（光学工程专业论文）反射膜温度特性对bgoct灵敏度影响的理论研究.pdf

哈尔滨丁= 程人学硕士学位论文 摘要 论文回顾了光学电流互感器近年来的进展，分析了该技术领域存在的问 题，报告了保偏反射膜温度特性对光学电流互感器的灵敏度性能的影响。在 影响互感器灵敏度性能的诸多因素中，温度特性是个关键的因素。故对保 偏反射膜的温度特性进行测量对光学电流互感器的设计具有重要意义。然而 对保偏反射膜的温度特性的测量，目前还鲜见报道。本论文旨在填补这方面 研究的空白。在论文中作者提出了测量保偏反射膜的温度特性的方法，并从 理论研究、计算机仿真、实验验证三个方面对这些方法进行了研究。研究发 现：当温度发生变化时，光学电流互感器的灵敏度随之发生改变。因此，在 实际系统设计中对光学玻璃电流传感头应采取必要的温度控制或补偿措施。 关键词：光学电流互感器；琼斯矩阵：反射相移：尺度因子 哈尔滨i ：科人学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e rt h el a t e s tp r o g r e s sa n de x i s t i n gp r o b l e m si nt h ef i e l do f o p t i c a l c u l t e n ts e n s o ri sr e v i e w e da n da n a l y z e d ，t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r ef e a t u r e so f p o l a r i z a t i o n p r e s e r v i n gr e f l e c t i n gm e d i u ml a y e ro ns e n s i t i v i t yo fab u l kg l a s s o p t i c a l c u r r e n tt r a n s f o r m e r s ( b g o c t ) a r ei n v e s t i g a t e d ，t h er e s u l t sa r er e p o r t e d t h e t e m p e r a t u r ef e a t u r e si s o n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r st h a ta f f e c tt h es e n s i t i v i t y o fo c s ，t h em e a s u r e m e n to ft h et e m p e r a t u r ef e a t u r e so f p o l a r i z a t i o n p r e s e r v i n g r e f l e c t i n gm e d i u ml a y e r i s s i g n i f i c a n tt o t h ed e s i g no fb g o c th o w e v e r , t h e r e p o r t a b o u tt h em e t h o do f m e a s u r i n g t h e t e m p e r a t u r e f e a t u r e so f p o l a r i z a t i o n p r e s e r v i n gr e f l e c t i n gm e d i u ml a y e ri sr a r e l yt os e e n t h ea i mo f t h i s p a p e r i st of i l lt h eb l a n ki nt h i sa r e ao fr e s e a r c h i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rp r o p o s e s t h em e t h o do fm e a s u r i n gt h et e m p e r a t u r ef e a t u r e s o fp o l a r i z a t i o n - p r e s e r v i n g r e f l e c t i n g m e d i u ml a y e ra n dr e s e a r c h e st h i sm e t h o db ym e a n so ft h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n t h e r e s u l t ss h o w t h a tt h es y s t e ms e n s i t i v i t yc h a n g e di nac e r t a i nr a n g ew i t ht h et e m p e r a t u r ev a r y i n g t h e r e f o r es o m et e c