高吉普，魯彩江，徐長寶，徐知芳，劉東偉

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)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(xué)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(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)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(yīng)用中的長期可靠性問題，分析了其光學(xué)組件常見的失效模式，闡述了變比誤差等關(guān)鍵指標退化的規(guī)律。并引入peck加速模型，以溫度、濕度為應(yīng)力因子，開展了三組不同應(yīng)力水平下的加速壽命試驗。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算得出光纖電流互感器光學(xué)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(xué)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(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器已經(jīng)不能適應(yīng)設(shè)備數(shù)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(yīng)寬、智能環(huán)保、易于數(shù)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(shè)備。

據(jù)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(yīng)用，且集成了光纖電流互感器的智能隔離式斷路器設(shè)備已經(jīng)用于國家新一代智能變電站的建設(shè)。但鑒于我國電力電網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，及電網(wǎng)停電帶來的巨大經(jīng)濟損失，國家相關(guān)標準對電力用電流互感器設(shè)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(shù)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(xué)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(xué)組件的失效模式，闡述了關(guān)鍵指標退化的規(guī)律。并結(jié)合peck加速模型，以溫度、濕度為應(yīng)力因子，對光纖電流互感器的光學(xué)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(yīng)的原理，利用特殊的傳感光纖檢測載流導(dǎo)線中的電流大小，主要由SLD光源、耦合器、偏振器、相位調(diào)制器、光電探測器、傳感單元以及電路板等組件構(gòu)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(shè)備的長期可靠性的關(guān)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(cè)，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(xué)組件通常安裝在高壓側(cè)，檢修、更換時必須讓高壓電網(wǎng)斷電才能進行，可見光學(xué)組件的壽命最終決定了FOCT設(shè)備的實際壽命，因此其工作壽命必須滿足智能變電站的應(yīng)用需求。本文主要對FOCT光學(xué)組件的壽命進行深入研究。

經(jīng)過對工程實踐中大量的測試數(shù)據(jù)、試驗現(xiàn)象進行統(tǒng)計、分析、研究，總結(jié)得出以下幾個常見的FOCT光學(xué)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(dǎo)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(dǎo)體非相干光源，基于InGaAsP/InP半導(dǎo)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(jīng)過在FOCT光路中傳播才能獲得與母線電流相關(guān)的檢測信號。當SLD光源出現(xiàn)無光、功率下降、波長漂移等故障時，F(xiàn)OCT系統(tǒng)的測量精度及穩(wěn)定性必然會出現(xiàn)異常。工程實踐統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，SLD光源失效在FOCT設(shè)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(shù)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。而通常傳感光纖的直徑僅僅為250 μm，因此整個生產(chǎn)過程需要在專業(yè)的光學(xué)平臺上進行操作，對工藝要求高，對質(zhì)量控制嚴。但即便如此，在工程應(yīng)用中傳感單元仍然會發(fā)生故障失效現(xiàn)象，主要表現(xiàn)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(xué)器件失效

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

近十年來國內(nèi)光纖陀螺技術(shù)不斷突破，也帶動了集成光學(xué)器件的快速發(fā)展，目前國內(nèi)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(jù)工程實踐統(tǒng)計，集成光學(xué)器件主要失效模式表現(xiàn)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(diào)制器、光電探測器等光學(xué)器件組成，各光學(xué)器件之間均采用尾纖熔接的方式實現(xiàn)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(zhì)等異常結(jié)構(gòu)，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(dǎo)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(shè)備在智能變電站需要長期帶電工作，要求光學(xué)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(dǎo)、計算出FOCT設(shè)備光學(xué)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(xiàn)，溫度和濕度是導(dǎo)致FOCT光學(xué)組件故障失效的主要因素，因此也應(yīng)是FOCT設(shè)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(xiàn)，只有peck模型中同時以溫度和濕度為應(yīng)力因子，適合用于FOCT光學(xué)組件的壽命分析，peck加速模型表達式有：

式中：A、m為系數(shù)；Ea為激活能，eV；k為玻爾茲曼常數(shù)，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(yīng)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(xué)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(shè)[12]：

1）FOCT設(shè)備光學(xué)組件的性能退化過程不可逆。

2）在每個應(yīng)力水平下，F(xiàn)OCT設(shè)備光學(xué)組件的性能退化機理都相同。

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

3 試驗與分析

3.1 試驗設(shè)計

描述FOCT設(shè)備性能的主要參數(shù)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(shè)備性能是否合格的關(guān)鍵參數(shù)。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(dǎo)致不合格。

因此，變比誤差是能夠反映FOCT設(shè)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(shù)。用戶要求FOCT設(shè)備變比誤差限值為±0.2%，因此，本文將失效判據(jù)定為變比誤差超出0.4%，而此時對應(yīng)的失效時間即是在該應(yīng)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(xué)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(shù)據(jù)分析

隨機選取3套FOCT樣機同時進行加速壽命試驗，將光學(xué)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)為例，在試驗初期的1 300 h以內(nèi)，F(xiàn)OCT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(nèi)；在試驗中期的1 300～1 800 h以內(nèi)，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(jīng)超出0.4%。

圖3 第一組試驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)表Tab.1 Test data table

通過計算，系數(shù)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，F(xiàn)OCT設(shè)備光學(xué)組件的工作壽命可達358 200 h，約為40.89年，遠遠高于相關(guān)國家標準30年的要求值。

4 結(jié)論

本文研究分析了光纖電流互感器光學(xué)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(yīng)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(jù)，試驗得出在各應(yīng)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(xué)組件的壽命約為40.89年。本試驗結(jié)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(yīng)用的要求，也為今后工程實施提供了理論支撐。

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（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(xué)碩士，工程師，從事數(shù)字化變電站和智能變電站相關(guān)研究；

魯彩江（1986—），男，工學(xué)博士，工程師，從事電子式互感器技術(shù)研究；

徐長寶（1977—），男，工學(xué)碩士，高級工程師，從事數(shù)字化變電站技術(shù)研究；

徐知芳（1983—），男，工學(xué)碩士，工程師，從事全光纖電流互感器技術(shù)研究；

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

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