反射式全光纖電流互感器誤差研究

1、. 西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文反射式全光纖電流互感器誤差研究姓名：張海亮申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：凝聚態(tài)物理指導(dǎo)教師：李德昌201201： 互感器作為電力系統(tǒng)的重要組成之一，為電力系統(tǒng)的正常運作提供測量、保護(hù)、線路診斷以及電力監(jiān)控，隨著電力系統(tǒng)的不斷升級，互感器的研究也隨之更新?lián)Q代。本文以電流互感器的發(fā)展為背景，對反射式全光纖電流互感器的光路原理和性能進(jìn)行了深入的研究。首先，本文論述了基于磁光效應(yīng)的兩種電流互感器的原理，并在此基礎(chǔ)上對其光路結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)的分析，給出了其偏振體系的理論推導(dǎo)。其次，通過對其光路的各個器件的分析，推導(dǎo)出其各器件的瓊斯矩陣，用瓊斯矩陣構(gòu)建了全光纖電流互感器的理論模型。另

2、外，對全光纖電流互感器的信號檢測方法做了詳細(xì)描述，給出了基于數(shù)字閉環(huán)的相位調(diào)制及微信號檢測方案。最后，用瓊斯矩陣法對其光路系統(tǒng)的各個可能引起誤差的器件做了詳細(xì)分析，并給出其誤差解決方法，對受溫度影響的兩大誤差源，提出了通過改變波片初始相位的誤差補償方本文通過對互感器的整個光路系統(tǒng)的分析，分別給出各光路器件誤差解決方案，對全光纖電流互感器的研究有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：光纖電流互感器瓊斯矩陣傳感光纖 ，猣 甎琭 第一章緒論全光纖電流互感器的介紹電力系統(tǒng)為了傳輸電能，往往采用交流電壓、大電流回路把電力送往用戶，無法用儀表進(jìn)行直接測量。互感器就是將交流電壓和大電流按比例降到可以用儀表直接測量的數(shù)值，

3、便于儀表直接測量，同時為繼電保護(hù)裝置和自動裝置提供電源?；ジ衅魇窃陔娏ο到y(tǒng)中將高電壓、高電流轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷?、低電流的信息，并且傳遞給二次側(cè)的計量、保護(hù)以及自動裝置的一種特殊的變壓器，其在傳遞的過程中起一次、二次系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)作用，通過將互感器一次側(cè)接入電網(wǎng)，二次側(cè)接上信號測量儀表、自動裝置和保護(hù)裝置等，由信號測量儀表便可測量出一次的電流和電壓等信息，再將此信息反饋給繼電保護(hù)裝置和自動裝置，便可對電網(wǎng)實現(xiàn)保護(hù)與自動控制。由上可知，互感器性能直接影響整個電網(wǎng)的智能運作，互感器性能及其可靠性一直是電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域的重點。目前，隨著人們對電的日益需求，使電力系統(tǒng)領(lǐng)域飛速發(fā)展，伴隨而來的是電力傳輸系統(tǒng)的容限不

4、斷加強，傳統(tǒng)的互感器越來越不能滿足現(xiàn)今的諸多問題，其表現(xiàn)為：電力系統(tǒng)的電壓等級不斷升高，一次側(cè)和二次側(cè)的電絕緣問題，一次側(cè)向二次側(cè)傳遞信息的可靠性問題，電流電壓的動態(tài)范圍變大使傳統(tǒng)互感器無用武之地。面對目前的大電流、大電壓和強功率的電力系統(tǒng)，國內(nèi)采用的互感器暴露出諸多缺點，相對高等級的一次電壓、電流表現(xiàn)出體積大，重量重，制作成本高，且其采用的技術(shù)是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，在絕緣方面，動態(tài)檢測范圍方面等均不能滿足現(xiàn)今需要，此外由于電子式電流互感器的固有磁飽和、頻帶窄、鐵磁諧振以及易燃易爆，并且，現(xiàn)今的電力系統(tǒng)需要高精度，適時控制，在線檢測等，使電力系統(tǒng)急需新一代替換產(chǎn)品【¨。全光纖電流互

5、感器是以法拉第磁光效應(yīng)為原理來測量電流。根據(jù)安培定律和磁光法拉第效應(yīng)原理，通電導(dǎo)線周圍存在閉合磁場，這種磁場可以使得圍繞在導(dǎo)線周圍光纖中傳輸?shù)钠窆獾钠衩姘l(fā)生旋轉(zhuǎn)。由于電流與偏振光的偏轉(zhuǎn)角成線性比例關(guān)系，因此可以通過檢測偏轉(zhuǎn)角度來測電流。近年來，光學(xué)電流互感器的研究不斷取得進(jìn)展，與傳統(tǒng)互感器相比，它具有如下優(yōu)點：高壓工作環(huán)境下絕緣要求，簡化了龐雜的絕緣結(jié)構(gòu)； 反射式全光纖電流互感器誤差研究流互感器漏油、爆炸等危險及大氣污染；控和測量為目的的高速遙感、遙測系統(tǒng)；器固有缺陷；因全光纖電流互感器有如此諸多優(yōu)點，并且在實際應(yīng)用中，電壓等級越高，優(yōu)勢越明顯，符合未來電站、變電所發(fā)展的需要，是傳統(tǒng)電流互

6、感器較為理想的更新產(chǎn)品，因此被認(rèn)為是必將取代傳統(tǒng)電流互感器的新一代互感器。與傳統(tǒng)電流互感器相比，在理論上存在著較大的優(yōu)勢，但在工程實際應(yīng)用中所面臨諸多新問題，阻礙了的實用化進(jìn)程。國內(nèi)經(jīng)過多年的理論研究及工程實踐，摸索出解決這些問題的一些行之有效的措施，為的工程應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。目前，溫度對測量誤差的影響，以及長期運行的穩(wěn)定性方面，均對光路系統(tǒng)的設(shè)計提出了較為嚴(yán)格的設(shè)計界定，光路系統(tǒng)的設(shè)計是全光纖電流互感器的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此我們對全光纖電流互感器的光路系統(tǒng)的深入研究是對新型的全光纖電流互感器的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有著十分重要的意義。國內(nèi)外對全光纖電流互感器的研究現(xiàn)況為先進(jìn)的的研發(fā)工作。年，美國五大電氣

