光纤电流互感器光学组件寿命研究

高吉普，鲁彩江，徐长宝，徐知芳，刘东伟

（1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州贵阳 550002；2.易能乾元（北京）电力科技有限公司，北京 100093）

光纤电流互感器光学组件寿命研究

高吉普1，鲁彩江1，徐长宝1，徐知芳2，刘东伟2

（1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州贵阳 550002；2.易能乾元（北京）电力科技有限公司，北京 100093）

针对光纤电流互感器在电力应用中的长期可靠性问题，分析了其光学组件常见的失效模式，阐述了变比误差等关键指标退化的规律。并引入peck加速模型，以温度、湿度为应力因子，开展了三组不同应力水平下的加速寿命试验。根据试验数据计算得出光纤电流互感器光学组件的平均激活能约为0.63eV，推算出在正常工作环境下的寿命约为40.89年。

光纤电流互感器；光学组件；工作寿命；长期可靠性；加速寿命试验；peck模型

近年来，随着我国智能电网技术的快速发展，传统的电磁式电流互感器已经不能适应设备数字化、智能化的进程，而新型的光纤电流互感器（FOCT）则以其绝缘性能优良、无暂态磁饱和、无二次开路危险、不易受电磁干扰、动态测量范围大、频率响应宽、智能环保、易于数字化集成等优点[1-3]成为在智能变电站中取代传统电磁式电流互感器的理想设备。

据不完全统计，自2008年起，已有近2 000台光纤电流互感器在各级变电站中投入试点应用，且集成了光纤电流互感器的智能隔离式断路器设备已经用于国家新一代智能变电站的建设。但鉴于我国电力电网系统的复杂性，及电网停电带来的巨大经济损失，国家相关标准对电力用电流互感器设备的长期运行可靠性要求非常严格，如DL/T 725-2013《电力用电流互感器使用技术规范》中规定电流互感器使用寿命不低于30年。目前光纤电流互感器依然参照电子式电流互感器进行性能检测及型式试验，主要是对其准确度、绝缘耐压、电磁兼容等指标进行考核，但对长期可靠性却一直缺乏科学可行的测试方法。

本文针对长期工作寿命这个实际问题，深入分析了光纤电流互感器光学组件的失效模式，阐述了关键指标退化的规律。并结合peck加速模型，以温度、湿度为应力因子，对光纤电流互感器的光学组件开展了加速寿命试验，外推出了在正常工作环境下的寿命值。

1 失效模式分析

FOCT基于法拉第磁光效应的原理，利用特殊的传感光纤检测载流导线中的电流大小，主要由SLD光源、耦合器、偏振器、相位调制器、光电探测器、传感单元以及电路板等组件构成[4-5]，如图1所示。

图1 FOCT系统组成图Fig.1 FOCT System composition diagram

FOCT系统中各组件的性能及工作寿命是影响FOCT设备的长期可靠性的关键所在。由于电子元器件及电路板的平均寿命在电子行业已有共识，为15～20年[6-7]，无法达到30年的寿命要求，但电路组件通常安装在低压侧，允许随时故障检修、更换，对智能变电站的运行影响不大；而光学组件通常安装在高压侧，检修、更换时必须让高压电网断电才能进行，可见光学组件的寿命最终决定了FOCT设备的实际寿命，因此其工作寿命必须满足智能变电站的应用需求。本文主要对FOCT光学组件的寿命进行深入研究。

经过对工程实践中大量的测试数据、试验现象进行统计、分析、研究，总结得出以下几个常见的FOCT光学组件失效模式：

1.1 SLD光源失效

超辐射发光二极管（SLD）光源是与半导体激光光源类似的一种介于激光二极管（LD）和发光二极管（LED）之间的半导体非相干光源，基于InGaAsP/InP半导体材料的电致自发辐射原理制成，具有输出光功率高、光谱宽、稳定性好的特性，是目前光纤陀螺（FOG）和光纤电流互感器（FOCT）中普遍采用的理想光源[8]。

在FOCT系统中，SLD光源是所有光信号的源头，从SLD光源发出的光经过在FOCT光路中传播才能获得与母线电流相关的检测信号。当SLD光源出现无光、功率下降、波长漂移等故障时，FOCT系统的测量精度及稳定性必然会出现异常。工程实践统计发现，SLD光源失效在FOCT设备故障中所占比例高达50%，是影响FOCT工作寿命的主要原因之一。

