【正文】 資料，對研究內(nèi)容進(jìn)行初步學(xué)習(xí) 提出設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 完成論文初稿及修改 撰寫論文，準(zhǔn)備答辯 指導(dǎo)教師：滕峰成 職稱：副教授 年 月 日 系級教學(xué)單位審批： 年 月 日 摘要 I 摘要 在電力系統(tǒng)中電流的檢測具有重要的作用，其檢測精度以及可靠性與電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行密切相關(guān)。 關(guān)鍵詞 電力系統(tǒng)；光學(xué)電流互感器；超磁致伸縮材料；光纖光柵 Abstract II Abstract The current measurement is quite important in the power industry, its39。由于對電流檢測系統(tǒng)和繼電保護(hù)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。在 OCT 中，用來做傳感元件的光學(xué)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(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)生高壓的危險以及避免了因充油引發(fā)的易燃易爆等危險；測量頻帶寬。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(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。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 。國內(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 GMMFB G 相繼展開了研究實(shí)驗(yàn)，也都取得不錯的結(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)。有一座跨度 72 米的預(yù)應(yīng)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(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)而測量荷載下的基本線性響應(yīng)，并用常規(guī)的應(yīng)變測量儀器作了相應(yīng)的對比試驗(yàn) ，充分證實(shí)了光纖光柵傳感器的現(xiàn)實(shí)可行性 [ 6]。 使用傳感器 密集的航空航天業(yè)，體現(xiàn)了其行業(yè)最高要求 —— 安全。有很多電力設(shè)備所在的位置是常人難以到達(dá)的地方，如荒原沙漠、荒山丘陵中的傳輸電纜和中繼變電站，為了極大地減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，充分利用分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)的遙測能力是明智的選擇。 (2)論述光纖光柵與超磁致伸縮材料的傳感原理與基本性能，完成傳 感器的設(shè)計(jì)。 光纖光柵特性介紹 光纖光柵的基本原理 通過用周期性強(qiáng)度調(diào)制的紫外光從光纖的側(cè)面照射光纖表面，從而使被照射部分光纖纖芯的折射率發(fā)生永久性的變化，這種因?yàn)檎丈浔挥谰眯愿淖兞苏凵渎实墓饫w被稱為光纖光柵。 圖 23 光纖光柵傳感原理圖 光纖光柵傳感模型的建立 由公式 effnB ??2? 可知，光纖光柵周期 ? 和纖 芯折射率 efn 的改變決定了光纖光柵的中心波長的變化，相應(yīng)的變化量 effn? 和 ?? 致使符合 Bragg 波長條件的反射波長發(fā)生變化 B?? [ 8]。 相對介電抗?jié)B張量 ij? 與介電常數(shù) ? 的關(guān)系為： 21 / 1 /ij ijn???? （ 212） 可有： 2 2 31 1 2 e ffijij e ff e ffnn n n? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ 213） 式中 ijn —— 某方向上的光纖折射率。其與純鎳和壓電陶瓷（ PZT）的性能如下表所示： 第 2 章 光纖光柵電流傳感器的設(shè)計(jì) 13 表 21 TerfenolD 與純鎳以及壓電陶瓷 (PZT)的性能比較 參數(shù) TerfenolD Ni PZT 飽和磁致伸縮應(yīng)變 610??s? 1500~20xx 35~40 100~600 能量轉(zhuǎn)換效率 (%) 49~56 9 23~52 響應(yīng)時間 )(s? 1 — 10? 