7、公司成立了光纖電流互感器 第一章緒論年掛網(wǎng)運行，在電網(wǎng)中起繼電保護(hù)的作用，到年，成功研制出感器做了研究，對其理論、性能、材料做了深入研究。日本的東方電氣公司與東壓互感器安裝在制造廠的條件下長時間運行試驗，一直運行的很好】。工大學(xué)相繼研制出正常環(huán)境下精度為的塊狀結(jié)構(gòu)，但在抗干擾和長期迄今為止，的研究已經(jīng)取得巨大進(jìn)展，推出了實驗用產(chǎn)品并有掛網(wǎng)實驗報告，如日本的底庸盡攔競吞錟晌髦萘饔虻緦芾砭尤其是美國公司于年推出一種全光纖型傳感模塊，據(jù)稱在田納西州掛網(wǎng)實驗達(dá)到級技術(shù)精度。在國內(nèi)，有清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中辨搜流等鰻圖全光纖電流互感器實物圖南瑞航天本電氣控制技術(shù)有限公司所研制的系列的阿海琺輸配

8、互感器蝦有限公司生產(chǎn)的系列式和氣體絕緣式互感器，其中澆鑄樹脂式互感器為固體絕緣，測量電壓為， 反射式全光纖電流互感器誤差研究由于其的性質(zhì)，在工作過程中有漏油漏氣的現(xiàn)象。年后，國內(nèi)才對光學(xué)互感器開始研究，相較于電磁式互感器設(shè)計實現(xiàn)較為簡單，在絕緣方面以及數(shù)字處理方面有很大優(yōu)勢，電子式互感器屬于光學(xué)互感器，主要分為有源式和無源式，無源式由于其精度和穩(wěn)定性受溫度振動影響較大，國內(nèi)研究主要偏向有源式互感器，目前研究的重點是有源式互感器的供能問題，針對供能問題，國內(nèi)多家機構(gòu)提出各種供能方案，均獲得很好的可靠性【。國內(nèi)對全光纖的互感器研究起步比較晚，主要因為其數(shù)字閉環(huán)處理過程較傳統(tǒng)互感器復(fù)雜，以及在工業(yè)應(yīng)

9、用中的諸多問題。到目矸段飭烤范忍岣叩揭桓魴碌乃劍浼屏烤瘸齀級和叮；瘸齀由中國電力科學(xué)研究院自主研發(fā)的智能變電站關(guān)鍵設(shè)備“瓹型總的來說，國內(nèi)無論是從研制情況和技術(shù)角度都比國外落后，國內(nèi)現(xiàn)今的研究重點還停滯在原理上的實驗樣機的實現(xiàn)，雖然掌握了其技術(shù)，但在信號處理方面、檢測方案都未進(jìn)行細(xì)致全面的研究，尤其是在其環(huán)境穩(wěn)定性的問題上，總體來說，在全光纖電流傳感器的研究上國內(nèi)落后于國外，由于全光纖電流互感器是電流互感器的最終發(fā)展趨勢，因此，對全光纖電流傳感器的研究很有意義。課題來源及研究意義 全光纖電流互感器的光路系統(tǒng)是用光纖制作而成，其中的各種光學(xué)器件產(chǎn)生的誤差不容忽視，光纖內(nèi)部存在的線性雙折射以及波片

10、的相位受溫度等外界環(huán)境因素的影響極為敏感，各種問題阻礙了實用化進(jìn)程。針對這些問題，在光纖的性能上采取了各種改進(jìn)方案，終不能解決實際問題。這些問題主要表現(xiàn)為：本課題的主要工作及章節(jié)安排在新型的全光纖電流互感器中，反射式全光纖電流互感器由于采用共光路設(shè)計，有更好的互易性，優(yōu)良的抗干擾能力，以及其優(yōu)于傳統(tǒng)電流互感器的眾多優(yōu)點，使其成為新一代電流互感器的研究重點。但因其在實際應(yīng)用中的眾多問題，：第一章：綜述了研究全光纖電流互感器的重要意義、國內(nèi)外全光纖電流互感器的研究概況、課題來源和本人的所做工作。重點介紹，引出光路的各個器件誤差分析的重要性。方案。第四章：介紹全光纖電流互感器目前的研究的困難，重點對

11、傳感頭引起的誤差做了詳細(xì)的分析，并在此基礎(chǔ)上提出了誤差補償方案。第五章：通過對全光纖電流互感器實用化進(jìn)程的描述，對全光纖電流互感器的光路器件誤差一一做了總結(jié)，給出了相應(yīng)解決方案。并對課題進(jìn)行總結(jié)。 反射式全光纖電流互感器誤差研究 第二章全光纖電流互感器的總體結(jié)構(gòu)和工作原理電流互感器是電力系統(tǒng)中監(jiān)控測量和繼電保護(hù)所必需的重要設(shè)備之一，隨著電力系統(tǒng)的電壓等級不斷升高，一次側(cè)和二次側(cè)的電絕緣問題，一次側(cè)向二次側(cè)傳遞信息的可靠性問題，電流電壓的動態(tài)范圍變大使傳統(tǒng)互感器無用武之地。面對目前的大電流、大電壓和強功率的電力系統(tǒng)，國內(nèi)采用的互感器暴露出諸多缺點，相對高等級的一次電壓、電流表現(xiàn)出體積大，重量重，