1.2 传感单元失效

传感单元是FOCT系统的核心组件，主要由传感光纤、反射镜、1/4波片等组成，用于探测输电线上电流感生的磁场强度。传感单元的参数特性直接决定了FOCT系统的基本信噪比、测量范围、准确度、全温漂移量、抗电磁干扰能力等一系列的重要指标[9]。

目前主流的传感单元制作方法是，在传感光纤端面进行镀膜制成反射镜结构，在传感光纤末端熔接一段1/4拍长的保偏光纤制作1/4波片结构。而通常传感光纤的直径仅仅为250 μm，因此整个生产过程需要在专业的光学平台上进行操作，对工艺要求高，对质量控制严。但即便如此，在工程应用中传感单元仍然会发生故障失效现象，主要表现为传感光纤断裂、传感性能劣化；反射镜脱落、反射率降低；1/4波片断裂、全温异常等等。

1.3 集成光学器件失效

偏振器、相位调制器及光电探测器等集成光学器件在FOCT系统中发挥着光学起偏、相位调制及光电转换的作用，是闭环光学系统中不可或缺的组件。利用集成光学器件，可轻易实现系统的闭环反馈，极大地提高FOCT的动态响应速率和测量范围。

近十年来国内光纤陀螺技术不断突破，也带动了集成光学器件的快速发展，目前国内工艺水平已接近国际先进水平，其可靠性也得以大幅提升，但偶尔的故障失效仍是存在的。据工程实践统计，集成光学器件主要失效模式表现为尾纤耦合点断裂、损耗增大、密封外壳漏气等等。

1.4 光纤熔接点失效

FOCT的光路通常由分离的光源、分束器、偏振器、相位调制器、光电探测器等光学器件组成，各光学器件之间均采用尾纤熔接的方式实现光路的连通性。虽然目前用光纤熔接机熔接好的熔接点基本上都看不到任何断面、气泡、杂质等异常结构，但不代表熔接处与原光纤是完全一样的，也不代表熔接点是不存在的。在高温、高湿度等极端恶劣的工作环境下，光纤熔接点的脆弱性依然可能被激发出来，而导致熔接点断裂、损耗变大、偏振串扰变大等故障失效。

2 加速寿命模型

FOCT设备在智能变电站需要长期带电工作，要求光学组件的工作寿命不低于30年。但失效模式众多，无法从单一的失效模式推导、计算出FOCT设备光学组件的实际寿命，当然也不可能真正用30年时间来做验证试验。因此，需要采用加速寿命试验方法。

研究发现，温度和湿度是导致FOCT光学组件故障失效的主要因素，因此也应是FOCT设备失效的主要因素。目前，常用的加速寿命模型主要有Arrhenius模型、逆幂律模型、Eyring模型、peck模型等等[10-11]，但分析发现，只有peck模型中同时以温度和湿度为应力因子，适合用于FOCT光学组件的寿命分析，peck加速模型表达式有：

式中：A、m为系数；Ea为激活能，eV；k为玻尔兹曼常数，值为8.618×10-5eV/K；H为相对湿度；T为绝对温度；L为寿命特征。

由Peck模型的表达式可以看出，式中含有温度和相对湿度两个应力因子，且当温度和相对湿度越大，寿命特性则越小，符合FOCT光学组件的寿命特征。但在运用peck模型之前，我们需要做出以下几点假设[12]：

1）FOCT设备光学组件的性能退化过程不可逆。

2）在每个应力水平下，FOCT设备光学组件的性能退化机理都相同。

3）FOCT设备光学组件的残余寿命仅依赖于当时已累积失效部分和当时应力水平，而与累积方式无关。

3 试验与分析

3.1 试验设计

描述FOCT设备性能的主要参数有额定电流、变比、变比误差、相位误差、测量范围等，其中变比误差代表了FOCT的测量精度，通常以此为判断设备性能是否合格的关键参数。在长期稳定性试验及寿命试验中，变比误差会逐渐变大，直至最终超出用户所要求的误差限值，导致不合格。

