正弦波调制全光纤电流互感器光回路故障预警方法.pdf

d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 7-2 9 0 X.2 0 2 3.0 7.0 0 6收稿日期:2 0 2 2-1 2-2 8 修回日期:2 0 2 3-0 4-0 5基金 项 目:国 家 电 网 有 限 公 司 科 技 项 目(5 5 0 0-2 0 2 1 1 8 1 2 1 A-0-0-0 0);江苏省电力有限公司孵化项目(J F 2 0 2 2 0 1 9)正弦波调制全光纤电流互感器光回路故障预警方法谷相宏1,郭子晗2,张程1,庞福滨3,李然1,游帅1(1.国网江苏省电力有限公司超高压分公司,江苏 南京 2 1 1 1 0 2;2.南京工程学院 电力工程学院,江苏 南京2 1 1 1 6 7;3.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院,江苏 南京 2 1 1 1 0 3)摘要:正弦波调制全光纤电流互感器(f i b e r opt i c a l c u r r e n t t r a n s f o r m e r,F O C T)因具备动态范围大、不与一次主回路连接、绝缘性能好、无铁磁饱和等优点,成为特高压换流站重要的测量设备。但在实际运行过程中,F O C T故障率远高于电磁互感器,而光回路故障是最为常见的故障类型。针对此,首先建立F O C T数学模型,提出二次谐波、光强峰值、平均光强应作为重要监测量;在此基础上分析光回路故障对探测器输出信号的影响,提出基于驱动电流及探测器输出信号变化的光回路故障预警方法,通过阈值设置及平均光强趋势判断等辨识真实的光回路故障。最后开展现场试验验证,证明该预警方法的有效性。关键词:全光纤电流互感器;正弦波调制;二次谐波;平均光强;预警方法;光回路故障中图分类号:TM 4 5 2.9 4 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 7-2 9 0 X(2 0 2 3)0 7-0 0 5 0-1 0F a u l t E a r l y W a r n i n g M e t h o d f o r F O C T O p t i c a l C i r c u i t o f S i n e W a v e M o d u l a t i o n GU X i a ngh o ng1,GUO Z i h a n2,ZHANG C h e ng1,P ANG F u b i n3,L I R a n1,YOU S h u a i1(1.E HV B r a n c h C o mpa ny,S t a t e G r i d J i a ngs u E l e c t r i c P o w e r C o.,L t d.,N a nji ng,J i a ngs u 2 1 1 1 0 2,C h i n a;2.S c h o o l o f E l e c t r i c P o w e r E ngi n e e r i ng,N a nji ng I n s t i t u t e o f T e c h n o l og y,N a nji ng,J i a ngs u 2 1 1 1 6 7,C h i n a;3.S t a t e G r i d J i a ngs u E l e c t r i c P o w e r C o.,L t d.,R e s e a r c h I n s t i t u t e,N a nji ng,J i a ngs u 2 1 1 1 0 3,C h i n a)A b s t r a c t:D u e t o i t s a d v a n t age s o f l a rge dyn a m i c r a nge,n o c o n n e c t i o n w i t h t h e pr i m a ry m a i n c i r c u i t,go o d i n s u l a t i o n pe r f o r m a n c e a n d n o f e r r o m agn e t i c s a t u r a t i o n,t h e f i b e r opt i c a l c u r r e n t t r