基于因瓦合金电容分压式光纤电压互感器研究

论文摘要

电力系统是国民经济的命脉,电压互感器是电力系统获得保护与计量用电压信号的重要设备。随着输配电网朝着高电压、大容量方向发展,传统的电磁式电压互感器因其传感机理而出现不可克服的困难;如体积大,造价高,绝缘结构日趋复杂,充油的电压互感器存在爆炸的危险等。光学电压互感器克服了由于磁饱和导致的波形畸变和传统电压互感器本身压降导致的测量精度降低等问题;具有结构紧凑,无燃烧和爆炸的危险,测量频带宽,动态范围大,抗干扰能力强,无二次开路高压,便于与计算机接口,适应电力系统自动化数字化要求等特点,成为国内外学者研究的重点。本文在已有研究成果的基础上,提出一种新型的基于因瓦合金电容分压式光纤电压互感器。实现了对应用于不同电压等级的电压互感器,只需改变电容分压器的分压比,而无需改变传感器的结构即可满足测量要求;因此不仅便于规模化生产,而且测量精度也有显著提高。首先,对近年来光学电压互感器的研究现状进行了综合评述;总结了基于Pockels电光效应的OVT、基于电容分压的OVT以及传统技术加光纤传光的电压互感器存在的主要问题,提出一种新型的光电式电压互感器结构;并对基于椭圆芯双模光纤模间干涉原理和石英晶体逆压电效应的光纤电压互感器进行了理论探讨,对基于多模激光的白光干涉仪以及直流相位跟踪系统进行理论分析,建立了零相位跟踪误差的数学模型和零相位误差补偿的具体方法。其次,对基于因瓦合金的电容分压器进行了深入的理论研究,建立了完整的系统理论模型;推导出在高压绝缘条件下,建立电容分压器的数学模型;得出了圆柱型电容器半径尺寸设计的一般计算公式。对影响电容分压器测量精度的各种因素进行了全面的理论分析和仿真研究,建立了电容分压器误差与温度、不同轴度、圆柱半径、静电场力的数学模型,得到了这些影响因素对系统响应的作用规律。应用有限元分析方法对电容分压器进行电场分析,给出了电容分压器关键点的电位分布的数值和等值线曲线。再次,设计了电压互感器的数字接口,依据IEC60044-7的标准对电子式互感器过程层通讯模块进行了总体设计,详细分析了各部分设计的功能,给出了过程层通讯系统的硬件部分的电路设计与仿真。最后,对传感器系统进行了光路设计和数值分析,计算了加在石英晶体上的最

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 光学电压互感器基本原理及分类
• 1.2.1 Pockels 效应型OVT
• 1.2.2 Kerr 效应型OVT
• 1.2.3 逆电压效应型OVT
• 1.2.4 有分压型OVT
• 1.2.5 无分压型OVT
• 1.2.6 集成光学型OVT
• 1.3 光学电压互感器的研究现状
• 1.4 光学电压互感器存在问题及解决方法
• 1.4.1 存在的主要问题
• 1.4.2 提高测量精度的主要方法
• 1.5 课题研究的主要内容
• 第2章 光纤电压互感器的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 多模激光光源特性
• 2.2.1 激光原理
• 2.2.2 光源相干性
• 2.2.3 多模激光管
• 2.3 椭圆光纤模式理论
• 2.3.1 光纤的模式理论
• 2.3.2 单模保偏光纤模式理论
• 2.3.3 椭圆芯双模光纤模式理论
• 2.4 石英晶体与压电晶体逆压电效应研究
• 2.4.1 石英晶体逆压电效应
• 2.4.2 压电陶瓷逆压电效应
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于模间干涉光纤电压互感器的传感理论研究
• 3.1 引言
• 3.2 光纤电压互感器的传感理论研究
• 3.3 基于多模激光的白光干涉仪理论分析
• 3.4 直流相位跟踪系统的理论分析
• 3.5 光纤电压互感器误差分析
• 3.5.1 光纤电压互感器的主动零差相位跟踪误差
• 3.5.2 环境温度对系统误差的影响和对策
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于因瓦合金电容分压器的理论与结构研究
• 4.1 引言
• 4.2 因瓦合金的性能分析
• 4.3 精密电容分压器结构研究
• 4.4 电容分压器随温度变化的数学模型
• 4.5 电容分压器电场分析
• 4.5.1 电容器有限元分析的数学模型
• 4.5.2 电容器有限元的自动剖分
• 4.5.3 电容器电位计算
• 4.5.4 等值点的寻找
• 4.5.5 三样条插值、等值线的绘制
• 4.5.6 计算结果
• 4.6 精密电容分压器的误差分析
• 4.6.1 电场边缘效应对电容分压器的影响
• 4.6.2 温度变化对电容值的影响
• 4.6.3 柱状电容器两圆筒不同轴对电容值的影响
• 4.6.4 静电场力的作用对电容值的影响
• 4.6.5 圆筒电容器内半径对分压器相对误差的影响
• 4.6.6 圆筒电容器壳体厚度的影响
• 4.6.7 误差合成
• 4.7 本章小结
• 第5章 光电式电压互感器数字接口设计与仿真
• 5.1 引言
• 5.2 IEC60044-7 对数字化输出的规定
• 5.2.1 标准对物理层的规定
• 5.2.2 标准对链路层帧格式的规定
• 5.2.3 标准对应用层帧格式的规定
• 5.3 过程层通讯模块总体设计
• 5.4 串并转换和缓冲器的设计
• 5.5 数字信号处理部分的设计
• 5.5.1 DSP 外挂FLASH 的设计
• 5.5.2 时钟及复位电路的设计
• 5.6 FIFO 的设计
• 5.7 整帧信号输出的设计
• 5.8 光纤通信电路
• 5.9 本章小结
• 第6章 光电式电压互感器数值分析与实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 光纤电压互感器数值分析
• 6.2.1 椭圆芯传感光纤长度的计算
• 6.2.2 传感光纤匝数的计算
• 6.2.3 石英晶体高度与所加最佳电压的计算
• 6.2.4 传感光纤模间相位差与光程差的计算
• 6.3 实验器件的参数确定方法
• 6.3.1 光源的选择
• 6.3.2 椭圆芯双模光纤参数的确定
• 6.3.3 其它实验器件的选择
• 6.4 光电式电压互感器实验工艺研究
• 6.5 光电式电压互感器实验结果分析
• 6.6 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