h n i c a lm e a n so ft e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o no fc o n t r o lt ot h e b g o c t ss e n s i n gh e a ds h o u l db et a k e ni n t h ed e s i g np r o c e d u r e sf o rp r a c t i c a l ， s y s t e m s k e yw o r d s ：o p t i c a l c u r r e n tt r a n s f o r m e r s ；j o n e sm a t r i x ；r e f l e c t i o n 。i n d u c e d r e t a r d a n c e ；s a l ef a c t o r 哈尔滨一l ：程大学硕士学位论文 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 一 日 盟 ￥ 厶告 f 厂匕 月 至) 儿 年 字 中 绺 炒 者 期 怍 日 略尔滨f ：科人学硕十学位论文 第1 章引言 1 1 光学电流互感器的现状与发展 电磁感应式电流互感器( c u r r e n tt r a n s f o r m e r ，简称c t ) 被用束测量电 流已经历了一百多年了，它为电力系统中的计量，继电保护，控制与监视提 供输入信号，具有非常重要意义，其中电流互感器以干式，油浸式和气体绝 缘式多种形式适应了电力建设发展要求，然而，随着电力系统传输的电力容 量越来越大，电网电压等级越来越高，传统的电磁感应式结构以呈现出与之 不相适应的弱点。 1 ) 绝缘结构同趋复杂，造价高，耗费材料多； 2 ) 充电易爆炸： 3 ) 若输出负荷处于开路，输出端有高电压； 4 ) 易受电磁干扰影响； 5 ) 铁芯共振效应： 6 ) 滞后效应； 7 ) 在故障电流下，铁芯易饱和而产生不能允许的误差。 因此，为了克服c t 的缺点，人们把目光放到了光学传感技术上，把光电 子学技术应用于超高压大电流的电力网络中。光电式电流互感器是利用法拉 第旋光效应原理实现电流测量的。o c t 与传统的电流互感器相比有如下优点。 1 ) 绝缘性能好，用柬做传感材料的光学玻璃，传输信号的光纤都是良好 的绝缘材料： 2 ) 不含油，没有爆炸的危险； ：3 ) 无丌路，导致高压的危险； 4 ) 受电磁干扰影响较小： 5 ) 不含铁芯无铁磁共振效应及大电流引起的滞后现象； 哈尔滨上程人学硕士学位论文 6 ) 动态范围大，可在相当宽的电流范围内保持良好的线性特性，测量精 度高； 7 ) 测量频带宽，由于光通过传感器部分只须微秒级时间，因而频带宽度 完全由信号处理部分电子线路响应速度决定。 光电式电流互感器从传感头有无电源供电可分为有源o c t 和无源o c t 两 大类。有源o c t 又分为频率调制式，脉冲调制式，数字调制式及强度调制式； 无源o c t 可分为以光纤为敏感元件的o c t ( 全光纤电流互感器) ，用光学玻璃 作敏感元件的0 c t ( 光学玻璃电流互感器) ，使用光电混合装置的o c t ( 混合 式光纤电流互感器) ，其他类型的包括利用磁致伸缩效应或其它磁场传感磁效 应的o c t “】。其中全光纤型o c t 主要存在由于光纤中存在线性双折射而产生的 一系列问题，以及v e r d e t 常数变化对输出的影响：块状光学材料o c t 中线性 双折射较全光纤型o c t 小，其技术难点是克服反射相移带来的问题以及 v e r d e t 常数变化对输出的影响；混合式o c t 结合了传统电流传感器和光纤的 优势，但是没有解决传统电流互感器所存在的根本问题；磁场传感器用作o c t 的缺点是抗外场干扰能力低。 1 1 1 有源光电式电流互感器 有源o c t 是基于传统的电流互感器，利用有源器件调制技术，以光纤作 为信号通道，将高压侧转换的光信号传到地面进行信号处理，而得到被测信 号的一种装置。 由于o c t 对温度，振动的敏感性及其长期工作的时间稳定性尚待进一_ 步 解决；传感头制作要求高，价格昂贵。用r o g o w s k i 线圈组成的互感器能较好 地解决上述问题。用r o g o w s k i 线圈测量的原理如图1 1 ( a ) 所示。 r o g o w s k i 线圈套在一次导电杆上，由r o g o w s k i 线圈输出的信号u ( t ) 是 导电丰t 中电流i ( t ) 的导数值： 哈尔滨：i ：程人学硕十学位论文 肼：o n $ ( 1 一1 ) z 巾 “( f ) ：md i ( o( i 一2 ) d r 式中：m 一仅取决于线圈尺寸的比例系数 n 一线圈匝数 s 一每匝线圈的横截面积，m 2 r 一线圈中心与导电杆中心之间的距离，m ( a ) 测世玛i p n( b ) 等放电踏 图1 1r o g o w s k i 线圈测量的原理 r o g o w s k i 线圈的输出电压u ( t ) 与被测电流i ( t ) 的时间导数成正比，将 u ( t ) 积分边可求得被测电流i ( t ) ，对结果进行数字化后，通过光纤输出。 