a n s f o r m e r(F O C T)h a s b e c o m e a n i mpo r t a n t m e a s u r i ng equ ipm e n t i n t h e e x t r a-h igh v o l t age c o n v e r t e r s t a t i o n.B u t i n t h e a c t u a l ope r a t i o n pr o c e s s,i t s f a u l t r a t e i s m u c h h igh e r t h a n t h a t o f t r a d i t i o n a l e l e c t r o m agn e t i c t r a n s f o r m e r s,a n d opt i c a l c i r c u i t f a u l t i s t h e m o s t c o mm o n f a u l t ty pe.T h e r e f o r e,t h i s pape r f i r s t ly e s t a b l i s h e s t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l o f t h e F O C T a n d pr opo s e s t o t a k e t h e s e c o n d h a r m o n i c,t h e pe a k v a l u e o f l igh t i n t e n s i ty a n d t h e a v e r age l igh t i n t e n s i ty a s t h e i mpo r t a n t m o n i t o r i ng qu a n t i t i e s.O n t h i s b a s i s,t h e pape r a n a lyz e s t h e i n f l u e n c e o f opt i c a l c i r c u i t f a u l t o n t h e d e t e c t o r o u tpu t s ign a l a n d pu t s f o r w a r d a n opt i c a l c i r c u i t f a u l t e a r ly w a r n i ng m e t h o d b a s e d o n d r i v i ng c u r r e n t a n d d e t e c t o r o u tpu t s ign a l v a r i a t i o n w h i c h c a n i d e n t i fy t h e r e a l opt i c a l c i r c u i t f a u l t t h r o ugh t h r e s h o l d s e t t i ng a n d a v e r age l igh t i n t e n s i ty t r e n d ju dgm e n t.F i n a l ly,a f i e l d t e s t i s c a r r i e d o u t t o v e r i fy t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e pr opo s e d e a r ly w a r n i ng m e t h o d.K e y w o r d s:opt i c a l f i b e r c u r r e n t t r a n s f o r m e r;s i n e w a v e m o d u l a t i o n;s e c o n d h a r m o n i c;a v e r age l igh t i n t e n s i ty;e a r ly w a r n i ng m e t h o d;opt i c a l c i r c u i t f a u l t 近年来,特高压直流输电工程凭借其输送电压等级高、输送功率大、经济效益好等优点,成为跨区域电能输送的重要手段1-5。