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- sehen 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 wird nun dem Stromleiter ein Faraday-Element aus einem den Faraday- Effekt aufweisenden Material wie Glas zugeordnet. Das Faraday-Element kann aus einem oder mehreren massiven Körpern aufgebaut sein, mit dem bzw. denen zur Unter- drückung äußerer Störfelder ein geschlossener Lichtweg um den Stromleiter gebildet sein kann (EP-B 0 088 419 bzw. US 5 008 611). Insbesondere kann als Faraday-Element eine optische Faser vorgesehen sein, die den Stromleiter in Form einer Meßwicklung umgibt. Durch das Faraday-Element wird von einer Sendeeinheit linear polarisiertes Licht geschickt. Das von dem elektrischen Strom erzeugte Magnet¬ feld bewirkt eine Drehung der Polarisationsebene des Lich¬ tes in dem Faraday-Element, die von einer Auswerteeinheit

als Maß für die Stärke des Magnetfeldes und damit für die Stärke des elektrischen Stromes ausgewertet werden kann. Wenn das Faraday-Element einen quasi geschlossenen Weg für das linear polarisierte Licht um den Stromleiter dar- stellt, ist der Polarisationsdrehwinkel in guter Näherung direkt proportional 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 des Faraday-Elements eingekoppelt und am anderen Ende wieder ausgekoppelt, so daß das Licht das Faraday-Element nur einmal durchläuft. Beim Reflexionstyp ist dagegen das andere Ende des Faraday-Elements verspiegelt, so daß das an dem ersten Ende eingekoppelte Licht an diesem anderen, verspiegelten Ende reflektiert wird, das Faraday-Element ein zweites Mal in umgekehrter Richtung durchläuft und am ersten Ende wieder ausgekoppelt wird. Wegen der Nicht- Reziprokität des Faraday-Effekts wird die Polarisations- ebene des Licht beim umgekehrten Durchlauf nochmal um den gleichen Betrag in die gleiche Richtung gedreht. Der Dreh¬ winkel ist somit bei gleichem Faraday-Element doppelt so groß wie beim Transmissionstyp. Zur Trennung des einge¬ koppelten und des ausgekoppelten Lichts ist ein Strahl- teuer vorgesehen.

Vor allem in den Übertragungsstrecken für das linear pola¬ risierte Licht zwischen dem Faraday-Element und der Sende¬ einheit sowie der Auswerteeinheit können durch fremde Störinduktionsfelder aufgrund des Faraday-Effekts die ge¬ messenen Werte der Polarisationsdrehung verfälscht werden. Solche Störfelder können beispielsweise bei mehrphasigen Leitungsabzweigen durch die benachbarten Stromleiter auf¬ treten.

Zur Vermeidung dieser Meßfehler sind bei einer bekannten Meßanordnung vom Reflektionstyp mit einem mit einer Faser gebildeten Faraday-Element das erste Ende der Faser, das zum Ein- und Auskoppeln des Lichts vorgesehen ist, und das verspiegelte, andere Ende in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet. Man erhält so einen fast geschlossenen Licht¬ weg in der Faser. Dadurch werden wegen des Durchflutungs- gesetzes die Störfelder in dem Wegintegral weitgehend kom¬ pensiert, weil eine durch die Fremdinduktionsfeider her- vorgerufene unerwünschte Drehung der Polarisationsebene des Lichts in der Faser auf dem Hinweg durch eine entge¬ gengesetzte 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 in den Übertragungsstrecken weiter verringert werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

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

FIG. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Messen eines elektrischen Stromes unter Ausnutzung des Faraday-Effekts vom Reflexionstyp

und

FIG. 2 ein Ausführungsbeispiel einer solchen Meßanordnung vom Transmissionstyp

schematisch dargestellt sind. Einander entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