有源光电式电流互感器是被测电压经电容分压器，电阻分压器或电容电 阻串联电路得到一个小电压信号，数字化后通过光纤输出。对于电容分压器 或电阻分压器分压得到的小电压和被测高电压成正比例关系小电压直接数 字化输出即可；对于电容电阻串联电路在电阻上得到的小电压是被测电压的 微分。耍想得到被测电压值，必须对小信号进行积分。当前电容电阻串联电 路使用相对较多如图1 2 所示，这种电路中的电容是一个套在次电卡t 上 的电容环，用一个电阻与此电容环串联并接地，则电阻上输出的电压为： 哈尔滨r 程大学硕士学位论文 i i “( f ) ：r c d u i ( t ) ( 1 - 3 ) 讲 式中：u ( t ) 一次导电杆的高电压，v r 串联的电阻值，q c 电容环的电容值，p f u ( t ) 是电压传感器的输出电压，它也是原边电压的导数值，利用 与电流互感器类似的信号处理方法便可得到被测电压。 图1 2 电容电阻电压分压器 在实际使用中，由于输出二次电压与一次母线电流的导数成币比，故在 相位卜相差7 r ，2 ，为使它们相位一致，就需在线路上加一积分环节。也可用 v f c ( 电眍频率变换器) 进行v f 变换，它将模拟电压转换成逻辑电路兼容的 脉冲或方波，其输出频率与输入模拟量呈精确的线形关系。输出频率连续跟 踪输入信号，直接响应输入信号，而无须外部同步时钟。如果在给定的的计 数周期内，测出输入脉冲串与方波的个数，便得到这一计数周期内的平均频 率，即输入模拟量的平均a d 值，v f 变换型a o 转换的准确度高，抗干扰 能力强，这是由v f c 的低通滤波特性所决定的。可看出，v f c 的采样值是被 采样信号在积分时恻内的平均值。因而引入了一个积分环节使得v f c 中的 积分环节与r o g o w s k i 线圈的微分环节相互平衡，消除了这些非线形环节，提 4 哈尔滨t 槲人学硕十学位论文 高了系统的准确度。 利用光功率推动原理给高压供电，并在高压侧采用数字调制式。利用地 面的强激光源，将光能通过光纤传至高电位处，再由光电池将光能转换为电 能，并用此电能给有关的功能电路部分供电。近年来，由于光电子学的迅速 发展，高功率的半导体激光器和光电转换的光电池都达到了很高的指标，给 这种方案的实现带来了很大的可能性，原理图如图1 3 所示。 o 单匝圈 l d r 一 幽1 3 有源o c t 原理圈 光纤在这罩即起到高，低压侧的通信联系作用，又起到高，低压侧的隔 离作用。 在此系统中，被测高压电流信号经一个特制的传统电流互感器( t a ) 变 换成适当的电信号；再将电信号输入调制器，用调制器的输出去驱动光源， 以便用数字方式调制作为载波的光波。在光源处实现电一光变换将电信号变 为携带信息的光信号。光源采用发光二极管( l e d ) 。光信号通过光纤传到接 收部分，在此，光纤作为传输媒介。在接收部分先由光探测器实现光一电转 哈尔溟i ：稃人学硕十学位论文 换，将带有信息的光信号变为电信号，光探测器采用p i n 光电二极管；然后 将光电探测器输出的信号经放大后再进行解调，以得到与原始信息相近的信 号。图1 3 中高压侧的供电电源由地面5 0 0 m w 的半导体激光二极管( l d ) 用 光纤将能量推动到高压侧，经过高转换效率的光电池( p p c ) 将光能变为电能， 通过变换电路处理，整定后，可得到稳定的约8 0 m w 供电电源功率，传感头的 后极电路都采用c m o s 器件，以降低电路的功耗。经实验测试，传感头部分的 电路消耗功率约为5 0 m w 。 在低压区的接收部分是一个信号解调电路，它先将光信号转换成电信号， 经前级放大和解调后，一路送入d a 转换器进行模拟信号的还原，另一路直 接送入计算机或数字信号处理器进行信号的处理和计算，并采用软件方法对 信号进行误差矫难。这样，系统的不稳定性和误差将大大减小。另外，近年 来对继电保护设备的要求不断提高，提供数字化的电流信号已成为大势所趋， 接收部分的数字通道i f 是适应这种发展的产物。信号处理电路的原理图如 1 4 所示。 光缆 毙电 转换 光电 转换 放 人 放 - 欠 翼鏊t - t 滤波放 到。藻辇整 减法l j 处理 i 算其他 运算lj 计婢机系统作 线t 耋北校i f ， 矾度补偿戏将 除法运尊亦变 1 1 1 其完成等 稍低精度、， j ：j 二继电保护的快速信譬处雕放变换电路 图1 4 信息处理电路的原理方框图 该方法的特点是检测系统有较高的信噪比，较强的抗干扰能力；不足之 处是要求两光电探测器的灵敏度和其他参数必须高度匹配，且要求用两套增 益带宽均相同的放大器。因此，对器件的选择比较严格，成本较高。 哈尔派一r 程大学硕士学位论文 另一种光电检测电路为单光路检测电路，& 口图l ，4 中用于快速继电保护 部分。这种检测方法的特点是结构简单，调整方便，但其信噪比较双光路法 小一倍，并且对于外界的干扰难以消除。故目前的设计方法基本上是用双光 路法实现电流的精确测量，而用单光路法实现快速测量。 光电式电流互感器高压侧的电子电路需有电源供应= = j 能正常运行。