全光纤电流互感器(f i b e r opt i c a l c u r r e n t t r a n s f o r m e r,F O C T)因具有动态范围大、不与一次主回路连接、绝缘性能好、无铁磁饱和等特点,在特高压换流站中得到广泛应用,直接为控制保护装置提供测量信息,其运行可靠性关系到跨区域直流输电的安全稳定运行6-7。第3 6卷 第7期广 东 电 力V o l.3 6 N o.7 2 0 2 3年7月G U A N G D O N G E L E C T R I C P OWE RJ u ly 2 0 2 3 由于F O C T受环境、振动、光学器件等因素影响8-9,其故障率远高于传统交流电磁互感器。光学器件老化或选型不当导致光功率降低、光纤预埋管覆冰导致光纤回路损耗增加、调制器密封不严导致进水等情况,均在实际运行中引起测量故障,严重威胁直流系统稳定运行。近年来,较多学者对F O C T故障原理、故障诊断等展开研究:文献1 0基于故障模式与影响分析表构建F O C T故障树,提出F O C T故障诊断专家系统,通过建立C T知识库,并根据相应的推理规则对任意1台F O C T进行诊断;文献1 1 基于光学C T多重运行状态量,运用合成概率法综合评估光学C T运行可靠性,得出光学C T不同缺陷的常见状态量与其运行状态之间的关系,实现对光学C T典型的故障预警;文献1 2 采用时频变换的F O C T渐变性故障信号特征提取算法,分析各频段信号来确定故障信号特征,计算原始输出信号和各频带信号的时域特征,构建故障特征向量集合,以及 F O C T渐变故障信号预测模型并进行故障预警;文献1 3 论述了F O C T输出信号受光电回路、法拉第相移和调制电路的影响,光电电路的变化影响F O C T输出信号和谐波,法拉第相移和调制幅度的增加会减小输出信号的最小值,据 此 提 出 基 于 基 波 和 二 次 谐 波 变 化 的F O C T状态 监 测 和 故 障 诊 断 方 法;文 献 1 4 指出,电子单元中光学器件故障、光纤回路故障约占F O C T总故障数的8 2%,调制回路故障约占故障总数的5%,可见光回路故障是F O C T最为常见的故障类型。现有研究主要从构建典型故障数据库、建 立 故 障 树、学 习 算 法 优 化 等 方 面 诊 断F O C T故障,未能从探测器输出信号中的光强峰值、二次谐波、四次谐波、平均光强等提取关键参量变化,也未系统地给出光回路故障与调制故障典型的区分方法。鉴于此,文中首先建立F O C T数学模型,提出应将二次谐波、光强峰值、平均光强作为重要监测量,在此基础上分析光回路故障对探测器输出信号的影响,提出基于驱动电流及探测器输出信号变化的光回路故障预警方法。该方法通过阈值设置及平均光强趋势判断,可以有效辨识真实的光回路故障,现场试验结果证明了所提方法的有效性。1 F O C T工作原理F O C T测量回路由电子单元、调制器、光纤绝缘子、传感环等组成1 5。其中,电子单元内超辐射发光二极管(s upe r l u m i n e s c e n t d i o d e,S L D)光源发出光信号经单模光纤传输至调制罐内的起偏器,起偏器尾纤与下一段光纤以4 5 熔接;光信号经起偏器产生1路线性偏振光信号沿保偏光纤传输,线性偏振光进入下一段保偏光纤时,被正交分解为2束垂直线性偏振光。当2束垂直线性偏振光通过传感环内的四分之一波片后,分别变成左旋和右旋圆偏振光,根据法拉第磁光效应,2束圆偏振光以不同速度绕着导体旋转相应圈数后,在传感光纤终点有反射镜处,圆偏振光偏振方向发生反转,左旋圆偏振光变为右旋,右旋圆偏振光变为左旋。再次穿过传感光纤和电流产生的磁场相互作用,由于逆转使加速、减速效应加倍,2束光再次通过四分之一波片后,恢复为线偏振光,并在起偏器处发生干涉。通过电子单元内的光电探测器检测干涉光强,并解析出法拉第相移F,该相位差正比于传感环绕制圈数N、传感器一次电流值I、光纤维尔德系数V,由于N、V为已知量,此时可通过调制解调计算出被测电流I的大小1 6-1 7。2 F O C T状态监测信号及故障分型2.1 F O C T探测器信号模型由于实际运行时传感环包含的法拉第相移F较小,且在过零点时无法准确辨别其方向,所以F O C T引入调制信号以实现更高的测量精度。本文主要研究采用正弦波调制的开环调制结构,通过外施驱动电压使得压电陶瓷驱动产生相位偏置,其调制相位偏置m o d(t)可表示为m o d(t)=s i n(t).(1)式中:为相位调制 幅 度;为 角 频 率;t为时间。