光纤电流互感器的超辐射发光二极管光源为啥衰减？关键因素在这！

摘要：超辐射发光二极管（SLD）光源在光纤电流互感器（FOCT）运行过程中大多有光功率衰减现象，这对FOCT的使用寿命有较大影响。国网宁夏电力有限公司超高压公司、中国电力科学研究院有限公司武汉分院的耿祥瑞、刘舒杨、柴斌、陈昱卓、黄俊昌在2024年第12期《电气技术》

超辐射发光二极管（SLD）光源在光纤电流互感器（FOCT）运行过程中大多有光功率衰减现象，这对FOCT的使用寿命有较大影响。国网宁夏电力有限公司超高压公司、中国电力科学研究院有限公司武汉分院的耿祥瑞、刘舒杨、柴斌、陈昱卓、黄俊昌在2024年第12期《电气技术》上撰文，为分析SLD光源性能衰减故障，对5组试品开展性能试验，通过试验分析SLD光源耦合结构，测试SLD光源中管芯与尾纤的耦合性能，并分析SLD光源性能衰减的原因。结果表明，管芯与光纤耦合失效和叠加引脚焊接失效是引起光源衰减的主要原因。

随着基于新能源的新型电力系统的建设和大量电力电子设备的应用，未来电力系统的电压、电流信号将呈现宽带特性。光纤电流互感器（fiber optical current transformer, FOCT）具有绝缘性能好、测量频带宽、动态范围大等优点，已成为传统电流互感器的理想替代品。

然而，FOCT在运行过程中存在许多问题。其中，光源故障次数占FOCT总故障次数的63%。超辐射发光二极管（super luminescent diode, SLD）具有输出功率高、相干性低、光谱宽等优点，已成为FOCT的理想光源。但就目前的SLD技术水平而言，在长期运行过程中，SLD的功率衰减仍然不可避免。根据应用于电网的FOCT统计数据，在500多个统计样本中，90%以上的样本存在光功率衰减现象。两年后，这些样品的平均光功率衰减达到20%~30%，部分样品的光功率衰减超过50%，严重影响FOCT的使用寿命。相关研究表明，SLD输出光功率对FOCT的测量误差影响很大。因此，有必要对SLD光源衰减故障进行研究。

为分析SLD光源性能衰减故障，针对2个不同换流站的4组1代电子机箱，以及1组全新电子机箱，共5组试品开展性能试验。其中，2组电子机箱来自古泉换流站，型号为NXCT—1796和NXCT—1869，于2019年投运，2021年10月退役；2组电子机箱来自锡盟换流站，型号为NXCT—1606和NXCT—1326，于2017年投运，2018年和2019年分别退役；1组为厂家提供的全新未使用机箱，型号为NXCT—1620，作为对比参照组。试验所用机箱均为某品牌电子机箱。

本文的试验目的是分析SLD光源耦合结构，测试SLD光源中管芯与尾纤的耦合性能，分析SLD光源性能衰减的原因。

1 SLD光源理论分析

1.1 光路结构与光源分析

电子机箱光路结构如图1所示，由SLD光源、隔离器、光纤耦合器、E2000/APC接头组成[12-13]。图1中，测量点①为电子机箱输出光功率测量点，直接测量E2000/APC接头处输出光功率；测量点②为光源光功率测量点，需拆解光路进行测量。

图1 电子机箱光路结构

SLD光源内部结构如图2所示，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为尾纤光功率测量点，测量点④为管芯光功率测量点。

图2 SLD光源内部结构

1.2 SLD光源拆解

1代电子机箱中使用的光源为光发射次模块（transmitter optical subassembly, TOSA）封装的SLD光源，TOSA封装实物如图3所示，其通过3只光源整体封装为带恒温控制的SLD组件，统一进行温度控制。

图3 TOSA封装实物

古泉换流站SLD拆解过程如图4所示，锡盟换流站SLD拆解过程如图5所示。2个换流站的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4 古泉换流站SLD拆解过程

图5 锡盟换流站SLD拆解过程

1.3 管芯和光纤耦合效率

在SLD光源中，耦合光纤经过打磨工艺处理，通过机械支架或低温玻璃胶固定方式耦合至管芯出光处。由于管芯与尾纤之间为亚微米量级的对准，在长期高/低温工作环境下，各方向的应力对耦合光纤产生交替作用，管芯与尾纤之间的耦合偏移将导致光源光功率逐渐减小直至失效。另外，耦合光纤的质量或操作不慎也会造成光纤失效。

耦合光纤近似为单模光纤（single mode fiber, SMF），单模光纤内的光能量分布采用高斯场近似，误差在1%内，所以采用高斯光束模场分布来分析计算和比较各种耦合方式的耦合效率。SLD-SMF模场耦合原理如图6所示。

图6 SLD-SMF模场耦合原理

式（1）-（2）

2 功率衰减测试方法

2.1 试验流程

SLD光源分析过程如下：

1）通过测量图1测量点①处的输出光功率、中心波长、3dB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，对比分析得出光功率严重衰减的故障电子机箱。

2）通过测量图1测量点②处的光源光功率，并结合测量点①处输出光功率，对出现严重光功率衰减的电子机箱的光路损耗进行分析，得出光路中隔离器、光纤耦合器和E2000/APC接头等光学器件及光纤熔点的性能衰减情况。

3）通过测量图2测量点④处的管芯光功率，并结合图2测量点③处的尾纤光功率，对SLD光源的耦合效率和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，并探究其故障作用机理。

2.2 SLD光源参数测试方法

通常选择光功率、中心波长和光谱宽度等性能参数表征SLD光源性能，因此设计以下试验：SLD光源光功率测试，SLD光源光谱参数测试，SLD光源功率-电流、电压-电流（PIV）特性测试。

