基于磁致伸缩效应的光纤光栅电流检测技术研究燕山大学.docx
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基于磁致伸缩效应的光纤光栅电流检测技术研究燕山大学
本科毕业设计（论文）
基于磁致伸缩效应的光纤光栅电流检测技术研究
张川
燕山大学
2013年6月
本科毕业设计（论文）
基于磁致伸缩效应的光纤光栅电流检测技术研究
学院（系）：
电气工程学院
专业：
电力系统及其自动化
学生姓名：
张川
学号：
090103030032
指导教师：
滕峰成
答辩日期：
2013年6月23日
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：
电气工程学院系级教学单位：
电力工程系
学
号
0901********
学生
姓名
张川
专业
班级
09电力1班
题
目
题目名称
基于磁致伸缩效应的光纤光栅电流检测技术研究
题目性质
1.理工类：
工程设计（）；工程技术实验研究型（√）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）
2.管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）
题目类型
1.毕业设计（√）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（）自选题目（√）
主
要
内
容
1.超磁致伸缩材料在电流检测方面的理论研究
2.光纤光栅电流检测的基本原理
3.基于超磁致伸缩材料交流电流传感器的理论分析
4.基于超磁致伸缩材料交流电流传感器的仿真
基
本
要
求
1．遵守毕业设计期间的纪律，按时参加答疑；
2．独立完成设计任务，培养基本的科研能力；
3．设计说明书一份（不少于2万字），A1图纸一张；英文资料翻译不少于3千字；说明书要求条理清晰、文笔通顺，符合毕业设计撰写规范的要求；论文、图纸中的文字符号符合国家现行标准；
4．完成相关仿真实验，并反映在论文中，以附件的形式给出编写的程序清单。
参
考
资
料
1、王博文.超磁致伸缩材料设备与器件设计
2、黎敏，廖延彪。
光纤传感器及其应用技术。
武汉大学出版社，2008
3、赵勇.光纤传感原理与应用技术。
清华大学出版社，2007
周次
第1～4周
第5～8周
第9～12周
第13～16周
第17～18周
应
完
成
的
内
容
查阅收集相关资料，对研究内容进行初步学习
提出设计原理及设计方案
系统的设计与仿真
完成论文初稿及修改
撰写论文，准备答辩
指导教师：
滕峰成
职称：
副教授年月日
系级教学单位审批：
年月日
摘要
在电力系统中电流的检测具有重要的作用，其检测精度以及可靠性与电力系统的安全运行密切相关。
传统的电磁式电流互感器随着电力行业的发展己经难以满足需求。
目前光学电流互感器因其明显的优越性为电流检测提供了很大的应用价值，是将来电力系统在电流检测方向发展的趋势之一。
本文在借鉴现有光学电流互感器的基础上，提出了基于超磁致伸缩材料的光纤光栅电流测试技术，主要工作包括：
对光纤光栅的传感原理进行深入分析，根据光纤光栅的应变特性、温度特性、及交叉敏感特性，推证了相应的传感模型；分析了超磁致伸缩材料的传感特性在此基础上对超磁致伸缩材料的光纤光栅电流传感器进行了设计，并完成了传感器对高压母线上电流进行检测的理论计算。
分析对比了现阶段常用的几种不同的光栅波长解调方法并设计了适合本方案的解调系统：
可调谐F-P滤波解调系统，并对解调系统中的核心元件进行了选型。
在理论设计的基础上构建了相应的实验系统。
具体分析了预应力、温度、偏置磁场等因素对实验的作用效果，设计了驱动线圈以及偏置线圈的线径、尺寸。
完成了直、交流电流的测试实验，并对实验结果进行了进一步的分析、处理。
关键词电力系统；光学电流互感器；超磁致伸缩材料；光纤光栅
Abstract
Thecurrentmeasurementisquiteimportantinthepowerindustry,its'precisionandreliabilityrelatedthesafetyandeconomyofoperationinelectricpowersystemclosely.Withthedevelopmentofpower,conventionalcurrenttransducercan'tmeetrequirements.Nowtheopticalcurrenttransformer（OCT）havepotentialapplicationcostbecauseofit'suniqueadvantageswillbeusedtoreplaceconventionalcurrenttransducersinthefuture.
Inthispaper,onthepresentsituationsinthefieldofOCT,anovelelectricalcurrentsensingconfigurationisconstructedbasedonfiberbragggratingandgiantmagnetostrictivematerial.Thecontentofthisresearchincludes:
Inthedepthanalysisoffibergratingsensingprinciple,thecorrespondingmathematicalmodelarederivedbasedontheaxialstraincharacteristic,temperaturecharacteristicandcross-sensitivitycharacteristic;thenthesensingpropertiesofgiantmagnetostrictivematerialisanalyzed.Thenthesensorisdesignedbasedonthegiantmagnetostrictivematerialandthefiberbragggrating.Theoreticallycompletethecalculationofthesensordetectiononthehighvoltagebuscurrent.
