Messung des elektrischen Stroms mit optischen Fasern

Abstrakt

Dieser Artikel untersucht die Messung von elektrischem Strom mit optischen Fasern, hauptsächlich durch den Faraday-Effekt, auch bekannt als magnetooptischer Effekt. Faseroptische Stromsensoren (FOCS) bieten hohe Genauigkeit, Modularität und einfache Installation. Sie sorgen für die Isolierung des Messteils von der Primärtechnologie und können im Inneren von Transformatoren messen, einschließlich der Wicklungstemperatur. Der Artikel fasst veröffentlichte Ergebnisse, Ansätze und Prinzipien zur Definition elektrischer Werte mithilfe der Glasfasertechnologie zusammen.

Einführung

Die Messung von elektrischem Strom mithilfe von Glasfasertechnologie basiert auf dem 1845 entdeckten magnetooptischen Effekt von Faraday. Bei diesem Effekt dreht sich die Polarisationsebene von Licht in Gegenwart eines Magnetfelds. Die Nutzung dieses Phänomens zur Messung elektrischer Größen ist erst mit der Weiterentwicklung der Glasfasertechnologie möglich geworden. Der Drehwinkel (β) der Polarisationsebene kann mithilfe der folgenden Gleichung berechnet werden:

$\beta =V\cdot B\cdot d$

Wo:

• V  ist die Verdet-Konstante, die von der Wellenlänge des Lichts abhängt,
• B  ist die magnetische Induktion,
• d  ist die Länge des optischen Pfads.

Prinzipien von faseroptischen Stromsensoren (FOCS)

Faseroptische Stromsensoren (FOCS) nutzen den Faraday-Effekt zur Messung des elektrischen Stroms. Diese Sensoren sind hochpräzise und können Stromwelligkeiten und Transienten über eine große Bandbreite erkennen. Sie bieten mehrere Vorteile, darunter:

• Hohe Genauigkeit : Präzise Messungen sind für verschiedene Anwendungen unerlässlich.
• Großer Temperaturbereich : Effektiver Betrieb bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen.
• Vollständig digitale Verarbeitung : Verbesserte Datenhandhabung und Integration mit modernen digitalen Systemen.
• Uni- oder bidirektionale Strommessung : Vielseitig für unterschiedliche Stromflussrichtungen.
• Analoge und digitale Ausgänge : Flexibilität bei der Schnittstelle zu anderen Systemen.
• Einfache Installation : Einfache Einrichtung und Integration in bestehende Systeme.
• Anpassbare Sensorkopfform : Anpassbar für verschiedene Anwendungen.
• Geringe Größe und Gewicht : Kompaktes Design für einfache Handhabung.
• Keine magnetische Zentrierung erforderlich : Vereinfachte Einrichtung ohne magnetische Ausrichtung.
• Keine Probleme mit magnetischer Überlastung : Zuverlässige Leistung ohne Verzerrung unter Hochstrombedingungen.
• Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen : Wird durch externe elektromagnetische Felder nicht beeinflusst.

Anwendungen von FOCS

1. Metallurgical Industry: FOCS are used in electrolytic processes for obtaining precious metals, where they measure direct current (DC) up to 500 kA. Their compact size and high accuracy make them ideal for this application.

2. High-Voltage Direct Current (HVDC) Lines: FOCS are employed to measure and protect high-voltage DC lines, which are crucial for long-distance electricity transmission. Their immunity to magnetic overload and electromagnetic interference ensures reliable performance even under high short-circuit currents.

3. Transformer Monitoring: FOCS can be integrated into transformers to measure internal currents and temperatures, helping to prevent overheating and optimize performance.

4. Substation Control and Protection: Due to their small dimensions and weight, FOCS can be integrated into existing substation equipment like switches and bushings, providing accurate current measurements for control and protection.

Approaches and Results

1. Recirculating Architecture: An advanced FOCS design that uses a recirculating fiber loop to enhance current sensitivity. A 2×2 optical switch creates the loop, with a single-mode fiber as the sensing head. Sensitivities of 11.5 degrees/A for 1000 meters of fiber and 21.2 degrees/A for 500 meters of fiber have been experimentally achieved.

2. Spun Highly Birefringent Fiber: This approach reduces the size of the sensing coil, making it suitable for high-voltage watt-hour meters. The special spun fiber resists bending, improving measurement performance. The FOCS using this fiber achieved a measurement error of ±0.2% across a temperature range of -40°C to 70°C.

3. Plasma Current Measurement: FOCS technology has been adapted for measuring plasma currents in fusion reactors, such as the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). The sensor measures the rotation of the polarization state in the presence of a magnetic field, achieving high accuracy in extreme conditions.

4. Temperature Drift Compensation: Research on temperature drift shows a linear relationship between temperature and FOCS error. Understanding this relationship allows for effective temperature compensation, improving sensor accuracy in varying temperatures.

5. Vibration Sensitivity Reduction: Improvements in fiber design and sensor configuration can mitigate errors caused by mechanical vibrations, enhancing the stability and accuracy of FOCS in dynamic environments.

6. HVDC Applications: FOCS technology is used to measure high DC currents up to 500 kA, offering significant advantages over traditional current transducers, such as smaller size, lighter weight, and higher accuracy.

7. Interferometrische Techniken : Fortgeschrittene interferometrische Designs wie Sagnac-Interferometer werden in FOCS verwendet, um Genauigkeit und Empfindlichkeit zu verbessern. Diese Designs minimieren Fehler, die durch lineare Doppelbrechung und Umweltfaktoren verursacht werden.

Abschluss

Faseroptische Stromsensoren (FOCS) stellen einen bedeutenden Fortschritt bei der Messung von elektrischem Strom dar. Durch die Nutzung des Faraday-Effekts bieten FOCS hohe Genauigkeit, große Bandbreite und Immunität gegen elektromagnetische Störungen. Sie sind besonders wertvoll in Anwendungen, die präzise Strommessungen erfordern, wie z. B. in der Metallurgie, bei Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitungen, bei der Transformatorüberwachung und bei der Steuerung von Umspannwerken. Die Entwicklung fortschrittlicher FOCS-Designs und Kompensationstechniken verbessert ihre Leistung und Zuverlässigkeit weiter und macht sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug in modernen elektrischen Mess- und Überwachungssystemen.

Indem dieser Artikel den aktuellen Stand der FOCS-Technologie zusammenfasst und wichtige Fortschritte hervorhebt, unterstreicht er die Bedeutung und den Nutzen von faseroptischen Sensoren bei der genauen Messung elektrischer Ströme. Die laufende Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet verspricht weitere Verbesserungen und breitere Anwendungen und festigt die Rolle von FOCS bei der Gewährleistung der Effizienz und Sicherheit elektrischer Systeme weltweit.