全光纖電流互感器在直流輸電工程中的運(yùn)行維護(hù)

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，南京 211102）

0 引言

FOCT（全光纖電流互感器）是直流輸電工程中重要的測(cè)量設(shè)備之一，主要用途包括為直流系統(tǒng)控制保護(hù)、交流及直流濾波器保護(hù)、故障錄波等采集電流值，因此，其測(cè)量準(zhǔn)確度直接關(guān)系著直流換流站的穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。相對(duì)于常規(guī)電磁式電流互感器，F(xiàn)OCT 優(yōu)勢(shì)顯著：絕緣性能優(yōu)良，無(wú)油、氣等絕緣介質(zhì)，安全性能高；基于法拉第磁光效應(yīng)，故障瞬間無(wú)磁飽和問(wèn)題；輸出值為數(shù)字信號(hào)，不存在二次側(cè)開(kāi)路過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)[3]?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，F(xiàn)OCT 在特高壓直流輸電工程領(lǐng)域應(yīng)用愈加廣泛，并將成為電力系統(tǒng)電流測(cè)量裝置發(fā)展趨勢(shì)[4]。

國(guó)內(nèi)外專家對(duì)FOCT 原理及其應(yīng)用展開(kāi)了深入研究，文獻(xiàn)[5]利用龐加萊球理論及瓊斯矩陣分析FOCT 測(cè)量精度及線性度影響因素；文獻(xiàn)[6]分析了光回路和調(diào)制回路對(duì)二次諧波影響的基本規(guī)律；文獻(xiàn)[7]分析環(huán)境溫度、光纖彎曲度、纏繞匝數(shù)等因素對(duì)FOCT 測(cè)量性能影響并提出優(yōu)化方案；文獻(xiàn)[8]詳細(xì)分析了一起FOCT 故障的原因并提出反措建議；文獻(xiàn)[9]通過(guò)分析故障波形排查FOCT 測(cè)量電流異常原因；文獻(xiàn)[10]分析FOCT 測(cè)量故障引起保護(hù)動(dòng)作的原因并提出解決方案。前述研究集中于提高FOCT 測(cè)量精度、穩(wěn)定性和故障原因分析3 個(gè)方面，而結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)FOCT 工作狀態(tài)、故障快速定位及消缺是目前現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維亟需解決問(wèn)題。

基于上述問(wèn)題，本文針對(duì)換流站FOCT 常見(jiàn)故障進(jìn)行了理論分析，指出實(shí)時(shí)參數(shù)與各類故障間的內(nèi)在聯(lián)系，并利用實(shí)際故障案例驗(yàn)證各參數(shù)異常對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，從而為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維檢修人員判斷FOCT 實(shí)時(shí)狀態(tài)、故障排查提供理論依據(jù)，并提出建議，對(duì)換流站安全穩(wěn)定運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

1 FOCT 工作原理

圖1 為FOCT 原理示意，位于電子單元內(nèi)的LED 光源發(fā)出寬譜光經(jīng)過(guò)光纖耦合器后進(jìn)入調(diào)制罐，罐內(nèi)光纖偏振器將光源變?yōu)榫€偏振光。線偏振光經(jīng)光纖45°熔接點(diǎn)之后進(jìn)入保偏光纖，分解成兩束偏振方向相互正交的線偏振光，傳播過(guò)程中兩束線偏振光受到調(diào)制器的前向調(diào)制作用，引入調(diào)制相差。兩束線偏振光經(jīng)1/4 波片后，分別轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮龍A偏振光和右旋圓偏振光。當(dāng)這兩束圓偏振光通過(guò)傳感光纖線圈時(shí)，由于法拉第磁光效應(yīng)，兩束圓偏振光之間將產(chǎn)生相位差。

