閉環(huán)全光纖電流互感器溫度補(bǔ)償方法研究

陳旭宇,黃 堃,曾中梁,曾夢妤,趙 俊,孫小菡

(1.廣東電網(wǎng)責(zé)任有限公司佛山供電局,廣東 528000;2.國電南瑞科技股份有限公司,南京 211106; 3.東南大學(xué)光傳感/通信綜合網(wǎng)絡(luò)國家(地方)聯(lián)合工程研究中心,南京 210012)

隨著變電站自動化技術(shù)的深入發(fā)展,出現(xiàn)了一次、二次設(shè)備相互滲透、融合的新型智能化一次設(shè)備[1]。用電子式互感器取代傳統(tǒng)的電磁式互感器,以光纖傳輸數(shù)字信號,就地集成繼電保護(hù)、測控功能,與斷路器或全封閉組合電器結(jié)合,形成新一代智能化一次設(shè)備,可增強(qiáng)變電站自動化系統(tǒng)實時監(jiān)視和控制的可靠性、靈活性,降低建設(shè)和運(yùn)行投資,方便維護(hù)[3]。

電子式互感器包括無源電子式互感器和有源電子式互感器。全光纖電流互感器FOCT(all-Fiber Optical Current Transformer)屬于無源電子式互感器,在高壓端不存在電子元器件,無需供電,絕緣結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)行可靠,抗干擾能力強(qiáng),無磁飽和和鐵磁諧振,具有體積小、動態(tài)測量范圍大、響應(yīng)頻帶寬、可測交直流信號等優(yōu)點,成為現(xiàn)階段電力行業(yè)電流信號采集方案的研究熱點[5]。

環(huán)境溫度是影響FOCT測量準(zhǔn)確度的主要因素[8],提高FOCT的溫度特性是其工程化及實用化必須要解決的問題。FOCT的信號采集單元一般置于變電站控制室屏柜或帶溫控的戶外柜內(nèi),工作溫度比較穩(wěn)定。受環(huán)境溫度影響較大的主要是一次傳感頭部分,包括1/4波片、傳感光纖及反射鏡[11]。

本文研究了1/4波片長度及傳感光纖Verdet常數(shù)對FOCT系統(tǒng)溫度性能的影響,通過仿真分析及試驗測試,找到了提高系統(tǒng)溫度性能的最佳1/4波片切割長度,提高了FOCT系統(tǒng)全溫范圍內(nèi)的測量準(zhǔn)確度。

1 全光纖電流互感器

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

FOCT的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全光纖電流互感器結(jié)構(gòu)圖

寬譜光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器及起偏器后,形成線偏振光。線偏振光以45°角進(jìn)入相位調(diào)制器后,分成正交的兩束線偏光分別沿保偏光纖的快、慢軸傳輸。兩束線偏光經(jīng)過1/4波片后,分別變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光,進(jìn)入傳感光纖。Faraday磁光效應(yīng)使兩束圓偏光之間產(chǎn)生與被測電流大小成正比的非互易Faraday相移。兩束圓偏振光經(jīng)反射鏡反射后,偏振模式互換,并再次穿過傳感光纖,使產(chǎn)生的非互易相移加倍。兩束圓偏振光再次通過1/4波片后,恢復(fù)為線偏振光。經(jīng)過起偏器后,攜帶相位信息的干涉光由環(huán)形器送往采集單元,結(jié)合閉環(huán)信號解調(diào)算法解調(diào)出被測電流信息。

1.2 閉環(huán)信號解調(diào)算法

根據(jù)閉環(huán)解調(diào)算法,光電探測器輸出的電壓信號為[14]:

(1)

式中:K為光電轉(zhuǎn)換系數(shù),P0是SLD光源的輸出光功率,β是光纖的傳輸損耗,φf是法拉第相移,φs是方波偏置相位±π/2,φJ(rèn)為閉環(huán)實時反饋相位。

在方波調(diào)制信號的正半周期,φS=π/2,光探測器輸出的電壓信號為:

(2)

在方波調(diào)制信號的負(fù)半周期,φS=-π/2,光探測器輸出的電壓信號為:

(3)

將上面兩式相減可得:

ΔU=KβP0sin(φf+φJ(rèn))

(4)

從式(4)可以看出,光探測器的輸出電壓信號的直流偏置部分被消除。通過閉環(huán)實時反饋系統(tǒng)引入補(bǔ)償相移φJ(rèn),使得φJ(rèn)=-φf,可抵消電流引起的非互易相移,提高系統(tǒng)的線性度和動態(tài)范圍。通過檢測補(bǔ)償相移,可獲得電流輸出。

2 FOCT的溫度誤差因素分析

2.1 理論建模

1/4波片以一定的角度與保偏光纖熔接,相應(yīng)的瓊斯矩陣為[15]:

(5)

