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電力技術

光纖在繼電保護中的應用

時間：2021-06-15

摘要：介紹了光纖的基本結構、基本工作原理和特點，以及電力光纖網絡的現狀，分析了電力光纖網絡和電力光纜的發展方向。重點剖析了目前在電力光纖網絡中光纖保護的幾種基本方式和主要特點，討論了光纖保護在實際應用中可能遇到的問題及其解決辦法。

    關鍵詞：光纖；電力光纜；光纖保護
       光纖作為繼電保護的通道介質具有不怕超高壓與雷電電磁干擾、對電場絕緣、頻帶寬和衰耗低等優點，隨著電力光纖網絡的逐步完善，光纖保護也將在繼電保護領域中得到更為廣泛的應用。本文的研究重點是光纖保護的現狀與實際應用中存在的問題，同時還對光纖的工作原理和電力光纖網絡的現狀進行普及性介紹。
1光纖的基本工作原理
1.1光纖的結構與分類    光纖為光導纖維的簡稱，由直徑大約0.1 mm的細玻璃絲構成。繼電保護所用光纖為通信光纖，是由纖芯和包層兩部分組成的，如圖1所示。纖芯區域完成光信號的傳輸；包層則是將光封閉在纖芯內，并保護纖芯，增加光纖的機械強度。
    中試控股電力講解按光在光纖中的傳輸模式，光纖可分為單模光纖和多模光纖。多模光纖(multi modefiber)的中心玻璃芯較粗(芯徑為50 μm或62.5 μm)，可傳多種模式的光，但其模間色散較大，限制了傳輸數字信號的頻率，而且隨著距離的增加，其限制效果更加明顯。單模光纖(single mode fiber)的中心玻璃芯很細(芯徑一般為9 μm或10 μm)，只能傳一種模式的光，因此，其模間色散很小，適用于遠程傳輸，但仍存在著材料色散和波導色散，這樣單模光纖對光源的帶寬和穩定性有較高的要求，帶寬要窄，穩定性要好。
1.2繼電保護用光纖的特點    繼電保護用光纖對衰耗值要求較高，不同波長的光信號衰耗值不同，表1對單模光纖和多模光纖在3個波長區域的傳輸特性進行了比較。
由表1可以看出，單模光纖的傳輸衰耗最小，波長1.31 μm處是光纖的一個低損耗窗口。所以現在繼電保護用光纖均使用單模光纖，使用1.3 μm的波長段。2電力光纖網絡和電力光纜
2.1電力光纖網絡現狀及展望    光纖網絡的傳輸性能、穩定性及其自適應的保護恢復能力對光纖繼電保護工作的可靠性起到關鍵作用。中試控股電力講解目前，在電力網絡通信領域中廣泛使用的是以電時分復用為基本工作原理的SDH/SONET同步數字體系，它具有強大的保護恢復能力和固定的時延性能。但由于采用電時分復用來提高傳輸容量的方法有一定的局限性，使其在電力網絡這種呈現高速擴容及復雜拓撲結構的網絡中漸漸難以滿足組網的要求，因此從目前的電復用方式轉向光復用方式將是電力光纖網絡的必然發展方向。光復用方式有光時分復用、波分復用(WDM)和頻分復用等方式，其中波分復用技術已逐漸進入大規模商用階段。由于采用電時分復用系統的擴容潛力已盡，而光纖的200 mm可用帶寬資源僅僅利用了不到1%，如果同時在一根光纖上傳送多個發送波長適當錯開的光源信號，則可以大大增加光纖的信息傳輸容量，這就是WDM的基本思路。采用WDM系統的主要好處是充分利用光纖的巨大帶寬資源，使傳輸容量可以迅速擴大幾倍甚至上百倍，在大容量長途運輸時可以節約大量光纖和再生器，大大降低傳輸成本。WDM技術在電力光纖網絡上具有相當大的發展潛力，可以節省電力光纖網長距離傳輸的成本，提高電力光纖網絡傳輸的可靠性。因此，隨著WDM技術的逐漸成熟和演化，WDM技術將在電力保護光纖網絡上得到廣泛的使用。
2.2電力網絡用光纜
目前電力光纖網絡使用的光纜主要有三種：普通非金屬光纜、自承式(ADSS)光纜和架空地線復合(OPGW)光纜。

