【正文】 .......................... 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(xiàn) .............................................................................................................. 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(yùn)行中，一直是由傳統(tǒng)的電流互感器來完成高壓電網(wǎng)的電流測量工作。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(dá) 500kV。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。 光學(xué)電流互感器是將被測電流轉(zhuǎn)換為光信號進(jìn)行傳輸來實現(xiàn)電流互感。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，具有如下幾個方面的優(yōu)點：絕緣性能好，成本低。 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 。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。所以，研究開發(fā)新型光學(xué) 電流互感器對促進(jìn)我國的國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有十分重要的地位。 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。從 1973 年來自英國的科學(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]。其中 等人聯(lián)合設(shè)計的塊狀玻璃光學(xué)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(yīng) [7]。 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。 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。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(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)到了國際同類產(chǎn)品的水平。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。而 FBG 的周期和折射率只受物理量應(yīng)變和溫度的影響，對其他物理量不敏感。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內(nèi)外學(xué)者研究的主要方向。 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(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]。工頻交流的測量研究上應(yīng)用 GMMFBG 傳感系統(tǒng)僅僅開始于 20xx 年，而且絕大多數(shù)焦點在于如何減小溫度影響方面。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處，使其 成為處于強(qiáng)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(yīng)用前景。在橋梁、大壩、隧道、高層建筑和運(yùn)動場館的維護(hù)上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)、力學(xué)參數(shù)的測量是至關(guān)重要的，通過測量建筑物的分布應(yīng)變，可以預(yù)測局部荷載的狀態(tài)。 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，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(yùn)用電學(xué)傳感器。 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。與此同時，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)計時沒有預(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。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 5 諸多實際情況中。為了監(jiān)測一架飛行器壓力、燃料液位、溫度、振動、方向舵和機(jī)翼的位置、起落架狀態(tài)等，至少需要使用一百多個傳感器，因此傳感器的重量、尺寸大小顯得尤其重要。光纖光柵傳感器能夠通過最小限度的侵害方式對人體組織功能進(jìn)行內(nèi)部測量，提供有關(guān)溫度、壓力和聲波場的精確局部信息。一種光纖光柵陣列溫度傳感器被設(shè) 計用來測量超聲波、溫度和壓力場，另一個光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)被研制用來遙測核磁共振機(jī)中的實地溫度。 在電力工業(yè)中，設(shè)備大都處在強(qiáng)電磁場中，普通的電類傳感器無法正常使用。