式中:δ為1/4波片的相位延遲,θ為對軸角度,理想為45°。

由式(5)可得系統(tǒng)的干涉輸出光強(qiáng)[15]:

(6)

式中:ψm(t)=φJ(rèn)+φs。

令

h=1-sinδsin(2θ)

(7)

Id=K[1±hsinφf±(1-h)sin(4NVI-φJ(rèn))]

當(dāng)系統(tǒng)滿足閉環(huán)條件時,干涉信號的交流分量為0,所以:

φf=φJ(rèn)=(1+h)4NVI

(8)

由式(8)可以看出,影響全光纖精度的主要因素是1/4波片和Verdet常數(shù)V。

2.2 1/4波片的溫度特性分析

偏振光在保偏光纖中傳播時,兩個模式光之間的相位延遲為:

(9)

式中:Lp為保偏光纖的拍長,l為波片長度。對于理想的1/4波片,l=Lp/4,其相位延遲為π/2。當(dāng)溫度變化時,1/4波片的相位延遲會產(chǎn)生偏移,由文獻(xiàn)[16]可知:

(10)

式中:δ0為初始相位延遲。圖2為δ隨溫度T變化關(guān)系圖?？梢钥闯?δ隨著溫度T的升高而降低。

圖2 δ隨溫度T變化關(guān)系圖

2.3 Verdet常數(shù)的溫度特性分析

Verdet常數(shù)V與材料的性質(zhì)及光波頻率有關(guān)。Verdet受溫度T影響滿足式(11):

(11)

式中:V0為初始Verdet常數(shù)。圖3為V隨T變化關(guān)系圖?？梢钥闯?V隨著溫度T的升高而升高。

圖3 V隨溫度T變化關(guān)系圖

圖4 實現(xiàn)實時補(bǔ)償時相移δ取值

2.4 FOCT的溫度補(bǔ)償措施

由圖2、圖3可以看出,溫度對Verdet常數(shù)和1/4波片相位偏移產(chǎn)生的影響趨勢相反。本文仿真分析了溫度變化時,Verdet常數(shù)和波片對系統(tǒng)測量誤差的影響,結(jié)果如下圖所示,其中標(biāo)度因數(shù)SF表示測量值與實際值之間的比值,即

SF=4NV(1+h)

(12)

圖為標(biāo)度因數(shù)變化值ΔSF隨1/4波片相位延遲δ變化關(guān)系圖。當(dāng)ΔSF=0時,誤差最小,補(bǔ)償效果最好。從仿真結(jié)果看出,當(dāng)δ=103°時,ΔSF=0,此時補(bǔ)償效果最好。

圖為溫度補(bǔ)償前后標(biāo)度因數(shù)SF的大小。根據(jù)圖4的結(jié)果,分別測試了δ=103°和δ=101°時SF的大小,并與未進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果進(jìn)行對比。

仿真結(jié)果表明,當(dāng)波片相移為在101°～103°之間時,FOCT的系統(tǒng)誤差受溫度的影響顯著降低。

圖5 溫度補(bǔ)償前后誤差

3 樣機(jī)及試驗測試

3.1 試驗參數(shù)

由于橢圓芯保偏光纖相對于熊貓型及領(lǐng)結(jié)型保偏光纖具有更好的溫度特性,本文采用拍長為8.4 mm的橢圓芯保偏光纖制作1/4波片,在-40 ℃～70 ℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了試驗測試,如圖6所示。

圖6 溫度試驗圖

試驗溫度變化規(guī)律如圖所示,試驗電流為200 A,測試1/4波片長度分別為2.1 mm,2.2 mm,2.3 mm,2.4 mm,2.5 mm。

3.2 試驗結(jié)果

圖為光纖傳感環(huán)在不同長度1/4波片條件下,系統(tǒng)的溫度試驗結(jié)果。

從試驗結(jié)果可以看出,1/4波片的長度為2.3 mm和2.4 mm時,系統(tǒng)的溫度性能最好。其中,2.4 mm波片系統(tǒng)不管在高溫區(qū)還是低溫區(qū),比差都大于0。

由式(9)可知,在拍長為8.4 mm時,2.4 mm波片的相移為102.86°,該長度在101°～103°范圍內(nèi),試驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

圖7 溫度變化過程

圖8 不同長度下的比差

4 總結(jié)

本文深入分析了閉環(huán)FOCT的溫度誤差因素,建立了系統(tǒng)的溫度誤差分析模型,從理論上計算了溫度變化時Verdet常數(shù)和1/4波片引入的誤差大小,并在此基礎(chǔ)上研究了通過改變1/4波片長度實現(xiàn)對Verdet常數(shù)的溫度補(bǔ)償方案。完成了樣機(jī)研制、仿真分析及試驗測試,找到了最佳的1/4波片長度,大大提高了FOCT系統(tǒng)在全溫度范圍內(nèi)的測試精度。