抗拉強(qiáng)度 (MPa) 28 — 76 抗壓強(qiáng)度 (MPa) 700 — — 承載能力 (MPa) 20 — 4 通過上表的性能比較可以知道，與壓電陶瓷以及一般磁致伸縮材料相比， Terfenol— D 有著以下優(yōu)勢： （ 1）磁致伸縮應(yīng)大小純 Ni 大 50 倍，比 PZT 材料大 5～ 25 倍，比純Ni和 合金高 400～ 800 倍。根據(jù)磁致伸縮材料特性，其主要的應(yīng)用領(lǐng)域有： ① 高能微型機(jī)械功率源； ② 新型飛機(jī)和空間站振動主動控制； ③ 新型飛機(jī)自適應(yīng)機(jī)翼； ④ 高精度快速微位移致動器； ⑤ 大功率低頻聲納 系統(tǒng)。其中 l 為鐵磁體的長度， l? 表示鐵磁體在 l方向上的伸長量。隨磁場強(qiáng)度 H 增加HlΔ l第 2 章 光纖光柵電流傳感器的設(shè)計(jì) 15 至飽和狀態(tài)，鐵磁體沿磁化方向發(fā)生縮短， S? 為負(fù)。 (4) Auti— Viedemauu 效應(yīng)。當(dāng)考慮到由磁場引起的磁滯效應(yīng)時，式 (225)則可表示為： 2/ HE qH?? （ 226） 可以看出在考慮到材料的磁滯效應(yīng)時，超磁致伸縮材料的磁致應(yīng)變量與磁場強(qiáng)度并不是完全的構(gòu)成線性關(guān)系，在具體的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)根據(jù)具體的磁致伸縮材料的特性來建立傳感模型。當(dāng)磁致伸縮材料由交變磁場驅(qū)動時，交變磁場由驅(qū)動線圈產(chǎn)生。 1/ ??mkAH?燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 27 磁致伸縮棒直徑與臨界頻率的關(guān)系圖 (4)預(yù)應(yīng)力。所選材料尺寸大小為 ? 5mm30mm，該超磁致伸縮材料 在10MPa 預(yù)應(yīng)力下的磁場強(qiáng)度與磁致伸縮系數(shù)的關(guān)系如圖 29 所示。 通過對傳感器的設(shè)計(jì)計(jì)算可知，在 0A～ 3000A，永磁體提供偏置磁場24kA/m的情況，產(chǎn)生的波長偏移為 0～ 。 光譜儀 光纖光柵傳感系統(tǒng)中對波長偏移檢測最直接方法為 :輸入到光纖光柵的寬帶光，直接用光譜儀檢測出光的 B?? ，如圖 31 所示，其基本原理為， 通過調(diào)整衍射光柵的角度，衍射光柵能夠分離出不同的波長，分離出來的特定波長經(jīng)過反射鏡聚焦在光闌孔然后通過探測器能夠檢測出波長信息，旋轉(zhuǎn)衍射光柵能夠掃描波長的范圍，如圖 32。接受光柵固定在一壓電陶瓷驅(qū)動器上，通過掃描接受光柵的中心波長，當(dāng)兩個光柵相匹配時，就可以確定傳感光柵中的中心波長 [ 14]。 圖 35 非平衡 MZ 干涉解調(diào)法示意圖 圖 36 FP 腔結(jié)構(gòu)示意圖 當(dāng) FP 干涉腔的長度為 L 的時候，其腔鏡的反射率為 MR ，那么諧振腔的透射率 rT 的表達(dá)式為： 2s i n4)1(1222r ?MMMRRRT???? ）（ (31) 式中 ? —— FP 腔中的兩條相鄰光線之間的相位之差，其表達(dá)式為 : 寬 帶 光 源光 纖 光 柵耦 合 器積 分 器數(shù) 據(jù) 處 理 系 統(tǒng)+反 向 放大 系 統(tǒng)非 平 衡 M Z干 涉 儀光 電 探 測 器差 分 放 大 器P Z T L 1 探 測 器 L L 2 壓 電 體第 3 章 光纖光柵電流檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25 ????? 2c o sn4t?? L （ 32） 式中 t? —— 光纖入射到光纖光柵上的入射角。本方案所選用的是美國微光公司生產(chǎn)的型號 SM130 解調(diào)儀，其解調(diào)原理為可調(diào)諧 FP 濾波法。 此解調(diào)方案靈敏度高、操作方便、系統(tǒng)穩(wěn)定性高及調(diào)諧帶寬范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。光纖 FP 濾波器主要是由壓電晶體和鍍有半反射膜的光纖組成，兩段光纖形成了 FP 干涉腔。 