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文档简介
新一代全光纤电流互感器黄
勇
博士Cell
email:
yong.huang@上海康阔光传感技术股份有限公司1新一代全光纤电流互感器.
FOCT
现实问题及解决方案•
新一代电流传感光纤的特点•
新一代FOCT的关键特性及应用优势•
成果总结2新一代全光纤电流互感器•
FOCT
现实问题及解决方案•
新一代电流传感光纤的特点•
新一代FOCT的关键特性及应用优势•
成果总结3FOCT
现实问题及解决方案1.
电子式电流互感器(传感器)分类电子式有源电流互感器
(例如罗氏线圈)电子式电流互感器磁光晶体型电子式无源电流互感器全光纤型
(FOCT)基于光法拉第效应的电流传感器/互感器4FOCT
现实问题及解决方案2.
当前FOCT存在的问题
抗振动、抗冲击问题
小信号测量问题
温度补偿问题
规模化生产问题
长期可靠性问题
一次侧传感光缆的柔性安装问题5FOCT
现实问题及解决方案3.
全光纤电流互感器的基本原理及结构正交线偏振光YX光纤波片光电信号处理单元右旋/左旋椭反射镜圆偏振光电流母线MUF电流传感光纤环保线偏振光纤电流传感光纤6FOCT
现实问题及解决方案3.1二种不同光纤
的结构和工艺过程比较应力区SiO2+B2O3光纤包层SiO2光纤芯SiO2+GeO2存在巨大固有定无固有定向内应向内应力,
Fi
趋力,
Fi趋向于无向于无穷大。穷小。Fe是一个随机有限量Fe是一个随机有限量低双折射单模光纤(实际是普通的通信光纤)保线偏振光纤Fe/Fi
toInfiniteFe/Fi
toZero7FOCT
现实问题及解决方案3.2二种不同光纤
的结构和工艺过程比较8FOCT
现实问题及解决方案4.
二种不同光纤
的保线偏振光特性比较安捷伦偏振态分析仪SLD光源保线偏振光纤熔接机9FOCT
现实问题及解决方案4.
二种不同光纤
的保线偏振光特性比较4.1
线偏振光稳定性测试
(已在光纤陀螺中的应用超过30年了)抖动光纤,观察偏振态在帮加球表面的轨迹变化高线双折射光纤(保线偏振光纤)低双折射单模光纤偏振态轨迹偏振态轨迹10FOCT
现实问题及解决方案4.二种不同光纤的保线偏振光特性比较4.2保偏能力的比喻模型玻璃球代表一个线偏振态11FOCT
现实问题及解决方案5
电流传感光纤的基本结构(Sensing
Fiber)5.1
摘自中国科技大学钱景仁教授论文螺旋高双折射光纤OFS’86
inJapan中国科学A辑
on
June,
198912FOCT
现实问题及解决方案5
电流传感光纤的基本结构(Sensing
Fiber)5.2
摘自英国南安普顿大学D.N.Payne教授论文13FOCT
现实问题及解决方案5
电流传感光纤的基本结构(Sensing
Fiber)5.3
White
Paper
from
Fibercore,
Contributedby
DrChris
Emslie本文主要总结了过去使用Lo-Bi单模光纤的失败经历,认为使用螺旋结构
Hi-Bi光纤是实用FOCT成功的秘诀。14FOCT
现实问题及解决方案5电流传感光纤的基本结构(Sensing
Fiber)5.4
均匀螺旋结构高双折射光纤示意图(也称保椭圆光纤)Pitch:
6-10mm15FOCT
现实问题及解决方案5电流传感光纤的基本结构(Sensing
Fiber)高速旋转5.5
均匀螺旋结构高双折射光纤生产工艺光纤预制棒直径:15-30mm16FOCT
现实问题及解决方案6.
目前国内外关于光纤波片的实现方案6.1
切割一段所谓1/4拍长的线双折射光纤
(传统工艺)集中式变换---无法解决椭圆偏振态匹配问题保椭圆偏振光纤制作波片的困难:重复性光纤波片问题1.涉及光纤性能本身一致性2.每次切割的一致性3.熔接机每次放电的一致性4.熔接机在不同时候使用时的一致性。保线偏振光纤5.温度特性不一样。17FOCT
现实问题及解决方案6.
目前国内外关于光纤波片的实现方案6.2A
摘自中科院资深院士黄宏嘉教授1990年申请的专利定向双折射分布光纤
(线保偏光纤)螺旋结构双折射分布光纤递增螺旋结构双折射分布本专利主要为了解决四分之一波片制作的重复性问题,希望通过一段30-40cm的递增spun光纤来实现(新技术工艺)。18FOCT
现实问题及解决方案6.
