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第8卷 第1期 2025年01月；页码：48-56
直流换流站中全光纤电流互感器光源退化故障研究
Research on the Degradation Faults of Fiber Optical Current Transformer Light Source in DC Converter Stations
- 1.中国电力科学研究院有限公司电力传感研究所，北京市 昌平区 102209
- 2.国网北京市电力公司，北京市 西城区 100031
- 3.华中科技大学光学与电子信息学院，湖北省 武汉市 430074
- LIU Zhanyuan1, NIU Xiaochen1, CHEN Shuo1, ZHAO Lei2, ZHAO Yi3, XIA Li3* (1.Electric Power Sensing Research Institute, China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Changping District, Beijing 102209, China
- 2.State Grid Beijing Electric Power Company, Xicheng District, Beijing 100031, China
- 3.School of Optics and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China
关键词
Keywords
摘 要
Abstract
全光纤电流互感器（fiber optical current transformer，FOCT）目前在直流换流站中实现了广泛应用，但是随着运行时间的增加，普遍存在全光纤电流互感器中超辐射发光二极管（super luminescent diode，SLD）光源器件的输出光功率下降的问题，降低了FOCT的运行可靠性。针对SLD光源退化问题，进行了原理上的分析并对光功率衰减严重的光源进行拆解测试，得到SLD的管芯光功率统计数据，最终得出结论：管芯区退化是引起光源输出光功率衰减的主要原因，是普遍存在的现象，在实际生产活动中需要对SLD光功率进行定时检测，避免引起不必要的损失。
Fiber optical current transformers (FOCTs) have been widely used in the DC converter stations.However, with the increase of operating time, there is a common problem of decreased output optical power of super luminescent diode (SLD)light source devices in the FOCT, which reduces the operational reliability of FOCT.This article provides a theoretical analysis of the degradation problem of SLD light sources.We have also conducted dismantling tests on light sources with severe optical power attenuation, and obtained statistical data on the optical power of SLD chips.The final conclusion is that the degradation of the chip area is the main cause of the attenuation of the output light power of the light source, which is a common phenomenon.In actual production activities, it is necessary to perform regular detection of the SLD optical power to avoid unnecessary causes.
0 引言
近年来，经济发展迅速，高速发展的经济对电能也提出了新要求。为了将西部丰富的电力资源运送至东部区域，中国特高压直流输电工程建设不断加快，对中国的远距离跨区域电能输送有重要意义[1-4]。特高压直流输电系统的稳定运行很大程度上取决于换流站配置的直流控制保护及监视系统，而直流控制保护及监视系统又依赖于换流站测量设备在系统稳态和暂态条件下的准确度及可靠性。直流电流互感器是特高压直流换流站的关键设备之一，其主要作用是测量直流电流并将测量结果传至直流控制保护设备[5-9]。按照不同的工作原理划分，直流电流互感器分为磁通型和光电型两类[10-12]，光电型中典型的两种分别为采用分流器原理的光电式电流互感器和采用法拉第磁光效应的全光纤电流互感器，基于法拉第磁光效应的全光纤电流互感器（fiber optical current transformer，FOCT）具有抗电磁干扰、动态范围大、体积小、测量精度高等优点[13-16]，FOCT在特高压直流输电工程领域应用愈加广泛，并将成为电力系统电流测量装置的发展趋势[17-22]。
