DE2845625A1

DE2845625A1 - Anordnung zur elektrooptischen spannungsmessung

Info

Publication number: DE2845625A1
Application number: DE19782845625
Authority: DE
Inventors: Ernst Prof Dr Rer Feldtkeller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-10-19
Filing date: 1978-10-19
Publication date: 1980-04-30
Also published as: EP0011110A1; EP0011110B1; JPS5557153A; US4269483A

Description

SIEMEXS AKTiENGESELLSCHArT Unser Zeichen Berlin und München VPA 78 P 7 ί 7 O BRD

^ Δϊ*22 '--π u ng ζ ur e^l^jk^t^r o^p_t i ö chen S ι j α nnungsnie s s u n_g_

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur elektrooptischen Spannungsmessung an eil :n hochspannungsleiter, i'i-^ r-'ϊ-η I¹I-;■ \ lt 1 °-chc-.·. Feld einen linear polarisierten Lichtstriilij \a einen Lichtleiter elliptisch polarisiert und bei der i-n Empfänger die Spannung aus der Phasendifferenz der Lichtueίlen-Komponenten mit verschiedenen Durchtrittsgeschv. LjhI i gkeiten abgeleitet wird.

ι - Die Abhängigkeit der Doppelbrechung von einem äußeren elektrischen Feld wird bekanntlich als elektrooptischer Effekt bezeichnet. Hin linear oder zirkulär polarisierter Lichtstrahl wird beim Durchtritt durch ein doppelbrechendes Medium im allgemeinen elliptisch polarisiert. Die den bei-

_n(l den Hauptachsen des doppelbrechenden Mediums zugeordneten Komponenten der Lichtwelle bewegen sich durch das Medium mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Die resultierende Phasendifferenz i.:>t proportional der vom Lichtstrahl im Kristall zurückgelegten Strecke und, wenn es sich um einen

or linearen elektrooptischen Effekt handelt und die Doppelbrechung ohne Feld verschwindet, zum elektrischen Feld.

Kin 7 Sh / 25. ο.1978

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BAD ORIGINAL

Sie kann zur Messung des Feldes und somit zur Spannungsmessung verwendet werden.

Es sind Verfahren zur Spannungsmessung bekannt, bei denen die elektrische Feldstärke E mit dem el ekt roopt i sehen Effekt in unsymmetrischen Kristallen oder mit Hilfe des Feldeinflusses auf Flüssigkristalle bestimmt wird. Dabei wird aber nur die elektrische Feldstärke in dem verhältnismäßig kleinen Kristallvolumen bestimmt. Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Meßanordnung anzugeben, bei der die Spannung I: - j E al über eine große Strecke t auf integriert wird.

Diese Aufgabe wird -?rfindungsgenäß dadurch gelöst, daß als Zuleitung oder als Rücklei rur·.; für den ursprünglich linear oder zirkulär polarisierten Lichtstrahl zwischen einem Kopfteil mit den Hochsnannungsleiter und einem Fußteil mit einem Sender und dem Empfänger wenigstens eine Kristallfa.-.er mit longitudinalem, linearen elektrooptischem Effekt um· piezoel el tr.i ichc-\i Material vorgesehen ist. Am Hochspannungsleiter ist die Kristallfaser vorzugsweise so geführt, dal; die Fonndoppelbrechung innnerhalb der Kristall faser aufgellüben wird. Eine weitere Kristallfaser mit den gleichen Eigenschaften ist als Rückleitung vorgesehen. Die Kristallachsen der Rück leitung sind gegenüber den Kristal!achsen der Zuleitung so orientiert, daß sich die Effekte der Doppelbrechung in der Zu- und Rückleitung addieren und die Phasenverschiebung über der gesamten Strecke aufintegriert werden kann. Die Messung mit dieser im elektrischen Feld doppelbrechenden Kristallfaser ist unabhängig von der Feldverteilung an dieser Strecke.

Als Strahlungsquelle ist im allgemeinen ein Laser mit vorgeschaltetem Polarisator vorgesehen. Zwischen Polarisator und Zuleitung wird zweckmäßig ein A/!-Plättchen vorgesehen, welches die lineare Polarisation in eine zirkuläre Polari-

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sation umwandelt. In einem Kopfteil am Ilochspannungsleiter ist ein Umlenkkörper vorgesehen, an dem die Kristallfaser in verschiedenen Teilstrecken in zueinander senkrechten Ebenen derart geführt wird, daß die durch die Paserkrümmung verursachte For-mdoppelbrechung aurgehoben wird. Im Empfänger wird di'e Phasenverschiebung in eine entsprechende elektrische Größe umgesetzt, die als Maß für die Spannung dient.

In einer besonderen Ausführungsform der Meßanordnung ist der Empfänger mit einem Kompensator versehen, der die Doppelbrechung der Kristallfasern kompensiert. Er enthält ein elektrooptisches Material, das vorzugsweise schon bei sehr geringer Spannung doppelbrechend wirkt. Sein Ausgangssignal dient als Maß für die zu messende Spannung. Die Kompensatorspannung istvauch dann proportional zur Hochspannung, wenn die Phasenverschiebung 2TT überschreitet.

Unter Umständen kann es ausreichend sein, wenn entweder nur die Zuleitung oder nur die Rückleitung des polarisierten Lichtstrahls aus der im elektrischen Feld doppelbrechenden Kristallfaser besteht.