12、制作成本高，且其采用的技術(shù)是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，在絕緣方面，動態(tài)檢測范圍方面等均不能滿足現(xiàn)今需要，此外由于電子式電流互感器的固有磁飽和、頻帶窄、鐵磁諧振以及易燃易爆，并且，現(xiàn)今的電力系統(tǒng)需要高精度，適時控制，在線檢測等，使電力系統(tǒng)急需新一代替換產(chǎn)品。新型的全光纖電流互感器由于其無磁飽和，測量精度高，響應(yīng)頻帶寬等眾多優(yōu)點而成為目前研究的熱點，與常規(guī)電流互感器相比，具有尺寸小、重量輕的優(yōu)勢，即使在那些占地緊湊的變電所或者更新設(shè)備位置受限制的場合，都能順利的安裝使用。動態(tài)范圍寬的特性使其能同時滿足高精度計量和保護(hù)的雙重需求，而作為無源式的互感器產(chǎn)品，其無可比擬的優(yōu)點和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出使其成為數(shù)字變電

13、站中重要的組成部分。本章就全光纖電流互感器的總體結(jié)構(gòu)，工作原理，以及在實用過程中存在的問題進(jìn)行分析和討論。全光纖電流互感器的原理及特點全光纖電流互感器即采用干涉型的，其原理是通過檢測受到法拉第效應(yīng)作用的兩束光的相位差，由其相位差的變化檢測電流。從其光路結(jié)構(gòu)上，干涉型在法拉第磁光效應(yīng)的光纖電流互感器中，電流通過導(dǎo)體時產(chǎn)生的電磁場，會對環(huán)繞著導(dǎo)體的光纖中的光波的傳輸產(chǎn)生影響。當(dāng)一束線偏振光沿著與磁場平行的方向通過光纖時，線偏振光的振動平面將由于雙折射而產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。 反射式全光纖電流互感器誤差研究囝檢偏囂一·，式 電常量，由于光波的磁場強度中，。，喈朋一是疘真空介趓三皂， 式中為真空磁導(dǎo)率。

14、設(shè)其入射光為線偏振光，則：，將式代入麥?zhǔn)戏匠探M，即得：由于陋一，將的矩陣式代入上式得：一，筇一一盧，其中，分別表示波矢赬、軸方向的方向余弦。式的方程組有非零解的條件就能求得其兩個不同的偏振光的折射率。對果光波傳播路徑為立方對稱的介質(zhì)，則。：，則由上推導(dǎo)可得：如果肚為實數(shù)，則可知介質(zhì)對所發(fā)出的光波不存在吸收。則，這兩圓偏振光相位差，通過合成后變?yōu)榫€偏振光，其偏振光的偏振面與入射時的偏振面相比發(fā)軸方向傳播的，電場強度矢量豿軸方向。則：惑脄噊好玞一蘭嘗幾髟巧一褚 反射式全光纖電流互感器誤差研究礦鶫 環(huán)形結(jié)構(gòu)的電流互感器的結(jié)構(gòu)及工作原理如下圖為環(huán)形結(jié)構(gòu)的原理圖。光源出射的光通過耦合器，到達(dá)偏振器，經(jīng)偏

15、振器起偏變?yōu)榫€偏振光，通過耦合器后分為兩束線偏振光，兩束線偏振光分別在不同的光路中經(jīng)過波片轉(zhuǎn)變圓偏振光，最后進(jìn)入光纖回路中，在光纖回路中經(jīng)過光纖環(huán)繞著的電流導(dǎo)體的磁場的作用，兩束圓偏振光在磁場的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即經(jīng)過法拉第效應(yīng)后從光纖傳感頭中射出，再次經(jīng)過波片作用轉(zhuǎn)變?yōu)閮墒€偏振光，通過耦合器后在偏振器中發(fā)生干涉。當(dāng)兩束圓偏振光在傳感頭中傳發(fā)生了兩倍的法拉第相移，即妒玢圾礦為光纖材料的常數(shù)，為光纖繞圖環(huán)形結(jié)構(gòu)原理圖數(shù)，為導(dǎo)線中的電流值。其推導(dǎo)過程與反射式全光纖電流互感器理想模型相似，下節(jié)作詳細(xì)分析。將戥及、醋鞒琁髦葡轡徊睢真結(jié)果如圖所示，如圖中反映，輸入的交流信號，理論的輸出結(jié)果得到了很好的響

16、應(yīng)，經(jīng)過相應(yīng)的相位調(diào)制以及數(shù)據(jù)處理，即可得到想要的電流大小及波形。環(huán)形結(jié)構(gòu)的全光纖電流互感器，從光纖傳感頭可知，其采用的是光纖陀螺的工藝，因此在其檢測過程中，很容易受到薩格納克效應(yīng)的小的微信號，因此效應(yīng)產(chǎn)生的影響不容忽視。此外本系統(tǒng)在光纖回路中使用兩個波片，波片參數(shù)有對軸角度和相位延遲，相位延遲受溫度影響下的誤差極大，且使用兩個波片，從而對系統(tǒng)產(chǎn)生更大影響。本系統(tǒng)與反射結(jié)構(gòu)的 反射式全光纖電流互感器誤差研究環(huán)形結(jié)構(gòu)理想輸出仿真反射結(jié)構(gòu)的電流互感器的結(jié)構(gòu)及工作原理反射結(jié)構(gòu)的電流互感器如下圖所示，光路主要由低相干光源、光探測器、保偏光纖耦合器、光纖起偏器、光纖相位調(diào)制器、保偏光纖延遲線、光纖波片和

