Faseroptischer Stromsensor für die elektro-chemische Industrie, der Sensor ist an den Stromschienen montiert

30.05.2005 Frankfurt Seite 105 0

Faseroptischer Stromsensor

"Blackouts" wie im Sommer 2003, als in den USA und Kanada, aber auch in Italien, Schweden, Dänemark und London Millionen Menschen plötzlich im Dunkeln standen und in U-Bahnen festsaßen, haben gezeigt: Die Hochspannungsnetze müssen noch zuverlässiger und effizienter überwacht werden.

Die Stromübertragung und -verteilung erfolgt über Hochspannungsunterstationen. Dabei muss der Strom rund um die Uhr kontinuierlich gemessen werden. Konventionell geschieht das mit Messwandlern. Deren Lebensdauer beträgt typischerweise 30 bis 40 Jahre. Gerade im liberalisierten Strommarkt, in dem (auch ungeplante) Energieflüsse grenzüberschreitend an zahllosen Schnittstellen zwischen den Marktteilnehmern zu messen sind, werden jedoch zukünftig noch genauere und zuverlässigere Strommessungen erforderlich - in der Energieverrechnung, der Kontrolle und zum Schutz von Hochspannungsanlagen. Dabei wird in Zukunft digitale Sekundärelektronik eine immer wichtigere Rolle spielen.

Der faseroptische Stromsensor aus dem ABB-Forschungszentrum wird diesen Anforderungen gerecht. Die Strommessung erfolgt berührungslos: Der Sensor nutzt den Faraday-Effekt, also den Einfluss des Magnetfeldes auf die Lichtgeschwindigkeit in einer optischen Glasfaser. Um den Strom zu messen, werden Lichtwellen in eine optische Glasfaser eingekoppelt. Die Faser umschliesst den Stromleiter mit einer oder mehreren Windungen. Im Magnetfeld des Stromes laufen die Wellen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und benötigen deshalb unterschiedliche lange Zeiten, um die Faser zu durchlaufen. Der Laufzeitunterschied wird umso größer, je höher der Strom ist und je mehr Faserwindungen um den Leiter gelegt sind. Gemessen wird der Wegunterschied zwischen den Wellen nach Durchlaufen der Faser. Er beträgt Bruchteile der Wellenlänge des Lichts (820 Nanometer) und kann mit sehr hoher Präzision ermittelt werden.

Schematischer Aufbau des faseroptischen Stromsensors

Die Messgenauigkeit liegt innerhalb von 0,2 oder 0,1 Prozent bei Temperaturen zwischen - 40°C und + 85°C. Außerdem haben mechanische Erschütterungen keinerlei Einfluss auf das Messergeb-nis. Der Sensor ist herkömmlichen Messwandlern daher in vielen Belangen weit überlegen:

  • Eine dünne Glasfaser ersetzt Kupfer, Eisen und Isoliermaterial. Aufwändige und teure Installationen entfallen.
  • Der Messbereich ist deutlich größer, die Genauigkeit wird insbesondere bei hohen Strömen deutlich verbessert.
  • Anders als bei konventionellen Messwandlern sind permanente Schäden als Folge von zu hohen Überströmen ausgeschlossen; ebenso Umweltschäden durch auslaufendes Öl.
  • Die hohe Bandbreite macht zum Schutz der Anlage schnellere Reaktion auf Kurzschlussströme möglich. Auch die "Qualität" des Stroms lässt sich ermitteln ("power quality monitoring").
  • Weil es nur eine Glasfaserverbindung gibt, ist die Sekundärelektronik (Leittechnik, Schutzgeräte etc.) vor Schäden oder elektromagnetischen Störungen durch Hochspannungseinflüsse geschützt.
  • Das digitale Signal des faseroptischen Sensors ist direkt kompatibel mit künftiger digitaler Sekundärelektronik.#

Der faseroptische Stromsensor wurde jedoch nicht nur für den Einsatz in Hochspannungsnetzen entwickelt: Er ist im Unterschied zu konventionellen Messwandlern sowohl für Wechselströme als auch für Gleichströme geeignet: In der elektrochemischen Industrie, also beispielsweise bei der Herstellung von Aluminium, Kupfer, Mangan, Zink, Chlor etc., werden hohe Gleichströme bis zu 500.000 Ampere gemessen. Die Strommessung dient hier vor allem der Prozesskontrolle und -regelung.

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