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SWISS TECHNOLOGY AWARD

Stromsensor – präzisund praxistauglichVon Christian Bernhart*

Lichtwellen in einer optischen Glasfasermessen und überwachen Stromflüsse undersetzen so tonnenschwere Messwandler.Dieser elegante Weg wird seit dreissigJahren erforscht. Nun hat ABB Schweizeinen praxistauglichen und präzisen fa-seroptischen Stromsensor entwickelt. Da-mit kann das Hochspannungsnetz effizien-ter überwacht werden, unter anderem, umNetzzusammenbrüche (Blackouts) zu ver-hindern. Für diese Innovation erhielt ABBden Swiss Technology Award 2005.

Die Wirkung eines Magnetfelds auf das Lichtals elektromagnetischer Strahlung hatte derbritische Chemiker und Physiker Michael Fa-raday bereits 1845 entdeckt. Der nach ihmbenannte Faraday-Effekt besagt, dass sich ineinem Medium wie beispielsweise Glas dieLichtgeschwindigkeit verändert, wenn einMagnetfeld angelegt wird; je stärker das Mag-netfeld, desto grösser die Geschwindigkeits-änderung. Diese Wechselbeziehung legt esnahe, Lichtwellen zu Messzwecken zu nut-zen. In Hochspannungsstationen könnte derEinfluss der von den Strömen erzeugtenMagnetfelder auf die Lichtausbreitung zurempfindlichen Strommessung und -überwa-chung eingesetzt werden.

Konventionelle Lösung ohneoptischen WegIn den Hochspannungsanlagen stehen mas-sive Strommesswandler im Dienst, die aufdem Prinzip des Transformators beruhen.Diese erzeugen einen kleinen sekundärenStrom auf tiefer Spannung, der als Mass fürden zu messenden Primärstrom auf Hoch-spannung dient. Der sekundäre Strom fliesstdann durch ein Energiemessgerät oder einSchutzgerät, das den Stromkreis bei Kurz-schlüssen unterbricht. Diese Stromwandlerhaben die Form einer dicken, bis zu 4 m ho-hen Säule, da zwischen Hochspannung undErdpotenzial eine genügend grosse Isola-tionsstrecke notwendig ist. Die Wandler be-stehen je nach Spannungsklasse aus einigenHundert oder gar einigen Tausend Kilo-

gramm Eisen, Kupfer und Isolationsmaterial.Zusätzlich sind sie zwecks Isolation oft mit Ölgefüllt. Schäden der Isolation oder Erdbebenkönnen unter Umständen zur Explosion desWandlers führen.

Hohe AnforderungenUm jedoch faseroptische Stromsensoren ein-setzen zu können, müssen sie hohe Anforde-rungen an ihre Präzision und Zuverlässigkeiterfüllen. Häufig muss der Messfehler kleinerals 0,2 oder gar 0,1% sein und dies für Be-triebstemperaturen zwischen -40 und +85 °C.Bisherige optische Lösungen vermochten die-sen Anforderungen nicht zu genügen. DasABB-Forschungszentrum in Baden-Dättwilhat auf der Basis der Glasfasertechnologie so-wie der Optoelektronik und Digitalektronikein neues Präzisionsinstrument entwickelt.Dieses kann nun nicht nur zum Messen vonWechselströmen in Hochspannungsanlageneingesetzt werden, sondern auch zur Kontrol-le von starken Gleichströmen, wie sie für dieElektrolyse beispielsweise in Aluminiumhüt-ten benötigt werden. Dazu, so ProjektleiterKlaus Bohnert, sind zwölf Patente angemel-det worden. «Dass unsere Entwicklung nunkommerziell einsetzbar ist, haben wir auchden Investitionen der Telekomindustrie in dieoptische Kommunikationstechnik zu verdan-ken», gibt sich Klaus Bohnert bescheiden.

WirkungsweiseUm über den Faraday-Effekt den Strom zumessen, wird eine optische Faser mit einigenWindungen als Spule um den Stromleiter ge-legt. In der von ABB angewandten Techniklaufen rechts- und linkszirkular polarisierteLichtwellen durch die Faser. Je nach Strom-richtung läuft die rechtsdrehende Welleschneller als die linksdrehende oder umge-kehrt. Der daraus resultierende Wegunter-schied zwischen den Wellen wird gemessenund daraus die Stromstärke bestimmt.

