采用新型光纤器件与光路方案的光纤电压传感器研究

摘要

光学电压互感器(OVT)是一种新型的电力互感器，它克服了传统电压互感器(VT)的许多缺点，在未来的电力系统中有着广阔的应用前景，光学电压互感器经过几十年的发展，已经形成了一套相关的理论，但是依然存在有待发展和完善的问题，本文的主要研究对象为光学电压互感器的核心部分即传感头，以后均称为光学电压传感器(OVS)。 本文首先介绍了偏振光在晶体与双折射光纤中传输的基本理论，并在这个基础上分析了两种不同结构的光学电压传感器：一种是创新的运用高双折射光子晶体光纤制作的四分之一波片的透射式光学电压传感器，另一种是不采用四分之一波片的新型反射式横向调制电压传感器。本文分别分析了这两种不同结构的光学电压传感器的工作原理和与同类电压传感器相比所具有的特点，以及晶体自身双折射对光学电压传感器特性的影响，最后总结了两种不同结构的光学电压传感器的优点。理论分析表明，采用新型光纤四分之一波片的光学电压传感器可以克服传统四分之一波片体积大、与光纤衔接不便及存在端面反射、相移量与入射光方向有关等缺点，且不存在应力型高双折射保偏光纤对温度敏感问题，具有明显的优势和特点。而新型不采用四分之一波片的反射式光学电压传感器针对在高压电力系统应用时，实际被测电压是在特定高电压值(如110KV或更高电压等级)附近波动的特点，提出和设计的新型光路可以提高传感器的可靠性和稳定性，增强传感器抗环境因素干扰的能力，并且具有光路结构简单、成本低等优点。 本文还分析了光纤四分之一波片非理想时输出光偏离圆偏振光对光学电压传感器的影响，并在此基础上提出了一种新的信号处理方法来补偿这一因素对传感器输出信号的影响。这一方法对常见的交变电压检测是有效的。 本文最后在实验上测量了光纤四，分之一波片的温度和偏振特性，以及传感材料BGO晶体的偏振特性，证明光纤四分之一波片在1550nm波段可以产生很好的圆偏振光，且具有很好的温度特性，而实验上采用的BGO晶体消光比很大，基本可以看作无内在双折射的材料。实验还对对新型不采用四分之一波片的反射式光学电压传感器进行实验测量，结果表明采用这种新结构的电压传感器可以测量交流电压幅度的变化，且在500～1500V电压范围线性度较好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究光学电压互感器的意义

1.2国内外光学电压互感器的研究发展概况

1.3光学电压传感器的几种主要类型

1.3.1基于Pockels效应的光学电压传感器

1.3.2基于电光Kerr效应的光学电压传感器

1.3.3基于集成光学器件的光学电压传感器

1.3.4基于逆压电效应的光学电压传感器

1.4本文的主要工作和创新之处

本章参考文献

第二章偏振光在晶体与双折射光纤中传输的分析

2.1偏振光与Pockels电光效应

2.1.1光的偏振

2.1.2琼斯矩阵

2.1.3 Pockels电光效应

2.2偏振光在双折射光纤中的传输特性

2.2.1双折射光纤的参数和特性

2.2.2采用双折射光纤制作的光纤λ/4波片的特性

2.3 Pockels效应传感材料

2.4外部电压对晶体双折射特性的影响

2.5本章小结

本章参考文献

第三章采用四分之一波片的光学电压传感器的原理与分析

3.1采用四分之一波片的电压传感器的工作原理

3.2晶体内在双折射对光学电压传感器的影响

3.3四分之一波片输出光偏离圆偏振对电压传感器特性的影响

3.4采用光子晶体光纤维作光纤四分之一波片的优点

3.5本章小结

本章参考文献

第四章新型反射式横向调制电压传感器的传感与原理分析

4.1新型光学电压传感器工作原理

4.1.1输入角a选取

4.1.2工作点设置

4.2双折射对新型光学电压传感器性能的影响

4.3新型光学电压传感器的优势

4.4本章小结

本章参考文献

第五章实验测量与结果分析

5.1光子晶体光纤四分之一波片的实验测量

5.1.1光子晶体光纤的温度特性测量

5.1.2光子晶体光纤四分之一波片偏振输出与波长关系的测量

5.2新型电压传感器的实验测量与结果

5.2.1晶体特性测试

5.2.2传感器输出特性的实验测量

5.3本章小结

本章参考文献

第六章总结与展望

致谢

攻读学位期间发表的学术论文