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组合式光学电压/电流互感器的研究与开发

作　者: 罗苏南
导　师: 叶妙元
学　校: 华中科技大学
专　业: 电气工程
关键词: 组合式互感器光学电压传感器光学电流传感器 Pockels效应 Faraday效应双折射双光路补偿稳定性计算机仿真 SF6气体绝缘
分类号: TM452
类　型: 博士论文
年　份: 2000年
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内容摘要

组合式光学电压/电流互感器（COVCT）是一种光机电一体化的新型电力互感器,它克服了传统电压、电流互感器的许多缺点,并集电压、电流测量于一体,在电力系统中具有广阔的应用前景。本文在全面分析和总结COVCT发展历史和现有技术水平的基础上,针对实用化要求,确定以无电容分压器型COVCT、反射式横向调制光学电压传感器及正交双全反射光学电流传感器为研究重点,研制出国内首台220kV COVCT,试验表明其性能达到国外同类产品的水平。本文在分析Pockels电光效应传感机理的基础上,首次利用矩阵光学的方法对光学电压传感器的工作原理进行了系统地阐述,提出了构成光学电压传感器的三条基本准则。利用电磁波理论分析了电光晶体中双折射对测量的影响并阐述了双光路补偿原理。本文首次对反射式横向调制光学电压传感器进行了详细分析,指出了原有结构的不足,并提出一种具有双光路互补效果的新型传感器结构。实验表明,作者提出的新型传感器结构具有较好的双光路温度互补性,使光学电压传感器的稳定性提高了一个数量级。从光学器件、光路结构及信号处理电路等方面首次对影响光学电压传感器稳定性的因素进行了详细分析,为研制实用化光学电压传感器提供了理论指导。提出了进一步改进光学电压传感器稳定性的措施。对光学电压传感器的温度稳定性和时间稳定性进行了大量的实验研究,实验表明,我们研制的光学电压传感器已接近实用化水平。在分析Faraday磁光效应传感机理的基础上,对光学电流传感器的工作原理进行了系统地阐述。建立了反射相移及双折射对光学电流传感器性能影响的数学模型,并对其进行了计算机仿真。对影响光学电流传感器稳定性的因素进行了详细分析,为研制实用化光学电流传感器提供了理论指导。对光学电流传感器的温度特性及线性度进行了实验研究,实验表明,我们研制的光学电流传感器已接近实用化水平。针对无电容分压器型COVCT的结构特点,在分析SF₆气体绝缘特性的基础上,设计了COVCT的绝缘结构,并用有限元法对其电场分布进行了分析计算。理论分析及试验结果表明,COVCT绝缘结构设计合理、可靠。对COVCT系统进行了全面试验,试验表明,COVCT的各项性能指标达到了预期的设计要求。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-20
  1.1 研究组合式光学电压/电流互感器的意义  9-12
  1.2 发展历史、研究现状和存在的问题  12-19
    1.2.1 COVCT 的发展历史和研究现状  12-17
    1.2.2 COVCT 实用化进程中有待研究与解决的主要问题  17-19
  1.3 课题来源及本文的主要内容  19-20
第二章组合式光学电压/电流互感器一次部分的比较研究  20-33
  2.1 COVCT 的主要结构形式  20-22
    2.1.1 有电容分压器型COVCT  20-21
    2.1.2 无电容分压器型COVCT  21-22
  2.2 光学电压传感器的几种主要类型  22-28
    2.2.1 基于Pockels 效应的光学电压传感器  22-25
    2.2.2 基于集成光学器件的光学电压传感器  25-26
    2.2.3 基于电光Kerr 效应的光学电压传感器  26-27
    2.2.4 基于逆压电效应的光学电压传感器  27-28
  2.3 光学电流传感器的几种主要类型  28-33
    2.3.1 Faraday 效应光学电流传感器  28-32
      2.3.1.1 全光纤型光学电流传感器  28-29
      2.3.1.2 磁光材料型光学电流传感器  29-32
    2.3.2 磁致伸缩效应光学电流传感器  32-33
第三章光学电压传感器的理论及结构研究  33-64
  3.1 Pockels 效应及其矩阵表示  33-35
  3.2 Pockels 效应对晶体光学性质的影响  35-39
  3.3 偏光干涉检测原理及构成光学电压传感器的基本准则  39-44
    3.3.1 偏光干涉检测原理  39-41
    3.3.2 线性响应的获得  41-43
    3.3.3 构成光学电压传感器的基本准则  43-44
