閉環全光纖電流互感器溫度補償方法研究

陳旭宇,黃 堃,曾中梁,曾夢妤,趙 俊,孫小菡

(1.廣東電網責任有限公司佛山供電局,廣東 528000;2.國電南瑞科技股份有限公司,南京 211106; 3.東南大學光傳感/通信綜合網絡國家(地方)聯合工程研究中心,南京 210012)

隨著變電站自動化技術的深入發展,出現了一次、二次設備相互滲透、融合的新型智能化一次設備[1]。用電子式互感器取代傳統的電磁式互感器,以光纖傳輸數字信號,就地集成繼電保護、測控功能,與斷路器或全封閉組合電器結合,形成新一代智能化一次設備,可增強變電站自動化系統實時監視和控制的可靠性、靈活性,降低建設和運行投資,方便維護[3]。

電子式互感器包括無源電子式互感器和有源電子式互感器。全光纖電流互感器FOCT(all-Fiber Optical Current Transformer)屬于無源電子式互感器,在高壓端不存在電子元器件,無需供電,絕緣結構簡單,運行可靠,抗干擾能力強,無磁飽和和鐵磁諧振,具有體積小、動態測量范圍大、響應頻帶寬、可測交直流信號等優點,成為現階段電力行業電流信號采集方案的研究熱點[5]。

環境溫度是影響FOCT測量準確度的主要因素[8],提高FOCT的溫度特性是其工程化及實用化必須要解決的問題。FOCT的信號采集單元一般置于變電站控制室屏柜或帶溫控的戶外柜內,工作溫度比較穩定。受環境溫度影響較大的主要是一次傳感頭部分,包括1/4波片、傳感光纖及反射鏡[11]。

本文研究了1/4波片長度及傳感光纖Verdet常數對FOCT系統溫度性能的影響,通過仿真分析及試驗測試,找到了提高系統溫度性能的最佳1/4波片切割長度,提高了FOCT系統全溫范圍內的測量準確度。

1 全光纖電流互感器

1.1 系統架構

FOCT的典型結構如圖1所示。

圖1 全光纖電流互感器結構圖

寬譜光源發出的光經過耦合器及起偏器后,形成線偏振光。線偏振光以45°角進入相位調制器后,分成正交的兩束線偏光分別沿保偏光纖的快、慢軸傳輸。兩束線偏光經過1/4波片后,分別變為左旋和右旋的圓偏振光,進入傳感光纖。Faraday磁光效應使兩束圓偏光之間產生與被測電流大小成正比的非互易Faraday相移。兩束圓偏振光經反射鏡反射后,偏振模式互換,并再次穿過傳感光纖,使產生的非互易相移加倍。兩束圓偏振光再次通過1/4波片后,恢復為線偏振光。經過起偏器后,攜帶相位信息的干涉光由環形器送往采集單元,結合閉環信號解調算法解調出被測電流信息。

1.2 閉環信號解調算法

根據閉環解調算法,光電探測器輸出的電壓信號為[14]:

(1)

式中:K為光電轉換系數,P0是SLD光源的輸出光功率,β是光纖的傳輸損耗,φf是法拉第相移,φs是方波偏置相位±π/2,φJ為閉環實時反饋相位。

在方波調制信號的正半周期,φS=π/2,光探測器輸出的電壓信號為:

(2)

在方波調制信號的負半周期,φS=-π/2,光探測器輸出的電壓信號為:

(3)

將上面兩式相減可得:

ΔU=KβP0sin(φf+φJ)

(4)

從式(4)可以看出,光探測器的輸出電壓信號的直流偏置部分被消除。通過閉環實時反饋系統引入補償相移φJ,使得φJ=-φf,可抵消電流引起的非互易相移,提高系統的線性度和動態范圍。通過檢測補償相移,可獲得電流輸出。

2 FOCT的溫度誤差因素分析

2.1 理論建模

1/4波片以一定的角度與保偏光纖熔接,相應的瓊斯矩陣為[15]:

(5)

