Strommessung mit Licht Ein Diamantsensor für die Leistungselektronik

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Präzise, EMV-robust und galvanisch getrennt: Ein neuer, rein optischer Stromsensor auf Basis von NV-Zentren in Diamant optimiert die Messung in Hochspannungsanlagen. Entwickelt wurde der kompakte Sensor von Quantum Technologies und duotec.

Wer Strom in Hochspannungs- und Höchstspannungsumgebungen erfassen will, stößt schnell auf klassische Zielkonflikte: Einerseits muss die Messung präzise und hochdynamisch sein, andererseits dürfen Isolation, Teilentladungsfestigkeit, Bauraum und EMV-Verhalten nicht leiden. Konventionelle Stromwandler und induktive Verfahren sind zwar etabliert, stoßen aber an ihre Grenzen, wenn extrem kompakte Bauformen, große Potenzialtrennungen oder schwer zugängliche Einbauorte gefordert sind. Genau hier setzen Quantum Technologies und der Industrialisierungspartner duotec mit ihrem neuen Ansatz an. Gerade in Schaltanlagen, der Leistungselektronik, an Transformatoren oder bei Hochspannungs-DC-Anwendungen (HVDC) wächst das Interesse an Sensorprinzipien, die den Strom nicht elektrisch, sondern indirekt über sein Magnetfeld erfassen.

Das physikalische Prinzip vom Leiter zum Messwert

Die physikalische Grundidee ist simpel: Jeder Leiterstrom erzeugt ein Magnetfeld. Für einen idealisierten, geraden Leiter gilt näherungsweise der Zusammenhang B = µ0 x· I / (2πr). Dabei steht B für die magnetische Flussdichte, µ0 für die magnetische Feldkonstante, I für die Stromstärke und r für den Abstand zum Leiter.Wird das lokale Magnetfeld in einer definierten Entfernung r vom Leiter präzise gemessen, lässt sich direkt auf den Strom I schließen. Der entscheidende Vorteil liegt darin, dass dafür am Messpunkt keine elektrische Kontaktierung nötig ist.

Bei der neu entwickelten Lösung übernimmt ein Diamantsensor mit sogenannten Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) die Magnetfelderfassung. Diese Defektzentren im Kristallgitter werden optisch angeregt und senden daraufhin Fluoreszenzlicht aus. Das Messsignal entsteht durch quantenmechanische Effekte: Die Intensität dieses Leuchtens verändert sich in Abhängigkeit vom lokalen Magnetfeld. Die optische Anregung und die Rückführung des Signals erfolgen rein über einen Lichtwellenleiter. Genau darin liegt der zentrale Vorteil für Hochspannungsanwendungen: Zwischen dem Messpunkt auf Hochspannungspotenzial und der Auswerteelektronik besteht keinerlei elektrisch leitende Verbindung. Damit ist die galvanische Trennung absolut.

Faseroptische Strommessung mit NV-Zentren

Für industrielle Anwendungen ist nicht nur die Physik, sondern vor allem die konkrete Sensorarchitektur entscheidend. Das System setzt auf einen rein optischen Aufbau: Verwendet werden Standard-Glasfasern mit einem Durchmesser von 125 µm, eine Laseranregung und diamantbasierte Sensorköpfe. Ein technisches Alleinstellungsmerkmal der von Quantum Technologies entwickelten Quantensensorik ist, dass sie völlig ohne Mikrowellenanregung auskommt. Duotec übernimmt hierfür als Partner die Elektronikentwicklung und die Überführung in die Serienproduktion.

Genau dieser Verzicht auf die Mikrowellenanregung reduziert den Systemaufwand am Messpunkt erheblich. Es entfallen zusätzliche Hochfrequenz-Komponenten direkt am Sensor, ebenso typische EMV-Fragestellungen rund um Einkopplung, Abschirmung und Feldführung. Für Hardware-Entwickler ist das weit mehr als nur ein Detail: Gerade in hochspannungsnahen Einbausituationen bedeutet weniger aktive Elektronik am Messpunkt eine ungleich höhere Robustheit, eine einfachere Isolation und eine wesentlich bessere Integrierbarkeit. Ein weiterer technologischer Kniff ist die Nutzung von Diamant-Nanopartikeln. Deren zufällige räumliche Orientierung führt zu einer isotropen Messcharakteristik. Somit entfällt eine aufwendige mechanische Ausrichtung des Sensors.