Als Zuleitung kann auch eine depolarisierende Kristallfaser vorgesehen sein. In dieser Ausführungsform wird der Polarisator und vorzugsweise noch ein /\/4-Plättchen am Hochspannungsleiter angeordnet. Durch diesen Aufbau der Meßanordnung wird-der Umlenkkörper vereinfacht.

In einer weiteren Ausführungsform der Anordnung zur elektrooptischen Spannungsmessung sind anstelle des Kompensators zur Phasendemodulation ein zweites Detektorsystem und eine Auswerteschaltung vorgesehen. Jedes der Detektorsysteme enthält jeweils ein Strahlteilerprisma und den Teilstrahlen zugeordnete Detektoren. Die Lichtwelle wird z.B. über

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einen halbdurchlässigen Spiegel auf die beiden Detektorsystemevertcilt. Dem ersten Detektorsystem kann vorzugsweise ein /\/4-Plättchen vorgeschaltet werden und die Strahlteilerprismen der beiden Detektorsysteme sind so orientiert, daß beim Verschwinden der zu messenden Spannung U die beiden Strahlintensitäten hinter dem ersten Strahlteilerprisma gleich groß sind, während hinter dem zweiten Strahlteilerprisma bei U=O nur ein Teilstrahl austritt.

Statt des halbdurchlässigen Spiegels kann auch noch ein zusätzliches Lichtleitersystem vorgesehen sein, dessen Ende mit dem Eingang des zweiten Detektorsystems optisch gekoppelt ist.

Eine Technik zum Ziehen der erforderlichen langen, dünnen Kristalle ist bekannt, beispielsweise aus dem "J. Mat. Sei." 7 (1972) Seiten 631, 649 und 787.

Da die Kristallfaser ohne elektrische Spannung nicht doppelbrechend sein soll, sind Materialien mit kubischer oder tetragonaler Kristallstruktur geeignet. Bei der tetragonalen Kristallstruktur muß die c-Achse parallel zur Faserachse liegen.

Ein longituclinaler elektrooptischer Effekt tritt in diesen Kristallsystemen auf, wenn der elektrooptische Koeffizient r,., nicht verschwindet oder r₁ _Ύ - r_OT φ 0 ist. 63 IjZo

Dies ist bekanntlich der Fall in der Kristallklasse T_d = Ϊ3 m CProc. IRE 46 (1958) S. 764 bis 778, insbes.

S. 768). Diese Eigenschaft haben beispielsweise die Zinkblende ZnS, die Kupferhalogenide CuF und CuCl u.a. und Eulytin Bi. (SiO.),. Ferner ist geeignet die Kristallklasse T = 23, beispielsweise das Natriumchlorat NaCß 0^, die Kristallklasse D2J = T2 m, beispielsweise das Kaliumdihydrogenphosphat KH-,PO. und der Harnstoff CO(NHO^ und

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die Kristallklasse S. ξ ~ξ_} beispielsweise Pentaerythrit

Beträgt der Brechungsindex für Licht, dessen elektrische Schwingung (£-Vektor) senkrecht zur c-Achse liegt, ohne elektrisches Feld einheitlich η_η, d.h. er hat bei der Spannung Null keine Doppelbrechung, so entsteht für Materialien aus den KristalIklassen T₁, T oder D-, in

el la.

einem parallel zur c-Achse liegenden elektrischen Feld E eine Doppelbrechung mit den Brechungsindices

ⁿ0 ^r63^bz .
n„ + 2 bzw.

ⁿ0 ^r63^Ez

¹¹O 2

für zwei senkrecht aufeinanderstellende Hauptachsenrichtungen in Π 110 J- und fZ 11 0 II-Richtung. Es entsteht 2'^! somit eine Doppelbrechung von der Größe n-> ^rf,x^ ·

Bei der Kristallklasse S. überlagert sich diesem Effekt aufgrund der Koeffizienten r.., = - r-,, φ 0 eine Doppelbrechung mit £T1OO j[-Orient Lerung. Die Hauptachsen der resultierenden Doppelbrechung liegen deshalb zwischen den C iOO 3- und C 110 3-Richtungen. Da das Vorzeichen der Doppelbrechung vom Vorzeichen der angelegten Spannung abhängt, kann dieser lineare Effekt zur Spannungsmessung herangezogen werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur elektrooptischen Spannungsmessung an einem Hochspannungsleiter nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Die elliptische Polarisation durch die Doppelbrechung in einem Kristall ist an-

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hand der Figuren 2 bis 4 erläutert. Figur 5 zeigt eine besondere Ausführungsform der Meßanordnung mit zwei Detektorsystemen im Empfänger. In Figur 6 ist eine Ausführungsform der Meßanordnung mit zwei verschiedenen Kristallfasern zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit dargestellt. In Figur 7 ist die Kompensation der Temperaturabhängigkeit durch verschiedene Kristallfasern in einem Diagramm veranschaulicht.

Nach Figur 1 enthält ein Fußteil 1, das sich auf Nullpotential befindet, einen Sender 2 mit einer Lichtquelle 3, für einen polarisierten Lichtstrahl 4, einem /^/4-Plättchen 6 und einer Einkoppeloptik 8.In einem Isolator JZ ist eine lichtleitende Kristallfaser 14 angeordnet, die aus piezoelektrischem Material mit longitudinalem, linearem elektrooptischen! Effekt besteht und den Lichtstrahl 4 zu einem Kopfteil 20 führt, das sich an einem Hochspannungsleiter 16 mit einer Spannung von beispielsweise wenigstens 220 kV befindet. Das Kopfteil 20 enthält einen Umlenkkörper 30, der aus zwei halbkreiszylindrischen Segmenten 31 und 32 besteht. Er dient zur Führung der Kristallfaser in mehreren Teilwindungen 21, 22 und 23. Zwischen der Kristallfaser 14 und der lichtleitenden Kristallfaser 24 ist eine nicht näher dargestellte optisehe Kupplungseinrichtung 34 vorgesehen.

