全光纤电流互感器在直流输电工程中的运行维护

（国网江苏省电力有限公司检修分公司，南京 211102）

0 引言

FOCT（全光纤电流互感器）是直流输电工程中重要的测量设备之一，主要用途包括为直流系统控制保护、交流及直流滤波器保护、故障录波等采集电流值，因此，其测量准确度直接关系着直流换流站的稳定运行[1-2]。相对于常规电磁式电流互感器，FOCT 优势显著：绝缘性能优良，无油、气等绝缘介质，安全性能高；基于法拉第磁光效应，故障瞬间无磁饱和问题；输出值为数字信号，不存在二次侧开路过电压风险[3]。基于上述优点，FOCT 在特高压直流输电工程领域应用愈加广泛，并将成为电力系统电流测量装置发展趋势[4]。

国内外专家对FOCT 原理及其应用展开了深入研究，文献[5]利用庞加莱球理论及琼斯矩阵分析FOCT 测量精度及线性度影响因素；文献[6]分析了光回路和调制回路对二次谐波影响的基本规律；文献[7]分析环境温度、光纤弯曲度、缠绕匝数等因素对FOCT 测量性能影响并提出优化方案；文献[8]详细分析了一起FOCT 故障的原因并提出反措建议；文献[9]通过分析故障波形排查FOCT 测量电流异常原因；文献[10]分析FOCT 测量故障引起保护动作的原因并提出解决方案。前述研究集中于提高FOCT 测量精度、稳定性和故障原因分析3 个方面，而结合现场监测数据评价FOCT 工作状态、故障快速定位及消缺是目前现场运维亟需解决问题。

基于上述问题，本文针对换流站FOCT 常见故障进行了理论分析，指出实时参数与各类故障间的内在联系，并利用实际故障案例验证各参数异常对测量结果的影响，从而为现场运维检修人员判断FOCT 实时状态、故障排查提供理论依据，并提出建议，对换流站安全稳定运行具有指导意义。

1 FOCT 工作原理

图1 为FOCT 原理示意，位于电子单元内的LED 光源发出宽谱光经过光纤耦合器后进入调制罐，罐内光纤偏振器将光源变为线偏振光。线偏振光经光纤45°熔接点之后进入保偏光纤，分解成两束偏振方向相互正交的线偏振光，传播过程中两束线偏振光受到调制器的前向调制作用，引入调制相差。两束线偏振光经1/4 波片后，分别转变为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。当这两束圆偏振光通过传感光纤线圈时，由于法拉第磁光效应，两束圆偏振光之间将产生相位差。

图1 反射式FOCT 的原理

两束圆偏振光传输至传感光纤未端，由于末端反射的作用偏振态将发生翻转并按原光路返回，再次经过传感光纤，两束光之间的相位差加倍。再次经过1/4 波片时，圆偏振光被转换为两束模式正交的线偏振光，且输出光偏振与输入光的线偏振方向发生互换。输出线偏振光再次受到相位调制器的后向相位调制，产生了非对易的相差，最后携带法拉第相差和调制差的两束偏振光在光纤起偏器处发生干涉。

干涉光进入光电探测器，光电探测器将光信号转变为电信号，将电信号进行信号处理并测量出调制频率的谐波信号大小，最终计算出待测电流的值。

2 FOCT 故障原因分析

在换流站中，OWS 监控系统中实时显示站内FOCT 多项运行参数，图2 为500 kV 滤波器场中FOCT 监控界面，监控内容包括LED 驱动电流、光源温度、最大输入光强、调制器驱动电压、光的二次谐波等参数。运行人员可通过各参数值判断FOCT 运行状态，但参数发生异常时无法准确定位故障位置，通常只能在事故后对故障原因展开分析。

图2 运维人员实时监控界面

据统计，2018 年至今，某换流站多次出现FOCT 测量结果异常而引起跳闸或告警事件，对故障原因进行归纳总结，主要分为3 类：光源温度异常引起数据无效、光路故障引起数据异常、调制回路故障引起数据异常。

经过梳理，发生不同故障时，前述运行参数变化也存在区别，下文将从理论角度分析各类故障与监视参数间的联系，以便于提前判断并定位故障缺陷，消除事故隐患。

2.1 光源温度影响

LED 光源工作温度超过芯片承载温度，不仅导致光源发光效率快速降低而产生明显的光衰[11]，同样会改变光纤维尔德系数[12]。由文献[13]可知，FOCT 的测量原理为磁光效应，即高压导线中通过电流会在周围空间产生磁场，当光在该磁场中传播会产生偏振面偏转。依据法拉第效应可知，相位偏移角ΔΨ 为：

