DE19514342C1 - Stromwandler, geeignet zur Stromstärkemessung an/in auf Hochspannung liegenden elektrischen Einrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromwandler nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Dieser wird zur Stromstärkemessung an/in auf Hoch-/Mittelspannung liegenden elektrischen Einrichtungen, wie z. B. Freileitungen, Kabel, Umspanneinrichtungen, Wandler und dergleichen verwendet.

Ein derartiger Stromwandler ist aus dem DE-GM 72 22 482 bekannt.

Ein die Erfindung betreffender Stromwandler ist in Ober­ flächenwellentechnik ausgeführt, nämlich weist als wesentliches Bauelement eine elektroakustische Oberflächenwellenanordnung mit Oberflächenwellenstrukturen auf.

Für die Erfindung einschlägige Oberflächenwellenanordnungen sind bekannt aus WO 93/13495, WO/CH 93/00252, US-A-3,273,146, US-A-4,725,841, US-A-4,620,191.

In den genannten Druckschriften sind Aufbau- und Betriebswei­ sen verschiedenartiger Oberflächenwellenanordnungen beschrie­ ben, die alle gemeinsam haben, daß mittels eines Interdigi­ talwandlers aus einem elektrischen Signal in einem piezoelek­ trischen Substratkörper Oberflächenwellen erzeugt werden, die sich im Regelfall im wesentlichen senkrecht zur interdigita­ len Ausrichtung der Wandlerelektroden in der Oberfläche des Substratkörpers ausbreiten. Mit einem zweiten Interdigital­ wandler, der auch der bereits voranstehend beschriebene Wandler in Doppelfunktion sein kann, ist es möglich, aus der Oberflächenwelle ein charakteristisch verändertes Hochfre­ quenzsignal zurückzugewinnen. Wie im Stand der Technik be­ schrieben, kann eine solche Oberflächenwellenanordnung noch weitere Strukturen wie Reflektorstrukturen, weitere Wandler­ strukturen usw. umfassen, die z. B. auch dispersive Anordnung der Reflektor-/Wandlerfinger, codierte Anordnung der Finger und dgl. aufweisen können.

Wesentlicher Gesichtspunkt und Inhalt der vorliegenden Erfin­ dung ist, daß der Stromwandler ein funkabfragbares, passives, d. h. keine (galvanische) Stromzuführung erforderndes Sensor­ teil in Oberflächenwellentechnik hat, dem von einem ortsent­ fernten Hochfrequenzsender ein Hochfrequenzsignal, z. B. ein Burst-Impuls, ein FM-CW-Signal, ein gechirpter Impuls und dgl. zugesandt wird. Die Oberflächenwellenanordnung des Sensor­ teils, d. h. deren Eingangswandlerstruktur ist dazu mit einer Antenne zum Funk-Empfang dieses zugesandten Impulses ausgerü­ stet. Eine entsprechende Antenne, die mit einer zweiten Wand­ lerstruktur der Oberflächenwellenanordnung verbunden ist oder im bereits erwähnten Falle einer Wandlerstruktur mit Doppel­ funktion dieselbe Antenne ist, wird dazu verwendet, das Im­ pulsantwortsignal der Oberflächenwellenanordnung zurückzusen­ den, das in einem ortsentfernten Empfänger zu empfangen ist. Das zurückgesandte Impulsantwortsignal ist im Regelfall ge­ genüber dem von der Oberflächenwellenanordnung empfangenen Signal verschieden, nämlich entsprechend dem zu ermittelnden Stromstärke-Meßwert, und zwar dies durch entsprechende physi­ kalische Einwirkung auf die Oberflächenwellenanordnung.

