全光纤电流互感器在禄高肇±500kV三端直流工程的应用

韩丰收，郑炯光，肖一鹏，邱冠英

（中国南方电网超高压输电公司广州局，广东广州，510000）

0 引言

禄高肇三端直流是2020年中国南方电网公司国内首个将常规两端直流工程改为三端直流的±500千伏直流输电工程，该工程包括禄劝、高坡和肇庆3个换流站，其中云南±500kV禄劝换流站为新建换流站，贵州±500kV高坡换流站、广东±500kV肇庆换流站为2004年投产的原高肇直流进行控保改造，形成跨云南—贵州—广东的三端直流输电通道。为充分利用原有设备，高坡换流站和肇庆换流站直流滤波器区域电流互感器仍采用原电磁式互感器，不采用全光纤电流互感器，其余直流场区域电流互感器均采用全光纤电流互感器，禄高肇直流站内全光纤电流互感器配置情况如表1所示。全光纤电流互感器（POCT）作为“首台套”设备在南方电网直流输电工程中进行应用，具有抗电磁干扰能力强、动态范围打、频带宽、响应度高、安装方便、安全性高及数字信号输出等优点，对其原理及投运以来的运行情况进行分析，是对运维人员提出的迫切要求。

表1 禄高肇直流全光纤电流互感器配置表

极1、极2直流滤波器支路高压电流 √ × ×极1、极2直流滤波器支路低压电流 √ × ×极1、极2直流滤波器不平衡电流 √ × ×直流滤波器电流测量

本文介绍了全光纤电流互感器的原理及其在禄高肇三端直流输电工程的应用情况，包括对其运维的建议。

1 全光纤电流互感器的组成及原理

全光纤电流互感器由光纤传感头（光纤敏感环）、保偏光纤延时环和信号处理单元三部分组成，如图1所示。其原理基于法拉第磁光效应与安培环路定理。

图1 全光纤电流互感器原理图

1.1 法拉第磁光效应

全光纤电流互感器工作原理如图2所示，激光光源发出的光经过耦合器与起偏器后，变为线偏振光。起偏器的尾纤与相位调制器的尾纤以45°熔接，线偏振光以45°注入保偏光纤延迟线，分别沿保偏光纤的X轴和Y轴传输。这两个正交模式的线偏振光经过1/4波片后，分别变为左旋和右旋圆偏振光，进入传感光纤中传播。载流导线中传输的电流产生的磁场会在传感光纤中产生法拉第磁光效应，使这两束圆偏振光的相位差发生变化并以不同的速度传输，在反射镜处反射后，两束圆偏振光的偏振模式互换（即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光）再次通过传感光纤，并再次经历法拉第效应使两束光产生的相位差加倍。这两束光再次通过1/4波片后，恢复为线偏振光。两束光在起偏器处发生干涉，携带相位差信号的光进入光接收组件转换为电信号。

图2 全光纤电流互感器工作原理图

Faraday 磁光效应的数学表达式如下：

上式中：V—Verdet 常数；H—磁感应强度；l—光与磁场相互作用的距离。

Faraday效应改变圆偏振光传播速度的结果，是旋向相反的圆偏振光在相同距离传播过程中差生一定的相位差。这种相移的改变和线偏振光振动面的偏转是等价的。

根据安培环路定理，任意一个区域边界内磁场矢量的环路积分，与通过这个区域边界内电流的总和相等，与区域的形状，距离以及材质无关。对于盘绕在一次通电导体的传感光纤，其构成的闭合环路进行积分，通电导体电流产生的磁场与旋转角的关系可以表示为：

Ni是穿过光纤环路的载流导体的根数，I是每根载流导体中通过的电流强度和方向（假设每根导体电流的大小和方向都相同）。其它临近通电导体产生的磁场在由传感光纤构成的闭合环路进行积分时，产生的旋转角为零，即：

因此任何环路外的磁场对环路内的测量没有影响。

根据上面公式总结为：

上式中：V—Verdet 常数；N—传感光纤圈数；Ni—穿过光纤环路的载流导体的根数。在实际应用中，Ni=1。

根据Faraday磁光效应与安培环路定律可知，载流导线中传输的电流大小与相位差成正比，因此通过检测光相位差信号可计算出待测电流值。

1.2 全光纤电流互感器检测工作原理

采用方波调制解调模式下的全光纤电流互感器系统中相位为±π/2的光波，全光纤电流互感器的探测器输出电压信号可表示为：

上式中，Kd为探测器的光电转换系数，α为光路的光功率衰减系数，Po为光源光功率，Fφ为全光纤互感器光路返回探测器的干涉光信号中携带的法拉第相位差，Rφ为闭环系统的反馈相位差。

全光纤电流互感器在闭环控制下的方波调制解调，探测器梳状波中相邻两周期的电平差可表示为：

在闭环反馈控制下，上式中的φF+φR≈ 0 ，故 s in (φF+φR)≈φF+φR。

法拉第磁光效应下有φF=4VNI

其中，V为维尔德常数，N为光纤圈数，I为一次电流。

反馈相位差可以表示为：

此外，反馈相位差是通过解调数字量、D/A转换器和相位调制器来实现的，因此反馈相位差还可表示为：

式中，Dout为解调数字量，m为D/A转换器的为数，Kfp为相位调制器的调制系数，Vð为半波电压。结合以上两个公式，可得：

闭环全光纤电流互感器的输出模型中包含电流I相关的变比系数K以及与电流I无关的固有偏置B。另外考虑光路以及信号检测过程中存在的噪声，使得B是一个符合噪声特性的随机变量。因此噪声的大小会影响输出有效值的不确定度。根据工程要求设计了符合技术规范的校验系数范围，以保证系统噪声电流小于要求值。

