DE4311328A1 - Optische Meßanordnung zum Messen eines elektrischen Stromes mit verflochtenen Übertragungsleitungen - Google Patents

Description

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

Es sind optische Meßanordnungen zum Messen eines elektri­ schen Stromes in einem Stromleiter unter Ausnützung 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 zurückge­ legten Weges mit der Verdet-Konstanten als Proportionali­ tätskonstanten. Die Verdet-Konstante ist abhängig von dem Material, in dem das Licht verläuft, und von der Wellen­ länge des Lichts. Zum Messen des Stromes ist nun eine optische Faser vorgesehen, die den Stromleiter in Form einer Meßwicklung umgibt. Durch die optische Faser wird von einer Sendeeinheit linear polarisiertes Licht ge­ schickt. Das von dem elektrischen Strom erzeugte Magnet­ feld bewirkt eine Drehung der Polarisationsebene des Lichtes in der Faser, die von einer Auswerteeinheit als Maß für die Stärke des Magnetfeldes und damit für die Stärke des elektrischen Stromes ausgewertet werden kann. Da die Meßwicklung der Faser einen quasi geschlossenen Weg für das in der Faser verlaufende Licht darstellt, ist der Polarisationsdrehwinkel in guter Näherung direkt pro­ portional zur Stromstärke.

Es sind zwei Typen von solchen magnetooptischen Strom­ wandlern bekannt, nämlich der Transmissionstyp und der Reflexionstyp. Beim Transmissionstyp wird das Licht in ein Ende der Faser eingekoppelt und am anderen Ende wieder ausgekoppelt, so daß das Licht die Meßwicklung nur einmal durchläuft. Beim Reflexionstyp ist dagegen das andere Ende der Faser verspiegelt, so daß das an dem ersten Ende ange­ koppelte Licht an diesem anderen, verspiegelten Ende reflektiert wird, die Meßwicklung ein zweites Mal in umge­ kehrter Richtung durchläuft und am ersten Ende wieder aus­ gekoppelt wird. Wegen der Nicht-Reziprokität des Faraday- Effekts wird die Polarisationsebene des Lichts beim umge­ kehrten Durchlauf nochmal um den gleichen Betrag in die gleiche Richtung gedreht. Der Drehwinkel ist somit bei gleicher Meßwicklung doppelt so groß wie beim Transmis­ sionstyp. Zur Trennung des eingekoppelten und des ausge­ koppelten Lichts ist ein Strahlteiler vorgesehen.

Vor allem in den beiden Übertragungsstrecken der Faser zwischen ihren Enden und der Meßwicklung können durch fremde Störinduktionsfelder aufgrund des Faraday-Effekts die gemessenen Werte der Polarisationsdrehung verfälscht werden. Solche Störfelder können beispielsweise bei mehr­ phasigen Leitungsabzweigen durch die benachbarten Strom­ leiter auftreten.

Zur Vermeidung dieser Meßfehler sind bei einer bekannten Meßanordnung vom Reflexionstyp das erste Ende der Faser, das zum Ein- und Auskoppeln des Lichts vorgesehen ist, und das verspiegelte, andere Ende in unmittelbarer Nähe zuein­ ander angeordnet. Man erhält so einen fast geschlossenen Lichtweg in der Faser. Dadurch werden wegen des Durch­ flutungsgesetzes die Störfelder in dem Wegintegral weit­ gehend kompensiert, weil eine durch die Fremdinduktions­ felder hervorgerufene unerwünschte Drehung der Polarisa­ tionsebene 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 Anord­ nung zum Messen eines elektrischen Stromes in einem Strom­ leiter unter Ausnützung des Faraday-Effekts anzugeben, die als Reflexions- oder Transmissionstyp ausgebildet sein kann und bei der die Meßfehler aufgrund von Störinduk­ tionsfeldern in den Übertragungsstrecken der optischen Faser weiter verringert werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs l.

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

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich­ nung Bezug genommen, in deren einziger Figur ein Ausfüh­ rungsbeispiel einer Anordnung zum Messen eines elektri­ schen Stromes unter Ausnutzung des Faraday-Effekts vom Reflexionstyp schematisch dargestellt ist.

