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《哈尔滨理工大学》 2007年
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基于超磁致伸缩材料的光纤交流电流传感理论与技术研究

熊燕玲  
【摘要】: 随着电力工业市场化进程的加快,对在电力系统计量环节和继电保护中起重要作用的电流传感器技术要求越来越高。目前普遍应用基于电磁感应的电流传感器存在着磁饱和、铁磁谐振、频带窄、动态范围小、有油易燃易爆等问题随着电压等级的提高,这些问题愈显突出,制造成本也愈加昂贵。而光学电流传感器具有绝缘性好、抗电磁干扰、频带宽等优点,近些年其研究进展十分迅速,应用领域不断扩大。但至目前,法拉第磁光效应电流传感方案仍然受光纤线性双折射问题和环境温度因素的影响,光电混合式解决方案的高电位电子电路供电问题及电子电路可靠性问题一直没有很好的解决。光纤布拉格光栅(FBG)的出现可能提供有效的解决途径。 经过近些年的研究与开发,FBG传感技术已成为光纤传感中可靠性最高、实用性最强的传感技术。由于FBG具有波长编码、同光纤兼容并能构成准分布式测试系统等优点,被广泛地应用于工程结构的应变和温度测量。超磁致伸缩材料(GMM)Terfenol-D是一种新型的磁-机械转换材料,具有伸缩系数大、机电耦合系数高、响应速度快等优点,广泛地应用于换能和驱动。本文提出了以GMM和FBG组合的交流电流传感方法,采用粗波分复用器(CWDM)线性边带的FBG交变应变方案,实现了对交流电流信号的检测。 本文应用铁磁材料的Jiles-Atherton模型、二次畴转模型和压磁方程建立了以GMM为致动系统的动态传感模型,模拟分析了交流电流互感条件下超磁致伸缩材料的致动特性。基于超磁致伸缩材料的磁滞动态传感模型和FBG应变传感原理,建立了超磁致伸缩材料和FBG组合的交流电流传感理论,确定激励电流和光纤布拉格光栅波长漂移的数值关系。 本文基于FBG波长编码特性,采用线性边带解调方案,利用CWDM透射率与波长间的线性关系,研制了可用于FBG交变应变信号解调的解调器,使CWDM成为了交流信号解调工具,解决了交变电流传感波长信息解调问题。应用Terfenol-D棒、FBG、螺线管和CWDM构成电流传感实验系统,获得了交流电流下磁场强度和GMM应变、波长漂移的关系特性。 本文应用数值分析方法,对由导磁材料、GMM棒和永磁材料构成的磁路系统进行了优化设计,通过调整磁路中的气隙确定传感系统电流检测的量程,调整永磁材料充磁方向尺寸确定传感器的静态工作点。对磁路系统中的Terfenol-D棒建立了轴向受力模型,应用数值模拟技术分析了GMM幅-频特性,进一步优化Terfenol-D棒的特征尺寸,并经仿真模拟和实验验证了其合理性。 本文研制了应用于电力工程的工频电流互感装置,利用CWDM的FBG解调技术,实现了在有、无偏置磁场条件下工频交流电流信号的检测。利用傅立叶变换对有偏置磁场工频电流互感系统实验中传感器的输出信号质量进行评价,分析了传感器不同工作区输出信号的谐波分量。利用高阶方程组拟合具有迴滞特性的系统输入-输出关系,对传感器不同输出区输出信号的畸变,提出了用输出信号重建被测电流真实波形的方案,实现了输入电流信号的重建。该工频电流互感装置具有结构简单、稳定性好、测量准确等优点,可能成为今后电力系统中电流检测的一种选择。
【学位授予单位】:哈尔滨理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TP212.1

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【参考文献】
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