光纖電壓互感器是應(yīng)用于電力系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)量和保護(hù)的一種新型的傳感裝置,具有體積小、重量輕、動(dòng)態(tài)范圍寬、絕緣性能好等諸多優(yōu)點(diǎn),受到廣大研究者的青睞,具有很好的應(yīng)用前景。雖然歷經(jīng)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(dòng)、制造工藝等各種外界因素引起的系統(tǒng)偏振誤差是影響光學(xué)電壓互感器測(cè)量精度的主要因素之一,限制其發(fā)展和廣泛應(yīng)用�；诖�,本文圍繞逆壓電式光纖電壓互感器偏振誤差的產(chǎn)生機(jī)理和抑制方法展開了相關(guān)研究。論文的主要工作內(nèi)容如下:通過對(duì)逆壓電效應(yīng)和壓電材料的闡述,詳細(xì)介紹了逆壓電式光纖電壓互感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本工作原理,推導(dǎo)并理論分析了電壓敏感機(jī)理。利用瓊斯矩陣建立了各光學(xué)器件表達(dá)式,在此基礎(chǔ)上,結(jié)合該系統(tǒng)結(jié)構(gòu),建立了理想狀態(tài)下光纖電壓互感器系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。基于逆壓電式光纖電壓互感器的工作原理,將其光路系統(tǒng)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(xué)器件對(duì)光纖電壓互感器的影響情況。然后,根據(jù)在光纖電壓互感器的光路系統(tǒng)中特殊的光纖熔接點(diǎn)對(duì)偏振光的作用,分別建立了起偏器尾纖與相位調(diào)制器尾纖的對(duì)軸角度、Faraday旋光器尾纖與傳感光纖的對(duì)軸角度、傳感光纖與補(bǔ)償光纖的對(duì)軸角度等偏振誤差模型。此外,推導(dǎo)并分析了傳感光纖與補(bǔ)償光纖之間的長(zhǎng)度差異與偏振誤差之間的關(guān)系。基于偏振誤差模型,確定逆壓電式光纖電壓互感器系統(tǒng)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(tǒng)輸出光強(qiáng)誤差之間的近似線性關(guān)系,重點(diǎn)分析了不理想的Faraday旋光器尾纖與傳感光纖的對(duì)軸角度對(duì)軸角度、傳感光纖與補(bǔ)償光纖之間的對(duì)軸角度對(duì)軸角度和長(zhǎng)度差異等由光纖因素引起的偏振誤差�；趯�(duì)逆壓電式光纖電壓互感器的系統(tǒng)偏振誤差定量分析結(jié)果,可知傳感光纖與補(bǔ)償光纖之間的長(zhǎng)度差異是系統(tǒng)偏振誤差的主要來源,提出在OVT的信號(hào)處理部分通過軟件補(bǔ)償引入修正值的方法減小系統(tǒng)誤差。仿真結(jié)果驗(yàn)證了逆壓電式光纖電壓互感器結(jié)構(gòu)的合理性和偏振誤差抑制方法的有效性,為后續(xù)的光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能研究奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：東北電力大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TP212
【部分圖文】：

品質(zhì)因數(shù)、電阻??率、居里點(diǎn)和靜抗拉強(qiáng)度，這表明了該晶體具有良好的機(jī)械性能、溫度和濕度穩(wěn)定性以??及時(shí)間穩(wěn)定性，雖然轉(zhuǎn)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(duì)象所需的壓電材料。??２．１．２逆壓電式ＯＶＴ結(jié)構(gòu)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(tǒng)主要有ＡＳＥ光源??（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ?Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ?Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）、稱合器、起偏器、特殊的光纖溶接點(diǎn)、相位調(diào)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(jīng)起??偏器形成線偏振光，在第一個(gè)４５°熔接點(diǎn)后線偏振光具有兩個(gè)相互正交的偏振態(tài)，分別??注入保偏光纖的Ｘ軸和Ｙ軸。經(jīng)相位調(diào)制器和保偏光纖后到達(dá)Ｆａｒａｄａｙ旋光器，這時(shí)偏??振面旋轉(zhuǎn)４５°。經(jīng)過第二個(gè)４５°熔接點(diǎn)后，進(jìn)入傳感單元，由傳感光纖感知石英晶體壓電??形變。經(jīng)９０°熔接點(diǎn)后進(jìn)入補(bǔ)償光纖，以平衡在傳感光纖中偏振光受外界千擾產(chǎn)生的相??