長(zhǎng)飛特種光纖系列之三-光纖電流互感器用旋轉(zhuǎn)光纖

  ICCSZ訊 隨著“十三五”期間國(guó)家對(duì)建設(shè)智能電網(wǎng)的大力推廣，以及一帶一路發(fā)展戰(zhàn)略地穩(wěn)步推進(jìn),推動(dòng)了構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)程以及低能耗冶金等行業(yè)的迅速發(fā)展。這些行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)特高壓、大電流的準(zhǔn)確測(cè)量提出了日益迫切的需求。基于Faraday磁光效應(yīng)的光纖電流互感器因具有測(cè)量準(zhǔn)確度高，頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大，絕緣簡(jiǎn)單，安裝靈活等優(yōu)勢(shì)，在大電流測(cè)量領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，除了需具有足夠高的測(cè)量準(zhǔn)確度外，光纖電流互感器還應(yīng)具備優(yōu)良的溫度性能和抗振能力。對(duì)于電解冶金領(lǐng)域超大電流的測(cè)量，電流互感器還應(yīng)滿足柔性安裝，測(cè)量精度對(duì)環(huán)路形狀、母線偏心、雜散磁場(chǎng)干擾敏感度低等要求。基于以上背景，長(zhǎng)飛光纖光纜股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)飛公司)推出了光纖電流互感器用特種光纖——旋轉(zhuǎn)光纖。作為光纖電流互感器的核心部件，旋轉(zhuǎn)光纖保證了光纖電流互感器的實(shí)際應(yīng)用需求。

  旋轉(zhuǎn)光纖是一種特殊保偏光纖，通過光纖的軸線旋轉(zhuǎn)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。該類光纖在旋轉(zhuǎn)周期足夠小的情況下，具備很好的圓偏振保持能力。同時(shí)，由于光纖存在很高的內(nèi)應(yīng)力，因此保留了保偏光纖很好的抗外部干擾和內(nèi)部缺陷的能力，可以從本質(zhì)上提升光纖電流互感器的環(huán)境適應(yīng)性，保證互感器滿足實(shí)際應(yīng)用需求，適用于全光纖電流互感器的應(yīng)用，是目前最具前景的研究方向。

  1、旋轉(zhuǎn)光纖保圓機(jī)理

  光纖的基模有兩個(gè)偏振態(tài)，設(shè)它們的傳播常數(shù)(即波數(shù)，β=2π?neff/λ)分別為β1和β2，圓偏振保持要求β1≈β2。雙折射光纖中兩個(gè)偏振態(tài)的傳播常數(shù)之差Δβ(即β1-β2)較大(即傳播速度相差較大)，隨著傳播距離的增加，模式之間的延時(shí)差(對(duì)應(yīng)相位差)線性增加。

  采用離散的概念，旋轉(zhuǎn)光纖可以看作是一段長(zhǎng)為四分之一旋轉(zhuǎn)周期的未處理的雙折射光纖切片連接另一段同樣的光纖，但主軸方向旋轉(zhuǎn)了π/2。這樣，這兩段光纖的模式延時(shí)可以完全抵消，如圖1所示。

  這樣的旋轉(zhuǎn)光纖，局部是線偏振保持光纖，而整體是圓偏振保持光纖。旋轉(zhuǎn)周期越短，切片的長(zhǎng)度就越短，局部的最大相位差越小，就越接近理想的圓偏振光。

  2、旋轉(zhuǎn)光纖制備

  旋轉(zhuǎn)光纖的制備方法通常分兩種：一是保偏光纖后處理，一是保偏應(yīng)力棒在線旋轉(zhuǎn)拉絲。前一種方法雖然靈活，但由于涉及光纖涂覆層的剝除和再涂覆，難以保證光纖的機(jī)械可靠性。后一種方法類似普通保偏光纖的生產(chǎn)，通過預(yù)制棒直接拉絲、涂覆。既保證了光纖強(qiáng)度，也具備足夠段長(zhǎng)的生產(chǎn)能力。

  預(yù)制棒的超高速旋轉(zhuǎn)和光纖的超低速拉絲，對(duì)預(yù)制棒、旋轉(zhuǎn)拉絲塔及工藝控制而言，都極具挑戰(zhàn)性。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上銷售的旋轉(zhuǎn)光纖主要被國(guó)外供應(yīng)商壟斷。國(guó)內(nèi)試點(diǎn)掛網(wǎng)的光纖型電流互感器產(chǎn)品絕大多數(shù)使用進(jìn)口旋轉(zhuǎn)光纖。但進(jìn)口旋轉(zhuǎn)光纖存在單價(jià)高，光纖段長(zhǎng)受限，供貨批次和交期不受控等問題。

  長(zhǎng)飛公司，作為專業(yè)的光纖光纜設(shè)計(jì)及制造廠商，一直以來都密切關(guān)注和持續(xù)跟進(jìn)電流互感器技術(shù)的發(fā)展，依托中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院牽頭的重大科學(xué)儀器專項(xiàng)《寬帶大電流測(cè)量?jī)x開發(fā)與應(yīng)用》，在常規(guī)光纖成熟的技術(shù)平臺(tái)上經(jīng)過多年積累，延續(xù)熊貓型保偏光纖生產(chǎn)工藝，依次攻克了a)高準(zhǔn)直度(幾何、重心)的應(yīng)力預(yù)制棒;b)高速旋轉(zhuǎn)拉絲塔的動(dòng)態(tài)垂直精度和穩(wěn)定性;c)超低速拉絲的自動(dòng)控制等工藝難題，形成了一整套具備長(zhǎng)飛特色的旋轉(zhuǎn)光纖制備、測(cè)試平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上推出的第一款高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖SH1016-A具備5mm旋轉(zhuǎn)節(jié)距，段長(zhǎng)≥500m，篩選張力可達(dá)100kpsi。相關(guān)產(chǎn)品得到行業(yè)權(quán)威應(yīng)用單位的認(rèn)可，性能達(dá)到國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平。而長(zhǎng)飛光纖光纜制備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與中國(guó)電力科學(xué)院武漢分院的交流與合作，將為該特種光纖更好地服務(wù)于電力行業(yè)提供更加廣闊的研究平臺(tái)。