. eine Wechselkomponente enthält, die einer Komponente mit konstanter Amplitude (Frequenz Null) überlagert ist. Das aus dem Lichtleiter 48 austretende Licht und somit der von der Photozelle 50 abgegebene Strom haben dann im wesentlichen den gleichen Verlauf. Auch die Ausgangsspannung des Verstärkers 54 zeigt die gleiche Wellenform. Diese ist in Fig. 4 dargestellt, wobei die Gleichspannungskomponente mit Eb und die Wechselkomponente mit Eac bezeichnet ist.
Ein mit dem Leiter 56 in Serie geschalteter Kondensator 60 eliminiert die Gleichspannungskomponente Eb vom Ausgangssignal des Verstärkers 54, so dass am Leiter 61 hinter dem Kondensator 60 eine Spannung erscheint, welche in Amplitude und Wellenform der Wechselkomponente Eac entspricht. Diese Spannung ist ein treues und genaues Abbild des durch den Hochspannungsleiter 10 fliessenden Stromes und lässt sich auf verschiedene Weise verwenden, wie z. B. zur Relaisbetätigung oder zu Messzwecken.
Es ist zu erwähnen, dass jede Intensitätsänderung des die Photozelle 50 treffenden Lichtstrahls eine Änderung der Spannung am Leiter 61 zur Folge hat.
So lange diese Änderung nur von der Lichtdrehung im Faraday-Element 12 herrührt, ist die Ausgangsspannung eine genaue Wiedergabe des Stromes im Leiter 10. Eine Intensitäts-Änderung welche von einer anderen Ursache herrührt, würde jedoch eine Beeinträchtigung der Genauigkeit der Anordnung bedeuten. Um solche Einflüsse zu vermindern, werden vorzugsweise die erwähnten Glasfaser-Lichtleiter verwendet und diese Lichtleiter sowie die polarisierenden Teile und das Faraday-Element untereinander verkittet und hierauf diese Hauptteile des optischen Systems in einen Block aus einem geeigneten Material, beispielsweise einem Kunstharz, eingebettet.
Die mit einem Kunststoff ummantelten und aus einem beständigen Material von konstanter Zusammensetzung bestehenden Lichtleiter sind störenden Einflüssen weit weniger unterworfen als ein Linsensystem, dessen Strahlengang durch ein gasförmiges Medium verläuft. Das Zusammenkitten und Einbetten der Teile 18, 12 und 20 verhütet deren Verschmutzung durch Staub oder andere Fremdkörper. Der Kunststoff-Block, welcher die genannten Teile umschliesst, ist mit 65 bezeichnet. Dieser Block nimmt auch die Enden der Lichtleiter 46 und 48 auf, welche in den Spalt 32 hineinragen. Die Faserbündel-Lichtleiter sind auf ihrer ganzen Länge von einer Schutzhülle aus geeignetem Kunststoff mit guten elektrischen Isoliereigenschaften umschlossen.
Der Kern 30 befindet sich vorzugsweise auf dem gleichen Potential wie der Hochspannungsleiter 10.
Die Teile 12, 18 und 20 weisen ebenfalls etwa das gleiche Potential auf. Somit ist zwischen dem Hochspannungsleiter 10 und den benachbarten Teilen 12, 18 und 20 keine kostspielige elektrische Isolierung erforderlich. Wie erläutert, wird die Information zwischen den auf hohem Potential befindlichen Teilen und den geerdeten Teilen des Systems durch den die Faserbündel-Lichtleiter 46 und 48 passierenden Lichtstrahl übertragen. Die Lichtleiter bestehen aus einem Material mit guten elektrischen Isoliereigenschaften und sind so lang, dass keine nennenswerte Gefahr eines Überschlages zwischen den auf Hochspannung befindlichen Teilen und Erde besteht.
Selbst wenn die Lampe 40 mit konstantem Strom betrieben wird, kann der von ihr abgegebene Lichtstrom sich im Laufe der Betriebsdauer verändern.
Bei Messanordnungen mit sehr hohen Genauigkeitsanforderungen ist es erforderlich, solche Veränderungen zu kompensieren und das Ausgangssignal von ihnen unabhängig zu machen. Im vorliegenden Beispiel ist hierfür ein Regler 70 für den die Lampe 40 speisenden Strom vorgesehen, welcher Regler in Abhängigkeit von der Gleichstrornkomponente E b der Ausgangs spannung des Verstärkers 54 gesteuert wird. Diese Gleichstromkomponente ist ein Mass für die von der Lampe 40 abgegebene Lichtintensität und sollte trotz allfälliger Änderungen der Lampeneigenschaften konstant bleiben. Zu diesem Zweck wird der Regler 70 mit einer Steuerspannung entsprechend der Gleichstromkomponente Eb am Ausgang des Verstärkers 54 beaufschlagt. Der Regler wirkt in dem Sinne auf den Strom im Speisestromkreis 41 für die Lampe, dass die Gleichstromkomponente Eb konstant bleibt.
