特種光纖在智能電網(wǎng)中的典型應(yīng)用二：全光纖電流互感器技術(shù)

隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的提高和傳輸容量的增大，繼電保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行越來(lái)越重要，電子式電流互感器技術(shù)成為高壓電力系統(tǒng)電流監(jiān)測(cè)主要手段。電子式電流互感器技術(shù)要追溯到18世紀(jì)法拉第發(fā)現(xiàn)的磁旋光效應(yīng)和電磁感應(yīng)，通過(guò)電-磁-光的特殊效應(yīng)，達(dá)到對(duì)高壓電流精確傳感和測(cè)量的目的。

目前主流的電子式互感器主要有基于電磁感應(yīng)原理的羅氏線(xiàn)圈電流互感器（RCT）、基于法拉第磁旋光效應(yīng)的磁光玻璃電流互感器（OCT）和全光纖電流互感器（FOCT）。技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比，詳見(jiàn)圖1。

圖1電子式互感器及不同技術(shù)對(duì)比

傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式電流互感器（RCT）有著不可避免的缺陷，如絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、尺寸大等。而與其相比，全光纖電流互感器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如測(cè)量范圍寬、靈敏度高、尺寸小、安全性高等。因此，全光纖電流互感技術(shù)受到業(yè)界的高度關(guān)注，近年來(lái)得到迅速發(fā)展。

全光纖電流互感器是一種利用電磁場(chǎng)與光偏振態(tài)的交互作用進(jìn)行電流檢測(cè)的設(shè)備，其理論基礎(chǔ)是法拉第磁光效應(yīng)和安培環(huán)路定律。通過(guò)最近幾年的實(shí)踐積累，全光纖電流互感器技術(shù)在信號(hào)處理和解調(diào)算法、鈮酸鋰調(diào)制器溫度補(bǔ)償方面取得了很大進(jìn)展。隨著電力行業(yè)用戶(hù)對(duì)互感器內(nèi)的器件光學(xué)性能優(yōu)化，以及器件封裝制備等工藝技術(shù)方面成熟度要求的提高，對(duì)傳感光纖環(huán)也提出了更高的要求。目前國(guó)內(nèi)已有幾家企業(yè)及科研單位開(kāi)發(fā)并具備了生產(chǎn)FOCT的能力。

長(zhǎng)飛FOCT：閉環(huán)控制及干涉式互易性光路技術(shù)路線(xiàn)

長(zhǎng)飛光纖光纜股份有限公司作為全球領(lǐng)先的預(yù)制棒、光纖和光纜制造商，在特種光纖及特種光纖在傳感應(yīng)用領(lǐng)域也深耕多年，并結(jié)合自身在特種光纖及光纖傳感領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，自主開(kāi)發(fā)了全光纖電流互感器及其核心器件，通過(guò)對(duì)光纖玻片、保偏延遲環(huán)、保偏光纖傳感纜等關(guān)鍵元件的工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整機(jī)標(biāo)定、溫度性能準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性幾個(gè)主要因素的優(yōu)良控制。

圖2 長(zhǎng)飛全光纖電流互感器技術(shù)方案

長(zhǎng)飛采用閉環(huán)控制及干涉式互易性光路技術(shù)，結(jié)合光纖陀螺系統(tǒng)類(lèi)似解調(diào)方法，實(shí)現(xiàn)FOCT系統(tǒng)。

圖3 長(zhǎng)飛FOCT傳感頭及采集單元樣機(jī)

用于電力系統(tǒng)的0.2/5P30級(jí)FOCT產(chǎn)品由兩部分組成：傳感頭、采集單元；并與合并單元配合工作。

傳感頭安裝于電網(wǎng)高壓側(cè)的電流母線(xiàn)上，它將母線(xiàn)中的電流轉(zhuǎn)化為與之大小相關(guān)的光信息，被采集單元采集和解調(diào)出來(lái)，并將數(shù)據(jù)以一定的協(xié)議格式發(fā)送給合并單元。用戶(hù)只需讀取合并單元以100M光纖以太網(wǎng)方式輸出數(shù)據(jù)，或用FT3格式輸出IEC61850-9-2規(guī)定格式的報(bào)文接口輸出的數(shù)據(jù)即可知道母線(xiàn)電流的大小。

基于以上技術(shù)路線(xiàn)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，長(zhǎng)飛FOCT產(chǎn)品具備如下特點(diǎn)：

u 絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗電磁干擾。一次側(cè)與采集處理電路完全“光隔離”，實(shí)現(xiàn)高壓隔離的同時(shí)，避免了電磁干擾；

u 采用閉環(huán)控制，測(cè)量準(zhǔn)確度高，動(dòng)態(tài)范圍大，響應(yīng)速度快；

u 無(wú)鐵芯，消除了磁飽和、鐵磁諧振等問(wèn)題；

u 光纖敏感環(huán)結(jié)構(gòu)及安裝方式靈活?？闪汶娢话惭b，無(wú)動(dòng)、熱穩(wěn)定問(wèn)題，無(wú)二次開(kāi)路危險(xiǎn)；

u 可用于高電壓交/直流輸變電系統(tǒng)的計(jì)量和保護(hù)；

u 數(shù)字化輸出，適應(yīng)電力計(jì)量和保護(hù)的數(shù)字式、微機(jī)化、自動(dòng)化等發(fā)展潮流。

圖4 FOCT應(yīng)用場(chǎng)景

圖5 第三方檢測(cè)數(shù)據(jù)（國(guó)家高電壓計(jì)量站）

關(guān)鍵器件國(guó)產(chǎn)化

1.保圓光纖及保圓光纖環(huán)

