Messtechnik Wie faseroptische Stromsensoren Gleichströme im Umspannwerk erfassen

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Die TU Graz und Artemes messen die Gleichstromanteile direkt auf der Hochspannungsebene mit einem faseroptischen Sensor, der auf dem Faraday-Effekt basiert. Im Interview erklärt Projektleiter Reinhard Klambauer, wie das Verfahren funktioniert und wo es an Grenzen stößt.

Die ELEKTRONIKPRAXIS hat bereits über das faseroptische Messsystem der TU Graz und der Firma Artemes mit dem Titel „Faseroptischer Stromsensor soll Umspannwerke vor Gleichstrom-Sättigung schützen“ berichtet. Der Sensor misst Gleichstromanteile direkt am Leiter auf Spannungsebenen von 220 bis 380 kV und hat im Feldtest bei der Austrian Power Grid einen geomagnetischen Sturm in Echtzeit erkannt.

In der Meldung blieb allerdings offen, wie das System Temperatur- und Spannungseinflüsse in der Faser kompensiert, wodurch es sich von früheren kommerziellen Entwicklungen unterscheidet und welche Messbereiche realistisch sind. Diese Fragen habe ich dem Projektleiter Reinhard Klambauer vom Institut für Elektrische Messtechnik und Sensorik der TU Graz gestellt.

Herr Klambauer, faseroptische Stromsensoren auf Faraday-Basis gelten als temperaturempfindlich und anfällig für lineare Doppelbrechung durch mechanische Spannung in der Faser. Wie kompensiert Ihr System diese Effekte?

Reinhard Klambauer: Je nachdem, welche Genauigkeit erreicht werden soll, ist die typische Änderung der Verdet-Konstante in einer Glasfaser vernachlässigbar. Andernfalls implementiert ein FOCS-System (Fiber Optic Current Sensor) beispielsweise in derselben Faser eine optische Temperaturmessung, für die es mehrere Varianten gibt. Damit wird der Messwert in der Auswerteelektronik kompensiert. Anders sieht es beim mechanischen und thermischen Einfluss auf den Polarisationszustand aus: Dieser ist sehr wohl signifikant. Er lässt sich je nach Art des FOCS-Systems über drei Stellschrauben minimieren.

Erstens durch den richtigen Einsatz polarisationserhaltender Fasern, also PM- und Spun-Fasern. Zweitens durch die Fertigung des kritischen λ/4-Faserstücks, das sich nahe der optischen Messwicklung befinden muss. Drittens, je nach FOCS-Art, durch die Ausnutzung der Reziprozität des optischen Pfades. Dabei heben sich diese Einflüsse auf, während der Faraday-Effekt nicht reziprok ist. Wie gut das gelingt, hängt davon ab, wie zirkular der Polarisationszustand am Spiegelelement der Messfaser ist. Dieser lässt sich variieren, was allerdings auch die Empfindlichkeit des FOCS beeinflusst.

Faseroptische Stromwandler werden bereits in HGÜ- und Schaltanlagen eingesetzt. Worin unterscheidet sich Ihr Ansatz, speziell bei der AC/DC-Erfassung und der Nachrüstbarkeit?

Klambauer: Leider sind FOCS bisher nur in Spezialanwendungen wie den von Ihnen genannten verfügbar. Für jeden Einsatz verfügbar wie induktive Wandler oder Rogowski-Spulen sind sie nicht. Ein Versuch in diese Richtung war unseres Wissens das ABB-System, das vor einigen Jahren erhältlich war, aber leider nicht weiterverfolgt wurde. Damit wurden beispielsweise auch die von uns durchgeführten GIC-Messungen versucht. Weil das System auf die Messung normaler Betriebsströme optimiert war, konnte es diese vergleichsweise kleinen Quasi-DC-Ströme aber nicht erfolgreich messen.

Unser System unterscheidet sich durch die korrekte Auslegung auf den zu messenden Strombereich. Mit Blick auf die Nachrüstbarkeit haben wir uns entschieden, in diesem Fall auf die Vorteile einer festen Einhausung der Messfaser zu verzichten. Weil sich die Faser um den Leiter wickeln lässt, ist eine Installation ohne Abseilen oder Trennen des elektrischen Leiters möglich.

Welche Bandbreite, Auflösung und welchen Dynamikbereich erreichen die AC- und die DC-Variante?

Klambauer: Wie eingangs erwähnt, möchte ich hier keine konkreten Aussagen treffen, da es sich noch nicht um ein kommerzielles System handelt. Zudem gibt es bei FOCS einen Zusammenhang zwischen der Sensitivität, also Verdet-Konstante und Länge der Messfaser, und der Bandbreite: Je länger die Faser, desto geringer die mögliche Bandbreite des optischen Systems. Hinzu kommt die Bandbreite der elektronischen Auswertung.

Bei der demonstrierten DC-Variante liegt der Messbereich in der Größenordnung von 0,1 bis 1.000 A bei einer Bandbreite von 2 kHz. Bei der AC-Variante liegt er in der Größenordnung von 100 A bis 10 kA bei einer Bandbreite von 1,5 MHz. Die Ergebnisse der Feldtests wurden auf der diesjährigen Energieinnovationstagung EnInnov 2026 veröffentlicht.

Welcher Aufwand ist für die Nachrüstung in einem laufenden Umspannwerk nötig, etwa bei Abschaltzeiten, Zertifizierung oder EMV?

Klambauer: Wie oben erwähnt, dauert der Aufbau wenige Stunden, wenn man die trennungsfreie Installation wählt. Der Nachteil ist eine etwas höhere mechanische Empfindlichkeit. Zur Zertifizierung kann ich nichts sagen. Die EMV ist dagegen ein Punkt, der für FOCS spricht: Der Streufeldeinfluss ist sehr gering, da der FOCS quasi ein geschlossenes Linienintegral um den Leiter bildet und damit das Ampèresche Gesetz zum Tragen kommt.

Wie sieht der Weg zur Serienreife aus, wer soll das System fertigen und vertreiben, und gibt es Patentanmeldungen?

Klambauer: Hier kann ich keine konkreten Aussagen treffen. Artemes interessiert sich vor allem für Spezialmessungen und einzelne FOCS-Systeme für Aufgaben, die kommerzielle induktive Wandler nicht erledigen können. Aktuell laufen zudem Gespräche über weitere Kooperationen mit einem Messtechnikausrüster im Energiebereich. An einem Patent für einen Teil der AC-Variante wird derzeit gearbeitet. (heh)

Gleichstrom-Sättigung

Faseroptischer Stromsensor schützt Umspannwerke

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