宽频带物理补偿型全光纤电流传感器设计与性能研究

摘要

电力系统已经进入智能电网时代，电力系统暂态电流的实时感知对研究系统扰动、故障和控制保护具有重要意义。传统电磁式电流互感器因其传感特性限制存在很多问题，例如铁芯饱和、频带窄、与系统具有直接的电气连接等问题，导致了其无法准确测量高频暂态电流。随着光学电流传感器的发展，其中最主要是针对全光纤电流传感器的研究，但是目前全光纤电流传感器的研究主要集中在交直流以及低频电流的测量精度和传感器可靠性上，主要关注相应的光学系统及光器件的误差消除方法和稳定性，对高频电流以及暂态电流波形测量研究少有涉及。因此，研究具有宽频带、温度适应性的全光纤电流传感器可以深入获取更为丰富的包含雷电流在内的暂态电流波形信息，能够为系统防护、避雷器设计提供数据支撑。　　为了同时解决现有全光纤电流传感器窄频带和低稳定性这两个普遍存在的难题，本文提出在传感光纤的几何中点处耦合90°法拉第旋光器，然后以双传感光纤绕法绕制在环形骨架上，构成对称型宽频带物理补偿性传感器结构。采用琼斯矩阵理论建立该结构的传感特性理论模型来研究各种双折射条件下的归一化输出光强所反映的环境敏感性；研究了其工作线性区间和理论分析误差；基于COMSOL有限元仿真软件建立该结构的有限元模型，通过磁场和光场耦合分析该结构提高温度适应性的传感机理。基于所提出的宽频带全光纤电流传感器结构，设计了传感器性能测试平台包括等效电流响应试验平台和冲击雷电流试验平台，为实现宽频域大幅值暂态电流的测量打下坚实的基础。　　在0-2000A工频电流下传感器输出具有良好的响应及线性关系，拟合曲线的拟合优度为0.9999(传统基本结构为0.9975)；实验研究了传感器的频率特性和温度特性，结果表明：在10Hz-10kHz频率响应试验中，幅值误差小于2.3%，相移小于2°；通过试验研究典型非正弦等效电流激励下的传感器响应特性，包括短路暂态电流、谐波电流、三角波形电流、典型退磁电流等，波形相似度均大于0.9625；通过雷电流冲击响应实验，对实验室幅值为3.0kA的标准8/20?s暂态雷电流波形进行测量：幅值误差小于2.1%；波形相似度为：0.9971，证明其等效频带至少能覆盖到54.7kHz；温度特性试验表明改进结构全光纤电流传感器可提升温度适应性，在-20℃~60℃范围内的输出电压误差小于4.3%(传统基本结构为29%)。因此，本文所提出的全光纤电流传感器结构具有较宽的测量频带和优异的温度适应性，满足对电力系统典型暂态电流波形参数的测量要求和具有工程应用价值。

目录

1 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 光学电流传感器分类

1.2.2 线性双折射研究现状

1.2.3 温度特性研究现状

1.2.4 频率响应研究现状

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

2 基于磁光效应的宽频带全光纤电流传感器设计

2.1 法拉第磁光效应原理

2.2.1 相位调制型

2.2.2 偏振调制型

2.3.1 耦合法拉第旋光器的双绕线结构

2.3.2 温度适应性提升

2.3.3 宽频响应特性提升

2.4.1 琼斯矩阵模型构建

2.4.2 传感特性分析

2.4.3 线性工作区间分析

2.5 传感器响应误差分析

2.5.1 理论分析误差

2.5.2 旋光器误差

2.6 本章小结

3 宽频带全光纤电流传感器传感特性有限元分析

3.1 基本结构和改进结构的全光纤电流传感器有限元模型

3.1.1 几何建模

3.1.2 材料定义及其边界条件设置

3.1.3 物理场选择

3.1.4 有限元网格划分及其模型求解

3.2 线偏光偏振态演变分析

3.2.1 偏振态演变过程

3.2.2 磁光效应偏转特性

3.3.1 物理场分布

3.3.2 法拉第旋光器作用机理分析

3.3.3 不同双折射条件下的传感特性

3.4 磁光效应非互易性分析

3.5 本章小结

4 全光纤电流传感器性能测试与分析

4.1 性能试验平台设计

4.2 工频交流响应线性度测试

4.3 频率响应特性试验

4.4 温度适应性试验

4.5 电力系统典型暂稳态电流试验验证

4.5.1 等效短路电流试验

4.5.2 工频叠加谐波电流试验

4.5.3 三角波及退磁电流波形试验

4.6.1 雷电流冲击试验平台搭建

4.6.2 典型雷电流冲击响应测试

4.7 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研课题

C. 学位论文数据集

D. 相关公式推导

致谢