超輻射發光二極管（SLD）光源在光纖電流互感器（FOCT）運行過程中大多有光功率衰減現象，這對FOCT的使用壽命有較大影響。國網寧夏電力有限公司超高壓公司、中國電力科學研究院有限公司武漢分院的耿祥瑞、劉舒楊、柴斌、陳昱卓、黃俊昌在2024年第12期《電氣技術》上撰文，為分析SLD光源性能衰減故障，對5組試品開展性能試驗，通過試驗分析SLD光源耦合結構，測試SLD光源中管芯與尾纖的耦合性能，并分析SLD光源性能衰減的原因。結果表明，管芯與光纖耦合失效和疊加引腳焊接失效是引起光源衰減的主要原因。

隨著基于新能源的新型電力系統的建設和大量電力電子設備的應用，未來電力系統的電壓、電流信號將呈現寬帶特性。光纖電流互感器（fiber optical current transformer, FOCT）具有絕緣性能好、測量頻帶寬、動態范圍大等優點，已成為傳統電流互感器的理想替代品。

然而，FOCT在運行過程中存在許多問題。其中，光源故障次數占FOCT總故障次數的63%。超輻射發光二極管（super luminescent diode, SLD）具有輸出功率高、相干性低、光譜寬等優點，已成為FOCT的理想光源。但就目前的SLD技術水平而言，在長期運行過程中，SLD的功率衰減仍然不可避免。根據應用于電網的FOCT統計數據，在500多個統計樣本中，90%以上的樣本存在光功率衰減現象。兩年后，這些樣品的平均光功率衰減達到20%~30%，部分樣品的光功率衰減超過50%，嚴重影響FOCT的使用壽命。相關研究表明，SLD輸出光功率對FOCT的測量誤差影響很大。因此，有必要對SLD光源衰減故障進行研究。

為分析SLD光源性能衰減故障，針對2個不同換流站的4組1代電子機箱，以及1組全新電子機箱，共5組試品開展性能試驗。其中，2組電子機箱來自古泉換流站，型號為NXCT—1796和NXCT—1869，于2019年投運，2021年10月退役；2組電子機箱來自錫盟換流站，型號為NXCT—1606和NXCT—1326，于2017年投運，2018年和2019年分別退役；1組為廠家提供的全新未使用機箱，型號為NXCT—1620，作為對比參照組。試驗所用機箱均為某品牌電子機箱。

本文的試驗目的是分析SLD光源耦合結構，測試SLD光源中管芯與尾纖的耦合性能，分析SLD光源性能衰減的原因。

1 SLD光源理論分析

1.1 光路結構與光源分析

電子機箱光路結構如圖1所示，由SLD光源、隔離器、光纖耦合器、E2000/APC接頭組成[12-13]。圖1中，測量點①為電子機箱輸出光功率測量點，直接測量E2000/APC接頭處輸出光功率；測量點②為光源光功率測量點，需拆解光路進行測量。

圖1 電子機箱光路結構

SLD光源內部結構如圖2所示，可分為光源管芯和耦合光纖，其中SLD光源管芯光功率需通過透鏡耦合至尾纖輸出，測量點③為尾纖光功率測量點，測量點④為管芯光功率測量點。

圖2 SLD光源內部結構

1.2 SLD光源拆解

1代電子機箱中使用的光源為光發射次模塊（transmitter optical subassembly, TOSA）封裝的SLD光源，TOSA封裝實物如圖3所示，其通過3只光源整體封裝為帶恒溫控制的SLD組件，統一進行溫度控制。

圖3 TOSA封裝實物

古泉換流站SLD拆解過程如圖4所示，錫盟換流站SLD拆解過程如圖5所示。2個換流站的SLD光源驅動信號線封裝不同，古泉換流站產品使用電纜焊接直驅方式，錫盟換流站產品使用軟排線加電路板方式。

圖4 古泉換流站SLD拆解過程

圖5 錫盟換流站SLD拆解過程

1.3 管芯和光纖耦合效率

在SLD光源中，耦合光纖經過打磨工藝處理，通過機械支架或低溫玻璃膠固定方式耦合至管芯出光處。由于管芯與尾纖之間為亞微米量級的對準，在長期高/低溫工作環境下，各方向的應力對耦合光纖產生交替作用，管芯與尾纖之間的耦合偏移將導致光源光功率逐漸減小直至失效。另外，耦合光纖的質量或操作不慎也會造成光纖失效。

耦合光纖近似為單模光纖（single mode fiber, SMF），單模光纖內的光能量分布采用高斯場近似，誤差在1%內，所以采用高斯光束模場分布來分析計算和比較各種耦合方式的耦合效率。SLD-SMF模場耦合原理如圖6所示。

