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        高光強的全光纖電流互感器設計

        2022-08-15 06:35:54關(guān)鵬宇楊耿煌灣世偉灣曉文
        關(guān)鍵詞:測量

        關(guān)鵬宇,楊耿煌,董 建,灣世偉,灣曉文

        (1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學自動化與電氣工程學院,天津 300222;2.揚中智容電力科技有限公司,鎮(zhèn)江 212000)

        科技的進步使高壓直流輸電技術(shù)得到充分發(fā)展[1-3]?;ジ衅魇歉邏弘姷闹饕獧z測設備之一,測量數(shù)據(jù)提供的參數(shù),確保設備可正常運行,如繼電保護等。隨著國家智能電網(wǎng)的發(fā)展,電磁式電流互感器逐漸暴露出一些缺陷,如在高壓下難以絕緣、精度不足,體型大、生產(chǎn)成本高等[4]。而全光纖電流互感器(fiber-optic current transformer,F(xiàn)CT)具有優(yōu)異的電氣絕緣性能、抗雜散電磁場干擾、大動態(tài)范圍內(nèi)的高精度、小得多的體積、集成化、智能化等優(yōu)勢[5-6],因此FCT 逐漸成為當前研究熱點[7-9]。在國內(nèi),灣世偉[10]團隊應用光電技術(shù)設計方案,于2010 年成功研發(fā)生產(chǎn)出全光纖電流互感器第一代樣機。然而,該設計方案還存在一些技術(shù)問題,如傳感光纖圈的制作工藝困難,器件結(jié)構(gòu)脆弱,成品易受溫度、電壓、散雜磁場影響[11],且無法保證成品間的一致性。為此,本文提出一種全光纖電流互感器,在室溫環(huán)境下測量精度可達到0.2 和5P30 級測量準確度。在溫度變化、散雜磁場以及電壓變化等干擾條件下可以正常工作,且測量的電流準確度符合國家標準[12]。同時,F(xiàn)CT 與電磁式互感器相比,體積更小,易于安裝使用,可滿足電力工業(yè)電流測量的工程需要。

        1 全光纖電流傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)框架

        1.1 工作原理

        FCT 測電流的原理基于法拉第磁光效應和安培環(huán)路定律[13]。先將一束光經(jīng)過起偏器變成偏振光,再通過法拉第磁性材料,偏振光的振動面將發(fā)生偏轉(zhuǎn),利用檢測偏轉(zhuǎn)的角度計算出產(chǎn)生的磁場大小,全光纖電流互感器工作原理如圖1 所示。

        圖1 全光纖電流互感器工作原理

        由安培環(huán)路定律可知,對磁場的積分值只與封閉回路中的電流有關(guān)。

        式中:φ 為檢測出的偏轉(zhuǎn)角度;V 為菲爾德常數(shù);H 為磁場強度;L 為光束通過磁光材料的有效長度。

        通過式(1)可以計算出磁場強度,再通過安培環(huán)路定律可計算出電流i。

        光纖電流互感器由傳感單元和光電及信號處理單元2 部分組成。其中,傳感單元包括1/4 波片、傳感光纖圈、反射鏡以及未畫出的封裝結(jié)構(gòu)組成;光電及信號處理單元包括光源、對光束做調(diào)制、處理和延遲的光學器件,光電探測器以及信號處理和輸出電路[14],全光纖電流互感器組成原理圖如圖2 所示。

        圖2 全光纖電流互感器組成原理圖

        1.2 光電及信號處理單元

        光電及信號處理單元的主要功能包括提供光源、對偏振光進行調(diào)制以及對傳回的光信號處理成可讀取的電信號。在相位調(diào)制器作用下,利用光纖的雙折射性質(zhì)對2 個正交線偏振光進行同步調(diào)制。調(diào)制信號的頻率[1]為

        式中:τ 為2 個正交線偏振光往返通過延遲光纖和傳感光纖圈所用的時間。反向傳輸?shù)膱A偏振光在經(jīng)過1/4 波片、光纖起偏器和光纖環(huán)形器后,到達光電轉(zhuǎn)換器上的干涉光強[15]為

        式中:Id為光檢測器所接受的光強;k 為整個光路的損耗;Is為光源發(fā)出的光強;V 為菲爾德常數(shù);N 為傳感光纖圈環(huán)繞載流母線的整數(shù)匝數(shù);i 為載流母線導體中的待測電流;其中?(t)為光學雙折射相位調(diào)制器的調(diào)制信號

        1.3 傳感單元

        在傳感單元中,圍繞導流母線的傳感光纖圈服從安培環(huán)路定律。傳感光纖圈環(huán)繞導流母線,電流產(chǎn)生的磁場因法拉第磁光效應,而使2 個旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏振光相互之間產(chǎn)生一個與待測電流呈正比的相位差

