張少凡
廣東省廣電集團(tuán)有限公司 廣州供電分公司
廣東 廣州 510620
摘 要：介紹了光纖的基本結(jié)構(gòu)、基本工作原理和特點(diǎn)，以及電力光纖網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，分析了電力光纖網(wǎng)絡(luò)和電力光纜的發(fā)展方向。重點(diǎn)剖析了目前在電力光纖網(wǎng)絡(luò)中光纖保護(hù)的幾種基本方式和主要特點(diǎn)，討論了光纖保護(hù)在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的問(wèn)題及其解決辦法。
關(guān)鍵詞：光纖；電力光纜；光纖保護(hù)
光纖作為繼電保護(hù)的通道介質(zhì)具有不怕超高壓與雷電電磁干擾、對(duì)電場(chǎng)絕緣、頻帶寬和衰耗低等優(yōu)點(diǎn)，隨著電力光纖網(wǎng)絡(luò)的逐步完善，光纖保護(hù)也將在繼電保護(hù)領(lǐng)域中得到更為廣泛的應(yīng)用。本文的研究重點(diǎn)是光纖保護(hù)的現(xiàn)狀與實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，同時(shí)還對(duì)光纖的工作原理和電力光纖網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀進(jìn)行普及性介紹。
1光纖的基本工作原理
1.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類
光纖為光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，由直徑大約0.1 mm的細(xì)玻璃絲構(gòu)成。繼電保護(hù)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(qū)域完成光信號(hào)的傳輸；包層則是將光封閉在纖芯內(nèi)，并保護(hù)纖芯，增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度。
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(shù)字信號(hào)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(xì)(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(yuǎn)程傳輸，但仍存在著材料色散和波導(dǎo)色散，這樣單模光纖對(duì)光源的帶寬和穩(wěn)定性有較高的要求，帶寬要窄，穩(wěn)定性要好。
1.2繼電保護(hù)用光纖的特點(diǎn)
繼電保護(hù)用光纖對(duì)衰耗值要求較高，不同波長(zhǎng)的光信號(hào)衰耗值不同，表1對(duì)單模光纖和多模光纖在3個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域的傳輸特性進(jìn)行了比較。
單模光纖的傳輸衰耗最小，波長(zhǎng)1.31 μm處是光纖的一個(gè)低損耗窗口。所以現(xiàn)在繼電保護(hù)用光纖均使用單模光纖，使用1.3 μm的波長(zhǎng)段。2電力光纖網(wǎng)絡(luò)和電力光纜
2.1電力光纖網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及展望
光纖網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能、穩(wěn)定性及其自適應(yīng)的保護(hù)恢復(fù)能力對(duì)光纖繼電保護(hù)工作的可靠性起到關(guān)鍵作用。目前，在電力網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域中廣泛使用的是以電時(shí)分復(fù)用為基本工作原理的SDH/SONET同步數(shù)字體系，它具有強(qiáng)大的保護(hù)恢復(fù)能力和固定的時(shí)延性能。但由于采用電時(shí)分復(fù)用來(lái)提高傳輸容量的方法有一定的局限性，使其在電力網(wǎng)絡(luò)這種呈現(xiàn)高速擴(kuò)容及復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中漸漸難以滿足組網(wǎng)的要求，因此從目前的電復(fù)用方式轉(zhuǎn)向光復(fù)用方式將是電力光纖網(wǎng)絡(luò)的必然發(fā)展方向。