Funkabfragbare Oberflächenwellenanordnungen werden bereits z. B. in Gebührensystemen an Autostraßen, -tunnels und dgl. benutzt, wo es jedoch auf die Detektierung vorprogrammierter individueller Kodierung des Impulsantwortsignals zur Objekt-Identifizierung ankommt. Auch in der Meßtechnik sind funkab­ fragbare Oberflächenwellenanordnungen verwendet worden, wobei diese im Regelfall als Verzögerungsleitungen aufgebaut sind und für den Meßzweck Maßnahmen ergriffen sind, daß die zu er­ mittelnde Meßgröße in der Oberflächenwellenanordnung eine Laufzeitveränderung der akustischen Welle bewirkt. Diese Laufzeitveränderung kann auf einem von einer (quer zur Kaufrichtung der Oberflächenwelle gerichteten) elektrischen Feld im Substratkörper beruhen, das z. B. durch piezoelektrischen Effekt im entsprechenden Teilbereich des Substratkörpers Laufzeitveränderung herbeiführt (EP 0166065). Es ist z. B. ein Temperatursensor mit Änderung der Laufzeit der Welle bekannt (EP 0465029). Eine Anordnung, die eine Widerstandsveränderung einer auf der Oberfläche des Substratkörpers der Oberflächen­ wellenanordnung angebrachten organischen Schicht ausnutzt, eignet sich zur Messung einer Oberflächenbeladung dieser Schicht, z. B. mit einer zu identifizierenden/quantitativ zu messenden chemischen Substanz (Electronics Letters, Band 23 (1987), Nr. 9, S. 446/447). Auch ist ein einschlägiger Druck­ messer bekannt, bei dem die im Material des Substratkörpers der Oberflächenwellenanordnung druckabhängig veränderte me­ chanische Eigenschaft des Körpers, z. B. Biegung, eine Lauf­ zeitveränderung der akustischen Welle bewirkt und zur Meßwer­ termittlung nutzbar macht (Proceedings IEEE, Band 64 (1976), S. 754-6). Bei den hier letztgenannten Anordnungen ist jedoch ein Fernabfragen per Funk nicht vorgesehen. Ebenfalls für sich genommen sind in anderem Zusammenhang magneto-sensitive Sensoren z. B. aus DE-A-38 28 005 und aus "Magneto-resistive Sensoren, Grundlagen . . . ", Vorträge zum Symposium 25. Juni 1992, Dortmund, Dienstleistungszentrum MIOK, Institut für ange­ wandte Physik Universität Jena, bekannt.

Es liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen vorteilhaften Stromwandler der eingangs genannten Art zur Messung von (Stärke und Phase von) Strömen in auf hoher Spannung liegenden Einrichtungen anzugeben, der keine besondere Justierung erfordert.

Eine solche Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patent­ anspruch 1 dazu angegebenen Merkmalen gelöst.

Mit der Erfindung ist in einfacher Weise eine potentialfreie Messung mit auf Erdpotential befindlicher Auswerteeinheit in Hochspannungs-/Mittelspannungs-Anlagen möglich. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Einrichtung sehr störunempfindlich, wartungsfrei und hat eine lange Lebensdauer. Der auf Hoch­ spannungspotential liegende Sensoranteil der Einrichtung hat nur geringe Baugröße und geringes Gewicht. Eine erfindungsge­ mäße Einrichtung bedarf auch keiner besonderen Justierung oder sonstiger Ausrichtung der einerseits auf Hochspannungs­ potential liegenden und andererseits der auf Erdpotential liegenden Anteile der Einrichtung.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das magneto-sensitive Element ist vorzugsweise ein magneto­ resistives elektrisches Element (magnetfeldabhängige Impe­ danz), das mit wenigstens einer der Oberflächenwellenstruktu­ ren der Oberflächenwellenanordnung elektrisch verbunden ist. Es kann auch eine Schicht oder ein Träger aus magneto-strik­ tivem Material vorgesehen sein, die/der durch Aufbringen auf der Oberseite oder Unterseite des Substratkörpers mit der Oberflächenwelle der Oberflächenwellenstruktur mechanisch ge­ koppelt ist.

Weitere Erläuterungen der Erfindung werden anhand der beige­ fügten Figuren gegeben.

Fig. 1 zeigt eine prinzipielle Darstellung eines einfachen Beispiels eines erfindungsgemäßen Stromwandlers in einer beispielsweisen Betriebsanordnung,

Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Ausfüh­ rungsbeispiels auf der Basis des Beispiels der Fig. 1,

Fig. 3 und 3a zeigen weitere Beispiele eines erfindungsgemä­ ßen Stromwandlers,

Fig. 4 zeigt eine besondere Ausgestaltung eines Stromwand­ lers des Beispiels der Fig. 3,

Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Stromwand­ lers in einem Stromkabel,

Fig. 6, 7 und 8 zeigen spezielle Ausführungsformen der Oberflächen-Wellenanordnung für einen erfindungsgemä­ ßen Stromwandler,

Fig. 9 und 10 zeigen Ausführungsformen eines erfindungsge­ mäßen Stromwandlers, der eine magneto-striktive Schicht/Trägerplatte als magneto-sensitives Element hat.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Hochspannungsleitung bezeichnet, wie sie z. B. als Leiterseil an Hochspannungsmasten verwendet wird. Im stromdurchflossenen Zustand der Leitung 1 ist um diese ein ringförmiges Magnetfeld M erzeugt, das bei einem Wechselstrom periodisch seine Umlaufrichtung ändert. Um im Be­ reich des erfindungsgemäßen Sensors eine definierte Führung dieses Magnetfeldes M zu haben, ist ein Weicheisenring 3 mit Magnetspalt vorgesehen. In dessen Wirkungsbereich ist beim Beispiel der Fig. 1 als magneto-resistives Element ein Ma­ gnetwiderstand 12 angeordnet. Dieser Magnetwiderstand kann z. B. eine bekannte Feldplatte sein, die magneto-resistive Ei­ genschaft hat.