Somit werden Änderungen der Lichtintensität, welche auf veränderte Lampeneigenschaften zurückzuführen sind, durch den Regler 70 kompensiert. Auch irgend welche andere Ursachen ausser der Faraday-Lichtdrehung, die die Intensität des das optische System passierenden Lichtes beeinflussen, verändern die Gleichstromkomponente Eb der Ausgangsspannung, und solche Änderungen werden ebenfalls vom Regler 70 ausgeglichen.
Um sicherzustellen, dass die auf den Regler 70 gelangende Steuerspannung der Gleichstromkomponente Eb der Ausgangsspannung entspricht, ist ein Filterkondensator 72 zwischen den Steuerstromkreis 71 des Reglers und Erde geschaltet. Dieser Kondensator stellt für die Wechselkomponente Eac des Ausgangssignals einen Nebenschluss niedriger Impedanz dar, so dass nur die Gleichstromkomponente auf den Eingang des Reglers gelangt. Ein in Serie zum Kondensator geschalteter, hochohmiger Widerstand 73 bewirkt, dass der Nebenschluss über den Filterkondensator 72 eine genügend hohe Impedanz erhält, damit die Wechselstromkomponente Eac der Ausgangsspannung nicht von der Ausgangsleitung 61 ferngehalten wird.
Da für diesen Zweck ein Regler von konventioneller Bauart verwendbar ist, braucht hier auf dessen Einzelheiten nicht näher eingegangen zu werden. Ein einfacher geeigneter Regler ist auf den Seiten 219 bis 221 des Buches Electronics in Industry von G. M.
Chute (Mc Graw-Hill Book Co., New York, 1946) beschrieben. Bei dem dort beschriebenen Regler wird eine regulierte Spannung GV, welche vom Ausgang eines Generators abhängig ist, mit einer Bezugsspannung RV verglichen, um ein Signal zu erzeugen, welches den Ausgang des Generators in der Weise steuert, dass die geregelte Spannung GV praktisch konstant bleibt. Bei Anwendung dieser Schaltung auf die vorliegende Anordnung ist die Spannung über den Kondensator 72, welche der Komponente Eb in Fig. 4 entspricht, die geregelte Spannung, und diese Spannung wird mit einer Bezugsspannung RB verglichen, wobei aus diesem Vergleich ein Signal abgeleitet wird, welches im Regler einen Generator steuert, der den Speisestrom für die Lampe 40 liefert.
Der so gesteuerte Generator gibt an die Lampe 40 einen Speisestrom ab, der so geregelt ist, dass die Spannungskomponente Eb unabhängig von Veränderungen der Lampeneigenschaften konstant bleibt.
Während des Betriebs kann im Strom durch den Hochspannungsleiter 10 unter gewissen Umständen eine Gleichstrom-Ausgleichskomponente auftreten, deren Abklingen sich über mehrere Wechselstromperioden erstreckt. Es wird angestrebt, dass solche Ausgleichskomponenten im Ausgangssignal hinter dem Kondensator 60 enthalten sind und angezeigt werden.
Dies wird in erster Linie dadurch erreicht, dass ein genügend grosser Spalt 32 im Kern 30 vorhanden ist, welcher eine Sättigung des Magnetkreises auch bei den höchsten zu erwartenden Gleichstromkomponenten verhindert. Die erwähnten Ausgleichskomponenten werden deshalb in dem auf die Photozelle 50 auftreffenden Lichtsignal wiedergegeben und treten demnach auch im Ausgangsstrom der Photozelle und in der Ausgangsspannung des Verstärkers 54 auf.
Der Kondensator 60 hat einen solchen Wert, dass er den Durchgang der rasch abklingenden Gleichstromkomponente nach der Ausgangsleitung 61 ermöglicht.
Für diese rasch abklingende Gleichstromkomponente stellt der Kondensator 72 eine relativ niedrige Impedanz dar, weshalb sie in dem den Regler 70 erreichenden Signal nicht enthalten ist. Der Regler 70 spricht somit auf solche Komponenten nicht an und lässt die Lichtabgabe der Lampe 40 unbeeinflusst.