Die grösste Beeinträchtigung der Präzi-sion eines faseroptischen Stromsensors wirdvon mechanischem Stress in der lichtführen-den Glasfaser verursacht. Das Biegen der Fa-

ser zu einer Spule, und bei tiefen Temperatu-ren ebenso der Plastikschutzmantel der Faser,verursachen beachtliche mechanische Span-nungen. Diese beeinflussen ebenfalls dieLichtausbreitung und führen auf diese Weisezu einem instabilen und von der Temperaturabhängigen Signal. Diesen Stress verhindertABB einerseits, indem der Plastikschutzman-tel vorgängig durch eine biegsame Quarzka-pillare mit einem Durchmesser von einigenhundert Mikrometern ersetzt wird. Der Bie-gungsstress wird eliminiert, indem die Spulebei über 800 °C thermisch behandelt und da-nach langsam wieder abgekühlt wird.

Hinderlich für den Einsatz der Faseroptikals Präzisionsinstrument war bisher fernerdie Tatsache, dass auch der Faraday-Effektselbst temperaturabhängig ist. Über eineSpannbreite von 100 °C verändert sich dasSignal um 0,7%, was bei der geforderten Ge-nauigkeit von 0,1% eine untolerable Abwei-chung ist. Mit Extremtemperaturen von -40und +85 °C muss aber bei Aussenanlagen ge-rechnet werden. Auf elegante Weise gelang es

Konventioneller 170-kV-Strommesswandler.

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dem ABB-Team, dieses Problem zu lösen. DieTemperaturkompensation erfolgt mithilfe ei-nes kurzen, passiven Fasersegments mit ei-nem elliptischen Kern, in dem die Lichtwel-len in die zirkularen Polarisationszuständeversetzt werden. Durch eine kleine Verlänge-rung dieses Segments um etwa 10% wird diePolarisation der Wellen leicht elliptisch. Dieelliptische Form hängt nun ebenfalls von derTemperatur ab. Sie wurde vom ABB-Team je-doch gewählt, damit dieser Temperaturein-fluss jenen auf den Faraday-Effekt aufhebt.

Die Beeinflussung der Lichtwellen durchmechanische Erschütterungen der Faserop-tik, beispielsweise bei der Betätigung vonHochspannungsschaltern oder infolge vonVibrationen der Hochspannungsanlagen warbisher ein weiteres Hindernis für genaueMessresultate. Auch hier hat ABB Pionierar-beit geleistet. Die Lichtwellen, die den Strom-leiter in der Faserspule spiralförmig umkrei-sen, werden am Ende der Spirale reflektiert.Diese Reflexion hat zur Folge, dass die Wellenin der Polarisation vertauscht werden.Wellen,die auf dem Hinweg eine Störung erfahren,

werden so zurückgeworfen, sodass auf demRückweg die gleiche Störung, aber mit umge-kehrten Vorzeichen auftritt und der Nettoef-fekt somit zu Null wird. Diese Kompensationist möglich, weil aufgrund des grossen Wertsder Lichtgeschwindigkeit die Umlaufzeit derWellen normalerweise sehr viel kleiner ist alsdie Zeit, in der sich die Störung verändert.Tests auf einem Vibrationstisch zeigen, dassauch bei starken mechanischen Störungender Sensor noch ein klares Signal liefert.

Zur Messung des Wegunterschieds derLichtwellen wird die Technik des so genann-ten Faserkreisels, der sich in der Navigationzur optischen Messung von Drehbewegun-gen bewährt hat, so adaptiert, dass er imStromsensor eingesetzt werden kann. Dieadaptierte Technik des Faserkreisels erlaubtes, sowohl Wechselströme als auch Gleich-ströme mit sehr hoher Genauigkeit zu mes-sen. Dabei steuert der digitale Prozessor einesRegelkreises einen optischen Modulator soan, dass der vom Strom verursachte Weg-unterschied der Lichtwellen wieder rückgän-gig gemacht wird. Das Ansteuerungssignal ist

somit grösser oder kleiner, je nachdem obmehr oder weniger Strom fliesst und dient alsMass für den Stromfluss.

AnwendungsgebieteDiese faseroptische Sensortechnik hat ABBSchweiz zunächst für Anwendungen in derHochspannungstechnik entwickelt. 1999 wur-den erstmals Pilotanlagen in Hochspannungs-unterstationen in Italien eingerichtet. DieHauptanwendung, so ABB-Projektleiter KlausBohnert, wird in der Hochspannung liegen,weil hier die Stückzahlen wesentlich grössersind. Pro Jahr werden auf dem Weltmarkt jähr-lich einige Zehntausend neue Wandler imSpannungsbereich von 110 kV und höher ein-gesetzt. Das Ziel von ABB ist es, diese konven-tionelle Technik nach und nach durch die ele-gantere und kostengünstigere Lösung mit fa-seroptischen Sensoren zu ersetzen.

