全光纖電流互感器在祿高肇±500kV三端直流工程的應用

韓豐收，鄭炯光，肖一鵬，邱冠英

（中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州，510000）

0 引言

祿高肇三端直流是2020年中國南方電網公司國內首個將常規兩端直流工程改為三端直流的±500千伏直流輸電工程，該工程包括祿勸、高坡和肇慶3個換流站，其中云南±500kV祿勸換流站為新建換流站，貴州±500kV高坡換流站、廣東±500kV肇慶換流站為2004年投產的原高肇直流進行控保改造，形成跨云南—貴州—廣東的三端直流輸電通道。為充分利用原有設備，高坡換流站和肇慶換流站直流濾波器區域電流互感器仍采用原電磁式互感器，不采用全光纖電流互感器，其余直流場區域電流互感器均采用全光纖電流互感器，祿高肇直流站內全光纖電流互感器配置情況如表1所示。全光纖電流互感器（POCT）作為“首臺套”設備在南方電網直流輸電工程中進行應用，具有抗電磁干擾能力強、動態范圍打、頻帶寬、響應度高、安裝方便、安全性高及數字信號輸出等優點，對其原理及投運以來的運行情況進行分析，是對運維人員提出的迫切要求。

表1 祿高肇直流全光纖電流互感器配置表

極1、極2直流濾波器支路高壓電流 √ × ×極1、極2直流濾波器支路低壓電流 √ × ×極1、極2直流濾波器不平衡電流 √ × ×直流濾波器電流測量

本文介紹了全光纖電流互感器的原理及其在祿高肇三端直流輸電工程的應用情況，包括對其運維的建議。

1 全光纖電流互感器的組成及原理

全光纖電流互感器由光纖傳感頭（光纖敏感環）、保偏光纖延時環和信號處理單元三部分組成，如圖1所示。其原理基于法拉第磁光效應與安培環路定理。

圖1 全光纖電流互感器原理圖

1.1 法拉第磁光效應

全光纖電流互感器工作原理如圖2所示，激光光源發出的光經過耦合器與起偏器后，變為線偏振光。起偏器的尾纖與相位調制器的尾纖以45°熔接，線偏振光以45°注入保偏光纖延遲線，分別沿保偏光纖的X軸和Y軸傳輸。這兩個正交模式的線偏振光經過1/4波片后，分別變為左旋和右旋圓偏振光，進入傳感光纖中傳播。載流導線中傳輸的電流產生的磁場會在傳感光纖中產生法拉第磁光效應，使這兩束圓偏振光的相位差發生變化并以不同的速度傳輸，在反射鏡處反射后，兩束圓偏振光的偏振模式互換（即左旋光變為右旋光，右旋光變為左旋光）再次通過傳感光纖，并再次經歷法拉第效應使兩束光產生的相位差加倍。這兩束光再次通過1/4波片后，恢復為線偏振光。兩束光在起偏器處發生干涉，攜帶相位差信號的光進入光接收組件轉換為電信號。

圖2 全光纖電流互感器工作原理圖

Faraday 磁光效應的數學表達式如下：

上式中：V—Verdet 常數；H—磁感應強度；l—光與磁場相互作用的距離。

Faraday效應改變圓偏振光傳播速度的結果，是旋向相反的圓偏振光在相同距離傳播過程中差生一定的相位差。這種相移的改變和線偏振光振動面的偏轉是等價的。

根據安培環路定理，任意一個區域邊界內磁場矢量的環路積分，與通過這個區域邊界內電流的總和相等，與區域的形狀，距離以及材質無關。對于盤繞在一次通電導體的傳感光纖，其構成的閉合環路進行積分，通電導體電流產生的磁場與旋轉角的關系可以表示為：

Ni是穿過光纖環路的載流導體的根數，I是每根載流導體中通過的電流強度和方向（假設每根導體電流的大小和方向都相同）。其它臨近通電導體產生的磁場在由傳感光纖構成的閉合環路進行積分時，產生的旋轉角為零，即：

