DE1591976A1 - Elektrisch-optische Spannungs-Reduziervorrichtung und ihre Anwendung zum Messen von Spannungen - Google Patents

Elektrisch-optische Spannungs-Reduziervorrichtung und ihre Anwendung zum Messen von Spannungen

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Description

PATENTANWALT dipl ing. dr. iur. V. BUSSE Osnabrück, moserstr. 20-24
Osnabrück, den 8. März I967 V/111/4
Etablissements Merlin & Gerin, Sooiete Anonyme RUe Henri T.arzej'jB Grenoble (Isere) B'rankreich
Elektrisch-optische Spannungs-Reduziervorrichtung und ihre Anwendung zum Messen von Spannungen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannungsreduziervorrichtung für Hoch- und Hb"chstspannungsnetze.
In solchen Netzen finden im allgemeinen magnetische Spannungs-Reduziervorrichtungen oder Transformatoren sowie kapazitive Reduziervorrichtungen Anwendung. Derartige Geräte lassen-sich nur schwer verwirklichen, und zwar vor allem aufgrund von Schwierigkeiten bei der Isolation und der Homogenisierung des Potentialgefälles angesichts der Herabsetzung der Entladungsschwelle. Andererseits ist das Ansprechen dieser Geräte im Übergahgsbereich schlecht und sie erlauben keine Übertragung von Informationen bei sehr niedriger Frequenz und insbesondere bei Gleichstrom.
Es wurde bereits vorgeschlagen, Spannungen mit Hilfe elektrisch-optischer Effekte zu messen,· und zwar mit Hilfe ..." des Kerr-Effekts und des Pockels-Effekts. Bei diesen beiden ■ Effekten trifft als Nebenerscheinung eine elektrische Boppel-
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brechung eines Mediums auf, wenn man dieses einem elektrischen Feld unterwirft. Die Doppelbrechung des Kerr-Effekfca zeigt sich in Flüssigkeiten, wie z.B. Iiitrobensol, und in einer bestimmten Anzahl von Gasen, wenn man diese einem elektrischen Feld aussetzt, das senkrecht zur Fortpflanzuiigsrichtung eines polarisierten Lichtbundeis gerichtet ist, und hat eine Veränderung der Polarisationart des Bündels zur FoI^e, die im allgemeinen elliptisch wird. Ein analoger Effekt ist der Pockels-Effekt, der sich in einem geeigneten Kristall (z.B. Zn, S oder KH^ PCk) zeigt, der vorzugsweise in einem elektrischen Feld parallel zur Fortpflanzungsrichtung des Lichts angeordnet ist. Durch geeignet angeordnete Polarisatioren, denen gegebenenfalls eine Viertelwellen-Platte bzw. -Schicht zugeordnet wird, läßt sich der von einer f otoelektrischeri Zelle erhaltene Lichtfluß proportional zu der zwei parallelen Platten oder Gittern aufgegebenen Spannung, zwischen denen sich das doppeltbrechende Medium befindet, modulieren. Eine solche Vorrichtung, bei der der Pockels-Effekt zur Anwendung kommt, ist schematisch in Fig. 1 dargestellt, in der eine Lichtquelle 10 ein Lichtbündel F erzeugt, das nacheinander ein optisches System 11, einen Polarisator oder ein Nicol-Prisma 12, eine Viertelwellen-Platte 13, eine Pockels-Zelle mit einem entsprechenden Kristall 14 und einen zweiten Polarisator 15 oder Analysator durchquert, um schließlich eine fotoelektrische Zelle 16 zu beleuchten. Die zu messende Spannung wird an Gitter 17*1S der
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BAD ORiQINAL
Zelle 14 angelegt und das von der Zelle 16 gelieferte elektrische Signal ist ein Maß dieser Spannung.
Sine analoge Vorrichtung ist möglich, wenn man die Pockels-Selle 14 durch eine Kerr-Zelle 19 (Fig. 2) ersetzt, die einen Vorratsbehälter mit einer geeigneten Flüssigkeit aufweist. Die Platten 20,21 sind Werbe! an die Spannung angelegt, die man in entsprechender, oben bereits beschriebener Weise mißt, ohne auf Einzelheiten dieser Messung näher eingehen su müssen, die dem Fachmann bekannt 1st. Zum Messen einer Spannung bevorzugt man die Anwendung des Pockels-Effekts, der*2u den Potentialdifferenzen linear proportional ist-, was nicht für den Kerr-Effekt zutrifft, der zum elektrischen Feld quadratisch- proportional ist.
