原创《光源波长和透光轴交角误差对MOCT的测量精度的影响分析》
本文是影响分析论文参考文献范文与[标。
【摘 要】 本文利用理论分析和仿真的方法研究了光源波长和透光轴交角误差对磁光式电流互感器（MOCT）的测量精度的影响.研究结果表明：光源波长的变化直接导致Verdet 常数的变化,透光轴交角误差使MOCT 的输出引入了直流分量和衰减,对MOCT 的测量精度产生了明显的影响.根据电子式电流互感器国家标准0.2 级和0.5 级的精度要求,推到出光源工作波长和透光轴交角允许变化的范围.该研究结果可为MOCT 的研究设计人员提供有用的参考.
【关键词】 MOCT 光源波长 透光轴交角误差 维尔德常数
一、引言
互感器是电力系统中进行电能测量和继电保护的重要装置设备,随着电力系统的发展,发电和输变电容量不断增加,电网电压不断提高及数字化变电站投入使用,对互感器提出了许多新的更加严格的要求,传统的电磁式互感器已越来越不能适应这种发展情况[1,2,3].电子式互感器（ECT）由于绝缘性能好、无磁饱和、动态测量范围大、频率相应宽、抗电磁干扰强、安全性能好、体积小、重量轻等优点比传统的电磁式互感器能更好的适应不断发展的电力系统.而基于法拉第(Faraday) 效应的磁光式电流互感器(MOCT) 由于灵敏度更好,测量准确度更高,测量频带更广,是未来互感器发展的主要方向之一,但MOCT 的测量精度受很多因素影响,影响其长期稳定工作,阻碍了其实用化.光源波长和透光轴交角误差是影响MOCT 测量精度的两个因素,因此需要将对这两个因素进行分析.
二、 磁光式电流互感器建模
Faraday 磁致旋光效应是指在光学各向同性的透明磁光材料中,外加磁场可以使在磁光材料中沿着平行磁场方向传播的线偏振光的偏振面发生旋转[6].MOCT 利用Faraday 效应对通过互感器中心的载流母线中电流进行测量,具体过程如下：光源发出的光束经起偏器后形成线偏振光进入磁光材料的传感头,线偏振光在磁光材料中绕载流导体一周,在磁场作用下其偏振面将发生旋转,通过对检偏器中输出线偏振光偏振面旋转角度进行测量可得出载流导体中电流大小.
根据Faraday 效应可知,偏振面的旋转角度θ 与载流导体中的电流i 关系如下：
V 为磁光材料的Verdet 常数,它与介质的特性、光源波长、外界温度等有关,H→ 为一次侧导线电流i 在光路上产生的磁场强度, 为磁光材料中的通光路径,式(1) 的积分只跟电流i 及磁光材料中的通光路径与载流导体的相对位置有关,测定θ 的大小就可测量出载流导体中的电流,见图1所示.
根据安培环路定律可知：
θ等于Vki （2）
k等于N1*N2, 式（2）中N1 为通过磁光材料载流导线的根数（每根载流导线中i 大小一致）；N2 为线偏振光环绕载流导体的环数；当载流导线个数为1 且光束环绕一周时,k等于1.
电子式互感器的二次转换器可将被测电流的光信号转为电信号,对于光信号转化为与载流导体中电流相对应的电信号目前采用较多的双光路检测法[8].这种方法是通过沃拉斯顿棱镜或偏振分束器作为检偏器将输出线偏振光分解为两束（如图2）,然后利用光电探测器及信号处理电路对光信号进行转化和处理得到包含被测电流信息的θ 值,从而求出一次电流信号.
具体实施过程如下：通过两个光电探测器探测两路光信号的输出光强并将输出光强转换为电信号,然后将两路电信号相减除以两路电信号相加,得出输出电压与导线电流之间的关系.如下公式：
式（14）是在理想状态下,输出信号的表达式.
三、 MOCT 相对误差分析
3.1 光源工作中心波长误差分析
磁光式电流互感器传感头材料的磁性跟Verdet 常数有关[9],根据材料的磁化特性,磁光材料分为抗磁性,顺磁性,铁磁性.虽然顺磁性和铁磁性材料的Verdet 常数远远大于抗磁性材料（Verdet 常数越大,互感器越灵敏度越高）,但其Verdet 常数受温度的影响也比较大.抗磁性材料的Verdet常数较小,但温度特性好,随温度变化小.选取抗磁性材料ZF–7 光学玻璃作为传感头材料,Verdet 常数计算公式如式（15）所示：
根据Sellmeier 色散公式[10],ZF-7 的光学玻璃的折射率如下：
式中B 1 等于 1 . 7 2 4 4 8 4 8 2 , B 2 等于 0 . 3 9 0 1 0 4 8 8 9 ,B3等于1.04572858,C1等于0.0134871947,C2等于0.0569318095,C3等于118.557185,λ 单位为微米,波长适用范围：248nm-2300nm.
