【正文】 本章小結(jié) .............................................................................................. 20 第 3 章 光纖光柵電流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) ................................................................ 21 光纖光柵傳感信號(hào)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(shí)驗(yàn)所用傳感信號(hào)解調(diào)方法一可調(diào)諧 FP 濾波法 ........................... 23 電流檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) ........................................................................ 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(cè)實(shí)驗(yàn)仿真 ................................................................... 31 不加偏置電流情況下交流電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn) ........................................... 32 施加偏置電流情況下交流電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn) ........................................... 34 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 ....................................................................................... 35 本章小結(jié) ............................................................................................... 35 結(jié)論 ...................................................................................................................... 37 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................. 39 致謝 ...................................................................................................................... 41 附錄 ...................................................................................................................... 42 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 課題背景 長(zhǎng)期以來，在電力系統(tǒng)運(yùn)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(cè)量工作。由于對(duì)電流檢測(cè)系統(tǒng)和繼電保護(hù)系統(tǒng)智能化、自動(dòng)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(huì)對(duì)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(jí)的方式來提升輸電效率，目前我國(guó)電網(wǎng)的最高電壓等級(jí)已達(dá) 500kV。隨著電 壓等級(jí)的提高，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器暴露出一系列嚴(yán)重的缺點(diǎn)：磁飽和、鐵磁諧振、絕緣難度大、動(dòng)態(tài)范圍小、頻帶窄以及有油易燃易爆等 [1]。因此對(duì)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(shì)在必行，目前研究重點(diǎn)是利用光學(xué)傳感技術(shù)來檢測(cè)電流，即用光電子學(xué)的方法和光纖傳感技術(shù)來發(fā)展所謂的光學(xué)電流互感器 ( optical current transformer，簡(jiǎn)稱OCT ) 。 光學(xué)電流互感器是將被測(cè)電流轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行傳輸來實(shí)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(duì)高壓系統(tǒng)的測(cè)量和監(jiān)控方面，光學(xué)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(xué)電流互感器克服了傳統(tǒng)電磁式電流互感器的很多缺點(diǎn)，具有如下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：絕緣性能好，成本低。在 OCT 中，用來做傳感元件的光學(xué)材料、傳輸信號(hào)的光纖都是良好的絕緣材料，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了成本；不含鐵心，不會(huì)產(chǎn)生磁飽和及鐵磁共振，因而系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性好，適用于大電流的故障診斷；可靠性強(qiáng)，無二次開路產(chǎn)生高壓的危險(xiǎn)以及避免了因充油引發(fā)的易燃易爆等危險(xiǎn)；測(cè)量頻帶寬。 OCT 的測(cè)量頻帶范圍完全由信號(hào)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(yīng)電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的需求。所以目前光學(xué)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(yīng)用前景。 光學(xué)電流互感器的現(xiàn)實(shí)意義體現(xiàn)于三個(gè)方面：一、光學(xué)電流互感器的研燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 究作為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的技術(shù)基礎(chǔ)之一，起著先導(dǎo)性的作用；二、光學(xué)電流互感器的運(yùn)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(xué)電流互感器屬于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，具有高增長(zhǎng)、高回報(bào)的特點(diǎn)。所以，研究開發(fā)新型光學(xué) 電流互感器對(duì)促進(jìn)我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有十分重要的地位。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 光學(xué)電流互感器主要研究方案有兩種：基于法拉第磁光效應(yīng)的電磁式電流互感器，基于磁致伸縮效應(yīng)的光學(xué)電流互感器。 基于法拉第磁光效應(yīng)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(xué)電流互感器兩種。