全光纤电流互感技术研究

全光纤电流互感器论文 双折射论文 四分之一波片论文 法拉第旋光镜论文
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随着电力系统电压等级的提高和传输容量的增大,继电保护系统的稳定运行越来越重要。传统电磁式电流互感器有着不可避免的缺陷,如绝缘结构复杂、造价高、尺寸大等。而与其相比,全光纤电流互感器具有一系列优点,如测量范围宽、灵敏度高、尺寸小、安全性高等。因此,全光纤电流互感技术受到业界的高度关注,得到迅速发展。本文介绍了全光纤电流互感器的背景、分类、原理等,着重对干涉型反射式全光纤电流互感器进行了重点分析研究,包括理论分析、系统结构设计、信号处理、实验结果分析等。文章利用琼斯矩阵表征反射式全光纤电流互感器中各个器件,对系统中光的偏振态的演化进行了推导和分析。并且对影响系统性能的关键器件误差进行了分析研究,包括传感光纤的双折射效应和四分之一波片误差。研究发现随着传感光纤线性双折射的增大,标度因子相对理想值的偏离度增大,而圆双折射则可以一定程度的弥补其造成的误差。四分之一波片的对轴角度和相位延迟误差都能引起标度因子的恶化,而适当的线性双折射能一定程度补偿对轴角度误差。另外,理论证明法拉第旋光镜的使用和一次、二次谐波相除的信号处理方法能稳定标度因子。在理论分析的基础上,本文对反射式全光纤电流互感器进行了光路设计和优化,包括关键器件和相关各参数的选择、制作方法的选择和优化。本文完成了基于一次、二次谐波相除的信号处理系统的设计和实现。通过对光电检测输出的信号进行模拟相关解调,提取出信号中的一倍频和二倍频分量,经数字化后,用FPGA进行实时相位解调,获得与待测电流呈线性关系的光偏振旋转角,实验结果表明:研制的全光纤电流互感器测量范围约为2~2000安培,当待测电流在200A以下时,测量相对误差为2%左右,当待测电流大于200A时,测量相对误差在0.5%以内,符合实用化要求。
摘要第3-5页
ABSTRACT第5-6页
第一章 绪论第9-15页
    1.1 前言第9页
    1.2 研究背景和意义第9-10页
    1.3 光学电流互感器的分类第10-11页
        1.3.1 混合式光学电流互感器第10-11页
        1.3.2 块状玻璃式光学电流互感器第11页
        1.3.3 全光纤式光学电流互感器第11页
    1.4 国内外研究发展概况第11-13页
    1.5 本文主要内容和结构安排第13-15页
第二章 全光纤电流互感技术理论分析第15-39页
    2.1 基本理论第15-19页
        2.1.1 光的偏振第15-17页
        2.1.2 琼斯矩阵第17-18页
        2.1.3 法拉第旋光效应第18-19页
    2.2 全光纤电流互感技术对比研究第19-23页
        2.2.1 偏振检测型第19-22页
        2.2.2 干涉型第22-23页
    2.3 反射式全光纤电流互感器第23-38页
        2.3.1 系统结构第23-24页
        2.3.2 偏振态演化分析第24-26页
        2.3.3 琼斯矩阵分析第26-28页
        2.3.4 传感线圈双折射分析第28-35页
        2.3.5 四分之一波片误差分析第35-38页
    2.4 本章小结第38-39页
第三章 反射式全光纤电流互感器设计与实现第39-51页
    3.1 关键器件第39-45页
        3.1.1 四分之一波片第39-41页
        3.1.2 传感线圈第41-42页
        3.1.3 光源第42页
        3.1.4 相位调制器第42-44页
        3.1.5 其他器件第44-45页
    3.2 光路构建第45-49页
    3.3 本章小结第49-51页
第四章 信号处理方案分析与实现第51-57页
    4.1 信号处理理论分析第51页
    4.2 信号处理设计与实现第51-55页
        4.2.1 信号源生成第52-53页
        4.2.2 信号解调第53-55页
    4.3 本章小结第55-57页
第五章 实验结果与分析第57-65页
    5.1 实验结果第57-63页
    5.2 结果分析第63页
    5.3 本章小结第63-65页
第六章 总结与展望第65-67页
    6.1 全文总结第65-66页
    6.2 研究展望第66-67页
参考文献第67-70页
符号与标记(附录1)第70-71页
致谢第71-73页
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文第73-75页
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