處在高壓中需要測量的地方有很多，如在線監(jiān)測高壓開關(guān)，發(fā)電機(jī)定子、 高壓變壓器繞組等地方的位移以及溫度等參數(shù)的實時準(zhǔn)確測量，這些地方的測量需要的傳感器必須有以下優(yōu)點：體積小、具有良好的絕緣性能、而且是無源器件，顯然在進(jìn)行這些測量時光纖光柵傳感器是最佳的選擇。 20xx年美加電網(wǎng)崩潰，這次大面積嚴(yán)重停電事故造成直接經(jīng)濟(jì)損失不下于 300億美元 [ 5]，給未來經(jīng)濟(jì)的發(fā)展蒙上一層陰影。作為八十年代以來逐步發(fā)展成 熟的一種新型傳燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 感技術(shù) —— 光纖光柵傳感器，自其問世之日就顯示出巨大的生命力和優(yōu)越性。 課題研究的主要內(nèi)容 本文在對超磁致伸縮材料與光纖光柵傳感技術(shù)進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于超磁致伸縮材料的光纖光柵電流互感器，所做工作主要有： (1)分析研究光學(xué)電流互感器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，提出基于超磁致伸縮材料的光纖光柵電流檢測的方案。 (3)完成電流檢測系統(tǒng)整體的設(shè)計工作，并對其中核心元件進(jìn)行了分析。對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理 并仿真 ， 進(jìn)而驗證設(shè)計的正確性 。自從1978 年在實驗中加拿大 K． O． Hill 等研究者首次發(fā)現(xiàn)了光纖的光柵效應(yīng)，并由此成功采用駐波法成功地寫入光纖光柵以及 1989 年美國人 GMelt 等人發(fā)明紫外寫入技術(shù)以來， FBG 隨同制造工藝的逐漸提升，其發(fā)展越來越迅速，目前已經(jīng)成為世界上最好的光纖電流傳感器之一。 本章首先介紹 FBG 傳感的基本原理，超磁致伸縮材料的基本特性，由此根據(jù)傳感特性完成傳感器的設(shè)計。當(dāng)移開照射光后，利用光源在光纖中輸入一段波 長的范圍的入射光，此時那些能滿足由照射決定的 bragg 波長的光將被反射，而其他的入射光不會受到任何影響 [ 7]。 光纖光柵的特征參量 光纖光柵的特征參量有：中心波長、反射譜帶寬、峰值反射率，針對它們的具體描述如下： （ 1） 中心波長 B? Bragg 波長 B? 是指在光纖光柵中傳輸并能滿足 Bragg 條件的波長，根據(jù)光纖知識，如圖 22 所示，基模與光纖光柵對應(yīng)的的光 線方向和光纖的光軸夾角為 ? ，光線對光纖的余角為 ? ，顯然 ? 與 ? 之和為 90176。 ?cosn1 常被稱作纖芯 有效折射率 efn ，顯然 2n efn 1n ，所以式 21 與式 22 可被寫作： effnB ??2? （ 23） 芯 層 （ n 1 ）芯 層 （ n 2 ） ?布 喇 格 光 柵基 模 的 波 矢 量 k光 軸 圖 22 光纖光柵分析圖 （ 2）反射譜帶寬 ?? 反射光的波長為 B? ，顯然它具有一定的帶寬，公式如下： 12 2 22= + / 2 effB L n L? ? ???? ?? （ 24） 式中 L—— 光柵長度（ mm）。 如圖 23 所示，寬帶光源的光線進(jìn)入 FBG 中，滿足 Bragg 反射條件的光將發(fā)生反 射，當(dāng)被測信息量發(fā)生一定變化并能使光纖光柵所在環(huán)境的應(yīng)變、溫度、應(yīng)力等其它物理量發(fā)生變化時，光柵周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，反射光的中心波長隨之發(fā)生變化，進(jìn)而通過測量物理量變化前后反射光中心波長的變化，就可以獲得待測物理量具體的變化情況。從而可有： = 2 2eff effB nn?? ? ? ? ?? （ 26） 當(dāng)光纖光柵受到溫度變化和應(yīng)力作用時， efn 和 ? 都會發(fā)生相應(yīng)的變化。 （ 1）光纖光柵溫度傳感模型 光纖光柵所在環(huán)境受到溫度 T? 變化時， Bragg 波長偏移一方面是因為燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 熱光效應(yīng)使其折射率發(fā)生了變化，即： eff eff Tnn? ??? ? ? （ 27） 式中 ? —— 熱光系數(shù)。 其中，溫度引起 Bragg 波長偏移的主要因數(shù)是熱光效應(yīng)，占熱偏移的95％以上，即： 1= effeffdn dVn dV dT? ?? （ 29） 式中 V—— 光纖的歸一化頻率。 （ 2）光纖光柵應(yīng)變傳感模型 忽略溫度和其他影響后，軸向力有兩個作用 —— 伸縮和拉伸，應(yīng)變作用對光柵周期的影響致使光柵的周期性伸縮： ? ?= 1+??? ? （ 211） 式中 ? —— 軸向的應(yīng)變量。 由于此處是軸向力作用的方向，所以用 efn 替代 ijn ，并由軸向應(yīng)變公式第 2 章 光纖光柵電流傳感器的設(shè)計 11 /z LL? ??，所以光纖光柵方程為： 321= 2 22e ffB e ff ze ffn nLnL?????? ????? ? ? ? ????? ????? （ 214） 材料的彈光性質(zhì)為： ? ?2 = 1 , 2 ,3mn m n m np??? ? ? ， （ 215） 式中 mp —— 材料的彈光系數(shù)。 首先假設(shè)溫度變化極小，則在溫度變化之內(nèi)光纖光柵的彈光系數(shù)和泊松比以常數(shù)對待，進(jìn)而可得出應(yīng)變 — 溫度的交 叉靈敏度系數(shù)為： ? ?