双模干涉式光学电压互感器的设计与理论研究

论文摘要

本文对近年来光学电压互感器的类型、基本原理进行了综合评述;对双模干涉式光学电压互感器进行了深入的理论研究,建立了完整的系统结构和理论模型;对互感器所需要的各种组件的工作原理和性能特点进行了详细的分析,并给出了具体设计参数;介绍了系统信号检测采用的白光干涉法和主动零差相位跟踪法的基本理论;深入分析了系统误差的影响因素,并给出了减小误差的具体措施;利用有限元理论对传感头的电势、电场分布进行了分析;提出利用空气来填充传感头绝缘支柱,使用三块石英晶体来组成传感头;给出了传感头的具体设计方案,利用Matlab对传感头进行了仿真。本文论述的是一种应用于电力系统高电压测量的双模干涉式光学电压互感器。该互感器是基于石英晶体的逆压电效应,在圆柱形石英晶体上施加交流电压使其产生压电形变,使缠绕在圆柱表面的椭圆芯双模光纤中的LP01和LP11模的相位差发生变化,最后得到被测电压。利用主动零差相位跟踪技术检测出相位差的变化,得到被测电压的大小。这种相位跟踪技术是在干涉仪中加入一个相位调制器,使之产生相移。在跟踪条件下,使正交条件始终得到保持,将信号相移的检测转换为对相位调制器补偿相移的检测。对双模干涉式光学电压互感器所产生的误差进行了分析,并给出了减小措施。在双模干涉式光学电压互感器输出的干涉光强信号中,当残余可见度忽略不计时,可采用主动零差相位跟踪技术来线性跟踪双模光纤相位差的变化;当残余可见度不忽略时,残余可见度随光程差增加而减小,这时群折射率取较大值时,可以较好地消除残余可见度。环境温度是影响光纤电压互感器精度的最主要因素,通过采取措施补偿压电常数随温度变化所产生的误差;通过限制光纤的长度来减小温度对可见度函数的影响。本文利用有限元理论对传感头的电场分布进行了分析,为传感器的绝缘设计提出了可靠的理论依据;利用气体击穿理论对极间电场强度和空气的绝缘强度进行了计算,对传感头进行了绝缘设计。最后,本文给出了传感头的数学模型,并利用传感头数学模型给出了传感头的具体设计方案;为了验证传感头设计的合理性,对传感头进行了仿真研究。

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 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 光学电压互感器的类型及基本原理
• 1.4.1 功能型光学电压互感器
• 1.4.2 非功能型光学电压互感器
• 1.5 光学电压互感器存在的问题
• 1.6 课题的来源及本文的主要研究内容
• 第2章 双模干涉式光学电压互感器的基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 双模干涉式光学电压互感器的系统结构
• 2.3 双模干涉式光学电压互感器的基本原理
• 2.4 双模干涉式光学电压互感器的白光干涉
• 2.4.1 白光干涉仪的原理
• 2.4.2 白光干涉
• 2.5 双模干涉式光学电压互感器的主动零差相位检测
• 2.5.1 主动零差相位跟踪原理
• 2.5.2 主动零差相位检测
• 2.5.3 主动零差相位跟踪误差
• 2.6 双模干涉式光学电压互感器的数学模型
• 2.7 本章小结
• 第3章 双模干涉式光学电压互感器的设计
• 3.1 光源
• 3.1.1 激光原理
• 3.1.2 光源相干性
• 3.1.3 多模激光管
• 3.1.4 双模干涉式光学电压互感器光源的选择
• 3.2 光纤
• 3.2.1 光纤的用途
• 3.2.2 单模保偏光纤
• 3.2.3 椭圆芯双模光纤
• 3.2.4 双模干涉式光学电压互感器光纤的选择
• 3.3 石英晶体与压电陶瓷
• 3.3.1 石英晶体
• 3.3.2 压电陶瓷
• 3.3.3 双模干涉式光学电压互感器压电晶体的选择
• 3.4 系统的误差分析及解决办法
• 3.5 本章小结
• 第4章 传感头的有限元分析与绝缘计算
• 4.1 有限元法的基本原理
• 4.1.1 静态电场的边值问题
• 4.1.2 有限单元剖分
• 4.1.3 有限元方程
• 4.2 轴对称电场
• 4.3 强加边界条件的处理和系数矩阵的存储
• 4.4 传感头的有限元分析
• 4.4.1 传感头的平面图
• 4.4.2 电位的计算
• 4.5 电场强度与空气击穿计算
• 4.6 提高气体间隙击穿电压的措施
• 4.6.1 改进电极形状
• 4.6.2 高气压的采用
• 4.7 本章小结
• 第5章 传感头的数学模型与仿真
• 5.1 传感头的数学模型
• 5.1.1 传感光纤纵向应变引起的相位变化
• 5.1.2 传感光纤在一般形式下的相位变化
• 5.1.3 传感光纤的温度应变
• 5.2 传感头的计算
• 5.2.1 压电材料的选取
• 5.2.2 不同晶体直径时相位差和外加电场的关系
• 5.2.3 不同晶体长度时相位差与外加电压的关系
• 5.3 传感头的设计
• 5.4 传感头的仿真
• 5.5 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