《一起全光纖電流互感器故障研究》3300字（論文）

一起全光纖電流互感器故障研究目錄TOC\o"1-3"\h\u619一起全光纖電流互感器故障研究 1246311．全光纖電流互感器工作原理 148061.1法拉第磁光效應(yīng) 156811．2全光纖電流互感器組成部件 2322201．3全光纖電流互感器工作原理 2265052．故障異常情況 295093．故障原因分析 398184．整改措施 4140264．1整理傳感光纖 5170834．2傳感光纖固定 5150624.3傳感環(huán)螺栓緊固 5173295．結(jié)束語 6摘要：本文詳細(xì)介紹了全光纖電流互感器的工作原理，通過分析一起由于低溫環(huán)境影響全光纖電流互感器正常運(yùn)行導(dǎo)致的換流站雙極閉鎖事故，經(jīng)由低溫試驗(yàn)查找出故障部件，根據(jù)全光纖電流互感器工作原理分析確定故障原因，對換流站現(xiàn)場維護(hù)工作提出總結(jié)和整改建議，為提高換流站全光纖電流互感器安全可靠運(yùn)行提供參考。關(guān)鍵詞：法拉第磁光效應(yīng)；測量誤差突變；光纖偏振態(tài)；引言：直流電流互感器是直流換流站的主要設(shè)備，主要作用于測量直流電流并將測量結(jié)果傳至直流保護(hù)控制設(shè)備，直流電流互感器的測量精度和穩(wěn)定性直接關(guān)系到換流站的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。目前現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用的直流電流互感器主要有3類：基于電磁感應(yīng)原理的零磁通直流電流互感器、基于歐姆定律的直流電子式電流互感器和基于法拉第磁光效應(yīng)的全光纖電流互感器。實(shí)際運(yùn)行中，環(huán)境溫度是影響全光纖電流互感器測量準(zhǔn)確度和長期穩(wěn)定運(yùn)行的主要原因[2]。本文通過分析一起全光纖電流互感器受低溫環(huán)境影響造成直流雙極閉鎖案例，并經(jīng)低溫試驗(yàn)查找出具體故障部件，結(jié)合其工作原理，分析確定故障原因，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，為全光纖電流互感器安全可靠運(yùn)行提出參考意見。1．全光纖電流互感器工作原理1.1法拉第磁光效應(yīng)法拉第磁光效應(yīng)就是在強(qiáng)磁場的作用下，物質(zhì)的光學(xué)振動(dòng)平面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。在與傳播方向同向的磁場作用下，光振動(dòng)平面沿傳播方向的旋轉(zhuǎn)角度θ與磁場強(qiáng)度H的大小及光在物質(zhì)中傳播的距離L的關(guān)系：θ=v∫H1．2全光纖電流互感器組成部件主要由光纖傳感環(huán)、絕緣子、調(diào)制罐、電子單元組成。光纖傳感環(huán)位于一次本體上端，主要器件包括1/4波片、傳感光纖、反射鏡；調(diào)制罐位于一次本體下端，主要器件包括起偏器、相位調(diào)制器、延時(shí)光纖等；電子單元位于保護(hù)室屏柜內(nèi)，主要器件包括光源、光探測器等全部有源器件，進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量和處理工作，同時(shí)對整個(gè)光電回路進(jìn)行監(jiān)視和調(diào)節(jié)。1．3全光纖電流互感器工作原理全光纖電流互感器工作原理如圖1所示，由電子單元中的LED光源發(fā)出一個(gè)光信號，經(jīng)耦合器和起偏器作用形成線性偏振光，起偏器的尾纖與下一段光纖以45°熔接[3]，被分解為兩束正交線偏振光并沿保偏光纖的X軸和Y軸傳輸，經(jīng)過延時(shí)光纖將信號送到傳感頭部。