一起全光纖電流互感器故障研究目錄TOC\o"1-3"\h\u619一起全光纖電流互感器故障研究 1246311．全光纖電流互感器工作原理 148061.1法拉第磁光效應 156811．2全光纖電流互感器組成部件 2322201．3全光纖電流互感器工作原理 2265052．故障異常情況 295093．故障原因分析 398184．整改措施 4140264．1整理傳感光纖 5170834．2傳感光纖固定 5150624.3傳感環(huán)螺栓緊固 5173295．結束語 6摘要：本文詳細介紹了全光纖電流互感器的工作原理，通過分析一起由于低溫環(huán)境影響全光纖電流互感器正常運行導致的換流站雙極閉鎖事故，經由低溫試驗查找出故障部件，根據全光纖電流互感器工作原理分析確定故障原因，對換流站現場維護工作提出總結和整改建議，為提高換流站全光纖電流互感器安全可靠運行提供參考。關鍵詞：法拉第磁光效應；測量誤差突變；光纖偏振態(tài)；引言：直流電流互感器是直流換流站的主要設備，主要作用于測量直流電流并將測量結果傳至直流保護控制設備，直流電流互感器的測量精度和穩(wěn)定性直接關系到換流站的安全穩(wěn)定運行[1]。目前現場實際應用的直流電流互感器主要有3類：基于電磁感應原理的零磁通直流電流互感器、基于歐姆定律的直流電子式電流互感器和基于法拉第磁光效應的全光纖電流互感器。實際運行中，環(huán)境溫度是影響全光纖電流互感器測量準確度和長期穩(wěn)定運行的主要原因[2]。本文通過分析一起全光纖電流互感器受低溫環(huán)境影響造成直流雙極閉鎖案例，并經低溫試驗查找出具體故障部件，結合其工作原理，分析確定故障原因，根據現場實際運行環(huán)境，為全光纖電流互感器安全可靠運行提出參考意見。1．全光纖電流互感器工作原理1.1法拉第磁光效應法拉第磁光效應就是在強磁場的作用下，物質的光學振動平面發(fā)生旋轉。在與傳播方向同向的磁場作用下，光振動平面沿傳播方向的旋轉角度θ與磁場強度H的大小及光在物質中傳播的距離L的關系：θ=v∫H1．2全光纖電流互感器組成部件主要由光纖傳感環(huán)、絕緣子、調制罐、電子單元組成。光纖傳感環(huán)位于一次本體上端，主要器件包括1/4波片、傳感光纖、反射鏡；調制罐位于一次本體下端，主要器件包括起偏器、相位調制器、延時光纖等；電子單元位于保護室屏柜內，主要器件包括光源、光探測器等全部有源器件，進行數據的測量和處理工作，同時對整個光電回路進行監(jiān)視和調節(jié)。1．3全光纖電流互感器工作原理全光纖電流互感器工作原理如圖1所示，由電子單元中的LED光源發(fā)出一個光信號，經耦合器和起偏器作用形成線性偏振光，起偏器的尾纖與下一段光纖以45°熔接[3]，被分解為兩束正交線偏振光并沿保偏光纖的X軸和Y軸傳輸，經過延時光纖將信號送到傳感頭部。再經過45°熔接點和1/4波片后，分別轉變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光，在傳感光纖中傳輸,傳感光纖是保圓光纖，在導線電流產生的磁場作用下，根據法拉第磁光效應，在傳感光纖中，左旋圓偏振光和右旋圓偏振光一個加速、一個減速，從而產生相位差，隨著傳播距離的不斷增加，相位差會逐漸積累，再經過傳感光纖末端的反射鏡反射后，兩束圓偏振光互換偏振模式，并沿路返回，因為這時磁場方向不變，而圓偏振光的傳播方向與原來相反，所以法拉第磁光效應產生的相位差會加倍。第二次經過1/4波片后，兩束圓偏振光恢復為兩個正交的線偏振光，沿保偏光纖傳回至起偏器，最后在起偏器處干涉，干涉光將由探測器探測并傳輸給計算機進行信號處理[4-5]。通過對輸出光功率的測量就可以得出兩束光的相位差，從而計算出電流的大小和方向。圖1全光纖電流互感器原理圖2．故障異常情況某日，受冷氣流影響，某換流站所在地區(qū)氣溫驟降至-37.5℃，直流保護出現測量異常信號，“極Ⅰ低端閥組高壓側出口電流光CTIDC2P”、“極Ⅰ低端閥組低壓側出口電流光CTIDC2N”、“極Ⅱ線路光電流互感器IDL”、“接地極址引線1電流IDEL12”、“極Ⅱ高端閥組高壓側出口電流光CTIDC1P”共5臺光CT報測量故障，故障光CT位置分布如圖2所示，首先極Ⅰ低端閥組退出運行，隨后極Ⅱ和極Ⅰ高端閥組先后閉鎖。圖2換流站故障光CT分布圖3．