近几年FOCT的配置量在大量上升，截至2020年12月，国网公司各换流站配置的FOCT达到了1500台，占到了全部类型的直流电流互感器的30%。图1是全光纤电流互感器的原理图，FOCT主要由超辐射发光二极管（super luminescent diode，SLD）光源、耦合器、起偏器、相位调制器、保偏延迟环、光学传感头、光电探测器以及信号处理单元组成[23-26]。首先，SLD发出的光经过耦合器和起偏器转换为线偏振光[27]，再经过45°熔接点形成两束互相正交的偏振光，经过相位调制器进行光程差调制并经过保偏延迟环后，两束偏振光进入λ/4波片转换为左旋圆偏振光与右旋圆偏振光，在法拉第磁光效应下产生相位偏移，经过光路末端的反射镜后再次经历法拉第磁光效应，最后转化为两束线偏振光，携带电流信息的光强经过耦合器最后输入到光电探测器，通过检测两束偏振光的干涉相位差解析出法拉第相移，最后得到待测电流的大小。在FOCT中，一个重要部分是电子机箱，图1中的光路和电路两部分被封装在电子机箱内。电子机箱光路部分由SLD光源、隔离器、光纤耦合器、E2000/APC接头组成。
图1 FOCT结构原理图
Fig.1 FOCT structural schematic diagram
由于FOCT的应用时间较短，相对于光电式CT，FOCT对现场施工工艺要求更高，稳定性较差[28]。而SLD光源管芯光功率直接决定着整个光路的输出光功率，SLD性能的好坏直接决定了FOCT性能的优劣。其中的SLD光源的组成结构复杂，影响因素众多，是FOCT长期运行过程中的主要故障源之一。
1 SLD光源理论分析
SLD器件是由管芯、热敏电阻、热沉、半导体制冷器（thermo electric cooling，TEC）、尾纤和外部壳体组成[29]，具体结构如图2，管芯和热敏电阻键合在热沉上，热沉固定在TEC上，TEC固定在外壳的底座上，光纤嵌入管芯内部，与管芯耦合，管芯是SLD的重要部分，用来输出光源；热敏电阻用来检测SLD工作时的温度变化，将温度变化反馈给控制系统；半导体制冷器通过半导体的热点效应调节器件的温度；热沉相当于散热器，拥有较大的热导率，原料多采用铜。
图2 SLD结构原理图
Fig.2 SLD structural schematic diagram
SLD光源失效原因主要是管芯失效、管芯与尾纤的耦合失效和管芯的温控失效。其中，管芯失效主要原因是管芯中有源区退化和管芯与引脚之间的焊料退化失效。在SLD光源管芯中，有源区退化的直接原因是存在晶格缺陷，以及这些晶格缺陷在持续工作过程中的逐渐扩大，最后成为一片暗区。使用透射式扫描电子显微镜对半导体激光器逐层精细观察，可发现在其退化过程中，存在某些暗点（即不发光的非均匀小区）或暗区。伴随着缺陷的形成、生长和迁移以及p-n结的退化过程，有源区的发光效率将会持续降低[30]。其次是电极和焊接退化失效，对SLD光源来说，电极的退化主要原因有：①电极金属元素的扩散（内扩散）；②电极金属与半导体材料之间产生合金。对于焊接退化失效，所用焊料主要有纯锢、纯锡、金锡易熔合金以及金锗易熔合金等。金锡易熔合金是最常用的焊料，其应力较小，但老化过程中易变质，造成电阻和热阻增加，从而导致迅速退化。此外，由于焊接引入的应力，管芯、焊料、电极之间热膨胀系数匹配程度不佳也会使其快速退化。
本实验的目的是探究SLD管芯区老化和管脚虚焊对光源发光效率的影响，观察由这两点导致的故障占FOCT输出光功率故障的比例。
2 实验方案
实验一共征集了2个换流站的4组润金1代电子机箱以及一组全新的电子机箱共5组试品开展性能试验和故障分析。其中2组电子机箱来自古泉换流站，于2019年投运，在2021年10月大修中因部分通道光弱更换；2组机箱来自锡盟换流站，于2017年投运，2018年和2019年分别因光弱更换；1组为厂家提供全新未现场使用机箱，作为对比参照组。其中，NXCT-1796和NXCT-1869为古泉换流站换下的电子机箱；NXCT-1606和NXCT-1326为锡盟换流站换下的电子机箱；NXCT-1620为厂家提供的全新机箱作为参考。
图3所示为电子机箱光路结构，其由SLD光源、隔离器、光纤耦合器、E2000/APC接头组成，其中测量点①为电子机箱输出光功率，可直接通过测量E2000/APC接头处输出光功率获得，测量点②为光源光功率，需拆解光路测量。
图3 电子机箱光路结构
Fig.3 Electronic chassis optical path structure
图4所示为SLD光源内部结构图，可分为光源管芯和耦合光纤，其中SLD光源管芯光功率需通过透镜耦合至尾纤输出，测量点③测得的是尾纤光功率，测量点④测得的是管芯光功率。
