磁光调制的特大高压交流电电流

南京邮电大学通达学院毕业设计（论文）题目基于磁光调制的特大高压交流电电流传感器设计专业信息工程学生姓名毛仁杰班级学号09000313指导教师沈骁指导单位南京邮电大学光电工程学院日期：2012年11月26日至2013年6月21日摘要本文基于法拉第磁光效应，研究了基于磁光调制的高压交流电流传感器。首先，对课题的相关原理进行进一步的研究，包括偏振光的基本概念、磁光效应、交流磁光调制以及安培环路定理。其次，设计了电流传感器系统，包括系统的设计与分析、系统各部分元器件的选取等。最后，研究了交流磁光调制大角度检测方法和电流传感器的检测性能；主要包括基于频谱结构图分析的大磁光调制角检测和基于相对频谱分量幅度值分析的大调制角检测两种方法，从而可以利用相关技术实现大电流的检测。研究结果表明，基于频谱分析技术的信号处理方式，电流检测范围没有上限，同时可以消除光吸收、光源功率波动及部分环境因素等造成的误差，可以实现高精度大范围高压交流电的检测。随着国家智能电网的改造和建设，电流电压等级不断提高，该技术将具有较广阔的应用前景。关键字：法拉第磁光效应；安培环路定理；正交反射型传感头；磁光材料ABSTRACTBasedonFaradayeffect,magneto-opticalmodulationstudiedbasedonhigh-voltageACcurrentsensors.First,therelevantprinciplesofthesubjectforfurtherresearch,includingbasicconceptsofpolarization,magneto-opticaleffect,ACmagneto-opticalmodulation,andAmpere.Secondly,thedesignofthecurrentsensorsystems,includingsystemdesignandanalysis,selectedpartsofthesystemcomponentsandsoon.Finally,thestudyofACmodulationlargeangleopticaldetectionmethodandthedetectionperformanceofthecurrentsensor;mainlyonalargespectralstructureofthemagneto-opticalmodulationangulardetectionandbasedontherelativevaluesofthespectralcomponentsofalargeamplitudemodulationangledetectingtwomethods,whichcanmakeuseofrelevanttechnologytoachievehighcurrenttesting.Theresultsshowthat,basedonspectralanalysisofsignalprocessingtechniques,thecurrentdetectionrangeisnoupperlimit,andcaneliminatethelightabsorption,lightsourcepowerfluctuationsandsomeerrorscausedbyenvironmentalfactors,canachievehigh-precisiondetectionofawiderangeofhigh-voltagealternatingcurrent.Withthenationalreconstructionandconstructionofsmartgrid,thecurrentvoltagelevelcontinuestoimprove,thetechnologywillhavebroaderapplicationprospects.Keywords:Faradayeffect;Ampere;orthogonalreflectiontypesensorhead;magneto-opticalmaterials目录第一章绪论........................................................11.1课题研究背景..................................................11.2课题发展现状..................................................1第二章磁光电流传感器理论基础......................................62.1光的偏振......................................................62.2磁光效应......................................................72.3交流磁光调制..................................................92.4安培环路定理.................................................10第三章电流传感器系统设计.........................................113.1系统的设计与分析............................................113.2传感器系统各部分元器件的选取.................................153.3磁光材料的选取...............................................173.4总结.........................................................