Withtheadvantagesanddisadvantagesofvariousdemodulationmethodsareanalyzed,andtheappropriatedemodulationisdesigned:
tunableF-Pfilterdemodulationsystem.
Onthisfoundationoftheoreticaldesign,theexperimentsystemisbuiltup.Anditstudiesprestressingforceeffects,offsetmagneticfieldeffectsandtemperatureeffectsontheexperimentsystem.Thediameterandsizeofthedrivecoilandthebiascoilaredesigned.CompletionoftheDCandACtestingexperiments,andtheexperimentresultareanalyzed.
KeywordsPowersystem;Opticalcurrenttransformer;Giantmagnetostrictivematerials;Fiberbragggrating
第1章绪论
1.1课题背景
长期以来，在电力系统运行中，一直是由传统的电流互感器来完成高压电网的电流测量工作。
由于对电流检测系统和继电保护系统智能化、自动化等要求的不断提升，使电流互感器的研究发展十分迅速。
然而随着社会对电力需求量和输电距离的增大，发电行业和高压工程行业越来越注重采用大幅度的提高电压等级的方式来提升输电效率，目前我国电网的最高电压等级已达500kV。
随着电压等级的提高，传统的电磁式电流互感器暴露出一系列严重的缺点：
磁饱和、铁磁谐振、绝缘难度大、动态范围小、频带窄以及有油易燃易爆等[1]。
因此对于电力系统的发展需要，传统的电流互感器已经难以满足其要求。
在这种背景下，寻求更理想的新型电流互感器已势在必行，目前研究重点是利用光学传感技术来检测电流，即用光电子学的方法和光纤传感技术来发展所谓的光学电流互感器（opticalcurrenttransformer，简称OCT）。
光学电流互感器是将被测电流转换为光信号进行传输来实现电流互感。
目前在电力系统的发电、输电、变电等领域，尤其是对高压系统的测量和监控方面，光学电流互感器具有明显的优越性，是传统电磁式电流互感器的理想替代产品[2]。
光学电流互感器克服了传统电磁式电流互感器的很多缺点，具有如下几个方面的优点：
绝缘性能好，成本低。
在OCT中，用来做传感元件的光学材料、传输信号的光纤都是良好的绝缘材料，结构简单，降低了成本；不含铁心，不会产生磁饱和及铁磁共振，因而系统运行稳定性好，适用于大电流的故障诊断；可靠性强，无二次开路产生高压的危险以及避免了因充油引发的易燃易爆等危险；测量频带宽。
OCT的测量频带范围完全由信号处理部分的电子线路所决定；抗电磁干扰性能好；重量轻，体积小，节约占地面积，安装方便;能够适应电力系统数字化、智能化、网络化的需求。
所以目前光学式电流互感器在电力系统中，有着广泛的发展前途和应用前景。
光学电流互感器的现实意义体现于三个方面：
一、光学电流互感器的研究作为现代科学技术发展进步的技术基础之一，起着先导性的作用；二、光学电流互感器的运用保证了现代电力行业的高效安全生产，在更大的程度上提升了人民的生活质量；三、光学电流互感器属于高新技术产业，具有高增长、高回报的特点。
所以，研究开发新型光学电流互感器对促进我国的国民经济的发展具有十分重要的地位。
1.2国内外研究现状
光学电流互感器主要研究方案有两种：
基于法拉第磁光效应的电磁式电流互感器，基于磁致伸缩效应的光学电流互感器。
基于法拉第磁光效应的电磁式电流互感器包括全光纤电流互感器以及块状玻璃光学电流互感器两种。
其中全光纤电流互感器具有光路简洁，制作方便，可靠性好的优点，不过外界环境温度、入射偏振面以及光纤本身双折射等因素能较大的影响输出的灵敏度。
从1973年来自英国的科学家A.J.Rogers提出全光纤电流的设想以来，许多研究人员在研究全光纤型电流互感器上投入了大量时间和精力，但是到目前为止，其受到温度因素以及现行双折射的问题依然并未有效解决，从而也限制了其发展[3]。
采用具有较高菲尔德常数的一整块光学玻璃作为核心传感元件的块状玻璃光学互感器，其受到线性双折射的影响较小并且选择材料的范围很广泛，但是其块状玻璃有着易碎，成本高昂等缺陷。
其中B.C.B.Chu等人联合设计的块状玻璃光学电流互感器在1A～3kA的测试范围内，获得的分辨率为20mA/Hz，并可在频率1Hz～1OkHz范围内能够得到平坦的频率响应[7]。
到目前为止块状玻璃光学电流互感器是实际经验最为丰富，挂网运行最多，并且稳定性最好的一种光学电流互感器。
基于磁致伸缩效应的
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