【光纖電流傳感器故障診斷實驗探析綜述3100字】

光纖電流傳感器故障診斷實驗分析綜述在光纖電流傳感器故障診斷中，為了防止出現(xiàn)誤判，需要進行標定實驗先測量出在正常運行時由于溫度的影響，光路中傳輸光的光功率波動范圍。根據(jù)本文第二章搭建的實驗平臺，首先進行標定實驗測定光纖電流傳感器在不同溫度下正常運行時光功率的范圍，以此為正常參考范圍值。若輸出光功率在正常參考范圍內(nèi)，則判斷為正常；否則，則判定為故障。然后進行驗證實驗測試本文所設計的方法是否能正確檢測出光纖電流傳感器所出現(xiàn)的各類故障。標定實驗為了避免正常情況下由于溫度對光功率的影響而引起故障誤判，我們首先對FOCS進行了溫度循環(huán)實驗[36]，確定了FOCS在溫度變化為-40℃～70℃下正常工作時的光功率變化范圍，由此確定了光功率的正常波動范圍。溫升實驗按照國家標準《電子式電流互感器GB/T20840.8--2007》，實驗場地的環(huán)境溫度為20℃，符合標準中的10℃和30℃之間，當?shù)睾０螢?97米，符合標準中正常使用條件下海拔不超過1000米的要求。供電電源的電壓、電流、頻率、紋波等滿足相關(guān)技術(shù)要求。溫升測量使用18B20溫度傳感器，光纖電流傳感器采集單元和光纖圈均置于溫箱內(nèi)。待測電流等效值為320A，光纖電流傳感器采集單元輸出兩路信號給計算機LabVIEW，分別為測量電流值和光功率值。在第二章所搭建的實驗平臺上，用于需要進行溫度循環(huán)試驗，增加了溫箱。為了滿足所需要的溫度變化范圍和速率，所采用的溫箱的最大溫度變化范圍為-40℃至100℃，溫度最快變化速率為5℃/min。首先在室溫下（20℃）將光纖電流傳感器采集單元和傳感光纖圈均放入溫箱，為了使溫度傳感器測得的溫度為傳感器采集單元的溫度，18B20傳感頭貼著傳感器采集單元外殼放置，溫度傳感器采集單元不耐高溫，需要擺放在溫箱外，傳輸線穿過溫箱穿線孔與傳感頭相連。計算機兩個串口分別與溫度傳感器采集單元、光纖電流傳感器采集單元相連，以便完成對實時測量溫度數(shù)據(jù)和傳感器輸出的光功率值和測量電流值的傳輸。其次，設置溫箱程序，以1℃/min的溫度變化率進行升溫，每達到整十攝氏度停留半小時，由于傳感器溫度到達溫箱溫度需要一定的時間，因此需要等待傳感器溫度達到溫箱溫度后再記錄光功率值與測量電流值。升溫最高至70℃，得到20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃下的光功率值與測量電流值。然后，在記錄下70℃時的光功率后，設置溫箱程序，以1℃/min的溫度變化率進行降溫，每達到整十攝氏度停留半小時，同理待傳感器溫度達到溫箱溫度后記錄光功率值與測量電流值，降溫最低至-40℃，得到70℃、60℃、50℃、40℃、30℃、20℃、10℃、0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃下的光功率值與測量電流值。最后，在記錄下-40℃時的光功率后，設置溫箱程序，以1℃/min的溫度變化率進行升溫，每達到整十攝氏度停留半小時，同理待傳感器溫度達到溫箱溫度后記錄光功率值與測量電流值，直至升溫至室溫20℃，得到-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃下的光功率值與測量電流值。到此完成了溫度循環(huán)試驗，獲得了-40℃至70℃下的光功率值與測量電流值，同時也根據(jù)施加電流的標準值完成了相應溫度下比值誤差的計算。由于溫度對光纖電流傳感器的影響是連續(xù)的，并隨著溫度與常溫的溫度差值越大影響也越來越大，溫度循環(huán)實驗耗時較長，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量極大，考慮到LabVIEW存儲空間的限制，沒有記錄每時每刻光功率隨溫度變化的值，而是記錄了每整十攝氏度光功率的值用來表示光功率在-40℃到70℃全溫下的變化范圍，根據(jù)實驗研究，這種代替法是可靠的[37]。其中溫度變化情況如圖3-4所示，除了最高溫度70℃和最低溫度-40℃之外，其他溫度都記錄了兩次光功率值與測量電流值。因此在繪制圖3-5溫度循環(huán)光功率圖時，每個溫度對應的光功率值和測量電流值取兩次測量的平均值。