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全光纖電流互感器傳感機理建模分析

來源:核心期刊咨詢網位置:電子信息論文時間:2019-09-20 10:2812

  摘要:近年來,隨著電力工業的快速持續發展,電網的運行電壓等級也在不斷地提高,高電壓、大電流的電力系統設備的不斷投運,對一次和二次側的絕緣要求以及信號的可靠傳遞提出了更高的要求,也對傳統的測量方法產生了巨大的挑戰。電流互感器作為測量環節中的一個重要組成部分,在特高壓、大電流的系統中,傳統的電磁式電流互感器也暴露出了一系列的嚴重問題,新型電流互感器已經成為當前的一個研究熱點,得到越來越多的企業和用戶的關注,需要重點加強研究。基于此本文分析了全光纖電流互感器傳感機理建模。

  關鍵詞:全光纖電流互感器;傳感機理;建模

電力工程師論文

  1、全光纖電流互感器傳感機理

  全光纖電流互感器(fiber-optical current transformer,FOCT)作為一種新型的測量裝置,具有體積小、重量輕、絕緣結構簡單、測量動態范圍大、精度高、抗電磁干擾能力強等優點,而且無磁飽和及鐵磁諧振及二次開路等問題。在電力系統、鐵路系統、電解工業等領域里有著廣闊的應用前景。

  1.1基于偏振檢測方法的全光纖電流互感器的工作原理

  基于偏振檢測方法的全光纖電流互感器的工作原理如圖1所示。該FOCT基于法拉第磁光效應,由光源發出的光經起偏器形成線偏振光,再經過耦合透鏡及傳輸光纖到達高壓傳感頭,進入傳感光纖。由于被測電流在周圍產生磁場并根據法拉第效應,線偏振光在與其傳播方向平行的外界磁場的作用下通過傳感光纖時,其光波偏振面將發生旋轉。最后光波經過耦合透鏡、檢偏器到達光電轉換器,進行信號采集,并將轉化后的電信號輸入到信號處理裝置。

  1.2基于偏振檢測方法的全光纖電流互感器的工作原理

  基于干涉檢查方法的全光纖電流互感器一般基于Sagnac效應,典型的Sagnac結構的光纖電流互感器如圖2-2所示。電流在導線傳輸時,會在導線周邊產生磁場,在磁場的作用下,兩束具有相同偏振態的光從同一光源發出后,向相反的方向傳播后,產生相移,當兩束光匯集在同一點時就會發生干涉。因此可以對干涉的光信號進行信號處理,然后反推折算得到輸電線路的電流大小。

  對于基于干涉檢查方法的全光纖電流互感器,光纖傳感線圈是重要的電流測量部件。但是由于光纖傳感線圈一般都放置在室外電纜處,很容易受到外界環境因素如溫度等變化的影響,光波會在傳播過程中,極有可能產生附加的寄生干涉,因而產生測量誤差。因此,研究光纖電流互感器的環境適應性有著重要意義。

  2、光纖的溫度敏感性

  溫漂問題是阻礙FOCT大規模實用化進程的主要難題之一,由此可以看出溫度對FOCT運行性能的影響十分嚴重。溫漂問題的主要原因是FOCT傳感光纖易受溫度影響。光纖的溫度敏感性主要表現在以下幾個方面:

  2.1光纖材料的熱膨脹特性

  光纖材料的熱膨脹是指光纖材料因溫度改變而發生的膨脹現象,在溫度升高時其體積增大,溫度降低時體積縮小。光纖材料的熱膨脹特性主要表現為光纖長度隨溫度的變化而變化,幾乎所有的光纖材料都存在熱膨脹特性。

  2.2熱光效應

  熱光效應是指光學介質在溫度升高或者降低時,其分子排列發生變化,從而造成介質的光學特性隨溫度的改變而發生變化的物理效應。光纖材料的熱光效應主要表現在溫度對光纖有效折射率的影響,溫度越高,有效折射率會增大。通常用熱光系數來表征光學材料的折射率隨溫度的變化率,又叫折射率的溫度系數。

  2.3光纖對振動的敏感性

  振動對光纖的影響主要表現為:由于光彈效應,使得周期性振動在FOCT傳感單元內引起的線性雙折射發生周期性改變,影響系統輸出的穩定性;傳輸光纖的振動也會導致光波在傳輸過程中的偏振態變化,影響測量的準確度。此外載流導線的舞動也會對輸出結果產生影響。

  3、全光纖電流互感器傳感機理建模

  全光纖電流互感器常用于高電壓大電流系統中,在絕緣性、可靠性及抗電磁干擾方面都有很大的優勢,也可用于測量直流電流,輸出為數字信號,在智能變電站中有較廣泛的應用。但是FOCT高壓傳感頭一般工作在戶外現場,受環境中溫度、振動以及外界磁場干擾等因素影響較大,因此環境因素對FOCT運行性能的影響逐漸成為國內外同行業研究的重點和熱點問題。

  整個FOCT傳感單元仿真模型是由一個無限長直導線(被測電流)和一個光纖微元(微米級)構成,從傳感光纖一端(y=0處)入射一束線偏振光,觀察光波在傳輸過程中偏振態的演化。

  3.1幾何建模

  FOCT傳感單元主要包括載流導線,傳感光纖線圈,空氣區域,其中核心部分為傳感光纖線圈。為了簡化分析,在COMSOL中,選擇三維模型,建立圓柱體1作為載流長直導線模型,產生被測電流;采用基于偏振檢測方法的全光纖電流互感器中,一般將傳感光纖纏繞在載流導體上,因此傳感光纖可簡化為螺線管模型。

  3.2物理場及邊界條件、初始條件選擇

  磁場和光場都是基于麥克斯韋方程組,分別為不同頻段的電磁波。在COMSOL中,分別選擇MagneticFields模塊和WaveOptics模塊。在磁場模塊中,設置初始條件:磁矢勢A=(0,0,0);選擇外電流密度,通過改變外電流密度Je值可模擬被測電流大小。

  3.3有限元網格劃分

  完成幾何模型的建立、材料選擇以及物理場、初始條件、邊界條件的設置后,需要對所建立的模型進行有限元網格劃分。對于光波導來說,要求最大網格單元尺寸hmax必須是波長的幾分之一,最常見的情況是hmax=λ/6。對于光纖微元區域,選擇物理場控制網格,最大單元格尺寸為λ/6。

  3.4求解器設置與后處理

  對模型進行求解設置,本章建立的模型涉及光場和磁場兩個物理場,首先選用穩態求解器計算磁場的分布,其次選用頻域求解器求解光纖微元區域光波在磁場中的傳播特性。經過求解器計算后,對結果進行相應的數據后處理以及圖形可視化處理,可得到所需要的數據,如旋轉角度、光場磁場的分布線圖,此外也可得到磁場、光場的三維分布圖形,可以十分直觀清晰地分析光場和磁場的傳輸特性。

  總之,全光纖電流互感器常用于高電壓大電流系統中,在絕緣性、可靠性及抗電磁干擾方面都有很大的優勢,進一步加強對其的研究非常有必要。

  參考文獻

  [1]關遠鵬.全光纖電流互感器關鍵特性研究[D].華南理工大學,2017.

  《全光纖電流互感器傳感機理建模分析》來源:電力與能源系統學報·上旬刊 2019年2期

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