Am Ende der Kristallfaser 24 ist im Fußteil 1 ein Empfänger 40 angeordnet, der eine Auskopplungsoptik 36 für den Lichtstrahl 4 enthält und mit einem Kompensator 38 versehen ist, an dessen elektrischem Ausgang 42 der Meßwert abgenommen werden kann. Dem Kompensator 38 ist ein Strahlteiler 44 nachgeordnet, der beispielsweise ein Wollastonprisma sein kann und den empfangenen Lichtstrahl in senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen 46 und 48 aufteilt. Eine Detektoranordnung 50 enthält für die beiden Teilstrahlen jeweils einen Detektor 52 bzw. 54 sowie einen

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Differenzverstärker, dessen Ausgangssignal über einen Verstärker 56, vorzugsweise einen Leistungsverstärker, dem Kompensator 38 zugeführt wird.

Die Lichtquelle 3 liefert den gebündelten Lichtstrahl 4 linear polarisierten Lichts, was oberhalb der Lichtquelle durch einen nicht näher bezeichneten Doppelpfeil angedeutet ist. Der Lichtquelle 3 kann unter Umständen noch ein in der Figur nicht dargestellter Polarisator nachgeordnet sein.

Das λ /4-Plättchen 6 wandelt das linear polarisierte Licht der Lichtquelle 3 um in zirkulär polarisiertes Licht. Die optischen Achsen des 7\ /4-Plättchens 6 sind deshalb gegenüber der Polarisationsrichtung des von der Lichtquelle 3 gelieferten Lichtstrahls 4 jeweils um 45° gedreht. Der zirkulär polarisierte Lichtstrahl 4 wird über die Einkopplungsoptik 8, die beispielsweise als Sammellinse dargestellt ist, in die Kristallfaser eingekoppelt. Die Kristallfaser 14 durchläuft eine Strecke zwischen der Lichtquelle 3 und dem Hochspannungsleiter 16, dessen Spannung gemessen werden soll. Über diese Strecke soll die Spannung des Hochspannungsleiters 16 mit der Meßanordnung nach der Erfindung aufintegriert werden.

Die Kristallfaser 14 wirkt wie jeder Lichtleiter auch ohne elektrisches Feld doppelbrechend, sobald sie gekrümmt wird. Eine Krümmung läßt sich zwischen der Zuleitung 14 und der Rückleitung 24 nicht vermeiden. Gemessen werden soll aber nur die von der Spannung des Hochspannungsleiters 16 verursachte Doppelbrechung. Die Kristallfaser 14 wird deshalb auf dem Umlenkkörper 30 an den Segmenten 31 und 32 so geführt, daß die auf der Faserkrümmung beruhende Formdoppelbrechung kompensiert wird, wie es beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift Nr. 2543134 für eine Einrichtung zur Strommessung durch Ermittlung der Faraday-Drehung im Magnetfeld des stromführenden Leiters beschrieben ist. An den Segmenten 31 und 32 des Umlenkkörpers 30

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bildet die Kristallfaser zirei Viertelwindungen 21 und 23 in senkrechter Richtung, denen eine Halbwindung 22 in horizontaler Richtung zugeordnet ist. Durch diese Führung der Kristallfaser wird die innerhalb der Faser durch die Krümmung verursachte Doppelbrechung aufgehoben und es entsteht somit keine zusätzliche Doppelbrechung.

Die Kristallfasern 14 und 24 haben die Eigenschaft, daß sie im elektrischen Feld doppelbrechend wirken. Dies hat zur Folge, daß eine Komponente der Lichtwelle des Lichtstrahls 4 mit einer bestimmten Polarisationsebene in den Kristallfasern 14 bzw. 24 eine höhere Durchtrittsgesclrwindigkeit hat als die zweite Komponente mit dazu senkrechter Polarisation. Durch die verschiedenen Geschwindigkeiten der Komponenten mit zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen erhält man am Ende der Faser 24 die Phasenverschiebung, die als Maß für die zu messende Spannung im Hochspannungsleiter 16 dient.

In der Kupplungseinrichtung 34 wird die Lichtwelle des Lichtstrahls 4 in die als Rückleitung 24 dienende zweite Kristallfaser derart eingekoppelt, daß die Kristallorientierung der Faser 24 gegenüber der Kristallfaser 14 um gedreht ist.

Die Orientierung der Kristallstrukturelemente der Faser ist in der Figur durch ein Tetraeder 62 angedeutet. Das Tetraeder stellt z.B. die Anordnung der vier Schwefelatome in der Umgebung eines Zinkatoms in der Zinkblende ZnS dar.

Die Änderung der Kristallorientierung durch die Führung der Kristallfaser am Umlenkkörper 30 ist durch ein weiteres Tetraeder 64 veranschaulicht. Durch die Kupplungseinrichtung 34 wird dann die Kristallachse um 90° gedreht, so daß die Rückleitung 24 wieder die gleiche Kristallorientierung wie die Zuleitung 14 erhält und sich dadurch die Effekte der Doppelbrechung in der Zuleitung 14 und der Rückleitung 24 addieren. Die Kristallorientierung der Rück-

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leitung 24 ist durch ein weiteres Tetraeder 06 veranschaulicht. Durch die Kupplungseinrichtung 34 erhält man somit zwei verschiedene Fasern, welche die Addition der Doppelbrechung ermöglichen. Die Phasenverschiebung der beiden Polarisationsrichtungen ist proportional der Spannung im Hochspannungsleiter 16 und damit ein Maß für die zu messende Spannung.

