螺线管型磁力耦合式光纤光栅大电流传感器研究

摘要

电流值作为电力系统中一个最基本的参量，在发变电站、交直流输电、电解电镀、电气机车、核物理等系统中，已高达数百、数千甚至数万安培。电流值的实时、直接、准确地监测，不仅关系到产品质量、能源节约、系统成败等问题，更关系到人民生命财产的安全。在当前电力系统高容量、高电压等级的情况下，传统的电磁式互感器已经开始显得力不从心;光纤电流传感器具有防爆、防电磁干扰、安全性好等突出的优点，已经受到人们越来越多的重视，并产生了挂网运行的全光纤型电流传感器产品;光纤光栅除具备光纤传感器的优点外，还具有波长解调、复用性好、可分布式测量等优势，以光纤光栅为传感单元的电流传感器也在最近几年得到一系列研究，但是到目前为止，还没有一种光纤光栅电流传感器的产品出现。本文提出了一种磁力耦合式的光纤光栅大电流测量方案，能够将电力系统中的电流量转化成磁性材料之间的电磁作用力，最终转换成光纤光栅的谐振波长的变化量。传感器具有结构简单、体积小、性能稳定的特点。
　　本文所完成的主要工作和取得成果包括以下几个方面:(1)分析了传统的电流互感器存在的问题和不足，指出了研究新型的光纤电流传感器的迫切性和必要性;(2)推导了磁场作用于铁磁性材料时的磁力耦合理论，结合光纤光栅的传感理论，提出了磁力耦合式光纤光栅电流传感方法的思路;(3)确定了螺线管型磁力耦合式光纤光栅大电流传感器的理论模型，并推导了电流值的大小与光纤光栅谐振波长漂移量之间的理论关系;(4)对传感器中的关键部件进行了仿真，仿真结果与理论相吻合，进而确定了传感器的结构与参数;(5)对加工制备的传感器原理样机分别进行了直流电流与交流电流下实验验证，并对传感器的温度稳定性作了补偿，传感器误差分析表明，本文设计制作的传感器样机已达到5.0级水平，按照标准可满足继电保护的需求，预计经过进一步精确设计加工和制作，其精度可以进一步提高。
　　本方法是光纤光栅应用于电流测量方面的重要尝试，模型仿真和实验的结果都与理论分析一致。传感器已经能够满足一定场合的需求，对新型的光纤光栅电流传感器的研究具有重要的参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 背景和意义

1．2 光纤电流传感器的发展与国内外研究现状

1．2．1 光纤电流传感器的发展与现状

1．2．2 光纤光栅电流传感器的发展与现状

1．3 本文的主要内容

第2章 磁力耦合式FBG电流传感器的基本理论

2．1 光纤布喇格光栅传感理论

2．2 磁力耦合理论

2．3 磁力耦合式FBG电流传感理论分析

2．4 本章小结

第3章 传感器结构设计与仿真

3．1 总体设计思路

3．2 结构设计

3．2．1 软铁结构设计与磁场力计算

3．2．2 等强度梁设计

3．3 仿真研究

3．3．1 集磁铁块的仿真

3．3．2 等强度梁的计算与仿真

3．4 传感器的制作与装配

3．5 本章小结

第4章 传感器实验研究

4．1 传感与测量系统结构

4．1．1 电压采集

4．1．2 磁场测量

4．1．3 基于光纤光栅的电流测量

4．1．4 基于电阻应变片的电流测量

4．2 直流电流实验研究

4．2．1 直流实验原理框图

4．2．2 实验过程

4．2．3 实验结果与分析

4．3 交流电流实验研究

4．3．1 交流实验原理框图

4．3．2 交流电流实验过程

4．3．3 数据处理与分析

4．4 具温度补偿的直流电流传感实验研究

4．4．1 温度补偿方法

4．4．2 电流传感实验

4．5 误差分析

4．6 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文与专利