再經(jīng)過45°熔接點(diǎn)和1/4波片后，分別轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光，在傳感光纖中傳輸,傳感光纖是保圓光纖，在導(dǎo)線電流產(chǎn)生的磁場作用下，根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)，在傳感光纖中，左旋圓偏振光和右旋圓偏振光一個(gè)加速、一個(gè)減速，從而產(chǎn)生相位差，隨著傳播距離的不斷增加，相位差會逐漸積累，再經(jīng)過傳感光纖末端的反射鏡反射后，兩束圓偏振光互換偏振模式，并沿路返回，因?yàn)檫@時(shí)磁場方向不變，而圓偏振光的傳播方向與原來相反，所以法拉第磁光效應(yīng)產(chǎn)生的相位差會加倍。第二次經(jīng)過1/4波片后，兩束圓偏振光恢復(fù)為兩個(gè)正交的線偏振光，沿保偏光纖傳回至起偏器，最后在起偏器處干涉，干涉光將由探測器探測并傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號處理[4-5]。通過對輸出光功率的測量就可以得出兩束光的相位差，從而計(jì)算出電流的大小和方向。圖1全光纖電流互感器原理圖2．故障異常情況某日，受冷氣流影響，某換流站所在地區(qū)氣溫驟降至-37.5℃，直流保護(hù)出現(xiàn)測量異常信號，“極Ⅰ低端閥組高壓側(cè)出口電流光CTIDC2P”、“極Ⅰ低端閥組低壓側(cè)出口電流光CTIDC2N”、“極Ⅱ線路光電流互感器IDL”、“接地極址引線1電流IDEL12”、“極Ⅱ高端閥組高壓側(cè)出口電流光CTIDC1P”共5臺光CT報(bào)測量故障，故障光CT位置分布如圖2所示，首先極Ⅰ低端閥組退出運(yùn)行，隨后極Ⅱ和極Ⅰ高端閥組先后閉鎖。圖2換流站故障光CT分布圖3．故障原因分析為了確定光CT故障原因，首先對全光纖電流互感器進(jìn)行了整體低溫試驗(yàn)，測試故障光CT整體在低溫下直流測量基本準(zhǔn)確度，同時(shí)復(fù)現(xiàn)低溫下的故障現(xiàn)象。試品本體包括傳感環(huán)、光纖絕緣子、調(diào)制罐置于高低溫箱內(nèi)，電子機(jī)箱置于高低溫箱外部。高低溫箱溫度有室溫下降至0℃、-20℃、-30℃、-37.5℃、-40℃、-45℃等溫度點(diǎn)時(shí)保持4-6小時(shí)。降溫過程中，在每個(gè)預(yù)設(shè)的溫度點(diǎn)對每個(gè)通道進(jìn)行1%至110%額定電流點(diǎn)的誤差測量，其余時(shí)間持續(xù)對試品施加3000A電流，實(shí)時(shí)記錄各通道的誤差及通道狀態(tài)參量。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)溫箱由-40℃至-45℃降溫過程中，校驗(yàn)儀顯示通道2的誤差由-3.8%陡降至-13.3%，故障錄波同時(shí)捕捉到通道2的測量電流突然降低了300A左右，此時(shí)試品傳感器的溫度為-38℃。通道2的誤差-時(shí)間曲線如圖3所示，故障錄波如圖4所示：圖3通道2誤差突變時(shí)的“誤差-時(shí)間”曲線圖4通道2誤差突變時(shí)的故障錄波為了進(jìn)一步排查光CT具體故障部件，開展了單部件低溫試驗(yàn)。針對傳感環(huán)和光纖絕緣子的低溫試驗(yàn)，將調(diào)制罐移除低溫箱，測試故障光CT傳感環(huán)和光纖絕緣子在低溫下直流測量準(zhǔn)確度。試品在-45℃溫度保持過程中，通道2誤差再次陡降至-11.7%；確定了試品通道2誤差突變與調(diào)制罐無關(guān)。