圖6 SLD-SMF模場耦合原理

式（1）-（2）

2 功率衰減測試方法

2.1 試驗流程

SLD光源分析過程如下：

1）通過測量圖1測量點①處的輸出光功率、中心波長、3dB譜寬和光譜紋波，并結合電子機箱的出廠光功率和出廠波長，對比分析得出光功率嚴重衰減的故障電子機箱。

2）通過測量圖1測量點②處的光源光功率，并結合測量點①處輸出光功率，對出現嚴重光功率衰減的電子機箱的光路損耗進行分析，得出光路中隔離器、光纖耦合器和E2000/APC接頭等光學器件及光纖熔點的性能衰減情況。

3）通過測量圖2測量點④處的管芯光功率，并結合圖2測量點③處的尾纖光功率，對SLD光源的耦合效率和光源管芯的性能衰減情況進行分析，得出SLD光源光功率衰減原因，并探究其故障作用機理。

2.2 SLD光源參數測試方法

通常選擇光功率、中心波長和光譜寬度等性能參數表征SLD光源性能，因此設計以下試驗：SLD光源光功率測試，SLD光源光譜參數測試，SLD光源功率-電流、電壓-電流（PIV）特性測試。

按照圖7所示光源參數測試示意圖搭建測試裝置，分別將電子機箱的SLD光源輸出連接至光功率計的輸入口和光譜分析儀的輸入口，基于互感器可提供的最大驅動電流，通過光功率計測量SLD光源的光功率，通過光譜分析儀測量SLD光源的光譜參數。對于SLD光源的PIV特性，采用外接SLD光源驅動儀調節SLD光源的驅動電流，并通過數字萬用表、光功率計測量SLD光源在不同驅動電流時的工作電壓和輸出光功率。

圖7 光源參數測試示意圖

與實際測試光源參數進行對比的出廠數據可直接從上位機軟件中讀取，然后通過式（3）進行計算。

式（3）

3 SLD光源測試結果

3.1 電子機箱試驗結果

古泉換流站電子機箱及全新電子機箱的試驗結果見表1，錫盟換流站電子機箱的試驗結果見表2。其中：出廠光功率、出廠波長為電子機箱內部存儲數據；輸出光功率、中心波長、3dB譜寬、光譜紋波為圖1測量點①的測試結果；光功率變化率、波 長漂移由出廠數據與測試數據計算獲得，表征從設備出廠到現場投運2年時間內的性能變化量。

表1 古泉換流站電子機箱及全新電子機箱試驗結果

表2 錫盟換流站電子機箱試驗結果

在測試的5臺互感器中，以通道光功率衰減20%作為參考依據。

由表1可知，互感器NXCT—1796中的紅010、綠382、藍009和NXCT—1869中的藍036的輸出光功率均出現嚴重衰減，對應的光功率變化率分別為-33.63%、-72.75%、-19.73%和-54.70%。

由表2可知，互感器NXCT—1326中的藍302C、紅2A35、綠0A25和NXCT—1606中的藍2F5E的輸出光功率均出現嚴重衰減，對應的光功率變化率分別為-76.35%、-95.08%、-99.72%和-81.96%。

其中，NXCT—1869中的藍036出廠光功率較低，為141.25 m W，NXCT—1326中的藍302C出廠光功率較低，為151.36mW，雖然滿足出廠合格判定要求，但現場使用后表現為故障，說明須提高合格判定標準，為光源性能衰減預留一定裕度。

特別地，NXCT—1606中的綠1A2B出廠光功率為177.83 m W，滿足出廠合格判定要求，且經過長時間運行后，輸出光功率增加23.24%，理論上延長了互感器的使用壽命，但仍屬于光功率異常故障。造成上述故障的主要原因是SLD光源在封裝制作過程中未能進行充分老煉。

建立中心波長漂移與互感器測量誤差的關系模型如式（4）所示。

式（4）

3.2 SLD光源拆解測試

對光功率嚴重衰減的電子機箱，進行SLD光源拆解前后光源光功率測試，得到的古泉換流站SLD光源拆解測試結果見表3，錫盟換流站SLD光源拆解測試結果見表4。其中，輸出光功率為圖1測量點①的測試結果，光源光功率為圖1測量點②的測試結果，通過比較二者的值，可計算出光路損耗約為4dB，且4個測試對象基本保持一致，說明光路損耗正常。尾纖光功率為圖2測量點③的測試結果，管芯光功率為圖2測量點④的測試結果。

表3 古泉換流站SLD光源拆解測試結果

表4 錫盟換流站SLD光源拆解測試結果

通過比較輸出光功率和光源光功率，可計算出光路損耗約為4dB，對于NXCT—1326中的SLD光源藍302C、紅2A35和NXCT—1606中的藍2F5E的光路損耗在(4±0.5)dB的范圍內，說明對應光路損耗正常。

SLD光源綠0A25的光路損耗達到4.74dB，已超過光路損耗的正常波動范圍，但是由于實測光功率較低，易引入較大測量誤差；之后將該光路與SLD光源藍302C熔接，測量光路損耗為4.26dB，說明對應光路損耗正常。

