【正文】 無需外接電源供電，因此，其功率不受電源的影響，同時具有很強的抗電磁干擾能力。 由于法拉第光學電流互感器能夠有效的克服傳統(tǒng)電磁式電流互感器以及有源電子式電流互感器的不足，因此，對用于直流測量的法拉第光學電流互感器的實用化是十分必要的。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 上世紀 60 年代起，國外開始了將光學技術(shù)用于電流測量的研究，對光學電流互感器的研究也自此興起。而 70 年代初的光纖技術(shù)的興起 ，對光學電流互感器的進一步研究起到了推動作用。到 70 年代末，對光學電流互感器的研究僅集中在理論方面，并且由于測量精度及溫度穩(wěn)定差等方面的問題，因此，該階段的研究僅處于實驗?zāi)M階段。 自 80 年代開始至 90 年代，隨著對傳感結(jié)構(gòu)性能、絕緣水平及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等技術(shù)的研究取得重要突破光學電流互感器的研究進入了實用化研究階段。其中以美國、日本為代表，許多發(fā)達國家都進行了光學電流互感器的實際掛網(wǎng)運行。從 1981 年起，日本五大電氣公司開始集中對光學電流互感器進行研究。進入 90年代，對于光學電流互感器的相關(guān)研究表現(xiàn)出多類型、 多用途以及便于化的新特點，并且取得了破布的成果。而從 90 年代起，對于光學測量的研究已經(jīng)逐漸涉及到從高壓到特高壓的高壓輸電方面。各個公司開發(fā)出大量的光學電流互感器產(chǎn)品，這些都表明對于光學電流互感器的研究進入到將其實用化和產(chǎn)品化的應(yīng)用階段。 自 21 世紀起，由于對光傳感技術(shù)進入新的研究階段，并取得了一定的進展，從而也推動了 OCT 相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)進步。從 20xx 年到 20xx 年，各電壓等級光學電壓電流互感器開始先后在美國加拿大等地的變電站和發(fā)電廠掛網(wǎng)運行。 20xx年， 230KV 電廠等級的全光纖光學電流互感器由北美的 NXTPHASE 公司研制成功。從 20xx 年開始，針對鋁電解工業(yè)， ABB 公司研制出用于強直電流測量的光學電華北電力大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 流互感器。這標志著 OCT 開始用于越來越多的工業(yè)領(lǐng)域。 我國對光學電流互感器的研究赴較晚，相關(guān)研究從 70 年代末才開始出現(xiàn)。我國第一臺光學電流互感器成品是由四平電業(yè)局和沈陽變壓器廠合作研制開發(fā)的 110KV 等級的光學電流互感器。并在 80年代，由四平電業(yè)局進行了掛網(wǎng)試驗運行，而未滿一年即退出運行。 自上世紀 90 年代起，我國對光學電流互感器的研究進入了新的階段，多家倍感單位及公司都進行了 OCT 的掛網(wǎng)運行。 1991 年，由 中國電力科學研究院和清華大學共同開發(fā)的 110KV 等級光學電流互感器，通過了鑒定并且進行了掛網(wǎng)試運行。 1993 年，華中科技大學先后將所研制的 110KV 獨立式單相光學電流互感器、光學電壓互感器，在廣東省大澤變電站進行了掛網(wǎng)運行；而后又于 1998 年將獨立式三相光學電流互感器、光學電壓互感器掛網(wǎng)于三江變電站。 20xx 年，華北電力大學與哈爾濱工業(yè)大學研制出自適應(yīng)光學電流互感器，并在河北沙窩變電站進行了掛網(wǎng)運行，其簷電流測量準確度達到 級。 20xx 年，南瑞公司所研發(fā)的全光纖電流互感器獲得了入網(wǎng)許可，并且于 20xx 年 ，在淮北的大唐電廠110KV 電壓等級交流系統(tǒng)上，成功地進行了我國首次全光纖光學電流互感器的掛網(wǎng)運行。 20xx 年 6 月，哈爾濱工業(yè)大學將其所研制的光學電流互感器成功地在上海的 500KV 等級超市壓線路上投入運行。這也標志著世界最高電壓等級光學電流互感器的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，已被我國掌握了。 到目前為止，國內(nèi)對于用于直流測量的光學電流互感器研究還是比較落后的。無論是在理論上還是在實用化研究上，都需要進一步的投入與發(fā)展，以此推動光學直流電流互感器的實用化、產(chǎn)品化。 