线性偏振光经过4 5 熔接后,分解为2束正交相干光,沿着X轴(慢轴)、Y轴(快轴)传输。2束光由于传输速率不同,经调制器、传感环、反射镜后再次返回调制点时存在固有延时,该延时与调制器至反射镜的光纤长度l以及传播速率v相关。2束相干光返回调制点产生的相位调制=s i n(t)-s i n(t-).(2)根据 文 献 1 8-1 9,F O C T光 电 探 测 器 输 出信号S(t)=12K L P01+c o s(F(t)+).(3)式中:P0为电子单元产生的初始光源电压(以下简15 第7期谷相宏,等:正弦波调制全光纤电流互感器光回路故障预警方法称“初始光强”);K为光电转换系数;L为光路产生损耗;为快轴、慢轴2束相干光相位调制差;为2束相干光通过调制点的固有延时。若相位调制器采用正弦波相位调制器,联立式(2)、(3),则 光 电 探 测 器 输 出 信 号S(t)可 表示为1 8-1 9S(t)=12K L P01+c o sF(t)+s i n(t)-s i n(t-)=12K L P01+c o sF(t)+2s i n(/2)c o s(t).(4)式中t=t-/2。令调制器的调制深度m d=2s i n(/2),(5)联立式(4)、(5),光电探测器输出信号S(t)可进一步表示为S(t)=12K L P01+c o sF(t)+m dc o s(t).(6)对式(6)进行贝塞尔函数展开,可得S(t)=12K L P01+J0(m d)+2n=1(-1)nJ2n(m d)c o s(2n t)c o s F(t)+2n=1(-1)n J2n-1(m d)c o s(2n-1)ts i n F(t).(7)式中Jn为贝塞尔函数,Jn(m d)=k=0(-1)k(m d/2)n+2kk!(n+k)!,n=0,1,2,k0.对于正弦波调制F O C T来讲,基波、二次谐波以及四次谐波中不仅包含被测电流的法拉第相移F,也包含调制器的实际调制深度m d,为测算一次电流及调制深度大小,取基波分量S1、二次谐波分量S2、四次谐波分量S4幅值分别为S1=K L P0J1(m d)s i n F(t),S2=K L P0J2(m d)c o s F(t),S4=K L P0J4(m d)c o s F(t).(8)根据式(8),可以解调出一次电流和调制深度分别为I(t)=14V Na r c c o tS2J1(m d)S1J2(m d),m d=F(J2(m d)J4(m d)=F(S2S4).(9)式中F为根据二次谐波幅值P2、四次谐波幅值P4解调调制深度m d的函数。2.2 F O C T探测器特征信号提取由式(9)可知,当温度、传感环绕制圈数一定时,F O C T实际一次电流的解调精度与基波分量S1、二次谐波分量S2、调制深度m d相关,而m d与二次谐波分量S2、四次谐波分量S4相关,所以基波分量S1、二次谐波分量S2、四次谐波分量S4的测量精确度均会影响电流解调精度。探测器在实际监测过程中,选取二次谐波分量S2作为重要状态监测量,主要有以下原因:二次谐波与一次电流解调与调制深度解调均相关;由于法拉第相移F较小,c o s F s i n F,所以S2S1;受调制深度运行区间影响,J2(m d)J4(m d),所以S2S4。由此,二次谐波分量幅值较大,受电回路噪声影响较小,可以作为监测F O C T运行状态的重要参数。F O C T正常运行时,探测器输出信号应是高频的周期函数,且在单位周期内为相对恒定值。所以在实际检测过程中,引入探测器接收到的平均光源电压(以下简称“平均光强”)Sa vg作为检测F O C T单位时间内运行状态的重要参数。假设探测器输出信号周期为T,则在时间区间(i-1)T,i T 内,单位周期内Sa vg(t)可定义为Sa vg(t)=i T(i-1)T0.5K L P01+c o sF(t)+m dc o s(t)dtT.(1 0)2.3 F O C T故障类型分类文献2 0-2 1 提出一种F O C T故障分类方法,将F O C T故障类型划分为电子单元故障、光纤回路故障、调制解调器故障和光纤本体故障4种。其中,电子单元主要提供S L D光源以及调制回路驱动电压,分别属于光回路和调制回路范畴,而光纤回路故障、光纤本体故障均属于光回路故障范畴;所以文中将F O C T故障类型主要划分为光回路和调制回路故障2种类型。文献2 2 提出一种F O C T故障树,将光回路故障原因细化为光纤断裂、光回路衰耗增大、光源功率降低等。