CN106153999B - 一种高可靠性的光纤电流互感器传感环圈制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于制作方法，具体涉及一种高可靠性的光纤电流互感器传感环圈制作方法。一种高可靠性的光纤电流互感器传感环圈制作方法，其特征在于，包括顺次执行的下述步骤：光纤反射镜制作、光纤四分之一波片制作、光纤传感环圈制作、高低温循环老化。本发明的显著效果是：传感光纤更加稳定，不易受损伤。
Description
技术领域
本发明属于制作方法，具体涉及一种高可靠性的光纤电流互感器传感环圈制作方法。
背景技术
随着智能电网向超高压、特高压方向发展，智能变电站电压等级越来越高，110kV和220kV的变电站已经非常普遍，1000kV以上电压等级的变电站也已开始建设。同时，智能电网对信息化、自动化、互动性及快速响应等方面的要求越来越高，传统电流互感器已逐渐暴露出原理性缺陷，不能很好的适应电网发展的需要。光纤电流互感器作为一种无源电子式电流互感器，在适应高电压应用、信息化及快速响应方面具有自身突出的优势，如绝缘相对简单、无铁磁饱和、暂态特性好、直接采用数字量输出等，是未来电流互感器的发展方向。
光纤电流互感器的基本原理是磁光法拉第效应，即将光纤缠绕在带电导体周围，在光纤中传输的偏振光受电流产生磁场的影响会发生偏转，其偏转角度θ与光纤缠绕的匝数N、光纤的费尔德常数V及导体电流I有关，具体关系为θ＝2VNI。
为保证电网运行的稳定性与安全性，对光纤电流互感器的可靠性提出了很高的要求。现在电力系统对一次设备的运行寿命一般要求不少于40年，二次设备的运行寿命一般要求不少于20年，而且要求运行过程中设备高度可靠，因为互感器故障会引起变电站停电，从而带来很大的经济及社会方面的负面影响。同时光纤电流互感器传感环圈安装于电力设备的一次侧，拆装比较困难，出现故障必须停电才能检修或更换，因此对传感环圈可靠性的要求更高。为了保证光纤电流互感器的可靠性，需要采用专门优化的方法对传感环圈进行制作。
光纤电流互感器传感头由保偏光纤、四分之一波片、传感光纤、光纤反射镜及环圈骨架等几部分组成，要保证传感头的高可靠性，必须优化设计四分之一波片、传感光纤、光纤反射镜结构及光纤缠绕方式，同时对光学器件要有可靠固定，对传感头整体要进行严格有效的筛选。
专利《一种全光纤电流互感器传感头》(申请号为：201320127370.2)公开了一种传感头的制备方法，能有效消除光纤传感部分的线性双折射等负面影响，但在可靠性方面仍然存在一定缺陷：其中传感光纤部分使用石英细管进行保护并缠绕，但石英细管存在一定的脆性，缠绕过程及使用过程中易折断，存在隐患。没有提出有效的环圈筛选环节，以早期发现并剔除存在可靠性缺陷的传感环圈。专利《一种光纤电流传感器的全光纤传感头》(申请号为：200810056485.0)公开了一种全光纤传感头，采用模块化设计，便于现场安装与拆卸，但在可靠性方面仍然存在一定的缺陷：光纤直接缠绕在石英骨架和软管上，未进行保护及可靠固定，零部件较多，结构复杂，增加了不可靠的隐患。
发明内容
本发明的目的是通过加保护套管缠绕、高可靠的四分之一波片、高可靠的光纤反射镜、加胶灌封、增加温度循环和振动筛选的方式获得高可靠传感环圈，提高光纤电流互感器的可靠性。
本发明是这样实现的：一种高可靠性的光纤电流互感器传感环圈制作方法，其特征在于，包括顺次执行的下述步骤：光纤反射镜制作、光纤四分之一波片制作、光纤传感环圈制作、高低温循环老化。
如上所述的一种高可靠性的光纤电流互感器传感环圈制作方法，其中，所述的光纤反射镜制作包括下述内容：在传感光纤的端面镀多层反射膜，镀膜前要保证端面的平整性和洁净度，以使镀膜层具有较高的反射率和较强的可靠性，反射镜外层加光纤套管进行保护，光纤套管应具有强度，并至少10小时耐受100℃温度不变形，靠近反射镜端面的光纤用光纤固定材料进行填充保护，光纤套管头部用套管封装材料进行填充密封，套管封装材料与反射镜端面间隔一小段距离。
如上所述的一种高可靠性的光纤电流互感器传感环圈制作方法，其中，所述的光纤固定材料为柔性填充物。
