电力光纤在继电保护中的应用

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、传输容量大、频带宽、衰耗低和资源丰富等优点，随着电力光纤网络的逐步完善，光纤保护必将在继电保护领域得到更为广泛的应用。

1 光纤的工作原理

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：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，如图1所示。

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。多模光纤的中心玻璃芯较粗，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。单模光纤的中心玻璃芯很细，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，单模光纤的传输衰耗值最小，波长1.31 μm处是光纤的一个低损耗窗口，所以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

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，这就是波分复用的基本思路。采用波分复用系统的主要好处是，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，在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器，大大降低传输成本。波分复用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，随着波分复用技术的逐渐成熟和演化，波分复用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、自承式光缆和架空地线复合光缆。可以发现，架空地线复合光缆虽然造价较高，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，架空地线复合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，架空地线复合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。

差动保护的优点：

原理简单，基于基尔霍夫定律；具有天然的选相功能，同杆双回线跨线故障；弱电源，保护自动投入，自适应系统运行方式；不受振荡影响，任何故障快速动作；不受TV断线影响，优于方向保护；耐受过渡电阻能力强；不受功率倒向影响；适应于串补线路；适用于短线路。