Leider halten die Kerr- und Pockels-Zellen die sehr hohen Spannungen nicht aus.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Messung sehr hoher Spannungen uflt einer Spannungs-Reduziervorrichtung unter Anwendung der elektrisch-optischen Effekte zu ermöglichen.
In der Zeichnung veranschaulichen:
Flg. 1 eine bekannte Vorrichtung zur elektrischen Polarisation mittels Pockels-Effekt, in schematischer Darstellung,
a eine Abwandlung der Darstellung in Fig. 1, bei der
der Kerr-Effekt Anwendung rindet, 003883 /OU 9
BADORlGiMAL
F,ig. 3 eine schematische Darstellung eines Vielzellen-Gerätes nach der Erfindung im.Schnitt, Fig. 4 die Verbindungen der Zellen untereinander, Fig. 5 eine von Fig. 4 abgewandelte Ausführungsform.
Die elektrisch-optische Spannüngs-Reduziervorrichtung nach der Erfindung weist eine elektrisch-optische Vorrichtung auf, in der ein polarisiertes Lichtbündel ein geeignetes Medium durchquert, das durch Anlegen eines elektrischen Feldes doppelbrechend gemacht wurde. ■ "■ .
Diese Reduziervorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß eine Anzahl von im Abstand angeordneten elektrisch-optischen Zellen vorgesehen ist, die so angeordnet sind, daß sie nach-, einander von dem Lichtbündel durchquert werden und daß die Zellen mittels Impedanzen zwischen einem Hochspannungsleiter und Erde elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Diese räumliche Verteilung der Zellen ermöglicht die Summierung der in den verschiedenen Zellen erzeugten optischen Effekte und bewirkt eine Modulation des Strahlenflusses proportional zu der Hochspannung* Ein weiterer Vorteil der elektrischoptischen Spannungs-Reduziervorriehtung nach derErfindung liegt darin, daß die Spannungsverteilung ia^igs dar Reihe der übereinander angeordneten Zellen beliebig sein kann, und da*ß es nunmehr möglich ist, Informationen bei sehr niedriger Frequenz und insbesondere bei Gleichstrom zu
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Die Reduziervorrichtung nach der Erfindung kann auch bei sehr hohen Spannungen verwendet, werden,- wenn man die Anzahl und die Dimensionen der Zellen, den Wert der Impedanzen und die räumliche Aufteilung der Zellen dementsprechend wählt.
Die Anzahl der Zellen läßt sich durch Verteilung derselben längs einer Kette von Spannungsteiler-Kondensatoren reduzieren, die mit niedrigen Kapazitäten ausgeführt sein können.
Die Reduziervorrichtung nach der Erfindung kann Anwendung finden zum Messen der Spannung eines Stromleiters, und zwar durch Addieren der. durch die verschiedenen Zeilen erzeugten . elektrisch-optischen Effekte sowie durch Umwandeln des Ergebnisses der Summierung in eine meßbare Größe, insbesondere in eine elektrische Größe.
Die bekannten Meßvorrichtungen gemäß den Fig. 1 und 2 sind andererseits nicht unabhängig von den Charakteristiken der verwendeten optischen und elektrischen Vorrichtungen. Auch wird durch das Altern der Lichtquelle (Lampe) der fotoelektrischen Zelle oder Foto-Vervielfaehungszelle und von zugeordneten elektronischen Geräten ein proportionaler Fehler erzeugt, der für die Messung kaum tragbar ist.
Gemäß einer Weiterentwicklung .' ..* der Erfindung werden diese Nachteile dadurch behoben, daß eine ergänzende (komplementäre). Vergleichszelle vorgesehen ist, die so angeordnet ist, daß sie von dem Lichtbündel durchquert wird.
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BAD ORIGINAL hv ^:
In den Pig. 3 bis 5 sind mehrere, die Erfindung ^edoch Licht beschränkende AusfUhrungsbeispiele sehematisch dargestellt.
In Fig..3 ist eine Reduziervorrichtung dargestellt, die eine Anzahl von Pockels-Zellen aufweist und zum Messen einer Spannung Anwendung findet.