        式中:θ 為傳感光纖中2 束偏振光之間的相位差(對應于電流的光信號);i 為流過導流母線的電流(被測的電流);H 為流過導流母線的電流產(chǎn)生的磁場強度;N為傳感光纖圈的匝數(shù);V 為菲爾德常數(shù)(磁光系數(shù))。

        2 工作過程及結(jié)構(gòu)

        2.1 工作過程

        FCT 電流測量步驟如下。

        (1)光源發(fā)出的線偏振光經(jīng)過門1 進入光纖環(huán)形器,從門2 發(fā)出進入光纖起偏器,在此過程中,入射和出射光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°,光纖環(huán)形器示意圖如圖3 所示。

        圖3 光纖環(huán)形器示意圖

        (2)從光纖起偏器射出的線偏振光在保偏光纖偏振軸45°熔接處變成2 個正交的線偏振光,進入相位調(diào)制器。

        (3)2 個正交線偏振光經(jīng)過調(diào)制后進入延遲光纖,最后到達傳感單元中。

        (4)線偏振光到達傳感單元后,被1/4 波片轉(zhuǎn)換為圓偏振光。

        (5)圓偏振光通過傳感光纖后,經(jīng)過反射鏡反射后改變旋轉(zhuǎn)方向,沿傳感光纖反向傳播,由于法拉第磁光效應,圓偏振光在傳感光纖中發(fā)生偏轉(zhuǎn),產(chǎn)生相位差。經(jīng)過1/4 波片后,變回線偏振光。

        (6)線偏振光在光纖起偏器處產(chǎn)生干涉,后經(jīng)光學環(huán)形器的門2 進入,門3 射出,到達光電轉(zhuǎn)換器,經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺罁?jù)式(4)求出待測電流。

        (7)光電轉(zhuǎn)換器輸出的電信號進入數(shù)字信號處理模塊進行解調(diào),可使用一階諧波分量得到正比于待測電流的電壓信號[16]為

        式中:V1為一階諧波分量的電壓信號;J1(?m)為一階貝塞爾函數(shù),可通過式(7)求得待測電流i 的值。

        為了降低外界影響導致測量數(shù)值波動,如光源的功率波動,通過數(shù)字信號處理模塊同時測出一階和二階諧波分量的電壓信號V1(ωm)和V2(2ωm),并利用對應的J1(?m)和J2(?m),得到不受光源波動影響的電流值i

        2.2 產(chǎn)品硬件選型

        根據(jù)原理圖分別對光源、起偏器、調(diào)制器、傳感光纖和光電探測器進行選型。光源選擇能產(chǎn)生波長為1 310 nm 的發(fā)光二極管,同時配有恒流源電路保證光源能發(fā)出均勻穩(wěn)定的光。起偏器、調(diào)制器選用Y 波導調(diào)制器,該型號的調(diào)制器具有大的調(diào)制帶寬以及高偏振消光比等優(yōu)點,可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。傳感光纖圈選取高菲爾德常數(shù)的傳感光纖,在制作傳感光纖圈時需要彎曲光纖使其閉合成圓,但彎曲過程中會改變光纖內(nèi)部的應力分布和折射率分布,由此影響FCT 所測信號的強度,造成FCT 測量誤差。因此,選擇高菲爾德常數(shù)傳感光纖圈,減少光圈匝數(shù)和彎曲部分,達到增強信號強度、減小誤差的目的。光電探測器選擇PINFET 型光探測組件,該組件為集成的一體化模塊,滿足FCT 使用需求。

        2.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)型式

        設計的全光纖電流互感器主要由光電單元、高壓絕緣柱體、光學器件和傳感光纖圈構(gòu)成。光電單元放置在測控室內(nèi)部,光束由保偏光纖傳輸?shù)礁邏航^緣柱體結(jié)構(gòu)底座,經(jīng)過內(nèi)置保偏光纖段和高壓絕緣柱體傳輸?shù)皆诟唠妷涵h(huán)境下的傳感單元。在傳感單元中,所有的光學器件都在封裝結(jié)構(gòu)中,包括光束經(jīng)過1/4 波片、載流導體、傳感光纖圈和反射鏡,整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。

        圖4 整體結(jié)構(gòu)示意圖

        3 實驗過程及結(jié)果

        本實驗對FCT 的基本準確度、溫度循環(huán)時準確度、抗電磁干擾以及抗電壓干擾進行測試,測試時使用的主要檢測儀器設備包括電子式互感器數(shù)字輸出校驗系統(tǒng)、標準電流互感器HL1582、沖擊發(fā)生器裝置CDF-800、沖擊電壓測量系統(tǒng)TZF600-800 和報文記錄及故障錄波分析裝置(網(wǎng)絡分析儀)ZH-5N。

