【光纤电流传感器故障诊断实验探析综述3100字】

光纤电流传感器故障诊断实验分析综述在光纤电流传感器故障诊断中，为了防止出现误判，需要进行标定实验先测量出在正常运行时由于温度的影响，光路中传输光的光功率波动范围。根据本文第二章搭建的实验平台，首先进行标定实验测定光纤电流传感器在不同温度下正常运行时光功率的范围，以此为正常参考范围值。若输出光功率在正常参考范围内，则判断为正常；否则，则判定为故障。然后进行验证实验测试本文所设计的方法是否能正确检测出光纤电流传感器所出现的各类故障。标定实验为了避免正常情况下由于温度对光功率的影响而引起故障误判，我们首先对FOCS进行了温度循环实验[36]，确定了FOCS在温度变化为-40℃～70℃下正常工作时的光功率变化范围，由此确定了光功率的正常波动范围。温升实验按照国家标准《电子式电流互感器GB/T20840.8--2007》，实验场地的环境温度为20℃，符合标准中的10℃和30℃之间，当地海拔为397米，符合标准中正常使用条件下海拔不超过1000米的要求。供电电源的电压、电流、频率、纹波等满足相关技术要求。温升测量使用18B20温度传感器，光纤电流传感器采集单元和光纤圈均置于温箱内。待测电流等效值为320A，光纤电流传感器采集单元输出两路信号给计算机LabVIEW，分别为测量电流值和光功率值。在第二章所搭建的实验平台上，用于需要进行温度循环试验，增加了温箱。为了满足所需要的温度变化范围和速率，所采用的温箱的最大温度变化范围为-40℃至100℃，温度最快变化速率为5℃/min。首先在室温下（20℃）将光纤电流传感器采集单元和传感光纤圈均放入温箱，为了使温度传感器测得的温度为传感器采集单元的温度，18B20传感头贴着传感器采集单元外壳放置，温度传感器采集单元不耐高温，需要摆放在温箱外，传输线穿过温箱穿线孔与传感头相连。计算机两个串口分别与温度传感器采集单元、光纤电流传感器采集单元相连，以便完成对实时测量温度数据和传感器输出的光功率值和测量电流值的传输。其次，设置温箱程序，以1℃/min的温度变化率进行升温，每达到整十摄氏度停留半小时，由于传感器温度到达温箱温度需要一定的时间，因此需要等待传感器温度达到温箱温度后再记录光功率值与测量电流值。升温最高至70℃，得到20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃下的光功率值与测量电流值。然后，在记录下70℃时的光功率后，设置温箱程序，以1℃/min的温度变化率进行降温，每达到整十摄氏度停留半小时，同理待传感器温度达到温箱温度后记录光功率值与测量电流值，降温最低至-40℃，得到70℃、60℃、50℃、40℃、30℃、20℃、10℃、0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃下的光功率值与测量电流值。最后，在记录下-40℃时的光功率后，设置温箱程序，以1℃/min的温度变化率进行升温，每达到整十摄氏度停留半小时，同理待传感器温度达到温箱温度后记录光功率值与测量电流值，直至升温至室温20℃，得到-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃下的光功率值与测量电流值。到此完成了温度循环试验，获得了-40℃至70℃下的光功率值与测量电流值，同时也根据施加电流的标准值完成了相应温度下比值误差的计算。由于温度对光纤电流传感器的影响是连续的，并随着温度与常温的温度差值越大影响也越来越大，温度循环实验耗时较长，产生的数据量极大，考虑到LabVIEW存储空间的限制，没有记录每时每刻光功率随温度变化的值，而是记录了每整十摄氏度光功率的值用来表示光功率在-40℃到70℃全温下的变化范围，根据实验研究，这种代替法是可靠的[37]。其中温度变化情况如图3-4所示，除了最高温度70℃和最低温度-40℃之外，其他温度都记录了两次光功率值与测量电流值。因此在绘制图3-5温度循环光功率图时，每个温度对应的光功率值和测量电流值取两次测量的平均值。