  3.4 Pockels 效应传感材料  44-45
  3.5 双折射对光学电压传感器的影响及双光路补偿原理  45-52
    3.5.1 有双折射时BGO 晶体的介电张量  46-47
    3.5.2 有双折射时BGO 晶体的琼斯矩阵  47-49
    3.5.3 双折射对光学电压传感器的影响  49-51
    3.5.4 双光路补偿原理  51-52
  3.6 反射式横向调制光学电压传感器的分析及改进  52-59
    3.6.1 反射延迟器  53-54
    3.6.2 反射式横向调制光学电压传感器的分析  54-58
    3.6.3 反射式横向调制光学电压传感器的改进  58-59
  3.7 反射式横向调制光学电压传感器的结构设计  59-64
    3.7.1 光路结构及光学器件的选择  60-62
    3.7.2 绝缘结构的设计  62-64
第四章光学电压传感器的稳定性分析及实验研究  64-83
  4.1 光学电压传感器的稳定性分析  64-76
    4.1.1 LED 的温度特性  65
    4.1.2 BGO 晶体对传感器稳定性的影响  65-68
    4.1.3 反射延迟器对传感器性能的影响  68-69
    4.1.4 光路结构对传感器稳定性的影响  69-74
    4.1.5 传感器结构对传感器稳定性的影响  74-75
    4.1.6 信号处理电路对传感器稳定性的影响  75
    4.1.7 提高光学电压传感器稳定性的措施  75-76
  4.2 光学电压传感器稳定性的实验研究  76-83
    4.2.1 温度稳定性实验  76-80
    4.2.2 时间稳定性实验  80-83
第五章光学电流传感器的设计及实验研究  83-107
  5.1 光学电流传感器的工作原理  83-85
  5.2 光学电流传感器的基本结构  85-87
  5.3 反射相移对光学电流传感器性能的影响  87-91
    5.3.1 全反射引起的相位变化  87-88
    5.3.2 反射相移对传感器性能的影响  88-91
  5.4 双折射对光学电流传感器性能的影响  91-93
  5.5 光学电流传感器的设计  93-99
    5.5.1 设计思想  93-94
    5.5.2 正交双全反射光学电流传感器  94-95
    5.5.3 Faraday 传感材料的选择  95-96
    5.5.4 光学器件的选择  96-98
    5.5.5 传感器的组装  98-99
  5.6 影响光学电流传感器稳定性的因素分析  99-102
    5.6.1 Verdet 常数对传感器的影响  99-100
    5.6.2 光路结构对传感器的影响  100-101
      5.6.2.1 准闭合光路对传感器的影响  100-101
      5.6.2.2 光学传感头角度误差对传感器的影响  101
      5.6.2.3 起偏器与检偏器的方位偏差对传感器的影响  101
    5.6.3 组装工艺对传感器的影响  101
    5.6.4 信号处理电路对传感器的影响  101-102
  5.7 光学电流传感器的实验研究  102-107
    5.7.1 线性度及精度实验  103-104
    5.7.2 温度特性实验  104-105
    5.7.3 不同温度下的线性度实验  105-107
第六章 COVCT 绝缘结构的设计与分析  107-116
  6.1 COVCT 的结构  107-108
  6.2 COVCT 绝缘结构的设计思想  108
  6.3 硅橡胶复合绝缘子  108-109
  6.4 SF_6气体的绝缘特性  109-111
    6.4.1 影响SF_6气体电气强度的主要因素  109-110
    6.4.2 影响SF_6气体沿面闪络电压的主要因素  110-111
  6.5 COVCT 绝缘结构的电场计算  111-116
第七章 COVCT 的试验结果及全文总结  116-124
  7.1 COVCT 的试验结果  116-121
    7.1.1 测试内容概述及达到的技术指标  116-117
    7.1.2 测试方案及结果  117-121
  7.2 全文总结及展望  121-124
    7.2.1 全文总结  121-122
    7.2.2 展望及有待进一步开展的工作  122-124
致谢  124-125
作者在攻读博士学位期间发表的论文  125-127
参考文献  127-132

组合式光学电压/电流互感器的研究与开发

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