全光纖電流互感器

新一代全光纖電流互感器黃

勇

博士Cell

email:

yong.huang@上海康闊光傳感技術(shù)股份有限公司1新一代全光纖電流互感器.

FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案?

新一代電流傳感光纖的特點(diǎn)?

新一代FOCT的關(guān)鍵特性及應(yīng)用優(yōu)勢?

成果總結(jié)2新一代全光纖電流互感器?

FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案?

新一代電流傳感光纖的特點(diǎn)?

新一代FOCT的關(guān)鍵特性及應(yīng)用優(yōu)勢?

成果總結(jié)3FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案1.

電子式電流互感器（傳感器）分類電子式有源電流互感器

（例如羅氏線圈）電子式電流互感器磁光晶體型電子式無源電流互感器全光纖型

（FOCT)基于光法拉第效應(yīng)的電流傳感器/互感器4FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案2.

當(dāng)前FOCT存在的問題

抗振動、抗沖擊問題

小信號測量問題

溫度補(bǔ)償問題

規(guī)?；a(chǎn)問題

長期可靠性問題

一次側(cè)傳感光纜的柔性安裝問題5FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案3.

全光纖電流互感器的基本原理及結(jié)構(gòu)正交線偏振光YX光纖波片光電信號處理單元右旋/左旋橢反射鏡圓偏振光電流母線MUF電流傳感光纖環(huán)保線偏振光纖電流傳感光纖6FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案3.1二種不同光纖

的結(jié)構(gòu)和工藝過程比較應(yīng)力區(qū)SiO2+B2O3光纖包層SiO2光纖芯SiO2+GeO2存在巨大固有定無固有定向內(nèi)應(yīng)向內(nèi)應(yīng)力，

Fi

趨力，

Fi趨向于無向于無窮大。窮小。Fe是一個隨機(jī)有限量Fe是一個隨機(jī)有限量低雙折射單模光纖（實(shí)際是普通的通信光纖）保線偏振光纖Fe/Fi

toInfiniteFe/Fi

toZero7FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案3.2二種不同光纖

的結(jié)構(gòu)和工藝過程比較8FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案4.

二種不同光纖

的保線偏振光特性比較安捷倫偏振態(tài)分析儀SLD光源保線偏振光纖熔接機(jī)9FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案4.

二種不同光纖

的保線偏振光特性比較4.1

線偏振光穩(wěn)定性測試

(已在光纖陀螺中的應(yīng)用超過30年了）抖動光纖，觀察偏振態(tài)在幫加球表面的軌跡變化高線雙折射光纖（保線偏振光纖）低雙折射單模光纖偏振態(tài)軌跡偏振態(tài)軌跡10FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案4.二種不同光纖的保線偏振光特性比較4.2保偏能力的比喻模型玻璃球代表一個線偏振態(tài)11FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案5

電流傳感光纖的基本結(jié)構(gòu)(Sensing

Fiber)5.1

摘自中國科技大學(xué)錢景仁教授論文螺旋高雙折射光纖OFS’86

inJapan中國科學(xué)A輯

on

June,

198912FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案5

電流傳感光纖的基本結(jié)構(gòu)(Sensing

Fiber)5.2

摘自英國南安普頓大學(xué)D.N.Payne教授論文13FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案5

電流傳感光纖的基本結(jié)構(gòu)(Sensing

Fiber)5.3

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Fibercore,

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DrChris

Emslie本文主要總結(jié)了過去使用Lo-Bi單模光纖的失敗經(jīng)歷，認(rèn)為使用螺旋結(jié)構(gòu)

Hi-Bi光纖是實(shí)用FOCT成功的秘訣。14FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案5電流傳感光纖的基本結(jié)構(gòu)(Sensing

Fiber)5.4

均勻螺旋結(jié)構(gòu)高雙折射光纖示意圖（也稱保橢圓光纖）Pitch：

6-10mm15FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案5電流傳感光纖的基本結(jié)構(gòu)(Sensing

Fiber)高速旋轉(zhuǎn)5.5

均勻螺旋結(jié)構(gòu)高雙折射光纖生產(chǎn)工藝光纖預(yù)制棒直徑：15-30mm16FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案6.

