模间干涉式全光纤电压互感器的研究

论文摘要

在电力工业输配电系统中,电力互感器为电力系统提供用于计量、控制和保护所必需的信息,是电力系统中不可或缺的设备。然而随着电力工业向高电压、大容量的输配电电网方向发展,传统的电磁式和电容分压式电压互感器已经暴露出了诸多缺点,研制一种新型的光学电压互感器已经成为电力系统的新需求,也得到了国内外相关研究机构和科研单位的重视。本文对近年来国内外光学电压互感器的研究和发展现状、基本工作原理和优缺点等进行了综合评述;提出了一种具有能够对温度影响进行自动补偿功能的全光纤电压互感器;从理论和实验两个方面深入分析和研究了椭圆芯保偏光纤模间干涉的基本原理和干涉输出光强分布规律;详细设计和论述了基于保偏光纤模间干涉和石英晶体逆压电效应的电压互感器各个组成部分;用有限元法从理论上对互感器高压传感头结构进行了优化设计;对所设计的互感器样机进行实验研究,并给出相关的实验方法和实验结果。论文的主要内容有:首先,利用光纤的模式理论对理想圆芯阶跃折射率光纤的几种模间干涉输出边瓣分布同模间相位差间的关系进行了分析并给出详细的干涉输出光强三维分布图;在此基础上,对椭圆芯保偏光纤的两个低阶线性偏振模LP0 1和LP1e1v en( LP1 1偶模)间的模间干涉输出和模间相位差的关系进行了数值计算。其次,设计了一种基于椭圆芯保偏光纤模间干涉和石英晶体逆压电效应的光纤电压互感器系统结构,建立了系统的数学模型。对系统中关键部件的特性进行了研究,主要包括:利用等容原理和等效折射率法对椭圆芯保偏光纤几个低阶模式的传输特性进行了数值计算,得到了其双模工作波长、传播常数差和模间拍长等关键参数;分析了石英晶体和压电陶瓷的基本特性和应用于本系统中的特殊要求;设计了工作稳定的信号处理电路。然后,利用有限元法对四块金属电极夹三段石英晶体的互感器传感头内电场分布进行了仿真计算,比较研究了不同的金属电极形状、尺寸、材料,不同的互感器绝缘支柱和不同的绝缘气体条件下互感器内部电场分布的变化规律,给出了相对优化的传感头结构设计。最后,通过实验对椭圆芯保偏光纤的模间干涉基本特性进行了研究,利用高压实验变压器对所设计的全光纤电压互感器进行了可行性和测量精度的实验研究,并给出了实验结果。本文对基于模间干涉和石英晶体逆压电效应的光纤电压互感器作了大量的理论和实验研究工作,能够为光学电压互感器的实用化设计和产品研制提供有价值的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光学电压互感器的研究意义
• 1.3 光学电压互感器的研究现状
• 1.3.1 国外OVT 的研究现状
• 1.3.2 国内OVT 的研究现状
• 1.4 国内外OVT 的几种主要工作原理及其优缺点
• 1.4.1 基于电光效应的OVT
• 1.4.2 基于逆压电效应的OVT
• 1.5 OVT 目前存在的若干问题
• 1.6 课题来源和本文的主要研究内容
• 第2章 光纤中模间干涉的理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 典型双臂光纤干涉仪及其特点
• 2.3 理想圆芯阶跃折射率弱导光纤中的模间干涉
• 2.3.1 理想圆芯阶跃折射率弱导光纤的模式理论
• 2.3.2 理想圆芯阶跃折射率弱导光纤中的模间干涉
• 2.4 保偏光纤及椭圆芯保偏光纤的模间干涉
• 2.4.1 保偏光纤的分类及基本参数
• 2.4.2 椭圆芯保偏光纤中的模间干涉
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于模间干涉的全光纤电压互感器设计
• 3.1 引言
• 3.2 基于模间干涉的全光纤电压互感器系统结构
• 3.3 传感原理和干涉输出边瓣光强的处理
• 3.3.1 传感原理
• 3.3.2 干涉输出边瓣光强的处理
• 3.4 椭圆芯保偏光纤的选择和模式分析
• 3.4.1 保偏光纤及其结构参数
• 3.4.2 椭圆芯保偏光纤的模式分析
• 3.5 全光纤电压互感器中的逆压电晶体
• 3.5.1 石英晶体
• 3.5.2 压电陶瓷（PZT）
• 3.6 全光纤电压互感器中的光源及干涉输出的探测
• 3.6.1 光源
• 3.6.2 干涉输出双边瓣光强的探测
• 3.7 模拟信号处理电路和系统传递函数
• 3.8 本章小结
• 第4章 互感器传感头内电场分析及结构优化设计
• 4.1 引言
• 4.2 金属电极的结构与互感器内的电场分布规律
• 4.2.1 电极形状对互感器内部电场分布的影响
• 4.2.2 电极材料对互感器内部电场分布的影响
• 4.2.3 电极大小对互感器内部电场分布的影响
• 4.3 互感器支撑套管对电场分布的影响
• 4.4 互感器内的绝缘气体
• 4.5 互感器传感头的设计总结
• 4.6 本章小结
• 第5章 实验及结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 保偏光纤模间干涉基本特性的实验研究
• 5.2.1 模间干涉双边瓣能量交换分布实验
• 5.2.2 椭圆芯保偏光纤模间拍长测定实验
• 5.3 基于模间干涉原理的光纤低压传感器实验
• 5.4 基于模间干涉原理的光纤高压互感器实验
• 5.5 进一步的工作
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介