全光纖電流互感器在直流輸電工程中的運行維護

（國網江蘇省電力有限公司檢修分公司，南京 211102）

0 引言

FOCT（全光纖電流互感器）是直流輸電工程中重要的測量設備之一，主要用途包括為直流系統控制保護、交流及直流濾波器保護、故障錄波等采集電流值，因此，其測量準確度直接關系著直流換流站的穩定運行[1-2]。相對于常規電磁式電流互感器，FOCT 優勢顯著：絕緣性能優良，無油、氣等絕緣介質，安全性能高；基于法拉第磁光效應，故障瞬間無磁飽和問題；輸出值為數字信號，不存在二次側開路過電壓風險[3]。基于上述優點，FOCT 在特高壓直流輸電工程領域應用愈加廣泛，并將成為電力系統電流測量裝置發展趨勢[4]。

國內外專家對FOCT 原理及其應用展開了深入研究，文獻[5]利用龐加萊球理論及瓊斯矩陣分析FOCT 測量精度及線性度影響因素；文獻[6]分析了光回路和調制回路對二次諧波影響的基本規律；文獻[7]分析環境溫度、光纖彎曲度、纏繞匝數等因素對FOCT 測量性能影響并提出優化方案；文獻[8]詳細分析了一起FOCT 故障的原因并提出反措建議；文獻[9]通過分析故障波形排查FOCT 測量電流異常原因；文獻[10]分析FOCT 測量故障引起保護動作的原因并提出解決方案。前述研究集中于提高FOCT 測量精度、穩定性和故障原因分析3 個方面，而結合現場監測數據評價FOCT 工作狀態、故障快速定位及消缺是目前現場運維亟需解決問題。

基于上述問題，本文針對換流站FOCT 常見故障進行了理論分析，指出實時參數與各類故障間的內在聯系，并利用實際故障案例驗證各參數異常對測量結果的影響，從而為現場運維檢修人員判斷FOCT 實時狀態、故障排查提供理論依據，并提出建議，對換流站安全穩定運行具有指導意義。

1 FOCT 工作原理

圖1 為FOCT 原理示意，位于電子單元內的LED 光源發出寬譜光經過光纖耦合器后進入調制罐，罐內光纖偏振器將光源變為線偏振光。線偏振光經光纖45°熔接點之后進入保偏光纖，分解成兩束偏振方向相互正交的線偏振光，傳播過程中兩束線偏振光受到調制器的前向調制作用，引入調制相差。兩束線偏振光經1/4 波片后，分別轉變為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光。當這兩束圓偏振光通過傳感光纖線圈時，由于法拉第磁光效應，兩束圓偏振光之間將產生相位差。

圖1 反射式FOCT 的原理

兩束圓偏振光傳輸至傳感光纖未端，由于末端反射的作用偏振態將發生翻轉并按原光路返回，再次經過傳感光纖，兩束光之間的相位差加倍。再次經過1/4 波片時，圓偏振光被轉換為兩束模式正交的線偏振光，且輸出光偏振與輸入光的線偏振方向發生互換。輸出線偏振光再次受到相位調制器的后向相位調制，產生了非對易的相差，最后攜帶法拉第相差和調制差的兩束偏振光在光纖起偏器處發生干涉。

干涉光進入光電探測器，光電探測器將光信號轉變為電信號，將電信號進行信號處理并測量出調制頻率的諧波信號大小，最終計算出待測電流的值。

2 FOCT 故障原因分析

在換流站中，OWS 監控系統中實時顯示站內FOCT 多項運行參數，圖2 為500 kV 濾波器場中FOCT 監控界面，監控內容包括LED 驅動電流、光源溫度、最大輸入光強、調制器驅動電壓、光的二次諧波等參數。運行人員可通過各參數值判斷FOCT 運行狀態，但參數發生異常時無法準確定位故障位置，通常只能在事故后對故障原因展開分析。

圖2 運維人員實時監控界面

據統計，2018 年至今，某換流站多次出現FOCT 測量結果異常而引起跳閘或告警事件，對故障原因進行歸納總結，主要分為3 類：光源溫度異常引起數據無效、光路故障引起數據異常、調制回路故障引起數據異常。

經過梳理，發生不同故障時，前述運行參數變化也存在區別，下文將從理論角度分析各類故障與監視參數間的聯系，以便于提前判斷并定位故障缺陷，消除事故隱患。

2.1 光源溫度影響

LED 光源工作溫度超過芯片承載溫度，不僅導致光源發光效率快速降低而產生明顯的光衰[11]，同樣會改變光纖維爾德系數[12]。由文獻[13]可知，FOCT 的測量原理為磁光效應，即高壓導線中通過電流會在周圍空間產生磁場，當光在該磁場中傳播會產生偏振面偏轉。依據法拉第效應可知，相位偏移角ΔΨ 為：