Die Hauptachsen 72 und 74 der Doppelbrechung verlaufen nach Figur 2 senkx'echt bzw. waagerecht. Bei der zu messenden Spannung U=O haben die in den beiden Hauptachsen polarisierten Lichtwellen gleiche Geschwindigkeit. Infolge dessen ist der Lichtstrahl auch am Ende der Faser 24 noch zirkulär polarisiert, und die beiden Detektoren 52 und des Empfängers 40 nach Figur 1 erhalten Teilstrahlen 46 bzw. 48 gleicher Intensität. Das Ausgangssignal des Detektors 50 ist Null und der Verstärker 56 liefert kein Signal Mit zunehmender Spannung und damit zunehmender Phasendifferenz entsteht am Ende der Rückleitung 24 eine ellipti sehe Polarisation des Lichtstrahls, wobei die Orientierung der großen Achse der Ellipse vom Vorzeichen der zu messenden Spannung im Hochspannungsleiter 16 abhängt. Ist die Spannung U-<.0, so resultiert nach Figur 3 in der ersten Faserkristallachse 76 eine größere Amplitude als in der zweiten Faserkristallachse 78. Ist dagegen die Spannung U > 0, so resultiert nach Figur 4 in der zweiten Faserkristallachse eine giößere Amplitude als in der ersten.

Solange der Kompensator 38 diese Elliptizität nicht kompensiert, liefert der Verstärker 56 ein Signal, dessen Vorzeichen durch das Vorzeichen der zu messenden Spannung im Hochspannungsleiter 16 bestimmt wird. Wenn der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 56 genügend groß ist, wird die Phasenverschiebung durch den Kompensator 38 kompensiert. Die Kompensatorspannung folgt dadurch Änderungen der zu messenden Spannung, und zwar auch wenn die Phasen-

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- ya- νΡΛ 78 P 7 1 7 O BRD

verschiebung mehr als 360° beträgt. Die Dctcktorschal- · tung 50 im Empfänger 40 muß dazu so schnell sein, daß sie den auftretenden Phasenverschiebungen laufend folgen kann und verhindert wird, daß ganze Vielfache von 360° nicht registriert werden. Die am Kompensator 38 anliegende Spannung ist proportional der Spannung an den Kristallfasern und 24 und kann somit am Ausgang 42 als Maß für die zu messende Spannung im Hochspannungsleiter 16 verwendet werden.

Wenn auch im Kompensator 38 ein longitudinaler elektrooptischer Effekt ausgenutzt wird, ist das Verhältnis der Wandlerausgangsspannung zur zu messenden Spannung im Leiter 16 doppelt so groß wie das Verhältnis der Halbwellenspannungen des Kompensator- und Fasermaterials.

Anstelle der beiden Kristallfasern mit elektrooptischem Effekt für die Zuleitung 14 und die Rückleitung 24 kann auch nur eine der beiden Leitungen, vorzugsweise die Rückleitung 24, aus einem elektrooptisch wirksamen Faserkristall bestehen. Die Zuleitung 14 besteht dann aus einer nicht depolarisierenden aber elektrooptisch unwirksamen Lichtleitfaser, beispielsweise einer Monomodefaser oder auch einer Flüssigkernfaser.

Ferner kann es zweckmäßig sein, für die Zuleitung 14 eine depolarisierende Lichtleitfaser, beispielsweise eine gewöhnliche Multimodefaser zu verwenden. Die Rückleitung besteht dann aus einer Kristallfaser mit elektrooptischem Effekt. Ein Polarisator sowie eine Einkopplungseinrichtung und ein Λ /4-Plättchen zur Erzeugung des zirkulär polarisierten Lichtes sind dann vorzugsweise im Kopfteil 20 am Hochspannungsleiter 16 angeordnet. In dieser Ausführungsform kann man einen wesentlich einfacheren Umlenkkörper verwenden, weil lediglich eine Halbwindung zwischen der Zuleitung 14 und der Rückleitung 24 erforderlich ist.

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Das Zusammensetzen der Meßanordnung am Hinsatzort kann man dadurch vereinfachen, daß im Wege der Fasern zusätzliche in den Figuren nicht dargestellte Kupplungen vorgesehen sind. In dieser Ausführungsform müssen dann nur die im Stützerisolator 12 verlaufenden Lichtleiterabschnitte der Rückleitung und evtl. auch der Zuleitung aus Kristallfasern bestehen, während die Lichtleiter in den feldfreien Räumen des Kopfteiles und des Fußteiles elektrooptisch unwirksame Glas- bzw. Flüssigkern-Lichtleiter sein können.

