基于Pockels效应的无源非接触式光学过电压传感器及测量系统的研究

摘要

智能电网作为新一代电力系统，以提高电网运行的效率和可靠性为目标，是21世纪电力系统发展的一个重要方向。而智能传感器是智能电网的重要单元，对电网过电压的实时感知有助于更加全面的获取电力系统的整体运行状态。现今电网的电压监测和过电压监测大多采用传统的接触式分压系统，该方式的运行可靠性较高，但具有测量频带窄、抗电磁干扰能力弱、安装和维护不方便等不足之处。因此，研究具有良好的宽频响应特性的电网过电压非接触传感器可以有效拓展实测电网过电压波形的信息深度，为过电压行为特征的进一步研究提供数据支撑。　　本文基于Pockels效应和空气耦合杂散电容原理，建立电路和光路模型，研究电力系统过电压的无源非接触式测量方法；对比分析不同电光晶体材料的物理性质，合理选择适用的电光晶体材料，并研究该种电光晶体的有效线性工作区间及其工作点的最优配置方法；研究传感器各组成单元的布置方法与整体封装方法；在实验室和现场搭建电压测量平台分别测量传感器的工频响应特性、幅频特性以及高频冲击电压响应特性。　　基于传感器的基本光路模型，分析影响传感器运行稳定性的主要因素，提出双晶体结构的温度补偿方法以提高传感器的温度稳定性；根据改进后的光路模型，设计双晶体结构的电光传感单元，并在实验室搭建试验平台对比研究单、双晶体结构的电光传感单元的温度稳定性以及长期运行稳定性；完成对改进后传感器的制作和封装，在实验室搭建电压测量平台校验其整体输入输出特性；结合后端数据采集系统，构建电力系统过电压测量系统，并实现测量系统在电力系统中的现场应用。　　基于传感器的非接触式测量原理，研究传感器在多导体系统中的电压信号耦合机制；搭建三相电压测量平台，研究分析影响传感器在三相电压测量中所受相间耦合的主要因素及其影响规律，并提出相应的抑制方法；建立传感器在三相电压测量中的等效电路模型，研究传感器输出波形的解耦方法；分别在实验室和现场搭建电压测量平台，研究解耦方法的实际有效性。　　基于波分复用原理，研究测量系统在多点同时监测时的数据传输优化方法，在实验室建立多点电压模拟测量系统，测量该系统的输入输出特性及高频响应特性；另一方面，研究分析电光传感单元在不同输入激光波长下的输入输出特性，提出基于波分复用原理的电压有效测量范围拓展方法；建立双波长输入的电光传感单元的光路模型，通过试验获取双波长输入的电光传感单元的输入输出特性。　　本文的研究成果可为电力系统过电压监测传感器及测量系统的研究提供新的思路，在学术研究和工程指导方面均有重要的意义。

目录

1 绪 论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

2 基于Pockels效应的无源非接触式过电压传感器研究

2.1 引言

2.2 传感器原理概述

2.3 电光传感单元基本原理

2.4 传感器的结构设计与实现

2.5 传感器性能的试验研究与结果分析

2.6 本章小结

3 基于双晶体温度补偿方式的传感器及测量系统的研究

3.1 引言

3.2 双晶体结构的温度补偿方法研究

3.3 电光传感单元的工作稳定性研究

3.4 测量系统的构建及现场应用

3.5 本章小结

4 测量系统的相间耦合影响规律及波形解耦方法研究

4.1 引言

4.2 测量系统的相间耦合影响规律研究

4.3 测量系统在三相电压测量中的波形解耦方法研究

4.4 波形解耦方法在超高压现场试验中的应用研究

4.5 本章小结

5 采用波分复用技术的测量系统研究

5.1 引言

5.2 波分复用原理

5.3 基于波分复用的数据传输优化方法研究

5.4 基于波分复用的电压测量范围拓展方法研究

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读博士学位期间参与的科研课题

C. 作者在攻读博士学位期间申请的专利