設(shè)計（論文）的主要研究內(nèi)容及預(yù)期目標 盡管基 于法拉第磁光效應(yīng)的直流光學電流互感器具有很大的優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景，但在實用化道路上依然存在一些問題，主要問題之一就是直流光學電流互感器的信號檢測時，強噪聲和噪聲與信號頻段相重疊，使用傳統(tǒng)的濾波器無法消除其中的噪聲，從而無法得到高精度的輸出。為此，本文對提高直流光學電流互感器的輸出信號比展開研究。 查閱相關(guān)文獻，了解直流電流測量方法，以及光學測量電流技術(shù)； 總結(jié)現(xiàn)有直流電流測量方法，詳細分析采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)實現(xiàn)的光學直流電流測量技術(shù)； 建立基于調(diào)制解調(diào)的直流光學電流測量系統(tǒng)的 LABVIEW 計算模型，并在LABVIEW 進行仿真計算； 撰寫論文。 華北電力大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 第 2 章 頻譜遷移測量法的研究 光電檢測器及 其 噪聲分析 直流光學電流測量系統(tǒng)的主要組成部分為光電檢測系統(tǒng)。光電檢測系統(tǒng)包括光信號的變換、傳輸及處理三個部分。 光學系統(tǒng) 光電檢測器 電路系統(tǒng) 光信號 電信號 圖 21 光電檢測系統(tǒng)組成 其中，光電檢測器是利用光電效應(yīng)把光信息轉(zhuǎn)換為電信息的光電器件，是光電系統(tǒng)中的重要組成部分。同時，光電檢測器也是光電檢測系統(tǒng)中噪聲的主要來，即直流光學測量系統(tǒng)的噪聲主要為光電檢測器中的噪 聲。 常用的光電檢測器分為光電子發(fā)射探測器、光電導(dǎo)探測器、光伏探測器、熱電探測器、光電成像器件。 利用光伏效應(yīng)制成的光伏探測器的特點如下：其光伏效應(yīng)只產(chǎn)生于結(jié)區(qū)附近的光：能夠無需外加電壓將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，具有良好的頻率響應(yīng)特性，響應(yīng)速度快。因此，光伏探測器在實際中得到廣泛應(yīng)用。 光伏探測常用有如下幾種：光電池、光電二極管、光電三極管、 PIN 管、雪崩二極管等。本文采用的光電檢測器為 PIN 光電二極管光伏探測器，其電路圖如下： 華北電力大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 圖 22 PIN 光電二極管光伏探測器電路圖 PIN 光電二極管光伏探測器產(chǎn)生的噪 聲主要為散粒噪聲、暗電流噪聲、熱噪聲、 1/f 噪聲。這些噪聲集中在 1kHz 以下的頻帶內(nèi)。其中，相比較于其他幾種噪聲，電流噪聲的影響最大。光電二極管的理想電流輸出為光電流，然而實際中，當光量為 0時，仍會有電流輸出。此輸出電流即為暗電流。暗電流經(jīng)過放大器放大后，為暗電流噪聲。 檢測暗電流噪聲時，將光電檢測器通過數(shù)據(jù)采集卡接入到計算機中，利用LabVIEW 軟件進行輔助分析。該實驗 接線 如圖所示： 光電檢測器 NI6251 LabVIEW 程序 圖 23 光電檢測器噪聲檢測實驗 接線圖 當光電檢測器無輸入時，暗電流噪聲頻譜圖如下： 圖 24 暗電流噪聲頻譜圖 從上圖可以看出，暗電流噪聲的頻帶主要集中在 以下。因此，當進行直流測量時，光電檢測器輸入的直流測量值與暗電流噪聲相重疊，影響了測量精度。 交檢測器在無輸入的情況下運行一段時間后，可以得到光電檢測器暗電流噪聲的電壓幅值變化，如圖所示： 華北電力大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 圖 25 暗電流噪聲幅值變化 由此圖可知，光電檢測器在沒有輸入時，其內(nèi)部的二極管暗電流經(jīng)去處器的放大作用，最終形成 57~62mV 的暗電流噪聲。而當待測電流變化大小的級為安培時，光電 檢測器對應(yīng)輸出電壓幅值變化的數(shù)量級為毫伏級。因此，可見暗電流噪聲對光電檢測器輸出影響很大，從而降低了光學測量系統(tǒng)的測量精度。 頻譜遷移測量法 光學電流互感器的基本原理 本文所設(shè)計的直流光學電流系統(tǒng)租用法拉第效應(yīng)對待測電流進行測量。法拉第效應(yīng)：入射線偏振光途徑磁光材料時，在外加磁場的作用下，偏振 面會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。出射偏振光與入微偏振光之間的夾角為法拉第偏轉(zhuǎn)角Θ。