因此任何環路外的磁場對環路內的測量沒有影響。

根據上面公式總結為：

上式中：V—Verdet 常數；N—傳感光纖圈數；Ni—穿過光纖環路的載流導體的根數。在實際應用中，Ni=1。

根據Faraday磁光效應與安培環路定律可知，載流導線中傳輸的電流大小與相位差成正比，因此通過檢測光相位差信號可計算出待測電流值。

1.2 全光纖電流互感器檢測工作原理

采用方波調制解調模式下的全光纖電流互感器系統中相位為±π/2的光波，全光纖電流互感器的探測器輸出電壓信號可表示為：

上式中，Kd為探測器的光電轉換系數，α為光路的光功率衰減系數，Po為光源光功率，Fφ為全光纖互感器光路返回探測器的干涉光信號中攜帶的法拉第相位差，Rφ為閉環系統的反饋相位差。

全光纖電流互感器在閉環控制下的方波調制解調，探測器梳狀波中相鄰兩周期的電平差可表示為：

在閉環反饋控制下，上式中的φF+φR≈ 0 ，故 s in (φF+φR)≈φF+φR。

法拉第磁光效應下有φF=4VNI

其中，V為維爾德常數，N為光纖圈數，I為一次電流。

反饋相位差可以表示為：

此外，反饋相位差是通過解調數字量、D/A轉換器和相位調制器來實現的，因此反饋相位差還可表示為：

式中，Dout為解調數字量，m為D/A轉換器的為數，Kfp為相位調制器的調制系數，Ve為半波電壓。結合以上兩個公式，可得：

閉環全光纖電流互感器的輸出模型中包含電流I相關的變比系數K以及與電流I無關的固有偏置B。另外考慮光路以及信號檢測過程中存在的噪聲，使得B是一個符合噪聲特性的隨機變量。因此噪聲的大小會影響輸出有效值的不確定度。根據工程要求設計了符合技術規范的校驗系數范圍，以保證系統噪聲電流小于要求值。

由于光路的非理想性，導致解調所得的光學相位差并不完全等于法拉第磁光相移角φF，因而通常會再做一次校驗，這個校驗所得的系數與額定電流的選擇有關，校驗過程的數學表達式為：Dout=k(K·I+B)，上式中，k為校驗系數。系數校驗主要通過與標準電流互感器進行測量值比對進行，系數校驗后將不會更改。

系統變比K主要受系統前向通道增益、反饋通道增益影響，其涉及到的參數主要包括光源波長、傳感線圈匝數、光纖長度、光源輸出光功率、光路損耗、保偏光纖消光比、探測器響應度與跨阻抗、前放增益、A/D轉換器的轉換系數、數字解調增益、數字臺階相位的反饋增益、D/A轉換器的轉換系數、相位調制器調制系數等參數，當光路的故障會導致以上參數變化時，需要進行系數校驗。

硬件參數在長期運行過程中不會發生變化，主要的光路參數可能會劣化造成光路傳變特性改變。根據理論分析及工程運行經驗，通常以下故障情況需要進行測量值校驗：

（1）保偏光纖斷纖重新熔纖后，包括全光纖電流互感器更換光電模塊、傳感環冗余及鎧裝保偏光纜的備用芯等，由于保偏光纖重新熔接后，消光比會發生變化，引起偏振誤差的改變，需要通過測量值校驗進行修正；

（2）因光纖應力等某些原因造成全光纖電流互感器測量值產生一個固定偏差，可通過測量值修正臨時處理。

1.3 全光纖電流互感器的組成

全光纖直流電流互感器，通過傳感光纖環實現一次電流傳變，經過保偏光纖傳輸到采集單元完成數字信號轉換，經過光纖傳輸到合并單元完成數據采集，并傳輸到保護、閥控裝置。應用原理示意圖如圖3所示。

