【正文】 ......................................................................................20 第 3 章 光纖光柵電流檢測系統(tǒng)設(shè)計 ................................................................21 光纖光柵傳感信號解調(diào)方法 ...............................................................21 光譜儀 ............................................................................................21 邊緣濾波法 ....................................................................................22 匹配光柵法 ....................................................................................23 非平衡 MZ 干涉解調(diào)法 ................................................................23 實驗所用傳感信號解調(diào)方法一可調(diào)諧 FP 濾波法 ...........................23 電流檢測系統(tǒng)整體設(shè)計 ........................................................................26 本章小結(jié) ...............................................................................................30 第 4 章 電流傳感器的仿真 ................................................................................31 IV 傳感器電流檢測實驗仿真 ................................................................... 31 不加偏置電流情況下交流電流檢測實驗 ........................................... 32 施加偏置電流情況下交流電流檢測實驗 ........................................... 34 實驗結(jié)果分析 ....................................................................................... 35 本章小結(jié) ............................................................................................... 35 結(jié)論 ...................................................................................................................... 37 參考文獻 .............................................................................................................. 39 致謝 ...................................................................................................................... 41 附錄 ...................................................................................................................... 42 第 1章 緒論 1 第 1 章 緒論 課題背景 長期以來，在電力系統(tǒng)運行中，一直是由傳統(tǒng)的電流互感器來完成高壓電網(wǎng)的電流測量工作。由于對電流檢測系統(tǒng)和繼電保護系統(tǒng)智能化、自動化等要求的不斷提升，使電流互感器的研究發(fā)展十分迅速。然而隨著社會對電力需求量和輸電距離的增大，發(fā)電行業(yè)和高壓工程行業(yè)越來越注重采用大幅度的提高電壓等級的方式來提升輸電效率，目前我國電網(wǎng)的最高電壓等級已達 500kV。