Pockels效应电光传感机理建模与实验研究

摘要

随着人们对电力需求量不断增大，我国的电网向着智能化，大容量，数字化，高电压的方向不断发展，在这样的背景下，传统电磁式电压互感器的缺点越来越凸显出来，越来越难以满足现代电力工业的发展要求。光学电压互感器(OTV)由于其独特的传感机理，使其拥有绝缘性好、安全、动态范围大、频带宽、体积小、重量等优点。这些优点赢得了人们的关注，多国的科研人员在光学电压互感器投入了大量的金钱和时间。但目前的光学电压互感器仍然存在一些有待解决的问题。主要表现为在运行时测量结果会随温度的变化产生温度漂移这方面。因此有必要对光学电压互感器的传感机理进行研究。
　　本文首先对基于Pockels效应的光学电压互感器进行了研究，根据互感器中的电光晶体的数学模型得到了分布参数模型，并根据互感器各个部分的数学模型，得到了光学电压互感器的系统方框图。
　　在有限元分析软件COMSOL中，根据数学模型，对电光晶体进行了建模，建立了宏观和微观模型。在宏观模型中，得到了晶体的电场分布;在微观模型中，对Pockels效应进行了建模仿真，得到了对晶体未施加电压和施加电压时，光波在晶体中的偏振态分布，并对偏振态的演化进行了理论分析，验证了分布参数的有效性，同时得到了晶体微元中的电场分布。
　　以光学电压互感器为例，在COMSOL中对光学电压互感器进行了温度场和热应力多物理场建模仿真，应用了分布参数模型对光学电压互感器进行了热应力分析，得到了在单一热源情况下，温度对光学电压互感器的影响。
　　在实验中，将频谱迁移理论应用到了光学直流电压互感器的信号处理当中。设计了光学直流电压测量系统。对光学直流电压互感器进行了恒温和变温实验，初步得出了温度对其的影响。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 光学电压互感器的分类

1．3 光学电压互感器发展概况

1．4 光学电压互感器的问题和研究动态

1．5 本文主要研究内容

第2章 传感机理建模与开环机理研究

2．1 Pockels效应电光传感的应用

2．2 Pockels效应的分布参数机理分析

2．2．1 电光晶体的双折射模型

2．2．2 Pockels效应分布参数模型

2．3 光学电压互感器的信号变换模型

2．4 光学电压互感器的开环机理研究

2．5 本章小结

第3章 电光传感微元分布参数建模

3．1 有限元，多物理场和COMSOL Multiphysics

3．2 宏观模型建模与分析

3．2．1 宏观电场分布模型建模前期处理

3．2．2 宏观模型结果与分析

3．3 微观模型建模与分析

3．3．1 微观模型建模过程前期处理

3．3．2 微元电光晶体的仿真结果与分析

3．4 本章小结

第4章 传感单元的温度热应力分析

4．1 多物理场的数学模型

4．1．1 温度场的数学模型

4．1．2 热应力的数学模型

4．1．3 热应力对晶体的影响

4．2 建模过程

4．3 结果与分析

4．3．1 传感单元的温度模拟

4．3．2 光学玻璃的热应力模拟

4．3．3 晶体内部应力与温度的关系

4．3．4 热应力对电光晶体的影响

4．4 本章小结

第5章 光学直流电压互感器

5．1 噪声来源和频谱迁移法

5．1．1 光学电压互感器的噪声特点

5．1．2 频谱迁移法的原理

5．2 直流光学电压互感器测量系统

5．2．1 直流光学电压互感器的硬件部分

5．2．1 直流光学电压互感器的软件部分

5．3 实验结果分析

5．3．1 信号频谱分析

5．3．2 温度实验结果分析

5．4 本章小结

6．1 本文总结

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

攻读硕士学位期间参加的科研工作

致谢