17、傳感光纖組成。由光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器后由光纖起偏器起偏變成線性偏振光。然后經(jīng)過一個度熔接庀似鵪骱拖轡壞髦破饕熱勱，則偏振光被分為分別沿保偏光纖嵊隮軸傳播的兩束垂直的線偏振光，兩束線偏振光經(jīng)過相光轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光，最后在起偏器發(fā)生干涉，通過測量相干的兩束偏振光的位相 圖全光纖電流互感器的基本結(jié)構(gòu)旋圓偏振光旋圓偏振光圖偏振光束在傳感頭處偏振態(tài)變化過程可以看出，如圖所示，光經(jīng)起偏器的度熔接，變?yōu)閮墒蒯和Y軸傳播的偏振光，在光纖內(nèi)部傳播時始終都經(jīng)過相同的路徑，假設(shè)外部有干擾的話，使兩束光都受到相同的干擾，而我們在起偏器處取的是兩束光的干涉結(jié)果，即相當(dāng)于兩束光的差值，則受到的干擾對結(jié)果并沒有影響。因此，

18、反射結(jié)構(gòu)的電流互感器光路的干涉結(jié)果中只攜帶了法拉第磁光效應(yīng)產(chǎn)生的相位信息，其光路部分有很好的互易性。全光纖電流互感器的主要光學(xué)部件光纖電流傳感器采用全數(shù)字閉環(huán)混偏方案，光路系統(tǒng)采用體系，由庠礎(chǔ)詈掀鰲衿鰲曬庋轡壞髦破簡稱直波導(dǎo)直徑保偏延遲光纖、光電探測器組件，以及光纖傳感頭ü庀泄庀七部分組成。庠矗汗庠純梢允荢光源或者庠礎(chǔ)庠吹娜鬩G螅、要求光源有較高的輸出光功率從而保證光纖電流傳感器在測試電流時有較高的精度和 反射式全光纖電流互感器誤差研究常數(shù)同工作波長的關(guān)系。保偏光切刀度熔接波片制作流程圖 研磨后在保偏光纖上度金屬鋁膜，在研磨面上鍍緩沖層，則當(dāng)光在其中傳輸單一的線偏振光。圖起偏器原理相

19、位調(diào)制器：光纖電流傳感器的相位調(diào)制器的作用主要是用來產(chǎn)生偏置和調(diào)制相位，提高檢測信號的靈敏度，同時抑制信號噪聲。理想的相位調(diào)制器只會分別使傳輸?shù)墓獾目燧S和慢軸的相位分別發(fā)生改變，從而實現(xiàn)相位調(diào)制。本系統(tǒng)采理為通過改變光的傳播路徑即光纖的長度改變傳輸光的相位。傳感頭：傳感頭采用光纖陀螺制作工藝，同光纖陀螺一樣，傳感頭為消除線性雙折射的影響，通過改變光纖的形狀，使人為的加入大量的圓雙折射，但由于光纖的物理特性，有彈性又極易折斷，所以在繞制過程中對其力量的控制是技術(shù)難點，也是傳感頭制作質(zhì)量的關(guān)鍵因素，繞環(huán)過程中，張力過大容易使光纖受傷，張力過小則使與骨質(zhì)環(huán)不能完全接觸，使上層的繞制受到影響，如果其中

20、繞制時使其中一節(jié)光纖受損，則整個傳感頭繞制失敗。此外，光纖直徑并不是固定大小，而是在一定的誤差范圍內(nèi)波動，這也使光纖繞制受到影響。理想的繞制結(jié)果是，繞制成功后，光纖環(huán)全部是理想的圓環(huán)，并且排列緊密，在溫度變化下光纖環(huán)仍光路熔接順序：光源和光電探測器的尾纖分別與耦合器的兩根輸入尾纖熔接，耦合器的尾纖與起偏器的輸入尾纖熔接，起偏器的尾纖與另一個耦合器的輸入尾纖熔接，相位調(diào)制器的尾纖和保偏延遲光纜的一端分別與此耦合器的兩根輸出尾纖熔接，相位調(diào)制器和保偏延遲光纜的另一端與兩個波片連接，兩個波片另一端分別與傳感光纖兩端熔接。通過對這些光路器件的分析可知，每一個部件都是精密的光學(xué)儀器，其在制作及使用的過程

21、中不免受到外界的影響，人為因素或環(huán)境因素均會對其整個的光 反射式全光纖電流互感器誤差研究路系統(tǒng)受到損害，這便是全光纖電流互感器在工程應(yīng)用中一直不能理想運作的缺陷，為避免這種缺陷，必須對其光路的各個器件造成的誤差做出詳細(xì)分析，分別做出相應(yīng)的解決方案，這便是本文研究的重點。為：利用微元法對此光纖系統(tǒng)進(jìn)行微處理，即將其長度三分為份，則每段長度為疦，其每段相位差延遲為棚，每相鄰的兩段間旋轉(zhuǎn)角度為疦，同積分與微當(dāng)光由第一段光纖傳到第二段光纖時，由于第一段的相位延遲刪，此時歷、鼠分量變?yōu)椋恨P糾由上便可以推導(dǎo)出第段光纖的傳出光，其在快軸及慢軸上的傳播分量如下所示： 一刪邰簦梳將線偏振光的瓊斯矩陣式代入上式，

22、忽略徹徹項的影響，就可以得到出咖洲忉鍇一蓋黑刪批，當(dāng)饔諼耷釷保式求極限得：褂嘲億，本章小結(jié)本章主要介紹了全光纖電流互感器的總體結(jié)構(gòu)，從互感器光路傳輸傳感原理，電流互感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，對其光路系統(tǒng)做了詳細(xì)的介紹，并對光路系統(tǒng)的光學(xué)部件做了介紹，最后介紹了線偏振光轉(zhuǎn)化成圓偏振光的理論基礎(chǔ)，即 反射式全光纖電流互感器誤差研究穩(wěn)定。通過上述問題，從而引出本文的研究重點。 第三章反射式干涉輸出結(jié)果的推導(dǎo)引言全光纖電流互感器從光信號檢測出電流，需要根據(jù)光在各個光學(xué)器件中的偏振態(tài)得出光信號的干涉結(jié)果，描述偏振態(tài)的方法主要有三種：詞噶糠瓊斯卣蠓邦加球法。其中噶糠怯的矩陣表征偏振元件的特性，且當(dāng)偏振光依