通過表2的對比可以發現，OPGW光纜雖然造價較高，但在高電壓等級及同桿雙回和多回線路使用時占線路綜合造價比例較低，并可以兼作繼電保護通道。以1條220 kV線路為例，采用光纖保護與采用高頻保護的價格相當，但高頻保護在線路兩側還需要增設阻波器、耦合電容器和結合濾波器等設備，OPGW光纜則顯得更為經濟，而且還具有可靠性高、維護費用低的優點。隨著光纜綜合價格的下降，OPGW光纜在電力光纖網絡中將得到廣泛的應用。

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3光纖保護的基本方式及其特點
光纖保護目前已在國內部分地區得到較為廣泛的使用，對已投入運行的光纖保護，按原理劃分主要有光纖電流差動保護和光纖閉鎖式、允許式縱聯保護兩種。
3.1光纖電流差動保護
光纖電流差動保護是在電流差動保護的基礎上演化而來的，基本保護原理也是基于克希霍夫基本電流定律，它能夠理想地使保護實現單元化，原理簡單，不受運行方式變化的影響，而且由于兩側的保護裝置沒有電聯系，提高了運行的可靠性。目前電流差動保護在電力系統的主變壓器、線路和母線上大量使用，其靈敏度高、動作簡單可靠快速、能適應電力系統震蕩、非全相運行等優點是其他保護形式所無法比擬的。光纖電流差動保護在繼承了電流差動保護的這些優點的同時，以其可靠穩定的光纖傳輸通道保證了傳送電流的幅值和相位正確可靠地傳送到對側。時間同步和誤碼校驗問題是光纖電流差動保護面臨的主要技術問題。在復用通道的光纖保護上，保護與復用裝置時間同步的問題對于光纖電流差動保護的正確運行起到關鍵的作用，因此目前光纖差動電流保護都采用主從方式，以保證時鐘的同步；中試控股電力講解由于目前光纖均采用64 Kbit數字通道，電流差動保護通道中既要傳送電流的幅值，又要傳送時間同步信號，通道資源緊張，要求數據的誤碼校驗位不能過長，這樣就影響了誤碼校驗的精度。目前部分廠家推出的2 Mbit數字接口的光纖電流差動保護能很好地解決誤碼校驗精度的問題。
3.2光纖閉鎖式、允許式縱聯保護
光纖閉鎖式、允許式縱聯保護是在目前高頻閉鎖式、允許式縱聯保護的基礎上演化而來，以穩定可靠的光纖通道代替高頻通道從而提高保護動作的可靠性。光纖閉鎖保護的鑒頻信號能很好地對光纖保護通道起到監視作用，這比目前高頻閉鎖保護需要值班人員定時交換信號以鑒定通道正常可靠與否靈敏了許多，提高了閉鎖式保護的動作可靠性。此外由于光纖閉鎖式、允許式縱聯保護在原理上與目前大量運行的高頻保護類似，在完成光纖通道的敷設后只需更換光收發訊機即可接入目前使用的高頻保護上，因此具有改造方便的特點。與光纖電流縱差保護比較，光纖閉鎖式、允許式縱聯保護不受負荷電流的影響，不受線路分布電容電流的影響，不受兩端TA特性是否一致的影響。
    廣州地區電網超高壓線路具有負荷較重、部分線路較長等特點，使差動保護靈敏度不足、分布電容電流大，限制了光纖分相電流差動保護的使用，因此光纖閉鎖式、允許式縱聯保護在廣州地區電網逐漸得到了較廣泛的應用。如光纖網絡能有效解決雙重化的問題，光纖閉鎖式、允許式縱聯保護就將逐步代替高頻保護，在超高壓電網中得到廣泛應用。
3.3廣州電網光纖保護的應用情況
20世紀90年代中期，光纖保護就在廣州電網開始投入使用，目前已投入運行的光纖保護有近15套，從早期單純的短距離光纖縱差保護演變到近兩年開始逐漸占主導地位的光纖允許式保護，從運行情況看令人滿意，動作可靠性高，缺陷次數少。在滿足條件的中、長距離線路上，光纖允許式、閉鎖式縱聯保護在廣州電網將得到更為廣泛的應用。
4光纖保護實際應用中存在的問題
4.1施工工藝問題
光纖保護是超高壓線路的主保護，通道的安全可靠對電力系統的安全、穩定運行起到重要的作用。由于光纜傳輸需要經過轉接端子箱、光纜機、電纜層和高壓線路等連接環節(見圖2所示)，并且光纖的施工工藝復雜、施工質量要求高，因此如果在保護裝置投入運行前的施工、測試中存在誤差，則會導致保護裝置的誤動作，進而影響全網的安全穩定運行。綜合各地由于施工工藝不良造成光纖保護退出運行的案例，需注意杜絕以下兩類問題的出現：
    a) 斷點的熔接質量不高，往往使斷點附近的光纖纖芯受到應力的作用，導致光纖的衰耗指標不穩定，影響光纖保護的正常運行。
    b) 光纖活接頭積灰造成通道衰耗增加，進而引起保護裝置通道告警，造成光纖保護退出運行。

