光纤在继电保护中的应用

2004-01-01

摘要：介绍了光纤的基本结构、基本工作原理和特点，以及电力光纤网络的现状，分析了电力光纤网络和电力光缆的发展方向。重点剖析了目前在电力光纤网络中光纤保护的几种基本方式和主要特点，讨论了光纤保护在实际应用中可能遇到的问题及其解决办法。

关键词：光纤；电力光缆；光纤保护

光纤作为继电保护的通道介质具有不怕超高压与雷电电磁干扰、对电场绝缘、频带宽和衰耗低等优点，随着电力光纤网络的逐步完善，光纤保护也将在继电保护领域中得到更为广泛的应用。本文的研究重点是光纤保护的现状与实际应用中存在的问题，同时还对光纤的工作原理和电力光纤网络的现状进行普及性介绍。

1光纤的基本工作原理

1.1光纤的结构与分类

光纤为光导纤维的简称，由直径大约0.1 mm的细玻璃丝构成。继电保护所用光纤为通信光纤，是由纤芯和包层两部分组成的，如图1所示。纤芯区域完成光信号的传输；包层则是将光封闭在纤芯内，并保护纤芯，增加光纤的机械强度。

按光在光纤中的传输模式，光纤可分为单模光纤和多模光纤。多模光纤(multi modefiber)的中心玻璃芯较粗(芯径为50 μm或62.5 μm)，可传多种模式的光，但其模间色散较大，限制了传输数字信号的频率，而且随着距离的增加，其限制效果更加明显。单模光纤(single mode fiber)的中心玻璃芯很细(芯径一般为9 μm或10 μm)，只能传一种模式的光，因此，其模间色散很小，适用于远程传输，但仍存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的带宽和稳定性有较高的要求，带宽要窄，稳定性要好。

1.2继电保护用光纤的特点

继电保护用光纤对衰耗值要求较高，不同波长的光信号衰耗值不同，表1对单模光纤和多模光纤在3个波长区域的传输特性进行了比较。

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由表1可以看出，单模光纤的传输衰耗最小，波长1.31 μm处是光纤的一个低损耗窗口。所以现在继电保护用光纤均使用单模光纤，使用1.3 μm的波长段。2电力光纤网络和电力光缆

2.1电力光纤网络现状及展望

光纤网络的传输性能、稳定性及其自适应的保护恢复能力对光纤继电保护工作的可靠性起到关键作用。目前，在电力网络通信领域中广泛使用的是以电时分复用为基本工作原理的SDH/SONET同步数字体系，它具有强大的保护恢复能力和固定的时延性能。但由于采用电时分复用来提高传输容量的方法有一定的局限性，使其在电力网络这种呈现高速扩容及复杂拓扑结构的网络中渐渐难以满足组网的要求，因此从目前的电复用方式转向光复用方式将是电力光纤网络的必然发展方向。光复用方式有光时分复用、波分复用(WDM)和频分复用等方式，其中波分复用技术已逐渐进入大规模商用阶段。由于采用电时分复用系统的扩容潜力已尽，而光纤的200 mm可用带宽资源仅仅利用了不到1%，如果同时在一根光纤上传送多个发送波长适当错开的光源信号，则可以大大增加光纤的信息传输容量，这就是WDM的基本思路。采用WDM系统的主要好处是充分利用光纤的巨大带宽资源，使传输容量可以迅速扩大几倍甚至上百倍，在大容量长途运输时可以节约大量光纤和再生器，大大降低传输成本。WDM技术在电力光纤网络上具有相当大的发展潜力，可以节省电力光纤网长距离传输的成本，提高电力光纤网络传输的可靠性。因此，随着WDM技术的逐渐成熟和演化，WDM技术将在电力保护光纤网络上得到广泛的使用。