由于 高压侧和低压侧没有电磁联系，因此如何解决高压侧的电源问题是一个难点。 目前解决电源的方法有以下几种：1 ) 由母线上电流产生的电磁场感应而产生； 2 ) 由低压侧将电能转换为光能，然后通过光纤将能量传输到高压侧；3 ) 在 高压侧用电池解决电源问题。这几种方法各有优缺点，应从经济上和系统的 易操作性上进行考虑。 1 1 2 无源光电式电流互感器 无源o c t 是传感头部分没有电源供电的光电电流测量装蜀。无源o c t 多 采用法拉第磁光效应和干涉原理，以前者为主。无源o c t 的特点是：整个系 统的线性比较好，灵敏度可做的较高；绝缘性能好。它的难点是精度和稳定 性易受温度，振动的影响。利用法拉第磁光效应实现的无源o c t 有全光纤式， 光电混合式，块状玻璃式等其他类型。 o c t 基本原理图如图1 5 所示。 光电硷测 5 | 图1 j 无源o c t 基本原理图 整个系统结构如图1 6 所示。用恒流源驱动一发光二极管，以提供一个 哈尔滨i ：群人学硕十学位论文 恒定光源，光通过光缆中的光纤从控制室传输到高压区，经准直透镜准直后， 成为平行光，输出光由偏振片起偏后成为线偏振光，入射进传感头。光在传 感头内绕一周在磁场作用下，偏振面发生旋转。出射光经检偏器检偏后， 再出透镜耦合进光缆中的另一光纤传输到控制室，被光探测器转换成电信号， 经放大、滤波，并利用单片机进行数据处理，得到测量结果。系统中。起偏 器、检偏器透光轴的央角为4 5 。当被测导体流过交流电流时，传感头中的偏 振光的偏振面发生旋转，转角为0 ，则根据马吕斯定律： 7 6 图1 6o c t 系统示意图 l 一光源驱动电路：2 - - l e d ；3 、t o 一光纤：4 、9 一白聚焦透镜 5 、8 一起、检偏期；6 一传感头：7 一被测电流； l l 、1 2 - - 光探测器及检测电路 。 ，= ，oc o s , 2 ( 4 5 9 + 口) 式中：i 。一光源提供的恒定光强，a 光电接收器将此信号转化为电信号，经过变换可得到与被测电流成f 比 的输出电压信号l 。无源o c t 的方框图如图1 7 所示- 哈尔滨1 ：程人学硕士学位论文 侧 图1 7 无源型光电互感器方框图 无源型结构是近年来较为盛行的，其优点是结构简单，且完全消除了传 统的电磁感应元件，无磁饱和问题，充分发挥了光电互感器的特点，尤其是 高压侧无电源电子器件，无温度稳定性问题，互感器运行寿命易保证。其缺 点是光学器件制造难度大，测量的高精度难以做到，且长期稳定性还存在问 题。 光学电流互感器是利用法拉第旋光效应原理实现电流测量的，在光学各 向刊性的透明介质中，外加磁场可以使在介质中沿磁场方向传播的线偏光的 偏振面发生旋转，这种现象称为f a r a d a y 旋光效应，根据旋光效应，一束线 偏光沿磁场方向通过f a r a d a y 材料，偏振面会发生旋转，旋转角度0 由( 卜4 ) 式决定。 口：v 晴万 ( 1 4 ) d 式中：v 一旋光材料的v e r d e t 常数 ，一磁光材料中的通光路径 一一磁场强度，a m 当磁场是由于待测载流导体中电流，产生，且光行进的路线围绕载流 导体闭合时，由安培j ；| = 路定律可知， 9 哈尔滨i ：程大学硕十学位论文 i i i 口= v n t n 1 ( 卜5 ) 式中：越一一光束环绕导线的坏数 一一穿过光介质的导线根数 ，一载流导体中的电流a 可见，测出角度口，即可测出电流上( 1 - 5 ) 式表明，线偏振光偏振面旋 转角度的大小与光束环绕导线的环数、穿过光介质的导线根数以及通过导线 的电流强度成正比。理想的o c t 应满足如下条件：1 ) 传感材料的v e r d e t 常 数应较大且受温度影响小 2 ) 材料的线性双折射要小；3 ) 光柬环绕载流导 体成闭合或近似闭合光路，环路越多灵敏度越高；4 ) 光束在闭合环路中线偏 振态保持不变，光损耗很小“1 。安培环路定律的使用条件是在各向同性的均 匀介质中，而实际上各种类型的o c t 均存在这样或那样的缺憾。1 、全光纤型 o c t ，由于存在固有双折射和弯致双折射，破坏了各向同性均匀介质的条件； 2 、块状玻璃o c t ，由于在传感头的反射面存在反射相移，导致偏振惫的不连 续，也破坏了各向同性均匀介质的条件：3 、利用磁场传感效应的o c t ，由于 没有闭合回路，无环内外电流之分，导致抗外场影响能力差。 1 全光纤型电流互感器 自1 9 7 3 年r o g e r s 提出光纤传感思想以来，许多研究者已投入大量精力， 为克眼光纤线性双折射对系统的影响，提出了很多设计方案，这些在先期的 r 综述性文献中均已有介绍13 。本论文介绍自9 4 年以后的研究进展。 1 ) “串联式$ a g n a c 千涉仪”型o c s 的进一步研究 s n g n a c 干涉仪检测具有许多优点：灵敏度高、可采用简单的全光纤结构 而不必使用偏振片，对输入光无偏振要求，可使用低相干光源。尤其是利用 具有共模抑制作用的结构，可使其不受任何具有倒易性因素的影响而检测出 哈尔滨i 鼙大学硕+ 学位论文 具有非倒易性的法拉第效应， s a g n a c 干涉仪型o c s 分为环形( 1 0 0 p ) 和串联式( i n 一1 i n e ) 两种。