闭环全光纤电流互感器温度补偿方法研究

陈旭宇,黄 堃,曾中梁,曾梦妤,赵 俊,孙小菡

(1.广东电网责任有限公司佛山供电局,广东 528000;2.国电南瑞科技股份有限公司,南京 211106; 3.东南大学光传感/通信综合网络国家(地方)联合工程研究中心,南京 210012)

随着变电站自动化技术的深入发展,出现了一次、二次设备相互渗透、融合的新型智能化一次设备[1]。用电子式互感器取代传统的电磁式互感器,以光纤传输数字信号,就地集成继电保护、测控功能,与断路器或全封闭组合电器结合,形成新一代智能化一次设备,可增强变电站自动化系统实时监视和控制的可靠性、灵活性,降低建设和运行投资,方便维护[3]。

电子式互感器包括无源电子式互感器和有源电子式互感器。全光纤电流互感器FOCT(all-Fiber Optical Current Transformer)属于无源电子式互感器,在高压端不存在电子元器件,无需供电,绝缘结构简单,运行可靠,抗干扰能力强,无磁饱和和铁磁谐振,具有体积小、动态测量范围大、响应频带宽、可测交直流信号等优点,成为现阶段电力行业电流信号采集方案的研究热点[5]。

环境温度是影响FOCT测量准确度的主要因素[8],提高FOCT的温度特性是其工程化及实用化必须要解决的问题。FOCT的信号采集单元一般置于变电站控制室屏柜或带温控的户外柜内,工作温度比较稳定。受环境温度影响较大的主要是一次传感头部分,包括1/4波片、传感光纤及反射镜[11]。

本文研究了1/4波片长度及传感光纤Verdet常数对FOCT系统温度性能的影响,通过仿真分析及试验测试,找到了提高系统温度性能的最佳1/4波片切割长度,提高了FOCT系统全温范围内的测量准确度。

1 全光纤电流互感器

1.1 系统架构

FOCT的典型结构如图1所示。

图1 全光纤电流互感器结构图

宽谱光源发出的光经过耦合器及起偏器后,形成线偏振光。线偏振光以45°角进入相位调制器后,分成正交的两束线偏光分别沿保偏光纤的快、慢轴传输。两束线偏光经过1/4波片后,分别变为左旋和右旋的圆偏振光,进入传感光纤。Faraday磁光效应使两束圆偏光之间产生与被测电流大小成正比的非互易Faraday相移。两束圆偏振光经反射镜反射后,偏振模式互换,并再次穿过传感光纤,使产生的非互易相移加倍。两束圆偏振光再次通过1/4波片后,恢复为线偏振光。经过起偏器后,携带相位信息的干涉光由环形器送往采集单元,结合闭环信号解调算法解调出被测电流信息。

1.2 闭环信号解调算法

根据闭环解调算法,光电探测器输出的电压信号为[14]:

(1)

式中:K为光电转换系数,P0是SLD光源的输出光功率,β是光纤的传输损耗,φf是法拉第相移,φs是方波偏置相位±π/2,φJ为闭环实时反馈相位。

在方波调制信号的正半周期,φS=π/2,光探测器输出的电压信号为:

(2)

在方波调制信号的负半周期,φS=-π/2,光探测器输出的电压信号为:

(3)

将上面两式相减可得:

ΔU=KβP0sin(φf+φJ)

(4)

从式(4)可以看出,光探测器的输出电压信号的直流偏置部分被消除。通过闭环实时反馈系统引入补偿相移φJ,使得φJ=-φf,可抵消电流引起的非互易相移,提高系统的线性度和动态范围。通过检测补偿相移,可获得电流输出。

2 FOCT的温度误差因素分析

2.1 理论建模

1/4波片以一定的角度与保偏光纤熔接,相应的琼斯矩阵为[15]:

(5)

式中:δ为1/4波片的相位延迟,θ为对轴角度,理想为45°。

由式(5)可得系统的干涉输出光强[15]:

(6)

式中:ψm(t)=φJ+φs。

令

h=1-sinδsin(2θ)

(7)

Id=K[1±hsinφf±(1-h)sin(4NVI-φJ)]

当系统满足闭环条件时,干涉信号的交流分量为0,所以:

φf=φJ=(1+h)4NVI

(8)

由式(8)可以看出,影响全光纤精度的主要因素是1/4波片和Verdet常数V。

2.2 1/4波片的温度特性分析

偏振光在保偏光纤中传播时,两个模式光之间的相位延迟为:

(9)

式中:Lp为保偏光纤的拍长,l为波片长度。对于理想的1/4波片,l=Lp/4,其相位延迟为π/2。当温度变化时,1/4波片的相位延迟会产生偏移,由文献[16]可知:

(10)

式中:δ0为初始相位延迟。图2为δ随温度T变化关系图。可以看出,δ随着温度T的升高而降低。

图2 δ随温度T变化关系图

2.3 Verdet常数的温度特性分析

Verdet常数V与材料的性质及光波频率有关。Verdet受温度T影响满足式(11):

(11)

式中:V0为初始Verdet常数。图3为V随T变化关系图。可以看出,V随着温度T的升高而升高。

图3 V随温度T变化关系图

图4 实现实时补偿时相移δ取值

2.4 FOCT的温度补偿措施

由图2、图3可以看出,温度对Verdet常数和1/4波片相位偏移产生的影响趋势相反。本文仿真分析了温度变化时,Verdet常数和波片对系统测量误差的影响,结果如下图所示,其中标度因数SF表示测量值与实际值之间的比值,即

SF=4NV(1+h)

(12)

图为标度因数变化值ΔSF随1/4波片相位延迟δ变化关系图。当ΔSF=0时,误差最小,补偿效果最好。从仿真结果看出,当δ=103°时,ΔSF=0,此时补偿效果最好。

图为温度补偿前后标度因数SF的大小。根据图4的结果,分别测试了δ=103°和δ=101°时SF的大小,并与未进行温度补偿的结果进行对比。

仿真结果表明,当波片相移为在101°～103°之间时,FOCT的系统误差受温度的影响显著降低。

图5 温度补偿前后误差

3 样机及试验测试

3.1 试验参数

由于椭圆芯保偏光纤相对于熊猫型及领结型保偏光纤具有更好的温度特性,本文采用拍长为8.4 mm的椭圆芯保偏光纤制作1/4波片,在-40 ℃～70 ℃温度范围内进行了试验测试,如图6所示。

图6 温度试验图

试验温度变化规律如图所示,试验电流为200 A,测试1/4波片长度分别为2.1 mm,2.2 mm,2.3 mm,2.4 mm,2.5 mm。

3.2 试验结果

图为光纤传感环在不同长度1/4波片条件下,系统的温度试验结果。

从试验结果可以看出,1/4波片的长度为2.3 mm和2.4 mm时,系统的温度性能最好。其中,2.4 mm波片系统不管在高温区还是低温区,比差都大于0。

由式(9)可知,在拍长为8.4 mm时,2.4 mm波片的相移为102.86°,该长度在101°～103°范围内,试验结果与仿真结果一致。

图7 温度变化过程

图8 不同长度下的比差

4 总结

本文深入分析了闭环FOCT的温度误差因素,建立了系统的温度误差分析模型,从理论上计算了温度变化时Verdet常数和1/4波片引入的误差大小,并在此基础上研究了通过改变1/4波片长度实现对Verdet常数的温度补偿方案。完成了样机研制、仿真分析及试验测试,找到了最佳的1/4波片长度,大大提高了FOCT系统在全温度范围内的测试精度。