23、次通過這些偏振元件時，可以將它們的卣笏炒蝸喑耍純杉撲愕貿(mào)銎窆獾淖鈧掌裉緇引。瓊斯矩陣法較為常用，運用矩陣進(jìn)行運算分析可以使復(fù)雜的問題變得簡潔、發(fā)出的光依次通過每個光學(xué)器件，得出最終輸出光的表達(dá)式，從而得出光強信息。系，即可根據(jù)光強信息求出被測電流。為了推導(dǎo)光路系統(tǒng)的干涉輸出結(jié)果，需要分析光束偏振態(tài)的變化過程，以及就光的偏振特性而言，光一般可以分類為自然光、偏振光，和部分偏振光。光矢量的方向和大小有規(guī)律變化的光稱為偏振光。對于偏振光又可以進(jìn)一步分為線偏振光、橢圓偏振光和圓偏振光。當(dāng)偏振光在光纖內(nèi)部傳輸時，其光矢量的方向、相位以及大小都會隨時間發(fā)生斷化，我們研究光波的偏振態(tài)，必須對其每一種形態(tài)做出

24、分析，即對線偏振光、橢圓偏振光和圓偏振光做電磁矢量分析，簡要介紹如下。方向傳輸時，根據(jù)光的橫波特性，電場只有琘方向的分量。此時，可將其電矢式中，是光波的圓頻率或角頻率。把上式寫成分量形式為 反射式全光纖電流互感器誤差研究九一司苦卟礦魯則此時橢圓退化成圓，表明電場矢量的端點軌跡為圓，稱為圓偏振光。石同理，當(dāng)妒壞，±時，則有： 說明乞的相位比南轡宦浜笄桑，因此其合成矢量的端點描繪的是一個順時針方向旋轉(zhuǎn)的圓，稱為右旋圓偏振光。刀劊悖環(huán)蹕鐘取欏跤孟男鶩湟虜弧蠣踉測貿(mào)酚瓤贘用，炅裂一了一一篋拿“生：閡籪三種偏振光的圖形表示如圖所示：、荽。荽。，、荽。荽。廠夕?？楦鞣N值時的橢圓偏振 反射式全光

25、纖電流互感器誤差研究窆獾腏矩陣描述兩個振動方向相互垂直的偏振光疊加時，一般將形成橢圓偏振光。兩偏振光丸浚。，按照式謀硎痙椒咂窆獾腏矩陣的矢量式表示如下：如下：矩陣方法是將其每個坐標(biāo)軸上的光矢量除，：州啪一昝陣表示式和左旋的圓偏振光的瓊斯矩陣表示式也滿足這種關(guān)系，即也可稱之為正 當(dāng)偏振光衇通過一偏振器件后，其偏振態(tài)變成?？梢杂靡粋€的矩陣來表示和的關(guān)系：州霩糾素僅與器件有關(guān)。因此卣蟊碚髁似骷云窆獾謀浠惶匭浴綣鸍矩陣中的元素受到某信息量的調(diào)制，則該器件出射偏振光的偏振態(tài)將相應(yīng)地受到調(diào)飴廢低持懈鞴芷骷腏矩陣表達(dá)式起偏器的瓊斯矩陣：勿備：哆島籲一、衣光矢量與岢蓀角的線偏振光。由表達(dá)入射偏振光與出射偏振

26、反射式全光纖電流互感器誤差研究光關(guān)系的矩陣方程：蘈。乏三躢。賡；，跡鶴覿由上式便可算出瓊斯矩陣中各值，得：光比定義如下：一直方向的振幅。因此，不考慮對軸角度，一般起偏器的瓊斯矩陣為 ，當(dāng)時，波片的瓊斯矩陣形式：、一即如圖中所示，超前或滯后。 第三章反射式干涉輸出結(jié)果的推導(dǎo)；多二軸波片坐標(biāo)變換關(guān)系瞄·甧桑子若口：。，而入射光線互：蚩傻貿(mào)鏨涔庀咭祝篒鮥，簈蝗瘛瘛瘛馢 醫(yī)塹莖全堂塹皇墮亙壁矍堡莖堡壅光源發(fā)出的光：向的線偏振光鵪韉腏矩陣表示為：篒矩陣表示為：兩束線偏光經(jīng)過相位調(diào)制器后，沿著保偏光纖延遲線傳輸至傳感頭。在波示為：。，同的速度傳輸。腏矩陣表達(dá)式為：·， 兩束圓偏光在傳感

27、光纖末端發(fā)生鏡面反射，模式互換后沿原光路返回。反射。模式互換后的兩束圓偏光再次穿過傳感光纖，再次受到電流產(chǎn)生磁場的磁光在波片處，兩束圓偏光被轉(zhuǎn)換成模式互換了的兩束線偏光，并經(jīng)由保偏光矗篯當(dāng)兩束線偏光再次通過集成光學(xué)相位調(diào)制器時，再次接受認(rèn)為相位調(diào) 制。相在相位調(diào)制器與起偏器的尾纖災(zāi)崛勱喲琂矩陣表達(dá)式為：，。口習(xí)綜上所述，輸出光的表達(dá)式為：因此，到達(dá)光電探測器的干涉光強信息可以表示為： 反射式全光纖電流互感器誤差研究：等【籹一：譬一剛令相位調(diào)制器對兩束偏振光的調(diào)制相位差為一，則有：其中，狥旋轉(zhuǎn)角，9庀舜型返腦咽瑈為費德爾常蠢善黎蠶圖未經(jīng)調(diào)制時的理論輸出與實際電流值對比 相位差的余弦函數(shù)成正比的。