都需要用 到1 4 波片，注入圆偏振光。在1 4 波片受温度影响不能保持高性能的情况 下，将大大影响系统输出的尺度因子，从而影响系统的实用化范围。 l i n 等人最近报告了改进的被动解调串联式s a g n a c 干涉仪型o c s “1 。该 方案在四分之一波片和传输光纤之间插入旋转角为口的f a r a d a y 旋光器，并 用高圆双折射光纤作为传导和传感光纤。实验表明此种方案在扰动和静念情 况下灵敏度测量大约为4 5 r a d a t u r n s 。f a r a d a y 信号的畸变率小于 0 ，9 ，且与传统方案相比噪声电平可降低2 0 d b 。 s h o r t 等人研究了串联式s a g n a c 干涉仪型o c s 中由双折射弓 起的尺度因 子误差的产生机理”，并提出将传感线圈缠绕在螺旋线圈上柬大量增加圆双 折射，替代通常比较脆弱的退火光纤。 s h o r t 等人还研究了四分之一波片不完备性引起的尺度因子误差及其补 偿技术”。在环形方案中，当两个波片的光轴预置成4 5 。角就可以解决波片不 完备性引入的相移。在串联式方案中，提出了将一次谐波信号除以峰值光强 的处理方法。结果表明当两个四分之一波片的光轴成4 5 度角时，可补偿四分 之波片不完备性带柬的尺度因子误差。 2 ) 消除因v e r d e t 变化导致误差的新方案 料中 费尔德常数v ( 五，t ) 受光源波长及环境温度的影响“1 。在抗磁性玻璃材 瓦南型坚旦=旦(一dn面dnt d td 2d t1 ) y ( 五，) d 式中：月一一折射率 ( 1 6 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一一波长，m 7 1 一温度，”c ( 1 6 ) 式说明v ( ，力相对于温度t 的变化率是一个与n ，五，r 都 有关的复杂关系式。顺磁和铁磁材料的v e r d e t 常数随温度变化更大。因此 v e r d e t 常数对o c t 性能的影响不可小视。 王廷云提出了具有闭环反馈系统的方案。从输出端反馈的电流信号驱动 偏振调制螺线管产生补偿信号使传感器工作于正交状态，有效消除了费尔德 常数变化给传感器带来的误差。其实验装置如图1 8 所示。该传感器的电路 测量范围为：i m a 6 5 a ；频率测量范围为：1 0 h z 1 0 0 k h z 。具有线性度好， 测量范围大，频带宽等优点。 v 图1 8 具有闭环系统的f a r a d a yo c s 工作原理及实验装置图 l dh e n e 激光器p 起偏器l 透镜 f 反馈螺线管 s 信号螺线管b s 分束器a 和札检偏器 d i 和d z 光电探测器 d a 差动放大器l r 带通滤波器 a m 放大器 【，a 锁定放大器 l f 低通滤波器 v i 压控电流源 3 ) 利用平衡测试原理的o c t ”1 王廷云等提出采用马赫一泽德尔干涉仪的平衡测试电流传感方案。干涉仪 两臂之一环绕被测大电流，另一臂环绕己知小电流。线偏振光经分束器后分 为两路，分别沿两臂传播。合束后两臂干涉光在探测器上的干涉光强为： 哈尔滨t 程大学硕士学1 1 i ) = 论文 ，= ，i + ，! + 2 扛i c o s ( 啡l 一西f 2 + ) ( 1 7 ) 式中：，_ 第一干涉臂光强，c d ，：第二干涉臂光强，c d 中f 一一被测大电流引起的f a r a d a y 旋角，r a d 中f 2 一已知小电流引起的f a r a d a y 旋角，r a d 妒。一 两臂静态相位差，r a d 由( 1 - 7 ) 式知：当f 。= 中，：时，干涉光强与f a r a d a y 效应无关，则由 已知小电流可求出被测大电流。由于传感元件属同一种光纤并在同一环境中 测量，由光纤内双折射及外部环境变化引起v e r d e t 常数变化而导致对 f a r a d a y 旋角产生的影响可相互抵消。实验表明这种传感器测量范围宽，线 性精确度高，最大相对误差为0 2 5 ，并且重复性好，测量范围可从几安培 到几千安培，抗干扰能力优于同类仅有一个单臂的电流传感器。 4 ) 其他方面进展 r o s e 等人研究了当o c t 处在高电场环境中( 如气绝缘系统) 受k e r r 效 应影响的情况。表明当电场中光路的长度约为l o m ，f2 i m v m 。时，电 光效应引起的线性双折射不能忽略，此时高电场引起的电光k e r r 效应会导致 被测交流电流波形的谐波失真，或是系统温度稳定性变差。为使k e r r 效应最 小化，o c t 需要对高电场屏蔽。 f e r r a r i 等人提出了使用l d 强度调制进行外差信号检测的方法”3 。研究 哈尔滨。f ：程大学硕士学位论文 与实验表明，当起偏器和检偏器的央角为4 5 ”时系统灵敏度最佳，当起偏器 和检偏器的夹角为9 仃时，传感器的对比度和信噪比增加。 刘晔等人提出了一种全新的用一个系统同时测量三相电流的光学电流互 感器如图1 9 所示。1 。