式中：V 为光纤维尔德系数；N 为光纤传感环圈数；I 为高压导线中的被测电流值。

图2 所示监控界面中光源温度表示LED 光源工作环境温度，由TEC（光源温度控制器）实时控制。若光源无法工作在合适温度下，则会改变光纤维尔德系数V，影响相位偏移角度ΔΨ 的准确性，从而引起电流测量值异常。

2.2 光路故障影响

光路故障直接影响光的传播，目前分析光路传输较常采用的方法有：有限元数值分析法[12]、极化率张量和麦克斯韦方程组联立法[13]、琼斯矩阵理论法[14]等。琼斯矩阵法是一种简化分析偏振光传输计算的方法，利用较为简练的矩阵形式及运算，对偏振片、保偏光纤、1/4 波片等各阶段均可以采用矩阵形式表示[14]。在经过前述传输过程后，进入光电探测器的光振幅Eout可表示为：

式中：GP为起偏器矩阵；G45为45°熔接点矩阵；G1/4为λ/4 波片矩阵；Gf1out为入射时的Faraday 效应矩阵；Gm为反射镜矩阵；Gf1in为反射时的Faraday 效应矩阵；Ein为入射光矩阵。

进入光电探测器的光强度Iout为：

式中：I0为入射光光强；K 为探测器光电转换系数；L 为光路传输系数。I0由图2 所示LED 驱动电流决定，当光源老化引起入射光光强降低时，会通过提高LED 驱动电流保证足够光强。而进入光电探测器的光强度Iout与输入最大光强相关，以确保采样准确度。

由式（1）及式（3）可知，若偏移角ΔΨ 和系数K 未受影响，为保证Iout为正常值，L 将直接决定I0强度，当光路损耗增大时L 会减小，必定会引起LED 驱动电流增大。若光纤出现局部弯曲严重、熔接点存在漏光或断裂等故障时，光回路传输系数L 显著减小，则无法通过增大LED 驱动电流保证Iout为正常值，此时最大输入光强也将明显降低。

因此，LED 驱动电流与最大输入光强可综合判断光回路是否存在故障。

2.3 调制回路影响

由于互感器响应与相位偏移量余弦函数成正比，当相位偏移量较小时余弦函数处于靠近零点处不敏感区域，会导致被测电流较小时计算数据不准确[6]。因此，在实际工程应用中，通常在光信号传输过程中引入了调制回路，使相位偏移的余弦函数形式发生变化，远离零点处，以保证测量数值准确性。

较为常用的调制方法为基于PZT（压电陶瓷）相位调制器的正弦波调制法，属开环检测系统[6]。设置正弦波调制偏置角度为φ（t）=φωsinωt，而在光纤传输中存在τ 延时，因此经过正弦波调制后探测器的输出信号为：

式（4）所示经正弦波调制后光电探测器输出信号可展开为贝塞尔函数形式，函数由无穷次谐波组成的，每个谐波中都包括相位偏移ΔΨ 的有效信息，且基波S1与二次谐波幅值S2分别为：

设定调制系数φe=2φωsin（ωτ/2），式（5）中贝塞尔系数Jn为：

取基波S1与二次谐波S2的幅度比值可以得到：

结合式（1）与式（7）可计算出被测电流I 为：

从式（8）可以看出，在光源及光传输回路正常的前提下，被测电流I 的大小与基波幅度S1、二次谐波幅度S2和调制系数φe有关。其中，如图2 所示，调制器驱动电压决定了调制系数φe，而光的二次谐波影响S2的幅值，因此，可根据上述两个状态参数实时值来判断故障原因是否与调制回路相关。

结合前述分析可知，图2 所示LED 驱动电流、光源温度、最大输入光强可表征光源及传输回路状态；光的二次谐波、调制器驱动电压可用于判别测量结果异常是否由调制回路引起。表1所示为各参数表达含义及正常运行值，有利于换流站运维检修人员辅助判断FOCT 运行工况及缺陷处理。

表1 各参数表达含义及正常运行值

3 故障案例分析

为验证前述章节理论分析的准确性，本节将结合3 组实际案例予以详细分析。

3.1 光源故障引起数据异常

后台极Ⅰ极保护系统A 报“直流滤波器低压侧电流测量故障”“极Ⅰ中性线差动保护AⅠ段Z闭锁投入（消失）”等事件，共瞬时复归产生两次，机箱前面板MR 告警指示灯常亮。检查电子单元机箱告警记录发现，后台告警的测点在相应时刻时，电子单元存在告警记录，同时该机箱3 个测点均反复产生“TEC Temperature High MR”“TEC Temperature Low MR”，且最后一次告警后长时间未复归。