Dies ist erwünscht, weil die genannten Gleichstrom Ausgleichskomponenten Veränderungen der zu messenden Grösse darstellen und nicht solche des Messystems, deren Kompensation einzig der Zweck des Reglers 70 ist.
Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, dass die ideale Winkelverschiebung zwischen der Durchlassebene des Polarisators und derjenigen des Analysators 450 beträgt, weil so der Arbeitspunkt in der Mitte des im wesentlichen linearen Teils der Kurve nach Fig. 3 liegt. Gewisse Abweichungen der Winkelversetzung sind aber natürlich zulässig, so lange sich dadurch der Winkel X nach Fig. 3 nicht in nichtlineare Teile der Kurve verschiebt, in einem Strombereich, welcher noch genau wiedergegeben werden soll.
In einer Stromwandleranordnung zur Erzeugung eines Signals für ein Schutzrelais einer Hochspannungs-Starkstromleitung ist es üblicherweise erforderlich, dass der maximale Fehler bei zwanzigfachem Nennbetriebsstrom nicht grösser als 10 ovo ist. Um diese Forderung einzuhalten, wird die Winkelversetzung zwischen Polarisator und Analysator so eingestellt, dass der bei zwanzigfachem Nennbetriebsstrom auftretende Verdrehungswinkel a, zum Versetzungs winkel X addiert, immer noch einen Winkel ergibt, der im praktisch linearen Bereich der Kurve liegt.
Dieser Kurvenabschnitt erstreckt sich etwa zwischen 25 und 650. Um den Betrieb in diesem Winkelbereich sicherzustellen, sollte der anfängliche Verdrehungswinkel zwischen 35 und 550, und vorzugsweise zwischen 40 und 50O liegen.
Bei Schutzrelais-Systemen ist es üblicherweise nicht nachteilig, wenn das Ausgangssignal bei Eingangswerten oberhalb des zwanzigfachen Betriebsnennstromes etwa konstant bleibt. In einem Bereich des Eingangsstromes zwischen dem 20- bis 40-fachen Nennstrom sollte jedoch die Ausgangsgrösse nicht abnehmen. Dementsprechend wird die anfängliche Winkeldrehung so gewählt, dass der maximale negative und positive Leitungsstrom (d. h. der 40-fache Betriebsnennstrom) nicht eine gesamte Winkeldre hung hervoruft, die den Bereich zwischen q, = 0 und 900 übersteigt. Vorzugsweise wird der Winkel °) selbst für die genannten maximalen negativen und positiven Werte des Leitungsstromes zwischen 25 und 650 gehalten, so dass selbst für diese extremen Stromwerte eine lineare Abhängigkeit des Ausgangssignals vom Eingangsstrom gegeben ist.
Eine Stromwandleranordnung für Schutzrelais Anlagen muss jedoch bei niedrigen wie bei hohen Strömen genau sein. Die beschriebene Einrichtung erfüllt diese Forderung selbst bei geringen Bruchteilen des Nennbetriebsstromes dank dem Umstand, dass in diesem Bereich die Kurve nach Fig. 3 streng linear ist.
Obschon die vorstehende Einrichtung in ihrer Anwendung zum Feststellen der Stromstärke von Wechselströmen in der Leitung 10 beschrieben worden ist, kann sie natürlich auch zur Feststellung der Intensität von Gleichströmen verwendet werden. Bei solchen Anwendungen kann der Arbeitsbereich auf dem linearen Teil der Kurve nach Fig. 3 erreicht werden, indem die Winkelversetzung zwischen dem Polarisator und dem Analysator auf den einen Randbereich des linearen Kurvenabschnittes eingestellt wird, wobei der Drehwinkel a bei normaler Stromflussrichtung so gerichtet ist, dass der resultierende Winkel auf dem linearen Abschnitt der Kurve liegt. Falls jedoch Stromstärken in beiden Richtungen genau festgestellt werden sollen, so ist die ursprüngliche Winkelversetzung gleich wie bei der beschriebenen Wechselstrom-Messung zu wählen.
Eine andere Variante bei der Feststellung von Gleichströmen ist die, dass Mittel vorgesehen sind zur Erzeugung einer der Intensität der Lichtquelle proportionalen Spannung und zur Subtraktion dieser Spannung von der Ausgangs spannung des Verstärkers 54. Die Differenzspannung ist dann ein Mass für die Stromstärke in der Leitung 10 und kann als Ausgangsgrösse für Messzwecke oder zur Relaissteuerung verwendet werden.
