论文部分内容阅读
由于电力工业的发展以及对监控设备智能化和一体化程度要求的提高,传统的基于电磁感应的铁芯式电流互感器（简称CT）暴露了它的缺点:体积庞大（重几吨）、有潜在爆炸的危险、测量时需远离易燃物等,相比之下充分发挥光纤电流传感器（OCS）的优势,以实现电力系统电流的安全、准确地监测是必然趋势。本文设计了一种特别适用于危险的高压电力系统的新型光纤电流传感器,该传感器基于磁致伸缩效应和法布里-珀罗腔（Fabry-Perot,简称F-P腔）多光束干涉机理,具有灵敏度高、绝缘性好、抗干扰性强、体积小、重量轻以及便于遥测遥控等优点。实测时只需将其悬挂到高压线上即可,实现了非接触测量,并可以通过调整传感头与高压线之间的距离来满足不同测量范围和灵敏度的要求,使用安全、方便。结构中F-P谐振腔的两个反射面由单模光纤经过抛光构成,同时利用超磁致伸缩材料（Tb-Dy-Fe）的精密机械毛细管来实现F-P腔的驱动。该传感器的测量原理是:流过高压线的待测电流所产生的磁场使Tb-Dy-Fe材料的毛细管轴向伸长,进而带动光纤F-P腔腔长在λ0 /4（λ0为入射光波长）范围内变化,此时微腔输出光强与被测电流之间具有较好的线性关系,因而只需检测出F-P腔输出光强的变化量即可得出待测电流的大小。论文中利用大型有限元分析软件ANSYS对所设计的传感器进行了静态二维电磁场仿真,通过仿真结果得出传感器内部磁场的分布规律,为后续计算提供有效数据;为使Tb-Dy-Fe毛细管上磁场均匀分布,利用ANSYS软件对传感头与导线之间的距离进行了优化设计。理论分析得出:当被测电流在0-2000A范围内、悬挂距离为30mm时,传感器的灵敏度为8nW/A,分辨力是0.01A。由于条件限制,所以实验中利用线圈产生的磁场来模拟高压线产生的磁场,并用ANSYS对线圈系统进行了电磁场仿真,再结合其他函数关系,理论计算出相应的输出光强值,并把这个值与实际测得光强进行比较,得出二者是一致的,从而论证了设计方案的可行性。该线圈实验系统也可以用作传感器来使用,在0-0.8A这个范围内,它的灵敏度是17.1952μW/A,分辨力为0.001mA。