Die Oberflächenwellenanordnung 21 hat beim Beispiel der Fig. 1 eine sehr einfache Ausgestaltung, an der jedoch das Wesent­ liche der Wirkungsweise einer bei der Erfindung verwendeten Oberflächenwellenanordnung erläutert werden kann. Mit 22 ist der bekanntermaßen piezoelektrische Körper oder das Substrat der Oberflächen­ wellenanordnung 21 bezeichnet. Auf der einen Oberfläche die­ ses Körpers 22 ist eine interdigitale Wandlerstruktur 23 in bekannter Weise angeordnet. Mit 24 ist die aus zwei Dipol­ hälften bestehende Antenne bezeichnet. Es können aber auch andere einschlägige Antennenstrukturen, wie z. B. eine Patch-Antenne, Schleifenantenne oder dergleichen, vorgesehen sein. Ein hochfrequentes Abfragesignal 300 wird von dieser Antenne 24 aufgenommen und die zwischen den beiden Dipolen auftre­ tende elektrische Hochfrequenzspannung speist die beiden in­ terdigitalen Fingerstrukturen des Wandlers 23. Die mit dem Wandler 23 als Eingangswandler erzeugte Oberflächenwelle 25 läuft auf/in der Oberfläche des Substratkörpers 22. Eine sol­ che Welle ist mit 25 schematisch angedeutet. Sie gelangt auf ihrem Weg auch in den Wirkungsbereich der Struktur 26, die aufgrund ihrer Finger als Reflektor für die Welle 25 wirksam ist. Da die Struktur 26 jedoch (ebenfalls) als interdigitale Fingerstruktur ausgeführt ist und an deren beide Interdigi­ talstrukturen das magneto-resistive Element 12, wie aus der Fig. 1 ersichtlich, elektrisch angeschlossen ist, wird in der Struktur 26 vermöge der akustischen Oberflächenwelle zu­ sätzlich auch eine elektrische Hochfrequenzspannung erzeugt, zu der das magneto-resistive Element 12 als elektrischer Ab­ schlußwiderstand wirksam ist. Da von der Amplitude des Ma­ gnetfeldes B abhängig der elektrische Widerstand des Elemen­ tes 12 sich ändert, wirkt sich eine Amplitudenänderung des Magnetfeldes B als Änderung des elektrischen Abschlußwider­ standes der Struktur 26 aus. Es bildet sich eine Beeinflus­ sung aus, die allerdings nur im Extremfall zwischen sehr hochohmigem Abschlußwiderstand und nahezu Kurzschluß-Ab­ schlußwiderstand liegt, und zwar abhängig von der Amplitude des Magnetfeldes B, d. h. abhängig von der Stärke des dieses Magnetfeld erzeugenden, in der Leitung 1 fließenden Stromes. Durch passend gewählte Dimensionierung der elektrischen Werte des Elementes 12 kann ein jeweils günstiger Meßgröße-Bereich des magnetfeldgesteuerten Abschlußwiderstandes, eingestellt werden. Das Impulsantwortsignal ist mit 310 bezeichnet.

Mit anderen Worten, wirkt das Element 12 also als Abschlußim­ pedanz, worin ein neues Merkmal der Erfindung liegt.

In der bekannten P-Matrix-Darstellung eines Wandlers läßt sich die Reflexion dieses Wandlers als Funktion seines elek­ trischen Abschlusses folgendermaßen darstellen:

worin P₁₁ (SC) der Kurzschluß-Reflexionsfaktor, P₁₃ die elek­ troakustische Konversion, P₃₃ die Wandleradmittanz und Y_Last die Abschlußadmittanz sind.

Es ist zweckmäßig, (jeweils) eine schmalbandige Antenne vor­ zusehen, um die Einrichtung gegen sonstige elektromagnetische Störungen zu schützen.