式中：V 為光纖維爾德系數；N 為光纖傳感環圈數；I 為高壓導線中的被測電流值。

圖2 所示監控界面中光源溫度表示LED 光源工作環境溫度，由TEC（光源溫度控制器）實時控制。若光源無法工作在合適溫度下，則會改變光纖維爾德系數V，影響相位偏移角度ΔΨ 的準確性，從而引起電流測量值異常。

2.2 光路故障影響

光路故障直接影響光的傳播，目前分析光路傳輸較常采用的方法有：有限元數值分析法[12]、極化率張量和麥克斯韋方程組聯立法[13]、瓊斯矩陣理論法[14]等。瓊斯矩陣法是一種簡化分析偏振光傳輸計算的方法，利用較為簡練的矩陣形式及運算，對偏振片、保偏光纖、1/4 波片等各階段均可以采用矩陣形式表示[14]。在經過前述傳輸過程后，進入光電探測器的光振幅Eout可表示為：

式中：GP為起偏器矩陣；G45為45°熔接點矩陣；G1/4為λ/4 波片矩陣；Gf1out為入射時的Faraday 效應矩陣；Gm為反射鏡矩陣；Gf1in為反射時的Faraday 效應矩陣；Ein為入射光矩陣。

進入光電探測器的光強度Iout為：

式中：I0為入射光光強；K 為探測器光電轉換系數；L 為光路傳輸系數。I0由圖2 所示LED 驅動電流決定，當光源老化引起入射光光強降低時，會通過提高LED 驅動電流保證足夠光強。而進入光電探測器的光強度Iout與輸入最大光強相關，以確保采樣準確度。

由式（1）及式（3）可知，若偏移角ΔΨ 和系數K 未受影響，為保證Iout為正常值，L 將直接決定I0強度，當光路損耗增大時L 會減小，必定會引起LED 驅動電流增大。若光纖出現局部彎曲嚴重、熔接點存在漏光或斷裂等故障時，光回路傳輸系數L 顯著減小，則無法通過增大LED 驅動電流保證Iout為正常值，此時最大輸入光強也將明顯降低。

因此，LED 驅動電流與最大輸入光強可綜合判斷光回路是否存在故障。

2.3 調制回路影響

由于互感器響應與相位偏移量余弦函數成正比，當相位偏移量較小時余弦函數處于靠近零點處不敏感區域，會導致被測電流較小時計算數據不準確[6]。因此，在實際工程應用中，通常在光信號傳輸過程中引入了調制回路，使相位偏移的余弦函數形式發生變化，遠離零點處，以保證測量數值準確性。

較為常用的調制方法為基于PZT（壓電陶瓷）相位調制器的正弦波調制法，屬開環檢測系統[6]。設置正弦波調制偏置角度為φ（t）=φωsinωt，而在光纖傳輸中存在τ 延時，因此經過正弦波調制后探測器的輸出信號為：

式（4）所示經正弦波調制后光電探測器輸出信號可展開為貝塞爾函數形式，函數由無窮次諧波組成的，每個諧波中都包括相位偏移ΔΨ 的有效信息，且基波S1與二次諧波幅值S2分別為：

設定調制系數φe=2φωsin（ωτ/2），式（5）中貝塞爾系數Jn為：

取基波S1與二次諧波S2的幅度比值可以得到：

結合式（1）與式（7）可計算出被測電流I 為：

從式（8）可以看出，在光源及光傳輸回路正常的前提下，被測電流I 的大小與基波幅度S1、二次諧波幅度S2和調制系數φe有關。其中，如圖2 所示，調制器驅動電壓決定了調制系數φe，而光的二次諧波影響S2的幅值，因此，可根據上述兩個狀態參數實時值來判斷故障原因是否與調制回路相關。

結合前述分析可知，圖2 所示LED 驅動電流、光源溫度、最大輸入光強可表征光源及傳輸回路狀態；光的二次諧波、調制器驅動電壓可用于判別測量結果異常是否由調制回路引起。表1所示為各參數表達含義及正常運行值，有利于換流站運維檢修人員輔助判斷FOCT 運行工況及缺陷處理。

表1 各參數表達含義及正常運行值

3 故障案例分析

為驗證前述章節理論分析的準確性，本節將結合3 組實際案例予以詳細分析。

3.1 光源故障引起數據異常

后臺極Ⅰ極保護系統A 報“直流濾波器低壓側電流測量故障”“極Ⅰ中性線差動保護AⅠ段Z閉鎖投入（消失）”等事件，共瞬時復歸產生兩次，機箱前面板MR 告警指示燈常亮。檢查電子單元機箱告警記錄發現，后臺告警的測點在相應時刻時，電子單元存在告警記錄，同時該機箱3 個測點均反復產生“TEC Temperature High MR”“TEC Temperature Low MR”，且最后一次告警后長時間未復歸。