图4 SLD光源内部结构图
Fig.4 Internal structure diagram of SLD light source
SLD光源分析过程如下。
1） 通过测量图3①处的输出光功率、中心波长、3 dB谱宽和光谱纹波，并结合电子机箱的出厂光功率和出厂波长，对比分析出光功率严重衰减的故障电子机箱，实验装置如图5和图6所示。
图5 SLD光源输出光功率测试装置示意图
Fig.5 Schematic diagram of SLD light source output optical power testing device
图6 SLD光源光谱性能参数测试装置示意图
Fig.6 Schematic diagram of SLD light source spectral performance parameter testing device
图7 SLD光源PI特性曲线测试装置示意图
Fig.7 Schematic diagram of SLD light source PI characteristic curve testing device
2） 对SLD光源进行PI特性曲线测试，采用外接SLD光源驱动仪调节SLD光源的驱动电流，并通过数字万用表、光功率计测量SLD光源在不同驱动电流时的工作电压和输出光功率。
3） 拆解SLD光源，通过测量图4④处的管芯光功率，对SLD光源管芯的性能衰减情况进行分析，得出SLD光源光功率衰减原因，并深入探究其故障作用机理。
拆解过程如图8、图9所示，2个换流站产品SLD光源驱动信号线封装不同，古泉换流站产品使用电缆焊接直驱方式，锡盟换流站产品使用软排线加电路板方式。
图8 古泉换流站SLD拆解过程
Fig.8 Disassembly process of SLD at Guquan converter station
图9 锡盟换流站SLD拆解过程
Fig.9 Disassembly process diagram of SLD at Ximeng converter station
3 实验结果
3.1 输出光功率及光谱性能结果分析
本实验得到的光功率变化率计算公式为
式中：Pout为输出光功率；P0为出厂光功率。出厂光功率、出厂波长为电子机箱内部存储数据；输出光功率、中心波长、3 dB谱宽、光谱纹波为图3①点测试结果；光功率变化率、波长漂移根据出厂数据与测试数据计算获得。实验中施加的驱动电流大小与出厂测试保持一致。实验数据如表1和表2。
表1 古泉换流站及全新电子机箱实验结果
Table 1 Experimental results of Guquan converter station and brand new electronic chassis
SLD光源互感器型号光功率变化率/%出厂波长/nm中心波长/nm波长漂移/nm3 dB谱宽/nm光谱纹波/dB红266-11.76 1 314.70 1 313.39 -1.31 32.91 0.021绿264NXCT-1620-6.87 1 318.80 1 317.68 -1.12 32.44 0.022蓝540-8.59 1 310.90 1 310.58 -0.32 31.91 0.011红010-33.63 1 313.30 1 313.69 0.39 31.45 0.026绿382NXCT-1796-72.75 1 313.40 1 320.03 6.63 30.44 0.075蓝009-19.73 1 319.40 1 315.20 -4.20 32.82 0.034红194-1.96 1 317.10 1 316.56 -0.54 32.79 0.014绿159NXCT-1869-9.19 1 316.20 1 316.50 0.30 31.82 0.02蓝036-54.70 1 306.90 1 309.46 2.56 30.82 0.076
表2 锡盟换流站电子机箱实验结果
Table 2 Experimental results of electronic chassis of Ximeng converter station
SLD光源互感器型号光功率变化率/%出厂波长/nm中心波长/nm波长漂移/nm3 dB谱宽/nm光谱纹波/dB蓝302C-76.35%1 315.90 1 310.64 -5.26 32.29 0.17红2A35NXCT-1326-95.08%1 313.10 1 318.76 5.66 32.61 0.05绿0A25-99.72%1 314.00 1 311.25 -2.75 33.10 0.12蓝2F5E-81.96%1 310.10 1 312.28 2.18 32.82 0.03红171FNXCT-1606-12.28%1 316.10 1 320.15 4.05 29.21 0.05绿1A2B23.24%1 312.10 1 311.77 -0.33 32.84 0.01
