光纖電流互感器光學組件壽命研究

高吉普，魯彩江，徐長寶，徐知芳，劉東偉

（1.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴州貴陽 550002；2.易能乾元（北京）電力科技有限公司，北京 100093）

光纖電流互感器光學組件壽命研究

高吉普1，魯彩江1，徐長寶1，徐知芳2，劉東偉2

（1.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴州貴陽 550002；2.易能乾元（北京）電力科技有限公司，北京 100093）

針對光纖電流互感器在電力應用中的長期可靠性問題，分析了其光學組件常見的失效模式，闡述了變比誤差等關鍵指標退化的規(guī)律。并引入peck加速模型，以溫度、濕度為應力因子，開展了三組不同應力水平下的加速壽命試驗。根據試驗數據計算得出光纖電流互感器光學組件的平均激活能約為0.63eV，推算出在正常工作環(huán)境下的壽命約為40.89年。

光纖電流互感器；光學組件；工作壽命；長期可靠性；加速壽命試驗；peck模型

近年來，隨著我國智能電網技術的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器已經不能適應設備數字化、智能化的進程，而新型的光纖電流互感器（FOCT）則以其絕緣性能優(yōu)良、無暫態(tài)磁飽和、無二次開路危險、不易受電磁干擾、動態(tài)測量范圍大、頻率響應寬、智能環(huán)保、易于數字化集成等優(yōu)點[1-3]成為在智能變電站中取代傳統(tǒng)電磁式電流互感器的理想設備。

據不完全統(tǒng)計，自2008年起，已有近2 000臺光纖電流互感器在各級變電站中投入試點應用，且集成了光纖電流互感器的智能隔離式斷路器設備已經用于國家新一代智能變電站的建設。但鑒于我國電力電網系統(tǒng)的復雜性，及電網停電帶來的巨大經濟損失，國家相關標準對電力用電流互感器設備的長期運行可靠性要求非常嚴格，如DL/T 725-2013《電力用電流互感器使用技術規(guī)范》中規(guī)定電流互感器使用壽命不低于30年。目前光纖電流互感器依然參照電子式電流互感器進行性能檢測及型式試驗，主要是對其準確度、絕緣耐壓、電磁兼容等指標進行考核，但對長期可靠性卻一直缺乏科學可行的測試方法。

本文針對長期工作壽命這個實際問題，深入分析了光纖電流互感器光學組件的失效模式，闡述了關鍵指標退化的規(guī)律。并結合peck加速模型，以溫度、濕度為應力因子，對光纖電流互感器的光學組件開展了加速壽命試驗，外推出了在正常工作環(huán)境下的壽命值。

1 失效模式分析

FOCT基于法拉第磁光效應的原理，利用特殊的傳感光纖檢測載流導線中的電流大小，主要由SLD光源、耦合器、偏振器、相位調制器、光電探測器、傳感單元以及電路板等組件構成[4-5]，如圖1所示。

圖1 FOCT系統(tǒng)組成圖Fig.1 FOCT System composition diagram

FOCT系統(tǒng)中各組件的性能及工作壽命是影響FOCT設備的長期可靠性的關鍵所在。由于電子元器件及電路板的平均壽命在電子行業(yè)已有共識，為15～20年[6-7]，無法達到30年的壽命要求，但電路組件通常安裝在低壓側，允許隨時故障檢修、更換，對智能變電站的運行影響不大；而光學組件通常安裝在高壓側，檢修、更換時必須讓高壓電網斷電才能進行，可見光學組件的壽命最終決定了FOCT設備的實際壽命，因此其工作壽命必須滿足智能變電站的應用需求。本文主要對FOCT光學組件的壽命進行深入研究。

經過對工程實踐中大量的測試數據、試驗現象進行統(tǒng)計、分析、研究，總結得出以下幾個常見的FOCT光學組件失效模式：

1.1 SLD光源失效

超輻射發(fā)光二極管（SLD）光源是與半導體激光光源類似的一種介于激光二極管（LD）和發(fā)光二極管（LED）之間的半導體非相干光源，基于InGaAsP/InP半導體材料的電致自發(fā)輻射原理制成，具有輸出光功率高、光譜寬、穩(wěn)定性好的特性，是目前光纖陀螺（FOG）和光纖電流互感器（FOCT）中普遍采用的理想光源[8]。