由于光路的非理想性，导致解调所得的光学相位差并不完全等于法拉第磁光相移角φF，因而通常会再做一次校验，这个校验所得的系数与额定电流的选择有关，校验过程的数学表达式为：Dout=k(K·I+B)，上式中，k为校验系数。系数校验主要通过与标准电流互感器进行测量值比对进行，系数校验后将不会更改。

系统变比K主要受系统前向通道增益、反馈通道增益影响，其涉及到的参数主要包括光源波长、传感线圈匝数、光纤长度、光源输出光功率、光路损耗、保偏光纤消光比、探测器响应度与跨阻抗、前放增益、A/D转换器的转换系数、数字解调增益、数字台阶相位的反馈增益、D/A转换器的转换系数、相位调制器调制系数等参数，当光路的故障会导致以上参数变化时，需要进行系数校验。

硬件参数在长期运行过程中不会发生变化，主要的光路参数可能会劣化造成光路传变特性改变。根据理论分析及工程运行经验，通常以下故障情况需要进行测量值校验：

（1）保偏光纤断纤重新熔纤后，包括全光纤电流互感器更换光电模块、传感环冗余及铠装保偏光缆的备用芯等，由于保偏光纤重新熔接后，消光比会发生变化，引起偏振误差的改变，需要通过测量值校验进行修正；

（2）因光纤应力等某些原因造成全光纤电流互感器测量值产生一个固定偏差，可通过测量值修正临时处理。

1.3 全光纤电流互感器的组成

全光纤直流电流互感器，通过传感光纤环实现一次电流传变，经过保偏光纤传输到采集单元完成数字信号转换，经过光纤传输到合并单元完成数据采集，并传输到保护、阀控装置。应用原理示意图如图3所示。

图3 全光纤电流互感器应用原理图

各个部件模块为：

（1）传感光纤环，实现一次电流信号传变为光信号；

（2）保偏光纤，高消光比，确保光信号的高偏振度传输；

（3）采集单元，通过信号调理及数字信号转换处理，保证整机数据处理精度，并输出FT3 格式数字信号；

（4）合并单元，通过信号重采样对采集单元数据进行处理，按IEC044-8 规约输出数字信号到保护、阀控装置。

2 全光纤电流互感器在禄高肇直流系统运行情况

禄高肇±500kV三端直流工程于2020年6月份完成系统调试，正式投入运行。投入运行后各站全光纤电流互感器基本运行良好，仅在投入运行初期出现禄劝站极2直流场极线电流IdL C套系统和肇庆站极1阀厅中性线电流IdN A套系统偏差的情况，最大偏差值约2%。

3 全光纤电流互感器测量值异常原因分析

从全光纤电流互感器校验工作原理分析，影响全光纤电流互感器测量异常的主要分为硬件参数和光路参数，下载电流互感器采集插件内状态参数报告，经传感器各项状态参数对比分析，未发下有任何异常现象，排除硬件参数故障。

光路参数中传感器线圈匝数、光纤长度一经确定不会改变。由于光纤介质受应力使保偏光纤的折射率发生变化，而由此引入的应力双折射改变了传输偏振光的偏振态，使得线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（包括次波与主波及次波之间的干涉）将会造成系统的偏振误差。因此判断禄劝站和肇庆站测量异常均由于保偏光纤受到应力，影响了保偏光纤的偏振消光比，引起往返传输线偏振光的偏振态，使得全光纤电流互感器测量输出引入了偏振误差，且随着应力程度的增大，偏振误差增大，引起输出误差持续偏大。

在厂内对光纤受应力情况进行了模拟复现。将传感环内的紧套光纤固定在绝缘盖板与金属骨架之间，拧紧附近的螺丝，使紧套光纤被夹紧，手动调节应力大小同时给传感环施加恒定的一次电流，并监控采集模块测量输出误差。

通过试验可以确认光纤受应力时，会引起全光纤电流互感器测量误差变化的情况发生。通过理论分析和厂内测试结果，均可判断测量异常是由光纤受应力导致。随后对站内全光纤电流互感器进行检查发现保偏光纤确实存在错位被挤压的情况。

4 改进措施

全光纤电流互感器光纤回路包括固封于一次传感头内的传感光纤、灌封于光纤绝缘子内的紧套保偏光纤、一次本体与二次采集单元之间铠装保偏光缆。全光纤电流互感器光纤回路基于保偏光纤熔接而成，其偏振特性、传输特性受保偏光纤施工熔纤质量影响。全光纤电流互感器长期运行稳定性与可靠性离不开保偏光纤高质量及高可靠性的标准化熔纤操作。

（1）通过保偏光纤标准化作业规范指导厂内熔纤及现场施工，保证熔纤点的可靠防护及使用寿命，通过现场验收规范对熔纤质量进行监督及验收管理。

（2）包装及运输时加强对光缆及本体出纤口的防护。

（3）每年年检的时候对铠装光缆两端线缆终端盒内光纤熔接点及紧套光纤进行维护，检查盘纤半径及受应力情况，做好相应记录。

5 结语

本文介绍了全光纤电流互感器的工作原理及其在禄高肇直流工程的应用情况。分析了全光纤电流互感器测量的工作原理，指出由于保偏光纤受挤压的原因，导致全光纤电流互感器出现异常，并提出了后续运维建议。