特種光纖在智能電網(wǎng)中的典型應用二：全光纖電流互感器技術(shù)

隨著(zhù)電力系統電壓等級的提高和傳輸容量的增大，繼電保護系統的穩定運行越來(lái)越重要，電子式電流互感器技術(shù)成為高壓電力系統電流監測主要手段。電子式電流互感器技術(shù)要追溯到18世紀法拉第發(fā)現的磁旋光效應和電磁感應，通過(guò)電-磁-光的特殊效應，達到對高壓電流精確傳感和測量的目的。

目前主流的電子式互感器主要有基于電磁感應原理的羅氏線(xiàn)圈電流互感器（RCT）、基于法拉第磁旋光效應的磁光玻璃電流互感器（OCT）和全光纖電流互感器（FOCT）。技術(shù)特點(diǎn)對比，詳見(jiàn)圖1。

圖1電子式互感器及不同技術(shù)對比

傳統的電磁感應式電流互感器（RCT）有著(zhù)不可避免的缺陷，如絕緣結構復雜、造價(jià)高、尺寸大等。而與其相比，全光纖電流互感器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如測量范圍寬、靈敏度高、尺寸小、安全性高等。因此，全光纖電流互感技術(shù)受到業(yè)界的高度關(guān)注，近年來(lái)得到迅速發(fā)展。

全光纖電流互感器是一種利用電磁場(chǎng)與光偏振態(tài)的交互作用進(jìn)行電流檢測的設備，其理論基礎是法拉第磁光效應和安培環(huán)路定律。通過(guò)最近幾年的實(shí)踐積累，全光纖電流互感器技術(shù)在信號處理和解調算法、鈮酸鋰調制器溫度補償方面取得了很大進(jìn)展。隨著(zhù)電力行業(yè)用戶(hù)對互感器內的器件光學(xué)性能優(yōu)化，以及器件封裝制備等工藝技術(shù)方面成熟度要求的提高，對傳感光纖環(huán)也提出了更高的要求。目前國內已有幾家企業(yè)及科研單位開(kāi)發(fā)并具備了生產(chǎn)FOCT的能力。

長(cháng)飛FOCT：閉環(huán)控制及干涉式互易性光路技術(shù)路線(xiàn)

長(cháng)飛光纖光纜股份有限公司作為全球領(lǐng)先的預制棒、光纖和光纜制造商，在特種光纖及特種光纖在傳感應用領(lǐng)域也深耕多年，并結合自身在特種光纖及光纖傳感領(lǐng)域的優(yōu)勢，自主開(kāi)發(fā)了全光纖電流互感器及其核心器件，通過(guò)對光纖玻片、保偏延遲環(huán)、保偏光纖傳感纜等關(guān)鍵元件的工藝優(yōu)化，實(shí)現了對整機標定、溫度性能準確性和穩定性幾個(gè)主要因素的優(yōu)良控制。

圖2 長(cháng)飛全光纖電流互感器技術(shù)方案

長(cháng)飛采用閉環(huán)控制及干涉式互易性光路技術(shù)，結合光纖陀螺系統類(lèi)似解調方法，實(shí)現FOCT系統。

圖3 長(cháng)飛FOCT傳感頭及采集單元樣機

用于電力系統的0.2/5P30級FOCT產(chǎn)品由兩部分組成：傳感頭、采集單元；并與合并單元配合工作。

傳感頭安裝于電網(wǎng)高壓側的電流母線(xiàn)上，它將母線(xiàn)中的電流轉化為與之大小相關(guān)的光信息，被采集單元采集和解調出來(lái)，并將數據以一定的協(xié)議格式發(fā)送給合并單元。用戶(hù)只需讀取合并單元以100M光纖以太網(wǎng)方式輸出數據，或用FT3格式輸出IEC61850-9-2規定格式的報文接口輸出的數據即可知道母線(xiàn)電流的大小。

基于以上技術(shù)路線(xiàn)和產(chǎn)品設計，長(cháng)飛FOCT產(chǎn)品具備如下特點(diǎn)：

u 絕緣結構簡(jiǎn)單，抗電磁干擾。一次側與采集處理電路完全“光隔離”，實(shí)現高壓隔離的同時(shí)，避免了電磁干擾；

u 采用閉環(huán)控制，測量準確度高，動(dòng)態(tài)范圍大，響應速度快；

u 無(wú)鐵芯，消除了磁飽和、鐵磁諧振等問(wèn)題；

u 光纖敏感環(huán)結構及安裝方式靈活?？闪汶娢话惭b，無(wú)動(dòng)、熱穩定問(wèn)題，無(wú)二次開(kāi)路危險；

u 可用于高電壓交/直流輸變電系統的計量和保護；

u 數字化輸出，適應電力計量和保護的數字式、微機化、自動(dòng)化等發(fā)展潮流。

圖4 FOCT應用場(chǎng)景

圖5 第三方檢測數據（國家高電壓計量站）

關(guān)鍵器件國產(chǎn)化

1.保圓光纖及保圓光纖環(huán)