圖1 反射式FOCT 的原理

兩束圓偏振光傳輸至傳感光纖未端，由于末端反射的作用偏振態(tài)將發(fā)生翻轉(zhuǎn)并按原光路返回，再次經(jīng)過(guò)傳感光纖，兩束光之間的相位差加倍。再次經(jīng)過(guò)1/4 波片時(shí)，圓偏振光被轉(zhuǎn)換為兩束模式正交的線偏振光，且輸出光偏振與輸入光的線偏振方向發(fā)生互換。輸出線偏振光再次受到相位調(diào)制器的后向相位調(diào)制，產(chǎn)生了非對(duì)易的相差，最后攜帶法拉第相差和調(diào)制差的兩束偏振光在光纖起偏器處發(fā)生干涉。

干涉光進(jìn)入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，將電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理并測(cè)量出調(diào)制頻率的諧波信號(hào)大小，最終計(jì)算出待測(cè)電流的值。

2 FOCT 故障原因分析

在換流站中，OWS 監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)顯示站內(nèi)FOCT 多項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，圖2 為500 kV 濾波器場(chǎng)中FOCT 監(jiān)控界面，監(jiān)控內(nèi)容包括LED 驅(qū)動(dòng)電流、光源溫度、最大輸入光強(qiáng)、調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電壓、光的二次諧波等參數(shù)。運(yùn)行人員可通過(guò)各參數(shù)值判斷FOCT 運(yùn)行狀態(tài)，但參數(shù)發(fā)生異常時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確定位故障位置，通常只能在事故后對(duì)故障原因展開(kāi)分析。

圖2 運(yùn)維人員實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018 年至今，某換流站多次出現(xiàn)FOCT 測(cè)量結(jié)果異常而引起跳閘或告警事件，對(duì)故障原因進(jìn)行歸納總結(jié)，主要分為3 類：光源溫度異常引起數(shù)據(jù)無(wú)效、光路故障引起數(shù)據(jù)異常、調(diào)制回路故障引起數(shù)據(jù)異常。

經(jīng)過(guò)梳理，發(fā)生不同故障時(shí)，前述運(yùn)行參數(shù)變化也存在區(qū)別，下文將從理論角度分析各類故障與監(jiān)視參數(shù)間的聯(lián)系，以便于提前判斷并定位故障缺陷，消除事故隱患。

2.1 光源溫度影響

LED 光源工作溫度超過(guò)芯片承載溫度，不僅導(dǎo)致光源發(fā)光效率快速降低而產(chǎn)生明顯的光衰[11]，同樣會(huì)改變光纖維爾德系數(shù)[12]。由文獻(xiàn)[13]可知，F(xiàn)OCT 的測(cè)量原理為磁光效應(yīng)，即高壓導(dǎo)線中通過(guò)電流會(huì)在周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)光在該磁場(chǎng)中傳播會(huì)產(chǎn)生偏振面偏轉(zhuǎn)。依據(jù)法拉第效應(yīng)可知，相位偏移角ΔΨ 為：

式中：V 為光纖維爾德系數(shù)；N 為光纖傳感環(huán)圈數(shù)；I 為高壓導(dǎo)線中的被測(cè)電流值。

圖2 所示監(jiān)控界面中光源溫度表示LED 光源工作環(huán)境溫度，由TEC（光源溫度控制器）實(shí)時(shí)控制。若光源無(wú)法工作在合適溫度下，則會(huì)改變光纖維爾德系數(shù)V，影響相位偏移角度ΔΨ 的準(zhǔn)確性，從而引起電流測(cè)量值異常。

2.2 光路故障影響

光路故障直接影響光的傳播，目前分析光路傳輸較常采用的方法有：有限元數(shù)值分析法[12]、極化率張量和麥克斯韋方程組聯(lián)立法[13]、瓊斯矩陣?yán)碚摲╗14]等。瓊斯矩陣法是一種簡(jiǎn)化分析偏振光傳輸計(jì)算的方法，利用較為簡(jiǎn)練的矩陣形式及運(yùn)算，對(duì)偏振片、保偏光纖、1/4 波片等各階段均可以采用矩陣形式表示[14]。在經(jīng)過(guò)前述傳輸過(guò)程后，進(jìn)入光電探測(cè)器的光振幅Eout可表示為：