In der Ausführungsform der Meßanordnung nach Figur 5 mit einer depolarisierenden Lichtleitfaser als Zuleitung 15, einem einfachen, in der Figur nicht dargestellten Umlenkkörper, sowie einem im Kopfteil 20 angeordneten Polarisator 26 und einer Einkopplungseinrichtung 28 ist außerdem beispielsweise eine besondere Ausführungsform des Empfängers 40 vorgesehen. Dieser Empfänger 40 enthält zwei Detektorsysteme I und II sowie eine Auswerteschaltung 99, mit deren Hilfe eine Mehrdeutigkeit beim Überschreiten der Phasenverschiebung von 90° ausgeschlossen werden kann. Der Lichtstrahl der Rückleitung 24 wird über die Auskopplungseinrichtung 36 sowie einen halbdurchlässigen Spiegel 80 sowohl dem Detektorsystem I als auch dem Detektorsystem II zugeführt. Dem Detektorsystem I ist ein λ/4-Plättchen 82 vorgeschaltet, das den im Falle U = linear polarisierten Lichtstrahl zirkulär polarisiert. Es enthält einen Strahlteiler 84, beispielsweise ein Wollaston-Prisma, sowie eine Detektorschaltung 86 mit jeweils einem Detektor 88 bzw. 90 für einen der beiden nicht näher bezeichneten Teilstrahlen. Der Detektorschaltung ist ein Differenzverstärker 92 zugeordnet, dessen Ausgangssignal proportional zu der Funktion sin O ist, wobei O der Winkel der Phasenverschiebung ist, die durch die elektrooptische Doppelbrechung entsteht. Das Detektorsystem II erhält den restlichen Teil des Lichtstrahls nicht über ein Λ /4-Plättchen. Es besteht aus einem

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Strahlteiler 94 sowie einer Detektorschaltung 96 mit den Detektoren 95 und 97 für die beiden Teilstrahlen und einem nachgeordneten Differenzverstärker 98, dessen Ausgangssignal proportional zu cosiS ist. Ohne Spannung am Hoch-Spannungsleiter 16, d.h. bei Spannung Null, erhält somit das Detektorsystem II linear polarisiertes und das Detektorsystem I zirkulär polarisiertes Licht.

Die zu messende Spannung am Hochspannungsleiter 16 bewirkt die Doppelbrechung mit entsprechender Phasenverschiebung in der Kristallfaser 24, und sowohl der Lichtstrahl im Eingang des Detektorsystems II als auch der Lichtstrahl im Eingang des Systems I werden elliptisch polarisiert. Auf dieser Änderung beruht die Messung im Empfänger 40. Die

15. Auswerteschaltung 99 enthält jewejls einen Multiplikator für die beiden Detektorsysteme I und II sowie eine gemeinsame Einrichtung zur Differenzbildung (oder Summenbildung). Ihr wird außerdem in bekannter Weise von einem Hochfrequenzgenerator 100 eine Trägerfrequenz coscof sowie das davon abgeleitete Signal sincoi zugeführt ("Measuring Current at extra-high Voltage" in Laser Focus, Mai 70, Seiten 35 bis 38).Ein gemeinsamer 1-Generator wie in der bekannten Schaltung ist nicht erforderlich, weil die Signale der Differenzverstärker 92 und 98 bereits proportional zu coso und sino sind.Als Ausgangssignal erhält man am Ausgang 102 des Empfängers 40 ein Signal mit der Zeitabhängigkeit

cos ο coscu£ - sin α sinto£ = cos (cot+ (S ) oder cos S costal + sin <^ sinu)£ = cos (cot-O ),

während am Ausgang 104 die Trägerfrequenz cos<vt abgenommen wird.

Die von der bekannten Anordnung abweichende Ausführungs-,r form der Phasendemodulation mit Hilfe einer Trägerfrequenz in der Auswerteschaltung 99 beruht auf der Erkenntnis, daß

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bei Jntensitätsschwankungen der Tcilstrahlen in den Detektorsystemen I und II auch der Generator zur Subtraktion der Konstanten 1 in seiner Intensität entsprechend mit schwanken müßte. Dies ist aber nur mit einem verhältnismäßig großen Aufwand möglich.

Mit Hilfe der Auswerteschaltung 99 wird der als Trägerfrequenz verwendeten hochfrequenten Wechselspannung cos cot eine Phasenverschiebung aufgeprägt, die mit der optischen Phasenverschiebungen in den Kristallfasern übereinstimmt.

Aus der phasenverschobenen Hochfrequenzspannung zwischen den Ausgängen 102 und 104 kann in einer in der Figur nicht dargestellten entfernten Meßwarte die Phasenverschiebung ο und damit die zu messende Spannung mit Hilfe eines Phasenmessers zurückgewonnen werden.

Wenn die der Phasenmodulation überlagerte Amplitudenmodulation durch Schwankungen der Lichtintensität stört, können die Amplitudenschwankungen in bekannter Weise eliminiert werden (Rev. Sei. Instrum. 44 (1973), Seiten 742 - 743).

Abweichend von der Ausführungsform des Empfängers 40 nach Figur 5 kann anstelle der Differenrverstärker 92 und 98 auch jeweils eine analogelektronische Schaltung verwendet werden. Diesen analogelektronischen Schaltungen werden dann die Ausgangssignale der zugeordneten Detektoren 88 und 90 bzw. 95 und 97 zugeführt. Werden die Ausgangssignale der beiden Detektoren 88 und 90 mit U-| bzw. Ü2 bezeichnet und die Ausgangssignale der Detektoren 95 und mit U3 bzw. IJ4 bezeichnet, so wird von der betreffenden analogelektronischen Schaltung ein Signal ^U1 - ^U2 C
⁵I-U₁ + D₂ = ^sin<> ^bzW·

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^{= cos}

ο 4
geliefert.