現場檢查各項監測數據狀態量，光源環境溫度異常，3 個測點TEC 值如表2 所示，已明顯高于正常工作值25 ℃。

表2 3 個測點TEC 溫度值

TEC 主要作用是制冷以保證光源溫度穩定在正常值，而現場TEC 工作電壓達到限制值3.838 V，已無法通過提高電壓來達到制冷的目的。

綜上判斷本次故障原因為TEC 故障引起光源環境溫度異常，從而導致FOCT 數據無效而報警，極易引起相關保護退出或者保護誤動，需盡快更換該電子單元內光源板卡。

3.2 光路故障引起數據異常

現場報“第1 小組接地側光CT 電子機箱輕微故障”告警，約35 min 后復歸。現場檢查該電子單元機箱前面板“需要檢修”告警指示燈常亮，機箱狀態量參數顯示LED 驅動電流、最大輸入光強、光的二次諧波等參數異常，光源溫度及調制器驅動電壓參數正常，狀態量記錄如表3 所示。

根據現場狀態量顯示，光源溫度正常及調制器驅動電壓正常，LED 驅動電流顯著增加，且最大輸入光強明顯偏低，光的二次諧波值也偏低。

當光傳輸回路異常時，會引起傳輸系數L 變小，而此時增加LED 驅動電流也無法保證最大輸入光強恢復正常值，導致進入光電探測器信號值減小而引起光的二次諧波偏低。初步判斷為光回路故障，因此重點檢查該光纖傳輸回路狀態。

表3 電子單元機箱狀態量記錄一

對故障相（C 相）和正常相（B 相）外部光回路分別做OTDR 測試，波形如圖3 所示。

圖3 光回路OTDR 波形

由波形對比判斷，在虛線框內，故障相波形損耗明顯高于正常相，因此判斷光回路出現故障。經過現場確認，故障點距離保偏光纖與單模光纖的熔點約30 m，故障原因為光纖彎折。

3.3 調制回路故障引起數據異常

交流濾波器組處于熱備狀態，調度下達投入指令；投入后第二套差動保護C 相跳閘，跳開濾波器進線斷路器。從故障波形中可以看出，C 相首端電流與尾端電流極性一致，而控保邏輯中要求極性應相反，從而產生差流導致保護誤動作，初步判斷故障原因為該小組濾波器高壓側光CT的C 相（第二套）極性錯誤。

現場檢查該電子單元狀態量參數，如表4 所示，其中，LED 驅動電流數值正常，說明光源狀態良好；最大輸入光強參數正常，對外部光回路做OTDR 測試，波形顯示正常，說明光傳輸回路正常；光的二次諧波、調制器驅動電壓正常，且無告警信息，說明調制回路正常。

由式（4）可知，若正弦波偏置角度φ（t）產生偏移，則探測器輸出信號值將會改變，且直接影響基波S1與二次諧波S2的幅值，導致被測電流值異常。根據測量波形判斷，相移角度偏差180°，懷疑正弦波調制回路接線錯誤。

表4 電子單元機箱狀態量記錄二

現場重點排查了調制回路，包括FOCT 接口屏和CMB 線纜盒中故障相調制電纜的接線方式，發現CMB 盒中C 相調制電纜與正常相接線相反，進而導致極性錯誤。

綜上可知，當調制線反接后，正弦波偏置角度φ（t）會發生翻轉，但調制器驅動電壓并未改變，且光源、光回路、光電探測器各項參數均正常，因此轉換后的電流數值僅極性發生改變而并無其他異常情況，故未出現告警信息。

4 運維建議

（1）運維人員需實時核查并記錄FOCT 相關參數，建立LED 驅動電流、調制器驅動電壓、光二次諧波等關鍵狀態量歷史數據庫，及時查看各狀態量變化趨勢，提前消除隱患；對于現場監測參數無法判斷的故障，應結合FOCT 測量原理展開分析，快速準確鎖定故障位置。

（2）安裝敷設光纜過程中注意彎曲度，對可能接觸或靠近光纖、光纜的工作時，提醒特別注意，防止誤動或破壞光纖，年度檢修期間做好光纖衰耗測試，確保光傳輸回路狀態正常。

（3）結合現場已出現故障及產生原因，督促生產廠家改進制造工藝，優化設備工作環境，降低電子單元板卡等、調制管本體故障率，增加自檢功能，消除接線錯誤等問題。

5 結語

FOCT 是直流輸電系統中重要的一次設備，其故障原因與LED 光源、傳輸光路、調制回路、二次諧波值等多個因素存在相互關系。換流站運檢人員在工作中須加強關鍵狀態量監測、風險任務管控以排除事故隱患，并督查設備廠家改進制造工藝，確保FOCT 的安全可靠運行。