在FOCT系統(tǒng)中，SLD光源是所有光信號的源頭，從SLD光源發(fā)出的光經過在FOCT光路中傳播才能獲得與母線電流相關的檢測信號。當SLD光源出現無光、功率下降、波長漂移等故障時，FOCT系統(tǒng)的測量精度及穩(wěn)定性必然會出現異常。工程實踐統(tǒng)計發(fā)現，SLD光源失效在FOCT設備故障中所占比例高達50%，是影響FOCT工作壽命的主要原因之一。

1.2 傳感單元失效

傳感單元是FOCT系統(tǒng)的核心組件，主要由傳感光纖、反射鏡、1/4波片等組成，用于探測輸電線上電流感生的磁場強度。傳感單元的參數特性直接決定了FOCT系統(tǒng)的基本信噪比、測量范圍、準確度、全溫漂移量、抗電磁干擾能力等一系列的重要指標[9]。

目前主流的傳感單元制作方法是，在傳感光纖端面進行鍍膜制成反射鏡結構，在傳感光纖末端熔接一段1/4拍長的保偏光纖制作1/4波片結構。而通常傳感光纖的直徑僅僅為250 μm，因此整個生產過程需要在專業(yè)的光學平臺上進行操作，對工藝要求高，對質量控制嚴。但即便如此，在工程應用中傳感單元仍然會發(fā)生故障失效現象，主要表現為傳感光纖斷裂、傳感性能劣化；反射鏡脫落、反射率降低；1/4波片斷裂、全溫異常等等。

1.3 集成光學器件失效

偏振器、相位調制器及光電探測器等集成光學器件在FOCT系統(tǒng)中發(fā)揮著光學起偏、相位調制及光電轉換的作用，是閉環(huán)光學系統(tǒng)中不可或缺的組件。利用集成光學器件，可輕易實現系統(tǒng)的閉環(huán)反饋，極大地提高FOCT的動態(tài)響應速率和測量范圍。

近十年來國內光纖陀螺技術不斷突破，也帶動了集成光學器件的快速發(fā)展，目前國內工藝水平已接近國際先進水平，其可靠性也得以大幅提升，但偶爾的故障失效仍是存在的。據工程實踐統(tǒng)計，集成光學器件主要失效模式表現為尾纖耦合點斷裂、損耗增大、密封外殼漏氣等等。

1.4 光纖熔接點失效

FOCT的光路通常由分離的光源、分束器、偏振器、相位調制器、光電探測器等光學器件組成，各光學器件之間均采用尾纖熔接的方式實現光路的連通性。雖然目前用光纖熔接機熔接好的熔接點基本上都看不到任何斷面、氣泡、雜質等異常結構，但不代表熔接處與原光纖是完全一樣的，也不代表熔接點是不存在的。在高溫、高濕度等極端惡劣的工作環(huán)境下，光纖熔接點的脆弱性依然可能被激發(fā)出來，而導致熔接點斷裂、損耗變大、偏振串擾變大等故障失效。

2 加速壽命模型

FOCT設備在智能變電站需要長期帶電工作，要求光學組件的工作壽命不低于30年。但失效模式眾多，無法從單一的失效模式推導、計算出FOCT設備光學組件的實際壽命，當然也不可能真正用30年時間來做驗證試驗。因此，需要采用加速壽命試驗方法。

研究發(fā)現，溫度和濕度是導致FOCT光學組件故障失效的主要因素，因此也應是FOCT設備失效的主要因素。目前，常用的加速壽命模型主要有Arrhenius模型、逆冪律模型、Eyring模型、peck模型等等[10-11]，但分析發(fā)現，只有peck模型中同時以溫度和濕度為應力因子，適合用于FOCT光學組件的壽命分析，peck加速模型表達式有：

式中：A、m為系數；Ea為激活能，eV；k為玻爾茲曼常數，值為8.618×10-5eV/K；H為相對濕度；T為絕對溫度；L為壽命特征。

由Peck模型的表達式可以看出，式中含有溫度和相對濕度兩個應力因子，且當溫度和相對濕度越大，壽命特性則越小，符合FOCT光學組件的壽命特征。但在運用peck模型之前，我們需要做出以下幾點假設[12]：

1）FOCT設備光學組件的性能退化過程不可逆。

2）在每個應力水平下，FOCT設備光學組件的性能退化機理都相同。

3）FOCT設備光學組件的殘余壽命僅依賴于當時已累積失效部分和當時應力水平，而與累積方式無關。

3 試驗與分析

3.1 試驗設計

描述FOCT設備性能的主要參數有額定電流、變比、變比誤差、相位誤差、測量范圍等，其中變比誤差代表了FOCT的測量精度，通常以此為判斷設備性能是否合格的關鍵參數。在長期穩(wěn)定性試驗及壽命試驗中，變比誤差會逐漸變大，直至最終超出用戶所要求的誤差限值，導致不合格。