光復(fù)用方式有光時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用(WDM)和頻分復(fù)用等方式，其中波分復(fù)用技術(shù)已逐漸進(jìn)入大規(guī)模商用階段。由于采用電時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的擴(kuò)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(shí)在一根光纖上傳送多個(gè)發(fā)送波長(zhǎng)適當(dāng)錯(cuò)開的光源信號(hào)，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(tǒng)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(kuò)大幾倍甚至上百倍，在大容量長(zhǎng)途運(yùn)輸時(shí)可以節(jié)約大量光纖和再生器，大大降低傳輸成本。WDM技術(shù)在電力光纖網(wǎng)絡(luò)上具有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿Γ梢怨?jié)省電力光纖網(wǎng)長(zhǎng)距離傳輸?shù)某杀荆岣唠娏饫w網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃浴Ｒ虼耍S著WDM技術(shù)的逐漸成熟和演化，WDM技術(shù)將在電力保護(hù)光纖網(wǎng)絡(luò)上得到廣泛的使用。
2.2電力網(wǎng)絡(luò)用光纜
目前電力光纖網(wǎng)絡(luò)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(fù)合(OPGW)光纜。
通過(guò)表2的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，OPGW光纜雖然造價(jià)較高，但在高電壓等級(jí)及同桿雙回和多回線路使用時(shí)占線路綜合造價(jià)比例較低，并可以兼作繼電保護(hù)通道。以1條220 kV線路為例，采用光纖保護(hù)與采用高頻保護(hù)的價(jià)格相當(dāng)，但高頻保護(hù)在線路兩側(cè)還需要增設(shè)阻波器、耦合電容器和結(jié)合濾波器等設(shè)備，OPGW光纜則顯得更為經(jīng)濟(jì)，而且還具有可靠性高、維護(hù)費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。隨著光纜綜合價(jià)格的下降，OPGW光纜在電力光纖網(wǎng)絡(luò)中將得到廣泛的應(yīng)用。
3光纖保護(hù)的基本方式及其特點(diǎn)
光纖保護(hù)目前已在國(guó)內(nèi)部分地區(qū)得到較為廣泛的使用，對(duì)已投入運(yùn)行的光纖保護(hù)，按原理劃分主要有光纖電流差動(dòng)保護(hù)和光纖閉鎖式、允許式縱聯(lián)保護(hù)兩種。
3.1光纖電流差動(dòng)保護(hù)
光纖電流差動(dòng)保護(hù)是在電流差動(dòng)保護(hù)的基礎(chǔ)上演化而來(lái)的，基本保護(hù)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(hù)實(shí)現(xiàn)單元化，原理簡(jiǎn)單，不受運(yùn)行方式變化的影響，而且由于兩側(cè)的保護(hù)裝置沒有電聯(lián)系，提高了運(yùn)行的可靠性。目前電流差動(dòng)保護(hù)在電力系統(tǒng)的主變壓器、線路和母線上大量使用，其靈敏度高、動(dòng)作簡(jiǎn)單可靠快速、能適應(yīng)電力系統(tǒng)震蕩、非全相運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)是其他保護(hù)形式所無(wú)法比擬的。光纖電流差動(dòng)保護(hù)在繼承了電流差動(dòng)保護(hù)的這些優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，以其可靠穩(wěn)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(duì)側(cè)。時(shí)間同步和誤碼校驗(yàn)問(wèn)題是光纖電流差動(dòng)保護(hù)面臨的主要技術(shù)問(wèn)題。在復(fù)用通道的光纖保護(hù)上，保護(hù)與復(fù)用裝置時(shí)間同步的問(wèn)題對(duì)于光纖電流差動(dòng)保護(hù)的正確運(yùn)行起到關(guān)鍵的作用，因此目前光纖差動(dòng)電流保護(hù)都采用主從方式，以保證時(shí)鐘的同步；由于目前光纖均采用64 Kbit數(shù)字通道，電流差動(dòng)保護(hù)通道中既要傳送電流的幅值，又要傳送時(shí)間同步信號(hào)，通道資源緊張，要求數(shù)據(jù)的誤碼校驗(yàn)位不能過(guò)長(zhǎng)，這樣就影響了誤碼校驗(yàn)的精度。目前部分廠家推出的2 Mbit數(shù)字接口的光纖電流差動(dòng)保護(hù)能很好地解決誤碼校驗(yàn)精度的問(wèn)題。