式中:δ為1/4波片的相位延遲,θ為對軸角度,理想為45°。

由式(5)可得系統的干涉輸出光強[15]:

(6)

式中:ψm(t)=φJ+φs。

令

h=1-sinδsin(2θ)

(7)

Id=K[1±hsinφf±(1-h)sin(4NVI-φJ)]

當系統滿足閉環條件時,干涉信號的交流分量為0,所以:

φf=φJ=(1+h)4NVI

(8)

由式(8)可以看出,影響全光纖精度的主要因素是1/4波片和Verdet常數V。

2.2 1/4波片的溫度特性分析

偏振光在保偏光纖中傳播時,兩個模式光之間的相位延遲為:

(9)

式中:Lp為保偏光纖的拍長,l為波片長度。對于理想的1/4波片,l=Lp/4,其相位延遲為π/2。當溫度變化時,1/4波片的相位延遲會產生偏移,由文獻[16]可知:

(10)

式中:δ0為初始相位延遲。圖2為δ隨溫度T變化關系圖。可以看出,δ隨著溫度T的升高而降低。

圖2 δ隨溫度T變化關系圖

2.3 Verdet常數的溫度特性分析

Verdet常數V與材料的性質及光波頻率有關。Verdet受溫度T影響滿足式(11):

(11)

式中:V0為初始Verdet常數。圖3為V隨T變化關系圖。可以看出,V隨著溫度T的升高而升高。

圖3 V隨溫度T變化關系圖

圖4 實現實時補償時相移δ取值

2.4 FOCT的溫度補償措施

由圖2、圖3可以看出,溫度對Verdet常數和1/4波片相位偏移產生的影響趨勢相反。本文仿真分析了溫度變化時,Verdet常數和波片對系統測量誤差的影響,結果如下圖所示,其中標度因數SF表示測量值與實際值之間的比值,即

SF=4NV(1+h)

(12)

圖為標度因數變化值ΔSF隨1/4波片相位延遲δ變化關系圖。當ΔSF=0時,誤差最小,補償效果最好。從仿真結果看出,當δ=103°時,ΔSF=0,此時補償效果最好。

圖為溫度補償前后標度因數SF的大小。根據圖4的結果,分別測試了δ=103°和δ=101°時SF的大小,并與未進行溫度補償的結果進行對比。

仿真結果表明,當波片相移為在101°～103°之間時,FOCT的系統誤差受溫度的影響顯著降低。

圖5 溫度補償前后誤差

3 樣機及試驗測試

3.1 試驗參數

由于橢圓芯保偏光纖相對于熊貓型及領結型保偏光纖具有更好的溫度特性,本文采用拍長為8.4 mm的橢圓芯保偏光纖制作1/4波片,在-40 ℃～70 ℃溫度范圍內進行了試驗測試,如圖6所示。

圖6 溫度試驗圖

試驗溫度變化規律如圖所示,試驗電流為200 A,測試1/4波片長度分別為2.1 mm,2.2 mm,2.3 mm,2.4 mm,2.5 mm。

3.2 試驗結果

圖為光纖傳感環在不同長度1/4波片條件下,系統的溫度試驗結果。

從試驗結果可以看出,1/4波片的長度為2.3 mm和2.4 mm時,系統的溫度性能最好。其中,2.4 mm波片系統不管在高溫區還是低溫區,比差都大于0。

由式(9)可知,在拍長為8.4 mm時,2.4 mm波片的相移為102.86°,該長度在101°～103°范圍內,試驗結果與仿真結果一致。

圖7 溫度變化過程

圖8 不同長度下的比差

4 總結

本文深入分析了閉環FOCT的溫度誤差因素,建立了系統的溫度誤差分析模型,從理論上計算了溫度變化時Verdet常數和1/4波片引入的誤差大小,并在此基礎上研究了通過改變1/4波片長度實現對Verdet常數的溫度補償方案。完成了樣機研制、仿真分析及試驗測試,找到了最佳的1/4波片長度,大大提高了FOCT系統在全溫度范圍內的測試精度。