由表1知，互感器NXCT-1796中的红010、绿382、蓝009和NXCT-1869中的蓝036的输出光功率均出现严重衰减，对应的光功率变化率分别为-33.63%、-72.75%、-19.73%和-54.70%。由表2知，互感器NXCT-1326中的蓝302C、红2A35、绿0A25和NXCT-1606中的蓝2F5E的输出光功率均出现严重衰减，对应的光功率变化率分别为-76.35%、-95.08%、-99.72%和-81.96%。
找寻出光功率严重衰减的SLD光源后，对其PI特性进行分析。
3.2 SLD的PI特性曲线测试
进行实验方案中的第二步，得到不同SLD的PI特性曲线，由图10可知，在古泉换流站被测试的3台电子机箱中，9只SLD源对应的电子机箱输出光信号的PI特性曲线较为分散，即光源在相同的驱动电流下，输出光功率一致性较差，NXCT-1796中的绿382和NXCT-1869中的蓝036输出光功率严重降低。由图11知，对锡盟换流站试品，在测试的2台电子机箱中，6只SLD光源的PI特性曲线较为分散，即光源在相同的驱动电流下，输出光功率一致性较差。NXCT-1326中蓝302C、红2A35和NXCT-1606中的蓝2F5E的输出光功率严重降低，尤其是NXCT-1326中的绿0A25几乎无光输出。
图10 古泉换流站SLD光源PI特性测试结果
Fig.10 PI characteristics test results of SLD light source at Guquan converter station
图11 锡盟换流站SLD光源PI特性测试结果
Fig.11 PI characteristics test results of SLD light source at Ximeng converter station
3.3 管芯区光功率测试
在找寻出输出光功率较差的电子机箱后，对SLD光源进一步拆解，直接测试光源管芯端的光功率输出。由于拆解SLD光源后不能进行管芯温度控制，因而在不加温控的条件下分别测试SLD光源的尾纤光功率和管芯光功率。由于环境温度不变，且测试所用时间较短，温度对测试结果的影响较小。最终得到的数据如表3、表4所示，其中光路损耗公式为
表3 古泉换流站SLD光源拆解测试结果
Table 3 Disassembly test results of SLD light source at Guquan converter station
SLD光源互感器型号输出光功率/μW光源光功率/μW光路损耗/dB尾纤光功率/μW管芯光功率/μW耦合效率/%NXCT-1796红010绿382蓝009 195.88 489.13 3.975101800 28.33 68.44 185.20 4.322081510 13.77 216.06 546.33 4.035702000 28.50蓝036 NXCT-1869 63.99 152.93 3.781841500 12.27
表4 锡盟换流站SLD光源拆解测试结果
Table 4 Disassembly test results of SLD light source at Ximeng converter station
SLD光源互感器型号输出光功率/μW光源光功率/μW光路损耗/dB尾纤光功率/μW管芯光功率/μW耦合效率/%蓝302C NXCT-1326 35.80 89.12 3.96 84.606 304.19 27.81红2A3512.35 33.48 4.33 35.613 1 930.00 1.85绿0A250.692.06 4.74 2.39 1 702.00 0.14蓝2F5E NXCT-1606 38.57 89.56 3.66 283.37 2 018.00 14.04红171F200.96 863.15 6.33 876.86 2 714.00 32.31绿1A2B219.15 888.74 6.08 878.97 2 939.00 29.91
式中：输出光功率为Pout图3①点测试结果；光源光功率Psource为图3②点测试结果。由表3可计算出古泉换流站电子机箱光路损耗约为4 dB，且4个测试对象基本保持一致，都在4 dB±0.5 dB的范围内，说明光路损耗正常。而表4的NXCT-1326的绿0A25与NXCT-1606的红171F与绿1A2B的光路损耗不正常。
尾纤光功率为图4③点，管芯光功率为图4④点测试结果，管芯光功率直接反映了SLD管芯区输出的能量，可以观察到管芯区的老化程度，而耦合效率是用尾纤光功率除以管芯光功率所得，反映了管芯与尾纤之间的耦合是否良好，此类SLD光源的耦合效率正常值一般在30%左右。
由表1知，古泉换流站试品2只SLD光源红010和蓝009整体相较于出厂光功率降低了33.63%和19.73%，但是其耦合效率达到28%，属于正常水平，而管芯光功率分别只有1800 μW和2000 μW，分析光源的输出光功率衰减主要是由于管芯性能衰减引起的。锡盟换流站试品SLD光源蓝302C整体相较于出厂光功率降低了76.35%，耦合效率为27.81%，接近30%，但是管芯光功率只有304 μW，所以此SLD光源存在管芯性能衰减问题。这3只SLD光源的耦合效率基本达到了正常值水平，输出光功率的低水平主要是由于管芯退化造成的。