Den Stromsensor für die elektrochemi-sche Industrie, beispielsweise für Anwendun-gen bei der Elektrolyse zur Herstellung vonAluminium oder zur Kupfergewinnung, hatABB im Januar 2005 als kommerzielles Pro-

(l.) Faseroptischer Stromsensor für den Einbau in einen Hochspannungsschalter. Der Stromleiter (nicht dargestellt) läuft durch die Öffnung des ring-

förmigen Gehäuses der Faserspule.

(r.) Einbau des faseroptischen Stromsensors in einen 170-kV-Hochspannungsschalter. Der optische Sensor ersetzt die im Bild 2 dargestellten

konventionellen Strommesswandler.

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dukt eingeführt. Dank Modularbauweisekönnen Sensoren für unterschiedliche Quer-schnitte von Stromschienen angeboten wer-den. Konventionelle Wandler bestehen hieraus einem magnetischen Ringkern, der dieStromschiene umschliesst. Solche Wandlermüssen in der Mitte einer längeren geradenStromschienenstrecke platziert werden. Derfaseroptische Sensor kann dagegen an nahe-zu jeder beliebigen Stelle entlang der Schie-nen angeordnet werden. Zudem erreicht erseine hohe Genauigkeit über einen wesent-lich grösseren Strombereich, und das digita-le Signal mit hoher Datenrate eröffnet demAnwender völlig neue Möglichkeiten bei derProzessanalyse.

Gute VoraussetzungenDie vom Schweizerischen Technologie Awardausgezeichnete Sensor-Technik dürfte sichfür ABB zu einem guten Geschäft entwickeln,auch wenn die internationale Konkurrenznicht schläft. Aber im Bereich der Kontrollevon Gleichströmen in der elektrochemischenIndustrie mit faseroptischen Sensoren istABB derzeit kein Konkurrent bekannt. DiePreise für konventionelle Gleichstromsenso-ren liegen heute bei über 200 000 Franken für

die höchsten Ströme. Damit ist der neue fa-seroptische Sensor von ABB konkurrenzfä-hig.Aber auch im Hochspannungsbereich er-wartet man, dass der neue Sensor preislichmit den konventionellen Stromwandlernwettbewerbsfähig wird, insbesondere, wennman die deutlich reduzierten Installationsko-sten des optischen Sensors in Erwägung zieht.

Konventionelle Messwandler für hohe Strö-me kosten bis zu 35 000 Franken. Dazukommt, dass ABB als Lieferant von Hoch-spannungs- und Gleichrichteranlagen direk-ten Zugang zum Markt hat.

Christian Bernhart, lic. phil. I, Journalist BR,

3000 Bern

Hochspannungsschalter (170 kV) ausgerüstet mit faseroptischen Stromsensoren in einer Unterstation bei Pavia (Italien). (Bild 4)

Gewinner des Swiss Technology Award

Am 16.Februar wurden die diesjährigen Technologiepreise im Berner Kursaal überreicht.54 Projekte hatten sich um den wichtigsten Technologiepreis der Schweiz beworben.16Projekte wurden als preiswürdig ausgewählt und vier von ihnen für das Finale nominiert.Kriterien waren die technische Raffinesse,der konkrete Nutzen und die Marktfähigkeit derInnovationen.Gewinner des diesjährigen Swiss Technology Award ist die Molecular Partners AG aus Zü-rich.Die Biochemiker dieses Unternehmens produzieren Moleküle mit exzellenten Aus-sichten auf neue Behandlungsmethoden und Medikamente.Nebst der Molecular Partners AG waren für die Endausscheidung nominiert:– ABB Schweiz AG in Baden-Dättwil für den ersten,voll praxistauglichen faseroptischen

Stromsensor,– Mecartex SA aus Losone für einen neuen 3-D-Messkopf mit Nanometer-Auflösung,– Paul Scherrer Institut Villigen und ETH Zürich für ihren neuen SCR-Katalysator,der

über 90% der Stickoxide in den Abgasen von Dieselmotoren unschädlich macht.SE/STZberichtete bereits darüber in der September-Ausgabe 2004.