目前國內(nèi)外關(guān)于光纖波片的實(shí)現(xiàn)方案6.1

切割一段所謂1/4拍長的線雙折射光纖

（傳統(tǒng)工藝）集中式變換---無法解決橢圓偏振態(tài)匹配問題保橢圓偏振光纖制作波片的困難：重復(fù)性光纖波片問題1.涉及光纖性能本身一致性2.每次切割的一致性3.熔接機(jī)每次放電的一致性4.熔接機(jī)在不同時候使用時的一致性。保線偏振光纖5.溫度特性不一樣。17FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案6.

目前國內(nèi)外關(guān)于光纖波片的實(shí)現(xiàn)方案6.2A

摘自中科院資深院士黃宏嘉教授1990年申請的專利定向雙折射分布光纖

（線保偏光纖）螺旋結(jié)構(gòu)雙折射分布光纖遞增螺旋結(jié)構(gòu)雙折射分布本專利主要為了解決四分之一波片制作的重復(fù)性問題，希望通過一段30-40cm的遞增spun光纖來實(shí)現(xiàn)（新技術(shù)工藝）。18FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案6.

目前國內(nèi)外關(guān)于光纖波片的實(shí)現(xiàn)方案6.2A

摘自中科院資深院士黃宏嘉1990年申請的專利y(z)y

(z+Δz)物理理論模型Einx

(z+Δz)ΔΩx

(z)變螺旋光纖的模型坐標(biāo)系E

(z

z)

E

(z)

cos()

E

(z)

sin()exp(

z)xxyxE

(z

z)

E

(z)

sin()

E

(z)

cos()exp(

z)yxyy19FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案6.

目前國內(nèi)外關(guān)于光纖波片的實(shí)現(xiàn)方案6.2A

摘自中科院資深院士黃宏嘉1990年申請的專利理論模型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

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案6.

目前國內(nèi)外關(guān)于光纖波片的實(shí)現(xiàn)方案6.2A

摘自中科院資深院士黃宏嘉1990年申請的專利物理理論模型x

01

2

(z)y

2

(z)

ExEEy

E

241

0

(z)

0二個正交線偏振態(tài)122(z)2(z)1

1

()2二個正交橢圓偏振態(tài)(z)

(M)E

2

(z)2

(z))21

(

i21

i2

112(z)2(z)11

1

()2EELE

ER

i

2

(z)

二個正交園偏振態(tài)21FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案6.

目前國內(nèi)外關(guān)于光纖波片的實(shí)現(xiàn)方案6.2B

摘自中科院資深院士黃宏嘉1990年申請的專利物理理論模型線偏振態(tài)從慢軸輸入時，

產(chǎn)生右旋橢圓偏振光分布式變換22FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案6.

目前國內(nèi)外關(guān)于光纖波片的實(shí)現(xiàn)方案6.3

傳統(tǒng)光纖波片和Comcore

光纖波片的差異傳統(tǒng)波片相位延遲集中式變換無法匹配康闊波片123實(shí)現(xiàn)機(jī)理耦合摸理論分布式變換自動匹配偏準(zhǔn)態(tài)變換特征與傳感光纖的偏振態(tài)匹配45溫度特性制作工藝非線性變化線性變化只能手工制作

可實(shí)現(xiàn)自動化、規(guī)模化生產(chǎn)23FOCT

現(xiàn)實(shí)問題及解決方案6

電流傳感光纖的基本結(jié)構(gòu)(Sensing

Fiber)6.4

國內(nèi)、外公司的情況存在偏振態(tài)匹配問題，傳感由于隨機(jī)應(yīng)力和性能的不均勻，存在位置敏感問題光纜抖動比差仍會變化電流傳感光纜傳感光纖環(huán)A.

可柔性安裝環(huán)B.與DCB集成的環(huán)C.與DCB集成的環(huán)24新一代全光纖電流互感器?

FOCT的現(xiàn)實(shí)問題及解決方案?

新一代電流傳感光纖的特點(diǎn)?

新一代FOCT的關(guān)鍵特性及應(yīng)用?

成果總結(jié)25新一代電流傳感光纖特點(diǎn)1.