圖3 全光纖電流互感器應用原理圖

各個部件模塊為：

（1）傳感光纖環，實現一次電流信號傳變為光信號；

（2）保偏光纖，高消光比，確保光信號的高偏振度傳輸；

（3）采集單元，通過信號調理及數字信號轉換處理，保證整機數據處理精度，并輸出FT3 格式數字信號；

（4）合并單元，通過信號重采樣對采集單元數據進行處理，按IEC044-8 規約輸出數字信號到保護、閥控裝置。

2 全光纖電流互感器在祿高肇直流系統運行情況

祿高肇±500kV三端直流工程于2020年6月份完成系統調試，正式投入運行。投入運行后各站全光纖電流互感器基本運行良好，僅在投入運行初期出現祿勸站極2直流場極線電流IdL C套系統和肇慶站極1閥廳中性線電流IdN A套系統偏差的情況，最大偏差值約2%。

3 全光纖電流互感器測量值異常原因分析

從全光纖電流互感器校驗工作原理分析，影響全光纖電流互感器測量異常的主要分為硬件參數和光路參數，下載電流互感器采集插件內狀態參數報告，經傳感器各項狀態參數對比分析，未發下有任何異常現象，排除硬件參數故障。

光路參數中傳感器線圈匝數、光纖長度一經確定不會改變。由于光纖介質受應力使保偏光纖的折射率發生變化，而由此引入的應力雙折射改變了傳輸偏振光的偏振態，使得線偏振光的少量能量耦合到正交偏振模式上形成次波，寄生次波的干涉（包括次波與主波及次波之間的干涉）將會造成系統的偏振誤差。因此判斷祿勸站和肇慶站測量異常均由于保偏光纖受到應力，影響了保偏光纖的偏振消光比，引起往返傳輸線偏振光的偏振態，使得全光纖電流互感器測量輸出引入了偏振誤差，且隨著應力程度的增大，偏振誤差增大，引起輸出誤差持續偏大。

在廠內對光纖受應力情況進行了模擬復現。將傳感環內的緊套光纖固定在絕緣蓋板與金屬骨架之間，擰緊附近的螺絲，使緊套光纖被夾緊，手動調節應力大小同時給傳感環施加恒定的一次電流，并監控采集模塊測量輸出誤差。

通過試驗可以確認光纖受應力時，會引起全光纖電流互感器測量誤差變化的情況發生。通過理論分析和廠內測試結果，均可判斷測量異常是由光纖受應力導致。隨后對站內全光纖電流互感器進行檢查發現保偏光纖確實存在錯位被擠壓的情況。

4 改進措施

全光纖電流互感器光纖回路包括固封于一次傳感頭內的傳感光纖、灌封于光纖絕緣子內的緊套保偏光纖、一次本體與二次采集單元之間鎧裝保偏光纜。全光纖電流互感器光纖回路基于保偏光纖熔接而成，其偏振特性、傳輸特性受保偏光纖施工熔纖質量影響。全光纖電流互感器長期運行穩定性與可靠性離不開保偏光纖高質量及高可靠性的標準化熔纖操作。

（1）通過保偏光纖標準化作業規范指導廠內熔纖及現場施工，保證熔纖點的可靠防護及使用壽命，通過現場驗收規范對熔纖質量進行監督及驗收管理。

（2）包裝及運輸時加強對光纜及本體出纖口的防護。

（3）每年年檢的時候對鎧裝光纜兩端線纜終端盒內光纖熔接點及緊套光纖進行維護，檢查盤纖半徑及受應力情況，做好相應記錄。

5 結語

本文介紹了全光纖電流互感器的工作原理及其在祿高肇直流工程的應用情況。分析了全光纖電流互感器測量的工作原理，指出由于保偏光纖受擠壓的原因，導致全光纖電流互感器出現異常，并提出了后續運維建議。