如上所述的一种高可靠性的光纤电流互感器传感环圈制作方法，其中，所述的光纤四分之一波片制作包括下述内容：光纤四分之一波片通过保偏光纤制作，波片保偏光纤的拍长为LB，通过定位和切割处理装置得到长度为L＝(2k+1)LB/4，k＝0,1,2,3……，的保偏光纤段，长度误差一般应小于10μm，波片保偏光纤段输入端与另一根保偏光纤对轴45度进行熔接，将线偏振光转化成圆偏振光，波片保偏光纤段输出端与传感光纤采取0度对轴熔接，将圆偏振光输入到传感光纤中，45度熔点与0度熔点均进行涂覆保护，整个四分之一波片段用光纤套管进行保护，在保偏光纤靠近45度熔点的地方和传感光纤靠近0度熔点用光纤固定材料进行填充保护，光纤固定材料通常为柔性填充物，能将保偏光纤和传感光纤可靠的固定在光纤套管的中部，同时不会对保偏光纤和传感光纤产生较大的应力。
如上所述的一种高可靠性的光纤电流互感器传感环圈制作方法，其中，所述的光纤传感环圈制作包括下述内容：光纤传感环圈通过加柔性保护套管的传感光纤在环圈骨架上水平缠绕而成，包含输入保偏光纤、四分之一波片、加保护套管的传感光纤、光纤反射镜，传感光纤用来敏感电流产生的磁场，其传输光相位与电流成正比，光纤保护套管典型外直径为900um，将传感光纤放入保护套管中，保护套管使用柔性材料，缠绕光纤时先固定光纤反射镜，然后将光纤水平缠绕在环圈骨架上，缠绕时保持不超过10牛的张力，将传感光纤、光纤反射镜、四分之一波片在传感环圈骨架上缠绕好后，在上面均匀涂抹固化胶，完成制作。
如上所述的一种高可靠性的光纤电流互感器传感环圈制作方法，其中，所述的高低温循环老化包括下述内容：光纤电流互感器传感环圈固化完成后，放入温箱进行老化，老化过程包括高低温存储、高低温循环，高温存储环节是将传感环圈放在+80℃环境中保存48小时；低温存储环节是将传感环圈放在-50℃环境中保存48小时；在温度变化时温度的变化率为3℃/min；每个高温或低温或常温为一个状态，老化过程包括至少10个状态，10个状态中第一个和最后一个状态为常温，其余状态为高温和低温交错，老化过程完成后检测光纤，若符合检测标准则判定光纤合格，否则判定光纤不合格。
本发明的显著效果是：1)本发明通过在传感光纤外加套管，更好的保护了传感光纤，使其更加稳定，不易受到损伤，有助于互感器的性能和可靠性；2)本发明通过在光纤传感头使用固化胶，能让光纤传感头上的光纤和器件保持更加稳定可靠的状态，有助于互感器的长期稳定性与可靠性；3)本发明通过在电流互感器传感环圈制作过程中增加老化环节，能早期发现并剔除传感环圈中的缺陷，保证交付互感器产品的可靠性；4)本发明通过在电流互感器传感环圈制作过程中增加振动筛选环节，能早期发现并剔除传感环圈结构设计和生产过程引起的缺陷，提高交付互感器产品的可靠性。
附图说明
图1反射镜结构示意图
图2四分之一波片结构示意图
图3传感环圈结构示意图
图4传感环圈高低温循环老化温度曲线图
图中：1，光纤套管；2，光纤固定材料；3，套管封装材料；4，传感光纤；5，反射镜标记；6，光纤反射镜端面；7，45度熔点；8，0度熔点；9，保偏光纤；10，波片保偏光纤；11，四分之一波片标记；12，四分之一波片；13，光纤反射镜；14，传感环圈骨架；15，带套管的传感光纤；16，环圈固封胶。
具体实施方式
参看图1到图4，本发明主要介绍了一种高可靠性的光纤电流互感器传感环圈制作方法，其中包括光纤反射镜(图1所示)、四分之一波片(图2所示)和传感环圈(图3所示)的制作方法，并提供了振动和温度(图4所示)的筛选方法。
图1是本发明所示的光纤反射镜结构示意图。根据光纤电流互感器工作波长(典型为1310nm)，在传感光纤4的端面6镀多层反射膜，光纤内的传输光到达反射镜端面6时将被反射回传感光纤4的内部，反射率通常超过99％。镀膜前要保证端面6的平整性和洁净度，以使镀膜层具有较高的反射率和较强的可靠性。反射镜外层加光纤套管1进行保护，光纤套管1应具有一定的强度，并至少应该能够长时间耐受100℃以上的温度，以保证光纤反射镜的强度和温度性能。反射镜端面6附近(不接触端面6)用光纤固定材料2进行填充保护，通常为柔性填充物，能将传感光纤4可靠的固定在光纤套管1的中部，同时不会对传感光纤4产生较大的应力。光纤套管1头部用套管封装材料3进行填充密封，套管封装材料3不能接触反射镜端面6，同时能够有效保护反射镜不进水汽。在反射镜封装过程中，在光纤套管1外侧与反射镜端面6同心的圆环位置上作标记5，反射镜标记5的宽度与位置误差均应小于1mm，此标记5在传感环圈装配过程中有重要作用。
