● 摘要
随着电力系统电压等级不断提高，光学电压传感器以其显著的优点取代传统的电磁式电压传感器已成为必然趋势。但目前光学电压传感器系统还存在诸多问题，从光路上看，主要是光路器件的温度特性无法达到全温范围内的精度要求，具体到传感晶体部分，则是晶体生长和切割工艺引入的双折射噪声会随温度变化。另外，现有光学电压传感器的传光光路不具备抗干扰的能力。本文设计的光学电压传感器采用反射式结构；并创新性的在传感晶体之前加入了法拉第非互易旋光器件，使相干长度小的SLD作为光源应用于具有延迟光缆的光学电压传感器成为可能，并且实现了传光光路的互易结构，使光路系统具有较好的互易性和抗干扰能力。电路部分采用全数字闭环检测系统，提高了系统的灵敏度。论文的主要工作包括：1、确定了光学电压传感器的光路方案，在理论上，使用矩阵方法分析了在光路中使用法拉第旋光器件的可行性；并通过实验，验证了方案的可行性。2、仔细分析了锗酸铋晶体的物理性质和光学性质，确定传感晶体的工作方式和加工方案；设计了安装传感晶体的绝缘容器；研究了法拉第效应的基本原理，设计了将法拉第旋光镜和渐变折射率透镜组合在一起的结构——法拉第准直旋光器。3、利用琼斯矩阵分析了传感晶体对轴不准确时对干涉信号的影响，并以此为根据提出了调整光路时的检测标准。理论推导了法拉第旋光镜偏转角度不准对系统的影响，提出了降低法拉第旋光器件温度误差的建议。4、根据晶体内电场和电荷漂移理论，总结了使用光学方法测试直流信号时精度低的原因，在理论上提出了解决的方法。以上结果表明，使用法拉第旋光镜的光路系统能够抑制传光光路干扰，并且配合了方波调制解调方案。以上的实用化研究将加速光学电压传感器的产业化进程。