其中全光纖電流互感器具有光路簡(jiǎn)潔，制作方便，可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，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(guó)的科學(xué)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(shí)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(xué)玻璃作為核心傳感元件的塊狀玻璃光學(xué)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(jì)的塊狀玻璃光學(xué)電流互感器在 1 A～ 3 kA 的測(cè)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(yīng) [7]。到目 前為止塊狀玻璃光學(xué)電流互感器是實(shí)際經(jīng)驗(yàn)最為豐富，掛網(wǎng)運(yùn)行最多，并且穩(wěn)定性最好的一種光學(xué)電流互感器。 基于磁致伸縮效應(yīng)的光學(xué)互感器進(jìn)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(shí)美國(guó)阿姆斯實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)商品化。起初在 1989 年時(shí)是由美國(guó)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(guó)等國(guó)家也相繼研發(fā)出類似產(chǎn)品 。我國(guó)對(duì) GMM 開始的研究時(shí)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(xué)、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(biāo)基本上達(dá)到了國(guó)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?cè)诠饫w表面等方法。美國(guó)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(cè)量實(shí)驗(yàn)，取得了實(shí)驗(yàn)階段性 的成果。 通過紫外光對(duì)光纖進(jìn)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(duì)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(zhǎng)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(yīng)變和溫度的影響，對(duì)其他物理量不敏感。所以發(fā)生應(yīng)變或是溫度變化會(huì)使 FB G 的中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移，通過解調(diào)儀或是其他檢測(cè)手段測(cè)出波長(zhǎng)的偏移量就能得出應(yīng)變或是溫度的變化情況。自從 FB G 被應(yīng)用以來，將FBG 與 GMM 結(jié)合起來作為電流互感器成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的主要方向。國(guó)內(nèi)很多大學(xué)如南開大學(xué)、武漢理工大學(xué)、燕山大學(xué)等對(duì) GMMFB G 相繼展開了研究實(shí)驗(yàn)，也都取得不錯(cuò)的結(jié)果，不過更多的是把如何消除實(shí)驗(yàn)影響因素方面作為研究重點(diǎn)。 GMMFBG 作為電流互感器，溫度是唯一影響因素，對(duì)于如何消除溫度影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)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(shí)完成電流和溫度的測(cè)量，通過溫度變化能引起 FBG 的波長(zhǎng)偏移原理從電流的信號(hào)中讀取出溫度的變化 [ 10]。 綜上所述，至今為止對(duì) 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(chǎng)條件下，而難以應(yīng)用到實(shí)際的電路測(cè)量。工頻交流的測(cè)量研究上應(yīng)用 GMMFBG 傳感系統(tǒng)僅僅開始于 20xx 年，而且絕大多數(shù)焦點(diǎn)在于如何減小溫度影響方面。 光纖光柵傳感應(yīng)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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(yīng)用，雖然在電力工業(yè)中的應(yīng)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(zhǎng)處，使其 成為處于強(qiáng)電磁場(chǎng)中電氣設(shè)備在線檢測(cè)的最佳選擇，在電力系統(tǒng)中有著更為廣闊的應(yīng)用前景。 光纖光柵傳感器應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域是民用工程中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。在橋梁、大壩、隧道、高層建筑和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館的維護(hù)上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)、力學(xué)參數(shù)的測(cè)量是至關(guān)重要的，通過測(cè)量建筑物的分布應(yīng)變，可以預(yù)測(cè)局部荷載的狀態(tài)。有一座跨度 72 米的預(yù)應(yīng)力混凝土橋聳立在德國(guó)德累斯頓附近高速公路上，德累斯頓大學(xué)的 Meissner 等人將光纖布喇格光柵埋進(jìn)橋的混凝土棱柱中，進(jìn)而測(cè)量荷載下的基本線性響應(yīng)，并用常規(guī)的應(yīng)變測(cè)量?jī)x器作了相應(yīng)的對(duì)比試驗(yàn) ，充分證實(shí)了光纖光柵傳感器的現(xiàn)實(shí)可行性 [ 6]。 石化工業(yè)是當(dāng)今世界上經(jīng)濟(jì)的主體行業(yè)，但是帶有易燃易爆的危險(xiǎn)，用于諸如油氣罐、油氣井、油氣管等地方的測(cè)量存在不安全的因素需要運(yùn)用電學(xué)傳感器。光纖光柵傳感器因?yàn)樽陨淼膬?yōu)勢(shì)安全性非常適合應(yīng)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(duì)人類是一個(gè)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(duì)于核電站的安全檢測(cè)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(cè)網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)視核廢料站的具體狀況，對(duì)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期穩(wěn)定的高要求也是前所未有的。與此同時(shí)，由于核裝置逐漸老化，需要更多的維護(hù)、修理、保養(yǎng)，乃至最終必須被拆除，而所有這些都在設(shè)計(jì)時(shí)沒有預(yù)見，因此需要更多更好的傳感器以便遙控設(shè)備，進(jìn)而處理不確定情況。日本核能研究院 1999 年 4 月～ 20xx 年 3 月的年度報(bào)告中提到，通過輻射環(huán)境測(cè)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(gè)反應(yīng)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(cè)量等第 1 章 緒論