图2是本发明所示的光纤四分之一波片结构示意图。四分之一波片通过一段特殊的保偏光纤10制作，波片用保偏光纤10一般使用低温度敏感性的特殊保偏光纤，以使四分之一波片在温度变化条件下能够保持稳定的相位延迟。波片保偏光纤10的拍长为LB，通过精确的定位和切割处理装置得到长度为L＝(2k+1)LB/4(k＝0,1,2,3……)的保偏光纤段10，长度误差一般应小于10μm。波片保偏光纤段10输入端与另一根保偏光纤9对轴45度进行熔接，将线偏振光转化成圆偏振光。波片保偏光纤段10输出端与传感光纤4采取0度对轴熔接，将圆偏振光输入到传感光纤4中。45度熔点7与0度熔点8均进行涂覆保护。整个四分之一波片段用光纤套管1进行保护，在保偏光纤9靠近45度熔点7的地方和传感光纤4靠近0度熔点8用光纤固定材料2进行填充保护，光纤固定材料2通常为柔性填充物，能将保偏光纤9和传感光纤4可靠的固定在光纤套管1的中部，同时不会对保偏光纤9和传感光纤4产生较大的应力。在四分之一波片封装过程中，在光纤套管1外侧与0度熔点8同心的圆环位置上作标记11，四分之一波片标记11的宽度与位置误差均应小于1mm，此标记11在传感环圈装配过程中有重要作用。
图3是本发明所示的光纤传感环圈结构示意图。光纤传感环圈通过加柔性保护套管的传感光纤15在环圈骨架14上水平缠绕而成，包含输入保偏光纤9、四分之一波片12、加保护套管的传感光纤15、光纤反射镜13等几个部分。传感光纤4用来敏感电流产生的磁场，其传输光相位与电流成正比。但其相位易受外界应力影响，局部应力过大会增加传感光纤4的线性双折射，导致互感器性能不稳定，因此需要用光纤套管将其保护起来。光纤保护套管典型外直径为900um，将传感光纤4小心放入保护套管中，这一过程应特别注意，避免传感光纤4表面受伤。保护套管内径比传感光纤4外径稍大一些，不会因为温度引起的膨胀收缩而挤压到光纤，保护套管使用柔性材料，使用温度范围不小于-50℃～+100℃，易缠绕，且不会折断，可靠性高。缠绕光纤15时先固定光纤反射镜13，然后将光纤15水平缠绕在环圈骨架14上，缠绕时保持适当的张力，张力过小会导致光纤15太松驰，张力过大会导致光纤15太紧，受力太大。四分之一波片12与光纤反射镜13根据标记定位并排紧密固定在一起，两个器件的定位标记相差一般不超过1mm。将传感光纤15、光纤反射镜13、四分之一波片12在传感环圈骨架14上缠绕好后，在上面均匀涂抹固化胶16，该固化胶16在固化前具有足够的流动性，能够充满光纤15和各器件之间的缝隙，固化后具有足够的强度，能长期保持传感环圈光纤15和各器件的稳固性。
图4是本发明所示的传感环圈高低温循环老化温度曲线图。光纤电流互感器传感环圈固化完成后(固化胶16完全固化)，需要放入温箱进行老化，目的是发现并剔除传感环圈内部隐藏的缺陷。老化过程一般包括高低温存储、高低温循环几个环节。高温存储环节是将传感环圈放在高温环境中保存一段时间，温度典型值为+80℃，保温时间典型值为48小时；低温存储环节是将传感环圈放在低温环境中保存一段时间，温度典型值为-50℃，保温时间典型值为48小时；高低温循环是让传感环圈经受多个冷热变化的过程，如图4所示，按照常温-低温-高温-低温-高温-……-常温的过程进行，最低温度典型值为-50℃，最高温度典型值为+80℃，变温速率典型值为3℃/min，保温时间典型值为30min，循环次数典型值为不少于10次。