18第四章电流传感器检测技术分析.....................................194.1大磁光调制角检测技术...........................................194.2电流检测分析.................................................234.3总结.........................................................25结束语.............................................................26致谢.............................................................27参考文献...........................................................28南京邮电大学通达学院2013届本科生毕业设计（论文）1第一章绪论1.1课题研究背景总览电力行业百年的发展历史进程，电流传感器在电力测量保护、控制、监控等方面发挥了重要的作用，以确保电源系统的的安全性和可靠运行，并取得了显著的成效。在中国，随着国家经济的大规模快速发展，在过去二十年，对电力的需求急剧增加，电力系统的传输容量越来越大，电压等级为500千伏，并已发展到一个更高水平。传统的电磁式电流传感器越来越的呈现呈现出因工作原理导致的技术上难以解决的困难，如[1]：1随着电压等级的提高，增加保温困难，导致绝缘结构复杂，尺寸、重量大，安装、运输不便，成本上升。2由于在一些较大的工作电流或故障电流的磁特性的限制下，可能会发生严重的磁芯饱和，从而导致测量结果出现不能忽略的偏差，向电力系统传送误差信息。3如果是在打开状态下的传感器输出，该输出将诱发高电压，可能会导致绝缘不良或其他设备和工作人员危害的安全隐患。4当内部填充有矿物油的绝缘和冷却介质，出现突然的故障（如：绝缘击穿），可能会导致火灾，周边设备和工作人员造成潜在的爆炸危险威胁。面对这些问题，今天在许多文章可以看到人们（如传感器厂，科研院所等）来解决这个问题，并采取各种技术措施所作的努力。另一方面，无论是从解决问题的方法，还是在更广泛的意义上的对科学和技术的发展需要，人们对于其他的电力系统电流测量方法的探索在不断继续，例如，通过加热的电流，微变效应，磁致伸缩效应，霍尔效应和法拉第效应的影响等，测量电流。这些方法都有各自不同的使用条件和优缺点。目前基于法拉第效应的光学测量方法经过二十年的广泛研究，在国内和国外领域有了充分的发展。法拉第于1846年发现，当平面偏振光通过（电磁线圈通电）磁场的材料时，如玻璃，汽油等，光的偏振平面发生旋转[2]。1970年，美国康宁公司开发一个传输损耗20dB/km的石英光纤，以促进目前实际研究的进展。用激光光源，光学纤维和其他物质条件，人们立即看到基于法拉第效应光学电流传感器（简称OCT光学电流互感器）巨大的技术优势和潜在的经济价值。开始这种传感器的全球研究和开发。1.2课题发展现状在光学介质中（例如光纤，光学玻璃，水晶等）光的强度，频率，波长，相位和偏振状态，五个参数的变化的结果，称为调制参数，所以总共有5个类别的南京邮电大学通达学院2013届本科生毕业设计（论文）2调制方式的光纤传感器。就目前情况而言，有三种强度调制，相位调制，偏振调制。1强度调制型OCT图1.1是一个多模光纤的强度调制OCT。多模光纤涂覆在前面的的导电性金属层（具有由测得的电流确定的厚度），在固定筒在纵向方向上的开槽金属涂层光纤周围的恒定的直流磁场探头放置在圆筒形的永久磁铁或磁场，并通过在涂层中所测量的电流，根据法拉第左手定律，纤维的内侧或外侧的移动，纤维会略显弯曲[3]。光源所激发的各波导模式在光纤中，光纤的微弯，引起衰减的导模，通过检测光纤末端的导向模辐射模式转换，从而发射的能量的变化的大小反映测得的电流。由于被覆的金属层的厚度是有限的，这一方法仅适用于电流的测量。图1.1强度调制型OCT2相位调制型OCT相位调制的的光学的光纤传感器技术包括两个方面：首先，相位的变化会产生光的的物理机制；其次，光的干涉技术。图1.2Mach-ZchnderOCT干涉仪为基础的结构中，传感光束和参考光束在两个光纤传输中。传感臂工作原理可以基于磁致伸缩效应，光纤固定到磁致电阻材料，磁致伸缩材料的膨胀将导致在光纤应变的变化。传感头通常有三种结构形式：1）在磁致材料圆柱体的圆周上绕以光纤；2）在磁致材料带或管上粘贴光纤；3）光纤表面或镀磁致伸缩材料上具有均匀的金属膜。此外，该金属可以被涂覆在纤维表面上，使待测电流直接通过金属被覆层,利用电流的热效应使光纤长度发生变化,从而改变了干涉仪两臂中光束的相位差。由于传感光束和参考光束在两个光纤传输，在光纤内的双折射，温度，振动，弯曲等的干扰会影响传感器的性能。南京邮电大学通达学院2013届本科生毕业设计（论文）3图1.2基于Mach-Zchnder干涉仪的OCT图1.3Fabry-Perot干涉仪基于的OTC结构。是与图2相似，它也利用磁致伸缩效应，但反射的参考信号和传感信号共用一根光纤，从而有效地抑制光纤双折射，环境因素，如在传感器上的温度和振动的影响。有特别设计的信号处理系统，可以抵消光源的不稳定,光源的反射光强信号的变化所带来的位移，该系统具有高稳定性，分辨率，灵敏度，和比较大的动态范围。图1.3基于Fabry-Perof干涉仪的OCT图1.4Sagnac干涉仪为基础的OCT结构图。形成一个2×2光纤耦合器和螺杆光纤Sagnac环组成的干涉测量电流通过这个环。图1.4基于Sagnac干涉仪的OCT南京邮电大学通达学院2013届本科生毕业设计（论文）4目前，各种各样的干涉式电流传感器的主要问题是：光纤线性双折射随温度变化引起的被测信号漂移。这是OCT一个主要实际的障碍，这应该应使线性