Eine Lichtquelle 2p sendet eine infrarote oder ultraviolette, sichtbare Strahlung aus und ist vorzugsweise seitlich der Stelle angeordnet, vio bei einem Potential , das gleich oder angenähert dem Erdpotential ist, die Messung stattfindet. Das von der Quelle 25 ausgesendete Strahlenbündel 26 durchquert ein optisches System 2J, das das Bündel in Richtung auf einen Leiter oder eine Leitung 28 mit hoher oder- sehr hoher Spannung lenkt, von der man die Spannung U^ kennenlernen will. Ein. Prismensystem 29 lenkt den Strahl 2b zu einem Polarisator 30 hin, der auch zwischen der Linse 27 und den Prismen 29 angeordnet sein kann. Danach durchquert der Strahl 26 eine große Anzahl im Abstand angeordneter, doppelbrechender Poekels-Zellen 31* deren Gitter oder Elektroden mit denen angrenzender Zellen verbunden sind, derart, daß alle Zellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei die äußeren Gitter an die Leitung 26 bzw. an Erde T angeschlossen sind. Eine ergänzende Pockels-Vergleichszelle 32 ist am unteren Ende der Reihe der Zellen 31 angeordnet, und zwar innerhalb des Weges des Bündels 26. Sie ist in der Weise vorgesehen und elektrisch geschaltet, daß sie in jedem Augenblick.die Tendenz hat, die durch die vorhergehenden Zellen
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erzeugte totale Doppelbrechung aufzuheben, Das Strahlenbündel durchdringt nach der Zelle 32 nacheinander ein optisches System 35 unä einen Analysator 3*l·* um schließlich auf eine fotoelektrische Zelle 35 aufzutreffen. Das von der Zeile 3£>: abgegebene elektriscue Signal wird an den Eingang eines Verstärkers 36 angelegt, und eine nicht dargestellte Meß vorrichtung Mist ans Ausgang des Verstärkers 36 die Spannung Uj, die geeignet er weise ebenfalls den Gitternder Ver.~ :. gleichstelle 32 zugeleitet wird, damit diese in jedem Augenblick die Tendenz hat, die durch, die Primärzellen 3T erzeugte Doppelbrechung zu annullieren. Die Pockels-Zelle 32 ^wird zu diesem Zweck ein Medium enthalten, das η-mal mehr doppelbrechend ist als das der ri Primärzellen 31· Die fotoelektrische Zelle 35 überträgt folglich in jedem Augenblick einen unterschiedlichen Befehl auf den Verstärker 36. Das Ganze bildet einen echten Spannungstransformator, dessen
■"■'■" ■" ■ ■ ' ■■■ -κ.
Sekundär spannung gleicli U1 ist, wobei/eine Konstante ist.
Dieser ist in der Lage, bei sehr niedriger Frequenz und vor allem bei Gleichstrom eine Information zu übertragen. Das Gänse ist öi einem Hohlisolator 37 angeordnet.
Es kann von Interesse sein, die Pockels-Zelle 32 durch eine magnetisch-optische Faraday-Zelle zu ersetzen, die die durch die Pockels-Zellen ~%\ erzeugte Modulation des Bündels 26 v aufzuheben sucht*
die Messung von Störungseinflüssen unabhängig zu machen, tile 3* B. von Änderungen des von der Lichtquelle (Altwerden
Laiape, PluIctua^Otien der SpaimungszufÜhrung usw.) ausge-ÖÖ98S3/aA49
BAD ORIGIMAt
.sendeten Lichtflusses herrühren, ist r,.an daran interessiert, d:,s aus der Zelle _>L austretende LicntDÜndel in zwei polarisierte Bündel zu teilen, und zwar mittels einer halbreflektierenden Platte, die zwei fotoelektrlscne Zellen celeuchten, Vielehe Teil einer abgeglichenen Kompensationsschaltung bilden. Weitere Einzelneiten sind aus der französischen Patentschrift 1 4j>^ koO soviie der ZusatzanrneldUiig Mr. ^1 96I zu. diesem Patent ersichtlich, das am 3· März 19ύο eingereicht wurde.
Im Rahmen des Erfindun^sgedankend kann man die Pockels-Zellen 51 durch eine Reihe von elektrisch in Reihe geschalteten Kerr-Zellen ersetzen. In diesen Falle muß die Ergänzungszelle 32 ebenfalls gegen eine Kerr-Zelle ausgetauscht werden.