實驗用光纖電流傳感器的準確級為0.2級，額定電流為10000A，等效測量電流值為320A，為額定電流的3.2%。根據(jù)國家標準《電子式電流互感器標準GB/T20840.8--2007》中額定頻率下的電流誤差和相位誤差限制規(guī)定，電流互感器比值誤差和準確度等級所對應的關(guān)系如表3-1所示，0.2級準確級在測量電流為額定電流百分比為5%時的電流比值誤差不超過±0.75%，因此只要測量誤差在±0.75%之內(nèi)則光纖電流傳感器為正常狀態(tài)，無故障。表3-1電流誤差極限準確級在額定電流（%）下的電流（比值）誤差±%5201001200.10.40.20.10.10.20.750.350.20.20.51.50.750.50.51.03.01.51.01.0由圖3-5可得，由于是在常溫下進行的校準，比值誤差在20℃左右時最小，在最高溫和最低溫時偏離遠點最遠，但均在±0.75%之內(nèi)。溫度最低時，比值誤差為-0.71%，最小光功率為4.28μW；溫度最高時，比值誤差為0.72%，最大光功率為8.31μW。考慮到一些其他因素可能對光功率造成的波動，光功率范圍在此基礎(chǔ)上擴展10%，故正常光功率波動范圍設置為3.85μW到9.14μW。因此，可以通過測量光纖電流傳感器的光功率值來確定FOCS是否有故障。如果測量的光功率值在此范圍內(nèi)，則判斷為正常，如果超過此范圍，則判斷為故障。從圖3-5可以看出，曲線的光功率在-20℃到60℃之間幾乎沒有變化，而此時比值誤差絕對值均不超過0.6%；而在-30℃時光功率急劇下降，在70℃時光功率顯著上升，此時比值誤差絕對值達到0.7%，可見低溫和高溫對光功率的影響很大，這是由于偏振器的溫度性能造成的。對于光纖耦合器、光纖起偏器等這些光器件來說，一般正常工作的溫度范圍為-5℃至70℃，由于光纖電流傳感器工作時自身會發(fā)熱，因此自身溫度一般比環(huán)境溫度高10℃左右，表現(xiàn)為在-20℃至60℃時，光器件能夠比較正常地工作，光路光功率與比值誤差在該溫度范圍內(nèi)比較穩(wěn)定，當溫度低于-20℃和超過60℃時，光器件的性能受到影響，光路光功率出現(xiàn)較為劇烈的變化，導致比值誤差增大。需要特別注意的是，由于不同F(xiàn)OCS的制造工藝和材料的不同，在-40℃～70℃的溫度范圍內(nèi)，不同光纖電流傳感器的光功率變化的范圍和情況也不同。本文僅給出了一種判斷光纖電流傳感器故障的方法，但本文提出的光功率變化范圍并不適用于所有光纖電流傳感器。最后，通過驗證實驗對系統(tǒng)的可靠性進行了測試。驗證實驗光波在光纖中傳輸時會發(fā)生衰減，造成衰減的主要因素有：本征，彎曲，擠壓，雜質(zhì)，不均勻和對接等。主要分析如下：1）本征：是光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收等；2）彎曲：光纖彎曲曲徑較小時，在其中傳輸?shù)牟糠止馍⑸涑龉饫w外，造成損失；3）擠壓：光纖受到擠壓而產(chǎn)生形變，引起雙折射或者影響光纖內(nèi)傳輸偏振光的偏振角度；4）雜質(zhì)：光纖制作過程不當而引入雜質(zhì)，雜質(zhì)會對傳輸?shù)墓庠斐捎绊?，引起損耗；5）不均勻：光纖制作過程不當或者存貯方式欠佳引起光纖材料的折射率不均勻，從而造成損耗；6）對接：光纖對接時產(chǎn)生的損耗。以上除了本征損耗是屬于固有損耗，另外五種都屬于附加損耗，包括微彎損耗、彎曲損耗和接續(xù)損耗，是在光纖制成后由使用條件造成的。為了模擬實際工作條件下常見的故障，在人為制造部分附加損耗情況下，觀察測量誤差以及光功率值。室溫下（20℃），光纖電流傳感器正常工作時，利用LabVIEW顯示出FOCS的輸出、比值誤差、萬用表等效電流值及溫度值，光纖電流傳感器的準確度為0.2級，測量電流標準值為320A，為額定電流的3.2%，若比值誤差達不到0.75%則判定為故障，此時觀察光功率是否處于正常范圍之外。制造的四種狀況如下：斷開延遲線圈中的光纖；擠壓光纖；使延遲線圈的彎曲半徑為1cm；將光源強度調(diào)整到正常值的一半。表3-1驗證實驗測試結(jié)果故障類型abcd光功率值(μW)0μW3.12μW1.96μW2.98μW比值誤差（%）100%1.32%21.4%2.96%故障/正常故障故障故障故障判斷是否正確正確正確正確正確正常狀態(tài)光功率參考