对其数学模型并进行了仿真，并对三相光学电流传感 器的线性双折射问题进行了研究”“，提出了用神经网络方法进行补偿的方 案肼j 。 图1 9 用于测量三相电流的光学电流互感器 对于采用扭转光纤的电流传感器，为克服温度变化等因素引起的偏置漂 移，董小鹏等提出一种可补偿偏置漂移的信号处理方法“。他们将通常的差 除和信号处理方案的输出信号分为直、交流两部分，分别用下标d c 和；b c 表 示为： 1 4 哈尔滨l ：程人学硕士学位论文 s = & + ( 卜8 ) 其中： s m = c o s ( 2 西。) s 。，= s i n ( 2 4 1 ) ( 2 啡) 吼中包含了起偏器、渥拉斯登棱镜及光纤环线性双折射的影响，则仅含 由电流引起的法拉第旋转角啡的传感器输出信号s ，可由下式计算 s ，= s 。，l s 女2 = 2 函f ( 1 9 ) 由( 卜9 ) 式知：所得信号s 。将不受偏置点相位变化口k 的影响，并可消 除温度等引起的偏霄相位变化而导致的输出信号漂移。该研究组还给出了一 种可补偿在任意范围的偏鼍漂移的双渥拉斯登棱镜方案。 王廷云等人提出了可提高光纤电流传感器的信噪比的、基于小波变换理 论的数字信号处理系统“”，设计并完成了基于小波变换的带通滤波器。该系 统能实现带宽i h z 的带通滤波特性，并能根据需要改变软件参数方便地实现 不同频率不同带宽的信号提取。 2 块状玻璃式电流互感器 块状光学玻璃电流传感头的线性双折射相对较小，可采用v e r d e t 常数较 大的光学玻璃，体积小，重量轻，结实耐用，灵敏度较高。为形成闭合回路， 需采用反射结构，因而引入了反射相移。为避免反射相移的不利影响已提 出了三种解决方案“：( 1 ) 双币交反射、( 2 ) 临界角反射、( 3 ) 保偏全反 射。其中第三种又有多层介质膜与单层介质膜之分。由于块状光学玻璃电流 互感器的v e r d e t 常数较大，故v e r d e t 常数受环境影响而变化对系统的影响 也不容忽视。 哈尔滨【：稗人学硕七学位论文 1 )探头设计新方案 易本顺等人提出了几种新的传感头方案啪1 。如图1 1 0 所示。其中( a ) ， ( b ) 是利用保偏的屋脊棱镜将单坏路光学电流传感头改变为反向双环路结构。 ( c ) 为多环路结构，可以根据被测电流大小来改变传感头高度和尺寸或调整 入射点坐标而改变决定其灵敏度的环路数。 ( a )( b )( c ) 图1 1 0 三种块状光学玻璃电流传感头新设计方案 邱静和等人也提出了类似的块状方形双层光路玻璃光学电流传感头设计 方案。，并获得了在2 2 0 k v1 0 0 0 a 8 0 0 0 a 的电流测量范围内线性误差小于 0 j 、在一3 0 。c 4 0 。c 温度范围内系统不稳定性小于0 5 的结果。 2 ) 补偿方法 ( 1 温度补偿 n i e w c z a s 等人将b r a g g 光栅测量装置的输出信号直接集成到d s p 单元 内用以自动补偿温度改变对系统的影响。“。实验结果显示，在3 0 0 l l o 范围 内，由温度引入的误差可减小到0 3 左右。 张新亮等人= = 。”用双波长双路检测来实现温度补偿。输入光纤传来的双波 长光信号均经过感温元件，其中一种波长的光波强度随温度变化而变化，构 哈尔滨l ：槲人辱硕十学位论文 成测温信号：丽另一种波长的光波强度不随温度变化，构成测温参考信号和 电流测量信号。用计算机分析出温度值后，去自动补偿电流信号。整个系统 在补偿后的长期稳定性优于0 3 。 易本顺等人提出了采用高v e r d e t 常数的材料，同时不受温度影响的频率 分离比较测量法。：。由于o c s 的频带很宽，可以在传感头中加一个与被测电 流i 不同频率的标准参考电流，经光电转换，前置放大后，用两个中心频率 分别与i ，i 。相对应的带通滤波器将信号分离，则从两个交流通道输出的信 号之比为 r - 鱼巫( 卜l o ) 足2f 式中：k 。，k ：一分别为两个通道的放大系数。 机械振动补偿 n i e w c z a s 等人报告了一种补偿机械振动对o c s 影响的方法础：。其原理 是基于f a r a d a y 效应是非互易的而由振动导致的光强波动是互易的。他们的 振动实验表明该系统可达到5 p2 0 保护级电流传感器水平。 偏振补偿 通常块状光学玻璃型o c s 中采用多模光纤来传光，但多模光纤入射光的 不稳定会影响系统的性能，单模光纤中又存在着及易受外界环境( 如温度、 应力) 影响的线性双折射。为此，何竞翼等提出用一对渥拉斯登棱镜补偿传 光光纤中偏振态扰动的方案j 。：。实验表明，系统的偏振灵敏度能控制在 0 0 5 d b 以下，比不采用这种补偿方案的系统低近2 0 d b 。 3 )其他方面的进展 哈尔滨：i _ = 程大学硕士学位论文 输出特性研究 盛珑等人指出了光学电流互感器的适用范围”1 ，当被测电流峰值小于 1 0 0 0 a 时，系统非线性误差很小。当电力系统发生故障时，电流瞬时可达几 万安培甚至更高，会使偏振光发生较大的偏转，此时由非线性引起的相对误 差为： 。型三土，2 3 14 2 式中：v 一v e r d e t 常数，i o t c m j 。