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特种光纤在智能电网中的典型应用二:全光纤电流互感器技术

北极星智能电网在线  来源:长飞    2018/10/10 15:46:08  我要投稿  

北极星智能电网在线讯:随着电力系统电压等级的提高和传输容量的增大,继电保护系统的稳定运行越来越重要,电子式电流互感器技术成为高压电力系统电流监测主要手段。电子式电流互感器技术要追溯到18世纪法拉第发现的磁旋光效应和电磁感应,通过电-磁-光的特殊效应,达到对高压电流精确传感和测量的目的。

目前主流的电子式互感器主要有基于电磁感应原理的罗氏线圈电流互感器(RCT)、基于法拉第磁旋光效应的磁光玻璃电流互感器(OCT)和全光纤电流互感器(FOCT)。技术特点对比,详见图1。

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图1电子式互感器及不同技术对比

传统的电磁感应式电流互感器(RCT)有着不可避免的缺陷,如绝缘结构复杂、造价高、尺寸大等。而与其相比,全光纤电流互感器具有一系列优点,如测量范围宽、灵敏度高、尺寸小、安全性高等。因此,全光纤电流互感技术受到业界的高度关注,近年来得到迅速发展。

全光纤电流互感器是一种利用电磁场与光偏振态的交互作用进行电流检测的设备,其理论基础是法拉第磁光效应和安培环路定律。通过最近几年的实践积累,全光纤电流互感器技术在信号处理和解调算法、铌酸锂调制器温度补偿方面取得了很大进展。随着电力行业用户对互感器内的器件光学性能优化,以及器件封装制备等工艺技术方面成熟度要求的提高,对传感光纤环也提出了更高的要求。目前国内已有几家企业及科研单位开发并具备了生产FOCT的能力。

长飞FOCT:闭环控制及干涉式互易性光路技术路线

长飞光纤光缆股份有限公司作为全球领先的预制棒、光纤和光缆制造商,在特种光纤及特种光纤在传感应用领域也深耕多年,并结合自身在特种光纤及光纤传感领域的优势,自主开发了全光纤电流互感器及其核心器件,通过对光纤玻片、保偏延迟环、保偏光纤传感缆等关键元件的工艺优化,实现了对整机标定、温度性能准确性和稳定性几个主要因素的优良控制。

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图2 长飞全光纤电流互感器技术方案

长飞采用闭环控制及干涉式互易性光路技术,结合光纤陀螺系统类似解调方法,实现FOCT系统。

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图3长飞FOCT传感头及采集单元样机

用于电力系统的0.2/5P30级FOCT产品由两部分组成:传感头、采集单元;并与合并单元配合工作。

传感头安装于电网高压侧的电流母线上,它将母线中的电流转化为与之大小相关的光信息,被采集单元采集和解调出来,并将数据以一定的协议格式发送给合并单元。用户只需读取合并单元以100M光纤以太网方式输出数据,或用FT3格式输出IEC61850-9-2规定格式的报文接口输出的数据即可知道母线电流的大小。

基于以上技术路线和产品设计,长飞FOCT产品具备如下特点:

  • 绝缘结构简单,抗电磁干扰。一次侧与采集处理电路完全“光隔离”,实现高压隔离的同时,避免了电磁干扰;

  • 采用闭环控制,测量准确度高,动态范围大,响应速度快;

  • 无铁芯,消除了磁饱和、铁磁谐振等问题;

  • 光纤敏感环结构及安装方式灵活。可零电位安装,无动、热稳定问题,无二次开路危险;

  • 可用于高电压交/直流输变电系统的计量和保护;

  • 数字化输出,适应电力计量和保护的数字式、微机化、自动化等发展潮流。

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图4 FOCT应用场景

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图5第三方检测数据(国家高电压计量站)

关键器件国产化

1.保圆光纤及保圆光纤环

全光纤电流互感器的核心部件,是在高压侧的保圆光纤(环)。这种光纤是一种特殊的保偏光纤,通过光纤的轴线旋转引入圆双折射,和光纤本身的高线性双折射共同形成椭圆双折射。在旋转周期足够小的情况下,具备很好的圆偏振保持能力,适用于光纤电流互感的应用。由于存在很高的内应力,因此保留了保偏光纤很好的抗外部干扰和内部缺陷的能力。

目前国内试点挂网的光纤型电流互感器产品几乎全部使用进口旋转光纤,存在单价高,光纤段长受限,供货批次和交期不受控等问题。长飞公司致力于推动光学互感器中的光纤材料及封装工艺研究,已投入巨资进行旋转光纤的制棒及拉丝工艺研究,近期也取得了相当大的进展,克服了保偏光纤预制棒和旋转拉丝两个核心难题。有望尽快实现保圆传感光纤批量生产的能力,并计划推进核心部件全国产电流互感器的工程应用。

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图6长飞公司制备的旋转光纤1/2旋转周期显微图

2.器件及陀螺用保偏光纤、1/4玻片光子晶体保偏光纤

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图7 保偏光纤、保偏光缆及特殊结构保偏光纤

器件型保偏光纤——研磨开裂率远小于1%

器件型保偏光纤多年来一直被国外企业所垄断,究其原因,还是因为国内企业生产的熊猫型保偏光纤未能很好的解决“熊猫眼”应力区的研磨开裂问题。

经过精益的工艺改进,长飞公司2016年推向市场的器件型保偏光纤研磨开裂率远小于1%,达到了器件行业原材料的生产标准,并已经形成了批量生产和稳定供货。

光纤陀螺用保偏光纤——高保偏性能、优异的高低温性能、低损耗

光纤陀螺用保偏光纤多年来一直都是长飞公司的优势产品,在国内市场占据主要份额,长飞光纤陀螺用保偏光纤具备较高的保偏性能、优异的高低温性能和较低的损耗。

1/4玻片保偏型光子晶体光纤

保偏型光子晶体光纤具备常规熊猫型保偏光纤更长的拍长(7mm),容易分切制作1/4玻片,同时具备十分优异的温度稳定性,兼具生产加工和温度稳定各项优势。

其他——探测器及耦合器等器件用特种单模光纤

器件用单模光纤,需要结合器件的应用场景,尾纤型特种单模光纤在满足工作波长传输性能优化的同时兼具十分优异的几何、机械特性;熔融拉锥型特种单模光纤由特殊的组分构成,使其具备良好的熔融拉锥及其他热处理性能,拉锥性能优异。

通过合理的光纤选择和工艺控制,可以有效抑制互感器光路中的偏振误差、双折射误差、温度波动等,从而提高互感器的长期稳定性。从光学本质上解决问题,辅以封装工艺和解调算法的优化,是一条经得起理论推敲,也更易被电力行业用户接受的技术路径。

经过近几年的考察和试点应用,当前电力行业的研究单位也关注到了这个技术层面,并促成了长飞光纤光缆制备技术国家重点实验室与中国电力科学院武汉分院的交流与合作。这为特种光纤更好地服务于电力行业提供了更广阔的研究平台,也为电力用特种光纤实现国产化、批量化生产奠定了坚实基础。未来,国产化特种光纤及互感器技术将更充分地满足电力电网建设的巨大市场需求。


原标题:特种光纤在智能电网中的典型应用二:全光纤电流互感器技术

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