实验用光纤电流传感器的准确级为0.2级，额定电流为10000A，等效测量电流值为320A，为额定电流的3.2%。根据国家标准《电子式电流互感器标准GB/T20840.8--2007》中额定频率下的电流误差和相位误差限制规定，电流互感器比值误差和准确度等级所对应的关系如表3-1所示，0.2级准确级在测量电流为额定电流百分比为5%时的电流比值误差不超过±0.75%，因此只要测量误差在±0.75%之内则光纤电流传感器为正常状态，无故障。表3-1电流误差极限准确级在额定电流（%）下的电流（比值）误差±%5201001200.10.40.20.10.10.20.750.350.20.20.51.50.750.50.51.03.01.51.01.0由图3-5可得，由于是在常温下进行的校准，比值误差在20℃左右时最小，在最高温和最低温时偏离远点最远，但均在±0.75%之内。温度最低时，比值误差为-0.71%，最小光功率为4.28μW；温度最高时，比值误差为0.72%，最大光功率为8.31μW。考虑到一些其他因素可能对光功率造成的波动，光功率范围在此基础上扩展10%，故正常光功率波动范围设置为3.85μW到9.14μW。因此，可以通过测量光纤电流传感器的光功率值来确定FOCS是否有故障。如果测量的光功率值在此范围内，则判断为正常，如果超过此范围，则判断为故障。从图3-5可以看出，曲线的光功率在-20℃到60℃之间几乎没有变化，而此时比值误差绝对值均不超过0.6%；而在-30℃时光功率急剧下降，在70℃时光功率显著上升，此时比值误差绝对值达到0.7%，可见低温和高温对光功率的影响很大，这是由于偏振器的温度性能造成的。对于光纤耦合器、光纤起偏器等这些光器件来说，一般正常工作的温度范围为-5℃至70℃，由于光纤电流传感器工作时自身会发热，因此自身温度一般比环境温度高10℃左右，表现为在-20℃至60℃时，光器件能够比较正常地工作，光路光功率与比值误差在该温度范围内比较稳定，当温度低于-20℃和超过60℃时，光器件的性能受到影响，光路光功率出现较为剧烈的变化，导致比值误差增大。需要特别注意的是，由于不同FOCS的制造工艺和材料的不同，在-40℃～70℃的温度范围内，不同光纤电流传感器的光功率变化的范围和情况也不同。本文仅给出了一种判断光纤电流传感器故障的方法，但本文提出的光功率变化范围并不适用于所有光纤电流传感器。最后，通过验证实验对系统的可靠性进行了测试。验证实验光波在光纤中传输时会发生衰减，造成衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。主要分析如下：1）本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等；2）弯曲：光纤弯曲曲径较小时，在其中传输的部分光散射出光纤外，造成损失；3）挤压：光纤受到挤压而产生形变，引起双折射或者影响光纤内传输偏振光的偏振角度；4）杂质：光纤制作过程不当而引入杂质，杂质会对传输的光造成影响，引起损耗；5）不均匀：光纤制作过程不当或者存贮方式欠佳引起光纤材料的折射率不均匀，从而造成损耗；6）对接：光纤对接时产生的损耗。以上除了本征损耗是属于固有损耗，另外五种都属于附加损耗，包括微弯损耗、弯曲损耗和接续损耗，是在光纤制成后由使用条件造成的。为了模拟实际工作条件下常见的故障，在人为制造部分附加损耗情况下，观察测量误差以及光功率值。室温下（20℃），光纤电流传感器正常工作时，利用LabVIEW显示出FOCS的输出、比值误差、万用表等效电流值及温度值，光纤电流传感器的准确度为0.2级，测量电流标准值为320A，为额定电流的3.2%，若比值误差达不到0.75%则判定为故障，此时观察光功率是否处于正常范围之外。制造的四种状况如下：断开延迟线圈中的光纤；挤压光纤；使延迟线圈的弯曲半径为1cm；将光源强度调整到正常值的一半。表3-1验证实验测试结果故障类型abcd光功率值(μW)0μW3.12μW1.96μW2.98μW比值误差（%）100%1.32%21.4%2.96%故障/正常故障故障故障故障判断是否正确正确正确正确正确正常状态光功率参考