28、由于相位差通常很小，響應(yīng)處于函數(shù)最不敏感的區(qū)域，為了提高測量的準(zhǔn)確度，通常要進(jìn)行相位偏置和相位調(diào)制引。分析上式可知，當(dāng)在兩束偏振光間不加入人為相位調(diào)制時，互感器的干涉光強信息是嘁魄的余弦函數(shù)。由余弦函數(shù)在零相位附近的性質(zhì)可知：涑齬馇坎荒芊從矲相移的符號，無論補的正負(fù)都輸出同樣的數(shù)值，相位處一階導(dǎo)數(shù)為零。然而在大多數(shù)的應(yīng)用場合，嘁坪芐、在研制的光纖電流互感器樣機中，由所使用的光學(xué)器件基本參數(shù)限制，決定了光電探測器的輸出電壓是微伏級的微弱信息，而噪聲卻一般是毫伏量級，因此從這個意義上也必須應(yīng)用微弱信號檢測的方法提取信號。本方案為調(diào)制解調(diào)理論的微弱信號檢測方法，提取偏振光間的相位信息，為了提高系統(tǒng)的

29、響應(yīng)靈敏度，有必要對信號進(jìn)行調(diào)制，將系統(tǒng)工作點偏移到其它位置。這個調(diào)制過程將通過集成光學(xué)相位調(diào)制器來實現(xiàn)。相位調(diào)制器的工作原理是：對相位調(diào)制器施加調(diào)制電壓，電壓引起調(diào)制器內(nèi)部材料折射率變化，引起通過的光的傳播速度變化，從而引起光的相位變化。一制電壓不同時，通過的光所受到的調(diào)制作用不同。常用的相位調(diào)制器有壓電陶瓷髦破骱蚅集成光學(xué)調(diào)制器。由于壓電陶瓷的調(diào)制頻率較低，所以本文研究的課題采用集成光學(xué)調(diào)制器。一般稱如篧去為相位調(diào)制器的相位調(diào)制系數(shù)。 反射式全光纖電流互感器誤差研究礦圖調(diào)制相位與調(diào)制電壓的關(guān)系器的驅(qū)動電壓是礦窆饈艿降髦菩緯傻南轡黃剖強。之后偏振光束在保圖相位調(diào)制不意圖、 干涉輸出光強經(jīng)過光

30、電探測器疐組件后，變?yōu)殡娦畔?，理想情況下其表達(dá)式為：叮緇】式中，是探測器的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。令甃·，則有：咖·：巾可以看出，原來呈余弦響應(yīng)的干涉輸出，通過加入方波調(diào)制偏置相移后，就變成了正弦響應(yīng)。方波偏置調(diào)制前后的波形如圖所示。圖方波調(diào)制不意圖可見，方波調(diào)制后的探測器輸出信號是一個疊加在直流上的，幅值為由上面的分析可知，在光纖電流互感器系統(tǒng)中，通過加入：方波偏置調(diào)制，光電探測器的輸出信號是一個疊加在厶塒上的、幅值為鈾紛的方波信號，方波信號，所以必須采用微弱信號檢測的方法才能將其提取出來。 反射式全光纖電流互感器誤差研究關(guān)或互相關(guān)運算的方法，將待測信號從噪聲中提取出來。相干檢測技

31、術(shù)是一種從強噪聲中提取弱信號的重要手段，是近年來才發(fā)展性和噪聲隨機性的特點，通過自相關(guān)或互相關(guān)運算，達(dá)到去除噪聲的目的。因此，后的探測器輸出；槍飴泛偷緶分幸氳陌自肷渚滴A恪。已知的本罧一。是噪式中，實際應(yīng)用中積分時間丁不可能真的無窮大，可用下式估計互相關(guān)函數(shù)：“將上式離散化后得到互相關(guān)序列的估計：如歧刀雘互相關(guān)檢測需要的是一個“干凈”的本地參考信號，它的頻率與待測信號的頻率 由上面的分析可知，通過方波調(diào)制技術(shù)，成功地把互感器系統(tǒng)干涉輸出調(diào)制感器系統(tǒng)的本征頻率厶渲衦是光束在互感器光路系統(tǒng)中的傳輸時間；檢觀察式，對于探測器輸出，把幅值為冊卯的方波信號相鄰前后半周期相減可得：解調(diào)。而方波正負(fù)半周期信

32、號相減，則可以通過將干涉輸出的方波信號與一個同：在實際解算過程中，探測器輸出信號經(jīng)過疍轉(zhuǎn)換數(shù)字化后，假設(shè)在方波前、解調(diào)輸出為戰(zhàn)塒，則：一趌一啤弧啤胍圖數(shù)字相關(guān)檢測示意圖 反射式全光纖電流互感器誤差研究這也是開環(huán)信號檢測方案的基本原理。在光纖電流互感器的開環(huán)信號檢測方案中，經(jīng)過方波調(diào)制后，干涉輸出變成數(shù)字的階梯波通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路后，其模擬信號可表示為：一加一 因為全光纖電流互感器的總的輸出信號為周期函數(shù)，用此周期波來代替如上所述的階梯波，即當(dāng)如·時，相位調(diào)制轉(zhuǎn)變?yōu)槌跏枷辔唬鐖D所示。圖階梯波及其反饋的相位關(guān)系由上可知通過這種周期性的階梯波來調(diào)制相位時，當(dāng)模擬信號輸出為最高時，如下【】：

33、壘：血式中，以為數(shù)模轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。因為在閉環(huán)的條件下，其相位調(diào)制與法拉第相移的關(guān)第如下：把式醬朧式得：啤乓輝啤朋鶴梗閡弧狽萬 反射式全光纖電流互感器誤差研究本章小結(jié)進(jìn)而推導(dǎo)得出兩束偏振光束干涉輸出的結(jié)果，并最終得到互感器系統(tǒng)的輸入輸出 第四章全光纖電流互感器光路器件誤差研究引言使其成為新一代電流互感器的研究重點。但因其光路各種誤差，導(dǎo)致其一直難以實用化。全光纖電流互感器采用全光纖結(jié)構(gòu)，傳感光纖的線性雙折射會造成輸人偏振光偏振面的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個與法拉第效應(yīng)偏角無法區(qū)分的誤差信號，對光纖電流互感器測試性能造成嚴(yán)重影響，這也是其一直難以實用化的最主要原因之一。除光路光纖傳輸誤差外，各光學(xué)器件的不理想