因此，變比誤差是能夠反映FOCT設備性能的退化程度，可選取變比誤差作為加速壽命試驗的性能參數。用戶要求FOCT設備變比誤差限值為±0.2%，因此，本文將失效判據定為變比誤差超出0.4%，而此時對應的失效時間即是在該應力環(huán)境下的壽命特征。

式（1）中，有A、m、Ea等3個未知量，因此至少需要對FOCT光學組件進行3組加速壽命試驗，將試驗的溫度、相對濕度分別選為：

1）溫度85℃、相對濕度85%。

2）溫度85℃、相對濕度70%。

3）溫度65℃、相對濕度85%。

3.2 數據分析

隨機選取3套FOCT樣機同時進行加速壽命試驗，將光學組件放置在3組加速壽命實驗環(huán)境下，給樣機配電后，用測試軟件采集各樣機的輸出，觀測其變比誤差的變化。試驗數據表明，隨著試驗時間的增加，3組試驗中樣品的變比誤差均有不同程度的變化，整體趨勢是越來越大，如圖2所示。

圖2 三組試驗數據Fig.2 Test data of three groups

如圖3所示，以溫度85℃、相對濕度85%條件下的試驗數據為例，在試驗初期的1 300 h以內，FOCT被測樣機的變比誤差基本沒有發(fā)生大幅的漂移，仍保持在0.1%以內；在試驗中期的1 300～1 800 h以內，變比誤差開始逐漸變大，最大變?yōu)?.2%；在試驗后期，變比誤差開始急劇變大，并逐漸逼近0.4%，在2 302 h時已經超出0.4%。

圖3 第一組試驗數據Fig.3 First group test data

3組試驗的壽命特征如表1所示，列方程組求解A、m、Ea等3個未知量。

表1 試驗數據表Tab.1 Test data table

通過計算，系數A值為0.043 87，m值為2.15，激活能Ea值為0.63eV。

3.3 正常工作壽命外推

將求解出的各未知量的值帶入式（1）中，推算在溫度25℃、相對濕度55%的正常工作條件下的壽命特性為：

可見，在正常工作條件下，FOCT設備光學組件的工作壽命可達358 200 h，約為40.89年，遠遠高于相關國家標準30年的要求值。

4 結論

本文研究分析了光纖電流互感器光學組件常見的故障失效模式，利用peck加速模型，開展了在不同應力水平下的加速壽命試驗。以光纖電流互感器的變比誤差超過0.4%為失效判據，試驗得出在各應力水平下的壽命特性值。通過求解方程組得到peck模型中各未知量的取值，并將這些值代入peck公式，外推出在正常工作環(huán)境下的光纖電流互感器光學組件的壽命約為40.89年。本試驗結論證實了我們光纖電流互感器的長期可靠性指標是能夠滿足電力應用的要求，也為今后工程實施提供了理論支撐。

[1]王巍，張志鑫，楊儀松.全光纖式光學電流互感器技術及工程應用[J].供用電，2009，26（1）:45-48.WANG Wei，ZHANG Zhixin，YANG Yisong.The fiber optical current transformer（FOCT）technology and it’s engineering application[J].Distribution&Utilization，2009， 26（1）:45-48（in Chinese）.

[2]王夏霄，張春熹，張朝陽，等.一種新型全數字閉環(huán)光纖電流互感器方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2006，30（16）: 77-80.WANG Xiaxiao，ZHANG Chunxi，ZHANG Chaoyang，et al.A new all digital closed-loop fiber optic current transformer[J].Automation of Electric Power Systems，2006，30（16）:77-80（in Chinese）.

[3]李緒友，郝金會，楊漢瑞，等.Sagnac環(huán)形電流互感器的原理與發(fā)展研究[J].光電工程，2011，38（7）:1-6.LI Xuyou，HAO Jinhui，YANG Hanrui，et al.Research and development of sagnac ringlike optic current sensor[J].Opto-Electronic Engineering，2011，38（7）:1-6（in Chinese）.

[4]裴煥斗，祖靜，陳鴻.全光纖電流互感器研究[J].電子測量與儀器學報，2008，22（4）:34-38.PEI Huandou，ZU Jing，CHEN Hong.Research on all fiber-optical current transducer[J].Journal of Electronic Measurementand Instrument，2008，22（4）:34-38（in Chinese）.