In Fig. 1 ist im Flußkreis des Eisenkernes 3 noch ein Perma­ nentmagnet 4 mit den Polen N und S eingefügt. Dieses Perma­ nentmagnetfeld ist im Spalt 5 einem periodischen Magnetfeld überlagert, das dem Wechselstrom entspricht, der in der Lei­ tung 1 fließt. Mit dem Permanentmagnetfeld kann der Arbeits­ punkt der Anordnung so geändert werden, daß der magnetische Fluß im Spalt 5 selbst bei größter Stromstärke in der Leitung 1 keinen Null-Durchgang erfährt, d. h. eine Arbeitspunktver­ schiebung erzielt ist. Damit läßt sich also gleichbleibend gerichteter (jedoch amplitudenmäßig von der Stromstärke ab­ hängiger) Magnetfluß B im Spalt 5 erzielen, was ermöglicht, auch die Flußrichtung des zu messenden Stromes mitzubestim­ men.

Eine für die Praxis vorteilhafte Verbesserung zeigt die Fig. 2 in wiederum schematischer Weise. In Fig. 2 sind zwei wie in Fig. 1 dargestellte Anordnungen an ein und derselben Stromleitung 1 vorgesehen. Diese beiden Anordnungen unter­ scheiden sich voneinander darin, daß der Permanentmagnet 14 der zweiten Anordnung gegenüber dem Permanentmagneten 4 ent­ gegengesetzt gepolt ist. Es ist also in beiden Anordnungen eine Arbeitspunktverschiebung bewirkt, und zwar in der zwei­ ten Anordnung hinsichtlich der Flußrichtung B im Spalt 15 entgegengesetzt der Flußrichtung im Spalt 5. Die gemeinsame Auswertung dieser beiden, entgegengesetzten Arbeitspunkt-ver­ schobenen Änderungen im Bereich der beiden magneto-resistiven Elemente als Abschlußwiderstände in den beiden Anordnungen 21 und 21′, d. h. das Auftreten gegenphasiger Meßsignale an den Dipolen der Antennen 24 und 124 führt zu noch besserem Er­ gebnis. Im Auswertegerät wird die Differenz der beiden Im­ pulsantworten der beiden Oberflächenwellen-Anordnungen 21 und 21′ ausgewertet. Dies bewirkt, daß sonstige störende Ein­ flüsse minimiert sind.

Auf der Basis der Erfindung läßt sich eine weitere Ausfüh­ rungsform eines erfindungsgemäßen Stromwandlers angeben, der wiederum zugleich Stromstärke und Stromrichtung zu ermitteln gestattet. Die Fig. 3 zeigt eine solche Ausführung mit einem von transformatorischen Umwandlern her bekannten Ringkern 103 aus ferromagnetischem Material mit darauf befindlicher Ring­ kernwicklung 104. Die beiden Anschlüsse a und b dieser Wick­ lung 104 sind mit einer zu diesen Anschlüssen parallel lie­ genden spannungsabhängigen Impedanz VDX verbunden. Diese spannungsabhängige Impedanz bildet zusammen mit der Wicklung 104 im Sinne der Erfindung ein magneto-sensitives Element, das die dem betreffenden Oberflächenwellenwandler hinzuge­ schaltete Abschlußimpedanz ist (wie sie bei den Ausführungs­ formen der Fig. 1 und 2 vorgesehen ist). Die Oberflächen­ wellenanordnung 121 des Ausführungsbeispiels der Fig. 3 hat wiederum den Eingangs-/Ausgangswandler 23 mit der damit ver­ bundenen Antenne 24. Zur Detektion der Stromrichtung des zu messenden, in der Hochspannungsleitung 1 fließenden Stromes, ist der weitere Wandler 126 der Oberflächenwellenanordnung 121 vorgesehen, der mit einem Schalter 1126 verbunden ist. Je nach Vorzeichen/Richtung der an der Impedanz VDX anliegenden elektrischen Spannung, ist dieser Schalter 1126 geschlossen oder geöffnet, d. h. der Wandler oder die zweite Oberflächenwellenstruktur 126 offen oder kurzgeschlos­ sen. Die Oberflächenwellenanordnung 121 ermöglicht somit, aus der vom Wandler 23 ausgesandten und von diesem wieder empfangenen akustischen Welle aus dem von der augenblickli­ chen Größe der Impedanz VDX abhängigen Reflexionsvermögen des Wandlers 26 den Betrag und aus der Laufzeitbeeinflussung im offenen oder kurzgeschlossenen Wandler 126 Betrag und Rich­ tung des im Leiter 1 momentan fließenden elektrischen Stromes zu ermitteln.