式中：GP為起偏器矩陣；G45為45°熔接點(diǎn)矩陣；G1/4為λ/4 波片矩陣；Gf1out為入射時(shí)的Faraday 效應(yīng)矩陣；Gm為反射鏡矩陣；Gf1in為反射時(shí)的Faraday 效應(yīng)矩陣；Ein為入射光矩陣。

進(jìn)入光電探測(cè)器的光強(qiáng)度Iout為：

式中：I0為入射光光強(qiáng)；K 為探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換系數(shù)；L 為光路傳輸系數(shù)。I0由圖2 所示LED 驅(qū)動(dòng)電流決定，當(dāng)光源老化引起入射光光強(qiáng)降低時(shí)，會(huì)通過(guò)提高LED 驅(qū)動(dòng)電流保證足夠光強(qiáng)。而進(jìn)入光電探測(cè)器的光強(qiáng)度Iout與輸入最大光強(qiáng)相關(guān)，以確保采樣準(zhǔn)確度。

由式（1）及式（3）可知，若偏移角ΔΨ 和系數(shù)K 未受影響，為保證Iout為正常值，L 將直接決定I0強(qiáng)度，當(dāng)光路損耗增大時(shí)L 會(huì)減小，必定會(huì)引起LED 驅(qū)動(dòng)電流增大。若光纖出現(xiàn)局部彎曲嚴(yán)重、熔接點(diǎn)存在漏光或斷裂等故障時(shí)，光回路傳輸系數(shù)L 顯著減小，則無(wú)法通過(guò)增大LED 驅(qū)動(dòng)電流保證Iout為正常值，此時(shí)最大輸入光強(qiáng)也將明顯降低。

因此，LED 驅(qū)動(dòng)電流與最大輸入光強(qiáng)可綜合判斷光回路是否存在故障。

2.3 調(diào)制回路影響

由于互感器響應(yīng)與相位偏移量余弦函數(shù)成正比，當(dāng)相位偏移量較小時(shí)余弦函數(shù)處于靠近零點(diǎn)處不敏感區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致被測(cè)電流較小時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確[6]。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常在光信號(hào)傳輸過(guò)程中引入了調(diào)制回路，使相位偏移的余弦函數(shù)形式發(fā)生變化，遠(yuǎn)離零點(diǎn)處，以保證測(cè)量數(shù)值準(zhǔn)確性。

較為常用的調(diào)制方法為基于PZT（壓電陶瓷）相位調(diào)制器的正弦波調(diào)制法，屬開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)[6]。設(shè)置正弦波調(diào)制偏置角度為φ（t）=φωsinωt，而在光纖傳輸中存在τ 延時(shí)，因此經(jīng)過(guò)正弦波調(diào)制后探測(cè)器的輸出信號(hào)為：

式（4）所示經(jīng)正弦波調(diào)制后光電探測(cè)器輸出信號(hào)可展開(kāi)為貝塞爾函數(shù)形式，函數(shù)由無(wú)窮次諧波組成的，每個(gè)諧波中都包括相位偏移ΔΨ 的有效信息，且基波S1與二次諧波幅值S2分別為：

設(shè)定調(diào)制系數(shù)φe=2φωsin（ωτ/2），式（5）中貝塞爾系數(shù)Jn為：

取基波S1與二次諧波S2的幅度比值可以得到：

結(jié)合式（1）與式（7）可計(jì)算出被測(cè)電流I 為：

從式（8）可以看出，在光源及光傳輸回路正常的前提下，被測(cè)電流I 的大小與基波幅度S1、二次諧波幅度S2和調(diào)制系數(shù)φe有關(guān)。其中，如圖2 所示，調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電壓決定了調(diào)制系數(shù)φe，而光的二次諧波影響S2的幅值，因此，可根據(jù)上述兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)值來(lái)判斷故障原因是否與調(diào)制回路相關(guān)。

結(jié)合前述分析可知，圖2 所示LED 驅(qū)動(dòng)電流、光源溫度、最大輸入光強(qiáng)可表征光源及傳輸回路狀態(tài)；光的二次諧波、調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電壓可用于判別測(cè)量結(jié)果異常是否由調(diào)制回路引起。表1所示為各參數(shù)表達(dá)含義及正常運(yùn)行值，有利于換流站運(yùn)維檢修人員輔助判斷FOCT 運(yùn)行工況及缺陷處理。