0新一代FOCT傳感光纖的結(jié)構(gòu)特征（用于反射式結(jié)構(gòu)）（已獲多項(xiàng)實(shí)用和發(fā)明專利）遞增螺旋結(jié)構(gòu)雙折射段均勻螺旋結(jié)構(gòu)雙折射段光纖長度坐標(biāo)

（meter）26新一代電流傳感光纖特點(diǎn)1.1新一代FOCT傳感光纖中的偏振態(tài)演化（用于反射式結(jié)構(gòu)）（已獲多項(xiàng)實(shí)用和發(fā)明專利）從慢軸輸入線偏振態(tài)遞增螺旋結(jié)構(gòu)雙折射段均勻螺旋結(jié)構(gòu)雙折射段螺旋橢圓偏振態(tài)解決了偏振態(tài)匹配問題和規(guī)模化生產(chǎn)問題27新一代電流傳感光纖特點(diǎn)2

新一代FOCT傳感光纖中的偏振態(tài)保持能力晃動或抖動被測光纖，觀察偏振態(tài)在幫加球表面的軌跡變化偏振態(tài)分析儀測試結(jié)果偏振態(tài)軌跡Comcore

特種保橢圓光纖偏振態(tài)軌跡低雙折射單模光纖28新一代電流傳感光纖特點(diǎn)3新一代FOCT傳感光纖與國外公司的光纖比較優(yōu)勢主要性能國外公司無Comcore備注1

有無光纖波片功能有康闊可以自動化重復(fù)生產(chǎn)任意波片234有強(qiáng)無弱能光纖涂覆材料對光纖性能的影響涂覆材料導(dǎo)致光纖性能長期穩(wěn)定性差。電流傳感效應(yīng)與溫度的依賴關(guān)系康闊的優(yōu)于國外進(jìn)口的光纖，溫度依賴系數(shù)只有國外的一半。能否做成柔性電流傳感光纜不能如利用國外光纖做成柔性傳感環(huán)時，比差會不穩(wěn)定。由偏振態(tài)不匹配所致。5

光纖使用的靈活性差好可在測量超大電流和超小電流之間任意優(yōu)化29新一代全光纖電流互感器?

FOCT的發(fā)展史和現(xiàn)狀?

新一代電流傳感光纖的特點(diǎn)?

新一代FOCT的關(guān)鍵特性及應(yīng)用優(yōu)勢?

成果總結(jié)30新一代FOCT的關(guān)鍵特性及應(yīng)用新一代FOCT的關(guān)鍵特性31新一代FOCT的關(guān)鍵特性1.

Comcore

FOCT第一種基本結(jié)構(gòu)光接口至MU一次部分光纖延遲線溫度傳感調(diào)制器保線偏振光纖數(shù)字輸出信號處理保橢圓光纖反射膜光源PM光纖耦合器光電探測一次母線起偏器光電信號處理單元保線偏振光纖保橢圓偏振光纖32新一代FOCT的關(guān)鍵特性2.

220kV

GIS-FOCT測試樣機(jī)可插拔端口是封閉端口，固定位置主要為確保光路形成閉合回路。33新一代FOCT的關(guān)鍵特性3.

FOCT整機(jī)

比差與溫度的關(guān)系(帶溫度補(bǔ)償功能)全溫度比差變化幅度：<+/-0.05%0.20.1080比差溫度5020-0.1-0.2-10-4002468101214161820時間(小時)34新一代FOCT的關(guān)鍵特性4.

FOCT

相差與溫度的關(guān)系

（基本與溫度無關(guān)）10580相差溫度50020-5-10-40-1005101520時間(小時)36新一代FOCT的關(guān)鍵特性5.

傳感光纖（纜）環(huán)的位置敏感性或抗外場干擾能力隨位置變化+安裝重復(fù)性+外場干擾變化：優(yōu)于+/-0.3‰37新一代FOCT的關(guān)鍵特性6.

傳感光纖環(huán)的抗振動測試

(Shock

Test),

TestedBy

ABB38新一代FOCT的關(guān)鍵特性6.1傳感光纖環(huán)的抗沖擊和振動測試

(impact

and

vibration

test)40G沖擊按照GB/T

14537-1993中規(guī)定的嚴(yán)酷等級為振動耐久試驗(yàn)的標(biāo)稱頻率范圍為10Hz—150Hz，試驗(yàn)的持續(xù)時間約為480min，

即一次掃頻循環(huán)約為8min。（見GB/T11287-2000）I級沖擊和碰撞檢驗(yàn)。沖擊和碰撞試驗(yàn)的主要參數(shù)如下，參見國標(biāo)GB/T14537-93，39新一代FOCT的關(guān)鍵特性7.