Die Fig. 3a zeigt eine zur Fig. 3 zusätzliche Ausgestaltung zur Ermittlung von Betrag und Richtung des Stromes. Mit 105 ist eine Gleichrichter-Brückenschaltung und mit 106 ein Tran­ sistor bezeichnet. Wie aus der Fig. 4 ersichtlich, sind der eine Wandler 26 und der zusätzliche Wandler 126 mit der Schaltung 105/106 verbunden. Die Schaltung 105 liefert den momentanen Betrag und der als Schalter wirksame Transistor 106 das Vorzeichen des augenblicklich gemessenen Stromes.

Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform bei der gegenüber der Fig. 3 die Impedanz VDX (und der Schalterkreis) entfällt und die magnetfeldabhängige Spannung der Spule 104 direkt,an ein Elektrodenpaar 526 angelegt ist, mit dem im Substrat 22 der Oberflächenwellenanordnung im Bereich der Ausbreitungsstrecke 25 der akustischen Welle eine Elektrostriktion im piezoelek­ trischen Material erzeugt wird. Diese von der jeweiligen Höhe der anliegenden Spannung abhängige Striktion bewirkt als Sen­ soreffekt eine davon abhängige Laufzeitbeeinflussung der Oberflächenwellenanordnung.

Die Fig. 5 zeigt eine der Erfindung gemäße Ausführungsform für die Anwendung bei einem Hochspannungskabel. Mit 31 ist der Außenleiter und mit 32 der koaxial angeordnete Innenlei­ ter des Kabels 30 bezeichnet. Im Raum zwischen Innenleiter und Außenleiter befindet sich ein Isolationsmittel, z. B. SF₆. Ein erfindungsgemäßer Stromwandler mit seinem magneto-sensi­ tiven Element und seiner Oberflächenwellenanordnung ist als Wandler 33 auf der Oberfläche des Innenleiters als Wandler 33 oder alternativ (um mögliche Überschläge zu vermeiden) als Wandler 33′ innen an der Wand des Innenleiters angebracht. Die Fig. 5 zeigt lediglich ein Prinzipbild der Oberflächen­ wellenanordnung 33 mit den Dipolhälften der Antenne 34. Um Funk-Abfragung durchführen zu können, ist im Außenleiter und gegebenenfalls auch im Innenleiter des Kabels (je ein Schlitz 35, 35′) für das Hindurchtreten des Funkfeldes ins Kabelin­ nere vorgesehen. Mit Rücksicht auf die Gasfüllung ist ein solcher Schlitz entsprechend gasdicht mit dielektrischem Ma­ terial zu verschließen. Alternativ kann das Abfragesignal auch in Form einer im Rohrleiter-Zwischenraum zwischen Innen­ leiter und Außenleiter ausbreitungsfähigen Hohlleiterwelle zugeführt werden. Die Anregung dieser Hohlleiterwelle kann dabei auch an einem entfernteren Ort im Rohrleiter erfolgen. Die Fig. 5a zeigt eine Aufsicht mit aufgeschnittenem Außen­ leiter 31 auf die Oberfläche des Innenleiters 32 mit dem auf dieser angebrachten Stromwandler 33.

Wie schon in Fig. 1 gezeigt, kann das magneto-sensitive Ele­ ment, in Fig. 1 als mäanderförmiger magnetfeldempfindlicher Widerstand dargestellt, integral mit auf dem Substrat­ plättchen 22 der jeweiligen verwendeten Oberflächenwellenan­ ordnung angeordnet sein. Anstatt eines solchen mäanderförmi­ gen Widerstandes kann das magneto-sensitive Element auch ein flächenförmig ausgedehntes Element sein.

Die Oberflächenwellenanordnung kann auch als zusätzlicher Oberflächenwellen-Chip dem impedanzgebenden Sensor hybrid hinzuintegriert sein. Es kann (auch) von Vorteil sein, als Substrat für die Oberflächenwellenanordnung eine piezoelek­ trische Schicht, z. B. aus Zinkoxid, vorzusehen, die auf dem Trägersubstrat des sensitiven Elements aufgebracht ist, wobei das Element z. B. ein Halbleiterelement auf bzw. in einem Si­ liziumsubstrat ist.

Eine solche hybride Anordnung kann insbesondere aus Montage­ gründen, jedoch auch aus Gründen geringerer Störempfindlich­ keit vorgesehen sein.