Ein Stromkreis zur Durchführung einer solchen Spannungs-Subtraktion ist schematisch in Fig. 4a dargestellt. Bei dieser Schaltung wird die Ausgangsspannung En des Verstärkers an ein Klemmenpaar 80, 81 und die der Lampenintensität entsprechende Spannung EL an ein zweites Klemmenpaar 82, 83 angelegt, welches zum ersten Klemmenpaar in Serie geschaltet ist. Diese beiden Spannungen sind einander entgegengeschaltet, d. h. mit entgegengesetzter Polarität an die genannten Klemmenpaare angeschlossen, so dass die Spannung ED zwischen den Leitungen 84 und 85 gleich der Differenz dieser Spannungen ist. Diese Differenzspannung entspricht dem Strom in der Leitung 10 und wird als Ausgangsgrösse für Messzwecke oder zur Relaissteuerung herangezogen.
Die Spannung EL hat einen solchen Wert, dass zwischen den Leitungen 84 und 85 keine Spannung herrscht, wenn der Strom in der Leitung 10 Null ist. Als zusätzliche Verbesserung kann ein geeigneter (nicht dargestellter) Regler verwendet werden, welcher die Ausgangsintensität der Lampe praktisch konstant hält.
Obschon die voneinander distanzierten Stirnflächen 14 und 16 des optischen Elementes 12 genau parallel zueinander sein können, wird eine Anordnung vorgezogen, bei der diese Flächen leicht schief zueinander stehen, beispielsweise um etwa 10. Bei einer bevorzugten Ausführungsform steht die Ein trittsfläche 14 rechtwniklig zur Längsachse 21, die Austrittsfläche 16 jedoch etwas schief zu dieser Achse. Diese Massnahme verhindert, dass Lichtstrahlen, die an der Austrittsfläche 16 beim Durchtritt des Strahls nach Reflexion an der Eintrittsfläche erneut die Austrittsfläche erreichen. Solche Strahlen würden nach dreimaligem Durchlaufen des Faraday-Elementes gegenüber dem Hauptstrahl eine dreifache Drehung der Schwingungsebene aufweisen.
Normalerweise ist die Intensität des solchermassen mehrfach reflektierten Lichtes so gering, dass sie die Genauigkeit des Gesamtsystems nicht beeinträchtigt, aber selbst geringfügige Wirkungen dieser Art können durch die genannte Massnahme eliminiert werden.
Der Höchstwert des mit der Anordnung nach Fig. 1 mit einiger Genauigkeit feststellbaren Stromes kann durch die bei einer gewissen Feldstärke eintretende Sättigung des Kerns 30 begrenzt sein. Ströme oberhalb dieses Wertes bewirken nur noch eine geringe Erhöhung der Intensität des das Faraday-Element 12 beeinflussenden Magnetfeldes. Weit höhere Stromstärken lassen sich mit der Anordnung nach Fig. 5 noch genau wahrnehmen.
Diese Anordnung nach Fig. 5 entspricht in mancher Hinsicht derjenigen nach Fig. 1, weshalb einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Anordnungen liegt in der Art und Weise, wie das das Faraday-Element beeinflussende Magnetfeld erzeugt wird. Gemäss Fig. 5 liegt das Faraday-Element im Magnetkreis einer Luftspule, die vom Leiter 10 distanziert angeordnet ist. Der Magnetfluss der Luftspule wird von einem Strom erzeugt, welcher durch eine um das Faraday-Element 12 gewickelte Drahtwendel 102 fliesst. Diese Wendel 102 ist an die Sekundärwicklung 104 eines Stromwandlers 106 angeschlossen.
Der Stromwandler 106 w
Um das isolierende Rohr 125 bzw. die Durchführung des einen Leiters herum ist der Stromwandler 106 nach Fig. 5 angeordnet. Der Kern 108 desselben ist vorzugsweise elektrisch mit dem Gehäuse 122 verbunden und nimmt somit das gleiche Potential an.
Die Sekundärwicklung 104 ist über Leitungen 130 mit den beiden Klemmen der Wendel 102 verbunden, die sich im Innern des Rohres 128 befindet.
Das Faraday-Element ist, wie in Fig. 5 dargestellt, im Innern der Wendel 102 angeordnet, und der Polarisator 18 und der Analysator 20 befinden sich in der vorstehend beschriebenen Weise an gegen überliegenden Enden des Faraday-Elementes. Die Lichtleiter 46 und 48 erstrecken sich durch die Bohrung der Porzellansäule 127 und führen das Licht, wie vorstehend beschrieben, zwischen den auf Erdpotential befindlichen Teilen am Fusse der Porzellansäule 127 und den Teilen im Bereich des hohen Potentials, wie dem Faraday-Element 12.