按照图7所示光源参数测试示意图搭建测试装置，分别将电子机箱的SLD光源输出连接至光功率计的输入口和光谱分析仪的输入口，基于互感器可提供的最大驱动电流，通过光功率计测量SLD光源的光功率，通过光谱分析仪测量SLD光源的光谱参数。对于SLD光源的PIV特性，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。

图7 光源参数测试示意图

与实际测试光源参数进行对比的出厂数据可直接从上位机软件中读取，然后通过式（3）进行计算。

式（3）

3 SLD光源测试结果

3.1 电子机箱试验结果

古泉换流站电子机箱及全新电子机箱的试验结果见表1，锡盟换流站电子机箱的试验结果见表2。其中：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、3dB谱宽、光谱纹波为图1测量点①的测试结果；光功率变化率、波长漂移由出厂数据与测试数据计算获得，表征从设备出厂到现场投运2年时间内的性能变化量。

表1 古泉换流站电子机箱及全新电子机箱试验结果

表2 锡盟换流站电子机箱试验结果

在测试的5台互感器中，以通道光功率衰减20%作为参考依据。

由表1可知，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可知，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%。

其中，NXCT—1869中的蓝036出厂光功率较低，为141.25mW，NXCT—1326中的蓝302C出厂光功率较低，为151.36mW，虽然满足出厂合格判定要求，但现场使用后表现为故障，说明须提高合格判定标准，为光源性能衰减预留一定裕度。

特别地，NXCT—1606中的绿1A2B出厂光功率为177.83mW，满足出厂合格判定要求，且经过长时间运行后，输出光功率增加23.24%，理论上延长了互感器的使用寿命，但仍属于光功率异常故障。造成上述故障的主要原因是SLD光源在封装制作过程中未能进行充分老炼。

建立中心波长漂移与互感器测量误差的关系模型如式（4）所示。

式（4）

3.2 SLD光源拆解测试

对光功率严重衰减的电子机箱，进行SLD光源拆解前后光源光功率测试，得到的古泉换流站SLD光源拆解测试结果见表3，锡盟换流站SLD光源拆解测试结果见表4。其中，输出光功率为图1测量点①的测试结果，光源光功率为图1测量点②的测试结果，通过比较二者的值，可计算出光路损耗约为4dB，且4个测试对象基本保持一致，说明光路损耗正常。尾纤光功率为图2测量点③的测试结果，管芯光功率为图2测量点④的测试结果。

表3 古泉换流站SLD光源拆解测试结果

表4 锡盟换流站SLD光源拆解测试结果

通过比较输出光功率和光源光功率，可计算出光路损耗约为4dB，对于NXCT—1326中的SLD光源蓝302C、红2A35和NXCT—1606中的蓝2F5E的光路损耗在(4±0.5)dB的范围内，说明对应光路损耗正常。

SLD光源绿0A25的光路损耗达到4.74dB，已超过光路损耗的正常波动范围，但是由于实测光功率较低，易引入较大测量误差；之后将该光路与SLD光源蓝302C熔接，测量光路损耗为4.26dB，说明对应光路损耗正常。

对于光路损耗较大的NXCT—1606中的红171F和绿1A2B，通过对两个光路进行排查，发现在图1中隔离器和光纤耦合器之间的熔接点保护套管一侧均存在剥除涂覆层后的裸光纤现象，如图8所示；经过重新熔接后SLD光源红171F和绿1A2B的光路损耗分别降至4.32dB和4.17dB，说明存在光路缺陷。该处缺陷造成的光路损耗一直存在，但尚未对SLD光源光功率性能造成严重后果。

图8 电子机箱光路中的封装缺陷

4 SLD光源测试结果分析

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。对比分析可知，2只SLD光源红171F和绿1A2B耦合效率约为30%，与此类型SLD光源的一般耦合效率30%接近，因此可视为正常值。

4.1 耦合失效故障

由表3、表4可直接看出，古泉换流站试品2只SLD光源绿382和蓝036耦合效率约为13%，锡盟换流站3只SLD光源红2A35、绿0A25和蓝2F5E的耦合效率分别为1.85%、0.14%和14.04%，明显低于30%的要求，导致电子机箱输出光功率严重降低，所以以上5只SLD光源存在耦合失效。

由表2可知，SLD光源红2A35对应的电子机箱在现场显示的输出光功率衰减为95.08%。在后续的拆解测试中，测量SLD光源的耦合效率降至1.85%，即输出光功率衰减为98.15%，与现场显示的输出光功率衰减相近。为了避免尾纤影响，通过反向测试SLD光源尾纤的插入损耗，结果为0.12dB，说明尾纤对衰减影响较小，主要是拆解过程中的人为因素导致输出光功率衰减增加了3.07%。综上所述，造成该SLD光源光功率衰减的主要因素是管芯和尾纤的耦合偏移。

同样地，由表2可知，SLD光源绿0A25对应的电子机箱在现场显示的输出光功率衰减为99.72%，在后续的拆解测试中，测量SLD光源的耦合效率降至0.14%，即输出光功率衰减为99.86%，与现场显示的输出光功率衰减相近。反向测试SLD光源尾纤的插入损耗为0.32dB，尾纤对损耗的影响较小。因此，该SLD光源光功率衰减的主要原因也是管芯与尾纤耦合偏移。

4.2 叠加引脚焊接失效影响

从表4可以看到，SLD光源蓝2F5E对应的尾纤光功率为283.370mW，在电子机箱中的光源光功率实测仅为89.56mW，二者存在明显差异。

测试光源光功率时，按照图9所示SLD光源测试示意图进行。不改变SLD光源封装状态，在SLD光源与电子机箱的接线中串联接入6位半数字万用表，并记录SLD光源正常工作时的驱动电流。