對于光路損耗較大的NXCT—1606中的紅171F和綠1A2B，通過對兩個光路進行排查，發現在圖1中隔離器和光纖耦合器之間的熔接點保護套管一側均存在剝除涂覆層后的裸光纖現象，如圖8所示；經過重新熔接后SLD光源紅171F和綠1A2B的光路損耗分別降至4.32dB和4.17dB，說明存在光路缺陷。該處缺陷造成的光路損耗一直存在，但尚未對SLD光源光功率性能造成嚴重后果。

圖8 電子機箱光路中的封裝缺陷

4 SLD光源測試結果分析

由于拆解SLD光源后不能進行管芯溫度控制，因而在不加溫控的條件下分別測試SLD光源的尾纖光功率和管芯光功率。對比分析可知，2只SLD光源紅171F和綠1A2B耦合效率約為30%，與此類型SLD光源的一般耦合效率30%接近，因此可視為正常值。

4.1 耦合失效故障

由表3、表4可直接看出，古泉換流站試品2只SLD光源綠382和藍036耦合效率約為13%，錫盟換流站3只SLD光源紅2A35、綠0A25和藍2F5E的耦合效率分別為1.85%、0.14%和14.04%，明顯低于30%的要求，導致電子機箱輸出光功率嚴重降低，所以以上5只SLD光源存在耦合失效。

由表2可知，SLD光源紅2A35對應的電子機箱在現場顯示的輸出光功率衰減為95.08%。在后續的拆解測試中，測量SLD光源的耦合效率降至1.85%，即輸出光功率衰減為98.15%，與現場顯示的輸出光功率衰減相近。為了避免尾纖影響，通過反向測試SLD光源尾纖的插入損耗，結果為0.12dB，說明尾纖對衰減影響較小，主要是拆解過程中的人為因素導致輸出光功率衰減增加了3.07%。綜上所述，造成該SLD光源光功率衰減的主要因素是管芯和尾纖的耦合偏移。

同樣地，由表2可知，SLD光源綠0A25對應的電子機箱在現場顯示的輸出光功率衰減為99.72%，在后續的拆解測試中，測量SLD光源的耦合效率降至0.14%，即輸出光功率衰減為99.86%，與現場顯示的輸出光功率衰減相近。反向測試SLD光源尾纖的插入損耗為0.32dB，尾纖對損耗的影響較小。因此，該SLD光源光功率衰減的主要原因也是管芯與尾纖耦合偏移。

4.2 疊加引腳焊接失效影響

從表4可以看到，SLD光源藍2F5E對應的尾纖光功率為283.370 m W，在電子機箱中的光源光功率實測僅為89.56 m W，二者存在明顯差異。

測試光源光功率時，按照圖9所示SLD光源測試示意圖進行。不改變SLD光源封裝狀態，在SLD光源與電子機箱的接線中串聯接入6位半數字萬用表，并記錄SLD光源正常工作時的驅動電流。

圖9 SLD光源測試

測試尾纖光功率時，SLD光源已從焊接電路板拆解，光源驅動儀與SLD光源的引腳直接連接。通過重新焊接SLD光源引腳與電路板，復測SLD光源的光源光功率分別為282.441 m W，292.259 m W，286.104 m W，與尾纖光功率基本保持一致。復測SLD光源試驗如圖10所示。

圖10 復測SLD光源試驗

式（5）

5 結論

為研究FOCT系統中光源衰減的原因，本文對SLD光源進行了一系列測試，并對衰減嚴重的SLD光源進行拆解測試，研究了管芯與光纖耦合結構對光源衰減的影響，分析了由此導致的光源衰減對FOCT系統造成的測量誤差。

1）試驗的4臺機箱中SLD性能衰減的主要原因是管芯性能衰減和管芯與尾纖耦合偏移，未發現電極焊接失效、耦合光纖失效、溫控失效等問題。光纖耦合偏移是光電元件長期存在的問題，需要不斷提升工藝水平和優化光路設計。

2）試驗過程中發現互感器的封裝過程粗糙，光纖熔接后的熔點保護存在操作失誤，造成光路損耗增大。SLD光源焊接存在虛焊問題，也是SLD光源功率衰減的原因之一。因此，加強品控能在一定程度上減少光功率衰減問題。

3）測試過程中發現有1只SLD光源出現光功率回升現象，試驗測試光功率大于出廠光功率，說明器件可能存在未充分老煉的情況，這也是導致光功率不穩定的一個原因，因此在光源器件的出廠階段應按照流程嚴格進行出廠試驗。

本工作成果發表在2024年第12期《電氣技術》，論文標題為“光纖電流互感器超輻射發光二極管光源衰減故障分析”。本課題得到國網寧夏電力有限公司科技項目的支持。

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