3.2光纖閉鎖式、允許式縱聯(lián)保護(hù)
光纖閉鎖式、允許式縱聯(lián)保護(hù)是在目前高頻閉鎖式、允許式縱聯(lián)保護(hù)的基礎(chǔ)上演化而來(lái)，以穩(wěn)定可靠的光纖通道代替高頻通道從而提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性。光纖閉鎖保護(hù)的鑒頻信號(hào)能很好地對(duì)光纖保護(hù)通道起到監(jiān)視作用，這比目前高頻閉鎖保護(hù)需要值班人員定時(shí)交換信號(hào)以鑒定通道正常可靠與否靈敏了許多，提高了閉鎖式保護(hù)的動(dòng)作可靠性。此外由于光纖閉鎖式、允許式縱聯(lián)保護(hù)在原理上與目前大量運(yùn)行的高頻保護(hù)類似，在完成光纖通道的敷設(shè)后只需更換光收發(fā)訊機(jī)即可接入目前使用的高頻保護(hù)上，因此具有改造方便的特點(diǎn)。與光纖電流縱差保護(hù)比較，光纖閉鎖式、允許式縱聯(lián)保護(hù)不受負(fù)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(qū)電網(wǎng)超高壓線路具有負(fù)荷較重、部分線路較長(zhǎng)等特點(diǎn)，使差動(dòng)保護(hù)靈敏度不足、分布電容電流大，限制了光纖分相電流差動(dòng)保護(hù)的使用，因此光纖閉鎖式、允許式縱聯(lián)保護(hù)在廣州地區(qū)電網(wǎng)逐漸得到了較廣泛的應(yīng)用。如光纖網(wǎng)絡(luò)能有效解決雙重化的問(wèn)題，光纖閉鎖式、允許式縱聯(lián)保護(hù)就將逐步代替高頻保護(hù)，在超高壓電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。
3.3廣州電網(wǎng)光纖保護(hù)的應(yīng)用情況
20世紀(jì)90年代中期，光纖保護(hù)就在廣州電網(wǎng)開始投入使用，目前已投入運(yùn)行的光纖保護(hù)有近15套，從早期單純的短距離光纖縱差保護(hù)演變到近兩年開始逐漸占主導(dǎo)地位的光纖允許式保護(hù)，從運(yùn)行情況看令人滿意，動(dòng)作可靠性高，缺陷次數(shù)少。在滿足條件的中、長(zhǎng)距離線路上，光纖允許式、閉鎖式縱聯(lián)保護(hù)在廣州電網(wǎng)將得到更為廣泛的應(yīng)用。
4光纖保護(hù)實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題
4.1施工工藝問(wèn)題
光纖保護(hù)是超高壓線路的主保護(hù)，通道的安全可靠對(duì)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行起到重要的作用。由于光纜傳輸需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)接端子箱、光纜機(jī)、電纜層和高壓線路等連接環(huán)節(jié)(見圖2所示)，并且光纖的施工工藝復(fù)雜、施工質(zhì)量要求高，因此如果在保護(hù)裝置投入運(yùn)行前的施工、測(cè)試中存在誤差，則會(huì)導(dǎo)致保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，進(jìn)而影響全網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。綜合各地由于施工工藝不良造成光纖保護(hù)退出運(yùn)行的案例，需注意杜絕以下兩類問(wèn)題的出現(xiàn)：
a) 斷點(diǎn)的熔接質(zhì)量不高，往往使斷點(diǎn)附近的光纖纖芯受到應(yīng)力的作用，導(dǎo)致光纖的衰耗指標(biāo)不穩(wěn)定，影響光纖保護(hù)的正常運(yùn)行。
b) 光纖活接頭積灰造成通道衰耗增加，進(jìn)而引起保護(hù)裝置通道告警，造成光纖保護(hù)退出運(yùn)行。
4.2通道雙重化問(wèn)題
