基于磁敏材料的光学电流互感器的理论与应用研究

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1、參矣漆乂蓮ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第—所现代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５／博±学位论文—级学科光学工程：学科专业；光学工程作者姓名；巫莖雪指导教师：姚晓天教授刘铁根教授天津大学研究生院２０１５年５月基于磁敏材料的光学电流互感器的理论与应用研究TheoreticalandExperimentalInvestigationsofOpticalCurrentSensorsBasedonMagneticSensitiveMaterials一级学科：光学工程学科专业：光学工程作者姓名：张荣香指导教师：姚晓天教授刘铁根教授天津

2、大学精密仪器与光电子工程学院二零一五年五月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研巧工作和取得的研究成果，除了文中特别加Ｗ标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料一。与我同工作的同志对本研巧所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。＂＊之学位论文作者签名签字日期；２＾５年５月＾学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。，并采用

3、影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编Ｗ供查阅和借阅同意学校向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名；导师签名：■■■ｉ日签字日期：么。巧年ｆ月２日签字日期：如／５年５月２７了中文摘要基于磁敏材料的光学电流互感器具有无绝缘要求，无高压端开路危险和满足智能电网数字化输出需求等诸多优点，是目前世界各国电流互感器发展的一个重要方向。本工作以电压等级日益增高的电力系统中对性能优良的电流互感器的重大需求为出发点，针对不同测试环境、测试对象对电流互感器精度和灵敏度的不同要求，对基于法拉第磁敏材料和新型磁流体磁敏材料的光

4、学电流互感器进行性能和应用研究，针对每种互感器中存在的关键问题提出相应解决方法。本文主要工作如下：1、对基于法拉第磁敏材料的磁光晶体棒光学电流互感器，深入分析了正交探测方式提高信噪比的能力，对本课题组制作的磁光晶体棒电流互感器进行了性能研究，并详细推导了磁光晶体棒与导线不同位置时法拉第旋转角和电流之间的关系，从实验和理论两方面分析了导线距离和方位变化对电流传感性能的影响。2、对基于法拉第磁敏材料的光纤环式电流互感器，提出了利用穆勒矩阵和邦加球直观分析互感器中偏振光特性的方法，并利用此方法首先分析了这种互感器中最主要的问题，即线性双折射问题的影响，然后针对利用法拉第反射镜的光纤环式全光纤电

5、流互感器分析了法拉第反射镜的作用，并进一步提出了利用偏振复用技术解决线性双折射问题的方法。3、深入分析了单模-多模-单模（SMS）光纤结构的模式干涉原理，并重点对SMS光纤结构的温度交叉敏感特性进行了研究。结果表明多模光纤包层材料的热光效应和封装材料的热膨胀效应是影响其温度性能的两个最主要因素，从而为本工作制作的基于磁流体和SMS光纤结构的电流互感器的温度特性研究和温度补偿方法提供了支持和参考。4、基于磁流体的磁控折射率特性和吸收特性以及SMS光纤结构的多模干涉原理制作了磁流体式电流互感器，随后对所制作电流互感器的传感性能进行了测试，得到基于干涉光谱特征波长变化和传输损耗变化解调的电流检

6、测灵敏度分别为7.8pm/A（78pm/Oe）和0.0092dB/A（0.092dB/Oe）。5、对磁流体式电流互感器提出了两种改进其灵敏度的方法。一种是针对基于传输损耗变化解调电流信息的方式，提出了利用宽带光总范围内传输损耗变化代替单波长处传输损耗变化的方法，结果表明电流灵敏度至少提高到344倍。另一种是根据弯曲能够增加光纤倐逝场能量的原理，提出了利用U型弯曲SMS光纤结构提高电流检测灵敏度的方案，结果表明基于特征波长变化和传输损耗变化解调的U型结构电流互感器的灵敏度分别是直互感器灵敏度的4.3倍和4.0倍。关键词：光学电流互感器，磁敏材料，法拉第效应，磁流体，单模-多模-单模光纤结构

7、ABSTRACTOpticcurrentsensor(OCS)basedonmagneticsensitivematerialshasanumberofinterestingproperties,suchasinherentinsulation,safety,digitaloutput,etc..Thus,OCSisanimportantdevelopmentdirectionforthecurrentsensorandhasatt