發(fā)布時間：2020-11-13 04:47

　　 光纖電壓互感器是應用于電力系統中進行測量和保護的一種新型的傳感裝置,具有體積小、重量輕、動態(tài)范圍寬、絕緣性能好等諸多優(yōu)點,受到廣大研究者的青睞,具有很好的應用前景。雖然歷經幾十年的研究,但是在發(fā)展中仍然有許多問題迫切的需要去解決。其中,因溫度、振動、制造工藝等各種外界因素引起的系統偏振誤差是影響光學電壓互感器測量精度的主要因素之一,限制其發(fā)展和廣泛應用�；诖�,本文圍繞逆壓電式光纖電壓互感器偏振誤差的產生機理和抑制方法展開了相關研究。論文的主要工作內容如下:通過對逆壓電效應和壓電材料的闡述,詳細介紹了逆壓電式光纖電壓互感器的系統結構和基本工作原理,推導并理論分析了電壓敏感機理。利用瓊斯矩陣建立了各光學器件表達式,在此基礎上,結合該系統結構,建立了理想狀態(tài)下光纖電壓互感器系統的數學模型�；谀鎵弘娛焦饫w電壓互感器的工作原理,將其光路系統分為第一互易光路部分和第二互易光路部分,分別建立各部分的偏振誤差模型,分析各光學器件對光纖電壓互感器的影響情況。然后,根據在光纖電壓互感器的光路系統中特殊的光纖熔接點對偏振光的作用,分別建立了起偏器尾纖與相位調制器尾纖的對軸角度、Faraday旋光器尾纖與傳感光纖的對軸角度、傳感光纖與補償光纖的對軸角度等偏振誤差模型。此外,推導并分析了傳感光纖與補償光纖之間的長度差異與偏振誤差之間的關系。基于偏振誤差模型,確定逆壓電式光纖電壓互感器系統偏振誤差的來源。定量分析了第一互易光路部分和第二互易光路部分所引起的偏振誤差情況。之后,基于相位誤差和系統輸出光強誤差之間的近似線性關系,重點分析了不理想的Faraday旋光器尾纖與傳感光纖的對軸角度對軸角度、傳感光纖與補償光纖之間的對軸角度對軸角度和長度差異等由光纖因素引起的偏振誤差�；趯δ鎵弘娛焦饫w電壓互感器的系統偏振誤差定量分析結果,可知傳感光纖與補償光纖之間的長度差異是系統偏振誤差的主要來源,提出在OVT的信號處理部分通過軟件補償引入修正值的方法減小系統誤差。仿真結果驗證了逆壓電式光纖電壓互感器結構的合理性和偏振誤差抑制方法的有效性,為后續(xù)的光學電壓互感器系統設計和性能研究奠定了基礎。
【學位單位】：東北電力大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TP212
【部分圖文】：

品質因數、電阻??率、居里點和靜抗拉強度，這表明了該晶體具有良好的機械性能、溫度和濕度穩(wěn)定性以??及時間穩(wěn)定性，雖然轉換性能略低于壓電陶瓷，但綜合考慮，石英晶體更適合用于本課??題研宄對象所需的壓電材料。??２．１．２逆壓電式ＯＶＴ結構和工作原理??逆壓電式ＯＶＴ是一種全光纖式的電壓互感器，其光路系統主要有ＡＳＥ光源??（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ?Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ?Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）、稱合器、起偏器、特殊的光纖溶接點、相位調制器、??Ｆａｒａｄａｙ旋光器、傳感單元和反射鏡等組成，如圖２－１所示。由ＡＳＥ光源發(fā)射的光經起??偏器形成線偏振光，在第一個４５°熔接點后線偏振光具有兩個相互正交的偏振態(tài)，分別??注入保偏光纖的Ｘ軸和Ｙ軸。經相位調制器和保偏光纖后到達Ｆａｒａｄａｙ旋光器，這時偏??振面旋轉４５°。經過第二個４５°熔接點后，進入傳感單元，由傳感光纖感知石英晶體壓電??形變。經９０°熔接點后進入補償光纖，以平衡在傳感光纖中偏振光受外界千擾產生的相??位差，最后經反射鏡沿原光路返回，并在起偏器處發(fā)生干涉。千涉后的光強信號經ＰＩＮ??探測器轉換成電信號進行處理，最后輸出待測的電壓信息。偏振光兩次經過傳感光纖，??因此光強信號中所攜帶的相位差是原待測電壓所產生的相位差的２倍。????＋??蚊器＞?起偏器?＼／相位調制器＿＿?Ｖ／??；?ｅ＇?獻ｄ?Ａ圓Ｘ?翅器??方波ｎｒｕｉ?ｉｚ階梯波?電壓傳獅元３??￣?〇—？??ＰＩＮ?Ａ／Ｄ?ＦＰＧＡ?輸出??圖２－１逆壓電式ＯＶＴ系統結構??２．１．３電壓敏感機理??在逆壓電式０ＶＴ中，采用圓柱形石英晶體作為壓電晶體。在自然界中，石英晶體??是一種正六面體