In Pig. 4 und 5 ist schematisch dargestellt, wie die Reihe von Pockels-Zellen 31 gebildet sein kann, die-mittels Widerständen 38 .-.zw. Kondensatoren 40 elektrisch in Reihe geschaltet sind. In- Pig» "4 und 5 ist nur ein Teil der Reihe übere'in- -_jider angeordneter Zellen dargestellt. Die Zellen sind dabei vorteilhaft in einem Hohlisolator (Fi;j· ^) untergebrächt, der von mehreren Isolatoren 41. gebildet ist, did ebenfalls übereinander angeordnet und mittels Verbindungselementen 42 untereinander verbunden sind. Zweckmäßig werden Potentialverbindungen 43 zwischen den metallischen Teilen (armature) ' der Verbindungselemente und richtig ausgewählten Punkten der Reihenschaltung-von Zellen und Imdedahzen vorgesehen.
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BAD ORIGINAL m^ ■ -
■» Q «a.
Man kann.evtl. jede Zelle j?1, gegeüeneniulls i.:it den Kundensatoren 40 oder"den Widerständen Jo in. Innern einer zwei glocken- bzw. kapselformigen Elektroden, 44>45 gebildeten Einfassung anordnen, Vielehe die Zelle derart umgibt-, daß s;ie eine elektrostatische Abschirmung bildet. Die Zellen 51 sind 5£gebenenfalls durch andere Widerstände ^9 (?ic;· 1^) oder Kondensatoren ^G (Fig. 5) nebeneinander geschaltet t..
BAD ORIGINAL

Claims (1)

  1. - κ) - ISSl976
    1» Spannungs-ReduziervOrrichtung ir.it einer el optischen Vorrichtuno' zum Modulieren des Lichti'lussea elr.es polarisierten Lichtbündels, das ein ^eeignetes, duro.i das Anlegen eines elektrischen Feldes doppelbreühend gemachtes Medium durchquert, dadurch gekennzeichnet, dais eine ^nza..! von im Abstand ano'eordneten elektrisch-optischen Zellen vorgesehen ist, die so übereinander angeordnet sind, dais sie nacheinander vom Lichtbündel durchquert werden, und daß die Zellen zwischen einem Leiter insbesondere hoher Spannung ^rid Erde elektrisch in Reihe geschaltet sind.
    2. Vorrichtung nach Anspruch' t, dadurch Bekennzeichnet, daß die Zellen in einer Kette von Impedanzen verteilt angeordnet sind.
    2. Vorrichtung nach Anspruch f,. dadurch gekennzeichnet, daß die elefetrisch-oßtiseiien Zellen in einem Hötolisolatör· angeordnet sin^£,. der aus einer Anzahl tifeereinanäer angeordiixeter1, dareh VerMndungselemenfce unfeereinander verbundiener Isolatoren besteht, worfcei Fotentialverbindluiiigeii zwischen den Verbindungselemente*! xmä verscfeiLedenem Schaltimgspunfeten ämr Beihenschaltun® vom ■ Zellen und Impedanzen, vorgeseiien sind.
    BAD ORIGINAL
    ■-.■-.■ - 1 ι -
    4. "Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a;i,i die Zellen i;. Inner.* vo>, elektrostatischen Abschirmungen "-au jüordiiet sind, die die Homogenität des Feldes im Innern der ;ib;i airL-ur-^en sicherstellen.
    Jeräw :;ur. Messen der Spcrjiung, dadurch gekennzeichnet, dci aii.o SpaiiiiUi. jS-Reduziervorricntung nach Anspruch 1 vorgesehen -*..-■! üie rüar.liche- A;iordri.un,j; der Zellen derart ist, dtäü sie die Jummierunj der durcn die verschiedenen Zellen erzeugten optische:» Effekte erjr.ö^licht:, und daß Mittel zum Umformen des Kr.,,e-"iüües dieser Sumr.iierun^ in eine meßbare Größe, vorzugsweise eine elektrische Größe, vorgesehen sind.
    t:. Gerät nach Anspruch £# dadurch gekennzeichnet, daß eine nusäucliehe Zelle so angeordnet ist, daß sie am Ausgang der Redu2iervorrichtung von dem Lichtstrahl durchquert und einer elektrischen Spannung untaworfen wird, deren elektrischoptisüi.e Effekte die Summierunö der optischen Effekte der Primär fellen kor.pensieren.
    7. .Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelbrechung der zusätzlichen Zelle genau gleich . der Summe, der Doppelbrechungen der Zellen der Spannungs-Reduziervorrichtung ist.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 6, mit einer'Anzahl elektrischoptischer Pockels-Zellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleiehsaelle von einer magnetisch-optischen .Faraday-Zelle gebildet ist. 0 098-8 3/Q^ 9 .
    BAD ORIGINAl-
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