Mit einer besonders vorteilhaften Ausführungsform einer Anordnung zur Spannungsmessung an einem Hochspannungsleiter durch Ausnutzung des elektrooptischen Effekts (Pockels-effekt) in einer lichtleitenden Kristallfaser erhält man eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit des elektrooptischen Effekts der Kristallfasern dadurch, daß nach Figur 6 als Hin- und Rückleiter verschiedene Fasern derart gegeneinander geschaltet werden, daß sich ihre Temperaturabhängigkeiten bei der Differenzbildung praktisch aufheben. In dieser Aus führungs form sind ztvischen dem Sender 2 des Fußteils I und dem Kopfteil 20 am Hochspannungsleiter 16 vier Lichtleitfasern hintereinandergeschaltet, von denen die elektrooptisch wirksamen Kristall fasern 124 und 126 als Rückl^itungen dienen. Die Zuleitung 114 kann beispielsweise aus einer nicht elektrooptischen Lichtleitfaser bestehen und die Zuleitung 116

aus

wiederum/einer elektrooptischen Kristallfaser. Dann befinden sich im Kopfteil 20 eine Einkoppeloptik 28 sowie ein Polarisator 26, wie es auch schon in Figiir 5 dargestellt ist. Die erste und zweite Rückleitung 124 bzw. werden nun mit der zweiten Zuleitung 116 durch die Auswahl zwei verschiedener optisch wirksamer Materialien so kombiniert, daß sich ihre Beiträge zur Temperaturabhängigkeit des Meßsignals wenigstens annähernd aufheben.

Diese Ausführungsform beruht auf der Erkenntnis, daß der elektrooptische Koeffizient r,., dem Curie-Weiß-Gesetz unterliegt, das zur Abnahme des Meßsignals mit zunehmender Temperatur führt, wobei verschiedene Materialien verschiedene Temperaturkoeffizienten besitzen. Die Aufgabe,

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den Spannungswandler so zu gestalten, daß die Temperaturabhängigkeit wenigstens nahezu aufgehoben ist, wird nun dadurch gelöst, daß beispielsweise als erste Rückleitung 124 und als zweite Zuleitung 116 jeweils eine Kristallfaser mit starkem elektrooptischem Hffckt und einer gewissen Temperaturabhängigkeit verwendet wird. Als zweite Rückleitung 126 wird dann eine Kristallfaser mit nicht wesentlich stärkerem elektrooptischem Effekt, aber wesentlich stärkerer Temperaturabhängigkeit verwendet. Koppelt man diese Fasern so, daß sich der elektrooptische Effekt der Faser 126 von der Summe der elektrooptischen Effekte der Fasern 124 und 116 subtrahiert, so heben sich nicht die elektrooptischen Effekte, jedoch die Temperaturabhängigkeiten der Kristallfasern wenigstens annähernd auf.

Zwischen der Zuleitung 114 und der Rückleitung 124 im Kopf teil 20 wird lediglich ein einfacher in der Figur nicht dargestellter Umlenkkörper verwendet. Zwischen der Rückleitung 124 und der Zuleitung 116 ist dann eine Kupplungseinrichtung 128 erforderlich, damit sich die elektrooptischen Effekte über die Leitungswege summieren. Die Änderung der kristallographischen Orientierung der Faserkristalle ist durch zwei unterschiedliche Tetraeder 130 und 132 angedeutet. Am Ende der ersten Rückleitung 124 und der zweiten Zuleitung 116 ist im Fußteil 2 bzw. im Kopfteil 20 ein Umlenkkörper vorgesehen, wie er beispielsweise in Figur 1 dargestellt ist. Diese Umlenkkörper bewirken eine Krümmung des Faserkristalls mit zwei Viertelwindungen in der senkrechten Ebene und einer Halbwindung in der waagerechten Ebene und kompensieren dadurch die krümmungsbedingte Doppelbrechung. Am Anfang der zweiten Rückleitung 126 ist dann wiederum eine Kopplungseinrichtung 134 vorgesehen. Die Beziehung der kristallographischen Orientierung der beiden Fasern aus verschiedenem Material ist durch die beiden Tetraeder 136 und 138 angedeutet. Die Phasendemodulationsschaltung im Empfänger

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kann beispielsweise in gleicher Weise aufgebaut sein, wie es in Figur 5 dargestellt ist.

Für Kaliumdihydrogenphosphat KII₇PO₁, das in der folgenden Beschreibung mit KDP bezeichnet werden soll, beträgt beispielsweise der elektrooptische Koeffizient

r = 1 C1,P + ΤΤΤΤΎΖ^ P^m/^V

(Landolt-Rörnstein, Neue Serie, Gruppe III, Band 1, Seite 144). Für Ammoniumdihydrogenphosphat (NH₄)H₇PO,, das in der folgenden Beschreibung mit A.üP bezeichnet werden soll, beträgt der elektrooptische Koeffizient

^r63 ⁼ 1 ^C6'¹⁴ - ΤπΨύΤ^

Daraus ergeben sich bei 18° C die Temperaturkoeffizienter 1 ^r _{= 5i}-/4 . 10"³K"¹ für KDP und 3,69 · 10 "K ' für ADP.