3.4 虚焊现象分析
在SLD光源拆解过程中，锡盟换流站试品NXCT-1606存在虚焊现象（图12），因此对该试品重新焊接，并对焊接前后数据进行比较，如图13所示，数据表明虚焊对SLD的电气特性和发光效率有决定性影响，在重新焊接后，相同的驱动电流下，输出光功率得到了明显提升。
图12 锡盟换流站SLD转接板虚焊端子
Fig.12 SLD adapter board virtual soldering terminal at Ximeng converter station
图13 虚焊SLD光源PI特性测试
Fig.13 Test results of PI characteristics of virtual soldering SLD light source
结合上述测试数据综合分析，SLD光源蓝2F5E引脚与电路板之间的焊点存在虚焊造成测试数据差异。进一步地，对电子机箱的输出光功率进行测试，此时的输出光功率为111.60 μW，而虚焊时的输出光功率为89.56 μW，光路损耗为4.05 dB。由引脚与电路板的焊点虚焊造成的光功率变化可以表示为
式中：Pn是正常无虚焊时的光功率；Pvs为虚焊情况下的光功率。因而，由引脚与电路板的焊点虚焊造成的光功率变化为19.75%。由耦合效率降低引起的光功率变化可表示为
式中：Pfe为尾纤光功率；Ptc为管芯光功率。由耦合效率降至14.04%引起的光功率变化为53.2%。SLD光源蓝2F5E对应的电子机箱的输出光功率衰减为81.96%，仍大于前述两种因素造成光功率衰减之和72.95%，所以该SLD光源还存在管芯性能衰减问题，由管芯退化引起的光功率变化可以表示为
所以，此SLD光源管芯退化引起的光功率变化为-9.01%。
4 实验结果分析
SLD光源性能衰减故障原因如表5所示。对光功率衰减严重的几只SLD进行故障原因分析，可以看到在古泉换流站与锡盟换流站的9只光功率衰减严重的SLD中，通过上述公式的计算得出各种原因引起的输出光功率变化，存在管芯有源头区老化的SLD有5只，耦合效率低的SLD有5只，引脚焊接失效的SLD有1只，老炼不充分引起的失效有1只，可见SLD光源管芯区的退化是输出光功率下降的重要因素。同时，其他的故障主要是由耦合不良，可靠性实验不充分导致的光源过早失效等造成。同时，SLD光源输出光功率的衰减很多情况下是多因素的，可能同时存在管芯区老化、耦合效率低、焊接退化失效及其他故障。
表5 SLD性能衰减故障原因
Table 5 Reasons for SLD performance degradation fault
注： ①管芯有源区老化；②耦合失效；③引脚焊接失效；④SLD光源老炼不充分
试品来源SLD光源互感器型号故障原因红010①绿382①②蓝009①蓝036NXCT-1869②NXCT-1796古泉换流站蓝302C ①红2A35②绿0A25②蓝2F5E NXCT-1606 NXCT-1326锡盟换流站①②③绿1A2B④
5 结论
本文通过对FOCT系统中的SLD光源进行一系列测试，分析了管芯退化与管脚虚焊造成SLD光源输出光功率衰减的机理，找寻到了输出光功率下降严重的SLD光源。而后进行了拆解测试，得到了尾纤光功率与管芯光功率，分别得到了由各种故障原因造成的光功率变化公式，并统计了9只衰减严重的SLD光源的故障原因。
实验发现，SLD输出光功率下降主要是由管芯退化与耦合效率过低造成，同时还存在着引脚焊接失效、老炼不充分等因素，并且这些故障是可以同时存在于1只SLD光源。本实验未发现电极焊接失效、耦合光纤失效、温控失效等问题，这些不是电子机箱中SLD光源失效的主要原因。
随着电子机箱运行时间的增加，SLD光源管芯区的老化是不可避免的，一方面，在电子机箱的组装过程中，应当提高SLD光源的筛选标准，重视光源质量，不断优化可靠性试验，降低SLD光源过早失效造成的损失和风险；另一方面，应当在实际工程中对SLD光源的输出光功率进行实时监控，定期维护避免由于SLD光源失效引起不必要损失。
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基金项目
国家电网有限公司科技项目（5108-202218280A-2-407-XG）。
作者简介
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刘占元
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牛晓晨
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陈硕
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赵磊
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赵祎
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夏历