Es 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 dargestellten vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere Meßwindungen 3C als Faserspule hintereinandergeschaltet. 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 Übertragungsstrecke 3D des Lichtwellenleiters 3 und die zwischen dem anderen Ende 3E und der Meßwindung 3C liegende andere Übertragungsstrecke 3D sind nun so mitein­ ander verflochten, daß wenigstens ein Kreuzungspunkt P1 für ihre Lichtwege gebildet wird. Vorzugsweise sind, wie in der Figur dargestellt, N Kreuzungspunkte P1, P2, PN vorgesehen mit N<1. Durch diese Maßnahme werden quasi geschlossene Lichtschleifen erzeugt, durch die kein elektrischer Strom fließt und in denen daher aufgrund des Durchflutungsgesetzes keine Faraday-Rotation der Polari­ sationsebene des sich im Lichtwellenleiter 3 ausbreitenden linear polarisierten Lichtes stattfinden kann. Bei einer Anordnung mit wenigstens drei Kreuzungspunkten P1, P2 und P3 wird zusätzlich durch den gegenläufigen, alternierenden Umlaufsinn des Lichts in jeder der Lichtschleifen zwischen den Kreuzungspunkten ein Kompensationseffekt für zusätz­ liche Meßfehler erreicht, die aufgrund intrinsischer linearer Doppelbrechung im Lichtwellenleiter auftreten können. Die Lichtschleifen sind dazu vorzugsweise mög­ lichst klein gewählt durch Anpassung der Anzahl N der Kreuzungspunkte P1 bis PN an die Längen der Übertragungs­ strecken 3B und 3D.

Das andere Ende 3E ist vorzugsweise in unmittelbarer Nähe zur Übertragungsstrecke 3B und im allgemeinen auch zum ersten Ende 3A angeordnet.

Die Verflechtung der beiden Übertragungsstrecken 3B und 3D kann auch bei einer Transmissionsanordnung durchgeführt werden, bei der das andere Ende 3E des Lichtwellenleiters 3 nicht verspiegelt, sondern an einen entsprechenden An­ schluß der Sende- und Auswerteeinheit 4 optisch gekoppelt ist.

Die Sende-, Empfangs- und Auswerteeinheit 4 enthält vor­ zugsweise eine Lichtquelle 41, einen optoelektrischen Wandler 43 und eine Auswerteelektronik 44. Beim Re­ flexionstyp ist 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 gedreh­ ter Polarisationsebene. Die Lichtquelle 41 enthält vor­ zugsweise eine Laserdiode mit einer entsprechenden elek­ trischen Versorgung. Der optoelektrische Wandler 43 umfaßt vorzugsweise ein Wollaston-Prisma und zwei entsprechende Empfangs-Photodioden zum Umwandeln des von dem Wollaston- Prisma kommenden ordentlichen bzw. außerordentlichen Lichtstrahls. Die elektrischen Signale der Empfangs-Photo­ dioden werden über zugeordnete Verstärker auf die Aus­ werteelektronik 44 geschaltet und dort als Differenzmeß- Signal ausgewertet.

Claims (6)

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

• a) einem Lichtwellenleiter (3) mit einem ersten Ende (3A) und einem zweiten Ende (3E), der in wenigstens einer Meßwindung (3C) um den Stromleiter (2) geführt ist und zwischen seinem ersten Ende (3A) und der Meßwindung (3C) als erste Übertragungsstrecke (3B) und zwischen seinem zweiten Ende (3E) und der Meßwindung (3C) als zweite Übertragungsstrecke (3D) ausgebildet ist und
• b) einer Sende- und Auswerteeinheit (4) zum Ein- und Aus­ koppeln von linear polarisiertem Licht in den bzw. aus dem Lichtwellenleiter (3), dadurch gekennzeichnet, daß
• c) die erste Übertragungsstrecke (3B) und die zweite Über­ tragungsstrecke (3D) des Lichtwellenleiters (3) so um­ einander geflochten sind, daß sich ihre Lichtwege in wenigstens einem Kreuzungspunkt (P1) überkreuzen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• a) das erste Ende (3A) des Lichtwellenleiters (3) mit der Sende- und Auswerteeinheit (4) zum Ein- und Auskoppeln des polarisierten Lichtes optisch gekoppelt ist und
• b) das zweite Ende (3E) lichtreflektierend ausgebildet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das erste Ende (3A) des Lichtwellenleiters (3) zum Einkoppeln und das zweite Ende (3E) des Lichtwellenleiters (3) zum Auskoppeln des pola­ risierten Lichts mit der Sende- und Empfangseinheit (4) optisch gekoppelt sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die beiden Enden (3A) und (3B) des Lichtwellenleiters (3) räumlich unmittelbar benachbart angeordnet sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das zweite Ende (3E) räumlich unmittelbar benachbart zur ersten Über­ tragungsstrecke (3B) angeordnet ist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kreuzungspunkte (P1 bis PN) vorgesehen sind.