由上述可知,Verdet 常数跟光学材料的折射率有关,而折射率又与光源发出的工作波长有关,故Verdet 常数可看作是波长的函数.Verdet 常数随着波长的增大而减小.当λ＜ 500nm 时,抗磁性玻璃的吸收系数比较大,选择光源波长的范围为550nm ～ 900nm 比较适合.
将式（15）带入式（14）可得：
目前,根据国标GBT 20840.8-2007 中对测量用电子式电流互感器准确级的规定,互感器标准准确级可分为：0.1,0.2,0.5,1,3,5 六类,其中应用最为广泛的为0.2 级和0.5 级.
根据上述条件,当透光轴交角及一次测电流不变的情况下,改变光源产生光束的波长会引起Verdet 常数发生变化从而给输出信号带来误差,设改变后的波长为λ+Δλ,误差大小如式（18）所示：
通过matlab 仿真计算光源中心波长在550nm ～ 900nm变化,输出信号相对误差分别满足国家标准0.2 级,0.5 级时Δλ 可允许变化的极限.如图(3) 所示：
图（3）中深颜色为满足国家标准0.5 级的各个工作波长可允许变化的Δλ 的极限值.浅颜色为精度满足国家标准0.2 级各个中心波长可允许变化的Δλ 极限值.从图中可以分析得到当中心波长变大时,可允许变化的Δλ 的变化也会增大.
3.2 透光轴交角? 误差分析
当激光源发出的光束工作波长为850nm 且一次侧电流为固定的稳态信号时,若起偏器与检偏器透光轴间交角存在一定误差,即? 等于 &plun;45° + Δ? （Δ? 值很小且正负皆可）.由此可得检偏器输出的两路光信号分别为[12]：
当一次被测电流为50Hz 稳态电流i 等于 2000 2 sin(100π t)时,选取额定电流2000A 为误差计算中的参考电流值,通过matlab 仿真计算可得出透光轴交角误差（精度为0.001°）对互感器输出信号大小及相对误差的影响如图4 所示：
利用matlab 软件仿真对交角误差变化与输出信号的相对误差之间关系进行分析,如图4 所示,交角误差与输出信号误差间成线性关系.
通过上图可以得,要使误差范围满足国家标准0.2 级别,Δ? 的变化不得超过&plun;0.007°；要使误差范围满足国家标准0.5 级别,Δ? 的变化不得超过&plun;0.016°.
3.3 光源波长和透光轴交角? 综合误差分析
当激光源发出的光束波长和起偏器与检偏器透光轴间交角的误差同时变化时,波长的可变化范围为激光器中心工作波长最大误差范围&plun;5nm,在满足国家标准0.2,0.5 级时,可得出Δ? 在波长变化为极限值的范围.
仍选取参考电流值为额定电流值2000A,通过matlab 实验仿真计算( 从550nm-900nm 每隔50nm 取一个中心工作波长) 得出如下表：
以中心工作波长为850nm 为例,通过matlab 仿真得出误差变化规律以及分别满足国家标准中0.2 级和0.5 级时波长和角度误差允许共同变化的区域,如图5 所示：
由图5 可知,当波长和Δ? 同时变化时,满足国家标准0.2 级的区域为图中浅颜色区域,满足国家标准0.5 级的区域为图中深颜色和浅颜色区域.
通过Matlab 在不同工作中心波长条件下进行仿真观察误差变化规律,可得出波长和Δ? 同时变化且满足国家标准0.2级和0.5 级时Δ? 的变化跟图5 的区域趋势相同,从表1 和图5 中可以看出Δ? 可允许变化区域的面积随着工作中心波长增大逐渐减小.
四、结论
本文通过理论分析和matlab 仿真实验对工作波长及起、检偏器透光轴交角对磁光式电流互感器输出信号的影响进行研究.结果表明,光源波长的变化会改变Verdet 常数,进而影响MOCT 的输出,同时起、检偏器的透光轴交角间误差引入了直流分量和衰减也影响MOCT 的输出,两者都会对MOCT 的测量精度产生明显的影响.本文根据国家标准准确级0.2 级与0.5 级的要求,得出光源工作波长和起、检偏器的透光轴交角允许变化的范围.在实际应用中,应该采取稳定光源波长,隔直和放大的相应措施保证磁光式电流互感器的测量精度.本文研究结果可为光学电流互感器的设计人员提供有用的参考.
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影响分析论文参考资料：
上文汇总,上述文章是一篇关于交角和测量精度和轴交角误差方面的影响分析论文题目、论文提纲、影响分析论文开题报告、文献综述、参考文献的相关大学硕士和本科毕业论文。
