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浅析光纤保护的构造原理及在丹江电厂的实际应用
作者:李军伟  刘朝锋    文章来源:本站原创    点击数:4752    更新时间:2006-8-17

李军伟  刘朝锋

 

随着科学技术,日新月异的发展,光纤通讯技术在电网中的利用越来越广,尤其近几年光纤技术与继电保护装置的结合,构成电力系统输电线路的主保护越来越普及。

 

1  光纤的构造原理特性

 

1.1光纤的构造

作为通讯通道的光纤,其构造如图1-1所示,它由纤芯、包层、涂覆层和套塑四部分组成。纤芯在中心,是由高折射率的高纯度二氧化硅材料组成,主要用于传送光信号;包层是掺有杂质的二氧化硅组成,其光的折射率要比纤芯的折射率低,作用是使光信号能在纤芯中产生全反射传输,涂覆层及套塑主要是加强光纤的机械强度。

 

1-1    光纤结构                  1-2    光缆结构

 

光纤在实际工程应用中,都要制作成光缆,一般的光缆有多根纤芯绞制而成的。光纤成缆时,要求有足够的机械强度,在缆中用多股钢丝来充任加固件;有时还在光缆中绞制一对或多对铜线,用作电信号传送或电源线之用,见图1-2所示。其光缆的纤芯数量可根据实际工程要求而绞制。

一般在电网中采用光缆有以下几种方式:埋地式:缠绕式——将光缆缠线在高压输电导线上;悬挂式——并行悬挂在高压输电导线上;复合地线式光缆(OPGW)——外层为金属保护层作为高压输电线的绝缘地线,内层是绞制的光纤。

1.2光纤传输原理

光信号在光纤中传输是依据光学的全反射原理,如图1-3所示,当光波电光密介质(nl)斜入射向光疏介质(n2nl>n2),并且其光线的入射角θc大于全反射临界角θo时(),其光线将不会进入n2介质,而在nl介质中产生全反射现象。光波信号在光纤中的传输就是按这种全反射试实现传播的,如图1-4所示。

 

1-3  全反射现象

 

 

1-4  光在光纤内的传播

射入光纤的光,不是任何角度的光都能在光纤中产生全反射传播,而每种光纤的纤芯及外层的折射率都不一样,这一差值使光纤具备这样一个重要特性,并可以来衡量光纤的接收光能力或聚光能力。这一特性参数是光纤的数值孔径(NA)。

 

其中

θа是光波由空气进入纤芯,能在光纤内实现反射传播的与轴线的最大夹角。式中的Δ称为相对折射率差,由上式可见,光纤的数值孔径NA与其相对折射率差Δ有关;Δ值越大,数值孔径NA也越大,表明光纤捕捉光线(聚光)能力越强。从光源与光纤的耦合观点来看,NA值越大越好,但NA值太大,会使光纤的色散增加或传输带宽降低。CCITT规定NA取值范围0.150.24,我国一般NA=0.2±0.02

1.3光纤类型及谱特性

按照光纤中光信号传输模式的多少,光纤可分为多模光纤(MM)及单模光纤(SM)。

光纤中的传输模式是多个时,称为多模光纤,常见的多模光纤纤芯直径为50μm,包层直径为125μm,表示为50/125μm;根据纤芯剖面介质的分布为阶段型多模光纤(SIMM)和渐变型多模光纤(GIMM)。

光纤中只能传播一个模式的光纤,称为单模光纤,要实现单模传输,要求其纤芯直径很小,通常为9/125μm,一般单模光纤芯折射率属阶跃型的(SMSI)。

对于继电保护所用的光纤,所要考虑的最重要的特性是光纤的衰耗值,而光纤的衷耗值不但与光纤的类型有关,而且还与通过的光信号波长有关,一般的光纤在波长0.71.6μm之间有三个衰耗高峰,每两个衰耗峰之间有一个相对低的衷耗区域,这三个波长区域被用作光纤通讯的可用波长段,这三个波长段分别是0.85μm(短波长)、1.3μm(长波长),1.55μm(长波长)各种波长的光纤特性如下表所示:

光纤类型

波长

μm

衰耗

dB/km

带宽

GH.Km

多模光纤

0.85

23

23

1.3

0.51.2

0.21

单模光纤

1.3

0.40.8

20

1.55

0.20.6

20


1.4光纤通讯器件

在光纤通讯系统中,必须要有光/电、电/光能量转换器件,将电信号变成光信号,在光纤中传输;并将光纤中的光波信号还原成电信号。通常将电信号变成光信号的器件称为光纤发射器件或光源,将光信号转换为电信号的器件称为光纤接收器件。

1.5基本光纤通讯系统

一个基本光纤通讯系统应用这样几个部分组成,见图,发送调制、光源、光纤连接器、光纤通道、光纤接收器、接收解调;对于长线路,光纤通道中间应增设一个或多个光中继设备,由于继电保护专用光纤通道一般用于短线路,因此在实际工程,无需增设中继设备。

 

图2-4  基本光纤通信系统

发送调制就是将所需传送的保护信号(模拟电流信号或跳闸命令信号)变换成能够采用光纤通道传输的脉冲信号方式,常用的调制方式有脉码调制(PCM)、脉宽调制(PWM)、移频键控制(FSK)等。光源为LED,光纤接收器为PIN-FET,接收解调即将有关脉冲方式的信号还原成相应的保护信号形式。

对于一条光纤通道,整个通路的衰耗及接收裕度计算如下。假定一条光纤系统,LED输出功率为-20dBm1.3μm单模)。PIN-FET的灵敏度-40dBm,光纤长度为5Km,一般光纤接丝成缆的长度为2km,因此5km光纤就要有2个熔接点,并且两侧的连接器还有两个熔接点。其光纤通路的衰耗为:

光纤衰耗(0.4dB/km×5    2dB

熔接点(0.2dB/个×4    0.8dB

连接器(0.5dB/个×2    1dB

——————————————————

通道总衰耗             3.8dB

LED输出功率          -20dBm

总衰耗              3.8dB

——————————————————

实际接收电平          -23.8dBm

接收灵敏度(PIN-FET -40dBm

——————————————————

接收裕度               16.2dB

由计算可知,该光纤通道的衰耗为3.8dB,接收裕度为16.2dB。一般为了工作可靠,要求收信裕度大于5dB,即接收电平大于-35dBm

2  光纤保护在丹江电厂的实际应用

丹江电厂是华中电网的主调频厂,其电网联络线及外送线路较多。由于线路多相对来说发生线路故障的可能就较大,这就要求有可靠的保护装置来做“后盾”。

光纤保护(2FP-43A纵差保护)是1998年在丹江电厂110kV丹徐Ⅰ回线(丹江电厂至徐家沟变电站)首次使用,在使用期间该线路发生2次故障2FP-43A光纤纵差保护均正确动作,切除故障。

由于光纤保护有可靠的使用性,丹江电厂在对110kV丹徐Ⅱ回线保护改造中也使用了2FP-43A光纤纵差保护,据保护人员统计,在该保护投运期间丹徐Ⅱ回线发生3次故障,保护正确的动作3次,可以说2FP-43A光纤纵差式保护在丹江电厂的动作正确率达100%。据悉丹江电厂继将改造的220kV丹米线(丹江至米庄)保护也将采用光纤技术作为主保护配置。

由此可见光纤保护在电网的运用中大大提高了继电保护装置应满足的可靠性、选择性、灵敏性、速动性的要求,随着光纤保护的进一步投入使用,将为电力电网的安全稳定起更大的保障作用。

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