34、情況也造成誤差，總體而言全光纖電流互感器有如下誤差源：其中，¨波片位相差誤差，傳感光纖常數(shù)和線性雙折射產(chǎn)生的誤差是互感器系統(tǒng)最主要誤差源。起偏器引起的誤差全光纖電流互感器的光路系統(tǒng)中，光波在每一刻的偏振態(tài)都需要嚴(yán)格滿足要求，在傳感頭外為線偏振光，傳感頭內(nèi)為圓偏振光O咝運凵淶撓跋，但光源發(fā)出的光為自然光，就需要起偏器將之轉(zhuǎn)化為滿足要求的線偏振光。但是在實際應(yīng)用中，起偏器對光路系統(tǒng)的影響不容忽視，其性能的好壞表現(xiàn)為消光比，此外，起偏器在光路中的對軸角度也會對其輸出結(jié)果產(chǎn)生影響。對起偏器本身而言，為使起偏后的線偏振光滿足要求，起偏器的性能好壞即消光比對全光纖電流互感器檢測系統(tǒng)的影響不容忽視

35、，設(shè)其消光比系數(shù)為，則其 反射式全光纖電流互感器誤差研究遙宏肌丁雘】根據(jù)相對誤差【】：由匕為理想時輸出，匕取甗蕀噏則，圖消光系數(shù)與相對誤差仿真結(jié)果由上圖可以看出，起偏器消光比對全光纖電流互感器的檢測結(jié)果有影響，可見時，全光纖電流互感器的檢測結(jié)果的靈敏度會受到很大影響。除此之外，起偏器在光路中的性能參數(shù)還有對軸角度，對軸角度是引起偏振 第四章全光纖電流互感器光路器件誤差研究誤差的主要因素，以任意角度對軸的起偏器瓊斯矩陣形式如劍渲為起偏在一般實驗條件下，很難達(dá)到完美的對軸。把上式代入理想光纖電流傳感器數(shù)學(xué)模型中，結(jié)果為：竽：畢。由于相對誤差：匕為鋇氖涑觶蠢硐朧涑觶賀 ，即：，日一三 ，·

36、······相對墨器：圖起偏器對軸角度誤差影響系統(tǒng)測量精度。由式看出，起偏器的對軸角度誤差只影響其輸出光強的幅值，理想性，造成輸出中存在快軸慢軸的相互耦合，是造成其輸出誤差的一個較大的因素，因此，起偏器的對軸角度誤差越小越好。起偏器的消光比以及對軸角度引起的誤差均會對電流互感器的正常工作帶來 反射式全光纖電流互感器誤差研究相位調(diào)制器引起的誤差當(dāng)相位調(diào)制器存在誤差時，即在相位調(diào)制器的快軸與慢軸上加入相同的相位調(diào)制誤差，并代入總光路，可得：睪·【】當(dāng)相位調(diào)制器的快軸與慢軸誤差不同時，結(jié)果如下：當(dāng)調(diào)制誤差為零時：，相對誤差得：鑟

37、第四章全光纖電流互感器光路器件誤差研究圖光纖電流互感器相位調(diào)制誤差一致性增大，光纖電流互感器輸出的相對誤差隨之增大。已知相位調(diào)制器使兩束偏振光相位發(fā)生改變，其原理是使光的快軸與慢軸的相位發(fā)生改變，從而實現(xiàn)相位調(diào)制，與此同時，相位調(diào)制器也會使快慢軸上的光產(chǎn)生耦合，這種耦合作用會使光強產(chǎn)生變化，其頻率與調(diào)制頻率相同，使輸出結(jié)果發(fā)生改變。為了減小這種耦合的寄生效應(yīng)，必須在相位調(diào)制前讓兩束偏振光消除這種相關(guān)，從而減少相位調(diào)制時快慢軸間的耦合。具體做法即在偏振器后到相位調(diào)制器間加一段保偏光纖。波片引起的誤差波片是在光纖電流互感器光路系統(tǒng)中對光的偏振態(tài)起主要影響的器件，波片在全光纖電流互感器中是起到線偏振

38、光與圓偏振光之間的轉(zhuǎn)化，即一束線偏振光經(jīng)度熔接后，轉(zhuǎn)化為兩束相互垂直的線偏振光，再經(jīng)過波片，兩束線偏振光轉(zhuǎn)化為兩束圓偏振光，且其兩束圓偏振光模式正交，經(jīng)傳感頭產(chǎn)生法拉第相移后，再次經(jīng)過波片，使兩束載有相位差信息的圓偏振光轉(zhuǎn)化為線偏振光，其模式仍為正交。由波片的制作過程可知，其從頭至尾制作都為手工操作，截 反射式全光纖電流互感器誤差研究接角度為杵湎轡謊映儻，則對應(yīng)的瓊斯矩陣為：郺詓加。篙籪咖將上式代入到反射式全光纖電流互感器的輸出結(jié)果中，化簡后便可得到如下一心籹雘】。、，可得相對誤差與對軸角度拖轡謊映的關(guān)系：一一 第四章全光纖電流互感器光路器件誤差研究日強魔圖反射式波片相對誤差取接近理想值的幾組