一一被测电流峰值，a 反射相移对系统灵敏度、稳定性以及抗外电磁场干扰能力的影响 王政平等人研究了反射相移对系统灵敏度、稳定性以及抗外电磁场干扰 能力的影响哳“。3 。研究表明，假定传感头内的线性双折射可以忽略，要获得 理论预期的最大灵敏度，在每个反射面的反射相移必须被限制在0 2 4 r a d 以 内。对抗干扰能力的影响研究表明，反射相移会降低互感器的抗电磁干扰能 力，因此在o c t 的设计过程中必须设法减小反射相移。他们还比较了三种信 号处理方案o 。即单探测器方案、差除和方案、改进的差除和方案。结果表 明，差除和方案较好。改进的差除和方案有最好的信号处理能力。 f 3 光电混合型o c t 不。 土廷云等人提出了基于相位压缩原理的混合型o c t 方案。如图1 1 l 所 哈尔滨1 ：程大学硕士学位论文 ；= ；叠；= ；裔；i i i i 篇宣墨暑；蔷宣i _ 昌号；i 离昌墨一 图1 1l 基于相位压缩原理的光电混合型o c t l d ：激光器：p c 和p c ：偏振控制器；c 。和c ：耦合器：f c 。f c 光纤活动连接器；p z t ：压电陶瓷；l ：光纤延迟线； d ：光电探测器；t h ：r o g o w s k i 线圈is p ：信号处理电路 实验表明：在4 0 a 3 2 0 0 a 的电流测量范围内，比差能达到o 2 级精度， 相位压缩系数为2 1 8 ，即在相同线性度条件下，用相位压缩原理建立的干涉 式光纤电流传感器比普通干涉式光纤电流传感器的动态范围扩大了2 1 8 倍。 4 其他类型 1 )磁致伸缩效应o c t 王廷云等人设计了一种基于f a b r y p e r o t 原理的磁致伸缩效应光纤电流 互感器：4 1 。传感光纤作为f a b r y - p e r o t 干涉仪的干涉腔，让参考光纤与传感 光纤合并为一根光纤，从而有效的消除了环境变化和光纤内线性双折射对传 感器的不良影响。在传感装置中，采用偏嚣电流负反馈的结构使传感器始终 处在1 f 交状念下工作，使传感器抗干扰能力提高，并可根据不同尺寸和不同 的磁致材料设计出各种电流范围的传感器。实验表明，在l 1 2 0 m a 的测量范 围内，传感器的精确度达0 2 0 。 哈尔滨l 程大学硕士学位论文 i i i i i c h a r t 等人提出了一种新的外( e x t r i n s i c ) s a g n a c 干涉仪型光学电流互 感器”：。如图1 1 2 所示。 f 图i 1 2 外s a g n a c 干涉仪型光学电流互感器 图1 1 2 中m 为反射镜：o i 为光纤隔离器：l d 为激光二极管：p d 为光电二极管；s 为信号处理系统：c b 为电流线：i 为被测电流；f c 为光 纤准直仪：f o c 为光纤耦合器；b s 为分柬器；r 为f a r a d a y 元件：r 为f a r a d a y 磁铁元件：f 为单模光纤。 实验表明，其灵敏度较惯常的s a g n a c 干涉仪型电流传感器高l o 倍且有 更好的线性响应。 2 )微机械o c t h e r e d e r o 等八提出了一种微机械光纤电流互感器1 ，如图1 1 3 所示。 传感元件包括一个诈方形的硅膜，有一个圆柱形的永久磁铁固定在硅膜的中 删。这种结构使得在出交流电产生的磁场梯度存在的情况下永久磁铁发生振 动。电流大小和磁铁振动位移之闯的线性关系可用带有光纤低细度 f a b r y p e r o t 微小腔的白光干涉计量法来测量。实验结论是测量范围为o 、7 0 a 。当硅膜与载流导线的距离为5 m m 时，最小可探测电流为2 0 m a 。 节上丁毙昝争诙 。一r jii十lljv；_刨 一 略爵；，姆 一 u， 图1 1 3 微机械( m i c r o m a c h i n e d ) 光纤电流互感器 1 2 近年来需勰决的重点课题 2 1 世纪将使光电互感器推向工业运行。为达此目的，要解决的几个重点 课题如下。 1 2 1 磁光材料双折射效应对电流互感器测量精度的影响 由于磁光材料的双折射效应，使射人磁光介质的线性偏振光变为椭圆偏 振光。其结果是：从检器输出的光强度变化与被测电流不成f 比，使光电式 电流互感器的灵敏度不稳定，从而降低了光电式电流互感器的测量精度。 磁光材料中的双折射可分为3 类： ( 1 ) 与坡璃制造过程的热历史有关的双折射： ( 2 ) 由于环境温度变化引起的暂态双折射： ( 3 ) 传感头组装引起的组装应力双折射。 为了提高光电式电流互感器的测量精度应对各种产生双折射效应的途 径进行具体的研究，并找到降低其影响的办法。 哈尔溟i 程人学硕士学位论文 1 2 。2 温度变化对光电式电流互感器测量精确度的影响 互感器传感头部温度的变化可高达1 0 0 c 。温度的变化将引起磁光材料 的双折射常数的变化，还会引起磁光材料中的应力双折射效应。温度的变化 还将引起发光管( l d 或l e d ) 发光波长的变化，而常数要随光波波长的变化而 变化。 为了提高光电式电流互感器测量精度，应对各种造成传感器头部温度变 化的过程进行分析，并研究减小其影响的办法。 