表1 各參數(shù)表達(dá)含義及正常運(yùn)行值

3 故障案例分析

為驗(yàn)證前述章節(jié)理論分析的準(zhǔn)確性，本節(jié)將結(jié)合3 組實(shí)際案例予以詳細(xì)分析。

3.1 光源故障引起數(shù)據(jù)異常

后臺(tái)極Ⅰ極保護(hù)系統(tǒng)A 報(bào)“直流濾波器低壓側(cè)電流測(cè)量故障”“極Ⅰ中性線差動(dòng)保護(hù)AⅠ段Z閉鎖投入（消失）”等事件，共瞬時(shí)復(fù)歸產(chǎn)生兩次，機(jī)箱前面板MR 告警指示燈常亮。檢查電子單元機(jī)箱告警記錄發(fā)現(xiàn)，后臺(tái)告警的測(cè)點(diǎn)在相應(yīng)時(shí)刻時(shí)，電子單元存在告警記錄，同時(shí)該機(jī)箱3 個(gè)測(cè)點(diǎn)均反復(fù)產(chǎn)生“TEC Temperature High MR”“TEC Temperature Low MR”，且最后一次告警后長(zhǎng)時(shí)間未復(fù)歸。

現(xiàn)場(chǎng)檢查各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài)量，光源環(huán)境溫度異常，3 個(gè)測(cè)點(diǎn)TEC 值如表2 所示，已明顯高于正常工作值25 ℃。

表2 3 個(gè)測(cè)點(diǎn)TEC 溫度值

TEC 主要作用是制冷以保證光源溫度穩(wěn)定在正常值，而現(xiàn)場(chǎng)TEC 工作電壓達(dá)到限制值3.838 V，已無(wú)法通過(guò)提高電壓來(lái)達(dá)到制冷的目的。

綜上判斷本次故障原因?yàn)門(mén)EC 故障引起光源環(huán)境溫度異常，從而導(dǎo)致FOCT 數(shù)據(jù)無(wú)效而報(bào)警，極易引起相關(guān)保護(hù)退出或者保護(hù)誤動(dòng)，需盡快更換該電子單元內(nèi)光源板卡。

3.2 光路故障引起數(shù)據(jù)異常

現(xiàn)場(chǎng)報(bào)“第1 小組接地側(cè)光CT 電子機(jī)箱輕微故障”告警，約35 min 后復(fù)歸?，F(xiàn)場(chǎng)檢查該電子單元機(jī)箱前面板“需要檢修”告警指示燈常亮，機(jī)箱狀態(tài)量參數(shù)顯示LED 驅(qū)動(dòng)電流、最大輸入光強(qiáng)、光的二次諧波等參數(shù)異常，光源溫度及調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電壓參數(shù)正常，狀態(tài)量記錄如表3 所示。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)量顯示，光源溫度正常及調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電壓正常，LED 驅(qū)動(dòng)電流顯著增加，且最大輸入光強(qiáng)明顯偏低，光的二次諧波值也偏低。

當(dāng)光傳輸回路異常時(shí)，會(huì)引起傳輸系數(shù)L 變小，而此時(shí)增加LED 驅(qū)動(dòng)電流也無(wú)法保證最大輸入光強(qiáng)恢復(fù)正常值，導(dǎo)致進(jìn)入光電探測(cè)器信號(hào)值減小而引起光的二次諧波偏低。初步判斷為光回路故障，因此重點(diǎn)檢查該光纖傳輸回路狀態(tài)。

表3 電子單元機(jī)箱狀態(tài)量記錄一

對(duì)故障相（C 相）和正常相（B 相）外部光回路分別做OTDR 測(cè)試，波形如圖3 所示。

圖3 光回路OTDR 波形

由波形對(duì)比判斷，在虛線框內(nèi)，故障相波形損耗明顯高于正常相，因此判斷光回路出現(xiàn)故障。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，故障點(diǎn)距離保偏光纖與單模光纖的熔點(diǎn)約30 m，故障原因?yàn)楣饫w彎折。

