燕山大学毕业设计光纤式高压电流传感器及检测系统的研.docx

1、燕山大学毕业设计光纤式高压电流传感器及检测系统的研燕山大学毕业设计光纤式高压电流传感器及检测系统的研 燕山大学毕业设计光纤式高压电流传感器及检测系统的研 摘要 本科毕业设计(论文) 光纤式高压电流传感器及检测系统的研究与设计 燕 山 大 学 2014年 6 月 本科毕业设计(论文) 光纤式高压电流传感器及检测系统的研究与设计 学院（系）： 专 业： 学生 姓名： 学 号： 指导 教师： 答辩 日期： 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：仪器科学与工程系 学 号 学生 姓名 专 业 班 级 题 目 题目名称 光纤式高压电流传感器及其检测系统的研究与设计 题目性质 1

2、.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.了解高压电流的测量原理和方法，进行高压电流的探测以及转换电路的设计 2.光纤等器件参数的选择和计算 3.传感探头的供电及高压电流信号检测与处理系统的硬件及软件 4.绘出测量系统的原理图及详细电路图 基 本 要 求 1.完成毕业设计说明书一份 2.字数在2万字以上，要求有不超过300字的中英文摘要 3.查阅文献15篇

3、以上翻译与课题有关的外文资料不少于300字 4.绘制A0图纸一张以上。 图形及文字符号符合国家现在标准 5.翻译与研究内容相关的外文资料一份 参 考 资 料 1.参考书：传感器 传感器电路 高压电流测量 微机原理及其应用 2.相关论文、期刊论文 周 次 第 1 4周 第5 8周 第 911周 第1215周 第1617周 应 完 成 的 内 容 查阅理解资料 了解工作原理 确定设计主要内容 设计、计算传感器及电路有关参数。 提出设计方案 转换电路设计，信号处理电路设计，微机信号处理 完成论文初稿并进行修改 画图，撰写论文准备答辩 指导教师：王玉田 职称： 教授 年 月 日 系级教学单位审批： 年

4、 月 日 摘要 摘要 随着世界经济、科技的发展，电网的供电电压等级越来越高，我们不得不面对棘手的高压条件下各种电气参数的测量问题，光纤电流传感器以其特有的优势，迅速的发展成为电流测量的中坚力量。 本文正是以光纤电流传感器为背景，对光纤电流传感器进行了尽可能详细的阐述。 本课题通过对光学电流互感器的研究，设计出一种新型的混合式光学电流互感器。 在本文中,采用 PCB-Rogowski 线圈、压频变换技术和电光转换 技术相结合的电流互感器方案,建立了电流输入和频率输出之间的理论模型。 本课题中所研究的光驱动光纤传输光电混合型电流互感器为解决我国高压输出线大电流的测量提供了一条新的方案，为国家的电力

5、工业测控技术做出了贡献。 关键词： 光纤电流传感器；PCB-Rogowski 线圈；光纤通信； I 燕山大学本科生毕业设计(论文) Abstract As the world economy, the development of technology, power grid voltage level higher and higher, we have to face tough pressure conditions of various electrical parameters measurement problem, fiber-optic current sensor with

6、its unique advantages, the rapid development of a current measurement of the backbone. This article is fiber-optic current sensor as the background, on the fiber-optic current sensors as much as possible in detail. A novel hybrid optical current transducer is devised through the study of optical cur

7、rent transducer. In this paper, it uses the schematic design of the current transformer which is combined with PCB-Rogowski coil and the technologies of voltage-frequency conversion and photo-electricity conversion,and establishes the theoretical model between the current input and the frequency out

8、put. The fiber optically powered HV line current transducer opens up a feasible way for the measurement of large current in the HV transmission line in China and plays an important role in power industry and measure and control technology. Keywords Fiber-optic current sensors; PCB-Rogowski coil; Opt

9、ical fiber I 目 录 摘要I AbstractII 第1章 绪论1 1.1 课题背景及研究的目的和意义1 1.2 光纤电流传感器的国内外发展现状2 1.2.1 光纤电流传感器的国外发展2 1.2.2 光纤电流传感器的国内发展4 1.3 光纤电流传感器的基本原理与分类6 1.4 论文的主要工作内容7 第2章 光电混合式电流互感器9 2.1 系统整体方案的设计9 2.2 Rogowski线圈测量原理10 2.3 Rogowski线圈的积分电路12 2.4 本章小结13 第3章 光纤电流传感器的供电方式14 3.1 电流互感器供电方式的选择14 3.2 激光供电方案的关键问题15 3.3

10、 激光供电系统的设计16 3.3.1 激光器的驱动电路设计17 3.3.2 半导体激光器18 3.3.3 光电池的选取及DC-DC变换器的设计21 3.4 本章小结23 第4章 信号的传输与处理24 4.1 光纤24 4.1.1 光纤工作基本原理24 4.1.2 光纤的分类26 4.1.3 光纤的选择27 4.2 光纤的传输28 4.2.1 光纤传输系统的特点28 4.2.2 光纤传输工作原理30 4.3 信号处理32 4.3.1 信号处理系统设计32 4.3.2 高压侧信号处理32 4.3.3 低压侧信号处理38 4.4 本章小结38 结论39 参考文献40 致谢42 附录1 开题报告 附录