[5]李傳生，張春熹，王夏霄，等.反射式Sagnac型光纖電流互感器的關鍵技術[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，37（12）: 104-108.LI Chuansheng，ZHANG Chunxi，WANG Xiaxiao，et al.Key techniques of reflective sagnac interferometer-type fiber optic current transformers[J].Automation of Electric Power Systems，2013，37（12）：104-108（in Chinese）.

[6]呂衛(wèi)民，胡冬，謝勁松.基于失效物理的電路板壽命預測案例研究[J].電子科技大學學報，2013，42（2）：635-640.Lü Weimin，HU Dong，XIE Jinsong.Case study on prognostics technique based on PoF to predict life of PCB[J].Journal of University of Electronic Science and Technology of China，2013，42（2）:635-640（in Chinese）.

[7]謝定君，王暢，謝勁松.電路板焊點在工程環(huán)境條件下壽命分析[J].電子質量，2013（5）:20-24.XIE Dingjun，WANG Chang，XIE Jinsong.Board level solder joint life prediction under engineering environmental conditions[J].Electronics Quality，2013，（5）:20-24（in Chinese）.

[8]王貴甫，賀安之，李振華，等.SLD光源對光纖陀螺性能的影響[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（6）:28-33.WANG Guifu，HE Anzhi，LI Zhenhua，et al.SLD effect on the performance of fiber optic gyro[J].Transducer and Microsystem Technologies，2006，25（6）:28-33（in Chinese）.

[9]王景飛，梁京偉，董前民.反射式Sagnac干涉光纖電流互感器的傳感頭誤差研究[J].激光與光電子學進展，2011（10）:161-166.WANG Jingfei，LIANG Jingwei，DONG Qianmin.Study of sensing coil errors in in-line Sagnac interferometer current transducer[J].Laser&Optoelect ronics Progress，2011（10）:161-166（in Chinese）.

[10]茆詩松.加速壽命試驗的加速模型[J].質量與可靠性，2003（2）:15-17.MAO Shisong.The acceleration model of accelerated life test[J].Quality and Reliability，2003（2）:15-17（in Chinese）.

[11]李曉陽，姜同敏.加速壽命試驗中多應力加速模型綜述[J].系統(tǒng)工程與電子技術，2007，29（5）:828-831.LI Xiaoyang，JIANG Tongmin.Review of multiple-stress models in accelerated life testing[J].Systems Engineering and Electronics，2007，29（5）:828-831（in Chinese）.

[12]馬靜，苑丹丹，晁代，等.基于漂移布朗運動的光纖陀螺加速貯存壽命評估[J].中國慣性技術學報，2010，18（6）:756-760.MA Jing，YUAN Danan，CHAO Daihong，et al.Accelerated storage life evaluation of FOG based on drift Brownian movement[J].Journal of Chinese Inertial Technology，2010，18（6）:756-760（in Chinese）.

（編輯 李沈）

Study on the Life of the Optical Components of the Fiber Optic Current Transformer

GAO Jipu1，LU Caijiang1，XU Changbao1，XU Zhifang2，LIU Dongwei2
（1.Guizhou Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co.，Ltd.，Guiyang 550002，Guizhou，China；2.Enerxy Qianyuan（Beijing）Electric Power Technology Co.，Ltd.，Beijing 100093，China）

In view of the long-term reliability of the fiber optic current transformer in its application in the electric power industry，this paper analyzes some common failure modes of the optical components and expounds the law of degradation of key parameters such as transformation ratio error.Peck accelerating model is introduced with temperature and humidity as the stress factors，and accelerated life tests of three groups of different stress levels are carried out.According to the test data，the activation energy of the optical components is calculated to be about 0.63eV，and thus the life inferred in the normal working environment is about 40.89 years.

fiber optic current transformer；optical components；working life；long term reliability；accelerated life test；peck mode

2016-01-25。

高吉普（1982—），男，工學碩士，工程師，從事數字化變電站和智能變電站相關研究；

魯彩江（1986—），男，工學博士，工程師，從事電子式互感器技術研究；

徐長寶（1977—），男，工學碩士，高級工程師，從事數字化變電站技術研究；

徐知芳（1983—），男，工學碩士，工程師，從事全光纖電流互感器技術研究；

劉東偉（1978—），男，工學碩士，高級工程師，從事全光纖電流互感器技術研究。

中國博士后基金（2014M562410）。

Project Supported by the China Postdoctoral Science Foundation（2014M562410）.

1674-3814（2016）11-0135-04

TM452+.94

A