全光纖電流互感器的核心部件，是在高壓側(cè)的保圓光纖（環(huán)）。這種光纖是一種特殊的保偏光纖，通過(guò)光纖的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)引入圓雙折射，和光纖本身的高線(xiàn)性雙折射共同形成橢圓雙折射。在旋轉(zhuǎn)周期足夠小的情況下，具備很好的圓偏振保持能力，適用于光纖電流互感的應(yīng)用。由于存在很高的內(nèi)應(yīng)力，因此保留了保偏光纖很好的抗外部干擾和內(nèi)部缺陷的能力。

目前國(guó)內(nèi)試點(diǎn)掛網(wǎng)的光纖型電流互感器產(chǎn)品幾乎全部使用進(jìn)口旋轉(zhuǎn)光纖，存在單價(jià)高，光纖段長(zhǎng)受限，供貨批次和交期不受控等問(wèn)題。長(zhǎng)飛公司致力于推動(dòng)光學(xué)互感器中的光纖材料及封裝工藝研究，已投入巨資進(jìn)行旋轉(zhuǎn)光纖的制棒及拉絲工藝研究，近期也取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，克服了保偏光纖預(yù)制棒和旋轉(zhuǎn)拉絲兩個(gè)核心難題。有望盡快實(shí)現(xiàn)保圓傳感光纖批量生產(chǎn)的能力，并計(jì)劃推進(jìn)核心部件全國(guó)產(chǎn)電流互感器的工程應(yīng)用。

圖6 長(zhǎng)飛公司制備的旋轉(zhuǎn)光纖1/2旋轉(zhuǎn)周期顯微圖

2.器件及陀螺用保偏光纖、1/4玻片光子晶體保偏光纖

圖7 保偏光纖、保偏光纜及特殊結(jié)構(gòu)保偏光纖

器件型保偏光纖——研磨開(kāi)裂率遠(yuǎn)小于1%

器件型保偏光纖多年來(lái)一直被國(guó)外企業(yè)所壟斷，究其原因，還是因?yàn)閲?guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的熊貓型保偏光纖未能很好的解決“熊貓眼”應(yīng)力區(qū)的研磨開(kāi)裂問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)精益的工藝改進(jìn)，長(zhǎng)飛公司2016年推向市場(chǎng)的器件型保偏光纖研磨開(kāi)裂率遠(yuǎn)小于1%，達(dá)到了器件行業(yè)原材料的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，并已經(jīng)形成了批量生產(chǎn)和穩(wěn)定供貨。

光纖陀螺用保偏光纖——高保偏性能、優(yōu)異的高低溫性能、低損耗

光纖陀螺用保偏光纖多年來(lái)一直都是長(zhǎng)飛公司的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占據(jù)主要份額，長(zhǎng)飛光纖陀螺用保偏光纖具備較高的保偏性能、優(yōu)異的高低溫性能和較低的損耗。

1/4玻片保偏型光子晶體光纖

保偏型光子晶體光纖具備常規(guī)熊貓型保偏光纖更長(zhǎng)的拍長(zhǎng)（7mm），容易分切制作1/4玻片，同時(shí)具備十分優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性，兼具生產(chǎn)加工和溫度穩(wěn)定各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。

其他——探測(cè)器及耦合器等器件用特種單模光纖

器件用單模光纖，需要結(jié)合器件的應(yīng)用場(chǎng)景，尾纖型特種單模光纖在滿(mǎn)足工作波長(zhǎng)傳輸性能優(yōu)化的同時(shí)兼具十分優(yōu)異的幾何、機(jī)械特性；熔融拉錐型特種單模光纖由特殊的組分構(gòu)成，使其具備良好的熔融拉錐及其他熱處理性能，拉錐性能優(yōu)異。

通過(guò)合理的光纖選擇和工藝控制，可以有效抑制互感器光路中的偏振誤差、雙折射誤差、溫度波動(dòng)等，從而提高互感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。從光學(xué)本質(zhì)上解決問(wèn)題，輔以封裝工藝和解調(diào)算法的優(yōu)化，是一條經(jīng)得起理論推敲，也更易被電力行業(yè)用戶(hù)接受的技術(shù)路徑。

經(jīng)過(guò)近幾年的考察和試點(diǎn)應(yīng)用，當(dāng)前電力行業(yè)的研究單位也關(guān)注到了這個(gè)技術(shù)層面，并促成了長(zhǎng)飛光纖光纜制備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與中國(guó)電力科學(xué)院武漢分院的交流與合作。這為特種光纖更好地服務(wù)于電力行業(yè)提供了更廣闊的研究平臺(tái)，也為電力用特種光纖實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化、批量化生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。未來(lái)，國(guó)產(chǎn)化特種光纖及互感器技術(shù)將更充分地滿(mǎn)足電力電網(wǎng)建設(shè)的巨大市場(chǎng)需求。