2.2电力网络用光缆

目前电力光纤网络使用的光缆主要有三种：普通非金属光缆、自承式(ADSS)光缆和架空地线复合(OPGW)光缆。

通过表2的对比可以发现，OPGW光缆虽然造价较高，但在高电压等级及同杆双回和多回线路使用时占线路综合造价比例较低，并可以兼作继电保护通道。以1条220 kV线路为例，采用光纤保护与采用高频保护的价格相当，但高频保护在线路两侧还需要增设阻波器、耦合电容器和结合滤波器等设备，OPGW光缆则显得更为经济，而且还具有可靠性高、维护费用低的优点。随着光缆综合价格的下降，OPGW光缆在电力光纤网络中将得到广泛的应用。

3光纤保护的基本方式及其特点

光纤保护目前已在国内部分地区得到较为广泛的使用，对已投入运行的光纤保护，按原理划分主要有光纤电流差动保护和光纤闭锁式、允许式纵联保护两种。

3.1光纤电流差动保护

光纤电流差动保护是在电流差动保护的基础上演化而来的，基本保护原理也是基于克希霍夫基本电流定律，它能够理想地使保护实现单元化，原理简单，不受运行方式变化的影响，而且由于两侧的保护装置没有电联系，提高了运行的可靠性。目前电流差动保护在电力系统的主变压器、线路和母线上大量使用，其灵敏度高、动作简单可靠快速、能适应电力系统震荡、非全相运行等优点是其他保护形式所无法比拟的。光纤电流差动保护在继承了电流差动保护的这些优点的同时，以其可靠稳定的光纤传输通道保证了传送电流的幅值和相位正确可靠地传送到对侧。时间同步和误码校验问题是光纤电流差动保护面临的主要技术问题。在复用通道的光纤保护上，保护与复用装置时间同步的问题对于光纤电流差动保护的正确运行起到关键的作用，因此目前光纤差动电流保护都采用主从方式，以保证时钟的同步；由于目前光纤均采用64 Kbit数字通道，电流差动保护通道中既要传送电流的幅值，又要传送时间同步信号，通道资源紧张，要求数据的误码校验位不能过长，这样就影响了误码校验的精度。目前部分厂家推出的2 Mbit数字接口的光纤电流差动保护能很好地解决误码校验精度的问题。

3.2光纤闭锁式、允许式纵联保护

光纤闭锁式、允许式纵联保护是在目前高频闭锁式、允许式纵联保护的基础上演化而来，以稳定可靠的光纤通道代替高频通道从而提高保护动作的可靠性。光纤闭锁保护的鉴频信号能很好地对光纤保护通道起到监视作用，这比目前高频闭锁保护需要值班人员定时交换信号以鉴定通道正常可靠与否灵敏了许多，提高了闭锁式保护的动作可靠性。此外由于光纤闭锁式、允许式纵联保护在原理上与目前大量运行的高频保护类似，在完成光纤通道的敷设后只需更换光收发讯机即可接入目前使用的高频保护上，因此具有改造方便的特点。与光纤电流纵差保护比较，光纤闭锁式、允许式纵联保护不受负荷电流的影响，不受线路分布电容电流的影响，不受两端TA特性是否一致的影响。

广州地区电网超高压线路具有负荷较重、部分线路较长等特点，使差动保护灵敏度不足、分布电容电流大，限制了光纤分相电流差动保护的使用，因此光纤闭锁式、允许式纵联保护在广州地区电网逐渐得到了较广泛的应用。如光纤网络能有效解决双重化的问题，光纤闭锁式、允许式纵联保护就将逐步代替高频保护，在超高压电网中得到广泛应用。

3.3广州电网光纤保护的应用情况

20世纪90年代中期，光纤保护就在广州电网开始投入使用，目前已投入运行的光纤保护有近15套，从早期单纯的短距离光纤纵差保护演变到近两年开始逐渐占主导地位的光纤允许式保护，从运行情况看令人满意，动作可靠性高，缺陷次数少。在满足条件的中、长距离线路上，光纤允许式、闭锁式纵联保护在广州电网将得到更为广泛的应用。

