《一起全光纤电流互感器故障研究》3300字（论文）

一起全光纤电流互感器故障研究目录TOC\o"1-3"\h\u619一起全光纤电流互感器故障研究 1246311．全光纤电流互感器工作原理 148061.1法拉第磁光效应 156811．2全光纤电流互感器组成部件 2322201．3全光纤电流互感器工作原理 2265052．故障异常情况 295093．故障原因分析 398184．整改措施 4140264．1整理传感光纤 5170834．2传感光纤固定 5150624.3传感环螺栓紧固 5173295．结束语 6摘要：本文详细介绍了全光纤电流互感器的工作原理，通过分析一起由于低温环境影响全光纤电流互感器正常运行导致的换流站双极闭锁事故，经由低温试验查找出故障部件，根据全光纤电流互感器工作原理分析确定故障原因，对换流站现场维护工作提出总结和整改建议，为提高换流站全光纤电流互感器安全可靠运行提供参考。关键词：法拉第磁光效应；测量误差突变；光纤偏振态；引言：直流电流互感器是直流换流站的主要设备，主要作用于测量直流电流并将测量结果传至直流保护控制设备，直流电流互感器的测量精度和稳定性直接关系到换流站的安全稳定运行[1]。目前现场实际应用的直流电流互感器主要有3类：基于电磁感应原理的零磁通直流电流互感器、基于欧姆定律的直流电子式电流互感器和基于法拉第磁光效应的全光纤电流互感器。实际运行中，环境温度是影响全光纤电流互感器测量准确度和长期稳定运行的主要原因[2]。本文通过分析一起全光纤电流互感器受低温环境影响造成直流双极闭锁案例，并经低温试验查找出具体故障部件，结合其工作原理，分析确定故障原因，根据现场实际运行环境，为全光纤电流互感器安全可靠运行提出参考意见。1．全光纤电流互感器工作原理1.1法拉第磁光效应法拉第磁光效应就是在强磁场的作用下，物质的光学振动平面发生旋转。在与传播方向同向的磁场作用下，光振动平面沿传播方向的旋转角度θ与磁场强度H的大小及光在物质中传播的距离L的关系：θ=v∫H1．2全光纤电流互感器组成部件主要由光纤传感环、绝缘子、调制罐、电子单元组成。光纤传感环位于一次本体上端，主要器件包括1/4波片、传感光纤、反射镜；调制罐位于一次本体下端，主要器件包括起偏器、相位调制器、延时光纤等；电子单元位于保护室屏柜内，主要器件包括光源、光探测器等全部有源器件，进行数据的测量和处理工作，同时对整个光电回路进行监视和调节。1．3全光纤电流互感器工作原理全光纤电流互感器工作原理如图1所示，由电子单元中的LED光源发出一个光信号，经耦合器和起偏器作用形成线性偏振光，起偏器的尾纤与下一段光纤以45°熔接[3]，被分解为两束正交线偏振光并沿保偏光纤的X轴和Y轴传输，经过延时光纤将信号送到传感头部。再经过45°熔接点和1/4波片后，分别转变为左旋和右旋的圆偏振光，在传感光纤中传输,传感光纤是保圆光纤，在导线电流产生的磁场作用下，根据法拉第磁光效应，在传感光纤中，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光一个加速、一个减速，从而产生相位差，随着传播距离的不断增加，相位差会逐渐积累，再经过传感光纤末端的反射镜反射后，两束圆偏振光互换偏振模式，并沿路返回，因为这时磁场方向不变，而圆偏振光的传播方向与原来相反，所以法拉第磁光效应产生的相位差会加倍。第二次经过1/4波片后，两束圆偏振光恢复为两个正交的线偏振光，沿保偏光纤传回至起偏器，最后在起偏器处干涉，干涉光将由探测器探测并传输给计算机进行信号处理[4-5]。通过对输出光功率的测量就可以得出两束光的相位差，从而计算出电流的大小和方向。图1全光纤电流互感器原理图2．故障异常情况某日，受冷气流影响，某换流站所在地区气温骤降至-37.5℃，直流保护出现测量异常信号，“极Ⅰ低端阀组高压侧出口电流光CTIDC2P”、“极Ⅰ低端阀组低压侧出口电流光CTIDC2N”、“极Ⅱ线路光电流互感器IDL”、“接地极址引线1电流IDEL12”、“极Ⅱ高端阀组高压侧出口电流光CTIDC1P”共5台光CT报测量故障，故障光CT位置分布如图2所示，首先极Ⅰ低端阀组退出运行，随后极Ⅱ和极Ⅰ高端阀组先后闭锁。