法拉第 效應(yīng)如圖所示： 華北電力大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 由法拉第效應(yīng)可知， 法拉第偏轉(zhuǎn) 角公式為： LV Hdl?? ? （ 21） 其中， V 為 所用 磁光材料對應(yīng)的維爾德常數(shù)為： H 為由待測電流產(chǎn)生的磁場強度； L 為入射偏振光在外加磁場作用下，通過磁光材料的有效長； l 為 L對應(yīng)的積分矢量。 將待測電流圍繞磁光材料形成的電流回路后，由環(huán)路律，有 LNi V Hdl? ? （ 22） 由上述兩式可得 N V i?? ? ? （ 23） 可見，由于 N、 V為常數(shù)，Θ與 i成正比，測得法拉第偏轉(zhuǎn)角即 可求得待測電流。而法拉第偏轉(zhuǎn)角不能直接測得，因此，實際中常利用馬呂斯定律，通過測量偏振光光強來對其進行測量。光學電流測量系統(tǒng)的光源發(fā)出初始光強為 J0 的自然光，經(jīng)起偏器、磁光材料，檢偏器的作用后，出射偏振光光強為： 0`21 cosJJ ?? （ 24） 為了能等到更為準確的測量值，應(yīng)使出射偏振光的光強最大。實際中，設(shè)置起偏器與檢偏器的夾角為 /4? 。從而有 00``111[ 1 c o s 2 ( ) ] ( 1 2 s in 2 )2 4 2J J J???? ? ? ? ? （ 25） 在實際測量中，法拉第偏轉(zhuǎn)角很小，一般只有幾度；同時，令 0`012JJ? 。 由此式 25 可化簡為 01 (1 2 )JJ ??? （ 26） 結(jié)合 2 26 可得 01 (1 2 )J J NVi?? （ 27） 基于上式，可知，待測電流只與入射和出射光強有關(guān)。這就將對法拉第偏轉(zhuǎn)角的求解轉(zhuǎn)化為對光強的分析 。因此，可以使用光電檢測器將光強信息轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信息。利用本文的光伏探測器，可以得到光強相應(yīng)的電壓值。這里，設(shè) 0J對就的轉(zhuǎn)換電壓為 0U ?？傻? 00( ) (1 2 )V t U N V i X? ? ? （ 28） 華北電力大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 式中， X 為光電檢測器中的低頻噪聲，其值與光強無關(guān)?；诖耸郊扒拔闹袑υ肼暤姆治隹芍?，待測直流量與噪聲頻帶會發(fā)生重疊現(xiàn)象。此現(xiàn)象將會導(dǎo)致信噪比降低，嚴重影響測量的精度。 針對此信噪重疊現(xiàn)象，本文采用頻譜遷移的方法進行處理，使得問題能夠得以解決。 本文所提出的頻譜遷移測量法，主要利用調(diào)制解調(diào)方法對直流光學測量系統(tǒng)信號進行變換。通過將信號頻帶進行遷移，進而消除光電檢測器中信噪頻帶重疊現(xiàn)象。 直流光學電流互感器用于直流測量時，由于直流電流頻率為 0Hz，根據(jù)式27，對入射光強進行頻譜遷移，使出射光強頻率得到提高，從而經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到高頻電壓信號。此時，如果頻帶選取的足夠高的話，信號頻帶與噪聲頻帶可以明顯的區(qū)分開來。再使用濾波的方法，即可濾除光電檢測器中 的低頻干擾，并且得到只含有待測直流信息的高頻電壓信號。由于此部分主要通過對淘汰進行調(diào)制，來發(fā)言中，因此該步驟稱之為光學調(diào)制。 對光電檢測輸出的交直流混合電壓信號，需要采用相應(yīng)的信號處理方法來獲取含有行測電流信息的信號。這一步驟稱這為信號的解調(diào)。在該步驟中，由于混合中低頻成分主要是由光電檢測器的噪聲產(chǎn)生的，因此，需要選通過濾波的方法，將混合信號中的低頻噪聲成分濾除。信號濾波之后，應(yīng)對基采用合適的解調(diào)方法，從信號中提取所含的待測電流信息，即得到輸出信號與行測直流值間的線性關(guān)系。頻譜遷移測量法的原理框圖如下圖所示 ： 為了消除低頻噪聲的影響，需要對光信號本身進行變換處理。光學變換依據(jù)可以分為時域調(diào)制、空域調(diào)制和光學參量調(diào)制三種。其特點如下：時域調(diào)制中，載波隨著時間的信息變化而變化；空域調(diào)制的載波，隨著空間位置變化，而后隨信息變化而變化；光學參量調(diào)制的載波是按光學參量與信息變化而變化。其中，華北電力大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 光學參量調(diào)制是將所設(shè)定信號調(diào)制到光載波上。通過調(diào)制器的作用，使得光載波