目前国内外关于光纤波片的实现方案6.2A
摘自中科院资深院士黄宏嘉1990年申请的专利y(z)y
(z+Δz)物理理论模型Einx
(z+Δz)ΔΩx
(z)变螺旋光纤的模型坐标系E
(z
z)
E
(z)
cos()
E
(z)
sin()exp(
z)xxyxE
(z
z)
E
(z)
sin()
E
(z)
cos()exp(
z)yxyy19FOCT
现实问题及解决方案6.
目前国内外关于光纤波片的实现方案6.2A
摘自中科院资深院士黄宏嘉1990年申请的专利理论模型E
(z
z)
E
(z)
cos()
E
(z)
sin()
exp(
z)xxyxE
(z
z)
E
(z)
sin()
E
(z)
cos()
exp(
z)yxyy耦合模方程:dEdddEx
EEyx
E
(z)E(z)xxdzdEydzxxydzdzddEy
yEyEx
E
(z)Edzdzyyxdz20FOCT
现实问题及解决方案6.
目前国内外关于光纤波片的实现方案6.2A
摘自中科院资深院士黄宏嘉1990年申请的专利物理理论模型x
01
2
(z)y
2
(z)
ExEEy
E
241
0
(z)
0二个正交线偏振态122(z)2(z)1
1
()2二个正交椭圆偏振态(z)
(M)E
2
(z)2
(z))21
(
i21
i2
112(z)2(z)11
1
()2EELE
ER
i
2
(z)
二个正交园偏振态21FOCT
现实问题及解决方案6.
目前国内外关于光纤波片的实现方案6.2B
摘自中科院资深院士黄宏嘉1990年申请的专利物理理论模型线偏振态从慢轴输入时,
产生右旋椭圆偏振光分布式变换22FOCT
现实问题及解决方案6.
目前国内外关于光纤波片的实现方案6.3
传统光纤波片和Comcore
光纤波片的差异传统波片相位延迟集中式变换无法匹配康阔波片123实现机理耦合摸理论分布式变换自动匹配偏准态变换特征与传感光纤的偏振态匹配45温度特性制作工艺非线性变化线性变化只能手工制作
可实现自动化、规模化生产23FOCT
现实问题及解决方案6
电流传感光纤的基本结构(Sensing
Fiber)6.4
国内、外公司的情况存在偏振态匹配问题,传感由于随机应力和性能的不均匀,存在位置敏感问题光缆抖动比差仍会变化电流传感光缆传感光纤环A.
可柔性安装环B.与DCB集成的环C.与DCB集成的环24新一代全光纤电流互感器•
FOCT的现实问题及解决方案•
新一代电流传感光纤的特点•
新一代FOCT的关键特性及应用•
成果总结25新一代电流传感光纤特点1.
0新一代FOCT传感光纤的结构特征(用于反射式结构)(已获多项实用和发明专利)递增螺旋结构双折射段均匀螺旋结构双折射段光纤长度坐标
(meter)26新一代电流传感光纤特点1.1新一代FOCT传感光纤中的偏振态演化(用于反射式结构)(已获多项实用和发明专利)从慢轴输入线偏振态递增螺旋结构双折射段均匀螺旋结构双折射段螺旋椭圆偏振态解决了偏振态匹配问题和规模化生产问题27新一代电流传感光纤特点2
新一代FOCT传感光纤中的偏振态保持能力晃动或抖动被测光纤,观察偏振态在帮加球表面的轨迹变化偏振态分析仪测试结果偏振态轨迹Comcore
特种保椭圆光纤偏振态轨迹低双折射单模光纤28新一代电流传感光纤特点3新一代FOCT传感光纤与国外公司的光纤比较优势主要性能国外公司无Comcore备注1
有无光纤波片功能有康阔可以自动化重复生产任意波片234有强无弱能光纤涂覆材料对光纤性能的影响涂覆材料导致光纤性能长期稳定性差。电流传感效应与温度的依赖关系康阔的优于国外进口的光纤,温度依赖系数只有国外的一半。能否做成柔性电流传感光缆不能如利用国外光纤做成柔性传感环时,比差会不稳定。由偏振态不匹配所致。5
光纤使用的灵活性差好可在测量超大电流和超小电流之间任意优化29新一代全光纤电流互感器•
FOCT的发展史和现状•
新一代电流传感光纤的特点•
新一代FOCT的关键特性及应用优势•
成果总结30新一代FOCT的关键特性及应用新一代FOCT的关键特性31新一代FOCT的关键特性1.