        3.1 基本準確度測試

        選取2 組不同溫度、濕度環(huán)境對FCT 基本準確度進行測試,保證FCT 測量的可行性。

        在環(huán)境溫度為14℃,相對濕度為57%時,室溫測量結(jié)果1 和環(huán)境溫度為19 ℃,相對濕度為66%時,室溫測量結(jié)果2 如表1 所示。

        表1 室溫測量結(jié)果

        檢測結(jié)果表明,在室溫環(huán)境下FCT 可達到國家標準的準確度。

        3.2 溫度循環(huán)準確度測試

        由于FCT 測量結(jié)果會受溫度影響,所以需檢測其在循環(huán)溫度下的測量精度。按照以下條件進行溫度循環(huán)測試:①保持額定頻率。②需要施加連續(xù)的額定電流。③在測試過程中,F(xiàn)CT 需要一直處于正常工作狀態(tài)。④在室外測量時,應在規(guī)定的最高和最低溫度下進行測試,溫度范圍為-40 ℃~+70 ℃。溫度循環(huán)示意圖如圖5 所示。

        圖5 溫度循環(huán)示意圖

        圖5 中,溫度變化速率為20 K/h,熱時間常數(shù)τ 為6 h,最高溫度為70 ℃,環(huán)境溫度為20 ℃,最低溫度為-40 ℃。測量結(jié)果如表2 所示。

        表2 溫度循環(huán)測試結(jié)果

        經(jīng)檢測,對設備進行溫度循環(huán)實驗時,其準確度可以達到國家標準互感器精度。

        3.3 抗干擾測試

        抗干擾是測試中的一項重要指標,出現(xiàn)擾動時會干擾FCT 的測量結(jié)果,嚴重時會影響正常工作。干擾的檢測環(huán)境為:溫度17.4 ℃~20.3 ℃,濕度56.3%~69.4%,大氣壓力101.4~101.9 kPa。測試時,合并單元和采集單元的工作電壓為DC220 V,并在一次側(cè)施加10%額定電流,用ZH-5N 型故障錄波分析裝置監(jiān)視二次側(cè)運行狀態(tài),電子式互感器校驗儀監(jiān)測準確度。測試結(jié)果分為2 個等級,A 級為在技術(shù)要求限值內(nèi)正常運行;B 級為功能暫時降低或喪失,但在干擾停止后能自行恢復,不需要人為調(diào)試。

        3.3.1 抗電磁干擾測試

        該實驗在電波暗室中完成,設備與天線距離3 m,天線移動高度為1~4 m,存在水平和垂直2 種極化方式,轉(zhuǎn)臺可360°旋轉(zhuǎn),以便檢測出最大輻射干擾值。測試結(jié)果如圖6 和圖7 所示。

        圖6 輻射干擾測量波形(天線水平極化)

        圖7 輻射干擾測量波形(天線垂直極化)

        3.3.2 抗電壓干擾測試

        在抗電壓干擾方面進行了2 個實驗:一個是電壓慢變化抗干擾測試,在電源端口施加電壓變化各3次,時間間隔為10 s,實驗結(jié)果表明可以正常運行,性能評價為A;另一個是電壓暫降和短時中斷抗干擾測試,在電源端口施加電壓暫降和中斷各3 次,時間間隔為10 s,實驗結(jié)果表明可以正常運行,性能評價為A。具體參數(shù)如表3 和表4 所示。

        表3 電壓慢變化抗干擾測試

        表4 電壓暫降和短時中斷抗干擾測試

        經(jīng)檢測,對設備進行抗干擾實驗時,設備受電磁和電壓影響小,符合標準A 級限值要求,可以達到國家標準對準確度的要求。

        4 結(jié) 語

        本文研發(fā)一種全光纖電流互感器(FCT),該互感器在光電單元中使用光纖環(huán)形器提高光束質(zhì)量,以此來提高后續(xù)處理的精度;在傳感單元里導流母線中,電流產(chǎn)生的磁場由于法拉第磁光效應,使傳感光纖中的2 個探測光束發(fā)生偏轉(zhuǎn),產(chǎn)生一個與待測電流成正比的相位差,對干涉光強進行分析處理即可求得待測電流值。與電磁式互感器相比,F(xiàn)CT 有更好的抗干擾性能、優(yōu)異的電氣絕緣特性以及更小的體積。經(jīng)實驗檢測,其準確度符合GB/T 20840.8—2007 互感器標準。在測試時,其在室溫環(huán)境下,測量精度可達到0.2 和5P30 級測量準確度。在受溫度變化、電磁干擾、電壓波動影響時,F(xiàn)CT 可以正常運行,測量數(shù)據(jù)準確度達到國家標準,可滿足電力工業(yè)工程需求。同時,F(xiàn)CT 的結(jié)構(gòu)簡單,體積小,集成度高,在智能大電網(wǎng)系統(tǒng)中具有良好的應用前景。

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