Weitere Verbesserungen hinsichtlich der Signalauswertung las­ sen sich mit speziellen vorteilhaft ausgestalteten Oberflä­ chenwellenanordnungen erzielen. Die Fig. 6 zeigt eine Ober­ flächenwellenanordnung mit wiederum einem Substratplättchen 22 und darauf vorhandenen Oberflächenwellenstrukturen. Mit 23 ist wiederum der Eingangs-/Ausgangswandler bezeichnet, an den die Dipolhälften der Antenne 24 zum Funkempfang und Funk-Rücksendung angeschlossen sind. Der mit dem magneto-sensiti­ ven Element 12, verbundene, als Oberflächenwellenreflektor dienende Wandler 26 ist auf dem Plättchen 22 auf der einen Seite des Wandlers 23 angeordnet. Auf der dazu anderen Seite der Oberfläche des Plättchens 22 sind in Fig. 6 zwei Refe­ renz-Reflektoren 226 und 326 vorgesehen, die dazu dienen, zu­ sätzlich zur Strommessung auch die Distanz zwischen dem Sen­ der/Empfänger und dem Sensorelement 12 des Stromwandlers und auch die Temperatur des Sensorelements zu bestimmen. Bei im Winde schwankenden Hochspannungsleitungen ändert sich bekann­ termaßen ständig die Entfernung zwischen dem mit der Leitung verbundenen Teil des erfindungsgemäßen Stromwandlers und sei­ nem als Bodenstation aufgebautem Anteil. Für die Distanzmes­ sung und die Temperaturmessung ist dabei davon ausgegangen, daß sich das eigentliche Sensorelement 12 ebenfalls auf dem Plättchen befindet oder diesem gegenüber in definiertem ge­ ringem Abstand positioniert ist. Mit der Bestimmung der Di­ stanz(-änderungen) und der Temperatur des Sensorelements kön­ nen beispielsweise mögliche bekannte Querempfindlichkeiten des Sensorsignals in der Signalverarbeitung eliminiert wer­ den.

Weitere zur Signalauswertung geeignete Oberflächenwellenan­ ordnungen zeigen die Fig. 7 und 8. Die Fig. 7 zeigt eine Anordnung mit moden-gekoppelten Wandlern. Die mit 71 und 71′ bezeichneten Wandler auf dem Substratplättchen 22 sind Ein­ gangs-/Ausgangswandler mit ihren Dipolhälften der Antenne 24. Der Wandler 72 ist ebenfalls eine Oberflächenwellenstruktur, die mit den Wandlern 71, 71′ moden-gekoppelt ist. Dieser mo­ den-gekoppelte Wandler 72 ist mit dem magneto-sensitiven Ele­ ment 12 verbunden und die Änderung seiner Abschlußimpedanz, d. h. die Änderung des Elements 12 im Magnetfeld, ist die wie bei den vorangehend beschriebenen Beispielen auszuwertende Meßgröße.

Fig. 8 zeigt eine Oberflächenwellen-Resonatoranordnung. Diese umfaßt auf dem Substrat 22 die Eingangs-/Ausgangswandler 23, 23′ und den Wandler 26, der mit dem ma­ gneto-sensitiven Element wie gehabt verbunden ist. Mit 123 und 123′ sind Reflektorstrukturen bezeichnet, an denen die in der Substratoberfläche verlaufende akustische Welle in sich wieder zurückreflektiert wird, so daß diese Reflektoren wie Spiegel eines Resonators wirksam sind.

Eine Eichung/Kalibrierung eines erfindungsgemäßen Stromwand­ lers erfolgt in an sich bekannter Weise, wie sie vielfach zur Eichung von quantitativ messenden Sensoren/Meßeinrichtungen Anwendung findet.

Bei der Auswahl des magneto-sensitiven Materials/Elements ist es vorteilhaft, ein solches mit hoher Curie-Temperatur vorzu­ sehen, die deutlich über der maximalen Betriebstemperatur des Sensorelementes liegt. Als magneto-sensitives Mater­ ial/Element eignen sich eine Feldplatte, eine (Giant) magne­ to-resistive Schicht, eine (Giant) magneto-striktive Schicht und dergleichen.

Als magneto-striktives Beschichtungsmaterial für den Substratkörper der Oberflächenwellenanordnung eignen sich insbesondere auch amorphe Gläser, wie z. B. Fe₄₀Ni₃₈Mo₄B₁₈, das hervorragende weichmagnetische Eigenschaften bei gleich­ zeitig sehr guten mechanischen Eigenschaften hat sowie Terfe­ nol.