因光路损耗L、电子单元初始光强P0以及调制器调制深度m d均可能影响探测器输出信号二次谐波分量S2、探测器输 出平均光强Sa vg,所以当F O C T发生光回路故障或调制回路故障时,S2和Sa vg均可能发生改变。25第3 6卷 3 仿真计算及光回路故障预警方法提出正弦波调制F O C T光传输回路中包含单模、保偏等多种光纤类型,其熔点较多,长期运行过程中易产生损耗。光回路故障影响探测器输出信号的方式主要有2种,一是光纤回路出现虚接、断裂,光纤熔点出现衰耗时光路损耗增加,光回路参数中表征光路损耗参数L降低;二是电子单元光源长期运行时功率衰减,造成电子单元输出初始光强降低。而调制回路出现虚接、绝缘劣化、调制器性能劣化时,电子单元处发出的驱动电压不能有效传递至调制器,调制器实际接收到的调制深度m d值低于目标值,进而影响探测器信号输出。为了进一步探究光回路参数及调制参数与探测器输出重要监测量之间的关系,提炼出光回路故障典型特征量,本文利用MA T L A B软件进行数学建模,分别研究不同故障类型对探测器输出信号、谐波分量以及平均光强的影响。取典型参数值K、L、P0三者乘积即K L P0=1.7 V,m d=1.8 r a d,=5.2 31 05 r a d/s,被测电流I(t)=5 0 0 0 A,N=2 0,F(t)=0.4 8 r a d。3.1 不同F O C T故障类型对探测器输出信号的影响 结合上文所述,光回路故障时主要影响光回路参数K L P0值,正常运行时,K L P0为恒定值1.7 V。而当光路出现损耗时,电子单元会首先通过增加P0来维持光强峰值恒定。当P0增加至限值后仍不满足实际运行需求时,K L P0值会下降。根据仿真参数,利用MA T L A B软件分别计算K L P0=0.8 5、1.7、3.4 V时探测器的输出函数,如图1所示。由图1可以看出,当调制深度为1.8 r a d时,图1 探测器输出电压随光回路参数变化曲线F i g.1 V a r i a t i o n c u r v e s o f d e t e c t o r o u t p u t v o l t a g e w i t h o p t i c a l c i r c u i t p a r a m e t e r sK L P0由1.7 V降低至0.8 5 V后,探测器输出信号峰值由1.7 V降低至0.8 5 V;当K L P0由1.7 V增加至3.4 V后,探测器输出信号峰值由1.7 V上升至3.4 V。由于调制深度为1.8 r a d时,函数1+c o sF(t)+m dc o s(t)可在单位周期内取得极大值2,所以光强峰值即为K L P0值。因单位周期内,光电探测器输出信号S(t)分别在t=k+/2以及F+m dc o s(t)=k取得极值点,单位区间内极值点大于2个,所以探测器输出信号为非正弦函数。调制回路故障主要影响调制深度m d,调制回路故障发生后,调制器接收到的调制深度会低于理想值。实际应用过程中,调制器在检测到调制器实际调制深度m d不足时,会通过增加调制电压获得理想调制深度。当调制电压增加至上限但实际调制深度仍不满足运行要求时,调制器接收到的调制深度会降低。图2所示为探测器输出电压随调制深度变化曲线。由图2可以看出可通过改变调制器调制深度来模拟调制回路故障。根据仿真参数,利用MA T L A B软 件 分 别 计 算m d=1.8、2.3 3、3.1 r a d,K L P0=1.7 V时探测器输出函数,探测器输出信号峰值不变,仍为1.7 V。这是因为在此时间区间内,函数1+c o sF(t)+m dc o s(t)可取得极大值2。图2 探测器输出电压随调制深度变化曲线F i g.2 V a r i a t i o n c u r v e s o f d e t e c t o r o u t p u t v o l t a g e w i t h m o d u l a t i o n d e p t h s图3所示为光强峰值随调制深度变化趋势。由图3可以看出,当调制深度在00.4 7 r a d时,光强峰值随着调制深度的增加而增加。若m d0.4 7 r a d,函数1+c o sF(t)+m dc o s(t)可取得极大值2。综上,当调制深度大于0.4 7 r a d时,调制深度的变化不会改变探测器输出信号峰值,且输35 第7期谷相宏,等:正弦波调制全光纤电流互感器光回路故障预警方法出信号峰值即为K L P0值。