因此，变比误差是能够反映FOCT设备性能的退化程度，可选取变比误差作为加速寿命试验的性能参数。用户要求FOCT设备变比误差限值为±0.2%，因此，本文将失效判据定为变比误差超出0.4%，而此时对应的失效时间即是在该应力环境下的寿命特征。

式（1）中，有A、m、Ea等3个未知量，因此至少需要对FOCT光学组件进行3组加速寿命试验，将试验的温度、相对湿度分别选为：

1）温度85℃、相对湿度85%。

2）温度85℃、相对湿度70%。

3）温度65℃、相对湿度85%。

3.2 数据分析

随机选取3套FOCT样机同时进行加速寿命试验，将光学组件放置在3组加速寿命实验环境下，给样机配电后，用测试软件采集各样机的输出，观测其变比误差的变化。试验数据表明，随着试验时间的增加，3组试验中样品的变比误差均有不同程度的变化，整体趋势是越来越大，如图2所示。

图2 三组试验数据Fig.2 Test data of three groups

如图3所示，以温度85℃、相对湿度85%条件下的试验数据为例，在试验初期的1 300 h以内，FOCT被测样机的变比误差基本没有发生大幅的漂移，仍保持在0.1%以内；在试验中期的1 300～1 800 h以内，变比误差开始逐渐变大，最大变为0.2%；在试验后期，变比误差开始急剧变大，并逐渐逼近0.4%，在2 302 h时已经超出0.4%。

图3 第一组试验数据Fig.3 First group test data

3组试验的寿命特征如表1所示，列方程组求解A、m、Ea等3个未知量。

表1 试验数据表Tab.1 Test data table

通过计算，系数A值为0.043 87，m值为2.15，激活能Ea值为0.63eV。

3.3 正常工作寿命外推

将求解出的各未知量的值带入式（1）中，推算在温度25℃、相对湿度55%的正常工作条件下的寿命特性为：

可见，在正常工作条件下，FOCT设备光学组件的工作寿命可达358 200 h，约为40.89年，远远高于相关国家标准30年的要求值。

4 结论

本文研究分析了光纤电流互感器光学组件常见的故障失效模式，利用peck加速模型，开展了在不同应力水平下的加速寿命试验。以光纤电流互感器的变比误差超过0.4%为失效判据，试验得出在各应力水平下的寿命特性值。通过求解方程组得到peck模型中各未知量的取值，并将这些值代入peck公式，外推出在正常工作环境下的光纤电流互感器光学组件的寿命约为40.89年。本试验结论证实了我们光纤电流互感器的长期可靠性指标是能够满足电力应用的要求，也为今后工程实施提供了理论支撑。

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（编辑 李沈）

Study on the Life of the Optical Components of the Fiber Optic Current Transformer

GAO Jipu1，LU Caijiang1，XU Changbao1，XU Zhifang2，LIU Dongwei2
（1.Guizhou Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co.，Ltd.，Guiyang 550002，Guizhou，China；2.Enerxy Qianyuan（Beijing）Electric Power Technology Co.，Ltd.，Beijing 100093，China）

In view of the long-term reliability of the fiber optic current transformer in its application in the electric power industry，this paper analyzes some common failure modes of the optical components and expounds the law of degradation of key parameters such as transformation ratio error.Peck accelerating model is introduced with temperature and humidity as the stress factors，and accelerated life tests of three groups of different stress levels are carried out.According to the test data，the activation energy of the optical components is calculated to be about 0.63eV，and thus the life inferred in the normal working environment is about 40.89 years.

fiber optic current transformer；optical components；working life；long term reliability；accelerated life test；peck mode

2016-01-25。

高吉普（1982—），男，工学硕士，工程师，从事数字化变电站和智能变电站相关研究；

鲁彩江（1986—），男，工学博士，工程师，从事电子式互感器技术研究；

徐长宝（1977—），男，工学硕士，高级工程师，从事数字化变电站技术研究；

徐知芳（1983—），男，工学硕士，工程师，从事全光纤电流互感器技术研究；

刘东伟（1978—），男，工学硕士，高级工程师，从事全光纤电流互感器技术研究。

中国博士后基金（2014M562410）。

Project Supported by the China Postdoctoral Science Foundation（2014M562410）.

1674-3814（2016）11-0135-04

TM452+.94

A