DE3129041A1

DE3129041A1 - Faseroptischer sensor zum erfassen von elektrischen lichtbogenentladungen

Info

Publication number: DE3129041A1
Application number: DE19813129041
Authority: DE
Inventors: Reino Dipl.-Ing. Dr. 6805 Heddesheim Buchmüller; Bernd Dipl.-Ing. Dr. 6941 Laudenbach Weissenborn
Original assignee: Bbc AG Brown Boveri & Cie 5401 Baden Aargau; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1981-07-23
Filing date: 1981-07-23
Publication date: 1983-02-03
Also published as: JPS5925116A; US4702553A; DE3129041C2; CH660636A5; JPS5873846A

Description

Faseroptischer Sensor zum Erfassen von elektrischen Lichtbogenentladungen.

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor zum Erfassen von elektrischen Lichtbogenentladungen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Lichtwellenleiter können Lichtimpulse erfassen und übertragen, die im Akzeptanzwinkel· der Lichtwellenleiter auftreten. Die Akzeptanzwinkel bekannter Lichtwellenleiter liegen üblicherweise zwischen 18° und H6° und sind damit für viele Anwendungsfälle, z.B. als Sensoren für die Erfassung von elektrischen Lichtbogenentladungen in gekapselten Hochspannungsschaltanlagen, fast zu klein. Lichtwellenleiter haben jedoch die Vorteile einer hohen eleKtromagnetischen Verträglichkeit und einer guten Potentialtrennung, so daß ihre Anwendung in vielen Fällen erwünscht ist«

Aus Gründen von Sicherheit und Zuverlässigkeit ist es notwendig, die Funktionsfähigkeit der Sensoren ständig zu

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überprüfen. Dies geschieht üblicherweise mit Prüflichtimpulsen. Diese Prüflichtirapulse werden mittels eines zweiten Lichtwellenleiters in den zu überwachenden Raum geleitet und an der Erfassungsstelle des Lichtwellenleiters innerhalb des Akzeptanzwinkels abgestrahlt.

Der als Sensor dienende Lichtwellenleiter nimmt wegen des Abstandes und des Abstrahlwinkels nur einen kleinen Teil des Prüflichts wieder auf. Je größer der Abstand zwischen beiden Lichtwellenleitern ist, umso weniger Prüflicht wird in den Sensor eingestrahlt. Da für eine sichere Erkennung eine minimle Strahlungsleistung notwendig ist und die Lichtintensität mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, müssen die beiden Lichtwellenleiter in geringem gegenseitigem Abstand möglichst auf einer Linie justiert sein.

Auch die Strahlungsquelle, deren Lichtimpulse erfaßt werden sollen, muß im Akzeptanzwinkel des als Sensor dienenden Lichtwellenleiters, d.h. meist zwischen den beiden Lichtwellenleitern, liegen. Dadurch ergeben sich rein konstruktiv erhebliche Probleme, da entweder· die Strahlungsquelle so groß ist, daß sie das Prüflicht abschattet, oder aber die Gefahr besteht, daß beispielsweise im Fall eines Hochspannungsschalters die Lichtbogenentladung die Lichtwellenleiter selbst beschädigt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ;

faseroptischen Sensor zum Erfassen von elektrischen Licht- >. bogenentladungen derart auszubilden, daß Lichtpulse aus einem

sehr großen Akzeptanzwinkel aufgenommen werden, ohne daß '

Probleme mit dem Prüflicht entstehen. ;

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Lichtwellenleiter, der ! in seinem aktiven Bereich stark gekrümmt ist. Prüflicht und Entladungslicht werden am Ende des Lichtwellenleiters mit Hilfe einer optisch-elektrischen Einheit in elektrische

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Signale umgewandelt und verarbeitet. Die Unterscheidung zwischen Prüflicht und Strahlungslicht erfolgt einfachst über die Strahlungsintensität, Zeitdauer der Licht·.impulse oder Empfangszeitpunkt der Lichtpulse.

Die Unterscheidung von Prüflicht und Licht der Lichtbogenentladung kann auch durch eine Dauerprüflichtquelle am Anfang des Lichtwellenleiters und durch ein auf das Prüflicht abgestimmtes optisches Filter am Ende des Lichtwellenleiters, durch einen ersten Lichtempfänger für das Prüflicht und durch einen zweiten Lichtempfänger für das Licht der Lichtbogenentladung erfolgen.