现场检查各项监测数据状态量，光源环境温度异常，3 个测点TEC 值如表2 所示，已明显高于正常工作值25 ℃。

表2 3 个测点TEC 温度值

TEC 主要作用是制冷以保证光源温度稳定在正常值，而现场TEC 工作电压达到限制值3.838 V，已无法通过提高电压来达到制冷的目的。

综上判断本次故障原因为TEC 故障引起光源环境温度异常，从而导致FOCT 数据无效而报警，极易引起相关保护退出或者保护误动，需尽快更换该电子单元内光源板卡。

3.2 光路故障引起数据异常

现场报“第1 小组接地侧光CT 电子机箱轻微故障”告警，约35 min 后复归。现场检查该电子单元机箱前面板“需要检修”告警指示灯常亮，机箱状态量参数显示LED 驱动电流、最大输入光强、光的二次谐波等参数异常，光源温度及调制器驱动电压参数正常，状态量记录如表3 所示。

根据现场状态量显示，光源温度正常及调制器驱动电压正常，LED 驱动电流显著增加，且最大输入光强明显偏低，光的二次谐波值也偏低。

当光传输回路异常时，会引起传输系数L 变小，而此时增加LED 驱动电流也无法保证最大输入光强恢复正常值，导致进入光电探测器信号值减小而引起光的二次谐波偏低。初步判断为光回路故障，因此重点检查该光纤传输回路状态。

表3 电子单元机箱状态量记录一

对故障相（C 相）和正常相（B 相）外部光回路分别做OTDR 测试，波形如图3 所示。

图3 光回路OTDR 波形

由波形对比判断，在虚线框内，故障相波形损耗明显高于正常相，因此判断光回路出现故障。经过现场确认，故障点距离保偏光纤与单模光纤的熔点约30 m，故障原因为光纤弯折。

3.3 调制回路故障引起数据异常

交流滤波器组处于热备状态，调度下达投入指令；投入后第二套差动保护C 相跳闸，跳开滤波器进线断路器。从故障波形中可以看出，C 相首端电流与尾端电流极性一致，而控保逻辑中要求极性应相反，从而产生差流导致保护误动作，初步判断故障原因为该小组滤波器高压侧光CT的C 相（第二套）极性错误。

现场检查该电子单元状态量参数，如表4 所示，其中，LED 驱动电流数值正常，说明光源状态良好；最大输入光强参数正常，对外部光回路做OTDR 测试，波形显示正常，说明光传输回路正常；光的二次谐波、调制器驱动电压正常，且无告警信息，说明调制回路正常。

由式（4）可知，若正弦波偏置角度φ（t）产生偏移，则探测器输出信号值将会改变，且直接影响基波S1与二次谐波S2的幅值，导致被测电流值异常。根据测量波形判断，相移角度偏差180°，怀疑正弦波调制回路接线错误。

表4 电子单元机箱状态量记录二

现场重点排查了调制回路，包括FOCT 接口屏和CMB 线缆盒中故障相调制电缆的接线方式，发现CMB 盒中C 相调制电缆与正常相接线相反，进而导致极性错误。

综上可知，当调制线反接后，正弦波偏置角度φ（t）会发生翻转，但调制器驱动电压并未改变，且光源、光回路、光电探测器各项参数均正常，因此转换后的电流数值仅极性发生改变而并无其他异常情况，故未出现告警信息。

4 运维建议

（1）运维人员需实时核查并记录FOCT 相关参数，建立LED 驱动电流、调制器驱动电压、光二次谐波等关键状态量历史数据库，及时查看各状态量变化趋势，提前消除隐患；对于现场监测参数无法判断的故障，应结合FOCT 测量原理展开分析，快速准确锁定故障位置。

（2）安装敷设光缆过程中注意弯曲度，对可能接触或靠近光纤、光缆的工作时，提醒特别注意，防止误动或破坏光纤，年度检修期间做好光纤衰耗测试，确保光传输回路状态正常。

（3）结合现场已出现故障及产生原因，督促生产厂家改进制造工艺，优化设备工作环境，降低电子单元板卡等、调制管本体故障率，增加自检功能，消除接线错误等问题。

5 结语

FOCT 是直流输电系统中重要的一次设备，其故障原因与LED 光源、传输光路、调制回路、二次谐波值等多个因素存在相互关系。换流站运检人员在工作中须加强关键状态量监测、风险任务管控以排除事故隐患，并督查设备厂家改进制造工艺，确保FOCT 的安全可靠运行。