Die Fig. 9 zeigt eine Oberflächenwellenanordnung mit wie schon oben erwähnter magneto-striktiver Beschichtung. Der wiederum mit 22 bezeichnete Substratkörper der Oberflächen­ wellenanordnung ist mit der Schicht 43 aus z. B. dem oben an­ gegebenen Eisen-Nickel-Molybdän-Bor-Glas beschichtet. Im ma­ gnetischen Feld im Spalt 5 des weichmagnetischen Eisenringes 3 erfährt die Schicht 43 der dort positionierten Oberflächen­ wellenanordnung magneto-striktive Beeinflussung, die zu Lauf­ zeitänderungen im Bereich dieser Schicht 43 für die Oberflä­ chenwelle der Oberflächenwellenanordnung führt. Diese Lauf­ zeitänderung ist die Meßgröße, die über die momentane Größe des Magnetfeldes die momentane Stromstärke zu ermitteln ge­ stattet. Im übrigen arbeitet ein erfindungsgemäßer Stromwand­ ler so, wie dies für die voranstehend beschriebenen Oberflä­ chenwellenanordnungen und deren Signalauswertung bereits er­ läutert ist.

Die Fig. 10 zeigt eine wiederum magneto-striktiven Effekt ausnutzende Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Stromwand­ lers. Hier befindet sich das relativ dünne Substratplättchen 22 der Oberflächenwellenanordnung auf einer vergleichsweise gleich dicken oder dickeren magneto-striktiven Trägerplatte 122. Befindet sich entsprechend erfindungsgemäßer Anwendung des Stromwandlers diese magneto-striktive Trägerplatte 122 im Wirkungsbereich des Magnetfeldes 5 der Fig. 1/2, so er­ fährt das Material dieser Trägerplatte 122 eine Änderung der geometrischen Abmessungen, insbesondere magnetfeldabhängige Verkürzung/Verlängerung. Eine solche Längenänderung bewirkt, daß die Substratplatte 22 mechanischer Spannungsbelastung ausgesetzt ist, die wiederum zu Laufzeitänderungen der Ober­ flächenwelle zwischen dem Eingangs-/Ausgangswandler 23 und einer Reflektorstruktur 1026 der eigentlichen Oberflächenwel­ lenanordnung führt. Auch diese Laufzeitänderung kann als Meß­ größe für die zu messende elektrische Stromstärke in der Hochspannungsleitung benutzt werden.

Die Abfrage- und Auswerteeinheit eines erfindungsgemäßen Stromwandlers umfaßt einen lokalen Sendeoszillator, dessen Sendesignale schaltergesteuert über eine Endstufe und Sende-/Empfangsweiche der Antenne der Bodenstation zugeführt wird. Von dieser Antenne wird das Signal der schon häufig erwähnten Antenne 24, 34 auf dem Funkweg zugesandt. Diese bodenständige Antenne empfängt auch das Antwortsignal der Antenne der Oberflächenwellen-Anordnung. Dieses Empfangssignal läuft über ei­ nen Verstärker und einen Mischer, der vom Sendeoszillator ge­ steuert wird. Das in den Zwischenfrequenzbereich umgesetzte Antwortsignal wird mit einem Bandpaß gefiltert und verstärkt. Um das Signal digital auswerten zu können, wird es in einem Analog-/Digitalwandler digitalisiert und kann in einem µ-Com­ puter verarbeitet werden.

Das vom Magnetfeld des in der Hochspannungsleitung augen­ blicklich fließenden, hinsichtlich Stromstärke und Phase zu messenden Stromes beeinflußte Antwortsignal der Oberflächen­ wellenanordnung, das vom Empfänger der Auswerteeinheit zu empfangen ist, ist im Falle einer Resonatoranordnung eine re­ flektierte exponentiell abklingende Eigenschwingung. Fre­ quenz, Phase und Abklingzeitkonstante dieser exponentiell ab­ klingenden Eigenschwingung enthält die Information über das in dem magneto-sensitiven Element des Sensorteils der erfin­ dungsgemäßen Einrichtung einwirkenden Magnetfeldes. Ist die Oberflächenwellenanordnung eine Verzögerungsleitung, so z. B. eine reflektive Verzögerungsleitung, so enthält das Antwort­ signal der Oberflächenwellenanordnung charakteristische Echos des Abfragesignals. Die jeweilige Frequenzlage, relative Hö­ he, unterschiedliche Laufzeiten und/oder Phasenlagen dieses Echos enthalten die Information. Umfaßt die Oberflächenwel­ lenanordnung eine oder mehrere dispersive (gechirpte) Struk­ turen, so erfährt das Abfragesignal eine oder mehrere Fre­ quenzmodulationen bevor es von dem eigentlichen Stromwandler zurückgesendet wird. Die genaue Art dieser Modulation enthält die Information.