匹配光柵法 匹配光柵法是指用一個與傳感光柵能夠相匹配的光柵來探測傳感光柵中發(fā)生的波長偏移，兩個匹配光柵在同樣的應(yīng)變下具有相同的中心波長，其基本原理如圖 34。其抗干擾能力很強(qiáng)，與光源的強(qiáng)度、光的偏振等因素均無關(guān)。 最后根據(jù)所選超磁致伸縮材料尺寸以及計(jì)算結(jié)果選取的光纖光柵為美國微光公司出產(chǎn)，中心波長為 ，光柵長度為 14mm。 （ 2）根據(jù)驅(qū)動磁場大小來選 擇適當(dāng)?shù)拇胖律炜s材料以及永磁體 由偏置磁場的取值特點(diǎn)可知，永磁體產(chǎn)生的偏置磁場大小約為24kA/m，由此可知作用在超超磁致伸縮材料上的磁場大小約為 0～ 48kA/m，所以需要所選材料在其磁場強(qiáng)度范圍內(nèi)有很好的線性度。要想提高工作頻率，棒的直徑需要相應(yīng)地減小。目前提供偏置磁場的手段主要有兩種，一種是永磁體，一種是直流線圈 [ 11]。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度大小不飽和、低頻激勵的情況下， ? 的量值可有下面方程給出： =/ HE qH?? ? （ 225） 式中 HE —— 給定磁場強(qiáng)度下超磁致伸縮材料的楊氏模量 (N/ 2m )； ?—— 材料在應(yīng)變方向的預(yù)應(yīng)力 (Mpa) ； q—— 磁致伸縮系數(shù)或壓磁系數(shù)。 (3) Viedemauu 效應(yīng)。這個數(shù)用 S? 表示，對于己知鐵磁體 S? 是一個常數(shù)。 （ 2）線磁致伸縮效應(yīng) 這是指鐵磁體在磁化過程中發(fā)生線性的伸長或是收縮，如下所示。 目前，國內(nèi)外科研工作者都非常重視超磁致伸縮功能材料與元件、應(yīng)用器件研制開發(fā)的一體化。在所有商品材料中，稀土超磁致伸縮材料是在物理作用下應(yīng)變值最高、能量最大的材料。 綜上所述，溫度對 Bragg 波長偏移的影響如下： ? ?BB? ???? ? ? ? （ 210） 從上式可以明顯看出，當(dāng)光纖光柵的材料被確定好后，其對溫度的靈敏度系數(shù)也被隨之確定，從而可以判定光纖光柵作為溫度傳感器有很好的 實(shí)用性。 （ 3）峰值反射率 第 2 章 光纖光柵電流傳感器的設(shè)計(jì) 9 最大的峰值反射率由下面公式求出： 2tanRL?? （ 25） 光纖光柵的傳感原理 非常廣泛用于壓力、應(yīng)變、溫度及動態(tài)電磁場等的測量的 FBG，測量的基本原理是隨著外界環(huán)境參數(shù)的變化 FBG 的中心波長也總是發(fā)生相應(yīng)的變化，通過解調(diào) FBG 的中心波長漂移量便可以準(zhǔn)確得到待測物理量的信息。作為目前研究程度很深的新型稀土合金材料 —— 超磁致伸縮材料，有著較大的磁致伸縮系數(shù)，應(yīng)用也越來越廣泛。其非凡的抗輻射能力、優(yōu)良的電氣絕緣性能和快速的頻響等優(yōu)勢都為其在電力系統(tǒng)中的更多應(yīng)用提供了更大現(xiàn)實(shí)可行性。光纖光柵傳感器還被研究用來進(jìn)行心臟效率的測量，這種測量基于一種定向熱稀釋導(dǎo)流管方法。日本核能研究院 1999 年 4 月～ 20xx 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(yīng)堆壽命期間忍耐著核輻射。 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。所以發(fā)生應(yīng)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(yīng)變或是溫度的變化情況。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。 國內(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。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(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]。 Giant magostrictive materials。具體分析了預(yù)應(yīng)力、溫度、偏置磁場等因素對實(shí)驗(yàn)的作用效果，設(shè)計(jì)了驅(qū)動線圈以及偏置線圈的線徑、尺寸。光纖傳感器及其應(yīng)用技術(shù)。傳統(tǒng)的電磁式電流互感器隨著電力行業(yè)的發(fā)展己經(jīng)難以滿足需求。precision and reliability related the