Die Erfindung macht sich die Erfahrung zu nutze, daß dort, wo der Lichtwellenleiter stark gekrümmt wird, Licht aus dem Lichtwellenleiter austreten oder in den Lichtwellenleiter eintreten kann. Der Teil des austretenden wie des eingekoppelten Lichtes ist vom Krümmungsradius und der Krümmungslänge des Lichtwellenleiters abhängig. Radius und Länge sind deshalb so einzustellen, daß von dem am einen Ende des Lichtwellenleiters eingespeisten Prüflicht noch so viel Energie am Ausgang ankommt, daß es sicher detektiert werden kann und daß von der elektrischen Lichtbogenentladung soviel Licht aufgenommen wird, daß es ebenfalls sicher detektiert wird. Zur Erfassung des Lichtbogenlichtes genügt es, den aktiven Bereich des Lichtwellenleiters als scharfen Knick oder als Knoten auszubilden.

Die Erfindung macht sich in einer Weiterbildung die Erfahrung zu nutze, daß eine elektrische Lichtbogenentladung nicht nur Licht, sondern auch Schallwellen erzeugt. Diese Schallwellen treffen entsprechend ihrer Laufzeit später als die Lichtwellen am Ort des Sensors ein und modulieren das im Lichtwellenleiter geführte Prüflicht. Diese Modulation geschieht beim Betrieb mit kohärentem Licht über eine Phasenänderung der Moden und beim Betrieb mit nicht kohärentem Licht durch

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Änderung der Lichtabstrahlung an den gekrümmten Flächen des Lichtwellenleiters. In beiden Fällen ergibt sich jedenfalls eine Modulation der Intensität des Prüflichts am Ende des Lichtwellenleiters durch die Schallwellen. Das modulierte Prüflicht wird durch geeignete optische Filter vom eingekoppelten Licht der Lichtbogenentladung getrennt.

Als Prüflichtquelle können je nach benötigtem Energiebedarf ein Laser, eine Lumineszenzdiode oder auch eine Blitzlampe verwendet werden. Bei Verwendung einer Blitzlampe als Prüflichtquelle müssen Prüflichtquelle und -empfänger zeitlich synchronisiert werden.

Vorteilhafterweise ist der aktive Bereich des Lichtwellenleiters als Wendel ausgebildet. Dadurch kann das Licht der Lichtbogenentladung praktisch von allen Seiten erfaßt werden.

Die erfindungsgemäßen Sensoren werden bevorzugt verwendet in Hochspannungsschaltanlagen oder in Transformatorkesseln.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie deren Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines AusfUhrungsbeispiels anhand der Zeichnung. 25

Es zeigen:

Fig. 1 die Aus- und Einkoppelung von Licht bei einem gekrümmten Lichtwellenleiter,

Fig. 2 eine besonders einfache und wirksame Ausbildung der aktiven Zone und

Fig. 3 die Anwendung des erfindungsgemäßen Sensors zur Lichtbogenerfassung in einer gekapselten Schaltanlage.

In Fig. 1 erkennt man einen Lichtwellenleiter 1, der in seinem aktiven Bereich 2 stark gekrümmt ist. Prüflicht 3 gelangt von einer (nicht dargestellten) Prüflichtquelle zu

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dem Aktivbereich 2. Dort verläßt ein Teil 3.1 des Prüflichts den Lichtwellenleiter, während ein anderer Teil 3.2 weiterhin im Lichtwellenleiter 1 läuft. Von einer Lichtbogenentladung k gehen sowohl Lichtwellen 5 als auch Schallwellen 6 aus. Die Lichtwellen 5 werden in dem aktiven Bereich 2 in den Lichtwellenleiter 1 eingekoppelt und laufen zusammen mit dem Prüflichtteil 3.2 im Lichtwellenleiter zu dem (nicht dargestellten) Lichtempfänger. Die Schallwellen 6 beeinflussen den Lichtwellenleiter 1 und modulieren den im Lichtwellenleiter verlaufenden Teil 3.2 des Prüflichts 2.