?東北電力大學工學碩士學位論文???贏息??（ａ）?（ｂ）??圖２－２石英晶體結構??應用中，通常把待測電壓施加于石英晶體的ｘ軸方向，這樣在石英晶體的軸方向??將產生形變，纏繞在石英晶體上的傳感光纖受到石英晶體形變這一應力，光纖的長度、??折射率和纖芯直徑都將發(fā)生改變，這將使光纖中傳輸光的相位發(fā)生改變。在ＯＶＴ的輸??出端，通過檢測這一相位的變化獲得待測電壓的信息。??根據上述傳感光纖感知逆壓電效應的原理，在傳感光線中偏振光的相位變化的大小??如公式（２－１）所示??邱：ＰＬＵｉ＿Ｌｄｉ＆ａ?（２－１）??Ｌ?ｄｎ?ｄａ??式中ＡＺ—傳感光纖長度的變化量??Ａ？—傳感光纖折射率的變化量??Ａａ?—傳感光纖纖芯直徑的變化量??公式２－１的第一項為應變效應，表示因光纖長度變化引起的相位延遲；第二項為彈??光效應，表示因光纖折射率變化引起的相位延遲；第三項為泊松效應，表示因光纖纖芯??直徑的變化產生的相位的延遲。Ｐ為偏振光在光纖中的傳播常數，Ｚ為光纖的纏繞在石??英晶體上的傳感光纖的原始長度。由于泊松效應在該光纖傳感器中極為微弱，故可忽略??不計。所以公式（２－１）可寫為：??ｃｐ?＝?ｊＢＡＬ?＋?ＬＡ／３?＝?ｊ３Ｌ?—?＋?Ｌ＾Ａｎ?（２－２）??Ｌ?ｄｎ??即在傳感光纖中逆壓電效應引起的偏振光相位的大小主要由傳感光纖的長度變化量??和折射率變化量所決定。??傳感光纖的長度變化量與石英晶體的形變量密切相關，根據石英晶體的壓電常數矩??陣和施加電場方向之間的關系可以求得石英晶體的相對形變量，如公式（２－３）所示［７７］：??（?ｄｎ?０?０、??ｘｉ?￣ｄｗ?０?０?ｍ??Ｘ，?０?

?第２章光纖電壓互感器誤差分析的理論基礎???＇?（?，２?Ｖ??（Ｐ?＝?Ｎ－?－ｄｕＥｘｎＲ?ｐ?＋５．５４ｘ１０ｓ—?（２－１４）??＿?Ｖ?Ｒ?Ｊ．??所以，待測電壓和偏振光的相位之間具有線性關系，因此可以通過相位計算獲得待??測電壓的大校??２．１．４光波偏振特性分析??在逆壓電式ＯＶＴ的光路系統中，光源發(fā)射的光為自然光或部分偏振光，第一次經??起偏器后形成線偏振光，沿保偏光纖的Ｘ軸傳輸，其示意圖如圖２－３?（ａ）所示。當經過??反射后的偏振光第二次經起偏器時，同方向同頻率的光波進行干涉，光波偏振面不變，??干涉后的偏振光僅有一種偏振態(tài)，其不意圖如圖２－３?（ｂ）所不。??、．個?ｘ?ｙＡ?ｖ?ＹＡ??＾?＾—ｉ—?■■爺??光源?起偸器?起褊器?４’５。??（ａ）?（ｂ）??圖２－３光波經起偏器??起偏器尾纖與相位調制器尾纖以４５°對軸熔接，在第一次經過該熔接點時線偏振光??以４５°被均勻的注入保偏光纖的Ｘ軸和ｒ軸，此時偏振光具有兩個相互正交的偏振態(tài)（ｘ??與＞０分別沿著保偏光纖的義軸和：Ｋ軸傳輸，其示意圖如圖２－４?（ａ）所示。經反射后的??偏振光再次經過該熔接點時，光波的偏振面逆時針旋轉４５°，其示意圖如圖２－４?（ｂ）所??示。??…＜???起偏器?４５。?４５。?相位調制器??（ａ）?（ｂ）??圖２－４光波經起偏器尾纖與相位調制器尾纖之間的４５°對軸熔接點??在偏振光第一次經過相位調制器時，對其中一種偏振態(tài)進行調制，光波偏振面不發(fā)??生改變，偏振光依舊沿著保偏光纖的義軸和Ｆ軸傳輸，并進入一段約２００ｍ長的保偏光??纖，以增加信號
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本文編號：2881747