舰船用全光纤电流互感器优化设计

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1、硕士学位论文舰船用全光纤电流互感器优化设计OPTIMUMDESIGNOFFIBEROPTICCURRENTTRANSFORMERFORSHIPS孙旭冉哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TH89学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工程硕士学位论文舰船用全光纤电流互感器优化设计硕士研究生：孙旭冉：导师：高：伟教授申请学位：工程：硕士学科：仪器仪表工程：所在单位：自动化测试与控制：系答辩日期：2018：年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学：ClassifiedIndex:TH89U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEng

2、ineeringOPTIMUMDESIGNOFFIBEROPTICCURRENTTRANSFORMERFORSHIPSCandidate：SunXuRanSupervisor：Prof.GaoWeiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：InstrumentandMeterEngineeringAffiliation：DepartmentofAutomaticMeasurementandControlDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinIns

3、tituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要自20世纪80年代以来，随着海军舰船向大型化、信息化及智能化发展，人们提出了新型舰船综合电力系统（IntegratedPowerSystem，IPS）。其中电流互感器能够和继电装置配合，在线路发生短路、过载等故障时，向继电装置提供信号以切断故障电路，保护供电系统的安全，是IPS电力控制模块综合保护环节的重要组成部分。但IPS采用全电力驱动的整体设计，测量范围更大、对电流互感器的体积要求更高，因此传统的电磁式电流互感器不再适用。全光纤光学电流互感器（Fiber-OpticCurrentTransformer，FOCT）基于法

4、拉第效应设计而成，以光纤为传感介质，具有绝缘性好、可靠性高、响应速度快、测量范围大、体积小重量轻、绿色环保等优势，是舰船用电流互感器的最佳选择，但目前对全光纤电流互感器的研究主要集中于电力系统领域，因此，结合舰船的特殊使用条件，研究舰船用FOCT具有十分重要的意义。本论文总结了全光纤电流互感器和舰船用光学电流互感器的研究现状，针对舰船用FOCT的振动问题、动态特性问题和不均匀磁场问题进行了优化，主要包括以下几个方面：（1）以抗振性能为主要考量因素，选取了舰船用FOCT的光路结构，并提出了优化方案。首先，利用琼斯矩阵建立了Sagnac型、Y波导共线型、直波导共线型三种不同结构的FOCT偏振特性

5、光路传输模型；然后，比较了三者的抗振动性能，发现Sagnac型抗线振动能力较好，共线型抗角振动能力较好；最后，结合舰船上实际的振动情况，选择直波导共线型为舰船用全光纤电流互感器方案，同时提出可通过减小延迟环长度的方式提高FOCT的抗振性能，并且在安装过程中应注意对FOCT水平和垂直两个方向上采取相同强度的抗振措施。（2）FOCT系统建模和设计。首先，在直波导共线型光路结构的基础上详细介绍了FOCT闭环调制解调方案，推导出了系统的闭环脉冲传递函数；然后，依据阶跃响应和闭环幅值特性进行了系统仿真和参数优化；最后，根据优化结果选择了合适的器件，设计了舰船用FOCT的信号处理模块。（3）建立传感光纤

6、环分布参数模型，分析导体偏心引起的不均匀磁场对FOCT的影响。首先，考虑了线性双折射和不均匀磁场对传感光纤环的影响，建立了更符合实际情况的传感光纤环分布参数模型；然后，考虑载流导线形状和大小对磁场分布的影响，以形心等效替代载流导体，分析了载流导体偏心引起的不均匀磁场对FOCT输出的影响；最后，对分布参数模型和偏心问题进行-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文了仿真分析。结果表明，当载流导体偏离圆心时，FOCT的比差相当于在标准比差的基础上叠加一个偏心比差，偏心比差与线性双折射大小、传感环匝数和偏心率均有关。而在现场安装时，应注意减小载流导线的偏心距离，对偏小角度的要求则可适当放宽。（4）以直波

7、导共线型光路结构和闭环调制解调方案为核心设计了舰船用FOCT样机，并对样机进行了性能测试。分别进行了基本参数测试实验、振动实验、动态特性实验和导体偏心实验。实验结果表明，该样机可以实现测量电流的基本功能，在测量大电流时可以达到《GB1208-2006电流互感器》中规定的0.2级准确级要求，同时具有良好的线性度和抗振性能，渡越时间为τ=1.40μs，响应时间为70μs，采样延迟为120μs。此外，载流导体的偏心