光纖保護(hù)用于220 kV及以上電網(wǎng)時(shí)，按照220 kV及以上線路主保護(hù)雙重化原則的要求，縱聯(lián)保護(hù)的信號(hào)通道也要求雙重化，高頻保護(hù)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(hù)作為線路的主保護(hù)，通道雙重化的問(wèn)題則一直限制著光纖保護(hù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。
同一光纜的不同纖芯能否構(gòu)成通道的雙重化需要根據(jù)光纜的型式來(lái)確定。對(duì)于普通光纜和ADSS光纜，由于其可靠性較差，同一光纜內(nèi)的光芯不同不能視為通道雙重化，只能通過(guò)光纜的雙重化達(dá)到通道雙重化的要求。對(duì)于OPGW光纜，由于其具有較高的可靠性，在目前光纖網(wǎng)絡(luò)未能形成環(huán)網(wǎng)的現(xiàn)狀下，同一光纜纖芯不同可視為通道雙重化；當(dāng)形成了光纖網(wǎng)絡(luò)環(huán)網(wǎng)后，OPGW光纜也應(yīng)實(shí)現(xiàn)兩條路由的雙重化，能在一條光纜損壞后通過(guò)另一個(gè)路由正常運(yùn)行。隨著波分復(fù)用技術(shù)的逐步應(yīng)用和光纖容量的大幅增加，光纖保護(hù)將來(lái)還要實(shí)現(xiàn)在同一根光纜里的多重化、在傳輸波長(zhǎng)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(hù)運(yùn)行的可靠性。
4.3光纖保護(hù)管理界面的劃分問(wèn)題
隨著保護(hù)與通信銜接的日益緊密，繼電保護(hù)專業(yè)與通信專業(yè)管理界面日益難以區(qū)分，如不從制度上解決這一問(wèn)題將直接影響到光纖保護(hù)的可靠運(yùn)行。對(duì)于獨(dú)立纖芯的保護(hù)，通信專業(yè)與繼電保護(hù)專業(yè)管理的分界點(diǎn)在通信機(jī)房的光纖配線架上。配線架以上包括保護(hù)裝置的那段尾纖，屬于繼電保護(hù)專業(yè)維護(hù)，這就要求繼電保護(hù)專業(yè)人員具備一定的光纖校驗(yàn)維護(hù)技能；配線架以下，一直到對(duì)側(cè)變電站通信機(jī)房的配線架，均屬通信專業(yè)管理維護(hù)，通信專業(yè)在配線架上工作要開第二種工作票，如果影響到保護(hù)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(hù)退出運(yùn)行。對(duì)于使用復(fù)用通道的保護(hù)，通信專業(yè)與保護(hù)專業(yè)管理的分界點(diǎn)在通信機(jī)房脈沖編碼調(diào)制(PCM)的數(shù)字電接口上。接口以上包括數(shù)字接口裝置、機(jī)房到保護(hù)裝置的光纖均屬繼電保護(hù)專業(yè)管理維護(hù)；PCM設(shè)備屬通信專業(yè)管理維護(hù)，在PCM設(shè)備上進(jìn)行工作需要開第二種工作票，如果影響到保護(hù)用接口的可靠性，要通知繼保人員決定是否將光纖保護(hù)退出運(yùn)行。
4.4光纖保護(hù)在旁路代路上的問(wèn)題
線路光纖保護(hù)在旁路代路時(shí)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(cè)試，而且經(jīng)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(shí)現(xiàn)光纖通道的切換。在我國(guó)部分省、市的電網(wǎng)中并沒有單獨(dú)的旁路保護(hù)，旁路代路時(shí)是切換交流回路，因此不存在通道切換問(wèn)題，但在廣州地區(qū)有獨(dú)立的旁路保護(hù)，對(duì)于光纖閉鎖式、允許式縱聯(lián)保護(hù)暫時(shí)可以采用切換二次回路的方式，但對(duì)于光纖差動(dòng)電流保護(hù)則無(wú)法代路，目前都是采取旁路保護(hù)單獨(dú)增設(shè)一套光纖差動(dòng)保護(hù)的方法解決。已有部分廠家在謀求解決光纖保護(hù)切換問(wèn)題的辦法，如使用光開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖通道切換。
5結(jié)束語(yǔ)
盡管目前光纖保護(hù)在長(zhǎng)距離和超高壓輸電線路上的應(yīng)用還有一定的局限性，在施工和管理應(yīng)用上仍存在不足，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，隨著光纖網(wǎng)絡(luò)的逐步完善、施工工藝和保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)的不斷提高，光纖保護(hù)將占據(jù)線路保護(hù)的主導(dǎo)地位。