全光纖電流互感器的核心部件，是在高壓側的保圓光纖（環(huán)）。這種光纖是一種特殊的保偏光纖，通過(guò)光纖的軸線(xiàn)旋轉引入圓雙折射，和光纖本身的高線(xiàn)性雙折射共同形成橢圓雙折射。在旋轉周期足夠小的情況下，具備很好的圓偏振保持能力，適用于光纖電流互感的應用。由于存在很高的內應力，因此保留了保偏光纖很好的抗外部干擾和內部缺陷的能力。

目前國內試點(diǎn)掛網(wǎng)的光纖型電流互感器產(chǎn)品幾乎全部使用進(jìn)口旋轉光纖，存在單價(jià)高，光纖段長(cháng)受限，供貨批次和交期不受控等問(wèn)題。長(cháng)飛公司致力于推動(dòng)光學(xué)互感器中的光纖材料及封裝工藝研究，已投入巨資進(jìn)行旋轉光纖的制棒及拉絲工藝研究，近期也取得了相當大的進(jìn)展，克服了保偏光纖預制棒和旋轉拉絲兩個(gè)核心難題。有望盡快實(shí)現保圓傳感光纖批量生產(chǎn)的能力，并計劃推進(jìn)核心部件全國產(chǎn)電流互感器的工程應用。

圖6 長(cháng)飛公司制備的旋轉光纖1/2旋轉周期顯微圖

2.器件及陀螺用保偏光纖、1/4玻片光子晶體保偏光纖

圖7 保偏光纖、保偏光纜及特殊結構保偏光纖

器件型保偏光纖——研磨開(kāi)裂率遠小于1%

器件型保偏光纖多年來(lái)一直被國外企業(yè)所壟斷，究其原因，還是因為國內企業(yè)生產(chǎn)的熊貓型保偏光纖未能很好的解決“熊貓眼”應力區的研磨開(kāi)裂問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)精益的工藝改進(jìn)，長(cháng)飛公司2016年推向市場(chǎng)的器件型保偏光纖研磨開(kāi)裂率遠小于1%，達到了器件行業(yè)原材料的生產(chǎn)標準，并已經(jīng)形成了批量生產(chǎn)和穩定供貨。

光纖陀螺用保偏光纖——高保偏性能、優(yōu)異的高低溫性能、低損耗

光纖陀螺用保偏光纖多年來(lái)一直都是長(cháng)飛公司的優(yōu)勢產(chǎn)品，在國內市場(chǎng)占據主要份額，長(cháng)飛光纖陀螺用保偏光纖具備較高的保偏性能、優(yōu)異的高低溫性能和較低的損耗。

1/4玻片保偏型光子晶體光纖

保偏型光子晶體光纖具備常規熊貓型保偏光纖更長(cháng)的拍長(cháng)（7mm），容易分切制作1/4玻片，同時(shí)具備十分優(yōu)異的溫度穩定性，兼具生產(chǎn)加工和溫度穩定各項優(yōu)勢。

其他——探測器及耦合器等器件用特種單模光纖

器件用單模光纖，需要結合器件的應用場(chǎng)景，尾纖型特種單模光纖在滿(mǎn)足工作波長(cháng)傳輸性能優(yōu)化的同時(shí)兼具十分優(yōu)異的幾何、機械特性；熔融拉錐型特種單模光纖由特殊的組分構成，使其具備良好的熔融拉錐及其他熱處理性能，拉錐性能優(yōu)異。

通過(guò)合理的光纖選擇和工藝控制，可以有效抑制互感器光路中的偏振誤差、雙折射誤差、溫度波動(dòng)等，從而提高互感器的長(cháng)期穩定性。從光學(xué)本質(zhì)上解決問(wèn)題，輔以封裝工藝和解調算法的優(yōu)化，是一條經(jīng)得起理論推敲，也更易被電力行業(yè)用戶(hù)接受的技術(shù)路徑。

經(jīng)過(guò)近幾年的考察和試點(diǎn)應用，當前電力行業(yè)的研究單位也關(guān)注到了這個(gè)技術(shù)層面，并促成了長(cháng)飛光纖光纜制備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室與中國電力科學(xué)院武漢分院的交流與合作。這為特種光纖更好地服務(wù)于電力行業(yè)提供了更廣闊的研究平臺，也為電力用特種光纖實(shí)現國產(chǎn)化、批量化生產(chǎn)奠定了堅實(shí)基礎。未來(lái)，國產(chǎn)化特種光纖及互感器技術(shù)將更充分地滿(mǎn)足電力電網(wǎng)建設的巨大市場(chǎng)需求。