Wo Licht seine Stärken ausspielt

Im Vergleich zu Shunt-basierten oder induktiven Messlösungen liegt die Stärke des rein optischen Ansatzes weniger in einem einzelnen Rekordwert als vielmehr in der Systemarchitektur. Da die galvanische Trennung systemimmanent ist, lässt sich die Sensorik problemlos in extrem feldstarke Umgebungen einbringen. Am eigentlichen Messpunkt sitzt lediglich ein kleiner, passiver Sensorkopf; die aktiven Auswertekomponenten bleiben in sicherem Abstand. Das macht die Technologie hochattraktiv für Hochspannungs-Schaltanlagen, kompakte Leistungselektronik, großskalige Batteriespeicher und Generatoren.

Ein besonders anspruchsvolles Feld ist die Strommessung in Höchstspannungs-Gleichstromübertragungsnetzen (HVDC). Messsysteme für Gleichspannungen von über 800 kV lassen sich mit dieser optischen Technologie sicher realisieren. In diesen extremen Dimensionen stoßen klassische Messverfahren bei den Parametern Isolation, Messgeschwindigkeit und Störsicherheit an ihre physikalischen Grenzen. Für Sensorlösungen in diesem speziellen Segment kooperiert Quantum Technologies zusätzlich mit Huber+Suhner.

Ebenso relevant ist die geometrische Freiheit: Ein fasergeführter Sensor kann dort positioniert werden, wo klassische Wandler aus Platzmangel oder wegen thermischer Belastung ausscheiden. Da die Signalführung rein optisch erfolgt, können prinzipbedingt weder klassische Erdschleifen noch leitungsgebundene Störkopplungen zwischen Hochspannungspotenzial und Auswerteeinheit entstehen.

Von der HV-Anlage bis zur Mikromechanik

Für das Sensorsystem ergibt sich daraus ein klar umrissenes Spektrum. Es spielt seine Stärken immer dann aus, wenn hohe Potenzialtrennung, extrem beengte Bauräume, starke elektromagnetische Felder oder höchste Anforderungen an die Personensicherheit zusammenfallen. Da der Sensorkopf rein anorganisch aufgebaut ist, widersteht er zudem tiefsten wie höchsten Temperaturen sowie aggressiven, laugen- oder säurehaltigen Umgebungen. Neben der klassischen Energietechnik eröffnen sich damit weitere Anwendungsfelder:

• Magnetfeldüberwachung in elektrischen Maschinen: Im Luftspalt, an Stator- oder Rotor-nahen Messpunkten oder in konstruktiv beengten Zonen liefert die lokale Erfassung des Magnetfelds wichtige Daten zu Lastzuständen und Sättigungseffekten. Der große Vorteil: Im Gegensatz zu metallischen Sensorstrukturen verfälscht der Glasfasersensor das zu messende Feld nicht.

• Magnetische Positionsbestimmung: Werden lokale Feldstärken oder deren Gradienten hochauflösend erfasst, lässt sich die exakte Position der Sensorspitze relativ zu stromdurchflossenen Leitern ableiten. Das ist ideal für automatisierte Justage- und Inspektionsprozesse oder die Charakterisierung miniaturisierter magnetischer Baugruppen.

• Minimalinvasive Messung unter mechanischer Last: In mechanisch hoch beanspruchten Umgebungen oder mikromechanischen Strukturen verändern klassische, kabelgebundene Sensoren allein durch ihre Steifigkeit und Masse das Systemverhalten. Die hauchdünne, flexible Glasfaser erlaubt hier eine nahezu rückwirkungsfreie Integration.

Fazit: Licht statt Kupfer

Die Strommessung mit Licht ist kein fernes Quantentechnik-Versprechen mehr, sondern entwickelt sich zu einer handfesten Messlösung für anspruchsvolle Hochspannungsanwendungen. Das Projekt von Quantum Technologies und duotec zeigt, wie der Sprung von der wissenschaftlichen Expertise in die industrielle Praxis gelingt. Der neu entwickelte Sensor belegt, dass die rein optische NV-Diamantsensorik in den für die Leistungstechnik relevanten Magnetfeldfenstern zuverlässig arbeitet und sich in seriennahe Messaufbauten integrieren lässt. Die Richtung für die Zukunft ist damit klar: Wo große Potenzialtrennungen, kompakte Bauräume und hohe Anforderungen an die EMV-Störfestigkeit aufeinandertreffen, hat Licht gegenüber Kupfer einen unschlagbaren systemischen Vorteil. (heh)

* Dr. Robert Staacke ist Geschäftsführer bei Quantum Technologies. Lukas Joslowski ist Entwicklungsleiter bei duotec.

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