逆压电式光纤电压传感器温度误差机理与抑制方法研究

Optical voltage transformer is a new type of power system detection device which is competing research by most countries in the world. The polarization error and instability under the condition of temperature disturbance are one of the main reasons to restrict its development and practical application. In this project, the fiber optic voltage sensor based on the inverse piezoelectric effect is taken as the research object, the basic scientific research of the system’s polarization temperature stability will be conducted. The specific contents include: The temperature error mechanism will be analyzed indepth by the finite element transient thermal analysis method, and The output model of the system is established by matrix optics, then the influence of the optical path parameters on the output stability of the optical fiber voltage sensor will be studied. The photonic crystal fiber (PCF) will be used as the sensing fiber, and the fiber optic gyroscope (FOG) technology will be used to study the new structure and the new method to improve the temperature stability of optical fiber voltage sensor. In order to meet the need of long-term temperature stability of the system, the theoretical model of the special polarization maintaining photonic crystal fiber with anti environment temperature disturbance will be studied.The research of this project will provide a reliable theoretical basis for solving the bottleneck problem of temperature influence of optical fiber voltage sensor, and provide new research ideas and methods for promoting the development of optical voltage sensor. It also provides a reliable technical basis to promoting the construction of smart grid in China and to help it’s completing in the international market.

光学电压互感器是目前世界各国争相研究的一种新型的电力系统检测装置，温度扰动作用下的偏振误差和不稳定性一直是制约其发展和实用化的主要原因之一。本项目以基于逆压电效应的光纤电压传感器为研究对象，对系统的偏振温度稳定性进行基础科学研究。具体内容包括：采用有限元瞬态热分析法深入剖析系统温度输出误差的产生机理，利用矩阵光学法建立系统的输出模型，研究温度扰动下光路参数对光纤电压传感器输出稳定性的影响；采用保偏光子晶体光纤作为传感光纤，结合光纤陀螺技术，研究提高光纤电压传感器温度稳定性的新结构和新方法；针对系统长期温度稳定性的实际需求，研究具有抗环境温度扰动的特种保偏光子晶体光纤的理论模型。本项目的研究将为解决光纤电压传感器温度影响这一瓶颈问题提供可靠的理论基础，为推进光学电压传感器的发展提供新的研究思路与方法，同时也为推动我国智能电网的建设占领国际市场提供可靠的技术基础。

针对光学电压互感器温度扰动下的偏振误差和系统稳定性问题，项目以基于逆压电效应的全光纤电压传感器为研究对象，深入研究了系统热致误差产生机理，并提出相关抑制方法达到提高全光纤电压传感器系统温度稳定性的目的。为推进光学电压传感器的发展和应用提供了新的研究思路与方法。.首先，分析了基于逆压电效应的全光纤电压传感器的光路传感原理和电压敏感机理，并研究了温度扰动下光路参数对光纤电压传感器输出稳定性的影响，进而建立了系统非互易性误差数学模型，深入研究了传感头及系统关键光学器件的温度特性，得到了光路参数与系统输出误差之间的关系以及传感单元中影响系统检测精度的主要因素，为光路方案优化设计以及误差抑制研究提供理论指导。然后，根据关键光路参数与系统输出误差之间的关系，采用保偏光子晶体光纤作为传感光纤，结合光纤陀螺技术，达到抑制系统温度误差的目的。在此基础之上，提出了一种高温度稳定性、高偏振保持能力的五芯型保偏光子晶体光纤。最后，基于数字闭环检测技术建立了光纤电压传感器电路模型，并对模型进行了仿真分析。根据光纤电压传感器输出信号特点，完成了信号处理硬件电路设计及数字闭环系统的FPGA实现，实现了信号检测。基于逆压电效应的全光纤电压传感机理的研究结果，完成了光纤电压传感的光路设计方法，并完成了光学电压传感器的结构设计及制作。.完成了全光纤电压传感器试验样机的研制，进行了初步的动态温度性能验证。试验测试结果表明该光纤电压传感器传感头具有较好的抗环境温度扰动能力，全温实验中，系统比差小于0.2%，完成了研究目标并达到了设计要求。本项目共发表（含收录）科技论文15篇，其中SCI期刊论文13篇，EI期刊论文2篇；授权发明专利1项，公开发明专利2项，受理发明专利1项。