故障原因分析為了確定光CT故障原因，首先對全光纖電流互感器進行了整體低溫試驗，測試故障光CT整體在低溫下直流測量基本準確度，同時復現低溫下的故障現象。試品本體包括傳感環(huán)、光纖絕緣子、調制罐置于高低溫箱內，電子機箱置于高低溫箱外部。高低溫箱溫度有室溫下降至0℃、-20℃、-30℃、-37.5℃、-40℃、-45℃等溫度點時保持4-6小時。降溫過程中，在每個預設的溫度點對每個通道進行1%至110%額定電流點的誤差測量，其余時間持續(xù)對試品施加3000A電流，實時記錄各通道的誤差及通道狀態(tài)參量。試驗過程中發(fā)現溫箱由-40℃至-45℃降溫過程中，校驗儀顯示通道2的誤差由-3.8%陡降至-13.3%，故障錄波同時捕捉到通道2的測量電流突然降低了300A左右，此時試品傳感器的溫度為-38℃。通道2的誤差-時間曲線如圖3所示，故障錄波如圖4所示：圖3通道2誤差突變時的“誤差-時間”曲線圖4通道2誤差突變時的故障錄波為了進一步排查光CT具體故障部件，開展了單部件低溫試驗。針對傳感環(huán)和光纖絕緣子的低溫試驗，將調制罐移除低溫箱，測試故障光CT傳感環(huán)和光纖絕緣子在低溫下直流測量準確度。試品在-45℃溫度保持過程中，通道2誤差再次陡降至-11.7%；確定了試品通道2誤差突變與調制罐無關。針對傳感環(huán)的低溫試驗，通過將傳感環(huán)單獨放入低溫箱內，測試故障光CT傳感環(huán)在低溫下直流測量準確度，試品在-45℃下，通道2誤差突變復現，確定試品通道2誤差突變故障是由傳感環(huán)導致。傳感環(huán)內部結構如圖5所示。內部是3冗余配置的傳感光纖環(huán)，每個光纖環(huán)有20圈光纖，用黑色棉線捆扎在一起，置于同一個傳感光纖的凹槽內，用黃色膠帶固定在凹槽內。圖5傳感環(huán)內部結構從全光纖電流互感器工作原理分析，傳感環(huán)內部光纖是保圓光纖，傳播的光信號是圓偏振光。各自相互獨立的光纖環(huán)相互纏繞交織在一起，當處于低溫下時，光纖環(huán)會整體收縮，但由于光纖相互交織或受力，不能自由伸縮，從而在交織處造成光纖的局部受力，即造成光纖的微彎。光纖的微彎程度與外界溫度相關，溫度越低，微彎越厲害。傳感光纖的微彎不僅會導致光功率的衰減，影響更大的是會改變傳感光纖內的光偏振態(tài)[6-8]。當傳感光纖存在微彎時，光偏振態(tài)就偏離理想的圓偏振，變成非理想的橢圓偏振，從而造成測量電流突變現象。4．整改措施4．1整理傳感光纖對傳感光纖進行整理，梳理光纖、重新盤繞光纖，消除由于光纖的微彎帶來的損耗。先將傳感光纖從傳感環(huán)內取出，從傳感光纖末端開始，逐圈進行扭力釋放，盤放于傳感光纖收納工裝上。再將傳感光纖從傳感光纖起始端開始，逐圈盤放至傳感環(huán)內。在盤放過程中，遇扭力要將收納工裝進行旋轉直至傳感光纖可以自如落入傳感環(huán)內為止。4．2傳感光纖固定①用于捆扎傳感光纖的黑線內徑統(tǒng)一為4mm，可以平整放置20圈光纖并保持松弛狀態(tài)。②傳感光纖槽內設置24個膠帶卷用于固定傳感光纖主體。③反射鏡底部增加與玻璃管等長的膠帶。④1/4玻片封裝用玻璃管U型開口朝上，底部前、中、后三點RTV進行固定。⑤將傳感環(huán)360°旋轉倒置、檢測傳感光纖是否有移位或卡入縫隙。如發(fā)現問題，應重新整理固定。圖6光纖槽內固定示意圖4.3傳感環(huán)螺栓緊固按照工藝要求選擇正確的扭矩緊固螺栓，使用正確的方法進行緊固，并劃線做標記。禁止再次復緊影響光纖環(huán)的受力平衡。①M5x20（24顆）內六角螺栓 2.6N*m②M8x40（2顆）內六角螺栓 16.0N*m③M8x50（2顆）內六角螺栓 16.0N*m圖7螺栓緊固順序方法5．結束語全光纖電流互感器的測量精度和穩(wěn)定性易受低溫環(huán)境影響，本次換流站雙極閉鎖事故就是全光纖電流互感器在低溫條件下測量異常導致。通過低溫試驗確定了全光纖電流互感器故障來源于傳感環(huán)，傳感環(huán)內部傳感光纖的微彎程度與外界溫度相關，溫度越低，微彎越厲害。傳感光纖的微彎不僅會導致光功率的衰減，還會改變傳感光纖內的光偏振態(tài)。在低溫環(huán)境下，當傳感光纖伸入并卡在金屬鋁環(huán)的縫隙中，鋁環(huán)收縮導致縫隙變小，從而擠壓傳感光纖。擠壓光纖同樣會導致傳感光的偏振態(tài)發(fā)生