位差，最后經(jīng)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(qiáng)信號(hào)經(jīng)ＰＩＮ??探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行處理，最后輸出待測(cè)的電壓信息。偏振光兩次經(jīng)過傳感光纖，??因此光強(qiáng)信號(hào)中所攜帶的相位差是原待測(cè)電壓所產(chǎn)生的相位差的２倍。????＋??蚊器＞?起偏器?＼／相位調(diào)制器＿＿?Ｖ／??；?ｅ＇?獻(xiàn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)??２．１．３電壓敏感機(jī)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(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文???贏息??（ａ）?（ｂ）??圖２－２石英晶體結(jié)構(gòu)??應(yīng)用中，通常把待測(cè)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(chǎn)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(yīng)力，光纖的長(zhǎng)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(cè)這一相位的變化獲得待測(cè)電壓的信息。??根據(jù)上述傳感光纖感知逆壓電效應(yīng)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(zhǎng)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(xiàng)為應(yīng)變效應(yīng)，表示因光纖長(zhǎng)度變化引起的相位延遲；第二項(xiàng)為彈??光效應(yīng)，表示因光纖折射率變化引起的相位延遲；第三項(xiàng)為泊松效應(yīng)，表示因光纖纖芯??直徑的變化產(chǎn)生的相位的延遲。Ｐ為偏振光在光纖中的傳播常數(shù)，Ｚ為光纖的纏繞在石??英晶體上的傳感光纖的原始長(zhǎng)度。由于泊松效應(yīng)在該光纖傳感器中極為微弱，故可忽略??不計(jì)。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(yīng)引起的偏振光相位的大小主要由傳感光纖的長(zhǎng)度變化量??和折射率變化量所決定。??傳感光纖的長(zhǎng)度變化量與石英晶體的形變量密切相關(guān)，根據(jù)石英晶體的壓電常數(shù)矩??陣和施加電場(chǎng)方向之間的關(guān)系可以求得石英晶體的相對(duì)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(chǔ)???＇?（?，２?Ｖ??（Ｐ?＝?Ｎ－?－ｄｕＥｘｎＲ?ｐ?＋５．５４ｘ１０ｓ—?（２－１４）??＿?Ｖ?Ｒ?Ｊ．??所以，待測(cè)電壓和偏振光的相位之間具有線性關(guān)系，因此可以通過相位計(jì)算獲得待??測(cè)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(tǒng)中，光源發(fā)射的光為自然光或部分偏振光，第一次經(jīng)??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(dāng)經(jīng)過??反射后的偏振光第二次經(jīng)起偏器時(shí)，同方向同頻率的光波進(jìn)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(gè)?ｘ?ｙＡ?ｖ?ＹＡ??＾?＾—ｉ—?■■爺??光源?起偸器?起褊器?４’５。??（ａ）?（ｂ）??圖２－３光波經(jīng)起偏器??起偏器尾纖與相位調(diào)制器尾纖以４５°對(duì)軸熔接，在第一次經(jīng)過該熔接點(diǎn)時(shí)線偏振光??以４５°被均勻的注入保偏光纖的Ｘ軸和ｒ軸，此時(shí)偏振光具有兩個(gè)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(jīng)反射后的??偏振光再次經(jīng)過該熔接點(diǎn)時(shí)，光波的偏振面逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)４５°，其示意圖如圖２－４?（ｂ）所??示。??…＜???起偏器?４５。?４５。?相位調(diào)制器??（ａ）?（ｂ）??圖２－４光波經(jīng)起偏器尾纖與相位調(diào)制器尾纖之間的４５°對(duì)軸熔接點(diǎn)??在偏振光第一次經(jīng)過相位調(diào)制器時(shí)，對(duì)其中一種偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)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(jìn)入一段約２００ｍ長(zhǎng)的保偏光??纖，以增加信號(hào)
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本文編號(hào)：2881747