Verwendet man in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 6 eine nicht elektrooptische Zuleitung 114, eine KDP-Kristallfaser als zweite Rückleitung 126 sowie zwei ADP-Kristallfasern als 1. Rückleitung 124 und 2. Zuleitung 116 und orientiert man die Fasern an den Kopplungsstellen derart, daß die resultierende Phasendifferenz

^ ⁼ "X" ^{U C2n}ADP ^rADP" ⁿKDP ^Τ^

beträgt, so ist der Temperaturkoeffizient dieser Phasendifferenz bei Vernachlässigung der Temperaturkoeffizienten der Brechungsindices nur
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d <5 ² ⁿADp^3drADP^/dT " ⁿKDP ^3drKDI»^/dT

jar " ~~ 3 3

-ⁿADP ^rADP " ⁿKDP ^rKDP

0,112 - 0,217 _K-1 _ 30,5 - 37,8 ^K

Das Diagramm nach Figur 7, in dem auf der Ordinate der Ausdruck η r,-, der verwendeten Materialien in pm/V und auf der Abszisse die Temperatur T in ⁰C aufgetragen ist, zeigt den Verlauf der Kennlinie für n_KDp r^_Dp mit A und ⁿADP ^rADP ^m^"^t ^ ^{und d}*^{e Kom}bination der beiden Kennlinien aus zwei ADP-Fasern und einer KDP-Faser mit C. Die Gegeneinanderschaltung der Faserkristalle nach Figur 6 ergibt den Verlauf der Kurve C. Die Temperaturabhängigkeit der Größe η I",-,, welche die elektrooptische Doppelbrechung der Faserkristalle bestimmt, ist somit in der Anordnung nach Figur 6 nahezu aufgehoben.

Durch die Kombination einer Faser des. Materials der Kennlinie A mit starker Temperaturabhängigkeit und einem gewissen elektrooptischen Effekt mit zwei Fasern des Materials der Kennlinie B mit nur wenig schwächerem elektrooptischen! Effekt aber etwa halb so starker Temperaturabhängigkeit, erhält man somit für die gesamte Hintereinanderschaltung der Kristallfasern die Kennlinie C, bei sich zwar wenigstens annähernd die Temperaturabhängigkeiten, jedoch nicht die elektrooptischen Effekte aufheben.

Neben der Möglichkeit, den Temperaturkoeffizienten der elektrooptischen Doppelbrechung mit einer Anordnung nach Figur 6 zu kompensieren, gibt es auch die Möglichkeit, bereits mit einer Hinleitung und einer Rückleitung eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit zu erreichen,

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- as-

- ys - VPA ft P 7 1 7 O BRD

Ordnet man z.B. bei einer Anordnung der Kristal1 fasern nach F^;igur 1 mit einem Hmpfängcr nacli Figur 5 zwei Kristal1 fasern aus verschiedenen Materialien im Gegensatz zu Figur 1 so an, daß sich ihre elektrooptisch erzeugten Phasenverschiebungen subtrahieren, so ist das Mcßsignal am Ausgang 42 des Empfängers 40 proportional der Größe

3 3
η r - n'"r', wobei η und n' die ordentlichen Brechungs-

indices der beiden verschiedenen Materialien ohne elektrische Spannung und r bzw. r¹ die elektrooptischen Koeffizienten r_A, der beiden verschiedenen Faserkristalle o3

sind. Der Temperatur-Koeffizient des Meßsignals beträgt dann

1 dS _ n³dr/dT - n'⁵dr⁽/dT

S WT ~ "3 . 3 , η r - n¹ r'

Für diese Ausführungsform eignet sich somit ein Materialpaar, für das der Zähler in der rechten Seite dieser Gleichung möglichst klein ist, nicht dagegen der Nenner.

In einer weiteren Ausführungsform der Anordnung zur elektrooptischen Spannungsmessung mit einem Kompensator nach Figur 1 müssen die verwendeten Kristallfasern und der Kompensator sowieso aus verschiedenen elektrooptisch wirksamen Materialien bestehen. In diesem Fall erhält man als Meßsignal eine Spannung

U' = U

n'³r'

wenn auch im Kompensator ein longitudinaler elektrooptischerEffekt ausgenutzt wird. U ist darin die zu messende Spannung an der Hochspannungsleitung. Vernachlässigt man wieder die Temperaturabhängigkeit der Brechungsindices, so beträgt der Temperaturkoeffizient des Meßsignals in diesem Fall
35

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VPA Tp P 7 1 7 O CRD

dU¹ _ 1 dr 1 dr clT~ " r cPr r~ W

Wenn das Meßsignal wesentlich kleiner als die zu messende Spannung sein soll, eignen sich für diese Ausführungsform Materialien mit sehr unterschiedlichen Werten von n" r aber nahezu gleichem Temperaturkoeffizienten des elektrooptischen Effektes.

Außerdem ist zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit auch eine Ausführungsform mit zwei verschiedenen Kristallfasern Cn, r-bzw. n', r¹) und einem Kompensator Cn", r") entsprechend Figur 1 möglich. In diesem Fall beträgt das Meßsignal

U' = U 2—^-=-5 —

n³dr/dT ± n'³dr'/dT 1 dr"

und sein Temperaturkoeffizient

]_ ά\Γ__ n³dr/

U' HT - _n3_{r + nl}3_r,

wobei die beiden Vorzeichen für die beiden möglichen Kristallorientierungen der Kristallfasern zueinander an der Kopplungsstelle gelten. Diese Ausführungsform ist vorzugsweise geeignet für Materialkombinationen, bei denen der Temperaturkoeffizient besonders klein ist.

Neben der Ausführungsform nach Figur 6 mit doppelter Zu- und Rückleitung ergeben sich weitere Ausführungsformen dadurch, daß man den Lichtstrahl des Senders 2 auch mehr als zweimal zur Hochspannung am Kopfteil 20 und zurück zum Fußteil 1 führen kann und auch mehr als zwei verschiedene Fasermaterialien miteinander kombinieren kann, wenn die für die Fasermaterialien geltenden Temperaturkoeffizienten sich auf diese Weise kompensieren.