Fig. 2 zeigt die Ausgestaltung des aktiven Bereichs 2 als Knoten. Je nach den dabei entstehenden Krümmungsverhältnissen kann das Verhältnis zwischen Prüflichtanteil 3.2 und Meßlicht 5 eingestellt werden.

Fig. 3 zeigt einen Teil einer Hochspannungsschaltanlage, dargestellt durch die Kapselung 8 sowie die Schalterelektroden 7. Zwischen beiden Elektroden 7 brennt die elektrische Lichtbogenentladung, die die Lichtwellen 5 und die Schallwellen 6 aussendet. Der aktive Bereich des Lichtwellenleiters 1 ist als Wendel 20 ausgeführt. Durchmesser und Länge der Wendel 20 sind so gewählt, daß noch eine ausreichende Menge des von einer Prüflichtquelle 9 erzeugten Prüflichts 3 am Ende des Lichtwellenleiters 1 auf die Empfangseinrichtung gelangt. Am Ende des Lichtwellenleiters 1 befindet sich ein auf das Prüflicht abgestimmtes optisches Filter 10, welches dafür sorgt, daß das von der Lichtbogenentladung ausgehende Licht 5 auf eine erste Empfangseinrichtung 11, z.B. eine Photodiode gelangt, wo es in entsprechende elektrische Signale umgewandelt wird. Der im Wendelleiter geführte Teil 3.2 des Prüflichts der zudem durch die Schallwellen 6 moduliert ist, gelangt auf eine zweite optoelektrische Empfangseinrichtung 13, beispielsweise wiederum eine Photodiode, und wird dort ebenfalls in elektrische Signale umgesetzt.. Die Signale der beiden optoelektrischen Empfangseinrichtungen 11,

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13 werden in je einer Elektronik 12, 14 verstärkt und ausgewertet. Die Ausgangssignale gelangen dann noch auf eine Auswerteelektronik 15, in der die Zeitdifferenz zwischen dem Ansprechen der ersten Empfangseinrichtung 11 auf die Lichtquellen 5 der Bogenentladung H und dem Ansprechen der zweiten Empfangseinrichtung 13 auf die Modulation des Prüflichtanteils 3.2 durch die Schallwellen 6 errechnet wird.

Durch die Bestimmung der Zeitdifferenz ist es möglich, mit Hilfe der bekannten Schallausbreitungsgeschwindigkeit auf den Abstand der Lichtbogenentladung vom Sensor zu schließen. Durch die Verwendung mehrerer Sensoren innerhalb der Kapselung 8 kann auf diese Weis.e der Ort der Lichtbogenentladung exakt lokalisiert werden. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn mit Hilfe der Sensoren z.B. ein Transformator, der üblicherweise in einen Kessel eingebaut ist, auf Lichtbogenentladungen, Isolationsdurchschläge usw. überwacht werden soll.

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Claims

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Ansprüche

\1y Faseroptischer Sensor zum Erfassen von elektrischen Lichtbogenentladungen, mit einem Lichtwellenleiter (1), einer Prüflichtquelle (9) am Anfang des Lichtwellenleiters (1) und einem Lichtempfänger (13) für das Prüflicht (3) am Ende des Lichtwellenleiters (1), dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (1) in seinem aktiven Bereich (2) stark gekrümmt ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des Lichtwellenleiters (1) ein auf das Prüflicht (3) abgestimmtes optisches Filter (10) als Strahlenteiler und ein zweiter Lichtempfänger (11) vorgesehen sind.
3· Sensor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Auswerteelektronik (12, 14, 15), die die Änderungen der Lichtintensität an den beiden Lichtempfängern (11, 13) registriert und die Zeitdifferenz bestimmt.
4. Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Blitzlampe als Prüflichtquelle (9).
5. Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3_f gekennzeichnet durch die Verwendung einer Lumineszenzdiode als Prüflichtquelle (9).
6. Sensor nach Anspruch 1,2 oder 3, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Lasers als Prüflichtquelle (9).
7· Sensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Ausbildung des aktiven Bereichs (2)

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des Lichtwellenleiters (1) als Wendel (20).
8. Sensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Ausbildung des aktiven Bereichs (2) des Lichtwellenleiters (1) als Knoten (Fig. 2).
9. Sensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Verwendung in einer Hochspannungs*- schaltanlage (8).
10. Sensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Verwendung in einem Transformatorkessel.