【摘 要】
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目前,测量高压电网中电流的大小以及高压电网中继电保护一般是用传统的电磁感应式的电流互感器(简称CT)。但是随着长距离电力传输的发展,为减小传输损耗,传输电压的等级在不断地提
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目前,测量高压电网中电流的大小以及高压电网中继电保护一般是用传统的电磁感应式的电流互感器(简称CT)。但是随着长距离电力传输的发展,为减小传输损耗,传输电压的等级在不断地提高。国外已有200万伏的输电线路投入使用,国内目前长距离传输的主干线的电压大多为50万伏,并且已在铺100万伏试运行线路。这使得由硅钢片和漆包铜线组成的电流互感器将在高压绝缘方面遇到了不可逾越的困难。在这种情况下,研制绝缘性能出色的新型传感器成为了必然趋势。光纤电流互感器以光纤传输信息,具有损耗小、频带宽、信息容量大、绝缘性能高、不怕雷电、不受电磁干扰等优点。此外,它尺寸小、重量轻、耐腐蚀而且价格低廉。特别是由石英材料制作的光纤本身就是良好的绝缘体,因此,电压等级越高,光纤电流互感器便越能显示其无可比拟的优越性。
自上世纪80年代初,出现单模光纤开始,许多科学家都想利用光纤的法拉第效应研制成功能用于高电压的光纤电流互感器。经过数十年的研究,目前大多采用的是两种互感器方式:一种是块状玻璃型,另一种是全光纤型。块状玻璃目前已有商品出售,由于这种形式的互感器有一部分元器件需要放在高压区,所以块状玻璃形式的光纤电流互感器一般只能适用在50万伏电压以下。全光纤电流互感器由于组成光纤的石英玻璃是非常良好的绝缘体,在理论上可以用在很高的电压上。但是,全光纤电流互感器在偏振态的变化及稳定性方面还没有根本解决,所以目前这种形式的电流互感器还没有形成商品。全光纤电流互感器最为关键的两个器件分别为λ/4光纤波片和传感光纤。由于光纤传输线以及干涉光路需要使用偏振态稳定的线保偏光纤,传感光纤环需要使用圆保偏光纤,而λ/4光纤波片是用来进行线偏振光和圆偏振光变化的元件,它的稳定与否,直接影响了光纤互感器的稳定与否。圆保偏光纤是用来传感电流产生磁场的关键器件,它的稳定与否也直接影响了光纤电流互感器的稳定与否。又因为这两个部件所组成的传感光纤环是放在室外的,温度变化范围比较大,并且光纤环是处在高压区的,不能采取恒温等措施,所以对λ/4光纤波片和圆保偏传感光纤温度稳定性的研究是至关重要的。
本文首先对λ/4光纤波片的温度性能进行了一定的研究,从理论上分析了光纤λ/4波片的温度特性,讨论了应力双折射的熊描型光纤和几何双折射光纤制成的λ/4波片的相位延迟随温度变化的改变情况,得出几何双折射光纤制成的λ/4波片温度稳定性更好。并对我们自己制作的这两种光纤λ/4波片进行了实际的测量。实验结果显示:用几何双折射光纤制成的λ/4波片比用熊描型光纤制成的λ/4波片在-40℃~+60℃的温度范围内具有更好的温度特性,更能有助于提高互感器的稳定性。本文接着对反射式全光纤电流互感器进行了详细研究。并对我们自己搭建的一款采用旋光器作为固定相位调制器的新型反射式光纤电流互感器开展了温度稳定性的实验研究,并且针对稳定性较差的温度区间提出了信号处理单元温度补偿电路的设计,以确保系统工作的稳定性。最后,本文对于传感系统的信号输出提出了接受单元滤波器的设计。
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