In den FIG. 1 und 2 sind ein Stromleiter mit 2, ein Licht¬ wellenleiter mit 3 und eine Sende- und Auswerteeinheit mit 4 bezeichnet. Der Lichtwellenleiter 3 umgibt vorzugsweise konzentrisch den Stromleiter 2 in wenigstens einer Meßwin¬ dung 3C. In der in FIG. 1 dargestellten vorteilhaften Aus¬ führungsform sind mehrere Meßwindungen 3C als Faserspule hintereinandergeschaltet. FIG. 2 zeigt eine Ausführungs- form mit nur einer Meßwindung 3C. Ein erstes Ende 3A des Lichtwellenleiters 3 ist mit der Sende- und Auswerteein¬ heit 4 verbunden, und das zweite Ende 3E ist lichtreflek¬ tierend 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 erste Übertragungsstrecke 3B des Lichtwellenlei¬ ters 3 und die zwischen dem anderen Ende 3E und der Meß- Windung 3C liegende zweite Übertragungsstrecke 3D sind nun so miteinander verflochten, daß wenigstens ein Kreu¬ zungspunkt Pl für ihre Lichtwege gebildet wird. Vorzugs¬ weise sind, wie in den Figuren dargestellt, N Kreuzungs¬ punkte Pl, 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 Polarisationsebene des sich in den Übertra-

gungsstrecken 3B und 3D ausbreitenden linear polarisierten Lichtes stattfinden kann. Dadurch können Störmagnetfelder unterdrückt werden. Die Lichtschleifen sind vorzugsweise möglichst klein gewählt durch Anpassung der Anzahl N der Kreuzungspunkte Pl bis PN an die Längen der Übertragungs¬ strecken 3B und 3D.

Das andere Ende 3E der Übertragungsstrecke 3D ist vorzugs¬ weise in unmittelbarer Nähe zur Übertragungsstrecke 3B und im allgemeinen auch zum ersten Ende 3A angeordnet. Damit wird zwischen dem dem Ende 3E entlang der Lichtwege am nächsten liegenden Kreuzungspunkt PN und dem Ende 3E eine weitere quasi geschlossene Lichtschleife gebildet.

Die Verflechtung der beiden Übertragungsstrecken 3B und 3D kann auch bei einer Anordnung vom Transmissionstyp durch¬ geführt werden, bei der das andere Ende 3E des Lichtwel¬ lenleiters 3 nicht verspiegelt, sondern an einen entspre¬ chenden Anschluß der Sende- und Auswerteeinheit 4 optisch gekoppelt ist. Eine solche Anordnung vom Transmissionstyp ist in FIG. 2 dargestellt. Auch in dieser Ausführungsform kann durch Anordnung des Endes einer Übertragungsstrecke 3B oder 3D in unmittelbarer Nähe zur anderen Übertragungs¬ strecke 3B bzw. 3D eine weitere Lichtschleife gebildet werden.

Die Sende- und Auswerteeinheit 4 enthält vorzugsweise eine Lichtquelle 41, einen optoelektrischen Wandler 43 und eine Auswerteelektronik 44. Beim Reflexionstyp gemäß FIG. 1 ist zwischen der ersten Übertragungsstrecke 3B und der Licht¬ quelle 41 sowie dem Wandler 43 zusätzlich eine Strahlteil¬ vorrichtung 42 vorgesehen zum getrennten Ein- und Aus-

koppeln des von der Lichtquelle 41 kommenden linear pola¬ risierten Lichts und des durch die Meßwindung 3C gelaufe¬ nen Lichts mit gedrehter Polarisationsebene. Beim Trans¬ missionstyp gemäß FIG. 2 wird das linear polarisierte Licht der Lichtquelle 41 dagegen direkt in die erste Über¬ tragungsstrecke 3B eingekoppelt, durchläuft die als Fara¬ day-Element vorgesehene Meßwindung 3C einmal und wird aus der zweiten Übertragungsstrecke 3D direkt in den Wandler 43 eingekoppelt. Die Lichtquelle 41 enthält vorzugsweise eine Laserdiode mit einer entsprechenden elektrischen Ver¬ sorgung. Der optoelektrische Wandler 43 umfaßt vorzugs¬ weise ein Wollaston-Prisma 43A und zwei entsprechende Empfangs-Photodioden 43B und 43C zum Umwandeln des von dem Wollaston-Prisma kommenden ordentlichen bzw. außerordent- liehen Lichtstrahls. Die elektrischen Signale der

