基于超磁致伸縮材料的光纖交流電流傳感理論與技術研究.pdf

1、隨著電力工業(yè)市場化進程的加快，對在電力系統(tǒng)計量環(huán)節(jié)和繼電保護中起重要作用的電流傳感器技術要求越來越高。目前普遍應用基于電磁感應的電流傳感器存在著磁飽和、鐵磁諧振、頻帶窄、動態(tài)范圍小、有油易燃易爆等問題隨著電壓等級的提高，這些問題愈顯突出，制造成本也愈加昂貴。而光學電流傳感器具有絕緣性好、抗電磁干擾、頻帶寬等優(yōu)點，近些年其研究進展十分迅速，應用領域不斷擴大。但至目前，法拉第磁光效應電流傳感方案仍然受光纖線性雙折射問題和環(huán)境溫度因素的影響，

2、光電混合式解決方案的高電位電子電路供電問題及電子電路可靠性問題一直沒有很好的解決。光纖布拉格光柵 (FBG) 的出現(xiàn)可能提供有效的解決途徑。 經(jīng)過近些年的研究與開發(fā)，F(xiàn)BG 傳感技術已成為光纖傳感中可靠性最高、實用性最強的傳感技術。由于 FBG 具有波長編碼、同光纖兼容并能構成準分布式測試系統(tǒng)等優(yōu)點，被廣泛地應用于工程結構的應變和溫度測量。超磁致伸縮材料(GMM) Terfenol-D 是一種新型的磁-機械轉換材料，具有伸縮系數(shù)

3、大、機電耦合系數(shù)高、響應速度快等優(yōu)點，廣泛地應用于換能和驅動。本文提出了以GMM和FBG組合的交流電流傳感方法，采用粗波分復用器 (CWDM) 線性邊帶的 FBG 交變應變方案，實現(xiàn)了對交流電流信號的檢測。 本文應用鐵磁材料的Jiles-Atherton模型、二次疇轉模型和壓磁方程建立了以GMM為致動系統(tǒng)的動態(tài)傳感模型，模擬分析了交流電流互感條件下超磁致伸縮材料的致動特性?；诔胖律炜s材料的磁滯動態(tài)傳感模型和FBG應變傳感原理

4、，建立了超磁致伸縮材料和FBG組合的交流電流傳感理論，確定激勵電流和光纖布拉格光柵波長漂移的數(shù)值關系。 本文基于FBG波長編碼特性，采用線性邊帶解調方案，利用CWDM透射率與波長間的線性關系，研制了可用于FBG交變應變信號解調的解調器，使CWDM成為了交流信號解調工具，解決了交變電流傳感波長信息解調問題。應用Terfenol-D棒、FBG、螺線管和CWDM構成電流傳感實驗系統(tǒng)，獲得了交流電流下磁場強度和GMM應變、波長漂移的關系

5、特性。 本文應用數(shù)值分析方法，對由導磁材料、GMM 棒和永磁材料構成的磁路系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，通過調整磁路中的氣隙確定傳感系統(tǒng)電流檢測的量程，調整永磁材料充磁方向尺寸確定傳感器的靜態(tài)工作點。對磁路系統(tǒng)中的Terfenol-D 棒建立了軸向受力模型，應用數(shù)值模擬技術分析了 GMM 幅-頻特性，進一步優(yōu)化 Terfenol-D 棒的特征尺寸，并經(jīng)仿真模擬和實驗驗證了其合理性。 本文研制了應用于電力工程的工頻電流互感裝置，利用

6、 CWDM 的 FBG解調技術，實現(xiàn)了在有、無偏置磁場條件下工頻交流電流信號的檢測。利用傅立葉變換對有偏置磁場工頻電流互感系統(tǒng)實驗中傳感器的輸出信號質量進行評價，分析了傳感器不同工作區(qū)輸出信號的諧波分量。利用高階方程組擬合具有迴滯特性的系統(tǒng)輸入-輸出關系，對傳感器不同輸出區(qū)輸出信號的畸變，提出了用輸出信號重建被測電流真實波形的方案，實現(xiàn)了輸入電流信號的重建。該工頻電流互感裝置具有結構簡單、穩(wěn)定性好、測量準確等優(yōu)點，可能成為今后電力系統(tǒng)中