針對傳感環(huán)的低溫試驗(yàn)，通過將傳感環(huán)單獨(dú)放入低溫箱內(nèi)，測試故障光CT傳感環(huán)在低溫下直流測量準(zhǔn)確度，試品在-45℃下，通道2誤差突變復(fù)現(xiàn)，確定試品通道2誤差突變故障是由傳感環(huán)導(dǎo)致。傳感環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。內(nèi)部是3冗余配置的傳感光纖環(huán)，每個(gè)光纖環(huán)有20圈光纖，用黑色棉線捆扎在一起，置于同一個(gè)傳感光纖的凹槽內(nèi)，用黃色膠帶固定在凹槽內(nèi)。圖5傳感環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)從全光纖電流互感器工作原理分析，傳感環(huán)內(nèi)部光纖是保圓光纖，傳播的光信號是圓偏振光。各自相互獨(dú)立的光纖環(huán)相互纏繞交織在一起，當(dāng)處于低溫下時(shí)，光纖環(huán)會整體收縮，但由于光纖相互交織或受力，不能自由伸縮，從而在交織處造成光纖的局部受力，即造成光纖的微彎。光纖的微彎程度與外界溫度相關(guān)，溫度越低，微彎越厲害。傳感光纖的微彎不僅會導(dǎo)致光功率的衰減，影響更大的是會改變傳感光纖內(nèi)的光偏振態(tài)[6-8]。當(dāng)傳感光纖存在微彎時(shí)，光偏振態(tài)就偏離理想的圓偏振，變成非理想的橢圓偏振，從而造成測量電流突變現(xiàn)象。4．整改措施4．1整理傳感光纖對傳感光纖進(jìn)行整理，梳理光纖、重新盤繞光纖，消除由于光纖的微彎帶來的損耗。先將傳感光纖從傳感環(huán)內(nèi)取出，從傳感光纖末端開始，逐圈進(jìn)行扭力釋放，盤放于傳感光纖收納工裝上。再將傳感光纖從傳感光纖起始端開始，逐圈盤放至傳感環(huán)內(nèi)。在盤放過程中，遇扭力要將收納工裝進(jìn)行旋轉(zhuǎn)直至傳感光纖可以自如落入傳感環(huán)內(nèi)為止。4．2傳感光纖固定①用于捆扎傳感光纖的黑線內(nèi)徑統(tǒng)一為4mm，可以平整放置20圈光纖并保持松弛狀態(tài)。②傳感光纖槽內(nèi)設(shè)置24個(gè)膠帶卷用于固定傳感光纖主體。③反射鏡底部增加與玻璃管等長的膠帶。④1/4玻片封裝用玻璃管U型開口朝上，底部前、中、后三點(diǎn)RTV進(jìn)行固定。⑤將傳感環(huán)360°旋轉(zhuǎn)倒置、檢測傳感光纖是否有移位或卡入縫隙。如發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)重新整理固定。圖6光纖槽內(nèi)固定示意圖4.3傳感環(huán)螺栓緊固按照工藝要求選擇正確的扭矩緊固螺栓，使用正確的方法進(jìn)行緊固，并劃線做標(biāo)記。禁止再次復(fù)緊影響光纖環(huán)的受力平衡。①M(fèi)5x20（24顆）內(nèi)六角螺栓 2.6N*m②M8x40（2顆）內(nèi)六角螺栓 16.0N*m③M8x50（2顆）內(nèi)六角螺栓 16.0N*m圖7螺栓緊固順序方法5．結(jié)束語全光纖電流互感器的測量精度和穩(wěn)定性易受低溫環(huán)境影響，本次換流站雙極閉鎖事故就是全光纖電流互感器在低溫條件下測量異常導(dǎo)致。通過低溫試驗(yàn)確定了全光纖電流互感器故障來源于傳感環(huán)，傳感環(huán)內(nèi)部傳感光纖的微彎程度與外界溫度相關(guān)，溫度越低，微彎越厲害。傳感光纖的微彎不僅會導(dǎo)致光功率的衰減，還會改變傳感光纖內(nèi)的光偏振態(tài)。在低溫環(huán)境下，當(dāng)傳感光纖伸入并卡在金屬鋁環(huán)的縫隙中，鋁環(huán)收縮導(dǎo)致縫隙變小，從而擠壓傳感光纖。擠壓光纖同樣會導(dǎo)致傳感光的偏振態(tài)發(fā)生