3.3 調(diào)制回路故障引起數(shù)據(jù)異常

交流濾波器組處于熱備狀態(tài)，調(diào)度下達(dá)投入指令；投入后第二套差動(dòng)保護(hù)C 相跳閘，跳開(kāi)濾波器進(jìn)線斷路器。從故障波形中可以看出，C 相首端電流與尾端電流極性一致，而控保邏輯中要求極性應(yīng)相反，從而產(chǎn)生差流導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作，初步判斷故障原因?yàn)樵撔〗M濾波器高壓側(cè)光CT的C 相（第二套）極性錯(cuò)誤。

現(xiàn)場(chǎng)檢查該電子單元狀態(tài)量參數(shù)，如表4 所示，其中，LED 驅(qū)動(dòng)電流數(shù)值正常，說(shuō)明光源狀態(tài)良好；最大輸入光強(qiáng)參數(shù)正常，對(duì)外部光回路做OTDR 測(cè)試，波形顯示正常，說(shuō)明光傳輸回路正常；光的二次諧波、調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電壓正常，且無(wú)告警信息，說(shuō)明調(diào)制回路正常。

由式（4）可知，若正弦波偏置角度φ（t）產(chǎn)生偏移，則探測(cè)器輸出信號(hào)值將會(huì)改變，且直接影響基波S1與二次諧波S2的幅值，導(dǎo)致被測(cè)電流值異常。根據(jù)測(cè)量波形判斷，相移角度偏差180°，懷疑正弦波調(diào)制回路接線錯(cuò)誤。

表4 電子單元機(jī)箱狀態(tài)量記錄二

現(xiàn)場(chǎng)重點(diǎn)排查了調(diào)制回路，包括FOCT 接口屏和CMB 線纜盒中故障相調(diào)制電纜的接線方式，發(fā)現(xiàn)CMB 盒中C 相調(diào)制電纜與正常相接線相反，進(jìn)而導(dǎo)致極性錯(cuò)誤。

綜上可知，當(dāng)調(diào)制線反接后，正弦波偏置角度φ（t）會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，但調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電壓并未改變，且光源、光回路、光電探測(cè)器各項(xiàng)參數(shù)均正常，因此轉(zhuǎn)換后的電流數(shù)值僅極性發(fā)生改變而并無(wú)其他異常情況，故未出現(xiàn)告警信息。

4 運(yùn)維建議

（1）運(yùn)維人員需實(shí)時(shí)核查并記錄FOCT 相關(guān)參數(shù)，建立LED 驅(qū)動(dòng)電流、調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電壓、光二次諧波等關(guān)鍵狀態(tài)量歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，及時(shí)查看各狀態(tài)量變化趨勢(shì)，提前消除隱患；對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)參數(shù)無(wú)法判斷的故障，應(yīng)結(jié)合FOCT 測(cè)量原理展開(kāi)分析，快速準(zhǔn)確鎖定故障位置。

（2）安裝敷設(shè)光纜過(guò)程中注意彎曲度，對(duì)可能接觸或靠近光纖、光纜的工作時(shí)，提醒特別注意，防止誤動(dòng)或破壞光纖，年度檢修期間做好光纖衰耗測(cè)試，確保光傳輸回路狀態(tài)正常。

（3）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)已出現(xiàn)故障及產(chǎn)生原因，督促生產(chǎn)廠家改進(jìn)制造工藝，優(yōu)化設(shè)備工作環(huán)境，降低電子單元板卡等、調(diào)制管本體故障率，增加自檢功能，消除接線錯(cuò)誤等問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

FOCT 是直流輸電系統(tǒng)中重要的一次設(shè)備，其故障原因與LED 光源、傳輸光路、調(diào)制回路、二次諧波值等多個(gè)因素存在相互關(guān)系。換流站運(yùn)檢人員在工作中須加強(qiáng)關(guān)鍵狀態(tài)量監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)管控以排除事故隱患，并督查設(shè)備廠家改進(jìn)制造工藝，確保FOCT 的安全可靠運(yùn)行。