11、2 中期报告 附录3 外文翻译 III 第1章 绪论 第1章 绪论 1.1 课题背景及研究的目的和意义 在科技高速发展的当代社会，传感、通信和计算机产业作为现在信息产业的三大支柱，其在科技、经济发展中起着重要的支撑作用。 其中传感器作为一种检测装置，传感器技术已经成为技术竞争中的核心技术，占有至关重要的地位。 正是由于传感技术的重要性，传感器的研究已经被各国列为重点发展的关键技术引起了世界各国的争相研究1。 随着世界经济的快速发展，各国对电力的要求也越来越高，因此电力工业在经济发展中有着至关重要的地位，电力系统的额定电压等级和额定电流等级都有很大幅度的提高，对于高电压条件下的电力设备的研制也就

12、成为了各国竞相研究的方向。 电流是电力的基本参数之一，电流传感器是电力工业中重要的测量装置之一，只有对电流能够进行准确的测量才能够为计量、继电保护等方面提供所必需的信息。 由于电流这个物理量对于电力工业的重要性，通常我们对于电流的测量工具也有着极高的要求。 随着电力工业的发展，传统的电磁式电流传感器越来越跟不上时代的发展，其诸多缺点的暴露也进一步使其不符合现代电力工业的发展。 因此，研制出一种新型的电流传感器也就成为了各国在电力工业发展中的重要问题。 在这个背景下，光纤电流传感器应运而生2。 传统的电磁式电流传感器由于以下几个缺点而越来越不适应科技的快速发展：(1)绝缘问题，由于电磁式电流传感

13、器含有铁芯，使用在高压环境中时有可能发生绝缘击穿，从而引起对地短路或爆炸的危险；(2)磁饱和现象，传统的电磁式电流传感器在高压条件下可能出现磁饱和和铁磁谐振问题；(3)电磁干扰现象，在高压条件下，电磁式电流传感器传导的电信号会受到极大的电磁干扰3；(4)成本较高，由于传统的电磁式电流传感器的设计问题，其成本会根据电压的增大成倍的增高。 因此，在这个背景下，光纤电流传感器应运而生。 光纤电流传感器作为新式的电流传感器，它具有传统的电磁式电流传感器无可比拟的优势。 首先，由于光纤电流传感器使用的是绝缘性能极好的光纤制成的，因此有效的避免了爆炸的危险；其次，由于光纤电流传感器中不含有铁芯，因此有效地

14、避免了磁饱和和电磁干扰等问题；再次，光纤电流传感器体积小、重量轻，制造简单，制造成本也不会随着电压的提高而过分增大4。 正是因为光纤电流传感器拥有以上优点，光纤电流传感器成为了各国争相研究的对象，并且取得了一定的成果。 1.2 光纤电流传感器的国内外发展现状 随着微电子与光电子技术的快速发展，特别是半导体激光器及低损耗光纤的出现，促进了各国对新型传感器的研究。 国外早在60年代就已经开始对光纤电流传感器进行研究了，到现在从事光纤电流传感器研究的单位有：美国国家标准技术研究所。 ABB跨国公司、法国的ALTHOM公司，加拿大的NXTPhase公司、日本的东电、住友公司等等。 在国内，从80年代起

15、，也开始投入了大量的人力和财力从事光纤电流传感器的研究开发，主要是：清华大学、华中科技大学、西安交通大学、北方交通大学、燕山大学等，并且取得较好成果5。 1.2.1 光纤电流传感器的国外发展 早在60年代，国外就开始了对光纤电流传感器的研究工作，到80年代和90年代初期国外对光纤电流传感器的研究已进入试用阶段，初步具备了挂网试运行的条件，根据有关资料的统计，目前大约有3000多台光纤电流传感器挂网试运行，有些公司已经制作出了较正规的产品。 根据查阅资料，最早的光纤电流传感器产品是1963年安装在美国俄勒冈州Bonneville电力局(BPA)的230kV电网上装置的“Traser”，它通过玻璃

16、实现了信号的传输，这是光纤电流传感器的最早形式。 这也是人们对于光纤电流传感器的研究所跨出的第一步，从此之后，各国对于光纤电流传感器的研究如雨后春笋般蓬勃发展起来6。 20世纪70年代，光导纤维制造技术逐步完善，光纤电流传感器也得到了迅速的发展。 1973年前苏联直流科学研究院与列宁格勒电器制造联合公司制造了脉冲调制式光纤电流传感器的样品，样品中有一个测量仪表通道和三个继电器保护通道。 此外，前苏联对光通道外调制式光纤电流传感器，带编码脉冲调式光纤电流传感器以及脉冲调幅式光纤电流传感器等形式都进行了深入仔细的研究。 1977年英国电力研究中心的A.J.Rogers和A.M.Smith等人从原理方面对全光纤电流传感器进行了大量的研究，在实验室对实验装置进行试验并获得成功，在1979年成功安装在发电站上，开始试运行，并取得了成功。 在此之后，德国