图3 光强峰值随调制深度变化趋势F i g.3 V a r i a t i o n t r e n d o f l i g h t i n t e n s i t y p e a k v a l u e w i t h m o d u l a t i o n d e p t h s3.2 不同F O C T故障类型对探测器输出谐波分量影响 图4所示为探测器输出谐波分量随光回路参数变化趋势。由图4可以看出,当K L P0值在02 V变化时,探测器输出二次谐波、四次谐波随着该值增加而同比增加。结合式(6),若调制深度一定、传感环法拉第相移F一定时,探测器二次谐波分量幅值S2、四次谐波分量幅值S4与K L P0的比值即为J2(m d)c o s F(t)、J4(m d)c o s F(t)。二次谐波分量幅值与四次谐波分量比值为J2(m d)/J4(m d)。结合图4可以看出,当调制深度m d=1.8 r a d、K L P0 0.5 V时,探测器输出二次谐波分量幅值S2S4,这也是选择二次谐波幅值作为重要监测量的原因。而当光回路发生故障导致K L P0值降低,必然导致二次、四次谐波分量幅值降低。图4 谐波分量随光回路参数变化趋势F i g.4 V a r i a t i o n t r e n d o f h a r m o n i c w i t h o p t i c a l c i r c u i t p a r a m e t e r s图5所示为不同调制深度下探测器输出二次谐波、四次谐波随调制深度变化。由图5可以看出,当调制器工作深度为04 r a d时,探测器输出二次谐波值先增加后减小,约在3.0 6 r a d时取得极大值0.7 3 V;而在此区间内,随着调制深度增加,四次谐波幅值均增加。现有调制器典型调制深度分别为1.8、2.3 3、3.1 r a d,在此调制深度下,当调制回路发生故障时,二次、四次谐波分量幅值将随着调制深度的降低而降低。图5 谐波分量随调制深度变化趋势F i g.5 V a r i a t i o n t r e n d o f h a r m o n i c w i t h m o d u l a t i o n d e p t h s综上可知,无论是光回路发生故障或者调制回路发生故障,均可能导致二次、四次谐波分量的降低,因此二次、四次谐波分量不能作为区分光回路、调制回路故障的特征量。3.3 不同F O C T故障类型对探测器输出平均光强影响 图6为探测器输出平均光强Sa vg随光回路参数K L P0值的变化关系。由图6可以看出,Sa vg与K L P0值呈正相关。当K L P0=0时,Sa vg为0;K L P0为1.7 V时,Sa vg约为1.0 3 V。实际运行过程中,若光回路发生故障导致K L P0值降低,必然导致探测器输出平均光强降低;若光回路存在断点导致光信号无法传输,将导致平均光强降至最低值。图6 平均光强随光回路参数变化趋势F i g.6 V a r i a t i o n t r e n d o f a v e r a g e o u t p u t l i g h ti n t e n s i t y w i t h o p t i c a l c i r c u i t p a r a m e t e r s不同调制深度下探测器输出平均光强Sa vg如图7所示。由图7可以看出,当调制深度m d在05 45第3 6卷 r a d变化时,Sa vg先减小后增加,当m d=4.0 r a d时,Sa vg取得极小值0.5 0 V。调制器实际调制深度工作一般在04 r a d之间,因而可认为在此区间内,探测器输出平均光强随着调制深度的增加而减小。结合图2、图3可知,当调制深度大于0.4 7 r a d时,探测器单位周期内输出峰值不变,而输出信号峰值后的第1个谷值随着调制深度的增加明显降低。所以随着调制深度增加,单位周期内平均光强减小的主要原因是探测器输出谷值降低。而当调制深度 为0时,Sa vg并 不 为0,这 主 要 是 因 为J0(m d)不为0。图7 平均光强随调制深度变化趋势F i g.7 V a r i a t i o n t r e n d o f a v e r a g e o u t p u t l i g h t i n t e n s i t y w i t h m o d u l a t i o n d e p t h s综上,F O C T光回路发生故障时,K L P0值降低将导致平均光强降低。