對同一個

GIS

FOCT在不同電壓等級達(dá)到預(yù)定精度假定傳感光纜的有效長度為19米電壓等級

額定電流

安培*匝數(shù)

最少光纜繞

實(shí)際可繞罐體直徑（KV）（A）（安匝）匝數(shù)匝數(shù)（mm）12345220330550800100012001800315050006300150001500015000150001500013915131083804505807508405337由于AIS-FOCT的傳感環(huán)直徑通常要小于同一等級的GIS

罐體外徑，故其精度，通常會更高。40新一代FOCT的關(guān)鍵特性8.

新一代

FOCT主要技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目指標(biāo)1234電壓等級10KV-1200KV額定電流范圍（交直流）0.5

-100萬安培

（實(shí)際可達(dá)300萬安培）-40to

+70/

-10

to

+55度IEC

0.2S級,

0.2級，

5P30/40一次/二次使用環(huán)境測量/保護(hù)精度

（可至25次諧波）56789數(shù)據(jù)采樣頻率輸出信號協(xié)議供電電源4to

12.5KHZ

（可配置）可配置，

60044-8

或

61850-9/2可根據(jù)現(xiàn)場需要確定安裝方式便攜式，柔性安裝和其它傳統(tǒng)安裝方式智能電網(wǎng)，核電站，冶金工業(yè)，航空應(yīng)用范圍41新一代FOCT的關(guān)鍵特性9.

新一代

FOCT的總體優(yōu)勢和特征1.

傳感光纖環(huán)可以是柔性的（適合不同電壓等級的使用），也可以是固定環(huán)式。2.

溫度特性在全溫度范圍內(nèi)長期穩(wěn)定。3.

經(jīng)運(yùn)輸（振動或沖擊），零點(diǎn)不變，無需現(xiàn)場在校驗(yàn)。4.

傳感光纜可以安裝任意GIS出線口，無需集成到罐體內(nèi)，減少維修和升級的成本。對于使用的電流傳感光纖，如不能做成柔性電流傳感光纜的，即便做成了固定式的電流傳感環(huán)，其不穩(wěn)定的隱患還是無法排除的。42新一代FOCT的關(guān)鍵特性及應(yīng)用新一代FOCT應(yīng)用優(yōu)勢43新一代FOCT應(yīng)用優(yōu)勢1.

帶軟性電流傳感光纜的

GIS-FOCT

現(xiàn)場應(yīng)用優(yōu)勢目前110KV

GIS

FOCT安裝方式新一代FOCT的可能安裝方式安裝、維修、升級非常麻煩安裝、維修、升級簡單、方便44新一代FOCT應(yīng)用優(yōu)勢2.

不平衡直流/交流小電流FOCT的實(shí)現(xiàn).

額定電流：1，

2安培.

傳感光纖環(huán)直徑：8-10厘米.

傳感光纖有效長度：30-100

米.

準(zhǔn)確度：0.5

或1級45新一代FOCT應(yīng)用優(yōu)勢3.

新一代高靈敏度FOCT

（測量漏電電流）（A）0

mA（B）10mA（C）60

mA（D）100

mA46新一代FOCT應(yīng)用優(yōu)勢4.

帶柔性電流傳感光纜的

GIS-FOCT

安裝于220KV

GIS系統(tǒng)220KVGISFOCT47新一代FOCT應(yīng)用優(yōu)勢5.

帶柔性電流傳感光纜的

GIS-FOCT安裝于1000KV特高壓試驗(yàn)站1000kVGISFOCT,1000kVGISFOCT,

特高壓試驗(yàn)站48新一代FOCT應(yīng)用優(yōu)勢6

帶固定環(huán)FOCT集成于110KV

DCB中FOCT與DCB集成49新一代FOCT應(yīng)用優(yōu)勢7.

AIS-FOCT

懸式復(fù)合絕緣柱的優(yōu)勢自立式500

KV

AIS-FOCT