隨著電 壓等級的提高，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器暴露出一系列嚴重的缺點：磁飽和、鐵磁諧振、絕緣難度大、動態(tài)范圍小、頻帶窄以及有油易燃易爆等 [1]。因此對于電力系統(tǒng)的發(fā)展需要，傳統(tǒng)的電流互感器已經(jīng)難以滿足其要求。在這種背景下，尋求更理想的新型電流互感器已勢在必行，目前研究重點是利用光學傳感技術(shù)來檢測電流，即用光電子學的方法和光纖傳感技術(shù)來發(fā)展所謂的光學電流互感器 ( optical current transformer，簡稱OCT ) 。 光學電流互感器是將被測電流轉(zhuǎn)換為光信號進行傳輸來實現(xiàn)電流互感。目前在電力系統(tǒng)的發(fā)電 、輸電、變電等領(lǐng)域，尤其是對高壓系統(tǒng)的測量和監(jiān)控方面，光學電流互感器具有明顯的優(yōu)越性，是傳統(tǒng)電磁式電流互感器的理想替代產(chǎn)品 [2]。光學電流互感器克服了傳統(tǒng)電磁式電流互感器的很多缺點，具有如下幾個方面的優(yōu)點：絕緣性能好，成本低。在 OCT 中，用來做傳感元件的光學材料、傳輸信號的光纖都是良好的絕緣材料，結(jié)構(gòu)簡單，降低了成本；不含鐵心，不會產(chǎn)生磁飽和及鐵磁共振，因而系統(tǒng)運行穩(wěn)定性好，適用于大電流的故障診斷；可靠性強，無二次開路產(chǎn)生高壓的危險以及避免了因充油引發(fā)的易燃易爆等危險；測量頻帶寬。 OCT 的測量頻帶范圍完全由信號處理部分的電子線路所決定；抗電磁干擾性能好；重量輕，體積小，節(jié)約占地面積，安裝方便 。能夠適應電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化的需求。所以目前光學式電流互感器在電力系統(tǒng)中，有著廣泛的發(fā)展前途和應用前景。 光學電流互感器的現(xiàn)實意義體現(xiàn)于三個方面：一、光學電流互感器的研燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 究作為現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展進步的技術(shù)基礎(chǔ)之一，起著先導性的作用；二、光學電流互感器的運用保證了現(xiàn)代電力行業(yè)的高效安全生產(chǎn)，在更大的程度上提升了人民的生活質(zhì)量；三、光學電流互感器屬于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，具有高增長、高回報的特點。所以，研究開發(fā)新型光學 電流互感器對促進我國的國民經(jīng)濟的發(fā)展具有十分重要的地位。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 光學電流互感器主要研究方案有兩種：基于法拉第磁光效應的電磁式電流互感器，基于磁致伸縮效應的光學電流互感器。 基于法拉第磁光效應的電磁式電流互感器包括全光纖電流互感器以及塊狀玻璃光學電流互感器兩種。其中全光纖電流互感器具有光路簡潔，制作方便，可靠性好的優(yōu)點，不過外界環(huán)境溫度、入射偏振面以及光纖本身雙折射等因素能較大的影響輸出的靈敏度。從 1973 年來自英國的科學家 A. J. Rogers 提出全光纖電流的設(shè)想以來， 許多研究人員在研究全光纖型電流互感器上投入了大量時間和精力，但是到目前為止，其受到溫度因素以及現(xiàn)行雙折射的問題依然并未有效解決，從而也限制了其發(fā)展 [3]。采用具有較高菲爾德常數(shù)的一整塊光學玻璃作為核心傳感元件的塊狀玻璃光學互感器，其受到線性雙折射的影響較小并且選擇材料的范圍很廣泛，但是其塊狀玻璃有著易碎，成本高昂等缺陷。其中 等人聯(lián)合設(shè)計的塊狀玻璃光學電流互感器在 1 A～ 3 kA 的測試范圍內(nèi)，獲得的分辨率為 20mA/Hz，并可在頻率 1 Hz～ 1OkHz 范圍內(nèi)能夠得到平坦的頻率響應 [7]。到目 前為止塊狀玻璃光學電流互感器是實際經(jīng)驗最為豐富，掛網(wǎng)運行最多，并且穩(wěn)定性最好的一種光學電流互感器。 基于磁致伸縮效應的光學互感器進行了近二十年的研究工作。最初的磁致伸縮材料是由鎳合金等材料構(gòu)成，這種材料伸縮系數(shù)小，精度比較低，從而約束了它的發(fā)展。 80 年代時美國阿姆斯實驗室研制成功了新型的超磁致伸縮材料 (Giant Magostrictive Materials， GMM)并且率先實現(xiàn)商品化。起初在 1989 年時是由美國前沿技術(shù)公司開始成產(chǎn)銷售，隨后瑞典、口本、俄羅斯、英國等國家也相繼研發(fā)出類似產(chǎn)品 。