而调制回路发生后,随着调制深度降低,平均光强将升高。因而,平均光强可作为区分光回路故障以及调制回路故障的重要状态监测量。3.4 F O C T光回路故障预警方法提出结合上文分析,无论是光回路故障还是调制回路故障,均会导致二次谐波幅值降低,所以二次谐波幅值变化不能作为区分光回路故障还是调制回路故障的依据,但是可作为判断F O C T运行异常的依据。而光回路发生故障后,光回路参数L、P0的改变将使得光强峰值和平均光强降低,调制回路故障发生故障后,由于调制深度降低将引起平均光强升高,同时,当调制深度大于一定值时,光强峰值基本维持恒定;据此,本文提出一种F O C T光回路故障预警方法,如图8所示。3.4.1 F O C T故障预警系统启动根据光回路故障和调制回路故障后二次谐波幅值均会导致二次谐波幅值降低这一故障特征,当检测到正常运行下与故障状态下二次谐波幅值差值大于阈值a后,即进入故障检测阶段。正常运行状态图8 光回路故障预警方法流程F i g.8 O p t i c a l c i r c u i t f a u l t w a r n i n g m e t h o d f l o w c h a r t下,二次谐波幅值保持相对恒定,但在法拉第相移F及温度变化的情况下,二次谐波幅值会有一定波动,因而,二次谐波降低阈值a的设置应躲过电流及温度的变化2 3-2 4。考虑到尽可能减小被测电流以及温度对二次谐波幅值的影响,二次谐波幅值测量的时间间隔可设置为5 s,a设为0.0 5 V。3.4.2 光回路故障判断依据考虑到光回路故障的典型特征及F O C T光回路闭环调节机制,提出2种辨别典型光回路故障的方法。一是利用故障状态驱动电流I较正常状态驱动电流I升高的幅值来判断光回路是否有异常。F O C T光回路闭环调节的目标是保证光强峰值Spk相对恒定,在不考虑外界发生故障的情况下,初始光强P0应为相对恒定值。驱动电流I升高主要有以下2个原因:光回路光纤发生老化,损耗增加,光回路参数L降低,此时必须通过提高P0来保证光强峰值Spk恒定,而P0升高将使驱动电流I增加;仅当光源发生老化时,原有的驱动电流已无法提供光回路需要的初始光强,此时必须通过增加驱动电流来保证初始光强相对稳定。因渐变性故障占F O C T故障比重较高,光纤衰耗增大使得驱动电流增加较为缓慢,所以可考虑分钟增量、日增量、季度增量的阈值b方法,通过分阶设置阈值获取驱动电流的变化趋势,检测光源是否劣化或光回路是否存在损耗。结合运行经验,并考虑到基准驱动电流设置以55 第7期谷相宏,等:正弦波调制全光纤电流互感器光回路故障预警方法及维尔德系数V对驱动电流的影响,分钟、日、季度增量b可分别设置为1.5、3、5 m A2 5-2 6。另外一种方法是通过光强峰值Spk检测来判断光回路是否有异常。正常运行状态下Spk保持相对恒定,在光源发生劣化或光纤存在断点后,光信号峰值Spk降低。但由于调制回路发生断线或调制深度较低时,也会导致Spk降低,需要规避调制回路断线误判为光回路故障。据此主要采用2种方案:通过平均光强变化进行判断。由于调制回路故障使得Sa vg升高,光回路故障将导致Sa vg降低,通过检测平均光强是否降低可进一步佐证是否发生光回路故障。设置阈值k。根据前文所述,光回路故障和调制回路故障均降低会光强峰值,为了辨别真实的光回路故障,阈值k必须低于调制回路故障工况下光强峰值的最小值,即可检测真实的光回路故障。结合图3可知,当调制深度在一定范围内,光强峰值随着调制深度增加而增加,所以阈值k应满足k(1+c o s F(t)K L P0.(1 1)当F(t)=0.4 8 r a d、K L P0=1.7 V时,k可取1.6 V。4 实际案例分析现场试验采用G E公司生产的F O C T,该类型互感器调制器输出正弦波电压,实际故障案例中包含光回路故障、调制回路断线故障等。4.1 光回路故障本文选取2 0 2 2年9月1 4日某特高压换流站交流滤波器不平衡F O C T发生的1次保偏光纤断线故障为例,验证所提预警方法的有效性。图9所示为F O C T发生故障时探测器输出信号变化趋势。由图9可以看出,故障前,该F O C T驱动电流稳定在5 8 mA,光强峰值稳定在1.7 1 8 8 V,光强平 均 偏 差 稳 定 在-0.0 1 5 5 V,二 次 谐 波 为0.7 2 1 V。