Claims (18)

1. Stromwandler, geeignet zur Stromstärkemessung an/in auf Hochspannung liegenden elektrischen Einrichtungen,
mit einem magneto-sensitiven Element (12),
mit einem Hochfrequenz-Sender und -Empfänger mit Funkantenne und elektronischer Auswerteeinrichtung,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Oberflächenwellenanordnung (21) mit Oberflächen­ wellenstrukturen (23, 26) und eine Antenne (24) angeordnet ist,
daß das magneto-sensitive Element (12) mit wenigstens einer der Oberflächenwellenstrukturen (26) gekoppelt ist, und
daß der Sender zur Funkaussendung eines Abfrageimpulses (300) und der Empfänger mit seiner Auswerteeinrichtung zum Funkempfang und zur Auswertung einer vom augenblicklichen Ma­ gnetfeld (B) der Hochspannungseinrichtung (1) beeinflußten Änderung der Impulsantwort (310) der Oberflächenwellenanord­ nung ausgebildet sind.

2. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magneto-sensitive Element ein magneto-resistives Element (12) ist, das elektrisch mit einer der Oberflächenwellenstrukturen (26) verbunden ist.

3. Stromwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magneto-resistive Element (12) eine Feldplatte ist.

4. Stromwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magneto-resistive Element (12) eine Wismutspirale ist.

5. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magneto-sensitive Element eine spannungsabhängige Impedanz (VDX) und eine Schaltereinrichtung (1126) ist, die elektrisch mit einer transformatorischen Ringkernwicklung (104) verbunden sind, wobei die spannungsabhängige Impedanz mit einer ersten Oberflächenwellenstruktur (26) und die Schaltereinrichtung mit einer zweiten Oberflächenwellenstruk­ tur (126) der Oberflächenwellenanordnung (21) als jeweilige elektrische Abschlüsse der Oberflächenwellenstrukturen (26, 126) elektrisch verbunden sind.

6. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magneto-sensitive Element eine Gleichrichter-Brückenschaltung (105) und eine Schaltereinrichtung, die mit einer transformatorischen Ringkernwicklung (104) elektrisch verbunden sind, ist, wobei die Gleichrichterschal­ tung mit einer ersten Oberflächenwellenanordnung (26) und die Schaltereinrichtung mit einer zweiten Oberflächenwellenstruk­ tur (126) der Oberflächenwellenanordnung als jeweilige elek­ trische Abschlüsse dieser Oberflächenwellenstrukturen elek­ trisch verbunden sind.

7. Stromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magneto-sensitive Element eine magneto-striktives Element ist, das auf/an einem Substrat 22) der Oberflächen­ wellenanordnung (21) vorgesehen ist.

8. Stromwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das magneto-striktive Element eine auf dem Substrat (22) vorgesehene Schicht (43) ist.

9. Stromwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das magneto-striktive Element eine Trägerplatte (122) ist, die mit dem Substrat (22) fest verbunden ein magneto- sensitives Striktions-Biegeelement bildet.

10. Stromwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem magneto-striktiven Substratmaterial (22) eine piezoelektrische Schicht für die Oberflächenwellenanordnung vorgesehen ist.

11. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberflächenwellenanordnung (21) ein Oberflächen­ wellen-Resonatorfilter ist.

12. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberflächenwellenanordnung (21) eine modengekoppelte Anordnung ist.

13. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberflächenwellenanordnung (21) eine Laufzeit­ leitung ist.

14. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Einrichtung, die ein dem Magnetfeld des zu messenden Stromes überlagertes Gleich- Magnetfeld (N/S) zur Arbeitspunktverschiebung umfaßt, vorgesehen ist.

15. Stromwandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Anordnungen mit jeweils einer solchen Einrichtung mit dem Magnetfeld des zu messenden Stromes überlagertem Gleich-Magnetfeld (N/S) vorgesehen sind, wobei das Gleich-Magnetfeld der einen Anordnung, bezogen auf das zu messende Magnetfeld, dem Gleich-Magnetfeld der anderen Anordnung entgegengesetzt polarisiert ist, zwecks Arbeitspunktverschiebung in jeweils zueinander entgegengesetzter Richtung.

16. Stromwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er zum Einbau in ein Hochspannungs-/Mittelspannungskabel ausgebildet ist.

17. Stromwandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß er zum Einbau in ein koaxiales Kabel (30) ausgebildet ist, wobei für die Ein-/Auskopplung des Funksignals ein (jeweiliger) Schlitz (35, 35′) im koaxialen Leiter des Kabels vorgesehen ist.

18. Stromwandler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Funksignal über eine im Rohrleiter des Kabels sich ausbreitende Hohlleiterwelle zu-/abgeführt ist.