1 2 3 光电式电流互感器长期稳定性的研究 磁光玻璃的双折射常数、l e d ( 或山) 以及p i n 的灵敏度、电子产品的标称 数值可能会随时间而变化，都可能受到外界气候条件的影响，因此必须对其 进行长期稳定性的研究及现场试验。 另外。光电式电流互感器的电磁兼容性能也是一个很重要的指标。为了 评定o c t 的电磁兼容性必须建立起发射性和抗干扰的适当限值。对发射性 要求要考虑无线电干扰电压试验和传输过电压所包含的发射性要求及限值； 抗干扰要求主要考虑以下几方面：谐波和中侧谐波、缓漫电压变化、电压跌 落t n nb , 寸遮断、抗冲击、电气快瞬变( 突变) 、抗振荡波、静电放电、抗工频 磁场、抗冲击磁场、抗阻尼振荡磁场和抗无线电频率发射电磁场。 近年来，国外的一些大电气公司和大学j 下加紧光电式电流互感器的现场 试验和商品化。1 9 9 4 年a b b 公司推出有源光电式电流互感器。其电压等级为 7 2 ，j 一7 6 5 k v ，额定电流为6 0 0 - - - 6 0 0 0 a 。3 m 公司在1 9 9 6 年已宣称丌发出用 于1 3 8 k v 电压等级的全光纤电流测量模块，掘称也可用于5 0 0 k v 电压等级。 p h o t o n i c s 公司最近推出了一种用光供能的光电式电流互感器，称为混合式 光电电流互感器，它们曾于1 9 9 5 年至1 9 9 7 年期i 、白j 在美国、瑞典、芬兰等国 超高压电网上试远行。英国利物浦大学电机系也在进行混合式光电电流互感 器的研究。德国著名的专业互感器公司r i t z 公司也在和德国的大学联合开发 哈尔滨i ：槲人学硕十学位论文 无源及有源光电电流互感器和光电电压互感器。此外，日本的一些电气公司 将光电电流互感器用于抽水蓄能电站的电流测量，电流范围为8 0 0 0 - - 3 5 0 0 0 a ， 频率范围为1 6 0 1 5 0 h z ，还百很多用于高压线故障测量的研究文章。 近年来光学电流传感器研究取得了可喜的进展，这是不争的事实。但离 实用化、产品化仍然有一定的距离，这也是该领域研究者们面i 临的实实在在 挑战。实用化的障碍恐怕仍然是需要克服由各种因素引起的系统的温度与震 动稳定性降低问题。此外，目前的研究多集中于测量用光学电流传感器，对 线路防护( 继电保护) 用电流互感器的报告还不多。然而这两种用途的光学 电流传感器对电力系统而言都是需要的。故对线路防护用电流互感器的研究 似应加强。 1 。3 选题的意义与内容 光学电流互感器温度稳定性是指光学电流互感器的输出量( 电压或电流) 随使用环境温度变化改变的程度。这个问题一直是阻碍光学电流互感器实用 化的关键性技术难题之一。本课题致力于对影响高压电力开关站电流计量的 光学电流互感器实验样机温度稳定性的反射相移这一因素做了理论分析与实 验研究，并依此寻求提高整机温度稳定性的途径。以期为光学电流互感器实 用化产品的研制丌发提供理论基础，它具有很大理论价值和潜在的工程意义。 本论文工作分为理论分析、实验验证两个主要的部分。首先，在理论上， 利用j o n e s 矩阵为工具，详细研究了保偏膜的反射相移的温度特性影响了光 学电流传感器的灵敏度和稳定性；之后用计算机仿真做出了关系曲线：最后 用实验验证了理论研究与计算机仿真得到的结果。 哈尔滨l ：科人学硕十学位论文 第2 章研究偏振系统所用的数学工具 2 ，1 琼斯矩阵 根据波动光学理论，光波是横波，其光矢量垂直于传播方向。按光矢量顶 端运动的性质，光波可分为自然光、偏振光和部分偏振光。自然光或非偏振 光乃是这样的光，其光矢量作无规律的运动，并且不显示出任何方向或旋转的 趋势。而偏振光中光矢量的末端，以确定的方向沿着完全确定的简单曲线运 动。 根掘光矢量未端运动的不同曲线类型，可以将偏振光定义为线偏振、圆 偏振和椭圆偏振这三种形式的光。 当光矢量的末端沿着一条直线运动时，该偏振光称为线偏振光。此时光 矢量随着时问改变其量值而不改变其方向。 在圆偏振光中光矢量的末端沿一圆周运动，光矢量的量值保持不变，而 它的倾角则在o 到2n 之问连续变化。根据其旋向的不同，圆偏振光又可分 为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光。 椭圆偏振光是实际应用中最普遍的一种偏振光形式，光矢量的大小和倾 角都不断变化。根据其旋向的不同，椭圆偏振光也可分为右旋椭圆偏振光和 左旋椭圆偏振光。 在这种光矢量概念基础上，利用琼斯矩阵等数学工具，研究者们已成功 地处理了大量有关偏振光通过光学系统时所涉及的偏振光学问题。为描述光 学系统中发生的物理过程，琼斯于1 9 4 1 年提出了用一个二元复数矢量束描述 一束光的偏振状态，及用2 2 矩阵描述光学器件的方法，即琼斯矢量法。”。 此法也可简单地处理光路中的光学元件数量很多的情形。 琼斯矢量是一个二元复数列矢量，它的两个元素分别与光矢量口的两个 分量口，和口。相等。椭圆偏振情况下的琼斯矢量可表示为： 2 4 式中 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 ，忽 v = 埘+ 一 九 当省去公共相位因子时，上述