其中,光强平均偏差是指实际平均光强值减去理想光强值,理想光强值为0.2 1 3 7 V。1 4时2 2分左右,某F O C T保偏光纤发生断线故障,光纤回路外部损耗增大,为了保持探测器输出峰值恒定,光源驱动电流急剧增加至7 3 mA。但由于光回路发生断点,光强峰值减小,降低至输出下限值0.2 5 V。由于光回路断线故障导致L降低,进而K L P0值降低,实际光强平均值降低至0,光强平均偏差值降低至下限值-0.2 1 3 7 V,二次谐波也由于K L P0降低,故障后降至0。结合本图9 保偏光纤断线故障F i g.9 D i s c o n n e c t i o n f a u l t o f p o l a r i z a t i o n m a i n t a i n i n g o p t i c a l f i b e r 文所提光回路故障预警方法,故障前后二次谐波降低0.7 2 1 V,远大于光回路故障启动二次谐波阈值0.0 5 V,二次谐波阈值条件启动。而外部光回路断点导致光源驱动电流增加约1 5 mA,远大于阈值1.5 mA,判断驱动电流增大的分支1条件满足;光回路故障致使光强峰值低于阈值1.6 V,同时故障后光强平均偏差低于故障前光强平均偏差值,所65第3 6卷 以判断平均光强、光强峰值降低的分支2条件也满足。依据驱动电流增大、光强峰值降低等判断方法均可有效判断本次保偏光纤回路断线故障。图1 0所示为该故障F O C T在光时域反射仪(opt i c a l t i m e d o m a i n r e f l e c t o m e t e r,O T DR)下的波形。由图1 0可以看出,光信号在进入传感环反射镜前已出现大幅衰减,说明保偏光纤回路存在断点。进一步检查发现,内部保偏光纤出现碳化造成光纤断裂,并最终发生测量异常。图1 0 故障F O C T的O T D R波形F i g.1 0 O T D R w a v e f o r m s o f f a u l t e d F O C T 为进一步验证预警方法是否广泛适用于光回路故障,现场开展单模光纤断线、光纤断面脏污等试验,试验结果见表1。表1 光回路故障引起输出参数变化T a b.1 O u t p u t p a r a m e t e r c h a n g e s d u e t o o p t i c a l c i r c u i t f a u l t故障类型二次谐波光强峰值驱动电流光强平均偏差预警方法是否正常动作光源劣化变低相对稳定变大相对稳定是光纤断面脏污变低相对稳定变大相对稳定是单模光纤断线变低变低变大变低是传感光纤断线变低变低变大变低是由表1可以看出,现场模拟的光回路故障均导致二次谐波降低、驱动电流增大,但由于F O C T电子单元闭环调节机制,当发生光源劣化、光纤断面脏污等光回路故障时,电子单元通过增加驱动电流来增加初始光源电压,维持光强峰值恒定;若光源驱动电流仍有调节裕度,电子单元通过调节驱动电流保证光强峰值相对恒定,所以光强峰值短时降低后将恢复至故障前数值。而当光回路发生断线故障时,电子单元发出初始光强达到限值仍无法满足光强峰值为目标值,此时光强峰值及光强平均偏差降低。4.2 调制回路断线故障现场通过模拟调制回路断线,确保光回路预警系统不误动。图1 1所示为调制回路断线故障探测器输出信号变化趋势。图1 1 调制回路断线故障F i g.1 1 D i s c o n n e c t i o n f a u l t o f m o d u l a t i o n l o o p 75 第7期谷相宏,等:正弦波调制全光纤电流互感器光回路故障预警方法 由图1 1可看出,故障前,该F O C T光源驱动电流,探测器输出光强峰值,输出光强平均偏差,二次、四次谐波幅值分别为5 6.6 mA、1.7 1 8 6 V、-0.0 1 4 1 V、0.7 2 2 V、0.2 6 8 V。第4 2 s时调制回路发生断线故障,光源驱动电流仍稳定在5 6.6 mA左右。但由于调制回路发生断线,调制器接收不到电子单元发出的驱动电压,调制深度为0,此时光强峰值降至1.6 5 V左右。因调制器实际调制深度低于故障前理想调制深度,光强平均偏差增加,探测器输出二次谐波、四次谐波随着调制深度降低减小至0。由此看出,调制回路发生断线故障后,二次谐波、四次谐波均减小。同时,由于调制器调制深度为0,单位周期内探测器输出峰值无法取得K L P0极大值,调制回路断线同样使得光强峰值降