4光纤保护实际应用中存在的问题

4.1施工工艺问题

光纤保护是超高压线路的主保护，通道的安全可靠对电力系统的安全、稳定运行起到重要的作用。由于光缆传输需要经过转接端子箱、光缆机、电缆层和高压线路等连接环节(见图2所示)，并且光纤的施工工艺复杂、施工质量要求高，因此如果在保护装置投入运行前的施工、测试中存在误差，则会导致保护装置的误动作，进而影响全网的安全稳定运行。综合各地由于施工工艺不良造成光纤保护退出运行的案例，需注意杜绝以下两类问题的出现：

a) 断点的熔接质量不高，往往使断点附近的光纤纤芯受到应力的作用，导致光纤的衰耗指标不稳定，影响光纤保护的正常运行。

b) 光纤活接头积灰造成通道衰耗增加，进而引起保护装置通道告警，造成光纤保护退出运行。

4.2通道双重化问题

光纤保护用于220 kV及以上电网时，按照220 kV及以上线路主保护双重化原则的要求，纵联保护的信号通道也要求双重化，高频保护由于是在不同的相别上耦合，因此能满足双通道的要求，如果使用2套光纤保护作为线路的主保护，通道双重化的问题则一直限制着光纤保护的大规模推广应用。

同一光缆的不同纤芯能否构成通道的双重化需要根据光缆的型式来确定。对于普通光缆和ADSS光缆，由于其可靠性较差，同一光缆内的光芯不同不能视为通道双重化，只能通过光缆的双重化达到通道双重化的要求。对于OPGW光缆，由于其具有较高的可靠性，在目前光纤网络未能形成环网的现状下，同一光缆纤芯不同可视为通道双重化；当形成了光纤网络环网后，OPGW光缆也应实现两条路由的双重化，能在一条光缆损坏后通过另一个路由正常运行。随着波分复用技术的逐步应用和光纤容量的大幅增加，光纤保护将来还要实现在同一根光缆里的多重化、在传输波长上的多重化，以及在传输路由上的多重化，从而最大限度地提高光纤保护运行的可靠性。

4.3光纤保护管理界面的划分问题

随着保护与通信衔接的日益紧密，继电保护专业与通信专业管理界面日益难以区分，如不从制度上解决这一问题将直接影响到光纤保护的可靠运行。对于独立纤芯的保护，通信专业与继电保护专业管理的分界点在通信机房的光纤配线架上。配线架以上包括保护装置的那段尾纤，属于继电保护专业维护，这就要求继电保护专业人员具备一定的光纤校验维护技能；配线架以下，一直到对侧变电站通信机房的配线架，均属通信专业管理维护，通信专业在配线架上工作要开第二种工作票，如果影响到保护用纤芯的可靠性，要通知继保管理人员，由继保管理人员决定是否将光纤保护退出运行。对于使用复用通道的保护，通信专业与保护专业管理的分界点在通信机房脉冲编码调制(PCM)的数字电接口上。接口以上包括数字接口装置、机房到保护装置的光纤均属继电保护专业管理维护；PCM设备属通信专业管理维护，在PCM设备上进行工作需要开第二种工作票，如果影响到保护用接口的可靠性，要通知继保人员决定是否将光纤保护退出运行。

4.4光纤保护在旁路代路上的问题

线路光纤保护在旁路代路时不方便操作，由于光纤活接头不能随便拔插，每次拔插都需要重新作衰耗测试，而且经常性拔插也容易造成活接头的损坏，因此不宜使用拔插活接头的办法实现光纤通道的切换。在我国部分省、市的电网中并没有单独的旁路保护，旁路代路时是切换交流回路，因此不存在通道切换问题，但在广州地区有独立的旁路保护，对于光纤闭锁式、允许式纵联保护暂时可以采用切换二次回路的方式，但对于光纤差动电流保护则无法代路，目前都是采取旁路保护单独增设一套光纤差动保护的方法解决。已有部分厂家在谋求解决光纤保护切换问题的办法，如使用光开关来实现光纤通道切换。

5结束语

尽管目前光纤保护在长距离和超高压输电线路上的应用还有一定的局限性，在施工和管理应用上仍存在不足，但是从长远看，随着光纤网络的逐步完善、施工工艺和保护产品技术的不断提高，光纤保护将占据线路保护的主导地位。

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