由于光纤电流互感器在运输和使用过程中会遇到各种振动、冲击，因此为了保证其可靠性，在传感环圈完成温度老化后，要进行振动条件筛选，一般包括扫频振动和机械冲击两个环节，根据需要也可以增加随机振动环节。扫频振动典型频率范围为20Hz-1000Hz，典型量级为3g，典型时间为3min，X、Y、Z三方向各不少于两次；机械冲击典型时间为1ms，典型量级为100g，X、Y、Z三方向各不少于两次。对于有特殊应用条件的互感器也可以增加随机振动环节。
在传感环圈制作完成并经受了温度老化和振动筛选环节后，要与采集器组装成系统，进行常温和高低温性能测试，能够满足应用精度要求并且性能稳定的环圈才能作为正式产品进行交付。
Claims (5)
1.一种高可靠性的光纤电流互感器传感环圈制作方法，其特征在于，包括顺次执行的下述步骤：光纤反射镜制作、光纤四分之一波片制作、光纤传感环圈制作、高低温循环老化；
所述的光纤反射镜制作包括下述内容：在传感光纤(4)的端面(6)镀多层反射膜，镀膜前要保证端面(6)的平整性和洁净度，以使镀膜层具有超过99％的反射率，反射镜外层加光纤套管(1)进行保护，光纤套管(1)应具有强度，并至少10小时耐受100℃温度不变形，靠近反射镜端面(6)的光纤用光纤固定材料(2)进行填充保护，光纤套管(1)头部用套管封装材料(3)进行填充密封，套管封装材料(3)与反射镜端面(6)之间设有间隔距离。
2.如权利要求1所述的一种高可靠性的光纤电流互感器传感环圈制作方法，其特征在于：所述的光纤固定材料(2)为柔性填充物。
3.如权利要求1所述的一种高可靠性的光纤电流互感器传感环圈制作方法，其特征在于：所述的光纤四分之一波片制作包括下述内容：光纤四分之一波片通过保偏光纤(10)制作，波片保偏光纤(10)的拍长为LB，通过定位和切割处理装置得到长度为L＝(2k+1)LB/4，k＝0,1,2,3……，的保偏光纤段(10)，长度误差应小于10μm，波片保偏光纤段(10)输入端与另一根保偏光纤(9)对轴45度进行熔接，将线偏振光转化成圆偏振光，波片保偏光纤段(10)输出端与传感光纤(4)采取0度对轴熔接，将圆偏振光输入到传感光纤(4)中，45度熔点与0度熔点均进行涂覆保护，整个四分之一波片段用光纤套管(1)进行保护，在保偏光纤(9)靠近45度熔点(7)的地方和传感光纤(4)靠近0度熔点(8)用光纤固定材料(2)进行填充保护，光纤固定材料(2)为柔性填充物，能将保偏光纤(9)和传感光纤(4)可靠的固定在光纤套管(1)的中部，同时不会对保偏光纤(9)和传感光纤(4)产生较大的应力。
4.如权利要求1所述的一种高可靠性的光纤电流互感器传感环圈制作方法，其特征在于：所述的光纤传感环圈制作包括下述内容：光纤传感环圈通过加柔性保护套管的传感光纤(15)在环圈骨架(14)上水平缠绕而成，包含输入保偏光纤(9)、四分之一波片(12)、加柔性保护套管的传感光纤(15)、光纤反射镜(13)，传感光纤(4)用来敏感电流产生的磁场，其传输光相位与电流成正比，光纤保护套管外直径为900μm，将传感光纤(4)放入保护套管中，保护套管使用柔性材料，缠绕加柔性保护套管的传感光纤(15)时先固定光纤反射镜(13)，然后将加柔性保护套管的传感光纤(15)水平缠绕在环圈骨架(14)上，缠绕时保持不超过10牛的张力，将加柔性保护套管的传感光纤(15)、光纤反射镜(13)、四分之一波片(12)在传感环圈骨架(14)上缠绕好后，在上面均匀涂抹固化胶(16)，完成制作。
5.如权利要求1所述的一种高可靠性的光纤电流互感器传感环圈制作方法，其特征在于：所述的高低温循环老化包括下述内容：光纤电流互感器传感环圈固化完成后，放入温箱进行老化，老化过程包括高低温存储、高低温循环，高温存储环节是将传感环圈放在+80℃环境中保存48小时；低温存储环节是将传感环圈放在-50℃环境中保存48小时；在温度变化时温度的变化率为3℃/min；每个高温或低温或常温为一个状态，老化过程包括至少10个状态，10个状态中第一个和最后一个状态为常温，其余状态为高温和低温交错，老化过程完成后检测光纤，若符合检测标准则判定光纤合格，否则判定光纤不合格。
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