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- 2ff - VPA Ä P 7 1 7 O BRD

Im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist ein Umlenkkörper 30 vorgesehen, durch dessen Gcstaltungsform eine zusätzliche Doppelbrechung durch die Krümmung der Kristallfaser 14 verhindert wird. Man kann aber auch die Hin führung einer zusätzlichen Doppelbrechung in die Kristall faser 14 durch die Krümmung im Kopfteil 20 am flochspannungsleiter 16 zulassen und diese konstante Doppelbrechung dann im Empfänger 40 kompensieren.

13 Patentansprüche
7 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

\j] Anordnung zur elektrooptischen Spannungsmessung an einem Hochspannungsleiter, dessen elektrisches Feld einen linear oder zirkulär polarisierten Lichtstrahl elliptisch polarisiert und bei der in einem Empfänger die zu messende Spannung aus der Phasendifferenz zwischen den mit verschiedenen Durchtrittsgeschwindigkeiten laufenden Komponenten der Lichtwelle abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuleitung (14) oder als Rückleitung (24) für den ursprünglich linear oder zirkulär polarisierten Lichtstrahl (4) zwischen einem Kopfteil (20) mit dem Hochspannungsleiter (16) und einem Fußteil (1) mit einem Sender (Z) und dem Empfänger (40) wenigstens eine Kristallfaser mit longitudinalem, linearem elektrooptischen Effekt aus piezoelektrischem Material vorgesehen ist.

2» Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuleitung (14) für den Lichtstrahl (4) vom Sender (2) zum Kopfteil (20) und als Rückleitung (24) vom Kopfteil (20) zum Empfänger (40) zweivifelektrooptische Kristallfasern vorgesehen sind und daß die Kristallorientierung der Rückleitung (24) gegenüber der Zuleitung (14) um 90° gedreht ist. (Figur 1).

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kopfteil (20) gekrümmte Kristallfaser am Hochspannungsleiter (16) derart in Teilwindungen (21, 22, 23) geführt ist, daß die Formdoppelbrechung innerhalb des Fasermaterials aufgehoben ist-(Figur 1).

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Hochspannungsleiter (16) ein Umlenkkörper (30) zur Führung

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ORIGINAL INSPECTED

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der Kristallfaser in Teilwindungen (21, 22, 23) hintereinander in zueinander senkrechten Ebenen vorgesehen Ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a durch gekennzeichnet, daß der Zuleitung (14) ein λ/4-Plättchen vorgeschaltet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuleitung eine nicht elektrooptisch wirksame Kristallfaser vorgesehen ist und der Rückleitung (24) im Kopfteil (20) auf der Hochspannungsseite ein Polarisator (26) und ein /λ /4-Plättchen vorgeschaltet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (40) einen Kompensator (38) enthält, dessen Ausgangssignal als Maß für die zu messende Spannung vorgesehen ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Phasendemodulation im Empfänger (40) zwei Detektorsysteme (I, II) vorgesehen sind, von denen einem Detektorsystem

(I) ein λ/4-Plättchen (82) vorgeschaltet ist und die jeweils ein Strahlteilerprisma (84 bzw. 94) und den Teilstrahlen zugeordnete Detektoren (88, 90 bzw. 95, 97) enthalten und die ferner jeweils einen Differenzverstärker (92 bzw. 98) und einen nachgeordneten Trägerfrequenzmodulator (Multiplikator) enthalten, dem ein Hochfrequenzgenerator (100) für eine Trägerfrequenz zugeordnet ist und daß eine gemeinsame Auswerteschaltung (99) zur Differenz- oder Summenbildung aus den Produkten vorgesehen ist (Figur 5).

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch g c -

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kennzeichnet, daß das Strahl teilerprisma (84) des ersten Detektorsystems (IJ so orientiert ist, daß das Ausgangssignal des Differenzverstärkers (92) proportional zu sincy ist, daß das Strahlteilerprisma (94) des zweiten Detektorsystems (II) so orientiert ist, daß das Ausgangssignal des Differenzverstärkers (98) proportional zu cosc5 ist, mit der der zu messenden Spannung proportionalen
Phasenverschiebung^ der elektrooptischen Doppelbrechung.

10. Anordnung nach Anspruch 2 bis 5, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung und die Rückleitung aus derart verschiedenen elektrooptisch wirksamen Materialien bestehen, daß sich ihre
Temperaturabhängigkeiten wenigstens annähernd kompensieren.

11. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallfasern der Zuleitung und/oder der Rückleitung und das Kristallmaterial des Kompensators (36) aus derart verschiedenen elektro-

optisch wirksamen Materialien bestehen, daß sich ihre

Temperaturabhängigkeiten wenigstens annähernd kompensieren.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a durch gekennzeichnet, daß mehrere

Zuleitungen (114, 116) mit jeweils einer Rückleitung (124 bzw. 126) aus mindestens zwei verschiedenen elektrooptischen Materialien hintereinander angeordnet und kristallographisch so orientiert sind, daß sich die Temperaturkoeffizienten der elektrooptischen Effekte wenigstens annähernd kompensieren (Fig. 6).

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zuleitung (114) aus einem elektrooptisch unwirksamen Lichtleiter besteht, und daß von den drei übrigen Kristallfasern (124, 116 und

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126) zwei aus Ammoniumdihydrogenphosphat und eine aus Kai iumdihydrogenphosphat bestellen und kristall ographisch so orientiert hintereinander gekoppelt sind, daß sich die Temperaturkoeffizienten der elektrooptischen fiffckte wenigstens annähernd kompensieren.

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