39、數(shù)據(jù)，其對應(yīng)的數(shù)據(jù)表如下：表對軸角度與相位延遲關(guān)系嵌經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)和理論分析，由上可知，光纖電流互感器的輸出直接受波片性能的影響。由圖可以看出，波片造成系統(tǒng)誤差的兩個因子，對軸角度和相位延遲的改變，均對光路系統(tǒng)造成很大影響，其對軸角度偏離理想值越大，其相對誤差將近，如此大的誤差極大的影響檢測系統(tǒng)的輸出結(jié)果。與起偏器及 反射式全光纖電流互感器誤差研究變，其光纖電流互感器的尺度因子特性就會發(fā)生變化，從而使互感器比差加大。當(dāng)纖制作而成的波片長度變化可達(dá)到，由此看來，即使在制作波片時，一，已知保偏光纖位相差隨溫度變化成線性關(guān)系。即：厶髀琽籺 第四章全光纖電流互感器光路器件誤差研究爭一結(jié)果如圖所示：圖波片

40、溫度與相對誤差關(guān)系由圖可以看出，由于波片的相位延遲變化造成的光纖電流互感器的尺度因用的要求，所以必須采用補償措施。 反射式全光纖電流互感器誤差研究傳感頭誤差分析洚，其中：毗街校篢為傳感頭的圓雙屏三其中：式中：盧鄖，歡艿 第四章全光纖電流互感器光路器件誤差研究丸甜臘啦且由閉環(huán)條件：一九矗辦。將上式代入總輸出式得：一。引入尺度因子誤差：锝蝮盟艿顉±菥一度因子誤差的關(guān)系式，結(jié)果如下：圖尺度因子誤差與雙折射的關(guān)系 反射式全光纖電流互感器誤差研究由上圖可見8盟得髁講問叵擔(dān)菜凵淙蕩J，線性雙折上式與理想條件下的閉環(huán)條件一致，即在傳感頭中引入大量的圓雙折射便可以減小線性雙折射造成的尺度因子誤差，從

41、而使全光纖電流互感器獲得交高的準(zhǔn)確度。減小固有雙折射的方法是降低光纖的非圓率和內(nèi)應(yīng)力，目前國內(nèi)外制作的低雙折射光纖指標(biāo)可達(dá)痬。在傳感光纖中引入圓雙折射的方法之一是將光纖在制作過程中通過旋轉(zhuǎn)拉纖使其沿軸旋轉(zhuǎn)，這種方法制作下來的光纖受環(huán)境的制約性很大，其在彈性、張力方面都有很大減弱，極易產(chǎn)生破損，尤其是在繞纖的過程中，而且這種方法制作的光纖受溫度的變化極為敏感；二是通過改變光纖的形狀引入大量圓雙折射，即在石英骨架上以螺旋狀纏繞光纖，即本文所述的繞纖過程。本系統(tǒng)采用的是第二種方案。則由溫度引入的維爾德常數(shù)誤差：可得維爾德常數(shù)誤差與溫度的關(guān)系如圖。 第四章全光纖電流互感器光路器件誤差研究圖全光纖電流互

42、感器比差與溫度關(guān)系爾德常數(shù)變化引起的全光纖電流互感器比差從浠，變化量由上可知全光纖電流互感器誤差與溫度相關(guān)的因子主要有兩個方面：波片的相位延遲和傳感光纖常數(shù)。由圖和圖可知，兩器件由溫度引起的誤差可以通過兩者的擬合減少誤差。那么是否存在一個合適的初始相位，使得在每一個溫度點波片引入的溫度誤差正好與維爾德常數(shù)引入的溫度誤差大小相近，正負(fù)相反，從而實現(xiàn)系統(tǒng)溫度誤差的相互補償。全光纖電流互感器比差與波片初始相位延遲角和溫度關(guān)系：為了簡化計算，可認(rèn)為此時引入的誤差與溫度近似呈線性關(guān)系。于是當(dāng)溫 反射式全光纖電流互感器誤差研究全光纖電流互感器比差與維爾德常數(shù)和溫度的關(guān)系：丁丁時，可實現(xiàn)系統(tǒng)溫度誤差的相互補

43、償，可求出的值篶猯 。等理論的溫度補償效果如下圖：圖溫度補償后比差與溫度的關(guān)系 第四章全光纖電流互感器光路器件誤差研究本章小結(jié)反射式光纖電流互感器實質(zhì)上是一種偏振干涉測量儀，因此對光路中傳輸光的偏振態(tài)有比較嚴(yán)格的要求。光纖電流互感器光路誤差主要包括：起偏器消光比和對軸角度誤差、波片位相差誤差、傳感光纖常數(shù)和線性雙折射誤差、集成光學(xué)相位調(diào)制器誤差以及光源噪聲等。其中，¨波片位相差誤差，傳感光纖常數(shù)和線性雙折射誤差是互感器系統(tǒng)最主要誤差源。光纖中的雙折射由光纖本身固有和外界因素引起，前者主要由制造時光纖纖芯非圓引人，后者則是壓力、形狀和環(huán)境溫度等因素引起。本章通過從理論上對這些誤差機理進(jìn)

44、行分析，可以研究相應(yīng)的措施消除這些誤差源，進(jìn)一步提高光纖電流互感器的測量準(zhǔn)確度。 反射式全光纖電流互感器誤差研究 第五章總結(jié)與展望第五章總結(jié)與展望互感器作為電力系統(tǒng)中重要信息的載體，為電力系統(tǒng)的正常運作提供測量、保護(hù)、線路診斷以及電力監(jiān)控，是電路系統(tǒng)的重要組成之一，尤其是現(xiàn)今的高電壓等級的要求下，互感器測量的高精準(zhǔn)度、高的時效性以及運行的可靠性為電力系統(tǒng)的運作提供了保障。在過去九十多年的研究中，傳統(tǒng)電磁式互感器雖然可以達(dá)到千分之幾的測量精度，但在電力系統(tǒng)電網(wǎng)電壓高等級要求的當(dāng)今，傳統(tǒng)電磁式互感器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程應(yīng)用的需求，在此期間全光纖電流互感器的研制成功克服了傳統(tǒng)電磁式互感器的缺陷，延續(xù)了當(dāng)今電力系統(tǒng)的發(fā)展。雖然全光纖電流互感器有著眾多的優(yōu)點，但是它