Wie misst man in Umspannwerken mit Hunderttausenden von Volt die Stromstärke, ohne die Stromleitungen zu berühren?
In Hoch- und Höchstspannungs-Umspannwerken (wie 110\text{ kV} bis 1000\text{ kV}) ermöglicht die Glasfaser kontaktlose und hochpräzise Messungen des Leiterstroms. Dies basiert auf dem Faraday-Effekt (magneto-optischer Effekt) und der Technologie des Faseroptischen Stromwandlers (Fiber Optic Current Transformer, FOCT).
Die Funktionsweise und die physikalischen Isolationsmechanismen sind wie folgt:
I. Kernprinzipien: Faraday-Effekt und Ampèresches Gesetz
Die Glasfaser selbst „misst“ nicht direkt den Ladungsfluss, sondern leitet die Stromstärke indirekt ab, indem sie das vom Strom erzeugte ringförmige Magnetfeld erfasst:
- Faraday-Effekt:
Wenn ein linear polarisiertes Licht durch ein optisches Medium (wie eine hochreine Quarzfaser) entlang der Richtung eines Magnetfeldes geleitet wird, dreht sich die Polarisationsebene des Lichts. Der Dreh winkel \theta ist proportional zum Linienintegral der magnetischen Flussdichte \mathbf{B} entlang des Lichtwegs:
\theta = V \oint_{L} \mathbf{B} \cdot d\mathbf{l}
Wobei:
- V die Verdet-Konstante des FaserMaterials ist, die die magneto-optische Empfindlichkeit des Materials angibt;
- d\mathbf{l} der infinitesimale Vektor des Ausbreitungspfades des polarisierten Lichts in der Faser ist.
-
Ampèresches Gesetz:
Gemäß dem Ampèreschen Gesetz der Maxwellschen Theorie ist das Linienintegral der magnetischen Flussdichte entlang eines geschlossenen Weges gleich dem Produkt aus der eingeschlossenen Stromstärke und der magnetischen Feldkonstante \mu_0 (\oint \mathbf{B} \cdot d\mathbf{l} = \mu_0 I).Wenn eine spezielle Sensorfaser N-mal um einen stromführenden Leiter gewickelt wird, um einen geschlossenen Kreis zu bilden, vereinfacht sich der Dreh winkel zu:
\theta = V \cdot \mu_0 \cdot N \cdot I
Es ist ersichtlich, dass der **Dreh winkel $\theta$ streng linear von der Stromstärke $I$ im Leiter abhängt** und unabhängig von der Form des geschlossenen Faserrings, der geometrischen Position des Leiters innerhalb des Rings und externen Streumagnetfeldern ist.
- Signalentkopplung (Demodulation):
Am Potenzial der Erde wird ein kohärentes Paar orthogonal polarisierter Lichtwellen eingespeist. Nach der Passage durch den Hochspannungs-Faserring und einer Reflexion am Ende wird eine interferometrische Messung der Polarisationphasendifferenz in der Entkopplungseinheit durchgeführt, um die momentane Stromstärke präzise zu berechnen.
II. Sichere Messung bei Hunderttausenden von Volt: Wie erreicht die Glasfaser dies?
Herkömmliche elektromagnetische Stromwandler (CTs) basieren auf Kernen und Kupferleitern und sind bei hohen Spannungen extremen Anforderungen an die Isolationsdurchschlagsfestigkeit und der Gefahr einer Sekundärkreisunterbrechung ausgesetzt. Glasfasersensoren bieten hier natürliche Vorteile durch physikalische Isolation:
- Intrinsische Materialisolation:
Das Grundmaterial von Glasfasern ist hochreines Siliziumdioxid ( \text{SiO}_2 ), das eine extrem niedrige Dielektrizitätskonstante und eine Gleichspannungs-Durchschlagsfestigkeit von mehreren hundert Megavolt pro Meter ( \text{MV/m} ) aufweist und somit ein hervorragendes hochspannungsfestes Isoliermaterial darstellt. - Rein optischer Isolationskanal:
Das Messsystem ist räumlich in einen „Hochspannungssensor-Kopf“ und ein „Niederspannungs-Sekundärsteuerraum“ unterteilt. Von den hunderttausenden Volt Hochspannungs-Sammelschienen bis zum Signalverarbeitungsschranksystem auf Erdpotenzial werden ausschließlich metallfreie (vollständig dielektrische) Glasfaser-Patchkabel verwendet. Die Glasfasern sind in hochfesten Isolierhülsen (wie Keramikhülsen oder Verbund-Silikonkautschukhülsen) verlegt, wodurch der Weg für die Stromleitung vollständig unterbrochen wird. - Keine Magnetische Sättigung oder Resonanzrisiken:
Die Glasfaser enthält keine ferromagnetischen Materialien, wodurch Probleme wie magnetische Sättigung, Restmagnetisierung, Hysterese und ferromagnetische Resonanzen herkömmlicher Wandler vollständig entfallen. Die Ansprechbandbreite für transiente Effekte kann Dutzende von Kilohertz ( \text{kHz} ) erreichen, was eine präzise Erfassung von Blitz- oder Kurzschlussstoßströmen ermöglicht.
III. Zusätzlicher Hinweis: Faser-Bragg-Gitter (FBG) Messverfahren
Neben dem Faraday-Effekt-Verfahren wird in bestimmten Überwachungsszenarien auch eine Kombination aus Faser-Bragg-Gittern (FBGs) und magnetostriktiven Materialien (wie Terfenol-D) eingesetzt:
- Der vom Leiterstrom erzeugte Magnetfeld bewirkt eine mikroskopische Dehnung des magnetostriktiven Materials;
- Auf dem Material angebrachte oder darin eingebettete FBGs erkennen die Dehnungsänderung, was zu einer Verschiebung der reflektierten Zentralwellenlänge \Delta\lambda_B führt.
- Dieses Verfahren wird häufig zur Überwachung von bestimmten Geräteanschlusspunkten oder zur Erfassung von Kleinströmen in Verteilungsnetzen eingesetzt. In Hoch- und Höchstspannungs-Umspannwerken dominieren jedoch für die Hauptmessung und den Relais schutz weiterhin die Faraday-Effekt-basierten volloptischen Stromwandler (FOCTs) mit Polarisationsinterferenz.
(Hinweis: Das gesamte FOCT-System gehört nicht zur Kernproduktreihe der Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®). OFSCN® konzentriert sich auf speziell verkapselte Faser-Bragg-Gitter-Temperatur-, Dehnungs-, Spannungs-Sensoren sowie auf hochtemperaturfeste Spezialfasern und Kabelkomponenten.)