Empfangs-Photodioden 43B und 43C werden vorzugsweise über zugeordnete Verstärker 43D bzw. 43E auf die Auswerteelek¬ tronik 44 geschaltet und dort beispielsweise als Diffe¬ renzmeßsignal ausgewertet.

Die Maßnahmen gemäß der Erfindung können auch bei anderen optischen Meßanordnungen zur Strommessung vorteilhaft ein¬ gesetzt werden. Insbesondere können anstelle der in der Figur dargestellten Meßwindungen 3C als dem Stromleiter 2 zugeordnetes Faraday-Element allgemein Körper aus den Faraday-Effekt aufweisenden Materialien, beispielsweise Glas, vorgesehen werden. Vorzugsweise wird ein einziger, zusammenhängender Faraday-Körper oder eine Anordnung ein¬ zelner, optisch hintereinandergeschalteter Faraday-Teil- körper derart vorgesehen, daß mit dem Faraday-Körper bzw. der Anordnung der Teilkörper ein geschlossener Lichtpfad um den Stromleiter 2 gebildet ist. Ein derartiger Faraday- Körper bzw. eine derartige Faraday-Meßanordnung ist bei-

spielsweise aus EP-B-0 088 419 bzw. US 5 008 611 bekannt.

Die Ubertragungsstrecken 3B und 3D sind dann mit separaten und vorzugsweise aus dem gleichen Material bestehenden Lichtwellenleitern gebildet, über die linear polarisiertes Licht übertragen werden kann und die optisch an das Fara¬ day-Element angekoppelt sind. Solche separaten, polari- sationserhaltenden Lichtwellenleiter als Übertragungs- strecken können auch bei Ausführungsformen mit einer oder mehreren Meßwindungen 3C als Faraday-Element vorgesehen sein. Beispielsweise können als polarisationserhaltende Lichtwellenleiter. Monomode-Lichtfasern wie HiBi (High Birefringence)-Fasern oder polarisationsneutrale LoBi (Low Birefringence)-Fasern verwendet werden.

Wenn die Ubertragungsstrecken 3B und 3D eine gegenüber der durch den Strom bewirkten Faraday-Drehung nicht vernach¬ lässigbare intrinsische Doppelbrechung aufweisen, kann auch bei einer geschlossenen Lichtschleife noch ein Meß- fehler aufgrund von Störmagnetfeldern auftreten. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist deshalb eine geradzahlige Anzahl von mit den beiden Übertragungs- strecken gebildeten Lichtschleifen vorgesehen. Bei einer solchen Anordnung mit einer geradzahligen Anzahl von Lichtschleifen wird zusätzlich durch den gegenläufigen, alternierenden Umlaufsinn des Lichts in jeder der Licht¬ schleifen ein Kompensationseffekt für die zusätzlichen Meßfehler erreicht, die aufgrund intrinsischer linearer Doppelbrechung in den Ubertragungsstrecken auftreten können. Eine geradzahlige Anzahl von Lichtschleifen kann erreicht werden, indem man eine ungeradzahlige Anzahl N ^ 3 von Kreuzungspunkten Pl bis PN wählt oder indem man eine geradzahlige Anzahl N > 2 von Kreuzungspunkten Pl bis

PN wählt und gleichzeitig ein vom Faraday-Element abge¬ wandtes Ende einer der beiden Ubertragungsstrecken in räumlicher Nähe zur anderen Übertragungsstrecke anordnet, so daß damit eine zusätzliche, quasi geschlossene Licht¬ schleife gebildet wird.