特種光纖在智能電網中的典型應用二：全光纖電流互感器技術

隨著電力系統(tǒng)電壓等級的提高和傳輸容量的增大，繼電保護系統(tǒng)的穩(wěn)定運行越來越重要，電子式電流互感器技術成為高壓電力系統(tǒng)電流監(jiān)測主要手段。電子式電流互感器技術要追溯到18世紀法拉第發(fā)現(xiàn)的磁旋光效應和電磁感應，通過電-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）。技術特點對比，詳見圖1。

圖1電子式互感器及不同技術對比

傳統(tǒng)的電磁感應式電流互感器（RCT）有著不可避免的缺陷，如絕緣結構復雜、造價高、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，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受到業(yè)界的高度關注，近年來得到迅速發(fā)展。

全光纖電流互感器是一種利用電磁場與光偏振態(tài)的交互作用進行電流檢測的設備，其理論基礎是法拉第磁光效應和安培環(huán)路定律。通過最近幾年的實踐積累，全光纖電流互感器技術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展。隨著電力行業(yè)用戶對互感器內的器件光學性能優(yōu)化，以及器件封裝制備等工藝技術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)及科研單位開發(fā)并具備了生產FOCT的能力。

長飛FOCT：閉環(huán)控制及干涉式互易性光路技術路線

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

圖2 長飛全光纖電流互感器技術方案

長飛采用閉環(huán)控制及干涉式互易性光路技術，結合光纖陀螺系統(tǒng)類似解調方法，實現(xiàn)FOCT系統(tǒng)。

圖3 長飛FOCT傳感頭及采集單元樣機

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

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

基于以上技術路線和產品設計，長飛FOCT產品具備如下特點：

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

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

u 無鐵芯，消除了磁飽和、鐵磁諧振等問題；

u 光纖敏感環(huán)結構及安裝方式靈活。可零電位安裝，無動、熱穩(wěn)定問題，無二次開路危險；

u 可用于高電壓交/直流輸變電系統(tǒng)的計量和保護；

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

圖4 FOCT應用場景

圖5 第三方檢測數(shù)據(jù)（國家高電壓計量站）

關鍵器件國產化

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，通過光纖的軸線旋轉引入圓雙折射，和光纖本身的高線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。

目前國內試點掛網的光纖型電流互感器產品幾乎全部使用進口旋轉光纖，存在單價高，光纖段長受限，供貨批次和交期不受控等問題。長飛公司致力于推動光學互感器中的光纖材料及封裝工藝研究，已投入巨資進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展，克服了保偏光纖預制棒和旋轉拉絲兩個核心難題。有望盡快實現(xiàn)保圓傳感光纖批量生產的能力，并計劃推進核心部件全國產電流互感器的工程應用。

圖6 長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——研磨開裂率遠小于1%

器件型保偏光纖多年來一直被國外企業(yè)所壟斷，究其原因，還是因為國內企業(yè)生產的熊貓型保偏光纖未能很好的解決“熊貓眼”應力區(qū)的研磨開裂問題。

經過精益的工藝改進，長飛公司2016年推向市場的器件型保偏光纖研磨開裂率遠小于1%，達到了器件行業(yè)原材料的生產標準，并已經形成了批量生產和穩(wěn)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一直都是長飛公司的優(yōu)勢產品，在國內市場占據(jù)主要份額，長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(guī)熊貓型保偏光纖更長的拍長（7mm），容易分切制作1/4玻片，同時具備十分優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性，兼具生產加工和溫度穩(wěn)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景，尾纖型特種單模光纖在滿足工作波長傳輸性能優(yōu)化的同時兼具十分優(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、溫度波動等，從而提高互感器的長期穩(wěn)定性。從光學本質上解決問題，輔以封裝工藝和解調算法的優(yōu)化，是一條經得起理論推敲，也更易被電力行業(yè)用戶接受的技術路徑。

經過近幾年的考察和試點應用，當前電力行業(yè)的研究單位也關注到了這個技術層面，并促成了長飛光纖光纜制備技術國家重點實驗室與中國電力科學院武漢分院的交流與合作。這為特種光纖更好地服務于電力行業(yè)提供了更廣闊的研究平臺，也為電力用特種光纖實現(xiàn)國產化、批量化生產奠定了堅實基礎。未來，國產化特種光纖及互感器技術將更充分地滿足電力電網建設的巨大市場需求。