我國對 GMM 開始的研究時間比第 1章 緒論 3 較晚，但是發(fā)展速度很快，到目前為止北京科技大學、包頭稀土研究所、北京有色金屬研究總院以及甘肅天星稀土材料有限公司等單位都從事著GMM 的研發(fā)，成效很好， GMM 的一些主要性能指標基本上達到了國際同類產(chǎn)品的水平。 將 GMM 用在電流互感器通常是采用在 GMM 圓柱體周圍繞上光纖、光纖粘貼在 GMM 材料上或是將 GMM 金屬膜鍍在光纖表面等方法。美國的, 和捷克的 M. Sedla將 GMM周圍纏繞上光纖利用MZ 干涉儀完成了電流測量實驗，取得了實驗階段性 的成果。 通過紫外光對光纖進行照射，使得光纖芯折射率發(fā)生變化而形成芯體布喇格光柵的光纖布喇格光柵 (Fiber Bragg Grating, FBG)傳感技術(shù)，對于滿足布喇格條件的入射光中 90%以上的窄帶光譜能夠?qū)崿F(xiàn)反射，反射譜的中心波長只是由 FBG 的周期以及有效折射率所決定 [4]。而 FBG 的周期和折射率只受物理量應變和溫度的影響，對其他物理量不敏感。所以發(fā)生應變或是溫度變化會使 FB G 的中心波長發(fā)生偏移，通過解調(diào)儀或是其他檢測手段測出波長的偏移量就能得出應變或是溫度的變化情況。自從 FB G 被應用以來，將FBG 與 GMM 結(jié)合起來作為電流互感器成為國內(nèi)外學者研究的主要方向。國內(nèi)很多大學如南開大學、武漢理工大學、燕山大學等對 GMMFB G 相繼展開了研究實驗，也都取得不錯的結(jié)果，不過更多的是把如何消除實驗影響因素方面作為研究重點。 GMMFBG 作為電流互感器，溫度是唯一影響因素，對于如何消除溫度影響，國內(nèi)外學者都提出很多方案： 提出的基于GMMFB G 的電流傳感系統(tǒng)能同時完成電流和溫度的測量，通過溫度變化能引起 FBG 的波長偏移原理從電流的信號中讀取出溫度的變化 [ 10]。 綜上所述，至今為止對 GMMFBG 電流傳感系統(tǒng)的研究仍然僅限于處在螺線管產(chǎn)生的磁場條件下，而難以應用到實際的電路測量。工頻交流的測量研究上應用 GMMFBG 傳感系統(tǒng)僅僅開始于 2020 年，而且絕大多數(shù)焦點在于如何減小溫度影響方面。 光纖光柵傳感應用概況 80 年代后期產(chǎn)生的光纖布喇格光柵，自從問世以來，其傳感技術(shù)就成燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 為光纖傳感技術(shù)中最具活力的一種技術(shù) [ 5]。在建筑、石化、核工業(yè)等行業(yè)中得到了深入研究和廣泛應用，雖然在電力工業(yè)中的應用研究起步較晚，正處于研究的初始階段，但其良好的絕緣性能、抗電磁干擾特性及體積小等長處，使其 成為處于強電磁場中電氣設(shè)備在線檢測的最佳選擇，在電力系統(tǒng)中有著更為廣闊的應用前景。 光纖光柵傳感器應用最活躍的領(lǐng)域是民用工程中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測。在橋梁、大壩、隧道、高層建筑和運動場館的維護上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)、力學參數(shù)的測量是至關(guān)重要的，通過測量建筑物的分布應變，可以預測局部荷載的狀態(tài)。有一座跨度 72 米的預應力混凝土橋聳立在德國德累斯頓附近高速公路上，德累斯頓大學的 Meissner 等人將光纖布喇格光柵埋進橋的混凝土棱柱中，進而測量荷載下的基本線性響應，并用常規(guī)的應變測量儀器作了相應的對比試驗 ，充分證實了光纖光柵傳感器的現(xiàn)實可行性 [ 6]。 石化工業(yè)是當今世界上經(jīng)濟的主體行業(yè)，但是帶有易燃易爆的危險，用于諸如油氣罐、油氣井、油氣管等地方的測量存在不安全的因素需要運用電學傳感器。光纖光柵傳感器因為自身的優(yōu)勢安全性非常適合應用在石油化工領(lǐng)域里 ”。 作為新興能源行業(yè)的的核工業(yè)，最大的缺陷就是高輻射，核泄漏對人類是一個很大的威脅，貝爾格利核電站泄漏的巨大影響至今還沒有完全消除，因此對于核電站的安全檢測及其重要。核廢料的管理措施也變得更加重要，需要有特定的 監(jiān)測網(wǎng)絡來監(jiān)視核廢料站的具體狀況，對監(jiān)視網(wǎng)絡長期穩(wěn)定的高要求也是前所未有的。與此同時，由于核裝置逐漸老化，需要更多的維護、修理、保養(yǎng)，乃至最終必須被拆除，而所有這些都在設(shè)計時沒有預見，因此需要更多更好的傳感器以便遙控設(shè)備，進而處理不確定情況。日本核能研究院 1999 年 4 月～ 2020 年 3 月的年度報告中提到，通過輻射環(huán)境測試能確保光纖光柵用于核電廠設(shè)備和管道方面的傳感，并可在幾乎整個反應堆壽命期間忍耐著核輻射。目前，光纖光柵傳感器已用于核電廠的混凝土變形測量等第 1章 緒論