4.2通道雙重化問題
     光纖保護用于220 kV及以上電網時，按照220 kV及以上線路主保護雙重化原則的要求，縱聯保護的信號通道也要求雙重化，高頻保護由于是在不同的相別上耦合，因此能滿足雙通道的要求，如果使用2套光纖保護作為線路的主保護，通道雙重化的問題則一直限制著光纖保護的大規模推廣應用。
    同一光纜的不同纖芯能否構成通道的雙重化需要根據光纜的型式來確定。對于普通光纜和ADSS光纜，由于其可靠性較差，同一光纜內的光芯不同不能視為通道雙重化，只能通過光纜的雙重化達到通道雙重化的要求。對于OPGW光纜，由于其具有較高的可靠性，在目前光纖網絡未能形成環網的現狀下，同一光纜纖芯不同可視為通道雙重化；當形成了光纖網絡環網后，OPGW光纜也應實現兩條路由的雙重化，能在一條光纜損壞后通過另一個路由正常運行。隨著波分復用技術的逐步應用和光纖容量的大幅增加，光纖保護將來還要實現在同一根光纜里的多重化、在傳輸波長上的多重化，以及在傳輸路由上的多重化，從而最大限度地提高光纖保護運行的可靠性。
4.3光纖保護管理界面的劃分問題
      隨著保護與通信銜接的日益緊密，繼電保護專業與通信專業管理界面日益難以區分，如不從制度上解決這一問題將直接影響到光纖保護的可靠運行。對于獨立纖芯的保護，通信專業與繼電保護專業管理的分界點在通信機房的光纖配線架上。配線架以上包括保護裝置的那段尾纖，屬于繼電保護專業維護，這就要求繼電保護專業人員具備一定的光纖校驗維護技能；配線架以下，一直到對側變電站通信機房的配線架，均屬通信專業管理維護，通信專業在配線架上工作要開第二種工作票，如果影響到保護用纖芯的可靠性，要通知繼保管理人員，由繼保管理人員決定是否將光纖保護退出運行。對于使用復用通道的保護，通信專業與保護專業管理的分界點在通信機房脈沖編碼調制(PCM)的數字電接口上。接口以上包括數字接口裝置、機房到保護裝置的光纖均屬繼電保護專業管理維護；PCM設備屬通信專業管理維護，在PCM設備上進行工作需要開第二種工作票，如果影響到保護用接口的可靠性，要通知繼保人員決定是否將光纖保護退出運行。
4.4光纖保護在旁路代路上的問題
     線路光纖保護在旁路代路時不方便操作，由于光纖活接頭不能隨便拔插，每次拔插都需要重新作衰耗測試，而且經常性拔插也容易造成活接頭的損壞，因此不宜使用拔插活接頭的辦法實現光纖通道的切換。在我國部分省、市的電網中并沒有單獨的旁路保護，旁路代路時是切換交流回路，因此不存在通道切換問題，但在廣州地區有獨立的旁路保護，對于光纖閉鎖式、允許式縱聯保護暫時可以采用切換二次回路的方式，但對于光纖差動電流保護則無法代路，目前都是采取旁路保護單獨增設一套光纖差動保護的方法解決。已有部分廠家在謀求解決光纖保護切換問題的辦法，如使用光開關來實現光纖通道切換。
5結束語    盡管目前光纖保護在長距離和超高壓輸電線路上的應用還有一定的局限性，在施工和管理應用上仍存在不足，但是從長遠看，隨著光纖網絡的逐步完善、施工工藝和保護產品技術的不斷提高，光纖保護將占據線路保護的主導地位。