Comcore
FOCT第一种基本结构光接口至MU一次部分光纤延迟线温度传感调制器保线偏振光纤数字输出信号处理保椭圆光纤反射膜光源PM光纤耦合器光电探测一次母线起偏器光电信号处理单元保线偏振光纤保椭圆偏振光纤32新一代FOCT的关键特性2.
220kV
GIS-FOCT测试样机可插拔端口是封闭端口,固定位置主要为确保光路形成闭合回路。33新一代FOCT的关键特性3.
FOCT整机
比差与温度的关系(带温度补偿功能)全温度比差变化幅度:<+/-0.05%0.20.1080比差温度5020-0.1-0.2-10-4002468101214161820时间(小时)34新一代FOCT的关键特性4.
FOCT
相差与温度的关系
(基本与温度无关)10580相差温度50020-5-10-40-1005101520时间(小时)36新一代FOCT的关键特性5.
传感光纤(缆)环的位置敏感性或抗外场干扰能力随位置变化+安装重复性+外场干扰变化:优于+/-0.3‰37新一代FOCT的关键特性6.
传感光纤环的抗振动测试
(Shock
Test),
TestedBy
ABB38新一代FOCT的关键特性6.1传感光纤环的抗冲击和振动测试
(impact
and
vibration
test)40G冲击按照GB/T
14537-1993中规定的严酷等级为振动耐久试验的标称频率范围为10Hz—150Hz,试验的持续时间约为480min,
即一次扫频循环约为8min。(见GB/T11287-2000)I级冲击和碰撞检验。冲击和碰撞试验的主要参数如下,参见国标GB/T14537-93,39新一代FOCT的关键特性7.
对同一个
GIS
FOCT在不同电压等级达到预定精度假定传感光缆的有效长度为19米电压等级
额定电流
安培*匝数
最少光缆绕
实际可绕罐体直径(KV)(A)(安匝)匝数匝数(mm)12345220330550800100012001800315050006300150001500015000150001500013915131083804505807508405337由于AIS-FOCT的传感环直径通常要小于同一等级的GIS
罐体外径,故其精度,通常会更高。40新一代FOCT的关键特性8.
新一代
FOCT主要技术指标项目指标1234电压等级10KV-1200KV额定电流范围(交直流)0.5
-100万安培
(实际可达300万安培)-40to
+70/
-10
to
+55度IEC
0.2S级,
0.2级,
5P30/40一次/二次使用环境测量/保护精度
(可至25次谐波)56789数据采样频率输出信号协议供电电源4to
12.5KHZ
(可配置)可配置,
60044-8
或
61850-9/2可根据现场需要确定安装方式便携式,柔性安装和其它传统安装方式智能电网,核电站,冶金工业,航空应用范围41新一代FOCT的关键特性9.
新一代
FOCT的总体优势和特征1.
传感光纤环可以是柔性的(适合不同电压等级的使用),也可以是固定环式。2.
温度特性在全温度范围内长期稳定。3.
经运输(振动或冲击),零点不变,无需现场在校验。4.
传感光缆可以安装任意GIS出线口,无需集成到罐体内,减少维修和升级的成本。对于使用的电流传感光纤,如不能做成柔性电流传感光缆的,即便做成了固定式的电流传感环,其不稳定的隐患还是无法排除的。42新一代FOCT的关键特性及应用新一代FOCT应用优势43新一代FOCT应用优势1.
带软性电流传感光缆的
GIS-FOCT
现场应用优势目前110KV
GIS
FOCT安装方式新一代FOCT的可能安装方式安装、维修、升级非常麻烦安装、维修、升级简单、方便44新一代FOCT应用优势2.
不平衡直流/交流小电流FOCT的实现.
额定电流:1,
2安培.
传感光纤环直径:8-10厘米.
传感光纤有效长度:30-100
米.
准确度:0.5
或1级45新一代FOCT应用优势3.
新一代高灵敏度FOCT
(测量漏电电流)(A)0
mA(B)10mA(C)60
mA(D)100
mA46新一代FOCT应用优势4.
带柔性电流传感光缆的
GIS-FOCT
安装于220KV
GIS系统220KVGISFOCT47新一代FOCT应用优势5.
带柔性电流传感光缆的
GIS-FOCT安装于1000KV特高压试验站1000kVGISFOCT,1000kVGISFOCT,
特高压试验站48新一代FOCT应用优势6
带固定环FOCT集成于110KV
DCB中FOCT与DCB集成49新一代FOCT应用优势7.
AIS-FOCT
悬式复合绝缘柱的优势自立式500
KV
AIS-FOCT
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