全光纤电流互感器温度特性建模分析及优化方法的研究

摘要

全光纤电流互感器（fiber-optical current transformer，FOCT）克服了传统电磁式电流互感器的种种缺陷，在电力系统量测领域具有广泛的应用前景。然而温度稳定性是制约FOCT大规模应用于电网的主要问题。因此本文主要研究全光纤电流互感器中由温度所引发的线性双折射问题，并提出相应的优化方案以提高其测量性能。
　　首先，建立了FOCT线性双折射效应的数学模型，从物理本质上揭示线性双折射产生的根本原因;并从电流测量准确度和灵敏度等方面分析了线性双折射效应对FOCT测量性能的影响。
　　其次，建立了温致线性双折射的数学模型，揭示了FOCT温致线性双折射产生的根本原因，并结合Verdet常数的温度特性得到了FOCT温度特性数学模型。基于该模型采用COMSOL有限元分析方法实现光场、磁场、温度场、应力场的耦合并求解，得到了温度对FOCT测量精度综合影响。
　　再次，综合考虑光纤中的固有线性双折射、弯致线性双折射和温致线性双折射，建立了线性双折射对FOCT准确度和灵敏度影响的数学模型，揭示了影响FOCT准确度和灵敏度的3个主要因素:温度变化量、光纤弯曲半径及缠绕匝数，在此基础上给出了具体优化方法。
　　最后，设计并搭建FOCT实验平台，在LabVIEW中编写基于Kalman滤波算法的FOCT信号处理程序，在此基础上对FOCT进行测试。通过合理选择光纤弯曲半径和缠绕匝数，使FOCT在满足准确度要求的前提下尽可能提高灵敏度。实验结果验证了理论分析的正确性。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 电子式电流互感器分类

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 目前存在的主要问题

1．4．1 温度稳定性问题

1．4．2 准确度和灵敏度问题

1．5．1 基本研究思路

1．5．2 主要研究内容

第2章 全光纤电流互感器线性双折射效应建模分析

2．1 全光纤电流互感器的基本理论

2．1．1 光波偏振态

2．1．2 磁光效应

2．2 FOCT的结构组成和基本原理

2．2．1 基于偏振检测法的FOCT

2．2．2 基于干涉检测法的FOCT

2．3 FOCT线·陛双折射效应的数学模型

2．3．1 FOCT磁光效应的分布参数模型

2．3．2 FOCT线性双折射效应的分布参数模型

2．4 线性双折射效应对FOCT的影响

2．5 本章小结

第3章 全光纤电流互感器温度特性建模分析

3．1 全光纤电流互感器温度特性的数学模型

3．1．1 Verdet常数温度特性的数学模型

3．1．2 温致线性双折射的产生机理及数学模型

3．1．3 FOCT温度特性的数学模型

3．2 FOCT传感单元有限元建模及多物理场耦合

3．2．1 几何模型及材料选择

3．2．2 物理场选择

3．2．3 边界条件及初始值

3．2．4 网格剖分

3．3 仿真结果与分析

3．3．1 磁场与光场耦合的结果与分析

3．3．2 温度场与应力场耦合的结果与分析

3．3．2 温度对FOCT测量精度的影响

3．4 本章小结

第4章 全光纤电流互感器测量性能的优化分析

4．1 线性双折射对FOCT测量性能的影响

4．1．1 传感光纤中的线性双折射

4．1．2 线性双折射对FOCT测量性能影响的数学模型

4．2 FOCT测量性能优化的仿真分析

4．2．1 线性双折射对FOCT测量性能的影响

4．2．2 温度波动对FOCT测量性能的影响

4．2．3 光纤弯曲半径对FOCT测量性能的影响

4．2．4 光纤缠绕匝数对FOCT测量性能的影响

4．3 FOCT测量性能优化的具体方法

4．4 本章小结

第5章 FOCT实验研究分析

5．1 FOCT实验系统

5．2 基于Kalman滤波的FOCT信号处理方法

5．2．1 FOCT信噪分析

5．2．2 Kalman滤波算法基本原理

5．2．3 基于LabVIEW的滤波算法程序设计

5．2．4 结果分析

5．3 FOCT实验测试与结果分析

5．3．1 FOCT线性度测试

5．3．2 FOCT温度循环测试

5．3．3 FOCT准确度和灵敏度测试

5．4 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