图2换流站故障光CT分布图3．故障原因分析为了确定光CT故障原因，首先对全光纤电流互感器进行了整体低温试验，测试故障光CT整体在低温下直流测量基本准确度，同时复现低温下的故障现象。试品本体包括传感环、光纤绝缘子、调制罐置于高低温箱内，电子机箱置于高低温箱外部。高低温箱温度有室温下降至0℃、-20℃、-30℃、-37.5℃、-40℃、-45℃等温度点时保持4-6小时。降温过程中，在每个预设的温度点对每个通道进行1%至110%额定电流点的误差测量，其余时间持续对试品施加3000A电流，实时记录各通道的误差及通道状态参量。试验过程中发现温箱由-40℃至-45℃降温过程中，校验仪显示通道2的误差由-3.8%陡降至-13.3%，故障录波同时捕捉到通道2的测量电流突然降低了300A左右，此时试品传感器的温度为-38℃。通道2的误差-时间曲线如图3所示，故障录波如图4所示：图3通道2误差突变时的“误差-时间”曲线图4通道2误差突变时的故障录波为了进一步排查光CT具体故障部件，开展了单部件低温试验。针对传感环和光纤绝缘子的低温试验，将调制罐移除低温箱，测试故障光CT传感环和光纤绝缘子在低温下直流测量准确度。试品在-45℃温度保持过程中，通道2误差再次陡降至-11.7%；确定了试品通道2误差突变与调制罐无关。针对传感环的低温试验，通过将传感环单独放入低温箱内，测试故障光CT传感环在低温下直流测量准确度，试品在-45℃下，通道2误差突变复现，确定试品通道2误差突变故障是由传感环导致。传感环内部结构如图5所示。内部是3冗余配置的传感光纤环，每个光纤环有20圈光纤，用黑色棉线捆扎在一起，置于同一个传感光纤的凹槽内，用黄色胶带固定在凹槽内。图5传感环内部结构从全光纤电流互感器工作原理分析，传感环内部光纤是保圆光纤，传播的光信号是圆偏振光。各自相互独立的光纤环相互缠绕交织在一起，当处于低温下时，光纤环会整体收缩，但由于光纤相互交织或受力，不能自由伸缩，从而在交织处造成光纤的局部受力，即造成光纤的微弯。光纤的微弯程度与外界温度相关，温度越低，微弯越厉害。传感光纤的微弯不仅会导致光功率的衰减，影响更大的是会改变传感光纤内的光偏振态[6-8]。当传感光纤存在微弯时，光偏振态就偏离理想的圆偏振，变成非理想的椭圆偏振，从而造成测量电流突变现象。4．整改措施4．1整理传感光纤对传感光纤进行整理，梳理光纤、重新盘绕光纤，消除由于光纤的微弯带来的损耗。先将传感光纤从传感环内取出，从传感光纤末端开始，逐圈进行扭力释放，盘放于传感光纤收纳工装上。再将传感光纤从传感光纤起始端开始，逐圈盘放至传感环内。在盘放过程中，遇扭力要将收纳工装进行旋转直至传感光纤可以自如落入传感环内为止。4．2传感光纤固定①用于捆扎传感光纤的黑线内径统一为4mm，可以平整放置20圈光纤并保持松弛状态。②传感光纤槽内设置24个胶带卷用于固定传感光纤主体。③反射镜底部增加与玻璃管等长的胶带。④1/4玻片封装用玻璃管U型开口朝上，底部前、中、后三点RTV进行固定。⑤将传感环360°旋转倒置、检测传感光纤是否有移位或卡入缝隙。如发现问题，应重新整理固定。图6光纤槽内固定示意图4.3传感环螺栓紧固按照工艺要求选择正确的扭矩紧固螺栓，使用正确的方法进行紧固，并划线做标记。禁止再次复紧影响光纤环的受力平衡。①M5x20（24颗）内六角螺栓 2.6N*m②M8x40（2颗）内六角螺栓 16.0N*m③M8x50（2颗）内六角螺栓 16.0N*m图7螺栓紧固顺序方法5．结束语全光纤电流互感器的测量精度和稳定性易受低温环境影响，本次换流站双极闭锁事故就是全光纤电流互感器在低温条件下测量异常导致。通过低温试验确定了全光纤电流互感器故障来源于传感环，传感环内部传感光纤的微弯程度与外界温度相关，温度越低，微弯越厉害。传感光纤的微弯不仅会导致光功率的衰减，还会改变传感光纤内的光偏振态。在低温环境下，当传感光纤伸入并卡在金属铝环的缝隙中，铝环收缩导致缝隙变小，从而挤压传感光纤。挤压光纤同样会导致传感光的偏振态发生